基于形態(tài)學(xué)空間格局分析法和MCR模型的烏魯木齊市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

哈力木拉提·阿布來提， 阿里木江·卡斯木,2?， 祖拜旦·阿克木

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，830054，烏魯木齊；2.新疆師范大學(xué)絲綢之路經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心，830054，烏魯木齊)

烏魯木齊市作為新疆維吾爾自治區(qū)首府，具有重要的地理位置和戰(zhàn)略作用。隨著城市化進程加快，城市景觀格局的缺陷開始顯現(xiàn)，人地矛盾日益突出、生物多樣性減少、水土流失等問題逐漸引起了人們的注意[1]。城市發(fā)展不僅要重視發(fā)展過程中的經(jīng)濟效益，同時更要注重生態(tài)效益。構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是維護區(qū)域生態(tài)安全、增強景觀連通性的有效途徑，能夠使不同的區(qū)域形成完整、系統(tǒng)的生態(tài)空間格局，完善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要強調(diào)自然過程，對保護物種生存環(huán)境具有重要意義[2]。除此之外，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以降低區(qū)域潛藏的生態(tài)風(fēng)險，從景觀尺度分析生態(tài)安全狀態(tài)，包括土地利用概況、水源涵養(yǎng)以及水土流失等，通過景觀生態(tài)安全的時間演化，揭示生態(tài)安全變化過程，為城市生態(tài)環(huán)境的評估提供參考依據(jù)[3-4]。

形態(tài)學(xué)空間格局分析法(morphological spatial pattern analysis, MSPA)是近幾年在景觀格局變化分析方面被廣泛使用的一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理的圖像處理方法[5]。最小累計阻力模型(minimal cumulative resistance model, MCR)可以反映源地與目標之間的最小消耗通道，是物種擴散與遷移的最佳路徑路徑[6]。筆者通過MSPA法辨識對研究區(qū)內(nèi)重要意義的景觀要素，計算整體連通性(integral index of connectivity, IIC)、可能連通性(probability of connectivity, PC)和斑塊重要性(patch crucial, dPC)等景觀指數(shù)識別源地，通過MCR模型識別出研究區(qū)生態(tài)廊道，最后根據(jù)源地之間的相互作用強度及重力模型識別出一般廊道與重要廊道，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[7]，為烏魯木齊市土地利用提供規(guī)劃策略，對協(xié)調(diào)城市發(fā)展與環(huán)境保護之間的關(guān)系具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市(E 86°37′33″～88°58′24″、N 42°45′32″～44°08′00″)位于亞歐大陸中心，天山山脈中段北麓，準格爾盆地南緣，北部、西部分別與福海縣、昌吉市接壤，東北以吐魯番市高昌區(qū)為界，南臨托克遜縣與和靜縣。全市轄7區(qū)1縣(天山區(qū)，沙依巴克區(qū)，新市區(qū)，水磨溝區(qū)，頭屯河區(qū)，達坂城區(qū)，米東區(qū)和烏魯木齊縣)，總面積1萬4 216.3 km2。烏魯木齊市東南西3面依山，北部是平坦的沖積平原，總體地勢呈現(xiàn)東南部較高，西北部平緩，海拔最高處博格達雪峰達到5 445 m，城區(qū)平均海拔高度在800 m左右。市區(qū)內(nèi)主要分布著烏魯木齊河、白楊河及頭屯河，在達坂城區(qū)有柴窩堡湖。烏魯木齊市氣候?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂?，晝夜溫差大。市區(qū)年平均氣溫8.1 ℃，年平均降水量僅236 mm，但年蒸發(fā)量2 300 mm。烏魯木齊的年平均風(fēng)速為2.5 m/s，以東南風(fēng)為主要風(fēng)向。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)主要有2017年烏魯木齊市土地利用數(shù)據(jù)(來源于http:∥data.ess.tsinghua.edu.cn/fromglc2017v1.html)、烏魯木齊市高程數(shù)據(jù)(來源于地理空間數(shù)據(jù)云)以及烏魯木齊市2017年歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)主要是烏魯木齊市行政邊界數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理：按照本研究目的，將烏魯木齊市土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6個類別，得到柵格格式土地利用類型示意圖(圖1)。

