马鞍山市生态网络识别与优化

周振宏， 王绘绘， 朱庆山， 胡 琦， 刘东义， 周 敏， 汤伟宏

(安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥 230036)

引言

近年来，我国城市的生态环境效益随着城市化的快速发展日益下降[1]，生态网络是由生境斑块、生态廊道及节点共同组成的一种复合型网络[2]，能够维系区域生态系统物质循环及能量流动，促进城市的可持续发展[3]。因此，科学的构建生态网络对保障区域生态安全及生态系统的稳定具有至关重要的意义[4]。

随着生态网络与生物多样性保护的发展，国内外相关学者对生态网络的识别、优化及评价提出了很多多学科交叉的方法与模型。如形态学空间格局分析(MSPA)方法[5-6]、最小累积阻力(MCR)模型[7-8]、图论理论[9-10]、电路理论[11-12]、InVEST模型[13]等。其中，MSPA方法可以识别出重要且景观连通性高的生境斑块，避免了以往生态源地识别中主观选取生态效益高和面积较大的斑块[14]。MCR模型可以通过综合分析高程、地形及人为活动等阻力因素计算出物种扩散可能性最高且耗费成本最小的路径，从而对区域潜在生态廊道进行科学模拟，该模型具有运算便捷、结果直观的优势。但现有的生态网络研究对生态源地面积大小未过多涉及，并且忽略了景观连通性分析距离阈值的设定研究。MSPA方法与MCR模型可以科学快速的识别生态核心区与潜在廊道，再结合研究区生境斑块最小面积、景观连通性分析最佳距离阈值来准确合理的识别研究区生态源地，使生态网络的构建更加科学。

马鞍山市以“钢铁城市”著称，是国家重要的钢铁制造和工业基地,其经济格局及地理位置都非常重要，其不仅是合肥都市圈和南京都市圈中重要的城市,也是皖江城市带主要承接产业转移示范区门户城市和长江三角洲经济区东部的门户城市[15]。其自身的生态环境随着快速城市化的建设而面临着巨大的压力，如何实现马鞍山市生态系统稳定且环境可持续发展为现阶段非常重要的问题。因此，采用MSPA方法与生境斑块最小面积、景观连通性分析最佳距离阈值相结合的方法识别源地；MCR模型识别潜在廊道；重力模型提取研究区重要廊道，使马鞍山市生态网络构建的更加合理，以期为马鞍山市生态网络的识别与优化提供科学依据，使之合理地协调未来马鞍山市城市的发展和区域的生态保护。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

马鞍山市地处安徽省东部、横跨长江，地理位置优越，马鞍山是中国十大钢铁基地之一，总面积4064km2，市境内河道纵横，湖塘密布，水域总面积约360km2。常住人口236.1万人。亚热带湿润季风气候，年均气温16.1℃，年降水量1060.7mm。地势总体较平坦，以丘陵和平原为主，森林覆盖率37.32%。

1.2 数据来源及预处理

本研究采用的数据主要包括马鞍山市2020年分辨率为30m的土地利用现状数据(来源于GlobeLand30网站http://globeland30.org/)；马鞍山市矢量路网数据(来源于Open-StreetMap网站https://www.openhistoricalmap.org/)；分辨率为30m的DEM高程数据(来源于地理空间数据云http://www.gscloud.cn/search)；分辨率为30m的NDVI数据(来源于地理空间数据云)，通过2020年Landsat8遥感影像反演计算获取；自然保护区、风景名胜区等空间数据(来源于百度地图https://map.baidu.com/)，马鞍山市2020年土地利用现状如图1所示。

图1 马鞍山市2020年土地利用现状图

2 研究方法

2.1 生态源地识别

2.1.1 基于MSPA的景观分析 MSPA方法是由Vogt等专家学者提出的，不同于传统的主观提取生态源地的模式，该方法可以识别出重要且景观连通性高的生境斑块。运用ArcGIS软件将马鞍山市2020年土地利用类型图进行栅格单元大小为30m×30m的栅格化处理。再对土地利用现状数据进行重分类，提取林地、水体要素作为MSPA的前景数据，草地、湿地、人造地表和耕地作为背景数据。利用Guidos Toolbox软件对前景数据进行MSPA分析，形成七类景观要素[16]，并对各类景观要素占比进行统计，选取核心区为生态源地的备选区。

