包頭市層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法研究

王 戈 于 強 YANG Di 張啟斌 岳德鵬 劉建華

(1.北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室， 北京 100083； 2.弗羅里達大學地理系， 蓋恩斯維爾 32611)

0 引言

我國城市化與工業(yè)化進程不斷加快，導致生境斑塊趨于破碎、景觀連通性變差、生物多樣性快速下降等一系列生態(tài)問題[1]，加速了生態(tài)退化，嚴重影響區(qū)域景觀生態(tài)安全[2]。

在西北半干旱區(qū)，資源分布嚴重不均，人工與自然生態(tài)用地成為維持脆弱生態(tài)環(huán)境的重要保障[3]。根據(jù)景觀生態(tài)功能的大小對生態(tài)用地進行層級劃分[4]，每層網(wǎng)絡(luò)通過廊道連接生境斑塊，構(gòu)成半干旱區(qū)的層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。這種層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有復雜的空間結(jié)構(gòu)和復雜的層級間的影響關(guān)系[5]，具有多層次性、無序性、動態(tài)性等特征。

層次性研究廣泛應用于地理網(wǎng)絡(luò)中[6]，層次性特征可以抽象為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的差異性，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點劃分成不同等級，并構(gòu)建相應的覆蓋圖，通過層次化算法挖掘網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部層次特征，將一些重要節(jié)點從某一層次提取出來構(gòu)建上一層網(wǎng)絡(luò)[7]。本文研究的層級網(wǎng)絡(luò)是具有空間與生態(tài)屬性的空間生態(tài)層級網(wǎng)絡(luò)[8]。在西北半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，重要生態(tài)節(jié)點遭破壞極易引發(fā)層次生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)失效[9]，導致整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)崩潰，大尺度多層次生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建可以保證區(qū)域生態(tài)安全。最小累積阻力模型的應用較多：張蕾等[10]采用小累積阻力模型，并基于景觀生態(tài)學構(gòu)建鞍山市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；王玉瑩等[11]利用最小累積阻力模型識別緩沖區(qū)和生態(tài)廊道，構(gòu)建蘇南地區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

包頭市地處內(nèi)陸，氣候為典型溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，地勢起伏，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地荒漠化風險[12]。近10年來，城市化進程導致包頭市草地、林地、濕地等生態(tài)景觀遭到破壞，生境破碎景觀生態(tài)安全遭到威脅[13]。鑒于此，以景觀生態(tài)學理論為指導，以包頭市全域為研究對象，在遙感和GIS技術(shù)的支持下，基于最小累積阻力模型探尋最小成本路徑,提取包頭市層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的骨架廊道。以實現(xiàn)層次空間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，為包頭市生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)與支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

包頭市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，109°13′～111°26′E，40°13′～42°44′N，面積27 768 km2，如圖1所示。包頭市深處內(nèi)陸，氣候為典型的溫帶干旱、半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨，年平均氣溫2.0～7.7℃，年均降水量175～400 mm，年均蒸發(fā)量為2 100～2 700 mm[14-15]。包頭市可利用地表水總量為9×108m3，地下水補給量為8.6×109m3。黃河流經(jīng)包頭境內(nèi)214 km，水面寬130～458 m，最大流量6 400 m3/s，年平均徑流量為2.60×1011m3，是包頭市主要用水來源[16]。包頭市海拔為976～2 317 m，地勢中間高南北低，北部丘陵、中部山地、南部平原分別占土地面積的14.49%、75.51%和10%[17]。干旱的氣候條件與起伏的地貌特征使包頭市生態(tài)環(huán)境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地沙漠化、荒漠化風險。近年來，包頭市城市建設(shè)規(guī)模擴張迅速，房地產(chǎn)開發(fā)項目、工業(yè)園區(qū)等建設(shè)項目不斷涌現(xiàn)，導致草地、林地、濕地等生態(tài)用地遭到占用與破壞，生態(tài)風險有所升高[18]。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選取包頭市夏季且少云的Landsat OLI影像(2018年)為研究素材，空間分辨率30 m的地面高程數(shù)據(jù)(DEM)作為輔助數(shù)據(jù)。利用ENVI 軟件對影像進行波段合成、圖像增強和幾何校正處理，選擇最大似然監(jiān)督分類法對遙感影像進行目視解譯，提取包頭市的景觀類型信息，使用ArcMap 軟件進行細碎斑塊處理，運用疊加分析工具進行空間數(shù)據(jù)分析，最終ArcInfo環(huán)境下完成拓撲和改錯處理。自然保護區(qū)分布數(shù)據(jù)來自《包頭市土地利用總體規(guī)劃》；DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云；根據(jù)研究需要，從遙感影像中提取的景觀類型通過實地驗證確保其精度。

