林東挺 吳大放

（廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006）

生境之間的連接性降低了城鎮(zhèn)的環(huán)境質(zhì)量[1]。基于景觀生態(tài)學(xué)原理構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間，可以將城市高度破碎化的生態(tài)景觀有效連接，增加區(qū)域景觀連接度[2]，識別提取生態(tài)源地、生態(tài)廊道，將區(qū)域生態(tài)要素整合形成聯(lián)動的網(wǎng)絡(luò)格局，有利于維護(hù)區(qū)域生物多樣性，維持生態(tài)系統(tǒng)功能平衡[3]。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究多以“斑塊-基質(zhì)-廊道”為研究范式，以景觀生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，利用圖論、拓?fù)鋵W(xué)等方法識別提取生態(tài)源地[4]，廊道提取多以最小路徑法、MCR模型等進(jìn)行提取分析[5]，成果體系較為成熟，能夠?yàn)楹罄m(xù)研究提供較好的借鑒，但具有源地選擇主觀、廊道選擇單一、無法識別重要生態(tài)連接節(jié)點(diǎn)等不足。電路理論是整合電子物理學(xué)以及隨機(jī)游走理論對生態(tài)連接進(jìn)行模擬的模型，能夠提取具有寬度信息的生態(tài)廊道以及重要的連接點(diǎn)“夾點(diǎn)”“障礙點(diǎn)”等重要區(qū)域，有效彌補(bǔ)了其他方法模型在生態(tài)節(jié)點(diǎn)提取僅采用廊道相交點(diǎn)的不足，引入MSPA形態(tài)學(xué)空間分析方法對生態(tài)源地進(jìn)行科學(xué)篩選，借助電路理論構(gòu)建廣州市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間，為廣州市生態(tài)空間保護(hù)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

廣州市位于中國南部、珠江流域下游、南部瀕接南海，是廣東省省會，省轄區(qū)地級市，別稱“羊城”“花城”等。其地理范圍在112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N之間，全域面積7 434.40 km2。北部與清遠(yuǎn)市、韶關(guān)市相連；東部與惠州市相接；南部與中山市、東莞市接壤；西部與佛山市相接。轄區(qū)內(nèi)統(tǒng)籌越秀區(qū)、荔灣區(qū)、海珠區(qū)、天河區(qū)、白云區(qū)、黃埔區(qū)、番禺區(qū)、花都區(qū)、南沙區(qū)、增城區(qū)、從化區(qū)等11區(qū)，截至2020年末，廣州市常住人口約1 868萬人，占全省總?cè)丝?4.8%。廣州市是海上絲綢之路起點(diǎn)之一，是“廣佛都市圈”“珠江三角洲都市圈”“粵港澳大灣區(qū)”的核心城市，是中國對外開展經(jīng)濟(jì)貿(mào)易活動的“南大門”。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心Global Land30 2020年全球30 m土地利用覆蓋數(shù)據(jù)。根據(jù)廣州市行政邊界矢量數(shù)據(jù)裁剪，依據(jù)實(shí)際情況，將空間分為建設(shè)用地、林地、水域、耕地、草地、裸地六類，最終獲得廣州市土地利用分類圖。

2.2 研究方法

（1）基于MSPA的生態(tài)源地提取。

MSPA是應(yīng)用形態(tài)學(xué)原理整合腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等數(shù)學(xué)方法對二值柵格像元分類識別的處理方法[6]，可以基于空間結(jié)構(gòu)的連通性對景觀元素進(jìn)行結(jié)構(gòu)識別與類型區(qū)分。前景數(shù)據(jù)一般選取能提供優(yōu)質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的用地類型，如林地、草地或水域等[7]，基于研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，參照近年研究區(qū)ESV的研究成果，文章選取林地作為前景數(shù)據(jù)。MSPA對景觀尺度敏感，通過合理設(shè)置MSPA參數(shù)能夠獲得合理的生態(tài)過程解釋，根據(jù)已有成果相關(guān)參數(shù)設(shè)置，將30 m×30 m研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)柵格化后轉(zhuǎn)為二值影像，調(diào)用Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域分析法，設(shè)置邊緣寬度為2像素，取消選擇Intext，其他保持默認(rèn)，得出景觀分類為核心區(qū)、邊緣區(qū)、橋接區(qū)、支線、孔隙區(qū)、環(huán)道、島狀斑塊等七種互不重疊的景觀類型，快速分析廣州市生態(tài)景觀格局，提取像元層面內(nèi)對景觀連接具有重要作用的元素，篩選生境面積較大的斑塊進(jìn)行連通性分析，最終提取優(yōu)質(zhì)連通性的生態(tài)源地。

