寧琦，朱梓銘，覃盟琳*，史倩倩，宋苑震

(1.廣西國土資源規(guī)劃設計集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；3.廣西大學 人居環(huán)境設計研究中心，廣西 南寧 530004)

0 引言

社會經濟的不斷發(fā)展與城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進導致了國土空間良好生境區(qū)域面積的減少，極大程度地削減了自然景觀基質面的服務供給能力[1]。同時，高強度的國土空間開發(fā)建設活動使區(qū)域土地景觀斑塊孤島化現(xiàn)象日益嚴重[2]，伴隨多個景觀斑塊連通性的下降，一并阻礙著物種空間自由遷徙運動和正常景觀生態(tài)流通過程的進行[3]。國土空間規(guī)劃背景下，山水林田湖草生命共同體理念的提出促使城市規(guī)劃與國土空間開發(fā)保護活動不斷強調尊重自然本底和生態(tài)文明建設[4-5]，構建生態(tài)安全格局與生態(tài)網絡等規(guī)劃措施已被廣泛提出用來恢復破碎生境斑塊之間的連接[6]，以此維持國土空間生態(tài)安全格局的穩(wěn)定與可持續(xù)，構建出一個人與自然和諧相處的國土空間格局[7]。

生態(tài)網絡的構建強調結構或功能[8]。近年來，以結構連通為主題的形態(tài)學空間格局分析方法[9](morphological spatial pattern analysis，MSPA)被重點運用于生態(tài)網絡的分析，其單獨依靠土地利用數(shù)據區(qū)分目標和其他自然生態(tài)要素，采用二進制圖法圖像處理輸出多個景觀模式類別，對逐年景觀變化的分析較為方便[10]。在國外，MSPA最早被CLERICI等[11]學者用來確定歐洲區(qū)域內的結構性河岸走廊，以便于維護和管理目標生境維護景觀連通性所需的特殊模式；在國內，邱瑤等[9]較早用于構建城市綠色基礎設施網絡，為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供了足夠的理論依據。另一方面，電路理論通過對電阻、電流、電導率和電壓等物理量賦予不同的生態(tài)意義[12]，被逐步運用于生態(tài)網絡的識別[13]。電路理論結合了隨機遷移理論和圖論的優(yōu)點，在一定程度上解決了以往構建生態(tài)網絡所使用的最小費用路徑方法(least-cost path method，LCP)不能明確廊道具體范圍和關鍵區(qū)域的局限性[14-15]。在國外，該理論最早被MCRAE等[16]應用到景觀生態(tài)學領域識別生態(tài)廊道和生態(tài)關鍵節(jié)點，在國內主要被彭建等[17]用于確定指導生物生境保護和景觀連通性評價的生態(tài)安全模式。

目前，使用MSPA方法的研究主要集中在景觀結構要素的識別及其時空格局演變[18]，弱于生境中能量流、物質流等生態(tài)功能流通性的辨識。另一方面，電路理論的研究雖在物種遷徙廊道設計和景觀遺傳學研究中被廣泛運用，但往往僅能考慮單一類型生境的連通性[19]，難以反饋全區(qū)域實際生態(tài)狀況。因此，統(tǒng)籌MSPA與電路理論可以綜合景觀結構與功能實際，更科學地表征生態(tài)網絡并進行開發(fā)保護政策的實施落地。為此，本文以現(xiàn)行國土空間規(guī)劃重要試點城市南寧市為例，采用MSPA與電路理論相結合的方法，定量評價并科學確定了生態(tài)源區(qū)，從而構建出長時間序列演進下(2000年、2010年和2020年)的生態(tài)網絡。隨即，對構建結果的演變情況進行了對比分析，最終以2020年生態(tài)網絡格局為底圖基礎，提出科學的、可行性高的優(yōu)化方向與策略。本文意為研究區(qū)內生態(tài)網絡的規(guī)劃建設與國土空間開發(fā)保護格局優(yōu)化提供一套科學的分析框架，實現(xiàn)研究區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的整體修復與功能綜合提升，且對其他類似區(qū)域生態(tài)網絡的規(guī)劃和優(yōu)化提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據來源

