基于MSPA與MCR模型的生態(tài)網(wǎng)絡構建方法研究
——以南充市為例

劉一丁,何政偉,陳俊華,謝 川,謝天資,慕長龍*

(1.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610051;2.四川省林業(yè)科學研究院/森林與濕地生態(tài)恢復與保育四川重點實驗室,四川 成都 610081 )

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為南充市整個市域。南充市位于四川盆地東北部、嘉陵江中游，地理范圍介于東經(jīng)105°27′～106°58′、北緯 30°35′～31°51′，幅員面積12 477 km2；東邊為達州市，西邊為綿陽市和遂寧市，北接廣元市和巴中市，南連廣安市，是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈和成渝城市群的北部中心城市。研究區(qū)地貌類型以丘陵為主，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，受四川盆地地形影響，氣候溫和、四季分明、冬暖春早，平均氣溫17.5 ℃。年均降水量為1012 mm，月季降水量分布不均[9]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次研究采用的主要數(shù)據(jù)有：①2019年8月Sentinel-2B遙感數(shù)據(jù)(分辨率10 m，https://scihub.copernicus.eu/)；②2019年8月夜間燈光數(shù)據(jù)(https://www.ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_ut_mos.html)；③南充市自然保護地摸底調(diào)查情況、南充市2019年林地更新數(shù)據(jù)(四川省林業(yè)和草原局森林資源監(jiān)測中心，內(nèi)部資料)。

1.3 研究方法

1.3.1 基于MSPA的景觀格局提取 形態(tài)學空間格局分析(MPSA)是由Vogt等[10]基于開運算、閉運算等一系列數(shù)學形態(tài)學原理對柵格圖像的空間格局進行識別、分割的一種具有結(jié)構靈活性傾向的圖像分析方法，目前較多地運用于構建生態(tài)網(wǎng)絡中的生態(tài)源地選擇[11-13]。

為了確保景觀分類的精度要求，使用通過Sentinel-2B遙感影像解譯得到分辨率為10 m的研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖為基礎數(shù)據(jù)。MSPA分析需要前景和背景2種類型的二值柵格圖像，將10 m×10 m的研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖在ArcGIS 10.5中林地、水域、草地自然生態(tài)要素作為前景，賦值為2，耕地、建設用地等其他用地類型作為背景，賦值為1，缺失值為0。運用GuidosToolbox軟件，將賦值后的二值柵格文件運用八領域方法進行MSPA分析，提取出7種景觀[13](表1)：核心區(qū)(core)，橋接區(qū)(bridge)，環(huán)道區(qū)(loop)，支線(branch)，邊緣區(qū)(edge)，孔隙(perforation)和島狀斑塊(islet)，并對7種景觀分類結(jié)果進行統(tǒng)計。將提取出的核心區(qū)進行連通性分析，為篩選生態(tài)源地做準備。

表1 MSPA的景觀類型及生態(tài)學含義

1.3.2 景觀連通性評價和生態(tài)源地的提取 景觀連接度大小是生態(tài)源地之間物種遷移能力的一個量化指標，也是決定生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的穩(wěn)定影響因素之一[14]。目前評價景觀連通性的指數(shù)有整體連通性指數(shù)IIC(IntegralIndex of Connectivity)、可能連通性指數(shù)PC(Probability ofConnectivity)、景觀格局分析指數(shù)中的連通性指數(shù)CI(Connectance Index)、基于最小成本距離模型的生態(tài)連通性指數(shù)ECI( Ecological ConnectivityIndex)。本文采用整體連通性指數(shù)(IIC，公式1)、可能連通性指數(shù)(PC，公式2)以及斑塊重要性(dI，公式3)[15-17]，這3種景觀連接度指數(shù)基于圖論和景觀關聯(lián)度理論來衡量景觀格局的重要指標。

(1)整體連通性指數(shù)(IIC)、可能連通性指數(shù)(PC)：

（三）重師權，輕民主。在實驗操作的過程中，會出現(xiàn)很多的實驗數(shù)據(jù)記錄和處理，這些數(shù)據(jù)直接決定了實驗的結(jié)論，教師進行實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)教師霸權主義，教師缺乏科學的精神。