（2）景觀連通性分析。

景觀連通性反映景觀對生態(tài)流的促進(jìn)或抑制程度[8]，有效衡量生境斑塊在景觀中的連接重要性，有助于識別維持生態(tài)系統(tǒng)功能的生境載體。文章通過MSPA篩選出研究區(qū)具有重要生態(tài)意義的核心區(qū)，提取生境面積大于5 km2的斑塊進(jìn)行連通性分析。連接重要性評價對連接距離閾值較為敏感，當(dāng)閾值設(shè)置過高時，所有斑塊相互連接，與實(shí)際不符；閾值過低時，中小型斑塊對景觀連接重要度無法體現(xiàn)。在參考相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同閾值的測試，最終設(shè)定連接閾值為2 500 m，連通概率為0.5，獲得良好的實(shí)驗(yàn)效果。利用ArcGIS生成節(jié)點(diǎn)距離及重要性文件數(shù)據(jù)，調(diào)用Conefor 2.6對斑塊的整體連通性（IIC）、可能連通性（PC）定量評價，提取具有較高連通重要性的生境斑塊作為生態(tài)源地，考慮研究區(qū)南北林地分布差異過大，北部面積較大山地森林較為集中，南部面積較大的生境斑塊較少，采取差異化選擇標(biāo)準(zhǔn)，北部區(qū)域選取面積大于15 km2，且dIIC/dPC大于1.5，南部則選擇面積大于2 km2的優(yōu)質(zhì)生境斑塊，共同構(gòu)成研究區(qū)的生態(tài)源地。

（3）阻力面的構(gòu)建。

城市異質(zhì)景觀對生態(tài)過程具有不同程度的阻礙或促進(jìn)作用。電路理論將物種遷徙、基因流動等生態(tài)過程視作電流，景觀阻力視作電阻，數(shù)值結(jié)果反映物種遷徙所需要的能量耗費(fèi)或死亡的風(fēng)險；電子在電路隨機(jī)游走視作生物在景觀運(yùn)動過程，電子受到電阻的干擾，低電阻有利于移動通過，該區(qū)域獲得較高的累計(jì)電流，電路連通良好；參考已有研究的阻力設(shè)置，從地形、社會、人文因素角度出發(fā)，綜合土地利用類型、高程與坡度三方面建立景觀阻力面，導(dǎo)入ArcGIS生成區(qū)域電導(dǎo)面。阻力因子與電阻值如表1所示。

表1 阻力因子與電阻值

（4）生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點(diǎn)的綜合提取。

電路理論根據(jù)電子游走特征，提供多種電子游走計(jì)算方式評估生態(tài)過程的分散路徑在景觀中的表現(xiàn)。研究選用“Pairwise”成對模式對生態(tài)流通路徑進(jìn)行模擬進(jìn)而提取生態(tài)廊道。使用Linkage Mapper工具迭代計(jì)算出每對節(jié)點(diǎn)上的累計(jì)電流，生成電流密度圖，高值即為生態(tài)源地間易產(chǎn)生較高頻生態(tài)活動的活躍區(qū)域，由于并聯(lián)電路的存在使得廊道選擇并不唯一，而是形成帶有寬度信息的參考區(qū)域，彌補(bǔ)其他方法在廊道提取單一的局限性，基于加權(quán)成本距離提取最小成本路徑生成生態(tài)廊道。利用Pinchpoint Mapper模塊，設(shè)置廊道寬度為3 km，提取關(guān)鍵生態(tài)連接點(diǎn)——生態(tài)夾點(diǎn)，構(gòu)建研究區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間格局。

3 結(jié)果與分析

3.1 MSPA景觀格局分析

MSPA景觀分類統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 MSPA景觀分類統(tǒng)計(jì)

由表2可知，核心區(qū)面積為1 759.57 km2，占林地面積68.16%，七種景觀類型中占比最高。集中分布于北部地區(qū)，結(jié)構(gòu)上呈集聚連片狀分布，彼此之間連通性較好，能夠?yàn)樯飾⑻峁┳銐虻目臻g；受城市建設(shè)活動影響，南部是城區(qū)分布密集區(qū)，且核心區(qū)較為稀少，空間分布分散，連片性較弱，不利于物種棲息，但可以作為南北連線的生態(tài)廊道的“踏腳石”；橋接區(qū)是連接核心斑塊的廊道，面積131.12 km2，占林地面積5.08%，分布較為密集的區(qū)域有北部地區(qū)、西部地區(qū)以及中部地區(qū)，橋接區(qū)集中分布表明此處生境斑塊正在裂化成更加細(xì)碎的組成部分，景觀破碎化程度增加，需要嚴(yán)格觀察管制；孔隙區(qū)是核心斑塊穿孔區(qū)域，面積79.76 km2，主要分布于北部森林地區(qū)以及中部核心區(qū)，具有此類景觀元素的核心斑塊內(nèi)部穿孔嚴(yán)重，極易發(fā)生進(jìn)一步破碎化；邊緣區(qū)與支線分別占14.69%和3.92%，多分布環(huán)繞核心區(qū)外圍，與周圍非自然環(huán)境連通，承擔(dān)溝通外界的作用；環(huán)道面積96.50 km2，是核心區(qū)內(nèi)部的連接橋梁和棲息在此處生物進(jìn)行內(nèi)部遷徙覓食的通道；島狀斑塊是空間上互相孤立，連通性極低的自然小斑塊，總面積34.25 km2，一般是破碎程度較高，受到人工干擾極大且分布在外圍的小型生境斑塊。

