基于最小阻力模型的汕頭市自然保護地網絡構建

張沐鋒 ，陳 平 ，劉博文 ，茍登文 ，宮清華

（1.仲愷農業工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510225；2.廣州地理研究所/廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室，廣東 廣州 510070；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室，廣東 廣州 511458）

【研究意義】自然保護區是寶貴的物種基因庫［1］，隨著城鎮化的快速推進，自然保護地孤立的問題逐漸得到重視。促使各自然保護地之間生境的連接、確保物種間的交流與遷移，不僅有利于生物多樣性的保護，還有利于促進相關生態過程。對于自然保護地的概念，世界自然保護聯盟（IUCN）將其定義為“自然保護地是一個明確界定的地理空間，通過法律或其他有效方式獲得認可、得到承諾和進行管理，以實現對自然及其所擁有的生態系統服務和文化價值的長期保護”［2］。19世紀美國的國家公園運動是自然保護地實踐的最早起源，其標志性實踐即為黃石國家公園的建立。【前人研究進展】過去30年，生物多樣性的保護從僅針對孤立的保護區，逐漸發展為構建生態網絡的方式。1986年Noss等［3］提出了“節點-網絡-模塊-走廊”的自然保護區規劃模式，建議通過建立狹長走廊作為生物流通道，由保護區與建立的走廊形成區域的生態網絡，進而加強物種間的生態活動。2010年徐衛華等［4］大熊貓自然保護區進行相關研究，通過網絡構建加強分散保護區之間的連通性，提高物種內的繁殖與交流。2017年王原等［5］對寧夏沙坡頭的鳥類保護區進行了深入研究，構建了該寧夏地區的鳥類生態安全格局，劃定了該區域的重點保護地塊與廊道、輻射道、戰略點等。我國是世界上生物多樣性最豐富的國家之一［6］，境內分布大量的珍稀漸危和特有物種，至今已建立自然保護地11 800多處，覆蓋了陸域面積的18%、領海面積的4.6%，已建立九大類型自然保護區、共2 729個，其中森林生態系統類型的保護區數量最多有1 425個，占自然保護區總數的52%；其次為野生動物類型自然保護區共有520個；內陸濕地類型自然保護區378個，初步形成了自然保護區為主題、各類自然公園為補充的自然保護地體系格局［7］。但由于我國大部分區域自然保護地布局不均衡，以及城市無序開發、環境污染等因素都威脅著生物多樣性及其生境，使棲息地破碎化嚴重的現象仍然存在［8］。【本研究切入點】大多數自然區域的保護對象為多物種，其生態源地的范圍受多種因素影響，而現有研究普遍將原有的生態公益林等直接列為生態源地，忽視了水土、建設情況等影響。【擬解決的關鍵問題】本研究將INVEST模型與其他評價相結合，綜合考慮各因子對汕頭市生態源地劃定的影響，在考慮近幾年地形、生境狀況、土地利用等自然社會因素基礎上，構建生態環境評價指標體系，為生態源地劃定更為合理范圍；基于MCR模型構建自然保護地網絡，為汕頭市自然保護地的合理劃定以及區域網絡的保護提供有效指導。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

汕頭市位于廣東省東部、韓江三角洲南端，地處韓江、榕江和練江三江出海口，海岸濕地類型豐富多樣，面積較為廣泛。其中紅樹林濕地恢復良好，生物多樣性高，水產養殖業發達，是我國三大候鳥遷徙路線涉及區之一，是國際候鳥區的重要遷徙歇腳點，對國際候鳥區系有重要生態學意義，此外汕頭與周圍市域共同維護蓮花山等山脈的完整性，共同保護廣東省自然保護地體系［9］。汕頭市屬于中國動物地理區劃的華南區域，地形復雜，以丘陵、平原為主，氣候炎熱多雨，雨量豐富，植物生長茂盛，給珍稀物種提供了良好的生存環境，全市共有野生動物資源52目181科876種，其中主要重點保護野生動物有白尾海雕、短尾信天翁、白腹軍艦鳥、穿山甲、黃唇魚等，主要分布在大南山、小北山、桑浦山、蓮花山等山脈及各類沼澤濕地、海域。本文以陸生野生動物為研究對象，即沼澤濕地與大面積的林地成為其主要的棲息地，而具有一定寬度的狹長型河流成為其主要的遷徙廊道。汕頭市轄區內的林業系統自然保護區共4個，包括1個省級自然保護區，3個市級自然保護區（表1）。

