基于MCR-LM-HY模型的綠色生態網絡識別與優化
——以徐州市賈汪區為例

周 茜,褚作勇,季 翔

(1.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001;2.中國礦業大學 力學與土木工程學院,江蘇 徐州 221116;3.江蘇省建筑節能與建筑技術協同創新中心,江蘇 徐州 221116)

城鎮化的迅速發展和城鄉土地利用模式的轉變,造成了城市生境斑塊減少和孤島化,削弱了城市生態系統服務價值,不利于城鄉生態環境的可持續發展[1-2]。在2019年發布的《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》中明確提出了“構建生態廊道和生態網絡,推進生態系統保護和修復”,指出通過構建完整、連續的生態網絡將破碎的生態斑塊進行連接,有利于緩解快速城鎮化地區的生境斑塊破碎化問題、保護生物多樣性、提升生態系統服務效率,對保護城鄉環境及其可持續發展具有重要意義,如何構建生態網絡已成為亟待解決的重要命題[3-7]。

目前對于生態網絡的研究已有諸多成熟的規劃模式和常用方法[8],主要包括生態源地選取與生態廊道構建兩部分[9-10]。形態學空間格局分析(MSPA)方法通過分析區域的土地利用數據來識別景觀連通性高的生態區域[11],能夠客觀識別生態棲息斑塊。MSPA分析法主要通過斑塊面積及其空間拓撲關系等空間形態屬性識別生態源地,未考慮各斑塊生境質量的差異性;生態系統服務評估與權衡(InVEST)模型基于斑塊功能屬性選取生境質量較好的生態源地,未考慮面積、空間形態等屬性,也具有一定的局限性。MSPA和InVEST模型具有一定的互補性,將二者結合應用可兼顧斑塊生境質量差異性和面積、空間形態等屬性,克服單一模型識別源地的弊端[12]。生態廊道是物質交流的重要通道,提取生態廊道的方法較多,最小累積阻力模型(MCR)和linkage mapper(LM)工具是兩種最常見的構建生態廊道的方法[13-14]。將最小累積阻力模型(MCR)和重力模型相結合,可以判斷不同生態源地相互作用力強弱;電路理論利用電子在電路中隨機游走的特性,與生物實際遷徙更接近,能夠保留生態廊道多路徑擴散的可能性[15-17]。將二者結合應用于構建生態廊道,既強調了生態源地的相互作用關系,也能保留生態廊道多路徑擴散的可能性。

基于此,本研究利用MSPA方法、InVEST模型Habitat Quality模塊結合景觀聯通性指數(DPC)綜合識別生態源地,基于MCR模型構建綜合阻力面,采用最小累積阻力模型(MCR)、重力模型和電路理論(LM)進行生態廊道識別和分級;通過Barrier Mapper、Pinch point和水文分析(HY)工具識別生態節點、生態障礙點和輻射廊道進行生態網絡優化,基于空間句法量化分析廊道結構和生態效益,最終構建了徐州市賈汪區生態網絡。為未來賈汪區城鄉生態可持續發展、生物多樣性保護研究提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區域概況

徐州市賈汪區(34°17′N～34°32′N,117°17′E～117°42′E)位于城市東北部,區域總面積為612.13 km2,常住人口為45.35萬(2020年11月),地貌特征表現為西高東低、北高南低,主要包括低山、丘陵、山前平原和沖積平原。作為徐州市發展最快的城區,快速城鎮化使賈汪區生態系統服務功能降低,生態系統受到一定威脅。賈汪區擁有潘安湖、大洞山、督公湖等重要生態景點,因此,構建賈汪區生態網絡體系顯得尤為重要。

1.2 數據來源與處理

圖1 研究區范圍

數據來源見表1,通過ArcGIS10.8軟件將源數據進行處理,得到對應的柵格數據。包括對2020年賈汪區的土地利用數據進行鑲嵌和提取,進一步將其分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種土地利用類型。處理過程中將數據統一至WGS_1984_UTM_Zone_50N坐標系中。

表1 數據來源

2 研究方法

2.1 生態網絡分析

2.1.1 生態源地篩選

基于2020年徐州市賈汪區土地利用數據,采用MSPA分析法[18-19],將用地類型中的林地、草地、水域作為前景,其他用地作為背景,選擇八鄰域法分析識別景觀格局的核心區域,利用InVEST模型Habitat Quality模塊評估景觀核心區的生境質量[20],提取出受威脅影響較小的核心區,并進一步對其進行景觀連通性分析,篩選出重要生態源地。

