基于最小累計(jì)阻力模型的西南城市景觀連通性研究

張青萍+楊柳

摘要：以貴州省貴陽市為研究對象，從結(jié)構(gòu)連通性、綠當(dāng)量強(qiáng)度、功能連通性三方面入手，采用綠當(dāng)量計(jì)算阻力系數(shù)，并利用阻力因子的分級對MCR模型進(jìn)行修正，模擬生態(tài)景觀連通性優(yōu)化廊道，對景觀格局進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)果顯示，2001—2013年，研究區(qū)景觀破碎度、人類干擾程度大幅增大，生物多樣性有所提高，景觀連通性、團(tuán)聚性減弱，結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢，威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通；中心城區(qū)綠當(dāng)量強(qiáng)度明顯下降，3縣1市地區(qū)的綠當(dāng)量強(qiáng)度增加；阻力值分布呈4個(gè)阻力高值區(qū)，阻礙了生態(tài)流的流通，可構(gòu)建2條優(yōu)化主廊道及2條優(yōu)化次廊道作為物種遷移和生態(tài)流空間擴(kuò)散的通道。

關(guān)鍵詞：景觀；連通性；最小阻力模型；生態(tài)；綠當(dāng)量；系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；西南山區(qū)；貴陽

中圖分類號： F301.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0438-04

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：41401400）；貴州大學(xué)文科重大科研項(xiàng)目（編號：GDZT201305號）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金（編號：黔科合J字[2012]2170號）；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研基金[編號：貴大人基合字（2010）006號]；貴州省教育廳高等學(xué)校人文社會科學(xué)研究基地項(xiàng)目。

作者簡介：張青萍（1990—），女，碩士研究生，主要從事土地資源利用與保護(hù)研究。E-mail：651418954@qq.com。

通信作者：楊柳，博士，副教授，主要從事土地利用研究與數(shù)據(jù)挖掘研究。E-mail：yang_whu.edu@163.com。西南山區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)比較落后的地區(qū)，也是我國生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)。西南山區(qū)擁有大面積的喀斯特碳酸鹽地貌，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，加之城市化進(jìn)程中人為干擾城市景觀格局，西南山區(qū)城市生態(tài)環(huán)境敏感度及破碎程度不斷提高，嚴(yán)重威脅城市的生態(tài)建設(shè)。

景觀連通性是指景觀促進(jìn)或阻礙生態(tài)流在景觀格局間運(yùn)動的程度[1]，實(shí)際上是反映生態(tài)流、物質(zhì)能量流在景觀中擴(kuò)散和流動的能力，包括結(jié)構(gòu)連通性（structural connectivity）和功能連通性（functional connectivity）。早期的景觀連通性研究側(cè)重于對景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，而景觀功能連通性的研究幾乎沒有涉及，隨著對景觀連通性研究的深入，許多學(xué)者利用多種模型對功能連通性進(jìn)行相關(guān)研究。目前，基于模型的景觀連通性研究均是利用生境斑塊分布和物種運(yùn)動等信息，在景觀尺度上模擬出景觀連通性，如擴(kuò)散成功（dispersal success）、搜索時(shí)間（search time）、離散隨機(jī)軌道（discrete random walks）和細(xì)胞遷入（cell migration）等模型[2]，但是，這些模型對運(yùn)算和數(shù)據(jù)的要求非常苛刻，操作復(fù)雜，不適用于宏觀尺度的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)保護(hù)區(qū)規(guī)劃等景觀連通性研究[3]。近年來，一些學(xué)者采用最小累積阻力模型（minimum cumulative resistance，MCR）模擬區(qū)域景觀中的連通性[4-5]，具有數(shù)據(jù)要求簡單、運(yùn)算快捷、模擬結(jié)果直觀形象等優(yōu)點(diǎn)，是目前景觀大尺度水平上評價(jià)景觀連通性較好的工具之一。本研究利用綠當(dāng)量及源的分級，對MCR模型進(jìn)行修正，從景觀結(jié)構(gòu)連通性、景觀綠當(dāng)量強(qiáng)度、景觀功能連通性三方面對研究區(qū)景觀的連通性進(jìn)行模擬，以期對研究區(qū)生態(tài)格局進(jìn)行優(yōu)化。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

貴陽市作為貴州省的省會城市，是貴州經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心，位于貴州省中部，106°07′～107°17′ E、26°11′～26°55′ N。貴陽市呈西南高、東北低的地勢，屬于典型的西南喀斯特山地，境內(nèi)分布有大量的山地及丘陵，90%左右為山地、丘陵、峽谷等，區(qū)域地貌破碎；最高峰海拔1 659 m，最低處海拔 880 m，平均海拔1 100 m左右，海拔相對高差大。貴陽市受典型西南山區(qū)地貌的影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，景觀連通性比較弱。

1.2數(shù)據(jù)來源

利用2013年6月的Landsat遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站http：//www.gscloud.cn，分辨率為30 m×30 m），結(jié)合貴陽市西南山區(qū)現(xiàn)狀、研究需要及土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)對影像進(jìn)行分類，解譯得到耕地、林地、建設(shè)用地、水體和草地5個(gè)地類，并形成土地利用分類圖作為研究底圖（圖1）。

