基于物種分布的北京平原生態網絡構建

陽文銳,李 婧,聞 丞,黃 越,顧燚蕓,朱 潔,唐 燕

1 北京市城市規劃設計研究院,北京 100045 2 北方工業大學,北京 100043 3 北京鏡朗生態科技有限公司,北京 100193 4 清華大學建筑學院，北京 100084

城市是一類以人類活動為主的社會-經濟-自然復合生態系統[1],因城市內部景觀類型多樣,森林、農田、城市公園、河湖濕地等各類生態空間成為豐富多樣生物種類的棲息場所。然而,快速的城市化加劇了生物棲息地的喪失和破碎化,是導致物種減少甚至滅絕的重要原因[2—4]。生境破碎化不僅導致生物適宜生境的喪失,而且能引起生境空間格局的變化,從而在不同空間尺度上,影響物種的擴散、遷移和建群,以及生態系統的生態過程和景觀結構的完整性[5—6]。據科學統計,67%的珍稀和瀕危動物因為棲息地的破壞而瀕臨滅絕[7]。至2025年,預計全球超過65%的人口將會居住在城市[8],由此形成的城市擴張還將對生物多樣性保護造成持續壓力[9]。為應對因城市建設導致的生物多樣性減少嚴峻形勢,通過建立城市地區生境之間的生態網絡成為國際上保護生物多樣性的重要手段[10]。歐洲生態網絡[11]以及Natura2000[12]、德國生境網絡[13]、美國南弗羅里達綠道[14—15]、新加坡綠道[16]是國際上較早開展生態網絡建設的典范,在城市化和工業化過程中的生物多樣性保護發揮著積極作用。

生態網絡由空間分離的棲息地斑塊通過相互間廊道連接組成[17],物種種群能通過生態網絡進行個體交流,促進種群繁衍。生態網絡因為網絡面積、質量、密度和斑塊的滲透性而存在不同的結構,但其目標是一致的[18]。棲息地規模和網絡的連接程度決定了物種的滅絕率和遷入率是否能保持平衡,以及在隨機的人類活動和環境干擾時種群數量是否能夠恢復[19],由此需要維持種群的最小穩定規模以保障在人類干擾時不至于滅絕[20]。通過構建生態網絡保護生物多樣性突破了傳統劃定自然保護區的方法,更加強調生態系統的連續性和完整性[21],因此,生態網絡的構建包括保護和優化現有生態空間、創建新的生態空間、修復和維護生態空間之間的連接性等[22]。國內在開展生態網絡構建方面開展了一些研究,以最小耗費距離模型進行生態網絡模擬得到了廣泛應用[23—26],但由于保護物種的空間分布數據難以獲得,棲息地的選擇往往基于專家知識[27],由此所模擬形成的生態網絡對真實目標物種的保護績效還有待檢驗。基于物種空間分布數據進行生態網絡的構建將大大增強網絡的可靠性,特別是在特定的景觀區域[28]。鑒于鳥類在城市中的易觀察性,以鳥類群落習性特征為依據,開展特定區域的生態網絡構建研究,可彌補單純依靠模擬或基于專家知識形成生態網絡的客觀缺陷,將極大提高網絡的可實施效率。

北京作為我國首都,地處太行山脈和燕山山脈的交匯處,地形復雜,生態環境多樣,是華北地區植物資源比較豐富的地區之一[29]。同時,北京地區位于全球候鳥東亞-澳大利西亞的遷徙路線上,鳥類資源也較為豐富[30]。北京平原區是市域內海拔高程在100m以下的平原和臺地,集中分布在中部和東南部,是目前的城市建設及農業用地集中地區,總面積占全市域面積的39%(不包含延慶盆地)(圖1)。由于城市化的快速發展,景觀破碎化程度不斷增高[31],嚴重威脅著平原城市地區的生物生存。與此同時,平原城市地區尚未建立起生物多樣性保護體系,在國家生態文明建設戰略和國際一流和諧宜居之都的城市建設背景下,亟需建立完整的生態網絡,以提升生境品質,保護首都生物多樣性。本文基于北京平原地區具有保護級別鳥類物種的空間分布數據,在Maxent模型支撐下,選取潛在的分級生物棲息地,以最新土地利用為基礎建立生物活動阻力面,通過最小累積阻力模型模擬形成分級生態廊道,由此形成平原地區的生態網絡,以期為平原地區的生物多樣性保護以及生態空間的優化提供規劃的科學基礎。

