基于生境网络构建的昆明呈贡新区生物多样性保护*

刘俊男 龙雨丹 陈扬帆 高 凯

昆明理工大学建筑与城市规划学院 昆明 650000

生物多样性关系人类福祉，是人类赖以生存和发展的重要基础。目前，我国处于快速城镇化进程中，人为的活动对生态系统构成严重威胁，景观破碎化程度日益加深，区域生物多样性锐减。生境网络建设能够将破碎的斑块相互连接，形成完整连通的生态系统，有益于生物多样性的维持[1]。

基于生境网络构建与优化的生物多样性保护研究在国外起步较早、成果较多，例如Gurrutxaga等[2]结合斑块、廊道多种要素分析，利用最小路径法构建生态廊道，以此优化区域生态网络体系；Parker等[3]通过设计生态廊道连接破碎生境斑块，进而保护生物多样性。国内俞孔坚等[4]较早地应用相关理论构建生物保护景观生态安全格局；尹海伟等[5]、孔繁花等[6]提出多种分析方法与构建模型，丰富了不同领域的相关研究。近年来，基于景观形态空间格局分析(MSPA)的研究方法强调对研究内容的结构性连接，弥补了传统方法中人为选取生境斑块偏主观性的不足，使源地和廊道的识别更具科学性，受到了较多重视和应用[7]。

中国在生物多样性保护方面取得了重大成效，为维护全球生态安全作出了重大贡献，并作为主席国于2021年10月和2022年12月分两个阶段在中国昆明市和加拿大蒙特利尔市举办联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会。这既是对我国生物多样性保护工作的肯定，也为我国生物多样性保护研究及实践提出了更高要求。在此背景下，以快速城镇化的昆明市呈贡新区为例，基于MSPA和MCR等方法构建及优化生境网络体系，为城市化快速发展地区的生物多样性保护提供依据和参考。

1 研究区概况

呈贡新区(102°45′—103°00′E，24°42′—25°00′N)位于云南省昆明市南部，北临官渡区，东接宜良县，南与晋宁区、澄江县接壤，西侧为滇池，总面积461 km2，海拔820～1775 m，地势呈现为东高西低。研究区属低纬度高原季风型气候，全年光照充足，年均气温14.7℃。全区森林覆盖率达38.1%，植被类型丰富，以常绿阔叶林为主，自然生态资源丰厚。近10年来，伴随撤县换区、高铁站开通、城市发展重心南下等快速城镇化进程，呈贡新区生境破碎化严重、生态资源分布不均，区域生物多样性保护面临严峻挑战。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究数据均来源于地理空间数据云，主要包括:呈贡新区及周边区域2021年区县行政区边界及道路矢量数据；Landsat 8 OLI＿TIRS卫星数字产品2021年5月的30 m分辨率遥感影像；30 m分辨率数字高程数据等。数据处理:首先，通过ENVI 5.3软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正、光谱融合等预处理。其次，运用监督分类中的最大似然法进行精度验证，并结合实地调研，对处理结果多次修正。最后，将数据导入ArcGIS 10.8软件中将研究区现状分为林地、水域、耕地、草地、湿地、裸地及建设用地7种土地利用类型。

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA法的景观要素分析

研究从生物多样性保护出发，根据解译处理后的研究区土地利用数据，将林地、水域、草地、湿地4类具有生态扩张潜力的自然要素作为MSPA分析的前景要素，将耕地、裸地及建设用地3类作为背景要素[8]。研究区西侧的大型水域为滇池的一小部分，且深度较深，不利于多数生物的栖息和迁徙，因此未计入前景要素计算。提取要素数据转换为二值栅格图像，使用Guidos Toolbox2.8软件采用八邻域分析法进行分析[9]，并识别出MSPA的7种景观要素。目前的相关研究中绝大多数均把耕地作为背景要素分析，但从生物多样性保护的角度分析，耕地具有生物多样性保护的功能和价值，因此本文还尝试性地把耕地作为前景要素并做对比分析。

