快速城市化地區森林生態網絡識別與評價

黃浦江，蔣巧璐

（1.上海市城市規劃設計研究院，上海 200040）

城市的無序擴張使城市自然生態系統要素具有生境破碎化、島嶼化、生物多樣性降低等特點[1]。城市森林對城市生物多樣性、保持水土、改善城市生態環境具有重要意義，且森林斑塊的有效連接能促進基因流動、協助物種遷移和種群發育[2-3]。因此，模擬城市森林生態網絡對于城市生態環境的可持續發展具有重要作用[4]。

通過梳理相關研究發現，對于生態網絡識別方法，由于網絡分析法、適宜性評價模型、景觀指數等方法無法解釋復雜的生態過程，因此學者更傾向于利用基于生態過程的最小費用路徑模型來識別網絡[5-8]；但不同阻力面所生成的網絡存在差異，缺乏對不同阻力面生成的潛在網絡的影響分析。景觀指數和網絡連接度指數從網絡幾何結構出發，利用網絡連接度指數和基于歐氏距離、斑塊面積的景觀指數來定量評價整體生態網絡結構，識別網絡中的主要廊道與核心斑塊，忽略了生態網絡中的生態過程即生物遷徙對網絡結構的影響，缺乏將網絡結構、距離成本與生態遷徙過程中的阻力成本相結合的網絡評價方法。針對上述問題，本文以武漢市為例，利用多情景分析法分析了不同阻力面對生成的潛在網絡的影響。

1 研究區概況

本文選取的研究區為武漢市全市域。武漢市是我國中部地區特大城市，地處北亞熱帶季風區，屬亞熱帶濕潤季風氣候；擁有豐富的森林資源，包括木蘭山生態旅游區、九峰山、馬鞍山等大小綠地斑塊，這些斑塊在維護和發展城市生物多樣性、保持水土、改善城市生態環境、提供林產品和休閑游憩等方面發揮著重要作用。

2 數據處理與研究方法

2.1 數據處理

本文采用的數據為2018年武漢市Landsat7 ETM+遙感影像，來源于國家科學數據服務平臺。首先利用ENVI 4.7軟件對3期遙感影像4、3、2波段進行組合，再借助地形圖對圖像進行幾何精矯正，并在此基礎上進行大氣校正處理。解譯過程中充分利用土地利用現狀圖和野外考察數據建立分類標準，從而進行人機交互監督分類。按照不同的景觀功能，分為建設用地、耕地、水域、綠地、未利用地和濕地6種用地類型。利用ArcGIS 10.1提取城市森林斑塊，并利用歸一化植被指數（NDVI）提取2018年武漢市植被覆 蓋圖。

2.2 研究方法

2.2.1 森林生態網絡“源”地選取

在現代城鎮中，生物多以飛禽、小型哺乳動物為主。已有研究通常根據生物生境范圍大小確定城市綠地中重要的生境斑塊，并將其作為城市綠地生態網絡的“源”。因此，本文結合武漢市實際情況，從生物多樣性保護的角度出發，整理出相對完善的生態節點類型，最終選取了151個森林斑塊作為生態源地。

2.2.2 森林生態網絡復合阻力面構建

景觀阻力是指物種在不同景觀單元之間進行遷徙的難易程度。景觀單元的類型組成、地理位置以及其生態系統功能等均直接決定了斑塊的生態系統功能阻力。綜合考慮影響物種遷徙的因素，本文選取道路等級、生態系統服務價值、植被覆蓋率、生物多樣性指數、土地利用類型作為阻力層因子，并對多種指標進行整合，利用熵值法確定其權重，進而生成復合阻力面。其中，生態系統服務價值參考Costanza的生態系統服務功能價值評價體系，確定研究區各景觀類型的生態系統服務價值[9]；植被覆蓋率和生物多樣性指數根據相關研究從2010年武漢市NDVI中提取數據[10]（表1～4）。由于不同潛在廊道的模擬結果均建立在景觀阻力賦值大小與賦值區間的基礎上，因此本文利用情景分析法對賦值進行討論，構建基礎阻力面、討論道路緩沖區影響的參考面1、生態景觀面積變化的參考面2以及綜合了前3種景觀阻力更為貼近現實情況的參考面3。若因子存在疊加，均以最大值進行景觀阻力賦值。

表1 景觀類型生態系統服務價值

表2 植被覆蓋率和生物多樣性指數阻力值

表3 不同景觀阻力面要素權重

表4 不同阻力面土地利用類型的景觀阻力值

2.2.3 基于最小加權費用路徑模型的生態網絡識別

為了反映景觀中生態源地與目標之間的最小費用路徑，本文采用最小加權費用路徑模型確定生物物種在遷徙與擴散過程中的潛在路徑。同時，為了實現自動化運算大數據量的費用路徑模型，本文利用ArcGIS 10.1中的空間建模技術構建了一個具有循環功能的Ecological Network模型，用以自動讀取、運算和保存數據。

