基于MSPA与电路理论的广州市生态网络构建
时间：2023-03-02 20:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
林东挺 吴大放
（广州大学地理科学与遥感学院，广东 广州 510006）
生境之间的连接性降低了城镇的环境质量[1]。基于景观生态学原理构建生态网络空间，可以将城市高度破碎化的生态景观有效连接，增加区域景观连接度[2]，识别提取生态源地、生态廊道，将区域生态要素整合形成联动的网络格局，有利于维护区域生物多样性，维持生态系统功能平衡[3]。
生态网络构建的研究多以“斑块-基质-廊道”为研究范式，以景观生态学为基础，利用图论、拓扑学等方法识别提取生态源地[4]，廊道提取多以最小路径法、MCR模型等进行提取分析[5]，成果体系较为成熟，能够为后续研究提供较好的借鉴，但具有源地选择主观、廊道选择单一、无法识别重要生态连接节点等不足。电路理论是整合电子物理学以及随机游走理论对生态连接进行模拟的模型，能够提取具有宽度信息的生态廊道以及重要的连接点“夹点”“障碍点”等重要区域，有效弥补了其他方法模型在生态节点提取仅采用廊道相交点的不足，引入MSPA形态学空间分析方法对生态源地进行科学筛选，借助电路理论构建广州市生态网络空间，为广州市生态空间保护提供借鉴。
广州市位于中国南部、珠江流域下游、南部濒接南海，是广东省省会，省辖区地级市，别称“羊城”“花城”等。其地理范围在112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N之间，全域面积7 434.40 km²。北部与清远市、韶关市相连；
东部与惠州市相接；
南部与中山市、东莞市接壤；
西部与佛山市相接。辖区内统筹越秀区、荔湾区、海珠区、天河区、白云区、黄埔区、番禺区、花都区、南沙区、增城区、从化区等11区，截至2020年末，广州市常住人口约1 868万人，占全省总人口14.8%。广州市是海上丝绸之路起点之一，是“广佛都市圈”“珠江三角洲都市圈”“粤港澳大湾区”的核心城市，是中国对外开展经济贸易活动的“南大门”。
2.1 数据来源
研究区的DEM数据来自地理空间数据云平台ASTER GDEM 30 m分辨率数据；
土地利用数据来自国家基础地理信息中心Global Land30 2020年全球30 m土地利用覆盖数据。根据广州市行政边界矢量数据裁剪，依据实际情况，将空间分为建设用地、林地、水域、耕地、草地、裸地六类，最终获得广州市土地利用分类图。
2.2 研究方法
（1）基于MSPA的生态源地提取。
MSPA是应用形态学原理整合腐蚀、膨胀、开运算、闭运算等数学方法对二值栅格像元分类识别的处理方法[6]，可以基于空间结构的连通性对景观元素进行结构识别与类型区分。前景数据一般选取能提供优质生态系统服务的用地类型，如林地、草地或水域等[7]，基于研究区土地利用现状，参照近年研究区ESV的研究成果，文章选取林地作为前景数据。MSPA对景观尺度敏感，通过合理设置MSPA参数能够获得合理的生态过程解释，根据已有成果相关参数设置，将30 m×30 m研究区土地利用数据栅格化后转为二值影像，调用Guidos Toolbox软件，采用八邻域分析法，设置边缘宽度为2像素，取消选择Intext，其他保持默认，得出景观分类为核心区、边缘区、桥接区、支线、孔隙区、环道、岛状斑块等七种互不重叠的景观类型，快速分析广州市生态景观格局，提取像元层面内对景观连接具有重要作用的元素，筛选生境面积较大的斑块进行连通性分析，最终提取优质连通性的生态源地。
（2）景观连通性分析。
