廣州林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

何 蕾

(廣東省嶺南院勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510030)

近年來，城鎮(zhèn)化進程速度加快，人與自然對于土地的爭奪競爭關(guān)系愈發(fā)緊張，人類活動對于自然生境斑塊的侵占，導(dǎo)致了生態(tài)景觀破碎化、生物物種多樣性降低、生態(tài)環(huán)境彈性減小、生態(tài)服務(wù)功能質(zhì)量降低等一系列的生態(tài)問題[1]。在資源緊約束下如何建立人與自然生態(tài)之間的和諧關(guān)系，成為近年來學(xué)者研究討論的熱點方向[2]，通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，對城市生態(tài)格局的建立、進一步提高景觀連接度、增強生態(tài)景觀彈性、促進山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程的進程具有重要意義[3]，可為紓解當(dāng)下生態(tài)環(huán)境問題提供重點治理地段、區(qū)域和方向的指導(dǎo)。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)這一理念最早是在19世紀(jì)50年代北美提出，作為生態(tài)保護的基本框架[4]，但生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究正式開始是在1973年，Hannon利用模型法對生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)能量的流動進行分析[5]。我國在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面的研究起步較晚，近年來隨著生態(tài)修復(fù)理念的深入，利用地理信息系統(tǒng)對景觀生態(tài)學(xué)中生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和預(yù)測評價的定性、定量分析等方面的應(yīng)用逐漸趨于成熟[6]。目前，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要是運用形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)對生態(tài)源進行識別與分類[7,8]，通過Conefor Sensinode等軟件對構(gòu)建后的斑塊區(qū)域可能連接指數(shù)進行計算，在此基礎(chǔ)上利用最小耗費距離模型(MCR)進行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[7,8]，通過重力模型進定量評價構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用強度[9]，判斷潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對整個生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響重要程度。吳晶晶通過設(shè)置4種不同景觀阻力面方案構(gòu)建潛在生態(tài)廊道，綜合4個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征提出黃河三角洲濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案[10]。齊松等通過綜合地形、景觀類型和人類活動干擾的影響等因素構(gòu)建阻力面，進而對袁州區(qū)進行生態(tài)廊道模擬、構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，提高模擬準(zhǔn)確度[11]。梁艷艷等利用重力模型對西安市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行構(gòu)建并通過評估提出優(yōu)化策略[9]。朱捷等通過“屬性—功能—結(jié)構(gòu)”三位一體的源地綜合識別指標(biāo)體系的構(gòu)建，探索解決傳統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中因缺乏尺度嵌套結(jié)構(gòu)因素的影響而易造成在上下級尺度間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)錯位的情況[12]。

本研究基于GlobeLand30全球地理信息中2020年廣州市地表覆蓋影像數(shù)據(jù)[13]，構(gòu)建廣州市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并進行分析。具體包括：利用MSPA方法將本研究對象林地作為前景數(shù)據(jù)，進行生態(tài)源的識別與分類，確定生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建核心區(qū)，通過Conefor Sensinode 2.6軟件評價，篩選出連接指數(shù)最佳的若干個區(qū)域作為生態(tài)源，運用MCP模型構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，提出生態(tài)保護建議。

1 研究區(qū)概況

廣州市位于廣東省中南部、珠江三角洲中北緣，E112°57′～114°3′，N22°26′～23°56′，見圖1。屬于丘陵地帶，西江、北江、東江三江匯合處，背山面海，整體地勢呈東北高、西南低；東北部有白云山中低山地，中部為丘陵盆地，南部則為沿海沖積平原、河網(wǎng)密布、水域面積廣闊，具有得天獨厚的地理環(huán)境優(yōu)勢，植被資源豐富；市轄11個區(qū)，包括越秀區(qū)、荔灣區(qū)、海珠區(qū)、天河區(qū)、白云區(qū)、黃浦區(qū)、番禺區(qū)、花都區(qū)、南沙區(qū)、增城區(qū)、從化區(qū)，總面積7434km2，2019年末，廣州市常住人口達1530.59萬人，是廣東省省會城市、國家中心城市、中國的“南大門”，粵港澳大灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的重要動力源，國家物流樞紐、歷史文化名城，具有重要的國家戰(zhàn)略地位。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