2基于MCR模型的景觀連通性計(jì)算

2.1最小累計(jì)阻力模型概述及其應(yīng)用于景觀連通性的原理

MCR模型是指模擬生態(tài)流從“源”經(jīng)過具有不同生態(tài)服務(wù)功能的景觀過程中所需要克服阻力的模型，最早由Knaapen等[6]提出，其關(guān)鍵因素為源、景觀阻力系數(shù)及運(yùn)動距離[7]，其一般表達(dá)式[8]為：

MCR=∫min∑（Dij×Rj）。

式中：MCR為最小累積阻力值；Dij表示物質(zhì)流從源到景觀柵格單元的運(yùn)動距離；Rj表示景觀單元i對物質(zhì)流運(yùn)動的阻力系數(shù)；f表示最小累積阻力與距離、景觀阻力因子呈正相關(guān)；i表示景觀單元的個(gè)數(shù)，j表示阻力面柵格個(gè)數(shù)。MCR模型最早被應(yīng)用于生物遷移研究，生物體對景觀結(jié)構(gòu)的感知和反應(yīng)會改變其運(yùn)動方向及快慢程度，這種感知和反應(yīng)即為旅行費(fèi)用（travel cost），用于描述景觀阻礙或促進(jìn)物質(zhì)流在生境斑塊間的運(yùn)動過程，與景觀功能連通性原理非常相似[9]，可把景觀功能連通性換算為物質(zhì)流在景觀中擴(kuò)散所需的阻力。因此，近年來，MCR模型因其簡便形象常被用于景觀連通性研究。

2.2源地識別

“源”是物質(zhì)流擴(kuò)散和維持的原點(diǎn)，具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴(kuò)張或集聚的能力[10]。本試驗(yàn)以典型、具有代表性的生態(tài)用地，即具有良好生態(tài)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)區(qū)域如自然保護(hù)區(qū)、森林公園、旅游景點(diǎn)、水源地、公園、文化保護(hù)區(qū)等作為源，對城市生態(tài)用地景觀的連通性變化進(jìn)行研究。

2.3阻力系數(shù)設(shè)定

阻力系數(shù)設(shè)定是MCR模型的關(guān)鍵，而目前相關(guān)研究忽略了生態(tài)流在景觀格局流動過程中存在絕對的運(yùn)動約束。建設(shè)用地具有地面硬質(zhì)化、土壤養(yǎng)分退化等特征而幾乎不可能再被重新作為植物生存的載體，這些建設(shè)用地區(qū)域構(gòu)成生態(tài)流流動的剛性約束，生態(tài)流無法流通，只能跨越，與距離無關(guān)，建設(shè)用地將對生態(tài)流流通的模擬結(jié)果產(chǎn)生重要影響。阻力系數(shù)設(shè)定分為生態(tài)流通剛性阻力及一般阻力系數(shù)，本試驗(yàn)將研究區(qū)建設(shè)用地形成生態(tài)流通剛性阻力分布圖，地類要素形成生態(tài)流通一般阻力圖，最終形成生態(tài)流通綜合阻力圖，并對MCR模型進(jìn)行修正。

2.3.1生態(tài)流通剛性阻力設(shè)定根據(jù)研究目的及研究區(qū)地類分布情況，將建設(shè)用地確定為剛性阻力因子，對生態(tài)流流動構(gòu)成剛性約束，阻力系數(shù)無窮大，實(shí)際過程中將其阻力值賦為999[11]。

2.3.2生態(tài)流通一般阻力系數(shù)設(shè)定從生態(tài)角度出發(fā)研究城市景觀連通性，生態(tài)流在景觀格局中運(yùn)動的最大阻礙是地類。目前，一般阻力系數(shù)設(shè)定沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。綠當(dāng)量是度量生態(tài)系統(tǒng)健康及連續(xù)程度的一個(gè)重要指標(biāo)，基于綠當(dāng)量對地類生態(tài)用地功能的精確表達(dá)，本研究利用地類的平均綠當(dāng)量來設(shè)定生態(tài)流通的阻力系數(shù)。根據(jù)前人研究成果[12-17]，并結(jié)合研究區(qū)的地理特征計(jì)算研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值，測算研究區(qū)地類的平均綠當(dāng)量。研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值計(jì)算公式為：

P=∑19i=1Ai。

式中：P為生態(tài)服務(wù)總分值；A為指標(biāo)評價(jià)分值；i為指標(biāo)個(gè)數(shù)。在全年滿種的前提下，設(shè)定林地綠當(dāng)量為1.00，則各地類平均綠當(dāng)量計(jì)算公式為：Li=Ai/A林。

