基于MSPA与MCR 模型的生态网络构建——以新乡市为例

李旭芳,翁飞帆,陈榕榕,刘兴诏,丁铮

（1.福建农林大学艺术学院,福建 福州 350002;2.福建农林大学园林学院,福建 福州 350002）

生物栖息地的锐减,全球环境的污染等一系列问题导致生物多样性下降以及生境斑块的缩减、断裂,景观的连通性被阻隔,城市景观格局呈现支离破碎之态,严重阻碍城市的景观格局以及可持续发展[1].生态网络是利用景观生态学原理,为保护生物的多样性,平衡生态系统以及增强各破碎景观之间的连通度,通过生态源地的识别、生态走廊的构建将研究区的生态要素连通起来形成彼此联系的网络布局模式.生态网络的构建能够通过一系列的生态廊道将破碎化的生态斑块及景观串联起来,连通城市高度破碎化的生境,为生物物种的迁移生长提供适宜的生态走廊[2-4].

1990 年以来,生态网络的相关研究逐渐增多,国外学者更加关注自然与半自然要素间的连接,将生态网络与土地利用相结合,利用生态网络核心区、缓冲区、恢复区与廊道的基本结构实现对野生动物生存与迁徙的保护[5].国内学者的研究相对较晚,但目前已形成完整的模式,大多基于景观生态学理论,从图论、拓扑等角度[6-8],以“斑块—廊道—基质”为基础,采用最小路径法或最小累积阻力模型（MCR）结合重力模型对研究区潜在的生态廊道进行模拟,构建研究区的生态网络结构,通过模型计算研究区的景观格局指数,定性定量地表达研究区的景观格局进而评价景观现状以及演变特征,提出对研究区生态网络的评价及优化策略.MCR 模型能够将研究区的地形地貌以及环境和人为活动干扰等多方因素考虑进去,但是此方法在提取生态源地时具有一定的主观性,忽略了斑块的连通作用,由此引入形态学空间格局分析（MSPA）的方法,从而避免直接将面积较大或生态服务价值高的保护区及公园作为生态源地的不足[7].目前的研究只局限于单一的生态要素的研究,但是随着城市的发展演变,城市生态网络不仅包括生态要素,亦受经济、社会、人为因素的影响.本文采用“生态源地识别—阻力面设置—潜在廊道模拟”的模式,基于景观生态学原理和形态学空间分析（MSPA）,采用最小累积阻力模型（MCR）以及重力模型对新乡市的生态源地进行识别,提取新乡市生态源地间潜在的生态廊道,构建新乡市的生态网络空间,结合新乡市的发展需求,提出优化方案,旨在为新乡市的生态网络结构优化提升提供参考,亦为其他城市的生态修复、自然资源整合、生态环境提升及城市总体规划提供理论方法借鉴.

1 研究区概况

新乡市是豫北地区重要的中心城市（图1）,中原地区经济中心之一,亦是豫北地区的经济、教育、交通中心.位于河南省北部,南临黄河,北靠太行山脉,总面积约8249 km2.属于华北板块,地处黄河、海河两大流域,地势北高南低,北部主要是太行山山地和丘陵岗地,生态斑块面积较大,具有丰富的自然生态资源,南部为冲积扇平原,平面占全市总土地面积的78%.属于暖温带大陆性季风气候,年平均气温14 ℃,年平均降雨量573.4 mm,降水在季节上分布不均匀,大致与冬、夏季风进退一致.新乡市的自然资源较为丰富,全市农用地（包括耕地、园地、林地、牧草和其他农用地）面积569356 hm2,占全市总土地面积的69.02%,林地主要分布在新乡北部太行山区,良好的自然资源以及地利条件为生物提供了优质的栖息场所.近年来新乡的产业发展导致生态廊道逐渐遭到破坏,新乡市的生态环境亟待改善,构建新乡市的生态网络迫在眉睫.

