包头市层级生态网络构建方法研究

王 戈 于 强 YANG Di 张启斌 岳德鹏 刘建华

(1.北京林业大学精准林业北京市重点实验室， 北京 100083； 2.弗罗里达大学地理系， 盖恩斯维尔 32611)

0 引言

我国城市化与工业化进程不断加快，导致生境斑块趋于破碎、景观连通性变差、生物多样性快速下降等一系列生态问题[1]，加速了生态退化，严重影响区域景观生态安全[2]。

在西北半干旱区，资源分布严重不均，人工与自然生态用地成为维持脆弱生态环境的重要保障[3]。根据景观生态功能的大小对生态用地进行层级划分[4]，每层网络通过廊道连接生境斑块，构成半干旱区的层级生态网络。这种层级生态网络具有复杂的空间结构和复杂的层级间的影响关系[5]，具有多层次性、无序性、动态性等特征。

层次性研究广泛应用于地理网络中[6]，层次性特征可以抽象为网络中节点的差异性，将网络中的节点划分成不同等级，并构建相应的覆盖图，通过层次化算法挖掘网络内部层次特征，将一些重要节点从某一层次提取出来构建上一层网络[7]。本文研究的层级网络是具有空间与生态属性的空间生态层级网络[8]。在西北半干旱区，生态环境脆弱，重要生态节点遭破坏极易引发层次生态网络的级联失效[9]，导致整个生态网络崩溃，大尺度多层次生态网络的构建可以保证区域生态安全。最小累积阻力模型的应用较多：张蕾等[10]采用小累积阻力模型，并基于景观生态学构建鞍山市生态网络；王玉莹等[11]利用最小累积阻力模型识别缓冲区和生态廊道，构建苏南地区生态网络。

包头市地处内陆，气候为典型温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，地势起伏，生态环境较为脆弱，面临较高的水土流失与土地荒漠化风险[12]。近10年来，城市化进程导致包头市草地、林地、湿地等生态景观遭到破坏，生境破碎景观生态安全遭到威胁[13]。鉴于此，以景观生态学理论为指导，以包头市全域为研究对象，在遥感和GIS技术的支持下，基于最小累积阻力模型探寻最小成本路径,提取包头市层级生态网络的骨架廊道。以实现层次空间生态网络的构建，为包头市生态建设提供理论依据与支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

包头市位于内蒙古自治区西部，109°13′～111°26′E，40°13′～42°44′N，面积27 768 km2，如图1所示。包头市深处内陆，气候为典型的温带干旱、半干旱大陆性气候，冬季寒冷干燥、夏季炎热多雨，年平均气温2.0～7.7℃，年均降水量175～400 mm，年均蒸发量为2 100～2 700 mm[14-15]。包头市可利用地表水总量为9×108m3，地下水补给量为8.6×109m3。黄河流经包头境内214 km，水面宽130～458 m，最大流量6 400 m3/s，年平均径流量为2.60×1011m3，是包头市主要用水来源[16]。包头市海拔为976～2 317 m，地势中间高南北低，北部丘陵、中部山地、南部平原分别占土地面积的14.49%、75.51%和10%[17]。干旱的气候条件与起伏的地貌特征使包头市生态环境较为脆弱，面临较高的水土流失与土地沙漠化、荒漠化风险。近年来，包头市城市建设规模扩张迅速，房地产开发项目、工业园区等建设项目不断涌现，导致草地、林地、湿地等生态用地遭到占用与破坏，生态风险有所升高[18]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源与处理

本文选取包头市夏季且少云的Landsat OLI影像(2018年)为研究素材，空间分辨率30 m的地面高程数据(DEM)作为辅助数据。利用ENVI 软件对影像进行波段合成、图像增强和几何校正处理，选择最大似然监督分类法对遥感影像进行目视解译，提取包头市的景观类型信息，使用ArcMap 软件进行细碎斑块处理，运用叠加分析工具进行空间数据分析，最终ArcInfo环境下完成拓扑和改错处理。自然保护区分布数据来自《包头市土地利用总体规划》；DEM数据来自地理空间数据云；根据研究需要，从遥感影像中提取的景观类型通过实地验证确保其精度。

