福建省南平市延平區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化研究

文／周文輝 福州大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院 碩士研究生

王亞軍 福州大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院 副教授 博 士（通訊作者）

引言

自黨的十八大以來，落實山水林田湖草生命共同體的理念，維護生態(tài)功能完整性，修復國土空間生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成為新時代建設(shè)社會主義生態(tài)文明建設(shè)的國家戰(zhàn)略，體現(xiàn)了黨中央對自然生態(tài)系統(tǒng)保護的高度重視。福建省的生態(tài)基底優(yōu)越，森林覆蓋率達66.8%，作為生態(tài)屏障保障我國東南部區(qū)域生態(tài)安全，自2016 年起成為全國首個國家生態(tài)文明試驗區(qū)建設(shè)省[1]。南平市位于福建省北部山區(qū)，是省內(nèi)生態(tài)資源最豐富的區(qū)域之一，且在區(qū)位上對閩江流域生態(tài)系統(tǒng)有著重要影響，是生態(tài)系統(tǒng)保護和修復工作的重點區(qū)域。但該區(qū)域經(jīng)濟水平較為落后，城市發(fā)展與生態(tài)保護存在矛盾。在此背景下，亟須探索一種生態(tài)保護與經(jīng)濟建設(shè)相協(xié)調(diào)的發(fā)展模式。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)基于景觀生態(tài)學原理，借助廊道連接破碎化的生境，達到系統(tǒng)化和整體化修復自然系統(tǒng)的目標；有利于提高城市生態(tài)過程效率，有效控制城市蔓延，解決城市景觀破碎化、物種多樣性減少等問題，實現(xiàn)城市土地利用的良性發(fā)展[2]。本研究以南平市延平區(qū)為研究對象，通過形態(tài)學空間格局分析方法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）與景觀連通性分析提取核心斑塊；結(jié)合最小累積阻力模型（Minimal Cumulative Resistance Mode，MCR）識別潛在廊道，并通過重力模型（Gravity-model）評價識別結(jié)構(gòu)性廊道，構(gòu)建并優(yōu)化延平區(qū)區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系。以期為延平區(qū)生態(tài)保護和城市建設(shè)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

福建省南平市延平區(qū)（26°15′～26°52′N，117°50′～118°40′E）位于福建省中北部，地處武夷山脈、戴云山脈、鷲峰山脈三大關(guān)鍵生態(tài)屏障交匯的谷地最低處，地貌以山地丘陵為主，全區(qū)面積2659.7km2。是閩江上游建溪、沙溪、富屯溪三大支流的匯流之地，水資源十分豐富，河流年徑流量達97 億m3。區(qū)內(nèi)土地類型以林地為主，森林覆蓋率高達73%，有“綠色金庫”“森林之窗，木甲全閩”之譽[3]。動植物多樣性豐富，設(shè)有茫蕩山自然保護區(qū)，有中國中亞熱帶地區(qū)大部分的植被類型以及國家II 級以上保護動物67 種[3,4]。但區(qū)內(nèi)人口密度高，城市發(fā)展需求大，適宜建設(shè)用地較少，因此生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展矛盾日益突出，大量生態(tài)空間遭到破壞，對區(qū)域生態(tài)安全造成了威脅[5]，亟須進行生態(tài)保護。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

所用數(shù)據(jù)包括延平區(qū)行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)、延平區(qū)2020 土地利用數(shù)據(jù)（來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心，數(shù)據(jù)精度為30m，驗證總體精度為85.72%，Kappa 系數(shù)0.82，滿足數(shù)據(jù)使用需求）、延平區(qū)30m 精度DEM 數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源：地理空間數(shù)據(jù)云平臺）以及延平區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)矢量數(shù)據(jù)（來源于OpenStreetMap 平臺）。根據(jù)研究需求對延平區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進行預處理。延平區(qū)土地類型由大量林地、草地構(gòu)成（圖1），耕地和建設(shè)用地一般沿河谷分布且較集中，水系因山地形勢沿溝谷分布，水系特征明顯。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

