基于MCR模型的鄠邑區(qū)生態(tài)安全格局構建

劉莉莉

（長安大學，陜西 西安 710054）

0 引言

改革開放以來，國民經(jīng)濟迅速增長，城鎮(zhèn)化進程不斷推進，城市迅速擴張造成的環(huán)境破壞和資源浪費，是每個進入工業(yè)化高速發(fā)展的國家共同面臨的問題，這不僅會增加生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和敏感性，而且在很大程度上會限制城市的發(fā)展。因此，構建生態(tài)安全格局是十分必要的。

20 世紀90 年代開始，有關生態(tài)安全的研究逐漸成為熱點，國際上對綠地廊道的討論非?；钴S，我國也在浙江臺州，山東威海，菏澤等地開展了生態(tài)基礎設施規(guī)劃的探索研究［1］。以北京大學俞孔堅教授為首，大批學者對國內生態(tài)安全格局開展了研究，俞孔堅教授針對中國人多地少的突出矛盾，明確指出：應對快速城市化背景下產(chǎn)生的各種生態(tài)問題，最核心的解決方法是建立國土生態(tài)安全格局，并在各個水平上維護國土生態(tài)安全格局，提出了“生態(tài)源地識別—阻力面建立—生態(tài)廊道構建”的模式，逐漸成為構建生態(tài)安全格局的主要方法［2］。

本研究以西安市鄠邑區(qū)為例，構建城市生態(tài)網(wǎng)絡。采用InVEST 模型識別生態(tài)源地，在ArcGIS 平臺上構建阻力面，通過MCR 模型生成潛在生態(tài)廊道，結合重力模型，甄別重要廊道，構建城市綠地網(wǎng)絡，提出優(yōu)化策略。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

鄠邑區(qū)地處關中平原中部，介于東經(jīng)108°22'~108°46'和北緯33°46'~34°16'之間，總面積1 282 km2，東鄰長安區(qū)，西接周至縣，南依秦嶺，北臨渭河。地勢南高北低，差別很大，相對高差2627 m。鄠邑區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，四季冷暖干濕分明，全年太陽總輻射109.69 kcal/cm2，年均降水量為627.6 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用2019 年土地變更調查數(shù)據(jù)及分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)源地識別。生態(tài)源地是指區(qū)域內生態(tài)系統(tǒng)服務價值比較高的景觀組分，它是物種進行遷移擴散等活動的起點，對景觀過程和生態(tài)系統(tǒng)的維持與發(fā)展起著至關重要的作用。識別生態(tài)源地的方法大體分為兩種，即直接確定和間接確定。直接確定即直接將研究區(qū)內現(xiàn)存的自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等作為生態(tài)源地［3］；間接確定則通過生態(tài)服務功能評價、景觀連通性評價等方法，間接識別生態(tài)源地。由于研究區(qū)南部位于秦嶺，自然保護區(qū)也基本位于南部，直接確定的方法不能反映整個研究區(qū)的生境狀況，因此，本研究通過InVEST 模型的生境質量模塊，間接提取生態(tài)源地。將耕地、商服、工礦、住宅、交通運輸和其他建設用地作為威脅因子，結合鄠邑區(qū)實際情況進行賦值，見表1、表2。

表1 威脅因子屬性表

表2 生境敏感性指數(shù)表

1.3.2 阻力面構建。潛在生態(tài)網(wǎng)絡是由源或目標的質量決定的，但是人類活動所造成的土地利用類型的改變會顯著影響生境斑塊之間的交流，而地貌特征，諸如高程等對于物種的遷徙擴散也起著決定性的作用。因此，本研究的景觀阻力主要由土地利用類型，高程和交通三個因子構成，具體見表3。

表3 不同數(shù)據(jù)類型的景觀阻力

①土地利用類型因子。不同土地利用類型對物種交流擴散的阻力不同，林地和水域的生態(tài)環(huán)境最好，將其景觀阻力設為最小；草地生態(tài)環(huán)境較好，對生態(tài)過程起促進作用，阻力值適中；耕地和園地易受人為干擾，阻力較大；住宅用地、交通運輸用地和其他建設用地是人類的主要活動區(qū)域，人為干擾強烈，阻力值最高。

②高程因子。鄠邑區(qū)北部為渭河階地，南部為秦嶺山地，地勢南高北低差別很大。文獻［4］表明，海拔1000~1700 m 范圍內，生物多樣性較豐富，結合研究區(qū)實際高程，將海拔分為4 個間隔，設置不同阻力值。

