基于MSPA和MCR模型的湖南省生態(tài)網(wǎng)絡構建

鄭群明， 扈嘉輝，申明智

(湖南師范大學a.旅游學院,b.研學旅行研究院，中國 長沙 410081)

近年來，城市化進程的加快使得土地被高強度利用開發(fā)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境也因此遭到了不同程度的破壞，導致區(qū)域內生境斑塊出現(xiàn)破碎化、島嶼化的現(xiàn)象[1-3]，嚴重影響到區(qū)域內生物的正常遷徙、流通，對生物多樣性的保護產生了巨大挑戰(zhàn)。生態(tài)網(wǎng)絡的構建可以連接破碎斑塊，為生物在斑塊間流動、遷徙提供通道[4，5]，提升區(qū)域整體景觀連通性，對提高區(qū)域生態(tài)安全、促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義。

生態(tài)網(wǎng)絡思想源于十八世紀的城市美化，如今其理念逐漸演變?yōu)樾迯推扑樯臣拔锓N棲息地，提高生態(tài)網(wǎng)絡的生態(tài)服務功能[6]。生態(tài)網(wǎng)絡的構建方法仍在不斷探索發(fā)展，在選取生態(tài)源地方面，有學者直接選取自然保護區(qū)、森林公園、濕地公園、大型林地等生態(tài)系統(tǒng)結構較為穩(wěn)定的區(qū)域作為生態(tài)源地[1，7，8]；部分學者從景觀連通性、生態(tài)敏感性、生態(tài)服務功能重要性等方面出發(fā)，利用InVEST模型和RUSLE模型等方法選取生態(tài)源地[9-12]。直接選取生態(tài)源地相較后者而言具有相對主觀性。近年來，運用形態(tài)學空間格局分析法(MSPA)來辨別生態(tài)源地被越來越多的學者采納。MSPA是利用圖形學原理，使用相關圖像方法，對土地利用的柵格數(shù)據(jù)進行識別、分類，科學、定量地識別生態(tài)源地[2，13]。提取生態(tài)廊道的方法主要包括最小累積阻力模型[14，15]、電路模型[16，17]等，最小累積阻力模型(MCR模型)，作為構建生態(tài)廊道的主要方法[16，18]，因具有兼容性及適應性等優(yōu)點[19]，被眾多學者在生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃中應用。

2016年，《全國生態(tài)旅游發(fā)展規(guī)劃(2016—2025年)》中提出未來十年將建設25條國家生態(tài)風景道[20]，其中沿武陵山和羅霄山-南嶺兩條國家生態(tài)風景道途經湖南省內。傳統(tǒng)生態(tài)風景道以往多重視交通功能和景觀質量，在生態(tài)提升方面鮮有關注且缺乏科學方法指導[21]。為使生態(tài)風景道能實現(xiàn)多元價值，綜合生態(tài)、交通、觀賞、保護等多種功能，加強生態(tài)風景道的生態(tài)功能打造必不可少。本文以湖南省為例，運用MSPA方法識別生態(tài)源地，采用可能連通性指數(shù)、斑塊重要性指數(shù)等景觀指標區(qū)分生態(tài)源地的重要程度，并利用MCR模型生成湖南省的潛在生態(tài)網(wǎng)絡，甄別重要生態(tài)廊道，在此基礎上提出對湖南省生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化的策略，以期為湖南省的生態(tài)安全格局構建提供科學參考，并為國家生態(tài)風景道選線和湖南省生態(tài)風景道網(wǎng)絡構建提供相應的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省位于我國中部地區(qū)，是華中地區(qū)的重要組成部分之一。湖南地貌類型豐富，多山地、丘陵，主要有武陵山、雪峰山、南嶺、羅霄山四大山脈；河流縱橫，湖泊密布，湘、資、沅、澧四大水系與洞庭湖等湖泊構成了湖南省水生態(tài)格局；截至2020年底，境內有世界自然遺產和世界地質公園各2處，國際重要濕地3處，國家級自然保護區(qū)23處，國家級地質公園14處，國家公園1處，國家濕地公園49處，國家草原自然公園2處，森林公園126處，省級自然保護區(qū)30處。但是省內一些地區(qū)在追求經濟發(fā)展的過程中忽視資源環(huán)境承載能力，導致了生態(tài)破壞、環(huán)境污染、生物多樣性降低等問題。通過構建生態(tài)網(wǎng)絡系統(tǒng)來提升湖南省生態(tài)安全、促進區(qū)域間能量流通尤為重要。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)包括2020年湖南省土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)及道路矢量數(shù)據(jù)。其中湖南省土地利用數(shù)據(jù)來源中科院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站，高程及坡度數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，道路數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap網(wǎng)站。