（1）基于MSPA 模型景觀格局分析

現(xiàn)有的生態(tài)源地識別方法存在以結(jié)構(gòu)識別為優(yōu)先選擇和以生態(tài)功能識別兩種模式[6]。傳統(tǒng)的以生態(tài)功能或斑塊面積大小等生態(tài)源地的識別方法，存在一定主觀性并且忽略了景觀的結(jié)構(gòu)性特征，能充分考慮景觀在空間上的聯(lián)系[7]。MSPA 能夠通過數(shù)學形態(tài)學的方法將景觀中對連通性有重要意義的斑塊和廊道等結(jié)構(gòu)性要素識別出來。具有空間尺度兼容性高、景觀生態(tài)要素內(nèi)涵更明確、數(shù)據(jù)需求小、可操作性高等優(yōu)點[8-10]。

Guidos 分析軟件能夠?qū)Χ禆鸥襁M行MSPA分析，識別出研究區(qū)內(nèi)的核心區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)道、支線、孤島、邊緣區(qū)、穿孔、背景。將林地前景，其他利用類型作為背景，對延平區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化為二值柵格圖進行MSPA 分析。將連接參數(shù)設(shè)置為八鄰域分析，邊緣寬度為60m，通過分析得到延平區(qū)景觀類型分布格局，并統(tǒng)計各景觀類型面積（表1、圖2）。

表1 景觀類型統(tǒng)計表（表格來源：作者自繪）

（2）核心斑塊選取

景觀連通性分析可作為生態(tài)源地識別的依據(jù)，其能夠定量反映斑塊之間物種擴散和生態(tài)過程的通暢程度[11]，選擇景觀連通性較高的斑塊作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的源地更具有科學性和合理性。本研究選擇整體連通性指數(shù)（IIC）與可能連通性指數(shù)（PC）對研究區(qū)內(nèi)的核心區(qū)進行評價，在此基礎(chǔ)上用斑塊重要性指數(shù)（dPC）識別生態(tài)源地。其表達式如下：

（式中：n 指代總斑塊數(shù)量；a 指代斑塊面積；pij 指代斑塊i、j 之間全部路徑概率的乘積最大值；AL 指代研究區(qū)景觀總面積；PCremove 指代去除該斑塊外的PC。）

研究表明當生境斑塊大于10hm2時能夠為野生物種提供較好保護[12]，以面積大于10hm2的核心區(qū)為連通性評價對象。將面積達標的66 個核心區(qū)導入Conefor2.6，參考相關(guān)研究設(shè)置分析參數(shù)，將連通閾值設(shè)為500，連通概率為0.5[13]，計算PC、IIC、dPC。根據(jù)dPC 對核心區(qū)進行分級，0.5 ≤dPC 區(qū)域作為生態(tài)源地，0.1 ＜dPC ＜0.5為二級核心區(qū)，dPC ≤0.1 為三級核心區(qū)，共識別11 個斑塊作為生態(tài)源地（表2、圖3）。

表2 生態(tài)源地統(tǒng)計表（表格來源：作者自繪）

2.2 潛在廊道識別

（1）阻力面構(gòu)建

廊道的定量識別是基于對物種擴散等生態(tài)過程的模擬。不同的景觀類型、地形地貌以及人類活動對物種活動或生態(tài)過程存在不同程度的阻礙作用，構(gòu)建合理的阻力面能夠提高廊道識別的科學性[14,15]。參考相關(guān)研究[16,17]并從可操作性上考慮選取土地利用類型、高程、坡度以及交通影響作為阻力因子進行賦值。賦值范圍從1 ～100，賦值越大表示景觀類型對物種擴散的阻力越大，同時采取專家打分法確定阻力因子權(quán)重（表3）。根據(jù)賦值和權(quán)重結(jié)果疊加構(gòu)建綜合景觀阻力面（圖4）。

