整合綠地結(jié)構(gòu)與功能性連接分析的城市生物多樣性保護(hù)規(guī)劃

劉陽(yáng) 歐小楊 鄭曦

1 概述

生物多樣性保護(hù)是城市綠地提供的一項(xiàng)重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[1]，尤其在高強(qiáng)度建設(shè)、人類(lèi)活動(dòng)頻繁的中心城區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)退化和景觀破碎化嚴(yán)重阻礙了生物遷徙，導(dǎo)致生物多樣性顯著下降[2]。此外，城市綠地通常受到不同程度的人為干預(yù)，其景觀組成的復(fù)雜性決定了其動(dòng)態(tài)過(guò)程和機(jī)理與自然生態(tài)系統(tǒng)迥然不同[3]，這是中心城區(qū)綠地區(qū)別于鄉(xiāng)村地區(qū)以及自然生態(tài)空間的顯著特征。這使得專(zhuān)注于物種本身的、以遺傳多樣性與物種多樣性為切入點(diǎn)的傳統(tǒng)保護(hù)措施在復(fù)雜的城市環(huán)境中難以發(fā)揮良好的效益，而風(fēng)景園林視角下的生物多樣性保護(hù)強(qiáng)調(diào)對(duì)物種生存環(huán)境的保護(hù)，通過(guò)景觀生態(tài)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)局部或整體城市綠地生境保護(hù)是行之有效的生物多樣性保護(hù)途徑[4]。這種途徑重視人為干擾下景觀格局的改變對(duì)生物遷徙活動(dòng)的影響，并在景觀生態(tài)學(xué)的深入研究下，逐漸從單獨(dú)的棲息地保護(hù)向綠地網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。因此，如何構(gòu)建合理的綠地網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)生物多樣性以提供多樣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)成為城市景觀生態(tài)研究的重要議題。完善的綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法不僅需要考慮土地空間格局和景觀破碎化之間的相互作用，而且還要考慮有利于物種生存繁殖與遷徙以及支持生物棲息環(huán)境優(yōu)先保護(hù)等策略的制定[5]。

提高種群遷徙和棲息地之間的連接度對(duì)于更大范圍的生態(tài)過(guò)程非常重要，是生物多樣性保護(hù)規(guī)劃的重要研究基礎(chǔ)與評(píng)測(cè)指標(biāo)[6-8]，許多研究以生境質(zhì)量指數(shù)作為指標(biāo)，直接應(yīng)用在生物多樣性的評(píng)價(jià)中，忽略了棲息地連接度和生物多樣性之間的內(nèi)在聯(lián)系[9]。理解、保護(hù)和恢復(fù)復(fù)雜環(huán)境中的景觀生態(tài)連接需要可靠、高效并基于過(guò)程的連接模型和度量方法。景觀連接通常劃分為結(jié)構(gòu)性連接和功能性連接[10]。

1）結(jié)構(gòu)性連接強(qiáng)調(diào)斑塊形狀與結(jié)構(gòu)對(duì)生物遷徙的影響，例如廊道寬度、斑塊間距離等。結(jié)構(gòu)性連接在綠地網(wǎng)絡(luò)格局構(gòu)建與優(yōu)化應(yīng)用中體現(xiàn)出較強(qiáng)的實(shí)用性[11]，其測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，已有研究通過(guò)各種度量指數(shù)量化其連接程度，如Fragstats軟件，憑借其快速簡(jiǎn)便的操作已廣泛應(yīng)用在多種生態(tài)系統(tǒng)中。但是，現(xiàn)有景觀指數(shù)的數(shù)量與類(lèi)型眾多，部分指數(shù)的表征結(jié)果含義存在一定的重疊，評(píng)價(jià)指數(shù)選擇的合理性直接影響了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[12]。此外，大部分指數(shù)不能準(zhǔn)確地解釋生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)程與功能[13]。事實(shí)上，城市環(huán)境的復(fù)雜性和高度異質(zhì)性使得結(jié)構(gòu)性連接的研究存在一定困難[14]，例如綠地的形狀以及廊道的寬度難以達(dá)到滿(mǎn)足最優(yōu)結(jié)構(gòu)的閾值要求。然而，斑塊距離作為影響結(jié)構(gòu)連通性的重要因素，可以有效指導(dǎo)城市綠地規(guī)劃半徑與建設(shè)范圍以滿(mǎn)足物種活動(dòng)需求?；趫D論的景觀連接度的量化方法，引入距離閾值這一重要參數(shù)，可判斷區(qū)域內(nèi)綠地斑塊之間生態(tài)流的存在和強(qiáng)弱[15]，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)景觀指數(shù)計(jì)算中忽視生態(tài)過(guò)程對(duì)景觀格局響應(yīng)的缺陷。

2）功能性連接更多考慮物種或種群的具體需求和行為，是探討物種和景觀要素之間有機(jī)聯(lián)系的重要指標(biāo)[16]。功能性連接在保障城市生態(tài)過(guò)程完整性與連續(xù)性方面具有較高的可操作性[17]，對(duì)于動(dòng)植物物種的生存和繁殖非常重要。其測(cè)量以最小成本路徑模型為代表，假設(shè)可以根據(jù)可促進(jìn)或阻礙物種遷移的景觀矩陣特征來(lái)估計(jì)斑塊之間的連接程度[18]，但該方法假設(shè)物種的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)單一的最優(yōu)路徑下，很難準(zhǔn)確模擬區(qū)域的物種遷徙與能量流動(dòng)，且無(wú)法識(shí)別遷徙路徑中的關(guān)鍵夾點(diǎn)位置，難以有效提升廊道連通性。

