四川眉山市彭山區(qū)生態(tài)空間格局構(gòu)建?
——基于MSPA 與生態(tài)擴張適宜性分析

鄧靖琳 沈 一 王倩娜 雷 雪 高黃根

1 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065

2 四川省國土空間規(guī)劃研究院 成都 610081

隨著城鎮(zhèn)化進程不斷加快, 生態(tài)空間格局處于持續(xù)的動態(tài)變化之中, 可能導(dǎo)致生態(tài)空間完整性與連通性降低。 因此, 秉承生態(tài)空間價值理念,揭示生態(tài)空間時空演變特征, 構(gòu)建生態(tài)空間格局對于指導(dǎo)生態(tài)保護與修復(fù)具有必要性與重要性[1－2]。

目前, 生態(tài)空間格局構(gòu)建多為單一運用景觀生態(tài)學(xué)理論“斑塊、 廊道、 基質(zhì)” 三要素直接構(gòu)建, 或是用生態(tài)敏感性、 生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)價值評價等方法對生態(tài)重要性進行綜合指標評價間接構(gòu)建兩種方式[3]。 Soille[4]提出的形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA) 被廣泛應(yīng)用于生態(tài)空間形態(tài)可視化分析, 但生態(tài)空間形態(tài)演變特征量化分析亟待深入研究。 因此,結(jié)合基于圖像處理的MSPA 模型和轉(zhuǎn)移矩陣分析,能夠定位生態(tài)空間重要區(qū)域, 并量化生態(tài)空間形態(tài)演變情況[5]； 耦合“退化壓力－供給狀態(tài)－修復(fù)潛力” 三維度表征生態(tài)空間的擴張適宜性, 能夠客觀反映多個因子間的相互作用并最終指示生態(tài)空間分區(qū)[6]。 上述兩種方法在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[7]、區(qū)域生態(tài)適宜性評價[8]等方面均已取得一定成果,但結(jié)合兩種方法進行生態(tài)空間格局分析與構(gòu)建尚屬少見。

彭山區(qū)作為眉山市北部與成都新津區(qū)、 雙流區(qū)相接的區(qū)域, 是整個眉山市生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展矛盾最突出、 生態(tài)修復(fù)形勢最緊迫的區(qū)域[9]。 在彭山區(qū)全面推進生態(tài)文明建設(shè)的大背景下, 城市生態(tài)空間質(zhì)量有待提高, 保護生態(tài)系統(tǒng)刻不容緩。 目前, 彭山區(qū)已有研究主要圍繞土地資源承載力[10]、 地質(zhì)環(huán)境承載力評價[11]等反面展開, 生態(tài)空間相關(guān)研究較少, 因此分析區(qū)域生態(tài)空間形態(tài)演變與生態(tài)擴張適宜性,耦合多方面因素構(gòu)建生態(tài)空間格局, 能夠為彭山區(qū)生態(tài)空間帶來新的保護修復(fù)方案與治理途徑。 因此, 文章將眉山市彭山區(qū)作為研究對象,著眼于分析生態(tài)空間動態(tài)數(shù)量關(guān)系, 耦合基于MSPA 的生態(tài)空間形態(tài)演變直觀分析與生態(tài)擴張適宜性客觀評價兩種方式展開研究[12], 旨在提升區(qū)域生態(tài)空間質(zhì)量, 為區(qū)縣尺度的國土空間生態(tài)保護修復(fù)提供新思路。

1 研究區(qū)概況

眉山市彭山區(qū)(30°07′—30°21′N, 103°40′—103°59′E) 位于四川盆地與川西北丘狀高原山地過渡地帶前緣, 總面積為465 km2。 區(qū)境內(nèi)海拔410.0~711.6 m, 總體地勢西高東低, 北高南低,分為低山、 丘陵和河谷平原三種地貌類型, 主要山脈有東山龍泉山、 西山總崗山。 彭山區(qū)以中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候為主, 年降水量991.0 mm。 地處岷江中游, 正處于長江上游的重要支流上, 有天然溪溝80 余條。 植物資源豐富, 樹種有4 類71科232 種, 2020 年彭山區(qū)全區(qū)森林覆蓋率提升至37.2%。 區(qū)境內(nèi)自然條件優(yōu)越, 全域分布彭祖山省級風(fēng)景名勝區(qū)、 五湖四海、 彭溪河、 毛河濕地公園等自然保護區(qū)。 2020 年彭山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量穩(wěn)步提高, 城鎮(zhèn)化率53.49%, 地區(qū)生產(chǎn)總值183.39 億元, 增長4.5%, 全區(qū)三類產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為9.7 ∶45 ∶45.3。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1) 自然要素數(shù)據(jù)。 DEM 數(shù)據(jù)、 河流數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、 自然災(zāi)害點、 環(huán)境污染區(qū)數(shù)據(jù)源自眉山市自然資源局提供的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包；30 m NDVI 數(shù)據(jù)源自地理空間數(shù)據(jù)云； 降水?dāng)?shù)據(jù)源自中國地面累日值數(shù)據(jù)。