1.1 研究區(qū)概況

文章選取南寧市市域部分作為主要研究區(qū)域，共計26 058.290 km2，以實現(xiàn)南寧市域生態(tài)、農業(yè)、城鎮(zhèn)全域國土空間管控的覆蓋。研究區(qū)囊括興寧、青秀、江南、西鄉(xiāng)塘、良慶、邕寧、武鳴7個市轄區(qū)，以及橫縣、賓陽、上林、隆安、馬山5縣，均介于東經107°45′～108°51′,北緯22°13′～23°32′之間，屬亞熱帶季風區(qū)。研究區(qū)內部地勢多平坦，中北部有大起伏山地大明山，主峰龍頭山高程1 632.28 m，是廣西中西部的最高點(圖1)。

圖1 南寧市行政區(qū)位與地理高程圖

1.2 數(shù)據來源

文章主要選取南寧市3個時期(2000年、2010年和2020年)的土地利用作為基礎數(shù)據，來源為Globe30Land30全球地理信息公共產品(http://www.globallandcover.com/)。根據研究情況和主要目的，將研究區(qū)土地利用分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體和人造地表7種類型，柵格大小設置為30 m。

2 研究技術路線與方法

2.1 技術路線

本文基于MSPA和電路理論，主要進行南寧市2000年、2010年和2020年生態(tài)網絡的構建和演化規(guī)律研究，主要有4項技術步驟：①確定和提取目標土地利用類型，利用Guidos軟件對數(shù)據進行MSPA分析并提取7個模式類；②確定一定量的核心斑塊作為源區(qū)，并對其進行連通性分析；③根據電路理論，構建電阻表面并輸出累積電流密度圖，隨后根據分區(qū)模型提取關鍵廊道和夾點區(qū)域；④分析南寧市2000—2020年間國土空間生態(tài)網絡的演變規(guī)律并提出優(yōu)化策略。

2.2 基于MSPA的生態(tài)源地分析

2.2.1 景觀分類與生態(tài)源地提取方法

本文利用MSPA進行南寧市景觀分類與生態(tài)源地提取。MSPA基于二進制派生二元圖以進行像素幾何的描述與斑塊關聯(lián)，主要依據土地利用區(qū)分前景(林地、草地等自然生態(tài)要素)和背景(非自然生態(tài)要素)，最終將前景要素分類識別成核心區(qū)、孤島區(qū)、環(huán)島區(qū)、橋接區(qū)、孔隙區(qū)、邊緣區(qū)和支線7種模式(圖2)。借助Guidos軟件，導入以林地為分析前景的GeoTIFF二值柵格數(shù)據文件，采用八鄰域30 m邊緣寬度進行MSPA分析，最終得到互不重疊且具備不同生態(tài)學含義的7類景觀(表1)。擬提取面積大于50 km2的核心區(qū)作為生態(tài)源地，并對3個年份的南寧市生態(tài)源地時空格局演變進行定量評價，以確定維護生態(tài)網絡中結構連通性所需的特殊模式。

圖2 二進制輸入掩碼派生的MSPA前景和背景模式分類概述

表1 MSPA的景觀類型及其生態(tài)學含義

2.2.2 連通性指數(shù)分析法

連通性指數(shù)分析法依托Conefor2.6軟件包，常用基于拓撲空間(圖論)的整體連通度指數(shù)(integral index of connectivity，IIC)和可能連通度指數(shù)(probability of connectivity，PC)來量化生境區(qū)域和區(qū)域間維持或改善景觀連通性的相對重要性[20]，以評估生境和土地利用變化對連通性的影響[21]。本文借助Conefor2.6，根據南寧市地物歷史和現(xiàn)狀影像將源地連通距離閾值(distance threshold，DT)設置為2 500 m，源地連通概率(correspond to probability，CP)設置為0.5，分別計算源地斑塊的IIC與PC，最終引入斑塊重要性指數(shù)[13]dI，均分權重以統(tǒng)籌區(qū)域景觀中dIIC與dPC兩項連通性指數(shù)，定量分析南寧市2000—2020年生態(tài)源地演變的景觀模式和功能性規(guī)律。計算公式為

