基于景观安全格局的湿地公园生态适应性分区优化研究

李明阳 汪 辉 张密芳 胡 曼 余 超

(1.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学风景园林学院，江苏 南京 210037)



基于景观安全格局的湿地公园生态适应性分区优化研究

李明阳1汪 辉2张密芳1胡 曼1余 超1

(1.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学风景园林学院，江苏 南京 210037)

以南京长江新济洲国家湿地公园最大的洲滩新济洲为研究对象，以2008年7月的高分辨率遥感图像QuickBird、2008年13个鸟类聚集区的空间分布数据为主要信息源，在传统“千层饼模式”生态适宜性分区基础上，结合研究区域的鸟类景观安全格局构建，对适宜性分区方案进行优化调整。研究表明：研究区域鸟类的景观安全格局由4个源、3条生态廊道、2个战略点构成；生态适宜性分区优化后，2条生态廊道所经地段由低生态适宜区变为生态较适宜区；经过优化，研究区域建设用地、农地、苗圃等低适宜区，面积比例下降7.34 %，草本沼泽、森林等较适宜区、高适宜区面积比例，分别上升了6.37%、0.37%。

湿地公园；生态适宜性；景观安全格局；新济洲

在湿地公园规划过程中，生态适宜性分析是规划的核心[1]。国内外先后发展的多种分析方法，如因子叠加法、因子加权评分法、生态因子组合法、限制因素法，基本都是在麦克哈格千层饼模式基础上发展起来的[2]。这些方法多数只强调土地景观单元的垂直过程，忽略了土地景观单元的水平生态过程，即景观单元之间的流动或相互作用，包括人的空间运动、物质和能量的流动、干扰过程的扩散等[3]。不同于一般的公园，湿地公园作为以湿地为主要载体的高生态敏感度旅游地，有其特殊性。在研究主体上，以往的公园设计大多以人为主题考虑对象，而湿地公园是以生物需求为主要考虑因素，而人类则作为其他生物的配角。因此，借助于GIS、遥感、GPS等现代信息技术，将土地景观单元的垂直过程与景观单元的水平生态过程结合起来，在此基础上进行湿地公园的生态适宜性分区，从而协调湿地生态保护、观光休闲、科普教育、科学研究多种规划目标之间的矛盾，有可能探索出一条解决湿地开发与保护冲突的科学途径。

长江中下游湿地类型多样，分布面积大，主要以河流、湖泊和滩涂湿地为主，是“全球生态200佳地区之一[4]。在长江中下游地区开展洲滩湿地保护和生态恢复研究具有非常重要的现实意义和必要性。新济洲国家湿地公园位于南京市区范围内，地处长江江苏段最上游，是“长江江苏第一洲”。作为湿地公园面积最大的一个洲滩，新济洲地处南京湿地生物多样性保护敏感区的关键节点，同时也位于南京市西部山地保育、湿地保护生态区，是绿地结构中沿长江带湿地保育的重要节点，是南京市“蓝带绿廊”生态保护策略的重要示范点[5]。

生态安全格局对维护和控制某种过程具有主动、空间联系和高效的优势，对生物多样性保护和景观的改变有重要意义[6]。本文以湿地公园新济洲为研究对象，在传统“千层饼模式”生态适宜性分区基础上，结合研究区域的鸟类景观安全格局构建，对适宜性分区进行优化调整，从而将湿地公园土地景观单元的垂直过程与保护对象景观单元的水平生态过程结合起来，为湿地公园功能分区规划提供科学依据。

1 研究区域概况

江苏长江新济洲国家湿地公园位于南京市江宁区，属江苏省长江段最上游，主要包括长江低水位时的新济洲、新生洲、再生洲、子母洲和子汇洲范围。地处东经118°29′15″～118°33′54″，北纬31°47′05″～31°53′24″，总面积58.6 km2。湿地公园距南京市中心35 km，距禄口国际机场 35 km，地理优势明显。2011年3月25日，国家林业局“林湿发[2011]61号”文件批准，将滨江开发区新济洲湿地公园命名为“江苏南京长江新济洲国家湿地公园”。

