基于“HY-LM”的生态廊道与生态节点综合识别研究

韦宝婧,苏 杰,胡希军,*,徐凯恒,朱满乐,刘路云

1 中南林业科技大学风景园林学院,湖南省自然保护地风景资源大数据工程技术研究中心,城乡景观生态研究所，长沙 410004

2 南京大学建筑与城市规划学院，南京 210093

3 中国城市建设研究院有限公司，北京 100120

2020年9月《市级国土空间总体规划编制指南(试行)》(自然资办发[2020]46号)中提到需“明确自然保护地等生态重要和生态敏感区域,构建重要生态屏障、廊道和网络,形成连续、完整、系统的生态保护格局和开敞空间网络体系,维护生态安全和生物多样性”。生态网络是一个区域同类型生态系统的集合,是形成区域生态斑块有效连接的方式之一,构建生态网络和生态廊道是恢复和维护生态连通性的重要策略[1]。生态廊道作为沟通生态斑块的桥梁,是不同于两侧基质的线状或带状景观要素,也是生态斑块间物质、能量及信息交换的通道[2],因此借助生态廊道可促进物种栖息、繁衍、迁徙和扩散等生态过程[3]。目前学者们多运用基于最小累积阻力模型(MCR)提取最小费用路径[4—6],即为生态廊道；近年来部分学者利用水文分析原理通过提取累积耗费距离的山谷线作为生态廊道[7]；少量学者运用Linkage Mapper工具提取带有宽度信息的生态廊道[8—9],其本质是计算与最近源地的加权成本距离。生态节点是指生态廊道上对斑块间生态过程起关键作用的生态地段[10],一般位于廊道的最薄弱处,起“踏脚石”作用的生态节点可实现斑块间从结构联动到功能连通的转变[11—12],对维持生态安全格局、生态网络构建中各组分间物质能量交流过程具有战略节点价值。依据已有研究对生态节点的识别方式,生态节点是环绕相邻源的等阻力线的相切点[10,13],也有是与最小费用路径的交点[14—15],还有是不同等级廊道的交点[16],甚至有的是基于电路理论识别出生态“夹点”和“障碍点”[17]。

大量的研究为生态网络构建提供了较为成熟的研究范式[18],也为生态安全格局构建、生态规划建设及物种保护等战略部署提供重要方法依据。在这些生态廊道提取方法中,MCR模型运用ArcGIS的成本路径工具识别源地间最小耗费路径确定物种迁徙与扩散的所有可能路径,其过程需大量反复操作且生成的廊道冗杂；Linkage Mapper工具进行生态廊道识别的原理与MCR基本相同,其优势在不需要人为对剔除重复冗余廊道,即可通过设定廊道长度阈值等操作得到含一定宽度信息的生态廊道；利用水文分析原理除了得到源地间生态廊道外,还可生成许多以源地为中心的、按照累积阻力面向周围景观展开的低阻力通道,一般呈辐射状展开,称为辐射道[19],是区别于MCR模型和Linkage Mapper方法识别的生态廊道,辐射道对于加强源地与周围基质的连接以及连接潜在源地具有重要作用[20]。在生态节点判别方面,MCR模型主要将生态廊道交汇处判别为生态节点,而Linkage Mapper工具进行生态节点判别其优势主要通过分析生态“夹点”和生态“障碍点”而确定,带有明确的空间及区域信息,不仅是简单的廊道相交；水文分析原理则可形成集水“盆地”确定生态节点,目前已被多数学者认可[21]。目前的研究方法和思路多基于某一种识别方法进行生态廊道提取和生态节点判别,多方法、多目标的综合识别研究较少。

本文以福建省上杭县为实例,运用水文分析原理和Linkage Mapper工具等分别提取生态廊道,叠加合并后构成上杭县综合生态廊道体系,利用Circuitscape工具识别其生态“夹点”和“障碍点”,与水文分析“源-汇”原理识别所得的生态薄弱点进行叠加获得上杭县综合生态节点空间分布。对生态廊道和生态节点进行等级划分,关键生态廊道和关键生态节点构成了上杭县生态网络关键地段,对关键地段不同宽度缓冲区设定下所覆盖的土地覆被类型构成进行分析,从而为区域生态安全格局、国土空间规划与生态系统修复等研究提供较为科学、全面的研究思路和研究方法,同时也可为生物多样性保护与生态建设提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

