基于绿道与生境关系的空间生态网络构建——以从化区关键种栖息地为例

谢子颖，张正栋，陈裕婵，李青圃，杨 阳，匡腾飞

(华南师范大学地理科学学院，广州 510631)

城市化的快速发展使城市用地不断向生境扩张，导致生态用地面积不断减少，出现景观破碎化和生物孤岛[1-2]. 构建以绿道和生态廊道为基础的空间生态网络可以有效缓解城市和区域环境的矛盾，增强破碎生境的空间连通性，为区域绿道注入自我维育能力[3].

绿道概念通常认为由Frederick Law Olmsted 提出，其提出的波士顿公园系统规划是现今绿道规划的缘起[4]. 美国绿道规划重视社会功能，把绿道功能锁定在基于自然风景的人为开发景观，认为绿道是人们可以接近自然的开敞空间[4-5]. 绿道思想进入欧洲后，欧洲绿道规划重视生态功能[6]，认为生境破碎化是人为活动对自然生态破坏最直接的体现，并提出绿道“生态稳定性原则”，实施绿色网络战略以保护生境孤岛[7].

受美国绿道规划的影响，我国绿道规划注重绿道的休憩功能，在大区域的生态安全格局缺乏规划，使绿道发挥的功能受到限制[8]. 受欧洲绿道规划的启发，国内专家和学者进一步关注绿道的多功能特点，在选线规划上把绿道与南粤古道、古村落、草原丝绸之路等文化元素相结合，进行文化路线规划，促使绿道功能多元化[9-11]；在技术运用上，基于生物空间运动的潜在趋势，应用GIS技术、拓扑网络和最小累积阻力模型等，构建和优化生态网络，推动绿道的规划[8,12-14]；在生态功能发挥上，通过借鉴“生物运动廊道”理念，识别生态源地和生态廊道，构建生态安全格局，形成绿色网络以保护生态空间、优化人居环境[15-17]，并尝试理清绿道和生态廊道的关系，把绿道作为生态安全格局的重要组成部分，如构建了广州市增城区的空间生态网络，该空间生态网络涉及城市用地、交通用地、水域、湿地等用地类型，增加绿道与不同景观之间的连通性，弥补了绿道的生态功能[8]. 在我国绿道建设的基础上，借鉴欧洲绿道规划中的“生物运动廊道”理念，可以加强区域生态保护功能，实现自然保护和自然生态系统修复.

从化区是广州市重要的生态腹地，近年来出现生态用地面积减少、景观破碎化和森林功能退化等问题[18]. 在经济发展与环境保护的双赢理念下，从化区于2010年启动绿道建设工作，但规划重“道”轻“绿”，功能较单一[19]. 本文选择从化区关键种栖息地作为生态源地，采用最小累积阻力模型得到连接生态源地的生态廊道，在从化区绿道的基础上，构建区域空间生态网络，发挥绿道生态功能，保障区域生态安全.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

从化区位于东经113°17′～114°04′，北纬23°22′～23°56′(图1)，地处珠江三角洲到粤北山区的过渡地带，地势整体呈现东北高、西南低的趋势. 气候属南亚热带季风气候，地带性植被为常绿阔叶林. 本文的研究区域为整个从化区，共3个街道(街口街道、城郊街道和江埔街道)和5个镇(鳌头镇、太平镇、温泉镇、良口镇和吕田镇)，研究总面积为1 974.5 km2. 从化区的土地利用类型以林地、农田和建筑用地为主.

图1 从化区区位

从化区动物种类丰富，植被类型多样，生物迁徙和扩散活动频繁. 近年来随着城市化进程的加快，该区的生态压力不断增加，大面积的生境被人为分割，生物的生存空间不断缩小，生物的扩散和迁徙运动受到阻碍，因此，在该区构建空间生态系统有利于实现自然保护和自然生态系统修复.

1.2 数据来源

影像数据来源于地理空间数据云2017年10月Landsat 8 OLI_TIRS卫星图像，空间分辨率为15 m，经影像解译得到土地利用类型数据；基础地理数据(河流水域、交通道路、行政区域界线)来源于广州规划院；从化区概况数据参考2017年的从化地方志；绿道数据来源于广州市林业和园林局.

