基于MCR模型的市域生態空間網絡構建

郭家新 胡振琪,2 李海霞 劉金蘭 張 雪 賴小君

(1.中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083； 2.中國礦業大學環境與測繪學院，徐州 221116；3.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085)

0 引言

生態空間網絡是指在特定尺度空間內能識別線性生態廊道特征、有效聯系各類生態斑塊、并反映空間要素組合規律及結構功能特征的空間組織體系[1-2]。在經濟穩步發展的同時，也會引發耕地破壞、林草地損毀、濕地退化等生態環境問題，使區域生態系統不平衡，且難以恢復，生態網絡中重要生態源地逐漸退化或消失[3-4]。從20世紀70年代起，生態網絡研究逐漸被國外學者關注，在模型構建、種群與群落的網絡分析、生物多樣性保護、景觀規劃與生態環境保護等方面進行了較多的研究和探索。近年來，景觀生態學理論及方法成為生態空間網絡格局的研究熱點，因其有助于發現不同生態系統的相似性和差異性，故展示了較好的應用潛力[5]。我國對生態空間網絡的研究起步較晚，但發展較為迅速?，F有研究多局限于從土地類型方面識別重要生境斑塊而構建廊道，并從綜合性、穩定性等方面評價生態網絡體系的科學性，對景觀類型結構性數據研究關注較少[6-10]。

目前，關于生態網絡構建過程已形成基本的模式，包括構建阻力面、生態源地的識別與潛在生態廊道的提取，且不斷向定量化轉變。形態學空間格局分析(Morphological spatial pattern analysis，MSPA)基于圖形學原理，結合柵格運算方式在像元級尺度識別生態源地[11-14]。生態廊道提取通?；谕恋仡愋?、地形等因素賦予權重，并構建綜合阻力面，表征了地表景觀類型對生態流動的阻力影響。最小累積阻力(Minimum cumulative resistance，MCR)模型通過阻力面的權重生成最佳路徑，用于提取潛在生態廊道，但這種常規方法忽視了生態源地之間的生態作用力。重力模型被廣泛應用于城市空間結構的優化研究，后來也被應用于城市經濟、區域環境間相互作用結構[15-16]研究。

近年來，我國國土空間規劃與管理愈發強調生態空間的重要性，充分識別城市生態空間成為劃定生態保護紅線、確定城市開發邊界和空間管制等政策實施的迫切需求[17-18]。本文以我國華北地區資源型城市——唐山市為研究對象，根據遙感圖像解譯土地利用類型，采用MSPA方法識別研究區的核心區景觀要素，然后通過選取整體連通性指數(Integral index of connectivity,IIC)、可能連通性(Probability of connectivity,PC)等景觀指數，量化重要性程度，提取生態源地，采用最小累積阻力模型構建研究區潛在生態網絡和生態廊道，基于重力模型對生態廊道進行分級，并提出區域生態保護管理和構建生態空間網絡的建議，以期為唐山市國土空間規劃、生態空間構建和生態保護紅線管控提供有效支撐，也為類似區域生態空間網絡研究提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

唐山市位于河北省東部、華北平原東北部，渤海灣中心地帶，介于117°31′～119°19′E，38°55′～40°28′N，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，呈現出明顯的大陸性氣候特征，年平均氣溫12.5℃，常年降水量500～700 mm，轄區面積1.43×106hm2(圖1)。北依燕山，毗鄰京津，境內有南湖濕地、唐津運河生態公園、曹妃甸濕地公園、樂亭縣金銀灘國家森林保護區、遵化鷲峰山森林保護區、遷西景忠山森林保護區、遷安徐流口森林保護區等國家級或省級重點生態保護區。102國道、112國道、205國道、京哈鐵路等主要交通干線構成了縣域生態空間網絡的重要骨架。但是，由于唐山市長期以來經濟優先的發展策略導致環境污染，生態格局破壞，環境日益惡化[19-20]。通過空間規劃引導實現綠色網絡體系的完善與構建，合理利用良好的自然山水格局，以實現唐山市生態網絡體系修復和發展顯得尤為重要。

1.2 數據處理

本研究主要采用Landsat8 OLI衛星數字產品2018年8月30 m分辨率的遙感影像(地理空間數據云)、30 m分辨率數字高程數據(地理空間數據云)和2018年唐山市行政邊界數據(唐山市自然資源和規劃局)。通過ENVI和ArcGIS軟件對遙感影像進行預處理，然后運用最大似然法進行監督分類，提取林地、草地、水體、建設用地、耕地和其他主要景觀要素等。最后通過高精度航拍數據對解譯的土地利用進行精度驗證。最后通過ArcGIS軟件完成基本圖件的制作。

