基于生态网络构建的贵阳市绿地景观格局优化研究

张守法

李 翅*

赵凯茜

1 背景

随着城市化进程的加速发展，城市规模不断扩大，居民生活水平得到了显著提高。然而，人们在享受城市化带来丰富物质和精神生活的同时，不得不面对日益严峻的生态问题。生境斑块减少、自然栖息地破碎化、景观连通性降低等问题成为制约城市可持续发展的重要因素[1-6]。党的十九大提出了坚持人与自然和谐共生的发展理念，把建设生态文明作为中华文明永续发展的千年大计。城市绿地景观的合理构建是国家生态园林城市评价的重要依据，也是生态文明建设最直接的体现。

20世纪90年代以来，绿地景观格局与生态网络一直是生态保护、景观生态学、城市规划学、风景园林等领域关注的热点问题[6]，其结构对城市生态文明建设和居民的幸福生活[7-8]具有重要影响。生态网络分析是研究生态廊道各组分之间相互作用和相互关系、识别生态系统内在属性的一种分析方法[5]，借此构建的生态网络，不仅能维持生态功能的完整性、优化城市绿地景观格局，还能有效应对城市绿地空间的减少和破碎化[9-10]。目前，学界关于生态网络与城市绿地景观格局的研究以可重复性的定量化[11]分析为主，主要有形态学空间格局分析(MSPA)方法[12-14]、景观连通性指数[15]、最小路径法[16]、最小累积阻力模型[17]、未来土地利用模拟(FLUS)[18]，以及最小成本路径分析[19-20]等。然而，由于生态空间的破碎化日趋严重，导致现有的针对绿色空间格局优化的各类评估技术在不同条件下所发挥的作用有限。因此，在前人研究的基础上，运用MSPA方法，基于最小成本距离原理，通过成本连通性(Cost Connectivity)工具建立起生态源地之间潜在的生态网络，对比分析迁移成本，不仅对客观研究绿色空间格局优化进行了补充，也为构建合理的城市生态环境提供了新的思路。

贵阳位于贵州省中部，是中国西南地区重要的中心城市之一，市域总面积8 043km2，中心城区总面积1 230km2，占贵阳市域面积的15.3%。截至2019年末，全市常住人口497.14万人，城镇化率达75.43%，城市建成区面积为359km2，绿地率39.26%，绿化覆盖率为41.51%，人均公园绿地面积13.4m2，森林覆盖率达到了52.16%(贵阳市统计局)。贵阳市总体绿化水平较高，相关指标均高于国家园林城市标准，但仍存在绿地分布不均衡、大型公园缺乏等问题。

本文的研究目的是：通过分析贵阳市现状景观格局，从景观连接度指数、斑块重要性等方面对其生态连接度及斑块重要性进行评价，构建潜在的生态网络体系，提出基于生态服务功能的贵阳市景观格局优化发展路径。由于贵阳市喀斯特地貌特征明显、斑块破碎度较大，空间格局的构建研究对于西南山地城市具有很好的参考实践价值。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

选择2018年3月份的Landsat-8遥感数据作为土地利用信息提取的数据来源(图1)，条带号127，行编号42，中心经度106.558°，中心纬度25.992 5°，云量4.36%，属于L1级数据产品。

图1 贵阳市中心城区遥感影像图①

2.2 研究方法及框架

首先，对预处理后的Landsat-8遥感数据用最大似然法进行监督分类得到现状土地利用分类图；其次，基于MSPA形态学空间格局分析方法，对土地利用分类中的林地、农用地、水域等景观斑块进行景观格局分析，识别出核心区(Core)、桥接区(Bridge)等7类景观类型；再次，通过Conefor 2.6软件对核心区斑块进行景观连接度评价及斑块重要性评价，识别生态源地；最后，通过ArcGIS 10.6平台，运用成本连通性(Cost Connectivity)工具构建潜在的生态网络并进行分析优化(图2)。

图2 研究框架

本文在进行潜在生态网络研究中创新性地使用了ArcGIS的成本连通性(Cost Connectivity)工具，该工具生成的结果是对最小成本距离(Cost Distance)结果的优化，不仅能反映斑块之间的连接关系，还能体现各条路径相对的迁移阻力及生成斑块内部的迁移廊道。一个区域内的迁移廊道越多，物种迁徙扩散的可能选择路径越多，区域的生态网络系统就趋于稳定与完善。在实际进行生态网络建设时还需综合考虑生态网络安全和经济建设成本，选择合理阈值进行廊道提取。

