基于MSPA-連接度-空間句法的生態(tài)保護(hù)空間及優(yōu)先級(jí)識(shí)別
——以蘇錫常地區(qū)為例

成文青,陶 宇,2,吳 未,2,歐維新,2,*

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院,南京 210095 2 農(nóng)村土地利用與整治國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,南京 210095

快速城市化導(dǎo)致城市生態(tài)保護(hù)空間(Ecological Protect Area,EPA)急劇減少,EPA之間的連接度降低,給物種生存帶來(lái)嚴(yán)重威脅[1- 3]。對(duì)EPA進(jìn)行有效地識(shí)別,以提高EPA之間的連接度,已成為保護(hù)物種多樣性研究的重要內(nèi)容[4- 7]?，F(xiàn)有研究中,生態(tài)保護(hù)空間優(yōu)先級(jí)識(shí)別方法有：(1)景觀連接度指數(shù)法[8- 10],依據(jù)指數(shù)高低識(shí)別EPA優(yōu)先級(jí)；(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法,利用Guidos Toolbox[11- 14],Zonation[15- 17],Marxan[18- 21]等軟件對(duì)不同的生態(tài)要素(如碳排放量、水土保持量、氣候變化情況等)進(jìn)行綜合分析,劃分EPA的優(yōu)先級(jí)。然而,傳統(tǒng)方法大多基于EPA對(duì)物種遷移決策的影響是等權(quán)重的原則,但物種實(shí)際遷移時(shí),EPA對(duì)物種決策的影響是非等權(quán)重的[22- 24],因此一些專家和學(xué)者也嘗試和探索新的方法如空間句法等,來(lái)彌補(bǔ)這方面的不足。

空間句法能對(duì)人類(lèi)活動(dòng)與其所處環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行量化分析,被廣泛用于優(yōu)化城市空間配置的研究[25- 27]。因此部分專家和學(xué)者將其應(yīng)用到景觀生態(tài)學(xué)中,通過(guò)探索動(dòng)物活動(dòng)與其所處景觀要素之間關(guān)系,優(yōu)化景觀布局。如楊天翔等[28]通過(guò)空間句法反映不同景觀元素對(duì)物種決策的非等權(quán)重影響,研究鳥(niǎo)類(lèi)邊緣種行為的景觀連接度；同時(shí)他們還探索了空間句法在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能連接度研究方面的優(yōu)越性[29]；此外Wei等[30]通過(guò)結(jié)合景觀連接度和空間句法對(duì)浦口地區(qū)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)識(shí)別。這表明空間句法在EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別上的潛力。

本文擬在結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)中MSPA方法、景觀連接度識(shí)別EPA優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)上,引入空間句法,試圖發(fā)現(xiàn)基于景觀連接度的EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別方法在引入空間句法后有何改進(jìn),以期為生態(tài)空間保護(hù)和EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別提供新的思路和方法。

1 研究區(qū)概況

蘇錫常地區(qū)地處119°08′—121°15′E,30°46′—32°04′N(xiāo)之間,位于長(zhǎng)江三角洲腹心地帶,是長(zhǎng)三角地區(qū)的一個(gè)重要組成部分。自21世紀(jì)以來(lái),蘇錫常地區(qū)經(jīng)濟(jì)和城市化快速發(fā)展與擴(kuò)張,引致區(qū)域EPA面積急劇下降,嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境、生物多樣性保護(hù)。如何協(xié)調(diào)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)空間保護(hù)的關(guān)系,已經(jīng)成為蘇錫常地區(qū)亟需解決的問(wèn)題之一。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究采用2015年蘇錫常土地利用數(shù)據(jù),并根據(jù)研究目標(biāo)和區(qū)域?qū)嶋H情況將地類(lèi)劃分為水田、旱地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、交通用地、灘涂沼澤、湖泊水庫(kù)、河流、溝渠/運(yùn)河和其他未利用地等13種類(lèi)型。

