基于MSPA与MCR的生态网络构建与优化

王贝, 刘纯青. 基于MSPA与MCR的生态网络构建与优化——以吉安市吉州区为例[J]. 环境保护科学, 2021, 47(5): 37-43. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.05.007
引用本文: 王贝, 刘纯青. 基于MSPA与MCR的生态网络构建与优化——以吉安市吉州区为例[J]. 环境保护科学, 2021, 47(5): 37-43. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.05.007
WANG Bei, LIU Chunqing. Construction and optimization of ecological network based on MSPA and MCR —— Taking Jizhou District of Ji'an City as an example[J]. Environmental Protection Science, 2021, 47(5): 37-43. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.05.007
Citation: WANG Bei, LIU Chunqing. Construction and optimization of ecological network based on MSPA and MCR —— Taking Jizhou District of Ji'an City as an example[J]. Environmental Protection Science, 2021, 47(5): 37-43. doi: 10.16803/j.cnki.issn.1004-6216.2021.05.007

基于MSPA与MCR的生态网络构建与优化

——以吉安市吉州区为例
    作者简介: 王 贝(1995-),女,硕士。研究方向:风景园林历史理论与遗产保护。E-mail:1044998491@qq.com
    通讯作者: 刘纯青(1974-),女,教授、博导。研究方向:风景园林历史理论与遗产保护。E-mail: 515189191@qq.com
  • 基金项目:
    国家自然科学基金项目(5196080626;3166030298);江西省高校人文社会科学研究项目(JC19118)
  • 中图分类号: X37

Construction and optimization of ecological network based on MSPA and MCR —— Taking Jizhou District of Ji'an City as an example

    Corresponding author: LIU Chunqing, 515189191@qq.com
  • 摘要: 由“生态源地−廊道−节点”构成的生态网络是改善景观破碎化、维持生态系统稳定性的有效策略。在景观连通性的基础上,综合运用形态学空间格局分析(MSPA)与最小累积阻力模型(MCR)方法进行生态网络的构建。以吉安市吉州区作为研究区域,构建生态网络,并结合生态资源现状优化绿地空间布局。研究提取出核心区面积127.24 km2,占自然景观总面积的46.15%;桥接区面积48.49 km2,占自然景观面积的17.59%;提取出38条一级生态廊道,23条二级生态廊道,主要分布在北部和西北部。研究还提出“一城、一心、两带、三段、多廊道、多节点”的结构优化体系,以保护西北和北部生态资源,控制重点区域的发展。研究结果试图为吉州区的生态系统保护提供一定参考。
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  • 图 1  土地利用分类

    图 2  基于 MSPA的景观要素分布

    图 3  21个生态源地

    图 4  生态阻力面

    图 5  生态廊道

    图 6  生态节点

    图 7  生态网络

    图 8  生态网络结构优化体系

    表 1  7种景观类型面积及占比

    类型面积/km2占自然景观
    百分比/%
    占研究区面积
    百分比/%
    核心区 Core127.2446.1530.16
    桥接区 Bridge48.4917.5911.49
    岛状斑块 Islet4.531.641.07
    边缘区 Edge55.2420.0413.09
    孔隙 Perforation9.213.342.18
    环道区 Loop12.504.532.96
    支线 Branch18.486.704.38
    背景 Background146.2534.66
    总计421.94100.00100.00
    类型面积/km2占自然景观
    百分比/%
    占研究区面积
    百分比/%
    核心区 Core127.2446.1530.16
    桥接区 Bridge48.4917.5911.49
    岛状斑块 Islet4.531.641.07
    边缘区 Edge55.2420.0413.09
    孔隙 Perforation9.213.342.18
    环道区 Loop12.504.532.96
    支线 Branch18.486.704.38
    背景 Background146.2534.66
    总计421.94100.00100.00
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    表 2  核心区景观连通性评价

