陳竹安, 馬彬彬, 危小建, 曾令權, 姜曉樺

(1.東華理工大學 測繪工程學院, 江西 南昌 330013;2.江西省數字國土重點實驗室, 江西 南昌 330013; 3.廣州番禺職業(yè)技術學院， 廣東 廣州 511483)

隨著城市化不斷推進，城市用地以不同的形式向四周擴張，在城市擴張過程中導致生態(tài)景觀發(fā)生巨大變化。大型生境斑塊被不斷侵占、蠶食，連接生態(tài)用地間的廊道也被隔斷，導致景觀之間連通性降低，城市化與生態(tài)環(huán)境之間沖突愈加凸顯，人類正常生產與生活及生物多樣性受到嚴重沖擊[1-2]，生態(tài)環(huán)境問題給當今社會以及城市可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前的研究中，主要通過生態(tài)網絡構建及其優(yōu)化分析對區(qū)域生態(tài)環(huán)境進行保護與改善[3]。通過廊道連接分散于區(qū)域內獨立的生境斑塊，形成聯(lián)系緊密且復雜的生態(tài)網絡，提高生態(tài)系統(tǒng)調節(jié)能力、強化城市生態(tài)系統(tǒng)功能。生態(tài)網絡研究通常以生態(tài)用地規(guī)劃為主，包括生態(tài)網絡構建[4]、生態(tài)網絡規(guī)劃模式[5]、生態(tài)網絡結構分析評價[6]等。有些研究將景觀生態(tài)與土地規(guī)劃[7]或野生動物保護相結合[8]，有針對性的制定科學規(guī)劃方案。生態(tài)網絡構建大多集中在森林、濕地[9]、集約化土地生態(tài)網絡[10]等方面。生態(tài)網絡構建的基礎和關鍵是合理識別和提取生態(tài)源地，但源地選取方面，以往研究多用大型生態(tài)斑塊(如林地、自然保護區(qū))作為源地，選取過程具有較大主觀性[11-12]，忽視了生態(tài)斑塊的功能和景觀連通作用。而形態(tài)學空間格局分析(morphological spatial pattern analysis， MSPA)與景觀連通性指數相結合的方法可以有效地識別出生態(tài)價值高且具有連通作用的斑塊，有效避免源地提取的主觀性[13-14]。近年來由于綠地景觀日益破壞，關于綠地廊道的研究變得深入，研究集中在廊道構建和系統(tǒng)規(guī)劃等方面[15]，借助于最小累積阻力模型[16](minimum cumulative resistance， MCR)、圖論與電流理論等[17-18]模擬潛在廊道，了解物種遷徙可能的路徑，進而加強對生態(tài)廊道修復[19]。在此基礎上，利用重力模型[20]、圖譜理論[21-22]、相對生態(tài)重要性與城鎮(zhèn)發(fā)展脅迫賦值加權方法等[23]方法分析廊道重要性，識別出具有重要生態(tài)意義的廊道[24]，進而提出生態(tài)網絡優(yōu)化和改進方案，改善斑塊之間連通性[25-26]。

隨著2015年新建縣撤縣改區(qū)，江西省南昌市土地利用廣度及強度逐漸加大，威脅區(qū)域生態(tài)安全，具有較強典型性。因此，本研究擬對南昌市生態(tài)網絡進行研究，通過MSPA與景觀連通性進行生態(tài)源地選擇，從而避免源地選取的主觀性。在兼顧自然、人為因素構建綜合阻力面的基礎上，基于MCR模擬潛在生態(tài)廊道，構建研究區(qū)生態(tài)網絡，并利用重力模型識別和提取重要廊道，對生態(tài)網絡中存在的問題提出優(yōu)化對策。研究結果有助于保護和提升南昌市自然生態(tài)系統(tǒng)功能，為城市可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 研究方法與數據

1.1 研究區(qū)概括

南昌市地處江西中北部，東經115°27′—116°35′，北緯28°09′—29°11′。全境以鄱陽湖平原為主，山、丘、崗、平原相間分布，東南相對平坦，西北丘陵起伏，贛江、撫河、玉帶河等多條河流縱橫交錯，大小湖泊百余個。此外，具備豐富的森林資源，野生動物、植物資源品種繁多。隨著南昌市城市化水平的提高，加之新建縣撤縣設區(qū)，城市在快速發(fā)展的同時，土地利用廣度及強度逐年增大，導致生境斑塊面積及其質量均有所衰退，景觀破碎化嚴重，生態(tài)系統(tǒng)面臨著極大威脅。因此，構建南昌市生態(tài)網絡體系，是采取合理措施保護生態(tài)系統(tǒng)安全的基礎和關鍵。