2.1.2 最小面积阈值及最佳距离阈值确定 面积较小的斑块对区域生态系统的影响微弱，因此需要确定生态源地最小面积阈值，通过研究随着斑块最小面积变化，斑块数量和斑块数量占研究区总面积比例的变化来判断研究区最小面积阈值[17]。距离阈值可以判断研究区生境斑块间生态流的强弱[13]，本研究综合考虑各生物迁移扩散的能力，并结合前人研究[16-17]，设定100、200、300、400、500、600、800、1000、1500、2000、2500、3000m共12个距离阈值，运用Conefor Sensinode2.6软件，分别计算各距离阈值下研究区斑块链接数(NL)、景观组分数(NC)等相关景观连接度指数，通过分析相关指数随最佳距离阈值的变化情况来确定最佳距离阈值。

(1)最小面积阈值确定 根据MSPA分析，共识别出核心区共1982个斑块，由图2可知，面积阈值达到0.05km2，研究区斑块数量降低幅度开始逐渐变缓，由图3可知，斑块数量占总面积比值随最小面积阈值的增加而减少，面积阈值达到0.001km2时，曲线开始逐渐平缓。综上所述，设定马鞍山市最小生态源地面积为0.05km2。

图2 斑块数量随最小面积阈值变化图

图3 斑块数量占总面积比例随最小面积阈值变化图

(2)最佳距离阈值确定 由图4可以看出，NL值随距离阈值的增加而增加，NC则反之，Ⅰ当距离阈值<200m时，NC值急剧下降，景观组分数不稳定；Ⅱ当距离阈值在200～600m时，NL值缓慢上升、NC值缓慢下降，景观稳定性较好；Ⅲ当距离阈值在600～1500m时，NC值下降幅度逐渐增大，景观组分数也不稳定；Ⅳ当距离阈值>1500m时，虽然NL、NC值变化都比较平缓，NC值最终稳定减少到1，此阶段研究区生境斑块全部连接，属于理想状态，所以判定马鞍山市最佳距离阈值在200～600m之间。

图4 马鞍山市链接数、组分数值随距离阈值的变化

为了进一步确定最佳距离阈值，需对斑块重要性指数dLCP、dIIC、dPC随距离阈值的变化情况进行分析，三者差距越小，距离阈值的设定越合理。选取斑块187、95、166、139、35、122六个面积最大的核心区斑块，对200～600m不同距离阈值进行分析，由图5可以判定，马鞍山市最佳距离阈值为200m。

图5 马鞍山市斑块重要性指数随距离阈值变化图

2.1.3 景观连通性评价 斑块景观连通性对物种迁徙具有重要意义。通过分析可能连通性指数(PC)、整体连通性指数(IIC)及斑块重要性指数(dPC)提取研究区生态源地[17]。

根据上述最小面积阈值与距离阈值的确定，将斑块连通距离阈值设为200m，连通概率为0.5，应用Conefor2.6软件对相关指数进行分析计算，根据结果筛选源地。

2.2 生态廊道模拟

2.2.1 基于MCR的潜在廊道模拟 MCR模型可以计算出斑块间物种扩散可能性最高且耗费成本最小的路径，能够反映不同景观单元之间的可达性与连通性。该模型表达如下：

其中：MCR代表耗费最小成本值；Dij代表空间单元i到斑块原点j的空间距离，Ri代表i的阻力系数[18]。

2.2.2 阻力面设置 MCR模型应用的关键在于生态阻力面的设置，本文根据前人研究[18-19]与研究区实际情况，选取土地利用类型、高程、坡度、植被覆盖指数等阻力因子构建阻力面，如表1所示，并根据相关研究确定阻力值及权重，阻力值越大，表明生物迁徙越困难。