圖1 研究區(qū)土地利用類型Fig.1 Land use types in the study area

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA法的景觀格局分析 景觀格局通常是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，具體是指由自然或人為形成的、一系列大小、形狀各異景觀鑲嵌體在景觀空間的排列，它既是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，同時也是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果，是該地區(qū)自然、生態(tài)環(huán)境整體景觀組成成分的體現(xiàn)。MSPA法是Vogt等[8]基于腐蝕、膨脹、開運算和閉運算等形態(tài)學(xué)原理對柵格影像的空間進行識別、度量和分析的一種圖像處理方法，可以從像元層面識別重要的生態(tài)用地斑塊，準確地識別出研究區(qū)內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)與類型，避免了直接將面積較大或生態(tài)服務(wù)價值較高的自然保護區(qū)和森林公園作為生態(tài)源地所帶來的主觀性[9-11]。按照MSPA法對數(shù)據(jù)類型的要求，將研究區(qū)6類土地利用類型中的林地、草地和水域提取出來作為前景數(shù)據(jù)，其余類型設(shè)定為背景數(shù)據(jù)，基于Guidos Tool Box2.6軟件，邊緣寬度被設(shè)置為默認值30 m，采用八鄰域分析法對數(shù)據(jù)進行MSPA分析，識別出核心區(qū)、島狀斑塊、孔隙、邊緣區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)島區(qū)和支線等7種不重疊的類型，每個類型都有特定的生態(tài)學(xué)意義(表1)，最后提取核心區(qū)計算景觀連通性[12-14]。

表1 MSPA景觀類型及定義Tab.1 MSPA landscape types and definitions

2.2.2 研究區(qū)景觀連通性 MSPA景觀類型中的核心區(qū)作為研究區(qū)內(nèi)的大型自然生境，對維持景觀生態(tài)功能具有至關(guān)重要的意義。生境斑塊面積和連接度是維護景觀生態(tài)功能的重要指標，對生態(tài)系統(tǒng)的平衡起決定性作用，景觀連通性可以由很多指數(shù)進行測定,常用的景觀連接度指數(shù)主要是IIC、PC及dPC等指數(shù)，IIC表示的是研究區(qū)內(nèi)所有斑塊的整體連通性數(shù)值，數(shù)值越高表明連通性越好；PC數(shù)值常作為在全局視角下研究區(qū)內(nèi)各個斑塊之間的連通程度；dPC表示生態(tài)斑塊的重要程度，可以較好地反映核心斑塊之間的作用強度，dPC指數(shù)越高，意味著斑塊重要性高[15-16]。

2.2.3 生態(tài)源地的選取與廊道 廊道是區(qū)域內(nèi)物質(zhì)能量流動的載體，是保持生態(tài)穩(wěn)定性、生態(tài)過程、生態(tài)功能在區(qū)域內(nèi)連通的關(guān)鍵要素[14,17]。根據(jù)研究區(qū)當?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)景觀特征，通過Conefor件計算IIC、PC和dPC值等3個指標對核心區(qū)進行分析，從生態(tài)用地斑塊中選取dPC值最高的10個斑塊作為生態(tài)源地(表2)。提取生態(tài)源地之后，利用ArcGIS10.6軟件平臺Distance中的Cost Distance模塊，根據(jù)生態(tài)源地和綜合阻力面計算源地之間的最小成本距離，再使用Distance中的成本距離工具計算從源地到目標斑塊的最小成本路徑，即生態(tài)廊道，通過定量分析各個斑塊之間的相互作用強度，將斑塊之間相互作用強度與研究區(qū)實際狀況結(jié)合，識別研究區(qū)內(nèi)一般廊道。將一般廊道與研究區(qū)景觀分布特征結(jié)合，根據(jù)源地之間相互作用強度，利用重力模型識別重要廊道[18-20]。

表2 生態(tài)用地景觀連通性指數(shù)重要程度排序Tab.2 Ranking the importance of ecological land landscape connectivity index