表3 阻力因子賦值及權(quán)重表（表格來源：作者自繪）

（2）生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

最小累積阻力模型（公式4）可以定量模擬研究區(qū)內(nèi)物種支持物種遷移與擴散的最小阻力路徑，識別潛在生態(tài)廊道[18]。將11 個生態(tài)源地提取為中心點，結(jié)合綜合阻力面基于Arc GIS10.2 平臺計算成本距離，通過成本路徑分析識別潛在生態(tài)廊道（圖5），統(tǒng)計構(gòu)成廊道的景觀類型（表4）。

（式中Dij指代生態(tài)源地j 與i 的距離；Ri指代源地i 對物種運動的阻力。）

2.3 關(guān)鍵廊道提取

重力模型的計算結(jié)果可以定量表示生態(tài)源地之間的聯(lián)系強度。源地之間的相互作用力越大則兩個斑塊聯(lián)系越緊密，連接兩個源地的廊道越重要，由此可以評價定量廊道的相對重要性[19]。根據(jù)重力模型公式（式5）計算結(jié)果構(gòu)建生態(tài)源地相互作用力矩陣（表5），選擇相互作用力G 大于1.6 的斑塊之間的連接廊道作為關(guān)鍵廊道，其他為一般廊道（圖5）。

（式中，Gab指代源地之間的重力值，Na、Nb分指代源地a、b 的權(quán)重值，Dab指代兩源地間潛在廊道的標準化阻力值，Pa和Pb指代源地a、b 的阻力值，Sa和Sb指代源地a、b 面積，Lab指代源地a、b 之間廊道的累積阻力值，Lmax指代廊道累積阻力的最大值。）

3 結(jié)果分析

3.1 基于MSPA 景觀格局分析

分析結(jié)果表明延平區(qū)的生態(tài)質(zhì)量較好，核心區(qū)是構(gòu)成區(qū)內(nèi)景觀的主要部分，總面積約193472.55hm2，占前景景觀的83.16%（圖2、表1）。在分布上，北部茫蕩鎮(zhèn)大部分地區(qū)以及城區(qū)西北部區(qū)域核心區(qū)完整性較好，形成大型連片斑塊。研究區(qū)中部，城區(qū)中部地區(qū)至夏道鎮(zhèn)、爐下鎮(zhèn)破碎化程度較高，大型斑塊較少，存在較多破碎斑塊。核心區(qū)圍繞延平主城區(qū)被閩江、富屯溪、建溪劃分為三大部分，分別位于研究區(qū)東北部、西北部以及南部集聚分布。主要由于延平區(qū)地形以山地丘陵為主，適宜城鎮(zhèn)建設(shè)的用地主要分布在河谷地區(qū)，因此建設(shè)用地主要分布在河流沿岸。橋接區(qū)面積約4223.88hm2，僅占生態(tài)用地面積的1.82%，表明生態(tài)源地之間聯(lián)系較少，生態(tài)過程在源地內(nèi)部進行。邊緣區(qū)和穿孔能夠為核心區(qū)提供屏障，提高核心區(qū)穩(wěn)定性，同時也容易受到人為活動的破壞[19]，分別占生態(tài)用地總面積的5.27%和4.29%。環(huán)島是支持核心區(qū)內(nèi)部能量流動的通道占生態(tài)源地總面積的4.17%，說明核心區(qū)內(nèi)部連通性較低[20]。支線占生態(tài)源地總面積0.99%，說明核心區(qū)與外部環(huán)境連接較少。孤島能為物種流動提供踏腳石，面積較小約713.88hm2，占生態(tài)源地總面積的0.31%分布較為分散。