式中：Li為各地類平均生態(tài)綠當(dāng)量；Ai為各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；A林為林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，貴陽市自然林地、人工林地、園地生態(tài)服務(wù)總分平均值為154.24；相同面積及全年滿種情況下，水田、旱地等耕地生態(tài)服務(wù)總分平均值為120.56，草地生態(tài)服務(wù)總分值為121.84，水體生態(tài)服務(wù)總分值為142.56。由于我國各地區(qū)分屬不同氣候帶，氣候條件不同，作物熟制不同，需要對滿種前提下的生態(tài)綠當(dāng)量進(jìn)行修正，一般是將總分值乘以生長期系數(shù)。貴陽市屬于西南亞熱帶地區(qū)，且位于秦淮線-北回歸線之間，作物1年2熟，故生長期系數(shù)取0.67[18]。經(jīng)修正，林地、草地（暫以熟制討論）、耕地、水體（暫以綠當(dāng)量計(jì)算）平均生態(tài)綠當(dāng)量分別為1.00、0.53、0.52、0.62，以每種生態(tài)功能要素平均綠當(dāng)量占總平均綠當(dāng)量比例的倒數(shù)作為阻力因子的阻力系數(shù)，則貴陽市林地、草地、耕地、水體的阻力系數(shù)分別為27、50、53、44（表1）。

3結(jié)果與分析

3.1研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性的演變

景觀結(jié)構(gòu)連通性可以通過連通性指數(shù)來衡量，包括破碎度、集聚度、蔓延度、分離度、連通度等景觀格局指數(shù)[19]，通過景觀格局軟件Fragstats可計(jì)算得到。利用Fragstats軟件，從地類級別（class metrics）選取斑塊個(gè)數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI），從景觀級別（landscape metrics）選取斑塊凝聚度（COHESION）、分離度（SPLIT）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、聚合度（AI）、蔓延度（CONTAG）共8個(gè)指數(shù)對景觀結(jié)構(gòu)連通性進(jìn)行描述。由表2可見，2001—2013年，研究區(qū)斑塊個(gè)數(shù)及斑塊密度分別由145 382個(gè)、18.35 個(gè)/km2上升到262 659個(gè)、33.16 個(gè)/km2，這說明研究區(qū)景觀破碎度因建設(shè)用地的增加而大幅增大；最大斑塊指數(shù)由33.43%上升到64.48%，這說明研究區(qū)人類干擾程度不斷增大，人為規(guī)劃設(shè)計(jì)活動對研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯；斑塊凝聚度及蔓延度分別從99.78%、45.44%下降到99.46%、41.96%，這說明研究區(qū)景觀連通性呈下降趨勢，生態(tài)用地斑塊功能和廊道功能均有一定程度減弱；香農(nóng)多樣性指數(shù)由 1.10 上升到1.19，這說明研究區(qū)林地、草地等生態(tài)用地面積大幅增加，生物多樣性也隨之升高；分離度增大而聚合度下降，這說明研究區(qū)景觀的團(tuán)聚性減弱。從2001—2013年，研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)的連通性總體呈下降趨勢，人類干擾、不透水面的侵蝕覆蓋等都威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通。

3.2研究區(qū)景觀綠當(dāng)量強(qiáng)度的演變

設(shè)Xl為研究區(qū)實(shí)際林地綠當(dāng)量，x為研究區(qū)實(shí)際綠當(dāng)量，Si為i類用地面積，gi為綠當(dāng)量，i代表用地類型（i=1，2，3，4，…），根據(jù)最佳綠地覆蓋率計(jì)算得到城市林地面積為Sl，城市實(shí)際林地面積為Ss，得到模型為：Sl=MZ×Fh（式中：Fh為合理的綠地覆蓋率，MZ為城市總面積），對應(yīng)的綠當(dāng)量為X=1；城市實(shí)際林地綠當(dāng)量為：Xl=Si/Sl×100%；城市總綠當(dāng)量為：x=X1+∑3i=1Si×giSl×100%。合理綠地覆蓋率Fh計(jì)算參照倪琳等的方法[20]，計(jì)算公式為：Fh=（MZ-Mj-Ms-Mg-Mn）/MZ，式中：Mj為區(qū)域建設(shè)用地面積，Ms為區(qū)域水體面積，Mg為區(qū)域耕地面積，Mn為難利用地。由表3可見，2001—2013年，貴陽市生態(tài)用地不斷增加，其生態(tài)綠當(dāng)量及林地綠當(dāng)量有所增加，而草地及耕地綠當(dāng)量呈下降趨勢。

在ArcGIS中，用每種景觀綠當(dāng)量值占區(qū)域總值的比例作為景觀服務(wù)功能強(qiáng)度，將2001年、2013年50 m×50 m柵格圖按綠當(dāng)量結(jié)果進(jìn)行重新分類，對綠當(dāng)量進(jìn)行空間化。由圖2可見，2001—2013年，南明區(qū)、云巖區(qū)、觀山湖區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、花溪區(qū)等中心城區(qū)的綠當(dāng)量由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)展，其強(qiáng)度呈明顯下降趨勢，市中心城區(qū)呈現(xiàn)大面積的綠當(dāng)量低值區(qū)，其景觀服務(wù)功能偏低；息烽縣、修文縣、開陽縣、清鎮(zhèn)市這處于城市邊緣的3縣1市，其綠當(dāng)量強(qiáng)度卻因生態(tài)用地面積的增加而增加。

