基于粒度反推法的昌江县景观格局优化

陈 怡，陆 禹

(国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014)

生态环境是人与自然共同作用的结果[1]，不同的景观斑块组成了异质的景观格局[2]。景观生态学认为，不同的景观类型对生态过程有不同的影响机制[3-4]，合理的景观格局是实现可持续发展的基础[5]。景观格局通过关键局部控制生态过程，从而促进区域协调可持续发展[6]。利用最小累积阻力(minimal cumulative resistance，简称MCR)模型[7-8]通过分析生态关键局部的空间结构[9-10]，进而构建生态网络，是实现景观格局优化的主要方法之一。目前对生态网络的研究集中在整体资源整合优化上[11]，对于组成元素的特征结构研究较少。优化的准确性基于生态源地选择的合理性，粒度反推法[8，12]从景观格局现状出发，反推最佳生态源地空间结构的思路具有启发意义，为科学选择生态源地提供了基础。同时生态节点对于提升生态结构和强化生态廊道有关键作用，是生态网络构建的重要组成内容，在优化中应加以重视。

昌江县生态旅游资源丰富，是海南西部旅游发展的中心，目前正以“山海黎乡大花园”为目标建设森林城市，生态环境质量对其发展至关重要[13]。在开展建设的同时不可避免对生态环境产生破坏，加之旅游人数的与日俱增，当地出现了水土流失、植被退化、局部环境质量低的现象[14]，如何取得经济社会和生态双赢是昌江县急需解决的关键问题。本研究采用空间网络分析、粒度反推法和主成分分析等方法对昌江县进行景观格局优化研究，旨在探索主要的生态结构，明确重要的生态节点，提出科学的优化措施，以促进昌江县生态和经济协调发展。

1 研究区概况

昌江县是海南省西部沿海县城， 108°38′—109°17E，18°53′—19°30′N，总面积161 952 hm2，北、东、南面分别与儋州市、白沙县、乐东县、东方市接壤，土地利用类型以耕地和林地为主，分别占总面积的26.19%和65.27%。西北部多为平原，东南部以丘陵为主，海拔由沿海向内陆抬升；热带季风气候，全年无冬，年均气温24℃，年均降雨量1 600 mm，昌化江自东南向西北沿南缘入海，水源充足，土地肥沃，具有发展热带高效农业的优良条件。

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

以昌江县2019年多规合一数据、林地变更数据、DEM数字高程模型，以及2018年遥感影像为研究基础，在大地2000坐标系中配准各类数据，将景观类型分为林地、园地、耕地、草地、水域、未利用地和建设用地7种类型[11-12，15]，通过实地调查校对调整景观类型数据。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局优化方法

基于MCR模型的景观格局优化通过构建生态网络实现，主要包括四个步骤：

1)生态源地的提取。生态源地由生态服务功能较高的景观类型组成[8，15]，本研究选择林地、水域和草地。利用粒度反推法和主成分分析法确定生态源地的空间位置，首先从分析的连续性出发，以50 m为间隔尺度，形成16个50～800 m不同研究尺度的昌江县生态景观组分结构；然后从整体性和连通性两方面选取组分数、最大组分斑块数、连接度、分离度、聚合度、邻接比率、平均临近距离、内聚力、连接度增加百分率等9个测定指标来分析景观组分结构，其中组分数用于判断生态源地的数量，其他指标判断景观组分结构的稳定性，利用主成分分析计算各景观组分结构的整体得分，确定最优景观组分结构；进而根据最优景观组分的空间位置选择相连或相隔很近的林地、水域、草地组成生态源地。

2)生态阻力面的构建。参考相关研究[10]，以景观类型的单位面积生态服务价值为标准，利用空间分析和地统计分析，从显性和隐性生态阻力两方面构建生态阻力面[10]，景观类型阻力值[8]参照见表1。同时以空间主成分分析法，基于显性和隐性生态阻力面构建综合生态阻力面，根据DEM计算坡度，对生态阻力值进行修正。

表1 景观类型的生态阻力值景观类型单位面积生态服务价值(元/hm2·a)生态阻力值林地19334.020园地12870.345耕地6114.355草地6406.570水域40676.41未利用地371.480建设用地-8852.1100

3)生态廊道的计算。利用MCR模型分析各生态源地之间的最小累积阻力路径，即为生态廊道的空间位置。

4)生态节点的确定。以修正后的生态阻力为高程模型，利用ArcGIS空间分析模块计算生态阻力的最大路径，与生态廊道的交叉点为生态节点。网络分析能基于空间拓扑关系、跨度以及网络内在联系[16]等进行空间状态分析，在充分考虑生态系统连接度和生态廊道空间位置的条件下，利用网络分析产生每个生态节点的服务范围，以得到生态节点的面积和形状。

