河南伊川伊河国家湿地公园优化整合分析

王亚茹，董娜琳，马澜桐，贺丹，雷雅凯

(河南农业大学风景园林与艺术学院/河南省风景园林国际景观学联合实验室，河南 郑州 450002)

自然保护地是生态文明建设的核心载体。目前，中国自然保护地约1.18万处，占国内陆域面积的18%[1]。中国现有的自然保护地有些仍存在定位不清、权责不明、交叉重叠、碎片化管理、空间布局不合理、社会公益属性弱化等问题[2]。城市型国家湿地公园，受到人为干扰的程度较高，面临着重要城市型河流生态斑块破碎、连通性减弱及生物多样性丧失等问题，生态系统、生物多样性保护与经济发展的矛盾也日益凸显，城市化进程导致景观破碎化日益加剧，斑块连接性不断降低[3]。在人口密集的城市化地区，自然保护地不仅对生态系统、生物多样性的保护非常重要，也对城市生态安全意义重大。因此，城市型自然保护地的研究对于生态系统服务功能的提升、保护与发展之间矛盾问题的解决具有重要意义[4-6]。

目前，形态学空间分析(MSPA)、景观连通性、MCR模型分析等被广泛用于对一些区域进行生态网络化研究[7-11]，基于MSPA分析对一个地域、流域运用连通性指数检测该区域的现状形态变化[12-14]，如吴茂全等[15]、张青萍等[16]分析了高度城市化多尺度景观连通性的生态源地识别及格局优化并为城市规划提供了依据；MSPA分析方法由VOGT等[17]基于膨胀、腐蚀、开闭运算等数学形态学原理而提出，如KANG等[18]运用MSPA对首尔都市圈进行时空定量分析，陈竹安等[19]将MSPA与MCR模型有机结合，将景观中的潜在生态源地及廊道作为生态网络构建的主要依据；运用MSPA研究景观连通性应用广泛，已有前人研究结果表明，MSPA分析方法避免了将较大斑块面积直接作为重要核心区斑块所带来的主观性[20]，能够迅速、准确识别并量化不同类型的重要核心斑块的生态结构要素。人类活动及城市建设会对城市型河流周围缓冲区空间土地布局产生变化，对生态斑块产生一定的影响，湿地景观格局与湿地生态系统的功能有着密切的联系,合理规划会使城市湿地公园具有高度多样化生境，提高生物多样性[21-23]，对城市湿地公园的建设与维护有着重要的作用[24-25]。

近年来，随着城市的迅速发展，城市建设用地的扩建，城市生活居民的密集，城市河流生态系统的稳定性遭到破坏，人类活动的强度使城市河流的生态遭到了威胁。河南伊川伊河国家湿地公园属黄河流域伊洛河水系，与陆浑水库及洛河相连，属典型的河流湿地。在前人研究的基础上，本研究运用MSPA、景观连通性分析方法对河南伊川伊河国家湿地公园及其缓冲区生态核心区斑块及斑块连通性指数进行分析，识别缓冲区潜在大斑块，结合MCR模型计算核心斑块之间最小累积阻力路径，优化土地利用空间布局，提升整体连通性，以期为城市生态网络的构建提供科学指导，也为此类自然保护地城市型国家湿地公园整合优化提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

河南伊川伊河国家湿地公园位于河南省伊川县中部，伊河纵穿伊川县南北，北起草店桥，南至酒后乡梁圪垯村，由北向西南沿伊河呈带状分布；地理坐标为34°15′21″N～34°31′51″N，112°13′55″E～112°28′08″E，(图1);有动物245种，植物344种，其中,国家重点保护动物2种、植物2种；南北跨度31.94 km，总面积1 390.09 hm2。

