快速城市化地區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建研究——以武漢市為例.pdf

1、城市化在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的同時(shí)也導(dǎo)致一系列城市生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。隨著人類城市化活動的加劇，減緩和應(yīng)對城市化帶來的負(fù)面效應(yīng)迫在眉睫。優(yōu)化區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建生態(tài)安全格局，保育和恢復(fù)必要的區(qū)域生態(tài)過程已成為應(yīng)對城市化環(huán)境問題的重要共識。但目前生態(tài)安全格局這一策略仍停留在概念階段，缺乏切實(shí)可行的空間規(guī)劃措施支持。武漢市是我國中部的中心城市，近年來正經(jīng)歷著前所未有的城市化進(jìn)程，城市景觀格局與環(huán)境急劇變化，在這一背景下針對

2、區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題探討城市景觀調(diào)控機(jī)制具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。本文以武漢市為研究對象，在景觀生態(tài)學(xué)、保育生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及相關(guān)理論指導(dǎo)下，按照“格局動態(tài)-生態(tài)環(huán)境響應(yīng)-生態(tài)安全格局構(gòu)建”的研究思路，借助多時(shí)序遙感衛(wèi)星影像，綜合運(yùn)用RS、GIS技術(shù)和相關(guān)分析方法研究了1987～2007a武漢市景觀格局變化特征及驅(qū)動機(jī)制，分析了城市化背景下森林和濕地景觀連接度變化特征和熱環(huán)境空間分異特征及景觀響應(yīng)機(jī)制，在此基礎(chǔ)上針對武漢市景觀破

3、碎化和城市熱島問題，從不同尺度上提出了武漢市生態(tài)安全格局的網(wǎng)絡(luò)空間構(gòu)型，為構(gòu)建具有實(shí)踐意義的城市生態(tài)安全格局提供了理論與方法依據(jù)。研究結(jié)果表明：
　　 (1)1987～2007a武漢市景觀格局發(fā)生了顯著變化，農(nóng)田和水體面積大幅減少，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積快速增加，森林面積明顯提高，森林和水體景觀破碎化程度加劇，城市建設(shè)用地集中程度增加，景觀整體城市化特征顯著。人類活動促使武漢市各類型景觀斑塊面積差異逐漸變小，復(fù)雜程度逐漸降低，景觀粒度

4、從粗粒景觀向細(xì)粒景觀轉(zhuǎn)變。城市擴(kuò)張、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及其他人類活動已經(jīng)明顯影響區(qū)域景觀格局，導(dǎo)致景觀異質(zhì)性持續(xù)增加。
　　 從1991a開始，武漢市景觀整體動態(tài)變化度逐步增加，景觀變化速度逐漸增加。整個(gè)研究期中，各景觀類型面積變化具有一定波動性。疏林草地、建筑和裸地的年變化率較高，但不同階段各景觀類型年變化率存在一定差異。
　　 農(nóng)業(yè)開發(fā)活動、城市化發(fā)展、森林建設(shè)和降水量增加是1987～1991a景觀變化的主要直接驅(qū)動因素；

5、城市人口數(shù)量增加、農(nóng)業(yè)開發(fā)活動和積極的生態(tài)建設(shè)措施是1991～1996a景觀格局變化的主要驅(qū)動力；1996～2001a景觀變化的主要驅(qū)動力是城市化進(jìn)程加速、產(chǎn)業(yè)比例結(jié)構(gòu)的調(diào)整和林業(yè)生態(tài)建設(shè)措施等因素，在這一時(shí)期內(nèi)，景觀變化劇烈程度明顯增加；社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程加速和具有激勵(lì)機(jī)制的林業(yè)生態(tài)政策是2001～2007a景觀變化的主要驅(qū)動因素，在這一時(shí)期內(nèi)，景觀變化更為劇烈，城鄉(xiāng)建設(shè)用地和森林兩個(gè)類型的面積大幅增加。
　　 為改變武

