基于最小阻力模型的汕头市自然保护地网络构建

张沐锋 ，陈 平 ，刘博文 ，苟登文 ，宫清华

（1.仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510225；2.广州地理研究所/广东省地理空间信息技术与应用公共实验室，广东 广州 510070；3.南方海洋科学与工程广东省实验室，广东 广州 511458）

【研究意义】自然保护区是宝贵的物种基因库［1］，随着城镇化的快速推进，自然保护地孤立的问题逐渐得到重视。促使各自然保护地之间生境的连接、确保物种间的交流与迁移，不仅有利于生物多样性的保护，还有利于促进相关生态过程。对于自然保护地的概念，世界自然保护联盟（IUCN）将其定义为“自然保护地是一个明确界定的地理空间，通过法律或其他有效方式获得认可、得到承诺和进行管理，以实现对自然及其所拥有的生态系统服务和文化价值的长期保护”［2］。19世纪美国的国家公园运动是自然保护地实践的最早起源，其标志性实践即为黄石国家公园的建立。【前人研究进展】过去30年，生物多样性的保护从仅针对孤立的保护区，逐渐发展为构建生态网络的方式。1986年Noss等［3］提出了“节点-网络-模块-走廊”的自然保护区规划模式，建议通过建立狭长走廊作为生物流通道，由保护区与建立的走廊形成区域的生态网络，进而加强物种间的生态活动。2010年徐卫华等［4］大熊猫自然保护区进行相关研究，通过网络构建加强分散保护区之间的连通性，提高物种内的繁殖与交流。2017年王原等［5］对宁夏沙坡头的鸟类保护区进行了深入研究，构建了该宁夏地区的鸟类生态安全格局，划定了该区域的重点保护地块与廊道、辐射道、战略点等。我国是世界上生物多样性最丰富的国家之一［6］，境内分布大量的珍稀渐危和特有物种，至今已建立自然保护地11 800多处，覆盖了陆域面积的18%、领海面积的4.6%，已建立九大类型自然保护区、共2 729个，其中森林生态系统类型的保护区数量最多有1 425个，占自然保护区总数的52%；其次为野生动物类型自然保护区共有520个；内陆湿地类型自然保护区378个，初步形成了自然保护区为主题、各类自然公园为补充的自然保护地体系格局［7］。但由于我国大部分区域自然保护地布局不均衡，以及城市无序开发、环境污染等因素都威胁着生物多样性及其生境，使栖息地破碎化严重的现象仍然存在［8］。【本研究切入点】大多数自然区域的保护对象为多物种，其生态源地的范围受多种因素影响，而现有研究普遍将原有的生态公益林等直接列为生态源地，忽视了水土、建设情况等影响。【拟解决的关键问题】本研究将INVEST模型与其他评价相结合，综合考虑各因子对汕头市生态源地划定的影响，在考虑近几年地形、生境状况、土地利用等自然社会因素基础上，构建生态环境评价指标体系，为生态源地划定更为合理范围；基于MCR模型构建自然保护地网络，为汕头市自然保护地的合理划定以及区域网络的保护提供有效指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

汕头市位于广东省东部、韩江三角洲南端，地处韩江、榕江和练江三江出海口，海岸湿地类型丰富多样，面积较为广泛。其中红树林湿地恢复良好，生物多样性高，水产养殖业发达，是我国三大候鸟迁徙路线涉及区之一，是国际候鸟区的重要迁徙歇脚点，对国际候鸟区系有重要生态学意义，此外汕头与周围市域共同维护莲花山等山脉的完整性，共同保护广东省自然保护地体系［9］。汕头市属于中国动物地理区划的华南区域，地形复杂，以丘陵、平原为主，气候炎热多雨，雨量丰富，植物生长茂盛，给珍稀物种提供了良好的生存环境，全市共有野生动物资源52目181科876种，其中主要重点保护野生动物有白尾海雕、短尾信天翁、白腹军舰鸟、穿山甲、黄唇鱼等，主要分布在大南山、小北山、桑浦山、莲花山等山脉及各类沼泽湿地、海域。本文以陆生野生动物为研究对象，即沼泽湿地与大面积的林地成为其主要的栖息地，而具有一定宽度的狭长型河流成为其主要的迁徙廊道。汕头市辖区内的林业系统自然保护区共4个，包括1个省级自然保护区，3个市级自然保护区（表1）。

