福建省南平市延平區生態網絡構建與優化研究

文／周文輝 福州大學建筑與城鄉規劃學院 碩士研究生

王亞軍 福州大學建筑與城鄉規劃學院 副教授 博 士（通訊作者）

引言

自黨的十八大以來，落實山水林田湖草生命共同體的理念，維護生態功能完整性，修復國土空間生態系統結構成為新時代建設社會主義生態文明建設的國家戰略，體現了黨中央對自然生態系統保護的高度重視。福建省的生態基底優越，森林覆蓋率達66.8%，作為生態屏障保障我國東南部區域生態安全，自2016 年起成為全國首個國家生態文明試驗區建設省[1]。南平市位于福建省北部山區，是省內生態資源最豐富的區域之一，且在區位上對閩江流域生態系統有著重要影響，是生態系統保護和修復工作的重點區域。但該區域經濟水平較為落后，城市發展與生態保護存在矛盾。在此背景下，亟須探索一種生態保護與經濟建設相協調的發展模式。生態網絡基于景觀生態學原理，借助廊道連接破碎化的生境，達到系統化和整體化修復自然系統的目標；有利于提高城市生態過程效率，有效控制城市蔓延，解決城市景觀破碎化、物種多樣性減少等問題，實現城市土地利用的良性發展[2]。本研究以南平市延平區為研究對象，通過形態學空間格局分析方法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）與景觀連通性分析提取核心斑塊；結合最小累積阻力模型（Minimal Cumulative Resistance Mode，MCR）識別潛在廊道，并通過重力模型（Gravity-model）評價識別結構性廊道，構建并優化延平區區域生態網絡體系。以期為延平區生態保護和城市建設提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

福建省南平市延平區（26°15′～26°52′N，117°50′～118°40′E）位于福建省中北部，地處武夷山脈、戴云山脈、鷲峰山脈三大關鍵生態屏障交匯的谷地最低處，地貌以山地丘陵為主，全區面積2659.7km2。是閩江上游建溪、沙溪、富屯溪三大支流的匯流之地，水資源十分豐富，河流年徑流量達97 億m3。區內土地類型以林地為主，森林覆蓋率高達73%，有“綠色金庫”“森林之窗，木甲全閩”之譽[3]。動植物多樣性豐富，設有茫蕩山自然保護區，有中國中亞熱帶地區大部分的植被類型以及國家II 級以上保護動物67 種[3,4]。但區內人口密度高，城市發展需求大，適宜建設用地較少，因此生態保護與經濟發展矛盾日益突出，大量生態空間遭到破壞，對區域生態安全造成了威脅[5]，亟須進行生態保護。

1.2 數據來源與處理

所用數據包括延平區行政區矢量數據、延平區2020 土地利用數據（來源于國家基礎地理信息中心，數據精度為30m，驗證總體精度為85.72%，Kappa 系數0.82，滿足數據使用需求）、延平區30m 精度DEM 數據（數據來源：地理空間數據云平臺）以及延平區道路網絡矢量數據（來源于OpenStreetMap 平臺）。根據研究需求對延平區土地利用數據進行預處理。延平區土地類型由大量林地、草地構成（圖1），耕地和建設用地一般沿河谷分布且較集中，水系因山地形勢沿溝谷分布，水系特征明顯。

2 研究方法

2.1 生態源地識別

（1）基于MSPA 模型景觀格局分析

現有的生態源地識別方法存在以結構識別為優先選擇和以生態功能識別兩種模式[6]。傳統的以生態功能或斑塊面積大小等生態源地的識別方法，存在一定主觀性并且忽略了景觀的結構性特征，能充分考慮景觀在空間上的聯系[7]。MSPA 能夠通過數學形態學的方法將景觀中對連通性有重要意義的斑塊和廊道等結構性要素識別出來。具有空間尺度兼容性高、景觀生態要素內涵更明確、數據需求小、可操作性高等優點[8-10]。

