武漢市東湖風景區生境質量優化研究

韓依紋

張謦文

張詩寧

殷利華*

快速城市化進程中大規模的土地開發導致自然生境銳減，是城市生態系統退化和生物多樣性缺失的主要動因[1-2]?，F今城市中留存的生境斑塊可作為核心物種庫，對其保護及優化是實現生物多樣性保護的重要途徑。生境(Habitat/Biotope)，又稱“棲息地”，其內涵主要在“特定生物指向的”和“以土地為基礎的”2個方向展開詮釋[3-4]。通?！吧场敝敢粋€包含特定資源和環境條件的區域，是某一種或多種物種完成生命活動所必需的環境[5-6]；隨著快速城市化發展，“生境”的第二種用法日漸普遍，用于指代相似植被或土地覆蓋的區域，例如“生境類型”(habitat types)即是出于該種用法的定義。區域的生物多樣性支持能力可通過生境質量評估反映，代表某一時間和空間內生態系統對個體和種群發展的適宜程度[7]。當前針對生境質量評估的研究已涉及多個尺度，在多樣化的生態系統中進行模型模擬[8-10]。

生境質量退化的主要動因可歸咎于生境格局的轉換(即“生境的景觀格局”)，從而引起區域內部動植物群落發生本質性的變化[11]。通過優化生境格局促進物種在不同生境之間的物質、能量和信息交流，遏制生境破碎化影響，可作為提高區域的生境質量、優化生物多樣性支持能力的途徑。然而，針對生境格局優化模擬或生境質量指數模擬的研究通常分別開展，忽視了兩者結合的聯動效應。生境類型的識別是景觀格局和生境質量評估的基礎，對數據來源及其精度依賴性較大。國際上部分地區已完成了政府主導的生境制圖(Biotope Mapping)工作，如德國[12]、英國[13]、韓國[14]等，具有分類較統一、精度較高等特點。鑒于高精度數據及實地考察數據較難獲取，現有研究多利用基于粗精度遙感圖像解譯的土地覆被/利用數據，較適用于大尺度研究區域的生境特征評估，中小尺度研究區域的相關研究鮮有開展。隨著近年來數據的可獲取性增強，進行中小尺度場地的生境識別及其生境質量評估可為生物多樣性保護、景觀規劃等相關政策制定提供參考和依據。我國已有部分學者嘗試開展生境識別與制圖的探索[15-16]，但是尚未有官方的識別路徑和生境空間數據平臺發布。

當前國土空間規劃背景下生態空間的保護、修復面臨著新一輪的挑戰，其中，以國家公園為主體的自然保護地體系是生態空間的主要組成部分，被歸類于“自然公園”的風景名勝區(以下簡稱“風景區”)是受人類活動影響較大的保護地類型，鑒于鄰近威脅源復雜、生態系統的穩定性較大地依賴于人工保護和修復措施，有必要對其生物多樣性支持能力進行提升。綜上，本文選取武漢市的典型生態源地東湖風景區為例證區域[17]，旨在探究以生境格局優化為媒介的生境質量提升路徑，進而對我國的生境評估與城市生物多樣性保護實踐提供理論支持。研究包含以下三部分內容：1)基于多源數據的武漢市東湖風景區生境類型識別；2)運用MSPA模型和最小累積阻力模型的東湖風景區生境格局優化模擬；3)通過InVEST模型評估生境質量對生境格局優化的響應。

1 研究方法

1.1 研究區域

東湖是亞洲地區最大的城中湖，位于湖北省武漢市中心城區。東湖風景區是首批國家重點風景名勝區、國家5A級旅游景區。近年來，伴隨著周邊土地開發擴張及景區建設，區內土地破碎化現象明顯，大量原生生境被城市建設用地取代，對其生態本底及周邊環境產生諸多不利影響, 本研究選取其西部風景區域(約65km2)為評估區域開展研究(圖1)。東湖風景區屬亞熱帶濕潤氣候，降水豐富，四季分明，年平均氣溫為16.7℃，年平均降水量為1 191.6mm。東湖為長江壅塞湖，通過青山港與長江連接，水域面積達32.5km2，平均水深3m，最深5m，常水位19.59～20.07m。區內生物多樣性豐富：植物共計72科173屬396種(其中喬木137種)，以殼斗科和樟科常綠闊葉樹種為主；鳥類眾多，含省級保護鳥類10種、二級保護鳥類9種、瀕危鳥類2種；水生動物種類豐富，湖中共有魚類39種。