2.2.4 整體網絡評價

網絡的主要功能在于實現節點的可接近性，使相互臨近的孤立節點更易到達，以減少各種流在遷徙過程中的損耗。網絡由節點和廊道組成，連接方式眾多。連接度能反映網絡中節點與節點的連接狀況，從結構上體現網絡的特殊性，可通過網絡閉合度（α指數）、線點率（β指數）、網絡連接度（γ指數）和網絡有效性（δ指數）進行評價。

式中，L為網絡實際存在的廊道數；V為網絡實際節點數；Li為物種遷徙過程中通過所有廊道的阻力和；α的取值范圍為0～1，α=0表示網絡無回路，α=1表示網絡具有較大可能的回路數；β＜1表示形成樹狀格局，β=1表示形成單一回路，β＞1表示有更復雜的連接度水平；γ的取值范圍為0～1，γ=0表示沒有節點相連，γ=1表示每個節點間都相通；δ指數通過計算生態網絡中的平均廊道阻力，表征物種在網絡廊道中的遷徙有效程度。

2.2.5 生態源地關聯程度評價

生態源地的評價思路基于斑塊關聯度指數（PCI），本文以生物在斑塊間遷徙所遇到的平均距離耗費阻力表示斑塊關聯度。本文利用最小加權費用路徑模型識別武漢市森林生態源地斑塊間的遷徙成本矩陣；利用ArcGIS 10.1 Network Analyst模塊中的OD Metrics計算得到生態源地斑塊間的最小距離長度；進而得到其中每個生態源地斑塊到其他生態源地的平均距離耗費阻力值，用以定量評價生態源地斑塊在整個網絡中的重要程度。

式中，Pij為生態源地i穿越景觀阻力面到生態源地j的實地距離；Rij為生態源地i所遇到的阻力值；Ci為生態源地i到其他生態源地的累積耗費值；Di為生態源地i到其他源地的距離總和。

3 研究結果與分析

3.1 多情景生態網絡識別

結合4種不同賦值的阻力面，本文利用Ecological Network模型識別得到4種武漢市城市森林生態網絡，如圖1所示，可以看出，不同的阻力面生成了不同網絡結構的城市森林生態網絡，但由于多數核心斑塊集中在北部、東北部和南部遠離城市的山區，而人類活動主要集中在中心城區，因此中心城區的阻力值遠高于郊區；網絡中生態廊道數量均呈現出由城市中心向郊區逐漸增多、網絡結構逐漸復雜、網絡分布更加密集的特點。值得注意的是，生態網絡分布特征使得中心城區很難形成有效的生態廊道，呈現出“生態孤島”現象，隨著城市的無序擴展，該范圍將逐漸擴大。

圖1 武漢市多情景森林生態網絡

3.2 整體網絡結構評價

根據4種不同阻力面識別得到的4種武漢市城市森林生態網絡結構的評價結果如表5所示。

表5 生態網絡整體結構評價結果

α指數用來描述網絡中回路存在的程度，其值越高表明物種在穿越生態網絡時可選擇的遷徙路徑越多。由此可知，道路及其周圍緩沖區對物種遷徙路徑的阻隔作用很大，可選擇的能閉合成環狀的路徑銳減。生態景觀面積變化與基礎面的比較采用面積對生態景觀阻力值大小進行分級，從而減小一些小面積生態景觀斑塊的阻力值，增加物種通過的可能性。參考面3的α指數較低說明在綜合考慮阻力的基礎上，武漢市現狀森林生態網絡的閉合度較低，物種可選擇的遷徙路徑較少，抗干擾能力較低。

β指數和γ指數均表示網絡的連接程度，其值越高表明網絡的復雜程度越高，網絡結構越完善。由此可知，道路緩沖區降低了網絡的復雜程度和連接程度。在參考面2中，由于生態景觀阻力值的減小，提升了網絡連接度，保證了網絡結構的完善度。在二者的綜合影響下，武漢市森林生態網絡結構的復雜程度下降，完善程度有所降低。

δ指數主要用于量化網絡中物種遷徙的有效性，整體來看，受到快速城市化影響，4種城市森林生態網絡的有效性均較低。由此可見，道路及其周圍緩沖區增加了網絡的平均廊道消費，從而使得網絡的有效性降低。按照不同面積對生態景觀進行多樣化賦值，則會降低網絡中的平均廊道消費，增加網絡中動物遷徙的有效性。

