基于物种分布的北京平原生态网络构建

阳文锐,李 婧,闻 丞,黄 越,顾燚芸,朱 洁,唐 燕

1 北京市城市规划设计研究院,北京 100045 2 北方工业大学,北京 100043 3 北京镜朗生态科技有限公司,北京 100193 4 清华大学建筑学院，北京 100084

城市是一类以人类活动为主的社会-经济-自然复合生态系统[1],因城市内部景观类型多样,森林、农田、城市公园、河湖湿地等各类生态空间成为丰富多样生物种类的栖息场所。然而,快速的城市化加剧了生物栖息地的丧失和破碎化,是导致物种减少甚至灭绝的重要原因[2—4]。生境破碎化不仅导致生物适宜生境的丧失,而且能引起生境空间格局的变化,从而在不同空间尺度上,影响物种的扩散、迁移和建群,以及生态系统的生态过程和景观结构的完整性[5—6]。据科学统计,67%的珍稀和濒危动物因为栖息地的破坏而濒临灭绝[7]。至2025年,预计全球超过65%的人口将会居住在城市[8],由此形成的城市扩张还将对生物多样性保护造成持续压力[9]。为应对因城市建设导致的生物多样性减少严峻形势,通过建立城市地区生境之间的生态网络成为国际上保护生物多样性的重要手段[10]。欧洲生态网络[11]以及Natura2000[12]、德国生境网络[13]、美国南弗罗里达绿道[14—15]、新加坡绿道[16]是国际上较早开展生态网络建设的典范,在城市化和工业化过程中的生物多样性保护发挥着积极作用。

生态网络由空间分离的栖息地斑块通过相互间廊道连接组成[17],物种种群能通过生态网络进行个体交流,促进种群繁衍。生态网络因为网络面积、质量、密度和斑块的渗透性而存在不同的结构,但其目标是一致的[18]。栖息地规模和网络的连接程度决定了物种的灭绝率和迁入率是否能保持平衡,以及在随机的人类活动和环境干扰时种群数量是否能够恢复[19],由此需要维持种群的最小稳定规模以保障在人类干扰时不至于灭绝[20]。通过构建生态网络保护生物多样性突破了传统划定自然保护区的方法,更加强调生态系统的连续性和完整性[21],因此,生态网络的构建包括保护和优化现有生态空间、创建新的生态空间、修复和维护生态空间之间的连接性等[22]。国内在开展生态网络构建方面开展了一些研究,以最小耗费距离模型进行生态网络模拟得到了广泛应用[23—26],但由于保护物种的空间分布数据难以获得,栖息地的选择往往基于专家知识[27],由此所模拟形成的生态网络对真实目标物种的保护绩效还有待检验。基于物种空间分布数据进行生态网络的构建将大大增强网络的可靠性,特别是在特定的景观区域[28]。鉴于鸟类在城市中的易观察性,以鸟类群落习性特征为依据,开展特定区域的生态网络构建研究,可弥补单纯依靠模拟或基于专家知识形成生态网络的客观缺陷,将极大提高网络的可实施效率。

北京作为我国首都,地处太行山脉和燕山山脉的交汇处,地形复杂,生态环境多样,是华北地区植物资源比较丰富的地区之一[29]。同时,北京地区位于全球候鸟东亚-澳大利西亚的迁徙路线上,鸟类资源也较为丰富[30]。北京平原区是市域内海拔高程在100m以下的平原和台地,集中分布在中部和东南部,是目前的城市建设及农业用地集中地区,总面积占全市域面积的39%(不包含延庆盆地)(图1)。由于城市化的快速发展,景观破碎化程度不断增高[31],严重威胁着平原城市地区的生物生存。与此同时,平原城市地区尚未建立起生物多样性保护体系,在国家生态文明建设战略和国际一流和谐宜居之都的城市建设背景下,亟需建立完整的生态网络,以提升生境品质,保护首都生物多样性。本文基于北京平原地区具有保护级别鸟类物种的空间分布数据,在Maxent模型支撑下,选取潜在的分级生物栖息地,以最新土地利用为基础建立生物活动阻力面,通过最小累积阻力模型模拟形成分级生态廊道,由此形成平原地区的生态网络,以期为平原地区的生物多样性保护以及生态空间的优化提供规划的科学基础。