1.3 層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)提取模型

1.3.1生態(tài)源地節(jié)點提取

生態(tài)源地是具有重要生態(tài)服務價值和生態(tài)敏感性較高的用地，在空間分布上具有一定的聚集性[19]。根據(jù)研究區(qū)景觀格局分布數(shù)據(jù)，提取林地、草地、水體生態(tài)用地，將生態(tài)用地劃分為綠色和藍色生態(tài)用地。利用ArcGIS的分區(qū)統(tǒng)計工具，分別統(tǒng)計每個生態(tài)斑塊所對應的NDVI和MNDWI值。引入能值理論，分別利用NDVI和MNDWI值來描述林地、草地和水體生態(tài)用地的特征，計算每個生態(tài)用地的面積，根據(jù)兩方面來構(gòu)建能量因子Qj，其值越大代表生態(tài)源地斑塊的生態(tài)能量越大，并計算所有生態(tài)斑塊的能量因子Qj，并結(jié)合景觀生態(tài)功能的大小對生態(tài)用地進行層級劃分。生態(tài)源地j的能量因子Qj計算公式為

Qj=AjNjr

(1)

式中Aj——第j塊生態(tài)用地斑塊面積，km2

Njr——第j塊生態(tài)用地斑塊的第r個歸一化指數(shù)

本研究中選擇兩種歸一化指數(shù)描述生態(tài)用地，故r分別取值1和2，Nj1為第j塊生態(tài)用地的NDVI平均值，Nj2為第j塊生態(tài)用地的MNDWI平均值。

1.3.2生態(tài)廊道提取

基本累積阻力面模型僅考慮了生態(tài)源地、距離和基面阻力系數(shù)3方面因素[20]。在實際情況中，生態(tài)源地的面積以及源地類型會影響源地的生態(tài)能量大小。將生態(tài)源地、源地的層級性、源地間距離、基面阻力系數(shù)4方面因素考慮到其中，故可以得到修正最小累積阻力模型，公式為

(2)

式中VMCRQ——修正后的最小累積阻力面值

fmin——一個土地單元的累積阻力最小值

Dij——從生態(tài)源地j到土地單元i空間距離

Ri——土地單元i運動過程的阻力系數(shù)[21]

根據(jù)包頭市的實際情況，坡度越平緩、植被蓋度越高、距水體越近，生態(tài)能量流動越暢通，并結(jié)合土地利用類型，農(nóng)田與建筑建設(shè)用地是生態(tài)能量流動的剛性障礙。故考慮從地形坡度、植被覆蓋、水文分布、土地覆蓋4方面建立生態(tài)阻力評價體系。各個因子對于當前生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的維持與發(fā)展都有貢獻，故各個因子具有相同的權(quán)重。按照表1將各項生態(tài)阻力劃分為5個等級，分別用1、3、5、7、9來表示阻力，利用ArcGIS軟件制作各個單因子的評價結(jié)果，進行疊加柵格計算得到生態(tài)阻力基面的綜合評價結(jié)果。利用ArcGIS軟件中的cost-distance模塊完成層次生態(tài)源地的累積阻力面的計算[22]，由于計算量較大，故利用Python腳本語言編寫程序完成該計算。通過對計算生成的累積阻力面進行疊加分析，計算各個柵格單元的最小值，最終得到每層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對應的最小生態(tài)累積阻力面。基于最小累積阻力面，利用ArcGIS軟件中的cost-path模塊完成層級生態(tài)廊道提取。