2.2.4 生態(tài)阻力面的構(gòu)建 物種從源地遷移到目的地需要經(jīng)過不同的景觀類型，而不同的景觀類型具有不同的阻力值，從一個生態(tài)源地遷移到另一個生態(tài)源地需要克服不一樣的阻力。阻力因子的確定是構(gòu)建阻力面模型的關(guān)鍵步驟[21]，采用土地利用類型、高程和NDVI作為阻力因子來創(chuàng)建阻力面(表3)。比如：土地利用類型中的林地，其阻力值會比建設(shè)用地小，而水域的阻力值會比建設(shè)用地大，因為大多數(shù)爬行物種在遷移過程中很難越過水體；另外還有高程的影響，海拔高的區(qū)域阻力值相應(yīng)的也高；而NDVI在一定程度上也會對物種遷移帶來影響，阻力值也隨著指數(shù)的增高而增加。本文結(jié)合研究區(qū)實際狀況，采用可選擇與可量化性原則，利用專家打分法確定阻力因子對應(yīng)的阻力值，阻力值越高，代表物種在遷移過程的難度越高，最后根據(jù)層次分析法確定各個阻力因子權(quán)重，構(gòu)建了研究區(qū)阻力體系[22-23]。

表3 研究區(qū)阻力值賦值和權(quán)重Tab.3 Resistance value assignments andweights of the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 基于MSPA法的景觀分析

在MSPA景觀類型(圖2)中，核心區(qū)對于物種來說是非常重要的棲息地，因此多為面積較大的保護區(qū)、森林公園等。2017年烏魯木齊市內(nèi)核心區(qū)總面積為4 843.87 km2，占生態(tài)用地總面積的73.88%，密集分布在研究區(qū)南部和中東部區(qū)域，北部則較為稀疏，反映出研究區(qū)北部的景觀連通性有待提高；島狀斑塊是核心區(qū)的補充，面積較小，是所有MSPA景觀類型中唯一不與其他類型相連接的斑塊，因此多為綠地，街心公園等。研究區(qū)內(nèi)島狀斑塊的面積只有1.32 km2，占生態(tài)用地比例只有0.02%；孔隙是核心區(qū)內(nèi)的空洞部分，通常是植被退化的邊緣地帶，孔隙面積為126.42 km2，占生態(tài)用地總面積的1.93%，孔隙的分布較為均勻，除了在研究區(qū)北部較少以外，其他區(qū)域都有分布；邊緣區(qū)是核心區(qū)的外部邊界，是MSPA景觀類型中分布最為廣泛，面積大小僅次于核心區(qū)，為790.35 km2，比例達到12.79%；橋接區(qū)對生物多樣性的保護和物種之間的交流有重要作用，一般為綠化帶，在研究區(qū)中西部和北部的分布最為密集，占生態(tài)用地總面積的1.85%；環(huán)島區(qū)也具有一定連通作用，可對物種遷移距離起到緩沖作用，其在研究區(qū)中的面積為304.9 km2，集中分布在核心區(qū)周邊；支線面積247.86 km2，占生態(tài)用地總面積的4.18%，較為均勻的分布在整個研究區(qū)中(表4)。

表4 2017年烏魯木齊市MSPA景觀類型統(tǒng)計表

從圖2中可以看出，核心區(qū)分布最廣泛的地區(qū)是研究區(qū)西南部、中部和東部區(qū)域，其中西南部烏魯木齊縣東、南、西三面環(huán)山，北部和中部地區(qū)較平坦，山區(qū)有較多的林地和牧區(qū)，另外有充足的日照和熱量，烏魯木齊河和頭屯河給物種提供豐富的水源，適宜動植物生長和動物棲息，可以定義為大型生態(tài)源地。除了核心區(qū)以外，其他的MSPA景觀類型都有分布，是極佳的MSPA景觀研究的目標地；而中部和東部也具有較多綠色植物分布，核心區(qū)分布較密集。

