陽文銳,李 婧,聞 丞,黃 越,顧燚蕓,朱 潔,唐 燕

1 北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100045 2 北方工業(yè)大學(xué),北京 100043 3 北京鏡朗生態(tài)科技有限公司,北京 100193 4 清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084

城市是一類以人類活動(dòng)為主的社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1],因城市內(nèi)部景觀類型多樣,森林、農(nóng)田、城市公園、河湖濕地等各類生態(tài)空間成為豐富多樣生物種類的棲息場所。然而,快速的城市化加劇了生物棲息地的喪失和破碎化,是導(dǎo)致物種減少甚至滅絕的重要原因[2—4]。生境破碎化不僅導(dǎo)致生物適宜生境的喪失,而且能引起生境空間格局的變化,從而在不同空間尺度上,影響物種的擴(kuò)散、遷移和建群,以及生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程和景觀結(jié)構(gòu)的完整性[5—6]。據(jù)科學(xué)統(tǒng)計(jì),67%的珍稀和瀕危動(dòng)物因?yàn)闂⒌氐钠茐亩鵀l臨滅絕[7]。至2025年,預(yù)計(jì)全球超過65%的人口將會居住在城市[8],由此形成的城市擴(kuò)張還將對生物多樣性保護(hù)造成持續(xù)壓力[9]。為應(yīng)對因城市建設(shè)導(dǎo)致的生物多樣性減少嚴(yán)峻形勢,通過建立城市地區(qū)生境之間的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)成為國際上保護(hù)生物多樣性的重要手段[10]。歐洲生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[11]以及Natura2000[12]、德國生境網(wǎng)絡(luò)[13]、美國南弗羅里達(dá)綠道[14—15]、新加坡綠道[16]是國際上較早開展生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的典范,在城市化和工業(yè)化過程中的生物多樣性保護(hù)發(fā)揮著積極作用。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)由空間分離的棲息地斑塊通過相互間廊道連接組成[17],物種種群能通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行個(gè)體交流,促進(jìn)種群繁衍。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)面積、質(zhì)量、密度和斑塊的滲透性而存在不同的結(jié)構(gòu),但其目標(biāo)是一致的[18]。棲息地規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)的連接程度決定了物種的滅絕率和遷入率是否能保持平衡,以及在隨機(jī)的人類活動(dòng)和環(huán)境干擾時(shí)種群數(shù)量是否能夠恢復(fù)[19],由此需要維持種群的最小穩(wěn)定規(guī)模以保障在人類干擾時(shí)不至于滅絕[20]。通過構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)生物多樣性突破了傳統(tǒng)劃定自然保護(hù)區(qū)的方法,更加強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和完整性[21],因此,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建包括保護(hù)和優(yōu)化現(xiàn)有生態(tài)空間、創(chuàng)建新的生態(tài)空間、修復(fù)和維護(hù)生態(tài)空間之間的連接性等[22]。國內(nèi)在開展生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面開展了一些研究,以最小耗費(fèi)距離模型進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬得到了廣泛應(yīng)用[23—26],但由于保護(hù)物種的空間分布數(shù)據(jù)難以獲得,棲息地的選擇往往基于專家知識[27],由此所模擬形成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對真實(shí)目標(biāo)物種的保護(hù)績效還有待檢驗(yàn)?；谖锓N空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建將大大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性,特別是在特定的景觀區(qū)域[28]。鑒于鳥類在城市中的易觀察性,以鳥類群落習(xí)性特征為依據(jù),開展特定區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究,可彌補(bǔ)單純依靠模擬或基于專家知識形成生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的客觀缺陷,將極大提高網(wǎng)絡(luò)的可實(shí)施效率。

