高雅玲， 黃 河， 李治慧， 陳凌艷， 何天友， 鄭郁善

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州350002)

島嶼生物地理學(xué)理論認(rèn)為在同一區(qū)域，綠地面積越大、越集中、越接近圓形則質(zhì)量越好，綠地斑塊連通性越佳則越有利于物種的擴(kuò)散和生物的多樣化[1].城市用地的不平衡發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)景觀格局破碎，快速的城市化進(jìn)程加劇了這一過程的發(fā)展，使得城市綠地日趨變小和零碎，斑塊連通性逐漸變差.為了保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境，改進(jìn)城市綠地生態(tài)的發(fā)展模式，眾多學(xué)者提出了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的概念[2].

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要由生態(tài)斑塊和生態(tài)廊道構(gòu)成，是以景觀生態(tài)學(xué)、島嶼生物地理學(xué)、種群理論為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)綠地的生態(tài)連接、物種保存與擴(kuò)散、生物多樣性維護(hù)和景觀格局優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3-4].針對(duì)當(dāng)前突出的生態(tài)問題，國內(nèi)外學(xué)者利用景觀格局指數(shù)與相關(guān)模型對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了模擬[3].生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與構(gòu)建的本質(zhì)是“點(diǎn)—線—面”的規(guī)劃，其關(guān)鍵是點(diǎn)（源斑塊）的選取與線（廊道）的連接.目前，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法主要利用圖論、景觀適宜性、最小消費(fèi)路徑、電流理論等模型[5-6]，該類方法用于城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建已有報(bào)道[7-11].傳統(tǒng)的斑塊源的選取較為主觀，常以生態(tài)價(jià)值較高的自然地作為源斑塊，未考慮斑塊的連通性；當(dāng)前有學(xué)者運(yùn)用形態(tài)學(xué)空間格局分析與連通性分析定量評(píng)價(jià)斑塊的連通性，使得斑塊源的選擇更為科學(xué)[9].廊道的規(guī)劃常用最小消費(fèi)路徑方法，其利用生態(tài)適宜性原理構(gòu)建研究區(qū)阻力面，通過計(jì)算物種在源斑塊與目標(biāo)斑塊間遷移所需的最小阻力來提取廊道，由此構(gòu)成了研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局（面）[12]；但由最小消費(fèi)路徑獲得的廊道較多，無法體現(xiàn)源斑塊間廊道的重要程度，因此引入重力模型定量評(píng)價(jià)斑塊間相互作用力的大小，以確定重要廊道，進(jìn)而構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[9].

形態(tài)空間格局分析（morphological spatial pattern analysis，MSPA）方法是運(yùn)用一系列形態(tài)變換的圖形學(xué)原理，將圖像經(jīng)腐蝕、擴(kuò)張、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等過程進(jìn)行分割、識(shí)別、分類等的處理方法，它將二值圖像分割成互不重疊的 7 種類型：核心區(qū)（core）、孤島（islet）、橋接（bridge）、環(huán)道（loop）、邊緣（edge）、穿孔（perforation）、支線（branch）（表1）[13-14].MSPA方法較早用于森林景觀格局的研究，之后還用于綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)時(shí)空格局變化分析、綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性分析、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)源斑塊的確定、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建等方面[15-18].

本研究以平潭主島（海壇島）為研究區(qū)，以Envi、Guidos、Conefor和GIS為軟件平臺(tái)，基于MSPA方法，運(yùn)用連通性分析、最小耗費(fèi)距離模型、重力模型等對(duì)研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素進(jìn)行識(shí)別、提取、篩選及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，以期為我國海島型城市生態(tài)保護(hù)、景觀安全格局、綠地系統(tǒng)等的規(guī)劃與建設(shè)提供參考.

1 研究區(qū)概況

平潭，簡稱“嵐”，俗稱海壇，地處福建省東部海域，位于 25°15′N-25°45′N、119°32′E-120°10′E，西接海壇海峽，東臨臺(tái)灣海峽，氣候?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，季風(fēng)明顯，雨量充沛，陽光充足，四季常青.平潭由以海壇島為主的126個(gè)島嶼組成，選擇面積最大的島嶼——海壇島為研究區(qū).海壇島有三十六腳湖、六橋水庫、玉井庫、三橋水庫等，但淡水資源仍顯匱乏.島內(nèi)地貌類型以海積平原為主，中部多海濱平原，北部的平潭君山是島內(nèi)最高山，海拔為434.6 m，南部多低丘，海拔在100～250 m之間.海岸線蜿蜒曲折，海岸類型豐富，包括基巖侵蝕海岸、紅土侵蝕海岸、沙質(zhì)沉積海岸等.

