基于空间连通性动态变化的城市绿地生态网络优化*

周 媛 陈明坤 黎 贝 李朋瑶 郁婧雪 陈 娟

1 西南民族大学建筑学院 成都 610225

2 清华大学建筑学院 北京 100084

3 成都市公园城市建设发展研究院 成都 610031

4 四川省城乡建设研究院 成都 610000

绿地生态网络的空间连通性强调结构连通或功能连通。结构连通性表征景观要素在空间结构上的关联性，其大小与斑块的规模，形状，斑块间的距离等密切相关。功能连通性是生态功能与生态过程的测度指标，它需在景观要素空间结构分析的基础上，对斑块间物种迁徙、能量流动等生态过程进行观测研究以反映生物群体在景观中生存的难易程度[1-2]。然而，快速城市化导致景观破碎化严重、生态廊道断裂、生物多样性锐减，如何有效识别生态源地、构建具有高连通性的绿地生态网络已引起专家学者们的关注并以展开大量的相关研究。目前，生态源地多直接选择生态环境质量较好的斑块，或利用MSPA[2-3]与图论景观连通性指数综合筛选，但未考虑不同斑块规模对绿地空间连通性影响的差异性。构建生态网络的方法主要包括最小累积阻力模型[4-5]、重力模型[6]、图论法[7-10]、电路理论[11-14]等。大多数研究多从功能连通性层面入手构建绿地生态网络，基于结构连通性识别潜在生态廊道，优化生态网络的研究相对较少。

充分发挥结构与功能连通性在绿地生态网络构建中的相互协同作用，进一步揭示景观空间结构、物种迁移等生态过程与景观连通性的关系，构建高连通性的生态网络对城乡绿地空间规划具有重要意义。因此，以2000—2020年成都市为研究对象，基于图论景观连通性指数，确定最优距离阈值和生态源地面积阈值，评价生态网络空间连通性的动态变化特征；利用电路理论分析绿地功能连通性特征，耦合结构与功能连通性，提出城市绿地生态网络格局优化策略。

1 研究地概况

成都市(30°05′—31°26′N，102°54′—104°53′E)，位于四川盆地西部，是全国建设践行新发展理念的公园城市示范区(图1)。市域总面积为14 335 km2，辖区内包括12个市辖区5个县级市3个县。境内由山地、丘陵、平原组成，地形变化丰富，垂直落差大，最典型的是呈东北—西南走向的龙门山脉和龙泉山脉以及呈西南—东北走向的长丘山脉，生物多样性丰富，它们是成都市重要的生态屏障。岷江、沱江等河网渠系纵横交错，多样而独特的山水资源为公园城市建设提供了重要的生态基础[15]。

图1 成都市主要行政区区位及主要绿地及河流分布示意

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

研究数据包括精度为30 m的2000、2005、2010年成都市Landsat 7 ETM，2015、2020年Landsat 8 OLI遥感影像数据，DEM数据以及同期的Quickbird高分辨率历史影像和相关规划图集等。各类遥感数据和DEM数据从地理空间数据云中下载。首先，基于ENVI软件对5期遥感影像进行预处理，利用监督分类方法提取不同用地类型，同时在ArcGIS10.3中借助同期的高分辨率遥感影像以及规划图集对土地利用数据进行修正，解译精度达到95%以上，以获得5期包括城乡建设用地、耕地、绿地(包括林地、草地等生态用地以及城市人工绿地)、水系、农村居民点、其他用地的土地利用现状图；然后，对5期土地利用栅格数据进行重分类，将前景数据绿地、水体赋值为2，背景数据(其他用地类型)赋值为1，并将其转化为TIFF格式的二值栅格数据。基于Guidos1.3软件，根据研究需求，设置边缘宽度为1，八邻域连通性分析原则，将研究区前景要素划分为核心、连桥接、环道、分支、边缘、孔隙和孤岛7种不同的景观类型(图2)；最后，提取核心绿地斑块，参考相关文献[7]，并根据几何间隔重分类法对核心斑块进行分类，最终将核心斑块按照面积大小划分为7类:＜1.0 hm2，1.0～5.0 hm2，5.0～10.0 hm2，10.0～20.0 hm2，20.0～50.0 hm2，50.0～100.0 hm2，＞100.0 hm2。

