王亞茹，董娜琳，馬瀾桐，賀丹，雷雅凱

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院/河南省風(fēng)景園林國際景觀學(xué)聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450002)

自然保護(hù)地是生態(tài)文明建設(shè)的核心載體。目前，中國自然保護(hù)地約1.18萬處，占國內(nèi)陸域面積的18%[1]。中國現(xiàn)有的自然保護(hù)地有些仍存在定位不清、權(quán)責(zé)不明、交叉重疊、碎片化管理、空間布局不合理、社會公益屬性弱化等問題[2]。城市型國家濕地公園，受到人為干擾的程度較高，面臨著重要城市型河流生態(tài)斑塊破碎、連通性減弱及生物多樣性喪失等問題，生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性保護(hù)與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾也日益凸顯，城市化進(jìn)程導(dǎo)致景觀破碎化日益加劇，斑塊連接性不斷降低[3]。在人口密集的城市化地區(qū)，自然保護(hù)地不僅對生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性的保護(hù)非常重要，也對城市生態(tài)安全意義重大。因此，城市型自然保護(hù)地的研究對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升、保護(hù)與發(fā)展之間矛盾問題的解決具有重要意義[4-6]。

目前，形態(tài)學(xué)空間分析(MSPA)、景觀連通性、MCR模型分析等被廣泛用于對一些區(qū)域進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)化研究[7-11]，基于MSPA分析對一個地域、流域運用連通性指數(shù)檢測該區(qū)域的現(xiàn)狀形態(tài)變化[12-14]，如吳茂全等[15]、張青萍等[16]分析了高度城市化多尺度景觀連通性的生態(tài)源地識別及格局優(yōu)化并為城市規(guī)劃提供了依據(jù)；MSPA分析方法由VOGT等[17]基于膨脹、腐蝕、開閉運算等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理而提出，如KANG等[18]運用MSPA對首爾都市圈進(jìn)行時空定量分析，陳竹安等[19]將MSPA與MCR模型有機結(jié)合，將景觀中的潛在生態(tài)源地及廊道作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的主要依據(jù)；運用MSPA研究景觀連通性應(yīng)用廣泛，已有前人研究結(jié)果表明，MSPA分析方法避免了將較大斑塊面積直接作為重要核心區(qū)斑塊所帶來的主觀性[20]，能夠迅速、準(zhǔn)確識別并量化不同類型的重要核心斑塊的生態(tài)結(jié)構(gòu)要素。人類活動及城市建設(shè)會對城市型河流周圍緩沖區(qū)空間土地布局產(chǎn)生變化，對生態(tài)斑塊產(chǎn)生一定的影響，濕地景觀格局與濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能有著密切的聯(lián)系,合理規(guī)劃會使城市濕地公園具有高度多樣化生境，提高生物多樣性[21-23]，對城市濕地公園的建設(shè)與維護(hù)有著重要的作用[24-25]。

近年來，隨著城市的迅速發(fā)展，城市建設(shè)用地的擴建，城市生活居民的密集，城市河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞，人類活動的強度使城市河流的生態(tài)遭到了威脅。河南伊川伊河國家濕地公園屬黃河流域伊洛河水系，與陸渾水庫及洛河相連，屬典型的河流濕地。在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究運用MSPA、景觀連通性分析方法對河南伊川伊河國家濕地公園及其緩沖區(qū)生態(tài)核心區(qū)斑塊及斑塊連通性指數(shù)進(jìn)行分析，識別緩沖區(qū)潛在大斑塊，結(jié)合MCR模型計算核心斑塊之間最小累積阻力路徑，優(yōu)化土地利用空間布局，提升整體連通性，以期為城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供科學(xué)指導(dǎo)，也為此類自然保護(hù)地城市型國家濕地公園整合優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