北京作為我國首都,地處太行山脈和燕山山脈的交匯處,地形復(fù)雜,生態(tài)環(huán)境多樣,是華北地區(qū)植物資源比較豐富的地區(qū)之一[29]。同時(shí),北京地區(qū)位于全球候鳥東亞-澳大利西亞的遷徙路線上,鳥類資源也較為豐富[30]。北京平原區(qū)是市域內(nèi)海拔高程在100m以下的平原和臺地,集中分布在中部和東南部,是目前的城市建設(shè)及農(nóng)業(yè)用地集中地區(qū),總面積占全市域面積的39%(不包含延慶盆地)(圖1)。由于城市化的快速發(fā)展,景觀破碎化程度不斷增高[31],嚴(yán)重威脅著平原城市地區(qū)的生物生存。與此同時(shí),平原城市地區(qū)尚未建立起生物多樣性保護(hù)體系,在國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略和國際一流和諧宜居之都的城市建設(shè)背景下,亟需建立完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),以提升生境品質(zhì),保護(hù)首都生物多樣性。本文基于北京平原地區(qū)具有保護(hù)級別鳥類物種的空間分布數(shù)據(jù),在Maxent模型支撐下,選取潛在的分級生物棲息地,以最新土地利用為基礎(chǔ)建立生物活動(dòng)阻力面,通過最小累積阻力模型模擬形成分級生態(tài)廊道,由此形成平原地區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),以期為平原地區(qū)的生物多樣性保護(hù)以及生態(tài)空間的優(yōu)化提供規(guī)劃的科學(xué)基礎(chǔ)。

圖1 北京平原區(qū)范圍圖Fig.1 The region of Beijing plain

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)的獲取與處理

土地利用覆蓋采用北京市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和北京市森林資源詳查數(shù)據(jù),并統(tǒng)一配準(zhǔn)到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系。

物種數(shù)據(jù)參考《IUCN受脅物種紅色名錄》、《中國物種紅色名錄》、《國家重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物名錄》和《北京市一級保護(hù)野生動(dòng)物名錄》,篩選出其中瀕危、極危、國家一級保護(hù)動(dòng)物、國家二級保護(hù)動(dòng)物和北京市一級保護(hù)動(dòng)物作為指示物種。共篩選出包括遺鷗(Ichthyaetusrelictus)等在內(nèi)的86種鳥類(其中2種紅色名錄極危,12種紅色名錄瀕危,12種國家一級保護(hù)動(dòng)物,40種國家二級保護(hù)動(dòng)物和31種北京市一級保護(hù)動(dòng)物)。以上鳥類空間分布點(diǎn)位數(shù)據(jù)來自于中國觀鳥記錄中心數(shù)據(jù)(圖2)。

采用最大熵模型(Maxent)模擬生成各鳥種柵格圖層空間分布圖,在ArcGIS工具平臺,與土地覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加,提取相對應(yīng)的濕地水域、農(nóng)田、城市綠地等潛在棲息地(圖3),作為后續(xù)模擬的生物源地。

1.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

1.2.1生物源地(棲息地)分級

通過對北京26個(gè)城市公園面積與觀察到的鳥類種類統(tǒng)計(jì)對比分析[32],發(fā)現(xiàn)鳥類種類數(shù)與公園的面積存在明顯的相關(guān)性,無論是有水體的城市公園,還是無水體的城市公園,鳥類種類數(shù)均隨著公園綠地面積的增加而增加。而且,通過有記錄的鳥類觀察,100hm2以上質(zhì)量相對好而且穩(wěn)定的公園或綠地,記錄的鳥類種數(shù)基本數(shù)量相當(dāng),如北京大學(xué)燕園[33]、圓明園[34]、天壇公園[35]的鳥類種數(shù)相當(dāng),但100hm2以下的公園中鳥類數(shù)量差異較大[32]。另外,根據(jù)國外相關(guān)研究[36]顯示,面積在10—35hm2的空間連續(xù)的公園可以維系其所在城市的大部分鳥類。考慮到平原地區(qū)公園和綠地的規(guī)模不大,本研究以10hm2和100hm2的平原地區(qū)城市綠地或水域作為生物棲息地或生物源地的分級分界點(diǎn),將100hm2以上的綠地和水域定為一級生物源地(棲息地),10—100hm2的綠地和水域設(shè)定為二級生物源地(棲息地),10hm2以下的城市公園將不在本研究中加以考慮。共選取的一級生物源地58處,二級生物源地146個(gè)(圖4)。

圖2 市域鳥類多樣性分布圖Fig.2 Bird biodiversity distribution in Beijing

圖3 市域生物源地篩選圖Fig.3 The distribution of selected potential biodiversity sources in Beijing

