基于MSPA與電路理論的淮南市生態網絡構建與空間優化研究

馬 明，張雨蒙，林佳佳，李久林，韓森緒

(1.安徽建筑大學建筑與規劃學院，安徽合肥 230601；2.安徽省城鎮化建設協同創新中心，安徽合肥 230601)

0 引言

城市是人類經濟社會財富的集大成者，又是生態環境問題最尖銳、最突出的地方，經濟發展和生態保護已成為城市發展的最大掣肘[1].新發展階段下，以生態文明理念為指導，全面推進自然生態環境與生物多樣性保護工作，旨在改善因過度開發導致的生態系統被破壞、生態空間破碎化、多樣性喪失等問題.生態網絡規劃是將破碎的生境斑塊進行有效連接，形成具有空間完整性的景觀和生物棲息地網絡，以提高自然生態系統的質量和保護生物多樣性[2-3].因此，構建城市生態網絡，并優化其格局形態，將促進城市生態功能發揮最大效能，對指導城市總體規劃中生態用地布局、生態城市建設以及保障城市可持續發展具有重要的意義[4-5].

對于當前生態網絡的構建模式大體分為結構模式法、格局—過程法、網絡分析法、源地—廊道法[6-7].結構模式法是依據城市自身的生態環境特征，提出相適應的生態空間結構并構建生態網絡；格局—過程法是在實際運用中多從單一景觀過程的安全格局入手，再進行疊加處理形成綜合生態安全格局；網絡分析法主要運用圖論方法研究各類網絡的結構及其優化問題；源地—廊道法是通過識別、提取生態源地和生態廊道的方式構建生態網絡.目前采用最廣泛的是“源地—廊道法”，其關鍵點在于生態源地和生態廊道的確定，生態源地是物種生存和擴散的起點，對維持生態系統和景觀層面的整體功能起到重要作用；生態廊道為動物的遷徙提供場所，是區域內各斑塊之間物質流和能量流的重要連接通道.研究多采用形態學格局分析(MSPA)方法、直接識別法進行識別源地[8-9]；對于廊道的提取，傳統方法多通過最小累積阻力模型(MCR)識別源地間最小成本路徑構建生態廊道[10]，該方法僅僅是最小成本路徑，而無法確定廊道的范圍.綜合上述研究方法的不足，本研究采用MSPA方法與Conefor軟件結合確定生態源地，直接導入二值數據，分析表現景觀斑塊形態特征，相比根據面積大小直接確定生態源地的方法更為簡便科學；運用電路理論，綜合考慮廊道冗余度，識別提取出潛在的生態廊道，是對最小成本路徑的一種補充[11-13].以淮南市為研究區，基于形態學格局分析法識別并提取出核心區斑塊，結合Conefor軟件進行連通性評價確定生態源地；利用Linkage Mapper運行MCR模型和電路理論連接度模型識別最優生態廊道以及廊道范圍，識別淮南市潛在廊道并構建生態網絡，優化淮南市生態空間結構布局.

1 研究區概況

淮南市位于安徽省中北部，是淮河生態經濟帶的重要成員、合肥都市圈副核心城市.淮南市屬于暖溫帶季風氣候，四季分明；淮河穿境而過，淮河以北地勢平坦，淮河以南地勢稍有起伏，整體由北至南呈現平原—低山丘陵—丘陵的分布態勢.市域地表水資源豐富，河流主要是淮河及其支流；湖泊眾多，有瓦埠湖、高塘湖、焦崗湖等；擁有上窯山、八公山、舜耕山等國家級森林公園.淮南市國土總面積5 532.40 km2，轄5區(田家庵區、大通區、謝家集區、八公山區、潘集區)2縣(鳳臺縣、壽縣).截至2021年，常住人口約303.35萬人，城鎮人口約197.48萬人，城鎮化率65.1%.

圖1 淮南市土地利用現狀圖Fig.1 Land use status of Huainan city

2 數據來源與技術方法

2.1 數據來源與處理

研究數據主要包括：1)淮南市土地覆被數據來源于FROM-GLGO全球地表覆蓋產品；2)ASTER GDEM高程數據來源于地理空間數據云網站，分辨率為30 m，經過ArcGIS軟件處理得到坡度、起伏度等數據；3)社會經濟指標等數據來源于2021年淮南市政府統計報告、淮南市統計年鑒.按照研究區實際情況，參考相關文獻[14]，將土地覆被數據重新分成六類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地，利用ArcGIS10.2軟件將研究區域投影到CGCS2000_3_Degree_GK_CM_117E，經過裁剪最終得到柵格單元30 m×30 m的淮南市土地利用類型圖(圖1).

