基于MSPA與MCR的崇左市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化

蔣若琳，龔本海，王藝錦，王凌暉*

（1.廣西大學 林學院，廣西 南寧 530004；2.廣西旅游規(guī)劃設(shè)計院，廣西 南寧 530012；3.廣西民族大學 建筑工程學院，廣西 南寧 530006）

0 引言

在經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，城鎮(zhèn)化推進帶來的生境斑塊破碎化、景觀間連通性降低等生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，導致生物多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)功能遭受破壞。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)以景觀生態(tài)學理論為支撐，通過生態(tài)廊道將破碎化斑塊有機連接，從而形成完整連續(xù)的空間結(jié)構(gòu)，可有效減輕生境破碎化危害。促進生物多樣性保護及生態(tài)質(zhì)量的改善［1-3］，其關(guān)鍵在于生態(tài)源地識別及生態(tài)廊道構(gòu)建［4-5］。近年來，形態(tài)學空間格局分析（MSPA）從像元層面將研究區(qū)柵格圖像的空間格局進行度量、識別和分割［6］，能精確辨別景觀的類型及結(jié)構(gòu)，且結(jié)合景觀連通性指數(shù)可定量識別生態(tài)源地，區(qū)別于直接將自然保護區(qū)［7］、風景林［8］等生態(tài)價值較高的大型斑塊直接作為生態(tài)源地的方法，減少了源地選取的主觀性，降低了重要小型斑塊表達遺失的可能性。采用最小阻力模型（MCR）可綜合研究區(qū)的自然、人為等因素，模擬物種遷移與擴散的最佳路徑［6］；MCR結(jié)合重力模型、圖論及網(wǎng)絡(luò)分析方法［4］可以進行定量分析，以構(gòu)建及優(yōu)化生態(tài)廊道。

目前我國學者已就用MSPA與MCR構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)開展了一系列研究，研究區(qū)域涉及城市［3，5］、山地［4］、流域［9］等，結(jié)合國土空間規(guī)劃背景［10］、生態(tài)風景道選線［11］等已積累一些理論和應(yīng)用成果。當前針對崇左市域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究尚較少，陳璟如［12］采用最小阻力路徑構(gòu)建了崇左白頭葉猴生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，而通過實地考察來確定跳板對于大型研究區(qū)較難實現(xiàn)；史芳寧等［7］對包括崇左市域的廣西左右江展開了基于MCR與整體連通性指數(shù)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究。崇左市具備良好的生態(tài)條件，在經(jīng)濟快速發(fā)展、城市加速建設(shè)的當下如何協(xié)調(diào)與生態(tài)保護之間的矛盾亟待解決。本文以崇左市為研究區(qū)，基于MSPA與MCR模型，借助景觀連通性評價、重力模型等方法定量構(gòu)建及優(yōu)化了崇左市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，以期為崇左市生態(tài)環(huán)境保護與城市可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

崇左市位于廣西西南部，地理坐標為東經(jīng)106°33′～108°6′，北緯21°36′～23°22′，總面積約1.73萬km2，屬亞熱帶季風氣候，西北、西南地勢較高，向中東部傾斜，多山地、丘陵；左江貫穿南部，至東部流出境外；境內(nèi)生物資源豐富，有國家Ⅰ級保護動物白頭葉猴、黑葉猴等14種，植被類型以山地常綠、落葉、闊葉混交林、針闊葉混交林與山頂矮林為主［13］，自然保護區(qū)有國家級3處、自治區(qū)級4處。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（https://www.gscloud.cn/)；2020年土地利用及NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/)，分辨率統(tǒng)一采樣為30 m；自然保護區(qū)邊界數(shù)據(jù)來源于中國自然保護區(qū)標本資源共享平臺（http://www.papc.cn/)。

1.3 基于MSPA的景觀格局分析

崇左市林草地面積大且分布廣［7，13］，因此結(jié)合本研究的需要，用ArcGIS 10.2從土地利用二級類型數(shù)據(jù)中提取出生態(tài)服務(wù)價值高的有林地及高覆蓋度草地，作為MSPA分析的前景數(shù)據(jù)，賦值為2；將其他土地利用類型的數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)，賦值為1。將分類后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為30 m×30 m的二值柵格數(shù)據(jù)，然后在Guidos Toolbox 2.8中將前景分為7類景觀，導入ArcGIS 10.2軟件中提取核心區(qū)，作為后續(xù)景觀連接度評價的景觀要素。

