河南伊川伊河國(guó)家濕地公園優(yōu)化整合分析

王亞茹，董娜琳，馬瀾桐，賀丹，雷雅凱

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院/河南省風(fēng)景園林國(guó)際景觀學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

自然保護(hù)地是生態(tài)文明建設(shè)的核心載體。目前，中國(guó)自然保護(hù)地約1.18萬(wàn)處，占國(guó)內(nèi)陸域面積的18%[1]。中國(guó)現(xiàn)有的自然保護(hù)地有些仍存在定位不清、權(quán)責(zé)不明、交叉重疊、碎片化管理、空間布局不合理、社會(huì)公益屬性弱化等問題[2]。城市型國(guó)家濕地公園，受到人為干擾的程度較高，面臨著重要城市型河流生態(tài)斑塊破碎、連通性減弱及生物多樣性喪失等問題，生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾也日益凸顯，城市化進(jìn)程導(dǎo)致景觀破碎化日益加劇，斑塊連接性不斷降低[3]。在人口密集的城市化地區(qū)，自然保護(hù)地不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性的保護(hù)非常重要，也對(duì)城市生態(tài)安全意義重大。因此，城市型自然保護(hù)地的研究對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升、保護(hù)與發(fā)展之間矛盾問題的解決具有重要意義[4-6]。

目前，形態(tài)學(xué)空間分析(MSPA)、景觀連通性、MCR模型分析等被廣泛用于對(duì)一些區(qū)域進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)化研究[7-11]，基于MSPA分析對(duì)一個(gè)地域、流域運(yùn)用連通性指數(shù)檢測(cè)該區(qū)域的現(xiàn)狀形態(tài)變化[12-14]，如吳茂全等[15]、張青萍等[16]分析了高度城市化多尺度景觀連通性的生態(tài)源地識(shí)別及格局優(yōu)化并為城市規(guī)劃提供了依據(jù)；MSPA分析方法由VOGT等[17]基于膨脹、腐蝕、開閉運(yùn)算等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理而提出，如KANG等[18]運(yùn)用MSPA對(duì)首爾都市圈進(jìn)行時(shí)空定量分析，陳竹安等[19]將MSPA與MCR模型有機(jī)結(jié)合，將景觀中的潛在生態(tài)源地及廊道作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的主要依據(jù)；運(yùn)用MSPA研究景觀連通性應(yīng)用廣泛，已有前人研究結(jié)果表明，MSPA分析方法避免了將較大斑塊面積直接作為重要核心區(qū)斑塊所帶來的主觀性[20]，能夠迅速、準(zhǔn)確識(shí)別并量化不同類型的重要核心斑塊的生態(tài)結(jié)構(gòu)要素。人類活動(dòng)及城市建設(shè)會(huì)對(duì)城市型河流周圍緩沖區(qū)空間土地布局產(chǎn)生變化，對(duì)生態(tài)斑塊產(chǎn)生一定的影響，濕地景觀格局與濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能有著密切的聯(lián)系,合理規(guī)劃會(huì)使城市濕地公園具有高度多樣化生境，提高生物多樣性[21-23]，對(duì)城市濕地公園的建設(shè)與維護(hù)有著重要的作用[24-25]。

近年來，隨著城市的迅速發(fā)展，城市建設(shè)用地的擴(kuò)建，城市生活居民的密集，城市河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞，人類活動(dòng)的強(qiáng)度使城市河流的生態(tài)遭到了威脅。河南伊川伊河國(guó)家濕地公園屬黃河流域伊洛河水系，與陸渾水庫(kù)及洛河相連，屬典型的河流濕地。在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究運(yùn)用MSPA、景觀連通性分析方法對(duì)河南伊川伊河國(guó)家濕地公園及其緩沖區(qū)生態(tài)核心區(qū)斑塊及斑塊連通性指數(shù)進(jìn)行分析，識(shí)別緩沖區(qū)潛在大斑塊，結(jié)合MCR模型計(jì)算核心斑塊之間最小累積阻力路徑，優(yōu)化土地利用空間布局，提升整體連通性，以期為城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供科學(xué)指導(dǎo)，也為此類自然保護(hù)地城市型國(guó)家濕地公園整合優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