2) 社會經(jīng)濟要素數(shù)據(jù)。 30 m 土地利用數(shù)據(jù)源自地理空間數(shù)據(jù)云； 道路數(shù)據(jù)源自眉山市自然資源局提供的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包； GDP 數(shù)據(jù)及人口數(shù)據(jù)源自2020 年眉山市彭山區(qū)人民政府工作報告； 地均節(jié)能環(huán)保支出數(shù)據(jù)源自?眉山市統(tǒng)計年鑒(2020 年) ?。 其中, 30 m 土地利用數(shù)據(jù)使用2005、 2020 年7 月LandsatTM 和Landsat8 遙感影像, 基于ENVI 5.1 軟件進行多波段合成、 輻射校正、 幾何校正、 拼接處理、 裁剪處理后, 根據(jù)LUCC 分類體系監(jiān)督分類, 將研究區(qū)用地分為耕地、 林地、 草地、 水域、 建設(shè)用地、 未利用地6大類。

2.2 基于MSPA 的生態(tài)空間形態(tài)演變分析

MSPA 可以識別目標像元集與結(jié)構(gòu)要素之間的空間拓撲關(guān)系, 能夠較準確地提取形態(tài)要素類型及空間結(jié)構(gòu)[13]。

本研究將彭山區(qū)30 m 土地利用柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為前景和背景二值柵格影像, 其中前景為生態(tài)空間, 即林地、 水域、 草地、 耕地, 賦值為0； 背景為非生態(tài)空間, 即建設(shè)用地、 未利用地, 賦值為1[14－15]。 運用GuidosToolbox2.8 軟件, 將形態(tài)要素類型劃分為核心區(qū)、 孤島、 邊緣、 環(huán)道、 連接橋、 分支和孔隙7 種類型[16]。

利用ArcGIS10.2 軟件Overlay 工具疊加分析2005、 2020 年的MSPA 圖, 構(gòu)建生態(tài)空間各形態(tài)要素類型轉(zhuǎn)移矩陣, 獲取內(nèi)部動態(tài)關(guān)聯(lián)量化數(shù)據(jù)以分析生態(tài)空間形態(tài)演變情況。

根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)理論, 穿孔、 環(huán)道是核心區(qū)與其內(nèi)部非生態(tài)空間的過渡區(qū)域, 作為提升生態(tài)空間內(nèi)部聚集作用的 “節(jié)點”。 連接橋、分支能夠連接相鄰生境斑塊核心區(qū), 作為物種遷徙、 能量輸送作用的 “廊道”[17－18]。 利用ArcGIS10. 2 軟件Overlay 工具將2005、 2020 年形態(tài)要素變化集中區(qū)域識別并整合為關(guān)鍵生態(tài)要素, 以提升生態(tài)空間內(nèi)部聚集程度與外部連通性[19]。

2.3 生態(tài)擴張適宜性分析

基于綜合評價指標體系, 將目標層彭山區(qū)生態(tài)擴張適宜性分解為: 退化壓力、 供給狀態(tài)、 修復(fù)潛力3 個準則層, 并篩選出自然災(zāi)害、 環(huán)境污染、 交通影響度等11 個反映其生態(tài)擴張適宜性特征的因子作為指標層[20]。 研究區(qū)以30 m 柵格單元作為單位信息空間載體, 按照各指標計算公式(表1), 利用ArcGIS 軟件Raster Calculator 工具計算指標值, 再重采樣將指標信息賦值到對應(yīng)柵格單元。