圖1 北京平原區范圍圖Fig.1 The region of Beijing plain

1 研究方法

1.1 數據的獲取與處理

土地利用覆蓋采用北京市土地利用現狀數據和北京市森林資源詳查數據,并統一配準到當地坐標系。

物種數據參考《IUCN受脅物種紅色名錄》、《中國物種紅色名錄》、《國家重點保護野生動物名錄》和《北京市一級保護野生動物名錄》,篩選出其中瀕危、極危、國家一級保護動物、國家二級保護動物和北京市一級保護動物作為指示物種。共篩選出包括遺鷗(Ichthyaetusrelictus)等在內的86種鳥類(其中2種紅色名錄極危,12種紅色名錄瀕危,12種國家一級保護動物,40種國家二級保護動物和31種北京市一級保護動物)。以上鳥類空間分布點位數據來自于中國觀鳥記錄中心數據(圖2)。

采用最大熵模型(Maxent)模擬生成各鳥種柵格圖層空間分布圖,在ArcGIS工具平臺,與土地覆蓋數據進行空間疊加,提取相對應的濕地水域、農田、城市綠地等潛在棲息地(圖3),作為后續模擬的生物源地。

1.2 生態網絡構建方法

1.2.1生物源地(棲息地)分級

通過對北京26個城市公園面積與觀察到的鳥類種類統計對比分析[32],發現鳥類種類數與公園的面積存在明顯的相關性,無論是有水體的城市公園,還是無水體的城市公園,鳥類種類數均隨著公園綠地面積的增加而增加。而且,通過有記錄的鳥類觀察,100hm2以上質量相對好而且穩定的公園或綠地,記錄的鳥類種數基本數量相當,如北京大學燕園[33]、圓明園[34]、天壇公園[35]的鳥類種數相當,但100hm2以下的公園中鳥類數量差異較大[32]。另外,根據國外相關研究[36]顯示,面積在10—35hm2的空間連續的公園可以維系其所在城市的大部分鳥類。考慮到平原地區公園和綠地的規模不大,本研究以10hm2和100hm2的平原地區城市綠地或水域作為生物棲息地或生物源地的分級分界點,將100hm2以上的綠地和水域定為一級生物源地(棲息地),10—100hm2的綠地和水域設定為二級生物源地(棲息地),10hm2以下的城市公園將不在本研究中加以考慮。共選取的一級生物源地58處,二級生物源地146個(圖4)。

圖2 市域鳥類多樣性分布圖Fig.2 Bird biodiversity distribution in Beijing

圖3 市域生物源地篩選圖Fig.3 The distribution of selected potential biodiversity sources in Beijing

圖4 北京平原區分級生物源地Fig.4 The classified biodiversity source in Beijing Plain

1.2.2阻力面構建

鑒于地表植被覆蓋類型、規模、質量以及城市建設強度對物種遷移活動的影響程度不同,在本研究中,以地表覆蓋類型建立生物活動阻力面,反映指示生物在通過不同地表覆蓋面時的難易程度與消耗的能量,或是生物對不同植被覆蓋類型的喜好程度。以土地利用變更調查和第二次森林資源詳查數據為基礎,將兩類數據地類進行融合并按相似屬性歸類(表1)。鑒于所選物種為鳥類,多數鳥類對于濕地水域具有特別偏好,同時農田中的鳥類需要有開闊的空間便于遇到危險時逃逸,因此參考已有研究[23—24],分別對每類歸類后的用地依據生物通過地類的難易程度進行阻力賦值,值越大代表生物通過該類用地的耗費的成本或能量越高,反之亦然。生成的阻力面圖見圖5。

1.2.3生態廊道模擬

最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance)也稱為最小費用距離模型,在構建生態網絡中得到了廣泛應用,可反應景觀格局對生態過程的影響。最小費用是指物種從源到目的地運動過程中所耗費的時間、物質、能量等,通過計算最小累積成本來篩選源之間的連接路徑,能較好的反應出物種的運動、遷徙或者活動趨勢。研究通常采用最小累積阻力模型進行計算模擬生成廊道。費用距離是指從“源”所要經過不同阻力的景觀所耗費的成本或所克服的阻力,反映的是景觀的可達性。費用距離不是點與點之間實際距離,而是通過確定物質、能量在不同表面的耗費系數計算得來的。其基于圖論的原理,可以用來識別和選取生態功能節點之間的最小累積阻力路徑。計算模型如下：

