基于景觀格局優(yōu)化的水生態(tài)韌性提升
——以山東省林家村鎮(zhèn)為例

盧 剛， 王 琳

(中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青島 266100)

綠色基礎(chǔ)設(shè)施(green infrastructure，GI)由提出至今并未形成一致認(rèn)可的精確定義，而是在不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)被研究時(shí)依據(jù)各領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及需求進(jìn)行各自的分散定義。如美國環(huán)保署提出的GI是一種具有成本效益的、有韌性的雨水管理方法，可帶來諸多好處[1]；美國景觀協(xié)會則將其定義為整合系統(tǒng)規(guī)劃和管理的綠色空間網(wǎng)絡(luò)，通過多功能性提供協(xié)同效益[2]；而歐盟卻認(rèn)為GI是由自然和半自然區(qū)域及其他環(huán)境要素構(gòu)成的可提供廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的戰(zhàn)略規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)[1]。有研究指出，GI概念的這一模糊性促使其在不同領(lǐng)域的廣泛發(fā)展的同時(shí)，因定義、術(shù)語等應(yīng)用不一致而阻礙了其實(shí)際建設(shè)與應(yīng)用，被視作“雙刃劍”[3]。此外，GI的多尺度性進(jìn)一步提升了GI廣泛發(fā)展的可能性及隨之而來的理論研究及實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜性[4]。為緩解多尺度性對GI研究可能造成的阻礙，分別從設(shè)施尺度和系統(tǒng)尺度進(jìn)行剖析GI是一種可行之計(jì)，設(shè)施尺度的GI規(guī)劃以提供各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為目標(biāo)，而系統(tǒng)尺度的GI規(guī)劃是于生態(tài)系統(tǒng)視角，甚至是社會生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)視角保障GI系統(tǒng)可持續(xù)地運(yùn)行。本研究并非致力于探究GI的精確定義，而是聚焦于GI規(guī)劃于雨水管理和污水處理領(lǐng)域的研究，并以GI系統(tǒng)視角，探究保障GI規(guī)劃可持續(xù)地提供各項(xiàng)所需生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的途徑。

GI系統(tǒng)被廣泛認(rèn)定為綠色網(wǎng)絡(luò)，已有研究證實(shí)GI系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性取決于GI網(wǎng)絡(luò)的完整性和連通性等特性[5]。以生態(tài)規(guī)劃為理念的GI規(guī)劃所服務(wù)的對象是社會生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，系統(tǒng)本身在面對不可預(yù)知的外界擾動(dòng)之后能否應(yīng)對擾動(dòng)并恢復(fù)至受擾動(dòng)之前的狀態(tài)是GI規(guī)劃是否可行且可靠的重要判斷依據(jù)。因此GI規(guī)劃的相關(guān)研究也逐漸開始注意到生態(tài)系統(tǒng)韌性，即生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對擾動(dòng)的能力的提升對保障GI系統(tǒng)可持續(xù)地提供各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的作用。“韌性”概念起源于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，表示擾動(dòng)和恢復(fù)過程帶來的變化幅度[6]。Holling[7]通過將韌性定義為生態(tài)系統(tǒng)在不改變自組織過程，結(jié)構(gòu)和功能的情況下可承受的干擾量，從而在“生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性”的更廣泛框架內(nèi)推廣了這一術(shù)語。因此，生態(tài)系統(tǒng)的韌性有3個(gè)特征定義：①系統(tǒng)承受維持其基本功能的干擾的能力；②自組織的能力；③增強(qiáng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力的能力[8]。目前針對水生態(tài)系統(tǒng)韌性評估的研究較少，相關(guān)研究多是基于韌性城市理論，從基礎(chǔ)設(shè)施韌性、社會韌性、經(jīng)濟(jì)韌性和生態(tài)韌性等方面進(jìn)行城市韌性的評估[9]。Ahern[10]提出的生態(tài)韌性提升的原則，即多功能性、冗余度和模塊化、多樣性、多尺度網(wǎng)絡(luò)和連通性、適應(yīng)性規(guī)劃和設(shè)計(jì)，詳述了提升生態(tài)系統(tǒng)韌性的機(jī)理，即系統(tǒng)是否具有韌性以及量化韌性的研究可參考這些原則進(jìn)行評估。實(shí)地研究如Liu等[11]基于城市景觀視角，構(gòu)建包含多樣性、連通性、分散化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給四方面的指標(biāo)體系用于評估沈陽市的韌性，并通過在韌性和景觀特征之間建立聯(lián)系以指導(dǎo)規(guī)劃實(shí)踐。Salvati等[8]通過氣候質(zhì)量指數(shù)、土壤質(zhì)量指數(shù)、植被質(zhì)量指數(shù)和土地管理質(zhì)量指數(shù)構(gòu)成的環(huán)境敏感區(qū)評價(jià)方法對意大利土地的脆弱性進(jìn)行了評價(jià)，并由環(huán)境敏感區(qū)域指數(shù)(environmentally sensitive area index，ESAI)的差值表征韌性，評估了1960—2010年意大利土地的脆弱性和韌性變化。