由于各指標來源不同、 單位量綱不統(tǒng)一, 故需進行標準化處理, 使指標間具有可比性。 與區(qū)域生態(tài)擴張適宜性存在正向(＋) 或負向(－)關(guān)系的指標分別為:

式(1) ~ (2) 中:Ci為指標i經(jīng)標準化后的指標值；Xi為指標i實測值；Xmin為指標i的最小值；Xmax為指標i的最大值。

考慮到準則層中各項指標不可代替性, 將各指標層評估結(jié)果歸一化后等權(quán)重疊加, 采用綜合指數(shù)法計算生態(tài)擴張適宜性綜合值指數(shù):

式(3) 中:Z為生態(tài)擴張適宜性指數(shù)；Ci為指標i標準值；Wi為指標i的權(quán)重。

利用自然斷點法確定突變點, 提取生態(tài)擴張適宜性范圍區(qū)間, 以此劃定生態(tài)擴張適宜性分區(qū)[21]。 基于ArcGIS10.2 軟件Expand 工具對生態(tài)擴張區(qū)域像元進行概化處理, 參照相關(guān)研究[22],去除零碎圖斑后重分類為生態(tài)類型區(qū), 疊加生態(tài)廊道、 生態(tài)節(jié)點與生態(tài)擴張適宜性分區(qū)結(jié)果, 構(gòu)建彭山區(qū)生態(tài)空間格局。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于MSPA 的生態(tài)空間形態(tài)演變

3.1.1 生態(tài)空間形態(tài)演變特征

整體(圖1、 表2) 而言, 2005—2020 年, 彭山區(qū)生態(tài)空間東西兩側(cè)成片分布, 生態(tài)空間總面積下降了3.97%, 其中耕地退化面積最為顯著。 生態(tài)空間形態(tài)要素中, 核心區(qū)面積占比減少最顯著, 數(shù)量卻有所增加, 說明核心區(qū)呈破碎化發(fā)展趨勢； 孤島、穿孔的數(shù)量與面積占比均有所減少； 邊緣、 分支的數(shù)量與面積占比增加較多； 連接橋雖然數(shù)量上升,但面積占比下降, 說明連通性下降且破碎化加劇。

圖1 2005、 2020 年彭山區(qū)MSPA 生態(tài)空間形態(tài)識別

生態(tài)空間形態(tài)類型演變轉(zhuǎn)移矩陣 (表3)顯示, 2005—2020 年, 22. 63%的生態(tài)空間轉(zhuǎn)換為非生態(tài)空間, 整體生態(tài)空間完整程度有所下降。 其中, 穿孔總面積及數(shù)量大量減少, 大部分轉(zhuǎn)移成為非生態(tài)空間, 內(nèi)部零散的非生態(tài)空間減少, 核心區(qū)外側(cè)生態(tài)退化較為嚴重； 環(huán)道僅保留了44. 97%, 其余主要轉(zhuǎn)出為連接橋和非生態(tài)空間, 說明核心區(qū)內(nèi)部聚集程度在下降。

表3 2005—2020 年彭山區(qū)生態(tài)空間形態(tài)類型演變轉(zhuǎn)移矩陣

2005—2020 年, 連接橋、 分支總面積減少,使得核心區(qū)之間的連通程度降低, 僅48.04%的連接橋在研究期末仍然保留。 另有各類生態(tài)空間組分轉(zhuǎn)移為非生態(tài)用地, 轉(zhuǎn)移比例最大的是孤島和分支, 揭示了彭山區(qū)因城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)空間邊緣不斷被侵蝕, 從而使生態(tài)空間退化壓力增大、外延性降低。

3.1.2 關(guān)鍵生態(tài)要素識別

2005—2020 年, 彭山區(qū)生態(tài)空間形態(tài)演變集中體現(xiàn)為內(nèi)部完整性下降、 外部連通性降低的特點。 基于MSPA 分析結(jié)果, 提取14 個關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點, 46 條關(guān)鍵生態(tài)廊道, 以期提高生態(tài)空間完整性與連通性。 其中, 關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點主要分布在中部與中北部城鎮(zhèn)邊界與耕地交錯的區(qū)域, 關(guān)鍵生態(tài)廊道主要分布在中部及北部生態(tài)用地邊緣(圖2)。