Guidos 分析軟件能夠對二值柵格進行MSPA分析，識別出研究區內的核心區、橋接區、環道、支線、孤島、邊緣區、穿孔、背景。將林地前景，其他利用類型作為背景，對延平區土地利用類型轉化為二值柵格圖進行MSPA 分析。將連接參數設置為八鄰域分析，邊緣寬度為60m，通過分析得到延平區景觀類型分布格局，并統計各景觀類型面積（表1、圖2）。

表1 景觀類型統計表（表格來源：作者自繪）

（2）核心斑塊選取

景觀連通性分析可作為生態源地識別的依據，其能夠定量反映斑塊之間物種擴散和生態過程的通暢程度[11]，選擇景觀連通性較高的斑塊作為生態網絡中的源地更具有科學性和合理性。本研究選擇整體連通性指數（IIC）與可能連通性指數（PC）對研究區內的核心區進行評價，在此基礎上用斑塊重要性指數（dPC）識別生態源地。其表達式如下：

（式中：n 指代總斑塊數量；a 指代斑塊面積；pij 指代斑塊i、j 之間全部路徑概率的乘積最大值；AL 指代研究區景觀總面積；PCremove 指代去除該斑塊外的PC。）

研究表明當生境斑塊大于10hm2時能夠為野生物種提供較好保護[12]，以面積大于10hm2的核心區為連通性評價對象。將面積達標的66 個核心區導入Conefor2.6，參考相關研究設置分析參數，將連通閾值設為500，連通概率為0.5[13]，計算PC、IIC、dPC。根據dPC 對核心區進行分級，0.5 ≤dPC 區域作為生態源地，0.1 ＜dPC ＜0.5為二級核心區，dPC ≤0.1 為三級核心區，共識別11 個斑塊作為生態源地（表2、圖3）。

表2 生態源地統計表（表格來源：作者自繪）

2.2 潛在廊道識別

（1）阻力面構建

廊道的定量識別是基于對物種擴散等生態過程的模擬。不同的景觀類型、地形地貌以及人類活動對物種活動或生態過程存在不同程度的阻礙作用，構建合理的阻力面能夠提高廊道識別的科學性[14,15]。參考相關研究[16,17]并從可操作性上考慮選取土地利用類型、高程、坡度以及交通影響作為阻力因子進行賦值。賦值范圍從1 ～100，賦值越大表示景觀類型對物種擴散的阻力越大，同時采取專家打分法確定阻力因子權重（表3）。根據賦值和權重結果疊加構建綜合景觀阻力面（圖4）。

表3 阻力因子賦值及權重表（表格來源：作者自繪）

（2）生態網絡構建

最小累積阻力模型（公式4）可以定量模擬研究區內物種支持物種遷移與擴散的最小阻力路徑，識別潛在生態廊道[18]。將11 個生態源地提取為中心點，結合綜合阻力面基于Arc GIS10.2 平臺計算成本距離，通過成本路徑分析識別潛在生態廊道（圖5），統計構成廊道的景觀類型（表4）。

（式中Dij指代生態源地j 與i 的距離；Ri指代源地i 對物種運動的阻力。）

2.3 關鍵廊道提取

重力模型的計算結果可以定量表示生態源地之間的聯系強度。源地之間的相互作用力越大則兩個斑塊聯系越緊密，連接兩個源地的廊道越重要，由此可以評價定量廊道的相對重要性[19]。根據重力模型公式（式5）計算結果構建生態源地相互作用力矩陣（表5），選擇相互作用力G 大于1.6 的斑塊之間的連接廊道作為關鍵廊道，其他為一般廊道（圖5）。

（式中，Gab指代源地之間的重力值，Na、Nb分指代源地a、b 的權重值，Dab指代兩源地間潛在廊道的標準化阻力值，Pa和Pb指代源地a、b 的阻力值，Sa和Sb指代源地a、b 面積，Lab指代源地a、b 之間廊道的累積阻力值，Lmax指代廊道累積阻力的最大值。）

