基于MSPA-連接度-空間句法的生態保護空間及優先級識別
——以蘇錫常地區為例

成文青,陶 宇,2,吳 未,2,歐維新,2,*

1 南京農業大學土地管理學院,南京 210095 2 農村土地利用與整治國家地方聯合工程研究中心,南京 210095

快速城市化導致城市生態保護空間(Ecological Protect Area,EPA)急劇減少,EPA之間的連接度降低,給物種生存帶來嚴重威脅[1- 3]。對EPA進行有效地識別,以提高EPA之間的連接度,已成為保護物種多樣性研究的重要內容[4- 7]。現有研究中,生態保護空間優先級識別方法有：(1)景觀連接度指數法[8- 10],依據指數高低識別EPA優先級；(2)生態系統服務評估方法,利用Guidos Toolbox[11- 14],Zonation[15- 17],Marxan[18- 21]等軟件對不同的生態要素(如碳排放量、水土保持量、氣候變化情況等)進行綜合分析,劃分EPA的優先級。然而,傳統方法大多基于EPA對物種遷移決策的影響是等權重的原則,但物種實際遷移時,EPA對物種決策的影響是非等權重的[22- 24],因此一些專家和學者也嘗試和探索新的方法如空間句法等,來彌補這方面的不足。

空間句法能對人類活動與其所處環境之間的關系進行量化分析,被廣泛用于優化城市空間配置的研究[25- 27]。因此部分專家和學者將其應用到景觀生態學中,通過探索動物活動與其所處景觀要素之間關系,優化景觀布局。如楊天翔等[28]通過空間句法反映不同景觀元素對物種決策的非等權重影響,研究鳥類邊緣種行為的景觀連接度；同時他們還探索了空間句法在生態網絡功能連接度研究方面的優越性[29]；此外Wei等[30]通過結合景觀連接度和空間句法對浦口地區城市綠色基礎設施進行了優先級識別。這表明空間句法在EPA優先級識別上的潛力。

本文擬在結合景觀生態學中MSPA方法、景觀連接度識別EPA優先級的基礎上,引入空間句法,試圖發現基于景觀連接度的EPA優先級識別方法在引入空間句法后有何改進,以期為生態空間保護和EPA優先級識別提供新的思路和方法。

1 研究區概況

蘇錫常地區地處119°08′—121°15′E,30°46′—32°04′N之間,位于長江三角洲腹心地帶,是長三角地區的一個重要組成部分。自21世紀以來,蘇錫常地區經濟和城市化快速發展與擴張,引致區域EPA面積急劇下降,嚴重威脅區域生態環境、生物多樣性保護。如何協調城市經濟社會發展與生態空間保護的關系,已經成為蘇錫常地區亟需解決的問題之一。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源及處理

本研究采用2015年蘇錫常土地利用數據,并根據研究目標和區域實際情況將地類劃分為水田、旱地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、城鄉建設用地、交通用地、灘涂沼澤、湖泊水庫、河流、溝渠/運河和其他未利用地等13種類型。

2.2 研究方法

2.2.1基于MSPA的EPA識別

形態空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)能夠識別目標像元集與結構要素之間的空間拓撲關系,并將目標像元集分為核心、斑塊、孔隙、邊緣、橋接、環道和支線 7 種類型[31],被廣泛用于EPA的識別及EPA網絡研究當中[14,31- 32]。本研究在進行MSPA分析時,將喬木林地、灌木林地歸并為林地,將灘涂沼澤、湖泊水庫、河流、溝渠/運河歸并為水域,兩者均作為前景地類,其他地類設置為背景地類,利用Guidos Toolbox軟件平臺對蘇錫常地區進行分析,識別出其核心區,并據此明確重要EPA的空間分布。

2.2.2基于景觀連接度的EPA優先級識別

在MSPA識別出的7種景觀類型中,核心區作為最重要的組成部分,可作為多種生態過程的“源”,對生物多樣性保護具有重要意義。因此本研究選擇核心區采用基于景觀連接度方法進行優先級識別。由于核心區中存在如太湖、滆湖、陽澄湖、長江支流等面積較大的水域,對連接度方法的優先級識別結果會產生較大影響,為了降低這種影響,我們將水域和林地分別進行優先級識別。

景觀連接度是EPA優先級識別的重要方法之一,包含了結構連接度和功能連接度[33- 35]。本研究采用景觀功能連接度中的整體連通性指數(Integral Index of Connectivity,IIC)、可能連通性指數(Probability of Connectivity,PC)和相對重要性指數dI來綜合評判EPA優先級。白鷺作為蘇錫常地區的優勢物種,已被列入《瀕危野生動植物種國際貿易公約》[36],因此在指數計算時,以白鷺為參考,將斑塊連通的距離閾值設定為白鷺的最大遷移距離10 km,連通的概率設定為0.5,通過Conerfor Sensinode 2.2計算指數,根據dIIC和dPC指數歸一化結果,劃定EPA優先級。歸一化方法如下：

dI=0.5×dIIC+0.5×dPC

2.2.3EPA網絡構建

對EPA進行單獨保護容易造成“孤島化保護”的現象,不利于物種長期生存[37- 38]。因此本研究通過構建EPA網絡增強EPA優先級識別的有效性。此外,由于傳統EPA優先級識別結果中優先級排序前十的EPA被認為對生態保護具有重要作用,考慮到研究區域面積較大,本研究分別將連接度方法識別結果中排序前二十的林地和水域EPA作為網絡“源地”。同時,以白鷺在景觀之間的遷移阻力為參考[39],通過最小成本路徑法分別構建林地和水域網絡,并將兩個網絡進行疊加,剔除冗余廊道,構建區域EPA網絡。

