黃浦江，蔣巧璐

（1.上海市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，上海 200040）

城市的無序擴(kuò)張使城市自然生態(tài)系統(tǒng)要素具有生境破碎化、島嶼化、生物多樣性降低等特點[1]。城市森林對城市生物多樣性、保持水土、改善城市生態(tài)環(huán)境具有重要意義，且森林斑塊的有效連接能促進(jìn)基因流動、協(xié)助物種遷移和種群發(fā)育[2-3]。因此，模擬城市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對于城市生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[4]。

通過梳理相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識別方法，由于網(wǎng)絡(luò)分析法、適宜性評價模型、景觀指數(shù)等方法無法解釋復(fù)雜的生態(tài)過程，因此學(xué)者更傾向于利用基于生態(tài)過程的最小費用路徑模型來識別網(wǎng)絡(luò)[5-8]；但不同阻力面所生成的網(wǎng)絡(luò)存在差異，缺乏對不同阻力面生成的潛在網(wǎng)絡(luò)的影響分析。景觀指數(shù)和網(wǎng)絡(luò)連接度指數(shù)從網(wǎng)絡(luò)幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用網(wǎng)絡(luò)連接度指數(shù)和基于歐氏距離、斑塊面積的景觀指數(shù)來定量評價整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，識別網(wǎng)絡(luò)中的主要廊道與核心斑塊，忽略了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的生態(tài)過程即生物遷徙對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，缺乏將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、距離成本與生態(tài)遷徙過程中的阻力成本相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)評價方法。針對上述問題，本文以武漢市為例，利用多情景分析法分析了不同阻力面對生成的潛在網(wǎng)絡(luò)的影響。

1 研究區(qū)概況

本文選取的研究區(qū)為武漢市全市域。武漢市是我國中部地區(qū)特大城市，地處北亞熱帶季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候；擁有豐富的森林資源，包括木蘭山生態(tài)旅游區(qū)、九峰山、馬鞍山等大小綠地斑塊，這些斑塊在維護(hù)和發(fā)展城市生物多樣性、保持水土、改善城市生態(tài)環(huán)境、提供林產(chǎn)品和休閑游憩等方面發(fā)揮著重要作用。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

本文采用的數(shù)據(jù)為2018年武漢市Landsat7 ETM+遙感影像，來源于國家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。首先利用ENVI 4.7軟件對3期遙感影像4、3、2波段進(jìn)行組合，再借助地形圖對圖像進(jìn)行幾何精矯正，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大氣校正處理。解譯過程中充分利用土地利用現(xiàn)狀圖和野外考察數(shù)據(jù)建立分類標(biāo)準(zhǔn)，從而進(jìn)行人機(jī)交互監(jiān)督分類。按照不同的景觀功能，分為建設(shè)用地、耕地、水域、綠地、未利用地和濕地6種用地類型。利用ArcGIS 10.1提取城市森林斑塊，并利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）提取2018年武漢市植被覆 蓋圖。

2.2 研究方法

2.2.1 森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)“源”地選取

在現(xiàn)代城鎮(zhèn)中，生物多以飛禽、小型哺乳動物為主。已有研究通常根據(jù)生物生境范圍大小確定城市綠地中重要的生境斑塊，并將其作為城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的“源”。因此，本文結(jié)合武漢市實際情況，從生物多樣性保護(hù)的角度出發(fā)，整理出相對完善的生態(tài)節(jié)點類型，最終選取了151個森林斑塊作為生態(tài)源地。

2.2.2 森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合阻力面構(gòu)建

景觀阻力是指物種在不同景觀單元之間進(jìn)行遷徙的難易程度。景觀單元的類型組成、地理位置以及其生態(tài)系統(tǒng)功能等均直接決定了斑塊的生態(tài)系統(tǒng)功能阻力。綜合考慮影響物種遷徙的因素，本文選取道路等級、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、植被覆蓋率、生物多樣性指數(shù)、土地利用類型作為阻力層因子，并對多種指標(biāo)進(jìn)行整合，利用熵值法確定其權(quán)重，進(jìn)而生成復(fù)合阻力面。其中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值參考Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評價體系，確定研究區(qū)各景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[9]；植被覆蓋率和生物多樣性指數(shù)根據(jù)相關(guān)研究從2010年武漢市NDVI中提取數(shù)據(jù)[10]（表1～4）。由于不同潛在廊道的模擬結(jié)果均建立在景觀阻力賦值大小與賦值區(qū)間的基礎(chǔ)上，因此本文利用情景分析法對賦值進(jìn)行討論，構(gòu)建基礎(chǔ)阻力面、討論道路緩沖區(qū)影響的參考面1、生態(tài)景觀面積變化的參考面2以及綜合了前3種景觀阻力更為貼近現(xiàn)實情況的參考面3。若因子存在疊加，均以最大值進(jìn)行景觀阻力賦值。