图1 河南伊川伊河国家湿地公园区位图

1.2 数据来源与预处理

本研究采用河南伊川伊河国家湿地公园2020年0.8 m高分二号遥感影像，2021年DEM高程与坡度数据，利用软件Arc GIS 10.2.2结合研究区域内实地调研进行目视解译，解译精度达90%以上，并根据全国第3次土地调查土地分类系统标准《土地利用现状分类》 GB/T 21010—2017，最终形成耕地、林地等基于同一数据源的12类土地利用现状图，利用Arc GIS 10.2.2软件将以河南伊川伊河国家湿地公园为边界向外扩缓冲区扩展距离为500、1 000和2 000 m。

2 研究方法

2.1 基于研究区域MSPA结构连通性分析

基于Arc GIS 10.2.2软件将以河南伊川伊河国家湿地公园为边界向外扩缓冲区扩展距离为500、1 000、2 000 m，3个不同距离缓冲区进行MSPA，在Arc GIS 10.2.2软件中将生态用地类型水域及水利设施用地、林地、草地重分类合并作为前景，赋值为1，将其余建设用地作为背景，赋值为2。MSPA分析是在一个自由软件集合中实现了一种分割技术。基于河南伊川伊河国家湿地公园不等距3个缓冲区，用Guidos Tool box 2.8软件平台，采用8邻域分析规则，对二值栅格图像进行分析，不同土地利用类型保持生物资源的能力不同，水域及水利设施用地和林地、草地等通过腐蚀、膨胀、骨架提取等一系列数学形态学运算，将输入的栅格二值图转化为核心区、孤岛、孔隙、边缘区、桥接区、环道区、支线7个功能性景观元素(表1)，其中，核心区、桥接区2种景观元素对景观连通性具有重要的生态意义。

表1 河南伊川伊河国家湿地公园 MSPA景观类型及生态学意义

2.2 景观连通性指数

景观连通性是指景观促进或阻碍生态流的程度，而斑块面积与景观连通性是维持景观生态功能的重要载体。核心区域斑块用整体连通性(IIC)可能连通性(PC)等景观指数进行定量评价，PC、IIC这2种景观连接度指数是基于图论和景观连接度理论来衡量景观连通性情况的指标。

(1)

(2)

参考相关文献，结合实地调研情况，根据当地物种鹤、鸭等水禽的活动距离，距离阈值的取值方法采用目标物种法，利用Conefor Sensinode 2.6软件和Arc GIS 10.2.2上的插件Conefor inputs,设置连接距离阈值设定为500 m,设置连通概率为0.5[27]。

2.3 最小累积阻力模型

最小累积阻力模型(MCR)模型是基于GIS技术的最常见的方法，Arc GIS 10.2.2软件中的栅格计算器结合权重计算所有阻力因子，通过Arc GIS 10.2.2软件cost distance模块模拟出河南伊川伊河国家湿地公园阻力因子，综合利用专家打分法和AHP层次分析法[28]确定各类因子的权重赋值，分别对景观类型、高程和坡度赋值为0.637 0、0.258 3和0.104 7(表2)，再利用Arc GIS 10.2.2中的栅格计算器结合权重计算阻力基面，基于阻力面生态源地斑块之间构建生态廊道。不同的生态源地之间景观流的空间运行需要克服一定的阻力才能实现，用来计算并显示从目标点到源的最短路径或最小成本路径。该路径是生物物种迁徙和扩散的最佳路径,能够有效避免外界的干扰。其计算公式如下:

表2 阻力基面评价体系

(3)

式中:MCR为最小累积阻力值;f为未知的正函数，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正相关关系;Dij为物种从源到景观单元i的空间距离;Ri为景观单元i对某种物种运动的阻力系数[8-9,29]。

