基于MSPA與MCR 模型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
——以新鄉(xiāng)市為例

李旭芳,翁飛帆,陳榕榕,劉興詔,丁錚

（1.福建農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)學(xué)院,福建 福州 350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院,福建 福州 350002）

生物棲息地的銳減,全球環(huán)境的污染等一系列問(wèn)題導(dǎo)致生物多樣性下降以及生境斑塊的縮減、斷裂,景觀的連通性被阻隔,城市景觀格局呈現(xiàn)支離破碎之態(tài),嚴(yán)重阻礙城市的景觀格局以及可持續(xù)發(fā)展[1].生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是利用景觀生態(tài)學(xué)原理,為保護(hù)生物的多樣性,平衡生態(tài)系統(tǒng)以及增強(qiáng)各破碎景觀之間的連通度,通過(guò)生態(tài)源地的識(shí)別、生態(tài)走廊的構(gòu)建將研究區(qū)的生態(tài)要素連通起來(lái)形成彼此聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)布局模式.生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建能夠通過(guò)一系列的生態(tài)廊道將破碎化的生態(tài)斑塊及景觀串聯(lián)起來(lái),連通城市高度破碎化的生境,為生物物種的遷移生長(zhǎng)提供適宜的生態(tài)走廊[2-4].

1990 年以來(lái),生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究逐漸增多,國(guó)外學(xué)者更加關(guān)注自然與半自然要素間的連接,將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與土地利用相結(jié)合,利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)核心區(qū)、緩沖區(qū)、恢復(fù)區(qū)與廊道的基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)野生動(dòng)物生存與遷徙的保護(hù)[5].國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究相對(duì)較晚,但目前已形成完整的模式,大多基于景觀生態(tài)學(xué)理論,從圖論、拓?fù)涞冉嵌萚6-8],以“斑塊—廊道—基質(zhì)”為基礎(chǔ),采用最小路徑法或最小累積阻力模型（MCR）結(jié)合重力模型對(duì)研究區(qū)潛在的生態(tài)廊道進(jìn)行模擬,構(gòu)建研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通過(guò)模型計(jì)算研究區(qū)的景觀格局指數(shù),定性定量地表達(dá)研究區(qū)的景觀格局進(jìn)而評(píng)價(jià)景觀現(xiàn)狀以及演變特征,提出對(duì)研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)及優(yōu)化策略.MCR 模型能夠?qū)⒀芯繀^(qū)的地形地貌以及環(huán)境和人為活動(dòng)干擾等多方因素考慮進(jìn)去,但是此方法在提取生態(tài)源地時(shí)具有一定的主觀性,忽略了斑塊的連通作用,由此引入形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）的方法,從而避免直接將面積較大或生態(tài)服務(wù)價(jià)值高的保護(hù)區(qū)及公園作為生態(tài)源地的不足[7].目前的研究只局限于單一的生態(tài)要素的研究,但是隨著城市的發(fā)展演變,城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不僅包括生態(tài)要素,亦受經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人為因素的影響.本文采用“生態(tài)源地識(shí)別—阻力面設(shè)置—潛在廊道模擬”的模式,基于景觀生態(tài)學(xué)原理和形態(tài)學(xué)空間分析（MSPA）,采用最小累積阻力模型（MCR）以及重力模型對(duì)新鄉(xiāng)市的生態(tài)源地進(jìn)行識(shí)別,提取新鄉(xiāng)市生態(tài)源地間潛在的生態(tài)廊道,構(gòu)建新鄉(xiāng)市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間,結(jié)合新鄉(xiāng)市的發(fā)展需求,提出優(yōu)化方案,旨在為新鄉(xiāng)市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升提供參考,亦為其他城市的生態(tài)修復(fù)、自然資源整合、生態(tài)環(huán)境提升及城市總體規(guī)劃提供理論方法借鑒.