1.4 景觀連接度的評價

景觀連接度可定量表征某一景觀促進或阻礙源地間生物體或生態(tài)過程運動的程度［14-15］。本研究于Conefor 2.6中將斑塊連通距離閾值設(shè)置為2500 m，連通概率設(shè)為0.5，采用斑塊重要性指數(shù)（dPC）評價具備重要生態(tài)價值的核心區(qū)斑塊，以篩選出生態(tài)源地。dPC的計算公式如下：

式（1）中：i≠j，表示斑塊 i和斑塊j之間所有路徑的最大乘積概率；PC取值范圍為［0，1］，值越小，斑塊之間連通性越低，越不利于物種交流；PCremove表示剔除某斑塊后剩余斑塊的整體指數(shù)值。在PC變化下dPC用以衡量斑塊維持景觀連通性的重要程度。

1.5 阻力面的構(gòu)建

景觀阻力反映生物在生態(tài)源地之間遷移擴散的難易程度。參照有關(guān)研究［4，9-10］，結(jié)合數(shù)據(jù)可獲取性原則，選取自然、人為相關(guān)共5個阻力因子構(gòu)建阻力面（表1），于ArcGIS 10.2中進行重分類后將阻力賦值為1～5，并參考前人的研究結(jié)果［10－11］確定阻力因子的權(quán)重，構(gòu)建阻力體系。

表1 阻力因子的分值及權(quán)重

1.6 基于MCR的潛在生態(tài)廊道的構(gòu)建

MCR的計算公式如下：

式（2）中： MCR為最小累計阻力值； Dij為物種從生態(tài)源地j到景觀單元i的空間距離； Ri為景觀單元i的生態(tài)阻力系數(shù)；f表示最小累積阻力與生態(tài)過程的正相關(guān)關(guān)系。

在確認生態(tài)源地及綜合阻力面后，于ArcGIS 10.2中用Linkage Mapper插件提取出研究區(qū)的潛在生態(tài)廊道。

1.7 重要廊道的提取

重力模型可定量評價斑塊間的相互作用強度以確定研究區(qū)廊道的重要性程度，其計算公式如下：

式（3）中：Gab為生態(tài)源地a、b間相互作用強度；Na、Nb分別為源地a、b的對應(yīng)權(quán)重值；Dab為源地間廊道阻力標準值；Pa和Pb分別代表源地a、b的平均阻力值；Sa、Sb分別為源地a、b的面積；Lab為源地a、b間廊道阻力值；Lmax為研究區(qū)內(nèi)各廊道中的最大阻力值。

1.8 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

選取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析中的網(wǎng)絡(luò)閉合指數(shù)（α）、網(wǎng)絡(luò)連接度指數(shù)（β）和網(wǎng)絡(luò)連通率指數(shù)（γ），以及成本比（c）探究研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效性［4］，計算公式如下：

式（4）中：L為廊道數(shù)；V為節(jié)點數(shù)； d為生態(tài)廊道中所有廊道總長度；α值的區(qū)間為［0，1］，其值越接近1，物質(zhì)循環(huán)與能量的流動性越強；β值的區(qū)間為［0，3］，其值越大，網(wǎng)絡(luò)的復雜程度越高；γ值的區(qū)間為［0，1］，其值越大，節(jié)點的相互連接度越高；c表示投入/產(chǎn)出關(guān)系，其值越低，構(gòu)建生態(tài)廊道的成本越小。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于MSPA的景觀格局分析

如圖1、表2所示，崇左市核心區(qū)面積為4308.30 km2，占前景總面積的84.55%；大型成片的核心區(qū)斑塊穩(wěn)定性較強，主要分布于相距較遠的研究區(qū)南北兩部，而中部斑塊破碎化嚴重，進而表明研究區(qū)南北間生態(tài)流通較為困難。邊緣區(qū)、孔隙作為核心區(qū)的保護屏障，其面積僅次于核心區(qū)，表明前景邊緣效應(yīng)較佳，以維持核心區(qū)穩(wěn)定；支線僅占前景面積的1.28%，表明前景斑塊內(nèi)外部景觀連通性欠佳；橋接區(qū)面積較小，表明核心區(qū)斑塊間連通性較弱；環(huán)道區(qū)僅占前景面積的0.07%，反映出斑塊內(nèi)部物種遷移活動消耗較大；孤島僅占前景面積的0.05%，表明可為物種提供臨時棲息地的斑塊稀少。

