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

1、城市化在促進區(qū)域經濟和社會發(fā)展的同時也導致一系列城市生態(tài)環(huán)境問題，嚴重威脅區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。隨著人類城市化活動的加劇，減緩和應對城市化帶來的負面效應迫在眉睫。優(yōu)化區(qū)域景觀結構，構建生態(tài)安全格局，保育和恢復必要的區(qū)域生態(tài)過程已成為應對城市化環(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，近年來正經歷著前所未有的城市化進程，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控機制具有重要的理論與現(xiàn)實意義。本文以武漢市為研究對象，在景觀生態(tài)學、保育生態(tài)學、城市生態(tài)學、環(huán)境科學及相關理論指導下，按照“格局動態(tài)-生態(tài)環(huán)境響應-生態(tài)安全格局構建”的研究思路，借助多時序遙感衛(wèi)星影像，綜合運用RS、GIS技術和相關分析方法研究了1987～2007a武漢市景觀格局變化特征及驅動機制，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機制，在此基礎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)安全格局的網絡空間構型，為構建具有實踐意義的城市生態(tài)安全格局提供了理論與方法依據(jù)。研究結果表明：
　　 (1)1987～2007a武漢市景觀格局發(fā)生了顯著變化，農田和水體面積大幅減少，城鄉(xiāng)建設用地面積快速增加，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，復雜程度逐漸降低，景觀粒度

4、從粗粒景觀向細粒景觀轉變。城市擴張、基礎設施建設及其他人類活動已經明顯影響區(qū)域景觀格局，導致景觀異質性持續(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。
　　 農業(yè)開發(fā)活動、城市化發(fā)展、森林建設和降水量增加是1987～1991a景觀變化的主要直接驅動因素；

5、城市人口數(shù)量增加、農業(yè)開發(fā)活動和積極的生態(tài)建設措施是1991～1996a景觀格局變化的主要驅動力；1996～2001a景觀變化的主要驅動力是城市化進程加速、產業(yè)比例結構的調整和林業(yè)生態(tài)建設措施等因素，在這一時期內，景觀變化劇烈程度明顯增加；社會經濟發(fā)展、城市化進程加速和具有激勵機制的林業(yè)生態(tài)政策是2001～2007a景觀變化的主要驅動因素，在這一時期內，景觀變化更為劇烈，城鄉(xiāng)建設用地和森林兩個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，由保護單個的生態(tài)資源向保護生態(tài)資源系統(tǒng)和促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展轉變。
　　 (2)基于土地覆蓋數(shù)據(jù)，運用費用距離模型對1987～2007a武漢市景觀連接度長期變化特征進行了定量評估。研究結果表明，隨著城市化進程的不斷加快，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

7、受到城市景觀變化的嚴重影響。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程對森林物種的影響已遠大于森林建設帶來的生態(tài)過程改善能力。因此，建議今后森林建設工程必須轉變思路，從重視空間結構指標向注重功能連續(xù)性方面轉變。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構破碎化程度加劇，水體景觀連接度持續(xù)下降。除水體面積和結構破壞之外，人類干擾活動對水體景觀連接度的影響也非常明顯。因此，對水體的保護和

8、管理不能局限于保護水體面積和斑塊結構不受損，而應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)線以內的城市建設區(qū)和工業(yè)區(qū)；城市低溫區(qū)域

9、主要分布在域內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。人類活動強度在增加地表溫度的同時，也導致高溫熱力場分布向細粒景觀轉化。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，城市建設用地均溫最高，水體均溫最低；高溫區(qū)建設用地所占面積最大，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，而城市建設用地會導致地表溫度升高。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關系，植被覆蓋度增加的溫度降低作用規(guī)律依次為：裸地>建設用地>森林>草地>灘涂濕地>農田。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和面

11、積效應。降溫景觀對城市建設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，需改善城市綠地質量，降低建設用地和裸地類型的斑塊面積，建立城市濕地-森

