劉俊男 龍雨丹 陳揚帆 高 凱

昆明理工大學建筑與城市規(guī)劃學院 昆明 650000

生物多樣性關系人類福祉，是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎。目前，我國處于快速城鎮(zhèn)化進程中，人為的活動對生態(tài)系統(tǒng)構成嚴重威脅，景觀破碎化程度日益加深，區(qū)域生物多樣性銳減。生境網(wǎng)絡建設能夠?qū)⑵扑榈陌邏K相互連接，形成完整連通的生態(tài)系統(tǒng)，有益于生物多樣性的維持[1]。

基于生境網(wǎng)絡構建與優(yōu)化的生物多樣性保護研究在國外起步較早、成果較多，例如Gurrutxaga等[2]結合斑塊、廊道多種要素分析，利用最小路徑法構建生態(tài)廊道，以此優(yōu)化區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡體系；Parker等[3]通過設計生態(tài)廊道連接破碎生境斑塊，進而保護生物多樣性。國內(nèi)俞孔堅等[4]較早地應用相關理論構建生物保護景觀生態(tài)安全格局；尹海偉等[5]、孔繁花等[6]提出多種分析方法與構建模型，豐富了不同領域的相關研究。近年來，基于景觀形態(tài)空間格局分析(MSPA)的研究方法強調(diào)對研究內(nèi)容的結構性連接，彌補了傳統(tǒng)方法中人為選取生境斑塊偏主觀性的不足，使源地和廊道的識別更具科學性，受到了較多重視和應用[7]。

中國在生物多樣性保護方面取得了重大成效，為維護全球生態(tài)安全作出了重大貢獻，并作為主席國于2021年10月和2022年12月分兩個階段在中國昆明市和加拿大蒙特利爾市舉辦聯(lián)合國《生物多樣性公約》第十五次締約方大會。這既是對我國生物多樣性保護工作的肯定，也為我國生物多樣性保護研究及實踐提出了更高要求。在此背景下，以快速城鎮(zhèn)化的昆明市呈貢新區(qū)為例，基于MSPA和MCR等方法構建及優(yōu)化生境網(wǎng)絡體系，為城市化快速發(fā)展地區(qū)的生物多樣性保護提供依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

呈貢新區(qū)(102°45′—103°00′E，24°42′—25°00′N)位于云南省昆明市南部，北臨官渡區(qū)，東接宜良縣，南與晉寧區(qū)、澄江縣接壤，西側為滇池，總面積461 km2，海拔820～1775 m，地勢呈現(xiàn)為東高西低。研究區(qū)屬低緯度高原季風型氣候，全年光照充足，年均氣溫14.7℃。全區(qū)森林覆蓋率達38.1%，植被類型豐富，以常綠闊葉林為主，自然生態(tài)資源豐厚。近10年來，伴隨撤縣換區(qū)、高鐵站開通、城市發(fā)展重心南下等快速城鎮(zhèn)化進程，呈貢新區(qū)生境破碎化嚴重、生態(tài)資源分布不均，區(qū)域生物多樣性保護面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云，主要包括:呈貢新區(qū)及周邊區(qū)域2021年區(qū)縣行政區(qū)邊界及道路矢量數(shù)據(jù)；Landsat 8 OLI＿TIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品2021年5月的30 m分辨率遙感影像；30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理:首先，通過ENVI 5.3軟件對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、光譜融合等預處理。其次，運用監(jiān)督分類中的最大似然法進行精度驗證，并結合實地調(diào)研，對處理結果多次修正。最后，將數(shù)據(jù)導入ArcGIS 10.8軟件中將研究區(qū)現(xiàn)狀分為林地、水域、耕地、草地、濕地、裸地及建設用地7種土地利用類型。

