基于景观生态学源-汇理论的市域尺度生态功能分区——以内蒙古通辽市为例-张云路.pdf

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1、第38卷第1期2018年1月生 态 学 报ACTA ECOLOGICA SINICAV0138No1Jan，2018DOI：105846stxb201611242403张云路，李雄，田野基于景观生态学“源一汇”理论的市域尺度生态功能分区以内蒙古通辽市为例生态学报，2018，38(1)：6572Zhang Y L，Li X，Tian YStudy on ecological function zoning in the Municipal Administrative Area based on the landscape ecology sourcesink theory：a casestud

2、y ofTongliao，Inner MongoliaActa Ecologiea Sinica，2018，38(1)：6572基于景观生态学“源分区以内蒙古通辽市为例0广”，I- 理论的市域尺度生态功能张云路1，李雄1，田 野2+1北京林业大学园林学院，北京 1000832中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室，北京100101摘要：市域尺度的生态功能分区对于市域生态资源的有效保护和合理利用起着不可替代的指导作用。现阶段较为被动而静态的功能分区研究忽视了市域生态资源在城镇化发展中的剧烈变化。而景观生态学的“源一汇”概念和相关手段，将区域生态功能空间格局与不断变化的生态过程之间建

3、立了联系，在生态功能分区科学理性的研究实践中运用前景广阔。运用景观生态学“源一汇”理论，以内蒙古通辽市为例，通过对于研究区域中“源”景观的划分，设定不同景观要素的阻力值，构建基于“源”动态特征的最小累计阻力模型，计算得出阻力面。并进一步通过寻找阻力面突变点来确定分区阈值，最终确定通辽市域尺度生态功能的5大分区最后提出有针对性的分区管控措施与指引。研究将市域生态要素在城市化下的动态演变与生态安全格局进行有机关联并制定科学的分区策略为市域生态空间的优化及管理提供了理论依据。关键词：“源一汇”理论；景观生态学；市域尺度；生态功能分区；阻力模型Study on ecological function

4、zoning inon the landscape ecology source-sinkMongoliathe Municipal Administrative Area basedtheory：a case study of Tongliao，InnerZHANG Yunlul，LI Xion91，TIAN Ye2，+1 School ofLandscape Architecture，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China2 Institute ofRemote Sensing and Digital Earth，Chinese A

5、cademy ofSciences，State Key Laboratory ofRemote Sensing Science，Beijing 100101，ChinaAbstract：The Green Space of the Municipal Administrative Area ecological function zone is irreplaceable for the effectiveprotection and rational utilization of urban ecological resourcesThe ecological function zoning

6、 of resources is passivepresently and static，and the dramatic changes in the development and urbanization have largely been ignoredThe sourcesink landscape theory of landscape ecology and its related methods，which establish relationships between the regionalecological function space pattern and chan

7、ging ecological process，are widely used in the study and practice of the scientificbasis of ecological function zoningWe used Tongliao，in Inner Mongolia as a case study based on the sourcesink landscapetheory through the study of the division of”source”landscapes in the area；different resistance val

8、ues of the landscapeelements were set，a minimum cumulative resistance(MCR)model was built based on the dynamic characteristic of thesource model。and surface resistance was calculatedBased on surface resistance，a mutation point was established to基金项目：中央高校基本科研业务费专项(2017ZY01)；北京市科技计划重大支撑项目(D17110000021

9、7001)；国家自然科学基金(3167070441401213)收稿日期：201611-24： 网络出版日期：2017，09-12通讯作者Corresponding authorE-mail：ty0610zw126tomhttp：wwwecologicaca万方数据生态学报 38卷determine the threshold values for landscape division，and thereby ultimately determine the most effective Tongliao GreenSpace municipal administrative area bas

10、ed on the ecological function of five partitions，and targeted partition controls andguidance were put forwardThis study provides a theoretical basis for the optimization of regional ecological green spacelayouts and management of the ecosystem and formulates a scientific partition strategy that take

11、s into account urbanizationand dynamic evolution；we believe that implementing these recommendations will benefit green space landscape elementsKey Words：sourcesink landscape theory；landscape ecology；Municipal Administrative Areas；ecological functionzoning；minimum cumulative resistance(MCR)model1 市域尺