圖1 東湖風景區區位與研究范圍

1.2 數據來源與預處理

本研究基于2017年快鳥(Quick Bird)高精度遙感數據(0.8m×0.8m)結合多源數據類型識別東湖風景區的生境類型(表1)。數據的預處理包含如下2個階段：收集查閱東湖風景區的相關資料和文獻，參照《武漢東湖風景名勝區總體規劃修編(2011—2025)》的植被類型描述，運用ENVI遙感工具中面向對象的圖像分類方式對0.8m快鳥高精度遙感數據進行解譯并識別生境類型信息，由此得到景區生境類型初步判定結果；結合最新的2020年線上高精度遙感影像和生境類型實地調研結果[18-19]，在ArcGIS平臺上對生境類型初步判定結果進行糾正和校對，建構起包含有6個一級類型、19個二級類型的生境空間數據庫(表2)，作為后續生境格局優化和生境質量估算的基礎數據。

表1 研究數據說明

表2 研究區域生境類型及說明

1.3 生境格局優化模擬

運用MSPA(Morphological Spatial Pattern Analysis)模型識別出區內的核心區、橋接區、孤島、邊緣、穿孔、環、分支共7種格局類型。模擬過程中將林地、草地、農田作為前景，開放水域、未利用地、建設用地作為背景隨后導入Guidos軟件。鑒于動物遷移特點與多樣性保護需求，邊緣寬度設置為30m[20]。隨后選取斑塊重要度大于0.1的核心區斑塊作為生態源地。其中，斑塊連通距離閾值設置為500m，連通的概率設置為0.5，具體運算方式詳見許峰等的研究[21]。根據研究區內地形地貌與各類地物對動物遷移的影響，從生境類型、地貌因子、道路因子、人類活動干擾4個方面構建生態阻力面(表3)。

表3 生態阻力面構建參數[22-26]

運用最小累積阻力模型(Minimal Cumulative Resistance Mode，MCR)識別生境斑塊間的廊道。根據不同寬度生態廊道功能特點和研究區域特征[20]，選取30m作為本研究生態廊道的寬度。隨后基于優化結果，采取“復綠”“增綠”“完善”3種措施修復研究區域生境類型，最終識別出生態廊道(表4)。

表4 生境格局修復方式說明

1.4 生境質量優化模擬

InVEST模型的生境質量模塊(Habitat Quality Module)常用于對區域生境質量的量化評價[27]。生境質量指數越接近1，則認為該生境對生物多樣性的支持能力越強，計算公式如下[7，27]：

式中，Qxj是某種生境類型j中柵格x的生境質量；Hj是某種生境類型j的生境適宜性；k是半飽和常數；z是模型默認常數，通常設置為2.5；Dxj是某種生境類型j中柵格的生境脅迫水平，具體公式如下：

式中，R是脅迫因子數量；Yr是脅迫因子的柵格單元總數；ωr是權重，取值范圍為0～1；ry是柵格單元上的脅迫因子個數；βx是柵格x的可達性水平，其值越接近1，則可達性越高；Sjr是景觀j對脅迫因子的敏感性，其值越接近1，則生境對脅迫因子的敏感性越大；irxy是脅迫因子的影響距離，有線性和指數衰退2種情況，具體公式如下:

式中，dxy是柵格x與y間的直線距離；drmax是威脅因子r的最大作用距離。

本研究將城鄉居民點、工業用地、游覽設施用地、道路交通用地5類人類活動較強的類型確定為生境威脅因子，并參考前人研究設置威脅因子的敏感度參數(sensitivity of land cover types to each threat)和退化源可達性(accessibility to sources of degradation)，具體參數詳見表5、6。運算得出生境質量賦值柵格，在此基礎上，以19個生境類型作為綜合單元分析尺度，運用Zonal Statistic統計方法確定生境單元值，對比生境格局優化前后生境質量的響應結果。

表5 威脅因子權重[7，10，28]