河南伊川伊河國(guó)家濕地公園位于河南省伊川縣中部，伊河縱穿伊川縣南北，北起草店橋，南至酒后鄉(xiāng)梁圪垯村，由北向西南沿伊河呈帶狀分布；地理坐標(biāo)為34°15′21″N～34°31′51″N，112°13′55″E～112°28′08″E，(圖1);有動(dòng)物245種，植物344種，其中,國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物2種、植物2種；南北跨度31.94 km，總面積1 390.09 hm2。

圖1 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用河南伊川伊河國(guó)家濕地公園2020年0.8 m高分二號(hào)遙感影像，2021年DEM高程與坡度數(shù)據(jù)，利用軟件Arc GIS 10.2.2結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)實(shí)地調(diào)研進(jìn)行目視解譯，解譯精度達(dá)90%以上，并根據(jù)全國(guó)第3次土地調(diào)查土地分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》 GB/T 21010—2017，最終形成耕地、林地等基于同一數(shù)據(jù)源的12類土地利用現(xiàn)狀圖，利用Arc GIS 10.2.2軟件將以河南伊川伊河國(guó)家濕地公園為邊界向外擴(kuò)緩沖區(qū)擴(kuò)展距離為500、1 000和2 000 m。

2 研究方法

2.1 基于研究區(qū)域MSPA結(jié)構(gòu)連通性分析

基于Arc GIS 10.2.2軟件將以河南伊川伊河國(guó)家濕地公園為邊界向外擴(kuò)緩沖區(qū)擴(kuò)展距離為500、1 000、2 000 m，3個(gè)不同距離緩沖區(qū)進(jìn)行MSPA，在Arc GIS 10.2.2軟件中將生態(tài)用地類型水域及水利設(shè)施用地、林地、草地重分類合并作為前景，賦值為1，將其余建設(shè)用地作為背景，賦值為2。MSPA分析是在一個(gè)自由軟件集合中實(shí)現(xiàn)了一種分割技術(shù)?；诤幽弦链ㄒ梁訃?guó)家濕地公園不等距3個(gè)緩沖區(qū)，用Guidos Tool box 2.8軟件平臺(tái)，采用8鄰域分析規(guī)則，對(duì)二值柵格圖像進(jìn)行分析，不同土地利用類型保持生物資源的能力不同，水域及水利設(shè)施用地和林地、草地等通過腐蝕、膨脹、骨架提取等一系列數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算，將輸入的柵格二值圖轉(zhuǎn)化為核心區(qū)、孤島、孔隙、邊緣區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)道區(qū)、支線7個(gè)功能性景觀元素(表1)，其中，核心區(qū)、橋接區(qū)2種景觀元素對(duì)景觀連通性具有重要的生態(tài)意義。

表1 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園 MSPA景觀類型及生態(tài)學(xué)意義

2.2 景觀連通性指數(shù)

景觀連通性是指景觀促進(jìn)或阻礙生態(tài)流的程度，而斑塊面積與景觀連通性是維持景觀生態(tài)功能的重要載體。核心區(qū)域斑塊用整體連通性(IIC)可能連通性(PC)等景觀指數(shù)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，PC、IIC這2種景觀連接度指數(shù)是基于圖論和景觀連接度理論來衡量景觀連通性情況的指標(biāo)。

(1)

(2)

參考相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況，根據(jù)當(dāng)?shù)匚锓N鶴、鴨等水禽的活動(dòng)距離，距離閾值的取值方法采用目標(biāo)物種法，利用Conefor Sensinode 2.6軟件和Arc GIS 10.2.2上的插件Conefor inputs,設(shè)置連接距離閾值設(shè)定為500 m,設(shè)置連通概率為0.5[27]。

