基于MSPA與MCR 模型的生態網絡構建
——以新鄉市為例

李旭芳,翁飛帆,陳榕榕,劉興詔,丁錚

（1.福建農林大學藝術學院,福建 福州 350002;2.福建農林大學園林學院,福建 福州 350002）

生物棲息地的銳減,全球環境的污染等一系列問題導致生物多樣性下降以及生境斑塊的縮減、斷裂,景觀的連通性被阻隔,城市景觀格局呈現支離破碎之態,嚴重阻礙城市的景觀格局以及可持續發展[1].生態網絡是利用景觀生態學原理,為保護生物的多樣性,平衡生態系統以及增強各破碎景觀之間的連通度,通過生態源地的識別、生態走廊的構建將研究區的生態要素連通起來形成彼此聯系的網絡布局模式.生態網絡的構建能夠通過一系列的生態廊道將破碎化的生態斑塊及景觀串聯起來,連通城市高度破碎化的生境,為生物物種的遷移生長提供適宜的生態走廊[2-4].

1990 年以來,生態網絡的相關研究逐漸增多,國外學者更加關注自然與半自然要素間的連接,將生態網絡與土地利用相結合,利用生態網絡核心區、緩沖區、恢復區與廊道的基本結構實現對野生動物生存與遷徙的保護[5].國內學者的研究相對較晚,但目前已形成完整的模式,大多基于景觀生態學理論,從圖論、拓撲等角度[6-8],以“斑塊—廊道—基質”為基礎,采用最小路徑法或最小累積阻力模型（MCR）結合重力模型對研究區潛在的生態廊道進行模擬,構建研究區的生態網絡結構,通過模型計算研究區的景觀格局指數,定性定量地表達研究區的景觀格局進而評價景觀現狀以及演變特征,提出對研究區生態網絡的評價及優化策略.MCR 模型能夠將研究區的地形地貌以及環境和人為活動干擾等多方因素考慮進去,但是此方法在提取生態源地時具有一定的主觀性,忽略了斑塊的連通作用,由此引入形態學空間格局分析（MSPA）的方法,從而避免直接將面積較大或生態服務價值高的保護區及公園作為生態源地的不足[7].目前的研究只局限于單一的生態要素的研究,但是隨著城市的發展演變,城市生態網絡不僅包括生態要素,亦受經濟、社會、人為因素的影響.本文采用“生態源地識別—阻力面設置—潛在廊道模擬”的模式,基于景觀生態學原理和形態學空間分析（MSPA）,采用最小累積阻力模型（MCR）以及重力模型對新鄉市的生態源地進行識別,提取新鄉市生態源地間潛在的生態廊道,構建新鄉市的生態網絡空間,結合新鄉市的發展需求,提出優化方案,旨在為新鄉市的生態網絡結構優化提升提供參考,亦為其他城市的生態修復、自然資源整合、生態環境提升及城市總體規劃提供理論方法借鑒.

1 研究區概況

新鄉市是豫北地區重要的中心城市（圖1）,中原地區經濟中心之一,亦是豫北地區的經濟、教育、交通中心.位于河南省北部,南臨黃河,北靠太行山脈,總面積約8249 km2.屬于華北板塊,地處黃河、海河兩大流域,地勢北高南低,北部主要是太行山山地和丘陵崗地,生態斑塊面積較大,具有豐富的自然生態資源,南部為沖積扇平原,平面占全市總土地面積的78%.屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫14 ℃,年平均降雨量573.4 mm,降水在季節上分布不均勻,大致與冬、夏季風進退一致.新鄉市的自然資源較為豐富,全市農用地（包括耕地、園地、林地、牧草和其他農用地）面積569356 hm2,占全市總土地面積的69.02%,林地主要分布在新鄉北部太行山區,良好的自然資源以及地利條件為生物提供了優質的棲息場所.近年來新鄉的產業發展導致生態廊道逐漸遭到破壞,新鄉市的生態環境亟待改善,構建新鄉市的生態網絡迫在眉睫.

圖1 新鄉市區位圖Fig.1 Xinxiang location map

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

研究區的DEM高程數據來源于地理空間數據云網站（http：//www.gscloud.cn/,分辨率為30 m×30 m）[8-9],土地利用分類數據來源于中國科學資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn）,根據新鄉市的土地利用特點,參照全國土地利用分類方法,運用最大似然法進行監督分類,將新鄉的土地類型分為林地、耕地、草地、水域、建設用地以及未利用土地6 類,得出新鄉市土地利用分類圖（圖2）.

