重庆市域生态网络构建研究

闫水玉 杨会会 王昕皓Yan Shuiyu Yang Huihui Wang Xinhao   2018-07-07 10:04:21

摘要:构建区域生态网络、联结生态用地,是维护区域生态过程完整、提升区域生态安全的必由之路。基于重庆市特殊的生态基础、生态价值及区域发展状态,在整体分析区域生态状况以及评估生态服务功能的基础上,识别出发挥重要生态服务功能的斑块,结合生态流流动空间及其过程,形成“斑块-廊道”模式的生态网络基础,通过网络结构分析方法,以生态服务高效发挥为指向,确认生态网络结构与形态,耦合城乡发展,构建了重庆市域生态网络,该网络达到了形态与功能的统一。同时,该项研究也优化了生态网络的构建方法。

关键词:风景园林;生态网络;景观生态;重庆

文章编号:1000-6664(2018)05-0057-07

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2017-01-17

修回日期:2017-07-31

基金项目:重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室开放基金项目“山地城市生态用地环境绩效评估模式研究”(编号CQUSDCZJKL0902071812102)资助

Abstract: Constructing ecological networks and connecting ecological lands is the key to maintain the integrity of regional ecological process and improve the regional ecological security. In this research, on account of the ecological basis, ecological value and regional development state in Chongqing, based on the overall analysis of the ecological status of the region and the evaluation of ecosystem service, major ecological patches were identified. Then, integrated with ecological flow space, the patch–corridor ecosystem networks model was developed. Lastly, by applying the network analysis method for improving ecological service efficiency, confirming the ecological network structure and form, combining the development urban-rural development, the structure and the pattern of the ecological networks of Chongqing were designed, which achieves the unity of form and function of the networks, and also optimizes the method of constructing ecological networks.

Key words: landscape architecture; ecological network; landscape ecology; Chongqing

中国改革开放30年来,人口与产业高强度地向城镇地区转移,城镇数量、规模的迅速扩大,成为中国区域环境变化的重要驱动力[1]。这一过程中,大量不合理的人类活动极大地改变了区域生态结构,使发挥生态系统供给、调节、支持和文化服务功能的生态用地破碎化,彼此失去联结,进而危及必须依赖自然生态流(地下水流动、地表径流、生物迁徙、土壤发育等)才能完成的生态过程,同时影响依赖生态过程才能实现的生态系统服务质量,对区域生态安全构成威胁[2-6]。大量的田野观察与理论研究表明:生态网络是发挥生态系统服务的基础结构,生物多样性保护[7-9]、自然资源与城市形态的整合[10-12]水系的稳定[13],以及区域生态效益最大化[14-16]等都离不开生态网络;对抗人为活动引发的环境问题(如热岛效应、空气污染等),生态网络也被认为是有力的手段之一[17],同时生态网络对人类的生态贡献也被研究者广泛揭示。针对这一现实,联结生态用地,特别是规划设计生态网络成为近期区域规划的研究热点,也成为重庆市域生态维育的重要手段。规划设计区域生态网络就是从自然环境中识别生态网络的价值,通过适宜的土地利用管制手段,保存、保护或修复生态服务发挥作用的生态网络空间形态。目前,在关于土地利用对生态服务的影响的相关研究中,城市生态系统服务价值评估、生态系统健康评价、景观格局变化与生态效应,以及生态系统服务改善[18-29]等生态网络基础性研究进展较多,但由于空间异质性及其表现形态未能体现,缺乏直接与成果相对应的空间实现途径[30],使生态网络规划存在技术困难,因此理清区域生态系统服务存在的空间形式及其发挥作用的空间形态肌理,成为目前区域生态网络构建中亟待解决的问题之一。将空间形态纳入生态学研究的景观生态学对区域生态网络的形态进行了基础性的研究工作,由于景观生态学强调景观要素的组合特征与生态过程、资源格局之间的动态关联[31-32],景观要素又是生态服务的空间载体与支撑媒介[33],因此基于生态服务空间分异机理,采用景观生态学基本的“斑块-廊道”模型构建生态服务网络被认为是一个有效的方法,规划设计生态廊道也被认为是区域环境保护的有效手段[8,13,34-35]。网络分析是在地理分析理论的支持下形成的探索网络结构和优化网络功能的分析方法,最初用来优化交通流和设计商业选址,后来运用于自然保护与景观建设之中[36-37],目前被广泛用于评价生态网络方案结构、优化生态网络设计和辅助绿道系统规划等方面。规划师将生态系统服务评价导入生态系统服务能力的建设中,基于景观生态学“斑块-廊道”基本模型构建生态网络,将生态资源纳入城乡发展的空间结构并加以调控,确保区域生态健康,为区域发展提供生态安全保障。尽管如此,在如何认识生态网络的价值,如何理解生态网络发挥服务的形态,以及如何科学地构建生态网络等方面,仍存在较多难题,特别是面对生态网络的地域差异时,这些问题更加显著。重庆市地处四川盆地东部山地,气候湿润,水系丰富,为中国重要的水源功能区和生物多样性保护功能区。特殊的山地自然地理环境,关键的地理区位,以及快速变化的后发展地区,决定了城乡发展建设与生态环境保护之间在空间资源利用和地理过程耦合中存在较为严重的冲突,区域生态结构正在发生变化,生态用地破碎化明显,彼此间失去联结,危及依赖自然生态流的生态过程,进而影响生态系统服务,对区域生态安全构成威胁。