1 研究區(qū)概況

新鄉(xiāng)市是豫北地區(qū)重要的中心城市（圖1）,中原地區(qū)經(jīng)濟(jì)中心之一,亦是豫北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、教育、交通中心.位于河南省北部,南臨黃河,北靠太行山脈,總面積約8249 km2.屬于華北板塊,地處黃河、海河兩大流域,地勢(shì)北高南低,北部主要是太行山山地和丘陵崗地,生態(tài)斑塊面積較大,具有豐富的自然生態(tài)資源,南部為沖積扇平原,平面占全市總土地面積的78%.屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫14 ℃,年平均降雨量573.4 mm,降水在季節(jié)上分布不均勻,大致與冬、夏季風(fēng)進(jìn)退一致.新鄉(xiāng)市的自然資源較為豐富,全市農(nóng)用地（包括耕地、園地、林地、牧草和其他農(nóng)用地）面積569356 hm2,占全市總土地面積的69.02%,林地主要分布在新鄉(xiāng)北部太行山區(qū),良好的自然資源以及地利條件為生物提供了優(yōu)質(zhì)的棲息場(chǎng)所.近年來(lái)新鄉(xiāng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)廊道逐漸遭到破壞,新鄉(xiāng)市的生態(tài)環(huán)境亟待改善,構(gòu)建新鄉(xiāng)市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫.

圖1 新鄉(xiāng)市區(qū)位圖Fig.1 Xinxiang location map

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)的DEM高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/,分辨率為30 m×30 m）[8-9],土地利用分類數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）,根據(jù)新鄉(xiāng)市的土地利用特點(diǎn),參照全國(guó)土地利用分類方法,運(yùn)用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類,將新鄉(xiāng)的土地類型分為林地、耕地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用土地6 類,得出新鄉(xiāng)市土地利用分類圖（圖2）.

圖2 2020 年新鄉(xiāng)市土地利用類型圖Fig. 2 Land use type map of Xinxiang in 2020

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA 的景觀格局提取MSPA 分析法是基于圖形學(xué)原理,運(yùn)用開閉運(yùn)算等數(shù)學(xué)方法對(duì)柵格圖像的空間格局進(jìn)行識(shí)別、分割的一種圖像識(shí)別方法,從而得出像元層面的研究區(qū)生境斑塊[10-12].根據(jù)新鄉(xiāng)市的土地利用數(shù)據(jù),將林地、水域、濕地、草地自然要素作為前景,其余土地類型作為背景,將數(shù)據(jù)二柵格化處理后運(yùn)用Guidos Toolbox 分析軟件,采用八鄰域圖像細(xì)化法進(jìn)行MSPA 分析,提取出7 種景觀[9],即核心區(qū)、橋接區(qū)、邊緣區(qū)、環(huán)道區(qū)、孔隙、支線和島狀斑塊,表1 為MSPA 景觀類型及含義（表1）,得出新鄉(xiāng)市的景觀格局圖（圖3）,提取生境斑塊面積較大的核心區(qū)作為生態(tài)源地.

圖3 新鄉(xiāng)市景觀格局分析圖Fig.3 Landscape pattern analysis map of Xinxiang

表1 MSPA 景觀要素類型及含義Tab.1 Types and meanings of MSPA landscape elements

2.2.2 重要生態(tài)源地的識(shí)別與評(píng)價(jià) 生態(tài)源地是物種與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)能量交換的起點(diǎn),生態(tài)源地的選取是構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中最為重要的一環(huán)[13].景觀連通性是指景觀要素在空間單元之間的相互連通性,景觀連通性指數(shù)能夠定量地表達(dá)要素在生態(tài)源地間的物質(zhì)能量交換以及遷徙的難易程度[8].當(dāng)前MSPA 分析常用的景觀連接指數(shù)包括：整體連通性指數(shù)（IIC）、可能連通性指數(shù)（PC）、斑塊重要性指數(shù)（dI）等[8-9,13],本研究在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上采用可能連通性指數(shù)（PC）,選取核心區(qū)中面積較大的30 個(gè)斑塊,基于Conefor2.6 軟件將斑塊連通閾值設(shè)置為1000 m,連通概率設(shè)為0.5,對(duì)新鄉(xiāng)市進(jìn)行景觀連通性評(píng)價(jià).公式如下

式（1）中:IPC為可能連通性指數(shù),取值0～1;AL為景觀總面積/hm2;n 為斑塊總數(shù);ai、aj為斑塊i、j 的面積;lij為i 到j(luò) 的最短路徑;Pij*為物種在斑塊i、j 間擴(kuò)散的最大概率.

dPC>0.5 的生態(tài)斑塊劃定為重要生態(tài)源地.

