基于MSPA與MCR的崇左市生態網絡構建與優化

蔣若琳，龔本海，王藝錦，王凌暉*

（1.廣西大學 林學院，廣西 南寧 530004；2.廣西旅游規劃設計院，廣西 南寧 530012；3.廣西民族大學 建筑工程學院，廣西 南寧 530006）

0 引言

在經濟快速發展的背景下，城鎮化推進帶來的生境斑塊破碎化、景觀間連通性降低等生態環境問題日益凸顯，導致生物多樣性降低、生態系統功能遭受破壞。生態網絡以景觀生態學理論為支撐，通過生態廊道將破碎化斑塊有機連接，從而形成完整連續的空間結構，可有效減輕生境破碎化危害。促進生物多樣性保護及生態質量的改善［1-3］，其關鍵在于生態源地識別及生態廊道構建［4-5］。近年來，形態學空間格局分析（MSPA）從像元層面將研究區柵格圖像的空間格局進行度量、識別和分割［6］，能精確辨別景觀的類型及結構，且結合景觀連通性指數可定量識別生態源地，區別于直接將自然保護區［7］、風景林［8］等生態價值較高的大型斑塊直接作為生態源地的方法，減少了源地選取的主觀性，降低了重要小型斑塊表達遺失的可能性。采用最小阻力模型（MCR）可綜合研究區的自然、人為等因素，模擬物種遷移與擴散的最佳路徑［6］；MCR結合重力模型、圖論及網絡分析方法［4］可以進行定量分析，以構建及優化生態廊道。

目前我國學者已就用MSPA與MCR構建生態網絡開展了一系列研究，研究區域涉及城市［3，5］、山地［4］、流域［9］等，結合國土空間規劃背景［10］、生態風景道選線［11］等已積累一些理論和應用成果。當前針對崇左市域生態網絡構建的研究尚較少，陳璟如［12］采用最小阻力路徑構建了崇左白頭葉猴生態網絡，而通過實地考察來確定跳板對于大型研究區較難實現；史芳寧等［7］對包括崇左市域的廣西左右江展開了基于MCR與整體連通性指數的生態網絡構建研究。崇左市具備良好的生態條件，在經濟快速發展、城市加速建設的當下如何協調與生態保護之間的矛盾亟待解決。本文以崇左市為研究區，基于MSPA與MCR模型，借助景觀連通性評價、重力模型等方法定量構建及優化了崇左市生態網絡，以期為崇左市生態環境保護與城市可持續發展提供科學依據。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

崇左市位于廣西西南部，地理坐標為東經106°33′～108°6′，北緯21°36′～23°22′，總面積約1.73萬km2，屬亞熱帶季風氣候，西北、西南地勢較高，向中東部傾斜，多山地、丘陵；左江貫穿南部，至東部流出境外；境內生物資源豐富，有國家Ⅰ級保護動物白頭葉猴、黑葉猴等14種，植被類型以山地常綠、落葉、闊葉混交林、針闊葉混交林與山頂矮林為主［13］，自然保護區有國家級3處、自治區級4處。

1.2 數據來源

本研究所用DEM數據來源于地理空間數據云平臺（https://www.gscloud.cn/)；2020年土地利用及NDVI數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（https://www.resdc.cn/)，分辨率統一采樣為30 m；自然保護區邊界數據來源于中國自然保護區標本資源共享平臺（http://www.papc.cn/)。

1.3 基于MSPA的景觀格局分析

崇左市林草地面積大且分布廣［7，13］，因此結合本研究的需要，用ArcGIS 10.2從土地利用二級類型數據中提取出生態服務價值高的有林地及高覆蓋度草地，作為MSPA分析的前景數據，賦值為2；將其他土地利用類型的數據作為背景數據，賦值為1。將分類后的數據轉換為30 m×30 m的二值柵格數據，然后在Guidos Toolbox 2.8中將前景分為7類景觀，導入ArcGIS 10.2軟件中提取核心區，作為后續景觀連接度評價的景觀要素。

1.4 景觀連接度的評價

景觀連接度可定量表征某一景觀促進或阻礙源地間生物體或生態過程運動的程度［14-15］。本研究于Conefor 2.6中將斑塊連通距離閾值設置為2500 m，連通概率設為0.5，采用斑塊重要性指數（dPC）評價具備重要生態價值的核心區斑塊，以篩選出生態源地。dPC的計算公式如下：

式（1）中：i≠j，表示斑塊 i和斑塊j之間所有路徑的最大乘積概率；PC取值范圍為［0，1］，值越小，斑塊之間連通性越低，越不利于物種交流；PCremove表示剔除某斑塊后剩余斑塊的整體指數值。在PC變化下dPC用以衡量斑塊維持景觀連通性的重要程度。