2.2 研究方法

2.2.1基于MSPA的EPA識(shí)別

形態(tài)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)能夠識(shí)別目標(biāo)像元集與結(jié)構(gòu)要素之間的空間拓?fù)潢P(guān)系,并將目標(biāo)像元集分為核心、斑塊、孔隙、邊緣、橋接、環(huán)道和支線 7 種類(lèi)型[31],被廣泛用于EPA的識(shí)別及EPA網(wǎng)絡(luò)研究當(dāng)中[14,31- 32]。本研究在進(jìn)行MSPA分析時(shí),將喬木林地、灌木林地歸并為林地,將灘涂沼澤、湖泊水庫(kù)、河流、溝渠/運(yùn)河歸并為水域,兩者均作為前景地類(lèi),其他地類(lèi)設(shè)置為背景地類(lèi),利用Guidos Toolbox軟件平臺(tái)對(duì)蘇錫常地區(qū)進(jìn)行分析,識(shí)別出其核心區(qū),并據(jù)此明確重要EPA的空間分布。

2.2.2基于景觀連接度的EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別

在MSPA識(shí)別出的7種景觀類(lèi)型中,核心區(qū)作為最重要的組成部分,可作為多種生態(tài)過(guò)程的“源”,對(duì)生物多樣性保護(hù)具有重要意義。因此本研究選擇核心區(qū)采用基于景觀連接度方法進(jìn)行優(yōu)先級(jí)識(shí)別。由于核心區(qū)中存在如太湖、滆湖、陽(yáng)澄湖、長(zhǎng)江支流等面積較大的水域,對(duì)連接度方法的優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響,為了降低這種影響,我們將水域和林地分別進(jìn)行優(yōu)先級(jí)識(shí)別。

景觀連接度是EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別的重要方法之一,包含了結(jié)構(gòu)連接度和功能連接度[33- 35]。本研究采用景觀功能連接度中的整體連通性指數(shù)(Integral Index of Connectivity,IIC)、可能連通性指數(shù)(Probability of Connectivity,PC)和相對(duì)重要性指數(shù)dI來(lái)綜合評(píng)判EPA優(yōu)先級(jí)。白鷺作為蘇錫常地區(qū)的優(yōu)勢(shì)物種,已被列入《瀕危野生動(dòng)植物種國(guó)際貿(mào)易公約》[36],因此在指數(shù)計(jì)算時(shí),以白鷺為參考,將斑塊連通的距離閾值設(shè)定為白鷺的最大遷移距離10 km,連通的概率設(shè)定為0.5,通過(guò)Conerfor Sensinode 2.2計(jì)算指數(shù),根據(jù)dIIC和dPC指數(shù)歸一化結(jié)果,劃定EPA優(yōu)先級(jí)。歸一化方法如下：

dI=0.5×dIIC+0.5×dPC

2.2.3EPA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

對(duì)EPA進(jìn)行單獨(dú)保護(hù)容易造成“孤島化保護(hù)”的現(xiàn)象,不利于物種長(zhǎng)期生存[37- 38]。因此本研究通過(guò)構(gòu)建EPA網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別的有效性。此外,由于傳統(tǒng)EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果中優(yōu)先級(jí)排序前十的EPA被認(rèn)為對(duì)生態(tài)保護(hù)具有重要作用,考慮到研究區(qū)域面積較大,本研究分別將連接度方法識(shí)別結(jié)果中排序前二十的林地和水域EPA作為網(wǎng)絡(luò)“源地”。同時(shí),以白鷺在景觀之間的遷移阻力為參考[39],通過(guò)最小成本路徑法分別構(gòu)建林地和水域網(wǎng)絡(luò),并將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行疊加,剔除冗余廊道,構(gòu)建區(qū)域EPA網(wǎng)絡(luò)。

2.2.4基于空間句法的EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別

軸線圖構(gòu)建是空間句法研究的基礎(chǔ)。在構(gòu)建軸線圖時(shí),我們以廊道的拐點(diǎn)作為斷點(diǎn),將一條廊道切分成多條廊道,并假設(shè)劃分后的廊道是一條直線,將這些直線作為軸線,構(gòu)成軸線圖。此外,我們將兩條軸線的交點(diǎn)處的EPA作為踏腳石,并對(duì)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行識(shí)別。

在指數(shù)選擇時(shí),引入空間句法中的整體集合度(Global integration)、連接值(Connect)、選擇度(Choice)、以及可達(dá)性I(Accessibility,表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為目標(biāo)和通過(guò)路徑的綜合潛力,是對(duì)整體集合度和選擇度的歸一化)指數(shù),其中,可達(dá)性I的計(jì)算公式如下：

