基于MSPA和MCR模型的江蘇省生態網絡構建與優化

王玉瑩, 沈春竹, 金曉斌,4, 鮑桂葉, 劉晶, 周寅康,4

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基于MSPA和MCR模型的江蘇省生態網絡構建與優化

王玉瑩1,3, 沈春竹2,3,*, 金曉斌1,3,4, 鮑桂葉2, 劉晶1, 周寅康1,3,4

1. 南京大學地理與海洋科學學院, 江蘇 南京 210023 2. 江蘇省土地勘測規劃院, 江蘇 南京, 210017 3. 自然資源部海岸帶開發與保護重點實驗室, 江蘇 南京 210017 4. 南京大學自然資源研究中心, 江蘇 南京 210023

快速城市化背景下, 經濟發達區生境斑塊日益破碎化, 生物多樣性受到嚴重威脅, 構建生態網絡是有效連接生境斑塊和保護物種棲息地的重要手段。以江蘇省為例, 采用形態學空間格局分析(MSPA)方法識別重要生態源地, 基于最小累積阻力模型構建生態網絡連接生態源地, 并選取整體連通性指數(IIC)量化生態源地斑塊和生態廊道的重要性, 最后提出江蘇省生態網絡優化建議, 為江蘇省生態安全格局構建提供參考和借鑒。主要研究結果如下: (1)核心區斑塊主要用地類型為大型水體、濕地和林地, 主要包括太湖、洪澤湖、高郵湖、駱馬湖等大型湖泊、東部沿海地區的濕地以及江蘇西南部的林地斑塊; (2)由于江蘇省耕地面積廣闊, 因此耕地在生態網絡中有較大比例; (3)水域、林地、濕地也是生態廊道的主要組成部分, 為減小水體對動物遷徙的阻礙作用, 可以在水域周邊人工造林, 為動物遷徙提供暫棲地; (4)生態廊道構成中, 建設用地占比15.44%, 這是近年來江蘇省快速城鎮化和建設用地的過度擴張的結果。

生態網絡; 形態學空間格局分析; 最小累積阻力模型; 連通性; 江蘇

0 前言

快速的城鎮化進程伴隨著高強度的土地開發與土地利用方式的轉變[1], 不斷蠶食和侵占生境斑塊, 使其日益破碎化、島嶼化[2], 直接影響到區域景觀格局和可持續發展[3]。生態學家認為, 生境斑塊破碎化會導致種群孤立, 從而大大增加種群滅絕的幾率, 嚴重威脅生物多樣性[4]。構建生態網絡被認為是維護區域生態安全、提升自然生態系統服務價值的有效方法, 通過生態網絡規劃將破碎的生境斑塊進行有效連接, 形成系統、完整的生態空間格局, 從而提高生態系統的質量和保護生物多樣性已成為學界共識[5–6]。

目前, 最小累積阻力模型是廣泛采用的生態廊道構建方法[5], 該方法使用的關鍵在于生態阻力面的設定, 已有研究多基于不同土地利用類型對不同生物物種的生境適宜性程度, 依據專家打分直接賦值。由于土地利用類型的多樣性, 以及土地利用與生態過程相互作用的復雜性, 基于土地利用類型的均一化賦值難以真實反映同一土地利用覆被類型下不同土地利用方式和強度對生態阻力的影響差異。近年來, 有學者嘗試引入夜間燈光、不透水表面指數等數據對阻力面進行修正[6–7]。由于最小累積阻力模型難以科學辨識斑塊、廊道的相對重要性, 有學者結合重力模型[2]、圖論[8]、電路理論[9]等進行斑塊、廊道相對重要性的定量分析。在構建生態廊道過程中, 生態源地的選擇是關鍵步驟, 目前的研究大多將大型自然保護區或生境質量較好的風景林作為生態源地[10], 但這種處理方式存在一定的主觀性。通過構建綜合指標體系識別生態源地是當前研究的新趨勢, 采用的指標包括生態敏感性、景觀連通性、生境重要性等維度[11]。此外, 近年來, 一種偏向測度結構連接性的形態學空間格局分析( MSPA) 方法被引入生態源地的識別中[12]。該方法強調結構性連接, 僅依賴于土地利用數據, 在進行土地利用重分類后提取林地、濕地、水域等自然生態要素作為前景, 其他用地類型作為背景, 采用一系列圖像處理方法將前景按形態分為互不重疊的七類(即核心區, 橋接區, 環道區, 支線, 邊緣區, 孔隙和島狀斑塊), 進而辨識出對維持連通性具有重要意義的景觀類型, 增加了生態源地和生態廊道選取的科學性。

