四川眉山市彭山區生態空間格局構建?
——基于MSPA 與生態擴張適宜性分析

鄧靖琳 沈 一 王倩娜 雷 雪 高黃根

1 四川大學建筑與環境學院 成都 610065

2 四川省國土空間規劃研究院 成都 610081

隨著城鎮化進程不斷加快, 生態空間格局處于持續的動態變化之中, 可能導致生態空間完整性與連通性降低。 因此, 秉承生態空間價值理念,揭示生態空間時空演變特征, 構建生態空間格局對于指導生態保護與修復具有必要性與重要性[1－2]。

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

彭山區作為眉山市北部與成都新津區、 雙流區相接的區域, 是整個眉山市生態保護與經濟發展矛盾最突出、 生態修復形勢最緊迫的區域[9]。 在彭山區全面推進生態文明建設的大背景下, 城市生態空間質量有待提高, 保護生態系統刻不容緩。 目前, 彭山區已有研究主要圍繞土地資源承載力[10]、 地質環境承載力評價[11]等反面展開, 生態空間相關研究較少, 因此分析區域生態空間形態演變與生態擴張適宜性,耦合多方面因素構建生態空間格局, 能夠為彭山區生態空間帶來新的保護修復方案與治理途徑。 因此, 文章將眉山市彭山區作為研究對象,著眼于分析生態空間動態數量關系, 耦合基于MSPA 的生態空間形態演變直觀分析與生態擴張適宜性客觀評價兩種方式展開研究[12], 旨在提升區域生態空間質量, 為區縣尺度的國土空間生態保護修復提供新思路。

1 研究區概況

眉山市彭山區(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。 區境內海拔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。 彭山區以中亞熱帶濕潤季風氣候為主, 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 年彭山區全區森林覆蓋率提升至37.2%。 區境內自然條件優越, 全域分布彭祖山省級風景名勝區、 五湖四海、 彭溪河、 毛河濕地公園等自然保護區。 2020 年彭山區經濟發展質量穩步提高, 城鎮化率53.49%, 地區生產總值183.39 億元, 增長4.5%, 全區三類產業結構為9.7 ∶45 ∶45.3。

2 研究方法

2.1 數據來源

1) 自然要素數據。 DEM 數據、 河流數據、土壤類型數據、 自然災害點、 環境污染區數據源自眉山市自然資源局提供的基礎地理數據包；30 m NDVI 數據源自地理空間數據云； 降水數據源自中國地面累日值數據。

2) 社會經濟要素數據。 30 m 土地利用數據源自地理空間數據云； 道路數據源自眉山市自然資源局提供的基礎地理數據包； GDP 數據及人口數據源自2020 年眉山市彭山區人民政府工作報告； 地均節能環保支出數據源自?眉山市統計年鑒(2020 年) ?。 其中, 30 m 土地利用數據使用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LUCC 分類體系監督分類, 將研究區用地分為耕地、 林地、 草地、 水域、 建設用地、 未利用地6大類。

2.2 基于MSPA 的生態空間形態演變分析

MSPA 可以識別目標像元集與結構要素之間的空間拓撲關系, 能夠較準確地提取形態要素類型及空間結構[13]。

本研究將彭山區30 m 土地利用柵格數據轉換為前景和背景二值柵格影像, 其中前景為生態空間, 即林地、 水域、 草地、 耕地, 賦值為0； 背景為非生態空間, 即建設用地、 未利用地, 賦值為1[14－15]。 運用GuidosToolbox2.8 軟件, 將形態要素類型劃分為核心區、 孤島、 邊緣、 環道、 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, 構建生態空間各形態要素類型轉移矩陣, 獲取內部動態關聯量化數據以分析生態空間形態演變情況。

根據景觀生態學理論, 穿孔、 環道是核心區與其內部非生態空間的過渡區域, 作為提升生態空間內部聚集作用的 “節點”。 連接橋、分支能夠連接相鄰生境斑塊核心區, 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 年形態要素變化集中區域識別并整合為關鍵生態要素, 以提升生態空間內部聚集程度與外部連通性[19]。

