基于MSPA與電路理論的廣州市生態網絡構建

林東挺 吳大放

（廣州大學地理科學與遙感學院，廣東 廣州 510006）

生境之間的連接性降低了城鎮的環境質量[1]。基于景觀生態學原理構建生態網絡空間，可以將城市高度破碎化的生態景觀有效連接，增加區域景觀連接度[2]，識別提取生態源地、生態廊道，將區域生態要素整合形成聯動的網絡格局，有利于維護區域生物多樣性，維持生態系統功能平衡[3]。

生態網絡構建的研究多以“斑塊-基質-廊道”為研究范式，以景觀生態學為基礎，利用圖論、拓撲學等方法識別提取生態源地[4]，廊道提取多以最小路徑法、MCR模型等進行提取分析[5]，成果體系較為成熟，能夠為后續研究提供較好的借鑒，但具有源地選擇主觀、廊道選擇單一、無法識別重要生態連接節點等不足。電路理論是整合電子物理學以及隨機游走理論對生態連接進行模擬的模型，能夠提取具有寬度信息的生態廊道以及重要的連接點“夾點”“障礙點”等重要區域，有效彌補了其他方法模型在生態節點提取僅采用廊道相交點的不足，引入MSPA形態學空間分析方法對生態源地進行科學篩選，借助電路理論構建廣州市生態網絡空間，為廣州市生態空間保護提供借鑒。

1 研究區概況

廣州市位于中國南部、珠江流域下游、南部瀕接南海，是廣東省省會，省轄區地級市，別稱“羊城”“花城”等。其地理范圍在112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N之間，全域面積7 434.40 km2。北部與清遠市、韶關市相連；東部與惠州市相接；南部與中山市、東莞市接壤；西部與佛山市相接。轄區內統籌越秀區、荔灣區、海珠區、天河區、白云區、黃埔區、番禺區、花都區、南沙區、增城區、從化區等11區，截至2020年末，廣州市常住人口約1 868萬人，占全省總人口14.8%。廣州市是海上絲綢之路起點之一，是“廣佛都市圈”“珠江三角洲都市圈”“粵港澳大灣區”的核心城市，是中國對外開展經濟貿易活動的“南大門”。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

研究區的DEM數據來自地理空間數據云平臺ASTER GDEM 30 m分辨率數據；土地利用數據來自國家基礎地理信息中心Global Land30 2020年全球30 m土地利用覆蓋數據。根據廣州市行政邊界矢量數據裁剪，依據實際情況，將空間分為建設用地、林地、水域、耕地、草地、裸地六類，最終獲得廣州市土地利用分類圖。

2.2 研究方法

（1）基于MSPA的生態源地提取。

MSPA是應用形態學原理整合腐蝕、膨脹、開運算、閉運算等數學方法對二值柵格像元分類識別的處理方法[6]，可以基于空間結構的連通性對景觀元素進行結構識別與類型區分。前景數據一般選取能提供優質生態系統服務的用地類型，如林地、草地或水域等[7]，基于研究區土地利用現狀，參照近年研究區ESV的研究成果，文章選取林地作為前景數據。MSPA對景觀尺度敏感，通過合理設置MSPA參數能夠獲得合理的生態過程解釋，根據已有成果相關參數設置，將30 m×30 m研究區土地利用數據柵格化后轉為二值影像，調用Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域分析法，設置邊緣寬度為2像素，取消選擇Intext，其他保持默認，得出景觀分類為核心區、邊緣區、橋接區、支線、孔隙區、環道、島狀斑塊等七種互不重疊的景觀類型，快速分析廣州市生態景觀格局，提取像元層面內對景觀連接具有重要作用的元素，篩選生境面積較大的斑塊進行連通性分析，最終提取優質連通性的生態源地。