1.3 研究方法

1.3.1基于MSPA景觀格局分析

MSPA分析方法[21]不同于傳統生態理論的粗提取方式，而是基于圖形學原理，運用開閉運算等數學方法對柵格圖像進行識別、分割，并解譯研究區地類要素，從而得出像元層面的景觀生態斑塊。根據解譯后的唐山市土地利用數據，提取林地、草地、水體要素作為MSPA分析的前景數據，建設用地、耕地等作為背景數據。將數據二值化柵格處理，運用Guidos Toolbox分析軟件，采用八鄰域圖像細化分析方法[22]快速準確地提取像素目標和矢量化跟蹤，最后得到7種互不相交的景觀類型，分別為核心區、橋接區、島狀斑塊、支線、邊緣區、環道區和孔隙(圖2)。最后對分析結果進行面積等統計(表1)，提取核心區斑塊作為連通性分析的生態源地。景觀類型及顏色符號詳情參見Guidos Toolbox手冊[23]。

表1 唐山市不同景觀要素面積與比例Tab.1 Area and proportion of different landscape elements in Tangshan City

1.3.2重要生態源地識別與評價

生態源地的選取是構成生態網絡最為重要的空間骨架，通過景觀連通性指數識別重要生態源地構建生態空間網絡具有一定的生態學意義。景觀連通性是指景觀要素在空間單元之間的相互連續性，能夠定量化表征某要素在生態源地之間物質擴散和遷移的難易程度。目前，MSPA分析常用景觀連接指數包括：整體連通性指數(IIC)、可能連通性指數(PC)、斑塊重要性指數(dI)等。本文基于文獻[24-26]，選用IIC、PC景觀指數，基于Conefor軟件將斑塊連通距離閾值設置為1 500，連通概率設為0.5，對核心區進行重要生態源地識別，并通過中介中心性度量(Qi)進行重要生態源地評價(表2)。

表2 重要生態源地景觀連通指數與面積統計Tab.2 Landscape connectivity index and area statistics of important ecological sources

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中IIIC——整體連通性指數，取值0～1

AL——景觀總面積，hm2

n——斑塊總數

ai、aj——斑塊i、j的面積，hm2

lij——i到j的最短路徑

IPC——可能連通性指數，取值0～1

dI——斑塊重要性指數，取值0～1

I——景觀指數

dIIIC——要素在景觀中整體重要程度，取值0～1

IIICremove——在景觀中除去某要素后景觀整體連接度指數

dIPC——要素在景觀中可能重要程度，取值0～1

IPCremove——在景觀中除去某要素后景觀可能連接度指數

將dIIIC>0.2、dIPC>0.2的生態斑塊劃定為重要生態源地。

由于Conefor 2.6計算中不同斑塊對景觀連接性貢獻方式不同，選取中介中心性度量(Qi)對完整生態網絡中不同斑塊進行重要程度界定。式中Qi量化斑塊i在整個生態斑塊中重要程度(其中Qi越接近1說明其在生態源地的面積占比越大，重要性越大)，dPCconnector量化了斑塊i在整個生態網絡中連接重要性

dPC=dPCintra+dPCflux+dPCconnector

(0

(6)

(7)

式中dPCintra——斑塊自身屬性(如面積)對自身連接性的貢獻

dPCflux——斑塊以自身屬性(如面積)為權重，到每一個斑塊產生的最大生態流

dPCconnector——斑塊作為連接點對維持景觀中其他斑塊連接性的作用，用于評價斑塊位置的重要性

借助Conefor軟件對研究區域的重要生態源進行中介中心性指數分析計算，并將計算結果進行定性分類：將0.5≤Qi劃定為較高棲息地；0.2

1.3.3基于最小累積阻力模型的潛在生態網絡構建

生態物質的流動在內部需要克服一些阻力。研究區的阻力要素由17個因素評估，包括景觀因子(核心區、橋接區等)、土地利用(林地、草地等)、高程因子等。每個因子的阻力根據評估系統設定(表3)。此外，發展策略將影響某些因素的阻力，并最終影響研究區生態流動的最小累積消耗阻力。例如，植被覆蓋度越高，水網越近，生態保護模式中的生態阻力越小。

