정저우시 생태회랑 시스템 계획 및 최적화 전략 = Planning and Optimization Strategies for the Ecological Corridor System in Zhengzhou

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Against the background of rapid urbanization and territorial spatial ecological restoration, Zhengzhou is facing overlapping problems, including the expansion of construction land, fragmentation of ecological space, declining landscape connectivity, and increasing demand for blue green spatial coordination. As the core city of the Central Plains Urban Agglomeration, Zhengzhou has a composite mountain, river, city, and farmland spatial structure formed by the southwestern mountainous and hilly ecological spaces, the northern Yellow River ecological belt and associated wetlands and forest lands, the agricultural matrix of the eastern plain, and the high-intensity construction space of the central urban area. Within this composite spatial context, this study focuses on how to identify, evaluate, and apply the ecological corridor system to planning optimization. Ecological corridor system identification is taken as the main research line, and ecological spatial pattern diagnosis, ecological source patch identification, potential ecological corridor extraction, key node identification, corridor width scenario interpretation, and water system proximity analysis are integrated into a continuous planning-support process.
Based on land use data from 2000, 2010, 2020, and 2025, this study integrates multi-source spatial data, including NDVI, DEM, road networks, water system data, and administrative boundaries. The methods include land use dynamic degree analysis, land use transfer matrix analysis, landscape pattern indices, ecosystem service value assessment, ESV hot and cold spot analysis, ArcHydro hydrological analysis, MSPA, dIIC-based landscape connectivity evaluation, construction of the composite ecological resistance surface, the MCR model, least-cost path analysis, circuit theory, and GIS spatial overlay analysis. On the basis of potential ecological corridor extraction, corridor width scenario interpretation and proximity analysis between ecological corridors and water system elements are further conducted to deepen the planning interpretation of corridor spatial management, blue green spatial coordination, and type-specific optimization strategies.
The results show that the land use structure of Zhengzhou changed significantly from 2000 to 2025. Construction land increased from 844.70 km² to 2,074.37 km², while cultivated land decreased from 5,070.23 km² to 4,219.88 km². The landscape pattern was characterized by intensified fragmentation, increased edge density, strengthened shape complexity, and a higher degree of land use mixing. The total ecosystem service value decreased from 71.44 × 10⁸ yuan in 2000 to 62.08 × 10⁸ yuan in 2025. High ESV areas and ESV hot spots were mainly concentrated in the southwestern mountainous and hilly areas and in the wetlands and forest lands along the northern Yellow River, whereas low ESV areas and cold-spot clusters were mainly distributed in the central built-up area and construction expansion areas. Water system analysis indicates that the water system space of Zhengzhou presents a spatial organization composed of the southwestern mountainous and hilly headwater zone, the central urban transitional convergence zone, and the eastern plain receiving and detention zone.
Through MSPA and dIIC evaluation, 25 ecological source patches were identified, showing an overall spatial pattern of concentration in the southwest and dispersion in the eastern plain. Based on the composite ecological resistance surface, the MCR model, and least-cost path analysis, 45 potential ecological corridors were extracted, with a total geometric length of approximately 584.85 km. The ecological corridor system forms a spatial structure characterized by western concentration, central convergence, and eastward extension. CFC-based corridor importance classification identified 6 high-importance corridors, 14 medium-importance corridors, and 25 low-importance corridors. Circuit theory analysis further identified 19 ecological pinch points and 28 ecological barrier points, which are mainly distributed in Dengfeng, Huiji, Xinmi, Xingyang, and related key corridor sections.