本文试图优化传统的生态网络构建方法,将其应用于重庆市生态服务网络的建构,为重庆市域生态网络构建探索系统性的理论方法,为政府提供决策建议,同时也可为区域生态网络构建提供案例典范。

图1 研究框架1 重庆市域生态网络构建的方法框架:分析-评估-辨识-组织

区域生态网络构建是面对生态用地破碎化而导致的生态服务功能下降,基于景观生态学原则,为保障区域生态健康对区域生态用地空间结构进行的再组织,是对区域发展空间系统进行的再安排,当然也必须考虑区域的社会经济发展,特别是城镇建设、交通发展,以及社会结构组建等,耦合二者的关系。基于此,重庆市域生态网络构建按如下步骤与逻辑进行。

1.1 生态状况整体性分析

主要针对形成重庆市域生态基础的地形地貌、河流水系、地表植被、保护性用地和城镇体系进行研究,分析这些景观要素的空间分布、组合特征以及这些要素相互作用而内生的生态过程,重点认识区域地形空间结构、水系空间结构,以及山、水、生物多样性形成的区域整体结构,同时关注城镇体系、保护性用地体系与自然生态体系的协同规律。通过这一系统的分析,将决定区域特征的自然基础进行整理,把握区域生态整体状态。

1.2 生态系统服务评估

基于生态系统结构,选择生物多样性保护、水源涵养、土壤保持和特殊生态系统保存等生态服务类型,依据评价单元生态服务能力的大小,分级进行评价,然后加权叠加,形成评价单元生态系统服务能力的总体评价,进而形成区域生态系统服务强度分布图,进而直观地展示区域生态系统服务的区域分化及其空间存在的状态。

1.3 重要生态服务斑块辨识

在区域生态状况整体分析以及生态服务功能评估的基础上,根据每一地块在区域生态系统中的核心性以及生态服务的重要性,识别出重要的生态服务斑块。

1.4 生态网络组织

以重要生态服务斑块、自然生态流为基础,结合山水格局、城镇建设和农林发展,应用网络分析方法构建多组区域生态网络方案,要基本覆盖重要的生态服务功能区域,这些重要的生态服务功能区域之间可以通过山脉、河流、林带等自然廊道获得基本联结而具备区域生态系统维持的基本结构,同时迎合区域发展的基本态势。

1.5 生态网络结构与形态确认

基于网络结构分析和廊道结构分析,判别理想方案与最佳廊道,其中网络结构分析以分支网络和环形网络2种空间结构为基本形态特征,将关键斑块视为节点,将自然流空间视为廊道,补充一些人工保护与建造的廊道,考虑现状、建设成本和效益发挥等,选择具有一定联结度的网络结构,在功能目标的引领下,特别是要将宽度和连接度这2个决定生态廊道功能的特征作为分析重点,确认拟构建的生态网络结构与形态。