新济洲地处公园中部，南北长，东西宽，总面积911.4 hm2，是湿地公园面积最大的一个洲滩。研究区年平均温度为16.0 ℃，夏季洲上温度比江宁城区低2.0～3.0 ℃；年日照总时数2 170 h，年降雨量1 000 mm左右，无霜期240 d。新济洲四季分明，日照充足，土地肥沃，水源充沛。洲内土壤是由长江冲积物发育而成的旱地灰潮土，成土时间较短，分布高程3.0～10.0 m。研究区典型地带性植被以壳斗科落叶树种为主, 并有少量常绿阔叶混交林。洲滩以人工植被为主, 主要有杨树(Populusspp.)、 垂柳(Salixbabylonica)和旱柳(Salixmatsudana)等。

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理

本文所用基础数据包括： 1) 2008年由南京新济洲国家湿地公园管理处提供的13个鸟类聚集区空间分布数据(图1)； 2) 2008年7月的QuickBird遥感数据包，全色波段空间分辨率为0.6 m，多光谱波段为2.4 m； 3) 2008年由江苏省城市规划设计研究院测量的研究区域高程数据，空间分辨率为0.8 m。

利用ENVI 软件对QuickBird遥感图像进行几何精校正、辐射增强、投影转换、空间子集运算等数据预处理。在此基础上，通过缨帽变换，将遥感图像的4个多光谱波段压缩成土壤亮度指数(brightness)、绿色植被指数(greenness)、土壤湿度指数(wetness)3个分量。借助于ENVI 5.0的Feature Extraction功能进行面向对象分类，将研究区域的土地利用类型分为水体、森林、草地沼泽、农地、苗圃、建筑用地、道路7种。采用同期空间分辨率为0.3 m的航片进行分类精度验证，总体分类精度为92%。

通过文献阅读了解到，影响鸟类生境的生态环境因子可以分为4类：食物状况(沼泽水量、水质)、栖息地植被质量(沼泽植物的生长状况)、地形因子(海拔、坡度)、人类干扰状况(距离交通干线距离、居民点的密度)[7]。通过遥感数据预处理和分类图像空间分析，生成研究区域土壤湿度指数(反映食物状况)、绿色植被指数(反映沼泽植物生长状况)、距离道路距离(反映廊道的囚笼效应)、距离建筑物距离(反映人类干扰强度)、距离水体距离、距离草本沼泽距离6个环境变量，与面向对象分类方法生成的土地利用栅格图层一起，合计7个生态环境因子，作为研究区域生态适宜性分析、鸟类潜在生境建模的基础数据。由于研究区域高差变化幅度小、地势平坦，地形因子没有被纳入生态环境因子。

2.2 生态适应性分析方法

采用因子加权评分法进行生态适应性分析，该方法是为克服因子叠加方法中的不足而发展起来的[8]。其最重要的特点是在规划目标与其相关因子的关系分析中，将不同因子视其重要性程度的不同而给予不同的权重，在最后叠加过程中，先将每个生态因素的适宜性等级乘以权重，最后得到综合的适宜性分析值。

2.3 小样本生态位建模方法

国内专家应用BIOCLIM、CLIMEX、DOMAIN、GARP、Maxent等5种生态位模型对相似穿孔线虫(Radopholussimilis)适生分布进行了模拟预测，并用ROC(receiver operating characteristic)曲线对各个模型的预测结果进行比较，其中以Maxent模型的AUC(area under curve)值最大，表明Maxent模型的预测效果最好[9]。Richard等[10]采用小样本数据，利用Maxent、GARP模型对马达加斯加岛的叶尾虎属(uroplatus)13种行踪隐蔽、痕迹点难寻的乡土壁虎的潜在生境进行预测。结果表明，Maxent模型在研究区域野生动物调查数据缺乏、物种分布数据属于高维小样本的情况下性能优于GARP[11]。综合以上2个理由，本研究选取Maxent生态位模型进行鸟类潜在生境预测。

由于条件限制，课题组只收集到了2008年13个鸟类聚集区的空间分布数据。由于数量较少，构不成统计意义上的大样本，所以在进行生态位建模时，参照Richard等人的小样本建模方法，通过计算P值(拒绝原假设的最小概率)，来进行模型的显著性检验，验证模型精度。

2.4 景观安全格局构建方法

根据《中国湿地陆栖动物名录》，研究区域的湿地脊椎动物种类共有78种，其中鱼类21 种，两栖动物6 种，爬行动物7 种，鸟类40 种，哺乳动物4 种。因此，以物种数量最多的鸟类为研究对象，构建野生动物保护的景观安全格局。