上杭县隶属于福建省龙岩市,又称杭城、杭川、金杭,位于福建省西南部,龙岩市域中西部,汀江中游(图1)。上杭县境内丘陵起伏,西侧属武夷山脉南段的延伸分支,境内水系密布,有汀江、九龙江、梅江水系,其中汀江是福建省四大河流之一。上杭县属亚热带季风气候,温暖湿润,降水充沛,原生植被类型为中亚热带常绿阔叶林,森林覆盖率达75.1%,是我国南方48个重点林区县之一。由于受人为活动的影响和生态环境的改变,仅有步云、古田的梅花山区有保存较好的成片原生植被。

图1 上杭县区位图

1.2 数据来源及预处理

土地覆被数据来源于国家基础地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)2020年全球30 m 地表覆盖数据(GlobalLand30),根据上杭县行政边界矢量裁剪,获取上杭县2020年土地覆被数据,分为森林、水体、耕地、灌木地、草地、湿地、人造地表七类；DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)ASTER GDEM 30M 分辨率数字高程数据,条带号120,行编号43；上杭县道路、河流数据均由上杭县自然资源局提供,年份为2019年；2020年上杭县NDVI数据来源于Landsat系列遥感影像,并根据上杭县主要作物物候期(即2020年7月1日—2020年10月31日)进行中值处理。

基于生态重要性角度综合上杭县森林公园、湿地保护区(水库、水源保护地等)、梅花山国家自然保护区、自然保护小区等区域,删除重复、细碎斑块,获得上杭县生态源地分布图(图2),共73个生态源地,源地内主要保护物种以陆生动物为主,有眼镜蛇Najaatra、穿山甲Manispentadactyla、蟒蛇Pythonbivittatus、虎纹蛙Hoplobatrachuschinensis、云豹Neofelisnebulosa、大灵猫Viverrazibetha、苏门羚(中华鬣羚)Capricornismilneedwardsii、野猪Susscrofa等。

图2 上杭县主要生态源地分布

2 研究方法

研究方法由三部分组成,即生态源地的筛选和综合阻力面构建、生态廊道综合识别、生态节点综合识别。技术路线如图3所示。

图3 技术路线

2.1 阻力面构建

(1)阻力因子选取

生态阻力值主要受土地覆被类型和地形坡度影响[22]。对于大多数生物,特别是陆生物种来说,建设用地、道路和水域是物种迁移扩散的重要障碍,由于遭受强烈的人为干扰,城市建设用地(人造地表)景观阻力赋值最大；高速公路与铁路对生态斑块的阻隔作用较大,因此道路的景观阻力赋值也较大；大的水域可能更多的是对陆生物种的阻隔作用,而小的水域是动物迁徙过程中的重要水源,因此将主要水域按照距水域不同的距离分别赋予不同的景观阻力值。参考前人研究成果[23]及综合上杭县实际情况,选取土地覆被类型、距道路距离、地形起伏度、坡度、距水域距离、NDVI植被指数等为主要阻力因子并进行分级赋值(表1、图4)。

表1 阻力因子与阻力值

图4 上杭县域生态阻力基面

(2)阻力值确定及综合阻力面构建

利用ArcGIS对阻力因子分级、标准化处理,参考文献资料及结合上杭县实际情况将其标准化为5级[24—25]。目前在阻力值权重方面主要分为客观赋权法和主观赋权法两种,前者根据阻力因子反映的统计信息对阻力因子赋权,如熵权法、主成分分析法等,后者结合专业知识和专家经验综合确定指标权重,如层次分析法、灰度关联度分析法等[26],目前多数研究采用层次分析法[27]。然层次分析法权重的主观性较大,未对各阻力因子深入分析可能会导致结果与实际误差较大,考虑模型可行性、综合阻力面结果的客观性和准确性,本研究采用熵权法求取阻力因子权重。熵权法既可以克服主观赋权法无法避免的随机性、臆断性,还可以有效解决多指标变量间信息的重叠问题,熵权法主要运用于面板数据的指标权重求取。本文引入熵权法,将其与GIS空间地图代数功能相结合构建基于空间化的数据指标,确定各阻力因子权重(表2),将6个阻力因子加权叠加得到综合阻力面(图5)。