1.3 研究方法

1.3.1 基于MSPA方法的生態(tài)源地識別 MSPA是定量識別生態(tài)源地的一種方法，主要通過圖像方法對生態(tài)源地進行識別和分類，從而得出較為科學的生態(tài)源地分布[10]。根據(jù)實地情況，將湖南省的土地利用類型劃分為6類：耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地。本文把林地、草地、水域3種景觀類型設為前景，其余類型作為背景，并轉換為 tiff 二值圖，在 Guidos 軟件中識別出 7 種景觀類型(圖2)。核心區(qū)是面積較大的生境斑塊，對生態(tài)系統(tǒng)完整性及生物多樣性的維持起著十分重要的作用。面積較大的核心區(qū)內生境質量更穩(wěn)定，連通性也更高，更利于物種的生存和擴散[22]。因此本文根據(jù)核心區(qū)面積大小降序排序，選取前50個面積較大的斑塊作為本研究的生態(tài)源地。

1.3.2 生態(tài)源地景觀連通性評價 景觀連通性評價是判斷各個景觀斑塊之間的連通性強弱較為有效的辦法，維持良好的景觀連通性對維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和生物多樣性有著十分積極的效果[14，23]。本文選用PC和dPC兩個景觀指數(shù)，使用Conefor軟件進行計算。參考相關文獻[24]，設定 2 500 m為距離閾值，概率為0.5，將生態(tài)源地分為3類，即dPC>6為一級生態(tài)源地，1dPC>0.1的為三級生態(tài)源地。計算公式如下：

(1)

dPC=100%×(PC-PCremove)/PC，

(2)

1.3.3 基于MCR模型的生態(tài)廊道構建 最小累積阻力模型是指生態(tài)物質在流通過程中從起始源出發(fā)經過不同阻力值的景觀到達目標源所需要做的功[25，26]。運用最小累積阻力模型可以有效計算生態(tài)能量在不同景觀面之間流通所需克服的阻力，景觀面的阻力越大，生態(tài)能量流通的難度就越大。

構建生態(tài)廊道首先需要構建阻力面。由于生物在擴散過程中不僅會受到坡度、景觀類型等自然因素方面的影響，同時也會受到人類活動的影響，因此本研究根據(jù)可獲得數(shù)據(jù)將阻力因子設為高程、坡度、土地利用類型、距離道路距離四個方面，以此生成綜合阻力面(表1)，其計算公式為

表1 阻力因子賦值、權重表

(3)

式中：i代表柵格，j代表阻力因子，F(xiàn)i為i柵格的綜合阻力值，n代表阻力因子的數(shù)量，Wj為j所占比重，Aij為i柵格中的j的阻力值。

最小累積阻力值計算公式如下：

(4)

式中：f代表正相關函數(shù)，Dij表示一個點j到達另一個點i所需穿過的空間距離，Ri為穿過空間i的所需克服的阻力值。

基于ArcGIS 10.2軟件，加權疊加4個阻力因子后生成綜合阻力面。然后將生態(tài)源地轉為點，使用距離分析的成本距離工具計算最小累積成本距離，并生成成本回溯鏈接柵格，再使用成本路徑工具計算從源點到目標的最小成本路徑，對重復冗雜的廊道進行剔除后，生成潛在生態(tài)廊道。

1.3.4 基于重力模型的重要生態(tài)廊道識別 重力模型最早用于交通領域，后逐漸被引用到景觀生態(tài)領域。通過重力模型，可計算出不同生態(tài)源地相互之間的生態(tài)引力，從而識別出較為重要的生態(tài)廊道[27]。生態(tài)引力值越大，說明源地間的相互作用力越大，源地之間生態(tài)能量流動的阻力越小。重力模型公式如下：

(5)

式中：i和j為兩個不同的斑塊，Gij為i與j之間的生態(tài)引力值，Ni和Nj為其權重，Dij為i與j間廊道阻力標準值，Pi和Pj代表阻力值，Si和Sj代表面積，Lij為累積阻力值，Lmax為最大阻力值。

2 結果與分析

2.1 土地利用狀況分析

通過對湖南省的土地利用狀況進行分析可知，湖南省土地總面積為211 795 km2，其中林地為131 647 km2，所占面積最大，占總面積的62.16%；耕地占地面積為59 371 km2，占總面積的28.03%，大部分耕地主要集中在湖南省北部洞庭湖附近；草地和水域所占比重較小，未利用地面積為978 km2，占總面積的0.5%，反映了湖南省的土地利用程度較高(圖1)。