(1)

(2)

dI=0.5dIIC+0.5dPC，

(3)

式中，dIIC為區(qū)域景觀整體連通性指數(shù)；dPC為區(qū)域景觀可能連通性指數(shù)；dI為區(qū)域景觀斑塊重要性指數(shù);Ae為區(qū)域景觀總面積;n為景觀面e中的斑塊總量;Ai、Aj為生境斑塊i和j的面積;Cij為生境斑塊i和j在最短路徑下的連接總量;Pij*為生境斑塊i和j之間的最大連通概率。

2.3 基于電路理論的生態(tài)網絡分析

2.3.1 利用MCR模型生成電阻表面

生態(tài)網絡構建的基礎為景觀阻力面，能夠綜合表征區(qū)域景觀中物質和能量的流動情況。運用電路理論創(chuàng)建的景觀阻力面即為電阻表面，是后續(xù)輸出區(qū)域景觀累積電流密度圖的基準要素面[18]。本文運用最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance，MCR)，區(qū)分土地利用類型作為電阻表面阻抗因子的賦值依據(表2)，根據不同土地利用對生境物種遷徙選擇的差異影響計算生態(tài)源地向外擴張的累積耗費電阻[22]，進而構建電阻表面，計算公式為

表2 不同土地利用類型的基準電阻值

(4)

式中，RMC為生態(tài)源斑塊j擴散至某點的最小累積電阻值;Dij為生物從源地柵格j到空間某一點所穿越的景觀基面i空間距離;Ri為基面i對生態(tài)過程或物種運動的基本電阻系數(shù)。

2.3.2 利用電路理論構建生態(tài)網絡

電路理論將連通性評價模型中的“隨機游走理論”與行為生態(tài)學聯(lián)系起來，在預測物種隨機遷徙路徑和種群擴散概率方面表現(xiàn)突出[4]。如圖3所示，物種(隨機游走者)在通過節(jié)點(a、b、c、d)時，會根據電阻的大小調整具體路徑或發(fā)生MA、MB、MC等多種轉線行為。與電路理論中的歐姆定律類似，物種在初始節(jié)點a與目標節(jié)點d中的通行能力與兩者之間的路徑多樣性(即通行概率)呈正比，與a、d間的阻抗呈反比，表達式為

圖3 基于電路理論的物種隨機游走方式與柵格數(shù)據結構表達

I=U/R，

(5)

式中，I為電流；U為電壓;R為電阻;其對應的景觀生態(tài)學含義見表3。

表3 電路理論對應的景觀名詞及其生態(tài)學含義

本文基于電路理論，借助Circuitscape軟件進行南寧市3個年份的生態(tài)網絡的構建與重要性計算，輸出代表景觀連通性程度的電流密度圖。隨后運用Linkage Mapper中的Linkage Pathways功能生成源地之間承載生態(tài)流與能量流的低阻力生態(tài)通道，形成總體的、潛在的生態(tài)網絡格局。最后基于最小化邊際損失原則(principle of minimizing marginal loss，PMML)與附加效益函數(shù)去除規(guī)則(the additional benefit function，ABF)，采用分區(qū)模型(zonation model，ZM)對生成的電流密度圖進行像素級排序[23]，遴選分區(qū)模型排名前10 %的柵格像元作為生態(tài)網絡中的關鍵走廊區(qū)域，最終形成關鍵的生態(tài)網絡格局并進行分析。

2.3.3 利用電流密度識別重要夾點

借助Circuitscape軟件生成的電流密度，在景觀生態(tài)學中可定義為物種通過某一像元要素的頻率或某一像元要素所經物種的豐富度，其值與物種通過該區(qū)域內的可能性與選擇頻率呈正比，可以用來識別生態(tài)網絡中的“夾點”地帶(即高電流密度區(qū))[24]。本文根據南寧市地物歷史和現(xiàn)狀影像，運用Linkage Mapper中的Pinchpoint Mapper功能，賦予每個源地節(jié)點1 A的電流值并設置廊道成本加權寬度為10 000 m，最后選擇“all to one”模式進行迭代運算，遴選電流密度大、處于廊道瓶頸點與窄點地帶且具有較強不可替代性的斑塊作為夾點[23]。