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

13、識別潛在連接和優(yōu)化網絡結構等4步驟。本研究通過將建設成本納入最小費用路徑分析改進了最小費用路徑分析的現(xiàn)實性，使其模擬結果能夠綜合反映使用者和建設維護者需求，有助于促進城市綠道可持續(xù)性。
　　 運用這一方法，本研究提出了一個多目標優(yōu)先性綠道網絡體系。這一綠道網絡體系由理想鳥類保育網絡、理想小型哺乳動物保育網絡、理想人類游憩網絡、水體保護網絡、骨干鳥類綠道網絡、骨干小型哺乳動物保育網絡、骨干人類游憩網絡和綜合性綠道網絡等8個綠道網絡

14、構成，分別對應著低生態(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個生態(tài)安全等級。在武漢市綠道建設中應該按照其生態(tài)安全等級進行分批建設分級管理。并針對不同生態(tài)安全水平上的綠道網絡識別了其中重要綠道分布區(qū)和關鍵綠道。
　　 今后的研究應提高綠道規(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)網絡規(guī)劃中景觀連接度的理論，提出了構建城市“森林-濕地”降溫網絡改善城市熱島效應的思路和規(guī)劃框架，并對武漢市城市森林

15、-濕地降溫網絡構建進行了研究。這一規(guī)劃框架運用源匯模型、最小費用路徑模型和核密度分析模型識別了潛在的降溫網絡。城市“森林-濕地”降溫網絡由熱梯度廊道、隔離廊道和低溫廊道、綠色節(jié)點和降溫斑塊相互連接構成。
　　 武漢市城市“森林-濕地”降溫網絡研究共識別了6個不同層次和目的的降溫網絡，根據(jù)其網絡結構的完整性可對應三個層次的環(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，考慮到建設的可行性，綜合性網絡將冷熱

16、空氣流動的需求整合，反映了降低城市熱島效應的最低要求，也是迫切需要付諸實施的廊道網絡結構，它對應著最低的環(huán)境安全水平；骨干網絡從不同降溫作用方式更加完善的定義了區(qū)域降溫網絡的需求，對應著中度環(huán)境安全水平和中度優(yōu)先性；而理想生態(tài)網絡反映了最完善的降溫需求，因此對應著最高環(huán)境安全水平和最低優(yōu)先性。城市降溫網絡建設應以改善城市熱島區(qū)植被覆蓋狀況，緩解本身熱量累積和構建城市植被降溫廊道為主。通過建設一定結構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)構建結構功能完整的生態(tài)網絡對于快速發(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，提出并應用了一個面向快速城市化環(huán)境的綜合性的森林網絡規(guī)劃框架。研究結果顯示通過整合物種包方法、多標準評價、最小費用路徑模型、核密度估計和優(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)網絡。它使規(guī)劃者能夠將多物種需求整合到綜合性生態(tài)網絡中。
　　 本文

18、識別了7個生態(tài)網絡，對應著理想網絡、骨干網絡和綜合性網絡等三個保育優(yōu)先性水平。這一綜合性網絡系統(tǒng)為規(guī)劃者和利益相關者提供了一個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。管理者應該盡快將綜合性森林網絡付諸實施，以保護當?shù)匚锓N多樣性，應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)網絡規(guī)劃實踐。
　　 (7)運用最小費用距離模型和焦點物種代理法識別了武漢市潛在的湖泊濕地生態(tài)網絡，在此基礎上運用中心

19、度方法重點評價了武漢市湖泊濕地網絡要素的重要性。研究結果顯示，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)正是今后城市擴張的主要位置。根據(jù)濕地核心生境斑塊的節(jié)點度和中介度評估，本文將武漢市湖泊濕地生境重要性進行了排序，并分為最優(yōu)先、中度優(yōu)先和普通三個優(yōu)先性類型。武漢市潛在湖泊濕地生態(tài)網絡涉及到的56條廊道可分為3個優(yōu)先層次。高優(yōu)先性的廊