2.3 生態擴張適宜性分析

基于綜合評價指標體系, 將目標層彭山區生態擴張適宜性分解為: 退化壓力、 供給狀態、 修復潛力3 個準則層, 并篩選出自然災害、 環境污染、 交通影響度等11 個反映其生態擴張適宜性特征的因子作為指標層[20]。 研究區以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柵格單元。

由于各指標來源不同、 單位量綱不統一, 故需進行標準化處理, 使指標間具有可比性。 與區域生態擴張適宜性存在正向(＋) 或負向(－)關系的指標分別為:

式(1) ~ (2) 中:Ci為指標i經標準化后的指標值；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, 將各指標層評估結果歸一化后等權重疊加, 采用綜合指數法計算生態擴張適宜性綜合值指數:

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

利用自然斷點法確定突變點, 提取生態擴張適宜性范圍區間, 以此劃定生態擴張適宜性分區[21]。 基于ArcGIS10.2 軟件Expand 工具對生態擴張區域像元進行概化處理, 參照相關研究[22],去除零碎圖斑后重分類為生態類型區, 疊加生態廊道、 生態節點與生態擴張適宜性分區結果, 構建彭山區生態空間格局。

3 結果與分析

3.1 基于MSPA 的生態空間形態演變

3.1.1 生態空間形態演變特征

整體(圖1、 表2) 而言, 2005—2020 年, 彭山區生態空間東西兩側成片分布, 生態空間總面積下降了3.97%, 其中耕地退化面積最為顯著。 生態空間形態要素中, 核心區面積占比減少最顯著, 數量卻有所增加, 說明核心區呈破碎化發展趨勢； 孤島、穿孔的數量與面積占比均有所減少； 邊緣、 分支的數量與面積占比增加較多； 連接橋雖然數量上升,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MSPA 生態空間形態識別

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

表3 2005—2020 年彭山區生態空間形態類型演變轉移矩陣

2005—2020 年, 連接橋、 分支總面積減少,使得核心區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。 另有各類生態空間組分轉移為非生態用地, 轉移比例最大的是孤島和分支, 揭示了彭山區因城鎮化發展導致生態空間邊緣不斷被侵蝕, 從而使生態空間退化壓力增大、外延性降低。

3.1.2 關鍵生態要素識別

2005—2020 年, 彭山區生態空間形態演變集中體現為內部完整性下降、 外部連通性降低的特點。 基于MSPA 分析結果, 提取14 個關鍵生態節點, 46 條關鍵生態廊道, 以期提高生態空間完整性與連通性。 其中, 關鍵生態節點主要分布在中部與中北部城鎮邊界與耕地交錯的區域, 關鍵生態廊道主要分布在中部及北部生態用地邊緣(圖2)。

圖2 彭山區關鍵生態要素識別

3.2 生態擴張適宜性分析

3.2.1 指標重要性空間分布

指標重要性空間分布結果(圖3) 顯示, 不同生態過程對于區域生態擴張適宜性的影響各不相同。 其中, 退化壓力低值區主要位于城鎮建成區和交通干線兩側, 區內人口集中, 經濟密度高,承受了巨大的生態資源需求壓力； 供給狀態高值區位于東南部、 西部山區等海拔較高的區域, 區內植被覆蓋度高、 土壤保持與水源涵養良好, 是保障區域生態環境質量、 控制城市無序蔓延的重要區域； 修復潛力的高值區主要分布在第三產業占比高的及森林旅游較為發達的區域, 此區域生態系統保護意識強, 環境保護投入水平高, 修復潛力大。

圖3 彭山區指標重要性空間分布

3.2.2 生態擴張適宜性分區

彭山區生態擴張適宜性指數范圍介于0~1,平均值為0.55, 劃分為5 級得到生態擴張適宜性分區(圖4)。 根據像元值突變規律, 像元值在0.55 處斜率為最大值, 說明突變點前后指數值差異較大, 應歸屬不同的分區, 因此指數區間[0,0.55) 屬于生態擴張適宜性區域。 其中, 東部中心區、 東南部及西部整體地區生態擴張適宜性高,中部、 西北部生態擴張適宜性相對較低。 此外,生態適宜擴張、 生態較適宜擴張、 生態基本適宜擴張、 生態緩沖擴張、 生態風險擴張指數區間分別為[0,0.35)、[0.35,0.45)、[0.45,0.55)、[0.55,0.65)、[0.65,1]。

