基于MSPA与MCR的崇左市生态网络构建与优化

蒋若琳，龚本海，王艺锦，王凌晖*

（1.广西大学 林学院，广西 南宁 530004；2.广西旅游规划设计院，广西 南宁 530012；3.广西民族大学 建筑工程学院，广西 南宁 530006）

0 引言

在经济快速发展的背景下，城镇化推进带来的生境斑块破碎化、景观间连通性降低等生态环境问题日益凸显，导致生物多样性降低、生态系统功能遭受破坏。生态网络以景观生态学理论为支撑，通过生态廊道将破碎化斑块有机连接，从而形成完整连续的空间结构，可有效减轻生境破碎化危害。促进生物多样性保护及生态质量的改善［1-3］，其关键在于生态源地识别及生态廊道构建［4-5］。近年来，形态学空间格局分析（MSPA）从像元层面将研究区栅格图像的空间格局进行度量、识别和分割［6］，能精确辨别景观的类型及结构，且结合景观连通性指数可定量识别生态源地，区别于直接将自然保护区［7］、风景林［8］等生态价值较高的大型斑块直接作为生态源地的方法，减少了源地选取的主观性，降低了重要小型斑块表达遗失的可能性。采用最小阻力模型（MCR）可综合研究区的自然、人为等因素，模拟物种迁移与扩散的最佳路径［6］；MCR结合重力模型、图论及网络分析方法［4］可以进行定量分析，以构建及优化生态廊道。

目前我国学者已就用MSPA与MCR构建生态网络开展了一系列研究，研究区域涉及城市［3，5］、山地［4］、流域［9］等，结合国土空间规划背景［10］、生态风景道选线［11］等已积累一些理论和应用成果。当前针对崇左市域生态网络构建的研究尚较少，陈璟如［12］采用最小阻力路径构建了崇左白头叶猴生态网络，而通过实地考察来确定跳板对于大型研究区较难实现；史芳宁等［7］对包括崇左市域的广西左右江展开了基于MCR与整体连通性指数的生态网络构建研究。崇左市具备良好的生态条件，在经济快速发展、城市加速建设的当下如何协调与生态保护之间的矛盾亟待解决。本文以崇左市为研究区，基于MSPA与MCR模型，借助景观连通性评价、重力模型等方法定量构建及优化了崇左市生态网络，以期为崇左市生态环境保护与城市可持续发展提供科学依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

崇左市位于广西西南部，地理坐标为东经106°33′～108°6′，北纬21°36′～23°22′，总面积约1.73万km2，属亚热带季风气候，西北、西南地势较高，向中东部倾斜，多山地、丘陵；左江贯穿南部，至东部流出境外；境内生物资源丰富，有国家Ⅰ级保护动物白头叶猴、黑叶猴等14种，植被类型以山地常绿、落叶、阔叶混交林、针阔叶混交林与山顶矮林为主［13］，自然保护区有国家级3处、自治区级4处。

1.2 数据来源

本研究所用DEM数据来源于地理空间数据云平台（https://www.gscloud.cn/)；2020年土地利用及NDVI数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/)，分辨率统一采样为30 m；自然保护区边界数据来源于中国自然保护区标本资源共享平台（http://www.papc.cn/)。

1.3 基于MSPA的景观格局分析

崇左市林草地面积大且分布广［7，13］，因此结合本研究的需要，用ArcGIS 10.2从土地利用二级类型数据中提取出生态服务价值高的有林地及高覆盖度草地，作为MSPA分析的前景数据，赋值为2；将其他土地利用类型的数据作为背景数据，赋值为1。将分类后的数据转换为30 m×30 m的二值栅格数据，然后在Guidos Toolbox 2.8中将前景分为7类景观，导入ArcGIS 10.2软件中提取核心区，作为后续景观连接度评价的景观要素。

1.4 景观连接度的评价

景观连接度可定量表征某一景观促进或阻碍源地间生物体或生态过程运动的程度［14-15］。本研究于Conefor 2.6中将斑块连通距离阈值设置为2500 m，连通概率设为0.5，采用斑块重要性指数（dPC）评价具备重要生态价值的核心区斑块，以筛选出生态源地。dPC的计算公式如下：

式（1）中：i≠j，表示斑块 i和斑块j之间所有路径的最大乘积概率；PC取值范围为［0，1］，值越小，斑块之间连通性越低，越不利于物种交流；PCremove表示剔除某斑块后剩余斑块的整体指数值。在PC变化下dPC用以衡量斑块维持景观连通性的重要程度。

