基于多源数据的城市生境网络规划方法研究与实践

2018-11-09张东旭程洁心邹涛程玺悦

风景园林 2018年8期

张东旭程洁心邹涛程玺悦

城市绿色空间的生态系统服务功能众多，其中生物多样性保护是一项容易受到忽视的重要基本功能。尤其在中国华东沿海地区，城市往往与重要候鸟迁徙通道相重叠，现代化的都市生活与濒危物种的活动之间的冲突比人们普遍理解的状况更为严重。生态文明建设导向下，城镇发展建设需要切实平衡人与自然的空间发展矛盾。因而，建设一个体系更健康、结构更合理、功能更完善的城市绿色空间体系，通过生境网络的规划和建设，构建更为良好的城市生物多样性保护格局是一个重要课题。然而，既有的方法存在诸如调查研究不便、数据覆盖不全、难以得到有效空间结论等问题，而应用多源数据分析和判断物种潜在栖息地条件，科学支撑生境网络的规划，确有其显著优势。

1 生境网络规划的发展

生境网络的概念起源于20世纪80年代。随着景观生态学蓬勃发展，岛屿生物地理学和复合种群理论被广泛引入景观生态学的研究[1]。一些学者意识到，需要从景观尺度上考虑种群动态变化，并开展了大量研究工作。研究表明，生境网络在保障不同生境间物种交流和能量交换、降低生境破碎化影响、支持物种长期存活等方面具有重要意义[2]。基于此，以生境网络建设和优化为主要内容的生境网络规划应运而生。

生境网络规划在国外发展较早，经过多年研究与实践，基本形成4种方法，包括物种导向的生境网络规划、多功能型生境网络规划、以生态保护要求约束土地使用以及构建人工廊道支持物种运动迁移[1]。

中国生境网络规划的研究起步较晚，相关研究尚不多见，目前大致分为3个方向。1）基于生境网络思想进行城市绿色空间和生态格局规划。相关研究有，吕晓芳等基于生境网络思想构建大连旅顺口西部临港新城绿色空间体系[3]、谭瑛基于生境网络打造蚌埠市山水城市生态格局模式[4]。2）基于特定物种类群，进行生境网络规划和生境营造。相关研究有，赵振斌通过多尺度结合，进行西安浐河湿地水鸟生境保护规划[5]、黄越以北京市为例进行城市绿地鸟类生境规划与营造的研究[6]。3）分析生境网络时空变化成因以及保护、优化策略。相关研究有，吴未等在2015—2018年间以白鹭为例，分析了土地利用变化、建设用地扩张对苏锡常地区白鹭生境网络的影响，并从廊道构建方法比较、新增生境节点成本——收益分析等角度提出了生境网络优化方法[7-10]。

上述研究在生境网络规划研究方法和技术手段上有重要指导意义，但学科背景主要分布在风景园林、景观规划、自然地理、土地管理等方向。以生物生态行为构建参数模型，进行生境识别，进而构建生境网络的规划研究并不常见。该类研究较为典型的是吴未在进行白鹭生境识别时，提出构建生境斑块约束条件模型[10]。模型中考虑了自然地理因素、生物因素和人为干扰因素等对湿地鸟类生境形成的影响。该模型在理论层面较为完整，但受数据影响，实际运用过程中有所简化。

本研究认为，多源数据的运用，可以部分地弥补数据问题带来的不足，从而可以提出一种基于多源数据的城市生境网络规划方法。

2 研究方法与数据采集

2.1 研究方法

基于多源数据的城市生境网络规划方法，是对传统基于目标物种研究进行生境网络规划方法的改进与提升。该方法具体包括4个方面工作任务。1）选取对特定生态类群生境选择具有代表性的目标物种，根据目标物种生态行为研究，构建目标物种潜在生境分析指标体系。2）运用多源数据进行目标物种生境选择。3）构建生境网络规划。生境网络规划的构成要素包括生境源地体系、生境廊道体系、踏脚石体系（图1）。4）结果校验。

2.2 数据采集

本研究采用的数据为多源数据。多源数据包括国土调查数据、林业调查数据、遥感影像数据、POI和手机信令数据、公众观鸟大数据等。国土调查数据和林业数据由研究区域所属管辖区的国土部门和林业部门提供；遥感数据可由专业数据公司购得；POI、手机信令数据、观鸟大数据可从互联网获取或从专业机构购买。

3 研究内容

研究内容分为4个部分。1）目标物种选择与生境选择指标体系构建，具体分为目标物种选择和潜在生境分析指标体系构建；2）生境斑块识别，包括自然条件下潜在生境斑块的选择，和自然与人类活动双重干扰下潜在生境选择；3）生境网络规划，具体包括生境源地体系构建、生境廊道体系构建、踏脚石体系构建；4）分析结果的校验。

3.1 目标物种选择与潜在栖息地分析指标体系构建

3.1.1 目标物种选择

随着城市化进程加快，城市中建设用地逐渐蚕食山体、湿地等自然生境，其中湿地与城市发展的矛盾最为突出。本研究选择了湿地生物多样性的显性指标——水禽作为研究对象，进行城市湿地生境网络规划。