圖4 北京平原區(qū)分級生物源地Fig.4 The classified biodiversity source in Beijing Plain

1.2.2阻力面構(gòu)建

鑒于地表植被覆蓋類型、規(guī)模、質(zhì)量以及城市建設(shè)強(qiáng)度對物種遷移活動(dòng)的影響程度不同,在本研究中,以地表覆蓋類型建立生物活動(dòng)阻力面,反映指示生物在通過不同地表覆蓋面時(shí)的難易程度與消耗的能量,或是生物對不同植被覆蓋類型的喜好程度。以土地利用變更調(diào)查和第二次森林資源詳查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將兩類數(shù)據(jù)地類進(jìn)行融合并按相似屬性歸類(表1)。鑒于所選物種為鳥類,多數(shù)鳥類對于濕地水域具有特別偏好,同時(shí)農(nóng)田中的鳥類需要有開闊的空間便于遇到危險(xiǎn)時(shí)逃逸,因此參考已有研究[23—24],分別對每類歸類后的用地依據(jù)生物通過地類的難易程度進(jìn)行阻力賦值,值越大代表生物通過該類用地的耗費(fèi)的成本或能量越高,反之亦然。生成的阻力面圖見圖5。

1.2.3生態(tài)廊道模擬

最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance)也稱為最小費(fèi)用距離模型,在構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用,可反應(yīng)景觀格局對生態(tài)過程的影響。最小費(fèi)用是指物種從源到目的地運(yùn)動(dòng)過程中所耗費(fèi)的時(shí)間、物質(zhì)、能量等,通過計(jì)算最小累積成本來篩選源之間的連接路徑,能較好的反應(yīng)出物種的運(yùn)動(dòng)、遷徙或者活動(dòng)趨勢。研究通常采用最小累積阻力模型進(jìn)行計(jì)算模擬生成廊道。費(fèi)用距離是指從“源”所要經(jīng)過不同阻力的景觀所耗費(fèi)的成本或所克服的阻力,反映的是景觀的可達(dá)性。費(fèi)用距離不是點(diǎn)與點(diǎn)之間實(shí)際距離,而是通過確定物質(zhì)、能量在不同表面的耗費(fèi)系數(shù)計(jì)算得來的。其基于圖論的原理,可以用來識別和選取生態(tài)功能節(jié)點(diǎn)之間的最小累積阻力路徑。計(jì)算模型如下：

式中,MCR 指最小累積阻力值,Dij指從源j到景觀單元i的空間距離,Ri指景觀單元i的阻力值。

表1 用地類型和阻力值

圖5 北京平原區(qū)生態(tài)阻力面圖Fig.5 The map of ecological resistance surface in Beijing plain

在模型模擬的過程中,為減少計(jì)算量,突出廊道的重要程度,本研究通過模擬一級源地之間的廊道以及一級源地與二級源地之間的廊道,分別作為一級廊道和二級廊道。由于二級生物源地?cái)?shù)量太大,計(jì)算兩兩源地之間廊道的時(shí)間成本太高,本研究中不再模擬二級源地之間的廊道。

1.2.4關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)篩選

在Arcgis平臺采用空間分析模塊中的Kernel Density分析工具,將模擬生成的一二級生態(tài)廊道進(jìn)行核密度分析,并篩選關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 生物源地(棲息地)

根據(jù)源地的篩選分類結(jié)果,北京市平原地區(qū)的生物多樣性源地共204個(gè),總面積為405.47km2。其中一級源地58個(gè),總面積為366.97km2,二級源地146個(gè),總面積為38.50km2。

生物源地類型中,主要包括四大類,分別為水域、農(nóng)田、林地、公園,其中：水域包括河道、坑塘、水庫、湖泊、灘地,占源地總面積的41.15%；是最大的生物源地類型。水域源地中,河道所占面積比例最大,為29.15%。公園包括各類城市公園和郊野公園,占源地總面積的40.01%,農(nóng)田占10.53%,林地占8.32%(表2)。

表2 各類型生物源地列表

農(nóng)田和闊葉林全部為一級生物源地,混交林以二級源地為主,公園源地中二級源地?cái)?shù)量109個(gè),是二級源地?cái)?shù)量最多的類型。灘地以一級源地為主,坑塘全部為二級源地。河道、水庫和湖泊中的一二級源地?cái)?shù)量保持均衡。

