快速城市化地区森林生态网络识别与评价

黄浦江，蒋巧璐

（1.上海市城市规划设计研究院，上海 200040）

城市的无序扩张使城市自然生态系统要素具有生境破碎化、岛屿化、生物多样性降低等特点[1]。城市森林对城市生物多样性、保持水土、改善城市生态环境具有重要意义，且森林斑块的有效连接能促进基因流动、协助物种迁移和种群发育[2-3]。因此，模拟城市森林生态网络对于城市生态环境的可持续发展具有重要作用[4]。

通过梳理相关研究发现，对于生态网络识别方法，由于网络分析法、适宜性评价模型、景观指数等方法无法解释复杂的生态过程，因此学者更倾向于利用基于生态过程的最小费用路径模型来识别网络[5-8]；但不同阻力面所生成的网络存在差异，缺乏对不同阻力面生成的潜在网络的影响分析。景观指数和网络连接度指数从网络几何结构出发，利用网络连接度指数和基于欧氏距离、斑块面积的景观指数来定量评价整体生态网络结构，识别网络中的主要廊道与核心斑块，忽略了生态网络中的生态过程即生物迁徙对网络结构的影响，缺乏将网络结构、距离成本与生态迁徙过程中的阻力成本相结合的网络评价方法。针对上述问题，本文以武汉市为例，利用多情景分析法分析了不同阻力面对生成的潜在网络的影响。

1 研究区概况

本文选取的研究区为武汉市全市域。武汉市是我国中部地区特大城市，地处北亚热带季风区，属亚热带湿润季风气候；拥有丰富的森林资源，包括木兰山生态旅游区、九峰山、马鞍山等大小绿地斑块，这些斑块在维护和发展城市生物多样性、保持水土、改善城市生态环境、提供林产品和休闲游憩等方面发挥着重要作用。

2 数据处理与研究方法

2.1 数据处理

本文采用的数据为2018年武汉市Landsat7 ETM+遥感影像，来源于国家科学数据服务平台。首先利用ENVI 4.7软件对3期遥感影像4、3、2波段进行组合，再借助地形图对图像进行几何精矫正，并在此基础上进行大气校正处理。解译过程中充分利用土地利用现状图和野外考察数据建立分类标准，从而进行人机交互监督分类。按照不同的景观功能，分为建设用地、耕地、水域、绿地、未利用地和湿地6种用地类型。利用ArcGIS 10.1提取城市森林斑块，并利用归一化植被指数（NDVI）提取2018年武汉市植被覆 盖图。

2.2 研究方法

2.2.1 森林生态网络“源”地选取

在现代城镇中，生物多以飞禽、小型哺乳动物为主。已有研究通常根据生物生境范围大小确定城市绿地中重要的生境斑块，并将其作为城市绿地生态网络的“源”。因此，本文结合武汉市实际情况，从生物多样性保护的角度出发，整理出相对完善的生态节点类型，最终选取了151个森林斑块作为生态源地。

2.2.2 森林生态网络复合阻力面构建

景观阻力是指物种在不同景观单元之间进行迁徙的难易程度。景观单元的类型组成、地理位置以及其生态系统功能等均直接决定了斑块的生态系统功能阻力。综合考虑影响物种迁徙的因素，本文选取道路等级、生态系统服务价值、植被覆盖率、生物多样性指数、土地利用类型作为阻力层因子，并对多种指标进行整合，利用熵值法确定其权重，进而生成复合阻力面。其中，生态系统服务价值参考Costanza的生态系统服务功能价值评价体系，确定研究区各景观类型的生态系统服务价值[9]；植被覆盖率和生物多样性指数根据相关研究从2010年武汉市NDVI中提取数据[10]（表1～4）。由于不同潜在廊道的模拟结果均建立在景观阻力赋值大小与赋值区间的基础上，因此本文利用情景分析法对赋值进行讨论，构建基础阻力面、讨论道路缓冲区影响的参考面1、生态景观面积变化的参考面2以及综合了前3种景观阻力更为贴近现实情况的参考面3。若因子存在叠加，均以最大值进行景观阻力赋值。

表1 景观类型生态系统服务价值

表2 植被覆盖率和生物多样性指数阻力值

表3 不同景观阻力面要素权重

表4 不同阻力面土地利用类型的景观阻力值

2.2.3 基于最小加权费用路径模型的生态网络识别

为了反映景观中生态源地与目标之间的最小费用路径，本文采用最小加权费用路径模型确定生物物种在迁徙与扩散过程中的潜在路径。同时，为了实现自动化运算大数据量的费用路径模型，本文利用ArcGIS 10.1中的空间建模技术构建了一个具有循环功能的Ecological Network模型，用以自动读取、运算和保存数据。