圖1 土地利用類型分布圖

2.2 景觀格局分析

根據(jù)湖南省土地利用類型分類，選取林地、草地、水域3種景觀類型設為前景，其余類型作為背景。對湖南省的土地利用數(shù)據(jù)進行MSPA分析后，得到景觀要素的MSPA分類結果(圖2)，然后對不同景觀類型的面積及其占比進行統(tǒng)計。結果可知，前景數(shù)據(jù)景觀占研究區(qū)總面積的68.8%，其中核心區(qū)面積為47 976 km2，占前景面積的32.9%，主要分布在湖南省中西部的雪峰山脈、武陵山山脈，湘南地區(qū)的南嶺以及湖南省東部的幕連九山脈、羅霄山脈，而北部地區(qū)、中部地區(qū)的斑塊數(shù)量較為稀少，不利于研究區(qū)域整體的連通。總體上看，研究區(qū)也存在著核心區(qū)較為分散，破碎化程度高的現(xiàn)象。橋接區(qū)面積為52 512 km2，占前景面積的36%。橋接區(qū)作為不同核心區(qū)之間交通的橋梁，對生物的遷徙、流通有著重要的意義。湖南省內的橋接區(qū)面積占比較大，利于生物在核心區(qū)間的流通。邊緣區(qū)和孔隙都具有邊緣效應，能夠維持核心區(qū)的穩(wěn)定，此兩類景觀占比分別為15.9%和2.5%，說明本研究區(qū)內的核心區(qū)較為穩(wěn)定。此外，島狀斑塊占比2.4%，為核心區(qū)內部提供廊道的環(huán)道區(qū)占比2.4%，對研究區(qū)前景與背景之間提供連接作用的支線占比7.8%。

圖2 基于MSPA的景觀分類圖

2.3 重要生態(tài)源地提取與評價識別

結合相關文獻并進行多次試驗后，最終選擇2 500 m作為距離閾值，概率設為0. 5，對生態(tài)源地進行景觀連通性評價。根據(jù) Conefor 2.6的計算結果，將生態(tài)源地分為3類，即dPC>6為一級生態(tài)源地，1dPC>0.1的為三級生態(tài)源地。(圖3)

圖3 生態(tài)源地分布

斑塊的可能連通性指數(shù)越高，dPC值越大，代表著源地內的生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。面積較大、連通性較高的斑塊內往往分布著自然保護區(qū)、國家公園、森林公園等具有重要生態(tài)意義的區(qū)域。根據(jù)分析結果，一級生態(tài)源地共有7個，其中斑塊39的dPC值最大，為38.76，面積為5 570 km2，位于雪峰山脈南部，包含著南山國家公園、崀山、黃桑自然保護區(qū)、中坡、萬佛山國家森林公園等眾多生物適宜棲息地。斑塊17次之，dPC值為32.09，面積為3 960 km2，位于湖南省中西部，雪峰山斑塊北部，包含六步溪、雪峰湖、大熊山國家保護地等區(qū)域。斑塊21的dPC值為10.35，主要位于雪峰山脈中部區(qū)域。斑塊40主要位于湖南省東南邊陲，羅霄山脈南部，區(qū)域內包含桃源洞、齊云峰等國家保護地。斑塊49位于湖南省最南部，斑塊內包含九嶷山、藍山等國家保護地，斑塊42位于湖南省南部，地處陽明山脈，內有陽明山、金洞、福音山等國家保護地。二級生態(tài)源地共有9個，其dPC值在1～6之間，源地面積相比于一級生態(tài)源地較小，地理位置上分布在一級生態(tài)源地周圍，與一級生態(tài)源地相毗鄰。三級生態(tài)源地共34個，其面積相對較小，dPC值均小于1，對研究區(qū)域整體的連通性沒有太大貢獻，零星分布于湖南省各個市域內。

表2 前景分類統(tǒng)計表

2.4 生態(tài)網(wǎng)絡構建分析

2.4.1 基于 MCR 的潛在生態(tài)廊道提取分析 根據(jù)生成的綜合阻力面(圖4)可發(fā)現(xiàn)湖南省中部及北部區(qū)域阻力值較小，西部及南部阻力較大，這是由于西部及南部地區(qū)多山地，坡度較大，高程較高。道路和建筑用地會影響其附近生態(tài)能量的流通，因此研究區(qū)內道路及建筑用地附近的區(qū)域阻力值也相應較大。