河南伊川伊河國家濕地公園位于河南省伊川縣中部，伊河縱穿伊川縣南北，北起草店橋，南至酒后鄉(xiāng)梁圪垯村，由北向西南沿伊河呈帶狀分布；地理坐標(biāo)為34°15′21″N～34°31′51″N，112°13′55″E～112°28′08″E，(圖1);有動物245種，植物344種，其中,國家重點保護(hù)動物2種、植物2種；南北跨度31.94 km，總面積1 390.09 hm2。

圖1 河南伊川伊河國家濕地公園區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用河南伊川伊河國家濕地公園2020年0.8 m高分二號遙感影像，2021年DEM高程與坡度數(shù)據(jù)，利用軟件Arc GIS 10.2.2結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)實地調(diào)研進(jìn)行目視解譯，解譯精度達(dá)90%以上，并根據(jù)全國第3次土地調(diào)查土地分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》 GB/T 21010—2017，最終形成耕地、林地等基于同一數(shù)據(jù)源的12類土地利用現(xiàn)狀圖，利用Arc GIS 10.2.2軟件將以河南伊川伊河國家濕地公園為邊界向外擴緩沖區(qū)擴展距離為500、1 000和2 000 m。

2 研究方法

2.1 基于研究區(qū)域MSPA結(jié)構(gòu)連通性分析

基于Arc GIS 10.2.2軟件將以河南伊川伊河國家濕地公園為邊界向外擴緩沖區(qū)擴展距離為500、1 000、2 000 m，3個不同距離緩沖區(qū)進(jìn)行MSPA，在Arc GIS 10.2.2軟件中將生態(tài)用地類型水域及水利設(shè)施用地、林地、草地重分類合并作為前景，賦值為1，將其余建設(shè)用地作為背景，賦值為2。MSPA分析是在一個自由軟件集合中實現(xiàn)了一種分割技術(shù)。基于河南伊川伊河國家濕地公園不等距3個緩沖區(qū)，用Guidos Tool box 2.8軟件平臺，采用8鄰域分析規(guī)則，對二值柵格圖像進(jìn)行分析，不同土地利用類型保持生物資源的能力不同，水域及水利設(shè)施用地和林地、草地等通過腐蝕、膨脹、骨架提取等一系列數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運算，將輸入的柵格二值圖轉(zhuǎn)化為核心區(qū)、孤島、孔隙、邊緣區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)道區(qū)、支線7個功能性景觀元素(表1)，其中，核心區(qū)、橋接區(qū)2種景觀元素對景觀連通性具有重要的生態(tài)意義。

表1 河南伊川伊河國家濕地公園 MSPA景觀類型及生態(tài)學(xué)意義

2.2 景觀連通性指數(shù)

景觀連通性是指景觀促進(jìn)或阻礙生態(tài)流的程度，而斑塊面積與景觀連通性是維持景觀生態(tài)功能的重要載體。核心區(qū)域斑塊用整體連通性(IIC)可能連通性(PC)等景觀指數(shù)進(jìn)行定量評價，PC、IIC這2種景觀連接度指數(shù)是基于圖論和景觀連接度理論來衡量景觀連通性情況的指標(biāo)。

(1)

(2)

參考相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合實地調(diào)研情況，根據(jù)當(dāng)?shù)匚锓N鶴、鴨等水禽的活動距離，距離閾值的取值方法采用目標(biāo)物種法，利用Conefor Sensinode 2.6軟件和Arc GIS 10.2.2上的插件Conefor inputs,設(shè)置連接距離閾值設(shè)定為500 m,設(shè)置連通概率為0.5[27]。