2.2.4 整体网络评价

网络的主要功能在于实现节点的可接近性，使相互临近的孤立节点更易到达，以减少各种流在迁徙过程中的损耗。网络由节点和廊道组成，连接方式众多。连接度能反映网络中节点与节点的连接状况，从结构上体现网络的特殊性，可通过网络闭合度（α指数）、线点率（β指数）、网络连接度（γ指数）和网络有效性（δ指数）进行评价。

式中，L为网络实际存在的廊道数；V为网络实际节点数；Li为物种迁徙过程中通过所有廊道的阻力和；α的取值范围为0～1，α=0表示网络无回路，α=1表示网络具有较大可能的回路数；β＜1表示形成树状格局，β=1表示形成单一回路，β＞1表示有更复杂的连接度水平；γ的取值范围为0～1，γ=0表示没有节点相连，γ=1表示每个节点间都相通；δ指数通过计算生态网络中的平均廊道阻力，表征物种在网络廊道中的迁徙有效程度。

2.2.5 生态源地关联程度评价

生态源地的评价思路基于斑块关联度指数（PCI），本文以生物在斑块间迁徙所遇到的平均距离耗费阻力表示斑块关联度。本文利用最小加权费用路径模型识别武汉市森林生态源地斑块间的迁徙成本矩阵；利用ArcGIS 10.1 Network Analyst模块中的OD Metrics计算得到生态源地斑块间的最小距离长度；进而得到其中每个生态源地斑块到其他生态源地的平均距离耗费阻力值，用以定量评价生态源地斑块在整个网络中的重要程度。

式中，Pij为生态源地i穿越景观阻力面到生态源地j的实地距离；Rij为生态源地i所遇到的阻力值；Ci为生态源地i到其他生态源地的累积耗费值；Di为生态源地i到其他源地的距离总和。

3 研究结果与分析

3.1 多情景生态网络识别

结合4种不同赋值的阻力面，本文利用Ecological Network模型识别得到4种武汉市城市森林生态网络，如图1所示，可以看出，不同的阻力面生成了不同网络结构的城市森林生态网络，但由于多数核心斑块集中在北部、东北部和南部远离城市的山区，而人类活动主要集中在中心城区，因此中心城区的阻力值远高于郊区；网络中生态廊道数量均呈现出由城市中心向郊区逐渐增多、网络结构逐渐复杂、网络分布更加密集的特点。值得注意的是，生态网络分布特征使得中心城区很难形成有效的生态廊道，呈现出“生态孤岛”现象，随着城市的无序扩展，该范围将逐渐扩大。

图1 武汉市多情景森林生态网络

3.2 整体网络结构评价

根据4种不同阻力面识别得到的4种武汉市城市森林生态网络结构的评价结果如表5所示。

表5 生态网络整体结构评价结果

α指数用来描述网络中回路存在的程度，其值越高表明物种在穿越生态网络时可选择的迁徙路径越多。由此可知，道路及其周围缓冲区对物种迁徙路径的阻隔作用很大，可选择的能闭合成环状的路径锐减。生态景观面积变化与基础面的比较采用面积对生态景观阻力值大小进行分级，从而减小一些小面积生态景观斑块的阻力值，增加物种通过的可能性。参考面3的α指数较低说明在综合考虑阻力的基础上，武汉市现状森林生态网络的闭合度较低，物种可选择的迁徙路径较少，抗干扰能力较低。

β指数和γ指数均表示网络的连接程度，其值越高表明网络的复杂程度越高，网络结构越完善。由此可知，道路缓冲区降低了网络的复杂程度和连接程度。在参考面2中，由于生态景观阻力值的减小，提升了网络连接度，保证了网络结构的完善度。在二者的综合影响下，武汉市森林生态网络结构的复杂程度下降，完善程度有所降低。

δ指数主要用于量化网络中物种迁徙的有效性，整体来看，受到快速城市化影响，4种城市森林生态网络的有效性均较低。由此可见，道路及其周围缓冲区增加了网络的平均廊道消费，从而使得网络的有效性降低。按照不同面积对生态景观进行多样化赋值，则会降低网络中的平均廊道消费，增加网络中动物迁徙的有效性。