3.3景觀功能連通性演變及優(yōu)化

3.3.1最小累計(jì)阻力值的計(jì)算將提取的生態(tài)源地矢量圖層和生態(tài)流通綜合阻力柵格圖層導(dǎo)入ArcGIS下的cost distance模塊，計(jì)算出研究區(qū)所有源地到每個(gè)柵格的最小累積阻力值，利用最小累積阻力模型模擬研究區(qū)生態(tài)用地景觀的連通性，阻力值大的柵格表示景觀連通性弱，反之則景觀連通性強(qiáng)。由圖3可見，2001年、2013年，阻力值分布呈明顯的4個(gè)阻力高值區(qū)，且這4個(gè)區(qū)域阻力值集中分布；中心城區(qū)的高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線，3縣1市的高阻力區(qū)也集中分布在建設(shè)用地相對集中的城中心；整個(gè)研究區(qū)高阻力值基本沿建設(shè)用地分布而展開，建設(shè)用地密度越大，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越完善，地面基本被不透水面覆蓋，城市綠地所占比例越小，說明此區(qū)域景觀的連通性越弱，需要加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)；中心城區(qū)低阻力區(qū)主要分布在烏當(dāng)區(qū)及花溪區(qū)大部分地區(qū)，是貴陽市城區(qū)水庫、濕地、公園、風(fēng)景旅游區(qū)等生態(tài)用地最為集中且面積最大的區(qū)域，形成了貴陽市城區(qū)的生態(tài)保護(hù)屏障，對貴陽市城區(qū)氣候、生態(tài)環(huán)境起調(diào)節(jié)與保護(hù)作用，3縣1市的低阻力區(qū)集中分布在郊區(qū)、農(nóng)村及風(fēng)景區(qū)等生態(tài)環(huán)境優(yōu)良的區(qū)域，這些區(qū)域景觀連通性強(qiáng)，需要保持并進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù)。2001年到2013年，由于建設(shè)用地的不斷擴(kuò)展，生態(tài)用地被侵蝕，城市中心城區(qū)的阻力值明顯呈增加趨勢，即景觀連通性強(qiáng)度下降。2002年，貴州省全面推行退耕還林政策，促使了3縣1市地區(qū)林地及草地面積的增加，其阻力值呈下降趨勢，即景觀連通性強(qiáng)度增加。

3.3.2景觀連通性優(yōu)化閾值的設(shè)定利用2013年阻力值分布圖像元（阻力值）大小與柵格數(shù)目的關(guān)系，采用自然斷點(diǎn)法，取曲線拐點(diǎn)處（A點(diǎn)）作為景觀連通性優(yōu)化閾值設(shè)定的分界點(diǎn)[21]，則阻力值大于1 023 726的區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)阻力高值區(qū)（圖4）。

3.3.3連通性優(yōu)化生態(tài)廊道的構(gòu)建在ArcGIS中，利用景觀連通性優(yōu)化閾值對2013年阻力分布圖進(jìn)行重新分類，得到4個(gè)明顯的生態(tài)阻力高值區(qū)，該區(qū)域景觀連通性較弱，利用生態(tài)廊道可對其景觀連通性進(jìn)行提升，將4個(gè)主要生態(tài)阻力高值區(qū)的中心進(jìn)行連接，構(gòu)建西—東北、南—北方向的2條優(yōu)化主廊道；為加強(qiáng)廊道建設(shè)，可將4個(gè)主要生態(tài)高值區(qū)與其周圍的次要生態(tài)高值區(qū)中心連接起來，構(gòu)建東—西南、南—東北方向的2條優(yōu)化次廊道，作為物種遷移和生態(tài)流、物質(zhì)流空間擴(kuò)散的廊道（圖5）。在城市規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)中，要特別注意這4條生態(tài)廊道的建設(shè)，以提高研究區(qū)的綠當(dāng)量，形成研究區(qū)良好的生態(tài)系統(tǒng)，并維持城市生態(tài)健康及生物多樣性。

4結(jié)論

以貴陽市為例，采用修正的MCR模型對研究區(qū)景觀連通性進(jìn)行模擬，并利用ArcGIS等可視化軟件對研究區(qū)的景觀連通性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，2001—2013年，研究區(qū)景觀破碎及人類干擾程度不斷增大，人為規(guī)劃設(shè)計(jì)活動對研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯，生物多樣性有所提高，景觀連通性及景

觀的團(tuán)聚性減弱，研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢，不利于區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通；貴陽市中心城區(qū)綠當(dāng)量由于建設(shè)用地的擴(kuò)展，其強(qiáng)度呈明顯下降趨勢，處于城市邊緣的3縣1市其綠當(dāng)量強(qiáng)度卻因生態(tài)用地面積增加而增加；由于建設(shè)用地的不斷擴(kuò)展并侵蝕生態(tài)用地，城市中心城區(qū)的阻力值呈增加趨勢，景觀連通性強(qiáng)度下降，3縣1市由于林地及草地面積的增加，其阻力值呈下降趨勢，景觀連通性強(qiáng)度增加；高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線及3縣1市的城區(qū)，高阻力值分布基本沿建設(shè)用地的分布而展開，形成4個(gè)明顯的阻力高值區(qū)，該區(qū)域景觀連通性非常弱，需對其進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)阻力高值區(qū)的分布情況，構(gòu)建了2條景觀連通性優(yōu)化主廊道與2條優(yōu)化次廊道，為生態(tài)流、物質(zhì)流的流通疏通了道路。