图1 北京平原区范围图Fig.1 The region of Beijing plain

1 研究方法

1.1 数据的获取与处理

土地利用覆盖采用北京市土地利用现状数据和北京市森林资源详查数据,并统一配准到当地坐标系。

物种数据参考《IUCN受胁物种红色名录》、《中国物种红色名录》、《国家重点保护野生动物名录》和《北京市一级保护野生动物名录》,筛选出其中濒危、极危、国家一级保护动物、国家二级保护动物和北京市一级保护动物作为指示物种。共筛选出包括遗鸥(Ichthyaetusrelictus)等在内的86种鸟类(其中2种红色名录极危,12种红色名录濒危,12种国家一级保护动物,40种国家二级保护动物和31种北京市一级保护动物)。以上鸟类空间分布点位数据来自于中国观鸟记录中心数据(图2)。

采用最大熵模型(Maxent)模拟生成各鸟种栅格图层空间分布图,在ArcGIS工具平台,与土地覆盖数据进行空间叠加,提取相对应的湿地水域、农田、城市绿地等潜在栖息地(图3),作为后续模拟的生物源地。

1.2 生态网络构建方法

1.2.1生物源地(栖息地)分级

通过对北京26个城市公园面积与观察到的鸟类种类统计对比分析[32],发现鸟类种类数与公园的面积存在明显的相关性,无论是有水体的城市公园,还是无水体的城市公园,鸟类种类数均随着公园绿地面积的增加而增加。而且,通过有记录的鸟类观察,100hm2以上质量相对好而且稳定的公园或绿地,记录的鸟类种数基本数量相当,如北京大学燕园[33]、圆明园[34]、天坛公园[35]的鸟类种数相当,但100hm2以下的公园中鸟类数量差异较大[32]。另外,根据国外相关研究[36]显示,面积在10—35hm2的空间连续的公园可以维系其所在城市的大部分鸟类。考虑到平原地区公园和绿地的规模不大,本研究以10hm2和100hm2的平原地区城市绿地或水域作为生物栖息地或生物源地的分级分界点,将100hm2以上的绿地和水域定为一级生物源地(栖息地),10—100hm2的绿地和水域设定为二级生物源地(栖息地),10hm2以下的城市公园将不在本研究中加以考虑。共选取的一级生物源地58处,二级生物源地146个(图4)。

图2 市域鸟类多样性分布图Fig.2 Bird biodiversity distribution in Beijing

图3 市域生物源地筛选图Fig.3 The distribution of selected potential biodiversity sources in Beijing

图4 北京平原区分级生物源地Fig.4 The classified biodiversity source in Beijing Plain

1.2.2阻力面构建

鉴于地表植被覆盖类型、规模、质量以及城市建设强度对物种迁移活动的影响程度不同,在本研究中,以地表覆盖类型建立生物活动阻力面,反映指示生物在通过不同地表覆盖面时的难易程度与消耗的能量,或是生物对不同植被覆盖类型的喜好程度。以土地利用变更调查和第二次森林资源详查数据为基础,将两类数据地类进行融合并按相似属性归类(表1)。鉴于所选物种为鸟类,多数鸟类对于湿地水域具有特别偏好,同时农田中的鸟类需要有开阔的空间便于遇到危险时逃逸,因此参考已有研究[23—24],分别对每类归类后的用地依据生物通过地类的难易程度进行阻力赋值,值越大代表生物通过该类用地的耗费的成本或能量越高,反之亦然。生成的阻力面图见图5。

1.2.3生态廊道模拟

最小累积阻力模型(Minimum Cumulative Resistance)也称为最小费用距离模型,在构建生态网络中得到了广泛应用,可反应景观格局对生态过程的影响。最小费用是指物种从源到目的地运动过程中所耗费的时间、物质、能量等,通过计算最小累积成本来筛选源之间的连接路径,能较好的反应出物种的运动、迁徙或者活动趋势。研究通常采用最小累积阻力模型进行计算模拟生成廊道。费用距离是指从“源”所要经过不同阻力的景观所耗费的成本或所克服的阻力,反映的是景观的可达性。费用距离不是点与点之间实际距离,而是通过确定物质、能量在不同表面的耗费系数计算得来的。其基于图论的原理,可以用来识别和选取生态功能节点之间的最小累积阻力路径。计算模型如下：