圖1 基于MSPA的景觀格局

表2 基于MSPA的景觀類型統(tǒng)計結(jié)果

2.2 生態(tài)源地識別分析

基于Conefor 2.6于核心區(qū)中選取dPC值大于0.01且面積大于3 km2的共計49個斑塊作為崇左市的生態(tài)源地［3，5，15-17］（圖2）。這些生態(tài)源地主要分布于寧明縣南部十萬大山及公母山區(qū)域、憑祥市南部、龍州縣大青山區(qū)域、江州區(qū)西大明山區(qū)域及南部、扶綏縣南部及北部西大明山區(qū)域、大新縣中東部及與天等縣交界的四城嶺處及天等縣北部，涵蓋了崇左市下雷自然保護區(qū)及西大明山自然保護區(qū)、寧明縣獅子頭森林公園、廣西派陽山森林公園、憑祥市世界珍稀林木生態(tài)園的大部分區(qū)域。從整體來看，在崇左市中部生態(tài)源地較為缺乏，且面積較小，分布零散，可見其受江州區(qū)、扶綏縣、龍州縣較為活躍的人為活動干擾較大。在各生態(tài)源地中，有1個源地的面積最大，達1986.03 km2，其dPC值也最佳，位于生境質(zhì)量較好、林地比例較高的崇左市南部；面積超過100 km2的生態(tài)源地共有23處，源地間面積差異反映了研究區(qū)內(nèi)養(yǎng)分及能量的異同；另外，dPC值大于1的生態(tài)源地有9處。

圖2 生態(tài)源地分布

由表3可見，斑塊面積并未直接影響dPC值，例如面積較小的7、10號斑塊均有較佳的連通性，可見結(jié)合景觀連通性指數(shù)可科學地評價MSPA分析結(jié)果，在生態(tài)源地提取上具備客觀性。

表3 生態(tài)源地斑塊的重要性指數(shù)及面積

2.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析

2.3.1 阻力面分析 崇左市的生態(tài)綜合阻力面（圖3）整體呈現(xiàn)出北高南低、中部高四周低的特征。高阻力值集中于中部一帶區(qū)縣中受人為活動影響較大的建設(shè)用地區(qū)域，導致南北區(qū)域間物種遷移及生態(tài)能量流動阻礙較大；崇左市以白頭葉猴、黑葉猴等為代表的珍稀野生動物難以穿越的水域亦有較大阻力，其次為耕地區(qū)域；研究區(qū)南部為高程及坡度阻力較大的山地，但土地類型以林地為主，生態(tài)斑塊及物種遷移所受影響較小。

圖3 崇左市的綜合阻力面

2.3.2 基于MCR的潛在生態(tài)廊道提取 于研究區(qū)提取潛在生態(tài)廊道共118條（圖4），將其寬度設(shè)為150 m作為緩沖區(qū)［12］，總面積為168.64 km2。由表4可知：部分核心區(qū)承擔了廊道的連通作用；作為前景組成部分的有林地、高覆蓋度草地，分別占生態(tài)廊道面積的5.59%、5.18%，為廊道中生境質(zhì)量較高的景觀組成部分。在土地利用一級類型中，林地在生態(tài)廊道中的占比最大，達69.06%，對研究區(qū)中物種遷移起到重要作用；其次為分布較廣、阻力值較低的耕地及生境質(zhì)量較好的草地；高阻力值的建設(shè)用地對物種遷移有極大的干擾作用，占比為0.68%；對陸生動物遷移阻力較大的水域占比為0.44%；在后續(xù)生態(tài)廊道的相關(guān)規(guī)劃中應(yīng)盡量避免過多建設(shè)用地、水域的穿越；主要由裸巖石構(gòu)成的未利用地于研究區(qū)中的面積僅有1.15 km2，生態(tài)廊道構(gòu)成并未涉及該景觀。

