張晴，郭志威，齊開(kāi)，趙麗婭

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市進(jìn)入快速發(fā)展階段，建設(shè)用地增加使綠地空間受到擠壓，加劇了景觀破碎化，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間格局變得無(wú)序甚至失控[1-3].景觀破碎化會(huì)導(dǎo)致生態(tài)斑塊連通性下降，物種擴(kuò)散難度加大，破壞生物多樣性，不利于生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展[4-6].生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是以生態(tài)廊道為紐帶，對(duì)景觀中的斑塊進(jìn)行有效連接，形成一個(gè)連續(xù)而完整的網(wǎng)絡(luò)[7-8].構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并對(duì)不同時(shí)期的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，提高景觀連接度和保護(hù)生物多樣性，在生態(tài)環(huán)境修復(fù)方面成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[9-10].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用了很多模型和方法對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究.最小累積阻力模型(MCR)由于綜合考慮了研究區(qū)的地形、地貌、環(huán)境等多方面因素，近年來(lái)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用[11-12].Knaapen等[13]基于GIS技術(shù)，結(jié)合MCR模型計(jì)算生物經(jīng)過(guò)源地斑塊時(shí)消耗的最小累積阻力來(lái)確定生物遷徙和擴(kuò)散的最佳路徑.李暉等[14]采用MCR模型將香格里拉縣的生態(tài)用地分為不同安全水平高、中、低三類用地.在利用MCR模型識(shí)別核心源地斑塊時(shí)，專家們大多選擇森林公園、自然保護(hù)區(qū)等具有生物資源豐富的斑塊作為核心斑塊，忽略了其他斑塊在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的作用，有一定的主觀性[3,15].由此，引入偏向測(cè)度結(jié)構(gòu)連接性研究的形態(tài)學(xué)空間分析方法(MSPA)用于生態(tài)源地識(shí)別[16-18]提高了識(shí)別生態(tài)源地的科學(xué)性，對(duì)維持景觀連通性和識(shí)別重要廊道與斑塊具有重要生態(tài)意義.目前對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，較缺少對(duì)不同時(shí)期下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的變化分析研究.

本研究以襄陽(yáng)市為研究區(qū)，選取1997、2002、2007、2012、2017年5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)，采用MSPA方法和MCR模型構(gòu)建襄陽(yáng)市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其變化進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以期為襄陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況襄陽(yáng)市位于湖北省西北部(31°13′～32°37′N，110°45′～113°06′E)，南與荊門(mén)接壤，北與南陽(yáng)毗鄰，總面積19 774.41 km2.地勢(shì)西高東低，東部為海拔90～250 m的丘陵，中部多為崗地和平原，西部多為海拔400 m以上的山區(qū).氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期.截至2017年末，常住人口565.4萬(wàn)，地區(qū)生產(chǎn)總值為4 064.9億元，湖北省第二.襄陽(yáng)市處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，建設(shè)用地的擴(kuò)張對(duì)周邊生態(tài)用地和生物遷移擴(kuò)散等生態(tài)過(guò)程有一定的不利影響.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源1)2002年、2012年及2017年的路網(wǎng)數(shù)據(jù).2)ASTER GDEM V2全球數(shù)字高程系統(tǒng)的DEM高程數(shù)據(jù).3)襄陽(yáng)市1997、2002、2007、2012、2017年5個(gè)時(shí)相的土地利用數(shù)據(jù)和landsat-TM影像數(shù)據(jù)，柵格大小為30 m×30 m.

通過(guò)ENVI 5.3平臺(tái)進(jìn)行解譯，在ArcGIS軟件隨機(jī)生成200個(gè)點(diǎn)，將影像解譯結(jié)果與Google Earth無(wú)偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，準(zhǔn)確度均在85%以上，保障影像解譯結(jié)果滿足研究的需要.

