基于MSPA和MCR模型的襄陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化研究

張晴，郭志威，齊開，趙麗婭

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

近年來，我國城市進入快速發(fā)展階段，建設(shè)用地增加使綠地空間受到擠壓，加劇了景觀破碎化，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間格局變得無序甚至失控[1-3].景觀破碎化會導(dǎo)致生態(tài)斑塊連通性下降，物種擴散難度加大，破壞生物多樣性，不利于生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展[4-6].生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是以生態(tài)廊道為紐帶，對景觀中的斑塊進行有效連接，形成一個連續(xù)而完整的網(wǎng)絡(luò)[7-8].構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并對不同時期的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化趨勢進行分析，提高景觀連接度和保護生物多樣性，在生態(tài)環(huán)境修復(fù)方面成為一個研究熱點[9-10].

國內(nèi)外學(xué)者使用了很多模型和方法對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行研究.最小累積阻力模型(MCR)由于綜合考慮了研究區(qū)的地形、地貌、環(huán)境等多方面因素，近年來被國內(nèi)外學(xué)者采用[11-12].Knaapen等[13]基于GIS技術(shù)，結(jié)合MCR模型計算生物經(jīng)過源地斑塊時消耗的最小累積阻力來確定生物遷徙和擴散的最佳路徑.李暉等[14]采用MCR模型將香格里拉縣的生態(tài)用地分為不同安全水平高、中、低三類用地.在利用MCR模型識別核心源地斑塊時，專家們大多選擇森林公園、自然保護區(qū)等具有生物資源豐富的斑塊作為核心斑塊，忽略了其他斑塊在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的作用，有一定的主觀性[3,15].由此，引入偏向測度結(jié)構(gòu)連接性研究的形態(tài)學(xué)空間分析方法(MSPA)用于生態(tài)源地識別[16-18]提高了識別生態(tài)源地的科學(xué)性，對維持景觀連通性和識別重要廊道與斑塊具有重要生態(tài)意義.目前對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，較缺少對不同時期下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的變化分析研究.

本研究以襄陽市為研究區(qū)，選取1997、2002、2007、2012、2017年5個時間節(jié)點的土地利用數(shù)據(jù)，采用MSPA方法和MCR模型構(gòu)建襄陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并對其變化進行分析與評價，以期為襄陽市生態(tài)環(huán)境發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況襄陽市位于湖北省西北部(31°13′～32°37′N，110°45′～113°06′E)，南與荊門接壤，北與南陽毗鄰，總面積19 774.41 km2.地勢西高東低，東部為海拔90～250 m的丘陵，中部多為崗地和平原，西部多為海拔400 m以上的山區(qū).氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期.截至2017年末，常住人口565.4萬，地區(qū)生產(chǎn)總值為4 064.9億元，湖北省第二.襄陽市處于經(jīng)濟快速發(fā)展時期，建設(shè)用地的擴張對周邊生態(tài)用地和生物遷移擴散等生態(tài)過程有一定的不利影響.

1.2 數(shù)據(jù)來源1)2002年、2012年及2017年的路網(wǎng)數(shù)據(jù).2)ASTER GDEM V2全球數(shù)字高程系統(tǒng)的DEM高程數(shù)據(jù).3)襄陽市1997、2002、2007、2012、2017年5個時相的土地利用數(shù)據(jù)和landsat-TM影像數(shù)據(jù)，柵格大小為30 m×30 m.

通過ENVI 5.3平臺進行解譯，在ArcGIS軟件隨機生成200個點，將影像解譯結(jié)果與Google Earth無偏移數(shù)據(jù)進行對照，準(zhǔn)確度均在85%以上，保障影像解譯結(jié)果滿足研究的需要.

1.3 研究方法

1.3.1 基于MSPA方法的景觀格局分析 選取研究區(qū)5個時相的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件生成土地利用類型圖，使用Guidos Toolbox 2.8軟件給土地利用類型圖賦值，將其轉(zhuǎn)化為以林地為前景，其他用地作為背景的柵格二值圖.使用八鄰域分析方法，提取得出核心區(qū)、孤島、邊緣區(qū)等7類景觀(如表1)[19].

表1 景觀類型及其生態(tài)學(xué)意義

1.3.2 景觀連接度評價 景觀連接度可以表征某一景觀是否適合生物遷移與擴散，對保護生物多樣性和全面發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重大生態(tài)意義[20-21].本研究選取整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC)作為全局指數(shù)，中介度指數(shù)(BC)和斑塊節(jié)點度指數(shù)(Dg)作為個體指數(shù)來反映斑塊間的連接情況.各指數(shù)計算公式如下：

1)整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC).

表達式為：

(1)

(2)

2)中介度指數(shù)(BC).

表達式如下：

(3)

式中，j,k∈{1…n},k

3)斑塊節(jié)點度指數(shù)(Dg).

表達式如下：

Dg=|Ni|

(4)

Dg指數(shù)常用于計算斑塊的連接能力，反映某一斑塊與其他斑塊的作用關(guān)系.數(shù)值越大，表明此斑塊與其他斑塊的連接度越強.