3 结果与分析

3.1 自然保护地主要用地类型矛盾问题分析

从图2中看出，河南伊川伊河国家湿地公园主要矛盾问题为湿地资源分布破碎、居住区用地、耕地占用总面积较多，存在交通用地隔断生态斑块，这些问题的存在给自然保护地内部的管理带来了不少挑战。河南伊川伊河国家湿地公园及其缓冲区各类土地利用面积占比情况见表3。随着500、1 000、2 000 m缓冲区工矿仓储用地、耕地、公共管理与公共服务用地占比呈递增趋势，水域及水利设施用地占比呈递减趋势；河南伊川伊河国家湿地公园内工矿仓储用地50.87 hm2，占比3.66%；其次，耕地面积27.98 hm2,农业面污染广，导致水质变差，占比2.01%;水域及水利设施用地面积1 208.15 hm2，占总面积85.69%，其中坑塘水面沟渠、养殖坑塘等养殖产业的发展过程中会导致水的富营养化及土地斑块的破碎；住宅用地0.39 hm2，河流水质由于沿途生活污水排入，导致氨、氮等超标，超标原因在于沿河道两侧当地居民生活污水的排放以及农业面源污染所致，导致一些水生动物、鸟类、水禽受到生存的威胁[30-32]。

图2 河南伊川伊河国家湿地公园及其500 、1 000 、2 000 m缓冲区土地利用现状图

表3 河南伊川伊河国家湿地公园及其缓冲区500、1 000 、2 000 m用地类型表

续表Continuing table

3.2 MSPA景观格局分布特征

由图3、表4河南伊川伊河国家湿地公园及其缓冲区可以看出，经过MSPA分析河南伊川伊河国家湿地公园核心区斑块面积为1 071.11 hm2，占研究区面积的77.06%，桥接区面积约为7.47 hm2，占总面积的0.54%，核心区、桥接区对物种的迁徙交流有连通性结构的作用；缓冲区500 m核心区与桥接区面积分别为1 471.38和97.36 hm2，占前景生态用地类型的68.77%和3.68%、总面积的28.01%和1.80%，孔隙和边缘区分别占前景生态用地类型1%和25.32%、总面积的0.49%和12.35%，二者均具有生态边缘效应；缓冲区1 000 m核心面积1 810.72 hm2占总面积的19.59%，桥接区面积161.64 hm2，占总面积0.018%；缓冲区2 000 m核心区面积2 229.38 hm2，占总面积的10.69%，桥接区面积320.31 hm2，占总面积0.57%。经统计分析缓冲区500 m核心区占比相较于1 000、2 000 m缓冲区要高，随着距离河道越远的缓冲区斑块结构连通性减弱。

图3 河南伊川伊河国家湿地公园500 、1 000、2 000 m MSPA分析图

表4 河南伊川伊河国家湿地公园及其500 、1 000 、2 000 m缓冲区MSPA分析

3.3 景观连通性指数分析与生态源地提取

由Conefor 2.6软件计算分析出的景观连通性和根据每个斑块的dPC与dIIC筛选出重要核心区，用于评价研究区区域内整体景观连接度水平,基于景观连通性指数分析，把河南伊川伊河国家湿地公园及其缓冲区500 、1 000 、2 000 m筛选出重要斑块9个，如表5所示。斑块1dPC值最大，随着缓冲区向外扩充缓冲区dPC值减小，而总dPC值增大，表明斑块1并不随面积的增加连通性变好；斑块2、3、4位于伊川县经济发达的城区，缓冲区500～1 000 m范围内dPC指数增加，连通性增加；斑块5、6位于伊川县北部，建设用地对该区域重要核心区斑块影响程度较大；斑块8、9处于伊川县南部，500 m缓冲区至2 000 m缓冲区主要用地类型为耕地，南部地势较高，该区域内dPC值偏低。

