基于最小累計阻力模型的西南城市景觀連通性研究

張青萍+楊柳

摘要：以貴州省貴陽市為研究對象，從結(jié)構(gòu)連通性、綠當量強度、功能連通性三方面入手，采用綠當量計算阻力系數(shù)，并利用阻力因子的分級對MCR模型進行修正，模擬生態(tài)景觀連通性優(yōu)化廊道，對景觀格局進行優(yōu)化研究。結(jié)果顯示，2001—2013年，研究區(qū)景觀破碎度、人類干擾程度大幅增大，生物多樣性有所提高，景觀連通性、團聚性減弱，結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢，威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通；中心城區(qū)綠當量強度明顯下降，3縣1市地區(qū)的綠當量強度增加；阻力值分布呈4個阻力高值區(qū)，阻礙了生態(tài)流的流通，可構(gòu)建2條優(yōu)化主廊道及2條優(yōu)化次廊道作為物種遷移和生態(tài)流空間擴散的通道。

關(guān)鍵詞：景觀；連通性；最小阻力模型；生態(tài)；綠當量；系統(tǒng)服務(wù)價值；西南山區(qū)；貴陽

中圖分類號： F301.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0438-04

收稿日期：2015-12-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：41401400）；貴州大學(xué)文科重大科研項目（編號：GDZT201305號）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金（編號：黔科合J字[2012]2170號）；貴州大學(xué)引進人才科研基金[編號：貴大人基合字（2010）006號]；貴州省教育廳高等學(xué)校人文社會科學(xué)研究基地項目。

作者簡介：張青萍（1990—），女，碩士研究生，主要從事土地資源利用與保護研究。E-mail：651418954@qq.com。

通信作者：楊柳，博士，副教授，主要從事土地利用研究與數(shù)據(jù)挖掘研究。E-mail：yang_whu.edu@163.com。西南山區(qū)是我國經(jīng)濟比較落后的地區(qū)，也是我國生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)。西南山區(qū)擁有大面積的喀斯特碳酸鹽地貌，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，加之城市化進程中人為干擾城市景觀格局，西南山區(qū)城市生態(tài)環(huán)境敏感度及破碎程度不斷提高，嚴重威脅城市的生態(tài)建設(shè)。

景觀連通性是指景觀促進或阻礙生態(tài)流在景觀格局間運動的程度[1]，實際上是反映生態(tài)流、物質(zhì)能量流在景觀中擴散和流動的能力，包括結(jié)構(gòu)連通性（structural connectivity）和功能連通性（functional connectivity）。早期的景觀連通性研究側(cè)重于對景觀結(jié)構(gòu)進行分析，而景觀功能連通性的研究幾乎沒有涉及，隨著對景觀連通性研究的深入，許多學(xué)者利用多種模型對功能連通性進行相關(guān)研究。目前，基于模型的景觀連通性研究均是利用生境斑塊分布和物種運動等信息，在景觀尺度上模擬出景觀連通性，如擴散成功（dispersal success）、搜索時間（search time）、離散隨機軌道（discrete random walks）和細胞遷入（cell migration）等模型[2]，但是，這些模型對運算和數(shù)據(jù)的要求非常苛刻，操作復(fù)雜，不適用于宏觀尺度的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)保護區(qū)規(guī)劃等景觀連通性研究[3]。近年來，一些學(xué)者采用最小累積阻力模型（minimum cumulative resistance，MCR）模擬區(qū)域景觀中的連通性[4-5]，具有數(shù)據(jù)要求簡單、運算快捷、模擬結(jié)果直觀形象等優(yōu)點，是目前景觀大尺度水平上評價景觀連通性較好的工具之一。本研究利用綠當量及源的分級，對MCR模型進行修正，從景觀結(jié)構(gòu)連通性、景觀綠當量強度、景觀功能連通性三方面對研究區(qū)景觀的連通性進行模擬，以期對研究區(qū)生態(tài)格局進行優(yōu)化。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

貴陽市作為貴州省的省會城市，是貴州經(jīng)濟、文化和交通中心，位于貴州省中部，106°07′～107°17′ E、26°11′～26°55′ N。貴陽市呈西南高、東北低的地勢，屬于典型的西南喀斯特山地，境內(nèi)分布有大量的山地及丘陵，90%左右為山地、丘陵、峽谷等，區(qū)域地貌破碎；最高峰海拔1 659 m，最低處海拔 880 m，平均海拔1 100 m左右，海拔相對高差大。貴陽市受典型西南山區(qū)地貌的影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，景觀連通性比較弱。

1.2數(shù)據(jù)來源

利用2013年6月的Landsat遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站http：//www.gscloud.cn，分辨率為30 m×30 m），結(jié)合貴陽市西南山區(qū)現(xiàn)狀、研究需要及土地利用現(xiàn)狀分類標準對影像進行分類，解譯得到耕地、林地、建設(shè)用地、水體和草地5個地類，并形成土地利用分類圖作為研究底圖（圖1）。