1.5 阻力面的構建

景觀阻力反映生物在生態源地之間遷移擴散的難易程度。參照有關研究［4，9-10］，結合數據可獲取性原則，選取自然、人為相關共5個阻力因子構建阻力面（表1），于ArcGIS 10.2中進行重分類后將阻力賦值為1～5，并參考前人的研究結果［10－11］確定阻力因子的權重，構建阻力體系。

表1 阻力因子的分值及權重

1.6 基于MCR的潛在生態廊道的構建

MCR的計算公式如下：

式（2）中： MCR為最小累計阻力值； Dij為物種從生態源地j到景觀單元i的空間距離； Ri為景觀單元i的生態阻力系數；f表示最小累積阻力與生態過程的正相關關系。

在確認生態源地及綜合阻力面后，于ArcGIS 10.2中用Linkage Mapper插件提取出研究區的潛在生態廊道。

1.7 重要廊道的提取

重力模型可定量評價斑塊間的相互作用強度以確定研究區廊道的重要性程度，其計算公式如下：

式（3）中：Gab為生態源地a、b間相互作用強度；Na、Nb分別為源地a、b的對應權重值；Dab為源地間廊道阻力標準值；Pa和Pb分別代表源地a、b的平均阻力值；Sa、Sb分別為源地a、b的面積；Lab為源地a、b間廊道阻力值；Lmax為研究區內各廊道中的最大阻力值。

1.8 生態網絡結構分析

選取網絡結構分析中的網絡閉合指數（α）、網絡連接度指數（β）和網絡連通率指數（γ），以及成本比（c）探究研究區生態網絡內部結構的有效性［4］，計算公式如下：

式（4）中：L為廊道數；V為節點數； d為生態廊道中所有廊道總長度；α值的區間為［0，1］，其值越接近1，物質循環與能量的流動性越強；β值的區間為［0，3］，其值越大，網絡的復雜程度越高；γ值的區間為［0，1］，其值越大，節點的相互連接度越高；c表示投入/產出關系，其值越低，構建生態廊道的成本越小。

2 結果與分析

2.1 基于MSPA的景觀格局分析

如圖1、表2所示，崇左市核心區面積為4308.30 km2，占前景總面積的84.55%；大型成片的核心區斑塊穩定性較強，主要分布于相距較遠的研究區南北兩部，而中部斑塊破碎化嚴重，進而表明研究區南北間生態流通較為困難。邊緣區、孔隙作為核心區的保護屏障，其面積僅次于核心區，表明前景邊緣效應較佳，以維持核心區穩定；支線僅占前景面積的1.28%，表明前景斑塊內外部景觀連通性欠佳；橋接區面積較小，表明核心區斑塊間連通性較弱；環道區僅占前景面積的0.07%，反映出斑塊內部物種遷移活動消耗較大；孤島僅占前景面積的0.05%，表明可為物種提供臨時棲息地的斑塊稀少。

圖1 基于MSPA的景觀格局

表2 基于MSPA的景觀類型統計結果

2.2 生態源地識別分析

基于Conefor 2.6于核心區中選取dPC值大于0.01且面積大于3 km2的共計49個斑塊作為崇左市的生態源地［3，5，15-17］（圖2）。這些生態源地主要分布于寧明縣南部十萬大山及公母山區域、憑祥市南部、龍州縣大青山區域、江州區西大明山區域及南部、扶綏縣南部及北部西大明山區域、大新縣中東部及與天等縣交界的四城嶺處及天等縣北部，涵蓋了崇左市下雷自然保護區及西大明山自然保護區、寧明縣獅子頭森林公園、廣西派陽山森林公園、憑祥市世界珍稀林木生態園的大部分區域。從整體來看，在崇左市中部生態源地較為缺乏，且面積較小，分布零散，可見其受江州區、扶綏縣、龍州縣較為活躍的人為活動干擾較大。在各生態源地中，有1個源地的面積最大，達1986.03 km2，其dPC值也最佳，位于生境質量較好、林地比例較高的崇左市南部；面積超過100 km2的生態源地共有23處，源地間面積差異反映了研究區內養分及能量的異同；另外，dPC值大于1的生態源地有9處。

圖2 生態源地分布

由表3可見，斑塊面積并未直接影響dPC值，例如面積較小的7、10號斑塊均有較佳的連通性，可見結合景觀連通性指數可科學地評價MSPA分析結果，在生態源地提取上具備客觀性。