2.2.2 基于景观连通性评价遴选重要生态源地

研究从MSPA核心区中提取对维持连通性具有价值的区域，采用景观连通性指数进行评价，其中包括整体连通性指数(IIC，公式1)、可能连通性指数(PC，公式2)及斑块重要性[10](dI，公式3)。

式(1)至式(3)中，n表示斑块总数量，ai和aj表示斑块i和斑块j的面积，nlij表示i和j间的连接数表示i和j之间物种流动的最大概率，AL表示景观总面积，I为某个景观连通性指数值(本文分别指代IIC与PC)，Ir为移除某斑块后的连通性值，dI(dIIC、dPC)为移除斑块后的重要程度。

首先，选取面积不小于2 km2的核心区，设置连通距离阈值为1000，连通概率为0.5(参考Conefor 2.6用户指导手册)；然后，运用Conefor 2.6软件计算景观连通性；最后，将得出的每个斑块的dIIC和dPC整理并排序，dIIC和dPC值越大，则斑块重要性越高。

2.2.3 潜在生态廊道提取及其缓冲带用地分析

1)消费阻力面的构建。本研究确定土地利用、植被覆盖度(FVC)、高程(DEM)、道路及坡度5类作为消费阻力面的影响因素，并将各类因素分类分级处理，通过专家打分，赋予相应阻力值[11-12]；再采用层次分析法计算各影响因素所占的权重，构建多级分析结构模型[13](表1)。运用植被指数法处理遥感影像的多光谱数据，首先通过ENVI 5.3软件计算归一化植被指数(NDVI)表示区域绿色植被生长状态的指示因子[14]，然后基于像元二分模型，计算植被覆盖度[15]。选取呈贡新区主要道路，按实际红线宽度绘制，包括宽度为60 m的高速公路、30 m的国道、24 m的省道及20 m的铁路4类，再运用ArcGIS 10.8整合得到交通道路面状文件。基于ArcGIS 10.8通过数字高程影像分类处理得到各级高程数据，再运用坡度分析工具对呈贡新区坡度做出计算。基于权重值计算获取呈贡新区综合消费阻力面。

表1 各影响因素阻力值及权重

2)利用MCR模型提取潜在生态廊道。最小累积阻力模型(MCR，公式4)是指物种从起始生态源地到目标源地运动过程中，克服消费阻力面所需要的最小阻力或最短距离的路径的模型[16]。本 研 究 基 于MCR模 型，使 用ArcGIS 10.8中的Cost Distance和Cost Path工具，置入研究区及其周边区域消费阻力面栅格数据，计算得到生物扩张的最佳路径，并提取潜在生态廊道网络。

式(4)中，Dij为物种从源点j扩散至空间单元i的距离，Ri为物种穿过空间单元i所克服的阻力值，f为最小累积阻力与变量Dij和Ri的正相关函数。

3)廊道缓冲带分析。参考呈贡新区生物活动范围及生物保护廊道适宜宽度[17]，建立100 m、200 m两种不同宽度的缓冲带，并对其用地类型组成进行分析。

2.2.4 基于重力模型的重要生态廊道识别

起始生态源地与目标源地之间存在不同的相互作用强度，基于重力模型(公式5)能够定量分析源地间相互作用强度大小，强度较大的廊道具有较好的连接性，重要程度也相对较高。基于重力模型构建生态源地间相互作用矩阵，将其强度结果划分等级，识别出作用强度大于10的重要生态源地之间的廊道作为重要生态廊道。

式(5)中，Gab表示源地a、b间的相互作用强度，Na、Nb表示a、b两源地各自的权重值，Dab表示两源地间潜在廊道联系的阻力值，Pa表示源地a的阻力值，Pb为源地b的阻力值，Sa表示源地a的面积，Sb为源地b的面积，Lab表示a到b之间廊道的累积阻力值，Lmax表示研究区中所有廊道累积阻力的最大值。