6、漢市景觀破碎化加劇的狀況，景觀管理政策的制定必須綜合考慮到變化條件下的多方利益，由保護(hù)單個(gè)的生態(tài)資源向保護(hù)生態(tài)資源系統(tǒng)和促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變。
　　 (2)基于土地覆蓋數(shù)據(jù)，運(yùn)用費(fèi)用距離模型對1987～2007a武漢市景觀連接度長期變化特征進(jìn)行了定量評估。研究結(jié)果表明，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，武漢市森林和濕地景觀連接度迅速降低，高景觀連接度景觀的面積大幅減小，而低連接度景觀的面積迅速增加，這揭示了武漢市生態(tài)資源景觀連接度已經(jīng)

7、受到城市景觀變化的嚴(yán)重影響。森林景觀格局與景觀連接度變化趨勢不對稱揭示出武漢市城市化進(jìn)程對森林物種的影響已遠(yuǎn)大于森林建設(shè)帶來的生態(tài)過程改善能力。因此，建議今后森林建設(shè)工程必須轉(zhuǎn)變思路，從重視空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)向注重功能連續(xù)性方面轉(zhuǎn)變。水體景觀連接度的變化與水體景觀格局的總體變化趨勢較為一致，隨著水體面積減小和結(jié)構(gòu)破碎化程度加劇，水體景觀連接度持續(xù)下降。除水體面積和結(jié)構(gòu)破壞之外，人類干擾活動對水體景觀連接度的影響也非常明顯。因此，對水體的保護(hù)和

8、管理不能局限于保護(hù)水體面積和斑塊結(jié)構(gòu)不受損，而應(yīng)充分考慮到水體邊界景觀對比度變化對水體景觀連接度的影響。
　　 (3)基于地表溫度反演的結(jié)果，將武漢市熱環(huán)境按照地表溫度值大小分為6類，其空間分異特征分析表明，武漢市熱環(huán)境空間分布不均衡，呈明顯的梯度分布特征，城市中心地區(qū)的溫度明顯高于城市外圍地區(qū)。其中，高溫景觀和低溫景觀呈現(xiàn)組團(tuán)式分布特征，高溫景觀主要分布在城市化較早，人口和建筑密集的中環(huán)線以內(nèi)的城市建設(shè)區(qū)和工業(yè)區(qū)；城市低溫區(qū)域

9、主要分布在域內(nèi)的大型濕地和森林地區(qū)，城市外圍地區(qū)的低溫景觀面積明顯高于城市建筑密集區(qū)。熱島斑塊面積較小，且斑塊間面積差異不大；最低溫區(qū)和較低溫區(qū)的平均斑塊面積非常大。人類活動強(qiáng)度在增加地表溫度的同時(shí)，也導(dǎo)致高溫?zé)崃龇植枷蚣?xì)粒景觀轉(zhuǎn)化。低溫類型景觀和高溫類型景觀分布較離散，而中等溫度的景觀類型斑塊間距離較小。
　　 地表覆蓋特征顯著影響地表溫度，城市建設(shè)用地均溫最高，水體均溫最低；高溫區(qū)建設(shè)用地所占面積最大，低溫區(qū)中水體所占面積

10、最大；水體、裸地和城市建設(shè)用地中地表溫度變化較大；從相對降溫率來看，水體降溫效率最高，灘涂濕地與森林也具有較高的降溫效率，而城市建設(shè)用地會導(dǎo)致地表溫度升高。植被覆蓋度與地表溫度之間存在極其顯著的關(guān)系，其中水面覆蓋區(qū)域植被覆蓋度的增加與地表溫度增加呈極其顯著的正相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋度增加的溫度降低作用規(guī)律依次為：裸地>建設(shè)用地>森林>草地>灘涂濕地>農(nóng)田。此外，水體、灘涂濕地和森林對周邊地表溫度具有重要影響，多數(shù)情況下存在明顯的距離效應(yīng)和面