1.6 提出生态网络保护与建设具体措施

以拟建方案为指引,结合现状,提出以保护为主的重要生态地域空间管制对策以及以培育为主的关键地区生态建设措施,形成支持区域可持续发展的生态服务网络(图1)。

图2 区域生态状况整体性分析

图3 重庆市域生态系统服务功能重要性评价图2 重庆市域生态网络构建

2.1 重庆市域生态状况整体性分析

基于地理信息系统(GIS)的数据采集和分析平台,选取高程、坡度、岩性、地质灾害、森林绿地、湿地、自然保护区、风景名胜区、文化遗迹和孤立高地-自然人文保护地等因子进行分析(图2),同时考虑城乡发展的实际情况,认可城乡发展建设与生态环境保护之间在空间资源利用和地理过程耦合的前提与基础[38],将生态状况整体分析转化成有目的的城镇建设生态适宜性分析。建设用地和生态用地的相对适宜性是应用逻辑规则组合法,根据生态适宜性目标,建立生态适宜性的分析准则[39](表1)。受地形和自然条件的影响,重庆适宜城镇发展的区域集中在渝西地区,城镇分布也呈现西密东疏的格局。不适宜建设地区主要位于渝东北三峡库区腹地和渝东南少数民族聚居区。地形条件是形成重庆市域整体生态的首要因素,同时也是城镇扩张的重要限制因素。

2.2 重庆市域生态系统服务评估

结合重庆市域的具体情况,选择水源涵养重要性、土壤保持重要性、生物多样性保护重要性,以及特殊生态系统重要性4个生态系统服务指标来反映生态系统重要性,以ArcGIS操作平台为工具,实现基于单元景观类型累积计量的生态服务强度(图3)。

2.3 重要生态服务斑块辨识

根据每一地块在区域生态系统中的核心性以及生态服务的重要性,识别出重要的生态服务斑块,包括森林覆盖率较高的山系、长江及其重要支流和一些中大型水库、成片的天然林、水源涵养林、各级各类自然保护区、风景名胜区、遗产地和自然公园等(图4)。

2.4 生态网络结构与形态确认

Hellmund提出分枝网络和环形网络2种空间形式,成为景观生态网络的基本形态特征(图5)。图中网络a、b、c为分枝网路,网络d、e 、f为环形网路。在分枝网络中,网络a是最基本的;网络b是一种等级网络,连线从一个中心节点发出;网络c是建造费用最小的网络,每个节点只与一条连线相接。在环形网络中,网络d是最基本的,由单环组成;网络e是使用费用最小的网络,网络中任意2个节点都被直接连接起来;网络f介于网络c和e之间,力求找到二者的平衡点[40]。

本项研究利用GIS,在生态系统重要性评估的基础上,选取重要生态斑块共58个,将其抽象为节点,参照图5中常见的网络类型,选择不同的连接廊道,构建多组生态系统服务斑块网络(A—E)(图6)。应用廊道结构分析和网络结构分析方法最终确定最优、最新方案[41]。其中廊道结构分析选择了廊道的数量、长度和密度进行分析,网络结构分析则可用网络闭合度(α指数)、线点率(β指数)、网络连接度(γ指数)以及成本比(cost ratio)进行描述[42](表2)。

图6中各生态网络构建方案的廊道结构分析结果见表3。其中,生态网络A、B、C、D 4个方案是抽象的生态网络,斑块被抽象为节点,廊道都设计为直线,因此廊道的长度取绿地斑块中心点之间的距离,而生态网络E考虑了城镇建设现状,以避免廊道的重复计算。5个方案中,生态廊道数量的顺序依次为网络E=D>C>B>A,生态廊道长度和生态廊道密度的顺序为网络D>E>C>B>A,说明生态网络D和E具有较高的复杂性。