2.2 潛在生態(tài)廊道

分別計(jì)算58個(gè)一級生物源地之間、一級源地與146個(gè)二級源地之間的最小累積阻力路徑,生成整個(gè)區(qū)域內(nèi)源地之間的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。刪除計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的各源地之間重復(fù)路徑,共獲得450條一級廊道,498條二級廊道,總長約3760km(圖6)。

圖6 北京平原區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 The map of ecological network in Beijing plain

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),生態(tài)廊道主要分布在北京城市中心區(qū)域之外,且集中分布在水域、農(nóng)田、林地的密集區(qū)域,這是由于一級生物源地主要分布于城市中心區(qū)以外。城市中心城外部區(qū)域是生態(tài)空間集中區(qū),分布有大片農(nóng)田、林地和水域,而且這些生態(tài)要素與山區(qū)森林相接,形成了天然互通網(wǎng)絡(luò),模擬形成的這些一級廊道和二級廊道將更為促進(jìn)生物源地之間的空間聯(lián)系,有利于山區(qū)生物與平原區(qū)生物的交流與繁殖。

城市中心區(qū)內(nèi)部廊道主要沿水域和公園之間形成。在城市中心區(qū)域,生態(tài)要素類型少,而且規(guī)模小、破碎化程度高,滿足作為生物源地條件的生態(tài)空間數(shù)量不足,導(dǎo)致模擬生成的生態(tài)廊道數(shù)量低。而且,較城市中心區(qū)外圍形成的生態(tài)廊道而言,城市中心區(qū)內(nèi)的生態(tài)廊道脆弱性程度更高,這是由于城市建設(shè)強(qiáng)度高,人類活動(dòng)形成的干擾大,用于保護(hù)生態(tài)廊道的空間要求不足,更易造成城市中心區(qū)內(nèi)生態(tài)廊道遭受破壞。

2.3 重要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵生態(tài)廊道

以模擬形成的一二級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖為基礎(chǔ),通過線核密度分析,共篩選出12處生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn),是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中廊道密集區(qū),也是需要特別關(guān)注的區(qū)域(圖7)。其中4處重要節(jié)點(diǎn)位于永定河河道,說明永定河生態(tài)走廊需要加以特別重視。其他重要節(jié)點(diǎn)均位于中心城地區(qū)和城市副中心,因城市高強(qiáng)度發(fā)展導(dǎo)致的生物棲息地破碎化,亟需在中心城地區(qū)建立大型綠地、水域的連通網(wǎng)絡(luò),是城市化地區(qū)生物多樣性保護(hù)的重要措施。

關(guān)鍵的生態(tài)廊道沿河流和農(nóng)田延綿區(qū),是指示生物的關(guān)鍵活動(dòng)通道,潮白河、溫榆河、清河、永定河、京密引水渠和永定河引水渠幾條河流廊道以及南部豐臺至大興之間連片的農(nóng)田是平原區(qū)的關(guān)鍵生態(tài)網(wǎng)絡(luò)廊道,保護(hù)并優(yōu)化這幾條大型生態(tài)廊道對于對于平原地區(qū)生物多樣性的保護(hù)將起重要作用(圖7)。

圖7 重要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵生態(tài)廊道圖Fig.7 The important network nodes and ecological corridors

3 結(jié)論與討論

城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞,其最直接的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是生物多樣性,因?yàn)樯锒鄻有允巧鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基礎(chǔ),而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉是緊密關(guān)聯(lián)的。北京作為世界上生物多樣性最為豐富的大都市之一,在城市地區(qū)尚未建立起生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系,本文以北京平原區(qū)為研究范圍,探討了構(gòu)建保護(hù)生物多樣性的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