表3 生態源地斑塊的重要性指數及面積

2.3 生態網絡構建分析

2.3.1 阻力面分析 崇左市的生態綜合阻力面（圖3）整體呈現出北高南低、中部高四周低的特征。高阻力值集中于中部一帶區縣中受人為活動影響較大的建設用地區域，導致南北區域間物種遷移及生態能量流動阻礙較大；崇左市以白頭葉猴、黑葉猴等為代表的珍稀野生動物難以穿越的水域亦有較大阻力，其次為耕地區域；研究區南部為高程及坡度阻力較大的山地，但土地類型以林地為主，生態斑塊及物種遷移所受影響較小。

圖3 崇左市的綜合阻力面

2.3.2 基于MCR的潛在生態廊道提取 于研究區提取潛在生態廊道共118條（圖4），將其寬度設為150 m作為緩沖區［12］，總面積為168.64 km2。由表4可知：部分核心區承擔了廊道的連通作用；作為前景組成部分的有林地、高覆蓋度草地，分別占生態廊道面積的5.59%、5.18%，為廊道中生境質量較高的景觀組成部分。在土地利用一級類型中，林地在生態廊道中的占比最大，達69.06%，對研究區中物種遷移起到重要作用；其次為分布較廣、阻力值較低的耕地及生境質量較好的草地；高阻力值的建設用地對物種遷移有極大的干擾作用，占比為0.68%；對陸生動物遷移阻力較大的水域占比為0.44%；在后續生態廊道的相關規劃中應盡量避免過多建設用地、水域的穿越；主要由裸巖石構成的未利用地于研究區中的面積僅有1.15 km2，生態廊道構成并未涉及該景觀。

表4 生態廊道景觀的組成

2.3.3 重要生態廊道的識別分析 基于重力模型定量判斷研究區潛在生態廊道的相互作用強度，結果如圖4所示。從整體來看，相互作用強度較高的廊道主要分布于研究區的北部及東南部，而溝通南北的廊道所在源地間的相互作用普遍較弱。由表5可知：源地1-5間相互作用最強，強度為684919.93，表明1號與5號源地聯系緊密，物種在這2個源地間遷移的阻力最小，應加強對應廊道的保護；源地1-3、15-24、4-32間的相互作用強度均高于400000，遠大于其他源地間的相互作用強度，其中源地1、3、4號處于生境質量優良的公母山、十萬大山、大青山及西大明山區域，重視其對應廊道的保護可有效保障物種的遷移；相互作用最弱的2個源地為3-25，強度僅為2.75；此外包括25-45、3-48等源地，由于2個源地間距離較遠，在研究區中部缺乏源地連接的條件下跨越南北，因此物種遷移的難度較高，在后續規劃中應注重其穩定性及連通性的建設。

表5 重要廊道所在源地間的相互作用強度

圖4 崇左市的生態網絡

將相互作用強度大于100的生態廊道設為重要廊道，共75條；將其緩沖區寬度設為150 m，總面積為27.82 km2，為潛在生態廊道面積的16.50%。由圖5可知：重要廊道的土地利用類型以林地為主，占重要廊道的67.04 %；其次為耕地及草地；而對物種遷移阻力較大的水域、建設用地面積占比極小，為優先建設研究區內重要生態廊道提供了依據。

圖5 重要廊道的土地利用類型組成

2.4 生態網絡的優化

2.4.1 新增生態源地 由于研究區中部核心區斑塊面積小且破碎化嚴重，從中再次篩選出可連通研究區南北、生境質量較好的生態源地的難度較大，因此在維持保護原MSPA提取的生態源地的基礎上，將源地尚未完全涵蓋的崇左白頭葉猴、弄崗、恩城國家級自然保護區、青龍山、左江佛耳麗蚌自治區級自然保護區共5處自然保護區作為新增源地，一方面避免了以往研究直接選用生物群落較完整的保護區等區域作為生態源地的較強主觀性，同時也填補了研究區中部生態源地的缺失。對新增的源地再次模擬生態廊道，與原中部廊道對比、篩選后對生態網絡作出了優化調整，共計新增廊道40條（圖6）。

2.4.2 踏腳石建設 踏腳石可以為物種長距離遷徙提供暫時的棲息地，降低廊道發生斷裂的風險，從而提高生態網絡的穩定性，確保物種遷移的成功率［16］。物種遷移的耗費路徑與最短路徑交匯處具有“踏腳石”的作用［4，18］，因此為優化后的生態網絡選取了踏腳石13個（圖6），其中位于有林地的5個，林地區域10個，其余分布于草地、耕地區域，因此踏腳石建設可從其周圍具體土地類型的質量改善著手，如對人類活動加以限制、通過幼林撫育及低產林改造等提高森林質量［16］。