表1 阻力因子分级赋值及权重表

2.2.3 重要廊道提取 重力模型可以计算出生境斑块之间的生态作用力，其数值越高，说明生境斑块之间能量传递和物质迁移越频繁，该模型可以对生境斑块间的相互作用强度进行定量评价，从而判断生态廊道的相对重要性[18]。该公式表达如下：

其中：Gij表示斑块i、j间的作用力强度，Si、Sj分别为斑块i、j的面积，Pi、Pj分别为斑块i、j的阻力值，Lij表示斑块i、j间廊道的累积阻力值，Lmax指研究区斑块间所有廊道中的最大累积阻力值[18]。

2.3 生态网络优化及评价

2.3.1 生态网络优化 本文从三个方面对识别的马鞍山市生态网络进行优化。(1)新增生态源地：选取面积大于0.05km2且景观连通性指数排在前三位的斑块作为新增生态源地；(2)踏脚石建设：在研究区累积阻力路径最大处、廊道交汇处和生态节点集中处，选取核心区中面积较大斑块作为踏脚石；(3)生态断裂点修复:交通路网经过的区域生态廊道容易发生断裂，阻碍生物迁徙与生态能量流动，通常在路网与生态廊道交叉点存在生态断裂点，所以在城市道路规划时需要考虑生物迁徙，避开迁徙道路或者为其设置专门通道，如地下通道、天桥、高架桥等设施。

2.3.2 生态网络评价 通过分析网络闭合指数(α指数)、网络连接度指数(β指数)、网络连通率指数(γ指数)[18]评价斑块连通性，三个指数可以反映出区域生态系统中源地与廊道的连通关系以及生态网络结构的复杂程度，指数数值越大，生态廊道连通性越大，反之越小。计算公式如下：

其中：L为生态廊道数；V为生态节点数。

3 结果分析

3.1 生态源地识别

3.1.1 基于MSPA方法的景观格局分析 利用Guidos Toolbox软件对前景数据进行MSPA分析，由表2可以看出，核心区斑块面积最大，占前景要素面积的86.09%，表明马鞍山市景观主要以大型斑块构成，主要分布在研究区西北、中部及中东部；边缘区面积占比10.14%，孔隙占比1%,说明核心区生态环境较为稳定；岛状斑块面积较小且分布零碎，支线面积占比1.3%，说明斑块与外界进行物质能量交换较困难。

表2 前景分类统计表

3.1.2 景观连通性评价 结合参考文献[16-18]与研究区实际，将得到的dPC≥0.2、dIIC≥0.2的14个核心区斑块作为生物物种发展及繁衍的源地(表3)。由图6和表3可以看出，研究区生态源地主要分布在西北部、中部及东部，说明西北部、中部及东部景观连通性较好。西北部地区斑块面积大，且景观连通性远大于中部及东部地区，表明该区域生态环境良好，物种在此迁移及进行物质能量交换活动阻碍较小。西北部与中部之间没有大型斑块连接，网络连通度较差，不利于物种迁移及物质能量交换，需在此区域加强生态源地建设。

表3 研究区生态源地景观连通性排序表

图6 研究区生态源地识别结果

3.2 生态廊道模拟

3.2.1 生态阻力面 运用ArcGIS中的叠加分析工具得到马鞍山市综合阻力面(图7)。由图7可知，马鞍山市生态综合阻力呈中东部高两侧低分布特征。高阻力区域主要位于研究区中东部，由于该区域城市发展较快，城市建设用地较为集中，交通发达，受人类干扰较大，导致该区域物种迁徙所受阻力较高，迁徙与扩散困难。