    编号PCIIC
    16.1196136.306773
    222.3401224.81434
    317.8128720.39786
    433.4587728.05205
    533.1750625.54565
    67.038552.383746
    721.3798824.53392
    813.9956916.54152
    917.6159617.60981
    1016.6769517.33932
    1124.8034713.57563
    1217.2801817.36197
    1316.1113816.63465
    1422.8178822.09464
    1515.1141816.93667
    167.8164956.560798
    1715.038816.47921
    1814.3531210.87637
    197.9070676.541132
    2021.457418.79703
    216.6483765.620386
       注:PC,连通性指数;IIC,整体连通性指数。
    编号PCIIC
    16.1196136.306773
    222.3401224.81434
    317.8128720.39786
    433.4587728.05205
    533.1750625.54565
    67.038552.383746
    721.3798824.53392
    813.9956916.54152
    917.6159617.60981
    1016.6769517.33932
    1124.8034713.57563
    1217.2801817.36197
    1316.1113816.63465
    1422.8178822.09464
    1515.1141816.93667
    167.8164956.560798
    1715.038816.47921
    1814.3531210.87637
    197.9070676.541132
    2021.457418.79703
    216.6483765.620386
       注:PC,连通性指数;IIC,整体连通性指数。
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    表 3  阻力因子体系

    景观类型分级指标阻力系数权重景观类型分级指标阻力系数权重
    土地利用类型草地10.11与高速距离>2 000 10.11
    林地201500~200020
    耕地601000~150060
    水体80 500~100080
    建筑用地100<500100
    坡度 0~14.9510.21与公路距离>2000 10.09
    14.95~28.16201500~200020
    28.16~41.26601000~150060
    41.26~54.9080 500~100080
    54.90~78.12100<500100
    高程−13~49 10.25与水体距离>1500 10.06
    49~62201000~150020
    62~7560 500~100060
    75~9080100~50080
    90~157100<100100
    与铁路距离>2 00010.11植被覆盖率0.32~0.51 10.06
    1500~2000200.24~0.3220
    1000~1500600.16~0.2460
    500~1000800.05~0.1680
    <500100−0.18−(−0.05)100
    景观类型分级指标阻力系数权重景观类型分级指标阻力系数权重
    土地利用类型草地10.11与高速距离>2 000 10.11
    林地201500~200020
    耕地601000~150060
    水体80 500~100080
    建筑用地100<500100
    坡度 0~14.9510.21与公路距离>2000 10.09
    14.95~28.16201500~200020
    28.16~41.26601000~150060
    41.26~54.9080 500~100080
    54.90~78.12100<500100
    高程−13~49 10.25与水体距离>1500 10.06
    49~62201000~150020
    62~7560 500~100060
    75~9080100~50080
    90~157100<100100
    与铁路距离>2 00010.11植被覆盖率0.32~0.51 10.06
    1500~2000200.24~0.3220
    1000~1500600.16~0.2460
    500~1000800.05~0.1680
    <500100−0.18−(−0.05)100
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-20
  • 刊出日期:  2021-10-20

基于MSPA与MCR的生态网络构建与优化

    通讯作者: 刘纯青(1974-),女,教授、博导。研究方向:风景园林历史理论与遗产保护。E-mail: 515189191@qq.com
    作者简介: 王 贝(1995-),女,硕士。研究方向:风景园林历史理论与遗产保护。E-mail:1044998491@qq.com
  • 1. 江西农业大学园林与艺术学院,江西 南昌 330045
  • 2. 江西乡村文化发展研究中心,江西 南昌 330045
基金项目:
国家自然科学基金项目(5196080626;3166030298);江西省高校人文社会科学研究项目(JC19118)