2.2.3 基于最小阻力模型的潛在生態(tài)廊道構(gòu)建 最小累積阻力模型（MCR）是由俞孔堅(jiān)引入國(guó)內(nèi),在GIS的基礎(chǔ)上,以生態(tài)源地作為出發(fā)點(diǎn)通過(guò)建立阻力面來(lái)計(jì)算生態(tài)源地之間的最小累積阻力距離從而確定源于目標(biāo)之間的最小消耗路徑[14-17].公式如下

式（2）中：MCR 為生態(tài)源地到其他各點(diǎn)的最小累計(jì)阻力值,Dij為物種從源j 到空間某一點(diǎn)所穿越的某景觀的基面i 空間距離,Ri為景觀i 對(duì)某物種運(yùn)動(dòng)的阻力,f 表示最小累積阻力與生態(tài)過(guò)程的正相關(guān)關(guān)系,min 表示單元i 對(duì)于不同的源取累積阻力最小值.

構(gòu)建MCR 模型的關(guān)鍵在于阻力面體系的構(gòu)建,本研究結(jié)合地形坡度、高程、土地利用類型以及MSPA分析來(lái)構(gòu)建新鄉(xiāng)市的基礎(chǔ)阻力面,根據(jù)已有的相關(guān)研究[18-21],對(duì)各類景觀的阻力賦值見表2.

表2 阻力因子賦值表Tab.2 Resistance factor assignment table

基于ArcGIS 將各個(gè)阻力面進(jìn)行賦值,得出單個(gè)阻力面,見圖4.根據(jù)各阻力系數(shù)及對(duì)應(yīng)的阻力值進(jìn)行綜合加權(quán),得出最小累積生態(tài)模型阻力面,見圖5.

圖4 單個(gè)阻力基面圖Fig.4 Single resistance base map

圖5 新鄉(xiāng)市生態(tài)阻力面Fig.5 Ecological resistance in Xinxiang

2.2.4 基于重力模型的重要生態(tài)廊道識(shí)別 重力模型能夠很好地體現(xiàn)斑塊之間的相互作用強(qiáng)度,能夠定量地評(píng)價(jià)源地斑塊間的相互作用強(qiáng)度,從而判定潛在生態(tài)廊道的相對(duì)重要性[8].計(jì)算公式為

式（3）中：F 為生態(tài)重力,Gij為斑塊a、b 之間的相互作用力,Ni、Nj為兩斑塊的權(quán)重值,Dij為斑塊i、j 間潛在廊道間的阻力值,Pi、Pj為斑塊i、j 的阻力值,Lij為斑塊i 到j(luò) 之間廊道的累積阻力值,Lmax為研究區(qū)中所有廊道阻力的最大值.

3 結(jié)果與分析

3.1 基于MSPA 景觀格局分析

以新鄉(xiāng)市的林地、草地、濕地、水域?yàn)榍熬斑M(jìn)行MSPA 剖析,統(tǒng)計(jì)不同景觀類型的面積及占比情況（表3）.基于MSPA 的新鄉(xiāng)市的景觀要素面積92187.63 hm2,其中核心區(qū)的面積為84819.06 hm2,占研究區(qū)景觀要素面積的90.11%,景觀類型多為林地、草地,其次為濕地及水域.核心區(qū)主要分布于新鄉(xiāng)北部輝縣市及衛(wèi)輝市的北部太行山脈區(qū)域,其次是新鄉(xiāng)市南部連接原陽(yáng)縣與封丘縣的黃河及周邊濕地區(qū)域.其中北部核心區(qū)呈聚集狀態(tài),生境斑塊面積較大,穩(wěn)定性較強(qiáng);南部核心區(qū)呈東西向條帶式分布,中部核心區(qū)極為稀少且破碎化很嚴(yán)重,進(jìn)而表明新鄉(xiāng)市南北地區(qū)的核心斑塊連通性很差,生態(tài)流動(dòng)困難;橋接區(qū)是連接核心區(qū)的狹長(zhǎng)廊道,面積為218.79 hm2,占研究區(qū)景觀要素面積的0.23%,代表生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的連接廊道,主要為山區(qū)郊野、河流沿岸及交通道路兩側(cè)林地、草地景觀斑塊,如新鄉(xiāng)市北部太行山脈、及市域內(nèi)的京港澳高速兩側(cè)的生態(tài)林帶等,構(gòu)成物質(zhì)能量流動(dòng)的重要景觀要素;邊緣區(qū)和孔隙作為核心區(qū)的保護(hù)屏障,面積分別為5122.44 hm2和1846.71 hm2,占研究區(qū)景觀要素面積的5.44%和1.96%,表明核心區(qū)斑塊整體上較為分散,是由于新鄉(xiāng)市北部許多較小的核心區(qū)斑塊造成的.島狀塊是孤立的綠地景觀,不與其他的生態(tài)斑塊相連通,是作為生態(tài)要素的臨時(shí)棲息地,島狀斑塊、環(huán)道區(qū)所占的面積為180.63 hm2和380.52 hm2,占景觀要素面積的0.19%和0.40%,表明新鄉(xiāng)市的景觀構(gòu)成以較大型斑塊為主,且斑塊邊緣較復(fù)雜縣破碎化.