3.2 景觀連通性分析

通過Conefor 2.6景觀連通性計(jì)算可以提取連接貢獻(xiàn)較高的生態(tài)斑塊，重要生態(tài)源地景觀連通性指數(shù)如表3所示。整體連通性dIIC與可能連通性dPC均處于高值的生態(tài)斑塊能為生物提供充足的棲息地，同時也具備廊道連通功能，有利于物種遷徙以及基因流動。選取生態(tài)斑塊面積大于15 km2且整體連接重要性指數(shù)dIIC與可能連接重要性指數(shù)dPC均大于1.5的生境斑塊，為研究區(qū)重要的生態(tài)源地。由MSPA分析結(jié)果可以得出，研究區(qū)生態(tài)源地的分布并不均勻，南部核心區(qū)彼此之間連接性較低，且研究篩選連接重要性指數(shù)較高的生態(tài)源地均集中分布在北部核心連片區(qū)，共12處，編號為1～12；南部缺少源地分布，這種布局結(jié)果影響了南北生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性，不利于生態(tài)流在南北方向上的流通，基于連通度評價篩選出重要生態(tài)源地，同時在南部選取面積≥2 km2的林地，共7處，編號為13～19，作為整個區(qū)域物種遷移和生態(tài)流向南流動的“踏腳石”，共同構(gòu)成研究區(qū)域生態(tài)源地19處，其中1～12編號為北部連片區(qū)重要生態(tài)源地，13～19編號為南部生物遷徙、臨時棲息的生態(tài)源地。

表3 重要生態(tài)源地景觀連通性指數(shù)

3.3 廊道提取與節(jié)點(diǎn)識別

基于生態(tài)電導(dǎo)阻力面，調(diào)用Circuitscape提取研究區(qū)生態(tài)廊道，如圖1（a）所示，提取廊道37條，總長度達(dá)到508.6 km，可以看出研究區(qū)北部地區(qū)生態(tài)廊道密度明顯高于南部地區(qū)，說明北部地區(qū)生態(tài)空間連接良好，生態(tài)信息流通較為通暢；南部地區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)較為稀疏，源地之間跨度增大，提高了生態(tài)流南北流通的難度，不利于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)能量和物質(zhì)的交流，原因在于區(qū)域內(nèi)具備發(fā)展成為生態(tài)源地的空間較少，需要加強(qiáng)南部片區(qū)的生態(tài)源地建設(shè)，為生態(tài)廊道提供更多的“踏板”，減輕區(qū)域生態(tài)信息流通的壓力，增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性，提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

在Pinchpoint Mapper中設(shè)置3 km為廊道寬度，獲得（Pairwise）模式下累積電流密度圖，提取生態(tài)廊道累積電流值較高的區(qū)域如圖1（b）所示，此區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)流通頻率較高的區(qū)域，即“生態(tài)夾點(diǎn)”，如果移除或破壞將影響整個生態(tài)景觀的連通性，是需要重點(diǎn)保護(hù)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域。將該類型的節(jié)點(diǎn)提取為重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)，共提取20處“生態(tài)夾點(diǎn)”，在研究區(qū)中部至東部地區(qū)分布較為集中，此區(qū)域城市建設(shè)活動尤為活躍，人為因子干擾強(qiáng)烈，需要加大片區(qū)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)保護(hù)力度，維護(hù)生態(tài)連通性?；谔崛【C合生態(tài)廊道與生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建出研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間格局，如圖1（c）所示。

生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點(diǎn)識別提取如圖1所示。

圖1 生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點(diǎn)識別提取

4 結(jié)語

文章結(jié)合MSPA空間分析方法與連通性分析對廣州市生態(tài)源地進(jìn)行識別提取，基于電流理論提取生態(tài)廊道與重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)，旨在將研究區(qū)域具有重要生態(tài)功能的生境通過生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，構(gòu)建連通的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量以及信息的流通，為區(qū)域生態(tài)保護(hù)建設(shè)提供參考，研究成果包括：

（1）文章使用MSPA與連通性評價對生態(tài)源地進(jìn)行遴選分析，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，客觀得出區(qū)域重要生態(tài)價值的斑塊，共識別生態(tài)源地19處，總面積420.38 km2，提取重要生態(tài)廊道37條，總長度508.6 km，重要生態(tài)夾點(diǎn)20處，提升了選取生態(tài)源地的客觀性。

（2）結(jié)合廣州市土地利用現(xiàn)狀，綜合高程、坡度等因子構(gòu)建區(qū)域景觀阻力體系，結(jié)果表明廣州市北部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接性與生態(tài)源地數(shù)量處于較優(yōu)水平，需要加強(qiáng)保護(hù)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)集中分布于研究區(qū)中部，加強(qiáng)南部生態(tài)源地建設(shè)，以符合研究區(qū)現(xiàn)階段發(fā)展情況。

（3）整合電流理論構(gòu)建廣州市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)識別生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵廊道及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，突出重要節(jié)點(diǎn)保護(hù)范圍，增強(qiáng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在南部的分布密度及連接均衡性，為生態(tài)規(guī)劃保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。