2.3 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型(MCR)模型是基于GIS技術(shù)的最常見的方法，Arc GIS 10.2.2軟件中的柵格計(jì)算器結(jié)合權(quán)重計(jì)算所有阻力因子，通過Arc GIS 10.2.2軟件cost distance模塊模擬出河南伊川伊河國(guó)家濕地公園阻力因子，綜合利用專家打分法和AHP層次分析法[28]確定各類因子的權(quán)重賦值，分別對(duì)景觀類型、高程和坡度賦值為0.637 0、0.258 3和0.104 7(表2)，再利用Arc GIS 10.2.2中的柵格計(jì)算器結(jié)合權(quán)重計(jì)算阻力基面，基于阻力面生態(tài)源地斑塊之間構(gòu)建生態(tài)廊道。不同的生態(tài)源地之間景觀流的空間運(yùn)行需要克服一定的阻力才能實(shí)現(xiàn)，用來計(jì)算并顯示從目標(biāo)點(diǎn)到源的最短路徑或最小成本路徑。該路徑是生物物種遷徙和擴(kuò)散的最佳路徑,能夠有效避免外界的干擾。其計(jì)算公式如下:

表2 阻力基面評(píng)價(jià)體系

(3)

式中:MCR為最小累積阻力值;f為未知的正函數(shù)，反映空間中任一點(diǎn)的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系;Dij為物種從源到景觀單元i的空間距離;Ri為景觀單元i對(duì)某種物種運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)[8-9,29]。

3 結(jié)果與分析

3.1 自然保護(hù)地主要用地類型矛盾問題分析

從圖2中看出，河南伊川伊河國(guó)家濕地公園主要矛盾問題為濕地資源分布破碎、居住區(qū)用地、耕地占用總面積較多，存在交通用地隔斷生態(tài)斑塊，這些問題的存在給自然保護(hù)地內(nèi)部的管理帶來了不少挑戰(zhàn)。河南伊川伊河國(guó)家濕地公園及其緩沖區(qū)各類土地利用面積占比情況見表3。隨著500、1 000、2 000 m緩沖區(qū)工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、耕地、公共管理與公共服務(wù)用地占比呈遞增趨勢(shì)，水域及水利設(shè)施用地占比呈遞減趨勢(shì)；河南伊川伊河國(guó)家濕地公園內(nèi)工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地50.87 hm2，占比3.66%；其次，耕地面積27.98 hm2,農(nóng)業(yè)面污染廣，導(dǎo)致水質(zhì)變差，占比2.01%;水域及水利設(shè)施用地面積1 208.15 hm2，占總面積85.69%，其中坑塘水面溝渠、養(yǎng)殖坑塘等養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中會(huì)導(dǎo)致水的富營(yíng)養(yǎng)化及土地斑塊的破碎；住宅用地0.39 hm2，河流水質(zhì)由于沿途生活污水排入，導(dǎo)致氨、氮等超標(biāo)，超標(biāo)原因在于沿河道兩側(cè)當(dāng)?shù)鼐用裆钗鬯呐欧乓约稗r(nóng)業(yè)面源污染所致，導(dǎo)致一些水生動(dòng)物、鳥類、水禽受到生存的威脅[30-32]。

圖2 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園及其500 、1 000 、2 000 m緩沖區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

表3 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園及其緩沖區(qū)500、1 000 、2 000 m用地類型表

續(xù)表Continuing table

3.2 MSPA景觀格局分布特征

由圖3、表4河南伊川伊河國(guó)家濕地公園及其緩沖區(qū)可以看出，經(jīng)過MSPA分析河南伊川伊河國(guó)家濕地公園核心區(qū)斑塊面積為1 071.11 hm2，占研究區(qū)面積的77.06%，橋接區(qū)面積約為7.47 hm2，占總面積的0.54%，核心區(qū)、橋接區(qū)對(duì)物種的遷徙交流有連通性結(jié)構(gòu)的作用；緩沖區(qū)500 m核心區(qū)與橋接區(qū)面積分別為1 471.38和97.36 hm2，占前景生態(tài)用地類型的68.77%和3.68%、總面積的28.01%和1.80%，孔隙和邊緣區(qū)分別占前景生態(tài)用地類型1%和25.32%、總面積的0.49%和12.35%，二者均具有生態(tài)邊緣效應(yīng)；緩沖區(qū)1 000 m核心面積1 810.72 hm2占總面積的19.59%，橋接區(qū)面積161.64 hm2，占總面積0.018%；緩沖區(qū)2 000 m核心區(qū)面積2 229.38 hm2，占總面積的10.69%，橋接區(qū)面積320.31 hm2，占總面積0.57%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析緩沖區(qū)500 m核心區(qū)占比相較于1 000、2 000 m緩沖區(qū)要高，隨著距離河道越遠(yuǎn)的緩沖區(qū)斑塊結(jié)構(gòu)連通性減弱。

