代繼平,朱 坤,周天宇,彭建松

(1.西南林業(yè)大學(xué) 森林城市研究院,昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院,昆明 650224；3.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,北京 100714)

生態(tài)系統(tǒng)是人類生存的載體。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn),社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,生態(tài)用地逐漸被分割、吞噬,導(dǎo)致生境類型不斷破碎,景觀結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化,造成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、生物多樣性減少、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題,迫使生態(tài)風(fēng)險加劇,嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)安全[1]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建對加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、增加生態(tài)斑塊連接度、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和提升生態(tài)服務(wù)功能具有重要的意義[2]。

近年來,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究探索越來越多,但主要采用景觀格局、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析,以及景觀連接度、最小累積阻力模型等方法構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[3-5]。尹海偉等[6]采用最小費用路徑和情景分析方法,基于重力模型構(gòu)建湖南省城市群生態(tài)網(wǎng)絡(luò),利用生態(tài)網(wǎng)將破碎、孤立的生境斑塊連接起來；陳劍陽等[7]采用最短路徑分析方法模擬環(huán)太湖復(fù)合型潛在生態(tài)廊道,容納更多的物種,形成穩(wěn)定、連通、完整的生態(tài)系統(tǒng)；許峰等[8]采用最小路徑方法,基于重力模型構(gòu)建巴中西部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；卿鳳婷等[9-10]在GIS和RS技術(shù)的支撐下,采用最小費用模型構(gòu)建北京市順義區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò),為區(qū)域物種遷移、信息交流提供安全的生態(tài)廊道。以上研究中所采用的方法,在景觀類型相對簡單的生態(tài)源地能起到直接的有效聯(lián)系,但是否適用于景觀類型相對復(fù)雜的生態(tài)源地仍然值得討論[11-13]。

騰沖市位于寒、溫、熱三帶植物成分并存的區(qū)域,具有復(fù)雜多樣的地形地貌和生態(tài)環(huán)境,選取該區(qū)域作為研究對象,對復(fù)雜景觀類型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局構(gòu)建具有代表意義。本文:通過對遙感影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯,提取土地利用類型；采用MSPA分析方法識別核心區(qū)的景觀要素,依據(jù)景觀連通的重要性程度,即根據(jù)斑塊重要性(dPC)值大小提取生態(tài)源地；采用MCR模型生成研究區(qū)潛在生態(tài)廊道；基于重力模型對廊道的重要性等級進(jìn)行劃分,并提出研究區(qū)生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的建議。通過本文的研究探討,以期為西南地區(qū)、高原山地等景觀類型相對復(fù)雜區(qū)域的生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

騰沖市位于祖國西南邊陲、云南省西部、保山市西南部,地處北緯24°38′～25°52′,東經(jīng)98°05′～98°46′,市域面積5 700.88km2,轄11鎮(zhèn)7鄉(xiāng)。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫14.7℃,年平均降雨量1 531mm,年平均相對濕度77%。境內(nèi)負(fù)氧離子平均含量3 827個/cm3,最高可達(dá)38 000多個/cm3,PM2.5<10。地勢東北高、西南低,海拔在930～3 780m之間。境內(nèi)森林資源豐富,森林覆蓋率達(dá)75%。全市有各種植物2 500余種,包括禿杉(Taiwaniacryptomerioides)、桫欏(Alsophilaspinulosa)、南方紅豆杉(Taxuschinensis)、長蕊木蘭(Alcimandracathcardii)、莼菜(Braseniaschreberi)等多達(dá)20余種的國家重點保護(hù)植物,被譽(yù)為“自然博物館”、“天然植物園”；已記錄的野生動物566種,在全省129個縣(市、區(qū))中位列第3,屬云南省動物物種相對豐富度“極高”的區(qū)域。

騰沖市中心城區(qū)—騰越鎮(zhèn)為政府駐地,位于騰沖市中南部(24°12′N,98°13′E),區(qū)域面積268.98km2。氣候四季如春,年平均氣溫14.8℃,年降雨量1 400～1 600 mm,海拔1 640m,生態(tài)環(huán)境優(yōu)良,土地利用類型多為林地。是全市政治、經(jīng)濟(jì)、文化、流通和旅游中心,受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響最大,因此保護(hù)和提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境也成了值得關(guān)注和研究的問題。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用2019年(成像時間為植被生長旺盛、覆蓋良好的7月,土地利用類型清晰)Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像與DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)(源自地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/search,30m分辨率),以及Google Earth高清影像等；2019年騰沖市鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政界線空間數(shù)據(jù)(騰沖市民政部門提供)。通過ENVI5.3與ArcGIS10.7軟件對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互解譯處理,依據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)提取林地、水域、草地、耕地、建設(shè)用地和其他6類土地利用類型,結(jié)合高清影像和實地調(diào)研對分類結(jié)果進(jìn)行反復(fù)修正和精度校驗,最后通過ArcGIS軟件完成騰越鎮(zhèn)土地利用分類圖(柵格大小30m×30m)的繪制(圖1)。