2 研究結果

2.1 東湖風景區生境類型

武漢東湖風景區共識別出19種生境類型(圖2A)。首先，灘涂和東湖主體水域的面積分別為1 734.48(26.42%)和1 579.25hm2(24.06%)，是區域內主導生境類型。其次，東湖風景區擁有較大面積林地生境，尤以針闊混交林與常綠闊葉混交林為主，分別占林地面積的9.58%(628.70hm2)和7.11%(467.17hm2)。

景區局部區域仍不可避免地受到城市開發建設的影響，內部居住用地的面積高達254.61hm2(3.88%)，主要集中分布在東湖西北部(華僑城)、西南部(中國地質大學)和東北部(武漢科技大學)一帶；位于東北部的大型游賞設施、東南角連片分布的產業園區亦作為東湖風景區內部自然生境的主要威脅源。此外，景區內保留有200.72hm2(3.06%)以 “景中村”為代表的農村居民點，主要位于區域東部、南部磨山和馬鞍山苗圃附近。這些建設規模較大、人口密度較高的“景中村”及其周邊的農田、坑塘等人工度較高的生境區域，對于東湖風景區生境保護產生了一定的負面影響。

2.2 生境格局優化

基于MPSA和MCR模型在東湖風景區內共識別生態源地43個、生態廊道105條(圖2B)。其中，生態源地主要位于磨山、南望山、喻家山、馬鞍山一帶，總面積為1 053.79hm2，約占總面積的16.05%；生態廊道包括水上廊道、陸上廊道、水陸混合廊道3種類型，總長度為87.24km。生態廊道的優化措施因類型而異?？缭綎|湖水域的水上廊道主要通過減少游賞設施與道路交通用地、增加以行道樹為代表的其他林地等方式進行優化，湖中島、洲等充當生物遷移的踏腳石。陸上廊道大多穿過南部農村居民點、農田、坑塘及以苗圃為代表的其他林地，主要通過將其部分區域轉化成為與周邊生境相同的針闊葉混交林、常綠落葉闊葉林等類型進行優化，對于少部分被道路交通用地阻隔的陸上廊道則通過增種行道樹的方式優化。水陸混合廊道主要位于湖灣、湖汊處，多由各類林地、農田、灘涂、東湖主體水域等生境類型構成，一些濱湖道路交通與游賞設施用地對其造成阻隔，主要優化方式為增種行道樹與移除部分游賞設施。

圖2 生境類型分布與生境格局分析結果(A 東湖風景區生境類型空間分布；B 生境格局分析結果)

生境格局優化前后多個生境面積產生相應變化(圖3、4)。其中，農田面積減少最多，為96.51hm2；坑塘次之，面積減少為9.81hm2；農村居民點減少了5.72hm2，反映出農村居民點及其附屬生產型用地的轉型對東湖風景區的生境格局優化具有明顯影響。林地面積共增加13.98hm2，其中，針闊葉混交林、常綠落葉闊葉混交林和常綠闊葉林面積增長尤為明顯，分別為82.34、30.29、23.44hm2，所增加的林地面積與東湖風景區原有主導植被類型特征基本相符。

圖3 優化前后面積對比

圖4 各類生境面積變化

2.3 生境質量優化

為清晰闡述和比較優化前后生境質量的變化，將東湖風景區生境質量分為高質量生境(0.85～1.00)、中高質量生境(0.75～0.85)、中質量生境(0.40～0.75)、中低質量生境(0.20～0.40)、低質量生境(0～0.20)5個區間(圖5)。當前區內高質量生境主要分布在南部的喻家山、南望山、磨山、森林公園等林地及郭鄭湖、后湖等東湖主體水域的中心區域，占研究區域總面積的46.26%(3 036.87hm2)，這些生境離城市建設用地相對較遠，生境斑塊較為完整，因此保持了較高的生境質量；低度生境主要分布于東湖風景區邊緣地帶、南部中國地質大學及其周邊區域、磨山社區、橋梁社區、馬鞍山苗圃與東南角的花木城一帶，占研究區域總面積的12.87%(845.96hm2)，這些生境受人類活動干擾較大，主要是來自城鎮和農村居民點的影響，東南角花木城一帶的連片產業園區也對周邊生境造成嚴重威脅，導致了生境質量的降低。

圖5 東湖風景區生境質量空間分布(A 優化前生境質量空間分布，B 優化后生境質量空間分布)