表2 阻力因子熵权

图5 综合阻力基面

2.2 Linkage Mapper

(1)生态廊道提取

最小成本路径(Least-cost path method,LCP)能够计算物种在源地间迁徙经过不同阻力的景观面所克服的累积阻力值。利用Linkage Mapper(LM)工具在ArcGIS平台把综合阻力基面和生态源地一同导入,识别物种迁移扩散的最小成本路径,获得最小成本距离通道,即生态流通道,本研究中用于截断生态走廊的成本加权距离阈值设置为20 km[28]。

(2)生态节点判别

Circuitscape程序基于电路理论对不同景观进行连接建模[29],该模型利用电荷的随机游特性,将电路理论与运动生态学联系在一起。运用Linkage Mapper工具箱中的Pinchpoint Mapper模块调用Circuitscape程序将所有核心生境斑块对(包括非相邻核心生境斑块对)之间的电流进行组合,生成累积电流图,估算每个生态源地斑块与廊道的中心性值,识别最小成本廊道内的夹点(Pinch Point)位置[30],以“夹点”电流值评估廊道和连接点对于维持整个景观连接性的重要性[31—33]。本文利用Pinchpoint Mapper模块,分别选择“all-to-one”和“Pairwise”模式迭代运算。鉴于廊道宽度不会影像夹点位置与区域连通性,本研究设置10000 m加权成本距离作为廊道宽度,电流密度按自然断点法分为四类,提取最高值为生态“夹点”。

Barrier Mapper是Linkage Mapper工具箱的组成之一,可检测到影响通道质量的重要屏障(障碍物),运行Barrier Mapper中运用移动窗口搜索法,把搜索窗口中心像元数值替换为源地之间最小耗费距离值,用单位最小费用距离改善值表征障碍点移除后连通性的改善情况[34—36],数值大的区域即廊道中的障碍点(Barrier Point),修复后可增强源地间连通性。选择“Maximum”模式,经过反复阈值迭代计算,以250 m为半径迭代运算结果最佳。

2.3 水文分析原理

水文分析原理(HY)常用于基于高程DEM数据提取河流网络、划分流域等水文分析中。借鉴ArcGIS中水文分析方法,以累积耗费距离表面为基础进行一系列水文分析操作,最终形成低阻力值“河流网络”,根据“河流分级”工具最终提取低阻力“山谷线”为潜在生态廊道。水文分析中确定生态节点组成的方法主要遵循以下原则：生态节点应具备一定规模的“集水盆地”,即辐射区域；生态节点应在“河网等级”较高的“河道”、“集水盆地”出水口和“河流”交叉点,这些生态节点皆为生态廊道中的重要位置且为生态薄弱点。

以所有生态源地为对象利用ArcGIS中的Cost Distance工具分析得到研究区累积耗费距离表面,以此为基础,结合研究区实际情况,借鉴水文分析原理利用Hydrology工具对洼地填充、计算无洼地的水流方向,汇流累积量,通过反复设定阈值,确定汇流累积的值,进一步确定源地之间最小通道即潜在生态廊道[37]。通过阈值测试,确定1500处源间最小累积耗费路径的完整性(延伸性)和连通性较好,因此提取大于1500的值,矢量化、平滑处理后即得到物种扩散或生态流运行的低阻力“山谷线”,确定潜在生态廊道的空间位置。

2.4 重力模型

目前重力模型(Gravity model)已被广泛用于空间相互作用的相关分析中,在城市规划、人文科学、经济地理等与相互关系有关的研究中应用最多[38—39]。生态廊道的有效性及重要性主要通过源地之间的相互作用强度来表达。运用重力模型可构建生态源地间的相互作用矩阵,从而可定量判别生态源地间的相互作用强度,并结合研究区实际情况判断生态廊道的重要性,本研究依据重要性将廊道分为关键生态廊道和一般生态廊道两类[40]。重力模型公式如下：

(1)