表3 新鄉(xiāng)市不同景觀要素與占比Tab.3 Different landscape elements and proportions in Xinxiang

3.2 重要生態(tài)源地提取分析

生態(tài)源地斑塊的提取對(duì)于生物群落的棲息繁衍具有重要意義, 基于Conefor2.6 軟件分析的結(jié)果,按照斑塊重要性（dPC）值的大小選取15 個(gè)生態(tài)源地（表4）,這些生態(tài)源地的dPC 值在2～18 之間,生態(tài)源地的分布見圖6.結(jié)果可知新鄉(xiāng)市的重要生態(tài)源地主要分布在輝縣市、衛(wèi)輝市、原陽(yáng)縣以及封丘縣,連通性較好的核心斑塊主要集中在北部太行山脈以及南部黃河流域,中部幾乎無(wú)重要生態(tài)源地,且南部生態(tài)斑塊面積較小,不同的生態(tài)源地間dPC 指數(shù)相差較大,南北斑塊連通性較差且南部斑塊較為破碎化,導(dǎo)致生物的能量流動(dòng)及物質(zhì)循環(huán)難以持續(xù),因此急需構(gòu)建南北生態(tài)網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加新鄉(xiāng)市南北的景觀連通性,為生物提供生態(tài)棲息地,進(jìn)而維持新鄉(xiāng)市的生態(tài)系統(tǒng)平衡.

圖6 新鄉(xiāng)市生態(tài)源地分布圖Fig.6 Ecological source distribution map of Xinxiang

表4 重要生態(tài)源地連通指數(shù)及面積統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Connectivity index and area statistics of important ecological sources

3.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

通過(guò)構(gòu)建的生態(tài)阻力面（圖5）發(fā)現(xiàn),阻力值為6.45～51.15,新鄉(xiāng)市的阻力從中部向南北逐漸減弱,阻力較低的地區(qū)位于新鄉(xiāng)市的西北部及南部.由于輝縣市及衛(wèi)輝市處于太行山脈區(qū),林地及草地資源較為豐富,南部水域以及濕地的存在使其阻力較弱.中部的衛(wèi)濱區(qū)、紅旗區(qū)、牧野區(qū)、鳳泉區(qū)處于不斷擴(kuò)張發(fā)展的狀態(tài),由于建設(shè)用地不斷激增,導(dǎo)致生態(tài)阻力較高,嚴(yán)重影響區(qū)域生物物種的遷徙以及其物質(zhì)能量的流動(dòng),而生態(tài)廊道的存在可以使不同的景觀要素之間形成連橋通道,從而促進(jìn)生態(tài)流動(dòng)[22].結(jié)合提取的15個(gè)重要生態(tài)廊道,構(gòu)建130 條潛在的生態(tài)廊道,采用重力模型構(gòu)建生態(tài)源地之間的相互作用矩陣,相互作用值越高,表明源地之間的聯(lián)系越緊密,將相互作用強(qiáng)度超過(guò)3 的生態(tài)廊道作為重要生態(tài)廊道,共有16條,其余為一般生態(tài)廊道,共計(jì)114 條,進(jìn)而構(gòu)建出新鄉(xiāng)市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（圖7）.源地4 和源地8 之間的相互作用強(qiáng)度最高,說(shuō)明兩地之間的空間連通性最強(qiáng),物種在兩個(gè)源地間進(jìn)行遷移和擴(kuò)散時(shí)所遇到的阻力最小,因此源地4、8 之間的生態(tài)廊道需要重點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)管理以提高該源地的生態(tài)作用.源地8 和11 之間的相互作用強(qiáng)度最小,兩地的景觀阻力值較大,進(jìn)行生物物種的遷徙與物質(zhì)能量交換較為困難,在進(jìn)行規(guī)劃時(shí)應(yīng)增加生態(tài)源地來(lái)提高生境質(zhì)量.由圖7 可知,重要生態(tài)廊道大部分與源地2 相連通,源地2 輝縣太行山作為新鄉(xiāng)市重要生態(tài)源地之一,對(duì)陸生生物以及飛禽類的遷徙交流有著舉足輕重的的作用,同時(shí)蜿蜒在山脈林地中的河流亦可以為水生生物及兩棲生物提供棲息地,在進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)應(yīng)著重保護(hù)此生態(tài)源地以及周邊環(huán)境,防止破壞,使其在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中能夠同時(shí)連通東西南北的生態(tài)斑塊,為生物物種不同方向的遷徙交流提供通道及棲息地,進(jìn)而使新鄉(xiāng)市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定,生態(tài)系統(tǒng)更趨于平衡狀態(tài).