(1)

(2)

(2)斑塊的重要值(dI):

(3)

其中，為本文的整體連通性指數(shù)(IIC)，Ir是去除某個斑塊或廊道后的整體連通性指數(shù)。

面積大的生態(tài)源地即核心區(qū)具有較好的生境質(zhì)量，使生物在遷徙交流過程中盡量減少所受的外界阻力，同時核心區(qū)的高連通性也能夠增加生物擴散的存活率[18]。因此提取出面積大于5 km2的核心區(qū)，使用景觀連通性分析軟件ConeforSensinode 2.6和其在ArcGIS 10.5上的插件Conefor inputs，設置連通概率為0.5，取25 000 m距離閾值計算分析每個核心區(qū)斑塊的dIIC和dPC。根據(jù)每個斑塊的面積、dIIC和dPC進行重新排序，在ArcGIS上采用Jenks自然間斷點分級法將核心區(qū)斑塊劃分為重要、一般兩個等級，分別作為重要生態(tài)源地、一般生態(tài)源地。

1.3.3 生態(tài)阻力面的構建 不同景觀類型影響著生物遷徙交流的能力，有些是阻擋作用，有些是促進作用，同時還會受到人類活動等因素的阻擾。本文在參考已有研究[3，19]的不同土地類型下的基礎阻力值(表2)，通過夜間燈光數(shù)據(jù)對阻力值進行修正(公式4)。夜間燈光數(shù)據(jù)能夠有效反應人類活動、能源消耗情況等因素，最終修正后的生態(tài)阻力面具有一定的客觀性[20]。

(4)

其中，R′為斑塊i修正后的阻力值，TLIi是a土地利用類型中斑塊i的夜間燈光值，TLIa為a土地利用類型在整個研究區(qū)中夜間燈光平均值，Ri為斑塊i的基礎阻力值。

1.3.4 基于MCR的潛在生態(tài)廊道構建 最小累計阻力模型(MCR)是在GIS的基礎上，以生態(tài)源地作為出發(fā)點，通過建立阻力面計算生態(tài)源地之間通過阻力值不同的景觀所克服阻力所作的功[21-22]，最終得到生物遷徙交流避免外界干擾的最佳路徑。目前已有研究[23-24]可見，基于ArcGIS開發(fā)的Linkage Mapper插件能夠模擬提取出生態(tài)源地間生態(tài)廊道。在生態(tài)源地確定和生態(tài)阻力面構建的基礎上，通過Linkage Mapper 1.1.0插件計算出生態(tài)廊道并進行統(tǒng)計。最小累積阻力模型的基本公式如下：

表2 各景觀類型的基礎阻力值

(5)

F為空間中任一點的最小阻力與其到其他所有點的距離和景觀基面特征的正相關函數(shù)。Dij是物種從點j到某一點經(jīng)過景觀基面的i空間距離；Ri是景觀i的阻力值。

1.3.5 基于重力模型的重要生態(tài)廊道提取 生態(tài)源地之間的相互關系能夠用生態(tài)廊道的可達性和有效性反應，兩生態(tài)源地相互作用越強，則之間的生態(tài)廊道越重要?；谥亓δＰ?Gravity Model)生成生態(tài)源地之間的相互作用矩陣，從中分析出各生態(tài)源地之間的作用關系，并將相互作用強度劃分等級，大于100閾值的提取作為相對重要的生態(tài)廊道[3]，剔除其他冗余的廊道，得到最終的重要生態(tài)廊道。重力模型公式如下：

(6)

式中，Gab為斑塊a、b之間的相互作用力，Sa和Sb為斑塊a、b的面積，Pa和Pb為斑塊a、b的平均阻力值，Lmax為斑塊a、b之間廊道累積阻力值，Lab為所有廊道累積阻力的最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)源地識別分析