表3 阻力層權重與因子阻力Tab.3 Resistance layer weights and factor resistance values

最小累積阻力模型可以確定起始源和目標源之間的最短路徑，表示生態流從一個生態源地到另一個生態源地克服生態阻力面的最小累積距離[27]。該方法是在GIS平臺支持下，通過生態源和阻力系數的設置，來確定核心區之間的連接路徑。結合MSPA分析結果，提取相應的生態源地，不同源地具有不同的生態能量，它們輻射和傳遞能量的能力不僅與其面積有關，而且與生態源的類型和形狀有關。本文對不同的土地覆蓋類型分別賦值，構成阻力面模型。景觀阻力越大，表明物種遷移難度較大。

VCR=∑RijWi

(8)

式中VCR——生態阻力面

Rij——第i個柵格單元的第j個指標的安全指數

Wi——第i個指標的權重

(9)

式中MCR——最小累積阻力

fmin——反映MCR與變量Dij、Ri之間正比關系的函數

Dij——生態源從j穿過i的空間距離

Ri——物種穿越某景觀表面i的阻力

基于ArcGIS 10.4的空間分析模塊通過建立的生態阻力面(圖4a)計算生態斑塊間歐氏距離和成本加權距離確定生態源地間最小路徑，并對冗余路徑進行剔除，構成分析的潛在生態廊道(圖4b)。

1.3.4基于重力模型的重要生態廊道識別

19世紀，學者研究城市系統的相互作用時將重力模型引入到地理空間的研究中，并用于分析城市之間貿易的相互作用以及國家之間貿易交流形式的研究。本文嘗試將重力模型引入景觀生態領域，可以定量評價源地斑塊間的相互作用強度，從而科學判定潛在生態廊道的相對重要性[28-30]，計算式為

(10)

式中F——生態重力

Gij——斑塊a、b之間的生態引力

Ni、Nj——兩斑塊的權重

Pi、Pj——斑塊i、j的阻力

Lij——斑塊i到j之間廊道的累積阻力

Lmax——研究區中所有廊道阻力的最大值

通過重力模型可以計算出生態源地之間的生態引力。值越高，表明生態源地之間的聯系越緊密，能量傳遞和物質遷移就越頻繁。重力模型的計算結果如圖5所示，將生態引力大于150的廊道作為一級廊道，共計59條；生態引力大于10而小于等于150的作為二級廊道，共計161條；其他作為三級廊道，共計215條，得到研究區生態網絡圖如圖6所示。

2 結果分析

2.1 基于MSPA的景觀格局分析

如表1和圖2所示，基于MSPA分析的唐山市景觀要素面積721 915.20 hm2，其中核心區面積為245 674.52 hm2，占研究區景觀要素面積的34.03%，景觀類型多為草地，其次為林地和水體；且主要分布于遵化市東南部、遷西縣、遷安市西部、豐潤區東北部自然保護區以及曹妃甸區南部濕地保護區。其中北部核心區呈東西向條帶式分布，中部和南部呈集聚狀態，面積較大，穩定性較強；中南部較為稀少，且破碎化較嚴重，更加表明研究區南北地區之間核心斑塊連通性較差，生態流動困難；橋接區是連接核心區的狹長區域，其面積235 585.61 hm2，占研究區景觀要素面積的32.63%，代表生態網絡中的連接廊道，主要為山區郊野、河流沿岸及交通道路兩側林草地景觀斑塊，如市域北部燕山山脈、遷西縣和遷安市境內灤河沿岸、玉田縣和豐潤區境內G1高速兩側林地生態帶等，構成物質流動的重要景觀要素；島狀斑塊是孤立的綠地景觀，且不與其他斑塊相連接，面積70 958.27 hm2，占景觀要素面積的9.83%，可以作為生態要素流動的臨時棲息地，可以間接提高生態斑塊的連通性。邊緣區面積為80 054.82 hm2，占景觀要素面積的11.09%，邊緣區是核心區和非綠色景觀區域之間的過渡區域，可產生物種生存的邊緣效應，邊緣區面積越多，則適宜物種生存的核心區就越少，即表示分散越嚴重。

2.2 重要生態源地識別與評價分析

重要生態源地是生態網絡的關鍵節點，其斑塊面積大，生態資源充足，有利于物質、能量和信息的交換，而且能更有效地維持和發揮景觀生態功能，通過核心區(生態源地)各斑塊的整體連通性指數(IIC)、可能連通性指數(PC)以及斑塊重要性指數(dI)表征計算結果，將分別大于0.2的30塊核心區生態斑塊劃定為重要生態源地。如圖3所示，重要生態源地主要分布于市域北部和南部濕地，而且都是唐山市生態保護用地的集中分布區，生態環境質量現狀較好，但是原劃定的生態保護區整體存在系統碎片化問題，南北各保護區相互孤立，互不連通，特別是位于中部分界點的陡河流域與南部濕地保護區距離較遠，產生嚴重的生態流動斷面，導致保護區內部物質循環和生態要素流動性不足。