基于空間格局和生態(tài)過程相互作用的景觀格局優(yōu)化被視作提升水生態(tài)系統(tǒng)韌性的途徑，景觀格局同景觀中的各生態(tài)過程密切相關(guān)，決定了資源和物理環(huán)境的分布形式及組合，生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)對擾動(dòng)及恢復(fù)的能力、穩(wěn)定性和生物多樣性等有重要作用[12]。景觀格局即景觀要素的形狀、比例、空間分布等特征，斑塊、廊道、基質(zhì)的布局為提升水生態(tài)韌性提供了具體操作途徑[12]。有學(xué)者指出GI網(wǎng)絡(luò)是依靠生態(tài)用地的完整性(斑塊作用)和連通性(廊道作用)來提供生態(tài)系統(tǒng)功能，因此改善GI網(wǎng)絡(luò)的完整性和連通性，即斑塊和廊道優(yōu)化是GI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的核心任務(wù)[13]。景觀格局優(yōu)化本質(zhì)上是調(diào)整景觀空間結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性等為目標(biāo)，構(gòu)建維持區(qū)域生態(tài)過程的空間格局[14]。相關(guān)研究[15]首先根據(jù)視覺敏感度和生態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)確定貴州省從江縣加車谷的核心梯田區(qū)域的保護(hù)范圍，并通過形態(tài)空間格局分析確定了森林斑塊和廊道緩沖區(qū)的核心區(qū)，繼而以最小累積阻力模型構(gòu)建生態(tài)廊道，完成該地區(qū)的景觀格局優(yōu)化。景觀格局優(yōu)化至今已形成以通過斑塊、廊道、節(jié)點(diǎn)和基質(zhì)等的綜合優(yōu)化從而構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究思路。值得一提的是，由于生態(tài)系統(tǒng)韌性量化研究尚處于初步階段，因此將景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)韌性整合的量化研究并不多見，如Liu等[16]采用歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、森林斑塊數(shù)量、斑塊大小、斑塊周長面積比和聚集指數(shù)構(gòu)成評估森林生態(tài)系統(tǒng)韌性的指標(biāo)體系，并得出該研究中40%的森林在受到擾動(dòng)后表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性，恢復(fù)至受擾動(dòng)之前狀態(tài)的實(shí)際時(shí)間低于一年。因此，深入探究景觀格局優(yōu)化對生態(tài)系統(tǒng)韌性提升的積極意義，尤其以定量而非定性形式的研究亟待進(jìn)行。