12、度生态功能分区研究现状城镇化加快了我国城乡统筹建设的步伐。随着城乡规划法的颁布，城乡一体化发展成为各方关注的焦点1j。作为城乡组团之间的绿色连接空间，市域尺度下的生态系统在维持和提高中心城区的生态环境质量，强化城乡空间内部的有机联系和提高整体生态系统的稳定等方面扮演着重要角色【2 J。空间规划是对市域生态管控的有效途径，也是科学引导其发挥独特生态功能的关键所在。由于较为广阔的空间领域和复杂的组成要素，市域生态系统中的不同要素在结构和功能方面存在诸多差异性。所以，对区域生态功能进行甄别，合理划分生态功能区，并按不同功能合理管理资源，已成为市域尺度生态空间规划的科学依据f4 J，也是改善市域生态系

13、统管理和提高生态系统服务功能重要手段和关键基础工作之一。学者们在生态功能区划领域进行了相关积极的研究探索。欧阳志云等通过对区域生态系统服务价值的评估进行了生态功能区划5Noss认为区域生态功能划分的主要依据是生态系统的结构、功能和组分6，进而在对市域生态系统类型及其生态过程认识基础上进行市域生态空间规划。贾良清等认为，生态功能区划主要考虑生态、地理和气候的空间分异特征7。诸多建立在生态系统类型认识基础上的生态功能分区已经在市域生态空间规划中得到了广泛应用。但伴随着城市用地开发与市域生态环境保护的矛盾日益突出，当前生态功能分区研究在面对实际问题解决存在一些局限性：1)大多生态功能分区划分主要依据

14、研究区域生态系统当下的结构、功能和成分进行判定。但在实际的操作中。主要依靠人工进行区划，仅从表象层面来进行功能区域的划定，较为忽视城市化影响下市域生态空间剧烈演变的动态性特征。针对城市化对市域生态系统的作用是否会影响到生态功能分区的划定未见研究涉及，并且对区域城市化关联轨迹的生态管控认知也不够重视；2)目前虽然定量和定性地开展了全方位的生态功能评价和分区研究。但对于生态系统功能区的认识较为笼统，大多以生态系统本身为单一主体，划定研究理念方法都较为同质化。如何能够运用定量方法将众多生态要素进行科学的综合，从生态系统等级的角度看生态区划关注生态系统各因子的相互关系尚待深入研究。3)市域尺度生态空间

15、规划的主要目标之一是合理配置空间资源，协调市域生态资源与城镇发展的关系。但现在诸多生态功能分区的研究思路与方法主要以生态要素为主体，较少考虑人在其中的影响因素，忽视了生态系统分区的根本目的是更好地为人和城市系统服务的主旨j。2“源。汇”理论显而易见，目前进行的市域尺度生态功能分区研究忽视了快速城市化建设与市域生态系统的动态联系，无法对当今适应城镇化的市域生态资源保护与建设提供更多的科学支撑和理性指导。为了解决这个问题，我们有必要去探索区域生态系统功能空间格局与不断变化的生态过程之间的关系，以求可以更加合理地进行市域空间的生态功能区域划分。而景观生态学中的“源汇”理论能够将空间格局和生态过程有机

16、结合在一起，为探索格局与过程的关系提供较好的理论基础。“源一汇”理论是景观生态学研究中的一项基本理论。“源”景观是指在格局与过程研究中，那些能促进生http：wwwecologicaon万方数据1期 张云路等：基于景观生态学“源一汇”理论的市域尺度生态功能分区以内蒙古通辽市为例 67态过程发展的景观类型；而“汇”景观是那些能阻止延缓生态过程发展的景观类型10。该理论应用的积极意义就是将静止的景观格局和动态的生态过程耦合在一起，有助于理解生态格局与过程的关系为提出有效的生态空间调控和管理方法提供了较为科学的依据。目前，该理论在大尺度下的生物多样性保护、城市热岛效应研究和非点源污染控制等领域得到了