The corridor width scenario analysis shows that different widths have different planning applicability. The 50 m scenario is suitable for constrained narrow sections within urban areas, road greenbelts, limited near-water spaces, and local micro-corridor management. The 100 m scenario can be used for basic management in urban-rural transition zones and near-water corridor sections where land adjustment is difficult. The 150 m scenario is suitable for general municipal corridor sections, agricultural matrix ecological corridors, and near-water corridors with moderate implementation feasibility. The 200 m scenario can be applied to important corridor sections, source patch edge transition zones, river confluence areas, and agricultural or suburban areas with relatively favorable land adjustment conditions. The 250 m scenario is more suitable for areas adjacent to mountain forest source patches, wider river-related corridors, and areas with low construction pressure. Overall, the 100-150 m range can be used as a general reference range for ecological corridor planning in Zhengzhou, but it should be applied differentially according to corridor type, corridor importance, water system proximity, construction land constraints, and implementation feasibility. The proximity analysis between ecological corridors and water system elements shows that corridor length is highest within the 30-200 m distance class, indicating that water system proximity is an important condition for corridor spatial organization. At the same time, medium-and long-distance corridors also account for a certain proportion, confirming that corridor formation is jointly influenced by ecological source patch location, topography, land use background, the composite resistance surface, and corridor continuity.
Based on these analyses, this study classifies the ecological corridor optimization types of Zhengzhou into mountain forest ecological corridors, agricultural matrix ecological corridors, river type ecological corridors, and main urban ecological corridors. It proposes planning and management strategies including ecological source patch protection, corridor continuity maintenance, improvement of ecological permeability in the agricultural matrix, restoration of riparian buffers, blue green spatial coordination, differentiated corridor width management, protection of ecological pinch points, restoration of ecological barrier points, and implementation management. The results form an ecological corridor system analysis framework that links ecological spatial pattern diagnosis, ecological source patch identification, potential ecological corridor extraction, key node identification, corridor width scenario interpretation, water system proximity analysis, and type-specific strategy translation. This study provides spatial evidence and methodological reference for ecological corridor system planning, territorial spatial ecological restoration, and the optimization of the urban ecological security pattern in Zhengzhou.

국문 초록 (Abstract)

급속한 도시화와 국토공간 생태복원이 추진되는 배경 속에서 정저우시는 건설용지 확장, 생태공간 파편화, 경관 연결성 저하, 블루 그린 공간 조정 수요가 중첩되는 문제에 직면해 있다. 정저우시는 중원 도시군의 핵심 도시로서 서남부 산지 구릉 생태공간, 북부 황허 생태대와 관련 습지 및 임지, 동부 평야의 농업 매트릭스, 중심시가지의 고강도 건설공간이 결합된 산지, 하천, 도시, 농지의 복합 공간 구조를 가진다. 이러한 복합 공간 맥락에서 생태회랑 시스템을 어떻게 식별하고 평가하며 계획 최적화에 활용할 것인가라는 문제를 중심으로, 본 연구는 생태회랑 시스템 식별을 주요 연구 축으로 설정하고 생태공간 패턴 진단, 생태원천지 패치 식별, 잠재 생태회랑 추출, 핵심 노드 식별, 회랑 폭 시나리오 해석, 수계 근접성 분석을 연속적인 계획 지원 과정으로 통합하였다.
본 연구는 2000년, 2010년, 2020년, 2025년 토지이용 자료를 기반으로 NDVI, DEM, 도로망, 수계, 행정구역 경계 등 공간자료를 결합하였다. 연구 방법으로는 토지이용 동태도, 토지이용 전이행렬, 경관패턴지수, 생태계서비스가치 평가,ESV 냉점 및 열점 분석, ArcHydro 수문분석, MSPA, dIIC 기반 경관 연결성 평가, 종합 생태 저항면 구축,MCR 모형, 최소비용경로 분석, 회로이론,GIS 공간 중 첩분석을 적용하였다. 잠재 생태회랑 추출 결과를 바탕으로 회랑 폭 시나리오 해석과 생태회랑 및 수계 요소 간 근접성 분석을 추가로 수행하여 회랑 공간 관리, 블루 그린 공간 조정, 유형별 최적화 전략에 대한 계획적 해석을 심화하였다.