圖2 研究技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所用影像分析數(shù)據(jù)為2020年廣州地表覆蓋數(shù)據(jù)[13]，從GlobeLand30全球地理信息公共產(chǎn)品中下載(http://www.globallandcover.com/)，是由中國研制的30m空間分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共包括10個一級類型，分別是耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪，目前數(shù)據(jù)更新到2020年，數(shù)據(jù)研制所用分類影像主要是使用30m多光譜影像，包括美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光譜影像和中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1)多光譜影像，2020版數(shù)據(jù)還使用了16m分辨率高分一號(GF-1)多光譜影像。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院對GlobeLand30 V2020數(shù)據(jù)精度進行了總體評價，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)的總體精度為85.72%，Kappa系數(shù)0.82，符合本研究實驗探究的需求。

GlobeLand30數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)中10個一級分類類型滿足本次研究需求，因此無需進行二次分類處理。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)源地的選取

生態(tài)源地是保證生物物種棲息擴散的生境斑塊，是生物物種聚集的重要場所。生態(tài)源地的選取需基于MSPA方法對林地空間格局進行分類，MSPA是一種確定圖像中景觀類型及其結(jié)構(gòu)的處理方法[14]，本研究選擇30m×30m的柵格作為研究單元；將林地作為MSPA分析的前景數(shù)據(jù)，其他類型用地作為背景數(shù)據(jù)，對2020年廣州地表覆蓋數(shù)據(jù)進行重分類，對結(jié)果根據(jù)面積大小進行由大到小排序，選取面積排名前30個區(qū)域作為核心區(qū)斑塊，利用Conefor Sensinode 2.6軟件對這30個核心區(qū)斑塊的可能連接指數(shù)(PC)進行計算，選取可能連接指數(shù)的變化量(dPC)較大的前15個核心區(qū)斑塊作為本研究生態(tài)源地[8]。

(1)

(2)

式中，n為斑塊數(shù)；ai和aj為斑塊，其中i≠j；A為景觀總面積；Pij*表示斑塊i和斑塊j之間所有路徑的最大乘積概率；PC值范圍在0～1閉合區(qū)間內(nèi)，PC值越小，表示景觀連接度越低；PCremove表示去除某斑塊后剩余斑塊的整體指數(shù)值；dPC即用于評價某斑塊對于整體連接性的重要程度的指數(shù)，值越大表示重要性程度越高。

2.2.2 景觀阻力面構(gòu)建

景觀阻力面是用以反映物質(zhì)、能量、信息在環(huán)境中流動的阻礙程度，其影響因素包括地質(zhì)、地貌、水文等自然要素和人類活動影響因素，如道路、居民點等[15]。目前，阻力面的構(gòu)建大多采用疊加分析地形、景觀類型和人類活動等影響因素得到綜合阻力面，結(jié)合研究區(qū)域范圍大小、參考相關(guān)研究資料以及咨詢專家意見來確定各阻力因子權(quán)重。本研究由于研究時間有限，在大量閱讀相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，綜合參考前人研究阻力值賦值[8]，結(jié)合廣州地區(qū)地形地貌特征，確定土地利用類型各阻力因子阻力值，見表1。

表1 廣州土地利用類型阻力因子賦值

2.2.3 生態(tài)廊道構(gòu)建

生態(tài)廊道作為生態(tài)斑塊連接載體，具有物質(zhì)交換、能量輸送、信息傳遞等重要的生態(tài)功能，是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中必不可少的組成部分。本研究基于MCP模型在構(gòu)建的景觀阻力面基礎(chǔ)上，對生態(tài)源地相互連接之間最小阻力路徑進行構(gòu)建。MCP模型通過對斑塊間阻力成本矩陣的構(gòu)建，計算出能串聯(lián)所有斑塊的最小成本路徑，見圖3。

