基于MSPA与电路理论的淮南市生态网络构建与空间优化研究

马 明，张雨蒙，林佳佳，李久林，韩森绪

(1.安徽建筑大学建筑与规划学院，安徽合肥 230601；2.安徽省城镇化建设协同创新中心，安徽合肥 230601)

0 引言

城市是人类经济社会财富的集大成者，又是生态环境问题最尖锐、最突出的地方，经济发展和生态保护已成为城市发展的最大掣肘[1].新发展阶段下，以生态文明理念为指导，全面推进自然生态环境与生物多样性保护工作，旨在改善因过度开发导致的生态系统被破坏、生态空间破碎化、多样性丧失等问题.生态网络规划是将破碎的生境斑块进行有效连接，形成具有空间完整性的景观和生物栖息地网络，以提高自然生态系统的质量和保护生物多样性[2-3].因此，构建城市生态网络，并优化其格局形态，将促进城市生态功能发挥最大效能，对指导城市总体规划中生态用地布局、生态城市建设以及保障城市可持续发展具有重要的意义[4-5].

对于当前生态网络的构建模式大体分为结构模式法、格局—过程法、网络分析法、源地—廊道法[6-7].结构模式法是依据城市自身的生态环境特征，提出相适应的生态空间结构并构建生态网络；格局—过程法是在实际运用中多从单一景观过程的安全格局入手，再进行叠加处理形成综合生态安全格局；网络分析法主要运用图论方法研究各类网络的结构及其优化问题；源地—廊道法是通过识别、提取生态源地和生态廊道的方式构建生态网络.目前采用最广泛的是“源地—廊道法”，其关键点在于生态源地和生态廊道的确定，生态源地是物种生存和扩散的起点，对维持生态系统和景观层面的整体功能起到重要作用；生态廊道为动物的迁徙提供场所，是区域内各斑块之间物质流和能量流的重要连接通道.研究多采用形态学格局分析(MSPA)方法、直接识别法进行识别源地[8-9]；对于廊道的提取，传统方法多通过最小累积阻力模型(MCR)识别源地间最小成本路径构建生态廊道[10]，该方法仅仅是最小成本路径，而无法确定廊道的范围.综合上述研究方法的不足，本研究采用MSPA方法与Conefor软件结合确定生态源地，直接导入二值数据，分析表现景观斑块形态特征，相比根据面积大小直接确定生态源地的方法更为简便科学；运用电路理论，综合考虑廊道冗余度，识别提取出潜在的生态廊道，是对最小成本路径的一种补充[11-13].以淮南市为研究区，基于形态学格局分析法识别并提取出核心区斑块，结合Conefor软件进行连通性评价确定生态源地；利用Linkage Mapper运行MCR模型和电路理论连接度模型识别最优生态廊道以及廊道范围，识别淮南市潜在廊道并构建生态网络，优化淮南市生态空间结构布局.

1 研究区概况

淮南市位于安徽省中北部，是淮河生态经济带的重要成员、合肥都市圈副核心城市.淮南市属于暖温带季风气候，四季分明；淮河穿境而过，淮河以北地势平坦，淮河以南地势稍有起伏，整体由北至南呈现平原—低山丘陵—丘陵的分布态势.市域地表水资源丰富，河流主要是淮河及其支流；湖泊众多，有瓦埠湖、高塘湖、焦岗湖等；拥有上窑山、八公山、舜耕山等国家级森林公园.淮南市国土总面积5 532.40 km2，辖5区(田家庵区、大通区、谢家集区、八公山区、潘集区)2县(凤台县、寿县).截至2021年，常住人口约303.35万人，城镇人口约197.48万人，城镇化率65.1%.

图1 淮南市土地利用现状图Fig.1 Land use status of Huainan city

2 数据来源与技术方法

2.1 数据来源与处理

研究数据主要包括：1)淮南市土地覆被数据来源于FROM-GLGO全球地表覆盖产品；2)ASTER GDEM高程数据来源于地理空间数据云网站，分辨率为30 m，经过ArcGIS软件处理得到坡度、起伏度等数据；3)社会经济指标等数据来源于2021年淮南市政府统计报告、淮南市统计年鉴.按照研究区实际情况，参考相关文献[14]，将土地覆被数据重新分成六类：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，利用ArcGIS10.2软件将研究区域投影到CGCS2000_3_Degree_GK_CM_117E，经过裁剪最终得到栅格单元30 m×30 m的淮南市土地利用类型图(图1).