圖2 彭山區(qū)關(guān)鍵生態(tài)要素識別

3.2 生態(tài)擴張適宜性分析

3.2.1 指標重要性空間分布

指標重要性空間分布結(jié)果(圖3) 顯示, 不同生態(tài)過程對于區(qū)域生態(tài)擴張適宜性的影響各不相同。 其中, 退化壓力低值區(qū)主要位于城鎮(zhèn)建成區(qū)和交通干線兩側(cè), 區(qū)內(nèi)人口集中, 經(jīng)濟密度高,承受了巨大的生態(tài)資源需求壓力； 供給狀態(tài)高值區(qū)位于東南部、 西部山區(qū)等海拔較高的區(qū)域, 區(qū)內(nèi)植被覆蓋度高、 土壤保持與水源涵養(yǎng)良好, 是保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、 控制城市無序蔓延的重要區(qū)域； 修復(fù)潛力的高值區(qū)主要分布在第三產(chǎn)業(yè)占比高的及森林旅游較為發(fā)達的區(qū)域, 此區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護意識強, 環(huán)境保護投入水平高, 修復(fù)潛力大。

圖3 彭山區(qū)指標重要性空間分布

3.2.2 生態(tài)擴張適宜性分區(qū)

彭山區(qū)生態(tài)擴張適宜性指數(shù)范圍介于0~1,平均值為0.55, 劃分為5 級得到生態(tài)擴張適宜性分區(qū)(圖4)。 根據(jù)像元值突變規(guī)律, 像元值在0.55 處斜率為最大值, 說明突變點前后指數(shù)值差異較大, 應(yīng)歸屬不同的分區(qū), 因此指數(shù)區(qū)間[0,0.55) 屬于生態(tài)擴張適宜性區(qū)域。 其中, 東部中心區(qū)、 東南部及西部整體地區(qū)生態(tài)擴張適宜性高,中部、 西北部生態(tài)擴張適宜性相對較低。 此外,生態(tài)適宜擴張、 生態(tài)較適宜擴張、 生態(tài)基本適宜擴張、 生態(tài)緩沖擴張、 生態(tài)風(fēng)險擴張指數(shù)區(qū)間分別為[0,0.35)、[0.35,0.45)、[0.45,0.55)、[0.55,0.65)、[0.65,1]。

圖4 彭山區(qū)生態(tài)擴張適宜性分區(qū)

3.3 彭山區(qū)生態(tài)空間格局構(gòu)建

綜合生態(tài)空間形態(tài)演變分析、 生態(tài)擴張適宜性分析結(jié)果, 構(gòu)建彭山區(qū)生態(tài)空間格局(圖5),劃分5 大生態(tài)類型區(qū), 即生態(tài)保育區(qū)、 生態(tài)提升區(qū)、 生態(tài)后備區(qū)、 生態(tài)修復(fù)區(qū)、 生態(tài)控制區(qū)。

圖5 彭山區(qū)生態(tài)空間格局

1) 生態(tài)保育區(qū)。 生態(tài)保育區(qū)主要由核心區(qū)中最適宜擴張區(qū)域構(gòu)成, 占總面積的16.02%。 區(qū)內(nèi)自然生態(tài)基底條件優(yōu)越, 多位于低山丘陵地帶。區(qū)域內(nèi)部基本無穿孔、 邊緣等表征生態(tài)空間退化現(xiàn)象, 并呈現(xiàn)出生態(tài)空間面積增加的良好趨勢。該區(qū)域需嚴格限制人類活動, 以保護和保育為主,加強區(qū)域內(nèi)省級自然保護區(qū)的建設(shè)和管護, 注重發(fā)揮生態(tài)空間供給能力的提升價值。

2) 生態(tài)提升區(qū)。 生態(tài)提升區(qū)主要由核心區(qū)中較適宜擴張區(qū)域構(gòu)成, 占總面積的36.50%。 區(qū)內(nèi)生態(tài)空間面積無顯著變化, 作為城鎮(zhèn)發(fā)展的生態(tài)腹地, 穿孔、 邊緣類要素較少, 有良好的生態(tài)基底質(zhì)量與生態(tài)擴張潛力, 內(nèi)有1 個生態(tài)節(jié)點、 4條生態(tài)廊道穿越其中。 該區(qū)域應(yīng)積極發(fā)揮良好的經(jīng)濟與生態(tài)優(yōu)勢, 以提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為根本目標, 繼續(xù)發(fā)揮彭山區(qū)生態(tài)文明建設(shè)示范標桿作用。