图7 马鞍山市单个阻力面与综合阻力面图

3.2.2 潜在生态廊道模拟 共模拟出91条潜在生态廊道(图8)，廊道总长度为2542159.8米，通过重力模型计算14个生态源地之间的相互作用矩阵。根据研究，提取9条相互作用力大于1000的廊道为研究区重要生态廊道，其余82条作为研究区一般廊道。斑块3与6间的相互作用力最大，4与13之间的相互作用力最小，说明马鞍山市在未来的生态建设中应对斑块3与6间廊道加强保护，对斑块4与13间廊道加强建设。

图8 生态网络

3.3 生态网络优化及评价

3.3.1 生态网络优化 如图9所示，在研究区生态源地分布较少的新增了3个生态源地对原有源地进行补充，并通过MCR模型模拟了45条生态廊道。通常在廊道较长或廊道的交汇处生物迁徙容易受到阻碍，因此为了提升廊道的稳定性，需要建设踏脚石斑块，在廊道交汇处与廊道较长的地方增加11个绿地斑块作为踏脚石斑块，以提高物种迁徙的成功率。根据研究区交通路网，在廊道与道路的交汇处共识别出断裂点42个。提升道路交汇处的生态功能，可采取拓宽道路绿化带、建设地下通道等措施加以改善。

图9 生态网络优化

3.3.2 生态网络评价 通过α、β、γ指数对优化前后的生态网络体系进行对比。结果如下：优化前的生态源地数为14，廊道总数为91，α、β、γ指数分别为3.39、6.50、2.53；优化后的生态源地数为17，廊道总数为136，α、β、γ指数分别为4.14、8.00、3.02，生态网络结构得到优化，规划的潜在生态廊道提高了区域生态源地连接水平，增强了区域生态系统稳定性。

4 讨论与结论

4.1 讨论

科学的构建生态网络可以有效地协调城市发展与生态环境保护的关系。运用MSPA方法与MCR模型识别生态网络并进行优化，可为马鞍山市生态网络的识别与优化提供科学依据与数据参考。但本文也存在一些不足之处，由于物种存在多样性特征，每个物种在不同斑块中对栖息地的要求和其运动模式均不同，但是这些数据需要特别长时间的观察与研究，在短期内无法完成，所以本研究只考虑到研究区内大多数物种的迁移特性，因此在距离阈值的设定方面难免存在一定的局限性。所以在未来的工作中，需要加强此方面的研究。本研究未分析植被类型，也没有考虑季节变化对物种迁移存在的影响，所以在生态阻力面因子设定方面存在一定的局限性，并且研究在阻力值与权重值设定时，主要参考前人的研究成果和相关规划专家的建议来设定，希望在今后的工作中对其进行完善，建立更加全面的分析评价体系。

4.2 结论

本研究基于MSPA和MCR模型识别马鞍山市生态网络，采用MSPA分析方法识别马鞍山市生态源地，并对最小面积阈值与最佳距离阈值的设定做了研究；MCR模型识别马鞍山市潜在生态廊道；重力模型分析马鞍山市源地与廊道之间的相互作用力强度，最后对其生态网络进行了优化。研究结果如下：

(1)马鞍山市生态源地总面积为972.71km2，通过斑块数量、面积分析及景观连接度分析，确定马鞍山市最小面积阈值为0.5km2，最佳距离阈值为200m，共识别了14处生态源地及91条生态廊道，生境斑块分布不均匀，西部源地斑块面积虽然较大，但与中部及东部源地的廊道较长，所以区域间交流较弱。

(2)马鞍山市大型斑块空间分布不均匀，主要分布在西北、中部与东南部，西北部与中部及东部网络连通度较差，综合阻力呈中东部高两侧低分布特征，中东部地区交通路网多，生态断裂点较多，生态环境相对较差。因此需要通过增加生态源地、建设踏脚石斑块及修复生态断裂点对生态网络进行优化，从而增加马鞍山市生态网络的稳定性。

(3)优化后的生态网络包括17个生态源地、136条潜在生态廊道以及11个脚踏石、9条重要廊道，并识别出42个生态断裂点，旨在为马鞍山市未来国土空间生态保护与修复等工作提供科学参考。