整体来看，道路对城市森林生态网络结构的影响较大，而生态景观的合理赋值也对城市森林生态网络变化有较明显的影响。在综合考虑各种因素叠加的参考面3中，其数值均为最低，说明城市在无序扩张，人类活动严重影响生态环境，物种可选择的迁徙路径较少，网络的复杂程度较低，网络结构不完善、连接度较差，网络的平均消费成本较高，网络中动物迁徙的有效性较低。

3.3 生态源地关联度评价

基于ArcGIS的空间建模工具，本文计算得到生态源地的PCI，并利用自然断点分类法将生态源地PCI分为5个等级，等级越高说明生物在斑块间迁徙所遇到的平均距离耗费阻力越大，关联程度越低。

武汉市生态源地关联度等级如图2所示，可以看出，生态源地的关联度分布特征呈由中心城区向郊区逐渐增高的趋势，5级关联度斑块主要分布在中心城区东湖以东的磨山、喻家山和马鞍山等林区，原因在于其分布距离城市中心较近、人类活动较频繁，虽然近年来通过立法和规划增加了森林面积和保护力度，但生物迁徙在该地区遇到的阻力依然很大，源地斑块的关联性较差；1级关联度斑块为黄陂北部的木兰山林区，由于其林区面积大，生物多样性丰富，周围林区密集，且处于郊区，人类活动较少，因此其向外迁徙的阻力较低、关联程度高。

图2 武汉市生态源地关联度等级

3.4 森林生态网络保护策略

3.4.1 加强生态源地保护

生态源地是区域内的重要生态节点，也是区域内生物生存、繁衍以及迁徙的重要源地。加强生态源地保护、提升其数量与质量，对于保障该区域的生物多样性具有重要意义。武汉市虽拥有丰富的森林资源，但空间分布不均，且受快速城市化的强烈干扰，呈现出北部优于南部、农村优于城市、远城区优于主城区的特点。因此，建议在严格保证以北部大别山余脉横贯黄陂的木兰山林区、新洲东部林区为主的生态源地，中部以东湖东部与蔡甸东西湖东西两侧、江夏纸坊一线组成的两列东西走向、南北平行的生态源地的完整性的前提下，结合市域其他森林斑块，以一个生态整体进行综合考虑，进一步增加武汉市的森林生态源地面积，尽可能地与其他林地连接成片，丰富斑块内的生物种类，提高斑块内部的生态适宜性与生境质量。

3.4.2 提升生态源地连接有效性

生态源地连接的有效性取决于其自身生境质量与源地之间景观阻力的大小。由图1、2可知，武汉市中心城区虽然存在潜在生态廊道，但廊道密度低，且属于低质量生物通道，同时中心城区生态源地的关联度较低。这些现象均源于城市的无序扩张、交通网络的不断增加以及人类活动对自然生态环境的巨大干扰。因此，建议进一步增加中心城区森林斑块数量，提高中心城区内以山湖为基础构建的公园生境质量，识别中心城区核心生态节点，在兼顾生态保护与城市发展的双重层面上，合理布局城市发展空间，在交通网络修建时考虑修建野生动物迁徙通道，减少生态断裂点的形成。

4 结 语

1）本文利用Ecological Network模型，结合4种不同类型的阻力面，识别了4种武汉市森林生态网络，不仅解决了大量生态源地在识别网络中的自动运算、存储和表达问题，而且揭示了武汉市森林生态网络空间分布不均，结构与数量由城市中心向城市远郊区逐渐复杂与增多，以及在高速城市化背景下城市所呈现的“生态孤岛”现象。

2）通过对比基于4种不同阻力面的武汉市森林生态网络结构发现，城市交通网络对森林生态网络的整体结构影响较大；生态景观的合理赋值可增加生态网络中的潜在廊道。整体来看，由于受城市无序拓展和交通网络快速发展的影响，在武汉市森林生态网络中物种可选择的迁徙路径较少，网络复杂程度较低，网络结构不完善、连接度较差，网络的平均消费成本较高，网络中动物迁徙的有效性较低。

3）构建基于迁徙成本的生态源地PCI，从而定量评价武汉市森林生态源地的关联度等级。其同样表现出距离城市越近、关联度等级越低的特征。虽然通过规划与法律等强制手段，中心城区的森林生态源地得到了一定的保护，但其斑块内部的生境质量并未提高，缺少有效的脚踏石斑块，因此其在整个市域生态整体中的关联度等级依然堪忧。