表4 生態(tài)廊道景觀的組成

2.3.3 重要生態(tài)廊道的識別分析 基于重力模型定量判斷研究區(qū)潛在生態(tài)廊道的相互作用強度，結(jié)果如圖4所示。從整體來看，相互作用強度較高的廊道主要分布于研究區(qū)的北部及東南部，而溝通南北的廊道所在源地間的相互作用普遍較弱。由表5可知：源地1-5間相互作用最強，強度為684919.93，表明1號與5號源地聯(lián)系緊密，物種在這2個源地間遷移的阻力最小，應(yīng)加強對應(yīng)廊道的保護；源地1-3、15-24、4-32間的相互作用強度均高于400000，遠大于其他源地間的相互作用強度，其中源地1、3、4號處于生境質(zhì)量優(yōu)良的公母山、十萬大山、大青山及西大明山區(qū)域，重視其對應(yīng)廊道的保護可有效保障物種的遷移；相互作用最弱的2個源地為3-25，強度僅為2.75；此外包括25-45、3-48等源地，由于2個源地間距離較遠，在研究區(qū)中部缺乏源地連接的條件下跨越南北，因此物種遷移的難度較高，在后續(xù)規(guī)劃中應(yīng)注重其穩(wěn)定性及連通性的建設(shè)。

表5 重要廊道所在源地間的相互作用強度

圖4 崇左市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

將相互作用強度大于100的生態(tài)廊道設(shè)為重要廊道，共75條；將其緩沖區(qū)寬度設(shè)為150 m，總面積為27.82 km2，為潛在生態(tài)廊道面積的16.50%。由圖5可知：重要廊道的土地利用類型以林地為主，占重要廊道的67.04 %；其次為耕地及草地；而對物種遷移阻力較大的水域、建設(shè)用地面積占比極小，為優(yōu)先建設(shè)研究區(qū)內(nèi)重要生態(tài)廊道提供了依據(jù)。

圖5 重要廊道的土地利用類型組成

2.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

2.4.1 新增生態(tài)源地 由于研究區(qū)中部核心區(qū)斑塊面積小且破碎化嚴重，從中再次篩選出可連通研究區(qū)南北、生境質(zhì)量較好的生態(tài)源地的難度較大，因此在維持保護原MSPA提取的生態(tài)源地的基礎(chǔ)上，將源地尚未完全涵蓋的崇左白頭葉猴、弄崗、恩城國家級自然保護區(qū)、青龍山、左江佛耳麗蚌自治區(qū)級自然保護區(qū)共5處自然保護區(qū)作為新增源地，一方面避免了以往研究直接選用生物群落較完整的保護區(qū)等區(qū)域作為生態(tài)源地的較強主觀性，同時也填補了研究區(qū)中部生態(tài)源地的缺失。對新增的源地再次模擬生態(tài)廊道，與原中部廊道對比、篩選后對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)作出了優(yōu)化調(diào)整，共計新增廊道40條（圖6）。

2.4.2 踏腳石建設(shè) 踏腳石可以為物種長距離遷徙提供暫時的棲息地，降低廊道發(fā)生斷裂的風險，從而提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，確保物種遷移的成功率［16］。物種遷移的耗費路徑與最短路徑交匯處具有“踏腳石”的作用［4，18］，因此為優(yōu)化后的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)選取了踏腳石13個（圖6），其中位于有林地的5個，林地區(qū)域10個，其余分布于草地、耕地區(qū)域，因此踏腳石建設(shè)可從其周圍具體土地類型的質(zhì)量改善著手，如對人類活動加以限制、通過幼林撫育及低產(chǎn)林改造等提高森林質(zhì)量［16］。

圖6 崇左市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果

2.4.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 對研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)構(gòu)分析，以評價其合理性及有效性［3－4］。優(yōu)化前網(wǎng)絡(luò)的閉合度（α）為0.46，線點率（β）為1.87，網(wǎng)絡(luò)連接度（γ）為0.64，成本比（c）為0.99，表明研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的回路性、廊道及節(jié)點連通性均較佳，但構(gòu)建該生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的成本較高，原因可能在于研究區(qū)范圍較大、南北間生態(tài)源地跨度大。新增源地及進行優(yōu)化后，中部一帶相互作用強度較弱的潛在生態(tài)廊道被替換，α、β、γ值分別增加至0.50、1.95、0.67，而c值下降了0.000043，表明優(yōu)化后研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)源地間的連接水平得到了有效提高，同時生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)高成本問題也有所緩解。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