1.5 阻力面的构建

景观阻力反映生物在生态源地之间迁移扩散的难易程度。参照有关研究［4，9-10］，结合数据可获取性原则，选取自然、人为相关共5个阻力因子构建阻力面（表1），于ArcGIS 10.2中进行重分类后将阻力赋值为1～5，并参考前人的研究结果［10－11］确定阻力因子的权重，构建阻力体系。

表1 阻力因子的分值及权重

1.6 基于MCR的潜在生态廊道的构建

MCR的计算公式如下：

式（2）中： MCR为最小累计阻力值； Dij为物种从生态源地j到景观单元i的空间距离； Ri为景观单元i的生态阻力系数；f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。

在确认生态源地及综合阻力面后，于ArcGIS 10.2中用Linkage Mapper插件提取出研究区的潜在生态廊道。

1.7 重要廊道的提取

重力模型可定量评价斑块间的相互作用强度以确定研究区廊道的重要性程度，其计算公式如下：

式（3）中：Gab为生态源地a、b间相互作用强度；Na、Nb分别为源地a、b的对应权重值；Dab为源地间廊道阻力标准值；Pa和Pb分别代表源地a、b的平均阻力值；Sa、Sb分别为源地a、b的面积；Lab为源地a、b间廊道阻力值；Lmax为研究区内各廊道中的最大阻力值。

1.8 生态网络结构分析

选取网络结构分析中的网络闭合指数（α）、网络连接度指数（β）和网络连通率指数（γ），以及成本比（c）探究研究区生态网络内部结构的有效性［4］，计算公式如下：

式（4）中：L为廊道数；V为节点数； d为生态廊道中所有廊道总长度；α值的区间为［0，1］，其值越接近1，物质循环与能量的流动性越强；β值的区间为［0，3］，其值越大，网络的复杂程度越高；γ值的区间为［0，1］，其值越大，节点的相互连接度越高；c表示投入/产出关系，其值越低，构建生态廊道的成本越小。

2 结果与分析

2.1 基于MSPA的景观格局分析

如图1、表2所示，崇左市核心区面积为4308.30 km2，占前景总面积的84.55%；大型成片的核心区斑块稳定性较强，主要分布于相距较远的研究区南北两部，而中部斑块破碎化严重，进而表明研究区南北间生态流通较为困难。边缘区、孔隙作为核心区的保护屏障，其面积仅次于核心区，表明前景边缘效应较佳，以维持核心区稳定；支线仅占前景面积的1.28%，表明前景斑块内外部景观连通性欠佳；桥接区面积较小，表明核心区斑块间连通性较弱；环道区仅占前景面积的0.07%，反映出斑块内部物种迁移活动消耗较大；孤岛仅占前景面积的0.05%，表明可为物种提供临时栖息地的斑块稀少。

图1 基于MSPA的景观格局

表2 基于MSPA的景观类型统计结果

2.2 生态源地识别分析

基于Conefor 2.6于核心区中选取dPC值大于0.01且面积大于3 km2的共计49个斑块作为崇左市的生态源地［3，5，15-17］（图2）。这些生态源地主要分布于宁明县南部十万大山及公母山区域、凭祥市南部、龙州县大青山区域、江州区西大明山区域及南部、扶绥县南部及北部西大明山区域、大新县中东部及与天等县交界的四城岭处及天等县北部，涵盖了崇左市下雷自然保护区及西大明山自然保护区、宁明县狮子头森林公园、广西派阳山森林公园、凭祥市世界珍稀林木生态园的大部分区域。从整体来看，在崇左市中部生态源地较为缺乏，且面积较小，分布零散，可见其受江州区、扶绥县、龙州县较为活跃的人为活动干扰较大。在各生态源地中，有1个源地的面积最大，达1986.03 km2，其dPC值也最佳，位于生境质量较好、林地比例较高的崇左市南部；面积超过100 km2的生态源地共有23处，源地间面积差异反映了研究区内养分及能量的异同；另外，dPC值大于1的生态源地有9处。

图2 生态源地分布

由表3可见，斑块面积并未直接影响dPC值，例如面积较小的7、10号斑块均有较佳的连通性，可见结合景观连通性指数可科学地评价MSPA分析结果，在生态源地提取上具备客观性。