結合唐山市國家級、省級自然保護區分布情況以及表2計算結果分析，源地1的dIIIC和dIPC最大，分別為0.91和0.93，面積24 809.70 hm2，位于遷西縣南部和遷安市西部山葉口省級森林公園等連片山林保護區；源地2dIIIC和dIPC分別為0.72、0.74，面積13 046.70 hm2，主要包含翔云島國家級森林保護區等；源地3位于遵化市和遷西縣交界處，主要分布著景忠山、臥龍山等森林保護區；源地4主要包含曹妃甸南部濕地和鳥類省級自然保護區等。源地5～15各連通性指數在0.2以上，屬于中等偏下，主要分布在市域北部的山區、流域附近；其余斑塊連通性指數相差不大，面積在1 000 hm2以上，但整體指數較低，對整個研究區的連通性貢獻程度基本一致。

通過中介中心性度量(Qi)計算重要生態源地重要程度，可以為網絡體系現狀的重要斑塊保護以及遠期的生態網絡發展指引提供科學依據。根據表2中Qi計算結果，將源地1～4劃定為較高棲息地；源地5～15劃定為中等棲息地；源地16～30劃定為一般棲息地；從而實現了對研究區域潛力生態網絡中生態源斑塊內涵的確定(圖3)。

2.3 關鍵生態廊道提取分析

通過構建的生態阻力面發現(圖4a)，唐山市從北向南阻力逐漸增大，阻力較低的地區主要位于北部和西南部，由于遷西縣、遵化市山區林地、草地資源和南部曹妃甸區濕地資源豐富，在嚴格限制經濟發展的同時，使水域、濕地和林草地資源得到更好的保護；而阻力較大的地區位于市域中部的中心城區(豐潤區、開平區、路北區、古冶區、路南區)、玉田縣東和中南部灤南縣，這里大多由耕地覆蓋，建設用地集中，構成生態屏障，導致局部區域引起較高的生態阻力。從阻力面構建可以看出，研究區內經濟優先的發展趨勢已經嚴重阻礙生態能量的流動，由于生態廊道形成，可以使不同景觀要素之間構成連接橋[31]。

結合提取的30個重要生態源構建435條總長度為3 651.98 km的潛在生態廊道(圖4b)，廊道寬度為30 m，總面積為10 955.46 hm2(表4)。草地在廊道中的面積為5 610.44 hm2，占總廊道面積的51.21%；林地在廊道中的面積為3 368.10 hm2，占總廊道面積的30.74%；水體在生態廊道中起到一定阻礙作用，然而水體周邊的綠地是作為源地和廊道的重要建設區，適宜物種活動，面積1 803.17 hm2，占總廊道面積的16.46%；在未來廊道內部景觀建設中以草地、林地和水域作為景觀規劃要素可以降低建設成本，還能夠有效實現生態物種遷移和生物多樣性的保護。建設用地人為活動頻繁的區域能夠阻礙物種遷移和擴散，占總廊道面積的1.29%。穿過建設用地和耕地的生態廊道占比較小，更加反映了人為活動和生產生活導致區域生態質量較差。潛在生態廊道分布于整個研究區，使得生態空白區與大型生態斑塊之間的生態聯系更加緊密。其間的橋接區(山區郊野、河流沿岸及交通道路兩側林草地景觀斑塊)和島狀斑塊(孤立的綠地要素)有機地融入生態網絡。通過生態廊道將位置較為分散的源地和其他分布較為集中的源地構成有機整體，實現了生態關鍵點與大型生態斑塊之間的有效連接，為市域生態網絡體系的構建奠定了基礎。

表4 唐山市土地利用類型在廊道中的面積與百分比Tab.4 Area and proportion of land use types in corridors in Tangshan City

源地之間的作用強度表明潛在生態廊道的相互作用力。通過重力模型計算結果繪制直觀圖(圖5)來表示起始源地到各目標源地之間的作用力。由圖5可以看出，源地14和17、源地16和20之間的相互作用力較大，分別為14 562.77和10 907.86，分別位于景忠山省級保護區和曹妃甸濕地鳥類省級自然保護區范圍內，表明源地之間的連通性最強，物質流和能量流的遷移更加頻繁，今后工作中應重點保護。相比之下源地2和21之間的相互作用力最小，為1.06，說明景觀阻力大，生態廊道之間的物質交換能力困難，必將導致物質流和能量流無法遷移。因此在未來規劃中應在廊道間增加生態源地，改善生境質量提高廊道的生境適宜性，促進物質流和能量流的遷移。