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA方法的景觀格局與生態源地的識別 形態學格局分析法(MSPA)是基于數學形態學、偏向測度結構連接性的一種方法，可以識別并分割二值柵格圖像成七種不同的景觀生態類型[15].提取出研究區的林地、草地、水域作為前景數據，耕地、建設用地、其它用地類型作為背景數據，利用ArcGIS將土地利用數據轉為tiff格式的二值柵格文件，基于Guidos Toolbox軟件平臺進行處理后得到7種互斥的景觀類型：核心區、孤島、橋接區、邊緣區、孔隙、環島區、支線，最后將tiff數據導入ArcGIS軟件進行分析統計.參考相關文獻[16-17]，采用斑塊連通性指數(d PC)作為生態源地篩選的主要依據，選取核心區中面積較大且形態較為完整連續的30個生態斑塊導入Conefor2.6軟件.根據淮南市實際情況，最終將斑塊連通概率設為0.5，連通閾值為1 000 m.對淮南市進行景觀連通性評價，篩選d PC>1的斑塊劃定為重要源地，d PC>0.3的斑塊劃定為一般源地.

2.2.2 綜合阻力面構建 如表1所示，采用綜合指數法和AHP法構建生態阻力面，主要選取高程、坡度、MSPA類型、土地利用類型等單要素阻力因子.根據已有相關研究[18-19]，對各類景觀的阻力賦值.

2.2.3 基于電路理論與最小阻力模型的生態廊道構建 電路理論通過隨機運動理論將電路和運動生態學進行聯系，研究表明某一物種在不同生態源間進行基因交流的進程中，作為電導體的不同景觀要素對于該物種的運動阻力是不同的，阻力較低的景觀類型有助于物種的頻繁交流；相反，阻力較高的景觀類型對于物種運動或者基因交流是有一定的阻礙作用[20].最小累積阻力模型(MCR)是以生態源地出發建立阻力面，計算生態源地之間的最小累積阻力距離，從而確定源于目標之間的最小消耗路徑[21].公式如下.

式中：MCR表示最小累積阻力值；f表示反映空間中任一點的最小阻力與其到所有源地的距離和景觀基面特征的正相關關系；Dij是景觀單元i到生態源j的距離；Ri表示景觀單元i的阻力值.其中，MCR模型的關鍵在于阻力面體系的構建.Linkage Mapper是一個集合了MCR、電路理論、圖論的ArcGIS工具，它可以模擬物種在不同景觀要素下的交流運動，生成最小成本路徑，并識別廊道范圍和潛在廊道，調用Circuitscape軟件識別重要生態節點；該工具識別潛在生態廊道、提取最小成本路徑作為最優生態廊道，主要基于Linkage Mapper中的Build Network and Map Linkages這一模塊實現.

3 結果分析

3.1 生態源地的確定

3.1.1 基于MSPA方法的景觀格局分析結果 以林地、草地、水域為前景數據，利用Guidos Toolbox軟件進行MSPA分析，得到不同景觀類型的面積及所占前景比例情況見表2.導入ArcGIS10.2軟件得到圖2.分析MSPA結果可知：淮南市的景觀要素總面積為64 981.71 hm2；其中核心區景觀類型多為林地、水域、草地，總計面積為40 409.82 hm2，占景觀總面積的62.19%；橋接區圍繞核心區均勻分布，面積2 075.76 hm2，占景觀總面積的3.19%.核心區主要沿著山體、河流分布，空間結構上連通性較高；橋接區的分布與人類活動的程度有關.在城市建設中，重點保護核心區和橋接區，有助于保持城市生態系統穩定，提高生態系統服務功能.

島狀斑塊是一種較孤立的景觀斑塊，面積約7 779.96 hm2，主要分布于潘集區、大通區.邊緣區面積占景觀總面積的14.77%，因其具有明顯的邊緣效應，有助于保護核心區不被侵蝕、提高核心區的穩定性，在未來建設中應考慮在邊緣區內構建生態網絡.孔隙占自然景觀總面積的1.07%，主要位于村莊、道路和已建區附近.環島區是核心區內部的廊道，有助于促進核心區內部的能量流動，面積約占自然景觀總面積的1.80%.支線面積約占自然景觀總面積的5.01%，作為生態廊道的中斷，支線可以起到一定的聯通作用.