2.2.4基于空間句法的EPA優先級識別

軸線圖構建是空間句法研究的基礎。在構建軸線圖時,我們以廊道的拐點作為斷點,將一條廊道切分成多條廊道,并假設劃分后的廊道是一條直線,將這些直線作為軸線,構成軸線圖。此外,我們將兩條軸線的交點處的EPA作為踏腳石,并對其優先級進行識別。

在指數選擇時,引入空間句法中的整體集合度(Global integration)、連接值(Connect)、選擇度(Choice)、以及可達性I(Accessibility,表示一個節點同時作為目標和通過路徑的綜合潛力,是對整體集合度和選擇度的歸一化)指數,其中,可達性I的計算公式如下：

式中,i表示軸線編號。其他指數含義及計算方法見文獻[40-41],具體計算通過Depthmap完成。

通過對上述指數計算結果進行分析,制定標準(表1、表2)分別對“源地”EPA、踏腳石EPA和廊道EPA的優先級進行識別。

表1 “源地”EPA、踏腳石EPA優先級識別標準

EPA：生態保護空間 Ecological protect area;I：可達性 Accessibility

表2 廊道EPA優先級識別標準

3 結果與分析

3.1 基于MSPA方法的EPA識別結果

由圖1、表3可見,基于MSPA方法識別出的蘇錫常地區EPA總面積為579868.92 hm2,占蘇錫常地區總面積的32.94%,說明蘇錫常地區生態基礎良好。其中,核心區面積為463673.13 hm2,分別占EPA總面積和研究區總面積的79.96%、26.34%,是EPA的主要類型；橋接區和支線作為連接核心區的重要景觀,其面積分別為7629.50、21582.23 hm2,占EPA總面積的比例均低于3.8%,且在研究區總面積中的占比均不足1.3%,說明生態核心區彼此之間較為獨立；邊緣區作為核心區與外圍非綠色景觀區域之間的過渡區域,其面積占EPA總面積和研究區總面積的比例分別為12.02%、3.69%,可減少外界環境及人為干擾帶來的沖擊；環島、孤島和孔隙則占EPA總面積的比例分別為0.28%、2%、0.69%,占研究區總面積的比例分別為0.09%、0.66%和0.23%。

圖1 基于MSPA的景觀類型圖Fig.1 Landscape type that based on MSPAMSPA: 形態空間格局分析Morphological spatial pattern analysis

表3 基于MSPA的EPA面積及百分比

3.2 基于連接度的EPA優先級識別結果

3.2.1“源地”EPA優先級識別及分布

由圖2可以看出,在蘇錫常地區“源地”EPA中,林地主要分布在蘇錫常地區西南部,且分布較為密集；水域中包括太湖(編號21)、長江(編號22)、滆湖(編號23)、陽澄湖(編號24)、長蕩湖(編號25)等大型湖泊,則分布較為均勻。在“源地”EPA優先級識別結果中,林地(表4)和水域(表5)中都存在一個dI極高的EPA,林地中優先級第一的是位于無錫地區最南部的大型自然文化遺產保護區(編號1),其dI值為81.80；水域中優先級第一的是編號21的太湖,dI值為93.52；其次是長江、滆湖、陽澄湖、長蕩湖等大型湖泊,說明大型EPA對于蘇錫常地區生物多樣性保護具有重要意義。

圖2 林地和水域“源地”分布圖Fig.2 Distribution of woodland and waterbody

表4 林地優先級識別結果

3.2.2潛在EPA網絡構建

由圖3能夠看出,林地網絡主要作用于蘇錫常地區西南部,編號16的EPA位于區域最西部,與其他區域距離較遠,不利于西部區域生物的遷移和保護。水域網絡相較于林地網絡更為復雜,分布也較為均勻,能夠較好的連通區域內部的物種遷移和物質能量的交流。將林地網絡和水域網絡進行疊加去除冗余廊道,形成最終的蘇錫常區域EPA網絡,并以此為基礎構建網絡軸線圖。

3.3 基于連接度-空間句法EPA優先級識別結果

在EPA軸線網絡中,同一軸線的整體集合度(圖4、圖5)和連接值(圖4、圖5)存在正相關關系,即整體集合度大的軸線連接值也大。選擇度與前兩者存在一定差異,部分軸線雖然集合度和連接值較高,但選擇度較低,說明在生物遷移的過程中,相應EPA雖然與其他EPA聯系程度較高[42],但是被選擇的次數較低,更不易被物種感知并選擇。如編號109的軸線,整體集合度為1.8,連接值為5,但選擇度僅為4。根據網絡可達性I發現,I值較高的軸線大多集中在太湖(編號21)區域,以及無錫南部編號1和2的林地區域,說明這3個區域在EPA網絡中的可達性最高,是EPA網絡的中心區域,具有較高的生態價值,對整個區域的生態保護具有重要意義。而長江(編號22)、常州西部編號為16的林地區域所連接的軸線其各個指數值都較低,說明這兩個EPA的面積雖然較大,連接度優先級識別結果較高,但不易被物種感知,被選擇的次數較低,相較于其他EPA更不利于物種遷移。