表1 阻力評價體系Tab.1 Resistance evaluation system

1.4 層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評價指標

通過圖論的網(wǎng)絡(luò)測度指標可以評價一個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連接性和復雜性[23]，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析可以有效探究生態(tài)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常采用α、β、γ等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)來反映網(wǎng)絡(luò)的閉合度水平和連接度水平[24]。α指數(shù)用于描述網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的回路程度，值越大說明該網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)循環(huán)和流通越流暢；β指數(shù)指網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的評鑒連線數(shù)，可以度量網(wǎng)絡(luò)的復雜性；γ指數(shù)可以反映網(wǎng)絡(luò)的連接程度[25],公式為

(3)

(4)

(5)

式中l(wèi)——廊道數(shù)v——節(jié)點數(shù)

Imax——生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中可能連接的最大廊道數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 層級生態(tài)源地提取

提取全域內(nèi)所有草地、灌木林地、有林地共37 765塊，湖泊、河流等水體景觀共1 893塊，計算生態(tài)斑塊的能量因子Qj，選取能量因子值大于1的生態(tài)斑塊共784個。統(tǒng)計784個生態(tài)斑塊的能量因子值(圖2)，生態(tài)斑塊的能量因子值較高的斑塊較少，低能量因子值的斑塊占多數(shù)，能量因子值最高為50，能量因子值為30～50有7個，大多數(shù)生態(tài)斑塊的能量因子值落在0.01～10之間。

圖3 第1、2、3層生態(tài)源地Fig.3 The first, second and third layers of ecological sources

圖2 生態(tài)斑塊能量因子值統(tǒng)計圖Fig.2 Ecological plaque energy factor value statistics

將生態(tài)斑塊以0.01、0.04、0.15的比例來篩選作為1、2、3層生態(tài)源地，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)各生態(tài)斑塊的能量因子，對源地進行等級劃分，共分為3個等級，第1級源地能量因子值較高，生態(tài)服務價值大，共有8個，主要分布在騰格淖爾自然保護區(qū)、巴音杭蓋自然保護區(qū)、紅花敖包自然保護區(qū)、春坤山自然保護區(qū)、九峰山自然保護區(qū)、石門風景區(qū)、梅力更自然保護區(qū)、南海子濕地自然保護區(qū)附近。第2級生態(tài)源地在北部聚集分布，主要分布在查干淖爾蘇木、查干哈達蘇木、大蘇吉鄉(xiāng)、忽雞溝鄉(xiāng)等。第3級生態(tài)源地面積較小，集中分布在東部和南部，主要分布在新建鄉(xiāng)、下濕壕鄉(xiāng)、塔爾渾河等地。第1級源地隨機分布，面積稍小，第2等級源地在大尺度上集中分布于包頭市北部，第3級源地在大尺度上均勻分布在中部和南部，在小尺度上聚集分布。

2.2 層級生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點的提取與分析

2.2.1阻力面構(gòu)建

包頭市由中部山岳地帶、北部高原草地和南部平原3部分組成，中間高、南北低、西高東低、南部較為平坦，DEM最低值為872 m。包頭市中部有陰山山脈的大青山、烏拉山，DEM最高值為2 313 m，包頭市DEM圖如圖4所示。

圖4 包頭市DEM圖Fig.4 DEM map of Baotou City

利用包頭市2016年夏季的多光譜遙感影像提取研究區(qū)域的NDVI和MNDWI(圖 5)，NDVI最小值-1，最大值1，南部耕地區(qū)域和中部陰山林地景觀的NDVI值較大。研究區(qū)MNDWI最小值為-1，最大值為1，水體呈現(xiàn)高亮顯示，比較明顯的是位于研究區(qū)南部的黃河、中部的艾不蓋河和塔爾渾河、北部的騰格淖爾湖和開令河等。