1.3 研究方法

1.3.1 基于MSPA方法的景觀格局分析 選取研究區(qū)5個(gè)時(shí)相的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件生成土地利用類型圖，使用Guidos Toolbox 2.8軟件給土地利用類型圖賦值，將其轉(zhuǎn)化為以林地為前景，其他用地作為背景的柵格二值圖.使用八鄰域分析方法，提取得出核心區(qū)、孤島、邊緣區(qū)等7類景觀(如表1)[19].

表1 景觀類型及其生態(tài)學(xué)意義

1.3.2 景觀連接度評(píng)價(jià) 景觀連接度可以表征某一景觀是否適合生物遷移與擴(kuò)散，對(duì)保護(hù)生物多樣性和全面發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重大生態(tài)意義[20-21].本研究選取整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC)作為全局指數(shù)，中介度指數(shù)(BC)和斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)(Dg)作為個(gè)體指數(shù)來(lái)反映斑塊間的連接情況.各指數(shù)計(jì)算公式如下：

1)整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC).

表達(dá)式為：

(1)

(2)

2)中介度指數(shù)(BC).

表達(dá)式如下：

(3)

式中，j,k∈{1…n},k

3)斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)(Dg).

表達(dá)式如下：

Dg=|Ni|

(4)

Dg指數(shù)常用于計(jì)算斑塊的連接能力，反映某一斑塊與其他斑塊的作用關(guān)系.數(shù)值越大，表明此斑塊與其他斑塊的連接度越強(qiáng).

在中介度指數(shù)(BC)和斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)(Dg)兩個(gè)指數(shù)的計(jì)算中，利用Graphab 2.4軟件平臺(tái)選取1 500 m為最佳連接閾值.提取面積大于25 hm2的核心斑塊，在連接閾值下將BC指數(shù)與Dg指數(shù)歸一化處理，最終選取200個(gè)核心源地斑塊作為生態(tài)源地.

1.3.3 基于MCR模型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 MCR模型是計(jì)算通過(guò)源地斑塊間的最小累積阻力來(lái)確定生物遷徙和擴(kuò)散的最佳路徑[22].MCR模型公式如下：

(5)

式中：Dij表示從源點(diǎn)j到空間單元i的空間距離;Ri表示空間單元i的阻力系數(shù).

表2 阻力因子分級(jí)賦值及權(quán)重

MCR模型應(yīng)用的關(guān)鍵在于景觀阻力面的設(shè)定[23]，根據(jù)生物在穿越不同的景觀時(shí)所受的阻力不同[24]，選取土地利用類型、高程與坡度等景觀阻力因子，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料使用專家調(diào)查法對(duì)各因子進(jìn)行賦值[25-28](如表2).使用Linkage Mapper、ArcGIS、Pathmatrix等軟件建立廊道時(shí)將閾值設(shè)定為10 km，采用LinkageMapper 2.0軟件平臺(tái)模擬源地斑塊到目標(biāo)斑塊之間的潛在廊道，從而識(shí)別潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò).

1.3.4 網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指數(shù) 選用常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)閉合指數(shù)(α)、網(wǎng)絡(luò)連接度指數(shù)(β)以及網(wǎng)絡(luò)連通率指數(shù)(γ)對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià).這3種指數(shù)的變化情況反映了研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的變化特征，也有助于更好地對(duì)空間結(jié)構(gòu)中生態(tài)源地與生態(tài)廊道連接數(shù)量的關(guān)系進(jìn)行研究[11].

表達(dá)式分別為：

(6)

(7)

(8)

式中：a表示潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的廊道數(shù)目，b表示網(wǎng)絡(luò)中的源地斑塊數(shù)目，P表示網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法相互連通的斑塊數(shù)目.α可以表示網(wǎng)絡(luò)中的最大可能存在回路與實(shí)際回路比，取值范圍是[0,1].β表示節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生連線的難易程度，取值范圍是[0,3]，值越大，網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜.γ通常用于描述網(wǎng)絡(luò)中廊道的數(shù)量與最大可能廊道數(shù)量的比值，其取值范圍是[0,1]，當(dāng)γ=0時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)無(wú)連接，當(dāng)γ=1時(shí)，說(shuō)明每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與其他節(jié)點(diǎn)有連接.