3.2 景觀連通性評價

基于景觀連通性分析結(jié)果識別出研究區(qū)內(nèi)面積大于10hm2且dPC 大于0.5 的11 塊生態(tài)源地，面積約179654.58hm2，占延平區(qū)土地總面積67.55%（表2、圖3）。其中，研究區(qū)西北以茫蕩鎮(zhèn)為主的區(qū)域、南部西芹鎮(zhèn)、塔前鎮(zhèn)為主的區(qū)域、北部以南山鎮(zhèn)、赤門鄉(xiāng)為主的區(qū)域景觀連通性最高且面積較大，能夠較好地為野生物種提供棲息環(huán)境。但三塊源地中，僅2 號源地內(nèi)部完整性較高，由于建設(shè)活動主要集中于斑塊外部邊緣，斑塊具有較好的連續(xù)性。8 號、11 號源地內(nèi)部村落和農(nóng)業(yè)用地較多，存在一定破碎化風險。研究區(qū)中部城區(qū)至夏道鎮(zhèn)區(qū)域景觀破碎度較高但存在較小生態(tài)源地，主要由于城市建設(shè)開發(fā)強度較高所致。研究區(qū)東南部樟湖鎮(zhèn)所在區(qū)域斑塊連通性較低，未能識別出生態(tài)源地，主要由于在區(qū)域尺度下行政區(qū)域較為狹小且受到其他土地利用方式以及閩江分割導致。

3.3 廊道識別分析

根據(jù)延平區(qū)潛在生態(tài)廊道分析結(jié)果（圖5、表4），區(qū)內(nèi)潛在廊道總面積4629.24hm2，占延平區(qū)總面積的1.74%。研究區(qū)內(nèi)潛在廊道主要由林地、草地等生態(tài)用地構(gòu)成，其中林地面積最大約4317.84hm2，占廊道面積比重為93.27%。其次為草地、耕地，比重分別為3.31%、2.44%。水體和建設(shè)用地較少，僅為0.72%和0.25%，說明區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀生態(tài)過程受城市建設(shè)干擾較小，今后生態(tài)保護和修復工作應(yīng)該重點關(guān)注對現(xiàn)狀廊道的保護。

表4 潛在廊道用地結(jié)構(gòu)表（表格來源：作者自繪）

基于重力模型評價結(jié)果選取連接斑塊引力大于1.5 的廊道作為關(guān)鍵廊道，其他廊道為一般廊道（表5），剔除重復廊道共獲得關(guān)鍵廊道14 條（圖5）。在分布上，關(guān)鍵廊道主要分布于研究區(qū)中部，部分分布于西北部，物種在二者間擴散所受的阻力最小，在開發(fā)中應(yīng)該優(yōu)先保護。但北部廊道與中部廊道之間缺乏關(guān)鍵廊道連接，未能形成全域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。中部的關(guān)鍵廊道雖然形成網(wǎng)絡(luò)，但集中位于開發(fā)程度較高的城區(qū)、夏道鎮(zhèn)以及太平鎮(zhèn)區(qū)域，在開發(fā)建設(shè)中應(yīng)通過設(shè)施構(gòu)建對其進行保護。

表5 生態(tài)源地重力矩陣（表格來源：作者自繪）

4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議

4.1 優(yōu)化生態(tài)源地

生態(tài)源地是景觀中的關(guān)鍵核心斑塊，為物種提供棲息地，同時作為物種在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)遷徙和擴散中起重要作用的功能節(jié)點[21]。2 號生態(tài)源地是茫蕩山國家自然保護區(qū)所在區(qū)域、整體生態(tài)質(zhì)量較好且內(nèi)部生態(tài)資源豐富建議加強保護。8、11 號生態(tài)源地雖然生態(tài)質(zhì)量較 好，但斑塊內(nèi)部存在一定破碎化，需要加強內(nèi)部連接，加強對生態(tài)源地連續(xù)性的保護。1、5、6、7 號生態(tài)源地面積較小且地處城鎮(zhèn)擴展邊緣區(qū)中，容易受到建設(shè)開發(fā)活動的干擾，建議加強對邊緣區(qū)的保護。研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地主要分布于北部以及中部地區(qū)，東南部樟湖鎮(zhèn)鎮(zhèn)域內(nèi)生態(tài)源地缺失，不利于區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護和全域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。建議在重力模型分析結(jié)果中，選取鎮(zhèn)域內(nèi)選取連通性最高的生境斑塊作為增補生態(tài)源地（圖6），新增生態(tài)源地位于樟湖鎮(zhèn)中部，面積4600.35hm2。