17、较好的应用u-12，在大尺度空间的功能分区研究上应用前景广阔。本文基于景观生态学中“源一汇”理论，在相关研究的基础上，以内蒙古通辽市为例，对基于景观生态学“源一汇”理论的市域尺度生态功能分区进行探讨以期为快速城市化下市域空间生态系统的保护和利用提供科学依据。3研究区域31研究区域概况通辽市位于内蒙古自治区的东部、松辽平原的西端，东与吉林省接壤南与辽宁省毗邻，西与内蒙古赤峰市、锡林郭勒盟交界，北与兴安盟相连，市域总面积59535km2。通辽地处东北和华北地区的交汇处，既属东北经济区和环渤海经济区，又是中国西部大开发区域中的东部地区。在通辽市59535km2的土地中，沙区、山区约占80，其中科尔沁

18、沙地是我国四大沙地之一，也是京津冀和辽中南地区风沙的主要来源。同时由于地处东北、华北、内蒙古高原三大自然地理区的交汇处。通辽处于森林向草原、中温带半湿润向半干旱过渡的地区，作为农耕区和游牧区分界的400 mm等降水线自市域中部穿过，生态资源本底较为薄弱，生态环境也较为脆弱。32存在问题随着经济和社会的发展，通辽城市化快速推进。按通辽统计年鉴2013年数据。20112013年问通辽城镇化水平年均提高近13个百分点。而从2000年到2015年间。通辽建设用地面积年均增长率达627。城镇和乡村建设用地规模不断增加直接导致了外围生态资源受到一定程度的占有和破坏。过度放牧、草原开垦、天然植被的破坏、水资

19、源严重短缺与水资源过度开发利用导致植被退化、土地沙化、沙尘暴。不合理的土地利用，以及交通、矿产开发、城镇建设等人类活动让本就脆弱的通辽市域生态系统面临更大的威胁，生态系统的调节能力逐渐降低。进行科学合理的市域生态功能分区，并运用其开展有针对性的生态调控和管理已迫在眉睫。33数据收集与处理本次研究区域定为通辽市行政区范围内的生态空间，参照国土资源部土地利用现状分类标准(GBT21010-2007)，并根据通辽市域生态资源实际条件，将林地、牧草地、农地、裸地、水域和建设用地作为本次研究中市域空间的6大主要构成要素。研究数据主要来源是2015年的Landsat MSSTMETM+遥感影像。通过多光谱

20、遥感影像合成及其与全色波段影像的融合、几何精纠正、掩膜、图像辐射增强和图像光谱增强处理等，对遥感影像进行识别与分类。进而利用最大似然法对2015年的Landsat遥感影像进行解译，获取这个时期通辽市域空间要素的基本信息，将其导人ArcGIS软件中，再次通过配准控制点进行几何校正，定义坐标系统，完成图像的预处理，获得相应图件和数据。4研究思路市域空间的生态功能分区可以看作是对市域生态资源的有效保护和合理利用的一种关系平衡与协调。开发层面的适宜开发、限制开发和禁止开发等区域则是对应区域的生态完善、生态敏感和生态脆弱等不同的状态和特征。市域空间生态功能划分的关键是通过甄别市域范围内不同空间要素的生态

21、状况和特征。并依据此将地理空间划分为具有多级结构的区域单元。景观生态学视角下的“源”景观是指那些能促进生态过程发展的景观类型，“汇”景观是那些能阻止、延缓http：wwwecologicaen万方数据生态学报 38卷生态过程发展的景观类型13。市域尺度生态功能和特征可以看作是生态要素由“源”经过不同的景观介质克服的阻力大小的一种过程反映。在生态较为完善区域的区域内移动需要克服的景观阻力最小；在生态较为脆弱区域内移动需要克服的景观阻力最大：而在生态较为敏感的区域内移动所克服的阻力的大小介于两者之间。本次研究运用景观生态学“源一汇”理论将通辽市域空间景观要素的生态过程与格局联系起来，并以此为依据划

22、定相应的空间单元进行科学的管控引导。5研究方法51“源”、“汇”景观类型的划分遥感影像选取2015年的Landsat遥感影像进行解译，获取这个时期研究区域中6大空间景观要素的基本信息，将其导人ArcGIS软件中。再次通过配准控制点进行几何校正，定义坐标系统，完成图像的预处理，获得这个时间点的通辽市域空间景观要素类型相关图件和数据(图1)。按照景观生态学“源一汇”理论依据通辽市域生态环境演变过程。将市域景观要素6种类型划分为“源”和“汇”景观(表1)。林地和牧草地作为通辽市域空间内植物覆盖率较高的土地类型对于生态资源的保护和生态系统的稳定具有重要的作用。而通辽市域范围内辽河水系、柳河水系、大凌河