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA法的景觀要素分析

研究從生物多樣性保護出發(fā)，根據(jù)解譯處理后的研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，將林地、水域、草地、濕地4類具有生態(tài)擴張潛力的自然要素作為MSPA分析的前景要素，將耕地、裸地及建設用地3類作為背景要素[8]。研究區(qū)西側的大型水域為滇池的一小部分，且深度較深，不利于多數(shù)生物的棲息和遷徙，因此未計入前景要素計算。提取要素數(shù)據(jù)轉換為二值柵格圖像，使用Guidos Toolbox2.8軟件采用八鄰域分析法進行分析[9]，并識別出MSPA的7種景觀要素。目前的相關研究中絕大多數(shù)均把耕地作為背景要素分析，但從生物多樣性保護的角度分析，耕地具有生物多樣性保護的功能和價值，因此本文還嘗試性地把耕地作為前景要素并做對比分析。

2.2.2 基于景觀連通性評價遴選重要生態(tài)源地

研究從MSPA核心區(qū)中提取對維持連通性具有價值的區(qū)域，采用景觀連通性指數(shù)進行評價，其中包括整體連通性指數(shù)(IIC，公式1)、可能連通性指數(shù)(PC，公式2)及斑塊重要性[10](dI，公式3)。

式(1)至式(3)中，n表示斑塊總數(shù)量，ai和aj表示斑塊i和斑塊j的面積，nlij表示i和j間的連接數(shù)表示i和j之間物種流動的最大概率，AL表示景觀總面積，I為某個景觀連通性指數(shù)值(本文分別指代IIC與PC)，Ir為移除某斑塊后的連通性值，dI(dIIC、dPC)為移除斑塊后的重要程度。

首先，選取面積不小于2 km2的核心區(qū)，設置連通距離閾值為1000，連通概率為0.5(參考Conefor 2.6用戶指導手冊)；然后，運用Conefor 2.6軟件計算景觀連通性；最后，將得出的每個斑塊的dIIC和dPC整理并排序，dIIC和dPC值越大，則斑塊重要性越高。

2.2.3 潛在生態(tài)廊道提取及其緩沖帶用地分析

1)消費阻力面的構建。本研究確定土地利用、植被覆蓋度(FVC)、高程(DEM)、道路及坡度5類作為消費阻力面的影響因素，并將各類因素分類分級處理，通過專家打分，賦予相應阻力值[11-12]；再采用層次分析法計算各影響因素所占的權重，構建多級分析結構模型[13](表1)。運用植被指數(shù)法處理遙感影像的多光譜數(shù)據(jù)，首先通過ENVI 5.3軟件計算歸一化植被指數(shù)(NDVI)表示區(qū)域綠色植被生長狀態(tài)的指示因子[14]，然后基于像元二分模型，計算植被覆蓋度[15]。選取呈貢新區(qū)主要道路，按實際紅線寬度繪制，包括寬度為60 m的高速公路、30 m的國道、24 m的省道及20 m的鐵路4類，再運用ArcGIS 10.8整合得到交通道路面狀文件?；贏rcGIS 10.8通過數(shù)字高程影像分類處理得到各級高程數(shù)據(jù)，再運用坡度分析工具對呈貢新區(qū)坡度做出計算?；跈嘀刂涤嬎惬@取呈貢新區(qū)綜合消費阻力面。

表1 各影響因素阻力值及權重

2)利用MCR模型提取潛在生態(tài)廊道。最小累積阻力模型(MCR，公式4)是指物種從起始生態(tài)源地到目標源地運動過程中，克服消費阻力面所需要的最小阻力或最短距離的路徑的模型[16]。本 研 究 基 于MCR模 型，使 用ArcGIS 10.8中的Cost Distance和Cost Path工具，置入研究區(qū)及其周邊區(qū)域消費阻力面柵格數(shù)據(jù)，計算得到生物擴張的最佳路徑，并提取潛在生態(tài)廊道網(wǎng)絡。