近年來(lái)，基于圖論的連接度模型[17,19]和網(wǎng)絡(luò)分析法[20]能夠耦合結(jié)構(gòu)性連接和功能性連接，從而提高了連通性測(cè)量的準(zhǔn)確度，但網(wǎng)絡(luò)分析法需要的大量觀測(cè)材料與物種數(shù)據(jù)通常難以獲取，而且物種遷徙具有很大的游走隨機(jī)性，僅根據(jù)代表性物種的遷徙規(guī)律來(lái)模擬最佳的潛在廊道具有一定的局限，存在不能被其他物種利用的可能性[21]。

因此，一些學(xué)者開(kāi)始嘗試和探索新的理論方法和模型，如電路模型，來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有研究存在的缺陷。McRae最早將物理學(xué)中的電路理論引入到景觀生態(tài)學(xué)中[22]，該模型被證明可以用于預(yù)測(cè)異質(zhì)景觀中基因流的模式，并基于簡(jiǎn)單的景觀數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)種群之間的擴(kuò)散率，以便將元種群模型參數(shù)化，在生態(tài)安全格局構(gòu)建[23]、生物多樣性保護(hù)規(guī)劃[24]、景觀遺傳學(xué)[25]領(lǐng)域都有所應(yīng)用，也在以生物多樣性保護(hù)為導(dǎo)向的城市綠地格局優(yōu)化方面取得了一定的成效[26-29]。其模擬并非只針對(duì)某個(gè)物種的擴(kuò)散做出反應(yīng)，而是對(duì)幾個(gè)具有相似擴(kuò)散能力或棲息地要求的物種擴(kuò)散做出反應(yīng)。盡管這種模擬由于涉及大量物種遷徙過(guò)程致使結(jié)果有一定程度的不適宜性，但其高效的算法可以快速處理包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)或柵格單元的網(wǎng)絡(luò)，尤其針對(duì)復(fù)雜的城市環(huán)境，在預(yù)測(cè)隨機(jī)游走物種的運(yùn)動(dòng)模式、成功遷徙或死亡的概率、棲息地斑塊的識(shí)別、種群或保護(hù)區(qū)的連接度測(cè)量方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，它還能夠識(shí)別重要的連接元素并用于保護(hù)規(guī)劃，在缺乏絕對(duì)種群規(guī)模、遷移率等數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行廊道構(gòu)建時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性[22]。

本研究以北京市豐臺(tái)區(qū)為研究區(qū)域，采用基于圖論的連接度量化方法分析不同斑塊距離下的綠地結(jié)構(gòu)特征，探討滿(mǎn)足生物遷徙需求的最優(yōu)綠地建設(shè)距離；利用最小成本路徑模型構(gòu)建阻力面，采用Linkage Mapper工具確定物種遷徙的潛在連接路徑；引入物理學(xué)中的電路模型，通過(guò)電流密度量化斑塊與連接路徑對(duì)整體綠地格局連通性的貢獻(xiàn)程度，并識(shí)別對(duì)物種遷徙有重要影響的夾點(diǎn)區(qū)域，提升綠地網(wǎng)絡(luò)的整體連通性。將模型模擬結(jié)果與鳥(niǎo)類(lèi)豐度的經(jīng)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，以探討該方法對(duì)觀測(cè)到的生境適宜性的解釋能力，加深對(duì)城市景觀形態(tài)和生態(tài)功能之間關(guān)系的理解。該研究結(jié)果能夠?yàn)槌鞘猩锒鄻有员Ｗo(hù)、生物生境優(yōu)先保護(hù)策略制定以及城市綠地規(guī)劃提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)位

豐臺(tái)區(qū)位于北京市中心城區(qū)的西南部，總面積約306 km2，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，地勢(shì)西北高、東南低。由于城市基礎(chǔ)建設(shè)的需求，豐臺(tái)區(qū)東部平原地區(qū)大面積的綠地被其他土地利用類(lèi)型所替代用以支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展，綠地規(guī)劃建設(shè)面臨巨大壓力，城市生物多樣性也遭受用地?cái)U(kuò)張、人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的威脅。由于其地處北京市第一道、第二道綠化隔離帶，在生態(tài)空間的建設(shè)過(guò)程中，亟須發(fā)揮重要的生態(tài)環(huán)境“織補(bǔ)”作用，建立不同生態(tài)空間的有機(jī)聯(lián)系，形成完善的綠地網(wǎng)絡(luò)，保障物種遷徙路徑。通過(guò)開(kāi)展綠化隔離區(qū)搬遷騰退、區(qū)域景觀改造、平原造林、河道整治等工作來(lái)織補(bǔ)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，截至2019年豐臺(tái)區(qū)完成留白增綠面積60.32 hm2，新增17個(gè)城市公園，在為昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)等野生動(dòng)物提供棲息地的同時(shí)，滿(mǎn)足群眾對(duì)宜居環(huán)境的需求。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究采用的主要數(shù)據(jù)有：1）2017年7月11日的Land-sat 8遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、空間分辨率為30 m×30 m的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)；2）《北京城市總體規(guī)劃（2016年—2035年）》相關(guān)圖集。通過(guò)ENVI 5.3遙感解譯，獲得柵格大小為30 m×30 m的土地覆被現(xiàn)狀圖，由于研究區(qū)域范圍面積較大，解譯精度滿(mǎn)足分析精度要求。采用人機(jī)交互監(jiān)督分類(lèi)法，參照GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》中一級(jí)類(lèi)分類(lèi)情況，根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)中用地類(lèi)型對(duì)生物遷徙阻力的大小[18,27]，將研究區(qū)域用地類(lèi)型劃分為林地、草地、園地、水域、耕地、建設(shè)用地6種（圖1），其中將商服用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、特殊用地、交通運(yùn)輸用地等對(duì)物種遷徙具有較大阻礙的用地統(tǒng)歸為建設(shè)用地。最后，借助谷歌地圖、百度地圖等大比例尺地形圖數(shù)據(jù)，將之與北京城市總體規(guī)劃圖集等數(shù)據(jù)反復(fù)對(duì)比解譯結(jié)果，不斷地進(jìn)行修改和校正。