對生境格局優化前后的生境質量柵格值統計后得出生境單元值，結果顯示，東湖風景區生境單元值總體提高了1.33%。南部“景中村”區域的生境質量提高最為明顯，這與農村居民點中農田、坑塘的復綠和增綠有關。生境格局優化后，高度生境面積占比從30.37%增加到32.02%，中低生境和低度生境面積占比從優化前的8.45%和3.80%下降到優化后的8.17%和2.84%(圖6)，由此可見，區內生境質量得到部分改善。

圖6 優化前后各生境質量等級面積變化

3 結論與討論

3.1 結論

生物多樣性支持能力是諸多生態系統服務功能供給的基礎。本研究基于高精度遙感數據與影像，將MSPA+MCR格局優化模型結合InVEST模型探究了武漢市東湖風景區的生境質量優化途徑，識別出19種生境類型，以及潛在可構建生態廊道105條，包括跨越東湖湖面的水上廊道、集中分布于場地南部的陸上廊道和穿越湖灣湖汊的水陸混合廊道，通過采用“復綠”“增綠”“完善”3種修復措施，在東湖風景區可進行用途轉變的土地有限的背景下，模擬優化后的高質量生境面積仍增加了165.16hm2，生境單元值總體提高了1.33%。

3.2 討論

人類活動導致生態系統功能及其帶給人類福祉的改變，進而引起全球范圍內生物多樣性喪失、生態系統服務退化的惡性循環。我國市縣域范圍內散布的風景區是重要的生態源地，鑒于其鄰近威脅源的復雜性，有必要對其生境質量進行評估與優化。本研究以武漢東湖風景區為例，得出以下2點啟示。

首先，基于高精度數據的生境格局優化對區域生物多樣性保護具有積極影響。本文所探究的東湖風景區位于武漢市中心城區，具有典型的人工與自然相結合的生態系統特征。2017年完成的《武漢東湖生態旅游風景區保護與發展“十三五”規劃(2016—2020)》中提出“加快推進景中村改造”“退養還林”等實施策略，但至今仍未完全實施。研究結果證實了通過生境格局優化可增加高質量的生境面積，也揭示出區內的“景中村”改造工作是東湖生態綠心建設的重要基礎，對提升景區環境品質有重要意義。同時，基于“生境類型識別-生境格局優化-生境質量提升”模擬的技術路線對相似區域的生境優化具有可行性，可指點中小尺度場地的精細化生態修復策略，對未來相關區域的規劃給予研究支持和借鑒。通過定量化的技術手段了解區域的生態本底，推動完成官方的生境識別工作，同時，保護高質量生境、優化中低質量生境是權衡風景區中游憩需求和生物多樣性保護的有效途徑。

其次，將生物多樣性保護導向的生境特征評估路徑引入國土生態空間規劃內容。在我國不斷促進自然資源統一管理的國家戰略背景下，已從過去單一要素的保護修復轉變為以多要素構成的國土空間生態修復。正在建立的以國家公園為主體的自然保護地體系是國土生態空間的主要組成部分，諸多保護地概念中，只有風景區是從我國上古時代開始、由中央和地方公認、并連續4 000余年歷史不斷的名山大川體系[30]。風景區作為城市生態系統中自然生境留存較多的區域，其生境質量的變化揭示著生物多樣性變化情況。同時，基于“一張底圖”的自上而下的定量化模式取代了傳統以定性為主的規劃方法，而當前國土范圍內生物多樣性和生態系統服務功能的評估由于空間化數據較難獲取、時空尺度銜接不足、模型參數和評估指標較難統一等問題，其量化評估阻礙重重，因此，解決上述一系列問題是保護生態空間生物多樣性的必要途徑。

表6 生境適宜度及生境威脅因子的敏感度[7，9，28-29]

本研究仍有一定不足之處。首先，格局優化模擬出的生態廊道基于圖論原理而得出，具體的生態修復策略應結合動物物種遷徙的實際特征開展；此外，盡管InVEST中的生境質量模型的多數參數設置已經達成一定共識，但在具體的場地應用中仍需要實地監測數據加以驗證，本研究結合東湖風景區實際情況進行了適當調整，或有不夠精準之處，有待后續進一步完善。

注：文中圖片均由作者繪制。