式中,i表示軸線編號(hào)。其他指數(shù)含義及計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[40-41],具體計(jì)算通過(guò)Depthmap完成。

通過(guò)對(duì)上述指數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,制定標(biāo)準(zhǔn)(表1、表2)分別對(duì)“源地”EPA、踏腳石EPA和廊道EPA的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行識(shí)別。

表1 “源地”EPA、踏腳石EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

EPA：生態(tài)保護(hù)空間 Ecological protect area;I：可達(dá)性 Accessibility

表2 廊道EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 基于MSPA方法的EPA識(shí)別結(jié)果

由圖1、表3可見(jiàn),基于MSPA方法識(shí)別出的蘇錫常地區(qū)EPA總面積為579868.92 hm2,占蘇錫常地區(qū)總面積的32.94%,說(shuō)明蘇錫常地區(qū)生態(tài)基礎(chǔ)良好。其中,核心區(qū)面積為463673.13 hm2,分別占EPA總面積和研究區(qū)總面積的79.96%、26.34%,是EPA的主要類(lèi)型；橋接區(qū)和支線作為連接核心區(qū)的重要景觀,其面積分別為7629.50、21582.23 hm2,占EPA總面積的比例均低于3.8%,且在研究區(qū)總面積中的占比均不足1.3%,說(shuō)明生態(tài)核心區(qū)彼此之間較為獨(dú)立；邊緣區(qū)作為核心區(qū)與外圍非綠色景觀區(qū)域之間的過(guò)渡區(qū)域,其面積占EPA總面積和研究區(qū)總面積的比例分別為12.02%、3.69%,可減少外界環(huán)境及人為干擾帶來(lái)的沖擊；環(huán)島、孤島和孔隙則占EPA總面積的比例分別為0.28%、2%、0.69%,占研究區(qū)總面積的比例分別為0.09%、0.66%和0.23%。

圖1 基于MSPA的景觀類(lèi)型圖Fig.1 Landscape type that based on MSPAMSPA: 形態(tài)空間格局分析Morphological spatial pattern analysis

表3 基于MSPA的EPA面積及百分比

3.2 基于連接度的EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果

3.2.1“源地”EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別及分布

由圖2可以看出,在蘇錫常地區(qū)“源地”EPA中,林地主要分布在蘇錫常地區(qū)西南部,且分布較為密集；水域中包括太湖(編號(hào)21)、長(zhǎng)江(編號(hào)22)、滆湖(編號(hào)23)、陽(yáng)澄湖(編號(hào)24)、長(zhǎng)蕩湖(編號(hào)25)等大型湖泊,則分布較為均勻。在“源地”EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果中,林地(表4)和水域(表5)中都存在一個(gè)dI極高的EPA,林地中優(yōu)先級(jí)第一的是位于無(wú)錫地區(qū)最南部的大型自然文化遺產(chǎn)保護(hù)區(qū)(編號(hào)1),其dI值為81.80；水域中優(yōu)先級(jí)第一的是編號(hào)21的太湖,dI值為93.52；其次是長(zhǎng)江、滆湖、陽(yáng)澄湖、長(zhǎng)蕩湖等大型湖泊,說(shuō)明大型EPA對(duì)于蘇錫常地區(qū)生物多樣性保護(hù)具有重要意義。

圖2 林地和水域“源地”分布圖Fig.2 Distribution of woodland and waterbody

表4 林地優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果

3.2.2潛在EPA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

由圖3能夠看出,林地網(wǎng)絡(luò)主要作用于蘇錫常地區(qū)西南部,編號(hào)16的EPA位于區(qū)域最西部,與其他區(qū)域距離較遠(yuǎn),不利于西部區(qū)域生物的遷移和保護(hù)。水域網(wǎng)絡(luò)相較于林地網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜,分布也較為均勻,能夠較好的連通區(qū)域內(nèi)部的物種遷移和物質(zhì)能量的交流。將林地網(wǎng)絡(luò)和水域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行疊加去除冗余廊道,形成最終的蘇錫常區(qū)域EPA網(wǎng)絡(luò),并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)軸線圖。

