福建省南平市延平区生态网络构建与优化研究

文／周文辉 福州大学建筑与城乡规划学院 硕士研究生

王亚军 福州大学建筑与城乡规划学院 副教授 博 士（通讯作者）

引言

自党的十八大以来，落实山水林田湖草生命共同体的理念，维护生态功能完整性，修复国土空间生态系统结构成为新时代建设社会主义生态文明建设的国家战略，体现了党中央对自然生态系统保护的高度重视。福建省的生态基底优越，森林覆盖率达66.8%，作为生态屏障保障我国东南部区域生态安全，自2016 年起成为全国首个国家生态文明试验区建设省[1]。南平市位于福建省北部山区，是省内生态资源最丰富的区域之一，且在区位上对闽江流域生态系统有着重要影响，是生态系统保护和修复工作的重点区域。但该区域经济水平较为落后，城市发展与生态保护存在矛盾。在此背景下，亟须探索一种生态保护与经济建设相协调的发展模式。生态网络基于景观生态学原理，借助廊道连接破碎化的生境，达到系统化和整体化修复自然系统的目标；有利于提高城市生态过程效率，有效控制城市蔓延，解决城市景观破碎化、物种多样性减少等问题，实现城市土地利用的良性发展[2]。本研究以南平市延平区为研究对象，通过形态学空间格局分析方法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）与景观连通性分析提取核心斑块；结合最小累积阻力模型（Minimal Cumulative Resistance Mode，MCR）识别潜在廊道，并通过重力模型（Gravity-model）评价识别结构性廊道，构建并优化延平区区域生态网络体系。以期为延平区生态保护和城市建设提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

福建省南平市延平区（26°15′～26°52′N，117°50′～118°40′E）位于福建省中北部，地处武夷山脉、戴云山脉、鹫峰山脉三大关键生态屏障交汇的谷地最低处，地貌以山地丘陵为主，全区面积2659.7km2。是闽江上游建溪、沙溪、富屯溪三大支流的汇流之地，水资源十分丰富，河流年径流量达97 亿m3。区内土地类型以林地为主，森林覆盖率高达73%，有“绿色金库”“森林之窗，木甲全闽”之誉[3]。动植物多样性丰富，设有茫荡山自然保护区，有中国中亚热带地区大部分的植被类型以及国家II 级以上保护动物67 种[3,4]。但区内人口密度高，城市发展需求大，适宜建设用地较少，因此生态保护与经济发展矛盾日益突出，大量生态空间遭到破坏，对区域生态安全造成了威胁[5]，亟须进行生态保护。

1.2 数据来源与处理

所用数据包括延平区行政区矢量数据、延平区2020 土地利用数据（来源于国家基础地理信息中心，数据精度为30m，验证总体精度为85.72%，Kappa 系数0.82，满足数据使用需求）、延平区30m 精度DEM 数据（数据来源：地理空间数据云平台）以及延平区道路网络矢量数据（来源于OpenStreetMap 平台）。根据研究需求对延平区土地利用数据进行预处理。延平区土地类型由大量林地、草地构成（图1），耕地和建设用地一般沿河谷分布且较集中，水系因山地形势沿沟谷分布，水系特征明显。

2 研究方法

2.1 生态源地识别

（1）基于MSPA 模型景观格局分析

现有的生态源地识别方法存在以结构识别为优先选择和以生态功能识别两种模式[6]。传统的以生态功能或斑块面积大小等生态源地的识别方法，存在一定主观性并且忽略了景观的结构性特征，能充分考虑景观在空间上的联系[7]。MSPA 能够通过数学形态学的方法将景观中对连通性有重要意义的斑块和廊道等结构性要素识别出来。具有空间尺度兼容性高、景观生态要素内涵更明确、数据需求小、可操作性高等优点[8-10]。