圖1 研究區(qū)土地利用分類圖Fig.1 Map of land use types

2.2 基于MSPA景觀格局分析

形態(tài)學(xué)空間格局(morphological spatial pattern analysis,MSPA)分析法與傳統(tǒng)生態(tài)理論粗提取方法相比,能更加準(zhǔn)確地識別出景觀的類型與結(jié)構(gòu)[14-15]。MSPA基于多種數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理,可以對柵格圖像進(jìn)行度量、識別和分割,解譯研究區(qū)域內(nèi)地類要素,從而得出像元層面上的景觀生態(tài)類型及結(jié)構(gòu)[16-18]。

景觀格局分析步驟:1)依據(jù)解譯后的騰越鎮(zhèn)土地利用數(shù)據(jù),對已分好的一級地類進(jìn)行重分類,提取林地、水域2種受人為影響程度少且生態(tài)服務(wù)功能高的自然生態(tài)要素作為MSPA分析的前景數(shù)據(jù),草地、耕地、建設(shè)用地等作為背景數(shù)據(jù)。2)將數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化柵格處理,導(dǎo)出格式為TIFF,其中參數(shù)設(shè)置:前景像元值=2,背景像元值=1,NoData值=0,像素深度8位,像元大小30m×30m。3)運(yùn)用GuidosToolbox分析軟件,采用八鄰域圖像細(xì)化分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行MSPA分析。將邊緣寬度(EdgeWidth)設(shè)置為1(對應(yīng)的物理距離為30m),獲得7種相互獨立，具有不同景觀功能的景觀要素,即核心區(qū)(Core)、邊緣區(qū)(Edge)、孔隙(Perforation)、橋接區(qū)(Bridge)、環(huán)線(Loop)、支線(Branch)和孤島(Islet)(表1)。得到研究區(qū)MSPA景觀類型圖。4)對分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,提取面積最大的核心區(qū)生境斑塊作為本文景觀連通性分析的生態(tài)源地。

表1 MSPA模型構(gòu)建下不同景觀要素分布類型及含義Tab.1 Distribution types and meanings of differentlandscape elements based on MSPA model

2.3 生態(tài)源地景觀連通性評價

景觀連通性(Landscape connectedness)是指景觀要素在空間結(jié)構(gòu)單元之間的連續(xù)性,能夠定量化分析要素在生態(tài)源地之間物質(zhì)擴(kuò)散、遷移和信息交流的難易程度,連通性的好壞除對生物多樣性保護(hù)和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義外,與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也緊密相關(guān)[14,19-20]。目前,針對景觀連通性,通常采用3種景觀連接度指數(shù)進(jìn)行斑塊間連通性水平的分析與評價[21-22]。具體公式為:

整體連通性(Integral Index of Connectivity,IIC):

(1)

可能連通性(Probability Index of Connectivity,PC):

(2)

斑塊重要性(Importance,dPC):

(3)

本文基于Conefor 2.6分析軟件,在前人研究[23]的基礎(chǔ)上,根據(jù)研究區(qū)實際情況,同時考慮距離閾值設(shè)置過大,會導(dǎo)致某些大型斑塊被分割、小型斑塊會消失等情況,把斑塊連通距離閾值設(shè)置為1 000m,0.5作為斑塊之間連通的可能性概率。通過各景觀連接度指數(shù),對研究區(qū)內(nèi)的核心區(qū)斑塊景觀連通性進(jìn)行定量評價,根據(jù)斑塊的重要性程度,將得到的dPC>1排序前12的斑塊作為生物物種重要的棲息場所及發(fā)展、繁衍的重要生態(tài)源地。

2.4 基于MCR模型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

最小成本距離模型(Minimal Cumulative Resistance Model,MCR)可以通過計算源與目標(biāo)之間的最小消耗路徑,得到物種向外傳播、遷移擴(kuò)散的最佳路徑,能有效避免外界環(huán)境的干擾,很好地反映生物物種在各生境斑塊間運(yùn)動的可能性和趨向性,從而保護(hù)生物多樣性[24-26]。具體公式為:

(4)