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)為2017年4月ETM數(shù)據(jù)（分辨率30 m，全色波段為15 m）和DEM數(shù)據(jù)（地理空間數(shù)據(jù)云），基礎(chǔ)道路為2016年OSM矢量數(shù)據(jù).

2.2 數(shù)據(jù)處理

先利用Envi軟件將ETM數(shù)據(jù)進(jìn)行影像預(yù)處理，其步驟為輻射定標(biāo)—大氣校正—多光譜融合—裁剪.然后，利用監(jiān)督分類與目視解譯方法獲取研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖.按照研究區(qū)自然現(xiàn)狀與研究目的將平潭島土地利用類型劃分為林地、農(nóng)田、未利用地、水體、建設(shè)用地5類，最終得到柵格大小15 m×15 m的土地利用類型圖（圖1）.

3 研究方法

3.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)源斑塊的識(shí)別

3.1.1 基于MSPA的景觀格局分析 景觀格局的形成與變化是由人類活動(dòng)干擾與自然狀況雙重作用的結(jié)果.基于MSPA的景觀格局分析能夠精確地分辨出對(duì)生態(tài)保護(hù)具有重要作用的結(jié)構(gòu)性要素.

Guidos軟件是MSPA的重要工具，該軟件參數(shù)設(shè)置為鄰域規(guī)則8和邊緣寬度1，對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將得到互不重疊的7類景觀[14].其結(jié)果能直接表現(xiàn)核心區(qū)面積及廊道的數(shù)量等結(jié)構(gòu)性要素，核心區(qū)面積越大表明生態(tài)條件越好，廊道越多則連通性越好.

圖1 土地利用類型圖Fig.1 Map of land use types

根據(jù)島嶼生物地理學(xué)理論及其相關(guān)研究成果，以及國際自然與自然資源保護(hù)聯(lián)盟（IUCN World Conservation Strategy）相關(guān)觀點(diǎn)，核心區(qū)的選擇應(yīng)考慮斑塊面積和連通性兩個(gè)方面[1].因此，提取大于1 hm2的核心區(qū)作為后續(xù)連通性分析的生態(tài)斑塊.

3.1.2 景觀連通性評(píng)價(jià) 景觀連通性是研究斑塊之間的物種遷移、物質(zhì)能量交換、信息流通的生物運(yùn)動(dòng)能力，景觀連通性好則對(duì)維持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和保護(hù)生物多樣性具有重要意義[19].景觀連通性評(píng)價(jià)方法較多，總體上可分為結(jié)構(gòu)與功能的評(píng)價(jià)，圖論方法既可量化結(jié)構(gòu)性連接也可量化功能性連接，是目前用于景觀連通性評(píng)價(jià)的常用方法[3-4].基于圖論的連通性評(píng)價(jià)常采用整體連通性指數(shù)（integral index of connectivity， IIC）、可能連通性（probability of connectivity， PC）及斑塊重要性（importance， dI）3個(gè)景觀指數(shù)來衡量景觀中結(jié)構(gòu)性與功能性連接的重要指標(biāo)[20].

式中，n表示景觀中斑塊總數(shù)量，ai和aj是斑塊i和斑塊j的貢獻(xiàn)值（本研究中指面積），AL指景觀總面積，nlij指i和j之間的連接數(shù)量，pij是物種在i與j之間擴(kuò)散的最大可能性.I為景觀連接度值，Iremove為某斑塊移除后景觀的連接度值.

利用Conefor 2.6軟件進(jìn)行連通性分析，將連接距離閾值設(shè)為500 m[21].