2.3 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型(MCR)模型是基于GIS技術(shù)的最常見的方法，Arc GIS 10.2.2軟件中的柵格計算器結(jié)合權(quán)重計算所有阻力因子，通過Arc GIS 10.2.2軟件cost distance模塊模擬出河南伊川伊河國家濕地公園阻力因子，綜合利用專家打分法和AHP層次分析法[28]確定各類因子的權(quán)重賦值，分別對景觀類型、高程和坡度賦值為0.637 0、0.258 3和0.104 7(表2)，再利用Arc GIS 10.2.2中的柵格計算器結(jié)合權(quán)重計算阻力基面，基于阻力面生態(tài)源地斑塊之間構(gòu)建生態(tài)廊道。不同的生態(tài)源地之間景觀流的空間運行需要克服一定的阻力才能實現(xiàn)，用來計算并顯示從目標(biāo)點到源的最短路徑或最小成本路徑。該路徑是生物物種遷徙和擴散的最佳路徑,能夠有效避免外界的干擾。其計算公式如下:

表2 阻力基面評價體系

(3)

式中:MCR為最小累積阻力值;f為未知的正函數(shù)，反映空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系;Dij為物種從源到景觀單元i的空間距離;Ri為景觀單元i對某種物種運動的阻力系數(shù)[8-9,29]。

3 結(jié)果與分析

3.1 自然保護(hù)地主要用地類型矛盾問題分析

從圖2中看出，河南伊川伊河國家濕地公園主要矛盾問題為濕地資源分布破碎、居住區(qū)用地、耕地占用總面積較多，存在交通用地隔斷生態(tài)斑塊，這些問題的存在給自然保護(hù)地內(nèi)部的管理帶來了不少挑戰(zhàn)。河南伊川伊河國家濕地公園及其緩沖區(qū)各類土地利用面積占比情況見表3。隨著500、1 000、2 000 m緩沖區(qū)工礦倉儲用地、耕地、公共管理與公共服務(wù)用地占比呈遞增趨勢，水域及水利設(shè)施用地占比呈遞減趨勢；河南伊川伊河國家濕地公園內(nèi)工礦倉儲用地50.87 hm2，占比3.66%；其次，耕地面積27.98 hm2,農(nóng)業(yè)面污染廣，導(dǎo)致水質(zhì)變差，占比2.01%;水域及水利設(shè)施用地面積1 208.15 hm2，占總面積85.69%，其中坑塘水面溝渠、養(yǎng)殖坑塘等養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中會導(dǎo)致水的富營養(yǎng)化及土地斑塊的破碎；住宅用地0.39 hm2，河流水質(zhì)由于沿途生活污水排入，導(dǎo)致氨、氮等超標(biāo)，超標(biāo)原因在于沿河道兩側(cè)當(dāng)?shù)鼐用裆钗鬯呐欧乓约稗r(nóng)業(yè)面源污染所致，導(dǎo)致一些水生動物、鳥類、水禽受到生存的威脅[30-32]。

圖2 河南伊川伊河國家濕地公園及其500 、1 000 、2 000 m緩沖區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

表3 河南伊川伊河國家濕地公園及其緩沖區(qū)500、1 000 、2 000 m用地類型表

續(xù)表Continuing table

3.2 MSPA景觀格局分布特征

由圖3、表4河南伊川伊河國家濕地公園及其緩沖區(qū)可以看出，經(jīng)過MSPA分析河南伊川伊河國家濕地公園核心區(qū)斑塊面積為1 071.11 hm2，占研究區(qū)面積的77.06%，橋接區(qū)面積約為7.47 hm2，占總面積的0.54%，核心區(qū)、橋接區(qū)對物種的遷徙交流有連通性結(jié)構(gòu)的作用；緩沖區(qū)500 m核心區(qū)與橋接區(qū)面積分別為1 471.38和97.36 hm2，占前景生態(tài)用地類型的68.77%和3.68%、總面積的28.01%和1.80%，孔隙和邊緣區(qū)分別占前景生態(tài)用地類型1%和25.32%、總面積的0.49%和12.35%，二者均具有生態(tài)邊緣效應(yīng)；緩沖區(qū)1 000 m核心面積1 810.72 hm2占總面積的19.59%，橋接區(qū)面積161.64 hm2，占總面積0.018%；緩沖區(qū)2 000 m核心區(qū)面積2 229.38 hm2，占總面積的10.69%，橋接區(qū)面積320.31 hm2，占總面積0.57%。經(jīng)統(tǒng)計分析緩沖區(qū)500 m核心區(qū)占比相較于1 000、2 000 m緩沖區(qū)要高，隨著距離河道越遠(yuǎn)的緩沖區(qū)斑塊結(jié)構(gòu)連通性減弱。