2基于MCR模型的景觀連通性計算

2.1最小累計阻力模型概述及其應(yīng)用于景觀連通性的原理

MCR模型是指模擬生態(tài)流從“源”經(jīng)過具有不同生態(tài)服務(wù)功能的景觀過程中所需要克服阻力的模型，最早由Knaapen等[6]提出，其關(guān)鍵因素為源、景觀阻力系數(shù)及運動距離[7]，其一般表達式[8]為：

MCR=∫min∑（Dij×Rj）。

式中：MCR為最小累積阻力值；Dij表示物質(zhì)流從源到景觀柵格單元的運動距離；Rj表示景觀單元i對物質(zhì)流運動的阻力系數(shù)；f表示最小累積阻力與距離、景觀阻力因子呈正相關(guān)；i表示景觀單元的個數(shù)，j表示阻力面柵格個數(shù)。MCR模型最早被應(yīng)用于生物遷移研究，生物體對景觀結(jié)構(gòu)的感知和反應(yīng)會改變其運動方向及快慢程度，這種感知和反應(yīng)即為旅行費用（travel cost），用于描述景觀阻礙或促進物質(zhì)流在生境斑塊間的運動過程，與景觀功能連通性原理非常相似[9]，可把景觀功能連通性換算為物質(zhì)流在景觀中擴散所需的阻力。因此，近年來，MCR模型因其簡便形象常被用于景觀連通性研究。

2.2源地識別

“源”是物質(zhì)流擴散和維持的原點，具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴張或集聚的能力[10]。本試驗以典型、具有代表性的生態(tài)用地，即具有良好生態(tài)服務(wù)價值的生態(tài)區(qū)域如自然保護區(qū)、森林公園、旅游景點、水源地、公園、文化保護區(qū)等作為源，對城市生態(tài)用地景觀的連通性變化進行研究。

2.3阻力系數(shù)設(shè)定

阻力系數(shù)設(shè)定是MCR模型的關(guān)鍵，而目前相關(guān)研究忽略了生態(tài)流在景觀格局流動過程中存在絕對的運動約束。建設(shè)用地具有地面硬質(zhì)化、土壤養(yǎng)分退化等特征而幾乎不可能再被重新作為植物生存的載體，這些建設(shè)用地區(qū)域構(gòu)成生態(tài)流流動的剛性約束，生態(tài)流無法流通，只能跨越，與距離無關(guān)，建設(shè)用地將對生態(tài)流流通的模擬結(jié)果產(chǎn)生重要影響。阻力系數(shù)設(shè)定分為生態(tài)流通剛性阻力及一般阻力系數(shù)，本試驗將研究區(qū)建設(shè)用地形成生態(tài)流通剛性阻力分布圖，地類要素形成生態(tài)流通一般阻力圖，最終形成生態(tài)流通綜合阻力圖，并對MCR模型進行修正。

2.3.1生態(tài)流通剛性阻力設(shè)定根據(jù)研究目的及研究區(qū)地類分布情況，將建設(shè)用地確定為剛性阻力因子，對生態(tài)流流動構(gòu)成剛性約束，阻力系數(shù)無窮大，實際過程中將其阻力值賦為999[11]。

2.3.2生態(tài)流通一般阻力系數(shù)設(shè)定從生態(tài)角度出發(fā)研究城市景觀連通性，生態(tài)流在景觀格局中運動的最大阻礙是地類。目前，一般阻力系數(shù)設(shè)定沒有統(tǒng)一標準。綠當量是度量生態(tài)系統(tǒng)健康及連續(xù)程度的一個重要指標，基于綠當量對地類生態(tài)用地功能的精確表達，本研究利用地類的平均綠當量來設(shè)定生態(tài)流通的阻力系數(shù)。根據(jù)前人研究成果[12-17]，并結(jié)合研究區(qū)的地理特征計算研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值，測算研究區(qū)地類的平均綠當量。研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值計算公式為：

P=∑19i=1Ai。

式中：P為生態(tài)服務(wù)總分值；A為指標評價分值；i為指標個數(shù)。在全年滿種的前提下，設(shè)定林地綠當量為1.00，則各地類平均綠當量計算公式為：Li=Ai/A林。

式中：Li為各地類平均生態(tài)綠當量；Ai為各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值；A林為林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值。

