基于MSPA與電路理論的洛陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化

楊佩 時(shí)雅寧 朱格格 唐雅蘭 陳雨如 陸東芳

(福建農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院,福建 福州 350002)

城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,往往伴隨著高密度的土地開發(fā),這將導(dǎo)致大型的生態(tài)斑塊被侵占,連接生態(tài)用地間的廊道也被隔斷[1],生態(tài)斑塊之間的聯(lián)系逐漸減弱[2]。景觀連通性降低,物種棲息、繁衍、遷徙和擴(kuò)散等生態(tài)過程受阻,對保護(hù)生物多樣性造成了巨大的影響,并且威脅生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能和可持續(xù)性[3]。城市化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的沖突已經(jīng)不可忽視,而通過構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并對其評價(jià)和優(yōu)化可以增加斑塊間的相互聯(lián)系,提高景觀連通性,強(qiáng)化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能。

經(jīng)過大量學(xué)者的研究,源地—阻力面—廊道的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式,已經(jīng)成為較為成熟的研究范式[4]。生態(tài)源地的選擇多從大型生態(tài)斑塊如自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園等地方[5]直接提取,或者從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[7-9]、生境質(zhì)量[10-11]、生態(tài)敏感性[12]、生態(tài)安全[13]等方面建立指標(biāo)來識別,部分學(xué)者則是采用形態(tài)學(xué)空間格局分析 (Morphological Spatial Pattern Analysis,簡稱MSPA)方法結(jié)合景觀連通性,從生態(tài)斑塊的功能和連通性兩個(gè)方面篩選生態(tài)源地[1]。生態(tài)廊道的提取方式有圖論法、電路理論和最小累計(jì)阻力模型等。其中電路理論是整合電子物理學(xué)以及隨機(jī)游走理論對生態(tài)連接進(jìn)行模擬的模型,能夠提取具有寬度信息的生態(tài)廊道[14],自動剔除部分重復(fù)的廊道[15],還具備識別生態(tài)廊道中的主要連接節(jié)點(diǎn)“夾點(diǎn)”和“障礙點(diǎn)”的功能。

本研究以河南省洛陽市為研究對象,通過形態(tài)學(xué)格局分析法識別并提取出核心區(qū)斑塊,結(jié)合Conefor軟件進(jìn)行連通性評價(jià)篩選生態(tài)源地,基于電路理論的原理,利用 Linkage Mapper工具識別潛在生態(tài)廊道,并提取生態(tài)夾點(diǎn)和障礙點(diǎn),構(gòu)建洛陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò),優(yōu)化洛陽市生態(tài)空間布局。

1 研究區(qū)概況

洛陽市位于河南省的西部,橫跨黃河中下游南北兩岸,因地處洛河之陽而得名(見圖1)。洛陽市的總面積為1.52萬km2,現(xiàn)轄7縣7區(qū),截至2022年底,常住人口707.9萬人。地理位置位于東經(jīng)112°16′—112°37′,北緯34°32′—34°45′,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

圖1 洛陽市概況圖

洛陽市的地勢總體西高東低,境內(nèi)山川丘陵交錯,地形復(fù)雜多樣。其中山區(qū)占45.51%,丘陵占40.73%,平原占13.8%。主要山脈有崤山、熊耳山、伏牛山和外方山,少量平原分布在東北端的洛陽盆地內(nèi)。洛陽境內(nèi)較大的河流有洛河、伊河、澗河,發(fā)源于西南部山區(qū),匯聚于東北端的盆地,最后流入黃河,黃河為洛陽市北部界河。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括:(1)2020年洛陽市土地利用數(shù)據(jù)來自于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)平臺(https://www.resdc.cn/)。(2)數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云 (https://www.gscloud.cn/)。(3)2021年洛陽市NDVI數(shù)據(jù)來自于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)平臺(https://www.resdc.cn/)。(4)道路矢量數(shù)據(jù)來自于OpenStreetMap(https://www.openstreetmap.org/)數(shù)據(jù)平臺。(5)坡度數(shù)據(jù)是由數(shù)字高程數(shù)據(jù)經(jīng)過ARCgis10.5軟件中的空間分析工具生成的。以上數(shù)據(jù)的分辨率都是30 m,并且經(jīng)過初步處理,將數(shù)據(jù)統(tǒng)一為坐標(biāo)系WGS 1984 UTM Zone 49N。