1 研究區(qū)位與現(xiàn)狀土地利用情況Study area and current land use

3 研究方法

3.1 適宜生物遷徙的綠地斑塊最優(yōu)距離閾值研究

面積大小對(duì)生境異質(zhì)性與物種承載力有決定性作用，零散分布的小型斑塊對(duì)區(qū)域生態(tài)安全維護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮的作用有限，根據(jù)不同面積綠地斑塊對(duì)區(qū)域生態(tài)用地面積的貢獻(xiàn)程度[30]，即不同面積源地斑塊占源地總面積的累積比例關(guān)系，初步篩選并剔除零碎斑塊。經(jīng)整理發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域小于10 hm2的綠地斑塊面積對(duì)總生態(tài)用地面積的貢獻(xiàn)不足23%，因此提取面積大于等于10 hm2的林地、草地與水域斑塊作為基礎(chǔ)斑塊數(shù)據(jù)。

距離閾值往往作為區(qū)域生物多樣性保護(hù)與城市綠地規(guī)劃決策制定的參考，因此在選取時(shí)不僅要以物種遷徙特征為基礎(chǔ)，還應(yīng)與城市景觀空間結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，以提高規(guī)劃結(jié)果的應(yīng)用性與科學(xué)性。北京市所處的氣候帶與地理位置，是多種候鳥(niǎo)春秋兩季遷徙的途徑通道，在中國(guó)北方候鳥(niǎo)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中具有重要的地位。因此，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記錄的豐臺(tái)區(qū)物種情況[31-32]，選擇受農(nóng)業(yè)等人類(lèi)活動(dòng)影響較大的鳥(niǎo)類(lèi)的活動(dòng)擴(kuò)散范圍作為距離閾值的參考范圍，如黃腹山雀（Parus venustulus）、池鷺（Ardeola bacchus）等。據(jù)文獻(xiàn)資料顯示[33]，鳥(niǎo)類(lèi)的平均搜索范圍為30～32 000 m，因此設(shè)定0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 km共16個(gè)距離閾值，分別計(jì)算各距離閾值下斑塊之間的景觀連接度指數(shù)值與重要性指數(shù)，討論不同距離閾值下各指數(shù)的變化規(guī)律，得到適宜研究區(qū)域的距離閾值，并根據(jù)斑塊重要性排序確定源地斑塊。

利用基于圖論的Conefor軟件，選取連接數(shù)（number of link, NL）、組分?jǐn)?shù)（number of component, NC）、整體連接度指數(shù)（integral index of connectivity, IIC）、連接度概率指數(shù)（probability of connectivity, PC）和重要性指數(shù)（deltas IIC or deltas PC, dI）定量地反映景觀特征是否有利于斑塊間物種的遷移。NC代表在斑塊之間存在連接（結(jié)構(gòu)或功能）或不存在連接2種情況下，相互連接的2個(gè)斑塊組成組分；NL表示斑塊之間連接的數(shù)量，連接數(shù)越多，連接度越高；IIC通過(guò)設(shè)定特定距離閾值以判斷任意2個(gè)生態(tài)斑塊之間的生態(tài)功能是否連接；PC表示2個(gè)生態(tài)斑塊之間的最大連接概率，且較IIC而言，其計(jì)算不受相鄰棲息地的影響；dI表示移除某一斑塊后，景觀連接度的變化幅度，可量化某個(gè)斑塊對(duì)景觀連接度的貢獻(xiàn)程度，代表斑塊的重要性程度，包括整體連接度指數(shù)變化幅度（deltas IIC,dIIC）以及連接度概率指數(shù)變化幅度（deltas PC, dPC）。IIC、PC以及dI指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，n表示景觀中斑塊總數(shù)，ai和aj分別表示斑塊i和斑塊j的面積，lij表示斑塊i和斑塊j之間的連接數(shù)量，AL是景觀的總面積，是物種在斑塊i和j直接擴(kuò)散的最大可能性。I為景觀連接度指數(shù)值，本研究指IIC和PC；Iremove為將斑塊i從該景觀中剔除后，景觀的連接度指數(shù)值。歸一化方法如下：