表1 汕頭市林業系統自然保護區建設現狀Table 1 Construction status of natural reserves of forestry system in Shantou City

1.2 數據來源與處理

數據主要包括：（1）土地利用數據，來源于2019年全國第三次土地調查1.5版本，空間分辨率為30 m，作為研究區內評價因子。（2）汕頭市DEM數據，來源于地理信息空間數據云GDEMDEM 30 M分辨率數字高程數據。（3）NDVI（歸一化植被指數）數據，來源于Landsat8高清遙感地圖（2018年3月），通過輻射定位以及大氣校準，再利用ENVI計算獲得，用于表達研究區內的植被的覆蓋度。（4）土壤相關數據，采集時間為2018年5月。（5）汕頭市環境質量狀況公報：由汕頭市環境局提供。（6）降雨數據，以各站點統計年降雨量為準，利用空間差值分析得出研究區域內降雨量分布圖。（7）自然保護區數據來源于《全國自然保護區名錄2015》。收集數據均通過GIS空間校正、投影轉換等處理，統一采用了Transverse_Mercator空間投影和大地2000地理坐標系統。

1.3 研究方法

本研究采用MCR模型構建自然保護地網絡的方法。其中，通過選取對物種活動影響較為密切的因子作為阻力因素，阻力值大小反映不同景觀單元對生態流運動擴張不同程度的影響［10］。而生境質量評價主要基于INEST模型進行模擬，模塊假定生境質量較好的地區具有較高的生物多樣性，通過分析與人類活動相關的生態威脅因子對土地利用影響，進而對生境質量（Habitat Quality）進行總體評價。生境質量是生態環境提供給生物個體和種群生存所需要的環境水平，是一個連續變量，數值范圍由低到高，生境質量越高的斑塊生態結構和功能越穩定。人類對土地利用的方式和強度決定了生境質量的高低，土地利用強度越大，生境質量下降越明顯［11-13］。

根據汕頭區域自然環境特征和生物的多樣性分布，結合社會活動影響，考慮評價指標的重要性和可獲得性，最終確定通過生物多樣性、生境質量、生態敏感性等指標劃分生態源地，并從生態本底和生態脅迫兩方面選取阻力因子作為生態約束條件建立阻力面，再基于MCR模型計算生態源地在約束條件下的潛在廊道。根據現有的汕頭自然保護地體系，進行補充空缺區域、增設生態節點、完善自然保護地網絡構建，達到提高生境棲息地質量、增強生物多樣性保護的目的［14-19］。

（1）生態源地的劃定。以生態環境因素為主，綜合人類活動以及指標的重要性、系統性和可獲得性等因素，選取生物多樣性、生態敏感性、生態系統服務重要性、水源涵養、水土保持、生態保護等級、生境質量7項生態因子對汕頭地區進行綜合評價，并用自然斷點法分為極重要區、重要區、一般重要區。其次利用層次分析法（AHP）確定各因子的權重，利用GIS疊加工具，對各因子層進行加權疊加。得到研究區域內的生態環境評價分布圖。然后提取極重要區作為生態源地，以消除不規則且較小的優質生態環境斑塊對區域網絡構建產生影響。提取斑塊面積大于20 km2作為汕頭地區的生態源地［20］。生態源地的確定作為第一步也是最重要一步，不僅是生態過程的源頭，也是被保護物種的主要棲息地，是生物進行生態活動的景觀斑塊［21］。

（2）阻力面的建立。自然環境特征的差異以及不同社會活動對源地的生態流動有不同影響，本文依據汕頭現有生態環境條件選定了影響程度高的因子來構建阻力面［22］。將其分為生態本底與生態脅迫兩個準則層，生態屬性為坡度、NDVI、土地利用等指標，生態脅迫為至建成區距離、至道路距離、至距水體距離等指標。并設置不同梯度的阻力值，然后運用層次分析法（AHP）確定其權重，采用GIS柵格計算器工具進行權重疊加，得到汕頭地區生態源地阻力面。