表3 生态源地斑块的重要性指数及面积

2.3 生态网络构建分析

2.3.1 阻力面分析 崇左市的生态综合阻力面（图3）整体呈现出北高南低、中部高四周低的特征。高阻力值集中于中部一带区县中受人为活动影响较大的建设用地区域，导致南北区域间物种迁移及生态能量流动阻碍较大；崇左市以白头叶猴、黑叶猴等为代表的珍稀野生动物难以穿越的水域亦有较大阻力，其次为耕地区域；研究区南部为高程及坡度阻力较大的山地，但土地类型以林地为主，生态斑块及物种迁移所受影响较小。

图3 崇左市的综合阻力面

2.3.2 基于MCR的潜在生态廊道提取 于研究区提取潜在生态廊道共118条（图4），将其宽度设为150 m作为缓冲区［12］，总面积为168.64 km2。由表4可知：部分核心区承担了廊道的连通作用；作为前景组成部分的有林地、高覆盖度草地，分别占生态廊道面积的5.59%、5.18%，为廊道中生境质量较高的景观组成部分。在土地利用一级类型中，林地在生态廊道中的占比最大，达69.06%，对研究区中物种迁移起到重要作用；其次为分布较广、阻力值较低的耕地及生境质量较好的草地；高阻力值的建设用地对物种迁移有极大的干扰作用，占比为0.68%；对陆生动物迁移阻力较大的水域占比为0.44%；在后续生态廊道的相关规划中应尽量避免过多建设用地、水域的穿越；主要由裸岩石构成的未利用地于研究区中的面积仅有1.15 km2，生态廊道构成并未涉及该景观。

表4 生态廊道景观的组成

2.3.3 重要生态廊道的识别分析 基于重力模型定量判断研究区潜在生态廊道的相互作用强度，结果如图4所示。从整体来看，相互作用强度较高的廊道主要分布于研究区的北部及东南部，而沟通南北的廊道所在源地间的相互作用普遍较弱。由表5可知：源地1-5间相互作用最强，强度为684919.93，表明1号与5号源地联系紧密，物种在这2个源地间迁移的阻力最小，应加强对应廊道的保护；源地1-3、15-24、4-32间的相互作用强度均高于400000，远大于其他源地间的相互作用强度，其中源地1、3、4号处于生境质量优良的公母山、十万大山、大青山及西大明山区域，重视其对应廊道的保护可有效保障物种的迁移；相互作用最弱的2个源地为3-25，强度仅为2.75；此外包括25-45、3-48等源地，由于2个源地间距离较远，在研究区中部缺乏源地连接的条件下跨越南北，因此物种迁移的难度较高，在后续规划中应注重其稳定性及连通性的建设。

表5 重要廊道所在源地间的相互作用强度

图4 崇左市的生态网络

将相互作用强度大于100的生态廊道设为重要廊道，共75条；将其缓冲区宽度设为150 m，总面积为27.82 km2，为潜在生态廊道面积的16.50%。由图5可知：重要廊道的土地利用类型以林地为主，占重要廊道的67.04 %；其次为耕地及草地；而对物种迁移阻力较大的水域、建设用地面积占比极小，为优先建设研究区内重要生态廊道提供了依据。

图5 重要廊道的土地利用类型组成

2.4 生态网络的优化

2.4.1 新增生态源地 由于研究区中部核心区斑块面积小且破碎化严重，从中再次筛选出可连通研究区南北、生境质量较好的生态源地的难度较大，因此在维持保护原MSPA提取的生态源地的基础上，将源地尚未完全涵盖的崇左白头叶猴、弄岗、恩城国家级自然保护区、青龙山、左江佛耳丽蚌自治区级自然保护区共5处自然保护区作为新增源地，一方面避免了以往研究直接选用生物群落较完整的保护区等区域作为生态源地的较强主观性，同时也填补了研究区中部生态源地的缺失。对新增的源地再次模拟生态廊道，与原中部廊道对比、筛选后对生态网络作出了优化调整，共计新增廊道40条（图6）。

2.4.2 踏脚石建设 踏脚石可以为物种长距离迁徙提供暂时的栖息地，降低廊道发生断裂的风险，从而提高生态网络的稳定性，确保物种迁移的成功率［16］。物种迁移的耗费路径与最短路径交汇处具有“踏脚石”的作用［4，18］，因此为优化后的生态网络选取了踏脚石13个（图6），其中位于有林地的5个，林地区域10个，其余分布于草地、耕地区域，因此踏脚石建设可从其周围具体土地类型的质量改善着手，如对人类活动加以限制、通过幼林抚育及低产林改造等提高森林质量［16］。