圖3 河南伊川伊河國家濕地公園500 、1 000、2 000 m MSPA分析圖

表4 河南伊川伊河國家濕地公園及其500 、1 000 、2 000 m緩沖區(qū)MSPA分析

3.3 景觀連通性指數(shù)分析與生態(tài)源地提取

由Conefor 2.6軟件計算分析出的景觀連通性和根據(jù)每個斑塊的dPC與dIIC篩選出重要核心區(qū)，用于評價研究區(qū)區(qū)域內(nèi)整體景觀連接度水平,基于景觀連通性指數(shù)分析，把河南伊川伊河國家濕地公園及其緩沖區(qū)500 、1 000 、2 000 m篩選出重要斑塊9個，如表5所示。斑塊1dPC值最大，隨著緩沖區(qū)向外擴充緩沖區(qū)dPC值減小，而總dPC值增大，表明斑塊1并不隨面積的增加連通性變好；斑塊2、3、4位于伊川縣經(jīng)濟發(fā)達(dá)的城區(qū)，緩沖區(qū)500～1 000 m范圍內(nèi)dPC指數(shù)增加，連通性增加；斑塊5、6位于伊川縣北部，建設(shè)用地對該區(qū)域重要核心區(qū)斑塊影響程度較大；斑塊8、9處于伊川縣南部，500 m緩沖區(qū)至2 000 m緩沖區(qū)主要用地類型為耕地，南部地勢較高，該區(qū)域內(nèi)dPC值偏低。

表5 河南伊川伊河國家濕地公園重要核心斑塊dPC、dIIC值

基于景觀連通性指數(shù)分析，篩選出500、1 000、2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)景觀連通性指數(shù)較大的斑塊，1

圖4 河南伊川伊河國家濕地公園研究區(qū)重要生態(tài)源地圖

3.4 基于MCR模型生態(tài)廊道的構(gòu)建

Arc GIS 10.2.2軟件中的柵格計算器結(jié)合權(quán)重計算所有阻力因子，通過Arc GIS 10.2.2軟件costdistance模塊模擬出河南伊川伊河國家濕地公園阻力因子，再利用Arc GIS 10.2.2中的柵格計算器結(jié)合權(quán)重計算阻力基面，基于阻力面生態(tài)源地斑塊之間構(gòu)建生態(tài)廊道，河南伊川伊河國家濕地公園內(nèi)斑塊對緩沖區(qū)最小阻力路徑斑塊由圖5看出，區(qū)域一斑塊5與斑塊6之間的最小阻力路徑阻力值最小，區(qū)域二斑塊2、3、4與斑塊18之間的的阻力值最小，斑塊18位于河道的右岸，林地占地面積較高，該區(qū)域右岸比主城區(qū)的的左岸建設(shè)用地類型面積少。

圖5 河南伊川伊河國家濕地公園9條最小累積阻力路徑圖

分析結(jié)果顯示，河南伊川伊河國家濕地公園內(nèi)重要核心斑塊作為生態(tài)源地最小累積阻力路徑共有45條，其中阻力值最小的有9條，8條最小累積阻力路徑分布并不與距離呈正相關(guān)關(guān)系，而是與生態(tài)源斑塊所處的位置方位呈正相關(guān)關(guān)系。表明該公園內(nèi)縱向連通性相較于橫向連通性差。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本研究基于MSPA分析和景觀連通性指數(shù)分析，評估河南伊川伊河國家濕地公園內(nèi)土地利用類型矛盾沖突問題、核心生態(tài)斑塊的連通性以及識別周邊最小累積阻力路徑的潛在大斑塊，結(jié)論如下：

