基于MSPA-连接度-空间句法的生态保护空间及优先级识别——以苏锡常地区为例

成文青,陶 宇,2,吴 未,2,欧维新,2,*

1 南京农业大学土地管理学院,南京 210095 2 农村土地利用与整治国家地方联合工程研究中心,南京 210095

快速城市化导致城市生态保护空间(Ecological Protect Area,EPA)急剧减少,EPA之间的连接度降低,给物种生存带来严重威胁[1- 3]。对EPA进行有效地识别,以提高EPA之间的连接度,已成为保护物种多样性研究的重要内容[4- 7]。现有研究中,生态保护空间优先级识别方法有：(1)景观连接度指数法[8- 10],依据指数高低识别EPA优先级；(2)生态系统服务评估方法,利用Guidos Toolbox[11- 14],Zonation[15- 17],Marxan[18- 21]等软件对不同的生态要素(如碳排放量、水土保持量、气候变化情况等)进行综合分析,划分EPA的优先级。然而,传统方法大多基于EPA对物种迁移决策的影响是等权重的原则,但物种实际迁移时,EPA对物种决策的影响是非等权重的[22- 24],因此一些专家和学者也尝试和探索新的方法如空间句法等,来弥补这方面的不足。

空间句法能对人类活动与其所处环境之间的关系进行量化分析,被广泛用于优化城市空间配置的研究[25- 27]。因此部分专家和学者将其应用到景观生态学中,通过探索动物活动与其所处景观要素之间关系,优化景观布局。如杨天翔等[28]通过空间句法反映不同景观元素对物种决策的非等权重影响,研究鸟类边缘种行为的景观连接度；同时他们还探索了空间句法在生态网络功能连接度研究方面的优越性[29]；此外Wei等[30]通过结合景观连接度和空间句法对浦口地区城市绿色基础设施进行了优先级识别。这表明空间句法在EPA优先级识别上的潜力。

本文拟在结合景观生态学中MSPA方法、景观连接度识别EPA优先级的基础上,引入空间句法,试图发现基于景观连接度的EPA优先级识别方法在引入空间句法后有何改进,以期为生态空间保护和EPA优先级识别提供新的思路和方法。

1 研究区概况

苏锡常地区地处119°08′—121°15′E,30°46′—32°04′N之间,位于长江三角洲腹心地带,是长三角地区的一个重要组成部分。自21世纪以来,苏锡常地区经济和城市化快速发展与扩张,引致区域EPA面积急剧下降,严重威胁区域生态环境、生物多样性保护。如何协调城市经济社会发展与生态空间保护的关系,已经成为苏锡常地区亟需解决的问题之一。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究采用2015年苏锡常土地利用数据,并根据研究目标和区域实际情况将地类划分为水田、旱地、园地、乔木林地、灌木林地、草地、城乡建设用地、交通用地、滩涂沼泽、湖泊水库、河流、沟渠/运河和其他未利用地等13种类型。

2.2 研究方法

2.2.1基于MSPA的EPA识别

形态空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)能够识别目标像元集与结构要素之间的空间拓扑关系,并将目标像元集分为核心、斑块、孔隙、边缘、桥接、环道和支线 7 种类型[31],被广泛用于EPA的识别及EPA网络研究当中[14,31- 32]。本研究在进行MSPA分析时,将乔木林地、灌木林地归并为林地,将滩涂沼泽、湖泊水库、河流、沟渠/运河归并为水域,两者均作为前景地类,其他地类设置为背景地类,利用Guidos Toolbox软件平台对苏锡常地区进行分析,识别出其核心区,并据此明确重要EPA的空间分布。

2.2.2基于景观连接度的EPA优先级识别

在MSPA识别出的7种景观类型中,核心区作为最重要的组成部分,可作为多种生态过程的“源”,对生物多样性保护具有重要意义。因此本研究选择核心区采用基于景观连接度方法进行优先级识别。由于核心区中存在如太湖、滆湖、阳澄湖、长江支流等面积较大的水域,对连接度方法的优先级识别结果会产生较大影响,为了降低这种影响,我们将水域和林地分别进行优先级识别。

景观连接度是EPA优先级识别的重要方法之一,包含了结构连接度和功能连接度[33- 35]。本研究采用景观功能连接度中的整体连通性指数(Integral Index of Connectivity,IIC)、可能连通性指数(Probability of Connectivity,PC)和相对重要性指数dI来综合评判EPA优先级。白鹭作为苏锡常地区的优势物种,已被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》[36],因此在指数计算时,以白鹭为参考,将斑块连通的距离阈值设定为白鹭的最大迁移距离10 km,连通的概率设定为0.5,通过Conerfor Sensinode 2.2计算指数,根据dIIC和dPC指数归一化结果,划定EPA优先级。归一化方法如下：

dI=0.5×dIIC+0.5×dPC

2.2.3EPA网络构建

对EPA进行单独保护容易造成“孤岛化保护”的现象,不利于物种长期生存[37- 38]。因此本研究通过构建EPA网络增强EPA优先级识别的有效性。此外,由于传统EPA优先级识别结果中优先级排序前十的EPA被认为对生态保护具有重要作用,考虑到研究区域面积较大,本研究分别将连接度方法识别结果中排序前二十的林地和水域EPA作为网络“源地”。同时,以白鹭在景观之间的迁移阻力为参考[39],通过最小成本路径法分别构建林地和水域网络,并将两个网络进行叠加,剔除冗余廊道,构建区域EPA网络。