摘要: 由“生态源地−廊道−节点”构成的生态网络是改善景观破碎化、维持生态系统稳定性的有效策略。在景观连通性的基础上,综合运用形态学空间格局分析(MSPA)与最小累积阻力模型(MCR)方法进行生态网络的构建。以吉安市吉州区作为研究区域,构建生态网络,并结合生态资源现状优化绿地空间布局。研究提取出核心区面积127.24 km2,占自然景观总面积的46.15%;桥接区面积48.49 km2,占自然景观面积的17.59%;提取出38条一级生态廊道,23条二级生态廊道,主要分布在北部和西北部。研究还提出“一城、一心、两带、三段、多廊道、多节点”的结构优化体系,以保护西北和北部生态资源,控制重点区域的发展。研究结果试图为吉州区的生态系统保护提供一定参考。

English Abstract

  • 城市化进程的加快导致城市生境斑块不断被侵蚀,景观破碎化加剧,生态系统的稳定性受到威胁。许多学者提出通过构建生态网络的方式来保护生物多样性,维持生态系统稳定。生态网络是由“生态源地−廊道−节点”构成的网络结构系统,起源于欧美的绿色廊道体系,立足于景观生态学理论,其稳定、高效的网络结构模式可促进内部物质能量流动,是生态系统修复与保护的重要手段。生态网络的构建也可为生态安全格局优化[1-2],生态红线划定[3-4]等提供一定参考;与生态系统服务[5]、国土空间规划[6]等理念的结合也赋予研究新的意义。总而言之,生态网络是国内生态与人居环境领域的研究热点之一,有着重要的研究价值。

    “源地识别−廊道构建−节点识别”是生态网络构建的常见步骤。以往直接通过面积、类型等识别生态源地的方法通常忽略了斑块的连通性等特征;而基于景观连通性的形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,简称MSPA)可以弥补其缺陷。MSPA是Vogt结合Soille的数学形态学算法提出的图像处理方法[7]。该方法仅依据土地利用二值图,即可得到景观结构清晰的七种景观类型,是生态源地识别的重要手段。生态廊道是生态网络构建的核心,基于MCR(Minimal Cumulative Resistance,简称MCR)模型与重力模型的结合,可以构建生态阻力面,提取重要生态廊道,是目前应用最为广泛的方法。诸多学者结合MSPA与MCR方法,针对省域[8]、市域[9]、湿地[10]和矿区[11]等区域进行了生态网络的构建与优化,但是在中小型城区尺度上的相关研究较少;而中小型城区作为居民生活集散的中心,生态系统受到的冲击较大,因此,在中小型城区构建生态网络,维护生态系统稳定的相关研究显得尤为重要。

    吉安市吉州区近几年正进行着高速的经济发展,矿业与工业带来的经济收益与日俱增,与此同时,生态系统遭受的冲击也在不断增加。依据《吉州区土地利用总体规划 (2006−2020年)修改方案》[12]《吉安市矿山地质环境恢复和综合治理规划(2019−2025年)》[13]中所公示的情况,吉州区山体、水体受到矿业影响较大,耕地、林地面积不断减少,生态问题不容乐观。因此,本研究将基于“生态源地−廊道−节点”的基本框架,构建吉州区生态网络,并整合区内自然生态资源,优化绿地空间布局,研究结果试图为吉州区生态系统保护提供一定的参考意见。

    • 吉安市吉州区,古称庐陵,位于27°1′48′′~27°17′24′′N,114°48′~115°6′36′′E。总面积约425 km2,建成区面积约43.5 km2。属亚热带季风气候。主要河流有禾水、赣江、富水等,其中,赣江流经南部地区1镇6街。整体地势较为平坦,主要山体有骡子山、真君山和天华山等,海拔高度在80~150 m不等。

    • 本研究采用的主要数据有:2018年4月Landsat 8OLI数据;吉州区30 mDEM数据;吉州区水系、道路等基础地理信息数据。首先,基于Envi5.31,将Landsat影像进行预处理;然后,基于监督分类与目视解译等方法,将吉州区土地分为林地、草地、水体、耕地、建设用地及其他用地6类,获得栅格大小为30 m×30 m的土地利用分类,见图1