基于山東省諸城市林家村鎮(zhèn)對雨水管理和污水處理設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)需求，及GI相較于傳統(tǒng)雨水和污水管理設(shè)施的優(yōu)越性，結(jié)合GI相關(guān)理論和實(shí)際研究，分析各階段存在的問題，得出科學(xué)的雨水、污水GI規(guī)劃研究應(yīng)在充分掌握已有研究成果和研究區(qū)實(shí)況的基礎(chǔ)上，確定規(guī)劃目標(biāo)，盡可能考慮GI的多功能性；繼而依據(jù)水文生態(tài)耦合研究，在明晰水文和生態(tài)過程交互機(jī)制的基礎(chǔ)上，有根據(jù)地選定設(shè)施類型組合并確定規(guī)模；基于“千層餅”理論構(gòu)建可體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)多方面特點(diǎn)的綜合指標(biāo)體系并借助于遙感、模擬等技術(shù)手段進(jìn)行對研究區(qū)所選GI的建設(shè)適宜性評價(jià)以指導(dǎo)選址；最終在整個(gè)研究區(qū)及更大尺度上耦合生態(tài)過程和水文過程等的綜合作用，以景觀格局優(yōu)化為提升水生態(tài)韌性的技術(shù)路線完成GI網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化以支持GI可持續(xù)地提供各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[17]。林家村鎮(zhèn)已完成設(shè)施尺度的雨水管理和污水處理GI的目標(biāo)制定、類型選擇、數(shù)量及規(guī)模確定以及選址規(guī)劃研究，因此現(xiàn)聚焦于系統(tǒng)尺度的GI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以林家村鎮(zhèn)為研究對象，通過景觀格局優(yōu)化構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)實(shí)現(xiàn)研究區(qū)水生態(tài)韌性的提升，以保障GI可持續(xù)地提供各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。明確提出GI研究應(yīng)分為設(shè)施尺度和系統(tǒng)尺度，并指出提升水生態(tài)系統(tǒng)韌性是從GI系統(tǒng)尺度探索可持續(xù)地提供各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的途徑，明確通過景觀格局優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)韌性的提升的技術(shù)路線。在對相關(guān)研究的回顧總結(jié)中發(fā)現(xiàn)，無論是水生態(tài)系統(tǒng)韌性提升或是景觀格局優(yōu)化的研究，均具有較高程度的分散性，相關(guān)概念的整合也并不緊密，這與GI概念的模糊性有關(guān)，關(guān)于水生態(tài)韌性的量化研究尚處于初探階段，指標(biāo)、量化標(biāo)準(zhǔn)均不統(tǒng)一，且以對城市綜合韌性的評估為主。為彌補(bǔ)上述不足，依據(jù)“斑塊-廊道-基質(zhì)”理論，在識別研究區(qū)生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)，建立起景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，依據(jù)自然水文狀態(tài)，有針對性地拓寬及疏通現(xiàn)狀河段，構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)以增強(qiáng)水系與研究區(qū)內(nèi)各景觀要素的連通性，給出切實(shí)可行的水生態(tài)韌性提升的技術(shù)路線，可為類似的景觀格局優(yōu)化研究提供參考。構(gòu)建的生態(tài)水網(wǎng)可支持并促進(jìn)研究區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)流運(yùn)行，通過水文過程與生態(tài)過程的耦合，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)韌性提升，是對韌性提升研究在水生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域的拓展，并于系統(tǒng)尺度為相關(guān)的GI規(guī)劃提供了水生態(tài)系統(tǒng)韌性提升以保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)提供的參考。最終構(gòu)建水生態(tài)韌性提升效果評估體系，評估優(yōu)化前后的水生態(tài)韌性提升效果以佐證所規(guī)劃生態(tài)水網(wǎng)的效用，證實(shí)景觀格局優(yōu)化作為水生態(tài)系統(tǒng)韌性提升技術(shù)路線的可靠性，也是對水生態(tài)系統(tǒng)韌性量化研究的探索，對仍處于初步階段的生態(tài)系統(tǒng)韌性量化評估研究，尤其是評價(jià)指標(biāo)的選擇及權(quán)重確定具有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

林家村鎮(zhèn)位于山東省濰坊市諸城市東南部，如圖1所示，全鎮(zhèn)面積315.36 km2，轄167個(gè)行政村，27個(gè)社區(qū)，人口9.6萬。溫帶季風(fēng)氣候，冬長干冷，春旱多風(fēng)，夏季濕熱，秋涼多晴。最高溫度可達(dá)39 ℃，最低-18 ℃；年平均降水量749.1 mm。地表巖性類型主要包括石英砂巖、頁巖、集塊巖、角砂巖、片巖等。百尺河、盧河、扶淇河、吉利河和膠河五條河流流經(jīng)該鎮(zhèn)，且鎮(zhèn)域溝渠發(fā)達(dá)，總長312.65 km；鎮(zhèn)內(nèi)有郭家村水庫、麻姑館水庫、石門水庫等。

圖1 林家村鎮(zhèn)地理位置圖Fig.1 Location map of Linjiacun Town

鎮(zhèn)域無覆蓋完全的污水處理設(shè)施，僅鎮(zhèn)駐地有一座污水處理廠用于鎮(zhèn)駐地及周邊的污水處理，主要服務(wù)于林家一社區(qū)、林家二社區(qū)和林家三社區(qū)，其余社區(qū)的污水直接排放至地表水體，城市地區(qū)廣泛采用的集中式污水處理技術(shù)并不適用于鎮(zhèn)域內(nèi)污水來源較為分散的農(nóng)村地區(qū)，覆蓋全鎮(zhèn)的污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已被提上日程，《諸城市國家生態(tài)文明建設(shè)范市縣規(guī)劃》等政府文件亦明確指出在轄區(qū)內(nèi)開展綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以解決其生態(tài)環(huán)境問題的必要性。