3 結果與分析

3.1 土地利用與MSPA景觀要素提取結果

土地利用方面，2000—2020年南寧市域耕地呈現(xiàn)從荒地開墾、耕地增加到耕地建設、穩(wěn)定減少的趨勢，林地則逐年減少，代表研究區(qū)域內“綠色景觀”資源的持續(xù)衰退。除水體與人造地表(即建設用地)面積逐年上升外，草地、灌木林地、濕地面積不斷下降。其中，人造地表的增加最為穩(wěn)定和顯著，主要由占用的農田和部分林地轉換組成，對研究區(qū)的中南部景觀要素的集聚影響較大(圖4)。

圖4 南寧市2000—2020年土地利用類型分布與面積變化

MSPA景觀模式方面，作為生態(tài)源地候選區(qū)的核心區(qū)在7類前景景觀中占地最大，面積均在10 000 km2左右，占比82.59 %～83.04 %；受邊緣效應影響的邊緣區(qū)和孔隙區(qū)在除去核心區(qū)的前景要素中占地面積最大，多位于100～1 000 km2，占比分別在10.16 %～10.38 %、2.88 %～2.96 %；支線使得走廊連接中斷，面積位居第四，占1.51 %～1.62 %；連接景觀走廊的橋接區(qū)與有著孤立斑塊特征的孤島區(qū)、環(huán)島區(qū)面積居于末三位，占比均處1.20 %以下。從圖5可以看出，面積變化上，除2010—2020年間核心區(qū)面積有小幅度增長外，其余景觀要素面積均穩(wěn)定下降，這與2000—2020年間林地的減少緊密相關，而在空間分布上，重要的核心區(qū)以區(qū)塊形式分布在研究區(qū)的中部和北部，是物種良好的棲息地。西部核心區(qū)相對較少，分布較為分散，造成東西景觀銜接的困難。

圖5 南寧市2000—2020年MSPA景觀分布與面積變化

3.2 生態(tài)網絡構建結果與演變分析

3.2.1 生態(tài)源地分布與變化規(guī)律

基于3.1中得出的MSPA 7種景觀模式，遴選面積大于50 km2的核心區(qū)做為生態(tài)源地，共計13處。如圖6顯示，這些區(qū)域主要是大型生態(tài)斑塊，如大明山水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護區(qū)、武鳴-隆安巖溶山地與生物多樣性保護區(qū)、桂西南巖溶山地與生物多樣性保護區(qū)、馬山-上林紅水河流域巖溶山地水土保持生態(tài)保護區(qū)這些能夠有效儲存能源和生物所必需營養(yǎng)物質的生境。這13個源區(qū)以塊狀和條狀的形式集中在研究區(qū)的中部，南部生態(tài)源區(qū)空間分散且多狹小，東西部源區(qū)也較為獨立，連通存在較大困難。

圖6 南寧市2000—2020年生態(tài)源地分布與演變

南寧市2000—2020年生態(tài)源地斑塊重要性指數(shù)dI與面積變化情況見表4。由表4可以明顯看出，源地1在南寧市總體生態(tài)源地格局中占據中心與主導位置，斑塊重要性指數(shù)dI接近其余斑塊的4～1 000倍，面積是其余斑塊的3～30倍。與2000年相比，源地1的面積有所下降，但斑塊重要性指數(shù)dI在2020年達到頂峰，體現(xiàn)此生境區(qū)域的不可替代。此外，具有顯著變化的生態(tài)源地有源地2、3、7、8、10、12和13：源地2和13產生了較大變化，源地2在2020年由于景觀的斷裂，由一塊源地分裂形成子源地2.a(dI為11.987，面積為287.447 km2)和子源地2.b(dI為1.806，面積為414.947 km2)，源地13由于內部變化和面積縮小，難以繼續(xù)成為具有足夠生境質量和供給能力的生態(tài)源地；其余源地由于內部景觀與相對面積的的變化，使之斑塊重要性產生了足夠大的變化?？傮w來看，源地格局始終以源地1為核心，西部與南部的源地重要性一直處于尾端，面積過小會導致生境斑塊難以支撐區(qū)域內和周圍的能量循環(huán)，從而喪失作為生態(tài)源地的資格。