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA方法識別景觀要素

形態(tài)學(xué)空間格局分析是一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理和網(wǎng)格圖像空間模式的圖像處理方法[16],通過計(jì)算景觀中不同形狀和大小的斑塊的數(shù)量和分布,來描述景觀的空間格局。

在本研究中,利用ARCgis10.5軟件,先將獲取到的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類,分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類(見圖2),將其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)性高、生物多樣性較好的林地和草地作為前景,其他類型的土地利用數(shù)據(jù)作為背景,再借助Guidos Toolbox軟件的MSPA工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行腐蝕、膨脹等運(yùn)算,將前景要素分為 7 類互斥景觀要素(核心區(qū)、島狀斑塊、橋接區(qū)、邊緣區(qū)、孔隙、環(huán)道區(qū)、支線)。其中核心區(qū)是前景要素中像元較大的生境斑塊,可以為野生動物提供充足的棲息地,是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的潛在源地,可根據(jù)核心區(qū)斑塊面積大小篩選提取重要核心區(qū)做景觀連通性分析。

2.2.2 基于斑塊重要性篩選生態(tài)源地

景觀連通性可以顯示景觀要素在空間中的聯(lián)系程度,斑塊的景觀連通性越高,越有利于物種的遷徙和擴(kuò)散[17]。景觀連通性有多個(gè)指標(biāo),常用的有整體連通性指數(shù)(IIC)、可能連通性指數(shù)(PC)、斑塊重要性指數(shù)(dPC)。其中斑塊重要性指數(shù)是一種衡量斑塊重要性的指標(biāo),它考慮了斑塊的大小、形狀和位置對連通性的影響。dPC的值越高,說明斑塊對整個(gè)景觀的連通性貢獻(xiàn)越大[1,18-19]。因此本研究選擇斑塊重要性指數(shù)作為生態(tài)源地的衡量標(biāo)準(zhǔn)。具體公式為:

式中:PCremove為該斑塊剔除后剩下斑塊整體的連通性,dPC代表生態(tài)斑塊的重要程度。dPC的計(jì)算方法是將每個(gè)斑塊從連通性矩陣中刪除,再計(jì)算刪除后的PC值與原始PC值之差。

2.2.3 綜合阻力面構(gòu)建

景觀阻力可以反映生物在不同空間中遷移擴(kuò)散的難易程度。物種的遷移和能量的流動,都會受到阻力面的影響,阻力值越大的地方,物種的活動越會受阻[20]。

阻力因子的選擇一般考慮自然要素因子和人為活動因子這兩個(gè)方面。本研究結(jié)合前人研究結(jié)果[21-24],選擇土地利用類型、高程、坡度、植被歸一化指數(shù)(NDVI)、距水域距離、距道路距離6個(gè)阻力因子,利用ARCgis10.5軟件柵格加權(quán)疊加來構(gòu)建綜合阻力面。具體的各因子阻力賦值及權(quán)重如表1所示。

表1 阻力因素賦值

2.2.4 生態(tài)廊道提取和重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)的識別

生態(tài)廊道可有效連接相鄰兩個(gè)源地,是物種遷徙和能量擴(kuò)散的重要路徑[23]。電路理論根據(jù)電子隨機(jī)游走特征,模擬物種在某一景觀面中的遷移擴(kuò)散過程,識別景觀面中多條具有一定寬度的可替代路徑[14,24]?；诰C合阻力面,借助Linkage Mapper工具識別最優(yōu)生態(tài)廊道。