式中,MCR 指最小累積阻力值,Dij指從源j到景觀單元i的空間距離,Ri指景觀單元i的阻力值。

表1 用地類型和阻力值

圖5 北京平原區生態阻力面圖Fig.5 The map of ecological resistance surface in Beijing plain

在模型模擬的過程中,為減少計算量,突出廊道的重要程度,本研究通過模擬一級源地之間的廊道以及一級源地與二級源地之間的廊道,分別作為一級廊道和二級廊道。由于二級生物源地數量太大,計算兩兩源地之間廊道的時間成本太高,本研究中不再模擬二級源地之間的廊道。

1.2.4關鍵節點篩選

在Arcgis平臺采用空間分析模塊中的Kernel Density分析工具,將模擬生成的一二級生態廊道進行核密度分析,并篩選關鍵節點。

2 研究結果與分析

2.1 生物源地(棲息地)

根據源地的篩選分類結果,北京市平原地區的生物多樣性源地共204個,總面積為405.47km2。其中一級源地58個,總面積為366.97km2,二級源地146個,總面積為38.50km2。

生物源地類型中,主要包括四大類,分別為水域、農田、林地、公園,其中：水域包括河道、坑塘、水庫、湖泊、灘地,占源地總面積的41.15%；是最大的生物源地類型。水域源地中,河道所占面積比例最大,為29.15%。公園包括各類城市公園和郊野公園,占源地總面積的40.01%,農田占10.53%,林地占8.32%(表2)。

表2 各類型生物源地列表

農田和闊葉林全部為一級生物源地,混交林以二級源地為主,公園源地中二級源地數量109個,是二級源地數量最多的類型。灘地以一級源地為主,坑塘全部為二級源地。河道、水庫和湖泊中的一二級源地數量保持均衡。

2.2 潛在生態廊道

分別計算58個一級生物源地之間、一級源地與146個二級源地之間的最小累積阻力路徑,生成整個區域內源地之間的生態網絡。刪除計算時產生的各源地之間重復路徑,共獲得450條一級廊道,498條二級廊道,總長約3760km(圖6)。

圖6 北京平原區生態網絡圖Fig.6 The map of ecological network in Beijing plain

研究結果發現,生態廊道主要分布在北京城市中心區域之外,且集中分布在水域、農田、林地的密集區域,這是由于一級生物源地主要分布于城市中心區以外。城市中心城外部區域是生態空間集中區,分布有大片農田、林地和水域,而且這些生態要素與山區森林相接,形成了天然互通網絡,模擬形成的這些一級廊道和二級廊道將更為促進生物源地之間的空間聯系,有利于山區生物與平原區生物的交流與繁殖。

城市中心區內部廊道主要沿水域和公園之間形成。在城市中心區域,生態要素類型少,而且規模小、破碎化程度高,滿足作為生物源地條件的生態空間數量不足,導致模擬生成的生態廊道數量低。而且,較城市中心區外圍形成的生態廊道而言,城市中心區內的生態廊道脆弱性程度更高,這是由于城市建設強度高,人類活動形成的干擾大,用于保護生態廊道的空間要求不足,更易造成城市中心區內生態廊道遭受破壞。

2.3 重要網絡節點與關鍵生態廊道

以模擬形成的一二級生態網絡圖為基礎,通過線核密度分析,共篩選出12處生態網絡的重要節點,是生態網絡中廊道密集區,也是需要特別關注的區域(圖7)。其中4處重要節點位于永定河河道,說明永定河生態走廊需要加以特別重視。其他重要節點均位于中心城地區和城市副中心,因城市高強度發展導致的生物棲息地破碎化,亟需在中心城地區建立大型綠地、水域的連通網絡,是城市化地區生物多樣性保護的重要措施。

關鍵的生態廊道沿河流和農田延綿區,是指示生物的關鍵活動通道,潮白河、溫榆河、清河、永定河、京密引水渠和永定河引水渠幾條河流廊道以及南部豐臺至大興之間連片的農田是平原區的關鍵生態網絡廊道,保護并優化這幾條大型生態廊道對于對于平原地區生物多樣性的保護將起重要作用(圖7)。