（2）景觀連通性分析。

景觀連通性反映景觀對生態流的促進或抑制程度[8]，有效衡量生境斑塊在景觀中的連接重要性，有助于識別維持生態系統功能的生境載體。文章通過MSPA篩選出研究區具有重要生態意義的核心區，提取生境面積大于5 km2的斑塊進行連通性分析。連接重要性評價對連接距離閾值較為敏感，當閾值設置過高時，所有斑塊相互連接，與實際不符；閾值過低時，中小型斑塊對景觀連接重要度無法體現。在參考相關研究文獻的基礎上，結合不同閾值的測試，最終設定連接閾值為2 500 m，連通概率為0.5，獲得良好的實驗效果。利用ArcGIS生成節點距離及重要性文件數據，調用Conefor 2.6對斑塊的整體連通性（IIC）、可能連通性（PC）定量評價，提取具有較高連通重要性的生境斑塊作為生態源地，考慮研究區南北林地分布差異過大，北部面積較大山地森林較為集中，南部面積較大的生境斑塊較少，采取差異化選擇標準，北部區域選取面積大于15 km2，且dIIC/dPC大于1.5，南部則選擇面積大于2 km2的優質生境斑塊，共同構成研究區的生態源地。

（3）阻力面的構建。

城市異質景觀對生態過程具有不同程度的阻礙或促進作用。電路理論將物種遷徙、基因流動等生態過程視作電流，景觀阻力視作電阻，數值結果反映物種遷徙所需要的能量耗費或死亡的風險；電子在電路隨機游走視作生物在景觀運動過程，電子受到電阻的干擾，低電阻有利于移動通過，該區域獲得較高的累計電流，電路連通良好；參考已有研究的阻力設置，從地形、社會、人文因素角度出發，綜合土地利用類型、高程與坡度三方面建立景觀阻力面，導入ArcGIS生成區域電導面。阻力因子與電阻值如表1所示。

表1 阻力因子與電阻值

（4）生態廊道與生態節點的綜合提取。

電路理論根據電子游走特征，提供多種電子游走計算方式評估生態過程的分散路徑在景觀中的表現。研究選用“Pairwise”成對模式對生態流通路徑進行模擬進而提取生態廊道。使用Linkage Mapper工具迭代計算出每對節點上的累計電流，生成電流密度圖，高值即為生態源地間易產生較高頻生態活動的活躍區域，由于并聯電路的存在使得廊道選擇并不唯一，而是形成帶有寬度信息的參考區域，彌補其他方法在廊道提取單一的局限性，基于加權成本距離提取最小成本路徑生成生態廊道。利用Pinchpoint Mapper模塊，設置廊道寬度為3 km，提取關鍵生態連接點——生態夾點，構建研究區域生態網絡空間格局。

3 結果與分析

3.1 MSPA景觀格局分析

MSPA景觀分類統計如表2所示。

表2 MSPA景觀分類統計

由表2可知，核心區面積為1 759.57 km2，占林地面積68.16%，七種景觀類型中占比最高。集中分布于北部地區，結構上呈集聚連片狀分布，彼此之間連通性較好，能夠為生物棲息提供足夠的空間；受城市建設活動影響，南部是城區分布密集區，且核心區較為稀少，空間分布分散，連片性較弱，不利于物種棲息，但可以作為南北連線的生態廊道的“踏腳石”；橋接區是連接核心斑塊的廊道，面積131.12 km2，占林地面積5.08%，分布較為密集的區域有北部地區、西部地區以及中部地區，橋接區集中分布表明此處生境斑塊正在裂化成更加細碎的組成部分，景觀破碎化程度增加，需要嚴格觀察管制；孔隙區是核心斑塊穿孔區域，面積79.76 km2，主要分布于北部森林地區以及中部核心區，具有此類景觀元素的核心斑塊內部穿孔嚴重，極易發生進一步破碎化；邊緣區與支線分別占14.69%和3.92%，多分布環繞核心區外圍，與周圍非自然環境連通，承擔溝通外界的作用；環道面積96.50 km2，是核心區內部的連接橋梁和棲息在此處生物進行內部遷徙覓食的通道；島狀斑塊是空間上互相孤立，連通性極低的自然小斑塊，總面積34.25 km2，一般是破碎程度較高，受到人工干擾極大且分布在外圍的小型生境斑塊。