2 研究方法

2.1 地表景观分类

基于2017年10月Landsat 8 OLI_TIRS 卫星图像中条带号为122、行编号为44的遥感图像数据，利用ENVI 4.6和ArcMAP10.1对遥感影像遥感解译，获得风景园林、城市绿地、河流水域3种生态用地和农田、交通用地、建设用地3种非生态用地的景观分布(图2)，其中，风景园林包括林地和园地.

图2 从化区的土地利用类型

2.2 基于最小累积阻力模型生态网络构建

最小累积阻力模型是由KNAAPEN等[20]提出的，后经俞孔坚[21]修改得到以下公式：

(1)

其中，MCR表示最小累积阻力值；f表示区域中任一点的最小阻力与从该点到所有生态源地的距离和景观单元阻力值的正相关关系；Dij表示关键种从生态源地j到空间某一点所穿越的某景观单元i的空间距离；Ri表示景观单元i对关键种运动的阻力系数. 虽然函数f通常是未知的，但(Dij×Ri)的累积值可以作为衡量关键种从生态源地到空间某一点的易达性程度的指标.

基于最小累积阻力模型，构建从化区的生态网络：

(1)生态源地识别. 绿道的生态功能强调生物栖息地的保护，基于最小累积阻力模型，把关键种栖息地作为生态源地. 关键种是指生物的消失或削弱能引起整个群落和生态系统发生根本性变化的物种，在生物群落中，对维护生物多样性及其结构、功能及稳定性起关键作用[22]，保护该物种的栖息地代表保护许多依靠单一生境生存的其他物种的栖息地. 根据《从化野生动物名录》中野生动物的受保护程度和野生动物在从化自然生态中所起的作用，确定穿山甲为从化区的关键种. 穿山甲以害虫之一——白蚁为主要食物，对控制白蚁灾害、保护林木、维护生态平衡具有重要意义.

根据穿山甲的生活习性和栖息环境，确定穿山甲的栖息地为海拔1 500 m以下且面积大于300 hm2的山地和丘陵等地带的热带雨林、南亚热带雨林性常绿阔叶林、灌丛和草莽[23-24]，把从化区中符合栖息地条件的生态用地作为生态源地，并标注序号.

(2)阻力面确定. 景观中生物的迁徙和扩散在流动时需克服一定的景观阻力，景观生态服务功能越高，景观功能越完善，则克服的阻力值越小. 参考文献[16]并结合从化区关键种的实际情况，将不同的景观类型赋值(表1). 不同的景观类型的阻力值组成单位面积内阻力值大小不一的阻力面.

表1 从化区的各景观阻力值Table 1 The cost of different landscapes of Conghua

(3)生态廊道生成. 最短路径是在景观阻力图的基础上计算得到的从目标点到源的最小成本路径，在本研究中，目标点和源均为各个生态源地. 生态廊道是由最短路径法形成的最小成本路径，是物种在生态源地间扩散与迁徙的过程中所受累积阻力最小的路径. 本研究使用ArcMAP中的成本路径分析模型，在生态源地之间生成生态廊道.

(4)生态节点判别. 生态节点是指在景观空间中连接相邻生态源地并对生物的迁徒和扩散起关键作用的点，一般为生态廊道的相交点. 生态节点可以提高不同生态源地之间的连通度，增强生态网络的空间性.

(5)生态网络构建. 城市生态网络建设的实质是以植被带、河流和农田为主，通过生态廊道将城市中被分散孤立的各种类型的生态斑块联系起来，形成“点—线—面”结合的自然、多样、高效、有一定自我调节能力和自我维育能力的完整的城市自然生态体系. 在从化区绿道的基础上，结合区域的野生动物栖息地、山体、河流水域、生态廊道和生态节点，构建区域空间生态网络.

3 结果与分析

3.1 生成生态廊道

3.1.1 生态源地的确立 由图3可知:(1)从化区的生态源地集中在良口镇、吕田镇和温泉镇，人类活动较少，植被保护措施较完善，生态源地连片分布，面积大，保存较好. (2)结合图2可知城郊街道、温泉镇西南部、江埔街道北部和街口街道北部为从化区中心城区，土地利用类型主要为建设用地和交通用地，人类活动强度大，生态源地数量少. (3)鳌头镇与太平镇的生态源地与乡镇相间分布，生态源地分散且面积小、数量多，缺少大面积的生态源地.