23、水系、嫩江水系等河流与人工水库具有涵养生态和调节气候等生态功能。所以本研究将林地、牧草地和水域视为通辽市域范围内的3类“源”景观。而近年来，由于盲目毁林开垦和进行陡坡地、沙化地耕种，造成了通辽地区，特别是科尔沁沙地周警连溪罐器戮一嚣一!图1通辽市域景观格局图(2015年)Fig1 City hmdsealk pattern of Tt岫gli舯(2015)边严重的水土流失和风沙危害，洪涝、干旱、沙尘暴等自然灾害频频发生，人民群众的生产、生活受到严重影响。基于这个现象，本文认为盲目的农地开发对于生态环境的破坏存在一定的威胁，所以将农地和建设用地与荒地一起归为“汇”景观。52基于“源”动态特征的最

24、小累计阻力模型为了将“源”景观经过不同介质克服阻力的过程进行反映，需要进行基于“源”景观动态特征的景观阻力评估。本文借助GIS技术，采用最小累积阻力模型来表达景观介质对景观“源”空间扩散的影响，即景观阻力面的建立1 4|。最小累积阻力模型考虑景观“源”、距离和景观界面特征1 5|，公式如式(1)：MCR=fmin(DiR) (i=1，2，3，m；J=1，2，3，n) (1)式中，Dii指从景观“源”7到空间某一个景观单元i的实地距离；R；指空间中某一景观单元i的阻力系数，代表运动通过的难易程度。最小累积阻力模型实质是对某景观从“源”到空间某一点的某一路径的易达性的衡量和评估，阻力值越小说明源到

25、该点的易达性越高。因此，阻力模型能够反映景观单元运动的潜在可能性及趋势，是对景观变化的一种抽象表达，可为景观功能特征提供分析依据。对于市域生态系统的保护与利用而言，市域生态系统结构较为稳定的区域，有利于景观单元的迁移与扩散，其对迁移和扩散的阻力就越小；反之，其对单元运动和扩散的阻力就越大。53景观阻力系数设定相关研究表明，不同景观要素在运动和迁移过程中受到的阻力是有差异的，取决于景观界面对要素生存、繁衍和迁移的适宜程度1 6|。而阻力系数但也是相对的，只要能够相对地反映不同阻力因子的差异性就可以http：wwwecologicacn万方数据1期 张云路等：基于景观生态学“源一汇”理论的市域尺度

26、生态功能分区以内蒙古通辽市为例用来进行费用距离的计算171。本文设定1为最小阻力系数，代表某一景观单位可以自由移动，所在区域为最适宜空间，而100为最大阻力系数，假定景观单元无法移动，为最不适宜空间。就本次研究区域而言，对于市域“源”景观来说，城镇的阻力值最大，取值100；荒地次之，取值70；裸地和农地分别为60和50：林地阻力系数最小取值为1；牧草地为10。表1通辽市域景观要素“源”“汇”分类Table 1 Classification of“SOllrge”and“sink”of landscape elements in Tongliao54基于“源”景观阻力面建立的市域尺度生态功能分区

27、与管控建议在以上研究工作的基础上，在ARCGIS平台上进行计算，分析相关数据，最终得出“源”景观要素的阻力面图层(图2、图3和图4)。景观阻力面图层所反应的不同阻力程度能够反映出生态要素在不同空间的生态特征，为生态功能分区提供有力的依据。阻力值越来越大，说明该区域生态要素特征不够稳定，需要进行生态修复相反则生态特征较为稳定，需要保护与稳定。利用ARCGIS的分析叠加功能，把作为“源”的林地、牧草地和水域阻力面图层进行相互叠加，可得通辽市域“源”景观阻力面(图5)。并进一步通过寻找突变点来确定分区阈值，依据分区阈值确定通辽市域生态功能的4大空间，并通过景观类型的现状问题和发展需求，提出了通辽市域