從圖3可知，需要從阻力矩陣的左上角到達右下角，通過對所有潛在路徑累疊阻力值的計算比較，最終確定最小阻力路徑。

圖3 MCP模型構(gòu)建阻力矩陣構(gòu)建(a)、

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用類型分析

從圖4可知，廣州林地主要分布在北部、西北部，中北部的從化、花都、白云以及增城等區(qū)域，人造地表主要集中分布在中部的荔灣、越秀、天河、海珠、番禺等；各土地利用類型中前景數(shù)據(jù)林地面積為2592.85km2，占比最大，占總面積的35.01%，其次是耕地1940.64km2和人造地表1940.64km2，分別占26.21%和25.43%。圖4數(shù)據(jù)表明，廣州土地資源利用程度高，可看出廣州林地生境較為破碎，受其他類型用地割裂情況較嚴(yán)重，林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)尚未構(gòu)建[16]。

圖4 2020年廣州土地利用類型分布及各類型面積占比

3.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

3.2.1 生態(tài)源地提取

基于MSPA方法借助Arcgisl pro 2.5軟件，利用2020年廣州土地利用類型數(shù)據(jù)，對前景數(shù)據(jù)林地進行分析。結(jié)果可知，核心區(qū)面積為2432.79km2，占前景數(shù)據(jù)的83.48%，見表2，主要分布在北部、東部，其北部分布較為集聚，東部地區(qū)斑塊較小、呈分散狀分布，南部、中西部只有少數(shù)核心區(qū)斑塊，見圖5b。孔隙和邊緣區(qū)面積較小，分別占前景數(shù)據(jù)的3.73%和9.41%，對核心區(qū)起保護作用，表明核心區(qū)抗外界干擾能力較弱，主要是由生態(tài)斑塊小而分散造成的；橋街區(qū)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中起結(jié)構(gòu)聯(lián)通性作用，占前景數(shù)據(jù)的0.77%，面積少，表明景觀連通性較差。

表2 廣州林地MSPA法分類統(tǒng)計結(jié)果

基于MSPA方法的研究數(shù)據(jù)分析，賈振毅對網(wǎng)絡(luò)連接閾值設(shè)定進行了最優(yōu)驗證，本研究參考其研究成果，結(jié)合廣州土地利用情況，設(shè)置連接距離閾值為500m，聯(lián)通概率為0.5，利用Conefor 2.6軟件對廣州林地類型核心區(qū)斑塊進行dPC計算，見表3，選取dPC數(shù)值較大的前15個區(qū)域作為研究的生態(tài)源地，見圖5。

表3 生態(tài)源地景觀連通性指數(shù)

3.2.2 景觀阻力面構(gòu)建

利用ArcGIS對不同土地利用類型進行景觀阻力值進行分級賦值，共分為7個層級，見圖5c，由圖5c可看出，高阻力值區(qū)域主要集中在南沙區(qū)、番禺區(qū)、荔灣區(qū)、越秀區(qū)等，從化區(qū)、白云區(qū)、增城區(qū)生態(tài)阻力值較小。造成的原因主要是中心城區(qū)人口密集、居民點密布、生態(tài)綠化用地較少加上道路交通的阻隔嚴(yán)重制約著生物遷移和能量流動。

3.2.3 潛在生態(tài)廊道模擬

利用MCP模型共模擬出210條生態(tài)廊道，廊道的分布呈現(xiàn)不均衡狀態(tài)，主要集中在中北部，而研究區(qū)南部沒有較好的連接，見圖5d。主要是由于研究區(qū)南部即番禺、南沙等區(qū)域，林地斑塊小，造成其核心區(qū)對于整體連接度影響重要程度低，數(shù)據(jù)計算生態(tài)源地選取中研究區(qū)南部無生態(tài)源地分布。線密度分析工具能用于計算柵格圖像中鄰域內(nèi)線狀要素的密度，反映線性覆蓋密集程度，常用于道路交通可達性分析方面的研究，利用線密度模型對MCP模擬出的生態(tài)廊道進行計算分析，得出模擬生態(tài)廊道的密度情況，見圖5e，為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供更為明確的指導(dǎo)區(qū)域。