2 數(shù)據(jù)來源

結(jié)合諸城市國土資源局提供的林家村鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀圖和林家村鎮(zhèn)30 m分辨率的Landsat-TM 影像，通過ArcGIS軟件將其目視解譯為矢量數(shù)據(jù)，從而得出林家村鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀圖，并進(jìn)一步劃分景觀用地類型。通過地理空間數(shù)據(jù)云下載林家村鎮(zhèn)30 m分辨率數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM) 數(shù)據(jù)并由此通過ArcGIS提取坡度數(shù)據(jù)。根據(jù)《諸城市林家村鎮(zhèn)總體規(guī)劃(2010—2020年)》《諸城市林家村西海岸精密裝備科技小鎮(zhèn)概念規(guī)劃》、諸城市人民政府報(bào)告等資料并進(jìn)行實(shí)地考察獲取林家村鎮(zhèn)人口、企業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施概況、污水處理現(xiàn)狀及未來規(guī)劃目標(biāo)等信息。并利用ArcGIS技術(shù)將不同來源獲取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行地理配準(zhǔn)、投影與變換、矢量及柵格處理使多項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同一投影坐標(biāo)系下的shapefile文件。景觀指數(shù)則以ArcGIS輸出數(shù)據(jù)由Fragstats分析得出。

3 景觀格局優(yōu)化

景觀格局優(yōu)化的理論研究主要針對景觀結(jié)構(gòu)、功能與生態(tài)過程的相互作用及影響，通過調(diào)整各類景觀在空間和數(shù)量上的布局實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。基于研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀及不同景觀類型可提供的生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值對其用地類型進(jìn)行重新分類，于Arcgis中將原11種土地利用類型劃分為六項(xiàng)景觀類型，即水體(原河流、水庫、坑塘)、林地(原林地)、綠地(原綠地)、農(nóng)業(yè)用地(原耕地、草地)、裸地(原裸地)和建筑用地(原居民區(qū)、混凝土道路、農(nóng)村道路)，上述景觀要素的生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值據(jù)相關(guān)研究于表1中列出，生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值越高，對生態(tài)流運(yùn)行的阻力越小，反之則越大。通過Arcgis提取研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地和基質(zhì)，并基于生態(tài)源地之間的成本距離提取生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)并可視化，構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局；針對現(xiàn)狀河段，盡量遵循自然水文狀態(tài)，進(jìn)行河段延長及拓寬規(guī)劃，提升水生態(tài)系統(tǒng)的連通性與整體性，促進(jìn)生態(tài)源地及各景觀類型之間的生態(tài)流、物質(zhì)流和能量流，耦合水文過程與生態(tài)過程，形成可提升水生態(tài)韌性的生態(tài)水網(wǎng)系統(tǒng)。

表1 林家村鎮(zhèn)景觀類型及阻力Table 1 Landscape type and resistance value in Linjiacun Town

3.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地被認(rèn)為是具有重要生態(tài)功能的保護(hù)區(qū)，在區(qū)域生態(tài)過程和功能中起著決定性作用[18]，生態(tài)源地的規(guī)模、穩(wěn)定性、生物多樣性、源地斑塊內(nèi)部及之間的物質(zhì)能量交換等都是其重要特性。Fu等[14]通過緩沖分析得出林地增長率隨生態(tài)源地緩沖距離增加而變化的曲線，并將林地增量速率隨著緩沖距離增加而開始下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為生態(tài)源地的最佳擴(kuò)散距離，并由此得出了19個(gè)生態(tài)源地各自的最佳緩沖距離作為生態(tài)源地優(yōu)化的依據(jù)。生態(tài)源地向外擴(kuò)散后，原本在空間上未連接的相鄰生態(tài)源地將逐漸連接，增強(qiáng)其聯(lián)系和凝聚力，提高其應(yīng)對擾動(dòng)的韌性，可以提供更穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。在研究中多以具有一定規(guī)模的可提供重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的景觀類型斑塊作為生態(tài)源地，研究中選取斑塊連續(xù)面積大于60 hm2的綠地、林地和水體作為生態(tài)源地，共計(jì)154個(gè)，共4 285.99 hm2。

3.2 生態(tài)廊道提取

廊道被定義為呈條狀或帶狀分布的景觀要素，主要有分布在其他景觀類型基質(zhì)中的植被、水體、道路等組成，如綠道、河流和公路等。生態(tài)廊道是區(qū)域生態(tài)源地之間物質(zhì)和能量流動(dòng)的連通載體，可增強(qiáng)連通和保護(hù)功能，是生態(tài)源地之間物質(zhì)能量流動(dòng)阻力最小的路徑，其最主要的生態(tài)功能被認(rèn)為是為物種遷移提供必不可少的通道，建立廊道線狀聯(lián)系將孤立的生態(tài)斑塊連接起來可提高物種、群落和生態(tài)過程的連續(xù)性，通過生態(tài)廊道數(shù)量的增加、連通以及拓寬等優(yōu)化可達(dá)到提升生態(tài)韌性的目的。