本文以江蘇省為研究區, 采用MSPA方法識別生態源地, 在采用專家打分法構建阻力面的基礎上, 運用夜間燈光數據對其進行修正, 基于最小累積阻力模型構建江蘇省生態網絡, 最后選用整體連通性指數對斑塊、廊道的重要性進行評價, 從而為構建結構完整的區域景觀生態格局提供參考。

1 研究區概況

江蘇省地跨東經116°18′—121°57′, 北緯30°45′—35°20′, 位于我國大陸東部沿海中心、長江下游, 東瀕黃海, 東南與浙江和上海毗鄰, 西連安徽, 北接山東, 是長江三角洲地區的重要組成部分(圖1)。全省土地總面積1072.17萬hm2, 占全國土地總面積的1.06%, 列全國第24位; 全省人口數量7998.6萬人, 人均國土面積在全國各省區中最少。江蘇平原遼闊, 氣候溫暖, 雨量充沛, 自然資源本底條件差異較小, 是久負盛名的“魚米之鄉”。全省大部分區域適宜高強度、大規模工業化、城市化開發。江蘇是我國重要的經濟中心, 是近代民族工業和鄉鎮工業的發祥地和開放型經濟最發達的地區之一, 也是全國現代高科技產業和城鎮密集地區之一, 如何實現社會經濟快速發展下的生態可持續發展是該區域一直以來的熱點話題。

2 主要技術方法

2.1 基于MSPA 方法的生態源地識別

基于江蘇省第二次土地利用調查變更數據(2014年, 比例尺1:10000, 來源于土地變更調查成果數據庫), 將林地、濕地、水域三種景觀類型提取出來作為前景, 農田、園地、草地、城鎮建設用地、采礦用地、村莊、交通用地及其它用地為背景。利用Guidos分析軟件, 采用八鄰域分析方法對數據進行景觀格局分析, 得到七類景觀類型[13], 其中核心區是前景像元中較大的生境斑塊, 可為物種提供較大的棲息地, 對生物多樣性的保護具有重要意義, 作為本研究的生態源地。但由于核心區斑塊破碎化嚴重, 因此本研究將核心區中面積大于3 km2的斑塊篩選出來作為生態源地。

圖1 研究區概況

Figure 1 The study area

2.2 景觀阻力面生成

構建阻力面傳統上多為專家主觀評價, 這一方法因為過于依賴專家個人經驗且缺乏充分理論支撐而備受詬病。有研究引入地形因素對阻力面進行修正以增加其客觀性[3], 但這并未充分考慮人類活動對土地利用造成的干擾。近期研究表明, 夜間燈光數據可以有效表征經濟發展狀況、能源消費情況、城市化水平以及其他人類活動因素[14]。基于此, 本文參考已有研究對不同景觀分別賦以基礎阻力值[2,10,12](表1), 運用夜間燈光數據(數據來源: NASA網站, http://reverb.echo.nasa.gov, 500 m×500 m)對基礎阻力面進行修正。計算方法見式1。

2.3 基于最小累積阻力模型的生態網絡構建

最小累積阻力模型可以確定源與目標之間的最小消耗路徑, 是生物物種遷移與擴散的最佳路徑, 可以有效避免外界的各種干擾[15]。基于MSPA方法可提取出核心區, 在識別生態源地和確定景觀阻力面的基礎上, 基于ArcGIS 10.3平臺, 運用Linkage Mapper1.1.0插件計算最小累積消耗路徑, 獲得生態廊道的空間位置, 并對生態廊道的景觀構成進行統計。最小累積阻力模型的基本公式如下:

式中是一個未知的正函數,反映空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關關系。D是物種從源到空間某一點所穿越的某景觀的基面空間距離;R是景觀對某物種運動的阻力。

表1 各景觀類型基礎阻力值

2.4 斑塊廊道重要性分析

景觀連通性是描述廊道、網絡或基質在空間上如何連接和延續的一種測定指標[16]。景觀連通性可以由很多指數進行測定, 整體連通性指數和可能連通性指數是基于圖論、生境可用性及物種傳播概率提出的, 用于評估景觀的整體結構性特征, 識別各斑塊、廊道對生態連接度的相對重要程度[17]。本研究選取了(整體連通性指數)分析各斑塊和廊道對景觀連通性的重要程度, 計算公式如下:

(1)整體連通性指數():

其中,表示景觀中斑塊總數,a和a分別表示斑塊和斑塊的面積,nl表示斑塊和斑塊之間的連接數,A表示整個景觀的面積。0≤≤1,=0, 生境斑塊之間沒有連接;=1, 整個景觀都為生境斑塊。

(2)斑塊的重要值():

通過軟件Conefor Sensinode 2.6和ArcGIS 10.3計算和, 并根據的值對斑塊和廊道進行重要性排序, 并運用自然斷點法將斑塊和廊道依據重要性劃分為非常重要、比較重要和一般。

3 結果分析

3.1 基于MSPA的生態源地識別分析

基于MSPA方法進行的景觀格局分析結果如表2、圖2所示。研究區核心區面積約為95.78萬hm2, 占生態景觀總面積的36.02%, 主要包括太湖、洪澤湖、高郵湖、駱馬湖等大型湖泊、東部沿海地區的濕地以及江蘇西南部的林地斑塊, 總體上看, 核心區斑塊分布相對分散, 連通性較差。橋接區面積為14.47萬hm2, 占生態景觀總面積的5.44%, 作為景觀中的結構性廊道, 對物種的遷移與擴散具有重要的生態學意義。由于研究區內核心斑塊分布比較分散, 橋接區作為連接不同核心斑塊的廊道, 分布較為破碎。邊緣區是生態景觀斑塊的外部邊緣, 孔隙是斑塊的內部邊緣, 都為產生邊緣效應的區域, 分別占生態景觀總面積的7.19%和0.43%, 在將其作為生態網絡的組成要素時, 需要考慮邊緣效應影響的范圍。支線是只有一端與邊緣區、橋接區、環道區或者孔隙相連的區域, 具有一定的連通作用, 占生態景觀總面積的6.37%。島狀斑塊是孤立的生態景觀斑塊, 可以作為生物的踏腳石, 所占面積較小, 呈碎塊狀散布在研究區中。環道區是斑塊內部動物移動的捷徑, 有利于物種在相同斑塊內部的遷移, 占生態景觀總面積的2.85%。

3.2 潛在生態廊道分析

基于修正后的景觀阻力面(圖3), 運用最小累積阻力模型, 得到江蘇省潛在生態廊道圖(圖4)。由表3可知, 潛在廊道的總面積約為1065.7萬hm2, 占研究區總面積的3.64%。廊道的景觀構成中, 耕地的占比最大, 為49.57%, 主要是因為耕地在江蘇省范圍內是總面積最大的景觀。水域在潛在廊道中面積占比17.45%, 盡管水域對動物遷徙有較大的阻力, 但是由于江蘇省水系發達, 水體面積廣闊, 因此潛在生態廊道無可避免地需要穿過一些小型水體, 為降低水體對動物遷徙的阻力, 可在周邊人工造林, 為動物提供遷移過程中的暫棲地。由于省內林地面積小, 且斑塊破碎, 因此林地在潛在景觀廊道中僅占6.42%, 林地是生物遷徙依賴的重要節點, 江蘇省有待進一步通過封山育林等措施保護已有林地, 并通過人工造林、退耕還林等方式增加林地面積。濕地也是對動物棲息和遷徙有著重要作用的景觀類型, 它在生態廊道中面積占比5.14%。生態廊道中園地占比3.46%, 草地僅占0.61%, 城鎮建設用地、采礦用地和交通用地在物種遷移的過程中起著較大的阻礙作用, 在生態網絡中分別占2.32%、1.42%和3.16%, 其他用地占1.89%。

圖2 基于MSPA的景觀格局分析圖

Figure 2 The map of landscape pattern analysis based on MSPA

表2 景觀類型分類統計表

圖3 修正后的景觀阻力面

Figure 3 Modified resistance surface

圖4 江蘇省潛在生態廊道圖

Figure 4 Potential ecological corridor map

表3 潛在廊道的景觀組成

3.3 斑塊、廊道重要性分析

在斑塊重要性評價中(圖5), 太湖作為江蘇省面積最大的湖泊, 承載著重要的生態景觀功能, 是魚類和浮游生物的生活環境, 其作為大型水體, 對爬行類和哺乳類動物阻力較大, 但是其復雜的景觀邊界和周圍較豐富的綠地資源有利于塑造良好的濱水濕地環境, 從而增強景觀連通性。洪澤湖、高郵湖和駱馬湖面積較大, 較好地連接了蘇中、蘇北的自然景觀。在東部沿海地區, 鹽城濕地珍禽、大豐麋鹿、海安沿海防護林、東臺中華鱘自然保護區形成了一條狹長的濕地廊道, 貫穿南北。上述結果表明, 大面積斑塊、邊界較為復雜的斑塊重要程度較高, 生境適應性相對較好。