    • 首先,基于研究区的监督分类图,提取出林地、草地、水体作为前景,建筑用地、耕地、其他用地作为背景,导出Tiff格式的二值栅格图,进入Guidos Toolbox。MSPA方法存在明显的尺度效应,阈值不同,识别的结果也不一致[14]。例如,阈值过大,面积较小的要素会消失或归为其他要素下,小的核心区也会被归为孤岛,等。因此,综合考虑研究区的面积、数据、尺度效应等影响,将阈值设为30 m×30 m,运行MSPA分析后,得到包括核心区在内的七类景观,见图2表1

    • 景观连通性是可以定量描述景观之间相互连接和延续的一种测定指标,采用Conefor2.6进行运算,选用可能连通性指数(PC)、整体连通性指数(IIC)两个景观指数,见式(1~2)。阈值的设定会影响2个指数的大小,当阈值小于2核心区之间的距离时,会被认为2斑块之间不连通[15];因此,综合研究区的大小、核心区之间的连通等,将连通阈值设为1500,连通性概率设为0.5,进行运算,见表2,最后,选用PC>5.0,IIC>5.0的21个核心区作为生态源地,见图3

      式(1~2)中,n为核心区总数量;aiaj为核心区ij的贡献值(本研究中指面积);nlijij之间的连接数量;Pij*是物种在ij之间扩散的最大可能性。

    • MCR能够计算异质空间内对生物迁移和物种扩散产生的阻力,由荷兰生态学家KNAPPEN et al所提出[16],通过ArcGIS工具实现,目前正被广泛应用于生态廊道的构建。MCR的公式见(3)。

      式(3)中,MCR为从源地j扩散到空间某点的最小累积阻力;f为反映MCR与变量(Dij$ \times $ Ri)之间正比关系的函数;Dij为目标单位从源地j扩散到空间某点穿过源地i的距离;R是景观表面i对景观流向某个方向扩散的阻力。

      首先,在借鉴以往研究经验的基础上[17-18],对不同的景观类型赋予阻力系数与权重,见表3,运用层次分析法(AHP)构建阻力因子体系。其次,在ArcGIS中的Spatial Analysis工具条下,构建研究区的生态阻力面,见图4。最后,结合上一个步骤中识别的生态源地,共生成最小成本路径210条。

    • 重力模型是用于计算源与目标间相互作用力大小的方法,从而提取重要的生态廊道。基于重力模型对提取的210条最小成本路径计算相互作用力,提取出相互作用力>500的38条路径为一级廊道,250~500之间的23条路径为二级廊道 ,见图5。重力模型,见式(4)。

      式(4)中,Gab是生态源地ab之间的相互作用力,Na、Nb是两源地的权重值,Daba、b两源地间潜在廊道阻力的标准化值,Pa为源地a阻力值,Sa是源地a的面积,Lab是源地a、b之间廊道的累积阻力值,Lmax是所有廊道累积阻力的最大值。

    • 生态节点也称“踏脚石( Stepping Stone)”,是生态源地之间联系的踏板,其特性、布局等对生态网络的稳定有重要的意义,一般处于生态廊道的重要转折处、廊道之间的交点处,以及廊道与景观阻力较大的区域交界处[19-20]。本研究将一级生态廊道与一级生态廊道、二级生态廊道、阻力较大区域边界的交点以及一级生态廊道的重要转折点识别为一级生态节点;二级生态廊道与二级生态廊道、阻力较大区域边界的交点以及二级生态廊道的重要转折点识别为二级生态节点,见图6

      生态断裂点是指生态廊道与高速、铁路等大型道路的交叉点,对生态廊道建设存在较大的阻碍,物种的迁移、扩散也受到影响[21]。实际上,道路、建设用地都严重影响生态系统内部的能量流动,需科学的规划与引导,从而避免生态系统受到较大影响[22]。建议在生态廊道的实际建设过程中,利用特殊的处理方式解决生态断裂点问题,例如天桥、隧道等,既维持交通系统的完善,也能保障生态系统内部正常的物质能量流动。