圖5 包頭市NDVI、MNDWI圖Fig.5 NDVI and MNDWI maps of Baotou City

包頭市南部和中部陰山北側(cè)農(nóng)田密集(圖6)，建筑建設(shè)用地主要分布在包頭市城區(qū)附近，農(nóng)田與建筑建設(shè)用地是包頭市生態(tài)用地擴張的剛性限制。全境內(nèi)草地景觀為主要景觀類型，林地景觀主要分布在陰山山脈，水體景觀主要分布在南部黃河及北部騰格淖爾保護區(qū)附近和艾不蓋河、哈德門溝、昆都侖河等。

圖7 第1、2、3層生態(tài)源地最小累積阻力面Fig.7 The first, second and third layers minimum cumulative resistance surface

圖6 包頭市土地利用圖Fig.6 Land use map of Baotou City

考慮阻力因子進行3層生態(tài)阻力面模擬，并疊加生成最小累積生態(tài)阻力面(圖7)，3層生態(tài)源地內(nèi)部的阻力為0。第1層生態(tài)源地的最小累積阻力最小為0，最大為2 408 730。第2層生態(tài)源地的最小累積阻力最小為0，最大為772 071。第3層生態(tài)源地的最小累積阻力最小為0，最大為719 061。城區(qū)及耕地區(qū)外圍阻力均較大，形成明顯的累積阻力山脊線。第1層生態(tài)源地數(shù)量較少，源地間距離較大，導致其累積生態(tài)阻力較高。由于第2和3層生態(tài)源地中生態(tài)斑塊數(shù)量增加，相鄰源地間的距離變短，導致累積阻力明顯降低。

2.2.2生態(tài)廊道提取

基于3層生態(tài)源地及其最小累積阻力面，利用ArcGIS中cost-path模塊，在研究區(qū)域內(nèi)第1層生態(tài)源地共提取出8條潛在生態(tài)廊道，如圖8a所示。最短的生態(tài)廊道為1 km，最長的生態(tài)廊道為340 km。第1層生態(tài)廊道主要分布在紅泥井鄉(xiāng)、卜塔亥鄉(xiāng)和大城西鄉(xiāng)附近。由于中部農(nóng)田密集，導致中部潛在生態(tài)廊道密度較低。第1層生態(tài)廊道平均距離較長且較為脆弱，若遭到破壞會導致高層級生態(tài)源地間能量流動與物質(zhì)交換受阻，嚴重影響層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性。

圖8 第1、2、3層潛在生態(tài)廊道Fig.8 Potential ecological corridor

圖9 第1、2、3層級生態(tài)節(jié)點Fig.9 The first, second and third layers potential ecological nodes

第2層生態(tài)源地共提取出35條生態(tài)廊道，如圖8b所示。最短的生態(tài)廊道為1 km，最長的潛在生態(tài)廊道為143 km。第2層潛在生態(tài)廊道主要分布在紅泥井鄉(xiāng)、卜塔亥鄉(xiāng)和查干淖爾蘇木附近。由于第2層生態(tài)源地增加了生態(tài)斑塊，潛在廊道數(shù)量和密度增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復雜。 第3層生態(tài)源地共提取出151條生態(tài)廊道，如圖8c所示。最短的生態(tài)廊道為1 km，最長的潛在生態(tài)廊道為139 km，潛在生態(tài)廊道主要分布在西斗鋪鎮(zhèn)、銀號鄉(xiāng)、五當召鎮(zhèn)和塔爾渾河附近。由于第3層生態(tài)源地中部和南部生態(tài)源地數(shù)量增加，導致潛在生態(tài)廊道數(shù)量增加且生態(tài)廊道密度重心向南移動。第3層生態(tài)廊道平均距離較短，在遭到破壞后僅會影響局部生態(tài)能量流動與物質(zhì)交換，重要性低于第1級與第2級生態(tài)廊道。所提取的3層生態(tài)廊道在空間上構(gòu)成多層次的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)骨架，在實際生態(tài)建設(shè)中應加強層次廊道附近生態(tài)建設(shè)，在空間大尺度與局部小尺度上來保證不同層級生態(tài)源地的能量流動與物質(zhì)交換，從而維護區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定。