(1)InVEST生境質量模型是一種基于土地利用類型和生物多樣性威脅綜合評估的有效方法和手段,適用于提升區域生態源地篩選的精度和準確性,根據人類活動密集程度和范圍,合理選取耕地、農村居民點、城鎮用地、公路和鐵路作為徐州市賈汪區生境威脅因子。參考InVEST模型使用手冊及相關文獻資料中生境適宜性、生境威脅因子有關設定要求,得到生境威脅因子權重(表2)及各地類生境敏感性(表3)。

表2 威脅因子及其威脅強度

表3 生境威脅因子敏感度

(2)常用的MSPA景觀連通性評價指標通常包括以下三個指標:①整體連通性指數(IIC)、②可能連通性指數(PC)、③斑塊重要性指數(DPC)[21-22]。本文選擇斑塊重要性指數(DPC)來衡量生態斑塊在整體生態景觀格局的重要性,在Conefor2.6軟件中進行景觀聯通性分析,連接概率值設置為0.5,距離閾值設置為5000m,將DPC>1的生態斑塊提取出作為重要生態源地,具體指數公式如下:

(1)

(2)

(3)

2.1.2 生態阻力面構建

基于MCR模型,選取生境質量、土地利用類型、NDVI、高程、坡度和地形起伏度6個阻力因子[23-24],利用層次分析法確定各因子阻力權重值(表4),在ArcGIS10.8中將各阻力因子進行加權疊加得到賈汪區生態綜合阻力面,其計算公式為:

表4 阻力面權重及因子阻力值

(4)

式(4)中:阻力函數—f,反映最小累計阻力模型與變量Dij、Ri之間的正相關關系;斑塊i、j間的距離—Dij;斑塊i自身擴展阻力值—Ri;斑塊i、j間的最小阻力值—min。

2.1.3 生態廊道識別、分級和優化

最小累積阻力模型(MCR)和重力模型構建的生態廊道經過生態源地質點,未考慮多路徑擴散的可能性[25];電路理論構建的生態廊道是生態源地之間的最小耗費路徑,不存在質點,通過模擬生態系統中物種運動的軌跡,能有效地實現物種多路徑表達的可能性[26]。本文將MCR模型、重力模型和電路理論相結合識別和構建生態廊道,首先利用ArcGIS10.8中的成本距離、成本路徑工具提取生態廊道,并繪制斑塊相互作用力矩陣表;其次通過Linkage mapper工具識別基于電路理論的潛在生態廊道,進一步結合生態斑塊的相互作用矩陣,判斷電路理論識別的生態廊道的重要性,將相互作用力大于3的生態源地間的廊道選作重要生態廊道,其他作為一般生態廊道;然后通過LM工具箱中的Pinchpoint Mapper、Barrier Mapper和水文分析工具識別生態夾點、生態障礙點和生態輻射道[27-28],優化生態網絡;最后基于空間句法理論選用選擇度和整合度兩個指標,量化分析優化前后生態廊道的連通性和整體生態效益[29]。具體的計算公式如下:

(5)

(5)式中:斑塊i、j間的相互作用力大小—Gij;斑塊i、j的權重值—Ni、Nj;斑塊i、j間廊道的標準阻力值—Dij;研究區廊道的阻力最大值—Lmax;斑塊i、j的面積—ai、aj;斑塊i、j間的累積阻力值—Lij;斑塊i、j的平均阻力值—Pi、Pj[30]。

(6)

其中

(7)

(6)～(7)式中:整合度—Ii;平均深度值—MDi;連接總數—n。整合度越大,表示生態網絡的集聚性和連通性越強。

(8)

(8)式中:線段ax標準化后的選擇度—CH(ax);線段總數—n;線段x到i的最小轉角距離—d(x,i);線段i途經x到j的最小路徑長度—σ(x,i,j)。選擇度越高,表示研究區生態網絡被選擇穿行的可能性越大,生態網絡的生態效益越高。

3 結果分析

3.1 生態源地識別

基于MSPA分析得到7種不同景觀類型(圖2),并計算得到各類景觀類型的面積和比例(表5)。結果發現7種景觀類型的總面積為131.04 km2,占研究區總面積的18.99%。核心區面積最大為80.44 km2,占7種景觀類型總面積的61.39%,主要分布在賈汪區中、西北部,賈汪區東、南部生態景觀核心區缺乏,生境斑塊破碎化程度較高,景觀連通性較差,不利于物種的遷移擴散和物質循環;孔隙區與邊緣區作為核心區與其他景觀類型的過渡區域,是核心區的保護屏障,面積為0.433 km2和33.167 km2,占7種景觀類型總面積的0.33%和25.31%,說明核心斑塊穩定性較高,能較好抵御外界因素干擾帶來的沖擊;橋接區作為連接核心區的線性通道,面積為8.92 km2,僅占所有景觀類型的6.81%,橋接區面積相對較小且分布較為破碎,表明核心區斑塊之間的物質流動通道聯通性較差;此外作為生物遷徙擴散暫息地的島狀斑塊面積為1.31 km2,僅占所有景觀類型總面積的1.00%,不利于提高生態斑塊的連通性。