圖5 斑塊廊道重要性圖

Figure 5 Importance value of patches and corridors

在廊道重要性評價中, 主要廊道包括兩條縱向廊道組合: 其中一條為京杭大運河自然生態廊道, 連接駱馬湖-洪澤湖-高郵湖-太湖水系, 另一條為沿海生態廊道, 連接沿海灘涂濕地并向北延伸至連云港云臺山自然保護區, 形成江蘇省東部沿海地區防風固堤、防災減災的生態防護體系。

4 江蘇省生態網絡優化建議

4.1 保護核心斑塊

核心斑塊作為重要的物種源地和棲息地, 是構建生態網絡的重要功能節點, 對物種遷徙和擴散起到了重要的作用。太湖、洪澤湖、高郵湖、駱馬湖等大型水體以及東部沿海地區的濕地面積較大, 具有較高的重要性, 應重點加以保護, 同時這些大型斑塊周邊的小型林地、濕地斑塊也起到了重要的連接作用, 應加強核心景觀斑塊與周圍小型斑塊的聯系, 以擴大斑塊面積, 提高景觀連接度, 促進區域物種的遷徙和交流。此外, 江蘇水系發達, 長江、淮河、沂河等貫通東西, 形成了省域范圍內的天然廊道, 應加強對主要河流的保護及其周邊的綠道建設, 增強區域生態景觀的完整性和連通性(圖6)。

4.2 規劃“踏腳石”斑塊

對于遷徙距離較遠的生物來說, “踏腳石”的建設尤為重要, 增加“踏腳石”的數量和減小“踏腳石”之間的距離能有效提高物種在遷徙過程中的存活率[12]。廊道交叉處是影響生態網絡連通性的關鍵區域, 是生態優化的首選對象, 與此同時, 橋接區是連通核心區的重要區域, 對生物遷移和景觀連通具有重要意義。因此本文根據研究區的實際情況, 結合潛在生態廊道的交匯點和兩個核心區之間的廊道通過的橋接區, 確定了63個“踏腳石”(圖6)。

4.3 生態斷裂點的修復

潛在生態網絡的景觀組成中有一定的交通道路用地, 說明生態網絡被道路切割, 形成斷裂點, 如圖7所示, 江蘇省內由鐵路、高速公路和國道造成的生態斷裂點共計141處。在生物遷徙過程中, 交通線特別是高等級路網對生物遷徙造成巨大阻礙, 生物難以跨越, 動物因車輛撞擊死亡的數量和概率非常高[18]。因此, 需重視生態斷裂點的修復, 在建設高等級道路時應考慮提供野生動物通道, 如野生動物地下通道、隧道、天橋等措施。

圖 6 生態廊道踏腳石布局圖

Figure 6 The map of important stepping stones

圖7 研究區生態斷裂點分布圖

Figure 7 The map of ecological breaking points

5 結論與討論

區域尺度的生態網絡構建與優化對生物多樣性和區域生態環境保護具有重要意義。本文基于MSPA方法和最小累積阻力模型構建江蘇省潛在生態廊道, 初步形成了省域生態網絡體系, 為物種遷移、擴散提供良好的生態廊道, 并為生態網絡提出了優化措施。研究結果表明: 核心區斑塊主要用地類型為大型水體、濕地和林地, 包括太湖、洪澤湖、高郵湖、駱馬湖等湖泊、東部沿海地區的濕地以及江蘇西南部的林地斑塊; 大面積斑塊、邊界較為復雜的斑塊重要程度較高, 生境適應性相對較好; 由于江蘇省耕地面積廣闊, 因此耕地在生態網絡中有較大比例, 而耕地是受人類干擾比較嚴重的土地利用類型, 對生態廊道會產生一定阻礙, 因此可考慮部分退耕還林或在周邊建生態防護林以降低人類干擾; 水域、林地、濕地也是生態廊道的主要組成部分, 需加強保護, 為了減小水體對動物遷徙的阻礙作用, 可以在水域周邊人工造林, 為動物遷徙提供暫棲地; 隨著近年來江蘇省快速城鎮化和建設用地的過度擴張, 用地矛盾突出、土地結構不合理等問題對生態景觀保護造成了強烈沖擊, 在潛在廊道景觀組成中, 城鎮建設、村莊用地及其他建設用地占到了廊道面積的15.44%, 但實際上城鎮、村莊等建設用地植被覆蓋率極低, 受人為干擾強, 嚴重阻礙了生物擴散, 這類廊道的實現難度較大。