式中,Gij代表的是斑块i与j的相互作用强度的大小；Ni与Nj代表斑块i与j的权重系数大小；Dij代表斑块i与j的潜在廊道标准化阻力值大小；pi表示斑块i的整体阻力值大小；Si为斑块i的面积；Lij表示斑块i与j的潜在廊道的累积阻力值数值；Lmax代表区域内所有廊道的阻力值最大数值。

3 结果与分析

3.1 基于Linkage Mapper 提取生态廊道和节点

3.1.1生态廊道提取

基于Linkage Mapper工具箱的Linkage Pathways Tool工具识别生态流通道,生态流通道带有一定宽度信息,可为后期生态廊道规划宽度提供一定的参考。生态流通道映射出生态廊道187条(图6),实现了每个源地均有廊道被连接且形成网络回路。

图6 Linkage Mapper识别生态廊道分析

3.1.2生态节点判别

在Pinchpoint Mapper工具中使用多对一(all-to-one)模式调用Circuitscape,鉴于廊道宽度不会影像夹点位置与区域连通性,本研究设置加权成本距离10 km为廊道宽度,获得“all-to-one”电流密度图,进而提电流高密度区域为夹点区域和生态节点,43个。在Pinch point Mapper工具中使用成对模式(Pairwise)模式调用Circuitscape,设置加权成本距离10 km为廊道宽度,获得“Pairwise”模式电流密度图,进而提取电流高密度区域为“夹点”区域和生态节点(图7),共52个。

图7 基于Pinchpoint Mapper生态节点分析

利用Barrier Mapper对源间生态廊道进行障碍点分析。可通过两种设定分别检测改进到得分高的节点与原始连接相对较高的节点,即未选定改进得分相对于LCD(least-cost distance)百分比和选定改进得分相对于LCD百分比,分别提取生态“障碍点”40个、15个,共55个生态障碍点即生态节点(图8)。

图8 基于Barrier Mapper生态节点分析

3.2 基于水文分析原理提取生态廊道和节点

3.2.1生态廊道提取

基于生态源地之间的累积耗费距离表面,运用水文分析原理提取连接性较好、较完整的“山谷线”,共提取240条生态廊道(图9),生态廊道分布多呈“西北-东南”向,这与累计耗费距离的阻力值空间分布基本一致。

图9 基于水文分析原理生态廊道识别分析

3.2.2生态节点判别

基于水文分析原理从低阻力值路径中提取辐射道,即除了两“生态源地”之间的生态廊道,以某个“源地”为中心向外辐射的所有低阻力谷线。生态节点即低阻力路径的交汇点或低阻力和高阻力的相交处,而某个“源地”即生态节点,它将零散的斑块连接起来,并对生态流的运行起关键作用[41],共提取生态节点133个(图10)。

图10 基于水文分析原理生态节点识别分析

3.3 生态廊道与生态节点综合识别

3.3.1关键生态廊道提取

在Linkage Mapper获取的生态廊道的基础上,叠加水文分析原理所提取的生态廊道互为补充、验证,增强生态廊道的连通性,进而根据上杭县实际情况删除冗杂、多余廊道后提取最终综合生态廊道分布图(图11),共提取生态廊道197条。利用重力模型,分析源地间相互作用强度,形成重力模型重要值矩阵,根据上杭县主要生态源地间的相互重要值矩阵将源间生态廊道分为两级,重要值大于500000的生态廊道为关键生态廊道,其余为一般生态廊道。综合水文分析原理获得的辐射道,根据源地间的相互重要程度及生态廊道的分布,综合考虑关键生态廊道连通性、去除冗余的辐射道选取剩余辐射道作为关键生态廊道,共同构成上杭县生态廊道等级(图12),关键生态廊道共103条(含辐射道30条),一般生态廊道124条。