表5 MSPA景觀類型數量特征統計

圖2 MSPA景觀類型

通過InVEST模型Habitat Quality模塊對賈汪區進行生境質量分析(圖3),發現研究區高質量生境區域與MSPA分析識別的潛在生態源地高度一致,低生境質量區域主要分布在研究區中、西南部人類活動密集的城鎮用地區域。但徐州市賈汪區高質量生境區域占比較低未超過50%,表明有待進一步修復和提升賈汪區的生境質量。

圖3 生境質量

在conefer2.6中進行景觀連通性分析,計算出面積排名前20、生境質量較好的生態斑塊景觀連通性指數(DPC)(表6),將DPC>1的14個生態斑塊篩選出作為重要生態源地(圖4)。可以看出,賈汪區中、西北部低山地帶源地大而密,東、南部平原地區源地少而稀,生態斑塊較為破碎,需注重生態斑塊修復,提升斑塊完整性;中部地區核心源地斑塊重要性、斑塊面積大于西北部,東、南部景觀連通性低,物質流動存在很大阻隔,亟待增加生態源地并形成連接通道。

表6 景觀連通度指數及面積統計

圖4 重要生態源地

3.2 阻力面及生態廊道提取

3.2.1 阻力面構建

根據各因子阻力面(圖5),經過加權疊加分析得到生態綜合阻力面(圖6)。發現研究區綜合阻力分布呈現出西高東低狀,研究區東、西北部阻力值較小,高阻力區域主要位于研究區中、西南部。由于受到城鎮建設用地和農村居民點的影響,研究區東部和西部之間的景觀連通性較低,不利于區域間的信息交流和物種遷移。

圖5 各因子阻力面

圖6 綜合阻力面

3.2.2 生態廊道提取

基于MCR和重力模型,利用ArcGIS10.8中的成本距離、成本路徑工具,識別出潛在生態廊道(圖7(a-c)),并繪制出研究區重要生態源地相互作用矩陣表(表6);通過Linkage Mapper工具箱中的Linkage Pathways Tool工具,識別基于電路理論的生態廊道(圖7-d),并分別和MCR、重力模型相結合識別出重要生態廊道(圖7-(e-f));并利用MCR-重力模型-LM模型,將電路理論識別的生態廊道進行分級,將其中相互作用力大于3的生態廊道篩選出作為重要廊道,其他廊道作為一般生態廊道,共得到26條生態廊道。其中包括14條重要生態廊道,長度為80.23 km,12條一般生態廊道,長度為82.20 km(圖7-g)。通過表7和圖7可知,賈汪區生態源地集中分布在研究區中、西北部兩個版塊,其中西北部的1～4號、8-10-13-14號和中部5～9號、7-11-12號生態源地間的相互作用力較大,區域內部生態源地之間的物種和能量流動更為密切,應作為重要的生態廊道。

表7 斑塊相互作用力矩陣

表8 優化前后空間句法指標值統計表

圖7 生態廊道構建

3.3 生態網絡優化

生態網絡優化主要包括提升生態源地質量、拓寬生態廊道寬度和保護生態節點三個方面。因此徐州市賈汪區生態廊道的優化包括以下三點:(1)保證生態源地質量,其關鍵在于增加生態源地數量、面積;(2)盡量拓寬廊道寬及增加生態節點以提升網絡連通性及抗干擾的能力;(3)確立生態保護區域建設的優先級,提高廊道保護的針對性。

3.3.1 生態修復區域識別

運用Pinchpoint Mapper工具,將寬度閾值設置為2000m,得到生態夾點累積電流值(圖8-a),其中最高電流密度為2.845。采用自然斷點法,將累積電流值較高的區域作為生態“夾點”,識別生態“夾點”14處;從空間區位上看,生態“夾點”主要分布在研究區中部建設用地區以及北部海拔地勢較高的區域。進一步疊合阻力面數據可知,生態“夾點”多位于各廊道的交叉重疊處,對維持景觀連通性起著關鍵作用,應當有針對性地對其進行保護,以保障研究區的生態完整性。