图6中各生态网络构建方案的网络结构分析结果见表4。网络A只选取21个重要斑块进行连接, 还有42个斑块是孤立存在的,并且网络中不存在回路,因此。β、γ指数都是最低的,其中,指数出现负值,而成本比最高。网络C与B相比,仅多了2条生态廊道,所以二者的网络指数比较相近,但同时可以发现,增加2条廊道使网络形成回路,会使网络C比B具有更高的连接度。网络B和C的成本比在5个方案中是最低的,其设计较多地考虑了最近距离原则,因而是5个方案中建造费用最低的。网络D是最复杂的生态网络,其连接度和环通度最高,但成本比也较高。与网络D相比,网络E具有相同的α、β和γ指数,但成本比则显著降低。因此,通过网络结构指数的比较,可以认为网络E是重庆市域生态服务网络设计的最优方案。

图4 重庆市域重要生态服务斑块基于选取的最优方案网络E,将重庆市域范围内自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、世界遗产地、重要水源地、重要湿地和重要林地进行空间整合,结合城镇建设及现代农业建设,构建区域生态服务网络,形成城镇与生态和谐的空间地域综合体(图6)。

2.5 生态网络保护与建设具体措施

重庆市在保障国家和市域生态安全的重要性方面,以水源涵养、土壤保持、生物多样性保护和洪水调蓄4类主导生态调节功能为基础,确定了全市5个重点生态功能区。各重点生态功能区的名称、主导功能和辅助功能见表5。

对重要发展区域的生态环境进行重点建设,是保障生态系统服务的基本底线。渝西地区部分成片的高丘区域及低地湿地区域生态服务价值大,需要视为保护性用地和生态功能性用地,应予以重点关注。重庆都市地区“四山”需要视为该区域的生态根基,加以重点保护。三峡地区地理环境复杂、生态容量有限,保护义务很大,但人口基数大、经济贫困,发展的需求也很突出,矛盾尖锐,在城乡建设大区域上应以生态保护为主,同时城镇应该集中紧凑发展,以大区域的生态优化抵消城镇建设的生态影响,重点关注长江干流两岸山脊线以内的区域。

图5 网络类型

图6 重庆市域生态服务网络构建方案3 讨论与结论

生态网络用于区域生态用地连接,可有效增强区域生态用地联系、改善自然生态过程、提升区域生态结构服务功能[15],本文在对重庆市域生态状况整体把握以及对生态服务功能评估的基础上,识别出发挥重要生态服务功能的斑块,并引入“斑块-廊道”模式,形成生态服务网络的构建方案,再通过网络分析法优化方案,选择出最优网络,结合现状,耦合城乡发展,构建了一个覆盖全重庆市域的大尺度生态网络,并提出生态保护与建设对策,形成支持重庆城乡发展的基础。这一模式在空间层面上,使景观结构和过程结合在一起,成为保护和改善环境一个非常重要的手段[36]。本文将景观要素从真实的复杂状态, 抽象为相对单调的“图”的水平,结合景观生态学为基础的网络结构类型,可以直观反映出斑块、节点、廊道等绿地景观要素之间抽象的动态关系和它们之间的发展方向,表现出要素与要素之间复杂的空间拓扑结构关系,以此构建生态网络,可以避免复杂的现实对景观格局的影响,使网络结构更加清晰。但应该指出的是,通过网络分析法获取的潜在生态廊道更需要结合社会经济发展规划,使结果更符合技术经济指标。在高度城市化地区,最终结果的实施需要政府相关部门的配合,兼顾远近期目标,综合考虑各种用地关系以及可操作性。

注:文中图片均由作者绘制。

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(编辑/刘欣雅)

作者简介:

闫水玉

1968年生/男/山西五台人/重庆大学建筑与城市规划学院教授, 博士生导师/重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室研究员/研究方向为可持续的规划与设计(重庆 400001)

杨会会

1986年生/女/河南漯河人/重庆大学建筑与城市规划学院在读博士研究生(重庆 400001)

王昕皓

1956年生/男/北京人/美国辛辛那提大学规划系教授/重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室客座教授(重庆 400001)

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