生態(tài)節(jié)點(diǎn)是對區(qū)域生態(tài)過程起關(guān)鍵促進(jìn)或抑制作用的生態(tài)地段[25]。本研究主要識別的是生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)。其中生態(tài)夾點(diǎn)是利用Pinch point Mapper工具,使用多對一(all-to-one)模式,將廊道成本加權(quán)距離設(shè)置為 10 000 m,識別出電流密度高的區(qū)域就是生態(tài)夾點(diǎn),又稱為“瓶頸點(diǎn)”。生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域代表物種遷徙過程途經(jīng)此地的可能性較大,或者此區(qū)域在生物活動過程中的可替代性小,是值得保護(hù)的區(qū)域[10]。生態(tài)障礙點(diǎn)是利用Barrier Mapper 工具識別的,其工作原理是通過計(jì)算累積電流恢復(fù)值的大小進(jìn)行識別,其中值高的區(qū)域顯示物種在源地間遷徙過程受到較大阻礙,就是生態(tài)障礙點(diǎn)。在本研究中,設(shè)置最小搜索半徑為50 m,最大搜索半徑為500 m,以50 m為步長,通過移動窗口法搜索檢測,結(jié)合實(shí)際結(jié)果選取50 m梯度作為本研究最合理的迭代半徑。

3 結(jié)果與分析

3.1 MSPA結(jié)果分析

根據(jù)2020年洛陽市的土地利用數(shù)據(jù),使用MSPA分析,得到洛陽市的景觀組成類型與占比,如圖3和表2所示。結(jié)果顯示,洛陽市七種景觀類型總面積為7 279.94 km2,占整個(gè)研究區(qū)范圍的47.81%。

表2 基于MSPA的各景觀要素類型面積及其占比

圖3 MSPA 景觀類型分析圖

其中核心區(qū)面積最大,為6 648.78 km2,占前景要素面積(7 279.94 km2)的91.33%,占研究區(qū)總面積的43.67%。主要分布在研究區(qū)的中部以及南部,包括欒川縣、嵩縣、宜陽縣,在北部和東部分布較少。邊緣區(qū)作為核心區(qū)與外部的過渡區(qū)域,其面積為391.59 km2,在前景要素中占比為5.38%;孔隙作為核心區(qū)內(nèi)部邊緣的過渡區(qū),其面積為172.45 km2,在前景要素中占比為2.37%。邊緣區(qū)和孔隙面積占比僅次于核心區(qū),說明核心區(qū)斑塊有較好的邊緣效應(yīng)。孤島是孤立、破碎的小斑塊,可以作為物種遷徙的暫棲地,承擔(dān)“踏腳石”的作用,但其面積為0.54 km2,僅占前景要素面積的0.01%,說明研究區(qū)的“踏腳石”較少。橋接區(qū)與環(huán)道作為連接核心區(qū)彼此之間的通道,二者共同所占比例僅為0.23%,說明研究區(qū)核心區(qū)斑塊之間的連通性較差。其中環(huán)道是核心區(qū)內(nèi)物種遷移的通道,環(huán)道的數(shù)量過少,表示物種遷移的活動消耗較大,研究區(qū)內(nèi)的生物交流受阻。支線的面積為49.88 km2,占比為0.69%,分布十分破碎化,說明核心區(qū)與外部之間的連通性也比較弱。

3.2 生態(tài)源地篩選分析

在MSPA分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,選擇核心區(qū)中面積前30的斑塊導(dǎo)入Conefor 2.6中進(jìn)行景觀連通性計(jì)算,斑塊連通距離選擇200 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m 7個(gè)不同的閾值,通過整體連通性指數(shù)IIC的變化規(guī)律確定合適的距離閾值[26]。經(jīng)過嘗試,發(fā)現(xiàn)在1 000 m距離閾值時(shí),IIC的變化區(qū)域平緩,斑塊聚集度較為穩(wěn)定,因此最終選擇1 000 m作為合適的斑塊連通距離閾值,連通概率設(shè)為0.5。

根據(jù)斑塊重要性分析結(jié)果篩選dPC>0.2的斑塊作為生態(tài)源地[17],最終提取出研究區(qū)內(nèi)共20個(gè)生態(tài)源地(見圖4),總面積為6 062.85 km2。各生態(tài)源地的連通性如表3所示,生態(tài)源地的整體連通性較低,且在研究區(qū)中分布不均。