式中，dI'代表歸一處理后的重要性指數(shù)，dIIC是整體連接度指數(shù)變化幅度，dPC是連接度概率指數(shù)變化幅度。

3.2 生物遷徙最優(yōu)距離閾值下的綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

景觀阻力是指不同景觀單元之間物種遷徙的困難程度[34]。城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的土地利用轉(zhuǎn)變差異是決定城市生物多樣性格局的重要推動(dòng)力[3]。此外，道路網(wǎng)絡(luò)密度（社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況）以及區(qū)域自然地形對(duì)生物遷徙也會(huì)造成一定的影響。因此，綜合考慮土地利用類(lèi)型、道路密度、坡度3個(gè)層面的阻力大小，參考相關(guān)文獻(xiàn)[19,27,34]并結(jié)合層次分析法確定相應(yīng)的阻力值（表1）。在最優(yōu)距離閾值下，利用ArcGIS平臺(tái)的Linkage Mapper軟件，使用源地斑塊的矢量圖和構(gòu)建阻力面來(lái)繪制斑塊之間的潛在連接廊道[35]。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)記錄落實(shí)豐臺(tái)區(qū)焦點(diǎn)物種池鷺的主要分布點(diǎn)，對(duì)比分布點(diǎn)與綠地網(wǎng)絡(luò)兩者的空間關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證所構(gòu)建的綠地網(wǎng)絡(luò)對(duì)區(qū)域生物多樣性保護(hù)的促進(jìn)效果。

表1 豐臺(tái)區(qū)生物遷徙阻力值設(shè)定[19,27,34]Tab. 1 Resistance value setting of biological migration in Fengtai District[19,27,34]

3.3 生物多樣性?xún)?yōu)先保護(hù)核心綠地斑塊與廊道識(shí)別

判斷景觀要素對(duì)整體連接程度的重要性，識(shí)別廊道中有效提升連接度的關(guān)鍵區(qū)域是保證生物順利遷徙的核心內(nèi)容。本研究使用電路理論中的電流密度來(lái)量化斑塊或廊道的相對(duì)重要性，識(shí)別生物多樣性的優(yōu)先保護(hù)區(qū)域。通過(guò)Centrality Mapper工具計(jì)算電流中心度來(lái)評(píng)估斑塊的重要性。電流中心度越大，斑塊對(duì)維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體連接度就越重要。中心度代表了源地斑塊在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中與其他斑塊產(chǎn)生的聯(lián)系的可能性，它與植被類(lèi)型、面積以及斑塊間潛在廊道的數(shù)量等因素有關(guān)。運(yùn)用Pinchpoint Mapper工具計(jì)算通過(guò)廊道的電流密度，并確定連接廊道中保證生物順利遷徙、最大限度提升廊道連接度的夾點(diǎn)區(qū)域，表明物種有較大概率通過(guò)該區(qū)域或沒(méi)有其他替代路徑，其意義在于如果該區(qū)域被移除或改變，將對(duì)功能連接產(chǎn)生更大的影響。其計(jì)算原理是將區(qū)域內(nèi)一個(gè)綠地斑塊接地，為其他斑塊輸入1 A電流，通過(guò)迭代運(yùn)算得到柵格單元的累計(jì)電流值，通過(guò)電流密度大小識(shí)別廊道中的夾點(diǎn)區(qū)域，確定生物遷徙優(yōu)先保護(hù)或恢復(fù)的關(guān)鍵空間。

4 研究結(jié)果

4.1 適宜生物遷徙的綠地斑塊最優(yōu)距離閾值分析

4.1.1 不同距離閾值下各連接度指數(shù)的變化情況分析不同距離閾值下NL和NC的數(shù)值變化（圖2、3）。結(jié)果表明，隨著距離閾值的增加，NL值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在3～10 km閾值范圍內(nèi)，NL增長(zhǎng)速度最快，當(dāng)距離閾值＞10 km時(shí)，增長(zhǎng)速度逐漸趨于平緩。NC值隨著距離增加呈對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)，初始距離為0.5 km時(shí)，NC值為121，此時(shí)景觀組分較多且破碎化程度高，綠地斑塊之間的連接度較差；距離閾值在0.5～2 km時(shí)，NC值驟降，綠地斑塊連接度迅速提高；當(dāng)距離閾值≥3 km時(shí)，NC值趨于1，表明大部分綠地斑塊能夠達(dá)到相互聯(lián)通的狀態(tài)。IIC值與PC值隨距離閾值增加均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，IIC值在0.5～6 km的范圍內(nèi)增長(zhǎng)迅速，在3 km處呈現(xiàn)增長(zhǎng)速率顯著降低，在6 km時(shí)達(dá)到0.34，之后增長(zhǎng)速度逐漸趨于平緩。在6 km時(shí)PC值達(dá)到0.36，之后增長(zhǎng)速率逐漸緩慢（圖4）。