景观连通性反映景观对生态流的促进或抑制程度[8]，有效衡量生境斑块在景观中的连接重要性，有助于识别维持生态系统功能的生境载体。文章通过MSPA筛选出研究区具有重要生态意义的核心区，提取生境面积大于5 km²的斑块进行连通性分析。连接重要性评价对连接距离阈值较为敏感，当阈值设置过高时，所有斑块相互连接，与实际不符；
阈值过低时，中小型斑块对景观连接重要度无法体现。在参考相关研究文献的基础上，结合不同阈值的测试，最终设定连接阈值为2 500 m，连通概率为0.5，获得良好的实验效果。利用ArcGIS生成节点距离及重要性文件数据，调用Conefor 2.6对斑块的整体连通性（IIC）、可能连通性（PC）定量评价，提取具有较高连通重要性的生境斑块作为生态源地，考虑研究区南北林地分布差异过大，北部面积较大山地森林较为集中，南部面积较大的生境斑块较少，采取差异化选择标准，北部区域选取面积大于15 km²，且dIIC/dPC大于1.5，南部则选择面积大于2 km²的优质生境斑块，共同构成研究区的生态源地。
（3）阻力面的构建。
城市异质景观对生态过程具有不同程度的阻碍或促进作用。电路理论将物种迁徙、基因流动等生态过程视作电流，景观阻力视作电阻，数值结果反映物种迁徙所需要的能量耗费或死亡的风险；
电子在电路随机游走视作生物在景观运动过程，电子受到电阻的干扰，低电阻有利于移动通过，该区域获得较高的累计电流，电路连通良好；
参考已有研究的阻力设置，从地形、社会、人文因素角度出发，综合土地利用类型、高程与坡度三方面建立景观阻力面，导入ArcGIS生成区域电导面。阻力因子与电阻值如表1所示。
表1 阻力因子与电阻值
（4）生态廊道与生态节点的综合提取。
电路理论根据电子游走特征，提供多种电子游走计算方式评估生态过程的分散路径在景观中的表现。研究选用“Pairwise”成对模式对生态流通路径进行模拟进而提取生态廊道。使用Linkage Mapper工具迭代计算出每对节点上的累计电流，生成电流密度图，高值即为生态源地间易产生较高频生态活动的活跃区域，由于并联电路的存在使得廊道选择并不唯一，而是形成带有宽度信息的参考区域，弥补其他方法在廊道提取单一的局限性，基于加权成本距离提取最小成本路径生成生态廊道。利用Pinchpoint Mapper模块，设置廊道宽度为3 km，提取关键生态连接点——生态夹点，构建研究区域生态网络空间格局。
3.1 MSPA景观格局分析
MSPA景观分类统计如表2所示。
表2 MSPA景观分类统计
由表2可知，核心区面积为1 759.57 km²，占林地面积68.16%，七种景观类型中占比最高。集中分布于北部地区，结构上呈集聚连片状分布，彼此之间连通性较好，能够为生物栖息提供足够的空间；
受城市建设活动影响，南部是城区分布密集区，且核心区较为稀少，空间分布分散，连片性较弱，不利于物种栖息，但可以作为南北连线的生态廊道的“踏脚石”；
桥接区是连接核心斑块的廊道，面积131.12 km²，占林地面积5.08%，分布较为密集的区域有北部地区、西部地区以及中部地区，桥接区集中分布表明此处生境斑块正在裂化成更加细碎的组成部分，景观破碎化程度增加，需要严格观察管制；
孔隙区是核心斑块穿孔区域，面积79.76 km²，主要分布于北部森林地区以及中部核心区，具有此类景观元素的核心斑块内部穿孔严重，极易发生进一步破碎化；
边缘区与支线分别占14.69%和3.92%，多分布环绕核心区外围，与周围非自然环境连通，承担沟通外界的作用；
环道面积96.50 km²，是核心区内部的连接桥梁和栖息在此处生物进行内部迁徙觅食的通道；
岛状斑块是空间上互相孤立，连通性极低的自然小斑块，总面积34.25 km²，一般是破碎程度较高，受到人工干扰极大且分布在外围的小型生境斑块。
3.2 景观连通性分析