1.3 层级生态网络提取模型

1.3.1生态源地节点提取

生态源地是具有重要生态服务价值和生态敏感性较高的用地，在空间分布上具有一定的聚集性[19]。根据研究区景观格局分布数据，提取林地、草地、水体生态用地，将生态用地划分为绿色和蓝色生态用地。利用ArcGIS的分区统计工具，分别统计每个生态斑块所对应的NDVI和MNDWI值。引入能值理论，分别利用NDVI和MNDWI值来描述林地、草地和水体生态用地的特征，计算每个生态用地的面积，根据两方面来构建能量因子Qj，其值越大代表生态源地斑块的生态能量越大，并计算所有生态斑块的能量因子Qj，并结合景观生态功能的大小对生态用地进行层级划分。生态源地j的能量因子Qj计算公式为

Qj=AjNjr

(1)

式中Aj——第j块生态用地斑块面积，km2

Njr——第j块生态用地斑块的第r个归一化指数

本研究中选择两种归一化指数描述生态用地，故r分别取值1和2，Nj1为第j块生态用地的NDVI平均值，Nj2为第j块生态用地的MNDWI平均值。

1.3.2生态廊道提取

基本累积阻力面模型仅考虑了生态源地、距离和基面阻力系数3方面因素[20]。在实际情况中，生态源地的面积以及源地类型会影响源地的生态能量大小。将生态源地、源地的层级性、源地间距离、基面阻力系数4方面因素考虑到其中，故可以得到修正最小累积阻力模型，公式为

(2)

式中VMCRQ——修正后的最小累积阻力面值

fmin——一个土地单元的累积阻力最小值

Dij——从生态源地j到土地单元i空间距离

Ri——土地单元i运动过程的阻力系数[21]

根据包头市的实际情况，坡度越平缓、植被盖度越高、距水体越近，生态能量流动越畅通，并结合土地利用类型，农田与建筑建设用地是生态能量流动的刚性障碍。故考虑从地形坡度、植被覆盖、水文分布、土地覆盖4方面建立生态阻力评价体系。各个因子对于当前生态网络的维持与发展都有贡献，故各个因子具有相同的权重。按照表1将各项生态阻力划分为5个等级，分别用1、3、5、7、9来表示阻力，利用ArcGIS软件制作各个单因子的评价结果，进行叠加栅格计算得到生态阻力基面的综合评价结果。利用ArcGIS软件中的cost-distance模块完成层次生态源地的累积阻力面的计算[22]，由于计算量较大，故利用Python脚本语言编写程序完成该计算。通过对计算生成的累积阻力面进行叠加分析，计算各个栅格单元的最小值，最终得到每层生态网络对应的最小生态累积阻力面。基于最小累积阻力面，利用ArcGIS软件中的cost-path模块完成层级生态廊道提取。

表1 阻力评价体系Tab.1 Resistance evaluation system

1.4 层级生态网络结构评价指标

通过图论的网络测度指标可以评价一个生态网络的连接性和复杂性[23]，网络结构分析可以有效探究生态网络内部结构，通常采用α、β、γ等网络结构指数来反映网络的闭合度水平和连接度水平[24]。α指数用于描述网络中可能出现的回路程度，值越大说明该网络的物质循环和流通越流畅；β指数指网络中每个节点的评鉴连线数，可以度量网络的复杂性；γ指数可以反映网络的连接程度[25],公式为

(3)

(4)

(5)

式中l——廊道数v——节点数

Imax——生态网络中可能连接的最大廊道数

2 结果与分析

2.1 层级生态源地提取

提取全域内所有草地、灌木林地、有林地共37 765块，湖泊、河流等水体景观共1 893块，计算生态斑块的能量因子Qj，选取能量因子值大于1的生态斑块共784个。统计784个生态斑块的能量因子值(图2)，生态斑块的能量因子值较高的斑块较少，低能量因子值的斑块占多数，能量因子值最高为50，能量因子值为30～50有7个，大多数生态斑块的能量因子值落在0.01～10之间。