式中:f為一個未知的單調(diào)遞增函數(shù),m和n分別為景觀單元i和生態(tài)源地j的數(shù)量,Dij為生態(tài)源地j到景觀單元i的空間距離,Ri為景觀單元i對某物種傳播及擴(kuò)散過程的綜合阻力系數(shù)。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建步驟:1)結(jié)合MSPA及景觀連通性分析評價結(jié)果,按照核心區(qū)斑塊dPC值大小選取了12個重要生態(tài)源地,并選取土地利用類型、地形因子中的DEM高程和坡度等3個要素設(shè)置研究區(qū)內(nèi)物種在生境斑塊間運(yùn)動的干擾因子,構(gòu)建阻力體系。阻力值越大,表明物種遷移、信息傳遞及能量流動時所受阻礙越大；相反阻力值越小,表明該類景觀適宜性越高,受阻礙程度越小。參考相關(guān)研究成果[25-26],結(jié)合研究區(qū)特點以及各因子對景觀生態(tài)重要性的影響程度進(jìn)行賦值,并合理分配各阻力面的權(quán)重(表2)。2)利用GIS柵格計算器加權(quán)疊加運(yùn)算,生成生態(tài)綜合阻力面(圖2(a)),作為MCR模型的成本數(shù)據(jù)。通過使用成本距離,利用生態(tài)源地和綜合阻力面計算得出最小累積阻力面(圖2(b))。3)使用成本路徑,計算由“源”到目的地即源斑塊到目標(biāo)斑塊的最小路徑,由此得到66條潛在生態(tài)廊道,組成研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

表2 阻力因子等級分類及權(quán)重Tab.2 Classification and weight of resistance factors

圖2 研究區(qū)綜合阻力面與最小累積阻力面Fig.2 Comprehensive resistance surface and minimum cumulative resistance surface in the study area

2.5 基于重力模型的重要生態(tài)廊道識別

重力模型能夠科學(xué)定量地評價斑塊之間的相互作用強(qiáng)度,相互作用力值越大,兩者間的廊道在研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中位置越重要[27-30]。具體公式為:

(5)

式中:Fij為源地i和源地j之間的相互作用力；Ni,Nj為i和j對應(yīng)的權(quán)重值；Dij為i與j之間廊道阻力的標(biāo)準(zhǔn)值；Lmax為研究區(qū)中所有廊道阻力的最大值；ai,aj為i和j的面積；Lij為i到j(luò)之間的廊道阻力值；Pi,Pj為i和j的平均阻力值。

本文在潛在生態(tài)廊道構(gòu)建的基礎(chǔ)上,運(yùn)用重力模型計算出12個重要生態(tài)源地間的相互作用矩陣,定量分析斑塊間的相互作用強(qiáng)度。源斑塊間相互作用力值越高,表明生態(tài)源地間的阻力越小、聯(lián)系越緊密,物質(zhì)能量和信息傳遞以及物種遷徙就越頻繁,其相互之間連接的廊道也越重要。根據(jù)重力模型的計算結(jié)果,結(jié)合研究區(qū)實際情況,劃出廊道保護(hù)的優(yōu)先級別,將18條相互作用力強(qiáng)度大于300的廊道作為相對重要廊道,其他為一般廊道,最終得到研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖。

3 結(jié)果分析

3.1 MSPA景觀格局分析

由表3和圖3可知,運(yùn)用MSPA分析的騰越鎮(zhèn)景觀要素面積16 949.38hm2,占研究區(qū)總面積的63.01%,生態(tài)基底較好。核心區(qū)面積為14 096.76hm2,占研究區(qū)景觀要素面積的83.17%,景觀類型多為林地,其主要分布在研究區(qū)南部,在南部整體性強(qiáng),面積較大,呈現(xiàn)聚集狀態(tài)。騰越鎮(zhèn)中北部為騰沖市城市建成區(qū),開發(fā)面積大,受人為干擾程度最大,生態(tài)斑塊較小,破碎化嚴(yán)重,斑塊之間的連通性水平較差。邊緣區(qū)、孔隙作為核心區(qū)的保護(hù)屏障,能有效避免受外界環(huán)境的干擾,但兩者面積相對較小,分別占研究區(qū)景觀要素面積的8.15%和3.01%,表明核心區(qū)斑塊在整體上穩(wěn)定性不高。橋接區(qū)作為景觀網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)性廊道,可促進(jìn)物種遷移時能量傳遞和物質(zhì)交流、增加區(qū)域內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體景觀的連通性。橋接區(qū)面積為240.70hm2,占要素面積的1.42%,面積較少,表明研究區(qū)內(nèi)原有的生態(tài)廊道較少,需加強(qiáng)生態(tài)廊道的保護(hù)和優(yōu)化建設(shè)。

表3 MSPA景觀分類統(tǒng)計表Tab.3 MSPA landscape classification statistical table

圖3 基于MSPA的景觀類型圖Fig.3 Landscape type pattern based on MSPA

3.2 重要生態(tài)源地識別分析

由表4和圖4可知,重要生態(tài)源地總面積13 310.19hm2,占土地總面積的49.48%,主要分布于騰沖市城市建成區(qū)周邊和研究區(qū)南部,表明該區(qū)域間景觀連通性較強(qiáng)。其中,位于研究區(qū)南部12號源地,面積9 631.98hm2,占生態(tài)源地總面積的72.36%,其面積最大,dPC值也最大,表明12號生態(tài)斑塊最為重要；在建成區(qū)周邊的1—11號源地,生態(tài)源地面積較小,dPC值與12號源地差距很大,表明斑塊破碎化程度較高,斑塊重要性較小,生態(tài)環(huán)境比南部地區(qū)差,需加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè),提升斑塊完整性。