表1 汕头市林业系统自然保护区建设现状Table 1 Construction status of natural reserves of forestry system in Shantou City

1.2 数据来源与处理

数据主要包括：（1）土地利用数据，来源于2019年全国第三次土地调查1.5版本，空间分辨率为30 m，作为研究区内评价因子。（2）汕头市DEM数据，来源于地理信息空间数据云GDEMDEM 30 M分辨率数字高程数据。（3）NDVI（归一化植被指数）数据，来源于Landsat8高清遥感地图（2018年3月），通过辐射定位以及大气校准，再利用ENVI计算获得，用于表达研究区内的植被的覆盖度。（4）土壤相关数据，采集时间为2018年5月。（5）汕头市环境质量状况公报：由汕头市环境局提供。（6）降雨数据，以各站点统计年降雨量为准，利用空间差值分析得出研究区域内降雨量分布图。（7）自然保护区数据来源于《全国自然保护区名录2015》。收集数据均通过GIS空间校正、投影转换等处理，统一采用了Transverse_Mercator空间投影和大地2000地理坐标系统。

1.3 研究方法

本研究采用MCR模型构建自然保护地网络的方法。其中，通过选取对物种活动影响较为密切的因子作为阻力因素，阻力值大小反映不同景观单元对生态流运动扩张不同程度的影响［10］。而生境质量评价主要基于INEST模型进行模拟，模块假定生境质量较好的地区具有较高的生物多样性，通过分析与人类活动相关的生态威胁因子对土地利用影响，进而对生境质量（Habitat Quality）进行总体评价。生境质量是生态环境提供给生物个体和种群生存所需要的环境水平，是一个连续变量，数值范围由低到高，生境质量越高的斑块生态结构和功能越稳定。人类对土地利用的方式和强度决定了生境质量的高低，土地利用强度越大，生境质量下降越明显［11-13］。

根据汕头区域自然环境特征和生物的多样性分布，结合社会活动影响，考虑评价指标的重要性和可获得性，最终确定通过生物多样性、生境质量、生态敏感性等指标划分生态源地，并从生态本底和生态胁迫两方面选取阻力因子作为生态约束条件建立阻力面，再基于MCR模型计算生态源地在约束条件下的潜在廊道。根据现有的汕头自然保护地体系，进行补充空缺区域、增设生态节点、完善自然保护地网络构建，达到提高生境栖息地质量、增强生物多样性保护的目的［14-19］。

（1）生态源地的划定。以生态环境因素为主，综合人类活动以及指标的重要性、系统性和可获得性等因素，选取生物多样性、生态敏感性、生态系统服务重要性、水源涵养、水土保持、生态保护等级、生境质量7项生态因子对汕头地区进行综合评价，并用自然断点法分为极重要区、重要区、一般重要区。其次利用层次分析法（AHP）确定各因子的权重，利用GIS叠加工具，对各因子层进行加权叠加。得到研究区域内的生态环境评价分布图。然后提取极重要区作为生态源地，以消除不规则且较小的优质生态环境斑块对区域网络构建产生影响。提取斑块面积大于20 km2作为汕头地区的生态源地［20］。生态源地的确定作为第一步也是最重要一步，不仅是生态过程的源头，也是被保护物种的主要栖息地，是生物进行生态活动的景观斑块［21］。

（2）阻力面的建立。自然环境特征的差异以及不同社会活动对源地的生态流动有不同影响，本文依据汕头现有生态环境条件选定了影响程度高的因子来构建阻力面［22］。将其分为生态本底与生态胁迫两个准则层，生态属性为坡度、NDVI、土地利用等指标，生态胁迫为至建成区距离、至道路距离、至距水体距离等指标。并设置不同梯度的阻力值，然后运用层次分析法（AHP）确定其权重，采用GIS栅格计算器工具进行权重叠加，得到汕头地区生态源地阻力面。