2.2.2 粒度反推法

粒度反推法是基于反推思想，从规模方面利用不同尺度的栅格模拟生态系统中的景观类型，通过景观测定指标确定目标特征的最优空间结构，进而选取兴趣区域的一种方法[10]。其思想基于生态学，认为结构连接性良好、规模较大的生态系统更稳定。目前该方法主要应用在生态源地分析提取、自然保护地整合优化、动植物保护等方面。在生态源地提取中，粒度反推法利用不同尺度的栅格，反映生态系统主要组成结构的变化，从生态系统规模和稳定性的角度分析确定生态源地潜在位置，配合主成分分析等方法，实现生态源地的客观提取。

3 结果与分析

3.1 生态源地

提取昌江县的林地、水域和草地景观，生成50～800 m 16个不同粒度的景观组分结构，并在Fragstats中计算景观组分结构的景观格局指数，结果见表2。

先对测定指标进行标准化处理。分离度和平均临近距离与其他景观格局指数的指向结果相反，取相反数进行分析。以累积贡献率大于80%为标准，共提取2个主成分(表3)。主成分1中连接度、最大组分斑块数、聚合度、内聚力、邻接比率和平均临近距离荷载较高，反映了景观组分结构的集聚性，为集聚性指标；主成分2中连通性增加百分率和分离度指标荷载较高，反映了景观组分结构随粒度变化表现出的整体分离状态，为分离性指标。

利用荷载系数除以特征值的平方根，计算主成分的特征向量，其与标准化数据矩阵相乘得到主成分表达式：

Z1=0.350X1-0.384X2+0.245X3+0.446X4+

0.348X5-0.153X6+0.448X7-0.354X8

(1)

Z2=0.051X1+0.223X2+0.512X3-0.061X4+

0.431X5+0.687X6-0.054X7+0.148X8

(2)

将数据代入(1)式和(2)式，得到测定指标在主成分上的得分，与相应主成分的方差贡献率相乘计算各粒度的景观组分结构的整体连通性得分(图1)。粒度的增加逐渐简化生态系统的主要组成部分，面积较小的零星斑块逐渐融入较大组分或被剔除，增加了组分之间的距离，因此随粒度的增加景观组分的整体连通性得分呈现总体下降趋势。得分在下降的过程中存在趋势突然改变的情况，表明景观组分达到适宜的结构，即达到了生态系统的极简形态，又保留了必要的关键组成部分。昌江县的景观组分结构在600 m粒度时得分明显高于两侧粒度得分，说明该粒度的景观组分结构最优。

参照600 m粒度的景观组分结构，从景观格局现状提取生态景观斑块形成景观组分，并根据景观组分的空间连接特征确定生态斑块的增加位置，转换地类以形成生态源地。600 m粒度的景观组分结构存在组分数23，表明生态系统存在23个生态源地，其中9个在现状中为彼此相连的昌化江景观组分，合并形成1个生态源地，最终得到14个生态源地(图2)。根据景观组分的空间连接特征，共21块非生态景观斑块需转换成生态斑块，以保证生态源地的完整性和生态功能发挥，其中17个耕地斑块，面积12.90 hm2；未利用地斑块1个，面积0.04 hm2；建设用地斑块3个，面积1.65 hm2。

图2 生态源地空间分布

昌江县西北部和东南部的生态源地规模较大，中部规模较小，这与地形地貌基本吻合。中部平原居多，海拔在200 m以内，平坦的地形有利于农业发展，耕地分布范围大。耕地的经济效益较高，是粮食生产的安全保障，人为干扰强烈，该区域的生态斑块遭到耕地蚕食并在空间上被隔断，规模小、数量多，难以形成大规模的生态源地。昌江县东南部为霸王岭国家森林公园，中北部为保梅岭自然保护区，地形起伏大，用地开发受到限制，生态系统保持完好，森林景观相互连接，组成了最大的生态源地。昌江县西北沿海主要为低矮丘陵，海拔400 m左右，包括昌化林场和大面积的国有防护林、后备土地资源，植被以混交林、灌木林和桉树为主，多连接成片形成生态源地。

昌江县生态源地总面积为104 759.57 hm2，占陆地面积的64.69%，生态景观数量多，可作为海南西部的生态核心发挥生态服务功能。最大生态源地的面积为79 954.34 hm2，以天然混交林为主，生态服务功能价值高，应重点保护；最小生态源地的面积为162.44 hm2，位于老洋地村和唐村交界处，植被为橡胶林，生态源地的边缘较规整，说明受规划影响较深，人为干扰强烈。生态源地规模的差异反映出生态演替机制的不同，在生态建设中应差别对待。

3.2 生态阻力面

计算任意空间位置到生态源地的显性生态阻力和隐性生态阻力，利用空间主成分分析进行叠加，对比预测模型的拟合程度，选择J-Bessel模型进行模拟预测，形成综合生态阻力面，拟合优度为0.7642。利用坡度修正系数对综合生态阻力面进行修正(图3)。通过对比显性生态阻力和隐性生态阻力的差异局部，得出生态陷阱的位置，包括叉河镇的大阪田、乌烈镇的峨沟村、石碌镇的山竹沟村和牙营村、七叉镇的燕窝岭等，这些区域多为被耕地包围的林地或矿区，林地斑块面积小、破碎化程度高，难以维系自身生态系统的良性发展，是生态建设中需要重点建设但又容易被忽略的区域。