圖8 基于Pinchpoint Mapper電流密度分析

采用Barrier Mapper工具,將最小探索距離設為150,最大探索距離設置200,半徑設置為200,得到障礙點累積電流值(圖8-b),其中生態障礙點最高電流密度為2.901。采用自然斷點法劃分為5級,將最高級別部分作為生態障礙點,識別生態障礙點5處。從空間區位上看,生態障礙點主要分布在生態“夾點”附近和城鎮用地周邊,且多數呈塊狀分布。

3.3.2 生態源地與生態廊道優化

賈汪區重要生態源地之間被有效串聯,但在景觀結構穩定性上尚有不足,生態網絡呈現出西北強東南弱的不穩定狀。因此,應進一步保護和改善生態網絡的穩定性和連通度,首先要保護現有的生態資源;其次修復破碎的生態空間,采取植樹造林、適當退耕還林等手段將分散斑塊連接,提高鄉鎮森林資源,擴大城鎮綠地面積。通過分析發現,3、4、5、6、9、12和14號源地附近生態“夾點”較多,此類區域是生物流動的關鍵位置;6、8、9、12和14號源地附近生態障礙點較多,此類區域生態用地破壞受損嚴重,生態敏感性強,缺乏維護和治理。結合水文分析(HY)提取賈汪區生態輻射道(圖9-a),為提升賈汪區景觀生態結構的連續性,形成點、線、面相互交織的復合型生態網絡空間結構。建議新增東、南部生態源地3處,改善研究區東部、南部源地匱乏現狀,滿足物種遷移需要;修復受損的12和14號生態用地間的1處生態源地,使其成為原有生態源地連接的中轉位置。同時為加強研究區東部、南部生態環境的建設和維護,建議增設10條生態廊道(圖9-b),加強東、南側的生態網絡連接。最終構建生態廊道36條,其中包括18條重要生態廊道,18條一般廊道,形成較為完整的生態網絡結構(圖9-c)。對比分析優化前后生態網絡的選擇度和整合度,發現優化后生態網絡的平均選擇度和全局整合度分別增大2886.93和0.005872,說明優化后生態網絡的集聚性和被選擇穿行的可能性增強,有利于提升賈汪區生態網絡的連通性和穩定性,增加賈汪區的整體生態效益。

圖9 生態廊道優化

圖10 優化前后生態網絡的連通性

4 討論與結論

4.1 討論

城市化的快速發展,導致徐州市賈汪區生態破碎化、景觀連通性差等問題日益加劇。本文從區域尺度視角,基于MCR-LM-HY模型進行生態網絡識別、構建與優化,對生物多樣性保護及城鄉環境的可持續發展具有重要意義。MSPA-InVEST模型結合景觀聯通性指數(DPC)的方法,既考慮了斑塊面積,又兼顧了生境斑塊的結構特征及連通性,能更加科學、客觀地提取生態源地;考慮生境質量、土地利用類型、NDVI等多因素評價指標構建綜合阻力面,強調了空間結構和生態系統服務功能的優點;MCR-重力模型和電路理論相結合構建生態網絡的方法,既強調了生態源地的相互作用關系,又能夠保留生態廊道多路徑擴散可能性的優點;通過Pinchpoint Mapper、Barrier Mapper和水文分析(HY)工具識別生態夾點、生態障礙點和生態輻射廊道,明確待修復的關鍵生態區域,進行生態廊道的優化,并通過空間句法量化分析了優化前后廊道的結構和生態效益,驗證了優化方案的可行性。但本文仍有不足之處,如在景觀阻力面的構建上,有關人為干擾層面的因素考慮較為欠缺,后續仍有待進一步深入研究。

4.2 結論

研究結果表明:(1)徐州市賈汪區生態空間破碎化顯著、景觀連通性較低,生境質量高值區域與MSPA分析識別的潛在生態源地高度一致;(2)14處重要生態源地主要位于賈汪區中、西北部生境質量較高、連通性較好的地區,東、南部生態源地匱乏;(3)高阻力景觀空間主要分布在研究區中、西南部人類活動密集的城鎮用地區域,整體阻力空間呈現出西高東低的特征;(4)26條生態廊道主要分布在研究區中、西北部,研究區東、南部生廊道缺失,不利于物種遷移和能量流動,建議在保護現有核心斑塊的基礎上修復破碎生態空間、強化斑塊間的聯系,完善生態網絡;(5)通過Pinchpoint Mapper、Barrier Mapper和水文分析工具識別生態夾點14處、生態障礙點5處,明確待修復生態源地4處,新增10條生態廊道,形成較為完整的生態網絡,發現優化后生態廊道的連通性和生態效益增強,有利于賈汪區的生態多樣性保護和城鄉環境的可持續發展。