연구 결과,2000년부터 2025년까지 정저우시의 토지이용 구조 는 뚜렷하게 변화하였다. 건설용지는 844.70km²에서 2,074.37km² 로 증가하였고, 경작지는 5,070.23 km²에서 4,219.88 km²로 감소하였다. 경관패턴은 파편화 심화, 경계 밀도 증가, 형태 복잡성 강화, 토지이용 구조의 혼합도 증가라는 특징을 보였다. 생태계서비스 총 가치는 2000년 71.44 × 10⁸ 위안에서 2025년 62.08 × 10⁸ 위안으로 감소하였다. 고 ESV 지역과 ESV 열점은 주로 서남부 산지 구릉 지역과 북부 황허 연안의 습지 및 임지대에 집중되었고, 저 ESV 지역과 냉점 집적 지역은 중심 건설지역과 건설 확장지역에 주로 분포하였다. 수계 분석 결과, 정저우시의 수계 공간은 서남부 산지 구릉 발원 구역, 중심시가지 전이 합류 구역, 동부 평야 수용 및 저류 구역으로 구성되는 공간 조직 특성을 보였다.
MSPA와 dIIC 평가를 통해 총 25개의 생태원천지 패치를 식별하였으며, 전체적으로 서남부 집중과 동부 평야 분산의 공간 패턴을 나타냈다. 종합 생태저항면,MCR 모형, 최소비용경로 분석을 통해 총 45개의 잠재 생태회랑을 추출하였고, 총 기하학적 길이는 약 584.85 km로 나타났다. 이 생태회랑 시스템은 서부 집중, 중심부 수렴, 동부 연장의 공간 구조를 형성하였다.CFC 기반 회랑 중요도 분류에서는 6개의 고중요도 회랑,14개의 중중요도 회랑,25개의 저 중요도 회랑이 도출되었다. 회로이론 분석을 통해 19개의 생태협착점과 28개의 생태장애점을 추가로 식별하였으며, 이들은 주로 덩펑, 후이지, 신미, 싱양 및 관련 핵심 회랑 구간에 분포하였다. 회랑 폭 시나리오 해석 결과, 각 폭은 서로 다른 계획 적용성을 가진다. 50 m 시나리오는 도시 내 제약이 큰 협소 구간, 도로 녹지 대, 제한적인 근수 공간, 국지적 미세회랑 관리에 적합하다.100m 시나리오는 도시 농촌 전이구역과 토지 조정이 어려운 근수 회랑 구간의 기본 관리에 활용될 수 있다.150m 시나리오는 일반 시역 회랑 구간, 농업 매트릭스 생태회랑, 중간 수준의 실행 가능성을 가진 근수 회랑에 적합하다.200m 시나리오는 중요 회랑 구간, 원천지 가장자리 전이구역, 하천 합류부, 토지 조정 조건이 양호한 농업 및 교외 지역에 적용될 수 있다. 250m 시나리오는 산지 산림 원천지 인접 구역, 폭이 넓은 하천 관련 회랑, 건설 압력이 낮은 지역에 더 적합하다. 종합적으로 100-150m는 정저우시 생태회랑 계획의 일반 참고 범위로 활용될 수 있으며, 회랑 유형, 회랑 중요도, 수계 근접성, 건설용지 제약, 실행 가능성에 따라 차등적으로 적용되어야 한다. 생태회랑과 수계 요소 간 근접성 분석에서는 30-200m 거리 대의 회랑 길이가 가장 크게 나타나 수계 근접성이 회랑 공간 조직 의 중요한 조건임을 보여주었다. 동시에 중장거리 회랑도 일정 비중 을 차지하여 회랑 형성이 생태원천지 패치 위치, 지형, 토지이용 배경, 종합 저항면, 회랑 연속성 등의 영향을 함께 받는다는 점을 확인하였다.