（3）自然保护地网络的构建。在划定生态源地和确定阻力面后，利用最小阻力模型（MCR）获取研究区域内的阻力面分布，按照自然断点法进行等级划分，将研究区分为高阻力、中等阻力和低阻力3个部分。最小累积阻力是指从生态源地经过不同阻力的景观所耗费的费用或者克服阻力所做的功，阻力面反映了生态流的蔓延趋势，Knaapen在分析景观斑块的隔离程度时提出模型［23］，即最小耗费距离模型的表达公式如下：

式中，MCR为最小累积阻力值，Dij为物种从源j到景观单元i的空间距离，Ri为景观单元i对某种运动的阻力系数。

计算连接不同生态源地之间最小耗费的距离，形成生态源地之间生态流运动的潜在路线，两源地之间阻力值之和最小形成的路线即为最小耗费路径［24］。生态节点为生物栖息保留了隐蔽空间，并用于加强区块的连接创造自然的生物多样空间，在该处应设置相应小的生态节点即森林公园或小型湿地等，用作动物迁徙的“中转站”。

2 结果与分析

2.1 汕头地区生态源地划定

根据上述生态源地划定方法，对研究区域进行生物多样性、生态敏感性、生态系统服务重要性、水源涵养重要性、水土保持重要性、生态保护等级、生境质量等进行评价（图1）。利用层次分析法确定各项单因子的权重（表2），并通过加权叠加得出最终的汕头生态源地图（图2）。

经综合评价将汕头生态源地划分为一般重要区、重要区、极重要区，提取极重要区、重要区作为源地，面积为61 567.97 hm2，占总面积的29.26%，主要集中分布在汕头地区中的大南山生态屏障、小北山生态屏障、桑浦山生态屏障、莲花山生态屏障、黄花山生态屏障、果老山生态屏障以及练江流域、韩江流域和牛田洋地区。参照原有汕头市划定的自然保护地分布进行补充空缺，得出汕头地区最终生态源地分布图（图3），总面积为74 499.23 hm2，占总面积的35.41%，增设的面积主要为濠江出海口生态敏感地带。

经研究划定的生态源地与原有《全国动物保护区名录》汕头地区一致，且与生物多样性分布的情况吻合，表明通过科学的划定生态源地，为实施生态管控提供了保护边界。从结果中发现生态源地的分布主要位于水源涵养重要区，主要是因为动物生长需要水源以及相应的植物作为食物。大部分生态源地分布在生境质量评价极重要区，主要是因为该区域的植被覆盖度较高，距离建成区较远，避免了人类捕杀，为野生动物提供了一个较为隐蔽的栖息地。分布在牛田洋湿地以及韩江流域的生态源地，主要是由于大面积的沼泽为候鸟提供了良好水源、食物，该区域主要保护对象为短尾信天翁、白腹军舰鸟等鸟类动物以及大面积的红树林。因此可以发现生态源地主要受自然基底以及人为环境影响，而自然基底主要是对保护物种能否提供相应适宜的栖息地环境，对于汕头地区的陆生物种穿山甲等，划定的生态源地有合适的水源以及大面积林地作为动物的生产活动，其次距离建成区的距离大于5 km，为物种栖息提供了适当的隐蔽环境。

2.2 汕头地区阻力面建立

依据上述阻力面建立方法，分为生态属性与生态胁迫两个准则层，确定各阻力因子的划分标准及对应的阻力值，并通过AHP层次分析法获得各阻力因子的权重分别为0.0741、0.1055、0.1604、0.1677、0.2408、0.2515（表 3、表 4），由此可知阻力因子指标中，影响生态廊道建立最主要的为NDVI以及土地利用，主要是因为狐狸、豺狼、黄猄等陆生动物偏向于植物覆盖度较高的区域迁徙，该区域主要为林地或狭长型的绿岛以及河流。在获得各项阻力因子等级分布图（图4）后，进行各项阻力因子的加权叠加获得生态源地扩张过程阻力面（图5）。

2.3 汕头地区自然保护地网络构建

图1 汕头地区各项评价因子等级分布Fig.1 Grade distribution of evaluation factors in Shantou area

表2 生态环境综合评价指标体系相关因子权重Table 2 Weight of related factors in comprehensive evaluation index system of ecological environment

图2 汕头地区生态环境综合评价分区空间分布Fig.2 Spatial distribution of comprehensive evaluation ranking of ecological environment in Shantou area