河南伊川伊河國家濕地公園主要用地矛盾是公園中的建設(shè)用地等問題，工礦倉儲用地50.87 hm2、耕地27.98 hm2、住宅用地0.39 hm2、總面積79.24 hm2，占河南伊川伊河國家濕地公園面積5.70%。

經(jīng)MSPA分析緩沖區(qū)500 m核心區(qū)占比28.10%，高于1 000、2 000 m該緩沖區(qū)內(nèi)核心斑塊占比，主要因為目前的保護(hù)地邊界內(nèi)基本沒有河岸帶緩沖區(qū)，核心斑塊主要為水體。

河南伊川伊河國家濕地公園連通性指數(shù)總體上呈“中間高、南北低”的空間分布特征。

河南伊川伊河國家濕地公園內(nèi)部重要核心斑塊生態(tài)廊道有45條，其中阻力值較小路徑的有9條，8條較小路徑斑塊分布在緩沖區(qū)內(nèi)。

本研究從河南伊川伊河國家濕地公園功能、結(jié)構(gòu)連接度出發(fā)，是對城市型國家濕地公園優(yōu)化整合及城市周圍緩沖區(qū)生態(tài)斑塊建設(shè)的探究,下一步需要加強在城市范圍內(nèi)河南伊川伊河國家濕地公園生物多樣性的定點監(jiān)測數(shù)據(jù)，使城市生態(tài)系統(tǒng)更加完整，完善城市綠地格局。

4.2 優(yōu)化建議

1)建議調(diào)出濕地公園內(nèi)部采礦用地、耕地及住宅用地；破碎的溝渠、坑塘用地歸為河流水面，制定嚴(yán)格的調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)。參考自然資源部國家林業(yè)和草原局《關(guān)于做好自然保護(hù)區(qū)范圍及功能分區(qū)優(yōu)化調(diào)整前期有關(guān)工作的函》，自然公園屬于一般控制區(qū)，河南伊川伊河國家濕地公園中部土地利用矛盾問題較為突出，中部左岸為伊川縣主城區(qū)，居住區(qū)密集，可以考慮對土地利用進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，同時自然保護(hù)地的邊界應(yīng)適當(dāng)往外調(diào)整，增加河岸帶緩沖區(qū)，增強濕地生物多樣性的保護(hù)與恢復(fù)，同時減少面源污染。

2)在1 000、2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)中部主城區(qū)，居民點密集，建議自然保護(hù)地管理部門與河道左側(cè)城關(guān)鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)樹的當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)社區(qū)協(xié)調(diào)管理，重視當(dāng)?shù)鼐用耖_發(fā)利用土地合理化需求，共同維護(hù)生態(tài)斑塊完整性，提高城市內(nèi)部濕地資源的保護(hù)水平，禁止建設(shè)用地的無限制擴張，制定伊川伊河濕地公園適合園內(nèi)生態(tài)發(fā)展制度。

3)加強管護(hù)河道、保護(hù)周圍綠地布局的建設(shè)，在重要斑塊優(yōu)化中應(yīng)注意生境營造，建議將識別的潛在連通性較好斑塊列為保護(hù)空缺，均衡斑塊連通性指數(shù)空間分布，可使連通性指數(shù)增加約1.2倍；著重維護(hù)500 m緩沖區(qū)至2 000 m范圍內(nèi)中部城鎮(zhèn)樹、城關(guān)鎮(zhèn)、平等鄉(xiāng)等居住用地較多的地區(qū)斑塊；白元鄉(xiāng)、酒后鄉(xiāng)、葛寨鄉(xiāng)等地區(qū)主要以耕地為主，該地區(qū)應(yīng)進(jìn)行規(guī)范用地限制，加強退耕還林、草的建設(shè)。