2.2.3生態(tài)節(jié)點提取

層級生態(tài)廊道與對應最小累積阻力面山脊線交點的位置確定為生態(tài)節(jié)點，是層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中最薄弱且至關(guān)重要的點。第1層生態(tài)節(jié)點共有7個，主要分布在珠日和蘇木、百靈淖爾鄉(xiāng)、西斗鋪鎮(zhèn)和大西城鄉(xiāng)附近，如圖9a所示。第1層生態(tài)節(jié)點重要性最高，若遭到破壞，會導致空間大尺度上重要生態(tài)源地間能量傳遞受阻，景觀連接性變差，極易引發(fā)層級網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)失效。第2層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)廊道數(shù)量顯著增加，導致生態(tài)節(jié)點數(shù)量增加至28個，節(jié)點重心向北移動，主要分布在查干哈達蘇木、希拉穆仁鎮(zhèn)和石寶鎮(zhèn)附近，如圖9b所示。第3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)共有47個生態(tài)節(jié)點，在東部分布較為集中，如圖9c所示。第3層生態(tài)節(jié)點若少量被破壞，會影響局部層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性，對層級網(wǎng)絡(luò)整體影響不大。在實際生態(tài)建設(shè)中，針對不同層級生態(tài)節(jié)點重要性不同進行不同規(guī)模的生態(tài)建設(shè)，在保證區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)資源的最有效利用。

2.3 分層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

最終得到研究區(qū)域的層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)如圖10所示，第1層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)由8個潛在生態(tài)源地、8條潛在生態(tài)廊道和7個生態(tài)節(jié)點構(gòu)成。第2層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)由31個潛在生態(tài)源地、35條潛在生態(tài)廊道和28個生態(tài)節(jié)點組成。第3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)由123個潛在生態(tài)源地、151條潛在生態(tài)廊道和47個生態(tài)節(jié)點組成。通過對包頭市全域內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行分層研究，構(gòu)建1、2、3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，有利于保障包頭市生態(tài)環(huán)境安全。在市域尺度上構(gòu)成了分層的點-線-面相互交織的層次空間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

圖10 第1、2、3層潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Fig.10 The first, second and third layers potential ecological network

2.4 層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評價分析

基于對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，可以得到第1、2、3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的指數(shù)分別為0.09、0.01、0.12，表明隨著第1、2、3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)源地數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)中潛在生態(tài)廊道數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)中可供物質(zhì)流動的回路越來越多。第1、2、3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的β指數(shù)分別為1、1.13、1.23，第1層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)為單一回路，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單。第2層與第3層網(wǎng)絡(luò)隨著生態(tài)廊道數(shù)量增加，生態(tài)源地的平均連通度變好。第1、2、3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的γ指數(shù)分別為0.44、0.40、0.42，第2層和第3層網(wǎng)絡(luò)中連通性高的源地比例較少，導致第2層和第3層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)γ指數(shù)小于第1層生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)論

(1)提取包頭市全域內(nèi)所有草地、灌木林地、有林地共37 765塊，湖泊、河流等水體景觀共1 893塊。選取能量因子值大于1的生態(tài)斑塊共784個，并以0.01 、0.04、 0.15的比例篩選作為1、2、3層生態(tài)源地。

(2)根據(jù)包頭市的實際情況，建立生態(tài)阻力的評價體系。構(gòu)建各層生態(tài)源地的累積阻力面，提取層次生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點。在市域尺度上構(gòu)成了分層的點-線-面相互交織的潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。第1層由8個潛在生態(tài)源地、8條潛在生態(tài)廊道和7個生態(tài)節(jié)點構(gòu)成，第2層由31個潛在生態(tài)源地、35條潛在生態(tài)廊道和28個生態(tài)節(jié)點組成，第3層由123個潛在生態(tài)源地、151條潛在生態(tài)廊道和47個生態(tài)節(jié)點組成。

(3)通過計算α、β、γ指數(shù)，對層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行評價，隨著生態(tài)源地與生態(tài)廊道數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)中可供物質(zhì)流動的回路越多，生態(tài)源地的平均連通度越好。第2層和第3層網(wǎng)絡(luò)中連通性高的源地比例較少。