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張青萍 楊柳

摘要：以貴州省貴陽市為研究對象，從結(jié)構(gòu)連通性、綠當(dāng)量強(qiáng)度、功能連通性三方面入手，采用綠當(dāng)量計(jì)算阻力系數(shù)，并利用阻力因子的分級對MCR模型進(jìn)行修正，模擬生態(tài)景觀連通性優(yōu)化廊道，對景觀格局進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)果顯示，2001—2013年，研究區(qū)景觀破碎度、人類干擾程度大幅增大，生物多樣性有所提高，景觀連通性、團(tuán)聚性減弱，結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢，威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通；中心城區(qū)綠當(dāng)量強(qiáng)度明顯下降，3縣1市地區(qū)的綠當(dāng)量強(qiáng)度增加；阻力值分布呈4個(gè)阻力高值區(qū)，阻礙了生態(tài)流的流通，可構(gòu)建2條優(yōu)化主廊道及2條優(yōu)化次廊道作為物種遷移和生態(tài)流空間擴(kuò)散的通道。

關(guān)鍵詞：景觀；連通性；最小阻力模型；生態(tài)；綠當(dāng)量；系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；西南山區(qū)；貴陽

中圖分類號： F301.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0438-04

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：41401400）；貴州大學(xué)文科重大科研項(xiàng)目（編號：GDZT201305號）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金（編號：黔科合J字[2012]2170號）；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研基金[編號：貴大人基合字（2010）006號]；貴州省教育廳高等學(xué)校人文社會科學(xué)研究基地項(xiàng)目。

作者簡介：張青萍（1990—），女，碩士研究生，主要從事土地資源利用與保護(hù)研究。E-mail：651418954@qq.com。

通信作者：楊柳，博士，副教授，主要從事土地利用研究與數(shù)據(jù)挖掘研究。E-mail：yang_whu.edu@163.com。西南山區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)比較落后的地區(qū)，也是我國生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)。西南山區(qū)擁有大面積的喀斯特碳酸鹽地貌，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，加之城市化進(jìn)程中人為干擾城市景觀格局，西南山區(qū)城市生態(tài)環(huán)境敏感度及破碎程度不斷提高，嚴(yán)重威脅城市的生態(tài)建設(shè)。

景觀連通性是指景觀促進(jìn)或阻礙生態(tài)流在景觀格局間運(yùn)動的程度[1]，實(shí)際上是反映生態(tài)流、物質(zhì)能量流在景觀中擴(kuò)散和流動的能力，包括結(jié)構(gòu)連通性（structural connectivity）和功能連通性（functional connectivity）。早期的景觀連通性研究側(cè)重于對景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，而景觀功能連通性的研究幾乎沒有涉及，隨著對景觀連通性研究的深入，許多學(xué)者利用多種模型對功能連通性進(jìn)行相關(guān)研究。目前，基于模型的景觀連通性研究均是利用生境斑塊分布和物種運(yùn)動等信息，在景觀尺度上模擬出景觀連通性，如擴(kuò)散成功（dispersal success）、搜索時(shí)間（search time）、離散隨機(jī)軌道（discrete random walks）和細(xì)胞遷入（cell migration）等模型[2]，但是，這些模型對運(yùn)算和數(shù)據(jù)的要求非?？量?，操作復(fù)雜，不適用于宏觀尺度的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)保護(hù)區(qū)規(guī)劃等景觀連通性研究[3]。近年來，一些學(xué)者采用最小累積阻力模型（minimum cumulative resistance，MCR）模擬區(qū)域景觀中的連通性[4-5]，具有數(shù)據(jù)要求簡單、運(yùn)算快捷、模擬結(jié)果直觀形象等優(yōu)點(diǎn)，是目前景觀大尺度水平上評價(jià)景觀連通性較好的工具之一。本研究利用綠當(dāng)量及源的分級，對MCR模型進(jìn)行修正，從景觀結(jié)構(gòu)連通性、景觀綠當(dāng)量強(qiáng)度、景觀功能連通性三方面對研究區(qū)景觀的連通性進(jìn)行模擬，以期對研究區(qū)生態(tài)格局進(jìn)行優(yōu)化。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

貴陽市作為貴州省的省會城市，是貴州經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心，位于貴州省中部，106°07′～107°17′ E、26°11′～26°55′ N。貴陽市呈西南高、東北低的地勢，屬于典型的西南喀斯特山地，境內(nèi)分布有大量的山地及丘陵，90%左右為山地、丘陵、峽谷等，區(qū)域地貌破碎；最高峰海拔1 659 m，最低處海拔 880 m，平均海拔1 100 m左右，海拔相對高差大。貴陽市受典型西南山區(qū)地貌的影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，景觀連通性比較弱。

1.2數(shù)據(jù)來源

利用2013年6月的Landsat遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站http：//www.gscloud.cn，分辨率為30 m×30 m），結(jié)合貴陽市西南山區(qū)現(xiàn)狀、研究需要及土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)對影像進(jìn)行分類，解譯得到耕地、林地、建設(shè)用地、水體和草地5個(gè)地類，并形成土地利用分類圖作為研究底圖（圖1）。