于ArcGIS中構(gòu)建生態(tài)源地之間生態(tài)流運(yùn)行的累積成本距離表面，即先為6種景觀類型賦予阻力值，各類阻力值參考文獻(xiàn)[19]確定，如表1所示，于Arcgis中將研究區(qū)景觀類型柵格基于阻力值進(jìn)行重分類，將各阻力值賦予相應(yīng)的景觀類型，生成阻力柵格。利用該軟件中的成本距離工具得出研究區(qū)柵格中所有像元至其最近生態(tài)源地的累積阻力值，即累積成本距離表面，累積成本距離模型的計(jì)算公式為

Ci=∑DijNj,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m

(1)

式(1)中：Ci為第i個(gè)像元至其最近生態(tài)源地的累積成本距離；Dij為第i個(gè)像元至最近生態(tài)源地經(jīng)過第j類景觀類型的空間距離；Nj為第j種景觀類型的阻力值；n為像元個(gè)數(shù)；m為景觀類型數(shù)。

最終得出研究區(qū)累積成本距離表面柵格如圖2所示，并以累積成本距離表面作為輸入，通過ArcGIS水文分析模塊中的填洼、流向、匯流累積量等工具[20]，設(shè)定閾值為2 500，以識別生態(tài)源地間累積成本距離的最小成本路徑作為研究區(qū)內(nèi)生態(tài)廊道并矢量化，結(jié)果如圖3所示，共103段，總長為116.01 km。

圖2 林家村鎮(zhèn)累積成本距離表面Fig.2 Cumulative cost distance surface in Linjiacun Town

圖3 林家村鎮(zhèn)景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Landscape ecological network in Linjiacun Town

3.3 生態(tài)節(jié)點(diǎn)識別

生態(tài)節(jié)點(diǎn)是連接生態(tài)廊道的關(guān)鍵點(diǎn)，其周圍的景觀組分跨度較大，可連通周圍多種景觀組分，但易受干擾，生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱，生態(tài)節(jié)點(diǎn)在生態(tài)廊道的連通性和景觀格局整體的穩(wěn)定性方面起著關(guān)鍵作用。依據(jù)景觀組分連通性原理將研究區(qū)103段生態(tài)廊道的交匯處作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)，其分布狀況如圖3所示，共28個(gè)，較為均勻地分布于整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，且多位于河段節(jié)點(diǎn)處。

3.4 基質(zhì)識別

基質(zhì)是景觀系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的鑲嵌類型，是生態(tài)空間中占據(jù)面積最大的空間要素，基地比斑塊、廊道單元具有更高的連續(xù)性，可促進(jìn)生態(tài)斑塊之間的物質(zhì)、能量和信息交流，為斑塊發(fā)展提供背景環(huán)境及生態(tài)安全保障。提高基質(zhì)連通度可降低物種穿越基質(zhì)的阻力，有利于物種多樣性。反映基質(zhì)所含斑塊密度的孔隙度可指示景觀中物種的隔離程度，一般孔隙度越低，斑塊間物種交換越受限。此外，基質(zhì)邊界的形狀也影響物種遷移，通常漸變邊界比突變邊界阻力低。通過分析研究區(qū)土地利用類型占地面積的研究可知，耕地面積占比75.76%，是林家村鎮(zhèn)的生態(tài)基質(zhì)。

4 生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建

構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)是景觀格局優(yōu)化提升水生態(tài)系統(tǒng)韌性的規(guī)劃中的重要措施，通過對系統(tǒng)的生態(tài)安全格局中的生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點(diǎn)和基質(zhì)進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃，如通過生態(tài)斑塊的增減、合并、形態(tài)改變等途徑實(shí)現(xiàn)斑塊空間重構(gòu)；通過生態(tài)廊道數(shù)量的增加、連通以及拓寬等優(yōu)化；從連接度、孔隙度、基質(zhì)邊界等方面進(jìn)行基質(zhì)的調(diào)整等管理手段，皆可不同程度提升水生態(tài)韌性。本研究結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)狀況，借鑒景觀格局優(yōu)化的相關(guān)研究成果，發(fā)現(xiàn)對生態(tài)源地和基質(zhì)進(jìn)行大面積土地利用類型重構(gòu)難度較大，采用廣泛的生態(tài)廊道優(yōu)化可行性較高，不僅有利于整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)的連通性提升，使得生態(tài)源地與各景觀類型間物質(zhì)流、能量流和信息流的運(yùn)行更為通暢，且現(xiàn)狀土地利用類型需重建的面積較小，投資費(fèi)用較低。生態(tài)廊道是連接區(qū)域生態(tài)資源的橋梁，促進(jìn)了生態(tài)流的流通，確保了土地的生態(tài)連通性，有利于形成了一個(gè)完整的相互聯(lián)系的生態(tài)系統(tǒng)，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力[14]。為了最大程度保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避免干擾，特別是不應(yīng)破壞原有生態(tài)廊道，不阻礙生態(tài)流的擴(kuò)散和流通，并通過增加廊道的生態(tài)化(綠色基礎(chǔ)設(shè)施)來增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