3.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)廊道的提取

3.2.1 基于最小耗費(fèi)距離模型的潛在廊道提取 最小耗費(fèi)距離模型是通過計(jì)算源與目標(biāo)間各柵格單元的景觀阻力總和，從中選擇最小累積阻力路徑作為物種擴(kuò)散的最佳路徑的一種方法[21].利用最小耗費(fèi)距離模型提取潛在生態(tài)廊道的步驟：（1）阻力因子的確定；（2）基于專家打分法的阻力因子權(quán)重的確定與阻力值的確定；（3）創(chuàng)建各類型阻力柵格，并構(gòu)建研究區(qū)景觀阻力面；（4）計(jì)算各核心區(qū)間柵格數(shù)據(jù)的最小消費(fèi)成本；（5）潛在生態(tài)廊道的提取.

3.2.2 基于重力模型的重要廊道提取 潛在生態(tài)廊道的重要性是通過重力模型定量評(píng)價(jià)源斑塊間作用力的大小來表征[22]，作用力越大表明廊道越重要.重力模型的計(jì)算方法如下：

式中，Gab為核心斑塊a、b之間的相互作用力，Ma和Mb為a和b兩斑塊的權(quán)重值，Dab是a、b兩斑塊潛在廊道阻力的標(biāo)準(zhǔn)化值，Sa和Sb為斑塊a和b的面積，Pa和Pb為斑塊a和b的阻力值，Lab為斑塊a、b之間的阻力值，Lmax為所有廊道累積阻力的最大值.

4 平潭島生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

4.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)源斑塊的分析與識(shí)別

4.1.1 基于MSPA的景觀格局分析 根據(jù)研究區(qū)土地利用類型圖，將林地和水體作為MSPA的前景，其他土地利用類型為背景，將其轉(zhuǎn)化成二值柵格圖像.由于研究區(qū)面積較小，為27100 hm2，將柵格設(shè)為15 m×15 m，經(jīng)驗(yàn)證，該尺度能夠較好地保留研究區(qū)重要的景觀要素，滿足研究精度要求.運(yùn)用Guidos軟件，對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到互不重疊的7類景觀（圖2）.

圖2 基于MSPA的景觀類型圖Fig.2 Landscape type pattern based on MSPA

對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2）可知，研究區(qū)內(nèi)對(duì)生態(tài)保護(hù)具有重要作用的景觀面積共16320 hm2，占總面積的55.14%，生態(tài)基底較好.研究區(qū)核心區(qū)面積12567.5 hm2，占景觀面積的77.00%.核心區(qū)在研究區(qū)南、北部分布較為密集且均勻，景觀連通性好；東部分布相對(duì)較少且分散，景觀破碎嚴(yán)重且連通性較差，與其他核心區(qū)間的生物信息交流機(jī)會(huì)較少.橋接面積為187.4 hm2，占景觀面積的1.15%，在中部地區(qū)分布較多，說明其景觀破碎較嚴(yán)重.孤島面積為206.3 hm2，占景觀面積的1.27%.穿孔和邊緣區(qū)具有邊緣效應(yīng)，研究區(qū)內(nèi)穿孔面積為453.8 hm2，邊緣區(qū)為 2256.4 hm2，分別占景觀面積的 2.78%和 13.82%.環(huán)道面積為186.9 hm2，占景觀面積的 1.15%.支線面積為 461.9 hm2，占景觀面積的 2.83%（表 2）.

表2 基于MSPA的景觀類型統(tǒng)計(jì)1)Table 2 Statistics of landscape type based on MSPA

4.1.2 連通性分析 將MSPA結(jié)果中大于1 hm2的303個(gè)核心區(qū)進(jìn)行連通性分析，結(jié)果見圖3.選擇面積不小于50 hm2且dPC≥4的區(qū)域作為源斑塊，共提取出10個(gè)源斑塊（表3）.