2 NL隨距離閾值的變化情況The change of NL with the distance threshold

3 NC隨距離閾值的變化情況The change of NC with the distance threshold

4 IIC和PC隨距離閾值變化的情況The change of IIC/PC with the distance threshold

4.1.2 不同距離閾值下各綠地斑塊的dI'變化情況分析了不同距離閾值下單個(gè)綠色斑塊面積及該斑塊的dI'的變化狀況（圖5）。結(jié)果表明：在任何距離閾值范圍內(nèi)，斑塊重要程度與斑塊面積密切相關(guān)，面積越大，重要性指數(shù)越高。當(dāng)距離＜1 km時(shí)，區(qū)域內(nèi)中小型綠地斑塊的重要性無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，dI'＞1的斑塊占比僅為12%；當(dāng)距離為3 km時(shí)，中小型斑塊的重要性得到明顯的提升，dI'＞1的斑塊占比為31%；距離閾值在3～15 km范圍內(nèi)時(shí)，中小型斑塊的重要性仍在逐漸增加并趨于平穩(wěn)，dI'＞1的斑塊占比穩(wěn)定在33%左右，此時(shí)不同面積大小的綠地斑塊對(duì)于維持區(qū)域景觀連接度以及保障物種順利遷徙的貢獻(xiàn)程度已經(jīng)較為明確。

5 不同距離閾值下單個(gè)綠地斑塊面積及其歸一化處理后的重要性指數(shù)Area and normalized importance index of a single green patch under different distance thresholds

綜合來(lái)看，2～6 km是IIC和PC值增長(zhǎng)速率較快的距離閾值范圍，＞6 km后增長(zhǎng)速率降低。結(jié)合NL、NC以及dI在3 km處發(fā)生突變的情況，研究認(rèn)為3～6 km這一范圍可以作為豐臺(tái)區(qū)以生物多樣性保護(hù)為目標(biāo)的綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的較適宜的距離閾值區(qū)間，同時(shí)由于豐臺(tái)區(qū)焦點(diǎn)物種池鷺的一級(jí)保護(hù)范圍在0.2～3 km之間[30]，并且為了保障生態(tài)系統(tǒng)中有足夠規(guī)模的綠地斑塊以提供正向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能并符合豐臺(tái)區(qū)花園城市建設(shè)的政策導(dǎo)向，最終決定將3 km作為豐臺(tái)區(qū)綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化的最佳績(jī)效距離。

4.2 生物遷徙最優(yōu)距離下綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)果

在3 km最優(yōu)距離下，選取dI'值＞1的39個(gè)綠地斑塊作為有利于物種生存遷徙的源地。豐臺(tái)區(qū)生態(tài)源地面積4 122.66 hm2，占區(qū)域總面積的13.47%（圖6）。源地間潛在廊道共計(jì)83條，長(zhǎng)度介于100～6 652m之間，總長(zhǎng)度142 km。對(duì)比豐臺(tái)區(qū)目標(biāo)物種池鷺?lè)植键c(diǎn)與綠地網(wǎng)絡(luò)的空間關(guān)系發(fā)現(xiàn)，95%以上的分布點(diǎn)位于源地或池鷺必要遷徙路徑周邊，可以證明該綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有一定的可信度。

6 源地選取與潛在廊道識(shí)別結(jié)果Source patches selection and potential corridors identification results

4.3 生物多樣性?xún)?yōu)先保護(hù)核心綠地斑塊與廊道識(shí)別結(jié)果

斑塊中心度與廊道電流密度的排序結(jié)果（圖7）揭示了各個(gè)斑塊與廊道對(duì)區(qū)域整體連接度貢獻(xiàn)程度的相對(duì)大小以及生物多樣性保護(hù)的先后次序，對(duì)于制定優(yōu)先保護(hù)策略以達(dá)到最優(yōu)保護(hù)效果具有重要的作用。39個(gè)源地斑塊的中心度值在38～270 A之間。中心度大小往往與斑塊面積以及斑塊間潛在的廊道數(shù)量密切相關(guān)，結(jié)果顯示，盡管西部山區(qū)生態(tài)源地面積最大，但中心度較低，造成這種情況的原因是行政區(qū)劃邊界對(duì)于斑塊中心度計(jì)算具有不可避免的影響，因此并不能作為判斷其重要性的決定性因素?？梢悦鞔_的是該斑塊在豐臺(tái)區(qū)內(nèi)與其他綠地斑塊的聯(lián)系較弱，潛在生態(tài)廊道數(shù)量較少。西部聯(lián)通南北的源地串接了北宮國(guó)家森林公園、啞叭河等生態(tài)用地，與云崗森林公園、槐樹(shù)嶺公園、南宮生態(tài)旅游區(qū)等均有聯(lián)系，中心度最高，是生物多樣性?xún)?yōu)先保護(hù)的核心斑塊。整體而言，廊道的電流密度值相對(duì)較高，說(shuō)明大部分廊道對(duì)物種遷移必不可少。部分低電流密度廊道中存在電流值較高的夾點(diǎn)區(qū)域（圖7中黑色矩形框），它們對(duì)保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接度非常重要。與衛(wèi)星圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)，夾點(diǎn)區(qū)域多位于斑塊的邊緣，逐漸被建設(shè)用地和農(nóng)田包圍或被道路切割，由于下墊面的性質(zhì)以及植被類(lèi)型的改變，故而對(duì)生境的分割作用十分明顯，對(duì)物種遷徙造成很大阻力。