11、積效應(yīng)。降溫景觀對城市建設(shè)用地降溫作用距離要高于其他景觀類型上的作用距離，對植被覆蓋區(qū)域(如農(nóng)田、森林和草地等)降溫距離略小。小型灘涂濕地斑塊和小型森林斑塊降溫距離具有一定優(yōu)勢，因此，在城市中建立多個(gè)小型森林斑塊比建立單一的大型森林斑塊降溫效果要好。研究同時(shí)表明，斑塊面積對周圍景觀地表溫度有一定影響，但影響能力普遍較弱。
　　 因此，為減緩武漢市城市熱島效應(yīng)，需改善城市綠地質(zhì)量，降低建設(shè)用地和裸地類型的斑塊面積，建立城市濕地-森

12、林-體化降溫網(wǎng)絡(luò)和改善城市風(fēng)道。
　　 (4)針對城市區(qū)域景觀破碎化加劇的趨勢，本文提出構(gòu)建城市綠道系統(tǒng)應(yīng)對持續(xù)增加的城市綠地景觀破碎化。通過集成最小費(fèi)用路徑模型、核密度估計(jì)、優(yōu)先性原則和代理指標(biāo)方法，本文構(gòu)建了城市化地區(qū)多功能綠道構(gòu)建方法框架。這一方法模型主要由識別規(guī)劃目標(biāo)與需求，決定潛在生態(tài)保育綠道、識別潛在游憩綠道、識別潛在水體保護(hù)綠道、設(shè)計(jì)綜合綠道網(wǎng)絡(luò)5部分內(nèi)容構(gòu)成。而對于單目標(biāo)廊道識別則包括識別源匯斑塊、設(shè)置費(fèi)用權(quán)重、

13、識別潛在連接和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等4步驟。本研究通過將建設(shè)成本納入最小費(fèi)用路徑分析改進(jìn)了最小費(fèi)用路徑分析的現(xiàn)實(shí)性，使其模擬結(jié)果能夠綜合反映使用者和建設(shè)維護(hù)者需求，有助于促進(jìn)城市綠道可持續(xù)性。
　　 運(yùn)用這一方法，本研究提出了一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)先性綠道網(wǎng)絡(luò)體系。這一綠道網(wǎng)絡(luò)體系由理想鳥類保育網(wǎng)絡(luò)、理想小型哺乳動物保育網(wǎng)絡(luò)、理想人類游憩網(wǎng)絡(luò)、水體保護(hù)網(wǎng)絡(luò)、骨干鳥類綠道網(wǎng)絡(luò)、骨干小型哺乳動物保育網(wǎng)絡(luò)、骨干人類游憩網(wǎng)絡(luò)和綜合性綠道網(wǎng)絡(luò)等8個(gè)綠道網(wǎng)絡(luò)

14、構(gòu)成，分別對應(yīng)著低生態(tài)安全水平、中度生態(tài)安全水平和高生態(tài)安全水平等3個(gè)生態(tài)安全等級。在武漢市綠道建設(shè)中應(yīng)該按照其生態(tài)安全等級進(jìn)行分批建設(shè)分級管理。并針對不同生態(tài)安全水平上的綠道網(wǎng)絡(luò)識別了其中重要綠道分布區(qū)和關(guān)鍵綠道。
　　 今后的研究應(yīng)提高綠道規(guī)劃的空間連續(xù)性、功能完整性和數(shù)據(jù)可靠性。
　　 (5)借鑒生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中景觀連接度的理論，提出了構(gòu)建城市“森林-濕地”降溫網(wǎng)絡(luò)改善城市熱島效應(yīng)的思路和規(guī)劃框架，并對武漢市城市森林