圖3 斑塊連通性分析Fig.3 Connectivity analysis of patches

圖3 顯示，研究區(qū)內(nèi)連通性最好的斑塊分布于研究區(qū)東北部和南部，表明該區(qū)域有利于物種的擴(kuò)散與保護(hù)；北部和西部次之；中部和東部連通性較差，景觀破碎較為嚴(yán)重，其主要原因是東部受臺(tái)灣海峽海風(fēng)影響嚴(yán)重，植被生長狀況較差，而中部地區(qū)海拔較低，較為平坦，是建城區(qū)，受人為干擾嚴(yán)重.總體而言，研究區(qū)南北兩側(cè)景觀連通性呈兩極分化狀態(tài)，不利于兩側(cè)物種交流與擴(kuò)散，需要在中部建立踏腳石以加強(qiáng)南北的連接；而東部是風(fēng)口，應(yīng)加大防風(fēng)林帶的建設(shè).此外，本研究選取的10個(gè)源斑塊大多分布于研究區(qū)的南部和北部，且主要為自然山體或風(fēng)景名勝區(qū)，如君山風(fēng)景名勝區(qū)和海島國家森林公園（斑塊5）、南寨山風(fēng)景名勝區(qū)（斑塊9）、龍頭山（斑塊2）和?？兩剑ò邏K10）等.

表3 核心區(qū)10個(gè)源斑塊的連通性指數(shù)Table 3 Connectivity index of 10 source areas in the core region

4.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)廊道的識(shí)別與分析

4.2.1 潛在生態(tài)廊道的識(shí)別 將提取的10個(gè)源斑塊作為廊道連接的源與目標(biāo)，根據(jù)不同景觀類型對(duì)物種生存、繁衍和遷徙的阻力不同，設(shè)置MSPA景觀類型、土地利用類型、坡度、高程、主干道長度和次干道長度6個(gè)方面33個(gè)因子，制定5個(gè)定級(jí)變量（很大、較大、一般、較小、?。?先通過向15位生態(tài)規(guī)劃領(lǐng)域的專家發(fā)放問卷并收集數(shù)據(jù)，分析得出各阻力層權(quán)重系數(shù)（表4）；然后結(jié)合平潭島生態(tài)狀況、相關(guān)生態(tài)因子特征、相關(guān)研究分別對(duì)33個(gè)因子賦值（5、4、3、2、1）；最后將各權(quán)重系數(shù)與因子阻力值加權(quán)疊加，利用GIS空間疊加分析構(gòu)建研究區(qū)景觀阻力面（圖4），并利用最小耗費(fèi)距離模型計(jì)算出45條潛在生態(tài)廊道.

表4 各景觀類型權(quán)重與阻力值Table 4 Weight and resistance value of each landscape type

圖4 研究區(qū)景觀阻力面Fig.4 Resistance surface of the study area

4.2.2 重要生態(tài)廊道的識(shí)別 運(yùn)用重力模型計(jì)算10個(gè)源斑塊相互作用力的大小，并構(gòu)建作用力矩陣（表5）.根據(jù)矩陣表與研究區(qū)現(xiàn)狀，選擇源斑塊間相互作用力大于500的廊道作為重要廊道，共18條，其他作為一般廊道，得到研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（圖5）.

表5顯示，斑塊1與3相互作用力最強(qiáng)，表明研究區(qū)內(nèi)這兩個(gè)源斑塊關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，物種在兩斑塊間擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所克服的阻力最小，物質(zhì)交換與流通最為便利，物種遷移可能性較大.因此，加強(qiáng)源斑塊1與3之間的廊道建設(shè)與保護(hù)，可以較好地促進(jìn)研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性和物種保護(hù).斑塊3與10相互作用力最小，表明這兩個(gè)源斑塊之間景觀阻力較大，不利于物種的擴(kuò)散，因此應(yīng)加大兩斑塊間生態(tài)適宜性的建設(shè)，加強(qiáng)其連通性.由表5、圖5可知，源斑塊2與目標(biāo)斑塊1、3、4、5、6均有連接，在所有斑塊中規(guī)劃廊道連接數(shù)量最多，因此該斑塊最為穩(wěn)定.斑塊10由于地理位置的問題，規(guī)劃廊道僅連接斑塊8和9，因此，除加強(qiáng)新廊道的保護(hù)與建設(shè)外，應(yīng)注重斑塊10周邊用地的生態(tài)適宜性，以增加其連通性.