通過對Landsat TM影像(數據來源:http:∥www.gscloud.cn/)預處理及目視解譯，并通過最大似然法實施監(jiān)督分類，提取林地、水域、建設用地、耕地和其他等景觀要素，從而獲得基礎地理信息數據為南昌市2019年土地利用類型數據，并與所獲取的高精度航拍數據對解譯的土地利用進行精度驗證，精度達85%以上，數據可靠性較高。DEM數據來源于地理空間數據云(數據來源: http:∥www.gscloud.cn/)，其空間分辨率為30 m×30 m；道路網數據來源于Open Street Map(https:∥www.openstreetmap.org/)數據平臺。

1.2 研究方法

構建生態(tài)網絡包括“源地識別—阻力面構建—廊道模擬”等步驟。

1.2.1 生態(tài)源地識別 MSPA利用數學形態(tài)學原理，從空間形態(tài)和連通性角度對柵格像元分類，進而識別出對連通性具有重要作用的斑塊和廊道，從而提升生態(tài)源地選取的科學性和客觀性[27-28]。MSPA以土地利用類型為基礎，將生境斑塊作為前景并經過一系列分析處理按照空間形態(tài)將其分為互不重疊的7大類(核心區(qū)，連接橋，環(huán)道，支線，邊緣區(qū)，孔隙和孤島)。為保證景觀完整性，本文研究尺度為30 m×30 m。根據研究區(qū)土地利用類型重分類結果(耕地、林地、水域、建設用地和其他)，將林地、水域等生態(tài)服務價值較高且受人為干擾較少的自然景觀作為MSPA前景，基于MSPA八鄰域方法進行分析，得到7類景觀(表1)。

表1 基于MSPA的研究區(qū)景觀類型及生態(tài)學含義

景觀連接程度作為衡量景觀格局與功能的重要指標，可以反映各個斑塊對景觀連通性的重要程度，定量描述某一景觀類型是否有利于物種遷徙，包括整體連通性(ⅡC)、可能連通性(PC)和斑塊重要性(dPC)等[29-30]。

(1)

(2)

(3)

式中：PCremove表示斑塊剔除之后剩余斑塊的整體指數。dPC通過PC的變化衡量各個斑塊對維持景觀連通性的重要程度。

本文綜合考慮斑塊面積和連通性，設置斑塊連接性閾值和連通概率，評價核心區(qū)斑塊的景觀連通性，從而識別出對斑塊連通性有重要作用的生態(tài)源地，避免只考慮面積忽略具有重要連通作用的斑塊，保證源地選取的合理性。

1.2.2 景觀阻力面構建 景觀阻力反映生物在不同空間遷移擴散的難易程度，景觀阻力面為區(qū)域生態(tài)過程流與景觀格局間相互作用的空間表達[2,31]。本文綜合研究區(qū)實際情況和數據可獲取性，篩選涵蓋地貌等自然要素及人類活動因子作為物種遷徙的約束因子。自然要素包括高程、坡度、土地利用類型，人類活動因子包括距鐵路距離、距主干道距離、距次干道距離、距高速公路距離。參考相關研究[32-33]，各阻力因子權重詳見表2。

表2 不同土地利用類型的景觀阻力值及其權重

1.2.3 基于最小成本路徑的生態(tài)廊道構建 廊道是生態(tài)網絡中的線狀或帶狀區(qū)域，具有為物種提供棲息地及遷徙通道的作用。物種在穿越異質景觀時需要消耗一定的“成本”，該成本反映物種在遷徙過程中實際消耗的能量。最小累積阻力模型基本公式為：

(4)

式中：MCR表示物種從源到空間另外一點的最小累積成本； 函數f反映最小累計阻力模型與變量Dij·Ri之間呈單調遞增正比函數關系；Dij表示物種從源i到景觀j的擴散距離；Ri為景觀i阻力值。