表1 景觀類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

表2 植被覆蓋率和生物多樣性指數(shù)阻力值

表3 不同景觀阻力面要素權(quán)重

表4 不同阻力面土地利用類型的景觀阻力值

2.2.3 基于最小加權(quán)費用路徑模型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識別

為了反映景觀中生態(tài)源地與目標(biāo)之間的最小費用路徑，本文采用最小加權(quán)費用路徑模型確定生物物種在遷徙與擴(kuò)散過程中的潛在路徑。同時，為了實現(xiàn)自動化運算大數(shù)據(jù)量的費用路徑模型，本文利用ArcGIS 10.1中的空間建模技術(shù)構(gòu)建了一個具有循環(huán)功能的Ecological Network模型，用以自動讀取、運算和保存數(shù)據(jù)。

2.2.4 整體網(wǎng)絡(luò)評價

網(wǎng)絡(luò)的主要功能在于實現(xiàn)節(jié)點的可接近性，使相互臨近的孤立節(jié)點更易到達(dá)，以減少各種流在遷徙過程中的損耗。網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點和廊道組成，連接方式眾多。連接度能反映網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點的連接狀況，從結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特殊性，可通過網(wǎng)絡(luò)閉合度（α指數(shù)）、線點率（β指數(shù)）、網(wǎng)絡(luò)連接度（γ指數(shù)）和網(wǎng)絡(luò)有效性（δ指數(shù)）進(jìn)行評價。

式中，L為網(wǎng)絡(luò)實際存在的廊道數(shù)；V為網(wǎng)絡(luò)實際節(jié)點數(shù)；Li為物種遷徙過程中通過所有廊道的阻力和；α的取值范圍為0～1，α=0表示網(wǎng)絡(luò)無回路，α=1表示網(wǎng)絡(luò)具有較大可能的回路數(shù)；β＜1表示形成樹狀格局，β=1表示形成單一回路，β＞1表示有更復(fù)雜的連接度水平；γ的取值范圍為0～1，γ=0表示沒有節(jié)點相連，γ=1表示每個節(jié)點間都相通；δ指數(shù)通過計算生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的平均廊道阻力，表征物種在網(wǎng)絡(luò)廊道中的遷徙有效程度。

2.2.5 生態(tài)源地關(guān)聯(lián)程度評價

生態(tài)源地的評價思路基于斑塊關(guān)聯(lián)度指數(shù)（PCI），本文以生物在斑塊間遷徙所遇到的平均距離耗費阻力表示斑塊關(guān)聯(lián)度。本文利用最小加權(quán)費用路徑模型識別武漢市森林生態(tài)源地斑塊間的遷徙成本矩陣；利用ArcGIS 10.1 Network Analyst模塊中的OD Metrics計算得到生態(tài)源地斑塊間的最小距離長度；進(jìn)而得到其中每個生態(tài)源地斑塊到其他生態(tài)源地的平均距離耗費阻力值，用以定量評價生態(tài)源地斑塊在整個網(wǎng)絡(luò)中的重要程度。

式中，Pij為生態(tài)源地i穿越景觀阻力面到生態(tài)源地j的實地距離；Rij為生態(tài)源地i所遇到的阻力值；Ci為生態(tài)源地i到其他生態(tài)源地的累積耗費值；Di為生態(tài)源地i到其他源地的距離總和。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 多情景生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識別