图3 第1、2、3层生态源地Fig.3 The first, second and third layers of ecological sources

图2 生态斑块能量因子值统计图Fig.2 Ecological plaque energy factor value statistics

将生态斑块以0.01、0.04、0.15的比例来筛选作为1、2、3层生态源地，结果如图3所示。根据各生态斑块的能量因子，对源地进行等级划分，共分为3个等级，第1级源地能量因子值较高，生态服务价值大，共有8个，主要分布在腾格淖尔自然保护区、巴音杭盖自然保护区、红花敖包自然保护区、春坤山自然保护区、九峰山自然保护区、石门风景区、梅力更自然保护区、南海子湿地自然保护区附近。第2级生态源地在北部聚集分布，主要分布在查干淖尔苏木、查干哈达苏木、大苏吉乡、忽鸡沟乡等。第3级生态源地面积较小，集中分布在东部和南部，主要分布在新建乡、下湿壕乡、塔尔浑河等地。第1级源地随机分布，面积稍小，第2等级源地在大尺度上集中分布于包头市北部，第3级源地在大尺度上均匀分布在中部和南部，在小尺度上聚集分布。

2.2 层级生态廊道与生态节点的提取与分析

2.2.1阻力面构建

包头市由中部山岳地带、北部高原草地和南部平原3部分组成，中间高、南北低、西高东低、南部较为平坦，DEM最低值为872 m。包头市中部有阴山山脉的大青山、乌拉山，DEM最高值为2 313 m，包头市DEM图如图4所示。

图4 包头市DEM图Fig.4 DEM map of Baotou City

利用包头市2016年夏季的多光谱遥感影像提取研究区域的NDVI和MNDWI(图 5)，NDVI最小值-1，最大值1，南部耕地区域和中部阴山林地景观的NDVI值较大。研究区MNDWI最小值为-1，最大值为1，水体呈现高亮显示，比较明显的是位于研究区南部的黄河、中部的艾不盖河和塔尔浑河、北部的腾格淖尔湖和开令河等。

图5 包头市NDVI、MNDWI图Fig.5 NDVI and MNDWI maps of Baotou City

包头市南部和中部阴山北侧农田密集(图6)，建筑建设用地主要分布在包头市城区附近，农田与建筑建设用地是包头市生态用地扩张的刚性限制。全境内草地景观为主要景观类型，林地景观主要分布在阴山山脉，水体景观主要分布在南部黄河及北部腾格淖尔保护区附近和艾不盖河、哈德门沟、昆都仑河等。

图7 第1、2、3层生态源地最小累积阻力面Fig.7 The first, second and third layers minimum cumulative resistance surface

图6 包头市土地利用图Fig.6 Land use map of Baotou City

考虑阻力因子进行3层生态阻力面模拟，并叠加生成最小累积生态阻力面(图7)，3层生态源地内部的阻力为0。第1层生态源地的最小累积阻力最小为0，最大为2 408 730。第2层生态源地的最小累积阻力最小为0，最大为772 071。第3层生态源地的最小累积阻力最小为0，最大为719 061。城区及耕地区外围阻力均较大，形成明显的累积阻力山脊线。第1层生态源地数量较少，源地间距离较大，导致其累积生态阻力较高。由于第2和3层生态源地中生态斑块数量增加，相邻源地间的距离变短，导致累积阻力明显降低。

2.2.2生态廊道提取

基于3层生态源地及其最小累积阻力面，利用ArcGIS中cost-path模块，在研究区域内第1层生态源地共提取出8条潜在生态廊道，如图8a所示。最短的生态廊道为1 km，最长的生态廊道为340 km。第1层生态廊道主要分布在红泥井乡、卜塔亥乡和大城西乡附近。由于中部农田密集，导致中部潜在生态廊道密度较低。第1层生态廊道平均距离较长且较为脆弱，若遭到破坏会导致高层级生态源地间能量流动与物质交换受阻，严重影响层级生态网络的连通性。

图8 第1、2、3层潜在生态廊道Fig.8 Potential ecological corridor

图9 第1、2、3层级生态节点Fig.9 The first, second and third layers potential ecological nodes