Guidos 分析软件能够对二值栅格进行MSPA分析，识别出研究区内的核心区、桥接区、环道、支线、孤岛、边缘区、穿孔、背景。将林地前景，其他利用类型作为背景，对延平区土地利用类型转化为二值栅格图进行MSPA 分析。将连接参数设置为八邻域分析，边缘宽度为60m，通过分析得到延平区景观类型分布格局，并统计各景观类型面积（表1、图2）。

表1 景观类型统计表（表格来源：作者自绘）

（2）核心斑块选取

景观连通性分析可作为生态源地识别的依据，其能够定量反映斑块之间物种扩散和生态过程的通畅程度[11]，选择景观连通性较高的斑块作为生态网络中的源地更具有科学性和合理性。本研究选择整体连通性指数（IIC）与可能连通性指数（PC）对研究区内的核心区进行评价，在此基础上用斑块重要性指数（dPC）识别生态源地。其表达式如下：

（式中：n 指代总斑块数量；a 指代斑块面积；pij 指代斑块i、j 之间全部路径概率的乘积最大值；AL 指代研究区景观总面积；PCremove 指代去除该斑块外的PC。）

研究表明当生境斑块大于10hm2时能够为野生物种提供较好保护[12]，以面积大于10hm2的核心区为连通性评价对象。将面积达标的66 个核心区导入Conefor2.6，参考相关研究设置分析参数，将连通阈值设为500，连通概率为0.5[13]，计算PC、IIC、dPC。根据dPC 对核心区进行分级，0.5 ≤dPC 区域作为生态源地，0.1 ＜dPC ＜0.5为二级核心区，dPC ≤0.1 为三级核心区，共识别11 个斑块作为生态源地（表2、图3）。

表2 生态源地统计表（表格来源：作者自绘）

2.2 潜在廊道识别

（1）阻力面构建

廊道的定量识别是基于对物种扩散等生态过程的模拟。不同的景观类型、地形地貌以及人类活动对物种活动或生态过程存在不同程度的阻碍作用，构建合理的阻力面能够提高廊道识别的科学性[14,15]。参考相关研究[16,17]并从可操作性上考虑选取土地利用类型、高程、坡度以及交通影响作为阻力因子进行赋值。赋值范围从1 ～100，赋值越大表示景观类型对物种扩散的阻力越大，同时采取专家打分法确定阻力因子权重（表3）。根据赋值和权重结果叠加构建综合景观阻力面（图4）。

表3 阻力因子赋值及权重表（表格来源：作者自绘）

（2）生态网络构建

最小累积阻力模型（公式4）可以定量模拟研究区内物种支持物种迁移与扩散的最小阻力路径，识别潜在生态廊道[18]。将11 个生态源地提取为中心点，结合综合阻力面基于Arc GIS10.2 平台计算成本距离，通过成本路径分析识别潜在生态廊道（图5），统计构成廊道的景观类型（表4）。

（式中Dij指代生态源地j 与i 的距离；Ri指代源地i 对物种运动的阻力。）

2.3 关键廊道提取

重力模型的计算结果可以定量表示生态源地之间的联系强度。源地之间的相互作用力越大则两个斑块联系越紧密，连接两个源地的廊道越重要，由此可以评价定量廊道的相对重要性[19]。根据重力模型公式（式5）计算结果构建生态源地相互作用力矩阵（表5），选择相互作用力G 大于1.6 的斑块之间的连接廊道作为关键廊道，其他为一般廊道（图5）。

（式中，Gab指代源地之间的重力值，Na、Nb分指代源地a、b 的权重值，Dab指代两源地间潜在廊道的标准化阻力值，Pa和Pb指代源地a、b 的阻力值，Sa和Sb指代源地a、b 面积，Lab指代源地a、b 之间廊道的累积阻力值，Lmax指代廊道累积阻力的最大值。）