3.2 景觀連通性分析

通過Conefor 2.6景觀連通性計算可以提取連接貢獻較高的生態斑塊，重要生態源地景觀連通性指數如表3所示。整體連通性dIIC與可能連通性dPC均處于高值的生態斑塊能為生物提供充足的棲息地，同時也具備廊道連通功能，有利于物種遷徙以及基因流動。選取生態斑塊面積大于15 km2且整體連接重要性指數dIIC與可能連接重要性指數dPC均大于1.5的生境斑塊，為研究區重要的生態源地。由MSPA分析結果可以得出，研究區生態源地的分布并不均勻，南部核心區彼此之間連接性較低，且研究篩選連接重要性指數較高的生態源地均集中分布在北部核心連片區，共12處，編號為1～12；南部缺少源地分布，這種布局結果影響了南北生態網絡的連通性，不利于生態流在南北方向上的流通，基于連通度評價篩選出重要生態源地，同時在南部選取面積≥2 km2的林地，共7處，編號為13～19，作為整個區域物種遷移和生態流向南流動的“踏腳石”，共同構成研究區域生態源地19處，其中1～12編號為北部連片區重要生態源地，13～19編號為南部生物遷徙、臨時棲息的生態源地。

表3 重要生態源地景觀連通性指數

3.3 廊道提取與節點識別

基于生態電導阻力面，調用Circuitscape提取研究區生態廊道，如圖1（a）所示，提取廊道37條，總長度達到508.6 km，可以看出研究區北部地區生態廊道密度明顯高于南部地區，說明北部地區生態空間連接良好，生態信息流通較為通暢；南部地區的生態網絡較為稀疏，源地之間跨度增大，提高了生態流南北流通的難度，不利于區域生態系統能量和物質的交流，原因在于區域內具備發展成為生態源地的空間較少，需要加強南部片區的生態源地建設，為生態廊道提供更多的“踏板”，減輕區域生態信息流通的壓力，增強區域生態網絡連通性，提升區域生態環境質量。

在Pinchpoint Mapper中設置3 km為廊道寬度，獲得（Pairwise）模式下累積電流密度圖，提取生態廊道累積電流值較高的區域如圖1（b）所示，此區域為生態流通頻率較高的區域，即“生態夾點”，如果移除或破壞將影響整個生態景觀的連通性，是需要重點保護的節點區域。將該類型的節點提取為重要生態節點，共提取20處“生態夾點”，在研究區中部至東部地區分布較為集中，此區域城市建設活動尤為活躍，人為因子干擾強烈，需要加大片區的生態節點保護力度，維護生態連通性。基于提取綜合生態廊道與生態戰略節點，構建出研究區生態網絡空間格局，如圖1（c）所示。

生態廊道與生態節點識別提取如圖1所示。

圖1 生態廊道與生態節點識別提取

4 結語

文章結合MSPA空間分析方法與連通性分析對廣州市生態源地進行識別提取，基于電流理論提取生態廊道與重要生態節點，旨在將研究區域具有重要生態功能的生境通過生態廊道和生態節點進行連接，構建連通的生態網絡，增強生態系統物質、能量以及信息的流通，為區域生態保護建設提供參考，研究成果包括：

（1）文章使用MSPA與連通性評價對生態源地進行遴選分析，并結合研究區實際情況，客觀得出區域重要生態價值的斑塊，共識別生態源地19處，總面積420.38 km2，提取重要生態廊道37條，總長度508.6 km，重要生態夾點20處，提升了選取生態源地的客觀性。

（2）結合廣州市土地利用現狀，綜合高程、坡度等因子構建區域景觀阻力體系，結果表明廣州市北部生態網絡連接性與生態源地數量處于較優水平，需要加強保護的生態節點集中分布于研究區中部，加強南部生態源地建設，以符合研究區現階段發展情況。

（3）整合電流理論構建廣州市生態網絡結構，精準識別生態網絡中關鍵廊道及關鍵節點，突出重要節點保護范圍，增強生態網絡系統在南部的分布密度及連接均衡性，為生態規劃保護提供了科學依據。