基于MCR模型的蘇南水網鄉村生態安全格局構建

王添翼 丁金華

蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 江蘇蘇州 215011

當前中國建設發展邁入新時代，快速的城市化引發越來越多的生態環境問題，以生態安全為目標構建景觀生態安全格局成為迫切需求。蘇南水網鄉村地處太湖流域，有著優越的生態環境，形成了別具特色的水鄉空間肌理，但隨著該地區城市化進程的加快，水網鄉村生態系統的完整性因受到外部的侵占逐步被破壞，生境質量下降，水域破碎度增加，因此構建科學合理的水網鄉村生態安全格局成為實現區域生態安全的基本保障和重要途徑[1]。

生態安全格局(Ecological security pattern)是針對特定的生態問題，兼顧社會、生態、經濟效益，對區域內各要素進行合理布局而形成的空間配置方案[1]。近年來，對于生態安全格局的研究，逐漸從對相關概念的探討發展到生態風險、生態系統評價以及具體格局構建等方面[2-4]。在生態安全格局構建方面， “源地—廊道”的范式已成為主流[5]。生態源地是生態安全格局構建的基礎，其構建從直接提取源地逐步走向通過生態系統服務重要性評價、生態敏感性評價等客觀方法進行識別[6-8]。作為生態源地之間的連接通道，生態廊道是生態流通的重要路徑，當前主要研究方法包括最小累積阻力模型(MCR)、圖論、電路理論等定量識別方法[9-10]，其中，MCR模型因能綜合考慮景觀單元之間的水平聯系[11]，且具有良好的適用性和擴展性[12]，被廣泛應用于生態安全格局的構建。

雖然目前國內對生態安全格局構建的研究已經逐漸深入，但主要聚焦于區域、市域、鎮域等尺度[3，7，13]，針對鄉村等較小尺度的研究較少。本文以蘇州市吳江區鶯脰湖片區為例，擬將生境質量、景觀連通性、生物多樣性服務分析結果作為生態源地識別的主要依據，利用MCR模型構建廊道，識別生態踏腳石，構建生態安全格局，以期對鄉村生態環境改善起到一定指導作用，實現鄉村可持續發展。

1 研究區概況

蘇南水網鄉村地勢平坦，河道阡陌，展現出特有的景觀生態特征:1)地區生態斑塊主要為水域和耕地。水域主要以小尺度的河流、湖泊、坑塘為主，水田則是該區域主要的耕地類型。2)地區內生態廊道以河流、溝渠等線性水域為主。相比于其他地區，該地的水網更為密集，結構更加錯綜復雜。3)水網地區中一些面積較大的水域、耕地斑塊可以視為基質。這些斑塊連通性強，可以提供較好的生態系統服務[14-15]。但是，隨著城市化進程的加快，蘇南水網鄉村面臨生境質量下降、景觀連通性降低、生態系統脆弱等諸多問題。

本文所選的研究區域位于蘇州市吳江區鶯脰湖片區，屬于亞熱帶季風海洋性氣候，東經119°北緯31°，占地面積約29.5 km2。鶯脰湖片區包括鶯脰湖、余家蕩等10余個湖泊水系，以及西景坊、大成浜等20余個村落，具有典型的水網鄉村肌理。將該處作為研究對象，具有一定的典型性。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

本文研究數據主要包括2017年8月Landsat-8衛星遙感影像數據、數字高程模型數據、蘇州市行政邊界數據和道路數據為矢量數據，其中，遙感影像數據與高程數據均取自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率均為30m；蘇州市行政邊界數據和道路數據為矢量數據，均取自國家基礎地理信息中心(http://www.webmap.cn/)。本文數據分析的單元為柵格單元。使用ArcGIS對遙感數據影像進行加工與目視解譯，將研究區用地類型歸為水域、濕地、林地、草地、裸地、耕地、建設用地7類。考慮到水網鄉村地區水域種類多樣，不同類型的水域在自身性質、應對外界干擾等方面的能力不盡相同，為體現水網地區的地域特性，將水域進一步分為湖泊、河道、坑塘3類。