根据俞孔坚等[12]的研究成果，以生物保护为例，一个典型的安全格局包含源、缓冲区、源间联接、辐射道、战略点。将距离公路距离、距离水体距离、距离道路距离、绿度指数、湿度指数、土地利用类型等6个生态环境因子输入Maxent模型，采用基于P值验证的小样本建模方法进行鸟类潜在生境建模。通过ArcGIS平台上 Spatial Analyst中的栅格转矢量工具，将模型输出的鸟类潜在生境概率分布栅格图层转化为Point Shape文件，根据统计学原理，选择生境概率>0.90的点作为鸟类的源。

阻力面模型考虑3个方面的因素，即源、距离和景观介面特征，计算公式如下：

(1)

式中：f是一个未知的正函数，反映空间中任一点的最小阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的相关关系；Dij是物种从源j到空间某一点所穿越的某景观的基面i的空间距离；Ri是景观i对某物种运动的阻力。

本文中，Dij、Ri的计算通过ArcGIS 9.3的空间分析Spatial Analyst 模块 中的Cost Weighted Distance工具实现。Dij通过计算成本Cost Distance距离获得，R通过计算成本分配Cost Allocation获得。

根据南京市规划设计研究院有限责任公司的研究成果[13]，鸟类在研究区域运动的阻力与植被状况、距离水源距离、距离道路距离密切相关，假设3者的权重分别为0.4、0.4、0.2，成本栅格图层Cost计算公式如下：

Cost=(1-greeness)×0.4+dist_road×
0.4+(1-dist_water)×0.2

(2)

式中：greeness表示绿度指数；dist_road表示归一化距离公路距离；dist_water表示归一化距离水源距离；这2个变量的数值等于像素值除以对应栅格图层像素最大值。

研究对象运动的阻力面建立以后，在ArcGIS平台上，采用鼠标屏幕跟踪的方式，连接低阻力的谷线，形成源间连接 的Polyline Shape文件，两条以上的Polyline相交处，形成战略点。

3 结果与分析

3.1 生态适应性结果分析

从土地覆盖类型、距草本沼泽距离、距水体距离、距森林距离、距建筑物距离5个方面制定生态适宜性评价指标，其结果见表1。因子分级、权重的确定参考江苏省城市规划设计研究院的研究成果。在ArcGIS平台上，通过空间分析工具箱中的Weighted Overlay模块，进行研究区域生态适宜性分析(图2)。

表1 生态适宜性评价指标Tab.1 Evaluation index of ecological suitability analysis

从图2可以看出，高适宜生态区，主要为环洲大堤外围洪泛平原湿地、洲内的淡水湖、草本沼泽和河流湿地。该类区域生态斑块面积大，斑块之间连贯性较好，生物系统和植被群落完整，对于保持湿地生态平衡有重要作用。较适宜生态区，主要为人工植被和半人工植被的森林。该类区域生物多样性较高，有一定的人为活动，景观类型较丰富，生态斑块之间有一定的人为干扰，但是强度不高，对生态系统影响较小。 低适宜生态区，主要为新济洲上的已开发建设用地、道路、苗圃和农业生产用地。由于人为干扰较大，该类区域原生湿地环境受到一定程度的影响，是湿地公园规划的基础设施、旅游服务设施的主要建设用地所在。

3.2 鸟类潜在生境分析

参照Richard等人的做法，将13个鸟类聚集区中心点坐标代入Maxent模型，进行鸟类潜在生境建模，生成生境适宜概率图层(图3)。计算结果表明，当风险的概率P<0.000 001时，成功率q=0.75，说明2008年研究区鸟类潜在生境的预测模型达到了良好的水平。

从图3可以看出，新济洲鸟类潜在生境适宜概率高的区域主要集中在覆盖度较高的草本沼泽、苗圃地、森林3个主要土地利用类型，环岛大堤外洪泛平原湿地及堤内的2个人工湖、河流的潜在生境概率较低，植被覆盖度较低的草本沼泽、农地、苗圃等土地类型的生境适宜概率居中。