2 結(jié)果與分析

2.1 基于MSPA方法的景觀格局變化分析從圖1可知，核心區(qū)斑塊集中分布在襄陽(yáng)市西部和東南部，其他區(qū)域零星分布，東西方向連接薄弱，其中東南部斑塊在2007年后遭受嚴(yán)重侵蝕甚至部分斑塊已經(jīng)消失.

圖1 1997—2017年襄陽(yáng)市MSPA分析結(jié)果

1997—2017年，7類景觀中，除支線(增幅6.9%)外，其他6類景觀面積均有所下降.其中邊緣區(qū)下降幅度最大，下降比例為18.6%；孤島和連接橋的下降比例分別為12.6%和10.5%；核心區(qū)作為生態(tài)源地，占林地面積的90%以上，其降幅為6.8%；孔隙和環(huán)線的變化相對(duì)較小，下降比例分別為3.3%和2.0%.不難發(fā)現(xiàn)，襄陽(yáng)市生態(tài)用地嚴(yán)重流失，林地面積不斷減少，大型的核心區(qū)斑塊以及邊緣地帶遭到侵蝕，影響其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.7類景觀中，除核心區(qū)持續(xù)下降外，其他景觀以2007年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，呈先升后降的倒“V”態(tài)勢(shì).孤島是獨(dú)立的林地斑塊，作為生物遷徙過(guò)程中的重要踏腳石，占比僅0.2%，大大影響了生物間的遷徙交流(圖2).

圖2 1997—2017年7類景觀面積和占林地面積比例變化圖

2.2 景觀連接度變化分析1997—2017年，襄陽(yáng)市景觀整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC)呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，增幅分別為86.2%和8.5%，表明各斑塊間的連通性有明顯提升，并維持較好水平，物質(zhì)能量流動(dòng)方式現(xiàn)階段沒(méi)有受到快速城市化進(jìn)程的影響(圖3).

圖3 IIC指數(shù)和PC指數(shù)變化圖

由圖4可知，BC指數(shù)和Dg指數(shù)較高的斑塊主要分布在襄陽(yáng)市西部山區(qū)，呈中心高四周低的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明中部斑塊與周圍其他斑塊連接緊密，是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中斑塊連接的關(guān)鍵地區(qū).其東南部丘陵地區(qū)生態(tài)斑塊的BC指數(shù)和Dg指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，表明東南部區(qū)域的生態(tài)環(huán)境可能遭到了人為干擾，造成生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)空間變化，影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需加強(qiáng)生態(tài)廊道的建設(shè)來(lái)保障各斑塊之間的連通性.

圖4 BC指數(shù)和Dg指數(shù)的斑塊重要性分布圖

2.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化分析1997—2017年，襄陽(yáng)市生態(tài)廊道主要分布在西部山區(qū)和東南部丘陵地區(qū)，東北部缺少廊道連接(圖5).2007年始，西北部連接破碎斑塊的廊道中高阻力廊道占比愈來(lái)愈高，東南部丘陵地區(qū)生態(tài)廊道明顯減少，城市建設(shè)地區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了退化甚至部分斑塊消失的現(xiàn)象，這是由于宜城和棗陽(yáng)人口增加，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)景觀格局的變化產(chǎn)生了影響.

圖5 潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)阻力分布圖

由表3可知，2017年廊道總長(zhǎng)度、廊道平均阻力均為最高，廊道總累積阻力僅次于2012年，廊道數(shù)量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，但是廊道平均阻力始終保持上升的趨勢(shì).其中廊道阻力與長(zhǎng)度比在2以上的廊道數(shù)目從43升至74，整體增幅高達(dá)72.09%.20年間襄陽(yáng)市快速城市化發(fā)展加劇了生態(tài)斑塊破碎化，導(dǎo)致連接斑塊的廊道數(shù)目、長(zhǎng)度以及累積阻力均增加，物種遷徙與擴(kuò)散也愈加困難，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性下降.

