南沙新区城市生态网络构建与连通胁迫分析

吕基新，朱 竞，陈彩霞，臧传富

（1.广州南沙新区规划设计研究院有限公司 策划研究所，广州 511455；2.广东省科学院广州地理研究所//广东省遥感与地理信息系统应用实验室//广东省地理空间信息技术与应用公共实验室，广州 510070；3.华南师范大学 地理科学学院，广州 510631）

城市地区是社会系统与生态系统之间复杂而交错的互动热点（Frank et al., 2017），这2个系统的不协调导致当今世界的生境碎片化和生物多样性丧失（罗媞 等，2014）。为扭转这一负面趋势，世界自然保护联盟发布了全球首个生态连通性保护指南“Guidelines for conserving connectivity through ecological networks and corridors”（Hilty et al., 2020），提出“促进受保护区域与保育地区互连，并恢复退化或孤立生态系统的连通性保护策略是能够更好地保护陆地、海洋和淡水自然生态系统的综合方法”。诸多研究从自然科学、社会科学等多个角度尺度探索城市和自然环境之间的相互作用机制，探索如何协调好城市复合生态系统的自然过程、经济过程和社会过程之间的关系，以促进城市复合生态系统的协调高效可持续运转（时保国 等，2020；李锋 等，2021）。基于系统整体优化的生态网络能利用生态源地与生态廊道修复破碎生境间的连通（Peng et al., 2018；袁少雄 等，2021；Wu et al., 2022），提高城市景观完整度和连通性，形成由生态要素所构成的稳定生态功能体系，以抵抗生境破碎化趋势和抑制生态系统衰败，达到以少量的生态用地保障区域生态安全的目的，对区域社会经济的发展与生物多样性的保护具有重要意义。

目前生态网络研究多采用夜间灯光遥感数据、不透水表面指数、降雨空间数据、NDVI 指数等矫正土地利用阻力，导致现状生态网络研究大多倾向于市、省、流域等宏观低分辨率的大尺度分析（彭建 等，2017；李航鹤 等，2020；林伊琳 等，2021；于成龙 等，2021），而中小尺度的生态网络研究却因缺乏高精度的矫正阻力数据而难以开展，使得生态网络精细化研究的需求难以满足。电子地图所伴生的兴趣点（Point of Interest, POI）为生态网络研究提供新的数据变革，POI数据包含地理实体空间与属性信息，不仅具有精度高、更新快、覆盖全以及可多个角度体现城市要素的空间聚集等特征，而且能详实地表征人类活动类型与强度的空间分布，已被广泛运用于识别城市要素的集聚节点和热点区域，如人口活动、城市业态与城市空间结构等（李欣，2020；Lu et al., 2020; Hou et al., 2021）。近年来，有学者将POI数据引入生态网络研究中，在精细尺度下挖掘POI聚集所引发的人类活动对生态网络干扰强度的区域差异性，为生态网络构建提供更高精度的矫正阻力面与更实用的廊道识别（Zhong et al., 2020；任彦霓 等，2021；战明松 等，2021）。生态网络连通性研究普遍利用整体连通性指数IIC、可能连通性指数PC 等区域性指数进行全局连通性分析（黄璐，2019；梁艳艳 等，2020），但忽视底层生态要素属性及其之间的互动关系，成果止步于明确生态网络的整体状况评价，而未剖析景观连通性形成的根源，对生态廊道连通胁迫空间特征与强度量化的探究仍较为匮乏。当前整合城市大数据揭示城市生态问题研究正成为趋势（董仁才 等，2018；Yang, 2020），结合POI数据开展城市生态网络构建与生态廊道连通胁迫研究，有助于进一步探究人类活动空间异质性对生态连通的胁迫效应。