图2 基于MSPA的研究区形态空间格局分类

2.2 基于图论的绿地空间连通性评价

2.2.1 图论指数的选择

Graphab软件是基于图论原理建立的生态网络模型，其景观连通性指数涵盖全局、组分、个体3个尺度以及增量模式[6-7]。选取连接单元体数量(NC)、整体连通性指数(IIC)、可能连通性指数(PC)、斑块节点度指数(Dg)、中间度核心性指数(BC)、重要性指数(dI)和归一化后的重要性指数(dI′)用以评价绿地斑块重要程度和空间连通性(计算公式如式1～2)，具体可参考Graphab2.6用户指导手册。

式(1)和式(2):I代表IIC和PC；Iremove是去除某斑块后的IIC和PC；dIIC是移除某斑块后IIC值的变化幅度；dPC是移除某斑块后PC值的变化幅度。

2.2.2 最优距离阈值与生态源地面积阈值的确定

图论模型中，适宜的距离阈值应考虑物种迁移特征以提高规划的适用性和科学性。根据相关研究结果，鸟类的平均搜索范围为30～32 000 m，一些雁形目鸟类的搜索范围约为10 000 m[2]，一些中小型哺乳动物及两栖类爬行动物的平均扩散范围为50～1 000 m[16]。因此，选择MSPA确定的核心斑块，根据区域内重点保护动物的搜索扩散范围以及栖息地生境的可达性，分别设置0.5、1、2、5、7.5、10、12.5、15、20、25、30 km等11个距离阈值，利用Conefor2.6软件，计算全局尺度下的NC、IIC、PC的变化趋势及稳定性；同时，以2020年为例计算不同距离阈值、不同斑块间的dI′用以综合确定最优距离阈值。最后，分别计算最优距离阈值下不同规模核心斑块的全局连通性指数，分析这些全局连通性指数与斑块面积的相关性，并根据变化趋势确定生态源地的最优面积阈值。

2.2.3 基于图论的绿地生态网络空间连通性评价

基于空间连通性的绿地网络评价方法主要包括生态源地的筛选、综合阻力面的制作、生态网络的构建、景观连通性评价4个步骤。景观阻力反映物种在不同景观单元之间迁移和能量流动的难易程度[3，17]。综合考虑成都市土地利用现状及地形特征，根据数据的可获得性和专家意见，参考相关文献资料[5，9，14]，确定不同阻力因子及其阻力值，引入熵权法计算不同阻力因子权重(表1)，通过加权叠加得到最终综合阻力面。

表1 不同阻力因子、阻力值与权重

在Graphab2.6中导入S≥最优面积阈值的核心斑块源地，设置最小斑块面积为0，设置八邻域的斑块连接规则，再导入综合阻力面，利用创建图谱工具，构建研究区绿地生态网络。在绿地空间连通性评价中，基于最优距离阈值计算不同尺度下的NC、IIC、PC、BC、Dg、dI′等图论指数，评价绿地斑块重要程度，并选择dI′≥10-4的绿地斑块作为电路理论的生态源地。最后，在2020年绿地生态网络中识别出不同年份相互重叠的生态源地、生态廊道以及高BC、Dg值绿地斑块，它们对维持生态网络稳定性与连通性具有重要作用。

2.3 基于电路理论的绿地生态网络构建

在电路理论中，电阻代表生境中物种迁移运动、基因流动或信息能量流动的阻碍程度，低电阻区域物种迁移通畅，则该区域的电流密度高，空间连通性好[18]。基于图论方法筛选的生态源地，利用Linkage Mapper工具下的Centrality Mapper tool计算源斑块的当前电流中心性评估其重要程度；采用成对模式分析，利用Linkage Pathways工具的最小成本加权距离识别区域内的重要生态廊道；运用Pinchpoint Mapper工具，选择位于生态廊道瓶颈处、电流密度大且具有不可替代作用的地带作为夹点[14]；利用Barrier Mapper工具，通过反复计算验证，设定栅格大小为300 m的搜索半径，采用移动窗口法搜索障碍点。