3 贵阳市生态网络构建

经过遥感解译得到贵阳市中心城区现状土地利用类型的分布情况(图3)，主要分为林地、农用地、水域、裸地、建设用地5类。建设用地面积占44.23%，占比最高；其次为林地占31.60%，农用地占20.32%，裸地占2.32%，水域占1.46%。建设用地被百花山脉、黔灵山脉和南岳山脉及百花湖、阿哈湖等分割，成组团状分布。林地集中在百花山-百花湖、黔灵山脉和南岳山脉一带，局部被建设用地、高速公路分割，斑块破碎化明显。农用地主要分布在建成区外围，斑块较为破碎和复杂。相关研究表明，复杂的景观类型对于多种生物栖息地的完整性较有利，在维持生物多样性等方面起着重要的作用[5]，因此将农用地作为构建生态廊道分析的一部分开展后续研究。

图3 土地利用遥感解译分类结果

3.1 景观类型MSPA分析

在生态网络构建方面，以形态学空间格局分析法(MSPA)为基础进一步研究贵阳市中心城区的生态空间结构。通过分析(图4，表1)可以看出，核心区(Core)斑块呈环状分布在贵阳中心城区周边，中心城区西北以百花山-百花湖沿线分布，内部以黔灵山脉、南岳山脉沿线大量分布。

图4 MSPA景观类型分类

表1 MSPA景观类型分类统计

从斑块面积上看，核心区斑块总面积约383.24km2，约占林地、农用地、水域总面积的56.20%。以百花湖、阿哈水库、长坡岭、鹿冲关、黔灵山、笔架山为主的核心区斑块面积较大，百花山脉、南岳山脉的核心区斑块连续性较好，黔灵山脉的核心区斑块在云岩区与南明区交界处破碎化严重，中断明显。花溪区的小型核心区斑块较多，呈破碎化分布。城市建设用地边缘，核心区斑块面积小，破碎化严重；城市中心以中型核心斑块为主，主要由观山湖公园等城市公园及零散的山体公园组成。

从边缘(Edge)来看，总面积177.91km2，占林地、农用地、水域总面积的26.09%，边缘区域对物种迁移非常重要，也是连接核心斑块与城市建成区域的过度范围，具有十分重要的廊道作用。另外，连接桥(Bridge)及分支(Branch)对生态网络的生态连接度贡献巨大，是核心区斑块之间及核心区斑块与城市建成区进行物种迁移、能量流动的重要通道。其次，中心城区范围内孤岛(Islet)面积为26.46km2，占前景研究区的3.88%，主要由城市开发建设造成的小型山体及城市内的小型绿地组成，在生态网络构成中能起到“踏脚石”的作用。

总之，贵阳市中心城区的核心区斑块主要集中在山区和水库，城市建成区内的核心区斑块较少，孤岛较多，破碎化程度高，缺乏联系。

3.2 生态源地提取

生态连接度是衡量斑块之间物种迁移是促进或者阻抑作用的重要指标。根据文献研究，主要的景观连接度指数有景观格局指数CI、生态连接度指数ECI、Harary指数、流动性指数Flux，以及整体连通性指数IIC、可能连通性PC和斑块相对重要性指数等。研究发现，整体连接度指数IIC和可能连通性PC比其他指数能更好地反应景观破碎化、识别重要的景观斑块及测度生态连接度[21]，而斑块相对重要性能反应单一斑块对整体连接度的贡献。

3.2.1 生态连接度分析

进行生态连接度计算，需要设置斑块之间连接阈值，2个斑块的距离在阈值之内表示连通，在阈值范围之外则表示不连通。IIC值只有连通与不连通2种情况，而PC表示的是可能性连接，其连接与否与斑块距离呈负相关关系。IIC和PC指数既可以反映整体的生态连接度，又可以计算出单一斑块相对于整体指数的贡献值，即斑块重要性值[22]。根据熊春妮[23]的研究发现，当距离阈值设置为500m时，dPC比dIIC值能更好地反应小班块的重要性。综合以上，本文选择整体连通性指数IIC、可能连通性PC及斑块重要性值dPC进行景观连接度评价及重要生态源地(最重要的核心斑块)的提取；距离阈值设置为500m，可能连通的概率设为0.5。

1)整体连通性指数IIC：

2)可能连通性指数PC：

3)斑块的重要值dPC：

式中，n为景观斑块总数；ai和aj为斑块i和j的面积；nlij为斑块i和j之间的连接数；AL为景观斑块总面积；Pij*为物种在斑块i与j之间迁移的最大可能性；PCremove为某一斑块移除后可能性连接指数值。

通过计算得出，当距离阈值设置为500m，可能连通性概率为0.5时，核心区斑块的整体连通性指数IIC为0.11，可能连通性指数PC为0.12，研究范围内核心区斑块的生态连接度较低；随着阈值距离的增大，连接度指数IIC和PC同时增大，表示核心区斑块的连接度随着阈值距离增长而提高，但是可能连通性PC的增长速率高于整体连通性指数IIC(表2)。