图3 从化区的生态源地编号

由表2可知:(1)从化区符合条件的生态源地总数量为64个，总面积为85 001hm2，占研究区总面积的43.0%. (2)面积为300～500hm2的生态源地为24个，占总数量的37.5%、总面积的10.7%. (3)面积为500～1 000hm2的生态源地为19个，占总数量的29.7%、总面积的15.8%. (4)面积为1 000～3 000 hm2的生态源地为15个，占总数量的23.4%、总面积的34.0%. (5)面积超过3 000hm2的生态源地为6个，占总数量的9.4%、总面积的39.5%. 由此可见，从化区生境破碎，小面积的生态源地的数量多.

表2 从化区的生态源地情况Table 2 The situation of the ecological sources of Conghua

由表3可知:(1)各行政单位中生态源地面积占风景园林面积百分比最高的为良口镇. (2)风景园林面积与生态源地面积呈正相关关系，即风景园林的面积越大，生态源地面积越大. (3)鳌头镇的风景园林面积比温泉镇的大，而其生态源地面积比温泉镇的小，结合图2可知鳌头镇在乡镇发展的过程中，大面积的风景园林被交通用地和建设用地占用并分割，使风景园林斑块数量变多、面积变小，大量面积在300hm2以下的风景园林斑块被剔除，故鳌头镇风景园林面积大但生态源地面积较小. 由此可见，乡镇的无序扩张及道路建设使原本连片分布的自然生境逐渐消失，生境变得破碎，生物的迁徙和扩散受到阻碍，严重影响自然生态.

表3 从化区各行政单位的生态源地面积比较

3.1.2 景观阻力面 根据不同景观类型的阻力值，利用ArcMAP中的成本路径分析模型得到从化区生物迁徙和扩散的景观阻力面.

由图4可知从化区的阻力值从北到南呈现低—高—低的基本趋势：(1)吕田镇、良口镇和温泉镇东部以风景园林为主，整体阻力值低. (2)景观阻力值最大的区域为从化区中心城区，其土地利用类型大部分为建设用地，少部分为城市绿地. (3)鳌头镇与太平镇均为乡镇与生态源地相间分布，且交通用地连接大小乡镇，分割连片生态源地，故此区域的景观阻力面呈斑块状分布.

图4 从化区的景观阻力面

3.1.3 生态廊道的构建 本文根据累积阻力值的大小把生态廊道分为三级:一级廊道(累积阻力值为0.0～22.0)，二级廊道(累积阻力值为22.1～44.0)，三级廊道(累积阻力值为44.1～66.0). 一级廊道代表其连通的生态源地间的阻力极小，野生动物在生态源地之间运动性高，二、三级廊道次之.

由图5可知:吕田镇、良口镇和温泉镇的生态源地分布集中，相距近，阻力值小，形成数量众多的长度在500 m以下的一、二级廊道；鳌头镇、太平镇的生态源地分布分散，相距远，形成了多条二、三级生态廊道；城郊街道、街口街道、江埔街道的生态源地数量少，故生态廊道数量少.

图5 从化区的生态廊道分布

由表4可知:(1)长度在200 m以内的一、二、三级廊道分别为20、16、8条，共44条，占生态廊道数量的43.1%. (2)长度为200～1 000 m的廊道有22条，占生态廊道数量的21.6%，以一、二级廊道为主. (3)长度为1 000～3 000 m的廊道有19条，3 000 m以上的廊道有17条，合占生态廊道数量的35.3%，皆以一级廊道为主. (4)生态廊道共102条，廊道越长，数量越少；廊道阻力级别越高，数量也越少. 结合表3可知行政单位的生态源地面积与生态廊道的数量呈正相关关系：行政单位内,生态源地面积越大，廊道数量越多；生态源地占风景园林面积百分比越高，廊道数量越多.

3.1.4 生态节点的确立 由图6可知:(1)从化区的生态节点沿生态廊道设置，位于生态廊道的交点，最大限度地提高了各生态源地之间的连通性. (2)从化区的生态节点集中在鳌头镇、太平镇和良口镇. (3)1、2号生态节点分布于鳌头镇，皆连接了2条廊道、3个生态源地. (4)3、4、5号生态节点分布于太平镇，其中，3号连接3条廊道、4个生态源地，4号与5号位于同一条一级廊道上，两节点共连接3条生态廊道、4个生态源地. (5)6、7、8号生态节点分布于良口镇，其中，6号节点连接2条廊道、4个生态源地，7号节点连接2条廊道、3个生态源地，8号节点连接3条廊道、3个生态源地.