圖2 2020 年新鄉市土地利用類型圖Fig. 2 Land use type map of Xinxiang in 2020

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA 的景觀格局提取MSPA 分析法是基于圖形學原理,運用開閉運算等數學方法對柵格圖像的空間格局進行識別、分割的一種圖像識別方法,從而得出像元層面的研究區生境斑塊[10-12].根據新鄉市的土地利用數據,將林地、水域、濕地、草地自然要素作為前景,其余土地類型作為背景,將數據二柵格化處理后運用Guidos Toolbox 分析軟件,采用八鄰域圖像細化法進行MSPA 分析,提取出7 種景觀[9],即核心區、橋接區、邊緣區、環道區、孔隙、支線和島狀斑塊,表1 為MSPA 景觀類型及含義（表1）,得出新鄉市的景觀格局圖（圖3）,提取生境斑塊面積較大的核心區作為生態源地.

圖3 新鄉市景觀格局分析圖Fig.3 Landscape pattern analysis map of Xinxiang

表1 MSPA 景觀要素類型及含義Tab.1 Types and meanings of MSPA landscape elements

2.2.2 重要生態源地的識別與評價 生態源地是物種與周圍環境進行物質能量交換的起點,生態源地的選取是構建生態網絡中最為重要的一環[13].景觀連通性是指景觀要素在空間單元之間的相互連通性,景觀連通性指數能夠定量地表達要素在生態源地間的物質能量交換以及遷徙的難易程度[8].當前MSPA 分析常用的景觀連接指數包括：整體連通性指數（IIC）、可能連通性指數（PC）、斑塊重要性指數（dI）等[8-9,13],本研究在參考文獻的基礎上采用可能連通性指數（PC）,選取核心區中面積較大的30 個斑塊,基于Conefor2.6 軟件將斑塊連通閾值設置為1000 m,連通概率設為0.5,對新鄉市進行景觀連通性評價.公式如下

式（1）中:IPC為可能連通性指數,取值0～1;AL為景觀總面積/hm2;n 為斑塊總數;ai、aj為斑塊i、j 的面積;lij為i 到j 的最短路徑;Pij*為物種在斑塊i、j 間擴散的最大概率.

dPC>0.5 的生態斑塊劃定為重要生態源地.

2.2.3 基于最小阻力模型的潛在生態廊道構建 最小累積阻力模型（MCR）是由俞孔堅引入國內,在GIS的基礎上,以生態源地作為出發點通過建立阻力面來計算生態源地之間的最小累積阻力距離從而確定源于目標之間的最小消耗路徑[14-17].公式如下

式（2）中：MCR 為生態源地到其他各點的最小累計阻力值,Dij為物種從源j 到空間某一點所穿越的某景觀的基面i 空間距離,Ri為景觀i 對某物種運動的阻力,f 表示最小累積阻力與生態過程的正相關關系,min 表示單元i 對于不同的源取累積阻力最小值.

構建MCR 模型的關鍵在于阻力面體系的構建,本研究結合地形坡度、高程、土地利用類型以及MSPA分析來構建新鄉市的基礎阻力面,根據已有的相關研究[18-21],對各類景觀的阻力賦值見表2.

表2 阻力因子賦值表Tab.2 Resistance factor assignment table

基于ArcGIS 將各個阻力面進行賦值,得出單個阻力面,見圖4.根據各阻力系數及對應的阻力值進行綜合加權,得出最小累積生態模型阻力面,見圖5.

圖4 單個阻力基面圖Fig.4 Single resistance base map

圖5 新鄉市生態阻力面Fig.5 Ecological resistance in Xinxiang

2.2.4 基于重力模型的重要生態廊道識別 重力模型能夠很好地體現斑塊之間的相互作用強度,能夠定量地評價源地斑塊間的相互作用強度,從而判定潛在生態廊道的相對重要性[8].計算公式為

式（3）中：F 為生態重力,Gij為斑塊a、b 之間的相互作用力,Ni、Nj為兩斑塊的權重值,Dij為斑塊i、j 間潛在廊道間的阻力值,Pi、Pj為斑塊i、j 的阻力值,Lij為斑塊i 到j 之間廊道的累積阻力值,Lmax為研究區中所有廊道阻力的最大值.