（3）自然保護地網絡的構建。在劃定生態源地和確定阻力面后，利用最小阻力模型（MCR）獲取研究區域內的阻力面分布，按照自然斷點法進行等級劃分，將研究區分為高阻力、中等阻力和低阻力3個部分。最小累積阻力是指從生態源地經過不同阻力的景觀所耗費的費用或者克服阻力所做的功，阻力面反映了生態流的蔓延趨勢，Knaapen在分析景觀斑塊的隔離程度時提出模型［23］，即最小耗費距離模型的表達公式如下：

式中，MCR為最小累積阻力值，Dij為物種從源j到景觀單元i的空間距離，Ri為景觀單元i對某種運動的阻力系數。

計算連接不同生態源地之間最小耗費的距離，形成生態源地之間生態流運動的潛在路線，兩源地之間阻力值之和最小形成的路線即為最小耗費路徑［24］。生態節點為生物棲息保留了隱蔽空間，并用于加強區塊的連接創造自然的生物多樣空間，在該處應設置相應小的生態節點即森林公園或小型濕地等，用作動物遷徙的“中轉站”。

2 結果與分析

2.1 汕頭地區生態源地劃定

根據上述生態源地劃定方法，對研究區域進行生物多樣性、生態敏感性、生態系統服務重要性、水源涵養重要性、水土保持重要性、生態保護等級、生境質量等進行評價（圖1）。利用層次分析法確定各項單因子的權重（表2），并通過加權疊加得出最終的汕頭生態源地圖（圖2）。

經綜合評價將汕頭生態源地劃分為一般重要區、重要區、極重要區，提取極重要區、重要區作為源地，面積為61 567.97 hm2，占總面積的29.26%，主要集中分布在汕頭地區中的大南山生態屏障、小北山生態屏障、桑浦山生態屏障、蓮花山生態屏障、黃花山生態屏障、果老山生態屏障以及練江流域、韓江流域和牛田洋地區。參照原有汕頭市劃定的自然保護地分布進行補充空缺，得出汕頭地區最終生態源地分布圖（圖3），總面積為74 499.23 hm2，占總面積的35.41%，增設的面積主要為濠江出海口生態敏感地帶。

經研究劃定的生態源地與原有《全國動物保護區名錄》汕頭地區一致，且與生物多樣性分布的情況吻合，表明通過科學的劃定生態源地，為實施生態管控提供了保護邊界。從結果中發現生態源地的分布主要位于水源涵養重要區，主要是因為動物生長需要水源以及相應的植物作為食物。大部分生態源地分布在生境質量評價極重要區，主要是因為該區域的植被覆蓋度較高，距離建成區較遠，避免了人類捕殺，為野生動物提供了一個較為隱蔽的棲息地。分布在牛田洋濕地以及韓江流域的生態源地，主要是由于大面積的沼澤為候鳥提供了良好水源、食物，該區域主要保護對象為短尾信天翁、白腹軍艦鳥等鳥類動物以及大面積的紅樹林。因此可以發現生態源地主要受自然基底以及人為環境影響，而自然基底主要是對保護物種能否提供相應適宜的棲息地環境，對于汕頭地區的陸生物種穿山甲等，劃定的生態源地有合適的水源以及大面積林地作為動物的生產活動，其次距離建成區的距離大于5 km，為物種棲息提供了適當的隱蔽環境。

2.2 汕頭地區阻力面建立

依據上述阻力面建立方法，分為生態屬性與生態脅迫兩個準則層，確定各阻力因子的劃分標準及對應的阻力值，并通過AHP層次分析法獲得各阻力因子的權重分別為0.0741、0.1055、0.1604、0.1677、0.2408、0.2515（表 3、表 4），由此可知阻力因子指標中，影響生態廊道建立最主要的為NDVI以及土地利用，主要是因為狐貍、豺狼、黃猄等陸生動物偏向于植物覆蓋度較高的區域遷徙，該區域主要為林地或狹長型的綠島以及河流。在獲得各項阻力因子等級分布圖（圖4）后，進行各項阻力因子的加權疊加獲得生態源地擴張過程阻力面（圖5）。

2.3 汕頭地區自然保護地網絡構建

圖1 汕頭地區各項評價因子等級分布Fig.1 Grade distribution of evaluation factors in Shantou area

表2 生態環境綜合評價指標體系相關因子權重Table 2 Weight of related factors in comprehensive evaluation index system of ecological environment

圖2 汕頭地區生態環境綜合評價分區空間分布Fig.2 Spatial distribution of comprehensive evaluation ranking of ecological environment in Shantou area