式中,MCR 指最小累积阻力值,Dij指从源j到景观单元i的空间距离,Ri指景观单元i的阻力值。

表1 用地类型和阻力值

图5 北京平原区生态阻力面图Fig.5 The map of ecological resistance surface in Beijing plain

在模型模拟的过程中,为减少计算量,突出廊道的重要程度,本研究通过模拟一级源地之间的廊道以及一级源地与二级源地之间的廊道,分别作为一级廊道和二级廊道。由于二级生物源地数量太大,计算两两源地之间廊道的时间成本太高,本研究中不再模拟二级源地之间的廊道。

1.2.4关键节点筛选

在Arcgis平台采用空间分析模块中的Kernel Density分析工具,将模拟生成的一二级生态廊道进行核密度分析,并筛选关键节点。

2 研究结果与分析

2.1 生物源地(栖息地)

根据源地的筛选分类结果,北京市平原地区的生物多样性源地共204个,总面积为405.47km2。其中一级源地58个,总面积为366.97km2,二级源地146个,总面积为38.50km2。

生物源地类型中,主要包括四大类,分别为水域、农田、林地、公园,其中：水域包括河道、坑塘、水库、湖泊、滩地,占源地总面积的41.15%；是最大的生物源地类型。水域源地中,河道所占面积比例最大,为29.15%。公园包括各类城市公园和郊野公园,占源地总面积的40.01%,农田占10.53%,林地占8.32%(表2)。

表2 各类型生物源地列表

农田和阔叶林全部为一级生物源地,混交林以二级源地为主,公园源地中二级源地数量109个,是二级源地数量最多的类型。滩地以一级源地为主,坑塘全部为二级源地。河道、水库和湖泊中的一二级源地数量保持均衡。

2.2 潜在生态廊道

分别计算58个一级生物源地之间、一级源地与146个二级源地之间的最小累积阻力路径,生成整个区域内源地之间的生态网络。删除计算时产生的各源地之间重复路径,共获得450条一级廊道,498条二级廊道,总长约3760km(图6)。

图6 北京平原区生态网络图Fig.6 The map of ecological network in Beijing plain

研究结果发现,生态廊道主要分布在北京城市中心区域之外,且集中分布在水域、农田、林地的密集区域,这是由于一级生物源地主要分布于城市中心区以外。城市中心城外部区域是生态空间集中区,分布有大片农田、林地和水域,而且这些生态要素与山区森林相接,形成了天然互通网络,模拟形成的这些一级廊道和二级廊道将更为促进生物源地之间的空间联系,有利于山区生物与平原区生物的交流与繁殖。

城市中心区内部廊道主要沿水域和公园之间形成。在城市中心区域,生态要素类型少,而且规模小、破碎化程度高,满足作为生物源地条件的生态空间数量不足,导致模拟生成的生态廊道数量低。而且,较城市中心区外围形成的生态廊道而言,城市中心区内的生态廊道脆弱性程度更高,这是由于城市建设强度高,人类活动形成的干扰大,用于保护生态廊道的空间要求不足,更易造成城市中心区内生态廊道遭受破坏。

2.3 重要网络节点与关键生态廊道

以模拟形成的一二级生态网络图为基础,通过线核密度分析,共筛选出12处生态网络的重要节点,是生态网络中廊道密集区,也是需要特别关注的区域(图7)。其中4处重要节点位于永定河河道,说明永定河生态走廊需要加以特别重视。其他重要节点均位于中心城地区和城市副中心,因城市高强度发展导致的生物栖息地破碎化,亟需在中心城地区建立大型绿地、水域的连通网络,是城市化地区生物多样性保护的重要措施。

关键的生态廊道沿河流和农田延绵区,是指示生物的关键活动通道,潮白河、温榆河、清河、永定河、京密引水渠和永定河引水渠几条河流廊道以及南部丰台至大兴之间连片的农田是平原区的关键生态网络廊道,保护并优化这几条大型生态廊道对于对于平原地区生物多样性的保护将起重要作用(图7)。