本文在研究區(qū)綜合阻力面基礎上利用MCR計算物種從源斑塊出發(fā)遷移到目標斑塊的最小累積成本路徑[32-33]，并對研究區(qū)潛在廊道進行模擬，從而構建南昌市生態(tài)網絡。廊道在生態(tài)網絡中的重要程度及其對于整體生態(tài)網絡連通性的有效性取決于源斑塊與目標斑塊間相互作用強度。因此，本文基于重力模型計算結果，定量評價斑塊之間的相互作用強度，判定廊道的重要程度。然后，提取相互作用大于閾值100的廊道，作為研究區(qū)重要的生態(tài)廊道，并有針對性的進行重點保護。

(5)

式中：Gij是點i和j之間的相互作用力，即i-j廊道的重要性指數；Ni和Nj是斑i和j的權重值。N值可通過不同的綠地景觀斑塊的阻力值(Pi)及斑塊面積(Si)獲得。Dij是從點i到j潛在廊道標準化累積阻力。Lij是點i到j潛在廊道的累積阻力值，Lmax是研究區(qū)最大累積阻力值。

2 結果與分析

2.1 基于MSPA與景觀連接性的生態(tài)源地分析

基于MSPA計算結果如圖1所示。對7類景觀類型面積與比例進行統(tǒng)計分析。結合圖1與表3可知，核心區(qū)所占比例最大，高達84.58%，在東西部呈聚集性分布，數量較多，而中部地區(qū)相對分散。其次為邊緣和孔隙，占比分別為13.11%和1.45%，面積相對較小，表明核心區(qū)斑塊穩(wěn)定性較低，抗外界干擾能力不強。連接橋作為結構性廊道，具有促進物種遷徙、增加景觀連通性的作用，占比僅為0.11%，表明研究區(qū)內連通性較低。支線具有一定的景觀連通作用，占比為0.74%，說明核心區(qū)與外界能量交換受到干擾。孤島作為孤立的生境斑塊，在一定程度上可為物種遷徙提供踏腳石作用，占比僅為0.02%，零星分布于區(qū)域中。環(huán)道是物種遷移中可供選擇的捷徑，面積僅為61 hm2，過少的數量表明物種遷移活動消耗較大，對生物多樣性造成不利的影響。

圖1 基于MSPA的南昌市景觀分類

表3 南昌市景觀類型分類統(tǒng)計

在MSPA分析結果基礎上，選取面積大于100 hm2的核心區(qū)斑塊計算其景觀連通性指數(表4)，然后選取dPC>0.5[36]的38個斑塊作為研究區(qū)的生態(tài)源地(圖2)。由圖2可見，生態(tài)源地主要位于南昌市西部、北部及東部生境質量較好的地區(qū)，尤其在東部地區(qū)分布較為密集，包括梅嶺、贛江、瑤湖、軍山湖、青嵐湖、撫河等大型的林地、水域。同時，由表4可知，斑塊面積的大小并不直接影響生態(tài)源地斑塊的重要程度，比如5，6，11號斑塊雖然面積相對較小，但其連通程度較好。因此，結合MSPA與景觀連通性指數有效避免只考慮斑塊面積而忽略連通重要性的缺陷，保障了源地提取方面的科學性與客觀性。

表4 生態(tài)源地景觀連接性指數重要值排序結果

圖2 研究區(qū)生態(tài)源地及其節(jié)點空間分布

2.2 生態(tài)阻力面構建

基于ArcGIS空間分析，計算得到南昌市生態(tài)綜合阻力面(圖3)。研究區(qū)整體阻力呈現南高北低、中部高四周低的特征，該特征對物種遷移和物質能量流動影響較大。由綜合阻力面可知，北部(新建區(qū)、進賢縣)阻力值較低，東部如安義縣也存在部分阻力值較低區(qū)域。高阻力集中于青山湖區(qū)、青云譜區(qū)、東湖大部分區(qū)域以及進賢縣部分地區(qū)，這些地區(qū)受交通路網及建設用地影響，生態(tài)斑塊遭到破壞，阻礙動物的生存與遷徙。