2.1.1 基于 MSPA 的景觀格局分析 Sentinel-2B遙感數(shù)據(jù)基于易康(eCognition)面向?qū)ο竽Ｊ浇庾g以及野外實地調(diào)查，對解譯結(jié)果進行反復修正，解譯整體精度為95.40 %，Kappa系數(shù)為0.86，最終得到研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖(圖1)。

經(jīng)過MSPA進行景觀空間格局分析(圖2、表3)，核心區(qū)的面積約為4148.51 km2，占研究區(qū)面積的33.23 %。整體上看，以嘉陵江水域作為核心區(qū)的紐帶分布于兩側(cè)，呈破碎狀，連通性較差，主要聚集在研究區(qū)的東北，東南部分核心區(qū)呈帶狀分布有一定的連通。橋接區(qū)面積約為126.26 km2，占研究區(qū)面積的1.01 %，橋接區(qū)對生物的遷徙交流有連通結(jié)構作用，因核心區(qū)較為破碎，所以從圖1可見橋接區(qū)分部零散，說明斑塊之間連通性差。邊緣區(qū)作為生態(tài)景觀的邊緣，面積約為1096.53 km2，占研究區(qū)面積的8.78 %；孔隙面積約為77.00 km2，占研究區(qū)面積的0.62 %，邊緣區(qū)和孔隙的面積較大，表明核心區(qū)穩(wěn)定性較高，抗擊外界因素干擾能力較強。環(huán)道區(qū)為生物在景觀斑塊內(nèi)流動的區(qū)域，面積約為21.92 km2，占研究區(qū)面積的0.18 %;支線面積約為142.27 km2，占研究區(qū)面積的1.14 %；島狀斑塊作為孤立的生態(tài)景觀斑塊，面積小、破碎分布，能作為生態(tài)網(wǎng)絡中的踏腳石，面積約為19.47 km2，占研究區(qū)面積的0.16 %。研究區(qū)南北由嘉臨江水域作為

表3 景觀類型分類統(tǒng)計

大型條帶狀核心區(qū)，同時也具有較高的連通性，作為生態(tài)廊道連接南北生態(tài)源地，也能作為東西向生物遷徙交流的暫時棲息地。

2.1.2 重要生態(tài)源地提取分析 由Conefor 2.6計算分析出的景觀連通性和根據(jù)每個斑塊的dIIC和dPC篩選以及面積大小篩選出重要核心區(qū)有16個(表4、圖3)，占核心區(qū)面積的25.57 %。生態(tài)源斑塊分布較均勻，整體上16個重要生態(tài)源地將研究區(qū)大型的森林濕地以及自然保護地均包括了進去，1號生態(tài)源地包含四川構溪河國家濕地公園，2號包含四川閬中國家森林公園和蓬安相如湖國家濕地公園，4號有升鐘湖國家濕地自然公園，四川太和濕地自然公園位于9號生態(tài)源地，10號同時包含太蓬山國家森林自然公園和蓬安國家森林自然公園，12號有凌云山國家森林自然公園，朱德故里-琳瑯山風景自然公園位于16號源地。研究區(qū)中部偏東空白較多，缺少面積較大的生態(tài)源斑塊分布，破碎且連通性較差，生物遷徙流動容易受到阻礙干擾，需要增加或擴大生態(tài)源的建設，也可以利用破碎的生態(tài)源斑塊作為生物流動擴散的踏腳石；2號生態(tài)源地為嘉陵江，貫穿整個南北方向，斑塊連通度最高，能連通南北生態(tài)源地，同時也能作為生物遷徙交流在東西向的踏板，是最重要的生態(tài)源地；研究區(qū)東北部、西北部以及西部有成片、連接度好的生態(tài)源地，說明這3個區(qū)域生境質(zhì)量高，適宜生物遷移生存。

表4 16個核心區(qū)斑塊的連通性指數(shù)