4.4 生物多樣性?xún)?yōu)先保護(hù)核心綠地斑塊與廊道優(yōu)化策略

根據(jù)所有源地與廊道的重要性對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行自然斷點(diǎn)分級(jí)（圖7），其中豐臺(tái)區(qū)西部區(qū)域重要源地斑塊緊鄰千靈山風(fēng)景區(qū)，生境質(zhì)量良好且連接度較高，斑塊發(fā)展較為穩(wěn)定。3號(hào)斑塊南北跨度大，通過(guò)北宮國(guó)家森林公園、太平嶺林地、大灰廠村林地，與其西邊的山區(qū)綠地空間、東邊的云崗森林公園（23，指圖8中編號(hào)23，后同）、鷹山森林公園和蓮石湖濕地公園（2）相連，其自身健康狀態(tài)和連接重要性均較高；10號(hào)斑塊以中關(guān)村豐臺(tái)科技園區(qū)為核心，連接了周?chē)睒?shù)嶺公園（11）與永定河園博園（6）等重要的城市綠地；14號(hào)斑塊以長(zhǎng)辛店太子峪村、后呂村鄉(xiāng)村林地為主，其多條輻射分支連通了云崗森林公園（23）、中關(guān)村豐臺(tái)科技園區(qū)（10）、槐樹(shù)嶺公園（11）、中體奧林匹克花園（21）等更多的節(jié)點(diǎn)，是生物能量流動(dòng)的重要基質(zhì)。中部區(qū)域重要源地斑塊以永定河生態(tài)走廊為基線，分布有蓮石湖濕地公園（2）、永定河休閑森林公園（1）、北京園博園（6）、曉月湖郊野公園—綠堤公園（17）、世紀(jì)森林公園（36），自身生境質(zhì)量良好，是天鵝以及其他候鳥(niǎo)的重要棲息地或者重要遷徙廊道。東部區(qū)域城市建設(shè)用地面積占比較高，4、26、5號(hào)為沿道路的線性街旁綠地斑塊；12號(hào)斑塊主要由居住綠地組成，盡管受到的人為活動(dòng)影響較大，仍是城市建成區(qū)昆蟲(chóng)、刺猬等小型哺乳動(dòng)物遷徙的重要“墊腳石”；28、19號(hào)斑塊（海子公園、槐新公園、和義公園）為面積較大的源地斑塊，是高密度建成區(qū)物種遷徙的關(guān)鍵落腳點(diǎn)，但目前28號(hào)源地斑塊為高爾夫俱樂(lè)部，盡管在表面解決了綠化問(wèn)題，實(shí)際上由于植被類(lèi)型單一嚴(yán)重影響了物種豐度。

7 基于電流密度的斑塊與潛在廊道相對(duì)重要性以及廊道上關(guān)鍵夾點(diǎn)區(qū)域識(shí)別結(jié)果The relative importance of patches and potential corridors, and the identification of key pinch points on the corridor evaluated based on the current density

8 源地斑塊與潛在廊道的重要性分級(jí)Importance classification of source patches and potential corridors

綜合來(lái)看，豐臺(tái)區(qū)西部區(qū)域重要源地斑塊一方面因其位于千靈山余脈，可與山區(qū)生態(tài)綠地形成完整的網(wǎng)絡(luò)，另一方面它們也承擔(dān)著連接西部山區(qū)和中部永定河生態(tài)廊道的重要作用。中部永定河生態(tài)走廊源地斑塊處于候鳥(niǎo)遷徙繁衍的路徑上，是提高南北連接度的關(guān)鍵位置。以上二者自身生態(tài)基地良好，同時(shí)延展輻射范圍廣，可與較多的斑塊形成連接，在該區(qū)域必須嚴(yán)格控制城市建設(shè)用地范圍以避免大型斑塊進(jìn)一步破碎化；同時(shí)永定河生態(tài)走廊下游的高爾夫球場(chǎng)嚴(yán)重影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，并對(duì)物種遷徙形成較大阻力，建議實(shí)施用地騰退策略。東部地區(qū)建議通過(guò)留白增綠政策提升道路、居住區(qū)綠地率與植物群落豐度，建設(shè)小型公園增加物種遷徙的“墊腳石”。

在此基礎(chǔ)上，將所選擇的潛在廊道與土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行疊加分析，根據(jù)所連接源地的大小、位置和廊道地表覆被類(lèi)型提出優(yōu)化策略。整體上，西部與中部永定河生態(tài)走廊區(qū)域綠地斑塊面積較大且植被覆蓋較好，識(shí)別的潛在廊道呈現(xiàn)距離短、密度大、易于落地建設(shè)的特征；重要廊道連接了鄉(xiāng)村林地與城市公園，是保證山區(qū)—城市平原基因流動(dòng)和生物遷徙的關(guān)鍵連接，促進(jìn)了永定河生態(tài)走廊與林地網(wǎng)絡(luò)之間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。這些廊道如果缺失會(huì)導(dǎo)致城市綠地與城市邊緣的生態(tài)空間體系相脫離，進(jìn)而阻止城市內(nèi)外自然系統(tǒng)之間的生態(tài)流。東部城市平原區(qū)域綠地破碎化嚴(yán)重，城市道路對(duì)生物遷徙的影響很大，所識(shí)別出的潛在廊道呈現(xiàn)距離長(zhǎng)、數(shù)量少、建設(shè)難度高的特征。對(duì)比現(xiàn)狀阻力情況，認(rèn)為新增的N22、N57、N69 3條重要廊道和N14、N16、N40、N58 4條次要廊道可落地性較高。對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)流通量較高的道路與潛在廊道的交點(diǎn)處，可采用修建野生動(dòng)物橋梁、增加廊道寬度，建設(shè)綠蔭大道等工程提高生物遷徙的成功率。