表4 南寧市2000—2020年生態(tài)源地dI與面積變化

3.2.2 生態(tài)網絡構建與演變

生態(tài)網絡的構建需從電流密度圖中提取高值像元進行組織。圖7顯示了不同時間節(jié)點的南寧市累積電流密度圖，明顯看出，研究區(qū)中部和西部的走廊數(shù)量很少，不能為區(qū)域物種提供足夠的遷移途徑。南部地區(qū)走廊數(shù)量較多且從2000年到2020年質量不斷增強，東南角落地區(qū)由于源地13的丟失，導致廊道斷裂和質量的惡化，原有支廊消失，主廊寬度和面積全方位減小。同時，2000—2020年間，南寧市域部分平均電流值持續(xù)上升，而最大電流值也在2020年達到最大，表征區(qū)域內景觀連通能力有所上升，并在2020年達到最佳狀態(tài)。

表5 南寧市2000—2020年電流值變化

圖7 南寧市2000—2020年累積電流值變化

采用分區(qū)模型對廊道在生態(tài)網絡中的重要性進行排序，確定研究區(qū)關鍵走廊區(qū)域共15條，圖8中顯示即生態(tài)網絡的關鍵主廊。自2000年以來，研究區(qū)西部、背部和東南部地區(qū)主要走廊變化較為突出，由于部分源地形狀的變化，相同源地之間的廊道發(fā)生了完全的變遷。結合圖7累計電流值判斷廊道寬度，可知：西北部地區(qū)關鍵走廊寬度最大，連通性極佳；南部地區(qū)大部分關鍵走廊都很窄很短，分布較為密集，易斷裂，總體景觀連通性有待增加，需要判斷好生態(tài)夾點地區(qū)，以保持生境的連通和源地斑塊的良好發(fā)展。

圖8 南寧市2000—2020年關鍵廊道提取結果與網絡構建

3.3 夾點識別結果與生態(tài)網絡優(yōu)化

3.3.1 夾點識別結果

生態(tài)夾點不僅代表高質量的生境連接處，同時也是易斷裂、強保護和需重點維育的對象。圖9顯示南寧市2000—2020年夾點識別結果，可判斷夾點區(qū)域主要分布在研究區(qū)西北和西南地區(qū)。西部夾點多且較集中，東部夾點區(qū)域少，連通性較差。結合實際影像可判斷西部夾點分布在桂西南巖溶山地與生物多樣性保護區(qū)和武鳴-隆安巖溶山地與生物多樣性保護區(qū)之間，是區(qū)域生態(tài)維育和水土保持集中地帶，生態(tài)保護體系較為完善，景觀連接性好。2000—2020年間，西部夾點經歷了先變小后變大的過程，這與該期間南寧市從重開發(fā)到重保護的國土空間規(guī)劃理念轉變密切相關，也代表著當?shù)貜霓r業(yè)發(fā)展向生態(tài)退耕的變化使生態(tài)安全從低轉高。