2.2 生態源地識別

針對蘇南水網鄉村地區所存在的生態問題，提取該片區內所有生態用地進行生境質量評價、景觀連通性評價以及生物多樣性服務評價；通過專家打分法對三者權重進行評定，將3種評價結果加權疊加，用以衡量研究區生態用地重要程度；選取重要程度最高的斑塊作為生態源地。

2.2.1 生境質量評價

通過對斑塊生境質量的分析，可以有效測度區域內不同生態用地在遭受外部威脅影響下為場地內生物提供生存條件的能力[16-18]，以此作為水網鄉村地區生態源地識別的標準之一，對于該地區生境質量的提升有著重要意義。InVEST模型生境質量模塊可以有效測度該類指標。計算公式為:

式(1)中，Qxj為土地生境質量，Hj表示生境適宜度，Dzxj為生境退化度，k為半飽和常數，Z為歸一化指數。

依據鶯脰湖片區相關資料及調研結果，將交通道路、建設用地與裸地3類區域作為脅迫因子(表1)，不同用地類型的生境適宜性及其對不同脅迫因子的敏感性如表2所示。

表1 脅迫因子最大影響距離與權重

表2 生境適宜性及其對不同威脅因子的敏感性

2.2.2 景觀連通性評價

景觀連通性表征區域內景觀是否利于物種的流通，較高的景觀連通性更利于維持水網鄉村地區生態系統穩定和生物多樣性的保護[19]。Conefor軟件為景觀連通性分析提供便利，用以識別整體連通性(IIC)、可能連通性(PC)、連接重要性(dI)3個景觀指數。計算公式如下:

式(2)至式(4)中，n為區域內的斑塊個數，a為斑塊面積，nlij為i和j之間的連接數量，為物種在i與j之間擴散的概率最大值，I為景觀整體連接度指數值，Iremove為除去某斑塊后景觀的連接度。

利用Conefor2.6評價研究區生態用地景觀連通性，結合水網地區的地域特性，設置連接距離閾值500 m，連接概率0.5，通過連接重要性指數表征景觀連通性的高低。

2.2.3 生物多樣性服務評價

生物多樣性服務的高低體現區域內生物多樣性的豐富程度，相較于生境質量，其更能反映斑塊本身的特性[13]。本研究根據謝高地制定的生物多樣性服務當量[20]，對不同土地利用類型的生物多樣性服務價值進行賦值重分類。

2.3 生態廊道構建

2.3.1 基于MCR模型的潛在生態廊道構建

潛在生態廊道是相鄰的生態源地之間的連接通道。本研究選擇MCR模型對研究區潛在生態廊道進行構建[21]，計算公式如下:

式(5)中，Dij為i與j間物種水平運動的距離；Ri表示物種在景觀i間移動所受的阻力值。

本研究選擇土地利用類型、坡度、高程、距建設用地距離作為阻力因子，使用專家打分法確定其阻力值。土地利用類型依照上文分類；根據DEM數據對研究區坡度、高程進行重分類，坡度、高程越大賦值越高；建立距建設用地緩沖區，距離越近阻力值越高。利用yaahp進行層次分析確定權重(表3)。

表3 鶯脰湖片區生態阻力值

2.3.2 基于重力模型的關鍵生態廊道構建

關鍵生態廊道是潛在生態廊道中更加重要的部分，是源地間聯系較為緊密、物質流通較頻繁的廊道，常見的關鍵廊道識別方法有核密度分析[22]、重力模型等。本研究采用重力模型進行定量評價水網鄉村各源地間相互作用力的強弱，作用力越大則兩源地間廊道的重要性越強，以此為依據篩選出潛在廊道中更為關鍵的生態廊道。具體計算公式如下:

式(6)中，G為引力大小，N為權重值，D是斑塊間潛在廊道阻力的標準化值，P代表斑塊阻力，S為斑塊面積，L代表累積阻力值，Lmax為區域廊道累積阻力的最大值的最大值。

2.4 生態踏腳石選取

不同類型的踏腳石對生態過程起到的作用不盡相同，鞍部點到兩源地間的累積阻力相同，是一段廊道中最需要進行補給的地方；生態斷裂點作為生態廊道與交通道路的相交地帶，生態系統更為脆弱。選取這兩種不同類型的踏腳石，能夠使生態流通更加順暢，生態安全格局結構更加穩定。