3 结果与分析

3.1 全局水平最优距离阈值及面积阈值的确定

2000—2020年不同距离阈值、不同景观连通性指数的变化趋势(图3)表明，虽然不同时期核心绿地斑块的面积和位置发生了变化，但NC、IIC和PC的变化趋势基本一致，整体表现为:随着距离的增加，NC呈对数下降，IIC和PC不断增大。这说明绿地空间整体连通性在不断提高。当距离阈值为10 km时，NC接近1，并随着距离的增加，NC趋于稳定。IIC和PC的最大增速出现在7.5～12.5 km时，随着距离的增大，它们趋于稳定或缓慢增长。不同斑块在不同距离阈值下的dI′变化(图4)表明，在0.5～30 km的距离阈值范围内，dI′与斑块面积呈显著的正相关关系。当距离阈值为0.5～7.5 km时，dI′≥10-5的绿地斑块占比由8.75%增加到48.65%，中小型绿地斑块的重要程度不断提升；当距离阈值为10～30km时，dI′≥10-5的绿斑块占比稳定在53%左右，中小型斑块的重要性趋于平稳，说明此时不同大小的绿地斑块维持景观连通的重要性不受距离阈值的影响。因此，综合考虑不同景观连通性指数对不同距离阈值的变化特征，选定10 km作为评价研究区景观连通性的最优距离阈值。

图4 不同距离阈值下绿地斑块面积及dI′变化

选择全局水平上的NC、IIC、PC与不同规模绿地总面积进行相关性分析(表2)，结果表明，随着绿地总面积的增大，NC与绿地总面积的相关性逐渐增强。当绿地面积＞100 hm2时，NC已趋近于1，二者之间无相关性，说明大型绿地斑块在改善空间连通性上具有关键作用。当绿地斑块面积≥50 hm2时，IIC和PC与斑块总面积表现出显著或极显著正相关关系。同时，对比分析不同规模绿地的景观连通性指数变化特征(图5～6)发现，不同区域内不同绿地斑块规模的景观连通性指数变化趋势基本趋同，最显著的差异主要表现在中心城区、新津、邛崃，由于中心城区是核心绿地面积及位置变化最剧烈的区域，NC变化波动也最大。在1～50 hm2的绿地斑块范围内，NC整体表现出急剧降低的趋势，当绿地斑块等级≥50 hm2时，NC减少趋势变缓，直至趋近于1。IIC随着斑块面积的增加而不断增大，当斑块面积增加到50～100 hm2时，IIC表现出骤增趋势。因此，综合考虑不同规模绿地斑块与景观连通性指数的变化趋势以及相关性分析，将50 hm2设定为核心斑块的最优面积阈值，并根据最优面积阈值进一步筛选生态源地。

表2 全局水平上不同规模绿地总面积与图论指数的相关系数

图5 不同时期不同绿地规模NC变化

图6 不同时期不同绿地规模IIC变化

3.2 基于图论的城市绿地空间连通性评价

3.2.1 个体水平绿地空间连通性

Dg表示绿地斑块间的空间连通能力。图7表明，2000—2020年，高Dg值斑块出现逐渐增多的趋势，尤其在中心城区表现最为显著；而Dg≥10的绿地斑块仅有3个，龙门山一直是Dg值最大的斑块，对整体绿地空间连通性至关重要。龙泉山、长丘山、兴隆湖湿地生态公园、鹿溪河生态区等斑块的Dg值逐渐增大，它们不仅对中心城区的空间连通性具有重要影响，同时也是市域范围内影响整体空间连通性的关键节点。