在以往经济为重、城镇化高速发展的时期，城市生境破碎化加剧、源地减少与孤立、生态网络连通性降低趋势加强，众多国家级新区为协调生态保护与经济发展的空间需求矛盾，先后开展区域生态网络研究，并提出众多因地适宜且较具参考价值的生态网络构建策略与优化措施，如浦东新区（张林等，2015）、雄安新区（荣月静 等，2020）与天府新区（何萍 等，2020）等。在此背景下，南沙新区作为全国首个建设高质量城市发展标杆的城市与广东省首个未来城市综合实证试点，有必要在发展和保护协同共生的新路径上进行新区示范性的探索，明晰现状生态结构、构建高连通性与低胁迫性的城市生态网络，为建设高质量城市发展标杆打下优良的生态本底。据此，本文以南沙新区为研究区，基于POI 数据与土地利用数据构建“人类活动强度+地表景观”的综合阻力面，通过生境质量分析与电路理论构建生态网络，测度廊道连通性与源地中心性，并利用廊道内的POI结构，量化人类活动对生态网络连通所产生的胁迫强度。以期为南沙新区构建高耦合性的生态网络进而建设高质量城市发展标杆提供科学参考。

1 研究区与方法

1.1 研究区概况

南沙新区或称广州南沙（22°33′—22°54′ N，113°17′—113°43′ E）处珠江口西岸、广州市最南端，是连接珠江口两岸城市群的枢纽节点，也是广东省唯一的国家新区、粤港澳全面合作示范区（图1）。全区面积约803 km²，据南沙新区2022 年统计公报（广州市南沙区统计局，2023）显示，常住人口为92.94 万人，GDP 为2 252.58 亿元。南沙新区属于亚热带季风性海洋气候，夏长冬短、春秋短暂，夏秋常受热带气旋影响。水网密布的南沙新区是珠三角最典型的水乡新城，拥有丰富的湿地生态系统。其中，处于珠江出海口咸淡水交汇处的南沙湿地是广州市面积最大的滨海红树林湿地，共有红树植物17种、鸟类149种，被誉为珠三角的“候鸟天堂”；位于南沙新区中心城区的黄山鲁森林公园是广州最大的开放式森林公园之一，同时也是鸢、游隼、红隼、小白鹭等保护鸟类的重要栖息地。

图1 研究区域Fig.1 Research area

1.2 研究框架与数据

研究框架具体如图2。主要运用的数据有POI数据、土地利用数据、DEM数据及道路网数据。其中，POI 数据源于高德地图①https://lbs.amap.com/2022 年POI 数据，南沙新区POI数据包含餐饮美食、公司企业、购物消费等17大类共计41 345条原始数据，清洗无效数据并剔除自然地物、行政地标后得数据40 463条。土地利用数据为2020年空间分辨率5 m的人机交互式解译数据。DEM 数据②https://search.asf.alaska.edu/为ALOS 卫星所生产空间分辨率12.5 m 的数据，本文将DEM 数据空间分辨率重采样为5 m 并衍生出高程与坡度数据。道路网数据源于OpenStreetMap平台③https://www.openstreetmap.org/，基于航拍影像进行路网修正及补充。

图2 研究技术路线Fig.2 Research technical route

1.3 生境质量分析

运用InVEST模型生境质量模块（Habitat Quality Model）开展生境质量分析，由高到低排序筛选生境质量前10%的像元作为基础生态图斑，结合现状高生态功能土地类型进行连片处理得出最终生态源地。生境质量计算公式（李怡 等，2021）为：

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量（0≤Qxj≤1）；Hj为第j种生境类型的生境适宜性；Dxj为第j种生境类型中栅格x的生境退化度；z值为尺度常数，默认取2.5；k是半饱和常数，一般取生境退化程度最大值的1/2。本文将生境质量评估结果分成4 级：一般［0，0.3］、中等（0.3，0.6］、良好（0.6，0.9］、优（0.9，1.0］。参考已有研究（李怡等，2021），选取林地、园地、草地、耕地、水域、坑塘、其他土地、公服用地、特殊用地、住宅用地、商服用地等11种生境类型与交通运输用地、工矿仓储用地、道路用地等3种胁迫因子并赋予模型参数（表1）。

表1 生境类型对胁迫因子的敏感性Table 1 The sensitivity of habitat types to each threat factor

1.4 “人类活动强度+地表景观”综合阻力模型

根据南沙新区第七次全国人口普查数据（广州市南沙区统计局，2021）显示，2020 年常住人口15～64岁占比77.28%，人口结构以青壮年劳动人口为主，即区域人类活动以劳动就业为主。为此在利用AHP层次分析法将各因素重要性及影响强度层次化和数据化时，权重向提供就业机会的POI类型倾斜，再分类型进行核密度分析（分辨率5 m，搜索半径400 m；张海平 等，2020）及空间加权叠加；土地利用依据景观类型的生态价值（戴璐 等，2020）进行等级划分与阻力赋值，并通过AHP层次分析法确定权重。依据麦克哈格“千层饼法”（McHarg, 1995），综合考虑人类活动强度和地表景观类型2方面的生态阻力（表2、3），构建综合阻力模型，计算公式为：