表5 生態(tài)源地間的相互作用矩陣

2.2 生態(tài)網(wǎng)絡構建分析

2.2.1 基于MCR的潛在生態(tài)廊道提取分析 如圖4所示，阻力值為4.82～998.65。由于土地類型以耕地為主，研究區(qū)的阻力值分布均勻，阻力值整體不大；高阻力值的部分主要集中在各區(qū)縣建城范圍內(nèi)，研究區(qū)南部(順慶區(qū)建城區(qū))高阻力值最為集中?；贚inkage Mapper工具模擬提取出120條潛在生態(tài)廊道。

2.2.2 重要生態(tài)廊道識別分析 基于重力模型對潛在生態(tài)廊道進一步分類，提取出相互作用強度大于100的作為重要廊道，得到重要廊道12條，一般廊道108條。源地1和源地2之間的相互作用強度最強(表5、圖5)，且兩地距離近，之間的景觀阻力小，生境質(zhì)量較高，物種在這兩源地間的遷徙交流可能性較大，源地1、2間生態(tài)廊道需要著重維護管理；源地8與源地14之間相互作用最小，由圖5可見，兩生態(tài)源地分別位于研究區(qū)的東西兩側(cè)，相距較遠，景觀阻力值較大，兩地生物交流遷徙較為困難。整體上可看出，重要廊道大部分均與源地2連接，源地2嘉陵江作為研究區(qū)重要的生態(tài)源地之一，對魚類以及浮游生物遷徙交流有著重要作用，同時江邊生態(tài)環(huán)境也能為陸生生物提供良好的遷徙環(huán)境，在生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃建設中應該重點對嘉陵江以及周邊環(huán)境進行保護，使其在整個生態(tài)網(wǎng)絡中既能提高南北兩地生態(tài)源地間的連通度，又能為生物東西向遷移提供臨時棲息環(huán)境，達到增強整個生態(tài)網(wǎng)絡穩(wěn)定性的目的。而在研究區(qū)的中部和南部缺少生態(tài)廊道，因此后期生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃中，基于重要廊道在研究區(qū)中

部和南部規(guī)劃新增生態(tài)源地和生態(tài)廊道，從而進一步完善生態(tài)網(wǎng)絡。

2.3 南充市生態(tài)網(wǎng)絡的優(yōu)化

2.3.1 生態(tài)源地的維護和新增 研究區(qū)的中部和南部缺少連通，因此在原有的生態(tài)源地基礎上，結(jié)合整個研究區(qū)重要生態(tài)源地的分布情況，將其中連通性較大的3個核心區(qū)作為新增重要生態(tài)源地(圖6)，對這3個斑塊進行生態(tài)環(huán)境建設保護提升生境質(zhì)量。同時，重要生態(tài)源地作為物種棲息地，是生態(tài)網(wǎng)絡中的重要節(jié)點。研究區(qū)中嘉陵江作為重要生態(tài)源地之一貫通南北，也是天然的生態(tài)廊道，應該著重維護，加強河道的保護和周圍綠道的建設，從而增強整個生態(tài)網(wǎng)絡的完整性和連通性。研究區(qū)東部、北部、西南部重要生態(tài)源地面積大、連通性好，同時包含許多大型森林濕地、重點國家保護區(qū)等，應該在維護的基礎上加強與周邊小型森林濕地斑塊進行連接，從而擴大生態(tài)源地面積，促進周圍生物的相互交流。但是南充市西南部缺少大型的生態(tài)源地，從土地利用現(xiàn)狀圖(圖1)可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域絕大部分為耕地，后期生態(tài)建設需要加強對林地、水域等自然生態(tài)要素的修護、提升生境質(zhì)量，穩(wěn)定整個研究區(qū)生態(tài)環(huán)境。

2.3.2 踏腳石的建設 踏腳石在生態(tài)網(wǎng)絡中有著重要作用。距離較長的生態(tài)廊道的踏腳石是生物的短暫休息地，增加踏腳石數(shù)量既能提高生物遷徙交流過程中的存活率，又能增強生態(tài)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性[25-26]。一般生態(tài)廊道的交叉點和阻力值相對較小的地方是踏腳石首選點，同時橋接區(qū)是核心區(qū)的重要銜接點，也是踏腳石選擇之一，對于整個生態(tài)網(wǎng)絡的連通性和生物遷徙交流有著重要意義。根據(jù)研