圖3 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園500 、1 000、2 000 m MSPA分析圖

表4 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園及其500 、1 000 、2 000 m緩沖區(qū)MSPA分析

3.3 景觀連通性指數(shù)分析與生態(tài)源地提取

由Conefor 2.6軟件計(jì)算分析出的景觀連通性和根據(jù)每個(gè)斑塊的dPC與dIIC篩選出重要核心區(qū)，用于評(píng)價(jià)研究區(qū)區(qū)域內(nèi)整體景觀連接度水平,基于景觀連通性指數(shù)分析，把河南伊川伊河國(guó)家濕地公園及其緩沖區(qū)500 、1 000 、2 000 m篩選出重要斑塊9個(gè)，如表5所示。斑塊1dPC值最大，隨著緩沖區(qū)向外擴(kuò)充緩沖區(qū)dPC值減小，而總dPC值增大，表明斑塊1并不隨面積的增加連通性變好；斑塊2、3、4位于伊川縣經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城區(qū)，緩沖區(qū)500～1 000 m范圍內(nèi)dPC指數(shù)增加，連通性增加；斑塊5、6位于伊川縣北部，建設(shè)用地對(duì)該區(qū)域重要核心區(qū)斑塊影響程度較大；斑塊8、9處于伊川縣南部，500 m緩沖區(qū)至2 000 m緩沖區(qū)主要用地類型為耕地，南部地勢(shì)較高，該區(qū)域內(nèi)dPC值偏低。

表5 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園重要核心斑塊dPC、dIIC值

基于景觀連通性指數(shù)分析，篩選出500、1 000、2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)景觀連通性指數(shù)較大的斑塊，1

圖4 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園研究區(qū)重要生態(tài)源地圖

3.4 基于MCR模型生態(tài)廊道的構(gòu)建

Arc GIS 10.2.2軟件中的柵格計(jì)算器結(jié)合權(quán)重計(jì)算所有阻力因子，通過Arc GIS 10.2.2軟件costdistance模塊模擬出河南伊川伊河國(guó)家濕地公園阻力因子，再利用Arc GIS 10.2.2中的柵格計(jì)算器結(jié)合權(quán)重計(jì)算阻力基面，基于阻力面生態(tài)源地斑塊之間構(gòu)建生態(tài)廊道，河南伊川伊河國(guó)家濕地公園內(nèi)斑塊對(duì)緩沖區(qū)最小阻力路徑斑塊由圖5看出，區(qū)域一斑塊5與斑塊6之間的最小阻力路徑阻力值最小，區(qū)域二斑塊2、3、4與斑塊18之間的的阻力值最小，斑塊18位于河道的右岸，林地占地面積較高，該區(qū)域右岸比主城區(qū)的的左岸建設(shè)用地類型面積少。

圖5 河南伊川伊河國(guó)家濕地公園9條最小累積阻力路徑圖

分析結(jié)果顯示，河南伊川伊河國(guó)家濕地公園內(nèi)重要核心斑塊作為生態(tài)源地最小累積阻力路徑共有45條，其中阻力值最小的有9條，8條最小累積阻力路徑分布并不與距離呈正相關(guān)關(guān)系，而是與生態(tài)源斑塊所處的位置方位呈正相關(guān)關(guān)系。表明該公園內(nèi)縱向連通性相較于橫向連通性差。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本研究基于MSPA分析和景觀連通性指數(shù)分析，評(píng)估河南伊川伊河國(guó)家濕地公園內(nèi)土地利用類型矛盾沖突問題、核心生態(tài)斑塊的連通性以及識(shí)別周邊最小累積阻力路徑的潛在大斑塊，結(jié)論如下：