表2 人类活动强度阻力Table 2 Resistance of human activity

表3 地表景观阻力Table 3 Resistance of landscape

式中：C为综合阻力；R'为标准化后人类活动强度阻力；L'为标准化后地表景观阻力；a为人类活动强度权重，依据陆地表层人类活动强度指数（刘世梁等，2018），采用现状建设用地（192.91 km²）占陆域面积（606.31 km²）的比重确定a=0.32。依据麦克哈格“千层饼法”（McHarg, 1995），构建人类活动强度阻力R、地表景观阻力L计算公式为：

式中：R为人类活动强度阻力；n为POI的类型；Px为x类POI 的空间核密度；ax为x类POI 的权重系数。L为地表景观阻力；k为土地利用类型；Zy、ay分别为y类景观的阻力值和权重系数。

1.5 电路理论

电路理论指根据电子在电路网中受电阻影响而随机游走于低电阻电路的特性，模拟物种个体或基因在地表克服景观或人类阻力进行迁移扩散运动的过程，并从中识别物种扩散路径与迁移规律（李涛等，2021）。电路理论被广泛应用于构建生态廊道、识别生态节点及障碍点与计算廊道源地的电流属性（李权荃 等，2023），能在最优廊道的分析基础上得出带宽度信息的潜在廊道。其中，最优廊道（Least Cost Path, LCP）指物种迁移的最优路径或最大生存概率路径，具有最佳连通效果和最高生态价值的生态廊道；潜在廊道指可能具有生态连通性的区域，但生物扩散成功的概率与生物通行效率低于最优廊道（潘竟虎 等，2021）。本文在电路理论构建出具有电流属性的生态网络基础上，通过廊道连通性与源地中心性量化廊道、源地对于整体网络的重要性。1）廊道连通性：以最优生态廊道通过的电流量与所累计的有效阻力的比值作为生态廊道连通性的量化指标，即在环境生存压力一定时生态廊道的阻力越小、生物通过量越大，则连通性越好；2）源地中心性：将每个生态源地视为一个“节点”、最优生态廊道内的阻力视为电阻器，“节点”通过最优生态廊道“一对一”遍历输出电流，生成累计电流并得出源地中心性；以源地中心性作为评价生态源地连通性及重要性的量化指标，即源地中心性越大，该生态源地对保持整个栖息地网络的整体连通性越重要。

1.6 人类活动强度指数（HAI）

从景观生态学视角看，人类活动作用的结果使景观组分的自然特性不断降低，不同类型的景观组分代表不同的人类活动或开发利用强度特征（刘世梁 等，2018）。同理，POI 设施空间聚集所产生的人类活动对周边生态环境产生影响，POI类型和数量与人类活动的强度直接关联。为此，将人类活动强度指数中景观组分替换为POI并赋予权重，以潜在廊道范围内的POI类型与数量结构作为源地互动、廊道连通胁迫的人类活动干扰强度量化指标，利用HAI 测算不同POI 对生态廊道连通胁迫强度差异，并识别出最强胁迫因素，从而为增强网络连通性提供整治设施切入点。HAI 计算公式（刘世梁 等，2018）为：

式中：HAI为人类活动强度指数；n为POI的类型；Qij为潜在廊道i内j类POI的数量；ai为i类POI的权重，具体数值依据表2 赋值；Si为潜在廊道i的面积。

2 结果分析

2.1 源地生境质量分析

研究区平均生境质量指数为0.67、生境退化指数为0.04，整体生境质量处于良好水平（图3）。空间上，南沙新区中部中心城区的生镜质量较低，在南部和北部因有连片耕地而呈现较高的生态质量，并且森林公园、湿地公园也呈现较高生境质量。生境质量分析识别出高生境质量像元107.29万个，面积26.82 km²，经连片处理后形成生态源地共18个，面积36.83 km²，占研究区面积的4.57%（图4）。生态源地主要分布于中东部的南沙街道、黄阁镇，北部、中南部则因广布农田坑塘而导致生态源地规模较小。其中，面积较大的生态源地为森林公园、湿地公园，而其余小生态源地多为河中岛、河漫滩或未开发的自然山体。虽然生态源地平均生境质量为0.77，高于南沙新区整体生境质量水平；但所识别的生态源地生境退化水平高于整体平均值，反映南沙新区生境较好区域的生境退化现象较为突出，而被城镇所包围的大山乸森林公园（B）、林地（L）等源地“生态孤岛”效应显著。