图3 阻力面的构建

3.3 生态廊道

昌江县有生态廊道32条(图4)，主要分布在中部平原地区，总长度51 644 m。中部的生态廊道较长，四周的较短，说明中部地区受人为干扰强烈，生态景观组分相隔较远。根据景观基质将生态廊道分为381段，其中：耕地生态廊道25 235 m、林地生态廊道19 476 m、水域生态廊道6 228 m、建设用地生态廊道614 m、园地生态廊道88 m。耕地生态廊道和林地生态廊道是将昌江县生态系统连接成整体的主体，分别占生态廊道长度的48.86%和37.71%，耕地是阻隔生态过程的主要因素。

耕地是农业生产的主要载体，农药化肥使用较多，耕地生态廊道的主要作用是防止农业污染影响生态过程，应加宽生态廊道的宽度，形成缓冲带，并以抗农药化肥污染强的植物进行建设。林地生态服务功能较高，与生态源地功能相似，应从林地的垂直和水平空间结构出发加强建设，提升生态稳定性。

图4 生态廊道和生态节点的空间分布

3.4 生态节点

昌江县有生态节点29个(图4)，其中11个位于林地、15个位于耕地、3个位于水域。从生态节点的布局来看，可将中部地区分为三条东西向带状区域，耕地生态节点位于北部和南部带状区域，林地和水域生态节点位于中部带状区域。为满足生产生活的需要，中部带状区域建有白马山水库等大面积水域，以及石碌河等河流流经区域，沿河分布有保平林场，林地和水域生态节点主要分布于此。

生态节点能有效提高生态系统的整体性和生态廊道的稳定性，采用粒度反推法分析存在生态节点时生态系统的连接度，进而确定生态节点的合适尺度(图5)，得到350 m粒度时景观组分连接度最强，可参考该尺度建设生态节点。

利用网络分析根据生态节点的合适尺度、空间位置、生态廊道的走势计算生态节点的规模和形状(图6)，共形成生态节点范围29个，总面积201.49 hm2，其中最大面积20.71hm2，最小面积5.21 hm2。

图5 连接度分析

图6 生态节点的空间形态

4 结论与建议

4.1 结论

1)利用粒度反推法和主成分分析，从整体连通性的角度计算得出600 m粒度的生态景观组分是昌江县的最优景观组分结构，昌江县有生态源地14个，中部地区数量多、规模小，东南部和西北沿海数量少、规模大，源地规模的差异反映出生态演替机制的不同。生态源地的分布特征与人为干扰存在明显的相关性，地形地貌是影响其空间分布的主要因素。昌江县需将21块非生态景观斑块转换为生态景观，总面积14.59 hm2，以连接生态景观组分形成生态源地。

2)结合显性和隐性生态阻力，及地形地貌构建了综合生态阻力面，显性和隐性生态阻力的差异指明了生态系统中存在的脆弱点，能有效指导生态建设。

3)昌江县有生态廊道32条，长度51 644 m，以耕地和林地生态廊道为主，不同基质的生态廊道功能和建设措施不同；有生态节点29个，空间位置主要受景观类型和人为干扰的影响。研究从生态系统连接度和生态廊道走势的角度，采用网络分析计算了生态节点的空间形态，既能提高生态系统的连接度，又能保护生态廊道的稳定性。昌江县生态节点的合适建设尺度为350 m，共形成29个生态节点区域，总面积201.49 hm2。

4.2 建议

1)昌江县生态源地在中部地区数量多、规模小，呈现破碎化，同时生态廊道和生态节点也集中在此区域，这与中部地区的农业发展建设息息相关。为实现区域协调可持续发展，在发展生产的同时应重视生态环境建设，着力加强中部区域生态源地的保护和管理，做好生态廊道和生态节点的建设，实施区别化空间管制，采取限制人类活动、设置缓冲带等措施保护生态网络。

2)根据生态阻力面显示的生态脆弱点，主要为叉河镇的大阪田、乌烈镇的峨沟村、石碌镇的山竹沟村和牙营村、七叉镇的燕窝岭等被耕地包围的林地或矿区，这些区域是生态系统中的生态陷阱，应加强生态建设防治生态退化。一是要加强该区域生态监测和管理，确保植被不退化、不遭到人为破坏；二是要降低周边区域人为干扰，通过生态建设扩大区域内生态景观斑块的规模；三是严格管理矿区生产，及时做好污染防范措施和实施生态恢复。

3)根据生态廊道和生态节点的类型进行生态网络建设，建设采取的方式与措施应和生态廊道、生态节点相适应。生态廊道中水域生态廊道和耕地生态廊道较多，水域生态廊道可结合美丽乡村做好生态建设，兼顾景观价值，促进昌江县全域旅游发展；耕地生态廊道周边应尽量减少农药、化肥的使用，降低污染风险。生态节点对强化生态系统意义重大，同时对区域协调发展价值明显，应切实做好规划，与城乡空间规划对接，在发挥生态节点生态保护价值的同时，将其规划成各类城市、乡村生态公园，发挥生态和社会效益。