3 結果與分析

3.1 基于MSPA 景觀格局分析

以新鄉市的林地、草地、濕地、水域為前景進行MSPA 剖析,統計不同景觀類型的面積及占比情況（表3）.基于MSPA 的新鄉市的景觀要素面積92187.63 hm2,其中核心區的面積為84819.06 hm2,占研究區景觀要素面積的90.11%,景觀類型多為林地、草地,其次為濕地及水域.核心區主要分布于新鄉北部輝縣市及衛輝市的北部太行山脈區域,其次是新鄉市南部連接原陽縣與封丘縣的黃河及周邊濕地區域.其中北部核心區呈聚集狀態,生境斑塊面積較大,穩定性較強;南部核心區呈東西向條帶式分布,中部核心區極為稀少且破碎化很嚴重,進而表明新鄉市南北地區的核心斑塊連通性很差,生態流動困難;橋接區是連接核心區的狹長廊道,面積為218.79 hm2,占研究區景觀要素面積的0.23%,代表生態網絡中的連接廊道,主要為山區郊野、河流沿岸及交通道路兩側林地、草地景觀斑塊,如新鄉市北部太行山脈、及市域內的京港澳高速兩側的生態林帶等,構成物質能量流動的重要景觀要素;邊緣區和孔隙作為核心區的保護屏障,面積分別為5122.44 hm2和1846.71 hm2,占研究區景觀要素面積的5.44%和1.96%,表明核心區斑塊整體上較為分散,是由于新鄉市北部許多較小的核心區斑塊造成的.島狀塊是孤立的綠地景觀,不與其他的生態斑塊相連通,是作為生態要素的臨時棲息地,島狀斑塊、環道區所占的面積為180.63 hm2和380.52 hm2,占景觀要素面積的0.19%和0.40%,表明新鄉市的景觀構成以較大型斑塊為主,且斑塊邊緣較復雜縣破碎化.

表3 新鄉市不同景觀要素與占比Tab.3 Different landscape elements and proportions in Xinxiang

3.2 重要生態源地提取分析

生態源地斑塊的提取對于生物群落的棲息繁衍具有重要意義, 基于Conefor2.6 軟件分析的結果,按照斑塊重要性（dPC）值的大小選取15 個生態源地（表4）,這些生態源地的dPC 值在2～18 之間,生態源地的分布見圖6.結果可知新鄉市的重要生態源地主要分布在輝縣市、衛輝市、原陽縣以及封丘縣,連通性較好的核心斑塊主要集中在北部太行山脈以及南部黃河流域,中部幾乎無重要生態源地,且南部生態斑塊面積較小,不同的生態源地間dPC 指數相差較大,南北斑塊連通性較差且南部斑塊較為破碎化,導致生物的能量流動及物質循環難以持續,因此急需構建南北生態網絡來增加新鄉市南北的景觀連通性,為生物提供生態棲息地,進而維持新鄉市的生態系統平衡.

圖6 新鄉市生態源地分布圖Fig.6 Ecological source distribution map of Xinxiang

表4 重要生態源地連通指數及面積統計表Tab.4 Connectivity index and area statistics of important ecological sources