圖6 崇左市生態網絡優化結果

2.4.3 生態網絡結構的優化 對研究區的生態網絡進行結構分析，以評價其合理性及有效性［3－4］。優化前網絡的閉合度（α）為0.46，線點率（β）為1.87，網絡連接度（γ）為0.64，成本比（c）為0.99，表明研究區生態網絡的回路性、廊道及節點連通性均較佳，但構建該生態網絡的成本較高，原因可能在于研究區范圍較大、南北間生態源地跨度大。新增源地及進行優化后，中部一帶相互作用強度較弱的潛在生態廊道被替換，α、β、γ值分別增加至0.50、1.95、0.67，而c值下降了0.000043，表明優化后研究區生態網絡源地間的連接水平得到了有效提高，同時生態網絡的建設高成本問題也有所緩解。

3 討論與結論

3.1 討論

崇左市有較堅實的生境質量基礎，但在經濟快速發展的城鎮化背景下難以避免建設用地增加、人類干擾活動加劇所帶來的生境破碎化、生物多樣性減少等問題。本研究先采用MSPA結合dPC確定生態源地，這在最大程度上確保了研究區內生境質量及連通性優良的斑塊被提取出來，作為源地用于生態網絡的構建；然后引入尚未完全涵蓋的自然保護區斑塊對崇左市中部一帶進行生態源地的補充，削弱了以往源地選擇的主觀性［7］。結合研究區的實際往往選取生態服務價值高且受人為干擾少的林地、草地、水域等自然景觀作為MSPA的前景；鑒于崇左市的自然林、草地面積大［7，13］，且國家重點保護野生動物以陸生動物白頭葉猴、黑葉猴、云豹等為主，本研究從土地利用二級類型數據中提取有林地、高覆蓋度草地作為前景，不涉及水域，以獲取生境質量更佳的生態源地。

本研究采用30 m×30 m的尺度進行MSPA分析，考慮到崇左市的市域面積較大，因此將默認邊緣寬度1增加至2［4，19］，則其相應邊緣效應為60 m。相關研究指出針對不同景觀、斑塊性狀及研究物種設定邊緣效應的寬度存在異同，因而在邊緣寬度設置是否促進源地正向效應及其如何量化上后續應根據研究區的實際情況及具體物種作進一步探討［4，20］。另外，借助conefor軟件實現dPC的計算需設定閾值及連通概率，相關研究普遍將連通概率設置為0.5，而閾值取決于具體物種的擴散距離，當其小于斑塊間距離時斑塊間則被判定為不連通；由于本研究尚缺乏詳細的物種資料，因此閾值參考相關研究而設定［11，17］，待物種資料完善后擬采用目標物種法等閾值確定方法進行完善。

阻力因子的選擇綜合考慮了自然、人為因素，較為科學地模擬了崇左市物種遷移的綜合阻力面，而目前阻力值的設置尚無統一標準，后續可通過不透水表面指數等數據修正完善阻力面［16］。廊道寬度的設定根據有限資料僅考慮了崇左境內白頭葉猴較為適宜的生態廊道寬度，設為150 m，以后可定量探討研究區不同物種適宜生態廊道寬度與生態空間、功能等的相互關系，以確定研究區適宜、有長久運行能力的廊道寬度［10，21］。

3.2 結論

以有林地及高覆蓋度草地作為MSPA分析的前景，所識別的核心區面積為4308.30 km2，占前景面積的84.55%；提取的斑塊主要集中于崇左市的南北部，而在中部一帶斑塊破碎化嚴重。經dPC及斑塊面積篩選的49個生態源地涵蓋了崇左市下雷自然保護區、西大明山自然保護區、獅子頭森林公園、派陽山森林公園等生境質量良好的區域，而研究區中部生態源地的缺失導致南北源地間的連通性較差。

崇左市的生態阻力整體呈現出北高南低、中部高四周低的特征，高阻力區域主要受建設用地的影響，以崇左市中部一帶最為突出。

基于MCR共提取出潛在生態廊道118條，其中相互作用強度大于100的重要廊道有75條，集中于北部及東南部；而連通南北的廊道跨度大，相互作用弱。生態廊道構成以林地為主，阻力較大的建設用地及水域占比小。

將生態源地尚未涵蓋的5處崇左市自然保護區作為新增源地，以填補研究區中部源地的缺失；進一步對生態網絡進行優化，新增廊道40條，并設定踏腳石13個，以維持生態網絡的穩定性。最終優化后生態廊道的α值、β值、γ值分別提升了0.04、0.08、0.03，而c值下降了0.000043，表明崇左市生態網絡的穩定性提升，建設成本降低，優化效果明顯。