代繼平，朱 坤，周天宇，龍 飛，黃 麗，彭建松*

(1.西南林業(yè)大學(xué) 森林城市研究院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224；3.國家林業(yè)和草原局 調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，北京 100714；4.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224)

在城市化進(jìn)程的背景下，城市問題積重難返，生態(tài)系統(tǒng)面臨著前所未有的壓力[1-2]。為了解決這一問題，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局成為一種被動適應(yīng)的、具有高效優(yōu)勢的重要規(guī)劃策略，這一概念的提出迅速成為不同領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注的熱點[3-4]。

多數(shù)生態(tài)學(xué)和生物學(xué)者認(rèn)為，斑塊破碎化是影響生物多樣性的一個重要驅(qū)動因素，不僅導(dǎo)致物種種群孤立，阻礙物種交流，而且嚴(yán)重影響區(qū)域自然環(huán)境基底，威脅生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能和可持續(xù)性，構(gòu)建與優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)可有效增加斑塊間的相互聯(lián)系[5-6]。目前區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建主要通過線性或帶狀生態(tài)廊道，將破碎、分散、孤立的生態(tài)斑塊有效連接起來，形成連通、高效、自然、完整的生態(tài)系統(tǒng)，為區(qū)域物種的遷移擴(kuò)散、信息交流提供安全通道，以減少景觀破碎化對生物多樣性造成的影響[7-8]。針對城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過不斷的探索研究[9-13]，驗證了MSPA和MCR模型等方法耦合運用已逐步成為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局分析的主要技術(shù)手段；構(gòu)建景觀阻力面，探索成本因素，有利于最大限度地發(fā)揮城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的功能，降低經(jīng)濟(jì)成本，對未來生態(tài)網(wǎng)絡(luò)營建具有深遠(yuǎn)意義[14]。

2018年以來，曲靖市全面開啟了麒麟?yún)^(qū)、沾益區(qū)、馬龍區(qū)(以下簡稱“麒沾馬”)一體化發(fā)展建設(shè)，打破行政區(qū)劃壁壘，實施抱團(tuán)融合發(fā)展。本研究以曲靖功能核心城市“麒沾馬”為研究對象，研究區(qū)擁有突出的地位和作用、特殊的氣候條件、得天獨厚的自然資源，為各種生物的繁衍提供了良好的自然條件，對區(qū)域生物多樣性維持具有重要作用。為保護(hù)建設(shè)好“麒沾馬”之間森林山體生態(tài)帶，推進(jìn)建設(shè)好大城市生態(tài)圈，優(yōu)化和完善區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要。

1 研究區(qū)概況

曲靖地處低緯高原，為亞熱帶高原季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.5 ℃。市域森林覆蓋率50.01%，是典型的高原山地城市。位于我國第三大河流珠江的源頭和金沙江中上游，承擔(dān)著珠江和長江流域以及西部高原三大生態(tài)安全屏障的建設(shè)任務(wù)，素有“滇黔鎖鑰”“云南咽喉”“珠江源頭第一城”之稱，在國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)中具有極其重要的地位和作用。2019年11月成功獲評國家森林城市。“麒沾馬”是珠江源頭第一城“一主兩副”的中心城市(圖1a)，國土面積共6 213.84 km2，截至2020年，建有自然保護(hù)與生物棲息地9處。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

行政區(qū)劃(來源于BIGEMAP地圖下載器)，基于ArcGIS10.7進(jìn)行合并、融合等處理。以2020年5月曲靖市Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(來源于http://www.gscloud.cn/search，30 m空間分辨率，cloudcover為0.12)，采用ENVI5.3對其進(jìn)行裁剪、輻射定標(biāo)和大氣校正等配準(zhǔn)處理，采用軟件監(jiān)督分類和人眼目測相結(jié)合的解譯方法，提取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，并參照BIGEMAP高清影像和實地調(diào)研情況，對解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行多次修正和校對，最終基于ArcGIS10.7生成研究區(qū)土地利用類型圖(圖1b)。以“麒沾馬”DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(來源于http://www.gscloud.cn/search，30m空間分辨率)，基于ArcGIS10.7進(jìn)行鑲嵌、掩膜提取、投影，并利用3D Analyst工具柵格表面等處理得到坡度數(shù)據(jù)?！镑枵瘩R”路網(wǎng)數(shù)據(jù)(來源于BIGEMAP地圖下載器)，基于ArcGIS10.7提取研究區(qū)主要道路進(jìn)行合并、裁剪和投影等處理。