目标物种选择需遵循两项原则：1）目标物种对人类活动保有中高敏感度（图2），2）目标物种对于特定生态类群的物种生境选择具有一定代表性。

基于高度敏感物种进行研究，如丹顶鹤（Grus japonensis）、东方白鹳（Ciconia boyciana），可以指导规划保留物种核心保护区域；基于中度敏感物种进行研究，如白鹭（Egretta garzetta）、苍鹭（Ardea cinerea），有助于指导规划保护和利用人类与野生动物的共享空间；基于低敏感物种进行研究，如麻雀（Passer domesticus）、白头鹎（Pycnonotus sinensis），可以指导规划改善城市人居环境，但对于物种保护层面意义有限。另外，可参考文化价值、景观美学价值等进行选择。

综合考虑以上因素，本研究确定以白鹭为目标物种，进行生境网络规划。白鹭常与苍鹭、夜鹭（Nycticorax nycticorax）、大白鹭（Egretta alba）、中白鹭（E. intermedia）、白琵鹭（Platalea leucorodia）等涉禽混居，其生境选择对于湿地生境具有一定代表性。白鹭属于中高敏感度物种，既常出现于人类活动的空间，又与人类保持一定距离。而且，学术界关于白鹭生态行为的研究较多，有利于筛选生境选择指标。

3.1.2 潜在生境分析指标体系构建

1 技术路线图Technical roadmap

2 不同敏感程度物种空间分布示意图Schematic diagram of spatial distribution of species with different sensitivity

对选定的目标物种进行生态行为研究，通过文献查阅，总结出影响目标物种生境选择的主要因素。研究表明，距离因子、植被因子是研究白鹭生境选择的主要因素[11]。以此为基础，建立包括距离影响因子、植被影响因子两大项，距水面距离、距觅食地距离、距人工干扰距离、植被覆盖度、优势树种、巢树高度、巢树胸径等15小项在内的潜在生境分析指标体系（表1）。

3.2 潜在生境斑块识别

3.2.1 自然条件下潜在生境识别

首先，在ArcGIS平台上，对收集到的林业调查数据进行整理。将所有属性完全一致的小斑融合成一个要素后，利用拆分工具将该要素拆分成单独的要素，该过程可使相互连接的同类小斑聚集在一起。然后，依据指标体系（表1）中列出的植被指标和林业调查数据中的具体属性，分别筛选出符合栖息地和觅食地植被因子要求的林地斑块。之后，依据除人工干扰以外的距离因子和土地利用数据，对白鹭潜在生境进行二次筛选，得出自然条件下白鹭潜在生境分布。

3.2.2 自然与人类活动双重影响下的潜在生境识别

首先，根据POI数据或手机信令数据，分析出城市中人类活动情况，与土地利用数据中的人工干扰要素，如道路、建设用地、村庄、设施农用地等进行叠加分析，结合指标体系（表1）中的人工干扰因素形成人工干扰地图。然后，再与3.2.1中得出的自然条件下的潜在生境进行叠加分析。则在人工干扰范围外的区域为自然条件与人类活动双重影响下的白鹭潜在栖息地分布。

3.3 生境网络规划

被广泛认可的生境网络一般包括核心保护区、自然和半自然的生境斑块、具有连接作用的廊道以及跳板结构[1]。也有学者认为，生境网络是生境斑块与迁移廊道的结合[10]。本研究认为，生境网络中应包括生境源地体系、生境廊道体系和踏脚石体系，将这3个体系的结构和功能相互连通，从而形成生境网络。

生境保护网络与研究的尺度密切相关，本研究主要针对宏、中观尺度，而涉及踏脚石层面的生境设计为微观层面的具体内容。

3.3.1 生境源地体系

生境源地体系包括3部分。除了通过前文所述方法识别出的潜在生境外，还包括已确定为湿地生物多样性保护功能的区域，如湿地保护区、珍稀物种保护区以及大型河流湖泊等。

表1 目标物种潜在生境分析指标Tab. 1 Index of potential habitat of target species

3.3.2 生境廊道体系

仍以选定的目标物种为研究对象，根据土地利用情况和人为干扰程度对白鹭在研究区域迁移难易程度，建立迁移阻力系数表[12]（表2）。基于ArcGIS平台以及最小阻力模型，计算各生境源地间的生态廊道。参考计算结果，在与实际用地及各类现有规划充分对接、调整后，形成可实际建设的廊道体系。

3.3.3 踏脚石体系

以各生境源地为中心，依据白鹭飞行半径框选出可达区，与城市生态空间进行叠加分析，识别出生境断裂点，增设踏脚石，形成研究区域内的踏脚石体系。

基于生境断裂点布设的踏脚石，实际用地情况并不能立即确定，如现状用地可能为农田、建设用地等。应结合城市用地的规划意向或腾退、更新计划，提出踏脚石建设设想。踏脚石的建设，需要满足目标物种停歇或筑巢需求，