式(4)中，Dij為物種從源點j擴散至空間單元i的距離，Ri為物種穿過空間單元i所克服的阻力值，f為最小累積阻力與變量Dij和Ri的正相關函數(shù)。

3)廊道緩沖帶分析。參考呈貢新區(qū)生物活動范圍及生物保護廊道適宜寬度[17]，建立100 m、200 m兩種不同寬度的緩沖帶，并對其用地類型組成進行分析。

2.2.4 基于重力模型的重要生態(tài)廊道識別

起始生態(tài)源地與目標源地之間存在不同的相互作用強度，基于重力模型(公式5)能夠定量分析源地間相互作用強度大小，強度較大的廊道具有較好的連接性，重要程度也相對較高?；谥亓δＰ蜆嫿ㄉ鷳B(tài)源地間相互作用矩陣，將其強度結果劃分等級，識別出作用強度大于10的重要生態(tài)源地之間的廊道作為重要生態(tài)廊道。

式(5)中，Gab表示源地a、b間的相互作用強度，Na、Nb表示a、b兩源地各自的權重值，Dab表示兩源地間潛在廊道聯(lián)系的阻力值，Pa表示源地a的阻力值，Pb為源地b的阻力值，Sa表示源地a的面積，Sb為源地b的面積，Lab表示a到b之間廊道的累積阻力值，Lmax表示研究區(qū)中所有廊道累積阻力的最大值。

3 結果與分析

3.1 MSPA景觀要素分析

由圖1、表2可知:自然要素中面積最大的為核心區(qū)，面積為178.65 km2，占自然要素的69.97%，占研究區(qū)面積的39.99%，說明呈貢新區(qū)具有良好的生物生境條件和生態(tài)潛力。大型斑塊主要集中在區(qū)域的東部和南部，體現(xiàn)出近些年呈貢新區(qū)東部和南部的林地資源較為豐富，而中部建成區(qū)的核心區(qū)斑塊面積較為有限且分布較零散，破碎化程度較高。自然要素中面積次之的為邊緣區(qū)，占自然要素的13.32%，該區(qū)域可形成生物生存的邊緣效應，邊緣區(qū)面積較高會使適宜生物活動的核心區(qū)生境減少，加重物種分散。對生物遷移擴散具有重要作用的橋接區(qū)面積占比較低，僅占自然要素的3.56%。綜上，呈貢新區(qū)盡管具有較大面積的核心區(qū)斑塊，但斑塊分布不均勻，總體格局分散，破碎化較嚴重。

3.2 重要生態(tài)源地

dPC與dIIC數(shù)值較高的源地在給物種提供生存棲息地的同時，還能夠有效維持景觀的連通性，有利于物種信息和能量的交換。由圖2和表3可知，呈貢新區(qū)內(nèi)重要生態(tài)源地分布不均，南部源地面積較大且連通性指數(shù)值較高，呈狹長型分布，中西部區(qū)域缺乏大型生境斑塊，生態(tài)源地間的dPC、dIIC值存在較大的差異。

表3 生態(tài)源地連通性指數(shù)

3.3 潛在生態(tài)廊道及其緩沖帶用地分析

基于MCR模型和構建的綜合消費阻力面定量計算和識別，研究共提取呈貢新區(qū)內(nèi)部9個重要生態(tài)源地間相互連接的36條潛在生態(tài)廊道，形成潛在生境網(wǎng)絡(圖2)。生態(tài)廊道緩沖帶用地分析結果(表4)表明，林地與草地兩種自然生態(tài)景觀在廊道的景觀類型構成中占比較高，其中林地在兩種寬度的廊道緩沖帶中占比分別為69.12%、69.53%，是研究區(qū)物種遷徙過程中的優(yōu)勢景觀類型，有利于增強生態(tài)廊道的可達性和建設的可行性。建設用地在廊道景觀構成中占比分別為5.76%、5.44%，比重不高但對物種遷徙有較大阻礙作用。