圖7 重要網絡節點和關鍵生態廊道圖Fig.7 The important network nodes and ecological corridors

3 結論與討論

城市生態環境質量的好壞,其最直接的衡量標準就是生物多樣性,因為生物多樣性是生態系統服務功能的基礎,而生態系統服務與人類福祉是緊密關聯的。北京作為世界上生物多樣性最為豐富的大都市之一,在城市地區尚未建立起生態網絡體系,本文以北京平原區為研究范圍,探討了構建保護生物多樣性的城市生態網絡。

對于86種北京受保護的指示生物而言,平原區水域、公園、農田是生態網絡的主要優勢類型。(1)水域的連續性為保護特定指示物種提供了適宜的棲息場所,水域生態廊道的生境適宜性高,景觀阻力小,其廊道在生態網絡中的地位突出。無論對于本地受保護生物種還是對于過境候鳥,水域對提升生物多樣性的豐富度、促進生物遷移和擴散均起重要作用,因此對于關鍵生態廊道中的水域廊道必須加以嚴格控制和保護。(2)公園生境主要分布在城市中心地區,受到人為干擾較大,而且作為大的一級生物源地的公園數量較少,使公園生物源地之間的廊道等級大部分為二級網絡。相比外部水域而言,這些廊道主要沿著城市河流和道路,因此生物在城市中心區遷徙活動的景觀阻力較大。需要在對這些廊道加以改善提升,一方面增加公園綠地規模,另一方面提高廊道生境適宜性和連接性,優化并形成高質量、微生境豐富的城市林蔭道和濱水生境,可有效保護城市內部生物多樣性。(3)保留必要的農田數量,并維持其空間連續性,防止農田棲息地破壞,對于保護生物多樣性具有重要價值。近二十多年的城市快速發展占用農用地,導致農田空間在不斷的縮小,對于平原區鳥類保護形成了巨大壓力。平原區相對于山區而言,受保護的鳥類種類要顯著高于山區,主要原因在于平原區的農田生產為鳥類提供了豐富的食物來源；其次,開闊的平原農田景觀為這些受保護的鳥類提供了安全理想的活動空間,當遇到危險時,農田中的鳥類比茂密的林地中鳥類更容易逃逸。因此,空間連續的農田景觀對受保護的鳥類十分重要。在國土空間規劃中,需要盡可能保留北京傳統農田景觀格局。

通過客觀物種大數據和科學的生態模型建立了北京平原區分級生態網絡,但仍然存在以下幾方面還需要更深入研究：

(1)指示物種的選擇可能對結果造成不確定性。在北京平原地區以保護鳥類為指示物種,與地物覆蓋類型相對應,采用Maxent模型來選擇生物源地,并通過模型來構建生態網絡,選擇受保護鳥類作為指示物種有可能對結果產生一定的影響,如城市地區鳥類活動可能需要更多的綠地“踏腳石”,因此了解指示生物的生態習性,生態網絡模擬精度會大大提升。盡管存在不確定性,但是,在缺乏其他物種數據的條件下,通過模擬形成的生態網絡對于生物多樣性保護的重要性仍然不言而喻。

(2)模擬模型的選擇對結果也能造成一定影響。研究采用的是最小累積阻力模型來模擬生態網絡,在構建生物活動阻力面時,對各類景觀用地類型的權重賦值有可能會對廊道的空間走向產生一定的影響,因此,因生物活動阻力值造成的廊道不確定性仍需進一步探討。

(3)生態廊道及生境建設標準。生物源地(棲息地)與目標源地之間生態廊道的空間連接越緊密、廊道越寬、生境質量越高,將極大豐富動物多樣性。但當前對于生態廊道的建設標準,還未形成定論[37],因不同物種對于廊道寬度要求而不同,毫無疑問,廊道也是特殊生境,大斑塊生境能孕育多樣生物,因此,生物保護學家認為廊道越寬越好[38]。此外,廊道生境的建設標準也需要進行進一步研究,動物對于生境中植物和環境要求不同,導致統一的生境建設標準存在一定困難,但是在城市地區,可以將鳥類作為主要的動物類型,研究公園綠地植物種類與鳥類多樣性之間的關系,進一步摸索適宜的生境建設標準,從而更好保護城市地區的生物多樣性。