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA方法的景观格局与生态源地的识别 形态学格局分析法(MSPA)是基于数学形态学、偏向测度结构连接性的一种方法，可以识别并分割二值栅格图像成七种不同的景观生态类型[15].提取出研究区的林地、草地、水域作为前景数据，耕地、建设用地、其它用地类型作为背景数据，利用ArcGIS将土地利用数据转为tiff格式的二值栅格文件，基于Guidos Toolbox软件平台进行处理后得到7种互斥的景观类型：核心区、孤岛、桥接区、边缘区、孔隙、环岛区、支线，最后将tiff数据导入ArcGIS软件进行分析统计.参考相关文献[16-17]，采用斑块连通性指数(d PC)作为生态源地筛选的主要依据，选取核心区中面积较大且形态较为完整连续的30个生态斑块导入Conefor2.6软件.根据淮南市实际情况，最终将斑块连通概率设为0.5，连通阈值为1 000 m.对淮南市进行景观连通性评价，筛选d PC>1的斑块划定为重要源地，d PC>0.3的斑块划定为一般源地.

2.2.2 综合阻力面构建 如表1所示，采用综合指数法和AHP法构建生态阻力面，主要选取高程、坡度、MSPA类型、土地利用类型等单要素阻力因子.根据已有相关研究[18-19]，对各类景观的阻力赋值.

2.2.3 基于电路理论与最小阻力模型的生态廊道构建 电路理论通过随机运动理论将电路和运动生态学进行联系，研究表明某一物种在不同生态源间进行基因交流的进程中，作为电导体的不同景观要素对于该物种的运动阻力是不同的，阻力较低的景观类型有助于物种的频繁交流；相反，阻力较高的景观类型对于物种运动或者基因交流是有一定的阻碍作用[20].最小累积阻力模型(MCR)是以生态源地出发建立阻力面，计算生态源地之间的最小累积阻力距离，从而确定源于目标之间的最小消耗路径[21].公式如下.

式中：MCR表示最小累积阻力值；f表示反映空间中任一点的最小阻力与其到所有源地的距离和景观基面特征的正相关关系；Dij是景观单元i到生态源j的距离；Ri表示景观单元i的阻力值.其中，MCR模型的关键在于阻力面体系的构建.Linkage Mapper是一个集合了MCR、电路理论、图论的ArcGIS工具，它可以模拟物种在不同景观要素下的交流运动，生成最小成本路径，并识别廊道范围和潜在廊道，调用Circuitscape软件识别重要生态节点；该工具识别潜在生态廊道、提取最小成本路径作为最优生态廊道，主要基于Linkage Mapper中的Build Network and Map Linkages这一模块实现.

3 结果分析

3.1 生态源地的确定

3.1.1 基于MSPA方法的景观格局分析结果 以林地、草地、水域为前景数据，利用Guidos Toolbox软件进行MSPA分析，得到不同景观类型的面积及所占前景比例情况见表2.导入ArcGIS10.2软件得到图2.分析MSPA结果可知：淮南市的景观要素总面积为64 981.71 hm2；其中核心区景观类型多为林地、水域、草地，总计面积为40 409.82 hm2，占景观总面积的62.19%；桥接区围绕核心区均匀分布，面积2 075.76 hm2，占景观总面积的3.19%.核心区主要沿着山体、河流分布，空间结构上连通性较高；桥接区的分布与人类活动的程度有关.在城市建设中，重点保护核心区和桥接区，有助于保持城市生态系统稳定，提高生态系统服务功能.

岛状斑块是一种较孤立的景观斑块，面积约7 779.96 hm2，主要分布于潘集区、大通区.边缘区面积占景观总面积的14.77%，因其具有明显的边缘效应，有助于保护核心区不被侵蚀、提高核心区的稳定性，在未来建设中应考虑在边缘区内构建生态网络.孔隙占自然景观总面积的1.07%，主要位于村庄、道路和已建区附近.环岛区是核心区内部的廊道，有助于促进核心区内部的能量流动，面积约占自然景观总面积的1.80%.支线面积约占自然景观总面积的5.01%，作为生态廊道的中断，支线可以起到一定的联通作用.