图11 综合潜在生态廊道

图12 生态廊道等级划分

3.3.2关键生态节点提取

从保护现有生态节点和改善现有源地间连通性两个角度出发,将水文分析判别的生态薄弱点和Linkage Mapper工具箱中Pinchpoint Mapper和Barrier Mapper识别的有效改善区域、连通性较好的生态夹点和生态障碍点叠加综合共得到283个生态节点(图13)。结合上杭县关键生态廊道与潜在生态廊道分布,基于前人的研究[42]将位于关键生态廊道与关键、潜在生态廊道的交点及关键生态廊道这点的生态节点作为关键生态节点；当多个关键生态节点重合时选取其中之一作为关键生态节点,剩余作为一般生态节点,最终提取关键生态节点97个,一般生态节点186个(图14)。

图13 综合生态节点

图14 生态节点等级划分

3.3.3关键生态廊道与关键生态节点分析

(1)关键地段分析将阻力面栅格利用自然断点法分为低阻力、较低阻力、中度阻力、较高阻力和高阻力5个级别,同时将关键生态廊道与关键生态节点进行叠加,结合生态源地分布,得到研究区关键地段分布图(图15)。由图可看出,关键生态廊道分布受生态源地空间分布的影响主要集中在上杭县的北部、东北部和西部,同时有辐射道存在,而这些区域也是高阻力和较高阻力较为集中的区域；关键生态廊道加强了生态源地与周围基质的物质能量交流,同时也减缓了生态源地空间上分布不均的问题,这在一定程度上可增强上杭县西北、东南部的绿色生态建设,为潜在生态源地的连接提供可能性。关键生态节点在空间上分布相对均匀,与生态源地分布较一致在东北、西南及西北分布较稀疏,这也说明在源地分布密集的区域需加强生态节点建设,降低阻力值,增加生态节点促进连通性的作用。此外,关键生态节点多集中在生态源地周边,也说明了上杭县自然保护区、国家森林公园、湿地保护区等范围应综合考虑关键生态廊道和关键生态节点的分布重新界定保护范围,以更好的实现源地间的物质、能量交换。

图15 关键地段分布图

(2)土地覆被构成分析

关键生态廊道是生态源地之间进行物质、能量等信息交换时所耗费累积阻力最小的通道,是关键生态源地间最有效的连接。生态廊道一般都有一定的宽度,适当的廊道宽度可增加其连通性。选用30 m、60 m、90 m、150 m、300 m、500 m进行缓冲区分析,获取到不同廊道宽度下的关键生态廊道的土地覆被类型组成(图16)。由图16所示,在30—500 m宽度时,森林的占比均大于80%,但随着廊道宽度的增加森林面积占比逐渐下降,从88.05%下降到81.1%；耕地、草地、人造地表和灌木地的面积占比随着廊道的加宽而增大,其中耕地和草地的增加趋势较大,分别从5.52%、3.85%增加到9.44%、5.76%,而人造地表、灌木地的增幅不大；水体随着廊道宽度的加大其面积占比变化微小,廊道宽度加大到500m时才有0.002%的湿地。由此说明,森林、耕地和草地等土地覆被类型在关键生态廊道中占主要地位。

图16 不同生态廊道宽度下土地覆被类型构成

关键生态节点是提升生态廊道连接性的重要战略点,同理生态廊道具有一定的宽度才能更好的发挥其促进连接作用。与生态廊道保持一致选用30 m、60 m、90 m、150 m、300 m、500 m进行缓冲区分析,获取到不同廊道宽度下的关键生态节点的土地覆被类型组成(图17)。由图所示,结果与生态廊道一致,随着廊道的加宽森林的面积占比虽从80.87%下降到77.08%,但仍在所有土地覆被类型中占绝对优势；耕地、草地、人造地表和灌木地的面积占比随着廊道的加宽而逐渐增大,其中耕地和草地的增加趋势较大,分别从9.89%、4.29%增加到11.48%、6.25%,而人造地表和灌木地增幅不大；水体的面积占比却随着廊道宽度的加宽从2.31%下降到1.78%。由此说明,关键生态节点的土地覆被构成占比及趋势与生态廊道保持一致,即森林、耕地、草地为主要土地覆被类型构成。