圖1 研究區(qū)概況(a)和土地利用類型(b)

2.2 景觀格局分析

MSPA是對景觀連通性分析的新方法，能精確地得出像元層面上的景觀生態(tài)類型與結(jié)構(gòu)性要素[15]。GuidosToolbox是MSPA的重要工具，該軟件采用八鄰域圖像細(xì)化分析法對二值柵格8位Tiff數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到核心區(qū)、孤島等7種互不重疊的景觀要素[16]，使得核心區(qū)面積、廊道數(shù)量等結(jié)構(gòu)性要素在結(jié)果中直接顯現(xiàn)[17]。

提取林地作為前景數(shù)據(jù)(賦值2)，水體、建設(shè)用地、草地、耕地和其他用地作為背景數(shù)據(jù)(賦值1)。通過MSPA多尺度對比，得出像元大小(Pixel Size)與邊緣寬度(EdgeWidth)參數(shù)值設(shè)置的不同會導(dǎo)致結(jié)果不同，景觀類型的數(shù)量和面積也會隨之發(fā)生變化。經(jīng)過反復(fù)測試，最終將MSPA的參數(shù)值設(shè)置為：像元大小30 m×30 m、邊緣寬度1(對應(yīng)的實際距離為30 m)。

2.3 生態(tài)源地選取

生態(tài)源地作為大型生境斑塊，具有重要的生態(tài)功能和高連通性，在空間分布上具有一定的聚集性[18]。在景觀水平上，生境斑塊面積的大小和連接性對保護(hù)區(qū)域生物多樣性具有重要的生態(tài)意義[19]?；贑onefor2.6計算景觀的整體連通性(integral index of connectivity，IIC，公式中用IIC表示)和可能連通性(probability index of connectivity，PC，公式中用PC表示)2種指數(shù)，即可反映景觀斑塊的連接度，又可計算斑塊對景觀連接的重要性(importance，dPC，公式中用dPC表示)[20-21]。公式如下：

(1)

(2)

(3)

選取核心區(qū)中斑塊面積最大的30個源地進(jìn)行連通性分析，把斑塊連通距離閾值(distance threshold)分別設(shè)置為500、1 000、1 500、2 000、2 500 m；為了與IIC結(jié)果具有可比性，將可能性概率(corresponds to probability)設(shè)置為0.5，通過對比得出，距離閾值設(shè)置過大，會導(dǎo)致某些大型斑塊被分割、小型斑塊會消失等情況。隨著閾值變化，dIIC和dPC值也隨之變化。在一定范圍內(nèi)，dIIC和dPC所反映的斑塊重要性排序相對一致。最終將距離閾值設(shè)置為500 m，選擇dPC值>1的20個斑塊作為重要生態(tài)源地。

2.4 景觀阻力面確定

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局的構(gòu)建需要綜合考慮生態(tài)基底對整個過程的作用。不同類型斑塊在物種交流、能量流動時會有一定的阻礙[22]。不同源地間跨越景觀的難易程度和景觀類型不同的差異也會導(dǎo)致景觀阻力的不同[23-24]?？紤]不同景觀類型、地形和人為干擾等因素的影響，對不同要素類型和各級阻力因子進(jìn)行賦值(表1)[25]。最后通過柵格計算器得到景觀綜合阻力面，作為MCR模型的成本數(shù)據(jù)。

表1 景觀阻力因子分級、賦值與權(quán)重

2.5 生態(tài)廊道提取

在景觀綜合阻力面構(gòu)建的基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)廊道提取，基于最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance，MCR)識別出最小成本路徑，并將其作為斑塊之間連接和物種交流的通道，進(jìn)而提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體連通性。MCR模型可以通過計算從“源”與目標(biāo)的最小消耗路徑，得到物種運動的最佳路徑(MCR)[26-27]。公式如下

(4)

式中:f-未知的單調(diào)遞增函數(shù)，m-景觀單元i的數(shù)量，n-生態(tài)源地j的數(shù)量，Dij-j到i的空間距離，Ri-i對某物種運動過程的綜合阻力系數(shù)。