3) 生態(tài)后備區(qū)。 生態(tài)后備區(qū)主要由邊緣核心區(qū)構(gòu)成, 基本適宜生態(tài)擴張, 占總面積的21.63%。 區(qū)內(nèi)生態(tài)空間面積呈下降趨勢, 穿孔、環(huán)道、 邊緣、 支線要素分布增多, 內(nèi)部聚合性顯著下降。 區(qū)域中4 個生態(tài)節(jié)點、 9 條生態(tài)廊道能增強邊緣生態(tài)空間的完整性與連通性。 該區(qū)域能夠直接提供具有經(jīng)濟價值的生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)、 維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定, 可通過環(huán)保資金與生態(tài)工程的輸出促進生態(tài)空間的協(xié)同保護與擴張。

4) 生態(tài)修復(fù)區(qū)。 生態(tài)修復(fù)區(qū)主要由生態(tài)空間和非生態(tài)空間的過渡空間構(gòu)成, 適宜生態(tài)緩沖擴張, 占總面積的16.70%。 區(qū)內(nèi)生態(tài)空間面積大幅下降, 連接橋、 支線等要素分布減少, 外部連通性降低, 退化壓力較大, 需優(yōu)先修復(fù)。 中部組團的6 個生態(tài)節(jié)點與21 條生態(tài)廊道能夠增強生態(tài)空間的外延性和生態(tài)彈性。 該區(qū)域應(yīng)堅持生態(tài)修復(fù)政策指導(dǎo)并加大環(huán)境治理投資力度, 持續(xù)將城鎮(zhèn)化對生態(tài)空間的影響從退化壓力轉(zhuǎn)為修復(fù)潛力,避免對生態(tài)空間造成的進一步侵蝕。

5) 生態(tài)控制區(qū)。 生態(tài)控制區(qū)主要由非生態(tài)空間構(gòu)成, 屬于生態(tài)風(fēng)險擴張區(qū), 僅占總面積的9.15%。 區(qū)內(nèi)生態(tài)空間基本轉(zhuǎn)換為非生態(tài)空間,存在較多孤島、 支線要素, 整合形成的3 個生態(tài)節(jié)點與12 條生態(tài)廊道能夠減緩生態(tài)空間的退化速度。 作為生態(tài)風(fēng)險擴張區(qū), 生產(chǎn)與生活空間給生態(tài)空間帶來較大壓力, 因此有必要在促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的同時加大生態(tài)環(huán)境治理調(diào)控力度。

4 結(jié)語

彭山區(qū)作為成都大都市圈及成眉同城一體化發(fā)展的重要區(qū)域, 近15 年生態(tài)空間退化程度明顯。 研究表明: 1) 2005—2020 年, 彭山區(qū)生態(tài)空間面積占比顯著下降, 內(nèi)部完整性及外延性降低, 共整合形成14 處關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點、 46 條關(guān)鍵生態(tài)廊道； 2) 基于30 m 柵格分析彭山區(qū)生態(tài)擴張適宜性, 呈現(xiàn)出西部、 東部中心區(qū)和東南部生態(tài)優(yōu)良, 中部和東北部區(qū)域相對較差的結(jié)果；3) 疊加生態(tài)空間演變分析與生態(tài)擴張適宜性分析, 綜合構(gòu)建彭山區(qū)生態(tài)空間格局, 將彭山區(qū)劃分為5 大生態(tài)類型區(qū), 并針對5 大生態(tài)類型區(qū),即生態(tài)保育區(qū)、 生態(tài)提升區(qū)、 生態(tài)后備區(qū)、 生態(tài)修復(fù)區(qū)、 生態(tài)控制區(qū)提出了相應(yīng)的保護與修復(fù)的策略, 實現(xiàn)彭山區(qū)生態(tài)空間的發(fā)展平衡。 相對于傳統(tǒng)較單一的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化或用地優(yōu)化, 本研究兼顧MSPA 生態(tài)空間形態(tài)演變直觀分析與生態(tài)擴張適宜性客觀評價兩方面對彭山區(qū)生態(tài)空間格局進行構(gòu)建, 可以為縣域尺度生態(tài)保護及修復(fù)以及生態(tài)空間格局優(yōu)化提供新的思路。