28、森林保育区、草原生态恢复区、水域生态保护区和沙地生态建设区的分区方案(图6)。由图6可见，森林保育区主要分布在市域的北部和西部地区，南部地区也有零星分布。大多是自然保护区的分布区域。这些区域是保障市域生态安全的关键区域，其建设对策主要包括划定保护区域进行严格保护。严禁开山采石、毁坏林木等行为；禁止任何其他设施的开发建设行为；在该区域应对宜林荒山全部实施育林和造林，完成退耕还林和荒山造林；并加快水源保护林和水土保持林的建设，形成防御风沙入侵的屏障；保护原有的动植物资源及动物的繁衍生境，加强林木保护和培育。草原生态恢复区主要位于通辽市域的中部平原区和北部草原区，该地区主要以地形开阔平坦的耕地、草地

29、为主生态系统相对简单但也较为薄弱。因此，有限的限制建设区原则上避免规划期内的各类开发建设活动，特别是避免未经特别限定功能，或者未经严格审查和特定程序允许的开发建设行为；同时逐渐完成产品农业向商品农业、高效农业的过渡，发展生态农牧业和观光农牧业，实现农牧业专业化和产业化的转变。对于这一区域的建设控制，为适应其风貌特征，可以采取弹性的土地补偿等控制措施。http：wwwecologicacn万方数据生态学报 38卷图2林地阻力面图Fig2 Resistance surfsee of woodland图4水域阻力面图t394 Resistance surface of water图3牧草地阻力面图F

30、ig3 Resistance surface of grassland图5“源”景观阻力面图鼻毡S琢醯蛳-surface of鲫ur优landscape水域生态保护区主要涵盖由辽河、柳河和大凌河等水域，以及自然湖泊609个，总蓄水能力346亿m3和2l座人工水库，总库容117亿m3。在规划管控中，应重点关注市域中部受城市化和人类活动干预较大的自然河流，加强生态环境保护。在西辽河道及两侧约200 m范围和其他河流沿线100一200 rn宽地带划定为河流湿地生态景观保护区。在河流湿地的生态控制区，以绿化恢复和生态基础设施建设为主，局部地区可进行生态产业等小规模开发建设。在保证河流水质的同时做好水域

31、生态旅游和历史人文文脉的传承保护工作。沙地生态建设区主要分布在市域的南部和西部地区，以科尔沁沙地为主体，这些地区生态环境脆弱，大多是中部草原和南部沙地区。空气相对适度偏低、降水量少、全年大风天气多、土地盐渍化沙化严重、植被覆盖http：wwwecologicacn万方数据1期 张云路等：基于景观生态学“源汇”理论的市域尺度生态功能分区以内蒙古通辽市为例 71率低。该地区应实施退耕还林和退牧还草工程，严禁过渡开垦和过度放牧。在沙地和沙漠边缘以草治沙，大力种植旱生、超旱生牧草与灌木，提高植被覆盖度。已达到防风固沙和遏制草原沙化的目的。6讨论与展望_科学合理的生态功能分区将为当前快速城镇化过程 一中

32、市域自然资源有效保护与合理利用提供可行的参考与 。依据18。19。传统的生态功能分区主要以静止状态下的土地现状性质为依据进行划分，范围较为模糊，不具备对于市域空间生态管控的科学指导价值。而本文在基于景观生态学“源一汇”理论下，通过建立“源”景观阻力面对市域尺度进行生态功能分区，充分考虑了不同要素之间的生态功能差异性1 8|，通过市域空间内不同要素的生态过程来制定不同的功能分区，并提出不同的管控措施，让分区规划ng正更加具有针对性。同时研究还充分考虑了城镇化发展与图6市域尺度生态功能分区Function zoning in the municipal administrative ar性生态资源

33、保护的动态关联，为城市规划管理建设者在市域空间利用层面提供了参考与依据。有助于从空间层面协调城镇建设用地扩张与生态资源保护的冲突。本文在生态功能分区方法上做了一定新的尝试，但是由于受研究时间、基础资料和个人水平的限制，研究存在着一些问题与不足，尚需进行进一步研究和思考。主要包含：1)阻力值设定在基于“源”动态特征的最小累计阻力模型构建中对于阻力系数的赋值方面笔者参考了国内外的相关研究成果，但是是否适用于本次研究地，尚未进行仔细探讨。未来还需结合研究区域特点和生态功能来制定更为精确而合理的阻力值，并进一步对阻力模型进行优化和检验，提高模型计算的科学性。2)分区依据研究中分区主要依据是“源”景观要