表2 核心区斑块连通性指数值

3.2.2 提取生态源地

1)核心区斑块的分类及特点。

贵阳市中心城区核心区斑块总面积383.24km2，数量1 633个。根据核心区斑块的面积大小进行分类统计[21]，将大于10km2的斑块划分为巨型斑块(Huge Patches)，5～10km2为大型斑块(Large Patches)，1～5km2为中型斑块(Middle Patches)，1km2以下为小型斑块(Small Patches)。

如表3所示，中心城区核心区斑块小型斑块数量最多，占总数的96.51%，面积68.64km2，占17.91%；中型斑块有39块，面积77.65km2，占20.26%；大型斑块和巨型斑块数量最少。贵阳市核心斑块以中型、大型、巨型为主，数量少、面积大，斑块整体性较好；小型斑块数量多、面积小、破碎化程度较高，主要分布于建成区边缘，与贵阳市喀斯特地貌发育完全及城市建设破坏关系密切。

表3 核心斑块类型统计

2)核心区斑块重要性分类。

根据研究发现，当阈值距离设置较小时，dPC比dIIC更能反映小斑块的重要性。因此提取重要生态源地时将阈值距离设为500m，计算每一个斑块的dPC值，并据此进行核心区斑块重要性排序：当dPC≥3时设为生态源地；3＞dPC≥1时为重要核心区斑块；dPC＜1时为一般核心区。基于此共判别出20个核心斑块作为生态源地。根据生态源地的重要性(依据dPC值大小)进行排序，其分布如图5所示。

图5 核心区斑块重要性分类

生态源地位于贵阳市百花山脉、黔灵山脉、南岳山脉的山区及百花湖、阿哈水库等地区。研究发现，面积较大的核心斑块对维持生物多样性具有十分重要的意义，但核心斑块的重要性排序与斑块面积无明显的相关关系(表4)，比如4、5号斑块面积比6号斑块要小，但4、5号斑块的重要性要比6号斑块靠前；9号斑块虽然面积仅有3.28km2，但其重要性比16号斑块(面积11.17km2)要重要得多。

表4 生态源地重要性指数

斑块连通性指数IIC对小班块的重要性反映不明显，但可以表明单一斑块的连通性。因此，重要性较高的斑块，连通性差(如10号斑块)，说明该斑块在生态网络中的位置十分重要，但是与其他斑块的连通性尚有提升的空间。

核心区斑块是贵阳市维持良好的生态环境、构建生态网络的基础，也是分割贵阳市中心城区各大功能组团的重要屏障。生态源地、重要核心区的分布往往位于山区、水库周边，虽然距离城市建成区有一定的缓冲距离，但点状的生态破坏导致核心区出现了大量的穿孔(Perforation)，对维持合理的景观格局和良好的生态功能产生了不利影响。城市建成区周边的核心斑块受到城市开发建设影响导致斑块破碎化比较严重，缺乏大型生态源地以保障完整的生态功能。

3.3 生态网络构建

3.3.1 原理及方法

本文通过ArcGIS的Cost Distance和Cost Connectivity工具计算生态源地之间最小迁移成本，生成成本迁移地图及最小成本连通网络即潜在生态网络。

Cost Distance工具基于生态源地与景观阻力面能识别出景观中最难以穿越的区域和生态源地之间的最低成本路径；而Cost Connectivity工具则定义为最低成本路径的优化网络，不仅仅是生态源地之间的独立路径，还能通过图论确定最小生成树，选择最低的成本路径进行连接生态源地。生态源地与最小费用距离利用最小生成树将映射返回输出要素，可以判别出各最小费用距离之间的成本大小。

3.3.2 生成潜在生态网络

通过生态源地与景观阻力面进行Cost Distance计算，生成最小累计成本地图。如图6所示，高成本(高阻力)区域主要集中在城市建成区；低成本区(低阻力)形成了东、中、西3条廊道，即以南岳山脉、黔灵山脉、百花山脉为主体的廊道空间。图中A、B、C、D 4个区域的累计成本较大，对绿色空间分割严重，其中A为贵阳通往清镇市的交通走廊，也是观山湖区产业园集中区；B为南明区花果园地区，该区域被东西向道路和城市建设用地分割，造成了大量的山体破坏，黔灵山脉南北向连通性降低；C区被开山采石造成山体破坏，开采区有相互连接之势，且山体东西两侧被兰海高速和铁路线分割，形成了孤立的景观斑块；D区是老城区和乌当区连接地段，该区域主要被中天花园、城市魔方及新添大道等造成了严重的隔离；E点为花溪公园，该区域虽不是重要的核心斑块，但却处于重要的连接桥(Bridge)位置，存在潜在的连接廊道，对东西向的斑块连接起到了重要的作用。