3.3 生態網絡的構建

通過構建的生態阻力面（圖5）發現,阻力值為6.45～51.15,新鄉市的阻力從中部向南北逐漸減弱,阻力較低的地區位于新鄉市的西北部及南部.由于輝縣市及衛輝市處于太行山脈區,林地及草地資源較為豐富,南部水域以及濕地的存在使其阻力較弱.中部的衛濱區、紅旗區、牧野區、鳳泉區處于不斷擴張發展的狀態,由于建設用地不斷激增,導致生態阻力較高,嚴重影響區域生物物種的遷徙以及其物質能量的流動,而生態廊道的存在可以使不同的景觀要素之間形成連橋通道,從而促進生態流動[22].結合提取的15個重要生態廊道,構建130 條潛在的生態廊道,采用重力模型構建生態源地之間的相互作用矩陣,相互作用值越高,表明源地之間的聯系越緊密,將相互作用強度超過3 的生態廊道作為重要生態廊道,共有16條,其余為一般生態廊道,共計114 條,進而構建出新鄉市的生態網絡（圖7）.源地4 和源地8 之間的相互作用強度最高,說明兩地之間的空間連通性最強,物種在兩個源地間進行遷移和擴散時所遇到的阻力最小,因此源地4、8 之間的生態廊道需要重點進行保護管理以提高該源地的生態作用.源地8 和11 之間的相互作用強度最小,兩地的景觀阻力值較大,進行生物物種的遷徙與物質能量交換較為困難,在進行規劃時應增加生態源地來提高生境質量.由圖7 可知,重要生態廊道大部分與源地2 相連通,源地2 輝縣太行山作為新鄉市重要生態源地之一,對陸生生物以及飛禽類的遷徙交流有著舉足輕重的的作用,同時蜿蜒在山脈林地中的河流亦可以為水生生物及兩棲生物提供棲息地,在進行生態網絡規劃時應著重保護此生態源地以及周邊環境,防止破壞,使其在生態網絡中能夠同時連通東西南北的生態斑塊,為生物物種不同方向的遷徙交流提供通道及棲息地,進而使新鄉市的生態網絡更加穩定,生態系統更趨于平衡狀態.

表5 基于重力模型構建的新鄉市生態源地相互作用矩陣Tab.5 Ecological Source-Land Interaction Matrix Based on Gravity Model in Xinxiang

圖7 新鄉市生態網絡構建圖Fig.7 Construction map of Xinxiang ecological network

4 結論與討論

4.1 討論

（1）生態源地是生物物種進行生存、繁衍、遷徙的面積較大較為完整的斑塊,本文采用MSPA 方法進行生態源地的識別,是利用土地數據,根據圖像學原理以及形態學分析提取在像素水平上的生境斑塊[23],得出核心區域.進行MSPA 分析時,本研究參照相關文獻將距離閾值設置為1000 m,取值是否合理有待商榷.利用景觀連通性指數分析新鄉市的核心區域斑塊,結果表明,連通性較高的斑塊主要集中在北部太行山區以及南部黃河流域,表明該區域斑塊受人類活動影響較小,適宜生物棲息,但新鄉南北區域的斑塊連通性較差,應加強南北間的板塊連通,增加生態源地,促進生態系統可持續發展.

（2）生態阻力賦值是確定生態阻力面的重要環節,以往的研究多采用專家打分法或參考相關文獻對不同的景觀類型進行賦值,阻力賦值結果相差較大,沒有嚴格的確定標準,本研究通過對前人研究的分析,得出相關指數,可能會對研究結果產生一定的影響.

（3）生態廊道是連接不同生態源地之間的重要通道,是生物物種進行遷移擴散的主要路徑,本文采用最小累積阻力模型進行生態廊道的構建,繼而基于重力模型量化生態源地之間的相互作用,將新鄉市的生態廊道進行分級處理,得出新鄉市的生態網絡.

4.2 結論

生態網絡的構建對于保護快速城鎮化的地區生態環境以及保護市域生態系統的穩定性具有重要意義.本文采用形態學空間格局分析（MSPA）方法和景觀指數分析法,提取dPC 值較大的斑塊作為生態源地,綜合考慮坡度、高程、土地利用類型及MSPA 景觀類型,構建新鄉市的生態阻力面,基于最小累積阻力模型（MCR）與重力模型構建新鄉市的生態網絡來增加生態斑塊的連通性,促進生物的遷徙交流,提高生態系統的穩定性.研究結果表明：①新鄉市的生態源地總體規模較大,面積84819.06 hm2,占研究區景觀要素面積的90.11%,但是空間上分布不均勻,主要集中在北部以及南部,中部很少,且源地較為破碎化.②基于MCR 模型構建出新鄉市的潛在生態廊道供130 條,重要廊道16 條,一般廊道114 條,需要增加生態源地以提高生境斑塊間的連通性.③新鄉市的重要生態廊道主要是由北部生態源地向南擴散,增加了南北間景觀的連通性,在進行規劃時要重點保護此廊道及周邊生態.研究結果為新鄉市及其他類似城市的生態修復、自然資源整合、生態環境提升及城市總體規劃提供理論方法借鑒.