表3 生態(tài)源地編號及連通性表

圖4 生態(tài)源地分布圖

其中核心源地在研究區(qū)中部與南部呈組團(tuán)狀,分布于熊耳山、外方山和伏牛山間,包括欒川縣的老君山風(fēng)景區(qū)和龍峪灣森林國家公園、嵩縣南部的伏牛山腹地原始林區(qū)、洛陽市中部的花果山國家森林公園等地方。這些斑塊的面積大,并且斑塊重要性較高,能夠?yàn)槲锓N的遷移提供較好的棲息地,是需要重點(diǎn)保護(hù)的部分。東部與西南部的生態(tài)源地分布較為破碎,需要注重生態(tài)斑塊修復(fù),提升斑塊完整性。北部的生態(tài)源地較少,僅分布于青要山地區(qū),并且其連通性較差。

在這20個(gè)生態(tài)源地中,有兩個(gè)生態(tài)源地的面積最大,分別是源地20(面積為2 744.45 km2)和源地16(面積為1 679.54 km2)。這兩個(gè)源地的面積共占總生態(tài)源地面積的72.97%,這表明其他生態(tài)源地的面積占比較小,尤其是東部和西部的源地?cái)?shù)量多,面積小,分布破碎化程度高。

3.3 阻力面構(gòu)建

將阻力因子進(jìn)行疊加分析,得到洛陽市的綜合阻力面如圖5。其中高阻力區(qū)域分布于建設(shè)用地區(qū),特別是位于洛陽市區(qū)城市用地較為集中的區(qū)域;低阻力區(qū)域則分布于洛河、伊河、澗河、北汝河、黃河等水域沿岸以及林地周圍的地方。

圖5 綜合阻力面圖

3.4 廊道提取與節(jié)點(diǎn)識別

基于生態(tài)源地和綜合阻力面,利用電路理論分析得到研究區(qū)生態(tài)廊道分布(見圖6)。獲取的潛在生態(tài)廊道共45條,總長度約319.11 km。由圖6可知,較長的廊道分布于研究區(qū)中部,連接南部和北部的生態(tài)源地,由于南部的源地分布比較繁雜,連接的廊道長度較短。生態(tài)廊道整體呈東北—西南走向。

圖6 生態(tài)廊道分布圖

生態(tài)節(jié)點(diǎn)識別結(jié)果如圖7所示。在“多對一”模式下的最高電流密度為 0.215 069,提取出生態(tài)夾點(diǎn)26個(gè)。夾點(diǎn)的高密度區(qū)域位于研究區(qū)中部,識別出夾點(diǎn)區(qū)域的土地類型主要是耕地和水域。源地間的“障礙點(diǎn)”共38處,多位于耕地和建設(shè)用地邊緣地區(qū)。二者重疊較多的地方也就是生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域,位于研究區(qū)中部的耕地之中。

圖7 研究區(qū)各類生態(tài)點(diǎn)識別結(jié)果圖

3.5 優(yōu)化方法

3.5.1 增加生態(tài)源地

現(xiàn)有的生態(tài)源地分布不均,多集中于研究區(qū)的中南部地區(qū),導(dǎo)致研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局不完整。因此,對于洛陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化,應(yīng)該重點(diǎn)增加?xùn)|北部的生態(tài)源地。其一,在洛陽市北部黃河流經(jīng)的區(qū)域,加強(qiáng)對該地區(qū)黃河濕地自然風(fēng)景區(qū)的保護(hù);其二,重點(diǎn)修復(fù)研究區(qū)東部面積較大的林地,增加其與現(xiàn)有生態(tài)源地之間的連通性。將以上區(qū)域作為擬新增的生態(tài)源地,可以使洛陽市的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)更加完整。

3.5.2 保護(hù)生態(tài)廊道

加強(qiáng)廊道建設(shè)可以促進(jìn)不同生態(tài)源地間、源地與周圍基質(zhì)間的物種遷移,提高生態(tài)質(zhì)量,改善生態(tài)環(huán)境。要對提取出的生態(tài)廊道中容易斷裂的區(qū)域加以保護(hù),如道路、鐵路與生態(tài)廊道相交處[15];同時(shí),還應(yīng)在東北部地區(qū)增加生態(tài)“踏腳石”,為生物遷徙與擴(kuò)散增加運(yùn)動路線,形成新的生態(tài)廊道。

3.5.3 保護(hù)生態(tài)夾點(diǎn)