究區(qū)生態(tài)源地和生態(tài)廊道的分布情況以及實際生態(tài)環(huán)境，選取25個踏腳石(圖7)。其中位于土地類型為林地的踏腳石有15個，大部分零散分布于研究區(qū)，可通過中幼林撫育和低產(chǎn)林改造等措施提升踏腳石處的森林質(zhì)量；水域上有2個踏腳石，可選擇合適植物根據(jù)水域周邊立地條件和生態(tài)功能提升水域生境質(zhì)量，為生物提供暫時的棲息地；位于耕地和其他土地類型上有8個踏腳石，需加強限制人類活動，完善綠色設施。

2.3.3 生態(tài)斷裂點的修復 生態(tài)網(wǎng)絡中交通建設用地的影響不能忽視，交通建設用地會阻礙生物遷徙交流的過程，與生態(tài)廊道的相交處容易產(chǎn)生網(wǎng)絡斷裂，形成生態(tài)斷裂點[27-28]。本文結(jié)合研究區(qū)交通路網(wǎng)，提取生態(tài)斷裂點59個(圖8)。整體上生態(tài)斷裂點集中分布于研究區(qū)中部和北部，在鐵路上的生態(tài)斷裂點有9個；位于高速公路上的生態(tài)斷裂點有20個，其中在蘭海高速上分布最多，共7個；其余的生態(tài)斷裂點分布在國道和省道上，位于儀隴縣境內(nèi)的G245連續(xù)有5個生態(tài)斷裂點分布，閬中市境內(nèi)有6個生態(tài)斷裂點集中分布在G347、蘭渝鐵路和蘭海高速上。在后期規(guī)劃中通過在斷裂點處預留充足的生態(tài)環(huán)境空間，提升綠地面積，減少人類活動干擾，建設生物通行的通道，如地下通道、隧道、天橋等，達到減少生物因交通車輛導致的死亡概率[29]。

3 討 論

(1)生態(tài)源地是指面積大、比較完整的斑塊。這些斑塊不僅能保護生物多樣性，還有利于物種的生存、繁衍、遷徙[18]。有關生態(tài)源地確定，目前研究的方法大致有兩種：一是直接選取自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等直接作為生態(tài)源地[9]，二是構建綜合指標體系評價識別生態(tài)源地[30-31]。前者具有較強的主觀性，并且忽略了相同地類的內(nèi)部差異，后者則由于區(qū)域面臨生態(tài)安全問題的具體差異導致研究方案所選取的指標大不相同[32]。本文使用的MSPA方法，目前被引入生態(tài)源地的識別中，僅利用土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像處理和形態(tài)學分析，提取在像素水平上對連接景觀方面發(fā)揮重要作用的生境斑塊[13]。MSPA處理后整體上核心區(qū)分部均勻，與南充市林地、水域等自然生態(tài)元素分布情況相符，且自然保護地也涵蓋在大型集中的生態(tài)斑塊里面，與常用的生態(tài)源地識別方法相比，MSPA更加具有客觀性和合理性。

(2)Conefor 2.6景觀連通性評價中，IIC和PC兩個指數(shù)會受到因連通距離閾值大小設置而變化。若兩生態(tài)源地間的距離大于設置的距離閾值，則表示兩地不連通[33-34]。此距離閾值反映生物擴散距離大小，而考慮到研究區(qū)為整個南充市市域，面積較大，以及生態(tài)網(wǎng)絡的合理性，本文設置距離閾值為25 000 m，連通率為0.5[35]。