重力模型能夠以量化的方式評價斑塊之間的相互作用強(qiáng)度，相互作用力值越大，表征兩者間潛在廊道在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中的位置越重要[28]。公式如下：

(5)

式中:Gij-斑塊i和j的相互作用力，Lmax-廊道阻力的最大值，Si-斑塊i的面積，Lij-i到j(luò)的廊道阻力值，Pi-斑塊i的阻力值。

在以上分析的基礎(chǔ)上，運用MCR模型計算生態(tài)源地到其他景觀單元的累積距離，通過Spatial Analysis工具下的成本距離，得到最小累積阻力面。使用成本路徑，計算源斑塊到目標(biāo)斑塊的最小路徑，得到190條潛在生態(tài)廊道?；谥亓δＰ蜆?gòu)建20個重要生態(tài)源地間的相互作用矩陣，將相互作用力最大的16條廊道提取出來作為重要廊道，刪除冗余廊道，得到研究區(qū)重要生態(tài)廊道圖。

2.6 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

基于“源地-阻力面-廊道”識別出的20個生態(tài)節(jié)點，提取出的16條重要潛在生態(tài)廊道，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、景觀規(guī)劃設(shè)計等多學(xué)科領(lǐng)域，以主要生境斑塊的有效連接為原則，充分考慮生態(tài)節(jié)點和廊道的有機(jī)結(jié)合，通過“斑塊-廊道-基質(zhì)”不同空間層次的分析(圖2)，科學(xué)構(gòu)建研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架，優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局[29]。

圖2 斑塊-廊道-基質(zhì)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局分析

由表2和圖3可見，研究區(qū)內(nèi)對生態(tài)保護(hù)具有重要作用的核心區(qū)景觀面積共185 525.19 hm2。其中麒麟?yún)^(qū)57 512.81 hm2，占核心區(qū)景觀面積的31%；沾益區(qū)77 920.58 hm2，占核心區(qū)景觀面積的42%；馬龍區(qū)50 091.80 hm2，占核心區(qū)景觀面積的27%。“麒沾馬”分布相對均勻，沾益區(qū)居多，斑塊間的景觀連通性較強(qiáng)?？臻g異質(zhì)性較小，景觀系統(tǒng)核心區(qū)斑塊面積占整體生態(tài)景觀總面積的74.06%。孤島斑塊面積較小?？紫逗瓦吘墔^(qū)是核心區(qū)的內(nèi)、外部邊緣，兩者面積僅次于核心區(qū)，表明景觀斑塊具有較好的邊緣效應(yīng)。環(huán)線和橋接區(qū)面積較小，表明斑塊間和斑塊內(nèi)部的連通性較低。支線占景觀總面積的3.04%，表明核心區(qū)與外部景觀具有一定的連通作用。

圖3 MSPA分析景觀類型

表2 基于MSPA的景觀分析結(jié)果統(tǒng)計

3.2 生態(tài)源地選取分析

由表3和圖4可見，選取的重要生態(tài)源地斑塊面積從1 452.87 hm2到18 206.10 hm2不等，共95 049.63 hm2。其中麒麟?yún)^(qū)32 355.51 hm2，占總面積的34.04%；沾益區(qū)37 801.40 hm2，占總面積的39.77%；馬龍區(qū)24 892.72 hm2，占總面積的26.19%。沾益區(qū)分布最多，麒麟?yún)^(qū)次之，馬龍區(qū)分布最少。在四周呈現(xiàn)聚集狀態(tài)，面積較大，中心區(qū)域斑塊較小，且分散程度較大。選取的重要斑塊均為城市森林的核心區(qū)域，可作為生物賴以生存的生境和棲息地。此外，斑塊連接性重要程度(dPC值)與其面積大小對比可知，二者相關(guān)性不顯著，如斑塊9、7、12雖面積相對較小，但dPC值相對較高。因此，基于MSPA方法與連通重要性指數(shù)識別源地，可有效避免忽略小面積斑塊的連通性作用，有助于保障景觀斑塊間的連通性水平。