图3 南沙新区生境质量分析（a.生境质量；b.生境退化）Fig.3 Habitat quality analysis of the Nansha New District(a.habitat quality; b.habitat degradation)

图4 南沙新区生态源地属性（a.面积统计；b.生境质量与退化指数）Fig.4 Attributes of ecological source area in Nansha New District (a.area statistics; b.habitat quality and degradation index)

2.2 廊道连通性与源地中心性分析

通过电路理论共识别出最优生态廊道40条，总长度为332.11 km，利用自然间断法将廊道连通性划分为5 级，其中，一级廊道5 条，长度2.95 km；二级廊道5条，长度16.51 km；三级廊道12条，长度63.97 km；四级廊道10条，长度84.53 km；五级廊道8条，长度164.15 km（图5-a）。过半廊道的等级为三四级，连通性介于17.56～92.56，并且呈现廊道长度越长、途经阻力越大、连通性越低的特征。高连通性一二级廊道主要集中在黄山鲁森林公园（A）、大山乸森林公园（B）大面积源地附近，虽然在中心城区生态阻力较高的影响下，但在大面积源地所产生的生态电流的驱动下，所链接廊道的连通性数值也较高。从图5-b 可发现，在廊道收窄的区域一般会形成较高电流密度，意味着该区域存在较大的生物通行量，因而称为“生态夹点”。按自然间断法将电流密度分为5级，筛选一级电流密度＞0.17的19.58 km²区域作为生态夹点，其占潜在廊道总面积的14.29%，南沙新区的生态夹点多形成于河流及其两岸地区，说明了河网本底对生态廊道的形成具有积极影响。生态源地中心性介于26.8～69.26，源地中心性高低与源地面积加权重心距离远近成反相关，与源地面积大小成正相关（图5-c）。通过分析源地空间分布和属性发现，源地面积和空间位置是源地中心性的决定性因素，源地面积越大越能产生生物量，而越靠近源地面积加权重心越能与周边源地建立更多的连接来积累生物量。源地中心性在空间上呈现由重心向四周递减的结构也反映此特征，源地面积加权重心附近的大面积源地呈现较高源地中心性，而分散于重心外围的小面积源地则呈现低源地中心性。

图5 南沙新区廊道-源地体系分析（a.最优廊道连通性；b.潜在廊道识别；c.源地中心性）Fig.5 Analysis of corridor-source system in the Nansha New District(a.optimal corridor connectivity; b.potential corridor identification; c.centrality of source)

2.3 生态网络结构及特征分析

本文基于电路理论构建的南沙新区生态网络由18个源地、40条廊道及覆盖面积125.70 km²的潜在廊道所构成，网络总电流量为582.62，累计阻力为16 565.03（图6-a）。南沙新区生态网络具备“点—线—面”的多层次结构，在空间上呈现“中部密、南北疏”的内敛格局，廊道主要沿西北—东南方向连通，中部廊道分布较为密集、长度较短、连通性较高且源地分布集中，而南北两端零散分布着低级源地且形成较多长距离、低连通性的廊道。从电流互动强度可以发现（图6-b），生态网络通过廊道互动形成以黄山鲁森林公园（A）、大山乸森林公园（B）源地为核心的互动结构，围绕核心源地产生的电流更是占网络总电流的20.64%，同时通过廊道输出电流量直接关联附近11个源地的等级和中心性。其中，电流量最大的生态运动电流链条为A-E-H-OC，累计产生电流量为112.74，占生态网络总电流量的19.35%。该链条是黄山鲁森林公园（A）、山体（E）、大角山滨海公园（H）、较杯山（O）生物往南扩散至南沙湿地（C）的重要路径，同时也是南沙街道与龙穴街道的重要陆域-海域生态廊道。