通过Conefor 2.6景观连通性计算可以提取连接贡献较高的生态斑块，重要生态源地景观连通性指数如表3所示。整体连通性dIIC与可能连通性dPC均处于高值的生态斑块能为生物提供充足的栖息地，同时也具备廊道连通功能，有利于物种迁徙以及基因流动。选取生态斑块面积大于15 km²且整体连接重要性指数dIIC与可能连接重要性指数dPC均大于1.5的生境斑块，为研究区重要的生态源地。由MSPA分析结果可以得出，研究区生态源地的分布并不均匀，南部核心区彼此之间连接性较低，且研究筛选连接重要性指数较高的生态源地均集中分布在北部核心连片区，共12处，编号为1～12；
南部缺少源地分布，这种布局结果影响了南北生态网络的连通性，不利于生态流在南北方向上的流通，基于连通度评价筛选出重要生态源地，同时在南部选取面积≥2 km²的林地，共7处，编号为13～19，作为整个区域物种迁移和生态流向南流动的“踏脚石”，共同构成研究区域生态源地19处，其中1～12编号为北部连片区重要生态源地，13～19编号为南部生物迁徙、临时栖息的生态源地。
表3 重要生态源地景观连通性指数
3.3 廊道提取与节点识别
基于生态电导阻力面，调用Circuitscape提取研究区生态廊道，如图1（a）所示，提取廊道37条，总长度达到508.6 km，可以看出研究区北部地区生态廊道密度明显高于南部地区，说明北部地区生态空间连接良好，生态信息流通较为通畅；
南部地区的生态网络较为稀疏，源地之间跨度增大，提高了生态流南北流通的难度，不利于区域生态系统能量和物质的交流，原因在于区域内具备发展成为生态源地的空间较少，需要加强南部片区的生态源地建设，为生态廊道提供更多的“踏板”，减轻区域生态信息流通的压力，增强区域生态网络连通性，提升区域生态环境质量。
在Pinchpoint Mapper中设置3 km为廊道宽度，获得（Pairwise）模式下累积电流密度图，提取生态廊道累积电流值较高的区域如图1（b）所示，此区域为生态流通频率较高的区域，即“生态夹点”，如果移除或破坏将影响整个生态景观的连通性，是需要重点保护的节点区域。将该类型的节点提取为重要生态节点，共提取20处“生态夹点”，在研究区中部至东部地区分布较为集中，此区域城市建设活动尤为活跃，人为因子干扰强烈，需要加大片区的生态节点保护力度，维护生态连通性。基于提取综合生态廊道与生态战略节点，构建出研究区生态网络空间格局，如图1（c）所示。
生态廊道与生态节点识别提取如图1所示。
图1 生态廊道与生态节点识别提取
文章结合MSPA空间分析方法与连通性分析对广州市生态源地进行识别提取，基于电流理论提取生态廊道与重要生态节点，旨在将研究区域具有重要生态功能的生境通过生态廊道和生态节点进行连接，构建连通的生态网络，增强生态系统物质、能量以及信息的流通，为区域生态保护建设提供参考，研究成果包括：
（1）文章使用MSPA与连通性评价对生态源地进行遴选分析，并结合研究区实际情况，客观得出区域重要生态价值的斑块，共识别生态源地19处，总面积420.38 km²，提取重要生态廊道37条，总长度508.6 km，重要生态夹点20处，提升了选取生态源地的客观性。
（2）结合广州市土地利用现状，综合高程、坡度等因子构建区域景观阻力体系，结果表明广州市北部生态网络连接性与生态源地数量处于较优水平，需要加强保护的生态节点集中分布于研究区中部，加强南部生态源地建设，以符合研究区现阶段发展情况。
（3）整合电流理论构建广州市生态网络结构，精准识别生态网络中关键廊道及关键节点，突出重要节点保护范围，增强生态网络系统在南部的分布密度及连接均衡性，为生态规划保护提供了科学依据。
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