生態源地的確定是構建生態廊道的基礎, 本研究沒有按照以往直接將自然保護區或森林公園作為生態源地的方式, 而是運用MSPA方法提取出核心區斑塊作為生態源地, 從而避免了生態源地選取時的主觀性, 結合最小累積阻力模型構建生態網絡, 研究結果對江蘇省生物多樣性保護具有重要的指導意義和實踐價值, 同時可為其他地區生態網絡的構建提供參考與借鑒。

另外, 在生態廊道的規劃設計中, 廊道寬度也是一個需要考慮的重要因素。目前對于廊道的最優寬度并無定論, 生物保護學家認為廊道應該越寬越好[19], 但是也有學者認為過寬的廊道會不可避免的促使生物在兩側間的運動, 從而減慢生物到達目的地的速度[20]。生物遷移廊道的寬度隨著物種、廊道結構、連接度、廊道所處基質的不同而不同[21]。對于鳥類和小型動物而言, 幾十米的廊道寬度即可滿足要求, 但大型哺乳動物的遷徙對廊道寬度要求比較大, 可達幾千米甚至幾十千米。有專家認為, 若要使廊道能長久運行, 其寬度應以千米為計量單位[22], 因此, 根據江蘇省實際狀況, 為滿足物種的長久遷移, 本文選擇1 km作為廊道寬度。

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Developing and optimizing ecological networks based on MSPA and MCR model

WANG Yuying1, SHEN Chunzhu2,3,*, JIN Xiaobin1,3,4, BAO Guiye2, LIU Jing1, ZHOU Yinkang1,3,4

1. School of Geographic and Oceanographic Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China 2. Institute of Land Surveying and Planning of Jiangsu, Jiangsu 210017, China 3. Key Laboratory of Coastal Zone Exploitation and Protection, Ministry of Natural Resources, Jiangsu 210017, China 4. Natural Resources Research Center of Nanjing University, Jiangsu 210023, China

Rapid urbanization and economic development in China have led to urban sprawl and habitat fragmentation, especially in economically developed regions. Habitat fragmentation and the resultant decrease in habitat connectivity have become a serious challenge for biodiversity conservation. The development of ecological networks is regarded as an effective way to increase the connectivity between fragmented habitat patches and promote biodiversity conservation. Taking Jiangsu province, a rapidly urbanization district in the east of China, as a case study, ecological sources were identified by using morphological spatial pattern analysis (MSPA) and ecological corridors between sources were established by using minimum cumulative resistance (MCR) model. And the importance of ecological sources and corridors was ranked based on the integral index of connectivity (IIC). The research results show that: (1) the core areas mainly contain Taihu Lake, Hongze Lake, Gaoyou Lake, Luoma Lake, wetlands in the eastern coastal areas and forest in the southwest of Jiangsu Province; (2)there is a large proportion of cultivated land in the ecological corridors because there are vast farmlands in our study area; (3) waters, woodlands and wetlands are the major components of ecological corridors. Artificial afforestation around waters is an effective way to provide temporary habitat for animal migration; (4) some ecological corridors has to go across construction land, resulting from rapid urbanization in Jiangsu Province.

ecological networks; MSPA; MCR; connectivity; Jiangsu Province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.018

F301.2

A

1008-8873(2019)02-138-08

2018-03-04;

2018-04-18

長三角經濟發達地區土地生態空間管控紅線劃定技術示范(201511001-03)

王玉瑩(1995—), 女, 湖南長沙人, 碩士研究生, 主要研究方向為土地資源管理, E-mail: wyyelaine95@163.com

沈春竹(1974—), 男, 江蘇姜堰人, 研究員, 主要從事土地利用規劃、土地生態研究, E-mail: shenchunzhu@sina.com

王玉瑩, 沈春竹, 金曉斌, 等. 基于MSPA和MCR模型的江蘇省生態網絡構建與優化[J]. 生態科學, 2019, 38(2): 138-145.

WANG Yuying, SHEN Chunzhu, JIN Xiaobin, et al. Developing and optimizing ecological networks based on MSPA and MCR model[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 138-145.