15、-濕地降溫網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建進(jìn)行了研究。這一規(guī)劃框架運(yùn)用源匯模型、最小費(fèi)用路徑模型和核密度分析模型識別了潛在的降溫網(wǎng)絡(luò)。城市“森林-濕地”降溫網(wǎng)絡(luò)由熱梯度廊道、隔離廊道和低溫廊道、綠色節(jié)點(diǎn)和降溫斑塊相互連接構(gòu)成。
　　 武漢市城市“森林-濕地”降溫網(wǎng)絡(luò)研究共識別了6個(gè)不同層次和目的的降溫網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性可對應(yīng)三個(gè)層次的環(huán)境安全層次：高環(huán)境安全等級水平、中度環(huán)境安全水平和低環(huán)境安全水平。而且，考慮到建設(shè)的可行性，綜合性網(wǎng)絡(luò)將冷熱

16、空氣流動的需求整合，反映了降低城市熱島效應(yīng)的最低要求，也是迫切需要付諸實(shí)施的廊道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它對應(yīng)著最低的環(huán)境安全水平；骨干網(wǎng)絡(luò)從不同降溫作用方式更加完善的定義了區(qū)域降溫網(wǎng)絡(luò)的需求，對應(yīng)著中度環(huán)境安全水平和中度優(yōu)先性；而理想生態(tài)網(wǎng)絡(luò)反映了最完善的降溫需求，因此對應(yīng)著最高環(huán)境安全水平和最低優(yōu)先性。城市降溫網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)以改善城市熱島區(qū)植被覆蓋狀況，緩解本身熱量累積和構(gòu)建城市植被降溫廊道為主。通過建設(shè)一定結(jié)構(gòu)特征的植被廊道將森林、濕地等降溫斑塊連

17、接發(fā)揮其整體降溫作用。
　　 (6)構(gòu)建結(jié)構(gòu)功能完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對于快速發(fā)展地區(qū)森林保育具有重要意義。為改善武漢市森林景觀連接度不斷降低的趨勢，本文以武漢市為研究對象，提出并應(yīng)用了一個(gè)面向快速城市化環(huán)境的綜合性的森林網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃框架。研究結(jié)果顯示通過整合物種包方法、多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)、最小費(fèi)用路徑模型、核密度估計(jì)和優(yōu)先性原則，這一規(guī)劃模型能夠較好的適用于識別和規(guī)劃生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。它使規(guī)劃者能夠?qū)⒍辔锓N需求整合到綜合性生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中。
　　 本文

18、識別了7個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)著理想網(wǎng)絡(luò)、骨干網(wǎng)絡(luò)和綜合性網(wǎng)絡(luò)等三個(gè)保育優(yōu)先性水平。這一綜合性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為規(guī)劃者和利益相關(guān)者提供了一個(gè)深入和直觀的視角來理解生態(tài)過程和提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性。管理者應(yīng)該盡快將綜合性森林網(wǎng)絡(luò)付諸實(shí)施，以保護(hù)當(dāng)?shù)匚锓N多樣性，應(yīng)對城市化帶來的森林生境破碎化問題。我們希望這一方法能夠改善區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)踐。
　　 (7)運(yùn)用最小費(fèi)用距離模型和焦點(diǎn)物種代理法識別了武漢市潛在的湖泊濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用中心

19、度方法重點(diǎn)評價(jià)了武漢市湖泊濕地網(wǎng)絡(luò)要素的重要性。研究結(jié)果顯示，雖然武漢市濕地資源眾多，但是能夠作為濕地鳥類生境的濕地僅占武漢市濕地資源總量的21.53%，一些重要的生境斑塊和廊道分布在中環(huán)線周圍地區(qū)，這些地區(qū)正是今后城市擴(kuò)張的主要位置。根據(jù)濕地核心生境斑塊的節(jié)點(diǎn)度和中介度評估，本文將武漢市湖泊濕地生境重要性進(jìn)行了排序，并分為最優(yōu)先、中度優(yōu)先和普通三個(gè)優(yōu)先性類型。武漢市潛在湖泊濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)涉及到的56條廊道可分為3個(gè)優(yōu)先層次。高優(yōu)先性的廊