图6 崇左市生态网络优化结果

2.4.3 生态网络结构的优化 对研究区的生态网络进行结构分析，以评价其合理性及有效性［3－4］。优化前网络的闭合度（α）为0.46，线点率（β）为1.87，网络连接度（γ）为0.64，成本比（c）为0.99，表明研究区生态网络的回路性、廊道及节点连通性均较佳，但构建该生态网络的成本较高，原因可能在于研究区范围较大、南北间生态源地跨度大。新增源地及进行优化后，中部一带相互作用强度较弱的潜在生态廊道被替换，α、β、γ值分别增加至0.50、1.95、0.67，而c值下降了0.000043，表明优化后研究区生态网络源地间的连接水平得到了有效提高，同时生态网络的建设高成本问题也有所缓解。

3 讨论与结论

3.1 讨论

崇左市有较坚实的生境质量基础，但在经济快速发展的城镇化背景下难以避免建设用地增加、人类干扰活动加剧所带来的生境破碎化、生物多样性减少等问题。本研究先采用MSPA结合dPC确定生态源地，这在最大程度上确保了研究区内生境质量及连通性优良的斑块被提取出来，作为源地用于生态网络的构建；然后引入尚未完全涵盖的自然保护区斑块对崇左市中部一带进行生态源地的补充，削弱了以往源地选择的主观性［7］。结合研究区的实际往往选取生态服务价值高且受人为干扰少的林地、草地、水域等自然景观作为MSPA的前景；鉴于崇左市的自然林、草地面积大［7，13］，且国家重点保护野生动物以陆生动物白头叶猴、黑叶猴、云豹等为主，本研究从土地利用二级类型数据中提取有林地、高覆盖度草地作为前景，不涉及水域，以获取生境质量更佳的生态源地。

本研究采用30 m×30 m的尺度进行MSPA分析，考虑到崇左市的市域面积较大，因此将默认边缘宽度1增加至2［4，19］，则其相应边缘效应为60 m。相关研究指出针对不同景观、斑块性状及研究物种设定边缘效应的宽度存在异同，因而在边缘宽度设置是否促进源地正向效应及其如何量化上后续应根据研究区的实际情况及具体物种作进一步探讨［4，20］。另外，借助conefor软件实现dPC的计算需设定阈值及连通概率，相关研究普遍将连通概率设置为0.5，而阈值取决于具体物种的扩散距离，当其小于斑块间距离时斑块间则被判定为不连通；由于本研究尚缺乏详细的物种资料，因此阈值参考相关研究而设定［11，17］，待物种资料完善后拟采用目标物种法等阈值确定方法进行完善。

阻力因子的选择综合考虑了自然、人为因素，较为科学地模拟了崇左市物种迁移的综合阻力面，而目前阻力值的设置尚无统一标准，后续可通过不透水表面指数等数据修正完善阻力面［16］。廊道宽度的设定根据有限资料仅考虑了崇左境内白头叶猴较为适宜的生态廊道宽度，设为150 m，以后可定量探讨研究区不同物种适宜生态廊道宽度与生态空间、功能等的相互关系，以确定研究区适宜、有长久运行能力的廊道宽度［10，21］。

3.2 结论

以有林地及高覆盖度草地作为MSPA分析的前景，所识别的核心区面积为4308.30 km2，占前景面积的84.55%；提取的斑块主要集中于崇左市的南北部，而在中部一带斑块破碎化严重。经dPC及斑块面积筛选的49个生态源地涵盖了崇左市下雷自然保护区、西大明山自然保护区、狮子头森林公园、派阳山森林公园等生境质量良好的区域，而研究区中部生态源地的缺失导致南北源地间的连通性较差。

崇左市的生态阻力整体呈现出北高南低、中部高四周低的特征，高阻力区域主要受建设用地的影响，以崇左市中部一带最为突出。

基于MCR共提取出潜在生态廊道118条，其中相互作用强度大于100的重要廊道有75条，集中于北部及东南部；而连通南北的廊道跨度大，相互作用弱。生态廊道构成以林地为主，阻力较大的建设用地及水域占比小。

将生态源地尚未涵盖的5处崇左市自然保护区作为新增源地，以填补研究区中部源地的缺失；进一步对生态网络进行优化，新增廊道40条，并设定踏脚石13个，以维持生态网络的稳定性。最终优化后生态廊道的α值、β值、γ值分别提升了0.04、0.08、0.03，而c值下降了0.000043，表明崇左市生态网络的稳定性提升，建设成本降低，优化效果明显。