圖3 南昌市生態(tài)綜合阻力面

2.3 生態(tài)網絡結構特征分析

總體而言，南昌市東部地區(qū)具有較好的生態(tài)環(huán)境與較高的斑塊連通性，有利于物種生存以及促進生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定，而其他地區(qū)需要不斷完善并豐富生態(tài)網絡，從而整體上提高南昌市生態(tài)系統(tǒng)功能。本文基于綜合阻力面與MCR，模擬出63條廊道，并結合生態(tài)源地構成了南昌市生態(tài)網絡。由圖4可知， ①生態(tài)廊道空間分布不均且較為分散，廊道主要分布于北部與東部。因為東部與北部地區(qū)源地分布相對集中且生境質量較好，景觀連通性較強。而南北之間以及東西之間出現了廊道的中斷現象，破壞了區(qū)域整體連通性，物種交流與遷徙造成較大阻礙。 ②廊道連接單一，易因外界干擾發(fā)生斷裂而降低網絡連通性。

圖4 南昌市生態(tài)網絡結構

統(tǒng)計不同區(qū)域廊道中各景觀類型，由表5可知： ①總體上，廊道中林地、水域等受人類干擾較少且生境質量較高的景觀占比超過90%，而受人類干擾強烈的建設用地占比最小。另外，耕地因具有一定的生境適應性，在廊道中也占據少量比重。 ②各區(qū)域生態(tài)廊道景觀結構有所差異，新建區(qū)與南昌縣以水域為主，灣里區(qū)以林地為主；而青山湖區(qū)以耕地為主，建設用地次之，水域占比較小，生態(tài)廊道中沒有林地，主要原因可能是青山湖區(qū)受人類干擾程度較大，導致廊道中林地缺失，景觀結構遭到破壞。此外，安義縣與進賢縣則以林地與水域為主，耕地次之，建設用地與其他用地較少。綜上所示，南昌市生態(tài)廊道整體生境適宜性較高，但由于中心城區(qū)周邊如青山湖區(qū)受人類干擾程度相對較大，廊道中林地水域等生態(tài)用地極少，廊道生境質量較差，對物種生存與遷移造成巨大阻礙，急需改善景觀結構。

表5 研究區(qū)各區(qū)生態(tài)廊道景觀結構 %

為進一步分析廊道重要性，本文利用重力模型計算斑塊間的相互作用強度。平均作用強度越大表明源地間聯(lián)系越緊密，遷移阻力越小，生態(tài)廊道重要性越高。由表6看出， ①斑塊間平均相互作用強度自東向西逐漸減少，東部30號源地平均作用強度最大，然后依次是7，1，3，13，4號源地斑塊。平均作用強度較大的斑塊分布于東部和北部，因此要加強對該區(qū)域內源地斑塊的保護。 ②不同源地間相互作用有較大差距，源地30，32之間相互作用程度最大，兩個源地聯(lián)系緊密，物種遷移阻力較小。因此，連接斑塊30，32可以增加物種遷徙的可能性。應對這兩個源地間廊道予以重視并保護，從而維持其在生態(tài)網絡中的連通作用。而源地14，20之間相互作用強度最小，說明這兩個源地聯(lián)系欠佳，不利于物種遷移，因此，生態(tài)規(guī)劃中應加強兩個源地間廊道的保護，優(yōu)化廊道生境質量，強化連通性。

表6 基于重力模型分析源地間相互作用力強度結果

對南昌市生態(tài)網絡進行重要性分級，將相互作用力大于100的廊道作為重要廊道，其余作為一般廊道(圖5)。分級后重要廊道共19條，大多位于東部、北部城市邊緣的林地和水域，而一般廊道位于城市邊緣比較孤立的斑塊間。由于重要廊道對維持系統(tǒng)整體功能具有重要意義，建議對其進行重點保護與建設，從而提高生態(tài)保護效率。

圖5 南昌市生態(tài)網絡重要性分級

3 生態(tài)網絡優(yōu)化策略與建議

3.1 強化對核心生境斑塊的保護

核心斑塊作為物種生存和遷徙的重要節(jié)點，其數量與質量對生物多樣性保護、生態(tài)環(huán)境改善具有至關重要的作用。研究區(qū)水域與林地較為豐富，但分布不均且較為分散，受快速城市化影響，生境斑塊出現顯著的島嶼化與破碎化現象。因此，應加強贛江、梅嶺國家森林公園、青嵐湖、軍山湖、瑤湖森林公園等生境斑塊的保護與建設工作。同時，在保護其完整性基礎上加強與周圍林地、水域間的統(tǒng)籌與聯(lián)系，不斷擴大斑塊面積，提升斑塊的生境質量，增強景觀連通性與生境適宜性。