表4 从化区不同长度的生态廊道数量Table 4 The number of biological corridors of different length in Conghua 条

图6 从化区的生态节点分布

3.2 生态网络构建和优化

3.2.1 从化区绿道现状 从化区绿道位于珠江三角洲绿道网规划中的省立绿道二号线的中段部分，沿流溪河规划建设. 该地区绿道全长约411.5 km，以流溪河国家森林公园为起点，分为流溪河生态型绿道和万花园郊野型绿道. 其中：流溪河生态型绿道沿流溪河往北直达流溪河国家森林公园；万花园郊野型绿道位于城郊街道，相交于流溪河生态型绿道中段. 从化区绿道具有保护自然环境的生态功能，但以休憩为主要功能，为居民提供锻炼、游憩的空间场所，重“道”而轻“绿”. 明晰生态保护作用，构建空间生态网络生态是解决该地区生态缺失问题的有效途径.

3.2.2 构建区域空间生态网络 由图7可知:在从化区北部有2条生态廊道穿过绿道并在绿道形成生态节点；在从化区南部有多条生态廊道穿过绿道，且南部一生态节点分布在绿道上，其余2个生态节点均位于绿道附近.

参考小尺度生境斑块连接方式，一级廊道和500 m以内的二、三级廊道应采用乔木灌丛条的形式，宽度为150～200 m；长度在500 m以上的二、三级廊道在建设中根据地表情况，设置路上式、路下式、高架桥或生态天桥等形式的生态廊道[25]，此连接方式可避免生态廊道因人为活动被切断的情况，同时优先保证生态廊道的用地需求，保障空间生态网络骨架的完整性.

破碎的生境可通过生态廊道和生态节点连接在一起，且生态廊道与绿道相交，从而明晰了绿道的生态保护功能，为绿道注入自我维育的功能，加强了生态网络的连通性. 绿道和生态廊道是区域空间生态网络的重要组成部分：绿道发挥其休憩功能与景观美学功能，满足居民的游憩休闲的需要，而生态廊道连接生态源地，为生物的迁徙和扩散提供条件，二者共同构建区域空间生态网络.

图7 从化区的空间生态网络

4 结论

本文以“生态稳定性原则”为理论支持、以地理信息系统和遥感为技术支持，选取从化区为研究区域；采用最小累积阻力模型，选取符合关键种栖息地条件的区域作为生态源地；确定景观阻力面后，基于最短路径法得到生态廊道，确立生态节点，并结合绿道构建区域空间生态网络. 主要结论如下：

(1)从化区的风景园林中，符合野生动物栖息地条件的生态源地共64个. 其中:300～500 hm2的生态源地数量最多；3 000 hm2以上的生态源地数量最少，主要分布在吕田镇和良口镇的国家森林保护区，植被受保护程度较好；城郊街道南部、温泉镇西南部、江埔街道北部和街口街道北部的土地利用类型主要为建设用地，缺少生态源地；鳌头镇与太平镇的生态源地分散且面积小、数量多.

(2)从化区的生态廊道共102条，生态廊道越长，数量越少；阻力级别越高，数量也越少. 从化区北部大面积的山体中分布着多条山间路，使其生境破碎化，形成长度在200 m以内、阻力值小的一级廊道. 长度在1 000 m以上的生态廊道多穿过山体，累积阻力值小，以一级廊道为主.

(3)8个生态节点位于生态廊道的交点处，且生态节点的土地利用类型多为生态用地. 生态节点集中在鳌头镇、太平镇和良口镇.

(4)从化区建成绿道以流溪河国家森林公园为起点，依流溪河上游干流建设. 在北部有2条生态廊道穿过绿道并在绿道形成生态节点，在南部有多条生态廊道穿过绿道，且南部一生态节点分布在绿道上，其余2个生态节点均与绿道相近. 生态廊道、生态节点与绿道共同组成的空间生态网络将破碎的生境连接在一起，为功能较单一的绿道系统增强生态功能和增加绿道不同景观的连通性，满足居民锻炼、休憩的需求和提供野生动物扩散、迁徙的条件.

本研究的空间生态网络构建方法体现了生境生态过程的水平方向，较少考虑垂直方向因素的影响，如坡度、海拔. 在景观生态和生境生态学的理论指导下，完整阐释生境生态系统的水平和垂直生态过程，规划复合型绿道系统是绿道进一步规划的方向.