經(jīng)統(tǒng)計，貴陽市自然林地、人工林地、園地生態(tài)服務(wù)總分平均值為154.24；相同面積及全年滿種情況下，水田、旱地等耕地生態(tài)服務(wù)總分平均值為120.56，草地生態(tài)服務(wù)總分值為121.84，水體生態(tài)服務(wù)總分值為142.56。由于我國各地區(qū)分屬不同氣候帶，氣候條件不同，作物熟制不同，需要對滿種前提下的生態(tài)綠當量進行修正，一般是將總分值乘以生長期系數(shù)。貴陽市屬于西南亞熱帶地區(qū)，且位于秦淮線-北回歸線之間，作物1年2熟，故生長期系數(shù)取0.67[18]。經(jīng)修正，林地、草地（暫以熟制討論）、耕地、水體（暫以綠當量計算）平均生態(tài)綠當量分別為1.00、0.53、0.52、0.62，以每種生態(tài)功能要素平均綠當量占總平均綠當量比例的倒數(shù)作為阻力因子的阻力系數(shù)，則貴陽市林地、草地、耕地、水體的阻力系數(shù)分別為27、50、53、44（表1）。

3結(jié)果與分析

3.1研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性的演變

景觀結(jié)構(gòu)連通性可以通過連通性指數(shù)來衡量，包括破碎度、集聚度、蔓延度、分離度、連通度等景觀格局指數(shù)[19]，通過景觀格局軟件Fragstats可計算得到。利用Fragstats軟件，從地類級別（class metrics）選取斑塊個數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI），從景觀級別（landscape metrics）選取斑塊凝聚度（COHESION）、分離度（SPLIT）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、聚合度（AI）、蔓延度（CONTAG）共8個指數(shù)對景觀結(jié)構(gòu)連通性進行描述。由表2可見，2001—2013年，研究區(qū)斑塊個數(shù)及斑塊密度分別由145 382個、18.35 個/km2上升到262 659個、33.16 個/km2，這說明研究區(qū)景觀破碎度因建設(shè)用地的增加而大幅增大；最大斑塊指數(shù)由33.43%上升到64.48%，這說明研究區(qū)人類干擾程度不斷增大，人為規(guī)劃設(shè)計活動對研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯；斑塊凝聚度及蔓延度分別從99.78%、45.44%下降到99.46%、41.96%，這說明研究區(qū)景觀連通性呈下降趨勢，生態(tài)用地斑塊功能和廊道功能均有一定程度減弱；香農(nóng)多樣性指數(shù)由 1.10 上升到1.19，這說明研究區(qū)林地、草地等生態(tài)用地面積大幅增加，生物多樣性也隨之升高；分離度增大而聚合度下降，這說明研究區(qū)景觀的團聚性減弱。從2001—2013年，研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)的連通性總體呈下降趨勢，人類干擾、不透水面的侵蝕覆蓋等都威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通。

3.2研究區(qū)景觀綠當量強度的演變

設(shè)Xl為研究區(qū)實際林地綠當量，x為研究區(qū)實際綠當量，Si為i類用地面積，gi為綠當量，i代表用地類型（i=1，2，3，4，…），根據(jù)最佳綠地覆蓋率計算得到城市林地面積為Sl，城市實際林地面積為Ss，得到模型為：Sl=MZ×Fh（式中：Fh為合理的綠地覆蓋率，MZ為城市總面積），對應(yīng)的綠當量為X=1；城市實際林地綠當量為：Xl=Si/Sl×100%；城市總綠當量為：x=X1+∑3i=1Si×giSl×100%。合理綠地覆蓋率Fh計算參照倪琳等的方法[20]，計算公式為：Fh=（MZ-Mj-Ms-Mg-Mn）/MZ，式中：Mj為區(qū)域建設(shè)用地面積，Ms為區(qū)域水體面積，Mg為區(qū)域耕地面積，Mn為難利用地。由表3可見，2001—2013年，貴陽市生態(tài)用地不斷增加，其生態(tài)綠當量及林地綠當量有所增加，而草地及耕地綠當量呈下降趨勢。

在ArcGIS中，用每種景觀綠當量值占區(qū)域總值的比例作為景觀服務(wù)功能強度，將2001年、2013年50 m×50 m柵格圖按綠當量結(jié)果進行重新分類，對綠當量進行空間化。由圖2可見，2001—2013年，南明區(qū)、云巖區(qū)、觀山湖區(qū)、白云區(qū)、烏當區(qū)、花溪區(qū)等中心城區(qū)的綠當量由于建設(shè)用地擴展，其強度呈明顯下降趨勢，市中心城區(qū)呈現(xiàn)大面積的綠當量低值區(qū)，其景觀服務(wù)功能偏低；息烽縣、修文縣、開陽縣、清鎮(zhèn)市這處于城市邊緣的3縣1市，其綠當量強度卻因生態(tài)用地面積的增加而增加。