BC值表征斑块在生态网络中的重要程度和承载能力大小，高BC值的绿地斑块具有的重要“踏脚石”作用。由图8可知，研究区内BC值最大的绿地斑块包括丹景山风景区、大熊猫繁育研究基地、凤凰山公园等，它们对斑块间的连通起着关键作用。2000—2020年，BC值大于18.43×1010的绿地斑块数量呈现先增加再减少的变化趋势，这与高BC值绿地斑块自身或周边绿地斑块的规模、数量、生态环境质量等因素的变化密切相关。

图8 不同年份绿地斑块BC动态变化

3.2.2 增量模式绿地景观空间连通性

按照自然断点法对斑块的dI′值进行等级划分，结果(图9)表明，2000—2020年，龙门山、龙泉山斑块对整体连通性贡献最大，它们能够为生物提供适宜的生境；其次是长丘山、石象湖、三岔湖、白鹭湾湿地公园等斑块；东部区域生态源地较为独立，连通存在一定的困难。

图9 不同年份绿地斑块dI′动态变化

3.3 基于电路理论的绿地生态网络的构建

利用自然断点法对生态源地中心度模拟结果(图10A)进行分类，发现中心度值大于200的生态源地比例高达75.5%，它们为生物的觅食、迁移提供了重要的基础条件。由图10B可知，市域范围内重要生态廊道主要分布在中心城区、西南部以及东南部，它们对生态网络功能连通性的改善起到关键作用。中心城区利用环状廊道、水系与零散绿地斑块串联，网络结构复杂；西南部利用金马河、西河等水系将龙门山与周边斑块相连接；东南部以龙泉山、沱江为中心连接周边的绿地斑块，由于该区域成本距离较高，与重要生态源地的距离较远，网络通达性还需进一步提高。通过对夹点区域的识别(图10C)，可以发现中心城区分布着大量的夹点，部分夹点与高中心度斑块相重合，这也反映了夹点对维持整体连通性的重要作用。障碍点(图10D)主要分布在研究区中部以及西南部，现状用地多为城镇建设用地、道路用地、农村居民点等，其中城镇建设用地、道路用地等不透水下垫面硬化程度较高，对生物迁徙扩散、能量流动产生较大的阻碍作用。还有一部分障碍点与构建的生态廊道相重叠，因此，合理修复障碍点可以有效提高区域整体连通性。

图10 基于电路理论的功能连通性分析

3.4 基于空间连通性的绿地生态网络优化策略

基于图论与电路理论综合模拟结果，叠加筛选出对区域整体连通性具有重要影响的生态源地、关键战略点、踏脚石、重要廊道以及生态修复区，最终构建以龙门山、龙泉山为基础，依托岷江、沱江等河网道路的网络化联通，构建覆盖全域多层次、具有高连通性的复合绿地生态网络格局，其优化策略主要包括:

1)生态源地保护。根据成都市自然资源和地形特征，将生态源地划分为山地型、丘陵型、平原型。山地型源地以龙门山、龙泉山系为主，按照法律法规严格保护生态红线所包围的区域。高海拔地区保护重点为生态保育，保护原有珍贵物种资源；低海拔地区注重保持水土和涵养水源，发展多层次、多种类的复合森林生态系统。丘陵型源地应加强植被资源与生物多样性保护，科学发展生态果林农业和生态旅游业，限制人为活动对自然生境的破坏。平原型源地可利用生态廊道与周边的水体、湿地等资源进行整合，构建不同类型的森林公园、湿地保护区等，增大源地的保护辐射范围，在丰富源地生物多样性的同时提高对外界的抗干扰能力。

2)战略点应对。高Dg值和高中心度斑块可作为生态网络中的关键战略点，它们对维持生态网络的空间连通性具有重要的贡献度。关键战略点周围可设定一定范围的缓冲区，以缓解城市发展过程中人类活动对战略点的干扰。同时，利用生态廊道加强与周围生态源地、踏脚石的有效连接，以增加关键战略点之间的连通强度。