    • 研究区核心区面积约为127.24 km2,占自然景观总面积的46.15%,占研究区总面积的30.16%。核心区分布较为均匀,但大面积的核心区主要集中于西北部与北部地区,主要特征为山体及水体较多,建设用地较少;南部为主城区,核心区分布较少。桥接区作为连接核心区的“桥梁”,是景观格局中的重要区域。桥接区面积为48.49 km2, 占自然景观总面积的17.59%,占研究区总面积的11.49%。分布较为均匀,但在主城区位置分布较少;以上结果说明核心区与桥接区的分布与人类活动范围有一定关联,在进行城市建设时,应优先考虑核心区与桥接区的保护,从而维持城区内生态系统的稳定性,更好的发挥生态系统的服务功能。

      岛状斑块是孤立的景观斑块,主要分布于主城区,总面积最少。边缘区是核心区外部与非绿色景观区域的过渡地带,具有明显的边缘效应,对核心区的保护有着重要作用,其面积占自然景观总分面积的20.04%,在城市建设过程中,应尽量增设边缘区面积,保护核心区的稳定性。相对的,孔隙是核心区内部与非绿色景观的过渡地带,孔隙越大,代表了核心区内部遭受认为干扰的程度越大,孔隙区主要分布于村庄、道路、建成区附近,以裸露地、矿山矿区为主,面积占自然景观总面积的3.34%;应适当控制村庄与建成区的扩张,修复受损的裸露山体,避免核心区成为孤岛。环道区是核心区内部的廊道,对核心区内部的能量流动有着重要意义,其面积约占自然景观总面积的4.53%。支线是廊道的中断,具有一定的连接作用,面积约占自然景观总面积的6.70%。

      总体而言,研究区的核心区与桥接区等重要区域在北部分布较多,孔隙、岛状斑块等在主城区分布较为集中,表明了研究区的景观格局特征与人类活动呈现较为密切的关系。

    • 生态源地的面积与连通性存在正相关现象,面积越大,其连通性相对越高,与外界的物质能量交流越频繁,越适合生物活动与栖息。生态源地在北部与西北部面积较大,以林地、山体居多;而靠近主城区的生态源地面积较小,这说明人为干扰对源地面积与连通性会造成较大影响。

      对识别的21个生态源地进行分类,可分为3类:第一类,以官溪水库、麻下水库等水体为主的水域型生态源地,针对此类生态源地,应以保护为主,对水域周围的开发活动进行严格的控制,并辅以绿化建设,增加边缘区面积;第二类,以白竹山、茅山等山体为主的山体型生态源地,山体的植被覆盖率较高,对物种的迁徙、栖息等活动有着重要意义,对此类型生态源地应以保护与修复为主。对于孔隙区较大、遭受人为破坏较高的山体,应对人为开发活动进行适当的控制;第三类,以草地、林地等为主的生态源地,此类型生态源地应以恢复与丰富为主,通过划定生态恢复控制线,使草地、林地自然恢复;并通过乡土植物的种植,丰富植物群落,增加生态系统稳定性。

    • 将生态源地、廊道与节点进行叠加,可以得到吉州区的生态网络体系,见图7

      一级生态廊道与节点主要分布于中部,二级生态廊道与节点分布较为分散,以西北部居多。中部以下塘水库及周边区域为主,景观阻力较小,适合生物栖息与物质能量流动,应予以严格的保护,重视生态断裂点的处理。西北部以山体与林地为主,植物覆盖率较高,应划分生态保育区与人为活动区,避免人为干扰对森林的破坏,并适当增加生态廊道。

    • 分析《吉泰城镇群规划(2016—2030)》[23]《吉安市吉泰走廊区域生态保护实施细则》[24]等规划文件,可以看出吉州区现有的生态空间保护规划存在的一些问题。