图1 新乡市区位图Fig.1 Xinxiang location map

2 数据与研究方法

2.1 数据来源

研究区的DEM高程数据来源于地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn/,分辨率为30 m×30 m）[8-9],土地利用分类数据来源于中国科学资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn）,根据新乡市的土地利用特点,参照全国土地利用分类方法,运用最大似然法进行监督分类,将新乡的土地类型分为林地、耕地、草地、水域、建设用地以及未利用土地6 类,得出新乡市土地利用分类图（图2）.

图2 2020 年新乡市土地利用类型图Fig. 2 Land use type map of Xinxiang in 2020

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA 的景观格局提取MSPA 分析法是基于图形学原理,运用开闭运算等数学方法对栅格图像的空间格局进行识别、分割的一种图像识别方法,从而得出像元层面的研究区生境斑块[10-12].根据新乡市的土地利用数据,将林地、水域、湿地、草地自然要素作为前景,其余土地类型作为背景,将数据二栅格化处理后运用Guidos Toolbox 分析软件,采用八邻域图像细化法进行MSPA 分析,提取出7 种景观[9],即核心区、桥接区、边缘区、环道区、孔隙、支线和岛状斑块,表1 为MSPA 景观类型及含义（表1）,得出新乡市的景观格局图（图3）,提取生境斑块面积较大的核心区作为生态源地.

图3 新乡市景观格局分析图Fig.3 Landscape pattern analysis map of Xinxiang

表1 MSPA 景观要素类型及含义Tab.1 Types and meanings of MSPA landscape elements

2.2.2 重要生态源地的识别与评价 生态源地是物种与周围环境进行物质能量交换的起点,生态源地的选取是构建生态网络中最为重要的一环[13].景观连通性是指景观要素在空间单元之间的相互连通性,景观连通性指数能够定量地表达要素在生态源地间的物质能量交换以及迁徙的难易程度[8].当前MSPA 分析常用的景观连接指数包括：整体连通性指数（IIC）、可能连通性指数（PC）、斑块重要性指数（dI）等[8-9,13],本研究在参考文献的基础上采用可能连通性指数（PC）,选取核心区中面积较大的30 个斑块,基于Conefor2.6 软件将斑块连通阈值设置为1000 m,连通概率设为0.5,对新乡市进行景观连通性评价.公式如下

式（1）中:IPC为可能连通性指数,取值0～1;AL为景观总面积/hm2;n 为斑块总数;ai、aj为斑块i、j 的面积;lij为i 到j 的最短路径;Pij*为物种在斑块i、j 间扩散的最大概率.

dPC>0.5 的生态斑块划定为重要生态源地.

2.2.3 基于最小阻力模型的潜在生态廊道构建 最小累积阻力模型（MCR）是由俞孔坚引入国内,在GIS的基础上,以生态源地作为出发点通过建立阻力面来计算生态源地之间的最小累积阻力距离从而确定源于目标之间的最小消耗路径[14-17].公式如下

式（2）中：MCR 为生态源地到其他各点的最小累计阻力值,Dij为物种从源j 到空间某一点所穿越的某景观的基面i 空间距离,Ri为景观i 对某物种运动的阻力,f 表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系,min 表示单元i 对于不同的源取累积阻力最小值.

构建MCR 模型的关键在于阻力面体系的构建,本研究结合地形坡度、高程、土地利用类型以及MSPA分析来构建新乡市的基础阻力面,根据已有的相关研究[18-21],对各类景观的阻力赋值见表2.

表2 阻力因子赋值表Tab.2 Resistance factor assignment table

基于ArcGIS 将各个阻力面进行赋值,得出单个阻力面,见图4.根据各阻力系数及对应的阻力值进行综合加权,得出最小累积生态模型阻力面,见图5.

图4 单个阻力基面图Fig.4 Single resistance base map

图5 新乡市生态阻力面Fig.5 Ecological resistance in Xinxiang

2.2.4 基于重力模型的重要生态廊道识别 重力模型能够很好地体现斑块之间的相互作用强度,能够定量地评价源地斑块间的相互作用强度,从而判定潜在生态廊道的相对重要性[8].计算公式为

式（3）中：F 为生态重力,Gij为斑块a、b 之间的相互作用力,Ni、Nj为两斑块的权重值,Dij为斑块i、j 间潜在廊道间的阻力值,Pi、Pj为斑块i、j 的阻力值,Lij为斑块i 到j 之间廊道的累积阻力值,Lmax为研究区中所有廊道阻力的最大值.