2基于MCR模型的景觀連通性計(jì)算

2.1最小累計(jì)阻力模型概述及其應(yīng)用于景觀連通性的原理

MCR模型是指模擬生態(tài)流從“源”經(jīng)過具有不同生態(tài)服務(wù)功能的景觀過程中所需要克服阻力的模型，最早由Knaapen等[6]提出，其關(guān)鍵因素為源、景觀阻力系數(shù)及運(yùn)動距離[7]，其一般表達(dá)式[8]為：

MCR=∫min∑（Dij×Rj）。

式中：MCR為最小累積阻力值；Dij表示物質(zhì)流從源到景觀柵格單元的運(yùn)動距離；Rj表示景觀單元i對物質(zhì)流運(yùn)動的阻力系數(shù)；f表示最小累積阻力與距離、景觀阻力因子呈正相關(guān)；i表示景觀單元的個(gè)數(shù)，j表示阻力面柵格個(gè)數(shù)。MCR模型最早被應(yīng)用于生物遷移研究，生物體對景觀結(jié)構(gòu)的感知和反應(yīng)會改變其運(yùn)動方向及快慢程度，這種感知和反應(yīng)即為旅行費(fèi)用（travel cost），用于描述景觀阻礙或促進(jìn)物質(zhì)流在生境斑塊間的運(yùn)動過程，與景觀功能連通性原理非常相似[9]，可把景觀功能連通性換算為物質(zhì)流在景觀中擴(kuò)散所需的阻力。因此，近年來，MCR模型因其簡便形象常被用于景觀連通性研究。

2.2源地識別

“源”是物質(zhì)流擴(kuò)散和維持的原點(diǎn)，具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴(kuò)張或集聚的能力[10]。本試驗(yàn)以典型、具有代表性的生態(tài)用地，即具有良好生態(tài)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)區(qū)域如自然保護(hù)區(qū)、森林公園、旅游景點(diǎn)、水源地、公園、文化保護(hù)區(qū)等作為源，對城市生態(tài)用地景觀的連通性變化進(jìn)行研究。

2.3阻力系數(shù)設(shè)定

阻力系數(shù)設(shè)定是MCR模型的關(guān)鍵，而目前相關(guān)研究忽略了生態(tài)流在景觀格局流動過程中存在絕對的運(yùn)動約束。建設(shè)用地具有地面硬質(zhì)化、土壤養(yǎng)分退化等特征而幾乎不可能再被重新作為植物生存的載體，這些建設(shè)用地區(qū)域構(gòu)成生態(tài)流流動的剛性約束，生態(tài)流無法流通，只能跨越，與距離無關(guān)，建設(shè)用地將對生態(tài)流流通的模擬結(jié)果產(chǎn)生重要影響。阻力系數(shù)設(shè)定分為生態(tài)流通剛性阻力及一般阻力系數(shù)，本試驗(yàn)將研究區(qū)建設(shè)用地形成生態(tài)流通剛性阻力分布圖，地類要素形成生態(tài)流通一般阻力圖，最終形成生態(tài)流通綜合阻力圖，并對MCR模型進(jìn)行修正。

2.3.1生態(tài)流通剛性阻力設(shè)定根據(jù)研究目的及研究區(qū)地類分布情況，將建設(shè)用地確定為剛性阻力因子，對生態(tài)流流動構(gòu)成剛性約束，阻力系數(shù)無窮大，實(shí)際過程中將其阻力值賦為999[11]。

2.3.2生態(tài)流通一般阻力系數(shù)設(shè)定從生態(tài)角度出發(fā)研究城市景觀連通性，生態(tài)流在景觀格局中運(yùn)動的最大阻礙是地類。目前，一般阻力系數(shù)設(shè)定沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。綠當(dāng)量是度量生態(tài)系統(tǒng)健康及連續(xù)程度的一個(gè)重要指標(biāo)，基于綠當(dāng)量對地類生態(tài)用地功能的精確表達(dá)，本研究利用地類的平均綠當(dāng)量來設(shè)定生態(tài)流通的阻力系數(shù)。根據(jù)前人研究成果[12-17]，并結(jié)合研究區(qū)的地理特征計(jì)算研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值，測算研究區(qū)地類的平均綠當(dāng)量。研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值計(jì)算公式為：

P=∑19i=1Ai。

式中：P為生態(tài)服務(wù)總分值；A為指標(biāo)評價(jià)分值；i為指標(biāo)個(gè)數(shù)。在全年滿種的前提下，設(shè)定林地綠當(dāng)量為1.00，則各地類平均綠當(dāng)量計(jì)算公式為：Li=Ai/A林。