在中介度指數(shù)(BC)和斑塊節(jié)點度指數(shù)(Dg)兩個指數(shù)的計算中，利用Graphab 2.4軟件平臺選取1 500 m為最佳連接閾值.提取面積大于25 hm2的核心斑塊，在連接閾值下將BC指數(shù)與Dg指數(shù)歸一化處理，最終選取200個核心源地斑塊作為生態(tài)源地.

1.3.3 基于MCR模型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 MCR模型是計算通過源地斑塊間的最小累積阻力來確定生物遷徙和擴散的最佳路徑[22].MCR模型公式如下：

(5)

式中：Dij表示從源點j到空間單元i的空間距離;Ri表示空間單元i的阻力系數(shù).

表2 阻力因子分級賦值及權(quán)重

MCR模型應(yīng)用的關(guān)鍵在于景觀阻力面的設(shè)定[23]，根據(jù)生物在穿越不同的景觀時所受的阻力不同[24]，選取土地利用類型、高程與坡度等景觀阻力因子，結(jié)合相關(guān)文獻資料使用專家調(diào)查法對各因子進行賦值[25-28](如表2).使用Linkage Mapper、ArcGIS、Pathmatrix等軟件建立廊道時將閾值設(shè)定為10 km，采用LinkageMapper 2.0軟件平臺模擬源地斑塊到目標(biāo)斑塊之間的潛在廊道，從而識別潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò).

1.3.4 網(wǎng)絡(luò)評價指數(shù) 選用常見的網(wǎng)絡(luò)閉合指數(shù)(α)、網(wǎng)絡(luò)連接度指數(shù)(β)以及網(wǎng)絡(luò)連通率指數(shù)(γ)對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行評價.這3種指數(shù)的變化情況反映了研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的變化特征，也有助于更好地對空間結(jié)構(gòu)中生態(tài)源地與生態(tài)廊道連接數(shù)量的關(guān)系進行研究[11].

表達式分別為：

(6)

(7)

(8)

式中：a表示潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的廊道數(shù)目，b表示網(wǎng)絡(luò)中的源地斑塊數(shù)目，P表示網(wǎng)絡(luò)中無法相互連通的斑塊數(shù)目.α可以表示網(wǎng)絡(luò)中的最大可能存在回路與實際回路比，取值范圍是[0,1].β表示節(jié)點間產(chǎn)生連線的難易程度，取值范圍是[0,3]，值越大，網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜.γ通常用于描述網(wǎng)絡(luò)中廊道的數(shù)量與最大可能廊道數(shù)量的比值，其取值范圍是[0,1]，當(dāng)γ=0時，表示節(jié)點無連接，當(dāng)γ=1時，說明每個節(jié)點都與其他節(jié)點有連接.

2 結(jié)果與分析

2.1 基于MSPA方法的景觀格局變化分析從圖1可知，核心區(qū)斑塊集中分布在襄陽市西部和東南部，其他區(qū)域零星分布，東西方向連接薄弱，其中東南部斑塊在2007年后遭受嚴(yán)重侵蝕甚至部分斑塊已經(jīng)消失.

圖1 1997—2017年襄陽市MSPA分析結(jié)果

1997—2017年，7類景觀中，除支線(增幅6.9%)外，其他6類景觀面積均有所下降.其中邊緣區(qū)下降幅度最大，下降比例為18.6%；孤島和連接橋的下降比例分別為12.6%和10.5%；核心區(qū)作為生態(tài)源地，占林地面積的90%以上，其降幅為6.8%；孔隙和環(huán)線的變化相對較小，下降比例分別為3.3%和2.0%.不難發(fā)現(xiàn)，襄陽市生態(tài)用地嚴(yán)重流失，林地面積不斷減少，大型的核心區(qū)斑塊以及邊緣地帶遭到侵蝕，影響其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.7類景觀中，除核心區(qū)持續(xù)下降外，其他景觀以2007年為轉(zhuǎn)折點，呈先升后降的倒“V”態(tài)勢.孤島是獨立的林地斑塊，作為生物遷徙過程中的重要踏腳石，占比僅0.2%，大大影響了生物間的遷徙交流(圖2).

圖2 1997—2017年7類景觀面積和占林地面積比例變化圖

2.2 景觀連接度變化分析1997—2017年，襄陽市景觀整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC)呈現(xiàn)波動上升趨勢，增幅分別為86.2%和8.5%，表明各斑塊間的連通性有明顯提升，并維持較好水平，物質(zhì)能量流動方式現(xiàn)階段沒有受到快速城市化進程的影響(圖3).

圖3 IIC指數(shù)和PC指數(shù)變化圖

由圖4可知，BC指數(shù)和Dg指數(shù)較高的斑塊主要分布在襄陽市西部山區(qū)，呈中心高四周低的態(tài)勢，說明中部斑塊與周圍其他斑塊連接緊密，是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中斑塊連接的關(guān)鍵地區(qū).其東南部丘陵地區(qū)生態(tài)斑塊的BC指數(shù)和Dg指數(shù)均呈下降趨勢，表明東南部區(qū)域的生態(tài)環(huán)境可能遭到了人為干擾，造成生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)空間變化，影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需加強生態(tài)廊道的建設(shè)來保障各斑塊之間的連通性.