图7 重要网络节点和关键生态廊道图Fig.7 The important network nodes and ecological corridors

3 结论与讨论

城市生态环境质量的好坏,其最直接的衡量标准就是生物多样性,因为生物多样性是生态系统服务功能的基础,而生态系统服务与人类福祉是紧密关联的。北京作为世界上生物多样性最为丰富的大都市之一,在城市地区尚未建立起生态网络体系,本文以北京平原区为研究范围,探讨了构建保护生物多样性的城市生态网络。

对于86种北京受保护的指示生物而言,平原区水域、公园、农田是生态网络的主要优势类型。(1)水域的连续性为保护特定指示物种提供了适宜的栖息场所,水域生态廊道的生境适宜性高,景观阻力小,其廊道在生态网络中的地位突出。无论对于本地受保护生物种还是对于过境候鸟,水域对提升生物多样性的丰富度、促进生物迁移和扩散均起重要作用,因此对于关键生态廊道中的水域廊道必须加以严格控制和保护。(2)公园生境主要分布在城市中心地区,受到人为干扰较大,而且作为大的一级生物源地的公园数量较少,使公园生物源地之间的廊道等级大部分为二级网络。相比外部水域而言,这些廊道主要沿着城市河流和道路,因此生物在城市中心区迁徙活动的景观阻力较大。需要在对这些廊道加以改善提升,一方面增加公园绿地规模,另一方面提高廊道生境适宜性和连接性,优化并形成高质量、微生境丰富的城市林荫道和滨水生境,可有效保护城市内部生物多样性。(3)保留必要的农田数量,并维持其空间连续性,防止农田栖息地破坏,对于保护生物多样性具有重要价值。近二十多年的城市快速发展占用农用地,导致农田空间在不断的缩小,对于平原区鸟类保护形成了巨大压力。平原区相对于山区而言,受保护的鸟类种类要显著高于山区,主要原因在于平原区的农田生产为鸟类提供了丰富的食物来源；其次,开阔的平原农田景观为这些受保护的鸟类提供了安全理想的活动空间,当遇到危险时,农田中的鸟类比茂密的林地中鸟类更容易逃逸。因此,空间连续的农田景观对受保护的鸟类十分重要。在国土空间规划中,需要尽可能保留北京传统农田景观格局。

通过客观物种大数据和科学的生态模型建立了北京平原区分级生态网络,但仍然存在以下几方面还需要更深入研究：

(1)指示物种的选择可能对结果造成不确定性。在北京平原地区以保护鸟类为指示物种,与地物覆盖类型相对应,采用Maxent模型来选择生物源地,并通过模型来构建生态网络,选择受保护鸟类作为指示物种有可能对结果产生一定的影响,如城市地区鸟类活动可能需要更多的绿地“踏脚石”,因此了解指示生物的生态习性,生态网络模拟精度会大大提升。尽管存在不确定性,但是,在缺乏其他物种数据的条件下,通过模拟形成的生态网络对于生物多样性保护的重要性仍然不言而喻。

(2)模拟模型的选择对结果也能造成一定影响。研究采用的是最小累积阻力模型来模拟生态网络,在构建生物活动阻力面时,对各类景观用地类型的权重赋值有可能会对廊道的空间走向产生一定的影响,因此,因生物活动阻力值造成的廊道不确定性仍需进一步探讨。

(3)生态廊道及生境建设标准。生物源地(栖息地)与目标源地之间生态廊道的空间连接越紧密、廊道越宽、生境质量越高,将极大丰富动物多样性。但当前对于生态廊道的建设标准,还未形成定论[37],因不同物种对于廊道宽度要求而不同,毫无疑问,廊道也是特殊生境,大斑块生境能孕育多样生物,因此,生物保护学家认为廊道越宽越好[38]。此外,廊道生境的建设标准也需要进行进一步研究,动物对于生境中植物和环境要求不同,导致统一的生境建设标准存在一定困难,但是在城市地区,可以将鸟类作为主要的动物类型,研究公园绿地植物种类与鸟类多样性之间的关系,进一步摸索适宜的生境建设标准,从而更好保护城市地区的生物多样性。