3 结果与分析

3.1 MSPA景观要素分析

由图1、表2可知:自然要素中面积最大的为核心区，面积为178.65 km2，占自然要素的69.97%，占研究区面积的39.99%，说明呈贡新区具有良好的生物生境条件和生态潜力。大型斑块主要集中在区域的东部和南部，体现出近些年呈贡新区东部和南部的林地资源较为丰富，而中部建成区的核心区斑块面积较为有限且分布较零散，破碎化程度较高。自然要素中面积次之的为边缘区，占自然要素的13.32%，该区域可形成生物生存的边缘效应，边缘区面积较高会使适宜生物活动的核心区生境减少，加重物种分散。对生物迁移扩散具有重要作用的桥接区面积占比较低，仅占自然要素的3.56%。综上，呈贡新区尽管具有较大面积的核心区斑块，但斑块分布不均匀，总体格局分散，破碎化较严重。

3.2 重要生态源地

dPC与dIIC数值较高的源地在给物种提供生存栖息地的同时，还能够有效维持景观的连通性，有利于物种信息和能量的交换。由图2和表3可知，呈贡新区内重要生态源地分布不均，南部源地面积较大且连通性指数值较高，呈狭长型分布，中西部区域缺乏大型生境斑块，生态源地间的dPC、dIIC值存在较大的差异。

表3 生态源地连通性指数

3.3 潜在生态廊道及其缓冲带用地分析

基于MCR模型和构建的综合消费阻力面定量计算和识别，研究共提取呈贡新区内部9个重要生态源地间相互连接的36条潜在生态廊道，形成潜在生境网络(图2)。生态廊道缓冲带用地分析结果(表4)表明，林地与草地两种自然生态景观在廊道的景观类型构成中占比较高，其中林地在两种宽度的廊道缓冲带中占比分别为69.12%、69.53%，是研究区物种迁徙过程中的优势景观类型，有利于增强生态廊道的可达性和建设的可行性。建设用地在廊道景观构成中占比分别为5.76%、5.44%，比重不高但对物种迁徙有较大阻碍作用。

表4 潜在生态廊道的缓冲带用地分析

3.4 重要生态廊道识别

由表5可知，不同源地间的相互作用强度具有明显差异:相互作用较强的源地间生态廊道的物种迁徙消费阻力较小，生物生存适宜性较强；相互作用较弱的生态源地间阻力较大，距离较远。本研究识别出相互作用强度大于10的重要生态源地之间的13条重要生态廊道(图2)，主要分布在呈贡新区东北部和南部地区，中西部缺乏重要生境斑块以及斑块间的有效连接。

表5 重要生态源地相互作用强度矩阵

4 昆明呈贡新区生境网络体系优化策略

4.1 增设踏脚石

踏脚石是距离较长或阻力较高的生态廊道中生物的短暂休息区域，能提高生物迁移过程的存活率以及生境网络的稳定性。踏脚石通常选取廊道中阻力值较小或廊道间的交叉点区域，也可选取桥接区作为重要衔接点。本研究根据呈贡新区内生态源地和生境网络的分布以及实际生态环境条件，选出25个踏脚石节点作为提升斑块有效连接性的关键点(图3)，有助于缓解中西部区域重要生境斑块间连接性差的问题。由于大部分踏脚石所在斑块的景观要素主要以林地和草地为主，应对其进行保护和修复，并加强斑块与周围林地统筹治理，将生境斑块连小成大。

4.2 修复断裂点

人为的交通建设对物种迁徙有较大的阻碍作用，交通网络与生态廊道相交处会对生态网络产生切割，形成生态断裂点，造成斑块的阻隔。高速、铁路等大型交通运输道路严重阻碍了廊道内物种的正常交流，生物迁移时易造成车辆撞击的伤亡情况[18]。因此，本研究结合交通路网，根据断裂点影响程度，分别提取主要生态断裂点24个及次要生态断裂点11个(图3)。主要生态断裂点多集中分布于呈贡新区北部，应着重注意对断裂点处生态环境的建设，加强绿地修复，可适当增设廊道，为物种迁徙提供良好的生物通道。