3 結果分析

3.1 基于MSPA 景觀格局分析

分析結果表明延平區的生態質量較好，核心區是構成區內景觀的主要部分，總面積約193472.55hm2，占前景景觀的83.16%（圖2、表1）。在分布上，北部茫蕩鎮大部分地區以及城區西北部區域核心區完整性較好，形成大型連片斑塊。研究區中部，城區中部地區至夏道鎮、爐下鎮破碎化程度較高，大型斑塊較少，存在較多破碎斑塊。核心區圍繞延平主城區被閩江、富屯溪、建溪劃分為三大部分，分別位于研究區東北部、西北部以及南部集聚分布。主要由于延平區地形以山地丘陵為主，適宜城鎮建設的用地主要分布在河谷地區，因此建設用地主要分布在河流沿岸。橋接區面積約4223.88hm2，僅占生態用地面積的1.82%，表明生態源地之間聯系較少，生態過程在源地內部進行。邊緣區和穿孔能夠為核心區提供屏障，提高核心區穩定性，同時也容易受到人為活動的破壞[19]，分別占生態用地總面積的5.27%和4.29%。環島是支持核心區內部能量流動的通道占生態源地總面積的4.17%，說明核心區內部連通性較低[20]。支線占生態源地總面積0.99%，說明核心區與外部環境連接較少。孤島能為物種流動提供踏腳石，面積較小約713.88hm2，占生態源地總面積的0.31%分布較為分散。

3.2 景觀連通性評價

基于景觀連通性分析結果識別出研究區內面積大于10hm2且dPC 大于0.5 的11 塊生態源地，面積約179654.58hm2，占延平區土地總面積67.55%（表2、圖3）。其中，研究區西北以茫蕩鎮為主的區域、南部西芹鎮、塔前鎮為主的區域、北部以南山鎮、赤門鄉為主的區域景觀連通性最高且面積較大，能夠較好地為野生物種提供棲息環境。但三塊源地中，僅2 號源地內部完整性較高，由于建設活動主要集中于斑塊外部邊緣，斑塊具有較好的連續性。8 號、11 號源地內部村落和農業用地較多，存在一定破碎化風險。研究區中部城區至夏道鎮區域景觀破碎度較高但存在較小生態源地，主要由于城市建設開發強度較高所致。研究區東南部樟湖鎮所在區域斑塊連通性較低，未能識別出生態源地，主要由于在區域尺度下行政區域較為狹小且受到其他土地利用方式以及閩江分割導致。

3.3 廊道識別分析

根據延平區潛在生態廊道分析結果（圖5、表4），區內潛在廊道總面積4629.24hm2，占延平區總面積的1.74%。研究區內潛在廊道主要由林地、草地等生態用地構成，其中林地面積最大約4317.84hm2，占廊道面積比重為93.27%。其次為草地、耕地，比重分別為3.31%、2.44%。水體和建設用地較少，僅為0.72%和0.25%，說明區內現狀生態過程受城市建設干擾較小，今后生態保護和修復工作應該重點關注對現狀廊道的保護。

表4 潛在廊道用地結構表（表格來源：作者自繪）

基于重力模型評價結果選取連接斑塊引力大于1.5 的廊道作為關鍵廊道，其他廊道為一般廊道（表5），剔除重復廊道共獲得關鍵廊道14 條（圖5）。在分布上，關鍵廊道主要分布于研究區中部，部分分布于西北部，物種在二者間擴散所受的阻力最小，在開發中應該優先保護。但北部廊道與中部廊道之間缺乏關鍵廊道連接，未能形成全域的生態網絡。中部的關鍵廊道雖然形成網絡，但集中位于開發程度較高的城區、夏道鎮以及太平鎮區域，在開發建設中應通過設施構建對其進行保護。