表5 基于重力模型構(gòu)建的新鄉(xiāng)市生態(tài)源地相互作用矩陣Tab.5 Ecological Source-Land Interaction Matrix Based on Gravity Model in Xinxiang

圖7 新鄉(xiāng)市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建圖Fig.7 Construction map of Xinxiang ecological network

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

（1）生態(tài)源地是生物物種進(jìn)行生存、繁衍、遷徙的面積較大較為完整的斑塊,本文采用MSPA 方法進(jìn)行生態(tài)源地的識(shí)別,是利用土地?cái)?shù)據(jù),根據(jù)圖像學(xué)原理以及形態(tài)學(xué)分析提取在像素水平上的生境斑塊[23],得出核心區(qū)域.進(jìn)行MSPA 分析時(shí),本研究參照相關(guān)文獻(xiàn)將距離閾值設(shè)置為1000 m,取值是否合理有待商榷.利用景觀連通性指數(shù)分析新鄉(xiāng)市的核心區(qū)域斑塊,結(jié)果表明,連通性較高的斑塊主要集中在北部太行山區(qū)以及南部黃河流域,表明該區(qū)域斑塊受人類活動(dòng)影響較小,適宜生物棲息,但新鄉(xiāng)南北區(qū)域的斑塊連通性較差,應(yīng)加強(qiáng)南北間的板塊連通,增加生態(tài)源地,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展.

（2）生態(tài)阻力賦值是確定生態(tài)阻力面的重要環(huán)節(jié),以往的研究多采用專家打分法或參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)不同的景觀類型進(jìn)行賦值,阻力賦值結(jié)果相差較大,沒(méi)有嚴(yán)格的確定標(biāo)準(zhǔn),本研究通過(guò)對(duì)前人研究的分析,得出相關(guān)指數(shù),可能會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響.

（3）生態(tài)廊道是連接不同生態(tài)源地之間的重要通道,是生物物種進(jìn)行遷移擴(kuò)散的主要路徑,本文采用最小累積阻力模型進(jìn)行生態(tài)廊道的構(gòu)建,繼而基于重力模型量化生態(tài)源地之間的相互作用,將新鄉(xiāng)市的生態(tài)廊道進(jìn)行分級(jí)處理,得出新鄉(xiāng)市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò).

4.2 結(jié)論

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建對(duì)于保護(hù)快速城鎮(zhèn)化的地區(qū)生態(tài)環(huán)境以及保護(hù)市域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義.本文采用形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）方法和景觀指數(shù)分析法,提取dPC 值較大的斑塊作為生態(tài)源地,綜合考慮坡度、高程、土地利用類型及MSPA 景觀類型,構(gòu)建新鄉(xiāng)市的生態(tài)阻力面,基于最小累積阻力模型（MCR）與重力模型構(gòu)建新鄉(xiāng)市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加生態(tài)斑塊的連通性,促進(jìn)生物的遷徙交流,提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.研究結(jié)果表明：①新鄉(xiāng)市的生態(tài)源地總體規(guī)模較大,面積84819.06 hm2,占研究區(qū)景觀要素面積的90.11%,但是空間上分布不均勻,主要集中在北部以及南部,中部很少,且源地較為破碎化.②基于MCR 模型構(gòu)建出新鄉(xiāng)市的潛在生態(tài)廊道供130 條,重要廊道16 條,一般廊道114 條,需要增加生態(tài)源地以提高生境斑塊間的連通性.③新鄉(xiāng)市的重要生態(tài)廊道主要是由北部生態(tài)源地向南擴(kuò)散,增加了南北間景觀的連通性,在進(jìn)行規(guī)劃時(shí)要重點(diǎn)保護(hù)此廊道及周邊生態(tài).研究結(jié)果為新鄉(xiāng)市及其他類似城市的生態(tài)修復(fù)、自然資源整合、生態(tài)環(huán)境提升及城市總體規(guī)劃提供理論方法借鑒.