圖5 廣州林地景觀分類圖(a)、生態(tài)源地空間分布圖(b)、土地利用類型阻力面(c)、潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(d)、潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)線密度分析(e)

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié)論

城市的發(fā)展為人們提供更加便利的生活條件以及更優(yōu)質(zhì)生活質(zhì)量的同時，也造成了城市生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢，大規(guī)模的城鎮(zhèn)化建設(shè)割裂了城市生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致景觀生態(tài)效能降低，密集的城市人口需要耗費大量的能源并產(chǎn)生各種廢物，給自然生態(tài)以沉重的“消化負擔(dān)”，人類活動對自然生態(tài)的過度干擾，也帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[18,19]，生態(tài)環(huán)境的破壞已嚴(yán)重危害到城市人居環(huán)境[17]，生態(tài)修復(fù)問題具有時代緊迫性和必要性。近年來，國內(nèi)學(xué)者積極探索將景觀生態(tài)學(xué)的理念引入城市建設(shè)中的手段和路徑[20-25]，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是基于景觀生態(tài)學(xué)基本概念與城市景觀格局建設(shè)相結(jié)合的探索研究，對修復(fù)城市生態(tài)體系具有重要指導(dǎo)意義，是應(yīng)對生境破碎化問題的有效途徑。本研究以廣州市作為研究區(qū)，利用ArcGIS、Conefor Sensinode等軟件通過MSPA方法、MCP模型、線密度模型等分析構(gòu)建廣州林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，為廣州城市生態(tài)格局的構(gòu)建提供參考，相關(guān)結(jié)論如下。

廣州市城市景觀構(gòu)成以林地、耕地為主，主要分布在北部和中東部即從化、增城、白云等區(qū)域，林地景觀區(qū)域分布不平衡狀況較為嚴(yán)重，斑塊破碎化，景觀整體性待提高；對整體景觀格局起到較為重要作用的斑塊主要分布在研究區(qū)中部，南部因地勢低，處在珠江入?？谔?，林地生態(tài)斑塊小，因此難以與中部、北部林地斑塊構(gòu)成連接；土地利用類型阻力大致呈現(xiàn)北低南高，中東部低西部高的情況，需要建立景觀生態(tài)縱向聯(lián)系，強化橫向連接度；生態(tài)廊道模擬情況中，顯示中部區(qū)域應(yīng)加強連接橋、邊緣區(qū)和支線景觀的構(gòu)建，以提高中部斑塊的內(nèi)部穩(wěn)定性提升生態(tài)源地間的連通性。

4.2 討論

本研究是廣州生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的初步探索，為廣州生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供初步參考依據(jù)，還存在許多方面的不足有待進一步完善，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

未對廣州景觀格局現(xiàn)狀，以及模擬構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行分析評價，因此無法對構(gòu)建模擬生態(tài)網(wǎng)絡(luò)前后景觀連接度進行比較分析，定量闡述生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建對于廣州生態(tài)修復(fù)的重要程度；在生態(tài)阻力面的構(gòu)建上，只是利用2020年廣州土地利用分類影響因子，尚未綜合坡度、距道路距離、距水體距離、距居民點距離等多重因素，區(qū)域劃分不夠嚴(yán)謹(jǐn)，在阻力值的選取上，本研究參考已有研究成果賦值，且目前學(xué)界的研究成果基本停留在專家意見值的層面上，具有一定的主觀性，尚未形成客觀的定量化指標(biāo)劃定；在分析核心區(qū)景觀聯(lián)通性指數(shù)時，本研究參考前人研究成果設(shè)定閾值，具體運用有必要根據(jù)具體情況做進一步的確定探究；受研究時間的限制，本研究未采用重力模型定量評價生態(tài)源地間的相互作用強度，因此沒有對產(chǎn)生的眾多生態(tài)廊道進行重要性評價進而篩選優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，提供更為準(zhǔn)確的參考。