表5 基于重力模型的斑塊間的相互作用矩陣Table 5 Interaction matrix between patches based on gravity model

圖5 研究區(qū)潛在生態(tài)廊道Fig.5 Potential ecological corridor in the study area

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

（1）邊緣效應(yīng)是生態(tài)學(xué)中的重要概念，尺度問題也是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)，研究尺度不同獲得的結(jié)果就不同.不同的研究對(duì)象與物種，其棲息地邊緣效應(yīng)的寬度不同，應(yīng)根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)設(shè)置研究尺度和邊緣寬度[23].MSPA方法可以快速獲取生態(tài)源斑塊，但對(duì)研究的景觀尺度較為敏感，在相同研究區(qū)域內(nèi)柵格大小設(shè)置不同其結(jié)果也不同，增大柵格會(huì)使部分孤島消失，較小的核心區(qū)變成孤島，從而影響分析結(jié)果和景觀格局[21].本研究經(jīng)過多次對(duì)比后選用15 m×15 m的柵格大小，基本滿足研究要求.另外，利用MSPA方法時(shí)邊緣寬度設(shè)置也會(huì)影響分類結(jié)果，且其影響更大（相對(duì)柵格大小的變化幅度），但邊緣寬度的變化不會(huì)改變MSPA景觀格局.本研究區(qū)域相對(duì)較小，斑塊棲息地生態(tài)物性和物種差別不大，因此將邊緣寬度設(shè)定為15 m[20].

（2）在利用Conefor 2.6進(jìn)行連通性分析時(shí)，需要設(shè)置連通的距離閾值，該值的大小會(huì)影響dIIC和dPC的結(jié)果.當(dāng)斑塊間距離大于該閾值時(shí)，表示兩斑塊間不連通，所以增大距離閾值會(huì)提高研究區(qū)的連通性[8].距離閾值的設(shè)置需考慮物種的擴(kuò)散距離，不同物種擴(kuò)散的距離也不同.本研究使用500 m作為距離閾值，連通概率為 0.5[24].

（3）景觀阻力的賦值對(duì)廊道的選取影響較大，目前國內(nèi)外對(duì)景觀阻力值的設(shè)置還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且研究區(qū)的物種詳細(xì)資料不易獲取，難以根據(jù)不同物種的生態(tài)特性進(jìn)行阻力賦值[23].因此，本研究根據(jù)研究區(qū)自然地理狀況，利用可獲取且具代表性的高程、坡度、土地利用類型、MSPA景觀類型、道路等因素作為賦值依據(jù)，通過專家打分法進(jìn)行賦值，構(gòu)建了綜合阻力面，彌補(bǔ)了研究地物種信息不詳?shù)娜毕?，是目前?yīng)用較廣的方法，但科學(xué)性與精確性有待加強(qiáng).

5.2 結(jié)論

（1）本研究引入MSPA方法、景觀連通性分析、最小耗費(fèi)距離模型及重力模型，對(duì)研究區(qū)的源斑塊進(jìn)行提取、識(shí)別，構(gòu)建了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)優(yōu)化了研究區(qū)景觀格局.

（2）本研究利用MSPA方法分析了研究區(qū)景觀格局，識(shí)別出構(gòu)成景觀格局的7類景觀，定量分析了其現(xiàn)狀.該方法利用圖形學(xué)理論，用較少的數(shù)據(jù)獲得較為精確的景觀分布狀況，是景觀格局分析的有益探索.

（3）結(jié)合MSPA與連通性分析，依據(jù)dPC和dIIC兩個(gè)指標(biāo)及斑塊面積提取了10個(gè)重要源斑塊.其選取過程定量化，避免了傳統(tǒng)的人為選擇源斑塊的主觀性；同時(shí)，避免了連通性好但面積較小的斑塊被漏選的情況，該類綠地亦是物種重要的棲息地.

（4）運(yùn)用專家打分法與GIS空間分析法得到研究區(qū)綜合阻力面，利用最小消費(fèi)路徑模型規(guī)劃出45條潛在生態(tài)廊道，進(jìn)而構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；基于重力模型定量評(píng)價(jià)了源斑塊間的相互作用力，從而確定生態(tài)廊道的重要性，優(yōu)化研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò).最小消費(fèi)路徑模型能定量分析物種遷移的最佳路徑，重力模型能推斷斑塊間物種擴(kuò)散的可能性，進(jìn)而科學(xué)規(guī)劃生態(tài)廊道和判斷廊道建設(shè)的必要性.