이러한 분석을 바탕으로 본 연구는 정저우시 생태회랑 최적화 유형을 산지 산림 생태회랑, 농업 매트릭스 생태회랑, 하천형 생태 회랑, 중심시가지 생태회랑으로 구분하고, 생태원천지 패치 보호, 회랑 연속성 유지, 농업 매트릭스의 생태적 투과성 향상, 하천변 완충대 복원, 블루 그린 공간 조정, 차등적 회랑 폭 관리, 생태협착점 보호, 생태장애점 복원, 실행 관리 전략을 제시하였다. 연구 결과는 생태공간 패턴 진단, 생태원천지 패치 식별, 잠재 생태회랑 추출, 핵심 노드 식별, 회랑 폭 시나리오 해석, 수계 근접성 분석, 유형별 전략 전환으로 이어지는 생태회랑 시스템 분석 체계를 형성하며, 정저우 시 생태회랑 시스템 계획, 국토공간 생태복원, 도시 생태안전 패턴 최적화를 위한 공간적 근거와 방법론적 참고를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.1.1 Ecological and Resource Pressures under Rapid Urbanization 1
• 1.1.2 Policy Demands for Ecological Corridor System Planning in China and Zhengzhou 4
• 1.1.3 Zhengzhou-Specific Challenges in Ecological Corridor System Construction 6
• 1.2 Research Objectives, Questions, Contributions, and Significance 9
• 1.3 Research Content and Technical Framework 13
• II. Literature Review 17
• 2.1 Conceptual Basis of Ecological Corridors in Urbanizing Regions 17
• 2.2 Methodological Progress in Ecological Source Patch and Ecological Corridor Identification 20
• 2.3 Corridor Width, Water System Relationships, and Planning Translation 24
• 2.4 Existing Studies in China and Zhengzhou 27
• 2.5 Limitations of Existing Studies and Research Positioning of This Study 31
• 2.6 Research Framework of This Thesis 34
• III. Overview of the Study Area 37
• 3.1 Overview of the Study Area 37
• 3.1.1 Uniqueness of Locational Conditions 37
• 3.1.2 Climate and Meteorology 43
• 3.1.3 Population Distribution 45
• 3.1.4 Topography and Terrain 46
• 3.1.5 Economic Conditions 49
• 3.2 Natural Resources 51
• 3.2.1 Water System Distribution 51
• 3.2.2 Soil Resources 58
• 3.2.3 Plant Resources 60
• IV. Research on the Identification and Optimization of Ecological Corridor System in Zhengzhou 65
• 4.1 Data Sources and Preprocessing 65
• 4.1.1 Analysis of the Spatiotemporal Changes in Land Use in Zhengzhou 75
• 4.1.2 Analysis of the Change Characteristics of Landscape Pattern Index in Zhengzhou 94
• 4.1.3 Spatiotemporal Evolution Analysis of Ecosystem Service Value （ESV） in Zhengzhou 113
• 4.1.4 Analysis of Hot and Cold Spots in Ecosystem Service Value 121
• 4.1.5 Identification and Analysis of Water System Elements 126
• 4.2 Identification of Ecological Corridors in Zhengzhou 142
• 4.2.1 Ecological Source Patch Identification and Analysis Based on the MSPA Model 145
• 4.2.2 Ecological Corridor Construction Based on MCR Model 166
• 4.2.3 Extraction of Potential Ecological Corridors in Zhengzhou 176
• 4.2.4 Circuit Theory-Based Importance Classification of Ecological Corridors and Identification of Pinch Points and Barriers 193
• 4.2.5 Analysis and Determination of Ecological Corridor Width 206
• 4.2.6 Proximity Analysis between Ecological Corridors and Water System Elements 219
• 4.3 Optimization Strategies for Zhengzhou Ecological Corridor System 233
• 4.3.1 Overall Approach to Ecological Corridor System Optimization 239
• 4.3.2 Classified Optimization Strategies for Different Types of Ecological Corridors 241
• 4.3.3 Key Node Restoration and Implementation Management Suggestions 253
• V. Conclusions and Outlook 259
• 5.1 Main Conclusions 259
• 5.2 Research Limitations and Outlook 265
• References 267