表4 潛在生態(tài)廊道的緩沖帶用地分析

3.4 重要生態(tài)廊道識別

由表5可知，不同源地間的相互作用強度具有明顯差異:相互作用較強的源地間生態(tài)廊道的物種遷徙消費阻力較小，生物生存適宜性較強；相互作用較弱的生態(tài)源地間阻力較大，距離較遠。本研究識別出相互作用強度大于10的重要生態(tài)源地之間的13條重要生態(tài)廊道(圖2)，主要分布在呈貢新區(qū)東北部和南部地區(qū)，中西部缺乏重要生境斑塊以及斑塊間的有效連接。

表5 重要生態(tài)源地相互作用強度矩陣

4 昆明呈貢新區(qū)生境網(wǎng)絡體系優(yōu)化策略

4.1 增設踏腳石

踏腳石是距離較長或阻力較高的生態(tài)廊道中生物的短暫休息區(qū)域，能提高生物遷移過程的存活率以及生境網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。踏腳石通常選取廊道中阻力值較小或廊道間的交叉點區(qū)域，也可選取橋接區(qū)作為重要銜接點。本研究根據(jù)呈貢新區(qū)內(nèi)生態(tài)源地和生境網(wǎng)絡的分布以及實際生態(tài)環(huán)境條件，選出25個踏腳石節(jié)點作為提升斑塊有效連接性的關鍵點(圖3)，有助于緩解中西部區(qū)域重要生境斑塊間連接性差的問題。由于大部分踏腳石所在斑塊的景觀要素主要以林地和草地為主，應對其進行保護和修復，并加強斑塊與周圍林地統(tǒng)籌治理，將生境斑塊連小成大。

4.2 修復斷裂點

人為的交通建設對物種遷徙有較大的阻礙作用，交通網(wǎng)絡與生態(tài)廊道相交處會對生態(tài)網(wǎng)絡產(chǎn)生切割，形成生態(tài)斷裂點，造成斑塊的阻隔。高速、鐵路等大型交通運輸?shù)缆穱乐刈璧K了廊道內(nèi)物種的正常交流，生物遷移時易造成車輛撞擊的傷亡情況[18]。因此，本研究結合交通路網(wǎng)，根據(jù)斷裂點影響程度，分別提取主要生態(tài)斷裂點24個及次要生態(tài)斷裂點11個(圖3)。主要生態(tài)斷裂點多集中分布于呈貢新區(qū)北部，應著重注意對斷裂點處生態(tài)環(huán)境的建設，加強綠地修復，可適當增設廊道，為物種遷徙提供良好的生物通道。

圖3 呈貢新區(qū)生境網(wǎng)絡空間體系優(yōu)化

4.3 構建生物多樣性內(nèi)外生境網(wǎng)絡

生境網(wǎng)絡是一個完整的、開放的系統(tǒng)。加強研究區(qū)域內(nèi)外的交流互通，有助于提高生態(tài)系統(tǒng)連通性和穩(wěn)定性，有利于生物多樣性保護。研究基于MSPA遴選出呈貢新區(qū)周邊的官渡區(qū)、宜良縣、晉寧縣與澄江縣4個區(qū)域的重要生態(tài)源地，并與呈貢新區(qū)內(nèi)部生態(tài)源地關聯(lián)，基于MCR模型構建內(nèi)外聯(lián)系的生態(tài)廊道網(wǎng)絡。如圖4所示，呈貢新區(qū)內(nèi)邊緣生態(tài)源地與周邊區(qū)域生態(tài)源地有較好的連接性，能夠為物種內(nèi)外遷徙交流提供保障。研究選取呈貢新區(qū)周邊6個高連接度的大型生境斑塊，提取30條有利于物種擴張的生態(tài)廊道，分布較均勻，東北-西南方向為主要廊道連接紐帶。