③交通因子。道路附近的地類存在因交通可達性而轉化為建設用地的可能，且道路影響距離遠，范圍大，因此將道路也作為阻力因子之一。本研究提取鐵路和公路用地作為交通因子，以距離道路2 000 m、4 000 m、6 000 m 和8 000 m 為間隔，劃為5個等級，距離道路越近，阻力值越大。

1.3.3 基于MCR 模型的潛在生態(tài)廊道提取。最小累積阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR）是物種從源向目標的遷移擴散的過程中，穿越不同景觀表面所需要耗費的最小代價的模型，計算公式如式（1）。

式中：MCR為從生態(tài)源j通過所有單元的最小累積阻力值；f反映MCR與變量Dij和Ri之間正比關系的函數(shù)；Dij為生態(tài)源從j穿過景觀表面i的空間距離；Ri為景觀表面i對物種遷移擴散所產(chǎn)生的阻力。

1.3.4 基于重力模型的重要生態(tài)廊道提取。本研究運用重量模型定量評價生態(tài)源地間的相互作用強度，判定潛在生態(tài)廊道的連接程度，從而篩選出重要生態(tài)廊道［5］。重力模型的計算公式如式（2）。

式中：Gab是生境斑塊a和b之間的相互作用力；Na和Nb分別是兩斑塊的權重值；Dab是a和b兩斑塊間潛在廊道阻力的標準化值；Pa為斑塊a的阻力值；Sa是斑塊a的面積；Lab是斑塊a到b之間廊道的累積阻力值；Lmax是研究區(qū)中所有廊道累積阻力的最大值。

2 結果與分析

2.1 鄠邑區(qū)生態(tài)安全格局構建

2.1.1 生態(tài)源地識別。根據(jù)InVEST 模型輸出結果，基于自然點法統(tǒng)計鄠邑區(qū)生境質量指數(shù)，具體見表4、圖1。

圖1 生境質量空間分布

表4 生境質量分布表

由表4 可知，生境質量等級集中分布于Ⅰ級，占66.07%，雖然生境質量Ⅰ級的區(qū)域占比最大，但是并不能說明研究區(qū)整體生境質量優(yōu)異，由于鄠邑區(qū)南部為秦嶺，生態(tài)環(huán)境本身優(yōu)異，加之近年來國家、地方和百姓對生態(tài)環(huán)境保護也越發(fā)重視，其生境質量高是合理的。并且由圖1 可知，南部秦嶺作為Ⅰ級功能區(qū)最集中的區(qū)域，與東部的Ⅴ級功能區(qū)之間缺乏過渡，明顯割裂，這就導致其會在一定程度上受到低等級功能區(qū)的擠壓，因此，做好秦嶺周邊區(qū)域的生態(tài)安全保護工作，控制周邊地區(qū)人類活動的范圍與強度，是鄠邑區(qū)生態(tài)治理的重要內容之一。

從整體來看，生境質量等級為Ⅴ級和Ⅳ級的區(qū)域占比分別為12.56%和14.34%，共占26.9%，Ⅰ和Ⅱ級功能區(qū)分別占66.07%和6.4%，Ⅲ級功能區(qū)僅占0.63%，這反映出研究區(qū)內對生境良好的區(qū)域多有保護，但整體生態(tài)環(huán)境兩極分化的問題。城鎮(zhèn)建設與生態(tài)保護不能完全割裂，形成生態(tài)過渡區(qū)對維護整體生態(tài)安全具有重大意義。

根據(jù)模型分析結果，提取生境質量Ⅰ級功能區(qū)作為備選生態(tài)源地。提取出的斑塊面積分布不均勻，在100 hm2發(fā)生突變，因此挑選出面積大于100 hm2的17 個綠地斑塊，由于個別斑塊相鄰且距離非常近，將其合并為一個，因此共識別13 個生態(tài)源地，結果如圖2所示。

圖2 生態(tài)源地

2.1.2 基于MCR 模型與重力模型的生態(tài)網(wǎng)絡構建。本研究基于土地利用類型、高程、交通三個因子，通過柵格計算器生成綜合阻力面，結果如圖3所示。研究區(qū)南部整體阻力大幅度低于北部，南北方的生態(tài)環(huán)境差異大，不利于城市生態(tài)物質流的產(chǎn)生和融合。單從研究區(qū)北部區(qū)域來看，其北部由于有渭河經(jīng)過，生態(tài)環(huán)境相對較好，東部林地較多，阻力相對較低。

圖3 綜合阻力面

通過MCR 模型，借助ArcGIS 平臺，基于各個源地的最小累計阻力，通過成本路徑工具，生成了79條潛在生態(tài)廊道借助重力模型，計算源地間的相互作用矩陣，見表5，將相互作用力大于1 的廊道識別為重要生態(tài)廊道，得到26 條重要生態(tài)廊道，結果如圖4。