3.3 景观安全格局分析

从图4可以看出，研究区鸟类有4个源(栖息地)，面积最大的一个源位于洲尾小圩附近的草本沼泽中，面积次之的一个源位于洲头码头西北方向的江边芦苇滩涂上，其他2个规模较小的源分别位于新济洲岛的中部和南部。这些栖息地具有以下特征：植被覆盖度较高，远离公路、居民点，离长江、淡水湖等水体较近。

图4显示，新济洲鸟类源间联接通道共有3条：第一条是联接岛内2个人工淡水湖、4个源、南北走向的岛内生态廊道，长度为7 423 m；第二条是东西走向、位于新济洲北部胜利村附近，横穿覆盖度较低的草本沼泽、人工湖的鸟类越境通道，长度为1 228 m ；第三条是东西走向、位于新济洲中南部，横穿岛中部公路、新济村的越境通道，长度为2 170 m。

从图4可以看出，对沟通相邻源之间联系有关键意义的战略点(跳板)有2个：战略点A位于源间连接1、源间连接2交叉点，地处北部人工半岛的最北端，是新济洲中部、北部的鸟类以及北部过境迁徙鸟的跳板。战略点B位于源间连接1、源间连接3交叉点，地处岛中部公路、人工湖、河流者交汇处，是在新济洲南部、中部的鸟类以及中部过境鸟类迁徙的跳板。

3.4 生态适应性分区优化结果分析

将图2的生态适宜性分析结果与图4的鸟类生态安全格局叠加，从垂直与水平2个方向进行生态适应性与景观安全格局的综合分析(图5)。

从图5可以看出，岛内南北走向的源间联接穿越生态低适宜区的苗圃用地，南部东西走向的源间联接穿越生态低适宜区的建筑用地。3条生态廊道中的两条穿越低生态适宜区的苗圃用地、建设用地，有可能造成鸟类栖息地的破碎化，从而对研究区域的鸟类景观安全格局构成严重的威胁。因此，结合鸟类景观安全格局，对生态适宜性分区方案进行优化调整，是湿地公园可持续经营规划的基础。

采用以下3条措施对生态适宜性分区结果进行优化：1) 通过将研究区域北部苗圃地改造成森林的方式，将低生态适宜区转化为较适宜生态适宜区；2) 对建设用地，采用大集中、小分散的方式，通过缓冲分析，将南部生态廊道跨越建筑区范围道路两边50 m范围内建设用地改造成园林绿地的途径，将低生态适宜区转化为较适宜生态适宜区；3)为避免分区的过于破碎化，将面积小于森林经营管理单元空间尺度(1 000 m2)的小斑块，合并到周围适宜性分区类型中。优化结果见图6、表2。

表2 生态适应性分区优化结果对比分析Tab.2 Comparison of ecological suitability partition after optimization %

从图6可以看出，2条生态廊道穿越低生态适宜区的地段，经过优化，变成了较适宜地段，优化后的生态适宜性分区图中，建设用地已经呈现出大集中、小分散的空间格局。从表2可以看出，经过优化，研究区域建设用地、苗圃地等低适宜区，面积比例下降了7.34%，森林、草本沼泽等较适宜区、高适宜区面积比例，分别上升了6.37%、0.37%。

4 结论与讨论

2001年生态移民工程成功实施后，由于人为干扰活动减少、绿化率提高，新济洲成为许多留鸟的理想繁殖栖息地。研究区四面环江，东西两侧江宽水阔、风大浪急，隔江相望的是工业用地占主导地位的南京市江宁区板桥新城与浦口区桥林新城，特殊的区位条件使新济洲成为许多候鸟长途迁徙旅途中的重要踏脚石，南京湿地生物多样性保护敏感区的一个关键节点。基于景观安全格局有可能探索出一条解决洲滩型湿地开发与保护冲突的科学途径。

研究表明，在鸟类源间联接穿越的区域，通过将苗圃地改造成森林，将保护物种生态廊道跨越建筑区范围道路两边建设用地改造成园林绿地的途径，可以将研究区域的鸟类生态适应性分区优化。经过优化，研究区域建设用地、苗圃地等低适宜区，面积比例下降了7.34 %，森林、草本沼泽等较适宜区、高适宜区面积比例，分别上升了6.37 %、0.37 %。

由于成立较晚，新济洲湿地公园的湿地资源调查、生物多样性监测体系很不完善，缺乏主要保护对象详尽的空间分布数据。根据课题组野外观测，13个鸟类聚集区的物种主要由雉科(Phasianidae)中的灰胸竹鸡(Bambusicolathoracica)、环颈雉(Phasianuscolchicus)等留鸟构成。不同鸟类对生态环境因子的反应机制有所不同，加之样本数据有限，在一定程度上会影响研究结果的科学性。