表5 生態源地重力矩陣（表格來源：作者自繪）

4 生態網絡優化建議

4.1 優化生態源地

生態源地是景觀中的關鍵核心斑塊，為物種提供棲息地，同時作為物種在生態網絡遷徙和擴散中起重要作用的功能節點[21]。2 號生態源地是茫蕩山國家自然保護區所在區域、整體生態質量較好且內部生態資源豐富建議加強保護。8、11 號生態源地雖然生態質量較 好，但斑塊內部存在一定破碎化，需要加強內部連接，加強對生態源地連續性的保護。1、5、6、7 號生態源地面積較小且地處城鎮擴展邊緣區中，容易受到建設開發活動的干擾，建議加強對邊緣區的保護。研究區內生態源地主要分布于北部以及中部地區，東南部樟湖鎮鎮域內生態源地缺失，不利于區域的生態環境保護和全域的生態網絡構建。建議在重力模型分析結果中，選取鎮域內選取連通性最高的生境斑塊作為增補生態源地（圖6），新增生態源地位于樟湖鎮中部，面積4600.35hm2。

4.2 增補關鍵生態廊道

關鍵廊道構成的網絡主要分布于研究區中部，西北部2、4、6 號源地雖然存在三條關鍵廊道但與中部廊道缺少聯系，未能形成廊道網絡。同時，1 號生態源地以及東南部新增的12號生態源地與其他生態源地之間缺乏關鍵廊道聯系。建議綜合研究區實際情況以及重力模型分析結果選取相對作用力較大的源地廊道作為新增關鍵廊道，如圖新增三條關鍵廊道，連接北部與中部生態源地，同時基于12 號源地模擬識別兩條關鍵廊道連接南部與中部生態源地。優化后的延平區生態網絡呈現出三縱四橫的空間分布格局（圖6）。

4.3 增加關鍵廊道踏腳石

增加踏腳石有利于提高生態網絡的穩定性和物種在長距離遷移過程中的成功概率[22]。踏腳石的優化考慮兩方面因素，首先廊道交叉處是影響生態網絡連通性的關鍵區域應該作為優先對象[7]。較長的廊道其穩定性更容易由于外界干擾而降低，增加踏腳石能夠提高其穩定性[17]。如圖6 在關鍵廊道的交叉點以及較長的廊道中部新增踏腳石24 處以提高生態網絡連通性和穩定性。

4.4 修復生態斷裂點

交通網絡會對生態網絡造成分割，使道路與生態廊道相交區域形成生態斷裂點，嚴重影響生態網絡的效率[23]。在生態斷裂區域，尤其是高等級道路形成的斷裂點，容易發生動物與車輛之間的沖撞，造成動物死亡[21]。選擇國道、鐵路、高速公路網絡與生態網絡疊加，得到延平區潛在生態斷裂點29 處（圖6）。建議通過構建地下通道、天橋等措施對生態斷裂點進行修復，為野生動物遷徙提供通道。

結語

延平區是閩江上游重要的生態屏障，但近年來城市擴張迅速，城市發展與自然保護矛盾日益突出。本文基于MSPA 模型對延平區生態格局進行分析，并分析了研究區內生態源地的分布格局、面積和景觀連通性?；贛CR 模型和重力模型識別研究區內潛在廊道和關鍵廊道。結果表明：（1）延平區整體生態質量較好，生態源地面積較大且完整性較高是構成研究區景觀格局的核心景觀，但源地主要集中于中部、北部地區，東南部有所缺失，建議進行增補源地。（2）廊道網絡總體上呈現出三縱四橫的分布格局，廊道主要由林地等阻力較小的生態用地構成，占用建設用地較少，因此當前具有較高的完整性，在今后城市開發過程中應該要加強保護。（3）研究區內存在廊道較長的問題，建議新增踏腳石可提高生態廊道的穩定性以及物種遷徙過程中的存活率和通過率。

本研究還存在以下不足：（1）邊緣寬度設置要考慮研究區大小、形態及對保護對象的適宜性等多個方面。本研究將邊緣寬度設置為60m，缺少針對性，在今后的研究中需要結合實際情況進一步確定。（2）研究中將連通距離設置為500m，連通概率為0.5，但適宜的距離閾值選擇需要結合實際物種的擴散距離以及森林景觀連接度等因素。在今后的研究中需要結合區域物種實際擴散距離的需求進一步考慮。（3）踏腳石的選取，在生態網絡優化中，踏腳石斑塊的確定存在一定的主觀性，需要進一步通過定量化的方法提高科學性和可行性。