3 结果分析

3.1 基于MSPA 景观格局分析

分析结果表明延平区的生态质量较好，核心区是构成区内景观的主要部分，总面积约193472.55hm2，占前景景观的83.16%（图2、表1）。在分布上，北部茫荡镇大部分地区以及城区西北部区域核心区完整性较好，形成大型连片斑块。研究区中部，城区中部地区至夏道镇、炉下镇破碎化程度较高，大型斑块较少，存在较多破碎斑块。核心区围绕延平主城区被闽江、富屯溪、建溪划分为三大部分，分别位于研究区东北部、西北部以及南部集聚分布。主要由于延平区地形以山地丘陵为主，适宜城镇建设的用地主要分布在河谷地区，因此建设用地主要分布在河流沿岸。桥接区面积约4223.88hm2，仅占生态用地面积的1.82%，表明生态源地之间联系较少，生态过程在源地内部进行。边缘区和穿孔能够为核心区提供屏障，提高核心区稳定性，同时也容易受到人为活动的破坏[19]，分别占生态用地总面积的5.27%和4.29%。环岛是支持核心区内部能量流动的通道占生态源地总面积的4.17%，说明核心区内部连通性较低[20]。支线占生态源地总面积0.99%，说明核心区与外部环境连接较少。孤岛能为物种流动提供踏脚石，面积较小约713.88hm2，占生态源地总面积的0.31%分布较为分散。

3.2 景观连通性评价

基于景观连通性分析结果识别出研究区内面积大于10hm2且dPC 大于0.5 的11 块生态源地，面积约179654.58hm2，占延平区土地总面积67.55%（表2、图3）。其中，研究区西北以茫荡镇为主的区域、南部西芹镇、塔前镇为主的区域、北部以南山镇、赤门乡为主的区域景观连通性最高且面积较大，能够较好地为野生物种提供栖息环境。但三块源地中，仅2 号源地内部完整性较高，由于建设活动主要集中于斑块外部边缘，斑块具有较好的连续性。8 号、11 号源地内部村落和农业用地较多，存在一定破碎化风险。研究区中部城区至夏道镇区域景观破碎度较高但存在较小生态源地，主要由于城市建设开发强度较高所致。研究区东南部樟湖镇所在区域斑块连通性较低，未能识别出生态源地，主要由于在区域尺度下行政区域较为狭小且受到其他土地利用方式以及闽江分割导致。

3.3 廊道识别分析

根据延平区潜在生态廊道分析结果（图5、表4），区内潜在廊道总面积4629.24hm2，占延平区总面积的1.74%。研究区内潜在廊道主要由林地、草地等生态用地构成，其中林地面积最大约4317.84hm2，占廊道面积比重为93.27%。其次为草地、耕地，比重分别为3.31%、2.44%。水体和建设用地较少，仅为0.72%和0.25%，说明区内现状生态过程受城市建设干扰较小，今后生态保护和修复工作应该重点关注对现状廊道的保护。

表4 潜在廊道用地结构表（表格来源：作者自绘）

基于重力模型评价结果选取连接斑块引力大于1.5 的廊道作为关键廊道，其他廊道为一般廊道（表5），剔除重复廊道共获得关键廊道14 条（图5）。在分布上，关键廊道主要分布于研究区中部，部分分布于西北部，物种在二者间扩散所受的阻力最小，在开发中应该优先保护。但北部廊道与中部廊道之间缺乏关键廊道连接，未能形成全域的生态网络。中部的关键廊道虽然形成网络，但集中位于开发程度较高的城区、夏道镇以及太平镇区域，在开发建设中应通过设施构建对其进行保护。