式中：Li為各地類平均生態(tài)綠當(dāng)量；Ai為各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；A林為林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，貴陽市自然林地、人工林地、園地生態(tài)服務(wù)總分平均值為154.24；相同面積及全年滿種情況下，水田、旱地等耕地生態(tài)服務(wù)總分平均值為120.56，草地生態(tài)服務(wù)總分值為121.84，水體生態(tài)服務(wù)總分值為142.56。由于我國各地區(qū)分屬不同氣候帶，氣候條件不同，作物熟制不同，需要對滿種前提下的生態(tài)綠當(dāng)量進(jìn)行修正，一般是將總分值乘以生長期系數(shù)。貴陽市屬于西南亞熱帶地區(qū)，且位于秦淮線-北回歸線之間，作物1年2熟，故生長期系數(shù)取0.67[18]。經(jīng)修正，林地、草地（暫以熟制討論）、耕地、水體（暫以綠當(dāng)量計(jì)算）平均生態(tài)綠當(dāng)量分別為1.00、0.53、0.52、0.62，以每種生態(tài)功能要素平均綠當(dāng)量占總平均綠當(dāng)量比例的倒數(shù)作為阻力因子的阻力系數(shù)，則貴陽市林地、草地、耕地、水體的阻力系數(shù)分別為27、50、53、44（表1）。

3結(jié)果與分析

3.1研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性的演變

景觀結(jié)構(gòu)連通性可以通過連通性指數(shù)來衡量，包括破碎度、集聚度、蔓延度、分離度、連通度等景觀格局指數(shù)[19]，通過景觀格局軟件Fragstats可計(jì)算得到。利用Fragstats軟件，從地類級別（class metrics）選取斑塊個(gè)數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI），從景觀級別（landscape metrics）選取斑塊凝聚度（COHESION）、分離度（SPLIT）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、聚合度（AI）、蔓延度（CONTAG）共8個(gè)指數(shù)對景觀結(jié)構(gòu)連通性進(jìn)行描述。由表2可見，2001—2013年，研究區(qū)斑塊個(gè)數(shù)及斑塊密度分別由145 382個(gè)、18.35 個(gè)/km2上升到262 659個(gè)、33.16 個(gè)/km2，這說明研究區(qū)景觀破碎度因建設(shè)用地的增加而大幅增大；最大斑塊指數(shù)由33.43%上升到64.48%，這說明研究區(qū)人類干擾程度不斷增大，人為規(guī)劃設(shè)計(jì)活動對研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯；斑塊凝聚度及蔓延度分別從99.78%、45.44%下降到99.46%、41.96%，這說明研究區(qū)景觀連通性呈下降趨勢，生態(tài)用地斑塊功能和廊道功能均有一定程度減弱；香農(nóng)多樣性指數(shù)由 1.10 上升到1.19，這說明研究區(qū)林地、草地等生態(tài)用地面積大幅增加，生物多樣性也隨之升高；分離度增大而聚合度下降，這說明研究區(qū)景觀的團(tuán)聚性減弱。從2001—2013年，研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)的連通性總體呈下降趨勢，人類干擾、不透水面的侵蝕覆蓋等都威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通。

3.2研究區(qū)景觀綠當(dāng)量強(qiáng)度的演變

設(shè)Xl為研究區(qū)實(shí)際林地綠當(dāng)量，x為研究區(qū)實(shí)際綠當(dāng)量，Si為i類用地面積，gi為綠當(dāng)量，i代表用地類型（i=1，2，3，4，…），根據(jù)最佳綠地覆蓋率計(jì)算得到城市林地面積為Sl，城市實(shí)際林地面積為Ss，得到模型為：Sl=MZ×Fh（式中：Fh為合理的綠地覆蓋率，MZ為城市總面積），對應(yīng)的綠當(dāng)量為X=1；城市實(shí)際林地綠當(dāng)量為：Xl=Si/Sl×100%；城市總綠當(dāng)量為：x=X1+∑3i=1Si×giSl×100%。合理綠地覆蓋率Fh計(jì)算參照倪琳等的方法[20]，計(jì)算公式為：Fh=（MZ-Mj-Ms-Mg-Mn）/MZ，式中：Mj為區(qū)域建設(shè)用地面積，Ms為區(qū)域水體面積，Mg為區(qū)域耕地面積，Mn為難利用地。由表3可見，2001—2013年，貴陽市生態(tài)用地不斷增加，其生態(tài)綠當(dāng)量及林地綠當(dāng)量有所增加，而草地及耕地綠當(dāng)量呈下降趨勢。

在ArcGIS中，用每種景觀綠當(dāng)量值占區(qū)域總值的比例作為景觀服務(wù)功能強(qiáng)度，將2001年、2013年50 m×50 m柵格圖按綠當(dāng)量結(jié)果進(jìn)行重新分類，對綠當(dāng)量進(jìn)行空間化。由圖2可見，2001—2013年，南明區(qū)、云巖區(qū)、觀山湖區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、花溪區(qū)等中心城區(qū)的綠當(dāng)量由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)展，其強(qiáng)度呈明顯下降趨勢，市中心城區(qū)呈現(xiàn)大面積的綠當(dāng)量低值區(qū)，其景觀服務(wù)功能偏低；息烽縣、修文縣、開陽縣、清鎮(zhèn)市這處于城市邊緣的3縣1市，其綠當(dāng)量強(qiáng)度卻因生態(tài)用地面積的增加而增加。