表5 水域優先級識別結果

圖3 潛在EPA網絡圖Fig.3 Potential network in Su-Xi-Chang region

圖4 基于空間句法的軸線優先級指數空間分布圖Fig.4 Axial map and priority indices based on space syntax

圖5 基于空間句法的軸線優先級指數值分布圖Fig.5 Value of each axial based on space syntax

3.4 EPA識別結果分析

由圖6和表6可以看出,EPA網絡中一級EPA和四級EPA主要分布在蘇錫常地區南部和西部,數量分別排第二和第一；二級EPA主要分布在蘇錫常地區中部,距離建設用地較近；三級EPA數量最少,主要分布在蘇錫常地區東部的蘇州；四級EPA的數量最多。

圖6 EPA網絡要素優先級識別結果Fig.6 Priority evaluate result of EPA network elements

綜合連接度和空間句法兩種方法的EPA優先級識別結果(表6)可知,蘇錫常地區一級EPA全部由“源地”組成,其數量最少,但面積最大,占整個地區EPA面積的73.10%,是EPA網絡最主要的組成部分；二級EPA和三級EPA在整個EPA網絡中面積占比較低,但優先級卻較高；而四級EPA雖然面積占比高,優先級卻較低。同時通過對比發現,編號4,5,7,8,9,22,28,29的EPA在連接度優先級識別結果中排序較高,但結合空間句法后優先級降為四級,編號10,30,38的EPA通過在連接度優先級識別結果中排序較低,但結合空間句法后優先級升為二級,而編號37的EPA優先級升為為三級。說明相較于景觀連接度對EPA等權重的計算原則,空間句法能夠體現EPA對物種決策的非等權重影響[28],進而導致識別結果的差異,是對景觀連接度研究方法的有效補充。

4 結論與討論

本研究通過MSPA方法對蘇錫常地區EPA進行初步識別,在采用傳統的連接度方法對EPA優先級進行識別的基礎上,引入拓撲學中的空間句法,通過量化物種與EPA配置之間的關系,實現EPA非等權重原則下的優先級識別。結果表明：1)蘇錫常地區EPA主要由面積較大的斑塊組成,其中太湖和編號為1、2的EPA可達性較高,是研究區域生態保護空間網絡的中心,需要重點加以保護；2)引入空間句法的優先級識別與基于景觀連接度的優先級識別的結果存在明顯差異,在引入空間句法后優先級降低1—2個等級；后者優先級較低的4個EPA的優先級則上升了2個等級。這是因為連接度理論是基于景觀對物種決策行為影響的等權重原則進行識別,但在實際的物種遷移過程中,景觀對物種感知和移動行為在不同距離和方向上的影響是非等權重的[28],而空間句法則彌補了這一不足。同時,3)本研究通過在軸線的相交處設立踏腳石,并對踏腳石EPA的優先級別進行識別,能夠完善EPA網絡整體連接度,增強物種在廊道中遷移時對EPA要素的感知,為EPA網絡優化和保護提供有效參考。綜上所述,通過結合連接度和空間句法識別出的EPA優先級相較于單一的連接度方法更為科學準確,提升了其現實指導價值。

空間句法為EPA優先級識別方法提供了有益的補充,但其研究結果受到軸線圖構建結果的影響較大,且在相關研究中多以“最長最少”的原則進行軸線圖構建,主觀性較強,如何構建客觀準確且具有明確生態學含義的軸線圖等研究還有待深化。此外,在計算句法指數過程中,拓撲步數的選擇也會對各個指數的值也會產生影響,相關研究中多將人類的空間感知拓撲步數設置為3,即人類最多能夠感知到3條街道以內的空間,或默認拓撲步數為n,即人類能夠感知空間內的所有街道,而如何準確的設置物種的空間感知拓撲步數也有待探索。

表6 EPA面積屬性表

空間句法自被提出以來已被廣泛用于城市、村落空間配置分析,城市軌道交通、人文景觀設計和優化、以及廣場空間改造和室內空間設計等諸多方面,其核心思想是通過軸線模型量化研究人類活動與環境要素配置的關系[27]。在假設其同樣適用于研究“景觀-物種”關系的前提下,部分專家和學者探索如何將其用于量化研究景觀要素配置與物種遷移行為之間的關系,并據此對生物多樣性和EPA進行保護[28-30]。這在一定程度上表明,空間句法有助于深化對景觀連接度、“格局-過程關系”等景觀生態學理論方法的理解和認識。將其應用到區域EPA優先級識別實踐中,將有利于提高生態保護效率,對生物多樣性保護和地區生態安全具有重要現實意義。