圖2 淮南市不同景觀要素分布圖Fig.2 Distribution of different landscape elements in Huainan city

3.1.2 基于連通性評價的生態源地選取 將核心區斑塊按照面積大小降序排列，對面積較大、形態較為完整連續的30個斑塊進行連通性評價，并按照斑塊重要性(d PC)值的大小選取5個一級生態源地，10個二級源地，詳見表3，這些生態源地的d PC值為0.3～86之間，具體生態源地的分布見圖3.分析結果可知，淮南市的重要生態源地主要分布在田家庵區、謝家集區、八公山區、鳳臺縣南部以及壽縣，連通性較好的核心斑塊主要集中在瓦埠湖片區以及淮河流域，生態源地多沿著河流、山體分布，整體分布較為集中；不同的生態源地間d PC指數相差較大，西部生態斑塊面積較小于東部.通過整體分析可知，南北斑塊連通性較差，生物的能量流動及物質循環難以持續，因此亟需通過生態廊道增加淮南市南北部的景觀連通性，為生物提供生態棲息地，維持淮南市的生態系統平衡.

圖3 淮南市生態節點與源地分布圖Fig.3 Distribution map of ecological nodes and source areas in Huainan city

3.2 生態網絡構建結果分析

3.2.1 綜合阻力面構建 采用德爾菲法和AHP法確定各因素的阻力值和權重，構建綜合阻力面體系，構建結果如圖4所示.由綜合阻力面可知，高阻力區多分布于城市建成區，受人為活動影響較大，低阻力區多為山、水、湖泊等生態資源所在的區域，生態連通性較好.

圖4 單因子阻力面及綜合阻力面示意圖Fig.4 Schematic diagram of single factor resistance surface and comprehensive resistance surface

3.2.2 生態廊道與網絡的構建分析 生態廊道的提取主要運用Linkage Mapper中的Build Network and Map Linkages這一模塊實現.研究利用Linkage Mapper工具和Circuitscape軟件模擬潛在生態廊道，將最優生態廊道與40 000閾值下的廊道范圍進行疊加，得到最優生態廊道空間分布圖，如圖5所示.市域層面，共計23條最優生態廊道，40 000阻力閾值下廊道范圍面積共計812.79 km2，廊道長度共計238.00 km.在眾多最優生態廊道中，最長的生態廊道41.40 km，跨越鳳臺縣和潘集區，連接泥河與花家湖；最短的生態廊道分布在大通區的高塘湖附近，廊道長度0.13 km.市區層面，分布了13條最優廊道，2條潛在廊道.鳳臺縣分布了6條最優廊道和1條潛在廊道.結合最優生態廊道以及淮南市生態現狀，識別4條潛在生態廊道，新增6個生態“夾點”，得到淮南市域生態網絡示意圖，如圖6所示.考慮到研究區遷移距離較遠的物種、生態網絡廊道長度以及廊道面積等因素，網絡布局應增加核心斑塊與廊道的連接，增加生態“夾點”的數量，降低踏腳石斑塊間的距離，進而改善網絡連接的有效性，提高物種在遷徙過程中的成功率和存活率.

圖5 淮南市最優生態廊道分布圖Fig.5 Distribution map of optimal ecological corridor in Huainan city圖6 淮南市生態網絡示意圖Fig.6 Schematic diagram of ecological network in Huainan city

3.3 淮南市生態空間的布局優化

3.3.1 嚴格生態源地保護，提高生態效益 生態源地是城市生態空間的核心區域，在城市發展建設和空間格局優化的同時，應嚴格保護生態本底不被破壞，堅持生態面積不減少、生態功能不降低.淮南市的生態源地主要包括八公山、舜耕山、上窯三處國家森林公園和泥河濕地公園，以及淮河、安豐塘、瓦埠湖等重要水體，應最大程度保持山體、湖泊、濕地等的生態保育功能，優先保護野生動物重要棲息地.該區域在施行最嚴格的生態保護措施外，還可根據實際特征設置一定尺度的生態緩沖區，積極推進生態修復，提升生態效益.如適度提升森林公園的植被覆蓋率、控制人為活動強度，確保林業生態價值提升；保護重要河湖水系濱水空間的開敞性，避免非必要的工程項目穿越，以及由于城市建設擠壓濱水空間、高層建筑圍合等負面效應.