生態(tài)夾點(diǎn)是生物遷徙過程中極有可能會經(jīng)過的地區(qū),如果生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域遭到破壞,無疑會對生物移動和能量流動的過程造成巨大的影響,從而破壞整個(gè)地區(qū)的景觀連通性,影響整個(gè)地區(qū)的生態(tài)安全。因此對于研究區(qū)中的夾點(diǎn)區(qū)域應(yīng)該采取自然保護(hù)方法,并結(jié)合人工保護(hù)措施,可以通過增加林地、建立自然保護(hù)區(qū)等方法來擴(kuò)大夾點(diǎn)的面積,確保該區(qū)域不會輕易地消失。

3.5.4 去除或修復(fù)生態(tài)障礙點(diǎn)

生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域有較大的生態(tài)阻力,不利于生物的活動。去除或修復(fù)生態(tài)障礙點(diǎn),可以有效提高斑塊間的景觀連通性。由于障礙點(diǎn)多分布于景觀類型為耕地和建設(shè)用地邊緣的地方,可以在保護(hù)基本農(nóng)田的基礎(chǔ)上,采取適當(dāng)?shù)耐烁€林、退耕還濕等方式[27],合理規(guī)劃建設(shè)用地?cái)?shù)量,去除或修復(fù)生態(tài)障礙點(diǎn),保障生態(tài)過程的完整性。

4 結(jié)語

4.1 討論

在研究中采用面積結(jié)合景觀連通性作為選擇生態(tài)源地的標(biāo)準(zhǔn),在連通性評價(jià)中,考慮了寬度閾值的大小對評價(jià)結(jié)果的影響,避免了篩選生態(tài)源地的主觀性?；陔娐防碚搧順?gòu)建生態(tài)廊道與識別生態(tài)夾點(diǎn),在方法上較為可靠,為該地區(qū)后續(xù)的發(fā)展與保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)與思路。但本研究還存在一些不足之處。

在進(jìn)行形態(tài)學(xué)空間格局分析時(shí),研究區(qū)像元大小、邊緣寬度的參數(shù)設(shè)置等對于不同景觀要素的分析結(jié)果都有影響,對此還需深入研究。

對于阻力面的選擇,本研究分析并總結(jié)已有的研究,從自然與人為因素中選擇了多個(gè)指標(biāo)。但其中不同阻力因素的阻力賦值與權(quán)重占比會對整個(gè)研究區(qū)的阻力面結(jié)果造成影響,并最終影響生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的格局,因此對于不同阻力類型的賦值權(quán)重的合理性有待進(jìn)一步探討。

4.2 結(jié)論

本研究采用形態(tài)學(xué)空間格局分析的方法,通過對景觀要素和結(jié)構(gòu)成分的分析識別,結(jié)合景觀連通性分析結(jié)果,篩選生態(tài)源地,基于電路理論識別生態(tài)廊道和重要生態(tài)節(jié)點(diǎn),構(gòu)建了洛陽市生態(tài)網(wǎng)絡(luò),并提出優(yōu)化策略。通過上述研究得出以下結(jié)論:

(1)基于 MSPA 識別出洛陽市 7 種景觀類型,其中核心區(qū)面積為6 648.78 km2,占前景要素91.33%,其他類型的景觀都比較破碎化。

(2)綜合考慮核心區(qū)斑塊面積和 dPC 連通性指數(shù),篩選出 20個(gè)生態(tài)源地,主要分布在中部與南部熊耳山、外方山和伏牛山三山之間,東西兩側(cè)分布較少,個(gè)別分布在北部青要山地區(qū),東北部缺乏生態(tài)源地。整體生態(tài)源地連通性較差,并未形成生態(tài)源地的合理分布。

(3)使用 Linkage Mapper 工具箱識別潛在生態(tài)廊道45條,生態(tài)廊道主要呈東北—西南走向;得到的生態(tài)節(jié)點(diǎn)共計(jì) 64個(gè),其中生態(tài)夾點(diǎn) 26處,生態(tài)障礙點(diǎn) 38處。

(4)針對洛陽市生態(tài)源地與生態(tài)廊道的分布情況,優(yōu)化的重點(diǎn)是增加生態(tài)源地,同時(shí)應(yīng)該保護(hù)現(xiàn)有廊道,加強(qiáng)生態(tài)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)。