汕頭地區生態源地總面積74 499.23 hm2，占總面積的35.41%，基于原有生態源地擴張過程阻力面分布數據，利用MCR（最小阻力模型）生成汕頭地區自然保護地網絡（圖6）。汕頭生態源地擴張過程阻力面中低阻力面積為68 084.60 hm2，占總面積的32.36%，主要圍繞生態源地呈半環狀分布。而中阻力面積（91 882.5 hm2）較大，占總面積的43.67%，主要分布在練江、韓江流域以及牛田羊地區。高阻力面積為50 438.22 hm2、占總面積的23.97%，主要分布在中心城區內建筑較為密集的地方。基于最小累計阻力模型方法，確定汕頭地區潛在生態廊道分布圖，生態廊道共計41條，長度為487.25 km，生態節點為30個包括原有森林公園以及廊道相互交錯和生態較為薄弱的區域，該區域的主要特征為位于建成區周邊（圖7）。而潛在的廊道主要分布在部分河流以及兩個生態源地間阻力最小的狹長地帶，主要是由于該地塊更容易轉變為生態連接帶，其次距水體較近、距建成區較遠，可以減少人為活動干擾。按照原有的廊道規劃原則，應盡可能設置較寬和形狀較為規則的廊道，滿足正常陸生哺乳類的動物活動需求廊道寬度應為幾公里甚至是幾十公里［25］。

圖3 汕頭地區生態源地分布Fig.3 Distribution of ecological source area in Shantou

表3 最小阻力模型相關阻力與權重Table 3 Related resistance and weight of the MCR

表4 汕頭地區生態源地擴張阻力因子與等級劃分一覽Table 4 List of resistance factors and grade division of ecological source area expansion in Shantou area

圖4 汕頭地區各項阻力因子等級分布Fig. 4 Grade distribution of various resistance factors in Shantou area

圖5 汕頭地區生態源地擴張過程阻力面分布Fig.5 Distribution of resistance surface of ecological source area expansion in Shantou area

圖6 汕頭地區自然保護地廊道分布Fig.6 Distribution of corridors of natural reserves in Shantou area

圖7 汕頭地區自然保護地網絡Fig.7 Natural reserve network in Shantou area

3 討論

截至2019年，汕頭市已建立林業系統省級自然保護區1個，市級自然保護區3個，保護面積共計12 714 hm2，自然保護區的建立對汕頭的生物多樣性發揮了重要作用。但總體而言，汕頭市建立的自然保護區數量偏少，劃定范圍較小，各自然保護區之間存在空缺，限制了種間交流及活動范圍。可以新設立小規模保護區，或采取其他措施給予保護，汕頭市現有的廊道主要為道路廊道、河流廊道，且寬度較小，部分不滿足生態廊道的要求。基于MCR模擬的汕頭市自然保護地網絡構建，已經覆蓋汕頭現有的自然保護區以及其他生態脆弱區，各生態源地斑塊之間均建立了耗費成本最低的潛在生態廊道。

在新時期國土空間規劃背景下，從關注建設用地規模與耕地保護轉移為強調山水林田湖草等生態要素的全域全要素統籌，使得促使各要素之間的交流、生態源地的劃分以及生態底線管控成為近期研究重點。而孤立自然保護地的設置嚴重影響了生物的擴散和遷移，阻礙了種群間的基因交流，增加了物種滅絕的風險，成為生物多樣性下降的主要原因［26-29］。通過科學的方法確定潛在生態廊道，通過人工和天然的方式建立廊道，可以促使孤立自然保護地斑塊之間生境的連接，使物種能通過廊道在不同單元之間自由擴散、遷徙，有效增加物種基因交流，防止種群隔離，維持最小種群數量并保護生物多樣性，使生境破碎化問題得到有效改善［30-31］。

4 結論

本研究以汕頭市為例，基于綜合評價劃定生態源地、MCR構建自然保護地網絡，探索了適用于城市的生物多樣性保護規劃思路，為城市生態空間的保護利用、生態功能的提升提供參考。基于MCR模型的自然保護地構建能夠很好融入生態流的自身特征，并基于INVEST模型和水源涵養評價等方法能夠科學識別生態源地，能將不同的生態環境特征反映到模型運用中，對于我國自然保護地上開展生物多樣性保護、優化生態安全格局，具有一定的科學指導和實踐運用價值。