圖4 BC指數(shù)和Dg指數(shù)的斑塊重要性分布圖

2.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化分析1997—2017年，襄陽市生態(tài)廊道主要分布在西部山區(qū)和東南部丘陵地區(qū)，東北部缺少廊道連接(圖5).2007年始，西北部連接破碎斑塊的廊道中高阻力廊道占比愈來愈高，東南部丘陵地區(qū)生態(tài)廊道明顯減少，城市建設(shè)地區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了退化甚至部分斑塊消失的現(xiàn)象，這是由于宜城和棗陽人口增加，人類活動對生態(tài)景觀格局的變化產(chǎn)生了影響.

圖5 潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)阻力分布圖

由表3可知，2017年廊道總長度、廊道平均阻力均為最高，廊道總累積阻力僅次于2012年，廊道數(shù)量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，但是廊道平均阻力始終保持上升的趨勢.其中廊道阻力與長度比在2以上的廊道數(shù)目從43升至74，整體增幅高達72.09%.20年間襄陽市快速城市化發(fā)展加劇了生態(tài)斑塊破碎化，導(dǎo)致連接斑塊的廊道數(shù)目、長度以及累積阻力均增加，物種遷徙與擴散也愈加困難，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性下降.

表3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)廊道統(tǒng)計

2.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價指數(shù)變化分析1997—2017年，α指數(shù)從0.77下降至0.72，整體呈波動下降趨勢，表明生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的回路數(shù)量有所下降，物種可選擇的遷移通道減少；β指數(shù)從2.49降至2.45，表明生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度有所降低；γ指數(shù)從0.85降至0.82，可見生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性也在不斷下降(表4).不難看出，襄陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的回路數(shù)量逐漸減少，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度降低，連通性逐漸降低，生物之間交流的通道數(shù)量下降，物質(zhì)信息交流難度增加.

表4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價指數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論1)1997—2017年，快速城市化的背景下，建設(shè)用地不斷擴張，襄陽市景觀格局變化整體表現(xiàn)為先升后降的倒“V”形態(tài)，林地面積以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)性下降.這與同時期國內(nèi)其他地區(qū)景觀格局變化稍有不同，武漢市前期建設(shè)用地不斷擴張導(dǎo)致生態(tài)斑塊不斷受到侵蝕，國家頒布生態(tài)保護政策后景觀面積呈現(xiàn)上升趨勢[29]，北京市從2007年到2017年出現(xiàn)快速城市化現(xiàn)象，消耗了大量自然資源的同時及時實施了“減量建設(shè)”政策來控制建設(shè)用地擴張，恢復(fù)和保護了林地資源[25].2)景觀連接度采用BC指數(shù)和Dg指數(shù)進行分析，應(yīng)選取合適的距離閾值，距離閾值越大，景觀內(nèi)區(qū)域連通性越強[30]，考慮到生物實際遷徙距離，設(shè)定1 500 m作為距離閾值，超出此距離閾值時，認(rèn)定兩個斑塊間無連通性[3]，這與韋月玲分析濕地景觀格局變化時對距離閾值的研究相一致[31].但是由于不同生物實際遷徙距離不同，因此在距離閾值在不同區(qū)域的設(shè)定仍存在不確定性.3)從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化方面來看，襄陽市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀不容樂觀.東南部的生態(tài)廊道數(shù)量明顯減少，高廊道阻力數(shù)量增加，這將導(dǎo)致生態(tài)網(wǎng)絡(luò)間的物質(zhì)能量交換變得困難，斑塊之間的可能連接性降低，不利于生物之間的交流.2007年后襄陽市建設(shè)用地不斷擴張使得城市綠地空間受到擠壓，部分小型生態(tài)斑塊受到侵蝕甚至消失，生態(tài)廊道構(gòu)建阻力加大，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性不斷下降.今后應(yīng)在現(xiàn)有的生態(tài)保護政策下，加強對源地斑塊與生態(tài)廊道的保護，建立踏腳石斑塊來減緩景觀破碎化，提高各斑塊間的連通性.

3.2 結(jié)論1)生態(tài)源地斑塊主要分布在襄陽市的西部山區(qū)和東南部丘陵地區(qū)，其他區(qū)域呈現(xiàn)零星分布，東西方向連接薄弱.2)2007—2017年，襄陽市東南部斑塊受到明顯蠶食，廊道數(shù)量下降，斑塊破碎化程度較高.3)襄陽市林地面積逐年減少，提取的七類景觀面積整體呈下降趨勢，核心區(qū)面積從2007年開始，下降比例達82.2%.但IIC指數(shù)和PC指數(shù)仍保持在較良好的水平.4)網(wǎng)絡(luò)評價指數(shù)(α指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù))從1997年到2017年呈下降趨勢，說明襄陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度下降.