3)踏脚石拓展。选择具有关键作用的重要夹点以及高BC值斑块作为生态网络中的踏脚石。根据踏脚石斑块的立地条件有针对性地进行保护与修复，不断提升其生态稳定性。优先将踏脚石斑块数量明显减少的中东部区域踏脚石斑块与周围的生态斑块形成大范围的辐射连接，拓展其规模，以确保生物迁徙以及能量流通的成功率。

4)生态廊道优化。耦合结构连通与功能连通性，筛选出具有协同效应的生态廊道，这些廊道主要依托道路、水体等景观要素组成，应严格控制生态廊道内的开发方式与建设强度，设置多元化的廊道保护模式。合理规划环城廊道，建设不同类型的生态公园节点，预留城市通风廊道，以缓解城市热岛效应。

5)生态修复区划定。基于障碍点分析结果，识别区域内需优先修复的范围。生态修复过程中，基于城市土地利用现状以及成都市发展建设规划，合理评估生态修复区建设的可落地性，并做出相应的增补协调政策。同时，禁止建设工业等对生态环境有影响的建设开发活动，在尊重自然生态现状的基础上，保护区域内的自然与文化遗产、林盘等特色景观资源，妥善处理不同区域的耕地利用问题，坚持耕地优先保护，严守耕地红线，维护生态源地的完整性和多样性。

4 讨论

对于距离阈值的筛选，本研究利用Conefor软件对比分析不同距离阈值景观连通性指数的变化趋势与稳定性进行确定。与其他研究成果[18-19]对比发现，大多数研究均基于1期数据进行最优距离阈值的筛选，但城市化进程的高速发展导致不同用地类型的面积、空间位置、结构形态都发生了剧烈变化，它们对不同时期最优距离阈值的筛选都会产生影响。因此，分别对2000—2020年5期不同时间序列下的景观连通性指数的变化特征进行对比分析，不仅可以规避因土地利用变化对距离阈值筛选造成的影响，还可以清晰地表达不同时期、不同距离阈值下景观连通性水平的差异及变化趋势，对后期城市空间格局优化具有一定的指导意义。

对于源地面积阈值的划定，以往大量的研究[14，18，20]多用最小面积阈值法识别并筛选源地，具有一定的主观性，本研究在城市绿地空间连通性分析的基础上，利用图论方法分析不同时期、不同规模的绿地斑块与连通性指数的变化趋势及相关性，筛选影响空间连通性的绿地最优面积阈值，不仅可以发现不同时期、不同规模的绿地建设水平差异，还能更准确地验证最优面积阈值选择的合理性。相比传统方法而言，本研究方法不仅考虑了绿地斑块的面积规模，还考虑了绿地空间结构以及物种生境适宜性的影响，更能反映生物保护的需求。

基于空间连通性的绿地生态网络格局优化方法仍面临一定的挑战。在综合阻力面的构建过程中，主要根据研究区综合现状及国内外研究经验，从土地利用类型、地形坡度等方面来设置阻力因子，目前也尚无公认的评价指标体系。未来研究可结合经济、人文等社会因素以及生态系统服务功能，综合考虑不同物种在不同用地类型中的迁移扩散特征、不同土地利用间的连通性水平以及斑块异质性等影响因子构建综合阻力面；同时结合实验数据对模型进行修正，以促进图论及电路理论在景观生态规划领域中的应用。

5 结论

耦合MSPA、图论以及电路理论方法，在分析绿地结构与功能连通性动态变化特征的基础上，提出基于空间连通性的绿地生态网络优化策略，得出以下结论:1)基于研究区不同景观连通性指数在不同距离阈值的变化特征，选定最优阈值距离为10 km，生态源地最优面积阈值为50 hm2。2)研究区内景观结构连通性表现出西高东低、南高北低、由外围向中心扩展的分布特征。中部地区的绿地斑块数量少而分散，西、南部重要廊道数量最多，东部最少。3)功能连通性廊道区域差异明显，障碍点多与不同类型城市建设用地重合。4)构建的高连通性绿地生态网络方法框架在绿地生态规划与应用中具有可实践性，将为绿地生态网络格局优化提供参考。