表3 基于景觀連通性的核心區(qū)(生態(tài)源地)重要程度統(tǒng)計

3.3 生態(tài)廊道提取分析

由表4和圖4可見，不同生態(tài)斑塊間的相互作用強(qiáng)度存在顯著差異，作用力最大的16條廊道中斑塊18-19的相互作用最強(qiáng)，表明斑塊間生態(tài)廊道的景觀阻力較小，連通程度較高，生境適應(yīng)性較強(qiáng)，廊道在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中具有突出地位，對物種之間交流和區(qū)域生物多樣性等起著至關(guān)重要作用，因此在今后的規(guī)劃中應(yīng)加強(qiáng)控制和保護(hù)；斑塊8-10的相互作用較弱，表明斑塊間生態(tài)廊道的景觀阻力較大，連通程度較弱，不能有效滿足生物物種的遷移和擴(kuò)散，影響生物物種豐富度和生物多樣性，因此在今后的規(guī)劃中應(yīng)加以優(yōu)化和完善，提高這一廊道的連通性和生境適宜性。

表4 基于重力模型的20個重要生態(tài)源地間相互作用矩陣

圖4 重要生態(tài)廊道

3.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

依托“麒沾馬”研究區(qū)域內(nèi)自然山體、森林以及生態(tài)要素等現(xiàn)狀布局，構(gòu)建“一區(qū)、三核、七片、六廊、多點”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖5)，形成“綠環(huán)護(hù)城、綠核嵌城、綠片映城、綠廊穿城、綠點鑲城”的生態(tài)空間布局，充分發(fā)揮城市生態(tài)效能。

圖5 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化

“一區(qū)”：指“麒沾馬”一體化融合成“一區(qū)”。打破行政區(qū)劃限制，根據(jù)生物物種擴(kuò)散的需求和生態(tài)建設(shè)的可能性，建議規(guī)劃加強(qiáng)斑塊1-3、3-5、16-20、14-19、11-17生物通道的建設(shè)，增加斑塊之間的有效連接，從而形成連通的、閉合的、完整的環(huán)狀生態(tài)屏障，為區(qū)域內(nèi)生物物種的遷移和擴(kuò)散提供保障。

“三核”：指“麒沾馬”建成區(qū)組成的3個生態(tài)綠核。隨著“沾麒馬”一體化發(fā)展，建成區(qū)將會是“一區(qū)”發(fā)展的動力核心，建議加強(qiáng)建成區(qū)的綠地建設(shè)，形成“三核驅(qū)動”的發(fā)展模式。

“七片”：指區(qū)域內(nèi)建設(shè)的自然保護(hù)區(qū)、森林公園、濕地公園以及自然山體等。建議在保護(hù)優(yōu)先的前提下，依托其獨具特色的、豐富的自然景觀資源，進(jìn)行合理利用。并盡量將其與周邊生態(tài)林地、山體等進(jìn)行整體性統(tǒng)籌考慮，增大斑塊面積，形成連片的生境斑塊，從而增強(qiáng)生態(tài)功能和適宜性，提高生物多樣性。

“六廊”：指區(qū)域內(nèi)7個片區(qū)間的線性或帶狀連接。在考慮生態(tài)源地間相互作用力和距離因素上，建議規(guī)劃加強(qiáng)斑塊10-4、10-9、10-20、10-14、10-13生物廊道的建設(shè)，充分發(fā)揮廊道作為線型生境的功能，打通區(qū)域由內(nèi)向外的有效連接。

“多點”：指區(qū)域內(nèi)的20個重要生態(tài)節(jié)點，是確定生物多樣性持久性的重要地點，是主要生物多樣性區(qū)(key biodiversity areas，KBA)。具有更好的面積效應(yīng)，為區(qū)域內(nèi)生物物種提供更大的生境。建議加強(qiáng)現(xiàn)狀重要生態(tài)節(jié)點的保護(hù)，提升自身質(zhì)量，并整合節(jié)點周邊的生態(tài)要素，保護(hù)內(nèi)部生態(tài)環(huán)境和生物多樣性，同時加大輻射功能，有效拓展區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