整體來看，道路對城市森林生態網絡結構的影響較大，而生態景觀的合理賦值也對城市森林生態網絡變化有較明顯的影響。在綜合考慮各種因素疊加的參考面3中，其數值均為最低，說明城市在無序擴張，人類活動嚴重影響生態環境，物種可選擇的遷徙路徑較少，網絡的復雜程度較低，網絡結構不完善、連接度較差，網絡的平均消費成本較高，網絡中動物遷徙的有效性較低。

3.3 生態源地關聯度評價

基于ArcGIS的空間建模工具，本文計算得到生態源地的PCI，并利用自然斷點分類法將生態源地PCI分為5個等級，等級越高說明生物在斑塊間遷徙所遇到的平均距離耗費阻力越大，關聯程度越低。

武漢市生態源地關聯度等級如圖2所示，可以看出，生態源地的關聯度分布特征呈由中心城區向郊區逐漸增高的趨勢，5級關聯度斑塊主要分布在中心城區東湖以東的磨山、喻家山和馬鞍山等林區，原因在于其分布距離城市中心較近、人類活動較頻繁，雖然近年來通過立法和規劃增加了森林面積和保護力度，但生物遷徙在該地區遇到的阻力依然很大，源地斑塊的關聯性較差；1級關聯度斑塊為黃陂北部的木蘭山林區，由于其林區面積大，生物多樣性豐富，周圍林區密集，且處于郊區，人類活動較少，因此其向外遷徙的阻力較低、關聯程度高。

圖2 武漢市生態源地關聯度等級

3.4 森林生態網絡保護策略

3.4.1 加強生態源地保護

生態源地是區域內的重要生態節點，也是區域內生物生存、繁衍以及遷徙的重要源地。加強生態源地保護、提升其數量與質量，對于保障該區域的生物多樣性具有重要意義。武漢市雖擁有豐富的森林資源，但空間分布不均，且受快速城市化的強烈干擾，呈現出北部優于南部、農村優于城市、遠城區優于主城區的特點。因此，建議在嚴格保證以北部大別山余脈橫貫黃陂的木蘭山林區、新洲東部林區為主的生態源地，中部以東湖東部與蔡甸東西湖東西兩側、江夏紙坊一線組成的兩列東西走向、南北平行的生態源地的完整性的前提下，結合市域其他森林斑塊，以一個生態整體進行綜合考慮，進一步增加武漢市的森林生態源地面積，盡可能地與其他林地連接成片，豐富斑塊內的生物種類，提高斑塊內部的生態適宜性與生境質量。

3.4.2 提升生態源地連接有效性

生態源地連接的有效性取決于其自身生境質量與源地之間景觀阻力的大小。由圖1、2可知，武漢市中心城區雖然存在潛在生態廊道，但廊道密度低，且屬于低質量生物通道，同時中心城區生態源地的關聯度較低。這些現象均源于城市的無序擴張、交通網絡的不斷增加以及人類活動對自然生態環境的巨大干擾。因此，建議進一步增加中心城區森林斑塊數量，提高中心城區內以山湖為基礎構建的公園生境質量，識別中心城區核心生態節點，在兼顧生態保護與城市發展的雙重層面上，合理布局城市發展空間，在交通網絡修建時考慮修建野生動物遷徙通道，減少生態斷裂點的形成。

4 結 語

1）本文利用Ecological Network模型，結合4種不同類型的阻力面，識別了4種武漢市森林生態網絡，不僅解決了大量生態源地在識別網絡中的自動運算、存儲和表達問題，而且揭示了武漢市森林生態網絡空間分布不均，結構與數量由城市中心向城市遠郊區逐漸復雜與增多，以及在高速城市化背景下城市所呈現的“生態孤島”現象。

2）通過對比基于4種不同阻力面的武漢市森林生態網絡結構發現，城市交通網絡對森林生態網絡的整體結構影響較大；生態景觀的合理賦值可增加生態網絡中的潛在廊道。整體來看，由于受城市無序拓展和交通網絡快速發展的影響，在武漢市森林生態網絡中物種可選擇的遷徙路徑較少，網絡復雜程度較低，網絡結構不完善、連接度較差，網絡的平均消費成本較高，網絡中動物遷徙的有效性較低。

3）構建基于遷徙成本的生態源地PCI，從而定量評價武漢市森林生態源地的關聯度等級。其同樣表現出距離城市越近、關聯度等級越低的特征。雖然通過規劃與法律等強制手段，中心城區的森林生態源地得到了一定的保護，但其斑塊內部的生境質量并未提高，缺少有效的腳踏石斑塊，因此其在整個市域生態整體中的關聯度等級依然堪憂。