表5 生态源地重力矩阵（表格来源：作者自绘）

4 生态网络优化建议

4.1 优化生态源地

生态源地是景观中的关键核心斑块，为物种提供栖息地，同时作为物种在生态网络迁徙和扩散中起重要作用的功能节点[21]。2 号生态源地是茫荡山国家自然保护区所在区域、整体生态质量较好且内部生态资源丰富建议加强保护。8、11 号生态源地虽然生态质量较 好，但斑块内部存在一定破碎化，需要加强内部连接，加强对生态源地连续性的保护。1、5、6、7 号生态源地面积较小且地处城镇扩展边缘区中，容易受到建设开发活动的干扰，建议加强对边缘区的保护。研究区内生态源地主要分布于北部以及中部地区，东南部樟湖镇镇域内生态源地缺失，不利于区域的生态环境保护和全域的生态网络构建。建议在重力模型分析结果中，选取镇域内选取连通性最高的生境斑块作为增补生态源地（图6），新增生态源地位于樟湖镇中部，面积4600.35hm2。

4.2 增补关键生态廊道

关键廊道构成的网络主要分布于研究区中部，西北部2、4、6 号源地虽然存在三条关键廊道但与中部廊道缺少联系，未能形成廊道网络。同时，1 号生态源地以及东南部新增的12号生态源地与其他生态源地之间缺乏关键廊道联系。建议综合研究区实际情况以及重力模型分析结果选取相对作用力较大的源地廊道作为新增关键廊道，如图新增三条关键廊道，连接北部与中部生态源地，同时基于12 号源地模拟识别两条关键廊道连接南部与中部生态源地。优化后的延平区生态网络呈现出三纵四横的空间分布格局（图6）。

4.3 增加关键廊道踏脚石

增加踏脚石有利于提高生态网络的稳定性和物种在长距离迁移过程中的成功概率[22]。踏脚石的优化考虑两方面因素，首先廊道交叉处是影响生态网络连通性的关键区域应该作为优先对象[7]。较长的廊道其稳定性更容易由于外界干扰而降低，增加踏脚石能够提高其稳定性[17]。如图6 在关键廊道的交叉点以及较长的廊道中部新增踏脚石24 处以提高生态网络连通性和稳定性。

4.4 修复生态断裂点

交通网络会对生态网络造成分割，使道路与生态廊道相交区域形成生态断裂点，严重影响生态网络的效率[23]。在生态断裂区域，尤其是高等级道路形成的断裂点，容易发生动物与车辆之间的冲撞，造成动物死亡[21]。选择国道、铁路、高速公路网络与生态网络叠加，得到延平区潜在生态断裂点29 处（图6）。建议通过构建地下通道、天桥等措施对生态断裂点进行修复，为野生动物迁徙提供通道。

结语

延平区是闽江上游重要的生态屏障，但近年来城市扩张迅速，城市发展与自然保护矛盾日益突出。本文基于MSPA 模型对延平区生态格局进行分析，并分析了研究区内生态源地的分布格局、面积和景观连通性。基于MCR 模型和重力模型识别研究区内潜在廊道和关键廊道。结果表明：（1）延平区整体生态质量较好，生态源地面积较大且完整性较高是构成研究区景观格局的核心景观，但源地主要集中于中部、北部地区，东南部有所缺失，建议进行增补源地。（2）廊道网络总体上呈现出三纵四横的分布格局，廊道主要由林地等阻力较小的生态用地构成，占用建设用地较少，因此当前具有较高的完整性，在今后城市开发过程中应该要加强保护。（3）研究区内存在廊道较长的问题，建议新增踏脚石可提高生态廊道的稳定性以及物种迁徙过程中的存活率和通过率。

本研究还存在以下不足：（1）边缘宽度设置要考虑研究区大小、形态及对保护对象的适宜性等多个方面。本研究将边缘宽度设置为60m，缺少针对性，在今后的研究中需要结合实际情况进一步确定。（2）研究中将连通距离设置为500m，连通概率为0.5，但适宜的距离阈值选择需要结合实际物种的扩散距离以及森林景观连接度等因素。在今后的研究中需要结合区域物种实际扩散距离的需求进一步考虑。（3）踏脚石的选取，在生态网络优化中，踏脚石斑块的确定存在一定的主观性，需要进一步通过定量化的方法提高科学性和可行性。