圖4 廊道分布

表5 斑塊間相互作用矩陣

由圖4 可知，鄠邑區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡還存在一些問題。研究區(qū)內重要生態(tài)廊道數(shù)量少，生態(tài)網(wǎng)絡回路少，不能覆蓋整個研究區(qū)。東部由于生態(tài)源地之間距離較近，且阻力較小，因此重要生態(tài)廊道分布密集。相對而言，西部和北部源地間因為距離遠且阻力大，少有潛在廊道被識別為重要廊道。同時如前文所說，南部生態(tài)質量雖好，但是與周邊缺乏過渡，因此研究區(qū)整體南北連通性差，生態(tài)網(wǎng)絡無法構成一個完整的整體。

2.2 鄠邑區(qū)生態(tài)安全格局優(yōu)化策略

2.2.1 合理分布綠地，優(yōu)化空間配置。生態(tài)源地是生物物種的主要棲息地，它不僅是生態(tài)過程的出發(fā)點，還應該是城市建設中重點保護的區(qū)域。隨著城市的快速發(fā)展，尤其要注意城區(qū)邊界的擴張，盡量避免不斷開發(fā)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的破壞，最大程度降低人類活動所帶來的不良影響。研究區(qū)北部綠地覆蓋率低，綠地斑塊之間的連接需要克服較大的阻力，可以把生態(tài)源地周圍的綠地與附近一些生態(tài)效益好的生境斑塊連接起來，將這些生態(tài)效益好的生境斑塊發(fā)展為二級生態(tài)源地，以達到擴大生態(tài)源地的目的，并逐步提高源地質量，從而提升整個區(qū)域的生態(tài)功能。

生態(tài)踏腳石是指在大型生態(tài)斑塊之間夾雜的一系列小型斑塊，這些小型斑塊可以構成生物臨時棲息地和遷移運動通道［6］。增加“踏腳石”斑塊不僅能夠有效提高生物物種在遷移擴散途中的存活率［7］，還可以加強生態(tài)源地間的連接程度。生態(tài)廊道交界處的物種數(shù)量通常較高于其他地方，具有更好的生態(tài)條件，因此，可以選擇在重要生態(tài)廊道的交界處設置一級“踏腳石”，潛在生態(tài)廊道的交界處設置二級“踏腳石”，增加生態(tài)網(wǎng)絡的完整度。

2.2.2 發(fā)展生態(tài)廊道，促進城市可持續(xù)發(fā)展。隨著城市快速發(fā)展，城市的道路系統(tǒng)也在不斷完善，道路分割了原本完整的生境斑塊，使得生態(tài)網(wǎng)絡斷裂。對于因道路而產(chǎn)生的障礙，可采取擴寬兩側綠化帶，增加綠化植被群落層次等方法[8]，在道路兩側建立一定寬度的綠廊，將道路對生態(tài)交流的阻礙轉化成可供生態(tài)物質遷移流動的道路廊道。

研究區(qū)內生態(tài)廊道的連接度不夠，無法實現(xiàn)良好的生態(tài)流動，應加強廊道建設，在廊道外圍設置緩沖區(qū)，從而達到拓寬廊道提高連通性的目的［8］。以林地和草地為主的生態(tài)廊道，重點設置植被群落作為緩沖；以耕地為主的生態(tài)廊道，可以適當?shù)卦诶鹊乐車烁€林，還可以依靠修建農田防護綠地作為緩沖；以水域為主的生態(tài)廊道，可以依靠種植水生或濕生植物作為緩沖。

3 結論

本研究以鄠邑區(qū)為例，在ArcGIS 平臺結合生境質量評價、最小成本距離和重力模型構建區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡，得出以下結論。

①根據(jù)生境質量服務功能評價結果，提取生境質量Ⅰ級功能區(qū)中13 個綠地斑塊作為生態(tài)源地，連接潛在廊道。通過“源地選取—阻力面構建—廊道識別”的方法，提取出79 條潛在廊道，應用重力模型計算源地間相互作用強度，篩選出26 條重要廊道，構建區(qū)域生態(tài)安全格局。

②鄠邑區(qū)整體生態(tài)環(huán)境較好，但由于人類活動主要集中于北部地區(qū)，北部的生境質量明顯低于南部，景觀阻力明顯高于南部，南北之間缺乏過渡，導致生態(tài)網(wǎng)絡南北連接不足，無法構成一個完整的整體。針對這些問題，可以通過發(fā)展生態(tài)源地、設置廊道緩沖區(qū)等方法，以達到增強南北連通性，優(yōu)化生態(tài)安全格局，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的目的。