圖2 研究區(qū)MSPA景觀類型圖Fig.2 MSPA landscape type map of the study area

3.2 綜合阻力面及生態(tài)源地

阻力因子指標體系對于區(qū)域生態(tài)安全評價具有重要的意義，如高程會直接影響土地資源在空間上的利用方式及其分布；土地利用類型會影響生態(tài)源地內(nèi)部及生態(tài)源地之間的物質(zhì)能量及信息交流；會影響區(qū)域局部氣候，對NDVI的有效保護起到積極的作用。本文利用研究區(qū)土地利用類型、高程以及NDVI等數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)實際對阻力因子賦值，構(gòu)建了研究區(qū)綜合阻力面體系。如圖3a所示，研究區(qū)西南部和中東部區(qū)域的阻力值相對較小，這些區(qū)域是研究區(qū)主要的生態(tài)源地，植被覆蓋度高，而北部和東南部分區(qū)域的阻力值較高，主要因為這些區(qū)域是大面積沙漠和荒地。依照dPC指數(shù)識別研究區(qū)生態(tài)用地斑塊中的10個斑塊作為生態(tài)源地(圖3b)，其中，研究區(qū)南部和中東部分別有1塊大型生態(tài)源地，南部的大型源地包含有4個小源地，中東部則有6個，可以看出在每個大型源地中源地之間的連通性較好，可以為物種提供良好的棲息地。但是研究區(qū)整體的連通性較差，2個大型生態(tài)源地之間存在斷層，阻礙了彼此之間的能量交換，因此需要在兩個大型斑塊之間構(gòu)建腳踏石，以達到對生態(tài)景觀的保護，加強研究區(qū)內(nèi)源之間的連接度，維護生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

圖3 研究區(qū)生態(tài)阻力面及生態(tài)源點分布示意圖Fig.3 Distribution of ecological resistance surface and ecological source points in the study area

3.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

MCR模型是通過計算源地到目的地之間的最小阻力值而決定最小遷移路徑的一種模型，主要原理是“源-匯”理論，即：通過MCR模型獲得物種遷移的最佳路線，最大程度避免外界因素的干擾。通過計算研究區(qū)dPC指數(shù)識別出10個生態(tài)源地，利用MCR模型計算每個源地到其他源地之間的最小路徑，即廊道，生態(tài)源地和廊道共同組成研究區(qū)現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖4)。將MCR模型與重力模型相結(jié)合，識別出研究區(qū)內(nèi)9條重要廊道和45條一般廊道，其中9條重要廊道是研究區(qū)生態(tài)源地之間主要的物種遷移通道，分布在研究區(qū)西南部、中東部區(qū)域，該地區(qū)擁有大面積的植被，尤其是西南部烏魯木齊縣良好的地理環(huán)境，為其植物提供了充分的日照及水源，適合物種生存。一般廊道則是分布在研究區(qū)東部和西南部，由圖4可以看出，在研究區(qū)北部和東南部沒有生態(tài)源地或廊道，這是由研究區(qū)北部特殊的地理位置和氣候條件造成的，該區(qū)域有大面積沙漠和荒地，東南部主要是丘陵山區(qū)。

圖4 研究區(qū)現(xiàn)狀生態(tài)廊道示意圖Fig.4 Schematic diagram of the ecological corridors in the study area

3.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與建議

3.4.1 保護核心生態(tài)源地 生態(tài)源地作為重要的物種棲息地，是物種擴散的源點，構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分, 對物種遷徙和擴散起到了重要的作用。烏魯木齊市南部核心區(qū)面積大、源地分布多形成了大型生態(tài)源地群，對周圍林草地和水體起到連接作用，應(yīng)加強對該區(qū)域重點保護的，與此同時，需要重點保障物質(zhì)能量交流的連續(xù)性和完整性，提高景觀連接度水平。此外，研究區(qū)南部水資源豐富，應(yīng)加強對主要河流的保護,嚴懲對水體安全造成危害的行為。

3.4.2 通過建設(shè)“踏腳石”修復(fù)斷層 盡管研究區(qū)內(nèi)的重要斑塊源地以及生態(tài)廊道維持了研究區(qū)內(nèi)的信息、能量交換，但是整體的景觀連通性不佳，從圖5可以看到，研究區(qū)西南部與東部之間出現(xiàn)了明顯的斷層現(xiàn)象，2個大型斑塊之間的交流受到了阻礙，影響研究區(qū)整體的連通性，導(dǎo)致在研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)破碎化現(xiàn)象，因此迫切需要在中部斷層區(qū)域構(gòu)建踏腳石來增加源地及物種之間的能量流通，消除斷層帶來的負面影響，從而維持生態(tài)系統(tǒng)良好發(fā)展。除了增加源地之間的連通之外，對于遷徙距離較遠的生物來說踏腳石尤為重要，可有效提高物種在遷徙過程中的存活率，對促進生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)運轉(zhuǎn)起到重要作用，應(yīng)該注重以踏腳石為中心擴大附近斑塊面積，達到大型源地之間的有效連通。