4.2 增補關(guān)鍵生態(tài)廊道

關(guān)鍵廊道構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)主要分布于研究區(qū)中部，西北部2、4、6 號源地雖然存在三條關(guān)鍵廊道但與中部廊道缺少聯(lián)系，未能形成廊道網(wǎng)絡(luò)。同時，1 號生態(tài)源地以及東南部新增的12號生態(tài)源地與其他生態(tài)源地之間缺乏關(guān)鍵廊道聯(lián)系。建議綜合研究區(qū)實際情況以及重力模型分析結(jié)果選取相對作用力較大的源地廊道作為新增關(guān)鍵廊道，如圖新增三條關(guān)鍵廊道，連接北部與中部生態(tài)源地，同時基于12 號源地模擬識別兩條關(guān)鍵廊道連接南部與中部生態(tài)源地。優(yōu)化后的延平區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出三縱四橫的空間分布格局（圖6）。

4.3 增加關(guān)鍵廊道踏腳石

增加踏腳石有利于提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和物種在長距離遷移過程中的成功概率[22]。踏腳石的優(yōu)化考慮兩方面因素，首先廊道交叉處是影響生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性的關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)該作為優(yōu)先對象[7]。較長的廊道其穩(wěn)定性更容易由于外界干擾而降低，增加踏腳石能夠提高其穩(wěn)定性[17]。如圖6 在關(guān)鍵廊道的交叉點以及較長的廊道中部新增踏腳石24 處以提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性和穩(wěn)定性。

4.4 修復生態(tài)斷裂點

交通網(wǎng)絡(luò)會對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)造成分割，使道路與生態(tài)廊道相交區(qū)域形成生態(tài)斷裂點，嚴重影響生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的效率[23]。在生態(tài)斷裂區(qū)域，尤其是高等級道路形成的斷裂點，容易發(fā)生動物與車輛之間的沖撞，造成動物死亡[21]。選擇國道、鐵路、高速公路網(wǎng)絡(luò)與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)疊加，得到延平區(qū)潛在生態(tài)斷裂點29 處（圖6）。建議通過構(gòu)建地下通道、天橋等措施對生態(tài)斷裂點進行修復，為野生動物遷徙提供通道。

結(jié)語

延平區(qū)是閩江上游重要的生態(tài)屏障，但近年來城市擴張迅速，城市發(fā)展與自然保護矛盾日益突出。本文基于MSPA 模型對延平區(qū)生態(tài)格局進行分析，并分析了研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地的分布格局、面積和景觀連通性?；贛CR 模型和重力模型識別研究區(qū)內(nèi)潛在廊道和關(guān)鍵廊道。結(jié)果表明：（1）延平區(qū)整體生態(tài)質(zhì)量較好，生態(tài)源地面積較大且完整性較高是構(gòu)成研究區(qū)景觀格局的核心景觀，但源地主要集中于中部、北部地區(qū)，東南部有所缺失，建議進行增補源地。（2）廊道網(wǎng)絡(luò)總體上呈現(xiàn)出三縱四橫的分布格局，廊道主要由林地等阻力較小的生態(tài)用地構(gòu)成，占用建設(shè)用地較少，因此當前具有較高的完整性，在今后城市開發(fā)過程中應(yīng)該要加強保護。（3）研究區(qū)內(nèi)存在廊道較長的問題，建議新增踏腳石可提高生態(tài)廊道的穩(wěn)定性以及物種遷徙過程中的存活率和通過率。

本研究還存在以下不足：（1）邊緣寬度設(shè)置要考慮研究區(qū)大小、形態(tài)及對保護對象的適宜性等多個方面。本研究將邊緣寬度設(shè)置為60m，缺少針對性，在今后的研究中需要結(jié)合實際情況進一步確定。（2）研究中將連通距離設(shè)置為500m，連通概率為0.5，但適宜的距離閾值選擇需要結(jié)合實際物種的擴散距離以及森林景觀連接度等因素。在今后的研究中需要結(jié)合區(qū)域物種實際擴散距離的需求進一步考慮。（3）踏腳石的選取，在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，踏腳石斑塊的確定存在一定的主觀性，需要進一步通過定量化的方法提高科學性和可行性。