表4 基于景觀連通性的核心區(qū)(生態(tài)源地)重要程度排序Tab.4 The ranking of the importance of core area(ecological source area)based on landscape connectivity

圖4 核心區(qū)(生態(tài)源地)分布圖Fig.4 Distribution map of core area(ecological source area)

3.3 關(guān)鍵生態(tài)廊道提取分析

由表5和圖5可知,斑塊7和9之間的相互作用力最強(qiáng),為13 836.35,表明兩者間的空間關(guān)聯(lián)度最強(qiáng),物種在兩斑塊之間進(jìn)行遷移和擴(kuò)散時所遇到的景觀阻力最小,距離最近,物質(zhì)交換和信息流通最為便利,因此要加強(qiáng)斑塊7和9之間生態(tài)廊道的保護(hù),保持兩斑塊的連通性,避免因城市擴(kuò)張而遭到破壞。斑塊8和10以及斑塊9和11之間的作用強(qiáng)度較大,物質(zhì)與能量交流的可能性較大。斑塊5和6是重要廊道中作用強(qiáng)度最弱的一條,其穿越騰沖市城市建成區(qū),是以大盈江水域形成的一條重要生態(tài)廊道,因此在未來的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃中應(yīng)加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)、生態(tài)風(fēng)景林帶建設(shè)等,以提高廊道的生境適宜性。斑塊1和12相互作用力最小,距離相距較遠(yuǎn),連通性差,阻礙了物種的遷移,在今后的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃中,可通過生態(tài)源地和踏腳石的建設(shè),提高研究區(qū)內(nèi)生態(tài)斑塊的連接水平,增加生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接的有效性。從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體來看,在未來網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中,可優(yōu)先保護(hù)現(xiàn)有連通性較強(qiáng)的重要廊道,尤其加強(qiáng)貫穿建成區(qū)東西部的關(guān)鍵廊道,繼續(xù)保持其較強(qiáng)的連通性。而針對其他連通性較弱的一般廊道,可根據(jù)研究區(qū)情況因地制宜,有目標(biāo)、有計劃地逐步推進(jìn),確保區(qū)域物種信息能有效快速傳遞,維持和保護(hù)生物多樣性,提升整個生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。

表5 基于重力模型的生態(tài)源地間相互作用矩陣Tab.5 Interaction matrix between ecological sources based on gravity model

圖5 研究區(qū)潛在生態(tài)廊道Fig.5 Potential ecological corridors in the study area

4 結(jié)論與討論

本文:1)運(yùn)用MSPA方法分析研究區(qū)景觀格局,識別構(gòu)成景觀格局的7類景觀要素,定量分析了其現(xiàn)狀。MSPA方法基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理,獲得較為精確的景觀分布狀況,為研究區(qū)今后的景觀規(guī)劃提供指引。2)結(jié)合MSPA結(jié)果與景觀連通性,計算核心區(qū)對維持景觀連通的重要程度,根據(jù)dPC值大小篩選12個重要生態(tài)源地。此方法增強(qiáng)了源斑塊選擇的科學(xué)性,避免了以往人為選擇的主觀性,較為科學(xué)地考察了源斑塊景觀連通的重要性。3)選取土地利用類型、DEM高程、坡度3個要素作為研究區(qū)內(nèi)物種遷移的干擾因子,運(yùn)用GIS柵格計算器得到研究區(qū)綜合阻力面,利用MCR模型生成66條潛在生態(tài)廊道,定量分析了物種于多斑塊間遷移的最佳路徑,運(yùn)用重力模型定量評價源斑塊間的相互作用力,推斷了斑塊間物種擴(kuò)散、物質(zhì)交流、信息流動的可能性和趨向性,從而科學(xué)判斷生態(tài)廊道的重要性,得到研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

然而:1)在MSPA分析中，景觀的研究尺度十分敏感,像元大小的選取、邊緣寬度的設(shè)定會直接影響景觀要素的分析結(jié)果；2)在運(yùn)用Conefor軟件使用IIC和PC指數(shù)進(jìn)行景觀連通度評價時,不同斑塊連通距離閾值的設(shè)定,對dPC值具有重要的影響；3)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中,阻力因子的選取,以及等級分類和權(quán)重的設(shè)定是分析的關(guān)鍵,目前為止還沒形成公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合研究區(qū)實際情況,參照國內(nèi)外的研究成果進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定,并沒有做更多的論證,今后應(yīng)做進(jìn)一步的研究和深入的探討。