利用ArcGIS軟件中的水文工具模塊，從中國地理空間數(shù)據(jù)云，下載研究區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)。首先將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Arcgis中，提取洼地后識別地理實(shí)況中真正的洼地，利用[填洼]工具進(jìn)行處理，得到研究區(qū)無洼地的DEM數(shù)據(jù)；再由[流向]工具得到每個(gè)30 m×30 m像元的水流流向柵格；將上步結(jié)果用[匯流分析]工具分析每個(gè)像元由上游匯流入內(nèi)的流量值；最終通過[流量]工具，經(jīng)匯流分析后得出的柵格值視為水流量累計(jì)值，通過不斷對比調(diào)試設(shè)置合適閾值，將流量超過該閾值的柵格作為水流路徑，繼而構(gòu)成河網(wǎng)，研究最終設(shè)置閾值為3 500，通過柵格計(jì)算器得出研究區(qū)河網(wǎng)分布；再由[分水嶺]工具劃分研究區(qū)68個(gè)匯水區(qū)如圖4所示。以研究區(qū)現(xiàn)狀河段為基礎(chǔ)，結(jié)合ArcGIS水文分析階段提取的研究區(qū)匯水區(qū)分布、自然水文狀態(tài)下河網(wǎng)的最佳分布，以及提取的生態(tài)廊道分布，進(jìn)行現(xiàn)狀河段的拓寬或延長以保護(hù)生態(tài)功能價(jià)值高的河段并提升生態(tài)功能價(jià)值較低河段的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力，構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)，提升研究區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的韌性。

圖4 匯水區(qū)及現(xiàn)狀河段分布Fig.4 Distribution of catchment area and current watercourse

基于提升研究區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的連通性和整體性進(jìn)行生態(tài)水網(wǎng)的規(guī)劃，具體方案為在現(xiàn)狀河段的基礎(chǔ)上，識別出水文分析工具所提取的河網(wǎng)中位于生態(tài)廊道位置上或可連通現(xiàn)狀河段與生態(tài)源地、連通河段與生態(tài)廊道的部分作為規(guī)劃河段，最大程度遵循自然水文循環(huán)，降低系統(tǒng)內(nèi)部分生態(tài)流的阻力，增強(qiáng)水網(wǎng)連通性，實(shí)現(xiàn)水文過程與生態(tài)過程的耦合。于ArcGIS進(jìn)行相關(guān)操作確定規(guī)劃河段如圖5所示，規(guī)劃河段共13段，總長17.10 km。并對符合生態(tài)水網(wǎng)布局要求的現(xiàn)狀河段進(jìn)行疏通排淤等保護(hù)措施，最終形成生態(tài)水網(wǎng)系統(tǒng)布局如圖5所示。

圖5 林家村鎮(zhèn)規(guī)劃生態(tài)水網(wǎng)Fig.5 Planned ecological water network in Linjiacun Town

5 水生態(tài)系統(tǒng)韌性提升

水生態(tài)系統(tǒng)韌性雖尚未形成統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但評估系統(tǒng)應(yīng)對擾動(dòng)的韌性可視為由暴露性、敏感性和適應(yīng)性共同組成，已有研究對景觀格局優(yōu)化作為適應(yīng)性規(guī)劃，是提升水生態(tài)韌性的技術(shù)路線給予肯定，實(shí)際評估可選取表征景觀格局的指標(biāo)，依據(jù)生態(tài)韌性修復(fù)的五項(xiàng)原則，基于生態(tài)過程與水文過程之間的交互機(jī)制，并選取合適的方法確定指標(biāo)權(quán)重構(gòu)成評價(jià)體系。