5 討論與結(jié)論

城市化進(jìn)程和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)豐臺(tái)區(qū)生物棲息環(huán)境以及遷徙路徑造成了嚴(yán)重的影響，構(gòu)建綠地網(wǎng)絡(luò)是提升空間連接度、保護(hù)生物多樣性的有效方法。本研究討論了適宜物種遷徙的綠地斑塊最優(yōu)距離閾值，借助電路模型模擬生物遷徙路徑，提取對(duì)保障生物遷徙有重要貢獻(xiàn)的生態(tài)源地與潛在連接廊道，并根據(jù)電流密度分析源地與廊道的相對(duì)重要性，提出在城市綠地建設(shè)中，通過(guò)增加生物遷徙關(guān)鍵位置的綠地斑塊，優(yōu)化綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)綠地景觀的連接度和完整性建設(shè)以維持物種生存和遷徙途徑。研究結(jié)果表明：

1）斑塊距離閾值為3 km時(shí)，區(qū)域較小綠地斑塊的重要性能夠有所體現(xiàn)，同時(shí)大型斑塊能夠保障生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，并作為物質(zhì)、能量交換的“集散地”滿(mǎn)足生物棲息與遷徙的需求，此時(shí)，IIC值為0.23，PC值為0.19。距離閾值在0.5～3 km范圍內(nèi)時(shí)，NL、IIC與PC不斷增加，在3 km處IIC與PC迅速提升，表明景觀連接度顯著提高。NC呈對(duì)數(shù)減小，在2 km處突變轉(zhuǎn)折并趨于平緩，表明距離閾值為2 km時(shí)所有斑塊能夠達(dá)到相互連通的狀態(tài)。隨著距離閾值不斷增加，IIC與PC仍然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)距離閾值達(dá)到6 km時(shí)，增長(zhǎng)速率逐漸趨于平緩，因此3～6 km是較為適宜距離閾值。為了滿(mǎn)足鳥(niǎo)類(lèi)等焦點(diǎn)動(dòng)物的遷徙距離，同時(shí)保障生態(tài)系統(tǒng)中有足夠規(guī)模的綠地斑塊以提供正向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，本研究確定3 km為適宜物種遷徙以及綠地建設(shè)的最佳績(jī)效距離。

2）在3 km最優(yōu)距離閾值下，基于“源地—廊道—關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)”范式構(gòu)建區(qū)域綠地網(wǎng)絡(luò)，明確生物多樣性?xún)?yōu)先保護(hù)區(qū)域。識(shí)別重要性指數(shù)（dI'）＞1，面積＞10 hm2的39個(gè)綠地斑塊作為源地，總面積4 122.66 hm2，源地間潛在廊道共計(jì)83條，寬度為400 m，總長(zhǎng)度142 km，總面積5 753.80 hm2。豐臺(tái)區(qū)東、西生境狀況呈現(xiàn)明顯的差異化。西部多為自然村鎮(zhèn)，綠地斑塊數(shù)量較多，生境基底良好，分布有北宮國(guó)家森林公園、云崗森林公園、青龍湖森林公園、世紀(jì)森林公園、永定河休閑森林公園等面積較大的綠地斑塊，為物種提供主要的棲息環(huán)境，該區(qū)域處于生物多樣性保護(hù)與區(qū)域發(fā)展的協(xié)調(diào)與權(quán)衡中。在中部與東部地區(qū)，建設(shè)用地和農(nóng)田侵占了大面積的生態(tài)用地，綠地斑塊面積較小且多以沿道路綠化為主的線性空間，破碎化嚴(yán)重，缺乏生物棲息的生態(tài)源地以及遷徙的“墊腳石”斑塊，廊道數(shù)量顯著降低，生物遷徙距離增加。對(duì)比豐臺(tái)區(qū)目標(biāo)物種池鷺的分布點(diǎn)與綠地網(wǎng)絡(luò)之間的空間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)95%以上的分布點(diǎn)位于源地或必要遷徙路徑邊緣，可以證明該綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有一定的可信度。

3）利用電路理論量化源地斑塊和廊道對(duì)于提升景觀連通性的重要程度、識(shí)別關(guān)鍵的連接區(qū)域并采取保護(hù)修復(fù)措施，對(duì)區(qū)域制定生境優(yōu)先保護(hù)策略、提高生物多樣性保護(hù)效率有一定的指導(dǎo)意義。因此，建議優(yōu)先開(kāi)展區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)的修復(fù)計(jì)劃，在局部地區(qū)將建設(shè)用地和耕地轉(zhuǎn)化為生態(tài)用地，作為生物遷徙的“墊腳石”，通過(guò)適當(dāng)?shù)挠玫卣{(diào)整，清除或減小生物遷徙阻力，大幅提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，可以有效保護(hù)夾點(diǎn)區(qū)域生境質(zhì)量。