圖7 市區生態網絡布局圖Fig.7 Urban ecological spatial layout map

3.3.2 強化生態廊道體系，提升生態空間連通性 根據淮南市生態網絡體系架構，結合市區自然山水資源，架構“沿淮-臨山-面水”的三級城市生態廊道，串聯多個生態節點，形成“山河湖鏈”的生態網絡結構，如圖7所示.市域范圍內依托東西走向的淮河打造一級生態廊道2條，即沿淮河流域形成東西向生態發展軸，作為沿淮城市生態特質的最重要承載空間.打造3條二級生態廊道，西部南北向串聯起泥河濕地公園、八公山國家森林公園和瓦埠湖，中部東西向串聯八公山、舜耕山和高塘湖，東北部聯合高塘湖、上窯國家森林公園和泥河濕地公園，形成市區環狀生態通廊.同時，結合區域交通走廊、城市組團間隔空間以及建成區內部山水資源，將周邊生態資源連通并導入建成區內部，形成三級生態通廊.這種一二級廊道為骨架、三級廊道為補充的生態網絡結構，再輔以組團間隙、道路防護綠帶，形成多層級生態廊道與多級生態綠地斑塊，有助于提升生態空間連通性以及城市特色空間的塑造.根據最優廊道模擬結果，一級生態廊道控制寬度以50～100 m為宜，二、三級生態廊道控制寬度以30～50 m為宜.

4 結論

城市生態網絡的建立，有助于保護淮南市生態系統的完整性，提高生態服務核心功能的可持續性，并為其社會經濟發展提供生態支撐.研究選取淮南市為研究對象，將淮南市現狀土地利用類型中林地、水域、草地作為前景分析數據，將形態學空間格局分析法和景觀重要性指數分析法結合識別生態源地，基于ArcGIS10.2與Linkage Mapper，利用最小累積阻力模型、電路理論連接度模型，通過篩選得到最優生態廊道和潛在廊道，最終得到淮南市的生態網絡.主要如下：淮南市的景觀要素面積總計64 981.71 hm2，其中核心區景觀類型多為林地、水域、草地，總計面積為40 409.82 hm2，占前景面積的62.19%，主要特征為沿著流域、山體分布，水域與林地分布；橋接區主要圍繞核心區均勻分布，占研究區景觀要素面積的3.19%，面積為2 075.76 hm2；根據形態學格局分析和景觀連通性評價結果，對斑塊重要性(d PC)值的大小進行排序，最終選取了5個一級生態源地，10個二級源地；生態廊道是生物物種進行遷移擴散的主要路徑，利用Linkage Mapper軟件提取出23條最優生態廊道，4條潛在生態廊道，新增6個生態“夾點”；根據城市生態網絡結構，系統整合山水生態資源，架構“沿淮—臨山—面水”的城市生態空間格局，市域層面貫通中部東西方向上的臨山綠色生態空間，結合道路沿線區域構建生態綠廊；貫通城區內外部生態資源，形成環繞在城市四周的山、河、湖生態鏈.

本研究以MSPA和最小路徑法方法結合為基礎，改變了傳統生態網絡的建設框架，從空間聚集形態的角度出發，以連接性為主要依據，對生態網絡建設進行了討論.在研究中有以下幾方面有待進一步討論：1)生態源地是生物物種進行生存、繁衍、遷徙的面積較大較為完整的斑塊，基于MSPA方法與連通性指數進行生態源地的識別，在運行Guidos Toolbox軟件時參考相關文獻將距離閾值設置為1 000 m，考慮到不同研究區域具有一定差異性、參考的文獻量有限等原因，距離閾值的設定具有一定的局限性，因此距離閾值的設定的合理性還有待繼續商討.2)阻力面的構建作為識別生態廊道必不可少的環節，本研究通過對權威學者研究的分析加以總結，以及淮南市的現實情況分析思考，最終確定相關指數，采用高程、坡度、土地利用類型、MSPA景觀格局分析結果作為阻力面賦值的主要構成因素，并賦予一定指標比例，但是不同類型的阻力指標賦值與占比會導致結果也大不相同，其結果會很大程度上影響生態網絡的構建，因此對于研究區不同阻力類型的權重賦值的合理性有待于討論.3)對于城市生態空間布局優化方面，由于受到永久基本農田保護、國土空間規劃指標等因素限制，提出的優化策略如何具體落實，尚需后續持續研究.