5.1 水生態(tài)韌性提升效果評價(jià)指標(biāo)體系

在景觀格局優(yōu)化研究中，廣泛采用景觀格局指數(shù)方法表征生態(tài)網(wǎng)絡(luò)屬性，景觀格局指數(shù)是定量化研究景觀格局變化的主要研究方法。景觀格局指數(shù)包括斑塊類型總面積、斑塊數(shù)量、斑塊密度、分維數(shù)、連通度指數(shù)、景觀破碎化指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均度指數(shù)和聚集度指數(shù)等。作為量化斑塊、廊道及整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)多項(xiàng)屬性的一系列景觀格局指數(shù)已廣泛應(yīng)用于量化評估不同土地利用對構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的影響[21]，景觀格局指數(shù)可表征景觀格局的結(jié)構(gòu)和功能連通狀況，是量化分析景觀格局與生態(tài)過程交互作用的工具。通過景觀格局指數(shù)的識別與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)斑塊、廊道、節(jié)點(diǎn)和基質(zhì)的優(yōu)化，構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用景觀水平、空間水平等不同景觀格局指數(shù)，比較景觀格局在空間上或時(shí)間上的變化，刻畫景觀格局異質(zhì)性的特征。如趙凌棟等[22]綜合斑塊聚集度指數(shù)、連通度指數(shù)等多個(gè)景觀格局指數(shù)構(gòu)建生態(tài)水文連通度綜合指數(shù)評估了水位變化及人類活動(dòng)影響對高郵湖濕地連通性的影響。景觀格局指數(shù)可通過Fragstats軟件計(jì)算，用以表征景觀格局的結(jié)構(gòu)和功能連通狀況，是量化探究景觀格局與生態(tài)過程交互作用的工具。通過景觀格局指數(shù)的識別與調(diào)整實(shí)現(xiàn)斑塊、廊道、節(jié)點(diǎn)和基質(zhì)的優(yōu)化，構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用景觀水平、空間水平等不同景觀格局指數(shù)，比較景觀格局在空間上或時(shí)間上的變化，描述景觀格局異質(zhì)性的特征。遙感影像、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)等空間方法結(jié)合景觀指數(shù)應(yīng)用，加強(qiáng)了景觀格局空間分析的可視化表達(dá)。因此本研究參考相對成熟的韌性城市評估及類似的生態(tài)系統(tǒng)韌性評估研究所提取的指標(biāo)體系，結(jié)合生態(tài)韌性修復(fù)的多功能性、冗余度和模塊化、多樣性、多尺度網(wǎng)絡(luò)和連通性、適應(yīng)性規(guī)劃和設(shè)計(jì)原則，并考慮研究區(qū)實(shí)際情況篩選出可體現(xiàn)水文過程與生態(tài)過程交互作用的景觀格局指數(shù)作為水生態(tài)韌性提升評估指標(biāo)，以量化評估區(qū)域景觀格局優(yōu)化前后的水生態(tài)韌性提升效果，其差值作為韌性提升效果的評判依據(jù)，選取斑塊密度、分維數(shù)、連通度、香農(nóng)均度、聚集度和香農(nóng)多樣性6個(gè)指標(biāo)評估研究區(qū)進(jìn)行景觀格局優(yōu)化前后各自的水生態(tài)韌性提升，并對各指標(biāo)進(jìn)行水生態(tài)韌性提升效果賦值，1～5分別對應(yīng)提升作用由低到高，指標(biāo)體系如表2所示。

表2 水生態(tài)韌性提升效果評價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Evaluation System of water ecological resilience improvement

上述6項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重同樣由層次分析法構(gòu)建判斷矩陣得出，采用1～5標(biāo)度方法用于指標(biāo)間重要性的打分，1～5分別表示i指標(biāo)比j指標(biāo)同等重要、稍微重要、比較重要、非常重要和極端重要，依據(jù)專家打分構(gòu)建指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣如表3所示。

表3 水生態(tài)韌性提升效果評價(jià)指標(biāo)判斷矩陣Table 3 Evaluation indexes judgment matrix of water ecological resilience improvement

經(jīng)由MATLAB計(jì)算適宜性評價(jià)指標(biāo)判斷矩陣的最大特征值λmax=6.144 2，斑塊密度、分維數(shù)、連通度、香農(nóng)均度、聚集度和香農(nóng)多樣性的權(quán)重分別為0.056 2、0.157 3、0.356 2、0.103 9、0.103 9和0.222 5。對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)分析，一致性指標(biāo)CI=(λmax-n)/(n-1)=0.028 8(n為指標(biāo)個(gè)數(shù)),六階矩陣對應(yīng)隨機(jī)性指標(biāo)RI=1.24，因此隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI=0.023 2<0.1，該判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。