表5 河南伊川伊河国家湿地公园重要核心斑块dPC、dIIC值

基于景观连通性指数分析，筛选出500、1 000、2 000 m缓冲区内景观连通性指数较大的斑块，1

图4 河南伊川伊河国家湿地公园研究区重要生态源地图

3.4 基于MCR模型生态廊道的构建

Arc GIS 10.2.2软件中的栅格计算器结合权重计算所有阻力因子，通过Arc GIS 10.2.2软件costdistance模块模拟出河南伊川伊河国家湿地公园阻力因子，再利用Arc GIS 10.2.2中的栅格计算器结合权重计算阻力基面，基于阻力面生态源地斑块之间构建生态廊道，河南伊川伊河国家湿地公园内斑块对缓冲区最小阻力路径斑块由图5看出，区域一斑块5与斑块6之间的最小阻力路径阻力值最小，区域二斑块2、3、4与斑块18之间的的阻力值最小，斑块18位于河道的右岸，林地占地面积较高，该区域右岸比主城区的的左岸建设用地类型面积少。

图5 河南伊川伊河国家湿地公园9条最小累积阻力路径图

分析结果显示，河南伊川伊河国家湿地公园内重要核心斑块作为生态源地最小累积阻力路径共有45条，其中阻力值最小的有9条，8条最小累积阻力路径分布并不与距离呈正相关关系，而是与生态源斑块所处的位置方位呈正相关关系。表明该公园内纵向连通性相较于横向连通性差。

4 结论与建议

4.1 结论

本研究基于MSPA分析和景观连通性指数分析，评估河南伊川伊河国家湿地公园内土地利用类型矛盾冲突问题、核心生态斑块的连通性以及识别周边最小累积阻力路径的潜在大斑块，结论如下：

河南伊川伊河国家湿地公园主要用地矛盾是公园中的建设用地等问题，工矿仓储用地50.87 hm2、耕地27.98 hm2、住宅用地0.39 hm2、总面积79.24 hm2，占河南伊川伊河国家湿地公园面积5.70%。

经MSPA分析缓冲区500 m核心区占比28.10%，高于1 000、2 000 m该缓冲区内核心斑块占比，主要因为目前的保护地边界内基本没有河岸带缓冲区，核心斑块主要为水体。

河南伊川伊河国家湿地公园连通性指数总体上呈“中间高、南北低”的空间分布特征。

河南伊川伊河国家湿地公园内部重要核心斑块生态廊道有45条，其中阻力值较小路径的有9条，8条较小路径斑块分布在缓冲区内。

本研究从河南伊川伊河国家湿地公园功能、结构连接度出发，是对城市型国家湿地公园优化整合及城市周围缓冲区生态斑块建设的探究,下一步需要加强在城市范围内河南伊川伊河国家湿地公园生物多样性的定点监测数据，使城市生态系统更加完整，完善城市绿地格局。

4.2 优化建议

1)建议调出湿地公园内部采矿用地、耕地及住宅用地；破碎的沟渠、坑塘用地归为河流水面，制定严格的调控标准。参考自然资源部国家林业和草原局《关于做好自然保护区范围及功能分区优化调整前期有关工作的函》，自然公园属于一般控制区，河南伊川伊河国家湿地公园中部土地利用矛盾问题较为突出，中部左岸为伊川县主城区，居住区密集，可以考虑对土地利用进行优化调整，同时自然保护地的边界应适当往外调整，增加河岸带缓冲区，增强湿地生物多样性的保护与恢复，同时减少面源污染。

2)在1 000、2 000 m缓冲区内中部主城区，居民点密集，建议自然保护地管理部门与河道左侧城关镇、城镇树的当地乡镇社区协调管理，重视当地居民开发利用土地合理化需求，共同维护生态斑块完整性，提高城市内部湿地资源的保护水平，禁止建设用地的无限制扩张，制定伊川伊河湿地公园适合园内生态发展制度。

3)加强管护河道、保护周围绿地布局的建设，在重要斑块优化中应注意生境营造，建议将识别的潜在连通性较好斑块列为保护空缺，均衡斑块连通性指数空间分布，可使连通性指数增加约1.2倍；着重维护500 m缓冲区至2 000 m范围内中部城镇树、城关镇、平等乡等居住用地较多的地区斑块；白元乡、酒后乡、葛寨乡等地区主要以耕地为主，该地区应进行规范用地限制，加强退耕还林、草的建设。