图6 最小累计成本地图

基于最低成本原理，使用Cost Connectivity工具生成中心城区潜在生态网络，并对各条生态网络的阻力大小进行评价。如图6所示，最小成本路径由绿-黄-红色表示迁移成本由小到大，在景观生态学上可以解释为物种在生态网络内的迁移难度逐渐增加。与图5综合对比发现，3号、20号、23号、19号均经过上述A、B、C、D高成本区域。经过研判，对路径上阻力值较大的关键节点开展生态修复或增补绿地，可以提高该网络的连通性，降低迁移成本；斑块内部的低成本路径，对穿孔(Perforation)及边缘(Edge)地区建立生态网络可提供有力的支撑。

4 基于生态网络构建的贵阳市景观格局优化

基于上述研究，贵阳市中心城区景观格局存在绿地分布不均衡、斑块破碎化严重及生态网络存在断裂点等问题。本文尝试提出以下3条策略。

4.1 严控城市发展边界，合理进行绿地布局

贵阳中心城区的巨型斑块主要分布在中心城区边缘，构成环形生态屏障。而城市建成区的扩大增加了生物迁移阻力，不利于生物多样性保护，也导致了生态系统服务功能下降。在减量规划背景下，严控城镇开发边界、严守生态红线对保持城市健康发展、保护生物多样性、维护生态安全具有重要意义。

贵阳市绿地景观格局的构建除了严格保护现有的生态源地之外，还应选择一部分重要核心区斑块作为生态网络的次级生态源地，形成更加完整的生态网络。本文将斑块重要性dPC≥3的重要核心区斑块定义为一级生态源地，将斑块重要性3＞dPC≥1的17个重要核心区斑块确定为二级生态源地，通过Cost Connectivity工具生成优化后的潜在生态网络(图7)。

图7 潜在生态网络体系构建

4.2 建设生态“踏脚石”，增补连接廊道

贵阳中心城区小型斑块数量多、面积小，容易在城市开发建设过程中被破坏侵占。其他斑块虽然面积较大，整体连接度较高，但斑块内部穿孔多，形成了筛网似的结构，使得一些核心斑块对整体生态连接度的贡献不大，也导致其重要性在评价中并不突出。

生态“踏脚石”为物种迁移提供中转落脚的生态环境，为生物多样性保护提供保障。通过大型城市公园及绿道建设，将面积较小的破碎斑块相互连接，提供物种迁移的“踏脚石”和生物通道，也为城市居民提供游憩空间，提升城市品质。

4.3 修复潜在廊道断裂点，降低迁移成本

生态网络的断裂点主要由城市连片发展及道路阻隔造成。研究区域的生态网络存在多处高成本节点，即潜在网络的断裂点，这些区域进一步开发建设可能会造成该迁移路径的彻底中断，对整个中心城区的生态网络影响重大。通过生态修复或生态廊桥等措施对关键节点进行修复连通，保障生态网络的完整，降低迁移成本。

综上所述，规划应当重视城市公园、道路绿带，以及斑块破碎化地区在生态保护中的作用，将城市公园作为生态网络的 “踏脚石”，通过生态修复、增加道路绿廊等手段织补、连接破碎的绿地斑块，提高生态网络的连通性，最终形成优化后的贵阳市中心城区的景观格局(图8)。

图8 优化后的景观格局

5 讨论

我国传统的生物多样性保护政策及学界的研究多以各类保护地为主[25]，而忽视了农用地在生物多样性保护方面的重要作用。农用地与林地相比虽然在植物多样性方面较为匮乏，但作为鸟类和其他野生动物的食源及栖息地具有重要地位[26]。本文虽然将农用地作为重要的景观类型进行了相关研究，但在其景观格局、生态过程及生态系统服务功能等方面未与其他景观类型展开对比分析，应当在进一步的研究中进行探讨。

6 结语

本文基于景观生态学理论，运用生态网络构建的方法结合相关的实践研究，对贵阳市中心城区的生态网络连接度进行分析。在研究中通过ArcGIS平台的成本连通性(Cost Connectivity)工具进行生态网络构建，该工具在生态网络构建中比成本距离(Cost Distance)工具更具优势。同时，在生态网络构建的基础上，针对贵阳市中心城区景观格局存在的问题，提出了优化策略，有针对性地对其景观格局进行保护优化，进而为贵阳城市的可持续发展及生态文明建设提供思路。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

①来源：地理空间数据云。