2.2.4基于空间句法的EPA优先级识别

轴线图构建是空间句法研究的基础。在构建轴线图时,我们以廊道的拐点作为断点,将一条廊道切分成多条廊道,并假设划分后的廊道是一条直线,将这些直线作为轴线,构成轴线图。此外,我们将两条轴线的交点处的EPA作为踏脚石,并对其优先级进行识别。

在指数选择时,引入空间句法中的整体集合度(Global integration)、连接值(Connect)、选择度(Choice)、以及可达性I(Accessibility,表示一个节点同时作为目标和通过路径的综合潜力,是对整体集合度和选择度的归一化)指数,其中,可达性I的计算公式如下：

式中,i表示轴线编号。其他指数含义及计算方法见文献[40-41],具体计算通过Depthmap完成。

通过对上述指数计算结果进行分析,制定标准(表1、表2)分别对“源地”EPA、踏脚石EPA和廊道EPA的优先级进行识别。

表1 “源地”EPA、踏脚石EPA优先级识别标准

EPA：生态保护空间 Ecological protect area;I：可达性 Accessibility

表2 廊道EPA优先级识别标准

3 结果与分析

3.1 基于MSPA方法的EPA识别结果

由图1、表3可见,基于MSPA方法识别出的苏锡常地区EPA总面积为579868.92 hm2,占苏锡常地区总面积的32.94%,说明苏锡常地区生态基础良好。其中,核心区面积为463673.13 hm2,分别占EPA总面积和研究区总面积的79.96%、26.34%,是EPA的主要类型；桥接区和支线作为连接核心区的重要景观,其面积分别为7629.50、21582.23 hm2,占EPA总面积的比例均低于3.8%,且在研究区总面积中的占比均不足1.3%,说明生态核心区彼此之间较为独立；边缘区作为核心区与外围非绿色景观区域之间的过渡区域,其面积占EPA总面积和研究区总面积的比例分别为12.02%、3.69%,可减少外界环境及人为干扰带来的冲击；环岛、孤岛和孔隙则占EPA总面积的比例分别为0.28%、2%、0.69%,占研究区总面积的比例分别为0.09%、0.66%和0.23%。

图1 基于MSPA的景观类型图Fig.1 Landscape type that based on MSPAMSPA: 形态空间格局分析Morphological spatial pattern analysis

表3 基于MSPA的EPA面积及百分比

3.2 基于连接度的EPA优先级识别结果

3.2.1“源地”EPA优先级识别及分布

由图2可以看出,在苏锡常地区“源地”EPA中,林地主要分布在苏锡常地区西南部,且分布较为密集；水域中包括太湖(编号21)、长江(编号22)、滆湖(编号23)、阳澄湖(编号24)、长荡湖(编号25)等大型湖泊,则分布较为均匀。在“源地”EPA优先级识别结果中,林地(表4)和水域(表5)中都存在一个dI极高的EPA,林地中优先级第一的是位于无锡地区最南部的大型自然文化遗产保护区(编号1),其dI值为81.80；水域中优先级第一的是编号21的太湖,dI值为93.52；其次是长江、滆湖、阳澄湖、长荡湖等大型湖泊,说明大型EPA对于苏锡常地区生物多样性保护具有重要意义。

图2 林地和水域“源地”分布图Fig.2 Distribution of woodland and waterbody

表4 林地优先级识别结果

3.2.2潜在EPA网络构建

由图3能够看出,林地网络主要作用于苏锡常地区西南部,编号16的EPA位于区域最西部,与其他区域距离较远,不利于西部区域生物的迁移和保护。水域网络相较于林地网络更为复杂,分布也较为均匀,能够较好的连通区域内部的物种迁移和物质能量的交流。将林地网络和水域网络进行叠加去除冗余廊道,形成最终的苏锡常区域EPA网络,并以此为基础构建网络轴线图。

3.3 基于连接度-空间句法EPA优先级识别结果

在EPA轴线网络中,同一轴线的整体集合度(图4、图5)和连接值(图4、图5)存在正相关关系,即整体集合度大的轴线连接值也大。选择度与前两者存在一定差异,部分轴线虽然集合度和连接值较高,但选择度较低,说明在生物迁移的过程中,相应EPA虽然与其他EPA联系程度较高[42],但是被选择的次数较低,更不易被物种感知并选择。如编号109的轴线,整体集合度为1.8,连接值为5,但选择度仅为4。根据网络可达性I发现,I值较高的轴线大多集中在太湖(编号21)区域,以及无锡南部编号1和2的林地区域,说明这3个区域在EPA网络中的可达性最高,是EPA网络的中心区域,具有较高的生态价值,对整个区域的生态保护具有重要意义。而长江(编号22)、常州西部编号为16的林地区域所连接的轴线其各个指数值都较低,说明这两个EPA的面积虽然较大,连接度优先级识别结果较高,但不易被物种感知,被选择的次数较低,相较于其他EPA更不利于物种迁移。