圖4 呈貢新區(qū)及周邊生態(tài)網(wǎng)絡

4.4 保護區(qū)域農(nóng)田生物多樣性

農(nóng)田具有一定的生物多樣性保護價值，但易被忽視[19]。與以往研究不同，本研究模擬將耕地加入MSPA分析前景要素，將農(nóng)田與自然要素有機結合，構建呈貢新區(qū)農(nóng)田影響下的生物多樣性保護生境網(wǎng)絡(圖5)。將耕地加入MSPA分析前景要素后，核心區(qū)面積為264.81 km2，占研究區(qū)總面積的59.29%，比此前增加了19.3%，核心區(qū)面積有顯著擴大；對生物生存形成邊緣效應的邊緣區(qū)面積為24.72 km2，在研究區(qū)面積占比中同比下降了2.09%，對此前核心區(qū)生境減少與物種分散問題有所改善。由圖5可知，呈貢新區(qū)東部形成了高完整度與高連通性的生境源地，與只以自然要素為前景要素相比，生境廊道網(wǎng)絡分布趨于簡化，主要集中在呈貢新區(qū)中西部建成區(qū)域，貫穿其南北方向，形成了東林田、西滇池的生物保護格局。農(nóng)田在物種交換過程中起到積極作用，為生物遷徙提供食物與棲息的保障，彌補了區(qū)域生態(tài)破碎化與低連通性的不足，具有生物多樣性保護的重要意義和可行性。

圖5 呈貢新區(qū)農(nóng)田影響下的生境網(wǎng)絡

5 討論

生境網(wǎng)絡的構建，為生物遷徙交流和能量交換提供可能，是區(qū)域生物多樣性保護的關鍵。MSPA與MCR結合的量化研究方法為源地識別、廊道提取、網(wǎng)絡構建等提供了科學依據(jù)，被廣泛應用于不同尺度生態(tài)網(wǎng)絡及綠色基礎設施網(wǎng)絡構建與規(guī)劃中[20-21]。本研究結果表明，此方法在以生物多樣性保護為最終目的的生境網(wǎng)絡構建方面也有廣闊的應用前景。農(nóng)田生境具有較高的鳥類等生物多樣性[22]，但目前缺少其在生境網(wǎng)絡構建中的相關研究。本文充分考量農(nóng)田對生物多樣性保護的重要作用，模擬農(nóng)田作為MSPA前景要素，提出將農(nóng)田加入?yún)^(qū)域生境網(wǎng)絡構建的可行性，凸顯其生物多樣性保護的功能。

基于生境網(wǎng)絡在生物多樣性保護中的重要作用，生境網(wǎng)絡構建及其優(yōu)化日益受到學者重視，成為學界新興熱點，如汪潔瓊等[23]基于水鳥棲息地保育構建及優(yōu)化城市濱水生境網(wǎng)絡。吳未等[24]打破行政界線，基于跨區(qū)域視角優(yōu)化蘇錫常地區(qū)白鷺生境網(wǎng)絡，成為該研究領域的亮點和創(chuàng)新。本文采取此思路下的不同研究視角，突破以往研究將研究區(qū)域孤島化的弊病，注重研究區(qū)內(nèi)外生境網(wǎng)絡的連接，強調(diào)生物多樣性保護的整體性理念，促進物種融合交流，實現(xiàn)自然系統(tǒng)整體規(guī)劃的思路與途徑。

6 結論

MSPA的核心區(qū)面積占比最高，具有良好的生物生境條件和生態(tài)潛力；廊道緩沖帶中林地與草地是物種擴散過程的優(yōu)勢景觀類型，有利于廊道的可達性；重要斑塊與廊道主要分布于呈貢新區(qū)東部與南部，豐富的林地、草地資源為物種提供良好的棲息地與緩沖帶。增設“踏腳石”、修復斷裂點、構建生物多樣性內(nèi)外生境網(wǎng)絡、保護區(qū)域農(nóng)田生物多樣性等針對性優(yōu)化對策，可完善區(qū)域網(wǎng)絡的連接，有助于區(qū)域生物多樣性保護，也為相關部門在規(guī)劃決策方面提供依據(jù)。