3.3景觀功能連通性演變及優(yōu)化

3.3.1最小累計(jì)阻力值的計(jì)算將提取的生態(tài)源地矢量圖層和生態(tài)流通綜合阻力柵格圖層導(dǎo)入ArcGIS下的cost distance模塊，計(jì)算出研究區(qū)所有源地到每個(gè)柵格的最小累積阻力值，利用最小累積阻力模型模擬研究區(qū)生態(tài)用地景觀的連通性，阻力值大的柵格表示景觀連通性弱，反之則景觀連通性強(qiáng)。由圖3可見，2001年、2013年，阻力值分布呈明顯的4個(gè)阻力高值區(qū)，且這4個(gè)區(qū)域阻力值集中分布；中心城區(qū)的高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線，3縣1市的高阻力區(qū)也集中分布在建設(shè)用地相對集中的城中心；整個(gè)研究區(qū)高阻力值基本沿建設(shè)用地分布而展開，建設(shè)用地密度越大，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越完善，地面基本被不透水面覆蓋，城市綠地所占比例越小，說明此區(qū)域景觀的連通性越弱，需要加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)；中心城區(qū)低阻力區(qū)主要分布在烏當(dāng)區(qū)及花溪區(qū)大部分地區(qū)，是貴陽市城區(qū)水庫、濕地、公園、風(fēng)景旅游區(qū)等生態(tài)用地最為集中且面積最大的區(qū)域，形成了貴陽市城區(qū)的生態(tài)保護(hù)屏障，對貴陽市城區(qū)氣候、生態(tài)環(huán)境起調(diào)節(jié)與保護(hù)作用，3縣1市的低阻力區(qū)集中分布在郊區(qū)、農(nóng)村及風(fēng)景區(qū)等生態(tài)環(huán)境優(yōu)良的區(qū)域，這些區(qū)域景觀連通性強(qiáng)，需要保持并進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù)。2001年到2013年，由于建設(shè)用地的不斷擴(kuò)展，生態(tài)用地被侵蝕，城市中心城區(qū)的阻力值明顯呈增加趨勢，即景觀連通性強(qiáng)度下降。2002年，貴州省全面推行退耕還林政策，促使了3縣1市地區(qū)林地及草地面積的增加，其阻力值呈下降趨勢，即景觀連通性強(qiáng)度增加。

3.3.2景觀連通性優(yōu)化閾值的設(shè)定利用2013年阻力值分布圖像元（阻力值）大小與柵格數(shù)目的關(guān)系，采用自然斷點(diǎn)法，取曲線拐點(diǎn)處（A點(diǎn)）作為景觀連通性優(yōu)化閾值設(shè)定的分界點(diǎn)[21]，則阻力值大于1 023 726的區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)阻力高值區(qū)（圖4）。

3.3.3連通性優(yōu)化生態(tài)廊道的構(gòu)建在ArcGIS中，利用景觀連通性優(yōu)化閾值對2013年阻力分布圖進(jìn)行重新分類，得到4個(gè)明顯的生態(tài)阻力高值區(qū)，該區(qū)域景觀連通性較弱，利用生態(tài)廊道可對其景觀連通性進(jìn)行提升，將4個(gè)主要生態(tài)阻力高值區(qū)的中心進(jìn)行連接，構(gòu)建西—東北、南—北方向的2條優(yōu)化主廊道；為加強(qiáng)廊道建設(shè)，可將4個(gè)主要生態(tài)高值區(qū)與其周圍的次要生態(tài)高值區(qū)中心連接起來，構(gòu)建東—西南、南—東北方向的2條優(yōu)化次廊道，作為物種遷移和生態(tài)流、物質(zhì)流空間擴(kuò)散的廊道（圖5）。在城市規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)中，要特別注意這4條生態(tài)廊道的建設(shè)，以提高研究區(qū)的綠當(dāng)量，形成研究區(qū)良好的生態(tài)系統(tǒng)，并維持城市生態(tài)健康及生物多樣性。

4結(jié)論

以貴陽市為例，采用修正的MCR模型對研究區(qū)景觀連通性進(jìn)行模擬，并利用ArcGIS等可視化軟件對研究區(qū)的景觀連通性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，2001—2013年，研究區(qū)景觀破碎及人類干擾程度不斷增大，人為規(guī)劃設(shè)計(jì)活動對研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯，生物多樣性有所提高，景觀連通性及景

觀的團(tuán)聚性減弱，研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢，不利于區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通；貴陽市中心城區(qū)綠當(dāng)量由于建設(shè)用地的擴(kuò)展，其強(qiáng)度呈明顯下降趨勢，處于城市邊緣的3縣1市其綠當(dāng)量強(qiáng)度卻因生態(tài)用地面積增加而增加；由于建設(shè)用地的不斷擴(kuò)展并侵蝕生態(tài)用地，城市中心城區(qū)的阻力值呈增加趨勢，景觀連通性強(qiáng)度下降，3縣1市由于林地及草地面積的增加，其阻力值呈下降趨勢，景觀連通性強(qiáng)度增加；高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線及3縣1市的城區(qū)，高阻力值分布基本沿建設(shè)用地的分布而展開，形成4個(gè)明顯的阻力高值區(qū)，該區(qū)域景觀連通性非常弱，需對其進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)阻力高值區(qū)的分布情況，構(gòu)建了2條景觀連通性優(yōu)化主廊道與2條優(yōu)化次廊道，為生態(tài)流、物質(zhì)流的流通疏通了道路。

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