以景觀阻力面為基礎，計算從各個源地之間的最小累積阻力值，生成生態(tài)廊道共1 172條，總長度為155 858 km。對重復冗雜的廊道進行剔除后，最終生成本文的潛在生態(tài)廊道(圖4)。從圖5可以看出，廊道呈現(xiàn)為較為密集的網(wǎng)狀。

圖4 綜合阻力圖

圖5 湖南省潛在生態(tài)廊道圖

2.4.2 重要生態(tài)廊道識別分析 將50個生態(tài)源地進行編號，通過重力模型計算后得到研究區(qū)域內不同生態(tài)源地間的相互作用強度(表3)。生態(tài)源地之間的相互作用力越強，源地間廊道的建設意義就越大。將重力閾值設為500，共篩選出53條廊道作為重要廊道。根據(jù)表3，源地8和9之間的相互作用強度為4 782，代表這兩塊源地之間的生態(tài)引力較大，且兩地間距離較近，景觀阻力值較小，在生態(tài)廊道建設時應該重點建設此類相互作用值高的源地間廊道。源地1與源地48之間的相互作用強度為7，在所有源地間的生態(tài)引力最小，原因為源地1位于湖南省的最北端，源地48位于湖南省南部，源地距離過于遙遠，若建設此類廊道需花費較大成本。根據(jù)圖6中的廊道分布情況可見，研究區(qū)內的重要廊道多呈線狀、環(huán)狀或網(wǎng)狀相連，源地10，11，12和18之間的重要廊道呈環(huán)狀分布，并與源地17，14和16之間的線狀重要廊道相連，以上源地及廊道皆位于雪峰山脈附近，在規(guī)劃過程中要加以重視，以增強雪峰山區(qū)域內的連通性。源地6，7，9間重要廊道呈環(huán)狀相連，并與源地8，9，13，15和19間呈線狀分布的重要廊道相連，此區(qū)域位于湖南省的東北部，主要包括洞庭湖、連云山、幕阜山、羅霄山北部區(qū)域，內部包含幕阜山、大圍山、牛石寨、大云山、五尖山等眾多國家森林公園，河流湖泊交錯，生態(tài)價值重要，因此需要建設其內部生態(tài)廊道，維持湖南省東北部的生態(tài)連通。源地29，31，32，37，40，41，43和44之間重要廊道同樣呈網(wǎng)狀相連，位于湖南省的東南部，主要包括東江湖、羅霄山、南嶺山脈附近區(qū)域，內部包含桃源洞、八面山國家級自然保護區(qū)，五蓋山國際狩獵場，神農谷、云陽、酒埠江、齊云峰、天鵝山、攸州、飛天山、永興丹霞等重要保護地，該區(qū)域生態(tài)資源良好，源地間聯(lián)系緊密，利于物種流通，因此需要重點建設、維護生態(tài)廊道。從生態(tài)源地6到生態(tài)源地9一直往南到源地48之間的重要廊道緊緊相連，構成湖南省東部的生態(tài)屏障；從生態(tài)源地10向南到源地33之間的重要廊道亦連接成線，構成湖南省西部的生態(tài)屏障。其余的重要生態(tài)廊道大多呈線狀相互連接，分布在湖南省的西北部、中部、南部地區(qū)，在未來的規(guī)劃中都應加強其圍合保護。

圖6 生態(tài)廊道分級

表3 源地間相互作用強度

2.5 生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化

2.5.1 保護重要生態(tài)源地和廊道 生態(tài)源地是生態(tài)網(wǎng)絡中的重要功能節(jié)點，在維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定方面有重要價值。本研究區(qū)域中，一級生態(tài)源地內包含著較多的自然保護區(qū)、森林公園等面積大、生境質量良好區(qū)域，是十分重要的生物源地和物種遷徙地，其對整體區(qū)域的生態(tài)環(huán)境、物種多樣性的維護有較大意義。因此在今后的規(guī)劃中應將嚴格保護放在第一位，同時多采取植樹造林等方式連接分布在其周圍、距離較近的二級源地，以此擴大源地面積，提升景觀連通性，增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于距離較遠的三級源地，應重點保護、建設與之相連通的生態(tài)廊道，保證生態(tài)網(wǎng)絡的整體連通。此外，湖南省河湖密布，四大水系與眾多湖泊相連覆蓋全省，河流是天然的生態(tài)廊道，應加強對其保護及其兩岸綠道建設(圖7)。基于重力模型篩選出的重要生態(tài)廊道累積阻力較小，連通性較好，多呈線狀、網(wǎng)狀相連，構成了湖南省東部和西部的生態(tài)屏障，因此也需要對其進行重點建設。