图6 南沙新区生态网络结构（a）及电流互动强度（b）Fig.6 Ecosystem structure (a) and current interaction intensity (b) in the Nansha New District

2.4 廊道连通的胁迫分析

将潜在廊道与POI进行空间叠加可知，潜在廊道内共有1 890 个POI，平均空间密度为15.04 个/km²，其中POI 数量占比较大的类型依次为交通设施、公司企业、购物消费与生活服务（图7）。通过计算每个廊道的胁迫强度，并识别胁迫廊道连通的主导因素（表4），可知南沙新区的廊道连通主要受公司企业、交通设施、购物消费和生活服务4 类POI设施的胁迫影响。其中，以公司企业设施为第一胁迫因素的廊道数量为23条，其次为交通设施胁迫主导的10条廊道，再次为生活服务设施胁迫主导的5 条廊道与购物消费设施胁迫主导的2 条廊道。廊道连通的胁迫强度空间分布与POI空间密度特征相吻合，胁迫最强的廊道为黄山鲁森林公园—山地（A-M）、黄山鲁森林公园—横沥农庄（A-K）、黄山鲁森林公园—日本仔山（A-F），以上廊道均为建成区所围蔽的生态孤岛对外沟通的通道，其连通主要受购物消费、生活服务、餐饮美食、公司企业的胁迫，集中分布于南沙街道与黄阁镇中心城区范围；胁迫强度最低的廊道为大角山—横沥农庄（H-K）、大虎山—大石排山（I-N）、南沙湿地—横沥农庄（C-K），均分布于中心城区外围的河流廊道，其连通主要受公司企业、交通设施、生活服务的胁迫。胁迫最强与最弱的廊道在胁迫因子类型上具有高度重合性，说明以上因子在廊道中具有较明显的负面影响。

表4 南沙新区生态廊道的人类活动胁迫强度Table 4 Human activity stress intensity of ecological corridor in Nansha New District

图7 南沙新区潜在廊道内的POI数量结构（a.潜在廊道与POI空间分布；b.POI占比情况）Fig.7 Quantity structure of POI in potential corridors of the Nansha New District (a.spatial distribution of potential corridors;b.the proportion of POI)

对廊道连通胁迫最大的公司企业、交通设施、生活服务、购物消费4 类POI 设施，分别进行胁迫强度、最优廊道长度与潜在廊道面积统计分析（表5），可知公司企业类POI对廊道连通贡献了近一半的胁迫强度，其在胁迫强度、最优廊道长度与潜在廊道方面都占有相当重要的比例，因此公司企业类POI是影响南沙新区廊道连通的最强胁迫因素。虽然交通设施POI 在潜在廊道范围内数量占比最高，但在人类活动强度的权重上相比公司企业低很多，在数量优势的基础上成为廊道胁迫第二大因素，以交通设施胁迫所主导的廊道数量占廊道总数的25%、最优廊道总长度的15.75%、潜在廊道总面积的16.43%。生活服务与购物消费两者在影响权重偏低和数量较少的限制下，对廊道连通的胁迫影响相对较小，两者合计控制17.50%的廊道与11.91%的潜在廊道面积。因此，削减与控制以上4 类POI 在潜廊道范围内的数量，降低POI设施聚集所产生的人类活动干扰强度，将有效增强生态网络连通性并缓解源地孤岛化、生境碎片化趋势。

表5 南沙新区生态网络主要胁迫因素的影响结构Table.5 Influence structure of main stress factors on ecological network in the Nansha New District

3 讨论

南沙新区现状生态本底与城市规划是生态网络在空间上呈现“中部密、南北疏”内敛格局的根源。南沙新区作为一个岭南水网新城，在珠江口围绕黄山鲁、大山乸山峰逐渐形成冲击平原，并被河网切割成相对独立的数个区域，河网密布的生态本底天然带有孤岛属性。在生态本底的基础上，南沙新区的西北部和西南部形成以农田耕地、河涌坑塘等田园景观为主，而建成区与森林公园集中分布于中部。在城市建设过程中将为数不多的山峰与人为干扰强度较低的区域规划为森林湿地公园，并系统建设生态超级堤与绿道碧道串联生态绿核，增强河网对生态廊道形成的积极影响，使得生态廊道及生态夹点多形成于河流及其两岸地区，而生态廊道串联相对孤立的区域，促进以河流为主干、陆地为枝叶的生态网络形成。以上因素共同造就南沙蓝绿空间占比高达64.75%的格局，在全国重大战略平台建设队列中，仅次于雄安新区，具有打造高质量城市发展标杆的优良生态禀赋。