3.2 增加核心生態(tài)源地，優(yōu)化網絡連接

南昌市東西部之間、南北部之間缺乏廊道連接，導致景觀連通性出現中斷，考慮到物種遷徙對生態(tài)源地的需求，根據核心區(qū)和廊道的空間分布，優(yōu)先根據面積與連通性新增源地，共選取12個新增源地，根據其空間分布阻力值，建議新增33條生態(tài)廊道(圖6)。通過新增廊道增強了南北、東西之間有效連通，從而優(yōu)化研究區(qū)生態(tài)網絡。今后規(guī)劃管理中應不斷提高新增生態(tài)源地與廊道的生境質量，提升整體景觀連通性，增強生態(tài)系統(tǒng)功能。

圖6 研究區(qū)生態(tài)網絡優(yōu)化結果

3.3 加快生態(tài)斷裂點的修復

路網顯著增加帶來便捷性的同時也對生態(tài)網絡造成一定的分割，廊道與交通路線交叉區(qū)域形成生態(tài)斷裂點。斷裂點對生物遷徙路徑造成阻隔，增加物種遷移難度，甚至造成物種在遷移過程中因車輛撞擊而死亡。因而，在生態(tài)規(guī)劃中需要對生態(tài)斷裂點予以重視，進行必要修復，在建設高等級路網時應該提供動物遷徙的通道，如規(guī)劃地下通道、隧道、天橋供動物遷徙，從而保障物種交流與擴散。

4 討 論

結合MSPA與景觀性指數的方法既考慮了斑塊面積，又兼顧斑塊間的景觀連通，更加科學、客觀的提取生態(tài)源地。本文在源地提取時沒有將大型自然保護區(qū)或森林公園等作為生態(tài)源地，而是結合MSPA與景觀性指數的方法。通過MSPA分析得到生境質量較好、具有生態(tài)源地作用的核心區(qū)，將生態(tài)質量好、連通性較高的斑塊作為生態(tài)源地。該方法既考慮面積因素，又兼顧了景觀要素的結構特征及連通性，有效避免了源地提取的主觀性，提高生態(tài)源地提取的科學性。

綜合考慮自然、人為因素設置景觀阻力值，具有一定的科學性。生態(tài)網絡構建中景觀阻力值的設定至關重要，然而目前對景觀阻力值設置還未形成統(tǒng)一標準。本文在阻力值設置時，考慮的因素更為全面，既有地形、土地利用類型因素，又有受人為干擾較大的鐵路、公路等交通因素，綜合考慮對動物遷徙造成阻礙的各方面因素，具有較好的科學性。

本文結合MSPA與景觀性指數的方法提取生態(tài)源地，進而基于MCR模型構建生態(tài)網絡，但仍存在一些不足處： ①基于MSPA的方法在不同景觀尺度具有不同結果[36]。為避免某些重要景觀類型的丟失，本文研究尺度為30 m×30 m[37-38]，而構建生態(tài)網絡的最佳尺度還需進一步研究。 ②在使用ⅡC和PC計算景觀連通性時，需要設定連通距離閾值，當斑塊間的距離大于該閾值時，認為斑塊不連通。因此，連通距離對斑塊的重要性dPC值具有重要的影響。本文參考前人研究[39-40]連通距離閾值為1 000 m，連通概率為0.5，存在一定的主觀性。 ③生態(tài)阻力面的構建時未考慮不同物種的特性。今后將結合特定物種研究不同距離閾值和景觀阻力值對其影響，以期不斷完善本文的分析框架與方法體系。

5 結 論

(1) 南昌市生態(tài)源地主要位于南昌市西部、北部及東部生境質量較高、連通性較好的地區(qū)，如贛江、梅嶺國家森林公園、軍山湖、撫河等林地和水域。

(2) 南昌市整體阻力呈現南高北低、中部高四周低的特征，生態(tài)網絡空間分布較為分散，閉合環(huán)路較少。生態(tài)廊道主要集中分布于研究區(qū)東部地區(qū)，而西部與北部廊道較為單一。此外，重要廊道大多位于東部、北部城市邊緣的林地和水域。

(3) 建議增強核心斑塊的保護力度，在保護其完整性基礎上加強與周圍斑塊的聯(lián)系，不斷豐富生態(tài)網絡。同時，盡快修復生態(tài)斷裂點，優(yōu)化及增加不同生態(tài)斑塊的連通性。