图17 不同生态节点宽度下土地类型构成

综合关键生态廊道和关键生态节点土地覆被类型组成比例可知,森林、耕地、草地为其主要土地覆被类型构成,在30—500 m宽度设定下三类要素的占比和均大于90%,当廊道预设宽度增加时其占比和会降低,但幅度不大。为了使区域生态廊道连通性更好,免受外界影响,优化关键生态廊道和关键生态节点所在的森林、灌木地、草地等自然要素生境质量,降低景观阻力,促进生态源地间物质和能量流交换,维护区域生物多样性；增强水体和道路等阻隔性要素连通能力,如架桥或修路时需考虑生物迁徙通道,强化其生态建设,最大程度降低其景观阻力；随着缓冲区宽度的增加,面积占比增加的区域将成为生态廊道和生态节点建设与改善的关键点；此外在保护基本农田的前提下加强耕地防护带建设,而在人造地表区域保证一定规模的绿化隔离带并且在生态空间建设中保证生态廊道的连通性和生态节点的“踏脚石”作用。

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)在生态网络及生态安全格局构建及优化研究中,生态源地的识别、生态廊道的提取和生态节点的判别都是关键性问题,目前本研究仅着眼于生态廊道的提取和生态节点的判别研究思路和方法,未进行生态源地的综合识别,而综合、多功能生态源地的空间分布在一定程度上会影响生态廊道和生态节点的空间分布。福建省上杭县林地面积占国土空间面积的76.78%,大面积的林地为生物栖息、迁徙等生态过程提供了良好的生境基础,虽然目前的生态源地基本覆盖了上杭县境内保护生物的分布区域及活动范围,但还是会对物种迁徙运动及物种保护区范围划定有一定的影响。

(2)关键生态廊道和关键生态节点土地覆被类型构成分析主要目的在于分析其空间分布及指明生态规划建设方向。根据上杭县土地覆被类型构成分析结果,虽然耕地面积占比相对林地较少,但基于目前国土空间规划及基本农田保护条例,耕地是否可纳入生态廊道和生态节点建设还需进一步探讨。

(3)综合Linkage Mapper工具箱分析模块提取的生态廊道、生态“夹点”、生态“障碍点”不仅可为构建生态网络提供新的思路和研究方法,而且其分析结果可为多物种迁徙运动及物种保护区的范围划定及建设提供科学参考。根据水文分析的“源-汇”原理,物种从趋于向低阻力值方向迁徙,生成的“主河道”和辐射出的支流形成能量流“盆域”,这也为物种迁移及保护提供了一种有效的补充。

4.2 结论

在结合上杭县实际与前人研究结果的基础上,构建综合阻力面,进而借助GIS技术,运用水文分析原理和电路理论的研究思路和方法,以福建省上杭县为实证进行生态廊道和生态节点识别研究,为区域生态网络、生态安全格局构建及优化研究提供新的研究思路和研究方法,研究结论如下：

(1)基于陆生动物迁移特征,土地覆被类型、距道路距离、地形起伏度、坡度、距水域的距离、NDVI植被指数为主要阻力因子,其中土地覆被类型、距水域距离和距道路距离对综合阻力面影响较大；

(2)运用水文分析原理和电路理论的连接度模型,叠加筛选后共提取240条生态廊道,运用重力模型对生态廊道的有效性及重要性进行判别并结合水文分析提取的辐射道提取关键生态廊道103条(含辐射道30条),一般生态廊道124条；

(3)运用水文分析原理和Linkage Mapper的Pinchpoint Mapper和Barrier Mapper模块共提取283个生态节点,结合关键生态廊道的分布及廊道交叉点分布提取关键生态节点97个,一般生态节点186个；

(4)关键生态廊道和关键生态节点主要集中在高阻力和较高阻力值集中的区域,需在这些区域加强生态建设,降低阻力值以促进生态网络连通性；同时关键生态节点多分布在生态源地周边,为实现源地间物质、能量交换建议根据关键生态节点分布重新界定保护区范围；

(5)对关键生态廊道、关键生态节点缓冲区土地覆被类型构成进行分析,森林、耕地和草地等土地覆被类型占比具有绝对优势,尤其是林地景观,在生态建设中需优化其生境质量降低景观阻力,同时增强水体和道路的连通性如架桥或修路时需考虑生物迁徙通道,强化其生态建设最大程度降低景观阻力；随着廊道宽度的增加,面积占比增加的区域将成为生态廊道和生态节点建设与改善的关键点。