生态系统与地表土地覆盖存在直接的联系，频繁的人类活动及高强度的土地开发不断改变地表形态，使生态网络连通遭受重大胁迫。南沙新区在2005—2022年，GDP从134.08亿元增长到2 252.58亿元，POI设施数量由7 696个增加到41 345个，常住人口由14.26万人增长至92.94万人，规模上分别翻了16.80、5.37与6.52倍，由广州最南端的沙洲蜕变为粤港澳大湾区的枢纽与门户。一方面，社会经济快速发展不断吸纳外来人口迁入，形成就业导向的人口结构，而人口结构与人类活动类型息息相关，最终驱动着炸山填海造陆、建设港口码头等大规模城市建设活动的开展，导致建成区蔓延围蔽生态源地而形成众多“生态孤岛”。另一方面，青壮年为主的劳动人口结构决定了就业类POI对生态廊道产生胁迫强度更大、生态阻力更高的消极影响，本文发现数量众多的公司企业POI存在于潜在廊道范围并成为廊道连通最强胁迫因素，说明普遍存在经济发展空间对生态保护空间的侵占现象，也反映需要利用规划管理等手段确保廊道的保障性生态功能的持续稳定，以及促进发展与保护空间资源的合理分配利用。

关于南沙新区生态网络研究中，李亚萌（2020）基于生态位理论利用土地利用数据，对南沙新区生态网络多样度、渗透度、态势度、分异度、交叠度、压缩度6个方面进行评估，从而得出7项生态网络优化策略建议。该研究基于土地利用数据构建生态网络，主要结论通过数理统计推导再落实到控规地块中，为本文的开展提供了一定的研究基础与启发，但仍需进一步探究人类活动空间异质性对生态网络的影响。本文基于电路理论利用土地利用和POI数据构建具有量化属性的生态网络，通过廊道连通性与源地中心性探究生态网络内部电流互动结构，并识别量化生态廊道连通的人为胁迫因素与强度，进一步地丰富了城市生态网络研究成果。囿于不同地理单元的阻力体系差异过大，本文所提出的“人类活动强度+地表景观”综合阻力模型，在不同区域的应用仍需因地制宜地确定二者权重并科学建立阻力体系，以确保综合阻力面能更真实地反映生物运动所受到的阻力；另外，受数据与研究区域限制，缺乏对研究区与外部空间的生态整体性与连续性的探讨，未来需进一步加强与外部生态网络的关联研究。

4 结论

本文基于POI数据与土地利用数据，构建由人类活动强度阻力与地表景观阻力所合成的综合阻力面，通过InVEST 生境质量分析与电路理论，筛选高生境质量源地、识别潜在廊道与最优生态廊道，构建南沙新区现状生态网络，并探究生态网络的廊道连通胁迫因素识别与强度量化。主要结论如下：1）南沙新区整体生境质量处于良好水平，生态源地中心性介于26.8～69.26，源地中心性与源地面积加权重心距离成反相关，与源地面积成正相关；多数生态廊道的连通性为17.56～92.56，廊道连通性与廊道长度、阻力具有反比关系。2）由18个高生境质量源地、40条最优生态廊道与125.70 km²的潜在廊道组成的“点—线—面”生态网络在空间上呈现“中部密、南北疏”的内敛格局，中部廊道分布较为密集、长度较短、连通性较高且源地分布集中，而南北两端零散分布着低级源地且形成较多长距离、低连通性的廊道。3）南沙新区廊道连通的主要胁迫因素为公司企业、交通设施、生活服务和购物消费等4类POI设施，受这4类POI设施胁迫的廊道数量分别为23、10、5、2条，削减与控制以上4类POI设施在潜廊道范围内的数量，将有效增强生态网络连通性并缓解源地孤岛化、生境碎片化趋势。