5.2 景觀格局優(yōu)化前后水生態(tài)韌性提升效果評估

通過Fragstats軟件分別提取景觀格局優(yōu)化前后的景觀指數(shù)如表4所示，依據(jù)水生態(tài)韌性提升效果評估指標(biāo)體系分別計(jì)算二者的提升水生態(tài)韌性能力的評價(jià)值，公式為

表4 景觀格局優(yōu)化前后林家村鎮(zhèn)景觀指數(shù)值Table 4 Landscape metrics value before and after landscape pattern optimization in Linjiacun Town

(2)

式(2)中：ΔR為水生態(tài)韌性提升值；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)，共6項(xiàng)；Vi表示第i個(gè)指標(biāo)的水生態(tài)韌性提升效果值；wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

依據(jù)式(2)計(jì)算得出景觀格局優(yōu)化構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)前后研究區(qū)的景觀格局對水生態(tài)韌性的提升能力評價(jià)值分別為3.38和4.03，以本研究構(gòu)建的水生態(tài)韌性提升評估體系可得出優(yōu)化前后研究區(qū)的景觀格局對水生態(tài)韌性的提升作用上升了19.23%，證實(shí)了構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)對研究區(qū)水生態(tài)韌性提升的積極效用，增強(qiáng)研究區(qū)應(yīng)對擾動(dòng)的能力，使雨水管理與污水處理GI規(guī)劃在社會生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)層面具有長效持續(xù)地提供各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保障。

6 結(jié)論

(1)為保障研究區(qū)雨水管理與污水處理GI可持續(xù)地提供各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，進(jìn)行了水生態(tài)韌性提升研究，即研究區(qū)社會生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)應(yīng)對未來不可預(yù)知的各種擾動(dòng)時(shí)，可吸收部分?jǐn)_動(dòng)并在擾動(dòng)之后可恢復(fù)至受擾動(dòng)之前狀態(tài)的能力。在明確景觀格局優(yōu)化構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)作為水生態(tài)韌性提升路徑的前提下，確定在研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)安全格局識別并規(guī)劃生態(tài)水網(wǎng)，并對規(guī)劃方案的水生態(tài)韌性提升效果加以評估。

(2)景觀格局優(yōu)化構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)是水生態(tài)韌性提升的有效路徑，在研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)安全格局識別并構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)。于Arcgis中將研究區(qū)土地利用類型柵格重分類為六類景觀類型，基于“斑塊-廊道-基質(zhì)”理論，確定耕地為研究區(qū)生態(tài)基質(zhì)，識別生態(tài)源地共154個(gè)，面積為4 285.99 hm2。通過構(gòu)建累積成本距離表面識別研究區(qū)103段生態(tài)廊道，總長為116.01 km，并以廊道交點(diǎn)為28個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)?；诂F(xiàn)狀河段，選取水文分析工具所提取的河網(wǎng)中位于生態(tài)廊道位置上、可連通現(xiàn)狀河段與生態(tài)源地以及可連通河段與生態(tài)廊道的部分作為規(guī)劃河段，完成生態(tài)水網(wǎng)規(guī)劃，增強(qiáng)水網(wǎng)連通性。得出規(guī)劃河段共13段，總長17.10 km，對符合布局要求的現(xiàn)狀河段進(jìn)行疏通排淤等保護(hù)措施，完成生態(tài)水網(wǎng)規(guī)劃。

(3)為對優(yōu)化前后景觀格局優(yōu)化效果進(jìn)行評估，即分析研究區(qū)生態(tài)水網(wǎng)的構(gòu)建對水生態(tài)韌性提升的作用，以水生態(tài)韌性提升效果為對象構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系。選取六項(xiàng)景觀指數(shù)用以量化評估優(yōu)化前后不同的景觀格局提升水生態(tài)韌性的能力，通過水生態(tài)韌性提升效果評價(jià)體系分別量化表述景觀格局優(yōu)化前后的景觀指數(shù)對水生態(tài)韌性的提升效果，并以提升效果評價(jià)值的差值直觀表示景觀格局優(yōu)化對水生態(tài)韌性的提升作用。通過Fragstats提取構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)前后的斑塊密度、分維數(shù)、連通度、香農(nóng)均度、聚集度和香農(nóng)多樣性，結(jié)合由層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重，得出優(yōu)化前后景觀格局對其水生態(tài)韌性提升效果評價(jià)值分別為3.38和4.03，優(yōu)化后的效果提升了19.23%。該評價(jià)體系不僅彌補(bǔ)了研究區(qū)難以獲取足夠社會經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的缺陷、驗(yàn)證了景觀格局優(yōu)化作為水生態(tài)韌性提升途徑的科學(xué)性，更是對尚處于起步階段的水生態(tài)韌性量化研究的積極探索。