崇左市有較堅實的生境質(zhì)量基礎(chǔ)，但在經(jīng)濟快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化背景下難以避免建設(shè)用地增加、人類干擾活動加劇所帶來的生境破碎化、生物多樣性減少等問題。本研究先采用MSPA結(jié)合dPC確定生態(tài)源地，這在最大程度上確保了研究區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量及連通性優(yōu)良的斑塊被提取出來，作為源地用于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；然后引入尚未完全涵蓋的自然保護區(qū)斑塊對崇左市中部一帶進行生態(tài)源地的補充，削弱了以往源地選擇的主觀性［7］。結(jié)合研究區(qū)的實際往往選取生態(tài)服務(wù)價值高且受人為干擾少的林地、草地、水域等自然景觀作為MSPA的前景；鑒于崇左市的自然林、草地面積大［7，13］，且國家重點保護野生動物以陸生動物白頭葉猴、黑葉猴、云豹等為主，本研究從土地利用二級類型數(shù)據(jù)中提取有林地、高覆蓋度草地作為前景，不涉及水域，以獲取生境質(zhì)量更佳的生態(tài)源地。

本研究采用30 m×30 m的尺度進行MSPA分析，考慮到崇左市的市域面積較大，因此將默認邊緣寬度1增加至2［4，19］，則其相應(yīng)邊緣效應(yīng)為60 m。相關(guān)研究指出針對不同景觀、斑塊性狀及研究物種設(shè)定邊緣效應(yīng)的寬度存在異同，因而在邊緣寬度設(shè)置是否促進源地正向效應(yīng)及其如何量化上后續(xù)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的實際情況及具體物種作進一步探討［4，20］。另外，借助conefor軟件實現(xiàn)dPC的計算需設(shè)定閾值及連通概率，相關(guān)研究普遍將連通概率設(shè)置為0.5，而閾值取決于具體物種的擴散距離，當其小于斑塊間距離時斑塊間則被判定為不連通；由于本研究尚缺乏詳細的物種資料，因此閾值參考相關(guān)研究而設(shè)定［11，17］，待物種資料完善后擬采用目標物種法等閾值確定方法進行完善。

阻力因子的選擇綜合考慮了自然、人為因素，較為科學地模擬了崇左市物種遷移的綜合阻力面，而目前阻力值的設(shè)置尚無統(tǒng)一標準，后續(xù)可通過不透水表面指數(shù)等數(shù)據(jù)修正完善阻力面［16］。廊道寬度的設(shè)定根據(jù)有限資料僅考慮了崇左境內(nèi)白頭葉猴較為適宜的生態(tài)廊道寬度，設(shè)為150 m，以后可定量探討研究區(qū)不同物種適宜生態(tài)廊道寬度與生態(tài)空間、功能等的相互關(guān)系，以確定研究區(qū)適宜、有長久運行能力的廊道寬度［10，21］。

3.2 結(jié)論

以有林地及高覆蓋度草地作為MSPA分析的前景，所識別的核心區(qū)面積為4308.30 km2，占前景面積的84.55%；提取的斑塊主要集中于崇左市的南北部，而在中部一帶斑塊破碎化嚴重。經(jīng)dPC及斑塊面積篩選的49個生態(tài)源地涵蓋了崇左市下雷自然保護區(qū)、西大明山自然保護區(qū)、獅子頭森林公園、派陽山森林公園等生境質(zhì)量良好的區(qū)域，而研究區(qū)中部生態(tài)源地的缺失導致南北源地間的連通性較差。

崇左市的生態(tài)阻力整體呈現(xiàn)出北高南低、中部高四周低的特征，高阻力區(qū)域主要受建設(shè)用地的影響，以崇左市中部一帶最為突出。

基于MCR共提取出潛在生態(tài)廊道118條，其中相互作用強度大于100的重要廊道有75條，集中于北部及東南部；而連通南北的廊道跨度大，相互作用弱。生態(tài)廊道構(gòu)成以林地為主，阻力較大的建設(shè)用地及水域占比小。

將生態(tài)源地尚未涵蓋的5處崇左市自然保護區(qū)作為新增源地，以填補研究區(qū)中部源地的缺失；進一步對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，新增廊道40條，并設(shè)定踏腳石13個，以維持生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。最終優(yōu)化后生態(tài)廊道的α值、β值、γ值分別提升了0.04、0.08、0.03，而c值下降了0.000043，表明崇左市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提升，建設(shè)成本降低，優(yōu)化效果明顯。