图2 淮南市不同景观要素分布图Fig.2 Distribution of different landscape elements in Huainan city

3.1.2 基于连通性评价的生态源地选取 将核心区斑块按照面积大小降序排列，对面积较大、形态较为完整连续的30个斑块进行连通性评价，并按照斑块重要性(d PC)值的大小选取5个一级生态源地，10个二级源地，详见表3，这些生态源地的d PC值为0.3～86之间，具体生态源地的分布见图3.分析结果可知，淮南市的重要生态源地主要分布在田家庵区、谢家集区、八公山区、凤台县南部以及寿县，连通性较好的核心斑块主要集中在瓦埠湖片区以及淮河流域，生态源地多沿着河流、山体分布，整体分布较为集中；不同的生态源地间d PC指数相差较大，西部生态斑块面积较小于东部.通过整体分析可知，南北斑块连通性较差，生物的能量流动及物质循环难以持续，因此亟需通过生态廊道增加淮南市南北部的景观连通性，为生物提供生态栖息地，维持淮南市的生态系统平衡.

图3 淮南市生态节点与源地分布图Fig.3 Distribution map of ecological nodes and source areas in Huainan city

3.2 生态网络构建结果分析

3.2.1 综合阻力面构建 采用德尔菲法和AHP法确定各因素的阻力值和权重，构建综合阻力面体系，构建结果如图4所示.由综合阻力面可知，高阻力区多分布于城市建成区，受人为活动影响较大，低阻力区多为山、水、湖泊等生态资源所在的区域，生态连通性较好.

图4 单因子阻力面及综合阻力面示意图Fig.4 Schematic diagram of single factor resistance surface and comprehensive resistance surface

3.2.2 生态廊道与网络的构建分析 生态廊道的提取主要运用Linkage Mapper中的Build Network and Map Linkages这一模块实现.研究利用Linkage Mapper工具和Circuitscape软件模拟潜在生态廊道，将最优生态廊道与40 000阈值下的廊道范围进行叠加，得到最优生态廊道空间分布图，如图5所示.市域层面，共计23条最优生态廊道，40 000阻力阈值下廊道范围面积共计812.79 km2，廊道长度共计238.00 km.在众多最优生态廊道中，最长的生态廊道41.40 km，跨越凤台县和潘集区，连接泥河与花家湖；最短的生态廊道分布在大通区的高塘湖附近，廊道长度0.13 km.市区层面，分布了13条最优廊道，2条潜在廊道.凤台县分布了6条最优廊道和1条潜在廊道.结合最优生态廊道以及淮南市生态现状，识别4条潜在生态廊道，新增6个生态“夹点”，得到淮南市域生态网络示意图，如图6所示.考虑到研究区迁移距离较远的物种、生态网络廊道长度以及廊道面积等因素，网络布局应增加核心斑块与廊道的连接，增加生态“夹点”的数量，降低踏脚石斑块间的距离，进而改善网络连接的有效性，提高物种在迁徙过程中的成功率和存活率.

图5 淮南市最优生态廊道分布图Fig.5 Distribution map of optimal ecological corridor in Huainan city图6 淮南市生态网络示意图Fig.6 Schematic diagram of ecological network in Huainan city

3.3 淮南市生态空间的布局优化

3.3.1 严格生态源地保护，提高生态效益 生态源地是城市生态空间的核心区域，在城市发展建设和空间格局优化的同时，应严格保护生态本底不被破坏，坚持生态面积不减少、生态功能不降低.淮南市的生态源地主要包括八公山、舜耕山、上窑三处国家森林公园和泥河湿地公园，以及淮河、安丰塘、瓦埠湖等重要水体，应最大程度保持山体、湖泊、湿地等的生态保育功能，优先保护野生动物重要栖息地.该区域在施行最严格的生态保护措施外，还可根据实际特征设置一定尺度的生态缓冲区，积极推进生态修复，提升生态效益.如适度提升森林公园的植被覆盖率、控制人为活动强度，确保林业生态价值提升；保护重要河湖水系滨水空间的开敞性，避免非必要的工程项目穿越，以及由于城市建设挤压滨水空间、高层建筑围合等负面效应.