3 结果与分析

3.1 基于MSPA 景观格局分析

以新乡市的林地、草地、湿地、水域为前景进行MSPA 剖析,统计不同景观类型的面积及占比情况（表3）.基于MSPA 的新乡市的景观要素面积92187.63 hm2,其中核心区的面积为84819.06 hm2,占研究区景观要素面积的90.11%,景观类型多为林地、草地,其次为湿地及水域.核心区主要分布于新乡北部辉县市及卫辉市的北部太行山脉区域,其次是新乡市南部连接原阳县与封丘县的黄河及周边湿地区域.其中北部核心区呈聚集状态,生境斑块面积较大,稳定性较强;南部核心区呈东西向条带式分布,中部核心区极为稀少且破碎化很严重,进而表明新乡市南北地区的核心斑块连通性很差,生态流动困难;桥接区是连接核心区的狭长廊道,面积为218.79 hm2,占研究区景观要素面积的0.23%,代表生态网络中的连接廊道,主要为山区郊野、河流沿岸及交通道路两侧林地、草地景观斑块,如新乡市北部太行山脉、及市域内的京港澳高速两侧的生态林带等,构成物质能量流动的重要景观要素;边缘区和孔隙作为核心区的保护屏障,面积分别为5122.44 hm2和1846.71 hm2,占研究区景观要素面积的5.44%和1.96%,表明核心区斑块整体上较为分散,是由于新乡市北部许多较小的核心区斑块造成的.岛状块是孤立的绿地景观,不与其他的生态斑块相连通,是作为生态要素的临时栖息地,岛状斑块、环道区所占的面积为180.63 hm2和380.52 hm2,占景观要素面积的0.19%和0.40%,表明新乡市的景观构成以较大型斑块为主,且斑块边缘较复杂县破碎化.

表3 新乡市不同景观要素与占比Tab.3 Different landscape elements and proportions in Xinxiang

3.2 重要生态源地提取分析

生态源地斑块的提取对于生物群落的栖息繁衍具有重要意义, 基于Conefor2.6 软件分析的结果,按照斑块重要性（dPC）值的大小选取15 个生态源地（表4）,这些生态源地的dPC 值在2～18 之间,生态源地的分布见图6.结果可知新乡市的重要生态源地主要分布在辉县市、卫辉市、原阳县以及封丘县,连通性较好的核心斑块主要集中在北部太行山脉以及南部黄河流域,中部几乎无重要生态源地,且南部生态斑块面积较小,不同的生态源地间dPC 指数相差较大,南北斑块连通性较差且南部斑块较为破碎化,导致生物的能量流动及物质循环难以持续,因此急需构建南北生态网络来增加新乡市南北的景观连通性,为生物提供生态栖息地,进而维持新乡市的生态系统平衡.

图6 新乡市生态源地分布图Fig.6 Ecological source distribution map of Xinxiang

表4 重要生态源地连通指数及面积统计表Tab.4 Connectivity index and area statistics of important ecological sources