3.3景觀功能連通性演變及優(yōu)化

3.3.1最小累計阻力值的計算將提取的生態(tài)源地矢量圖層和生態(tài)流通綜合阻力柵格圖層導(dǎo)入ArcGIS下的cost distance模塊，計算出研究區(qū)所有源地到每個柵格的最小累積阻力值，利用最小累積阻力模型模擬研究區(qū)生態(tài)用地景觀的連通性，阻力值大的柵格表示景觀連通性弱，反之則景觀連通性強。由圖3可見，2001年、2013年，阻力值分布呈明顯的4個阻力高值區(qū)，且這4個區(qū)域阻力值集中分布；中心城區(qū)的高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線，3縣1市的高阻力區(qū)也集中分布在建設(shè)用地相對集中的城中心；整個研究區(qū)高阻力值基本沿建設(shè)用地分布而展開，建設(shè)用地密度越大，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越完善，地面基本被不透水面覆蓋，城市綠地所占比例越小，說明此區(qū)域景觀的連通性越弱，需要加強生態(tài)建設(shè)；中心城區(qū)低阻力區(qū)主要分布在烏當區(qū)及花溪區(qū)大部分地區(qū)，是貴陽市城區(qū)水庫、濕地、公園、風(fēng)景旅游區(qū)等生態(tài)用地最為集中且面積最大的區(qū)域，形成了貴陽市城區(qū)的生態(tài)保護屏障，對貴陽市城區(qū)氣候、生態(tài)環(huán)境起調(diào)節(jié)與保護作用，3縣1市的低阻力區(qū)集中分布在郊區(qū)、農(nóng)村及風(fēng)景區(qū)等生態(tài)環(huán)境優(yōu)良的區(qū)域，這些區(qū)域景觀連通性強，需要保持并進一步加強保護。2001年到2013年，由于建設(shè)用地的不斷擴展，生態(tài)用地被侵蝕，城市中心城區(qū)的阻力值明顯呈增加趨勢，即景觀連通性強度下降。2002年，貴州省全面推行退耕還林政策，促使了3縣1市地區(qū)林地及草地面積的增加，其阻力值呈下降趨勢，即景觀連通性強度增加。

3.3.2景觀連通性優(yōu)化閾值的設(shè)定利用2013年阻力值分布圖像元（阻力值）大小與柵格數(shù)目的關(guān)系，采用自然斷點法，取曲線拐點處（A點）作為景觀連通性優(yōu)化閾值設(shè)定的分界點[21]，則阻力值大于1 023 726的區(qū)域為生態(tài)阻力高值區(qū)（圖4）。

3.3.3連通性優(yōu)化生態(tài)廊道的構(gòu)建在ArcGIS中，利用景觀連通性優(yōu)化閾值對2013年阻力分布圖進行重新分類，得到4個明顯的生態(tài)阻力高值區(qū)，該區(qū)域景觀連通性較弱，利用生態(tài)廊道可對其景觀連通性進行提升，將4個主要生態(tài)阻力高值區(qū)的中心進行連接，構(gòu)建西—東北、南—北方向的2條優(yōu)化主廊道；為加強廊道建設(shè)，可將4個主要生態(tài)高值區(qū)與其周圍的次要生態(tài)高值區(qū)中心連接起來，構(gòu)建東—西南、南—東北方向的2條優(yōu)化次廊道，作為物種遷移和生態(tài)流、物質(zhì)流空間擴散的廊道（圖5）。在城市規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)中，要特別注意這4條生態(tài)廊道的建設(shè)，以提高研究區(qū)的綠當量，形成研究區(qū)良好的生態(tài)系統(tǒng)，并維持城市生態(tài)健康及生物多樣性。

4結(jié)論

以貴陽市為例，采用修正的MCR模型對研究區(qū)景觀連通性進行模擬，并利用ArcGIS等可視化軟件對研究區(qū)的景觀連通性進行研究，結(jié)果表明，2001—2013年，研究區(qū)景觀破碎及人類干擾程度不斷增大，人為規(guī)劃設(shè)計活動對研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯，生物多樣性有所提高，景觀連通性及景

觀的團聚性減弱，研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢，不利于區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通；貴陽市中心城區(qū)綠當量由于建設(shè)用地的擴展，其強度呈明顯下降趨勢，處于城市邊緣的3縣1市其綠當量強度卻因生態(tài)用地面積增加而增加；由于建設(shè)用地的不斷擴展并侵蝕生態(tài)用地，城市中心城區(qū)的阻力值呈增加趨勢，景觀連通性強度下降，3縣1市由于林地及草地面積的增加，其阻力值呈下降趨勢，景觀連通性強度增加；高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線及3縣1市的城區(qū)，高阻力值分布基本沿建設(shè)用地的分布而展開，形成4個明顯的阻力高值區(qū)，該區(qū)域景觀連通性非常弱，需對其進行優(yōu)化。根據(jù)阻力高值區(qū)的分布情況，構(gòu)建了2條景觀連通性優(yōu)化主廊道與2條優(yōu)化次廊道，為生態(tài)流、物質(zhì)流的流通疏通了道路。

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