3.3 基于連接度-空間句法EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果

在EPA軸線網(wǎng)絡(luò)中,同一軸線的整體集合度(圖4、圖5)和連接值(圖4、圖5)存在正相關(guān)關(guān)系,即整體集合度大的軸線連接值也大。選擇度與前兩者存在一定差異,部分軸線雖然集合度和連接值較高,但選擇度較低,說(shuō)明在生物遷移的過(guò)程中,相應(yīng)EPA雖然與其他EPA聯(lián)系程度較高[42],但是被選擇的次數(shù)較低,更不易被物種感知并選擇。如編號(hào)109的軸線,整體集合度為1.8,連接值為5,但選擇度僅為4。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性I發(fā)現(xiàn),I值較高的軸線大多集中在太湖(編號(hào)21)區(qū)域,以及無(wú)錫南部編號(hào)1和2的林地區(qū)域,說(shuō)明這3個(gè)區(qū)域在EPA網(wǎng)絡(luò)中的可達(dá)性最高,是EPA網(wǎng)絡(luò)的中心區(qū)域,具有較高的生態(tài)價(jià)值,對(duì)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)具有重要意義。而長(zhǎng)江(編號(hào)22)、常州西部編號(hào)為16的林地區(qū)域所連接的軸線其各個(gè)指數(shù)值都較低,說(shuō)明這兩個(gè)EPA的面積雖然較大,連接度優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果較高,但不易被物種感知,被選擇的次數(shù)較低,相較于其他EPA更不利于物種遷移。

表5 水域優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果

圖3 潛在EPA網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Potential network in Su-Xi-Chang region

圖4 基于空間句法的軸線優(yōu)先級(jí)指數(shù)空間分布圖Fig.4 Axial map and priority indices based on space syntax

圖5 基于空間句法的軸線優(yōu)先級(jí)指數(shù)值分布圖Fig.5 Value of each axial based on space syntax

3.4 EPA識(shí)別結(jié)果分析

由圖6和表6可以看出,EPA網(wǎng)絡(luò)中一級(jí)EPA和四級(jí)EPA主要分布在蘇錫常地區(qū)南部和西部,數(shù)量分別排第二和第一；二級(jí)EPA主要分布在蘇錫常地區(qū)中部,距離建設(shè)用地較近；三級(jí)EPA數(shù)量最少,主要分布在蘇錫常地區(qū)東部的蘇州；四級(jí)EPA的數(shù)量最多。

圖6 EPA網(wǎng)絡(luò)要素優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果Fig.6 Priority evaluate result of EPA network elements

綜合連接度和空間句法兩種方法的EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果(表6)可知,蘇錫常地區(qū)一級(jí)EPA全部由“源地”組成,其數(shù)量最少,但面積最大,占整個(gè)地區(qū)EPA面積的73.10%,是EPA網(wǎng)絡(luò)最主要的組成部分；二級(jí)EPA和三級(jí)EPA在整個(gè)EPA網(wǎng)絡(luò)中面積占比較低,但優(yōu)先級(jí)卻較高；而四級(jí)EPA雖然面積占比高,優(yōu)先級(jí)卻較低。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),編號(hào)4,5,7,8,9,22,28,29的EPA在連接度優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果中排序較高,但結(jié)合空間句法后優(yōu)先級(jí)降為四級(jí),編號(hào)10,30,38的EPA通過(guò)在連接度優(yōu)先級(jí)識(shí)別結(jié)果中排序較低,但結(jié)合空間句法后優(yōu)先級(jí)升為二級(jí),而編號(hào)37的EPA優(yōu)先級(jí)升為為三級(jí)。說(shuō)明相較于景觀連接度對(duì)EPA等權(quán)重的計(jì)算原則,空間句法能夠體現(xiàn)EPA對(duì)物種決策的非等權(quán)重影響[28],進(jìn)而導(dǎo)致識(shí)別結(jié)果的差異,是對(duì)景觀連接度研究方法的有效補(bǔ)充。