河南伊川伊河國(guó)家濕地公園主要用地矛盾是公園中的建設(shè)用地等問題，工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地50.87 hm2、耕地27.98 hm2、住宅用地0.39 hm2、總面積79.24 hm2，占河南伊川伊河國(guó)家濕地公園面積5.70%。

經(jīng)MSPA分析緩沖區(qū)500 m核心區(qū)占比28.10%，高于1 000、2 000 m該緩沖區(qū)內(nèi)核心斑塊占比，主要因?yàn)槟壳暗谋Ｗo(hù)地邊界內(nèi)基本沒有河岸帶緩沖區(qū)，核心斑塊主要為水體。

河南伊川伊河國(guó)家濕地公園連通性指數(shù)總體上呈“中間高、南北低”的空間分布特征。

河南伊川伊河國(guó)家濕地公園內(nèi)部重要核心斑塊生態(tài)廊道有45條，其中阻力值較小路徑的有9條，8條較小路徑斑塊分布在緩沖區(qū)內(nèi)。

本研究從河南伊川伊河國(guó)家濕地公園功能、結(jié)構(gòu)連接度出發(fā)，是對(duì)城市型國(guó)家濕地公園優(yōu)化整合及城市周圍緩沖區(qū)生態(tài)斑塊建設(shè)的探究,下一步需要加強(qiáng)在城市范圍內(nèi)河南伊川伊河國(guó)家濕地公園生物多樣性的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使城市生態(tài)系統(tǒng)更加完整，完善城市綠地格局。

4.2 優(yōu)化建議

1)建議調(diào)出濕地公園內(nèi)部采礦用地、耕地及住宅用地；破碎的溝渠、坑塘用地歸為河流水面，制定嚴(yán)格的調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)。參考自然資源部國(guó)家林業(yè)和草原局《關(guān)于做好自然保護(hù)區(qū)范圍及功能分區(qū)優(yōu)化調(diào)整前期有關(guān)工作的函》，自然公園屬于一般控制區(qū)，河南伊川伊河國(guó)家濕地公園中部土地利用矛盾問題較為突出，中部左岸為伊川縣主城區(qū)，居住區(qū)密集，可以考慮對(duì)土地利用進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)自然保護(hù)地的邊界應(yīng)適當(dāng)往外調(diào)整，增加河岸帶緩沖區(qū)，增強(qiáng)濕地生物多樣性的保護(hù)與恢復(fù)，同時(shí)減少面源污染。

2)在1 000、2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)中部主城區(qū)，居民點(diǎn)密集，建議自然保護(hù)地管理部門與河道左側(cè)城關(guān)鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)樹的當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)社區(qū)協(xié)調(diào)管理，重視當(dāng)?shù)鼐用耖_發(fā)利用土地合理化需求，共同維護(hù)生態(tài)斑塊完整性，提高城市內(nèi)部濕地資源的保護(hù)水平，禁止建設(shè)用地的無限制擴(kuò)張，制定伊川伊河濕地公園適合園內(nèi)生態(tài)發(fā)展制度。

3)加強(qiáng)管護(hù)河道、保護(hù)周圍綠地布局的建設(shè)，在重要斑塊優(yōu)化中應(yīng)注意生境營(yíng)造，建議將識(shí)別的潛在連通性較好斑塊列為保護(hù)空缺，均衡斑塊連通性指數(shù)空間分布，可使連通性指數(shù)增加約1.2倍；著重維護(hù)500 m緩沖區(qū)至2 000 m范圍內(nèi)中部城鎮(zhèn)樹、城關(guān)鎮(zhèn)、平等鄉(xiāng)等居住用地較多的地區(qū)斑塊；白元鄉(xiāng)、酒后鄉(xiāng)、葛寨鄉(xiāng)等地區(qū)主要以耕地為主，該地區(qū)應(yīng)進(jìn)行規(guī)范用地限制，加強(qiáng)退耕還林、草的建設(shè)。