3 結果與分析

3.1 鶯脰湖片區生態安全格局構建

3.1.1 鶯脰湖片區生態源地綜合識別

1)生境質量評價。水網鄉村地區的建設用地以聚落為主，相比于城市內的建設用地，其影響范圍會更小。由圖1A可知，鶯脰湖片區生境質量高與較高的地區占總生態用地的30%，生境質量中等的地區占總生態用地的18%，而低生境區域占比一半以上，整體生境質量一般。區域內各湖泊生境質量最高，東溪塘等河流生境質量次之，生境質量一般的地區為張家田部分耕地，義和浜、南昆村南崗的生境質量較低。更密集的水域斑塊以及更少的建設用地是上升村生境質量高于其他村落的主要原因。

2)景觀連通性評價。由圖1B可知，鶯脰湖片區景觀連通性高與較高的區域占比為47%，區域整體連通性水平較高，東側景觀連通性優于西側。義和浜、首字村耕地斑塊面積較大，景觀連通性最高，鶯脰湖則是研究區內連通性最高的水域斑塊；大頭港與北角蕩、東溪塘等水域聯系密切，且有較大面積的耕地斑塊，景觀連通性較高；除鶯脰湖外，其他湖泊景觀連通性適中，小於村與五景村北側的耕地，其面積適中，緊靠鶯脰湖，景觀連通性也相對適中；金家蕩與清水蕩三面被建設用地環繞，且周圍沒有大面積的生態斑塊，景觀連通性較弱；景觀連通性最低的區域主要集中在研究區中部以及常臺高速西側沿線，高度的破碎化、較小的斑塊面積是該區域連通性低的主要原因。

3)生物多樣性服務評價。依據謝高地制定的生物多樣性服務當量[19]，對各生態用地進行生物多樣性服務價值賦值，生成研究區生物多樣性服務評價圖(圖1C)。結果顯示:鶯脰湖片區內整體生物多樣性服務水平一般，生物多樣性水平高值區域占比36%，其分布特征與生境質量高值區分布特征相似，主要為鶯脰湖、盛家蕩、清水蕩、余家蕩等湖泊河流。義和浜、首字村等地擁有較大面積的耕地斑塊，生物多樣性服務呈現低值。

圖1 鶯脰湖片區源地綜合識別圖

4)綜合疊加。利用專家打分法將三者權重定為0.5，0.2，0.3，對評價結果加權疊加，以衡量研究區生態斑塊重要程度(圖1D)。結果顯示:最重要斑塊為鶯脰湖、盛家蕩等湖泊；較重要的斑塊為義和浜、南昆村等村落的耕地斑塊，這些斑塊比其他耕地斑塊面積更大更為完整，且與周邊水域保持著較好的聯系；大頭港、南崗耕地面積適中，建設用地較少，整體重要性一般；較多的建設用地環繞使小於村北部耕地重要程度比其他耕地更低，重要程度最低的區域主要集中在小於村等北部村莊，相比于其他片區，這些區域建設用地占比高、生態斑塊更為零散(表4)。參考相關研究，選取重要程度最高且面積為10 hm2以上的生態用地作為源地。本研究共識別出11處生態源地(圖2)，主要用地類型為湖泊、河流，說明水網鄉村地區水域環境是生態規劃的重點部分。這些生態源地面積相對較大，對于整體區域生態安全有著重要影響，建議對源地進行著重保護。同時，北側的鶯脰湖、南側的余家蕩、西側的金家蕩與周邊源地斑塊的聯系較弱，因此，對這些源地進行保護的同時，應加強其與周邊環境資源斑塊的聯系。

圖2 鶯脰湖片區生態源地和生態廊道分布圖

表4 各類生態源地評價結果與對比

3.1.2 基于MCR模型與重力模型的生態廊道構建

本研究基于土地利用類型、坡度、高程、距建設用地距離4個指標構建研究區阻力面。結果顯示(圖3)，鶯脰湖片區綜合阻力面被穿過的常臺高速分割為東西兩部分，西部區域除水域外，大多數地塊阻力值較高，東部地區呈現中等阻力值的地塊較多。西部區域阻力值較高的主要原因是該區域西側的直港等村落相比于東側村落擁有更多更密集的聚落建筑，且有國道穿行，而東側村落建筑密度較低耕且地較多，生態阻力值相對較小。