對于86種北京受保護(hù)的指示生物而言,平原區(qū)水域、公園、農(nóng)田是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢類型。(1)水域的連續(xù)性為保護(hù)特定指示物種提供了適宜的棲息場所,水域生態(tài)廊道的生境適宜性高,景觀阻力小,其廊道在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的地位突出。無論對于本地受保護(hù)生物種還是對于過境候鳥,水域?qū)μ嵘锒鄻有缘呢S富度、促進(jìn)生物遷移和擴(kuò)散均起重要作用,因此對于關(guān)鍵生態(tài)廊道中的水域廊道必須加以嚴(yán)格控制和保護(hù)。(2)公園生境主要分布在城市中心地區(qū),受到人為干擾較大,而且作為大的一級生物源地的公園數(shù)量較少,使公園生物源地之間的廊道等級大部分為二級網(wǎng)絡(luò)。相比外部水域而言,這些廊道主要沿著城市河流和道路,因此生物在城市中心區(qū)遷徙活動(dòng)的景觀阻力較大。需要在對這些廊道加以改善提升,一方面增加公園綠地規(guī)模,另一方面提高廊道生境適宜性和連接性,優(yōu)化并形成高質(zhì)量、微生境豐富的城市林蔭道和濱水生境,可有效保護(hù)城市內(nèi)部生物多樣性。(3)保留必要的農(nóng)田數(shù)量,并維持其空間連續(xù)性,防止農(nóng)田棲息地破壞,對于保護(hù)生物多樣性具有重要價(jià)值。近二十多年的城市快速發(fā)展占用農(nóng)用地,導(dǎo)致農(nóng)田空間在不斷的縮小,對于平原區(qū)鳥類保護(hù)形成了巨大壓力。平原區(qū)相對于山區(qū)而言,受保護(hù)的鳥類種類要顯著高于山區(qū),主要原因在于平原區(qū)的農(nóng)田生產(chǎn)為鳥類提供了豐富的食物來源；其次,開闊的平原農(nóng)田景觀為這些受保護(hù)的鳥類提供了安全理想的活動(dòng)空間,當(dāng)遇到危險(xiǎn)時(shí),農(nóng)田中的鳥類比茂密的林地中鳥類更容易逃逸。因此,空間連續(xù)的農(nóng)田景觀對受保護(hù)的鳥類十分重要。在國土空間規(guī)劃中,需要盡可能保留北京傳統(tǒng)農(nóng)田景觀格局。

通過客觀物種大數(shù)據(jù)和科學(xué)的生態(tài)模型建立了北京平原區(qū)分級生態(tài)網(wǎng)絡(luò),但仍然存在以下幾方面還需要更深入研究：

(1)指示物種的選擇可能對結(jié)果造成不確定性。在北京平原地區(qū)以保護(hù)鳥類為指示物種,與地物覆蓋類型相對應(yīng),采用Maxent模型來選擇生物源地,并通過模型來構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò),選擇受保護(hù)鳥類作為指示物種有可能對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,如城市地區(qū)鳥類活動(dòng)可能需要更多的綠地“踏腳石”,因此了解指示生物的生態(tài)習(xí)性,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬精度會大大提升。盡管存在不確定性,但是,在缺乏其他物種數(shù)據(jù)的條件下,通過模擬形成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對于生物多樣性保護(hù)的重要性仍然不言而喻。

(2)模擬模型的選擇對結(jié)果也能造成一定影響。研究采用的是最小累積阻力模型來模擬生態(tài)網(wǎng)絡(luò),在構(gòu)建生物活動(dòng)阻力面時(shí),對各類景觀用地類型的權(quán)重賦值有可能會對廊道的空間走向產(chǎn)生一定的影響,因此,因生物活動(dòng)阻力值造成的廊道不確定性仍需進(jìn)一步探討。

(3)生態(tài)廊道及生境建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。生物源地(棲息地)與目標(biāo)源地之間生態(tài)廊道的空間連接越緊密、廊道越寬、生境質(zhì)量越高,將極大豐富動(dòng)物多樣性。但當(dāng)前對于生態(tài)廊道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),還未形成定論[37],因不同物種對于廊道寬度要求而不同,毫無疑問,廊道也是特殊生境,大斑塊生境能孕育多樣生物,因此,生物保護(hù)學(xué)家認(rèn)為廊道越寬越好[38]。此外,廊道生境的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也需要進(jìn)行進(jìn)一步研究,動(dòng)物對于生境中植物和環(huán)境要求不同,導(dǎo)致統(tǒng)一的生境建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)存在一定困難,但是在城市地區(qū),可以將鳥類作為主要的動(dòng)物類型,研究公園綠地植物種類與鳥類多樣性之間的關(guān)系,進(jìn)一步摸索適宜的生境建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),從而更好保護(hù)城市地區(qū)的生物多樣性。