從景觀格局分析，研究區(qū)內(nèi)核心區(qū)景觀面積共185 525.19 hm2?？臻g異質(zhì)性較小，景觀系統(tǒng)核心區(qū)斑塊面積占整體生態(tài)景觀總面積的74.06%。從生態(tài)源地和生態(tài)廊道選取來看，共選取20個重要生態(tài)源地，斑塊面積共95 049.63 hm2，在四周呈現(xiàn)聚集狀態(tài)，面積較大，中心區(qū)域斑塊較小，且分散程度較大。不同生態(tài)斑塊間的相互作用強(qiáng)度存在顯著差異。斑塊連接性重要程度(dPC值)與其面積相關(guān)性不顯著。提取相互作用力最大的16條重要廊道。構(gòu)建“一區(qū)、三核、七片、六廊、多點”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)。

構(gòu)建區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是景觀生態(tài)規(guī)劃的重要方法，是解決城市化帶來的景觀破碎化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能削弱等諸多生態(tài)問題的重要措施，是解決區(qū)域性生態(tài)問題整體途徑的嘗試。雖然目前曲靖市中心城市自然本底條件優(yōu)越，但隨著城市建設(shè)，仍然存在破壞生態(tài)廊道的現(xiàn)象，在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中生態(tài)節(jié)點起著至關(guān)重要的作用，因此應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)節(jié)點和生態(tài)廊道的建設(shè)，保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全格局。以生態(tài)文明建設(shè)為引領(lǐng)，運用全面生態(tài)建設(shè)的理念，突破傳統(tǒng)以顯性交通體系、河流水系等要素為規(guī)劃骨架的觀念，以自然條件為依據(jù)，尋求區(qū)域環(huán)境與其他構(gòu)成要素的關(guān)系以及人與自然在空間上的認(rèn)知同構(gòu)關(guān)系，使得自然環(huán)境與人工環(huán)境有機(jī)融合，從而構(gòu)建多樣化的、多功能的曲靖大城市生態(tài)景觀格局。

4.2 討論

遙感影像已經(jīng)成為快速獲取土地類型數(shù)據(jù)的基本工具。但不同時期數(shù)據(jù)的解譯會直接導(dǎo)致不同的解譯結(jié)果，且解譯處理和格式轉(zhuǎn)換本身就存在不確定性，這種差異會直接反映在景觀格局分析上。本研究在遙感影像處理方面，采用監(jiān)督分類+人工目測解譯修正的復(fù)合方法，通過高清影像比對和外業(yè)調(diào)查驗證等方法增加數(shù)據(jù)解譯結(jié)果的真實性，但精度仍有待提高。

斑塊連接的重要性程度與斑塊面積的大小二者相關(guān)性不顯著，大的生態(tài)斑塊可以構(gòu)成區(qū)域物種的生態(tài)源地，保護(hù)更多的生物物種，而小的生態(tài)斑塊可以增加城市景觀異質(zhì)性，為物種提供運動交流的暫歇地，創(chuàng)造豐富的生態(tài)節(jié)點和生境資源，提高區(qū)域生物多樣性。本研究基于MSPA與連通重要性指數(shù)識別生態(tài)源地，并通過多尺度對比論證，有效避免忽略小面積斑塊的連通性作用，有助于保障景觀斑塊間的連通性水平。

景觀阻力賦值類型的選取與賦值的區(qū)間均會對廊道的形成、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果產(chǎn)生重要影響，因此需要科學(xué)地確定景觀阻力參數(shù)。本研究基于數(shù)據(jù)資料的可獲得性，僅選取了土地利用類型、高程、坡度和距道路距離等4種類型。并未考慮同一土地利用類型在不同開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度下對景觀阻力值的影響，缺少所選因子與區(qū)域內(nèi)物種遷移較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)關(guān)系等，主要根據(jù)前人相關(guān)研究，具有一定的局限性和較大的主觀性，需結(jié)合更全面的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析?；贛CR，通過重力模型對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，提取重要生態(tài)廊道和一般廊道，為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的優(yōu)先度提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

基于以上分析，打破行政區(qū)劃限制，構(gòu)建“斑塊-廊道-基質(zhì)”多層次、多要素(點、線、面、網(wǎng))相結(jié)合的曲靖市中心城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠有效保護(hù)“麒沾馬”大城市生態(tài)系統(tǒng)、物種棲息地和重要景觀，對城市生態(tài)圈保護(hù)與修復(fù)方向具有指導(dǎo)意義。