表5 水域优先级识别结果

图3 潜在EPA网络图Fig.3 Potential network in Su-Xi-Chang region

图4 基于空间句法的轴线优先级指数空间分布图Fig.4 Axial map and priority indices based on space syntax

图5 基于空间句法的轴线优先级指数值分布图Fig.5 Value of each axial based on space syntax

3.4 EPA识别结果分析

由图6和表6可以看出,EPA网络中一级EPA和四级EPA主要分布在苏锡常地区南部和西部,数量分别排第二和第一；二级EPA主要分布在苏锡常地区中部,距离建设用地较近；三级EPA数量最少,主要分布在苏锡常地区东部的苏州；四级EPA的数量最多。

图6 EPA网络要素优先级识别结果Fig.6 Priority evaluate result of EPA network elements

综合连接度和空间句法两种方法的EPA优先级识别结果(表6)可知,苏锡常地区一级EPA全部由“源地”组成,其数量最少,但面积最大,占整个地区EPA面积的73.10%,是EPA网络最主要的组成部分；二级EPA和三级EPA在整个EPA网络中面积占比较低,但优先级却较高；而四级EPA虽然面积占比高,优先级却较低。同时通过对比发现,编号4,5,7,8,9,22,28,29的EPA在连接度优先级识别结果中排序较高,但结合空间句法后优先级降为四级,编号10,30,38的EPA通过在连接度优先级识别结果中排序较低,但结合空间句法后优先级升为二级,而编号37的EPA优先级升为为三级。说明相较于景观连接度对EPA等权重的计算原则,空间句法能够体现EPA对物种决策的非等权重影响[28],进而导致识别结果的差异,是对景观连接度研究方法的有效补充。

4 结论与讨论

本研究通过MSPA方法对苏锡常地区EPA进行初步识别,在采用传统的连接度方法对EPA优先级进行识别的基础上,引入拓扑学中的空间句法,通过量化物种与EPA配置之间的关系,实现EPA非等权重原则下的优先级识别。结果表明：1)苏锡常地区EPA主要由面积较大的斑块组成,其中太湖和编号为1、2的EPA可达性较高,是研究区域生态保护空间网络的中心,需要重点加以保护；2)引入空间句法的优先级识别与基于景观连接度的优先级识别的结果存在明显差异,在引入空间句法后优先级降低1—2个等级；后者优先级较低的4个EPA的优先级则上升了2个等级。这是因为连接度理论是基于景观对物种决策行为影响的等权重原则进行识别,但在实际的物种迁移过程中,景观对物种感知和移动行为在不同距离和方向上的影响是非等权重的[28],而空间句法则弥补了这一不足。同时,3)本研究通过在轴线的相交处设立踏脚石,并对踏脚石EPA的优先级别进行识别,能够完善EPA网络整体连接度,增强物种在廊道中迁移时对EPA要素的感知,为EPA网络优化和保护提供有效参考。综上所述,通过结合连接度和空间句法识别出的EPA优先级相较于单一的连接度方法更为科学准确,提升了其现实指导价值。

空间句法为EPA优先级识别方法提供了有益的补充,但其研究结果受到轴线图构建结果的影响较大,且在相关研究中多以“最长最少”的原则进行轴线图构建,主观性较强,如何构建客观准确且具有明确生态学含义的轴线图等研究还有待深化。此外,在计算句法指数过程中,拓扑步数的选择也会对各个指数的值也会产生影响,相关研究中多将人类的空间感知拓扑步数设置为3,即人类最多能够感知到3条街道以内的空间,或默认拓扑步数为n,即人类能够感知空间内的所有街道,而如何准确的设置物种的空间感知拓扑步数也有待探索。

表6 EPA面积属性表

空间句法自被提出以来已被广泛用于城市、村落空间配置分析,城市轨道交通、人文景观设计和优化、以及广场空间改造和室内空间设计等诸多方面,其核心思想是通过轴线模型量化研究人类活动与环境要素配置的关系[27]。在假设其同样适用于研究“景观-物种”关系的前提下,部分专家和学者探索如何将其用于量化研究景观要素配置与物种迁移行为之间的关系,并据此对生物多样性和EPA进行保护[28-30]。这在一定程度上表明,空间句法有助于深化对景观连接度、“格局-过程关系”等景观生态学理论方法的理解和认识。将其应用到区域EPA优先级识别实践中,将有利于提高生态保护效率,对生物多样性保护和地区生态安全具有重要现实意义。