4 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)MSPA方法對(duì)蘇錫常地區(qū)EPA進(jìn)行初步識(shí)別,在采用傳統(tǒng)的連接度方法對(duì)EPA優(yōu)先級(jí)進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上,引入拓?fù)鋵W(xué)中的空間句法,通過(guò)量化物種與EPA配置之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)EPA非等權(quán)重原則下的優(yōu)先級(jí)識(shí)別。結(jié)果表明：1)蘇錫常地區(qū)EPA主要由面積較大的斑塊組成,其中太湖和編號(hào)為1、2的EPA可達(dá)性較高,是研究區(qū)域生態(tài)保護(hù)空間網(wǎng)絡(luò)的中心,需要重點(diǎn)加以保護(hù)；2)引入空間句法的優(yōu)先級(jí)識(shí)別與基于景觀連接度的優(yōu)先級(jí)識(shí)別的結(jié)果存在明顯差異,在引入空間句法后優(yōu)先級(jí)降低1—2個(gè)等級(jí)；后者優(yōu)先級(jí)較低的4個(gè)EPA的優(yōu)先級(jí)則上升了2個(gè)等級(jí)。這是因?yàn)檫B接度理論是基于景觀對(duì)物種決策行為影響的等權(quán)重原則進(jìn)行識(shí)別,但在實(shí)際的物種遷移過(guò)程中,景觀對(duì)物種感知和移動(dòng)行為在不同距離和方向上的影響是非等權(quán)重的[28],而空間句法則彌補(bǔ)了這一不足。同時(shí),3)本研究通過(guò)在軸線的相交處設(shè)立踏腳石,并對(duì)踏腳石EPA的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行識(shí)別,能夠完善EPA網(wǎng)絡(luò)整體連接度,增強(qiáng)物種在廊道中遷移時(shí)對(duì)EPA要素的感知,為EPA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和保護(hù)提供有效參考。綜上所述,通過(guò)結(jié)合連接度和空間句法識(shí)別出的EPA優(yōu)先級(jí)相較于單一的連接度方法更為科學(xué)準(zhǔn)確,提升了其現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)價(jià)值。

空間句法為EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別方法提供了有益的補(bǔ)充,但其研究結(jié)果受到軸線圖構(gòu)建結(jié)果的影響較大,且在相關(guān)研究中多以“最長(zhǎng)最少”的原則進(jìn)行軸線圖構(gòu)建,主觀性較強(qiáng),如何構(gòu)建客觀準(zhǔn)確且具有明確生態(tài)學(xué)含義的軸線圖等研究還有待深化。此外,在計(jì)算句法指數(shù)過(guò)程中,拓?fù)洳綌?shù)的選擇也會(huì)對(duì)各個(gè)指數(shù)的值也會(huì)產(chǎn)生影響,相關(guān)研究中多將人類(lèi)的空間感知拓?fù)洳綌?shù)設(shè)置為3,即人類(lèi)最多能夠感知到3條街道以內(nèi)的空間,或默認(rèn)拓?fù)洳綌?shù)為n,即人類(lèi)能夠感知空間內(nèi)的所有街道,而如何準(zhǔn)確的設(shè)置物種的空間感知拓?fù)洳綌?shù)也有待探索。

表6 EPA面積屬性表

空間句法自被提出以來(lái)已被廣泛用于城市、村落空間配置分析,城市軌道交通、人文景觀設(shè)計(jì)和優(yōu)化、以及廣場(chǎng)空間改造和室內(nèi)空間設(shè)計(jì)等諸多方面,其核心思想是通過(guò)軸線模型量化研究人類(lèi)活動(dòng)與環(huán)境要素配置的關(guān)系[27]。在假設(shè)其同樣適用于研究“景觀-物種”關(guān)系的前提下,部分專家和學(xué)者探索如何將其用于量化研究景觀要素配置與物種遷移行為之間的關(guān)系,并據(jù)此對(duì)生物多樣性和EPA進(jìn)行保護(hù)[28-30]。這在一定程度上表明,空間句法有助于深化對(duì)景觀連接度、“格局-過(guò)程關(guān)系”等景觀生態(tài)學(xué)理論方法的理解和認(rèn)識(shí)。將其應(yīng)用到區(qū)域EPA優(yōu)先級(jí)識(shí)別實(shí)踐中,將有利于提高生態(tài)保護(hù)效率,對(duì)生物多樣性保護(hù)和地區(qū)生態(tài)安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。