汕头地区生态源地总面积74 499.23 hm2，占总面积的35.41%，基于原有生态源地扩张过程阻力面分布数据，利用MCR（最小阻力模型）生成汕头地区自然保护地网络（图6）。汕头生态源地扩张过程阻力面中低阻力面积为68 084.60 hm2，占总面积的32.36%，主要围绕生态源地呈半环状分布。而中阻力面积（91 882.5 hm2）较大，占总面积的43.67%，主要分布在练江、韩江流域以及牛田羊地区。高阻力面积为50 438.22 hm2、占总面积的23.97%，主要分布在中心城区内建筑较为密集的地方。基于最小累计阻力模型方法，确定汕头地区潜在生态廊道分布图，生态廊道共计41条，长度为487.25 km，生态节点为30个包括原有森林公园以及廊道相互交错和生态较为薄弱的区域，该区域的主要特征为位于建成区周边（图7）。而潜在的廊道主要分布在部分河流以及两个生态源地间阻力最小的狭长地带，主要是由于该地块更容易转变为生态连接带，其次距水体较近、距建成区较远，可以减少人为活动干扰。按照原有的廊道规划原则，应尽可能设置较宽和形状较为规则的廊道，满足正常陆生哺乳类的动物活动需求廊道宽度应为几公里甚至是几十公里［25］。

图3 汕头地区生态源地分布Fig.3 Distribution of ecological source area in Shantou

表3 最小阻力模型相关阻力与权重Table 3 Related resistance and weight of the MCR

表4 汕头地区生态源地扩张阻力因子与等级划分一览Table 4 List of resistance factors and grade division of ecological source area expansion in Shantou area

图4 汕头地区各项阻力因子等级分布Fig. 4 Grade distribution of various resistance factors in Shantou area

图5 汕头地区生态源地扩张过程阻力面分布Fig.5 Distribution of resistance surface of ecological source area expansion in Shantou area

图6 汕头地区自然保护地廊道分布Fig.6 Distribution of corridors of natural reserves in Shantou area

图7 汕头地区自然保护地网络Fig.7 Natural reserve network in Shantou area

3 讨论

截至2019年，汕头市已建立林业系统省级自然保护区1个，市级自然保护区3个，保护面积共计12 714 hm2，自然保护区的建立对汕头的生物多样性发挥了重要作用。但总体而言，汕头市建立的自然保护区数量偏少，划定范围较小，各自然保护区之间存在空缺，限制了种间交流及活动范围。可以新设立小规模保护区，或采取其他措施给予保护，汕头市现有的廊道主要为道路廊道、河流廊道，且宽度较小，部分不满足生态廊道的要求。基于MCR模拟的汕头市自然保护地网络构建，已经覆盖汕头现有的自然保护区以及其他生态脆弱区，各生态源地斑块之间均建立了耗费成本最低的潜在生态廊道。

在新时期国土空间规划背景下，从关注建设用地规模与耕地保护转移为强调山水林田湖草等生态要素的全域全要素统筹，使得促使各要素之间的交流、生态源地的划分以及生态底线管控成为近期研究重点。而孤立自然保护地的设置严重影响了生物的扩散和迁移，阻碍了种群间的基因交流，增加了物种灭绝的风险，成为生物多样性下降的主要原因［26-29］。通过科学的方法确定潜在生态廊道，通过人工和天然的方式建立廊道，可以促使孤立自然保护地斑块之间生境的连接，使物种能通过廊道在不同单元之间自由扩散、迁徙，有效增加物种基因交流，防止种群隔离，维持最小种群数量并保护生物多样性，使生境破碎化问题得到有效改善［30-31］。

4 结论

本研究以汕头市为例，基于综合评价划定生态源地、MCR构建自然保护地网络，探索了适用于城市的生物多样性保护规划思路，为城市生态空间的保护利用、生态功能的提升提供参考。基于MCR模型的自然保护地构建能够很好融入生态流的自身特征，并基于INVEST模型和水源涵养评价等方法能够科学识别生态源地，能将不同的生态环境特征反映到模型运用中，对于我国自然保护地上开展生物多样性保护、优化生态安全格局，具有一定的科学指导和实践运用价值。