圖7 生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃圖

2.5.2 規(guī)劃“腳踏石”的建設 腳踏石是指生物在遷徙、移動過程中的臨時停留地，當生態(tài)廊道過長時，腳踏石可為遷徙的生物提供暫時休憩地，增加生物遷徙存活率。生態(tài)廊道的交點對生態(tài)網(wǎng)絡的連通性和完整性十分重要，應對其重點規(guī)劃。另外，作為核心區(qū)溝通橋梁的橋接區(qū)對區(qū)域的連通性也起著十分重要的作用，因此本文根據(jù)研究區(qū)域內的生態(tài)源地和廊道的分布情況，將生態(tài)廊道交點與橋接區(qū)相結合，共規(guī)劃293個腳踏石。

3 結論與討論

3.1 結論

本文以MSPA和MCR模型為基礎，嘗試構建了湖南省的生態(tài)網(wǎng)絡。首先使用MSPA方法確定了本研究的生態(tài)源地，并利用Conefor軟件根據(jù)生態(tài)源地的景觀連通性對其分級，之后根據(jù)生成的綜合阻力面運用MCR模型生成湖南省潛在生態(tài)廊道，并根據(jù)重力模型判斷出研究區(qū)域內的重要生態(tài)廊道，最后設立腳踏石對生態(tài)網(wǎng)絡進行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)湖南省的生態(tài)源地較為分散，破碎化程度高。由MSPA識別出的核心區(qū)面積為47 976 km2，占前景面積的32.9%。前50個生態(tài)源地主要分布在湖南省中西部、湘南地區(qū)以及湖南省東部，而北部地區(qū)、中部地區(qū)的斑塊數(shù)量較為稀少，不利于研究區(qū)域整體的連通。橋接區(qū)面積為52 512 km2，占前景面積的36%，在前景景觀類型中所占面積最大，因此應加強對橋接區(qū)的利用增強生態(tài)源地之間的連通。

(2)通過對阻力值分析可知湖南省中部及北部區(qū)域阻力值較小，西部及南部阻力較大，以阻力面為基礎生成的湖南省生態(tài)廊道特征為：潛在生態(tài)廊道呈網(wǎng)狀分布，重要生態(tài)廊道多呈線狀、環(huán)狀相連。東部及西部的重要生態(tài)廊道由北至南緊密相連，構成湖南省東部及西部的生態(tài)屏障。

(3)湖南省生態(tài)網(wǎng)絡由生態(tài)源地、生態(tài)廊道和腳踏石組成。其中具體包括50個生態(tài)源地、1 172條潛在生態(tài)廊道、53條重要生態(tài)廊道及293個腳踏石。

(4)部分生態(tài)源地之間距離較遠，廊道過長，選取廊道間的交點及橋接區(qū)作為踏腳石利于生態(tài)廊道的建設，因此根據(jù)構建的生態(tài)網(wǎng)絡提出保護重要生態(tài)源地和廊道、設立“腳踏石”等策略對生態(tài)網(wǎng)絡進行優(yōu)化。

3.2 討論

生態(tài)廊道是生態(tài)風景道的基礎，本文嘗試通過構建湖南省的生態(tài)網(wǎng)絡，為湖南省的生態(tài)建設提供相應參考，也為生態(tài)風景道的構建和選線[28]提供一定的科學依據(jù)。采用MSPA方法選取生態(tài)源地，該方法通過圖形學原理來識別生態(tài)源地，較為科學，使用Conefor軟件將連通概率設為0.5，設定2 500 m距離閾值，來區(qū)分生態(tài)源地的重要程度。距離閾值的設置不同會對斑塊間的景觀連接度產生不同的影響，此處閾值是否足夠合理還有待討論。在生成潛在生態(tài)廊道時，阻力因子的選取將自然影響因素和人文影響因素相結合，但在對阻力因子權重的占比上采用專家打分法可能導致結果帶有一定的主觀性。利用MCR模型生成的生態(tài)廊道并未考慮廊道寬度問題，在今后的規(guī)劃設計中應加以考慮。最后，本文對湖南省的生態(tài)網(wǎng)絡構建多從科學、理論的角度出發(fā)，對于湖南省內各省市區(qū)域的實際情況沒有過多涉及，希望在未來的研究中可以繼續(xù)完善，為湖南省生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃及生態(tài)風景道規(guī)劃提供科學合理的建議。