結(jié)合4種不同賦值的阻力面，本文利用Ecological Network模型識別得到4種武漢市城市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，可以看出，不同的阻力面生成了不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的城市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，但由于多數(shù)核心斑塊集中在北部、東北部和南部遠(yuǎn)離城市的山區(qū)，而人類活動主要集中在中心城區(qū)，因此中心城區(qū)的阻力值遠(yuǎn)高于郊區(qū)；網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)廊道數(shù)量均呈現(xiàn)出由城市中心向郊區(qū)逐漸增多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)分布更加密集的特點。值得注意的是，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分布特征使得中心城區(qū)很難形成有效的生態(tài)廊道，呈現(xiàn)出“生態(tài)孤島”現(xiàn)象，隨著城市的無序擴(kuò)展，該范圍將逐漸擴(kuò)大。

圖1 武漢市多情景森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

3.2 整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評價

根據(jù)4種不同阻力面識別得到的4種武漢市城市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的評價結(jié)果如表5所示。

表5 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)評價結(jié)果

α指數(shù)用來描述網(wǎng)絡(luò)中回路存在的程度，其值越高表明物種在穿越生態(tài)網(wǎng)絡(luò)時可選擇的遷徙路徑越多。由此可知，道路及其周圍緩沖區(qū)對物種遷徙路徑的阻隔作用很大，可選擇的能閉合成環(huán)狀的路徑銳減。生態(tài)景觀面積變化與基礎(chǔ)面的比較采用面積對生態(tài)景觀阻力值大小進(jìn)行分級，從而減小一些小面積生態(tài)景觀斑塊的阻力值，增加物種通過的可能性。參考面3的α指數(shù)較低說明在綜合考慮阻力的基礎(chǔ)上，武漢市現(xiàn)狀森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的閉合度較低，物種可選擇的遷徙路徑較少，抗干擾能力較低。

β指數(shù)和γ指數(shù)均表示網(wǎng)絡(luò)的連接程度，其值越高表明網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度越高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越完善。由此可知，道路緩沖區(qū)降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度和連接程度。在參考面2中，由于生態(tài)景觀阻力值的減小，提升了網(wǎng)絡(luò)連接度，保證了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完善度。在二者的綜合影響下，武漢市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度下降，完善程度有所降低。

δ指數(shù)主要用于量化網(wǎng)絡(luò)中物種遷徙的有效性，整體來看，受到快速城市化影響，4種城市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的有效性均較低。由此可見，道路及其周圍緩沖區(qū)增加了網(wǎng)絡(luò)的平均廊道消費，從而使得網(wǎng)絡(luò)的有效性降低。按照不同面積對生態(tài)景觀進(jìn)行多樣化賦值，則會降低網(wǎng)絡(luò)中的平均廊道消費，增加網(wǎng)絡(luò)中動物遷徙的有效性。

整體來看，道路對城市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響較大，而生態(tài)景觀的合理賦值也對城市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化有較明顯的影響。在綜合考慮各種因素疊加的參考面3中，其數(shù)值均為最低，說明城市在無序擴(kuò)張，人類活動嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，物種可選擇的遷徙路徑較少，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度較低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不完善、連接度較差，網(wǎng)絡(luò)的平均消費成本較高，網(wǎng)絡(luò)中動物遷徙的有效性較低。

3.3 生態(tài)源地關(guān)聯(lián)度評價

基于ArcGIS的空間建模工具，本文計算得到生態(tài)源地的PCI，并利用自然斷點分類法將生態(tài)源地PCI分為5個等級，等級越高說明生物在斑塊間遷徙所遇到的平均距離耗費阻力越大，關(guān)聯(lián)程度越低。

武漢市生態(tài)源地關(guān)聯(lián)度等級如圖2所示，可以看出，生態(tài)源地的關(guān)聯(lián)度分布特征呈由中心城區(qū)向郊區(qū)逐漸增高的趨勢，5級關(guān)聯(lián)度斑塊主要分布在中心城區(qū)東湖以東的磨山、喻家山和馬鞍山等林區(qū)，原因在于其分布距離城市中心較近、人類活動較頻繁，雖然近年來通過立法和規(guī)劃增加了森林面積和保護(hù)力度，但生物遷徙在該地區(qū)遇到的阻力依然很大，源地斑塊的關(guān)聯(lián)性較差；1級關(guān)聯(lián)度斑塊為黃陂北部的木蘭山林區(qū)，由于其林區(qū)面積大，生物多樣性豐富，周圍林區(qū)密集，且處于郊區(qū)，人類活動較少，因此其向外遷徙的阻力較低、關(guān)聯(lián)程度高。