(3)生態(tài)廊道是指不同于周圍景觀基質(zhì)的線狀或帶狀景觀要素[36]。它具有保護生物多樣性、防止水土流失、過濾污染物、調(diào)控洪水等生態(tài)服務功能。關于生態(tài)廊道的提取，目前采用的方法有：綜合評價指標體系[37]、重力模型[38]、最小累積阻力模型[22]、最小路徑方法[13]。本文采用的是最小累積阻力模型，相比其他模型能更好地反映景觀格局和生態(tài)過程的相互作用關系。最小累積阻力模型的重點在于生態(tài)阻力面的建立，目前大多數(shù)研究都利用土地利用類型，根據(jù)專家打分的方法賦予景觀基礎阻力值。孔繁花等[3,18]對不同景觀類型設置阻力值為水體10000、城市建成區(qū)50000，道路則根據(jù)寬度和交通流量設置為1000～5000；許文雯等[19]著重于綠地系統(tǒng)的類型不同構建生態(tài)阻力面，風景園林0.3、公園綠地7、防護綠地8、道路綠地20、交通用地300、水域500、建設用地1000。劉珍環(huán)等[39]和Liqing Zhang等[40]分別利用不透水表面指數(shù)和夜間燈光數(shù)據(jù)對生態(tài)阻力面修正，能夠在一定程度上解決土地類型劃分精度不同，以及目前研究中心對生態(tài)阻力面沒有統(tǒng)一的阻力賦值標準的問題。本文參考相關研究，對不同土地利用類型設置基礎阻力值：林地1、草地和園地50、水域500、耕地100、住宅用地和交通用地600、其他土地類型為1000，并結(jié)合夜間燈光數(shù)據(jù)能夠反映同一用地類型內(nèi)人類影響水平的特點修正景觀基礎阻力值，處理后阻力值范圍為4.82～998.65，整體上阻力值分布均勻，高阻力值的部分主要集中在各區(qū)縣建城范圍內(nèi)，研究區(qū)南部(順慶區(qū)建城區(qū))高阻力值最為集中，符合南充市主要以耕地為主的地類利用現(xiàn)狀特征，一定程度上提升也了生態(tài)廊道提取的客觀性與合理性。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合MSPA方法與MCR構建南充市生態(tài)網(wǎng)絡，并通過對重要生態(tài)源地和重要廊道的提取、增加生態(tài)源地、建立踏腳石、修復生態(tài)斷裂點對南充市整個生態(tài)網(wǎng)絡進行優(yōu)化，增強景觀連通性，促進生物遷徙交流，提高整個生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：南充市整體以嘉陵江生態(tài)源地南北貫通，東西連接其他生態(tài)源地，景觀連通度較高部分主要集中在北部、東部和西南部。由MSPA模型識別出南充市景觀空間格局核心區(qū)的面積為4148.51 km2，占研究區(qū)面積的33.23 %，且較為破碎、連通性較差。接合景觀連通性指數(shù)dIIC、dPC和Id綜合篩選出16個重要生態(tài)源地，面積為1060.61 km2，集中分布于南充市東部、北部以及西南部，而中部和南部缺少大型生態(tài)源地；基于MCR模型和重力模型提取得到重要廊道12條，一般廊道108條。進一步優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡增強網(wǎng)絡穩(wěn)定性，在南充市中部以及南部新增3個重要生態(tài)源地加以保護，并對整個生態(tài)網(wǎng)絡設置25個踏腳石以及修護59個生態(tài)斷裂點。嘉陵江作為研究區(qū)重要的生態(tài)源地之一，為生物提供良好的遷徙環(huán)境，在生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃建設中應該重點對嘉陵江以及周邊環(huán)境進行保護，使其在整個生態(tài)網(wǎng)絡不僅發(fā)揮出連通南北生態(tài)源地的橋梁作用，而且為生物東西向遷移提供良好的暫棲地，增強整個生態(tài)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。后期生態(tài)建設需要在維護原有16個重要生態(tài)源地的基礎上，加強對新增3個生態(tài)源地和南充市東南部的林地、水域等自然生態(tài)要素的修護，提升生境質(zhì)量，穩(wěn)定整個研究區(qū)生態(tài)環(huán)境。研究結(jié)果能為南充市及類似區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡體系的建立提供客觀科學合理的參考，同時也為城市總體規(guī)劃，國家森林城市建設規(guī)劃等生態(tài)專項規(guī)劃提供指導。