图3 呈贡新区生境网络空间体系优化

4.3 构建生物多样性内外生境网络

生境网络是一个完整的、开放的系统。加强研究区域内外的交流互通，有助于提高生态系统连通性和稳定性，有利于生物多样性保护。研究基于MSPA遴选出呈贡新区周边的官渡区、宜良县、晋宁县与澄江县4个区域的重要生态源地，并与呈贡新区内部生态源地关联，基于MCR模型构建内外联系的生态廊道网络。如图4所示，呈贡新区内边缘生态源地与周边区域生态源地有较好的连接性，能够为物种内外迁徙交流提供保障。研究选取呈贡新区周边6个高连接度的大型生境斑块，提取30条有利于物种扩张的生态廊道，分布较均匀，东北-西南方向为主要廊道连接纽带。

图4 呈贡新区及周边生态网络

4.4 保护区域农田生物多样性

农田具有一定的生物多样性保护价值，但易被忽视[19]。与以往研究不同，本研究模拟将耕地加入MSPA分析前景要素，将农田与自然要素有机结合，构建呈贡新区农田影响下的生物多样性保护生境网络(图5)。将耕地加入MSPA分析前景要素后，核心区面积为264.81 km2，占研究区总面积的59.29%，比此前增加了19.3%，核心区面积有显著扩大；对生物生存形成边缘效应的边缘区面积为24.72 km2，在研究区面积占比中同比下降了2.09%，对此前核心区生境减少与物种分散问题有所改善。由图5可知，呈贡新区东部形成了高完整度与高连通性的生境源地，与只以自然要素为前景要素相比，生境廊道网络分布趋于简化，主要集中在呈贡新区中西部建成区域，贯穿其南北方向，形成了东林田、西滇池的生物保护格局。农田在物种交换过程中起到积极作用，为生物迁徙提供食物与栖息的保障，弥补了区域生态破碎化与低连通性的不足，具有生物多样性保护的重要意义和可行性。

图5 呈贡新区农田影响下的生境网络

5 讨论

生境网络的构建，为生物迁徙交流和能量交换提供可能，是区域生物多样性保护的关键。MSPA与MCR结合的量化研究方法为源地识别、廊道提取、网络构建等提供了科学依据，被广泛应用于不同尺度生态网络及绿色基础设施网络构建与规划中[20-21]。本研究结果表明，此方法在以生物多样性保护为最终目的的生境网络构建方面也有广阔的应用前景。农田生境具有较高的鸟类等生物多样性[22]，但目前缺少其在生境网络构建中的相关研究。本文充分考量农田对生物多样性保护的重要作用，模拟农田作为MSPA前景要素，提出将农田加入区域生境网络构建的可行性，凸显其生物多样性保护的功能。

基于生境网络在生物多样性保护中的重要作用，生境网络构建及其优化日益受到学者重视，成为学界新兴热点，如汪洁琼等[23]基于水鸟栖息地保育构建及优化城市滨水生境网络。吴未等[24]打破行政界线，基于跨区域视角优化苏锡常地区白鹭生境网络，成为该研究领域的亮点和创新。本文采取此思路下的不同研究视角，突破以往研究将研究区域孤岛化的弊病，注重研究区内外生境网络的连接，强调生物多样性保护的整体性理念，促进物种融合交流，实现自然系统整体规划的思路与途径。

6 结论

MSPA的核心区面积占比最高，具有良好的生物生境条件和生态潜力；廊道缓冲带中林地与草地是物种扩散过程的优势景观类型，有利于廊道的可达性；重要斑块与廊道主要分布于呈贡新区东部与南部，丰富的林地、草地资源为物种提供良好的栖息地与缓冲带。增设“踏脚石”、修复断裂点、构建生物多样性内外生境网络、保护区域农田生物多样性等针对性优化对策，可完善区域网络的连接，有助于区域生物多样性保护，也为相关部门在规划决策方面提供依据。