第2层生态源地共提取出35条生态廊道，如图8b所示。最短的生态廊道为1 km，最长的潜在生态廊道为143 km。第2层潜在生态廊道主要分布在红泥井乡、卜塔亥乡和查干淖尔苏木附近。由于第2层生态源地增加了生态斑块，潜在廊道数量和密度增加，网络结构更加复杂。 第3层生态源地共提取出151条生态廊道，如图8c所示。最短的生态廊道为1 km，最长的潜在生态廊道为139 km，潜在生态廊道主要分布在西斗铺镇、银号乡、五当召镇和塔尔浑河附近。由于第3层生态源地中部和南部生态源地数量增加，导致潜在生态廊道数量增加且生态廊道密度重心向南移动。第3层生态廊道平均距离较短，在遭到破坏后仅会影响局部生态能量流动与物质交换，重要性低于第1级与第2级生态廊道。所提取的3层生态廊道在空间上构成多层次的生态网络骨架，在实际生态建设中应加强层次廊道附近生态建设，在空间大尺度与局部小尺度上来保证不同层级生态源地的能量流动与物质交换，从而维护区域生态稳定。

2.2.3生态节点提取

层级生态廊道与对应最小累积阻力面山脊线交点的位置确定为生态节点，是层级生态网络中最薄弱且至关重要的点。第1层生态节点共有7个，主要分布在珠日和苏木、百灵淖尔乡、西斗铺镇和大西城乡附近，如图9a所示。第1层生态节点重要性最高，若遭到破坏，会导致空间大尺度上重要生态源地间能量传递受阻，景观连接性变差，极易引发层级网络的级联失效。第2层生态网络廊道数量显著增加，导致生态节点数量增加至28个，节点重心向北移动，主要分布在查干哈达苏木、希拉穆仁镇和石宝镇附近，如图9b所示。第3层生态网络共有47个生态节点，在东部分布较为集中，如图9c所示。第3层生态节点若少量被破坏，会影响局部层级生态网络的连通性，对层级网络整体影响不大。在实际生态建设中，针对不同层级生态节点重要性不同进行不同规模的生态建设，在保证区域生态稳定的前提下，实现资源的最有效利用。

2.3 分层生态网络构建

最终得到研究区域的层级生态网络如图10所示，第1层生态网络由8个潜在生态源地、8条潜在生态廊道和7个生态节点构成。第2层生态网络由31个潜在生态源地、35条潜在生态廊道和28个生态节点组成。第3层生态网络由123个潜在生态源地、151条潜在生态廊道和47个生态节点组成。通过对包头市全域内生态网络进行分层研究，构建1、2、3层生态网络，有利于保障包头市生态环境安全。在市域尺度上构成了分层的点-线-面相互交织的层次空间生态网络。

图10 第1、2、3层潜在生态网络Fig.10 The first, second and third layers potential ecological network

2.4 层级生态网络结构评价分析

基于对生态网络结构分析，可以得到第1、2、3层生态网络的指数分别为0.09、0.01、0.12，表明随着第1、2、3层生态网络中生态源地数量增加，网络中潜在生态廊道数量增加，网络中可供物质流动的回路越来越多。第1、2、3层生态网络的β指数分别为1、1.13、1.23，第1层生态网络为单一回路，网络结构简单。第2层与第3层网络随着生态廊道数量增加，生态源地的平均连通度变好。第1、2、3层生态网络的γ指数分别为0.44、0.40、0.42，第2层和第3层网络中连通性高的源地比例较少，导致第2层和第3层生态网络γ指数小于第1层生态网络。

3 结论

(1)提取包头市全域内所有草地、灌木林地、有林地共37 765块，湖泊、河流等水体景观共1 893块。选取能量因子值大于1的生态斑块共784个，并以0.01 、0.04、 0.15的比例筛选作为1、2、3层生态源地。

(2)根据包头市的实际情况，建立生态阻力的评价体系。构建各层生态源地的累积阻力面，提取层次生态廊道与生态节点。在市域尺度上构成了分层的点-线-面相互交织的潜在生态网络。第1层由8个潜在生态源地、8条潜在生态廊道和7个生态节点构成，第2层由31个潜在生态源地、35条潜在生态廊道和28个生态节点组成，第3层由123个潜在生态源地、151条潜在生态廊道和47个生态节点组成。

(3)通过计算α、β、γ指数，对层级生态网络结构进行评价，随着生态源地与生态廊道数量增加，网络中可供物质流动的回路越多，生态源地的平均连通度越好。第2层和第3层网络中连通性高的源地比例较少。