目前，由于獲得種群遷徙直接測(cè)量值（物種類(lèi)型、物種分布資料、遷徙路徑監(jiān)測(cè)等）的難度和費(fèi)用較高，以城市生物多樣性為導(dǎo)向或融合生物保護(hù)的綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法以形態(tài)空間格局分析、最小成本路徑、基于圖論的連接度指數(shù)評(píng)價(jià)為主[36-37]，雖然部分學(xué)者綜合使用以上方法以求實(shí)現(xiàn)最大限度的生物保護(hù)[34]，但依舊很難準(zhǔn)確地模擬區(qū)域的物質(zhì)和能量流動(dòng)，原因在于上述方法有一個(gè)突出的局限性——假設(shè)物種的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)單一的最優(yōu)路徑中[38]。電路理論模型因結(jié)合了電子隨機(jī)游走的特性而區(qū)別于以往的景觀連接度模型，它在連續(xù)的映射層上運(yùn)行，因此考慮了多種可選的連接路徑，突出了需要更密切關(guān)注的夾點(diǎn)（關(guān)鍵棲息地），并定義優(yōu)先保護(hù)走廊，它比圖論方法或最小成本路徑分析更準(zhǔn)確地反映了生態(tài)現(xiàn)實(shí)[22]，可以越來(lái)越精確和有效地預(yù)測(cè)空間格局和特征對(duì)野生動(dòng)物的重要性，在模擬物種擴(kuò)散時(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì)[25]。

本研究結(jié)合基于圖論的景觀指數(shù)和電路理論，從結(jié)構(gòu)與功能2個(gè)層面出發(fā)，嘗試研究一種全面的綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建路徑以更好地實(shí)現(xiàn)城市生物多樣性保護(hù)。此外，采用了景觀尺度的視角來(lái)研究這一問(wèn)題，降低了該研究尺度下對(duì)大量復(fù)雜的物種數(shù)據(jù)需求的依賴(lài)性，并利用文獻(xiàn)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為輔助驗(yàn)證。這種方法可以適用于景觀結(jié)構(gòu)如何促進(jìn)或阻礙城市野生動(dòng)物物種遷徙的研究，為城市生物多樣性保護(hù)提供了研究思路，有助于相關(guān)城市規(guī)劃部門(mén)確定綠地網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先保護(hù)要素并補(bǔ)充潛在的連接走廊。

盡管結(jié)合基于圖論的景觀指數(shù)與電路理論的方法在全面評(píng)估綠地連接度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但需要注意的是，結(jié)構(gòu)性連接評(píng)估與功能性連接評(píng)估兩者在綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程中承擔(dān)的角色并不是簡(jiǎn)單的遞進(jìn)互補(bǔ)關(guān)系。一方面，在本研究中結(jié)構(gòu)性連接評(píng)估主要被用于斑塊最優(yōu)距離閾值求解以及生態(tài)源地確定的過(guò)程，結(jié)構(gòu)性連接評(píng)估更多地應(yīng)用于潛在廊道與關(guān)鍵遷徙夾點(diǎn)的識(shí)別過(guò)程。事實(shí)上，無(wú)論哪一個(gè)過(guò)程都包含了結(jié)構(gòu)性連接與功能性連接兩者的影響，因而本研究將結(jié)構(gòu)性連接與功能性連接分開(kāi)來(lái)討論構(gòu)建綠地網(wǎng)絡(luò)具有一定的局限性，在未來(lái)的研究中需要進(jìn)一步探討二者在整個(gè)綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程中發(fā)揮的作用以及相互關(guān)系。另一方面，本研究基于豐臺(tái)區(qū)的現(xiàn)狀綠地確定了源地與廊道的優(yōu)先保護(hù)順序以及亟須保護(hù)的關(guān)鍵夾點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)對(duì)比用地現(xiàn)狀與綠地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建情況，分類(lèi)討論了所識(shí)別的源地斑塊與潛在廊道的優(yōu)化策略與規(guī)劃落地性，從而能夠更加精確地對(duì)接區(qū)域生物多樣性保護(hù)規(guī)劃政策。從可持續(xù)發(fā)展的視角來(lái)看，如果能在此基礎(chǔ)上建立優(yōu)化情景，選擇有發(fā)展?jié)摿Φ木G地作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的“墊腳石”并再次評(píng)價(jià)綠地連通潛力，將會(huì)產(chǎn)生更為積極、持續(xù)的生態(tài)效益。

最后需要注意的是，由于物種遷徙具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，生物多樣性的研究范圍往往大于綠地網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建范圍，本研究中以行政區(qū)劃作為研究范圍，對(duì)位于邊界線附近的斑塊進(jìn)行評(píng)估時(shí)會(huì)帶來(lái)不可避免的誤差，因此在分析時(shí)需要從全局的角度合理權(quán)衡斑塊的重要性，這也是本研究的局限性之一，在進(jìn)一步的研究中可能考慮通過(guò)擴(kuò)大研究范圍或建立緩沖區(qū)的方法來(lái)減少行政邊界帶來(lái)的誤差影響。

圖表來(lái)源(Sources of Figures and Table)：

圖1根據(jù)中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn）下載的Land-sat 8遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯繪制；其余圖片均由作者繪制；表1根據(jù)參考文獻(xiàn)[18, 26, 34]繪制。