圖9 南寧市2000—2020年夾點識別結果

3.3.2 生態(tài)網絡格局確立與優(yōu)化

通過電流密度與提取出的關鍵廊道綜合確立生態(tài)網絡格局。以2020年為分析時間點，劃分源區(qū)、生境維育區(qū)、自然拓展區(qū)、緩沖交錯區(qū)、外圍發(fā)展區(qū)和集中建設區(qū)6類主要區(qū)域為格局內容。其中，源區(qū)包括生態(tài)源地和關鍵走廊，同時也囊括夾點區(qū)域，是生態(tài)網絡格局的最核心區(qū)域，可以單獨提取作為國土空間開發(fā)保護格局規(guī)劃的生態(tài)基地圖層；生境維育區(qū)是標準化最低成本走廊的低值區(qū)，是環(huán)繞源區(qū)對其進行生境保護和生態(tài)維育的緩沖帶；自然拓展區(qū)是標準化最低成本走廊的高值區(qū)，代表物種自由遷徙的最外圍區(qū)域，是保障高質量生境區(qū)域內物質和能量流穩(wěn)定流通的保障區(qū)；緩沖交錯區(qū)代表生境區(qū)和建設區(qū)的隔離，是城鎮(zhèn)外圍發(fā)展區(qū)和集中建設區(qū)的外圍自然緩沖帶，也是國土空間開發(fā)保護格局中的留白地帶，是南寧市國土空間范圍內的儲備帶。表6顯示這六類區(qū)域的面積和所占比例，以生境維育區(qū)占地最大，城鎮(zhèn)集中建設區(qū)占地最小，源區(qū)和生境維育區(qū)總計共占市域面積的一半，表征南寧市豐富的自然儲備和生境供給能力。圖10是最終生態(tài)網絡格局區(qū)劃結果與優(yōu)化方向，可以確定的是，南寧市生態(tài)網絡格局的優(yōu)化方向主要集中于生態(tài)源斑塊-生態(tài)廊-生態(tài)網-生態(tài)格局-生態(tài)夾點這一系列。斑-廊串聯(lián)生態(tài)節(jié)點與生態(tài)廊道，是組建斑-網的基礎，是組建總體格局的前提，夾點鑲嵌在生態(tài)源區(qū)與廊道中間，“人工加點”將是優(yōu)化網絡節(jié)點的重要方向。斑-網中，源區(qū)進一步劃分為山區(qū)生態(tài)斑塊、農區(qū)生態(tài)斑塊、丘陵生態(tài)斑塊、城市生態(tài)斑塊等將有助于進一步細化生態(tài)網絡格局，以確保規(guī)劃與開發(fā)的精準落地；斑-廊中，河湖有必要作為單獨的生境斑塊進行維育，以串接生態(tài)核心區(qū)的生態(tài)廊道對河湖水系進行圈置是進一步提升生境格局的優(yōu)化策略；總體格局與分區(qū)中，分離生物、半自然、純自然等生境分區(qū)將有助于生態(tài)網絡格局差異化管理與保護；夾點安置中，圍繞既有夾點進行細小人工夾點的增置將形成集群效應，進一步鞏固夾點的穩(wěn)定。

表6 南寧市2020年生態(tài)網絡格局構建結果

圖10 南寧市2020年生態(tài)網絡格局構建與優(yōu)化方向

4 結論

本文以南寧市為研究區(qū)，結合MSPA和電路理論構建了南寧市2000—2020年的國土空間生態(tài)網絡，為進行國土空間開發(fā)保護格局規(guī)劃、國土綜合整治與生態(tài)修復等提供了強有力的基礎生態(tài)格局。同時，還確定了2020年生態(tài)網絡優(yōu)化的重要夾點，探討了夾點區(qū)域對整體生態(tài)網絡優(yōu)化的重要性和總體格局的優(yōu)化方向。研究具有以下結論：

① 從2000年到2020年，南寧市市域南部關鍵走廊較為密集但質量、等級均較低，連接南部地區(qū)到中部和北部地區(qū)的關鍵走廊仍然很少，東西部廊道的連接一直是薄弱點，這些情況都不能保證整個研究區(qū)良好的連通性。

② 研究時間段期間，最大電流密度和平均電流密度都顯著增加，但現(xiàn)有走廊幾乎無法保持東西部之間的牢固聯(lián)系，識別出的夾點區(qū)域是扣緊走廊連接的關鍵紐帶，保護好既有夾點是未來進行東西部、南北方走廊進一步穩(wěn)固的前提。

③ 以2020年為時間點，最終確立了源區(qū)、生境維育區(qū)、自然拓展區(qū)、緩沖交錯區(qū)、外圍發(fā)展區(qū)和集中建設區(qū)這6類區(qū)域為主要的生態(tài)網絡格局內容。南寧市生態(tài)網絡未來的優(yōu)化方向集中在源區(qū)和源區(qū)內嵌置的夾點區(qū)，厘清6類區(qū)域的交錯關系并進行局部調整是優(yōu)化總體生態(tài)網絡格局的必要步驟。