图7 市区生态网络布局图Fig.7 Urban ecological spatial layout map

3.3.2 强化生态廊道体系，提升生态空间连通性 根据淮南市生态网络体系架构，结合市区自然山水资源，架构“沿淮-临山-面水”的三级城市生态廊道，串联多个生态节点，形成“山河湖链”的生态网络结构，如图7所示.市域范围内依托东西走向的淮河打造一级生态廊道2条，即沿淮河流域形成东西向生态发展轴，作为沿淮城市生态特质的最重要承载空间.打造3条二级生态廊道，西部南北向串联起泥河湿地公园、八公山国家森林公园和瓦埠湖，中部东西向串联八公山、舜耕山和高塘湖，东北部联合高塘湖、上窑国家森林公园和泥河湿地公园，形成市区环状生态通廊.同时，结合区域交通走廊、城市组团间隔空间以及建成区内部山水资源，将周边生态资源连通并导入建成区内部，形成三级生态通廊.这种一二级廊道为骨架、三级廊道为补充的生态网络结构，再辅以组团间隙、道路防护绿带，形成多层级生态廊道与多级生态绿地斑块，有助于提升生态空间连通性以及城市特色空间的塑造.根据最优廊道模拟结果，一级生态廊道控制宽度以50～100 m为宜，二、三级生态廊道控制宽度以30～50 m为宜.

4 结论

城市生态网络的建立，有助于保护淮南市生态系统的完整性，提高生态服务核心功能的可持续性，并为其社会经济发展提供生态支撑.研究选取淮南市为研究对象，将淮南市现状土地利用类型中林地、水域、草地作为前景分析数据，将形态学空间格局分析法和景观重要性指数分析法结合识别生态源地，基于ArcGIS10.2与Linkage Mapper，利用最小累积阻力模型、电路理论连接度模型，通过筛选得到最优生态廊道和潜在廊道，最终得到淮南市的生态网络.主要如下：淮南市的景观要素面积总计64 981.71 hm2，其中核心区景观类型多为林地、水域、草地，总计面积为40 409.82 hm2，占前景面积的62.19%，主要特征为沿着流域、山体分布，水域与林地分布；桥接区主要围绕核心区均匀分布，占研究区景观要素面积的3.19%，面积为2 075.76 hm2；根据形态学格局分析和景观连通性评价结果，对斑块重要性(d PC)值的大小进行排序，最终选取了5个一级生态源地，10个二级源地；生态廊道是生物物种进行迁移扩散的主要路径，利用Linkage Mapper软件提取出23条最优生态廊道，4条潜在生态廊道，新增6个生态“夹点”；根据城市生态网络结构，系统整合山水生态资源，架构“沿淮—临山—面水”的城市生态空间格局，市域层面贯通中部东西方向上的临山绿色生态空间，结合道路沿线区域构建生态绿廊；贯通城区内外部生态资源，形成环绕在城市四周的山、河、湖生态链.

本研究以MSPA和最小路径法方法结合为基础，改变了传统生态网络的建设框架，从空间聚集形态的角度出发，以连接性为主要依据，对生态网络建设进行了讨论.在研究中有以下几方面有待进一步讨论：1)生态源地是生物物种进行生存、繁衍、迁徙的面积较大较为完整的斑块，基于MSPA方法与连通性指数进行生态源地的识别，在运行Guidos Toolbox软件时参考相关文献将距离阈值设置为1 000 m，考虑到不同研究区域具有一定差异性、参考的文献量有限等原因，距离阈值的设定具有一定的局限性，因此距离阈值的设定的合理性还有待继续商讨.2)阻力面的构建作为识别生态廊道必不可少的环节，本研究通过对权威学者研究的分析加以总结，以及淮南市的现实情况分析思考，最终确定相关指数，采用高程、坡度、土地利用类型、MSPA景观格局分析结果作为阻力面赋值的主要构成因素，并赋予一定指标比例，但是不同类型的阻力指标赋值与占比会导致结果也大不相同，其结果会很大程度上影响生态网络的构建，因此对于研究区不同阻力类型的权重赋值的合理性有待于讨论.3)对于城市生态空间布局优化方面，由于受到永久基本农田保护、国土空间规划指标等因素限制，提出的优化策略如何具体落实，尚需后续持续研究.