我国现有的景观安全格局研究，比如最小阻力模型，以国外案例介绍为主要内容的文献综述多，缺少针对某个物种尤其是湿地公园鸟类的景观安全格局的实践研究[14]。保护对象的源如何确定、源间连接、战略点如何构建，都缺乏可供借鉴的成熟方法。最小累积阻力模型中各阻力因子权重的赋值对于研究结果具有较大影响，因子权重对于鸟类景观安全格局的敏感性分析，需要课题组进一步深入研究。

致谢：感谢南京长江新济州国家湿地公园及李全文主任对本课题的大力支持与帮助！

[1] Mcharg I.Design with Nature [M]. New York: Natural History Press,1969：90-110.

[2] 江中秒.土地生态适宜性分析与评价的实践应用研究[D].北京:北京林业大学,2006.

[3] 王浩,王胜永,汪辉,等.城市湿地公园规划[M].南京:东南大学出版社,2008.[4] 吴后建,但新球,舒勇.南京长江新济洲群湿地保护与恢复规划设计[J].湿地科学与管理,2008, 4(4):40-42.

[5] 王保忠,计家荣, 骆林川,等.南京新济洲湿地生态恢复研究[J].湿地科学, 2006,4(3)：210-217.

[6] 俞孔坚.生物保护的景观生态安全格局[J].生态学报,1999,19(1):8-15.

[7] 刘学昌.三江平原地区丹顶鹤(Grusjaponensis)巢址选择[D]. 哈尔滨:东北林业大学,2006.

[8] 朱虹.基于GIS的工业园土地生态适宜性评价研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[9] 王运生,谢丙炎,万方浩,等.ROC曲线分析在评价入侵物种分布模型中的应用[J].生物多样性,2007, 15 (4):365-372.[10] Richard G，Pearson R G, Raxworthy C J, et al. Predicting species distributions from small numbers of occurrence records: a test case using cryptic geckos in Madagascar[J]. Journal of Biogeography, 2006,34:102-117.

[11] Phillips S J, Anderson R P, Schapire R E. Maximum entropy modeling of species geographic distributions[J].Ecological Modelling,2006,190:231-259.

[12] Yu K J. Security Patterns in Landscape Planning: With a case in South China [D]. Cambridge ：Harvard University,1995.

[13] 南京市规划设计研究院有限责任公司.南京市城市湿地资源保护规划(2013—2020)[R].南京：南京市规划设计研究院有限责任公司，2013.

[14] 蒋桂娟，徐天蜀.景观安全格局研究综述[J].内蒙古林业调查设计，2008,31(4)：89-91.

(责任编辑 赵粉侠)

Optimization Method of Ecological Suitability Partition for Wetland Park Based on Landscape Security Pattern

Li Mingyang1, Wang Hui2, Zhang Mifang1, Hu Man1, Yu Chao1

(1. College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China; (2.College of Landscape Architecture, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China)

The largest marshland Xinjizhou at Yangtze Xinjizhou National Wetland Park was chosen as the case study area, while the high resolution remote sensing image of QuickBird in July, 2008, and 13 spatial distribution data of birds gathering were collected as the main source of information. Then “layer-cake model” based ecological suitability was analyzed and bird landscape security pattern was constructed, followed by optimization of suitability partition. Studies show that: the bird landscape security pattern in study area birds is comprised of four sources, three ecological corridors, and two strategic points. After optimization, the crossed places by two ecological corridors has been transformed from the low ecological suitability area into the appropriate ecological zones. Compared with the original partition plan, the percent of low ecological suitability area of construction land, cropland and nursery land is decreased by 7.34%, the percent of appropriate and high suitable area such as herbaceous swamps, forests, is increased by 6.37 % and 0.37 %, respectively.

wetland park; ecological suitability; landscape security pattern; Xinjizhou

2015-03-19

国家自然科学基金项目(31170660)资助。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.010

S759.9

A

2095-1914(2015)05-0052-06

第1作者：李明阳(1967—)，男，教授。研究方向：风景林规划、遥感与GIS应用。Email：lmy196727@126.com。