表3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)廊道統(tǒng)計(jì)

2.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指數(shù)變化分析1997—2017年，α指數(shù)從0.77下降至0.72，整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，表明生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的回路數(shù)量有所下降，物種可選擇的遷移通道減少；β指數(shù)從2.49降至2.45，表明生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度有所降低；γ指數(shù)從0.85降至0.82，可見(jiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性也在不斷下降(表4).不難看出，襄陽(yáng)市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的回路數(shù)量逐漸減少，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度降低，連通性逐漸降低，生物之間交流的通道數(shù)量下降，物質(zhì)信息交流難度增加.

表4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論1)1997—2017年，快速城市化的背景下，建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，襄陽(yáng)市景觀格局變化整體表現(xiàn)為先升后降的倒“V”形態(tài)，林地面積以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)性下降.這與同時(shí)期國(guó)內(nèi)其他地區(qū)景觀格局變化稍有不同，武漢市前期建設(shè)用地不斷擴(kuò)張導(dǎo)致生態(tài)斑塊不斷受到侵蝕，國(guó)家頒布生態(tài)保護(hù)政策后景觀面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[29]，北京市從2007年到2017年出現(xiàn)快速城市化現(xiàn)象，消耗了大量自然資源的同時(shí)及時(shí)實(shí)施了“減量建設(shè)”政策來(lái)控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，恢復(fù)和保護(hù)了林地資源[25].2)景觀連接度采用BC指數(shù)和Dg指數(shù)進(jìn)行分析，應(yīng)選取合適的距離閾值，距離閾值越大，景觀內(nèi)區(qū)域連通性越強(qiáng)[30]，考慮到生物實(shí)際遷徙距離，設(shè)定1 500 m作為距離閾值，超出此距離閾值時(shí)，認(rèn)定兩個(gè)斑塊間無(wú)連通性[3]，這與韋月玲分析濕地景觀格局變化時(shí)對(duì)距離閾值的研究相一致[31].但是由于不同生物實(shí)際遷徙距離不同，因此在距離閾值在不同區(qū)域的設(shè)定仍存在不確定性.3)從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化方面來(lái)看，襄陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀不容樂(lè)觀.東南部的生態(tài)廊道數(shù)量明顯減少，高廊道阻力數(shù)量增加，這將導(dǎo)致生態(tài)網(wǎng)絡(luò)間的物質(zhì)能量交換變得困難，斑塊之間的可能連接性降低，不利于生物之間的交流.2007年后襄陽(yáng)市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張使得城市綠地空間受到擠壓，部分小型生態(tài)斑塊受到侵蝕甚至消失，生態(tài)廊道構(gòu)建阻力加大，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性不斷下降.今后應(yīng)在現(xiàn)有的生態(tài)保護(hù)政策下，加強(qiáng)對(duì)源地斑塊與生態(tài)廊道的保護(hù)，建立踏腳石斑塊來(lái)減緩景觀破碎化，提高各斑塊間的連通性.

3.2 結(jié)論1)生態(tài)源地斑塊主要分布在襄陽(yáng)市的西部山區(qū)和東南部丘陵地區(qū)，其他區(qū)域呈現(xiàn)零星分布，東西方向連接薄弱.2)2007—2017年，襄陽(yáng)市東南部斑塊受到明顯蠶食，廊道數(shù)量下降，斑塊破碎化程度較高.3)襄陽(yáng)市林地面積逐年減少，提取的七類景觀面積整體呈下降趨勢(shì)，核心區(qū)面積從2007年開(kāi)始，下降比例達(dá)82.2%.但I(xiàn)IC指數(shù)和PC指數(shù)仍保持在較良好的水平.4)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指數(shù)(α指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù))從1997年到2017年呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明襄陽(yáng)市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度下降.