3.4.3 規(guī)劃新源地和廊道 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化主要是對景觀連通性的改善，除了建設(shè)踏腳石以外，源地數(shù)量的增加和擴大廊道范圍也能夠有效改善景觀連通性，因此需要規(guī)劃具有科學(xué)意義的生態(tài)源地及廊道，使2個大型源地逐漸產(chǎn)生連接，增加物質(zhì)能量交流，提升生態(tài)質(zhì)量，最大限度減少景觀破碎化。根據(jù)生態(tài)源地的分布和研究區(qū)實際狀況，建議在原有生態(tài)源地的基礎(chǔ)上規(guī)劃7個生態(tài)用地斑塊作為新增規(guī)劃源地，添加新增源地之間的10條廊道，使生態(tài)網(wǎng)絡(luò)往北部和西部延伸，填補北部和西部地區(qū)源地和廊道的空缺，顯著增加研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍(圖5)。

圖5 研究區(qū)規(guī)劃廊道示意圖Fig.5 Schematic diagram of the planning corridors in the study area

4 討論

在經(jīng)濟高速發(fā)展、城鎮(zhèn)規(guī)模日益擴展的情況下，加強烏魯木齊市生態(tài)安全穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展與環(huán)境保護的關(guān)系具有重要的意義。本文采用更為科學(xué)的方法選取生態(tài)源地，有效避免了人工選取源地中出現(xiàn)的較高誤差，綜合考慮多種影響因素及研究區(qū)實際狀況，對源地、廊道進行了分析，使廊道在空間上的定位更加清晰。優(yōu)化之后的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，可有效增加源地之間的連通性，緩解景觀破碎化等城市化帶來的負面影響。分析結(jié)果證明所識別的生態(tài)源地、踏腳石及廊道符合研究區(qū)實際，驗證了對生態(tài)源地及阻力面指標選取的合理性[24-25]。

與此同時，該研究存在以下不足點：1)景觀阻力值的設(shè)定對生態(tài)廊道的識別和分析有很大的影響，本研究采用專家打分法進行賦值，對阻力因子所賦的值欠缺精確性，另外沒有考慮道路等人為因素的干擾；2)生態(tài)廊道方面，沒有對廊道寬度、長度和面積等進行詳細的分析，在今后的研究中會對文中存在的不足進行優(yōu)化，進一步提高科學(xué)性[26]。

5 結(jié)論

1)筆者采用MSPA法對研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)進行分析，將土地利用類型中的林地、草地和水域作為前景，其他類型為背景，通過形態(tài)學(xué)原理識別出研究區(qū)核心區(qū)內(nèi)的MSPA景觀類型，其中核心區(qū)占整個生態(tài)用地的73.88%，主要分布在研究區(qū)南部和中東部區(qū)域，研究區(qū)北部則有較少的MSPA景觀類型，生態(tài)穩(wěn)定性有待提高。

2)在MSPA景觀的基礎(chǔ)上分析研究區(qū)景觀指數(shù)，利用Conefor軟件計算IIC、PC和dPC值等景觀連通性指標，提取dPC值大且具有代表性的10個生態(tài)用地斑塊作為生態(tài)源地，以土地利用、高程和NDVI作為阻力因子，通過對阻力因子賦值，構(gòu)建研究區(qū)阻力面。通過MCR模型和重力模型結(jié)合，識別出9條重要廊道和45條一般廊道，生態(tài)源地和廊道組成研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

3)研究區(qū)生態(tài)源地和廊道分布較分散，西南部和中東部大型源地之間出現(xiàn)斷層，影響研究區(qū)景觀連通性，因此筆者提出增添7個規(guī)劃源地、10條新廊道和1個踏腳石，有助于增加源地之間的物質(zhì)能量交換，提高研究區(qū)整體的景觀連通性。