根據重力模型計算廊道的相互作用力對廊道進行分級(圖6)，其中一級廊道主要是市域范圍內劃定的生態保護區與其他源地之間所構建的生態網絡，主要集中在市北部和南部。如北部源地1、5和10，以及南部源地2、4和6作為重要節點，相互形成密集的一級廊道骨架，將遷西縣、遵化市和豐潤區東部境內的青山關森林保護區、龍井關省級保護區、景忠山省級保護區、山葉口省級保護區、御帶山省級保護區、萬畝林省級保護區、青龍山省級保護區以及南部曹妃甸濕地鳥類省級自然保護區、翔云島國家級森林公園等相互連接，在今后的規劃中應加強防護林建設，重點保護其生態環境，保證源地的連通。二級廊道的主要作用是提升位置相對分散的源地的物質連接性，貫穿于市域的南北兩地，密集分布于遵化市西北部清東陵國家森林保護區、鷲峰山省級森林保護區、小渤海寨省級森林保護區；遷安市北部白羊峪保護區、徐流口省級森林保護區；曹妃甸南部濕地。其中源地25(開平區陡河水庫)和源地18(灤州市青龍山省級保護區)為南北生態交流的關鍵生態源地，應嚴格控制和保護其周邊的生態，加強水域環境和人工林防護以及南北生態斷裂點修復，保證物質循環流動。三級廊道主要為景觀作用力較小的生態斑塊。分布于市域邊緣，使得區域形成較好的生態保護屏障，在一定程度上約束了市域周邊環境的危害，保障了區域生態安全。

總體看來，一級廊道和二級廊道構成研究區生態網絡的主體骨架，是生態源地與其他源地相互連通的重要保障。三級廊道主要以市域周邊斑塊較小的生態源為連接節點，從另一方面可以保護周邊生態脆弱性景觀避免損害。因此一級廊道和二級廊道的保護是未來工作的重點。另外，生態網絡中玉田縣、灤南縣和樂亭縣境內連接的廊道較少，生態網絡不夠完善，需要在今后增補生態源地來完善整體網絡，加強內部生態聯系，緩解城市發展與生態保護之間的矛盾，促進土地資源的合理利用。

2.4 討論

當前，國土空間生態修復與保護亟待提出系統方法，也是未來空間規劃研究的重要內容[32-34]。市域生態空間網絡是與自然環境及生態系統連接的關鍵紐帶，是維護城市生態安全的基礎，也是國土空間規劃中生態保護紅線劃定后需要重點管控的基本單元。但是，MSPA分析法在生態網絡構建研究中仍存在局限性，整個研究過程通過重要生態源地構建生態網絡體系，在空間上反映生態景觀的連通，但是由于個別生態斑塊面積較大且數量懸殊，在分析過程中沒有針對生態特性分類進一步考慮，因此今后應加強生態網絡的復雜性研究，找到可識別、最優的生態網絡構建模式。

3 結論

(1)MSPA方法對于研究區景觀要素的識別較為敏感，通過景觀連通性指數(IIC、PC)和中介中心性度量(Qi)對研究區生態源地進行提取，以識別的30個核心區斑塊作為重要生態源地，定量分析了唐山市生態景觀連通性和生態要素的重要程度，基于城市生態現狀較為精確地構建了生態空間網絡。

(2)基于MCR模型綜合考慮MSPA景觀要素、土地利用類型及高程構建綜合阻力面以及市域范圍內適宜生態保護的生態廊道，在一定程度上約束了市域周邊環境的危害，保障了區域生態安全，改善了區域生態保護路徑，為綠色基礎設施網絡構建與生態保護規劃的制定提供新的思路和方法。

(3)基于重力模型綜合考慮并量化生態源地之間的相互作用，構建唐山市生態保護的三等級廊道。處于一級廊道的主要是市域范圍內劃定的生態保護區與其他源地之間所構建的生態網絡，主要集中在市北部和南部，相互形成密集的一級廊道骨架，其中源地14和17、源地16和20之間的相互作用力較大。二級、三級廊道多以橋接區等景觀要素貫穿于市域的南北兩地，其中源地25(開平區陡河水庫)和源地18(灤州市青龍山省級保護區)為南北生態交流的關鍵生態源地，應嚴格控制和保護其周邊的生態，避免環境遭到破壞。