圖3 鶯脰湖片區阻力面圖

本研究通過MCR模型，借助ArcGIS平臺Costpath模塊識別潛在廊道55條總長度36.5 km。借助重力模型，將相互作用力大于900的廊道識別為關鍵生態廊道(表5)。結果(圖2)顯示，研究區中部6個生態源地之間的潛在廊道較為密集，南部次之，這些源地面積不大但距離緊湊，因而形成了較為密集的生態廊道網絡。關鍵生態廊道將11個生態源地串聯在一起，使各源地聯系更為緊密。

表5 鶯脰湖片區源地相互作用矩陣

3.1.3 滿足多種目標的生態踏腳石選取

本文選取兩種踏腳石，即鞍部點與生態斷裂點。鞍部點可以為生態流提供補給，起到源間踏板的作用；生態斷裂點對生態過程起到阻礙作用，對其進行合理規劃能夠使生態網絡更加穩固。本研究共識別出13處鞍部點、3處生態斷裂點(圖4):研究區中部因為生態源地斑塊較多，相應的廊道也比較多，因而鞍部點也相對密集；區域內生態斷裂點不多，集中于常臺高速沿線；連接北赤蓮蕩與北角蕩的廊道以及連接南赤蓮蕩與余家蕩的廊道，作為關鍵廊道被高速分割，形成了兩個生態斷裂點，建議采用搭建天橋、隧道等方法對這些節點進行修復，保持生態過程的完整性。

圖4 鶯脰湖片區生態安全格局

3.2 鶯脰湖片區生態安全格局優化策略

3.2.1 加強生態源地保護，維護生態系統穩定性

研究區11處源地土地利用類型均為水域，保護好區域內的水域環境是水網鄉村地區生態規劃的重點內容。鶯脰湖片區源地分布較為平均，鶯脰湖作為區域內最大的源地，生境質量、景觀連通性均最高，應對該區域加強保護以保證其生態功能，提高生態系統穩定性。

3.2.2 強化生態廊道連接，提高區域景觀連通性

研究區中部地區的源地斑塊面積不大，但距離較近，斑塊間聯系密切，廊道密集。規劃時可將幾個源地視為一個整體，優先建立與外部的聯系，再逐漸強化內部關系。在關鍵廊道的構建的過程中，宜與現狀廊道進行結合，優先對已有聯系的源間廊道進行優化。

3.2.3 優化生態踏腳石建設，強化生態網絡結構

在踏腳石建設時，應將節點區域放大，為生態流通提供便利。連接金家蕩的兩條生態廊道建設的成本較高，可以優先進行踏腳石的建設，在建設用地范圍內規劃出一定范圍的綠地或水域作為生物流通的踏板。

4 結語

本文從水網鄉村景觀特征與問題切入，以吳江區鶯脰湖片區為例，探討了蘇南水網鄉村地區生態安全格局的構建方法。相比于城市，鄉村的建設用地分布更加散亂無序，這種布局會對生態用地提供棲息地的能力產生影響，生境質量評價可以有效量化這種影響，使結果更加客觀。將景觀連通性評價作為源地識別要素之一，可以直觀展現水網地區生態空間連通性強弱的空間分布，對維護水網地區地域特征與空間肌理有著積極作用。通過MCR模型識別研究區潛在生態廊道，利用重力模型篩選出關鍵廊道，識別兩種生態踏腳石，繼而構建區域生態安全格局，并以此作為指導，對該地區生態安全格局優化提出建議，以期對鄉村生態環境改善起到一定指導作用，實現鄉村可持續發展。

本文在進行生境質量評價時，未考慮研究區外部景觀對研究區內部的影響，研究結果會存在一定的誤差。其次，阻力面的賦值、生境質量評價中脅迫因子敏感性的賦值具有一定的主觀性，也會對實驗結果產生影響。最后，通過模型構建的生態安全格局，其結果難以被有效驗證。如何對研究中人為賦值的方法進行修正，使研究結果更加客觀，以及如何驗證生態安全格局的構建結果，提高生態安全格局構建的可實踐性將是下一步研究的主要內容。