34、素在运动和迁移中的阻力差异。但是需要考虑的是景观要素在运动中所受到的影响因素很多。本文构建的阻力模型是较为理想的状态评估，实际的情况除了所使用的科学方法外，更依赖于对本底资源状况的掌握。由于时间和技术所限，本研究中的本底资源状况主要是通过资料收集、文献检索、卫星影像解读等方式获得。所以笔者希望未来能够加大力度对通辽市域内的各类资源本底情况进行更加缜密地调查研究，借助最新的科学手段和检测仪器彻底摸清资源的基本情况，为研究的深人与优化提供准确有效的基础数据。3)与实际城乡规划与土地规划协调本次研究的目的还是需要回归到具体指导通辽市域空间景观要素保护与合理利用的实际工作中。而在现行规划体制下，城乡总

35、体规划、土地利用规划等上位规划已经从不同的角度对市域空间资源保护利用做出了相应的规划指引。本文结论则应充分地与其他规划进行结合与协调，具体到实际应用中时需要在此基础上根据不同区域的具体情况和需求加以调整，最终得出一个较为科学合理的方案。1 殷柏慧城乡一体化视野下的市域绿地系统规划中国园林，2013，(11)：76792 杨玲基于空间管控视角的市域绿地系统规划研究D北京：北京林业大学，2014：13133 刘颂，刘蕾再论我国市域绿地的管控风景园林，2015，(5)：38-434宋小叶，王慧，袁兴中，王晓锋国内外生态功能区划理论研究资源开发与市场，2016，32(2)：170173，212212h

36、ttp：wwwecologicacn万方数据72 生态学报 38卷欧阳志云。王效科，苗鸿中国生态环境敏感性及其区域差异规律研究生态学报，2000，20(1)：912Noss R FIndicators for monitoring biodiversity：a hierarchical approachConservation Biology，1990，4(4)：355364贾良清，欧阳志云，赵同谦，王效科，肖皴，肖荣波，郑华安徽省生态功能区划研究生态学报，2005，25(2)：254260傅伯杰，陈利顶，刘国华中国生态区划的目的、任务及特点生态学报，1999，19(5)：591595Kay

37、J J，Schneider EEmbracing complexity：the challenge of the ecosystem approachAlternatives，1994，20(3)：3239陈利顶，傅伯杰，赵文武“源”“汇”景观理论及其生态学意义生态学报，2006，26(5)：14441449戴彬，吕建树，战金成，张祖陆。刘洋，周汝佳山东省典型工业城市土壤重金属来源、空间分布及潜在生态风险评价环境科学，201536(2)：507515苏常红，傅伯杰景观格局与生态过程的关系及其对生态系统服务的影响自然杂志，2012，34(5)：277283李道进，逢勇，钱者东，陈惠平基于景观生态

38、学源汇理论的自然保护区功能分区研究长江流域资源与环境，2014，23(s1)5359Knaapen J P，Scheffer M，Harms BEstimating habitat isolation in landscape planningLandscape and Urban Planning，1992，23(1)：116俞孔坚，李迪华，吉庆萍景观与城市的生态设计：概念与原理中国园林，2001，17(6)：310赵筱青，王海波，杨树华，徐晓雅基于GIS支持下的土地资源空间格局生态优化生态学报，2009，29(9)：48924901钟式玉，吴箐，李宇程金屏基于最小累积阻力模型的城镇土地空问重构以广州市新塘镇为例，应用生态学报，2012，23(11)31733179陈龙，谢高地，张昌顺，刘春兰，陈操操，王海华澜沧江流域典型生态功能及其分区资源科学，2013，35(4)：816823Cook E ALandscape structure indices for assessing urban ecological networksLandscape and Urban Planning，2002，58(24)：269-280http：wwwecologica1211列引”引州州川嘲吲州吲蚓州蚓圳万方数据