      (1)吉州区生态环境保护规划以赣江沿线区域为主,对西北部的山体资源保护较为欠缺。

      (2)规划将包括吉州区工业园在内的吉州主城区作为吉泰走廊的中心,是经济发展的重要依托,在此背景下,城区的扩张速度也在逐年增加。

      因此,结合吉州区生态资源布局,提出“一城、一心、两带、三片、多廊道、多节点”的生态网络优化结构体系,见图8。一城为吉州区主城区,基于其建筑密度与城市建设需求,整体应以庐陵文化生态公园、真君山森林公园等核心区保护为主,并通过小型公园、绿道等的建设增加城区内的景观连通性;适当控制建设开发行为,利用主城区周边的核心区与边缘区等景观要素构筑绿化屏障,科学控制主城区的无序蔓延。

      一心为中部生态节点密集区,包括中岐山水库及周边山体、下塘水库及周边山体等,此区域应以保护为主,严格控制建设开发行为,从而保障吉州区整体区域的生态网络稳定性。两带分别为南部赣江流域带以及西北部山脉带;针对赣江岸线开展生态修复与保护,保障水体对城区的生态服务功能;西北部山体起到生态屏障作用,应及时修复矿区矿山等裸露山体,控制大面积砍伐。三片分别为吉州区东部山体片区、江背水库周边片区、钓源古村周边片区。此三个片区生态断裂点较少,生态节点与廊道较为集中,且景观资源丰富,应科学划分人为活动区域与生态保护区域,避免人为活动对生境的破坏;并适当增设生态廊道与核心区。

      多廊道为构建的一、二级生态廊道,以山体为主的生态廊道应加强山体的生态修复与保育;以水体为主的生态廊道应注重水体驳岸线的生态治理等工作;以道路为主的生态廊道应完善道路绿带,并重视生态断裂点的建设。依据前文中最小成本路径生成情况,可将相互作用力小于500,但位置特殊的路径,通过减少生态阻力等方式规划拟构建廊道,从而将吉州区西北部的山体与赣江流域串联成网络,为物种提供稳定高效的流动途径,增强吉州区内的生态系统稳定性。

      多节点为识别的一、二级生态节点,以水库及周边山体为主;生态节点作为生物流动的“踏脚石”,其促进生物流动、维护生态系统稳定的作用尤为显著,应严格保护,并适当增加与其他核心区之间连通的廊道,增强生态网络的整体稳定性。

    • (1)通过MSPA识别研究区域内的核心区、桥接区、岛状斑块等7种景观要素,分析了研究区的景观格局。该方法基于图谱理论,与景观连通性指数的结合,是生态源地识别的有效手段。

      (2) 基于景观连通性分析,选取了可能连通性与整体连通性两个重要指数,定量表征了生境斑块之间的连通程度;以往通过面积、类型等综合识别生态源地的方法,其结果较为主观,忽视了斑块面积较小但连通性较好的情况;通过连通性指数与面积结合的手段,可以更为客观的选取生态源地。

      (3)吉州区的西北部与中部生态资源更优质,生态廊道与节点较为集中;南部以主城区为主,生态资源较少,生态廊道与节点少且分散。基于吉州区现有的生态空间规划文件,有针对性地对吉州区生态网络提出优化意见,与传统的规划方式相比,基于生态网络的方式更遵循生态优先的原则,对吉州区的生态系统保护更有实质性的效果。

    • 生态网络的功能实质上是“生态源地-廊道-节点”的功能,其分布、位置与大小都会对其功能产生影响。在生态网络优化的过程中,应结合研究区域生态资源现状,科学合理布局,才能高效发挥其作用。

      但是,在利用MCR进行阻力因子体系的构建时,由于目前并没有权威或统一的标准,因此,阻力系数与权重分配存在一定主观性,希望在未来的研究中有更科学的构建方法。

    参考文献 (24)

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