圖2 武漢市生態(tài)源地關(guān)聯(lián)度等級

3.4 森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)策略

3.4.1 加強(qiáng)生態(tài)源地保護(hù)

生態(tài)源地是區(qū)域內(nèi)的重要生態(tài)節(jié)點，也是區(qū)域內(nèi)生物生存、繁衍以及遷徙的重要源地。加強(qiáng)生態(tài)源地保護(hù)、提升其數(shù)量與質(zhì)量，對于保障該區(qū)域的生物多樣性具有重要意義。武漢市雖擁有豐富的森林資源，但空間分布不均，且受快速城市化的強(qiáng)烈干擾，呈現(xiàn)出北部優(yōu)于南部、農(nóng)村優(yōu)于城市、遠(yuǎn)城區(qū)優(yōu)于主城區(qū)的特點。因此，建議在嚴(yán)格保證以北部大別山余脈橫貫黃陂的木蘭山林區(qū)、新洲東部林區(qū)為主的生態(tài)源地，中部以東湖東部與蔡甸東西湖東西兩側(cè)、江夏紙坊一線組成的兩列東西走向、南北平行的生態(tài)源地的完整性的前提下，結(jié)合市域其他森林斑塊，以一個生態(tài)整體進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)一步增加武漢市的森林生態(tài)源地面積，盡可能地與其他林地連接成片，豐富斑塊內(nèi)的生物種類，提高斑塊內(nèi)部的生態(tài)適宜性與生境質(zhì)量。

3.4.2 提升生態(tài)源地連接有效性

生態(tài)源地連接的有效性取決于其自身生境質(zhì)量與源地之間景觀阻力的大小。由圖1、2可知，武漢市中心城區(qū)雖然存在潛在生態(tài)廊道，但廊道密度低，且屬于低質(zhì)量生物通道，同時中心城區(qū)生態(tài)源地的關(guān)聯(lián)度較低。這些現(xiàn)象均源于城市的無序擴(kuò)張、交通網(wǎng)絡(luò)的不斷增加以及人類活動對自然生態(tài)環(huán)境的巨大干擾。因此，建議進(jìn)一步增加中心城區(qū)森林斑塊數(shù)量，提高中心城區(qū)內(nèi)以山湖為基礎(chǔ)構(gòu)建的公園生境質(zhì)量，識別中心城區(qū)核心生態(tài)節(jié)點，在兼顧生態(tài)保護(hù)與城市發(fā)展的雙重層面上，合理布局城市發(fā)展空間，在交通網(wǎng)絡(luò)修建時考慮修建野生動物遷徙通道，減少生態(tài)斷裂點的形成。

4 結(jié) 語

1）本文利用Ecological Network模型，結(jié)合4種不同類型的阻力面，識別了4種武漢市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，不僅解決了大量生態(tài)源地在識別網(wǎng)絡(luò)中的自動運算、存儲和表達(dá)問題，而且揭示了武漢市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間分布不均，結(jié)構(gòu)與數(shù)量由城市中心向城市遠(yuǎn)郊區(qū)逐漸復(fù)雜與增多，以及在高速城市化背景下城市所呈現(xiàn)的“生態(tài)孤島”現(xiàn)象。

2）通過對比基于4種不同阻力面的武漢市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，城市交通網(wǎng)絡(luò)對森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)影響較大；生態(tài)景觀的合理賦值可增加生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的潛在廊道。整體來看，由于受城市無序拓展和交通網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的影響，在武漢市森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中物種可選擇的遷徙路徑較少，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度較低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不完善、連接度較差，網(wǎng)絡(luò)的平均消費成本較高，網(wǎng)絡(luò)中動物遷徙的有效性較低。

3）構(gòu)建基于遷徙成本的生態(tài)源地PCI，從而定量評價武漢市森林生態(tài)源地的關(guān)聯(lián)度等級。其同樣表現(xiàn)出距離城市越近、關(guān)聯(lián)度等級越低的特征。雖然通過規(guī)劃與法律等強(qiáng)制手段，中心城區(qū)的森林生態(tài)源地得到了一定的保護(hù)，但其斑塊內(nèi)部的生境質(zhì)量并未提高，缺少有效的腳踏石斑塊，因此其在整個市域生態(tài)整體中的關(guān)聯(lián)度等級依然堪憂。