3.3 生态网络的构建

通过构建的生态阻力面（图5）发现,阻力值为6.45～51.15,新乡市的阻力从中部向南北逐渐减弱,阻力较低的地区位于新乡市的西北部及南部.由于辉县市及卫辉市处于太行山脉区,林地及草地资源较为丰富,南部水域以及湿地的存在使其阻力较弱.中部的卫滨区、红旗区、牧野区、凤泉区处于不断扩张发展的状态,由于建设用地不断激增,导致生态阻力较高,严重影响区域生物物种的迁徙以及其物质能量的流动,而生态廊道的存在可以使不同的景观要素之间形成连桥通道,从而促进生态流动[22].结合提取的15个重要生态廊道,构建130 条潜在的生态廊道,采用重力模型构建生态源地之间的相互作用矩阵,相互作用值越高,表明源地之间的联系越紧密,将相互作用强度超过3 的生态廊道作为重要生态廊道,共有16条,其余为一般生态廊道,共计114 条,进而构建出新乡市的生态网络（图7）.源地4 和源地8 之间的相互作用强度最高,说明两地之间的空间连通性最强,物种在两个源地间进行迁移和扩散时所遇到的阻力最小,因此源地4、8 之间的生态廊道需要重点进行保护管理以提高该源地的生态作用.源地8 和11 之间的相互作用强度最小,两地的景观阻力值较大,进行生物物种的迁徙与物质能量交换较为困难,在进行规划时应增加生态源地来提高生境质量.由图7 可知,重要生态廊道大部分与源地2 相连通,源地2 辉县太行山作为新乡市重要生态源地之一,对陆生生物以及飞禽类的迁徙交流有着举足轻重的的作用,同时蜿蜒在山脉林地中的河流亦可以为水生生物及两栖生物提供栖息地,在进行生态网络规划时应着重保护此生态源地以及周边环境,防止破坏,使其在生态网络中能够同时连通东西南北的生态斑块,为生物物种不同方向的迁徙交流提供通道及栖息地,进而使新乡市的生态网络更加稳定,生态系统更趋于平衡状态.

表5 基于重力模型构建的新乡市生态源地相互作用矩阵Tab.5 Ecological Source-Land Interaction Matrix Based on Gravity Model in Xinxiang

图7 新乡市生态网络构建图Fig.7 Construction map of Xinxiang ecological network

4 结论与讨论

4.1 讨论

（1）生态源地是生物物种进行生存、繁衍、迁徙的面积较大较为完整的斑块,本文采用MSPA 方法进行生态源地的识别,是利用土地数据,根据图像学原理以及形态学分析提取在像素水平上的生境斑块[23],得出核心区域.进行MSPA 分析时,本研究参照相关文献将距离阈值设置为1000 m,取值是否合理有待商榷.利用景观连通性指数分析新乡市的核心区域斑块,结果表明,连通性较高的斑块主要集中在北部太行山区以及南部黄河流域,表明该区域斑块受人类活动影响较小,适宜生物栖息,但新乡南北区域的斑块连通性较差,应加强南北间的板块连通,增加生态源地,促进生态系统可持续发展.

（2）生态阻力赋值是确定生态阻力面的重要环节,以往的研究多采用专家打分法或参考相关文献对不同的景观类型进行赋值,阻力赋值结果相差较大,没有严格的确定标准,本研究通过对前人研究的分析,得出相关指数,可能会对研究结果产生一定的影响.

（3）生态廊道是连接不同生态源地之间的重要通道,是生物物种进行迁移扩散的主要路径,本文采用最小累积阻力模型进行生态廊道的构建,继而基于重力模型量化生态源地之间的相互作用,将新乡市的生态廊道进行分级处理,得出新乡市的生态网络.

4.2 结论

生态网络的构建对于保护快速城镇化的地区生态环境以及保护市域生态系统的稳定性具有重要意义.本文采用形态学空间格局分析（MSPA）方法和景观指数分析法,提取dPC 值较大的斑块作为生态源地,综合考虑坡度、高程、土地利用类型及MSPA 景观类型,构建新乡市的生态阻力面,基于最小累积阻力模型（MCR）与重力模型构建新乡市的生态网络来增加生态斑块的连通性,促进生物的迁徙交流,提高生态系统的稳定性.研究结果表明：①新乡市的生态源地总体规模较大,面积84819.06 hm2,占研究区景观要素面积的90.11%,但是空间上分布不均匀,主要集中在北部以及南部,中部很少,且源地较为破碎化.②基于MCR 模型构建出新乡市的潜在生态廊道供130 条,重要廊道16 条,一般廊道114 条,需要增加生态源地以提高生境斑块间的连通性.③新乡市的重要生态廊道主要是由北部生态源地向南扩散,增加了南北间景观的连通性,在进行规划时要重点保护此廊道及周边生态.研究结果为新乡市及其他类似城市的生态修复、自然资源整合、生态环境提升及城市总体规划提供理论方法借鉴.