也可增加人类游憩空间的功能（图3）。

3.3.4 结果校验

通过专家咨询、观鸟大数据比对以及实地考察进行潜在栖息地位置的校验。以普通单筒观鸟镜观测距离为参考，在潜在生境2km范围内划定为鸟类可见区。在此区域出现白鹭观测记录，则视该斑块确为白鹭的潜在生境。若在此范围无白鹭观察记录，则应通过专家咨询和现场考察，再次验证。若可以确定该区域有白鹭出现，则亦可视为白鹭栖息地，反之视为非潜在栖息地。

表2 目标物种迁移阻力系数表Tab. 2 Migration resistance coefficient of target species

3 生境营造概念图Habitat creation concept map

4 方法应用

4 蚌埠市生境网络规划Habitat betwork planning of Bengbu City

本研究通过蚌埠市生境网络规划案例，详细介绍基于多源数据的城市生境网络规划方法在实际工作中的应用过程。

4.1 项目背景

蚌埠市位于安徽省北部，总面积5 952km2，淮河主流穿城而过，地理气候独特，生态资源良好。随着长三角城市群加速发展，蚌埠市的人与自然矛盾日益凸显。生境的破坏和消失，极大地威胁着当地的生物栖息地环境。在蚌埠市的发展过程中，城市中的湿地生境受损尤为严重，本项目以白鹭为目标物种，规划构建具有湿地生境保护功能的生境网络（图4）。

4.2 生境网络规划

4.2.1 生境源地体系

通过文献研究，得出蚌埠市白鹭潜在生境分析指标体系[11,13]（表3）。根据林业调查数据筛选出优势树种为枫杨（Pterocarga Stenopter)、桧树（Sabina Chinensis）等高大乔木、平均胸径≥13.5cm、高度在7～10m间、植被覆盖度≥0.5、郁闭度在0.6～0.9间、林带坡度≤0.2、林带长宽≥20m×100m或30m×50m、距明水面距离S1≤40m、距觅食地距离S2≤5 000m、距高干扰距离S3≥500m、距低干扰距离S4≥60m的林地斑块作为自然条件下白鹭潜在栖息生境（图5）；筛选出距河流、湖泊、水塘距离S5≤300m、距离栖息地S6≤2 000m、距离人工干扰S7≤60m的水田、河漫滩作为自然条件下白鹭潜在觅食地。

基于POI数据密度进行人类活动强度研究，结合指标体系（表3）中距离人工干扰指标，绘制人类活动干扰的空间分布图（图6）。将自然条件下的潜在生境与人类活动干扰进行叠加分析，最终得出蚌埠市白鹭潜在生境分布（图7）。

4.2.2 生境廊道体系

根据土地利用和人为干扰对白鹭空间迁移的阻力建立阻力系数表（表2），以此为基础，构建最小阻力计算模型的的阻力面，以生境源地为核心斑块，计算生态廊道（图8）。与《蚌埠市城市总体规划》《蚌埠市控制性详细规划》《蚌埠市绿地系统规划》以及蚌埠市生态建设工程等对接后，调整廊道走向，构建生境廊道体系（图9）。

4.2.3 踏脚石体系

依据白鹭飞行距离分析白鹭可达区域。尽管白鹭飞行距离较远，但研究表明白鹭倾向于在距离巢穴2 000m左右的区域内觅食[12]。以分析出的生境源地为中心，建立2 000m缓冲区，缓冲区范围内为白鹭可到达区域，缓冲区范围外则需增设踏脚石。踏脚石可沿生态廊道布设（图10）。

蚌埠市生境网络规划是《蚌埠市城市生态网络规划》重要组成部分之一。将生境网络规划纳入生态网络规划的编制，既有利于完善蚌埠城市生态系统，也可以提高生态空间的生态服务功能，同时还可以按规划界定的思路，对生境景观设计有所指导，从而也将有助于提升公众对城市中自然生境的保护意识。

5 结论与讨论

本文基于多源数据进行生境网络构建，一方面比传统生物多样性保护更节约时间成本，对于规划行业从业者也更具实操性，另一方面，也可进一步促进城市绿色空间形成全面网络化结构，提升整体生态效益。

表3 蚌埠市白鹭潜在生境分析指标体系Tab. 3 Indicators for potential habitat for egrets in Bengbu City

但就本文中论述的方法而言，仍存在一定改进空间。1）湿地仅是城市中高生态价值的空间之一，仅规划湿地生境网络还不足以满足城市整体生境保育需求，应同时考虑其他类型生境保护；2）根据规划场地实际情况选择有地方特色的目标物种存在一定难度，且目标物种在生物学界是否被广泛研究也将直接影响栖息地分析指标体系的制定；3）目前的公众观鸟数据以主观填报为主，存在一定空间局限性和显著误差的可能，在进行校验结果校验时，可能会出现误差。但随着多源数据获取成本的逐步降低和物种类群生境参数的逐步深化发展，本方法在研究城市生境格局和绿色空间布局方面的价值还将进一步提升。

构建生境网络是防范因生境破碎化导致城市生物多样性降低的重要途径之一。然而，城市的生物多样性本就不同于纯粹自然生态条件下的生物多样性，仅做到栖息地保护是远远不够的，仍需要对城市内生物多样性的构成和保护机制进行更深入的研究。