圖4 彭山區生態擴張適宜性分區

3.3 彭山區生態空間格局構建

綜合生態空間形態演變分析、 生態擴張適宜性分析結果, 構建彭山區生態空間格局(圖5),劃分5 大生態類型區, 即生態保育區、 生態提升區、 生態后備區、 生態修復區、 生態控制區。

圖5 彭山區生態空間格局

1) 生態保育區。 生態保育區主要由核心區中最適宜擴張區域構成, 占總面積的16.02%。 區內自然生態基底條件優越, 多位于低山丘陵地帶。區域內部基本無穿孔、 邊緣等表征生態空間退化現象, 并呈現出生態空間面積增加的良好趨勢。該區域需嚴格限制人類活動, 以保護和保育為主,加強區域內省級自然保護區的建設和管護, 注重發揮生態空間供給能力的提升價值。

2) 生態提升區。 生態提升區主要由核心區中較適宜擴張區域構成, 占總面積的36.50%。 區內生態空間面積無顯著變化, 作為城鎮發展的生態腹地, 穿孔、 邊緣類要素較少, 有良好的生態基底質量與生態擴張潛力, 內有1 個生態節點、 4條生態廊道穿越其中。 該區域應積極發揮良好的經濟與生態優勢, 以提升生態環境質量為根本目標, 繼續發揮彭山區生態文明建設示范標桿作用。

3) 生態后備區。 生態后備區主要由邊緣核心區構成, 基本適宜生態擴張, 占總面積的21.63%。 區內生態空間面積呈下降趨勢, 穿孔、環道、 邊緣、 支線要素分布增多, 內部聚合性顯著下降。 區域中4 個生態節點、 9 條生態廊道能增強邊緣生態空間的完整性與連通性。 該區域能夠直接提供具有經濟價值的生態產品和服務、 維持生態系統的平衡穩定, 可通過環保資金與生態工程的輸出促進生態空間的協同保護與擴張。

4) 生態修復區。 生態修復區主要由生態空間和非生態空間的過渡空間構成, 適宜生態緩沖擴張, 占總面積的16.70%。 區內生態空間面積大幅下降, 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, 需優先修復。 中部組團的6 個生態節點與21 條生態廊道能夠增強生態空間的外延性和生態彈性。 該區域應堅持生態修復政策指導并加大環境治理投資力度, 持續將城鎮化對生態空間的影響從退化壓力轉為修復潛力,避免對生態空間造成的進一步侵蝕。

5) 生態控制區。 生態控制區主要由非生態空間構成, 屬于生態風險擴張區, 僅占總面積的9.15%。 區內生態空間基本轉換為非生態空間,存在較多孤島、 支線要素, 整合形成的3 個生態節點與12 條生態廊道能夠減緩生態空間的退化速度。 作為生態風險擴張區, 生產與生活空間給生態空間帶來較大壓力, 因此有必要在促進區域經濟發展的同時加大生態環境治理調控力度。

4 結語

彭山區作為成都大都市圈及成眉同城一體化發展的重要區域, 近15 年生態空間退化程度明顯。 研究表明: 1) 2005—2020 年, 彭山區生態空間面積占比顯著下降, 內部完整性及外延性降低, 共整合形成14 處關鍵生態節點、 46 條關鍵生態廊道； 2) 基于30 m 柵格分析彭山區生態擴張適宜性, 呈現出西部、 東部中心區和東南部生態優良, 中部和東北部區域相對較差的結果；3) 疊加生態空間演變分析與生態擴張適宜性分析, 綜合構建彭山區生態空間格局, 將彭山區劃分為5 大生態類型區, 并針對5 大生態類型區,即生態保育區、 生態提升區、 生態后備區、 生態修復區、 生態控制區提出了相應的保護與修復的策略, 實現彭山區生態空間的發展平衡。 相對于傳統較單一的生態網絡優化或用地優化, 本研究兼顧MSPA 生態空間形態演變直觀分析與生態擴張適宜性客觀評價兩方面對彭山區生態空間格局進行構建, 可以為縣域尺度生態保護及修復以及生態空間格局優化提供新的思路。