基于空間連通性動態變化的城市綠地生態網絡優化*

周 媛 陳明坤 黎 貝 李朋瑤 郁婧雪 陳 娟

1 西南民族大學建筑學院 成都 610225

2 清華大學建筑學院 北京 100084

3 成都市公園城市建設發展研究院 成都 610031

4 四川省城鄉建設研究院 成都 610000

綠地生態網絡的空間連通性強調結構連通或功能連通。結構連通性表征景觀要素在空間結構上的關聯性，其大小與斑塊的規模，形狀，斑塊間的距離等密切相關。功能連通性是生態功能與生態過程的測度指標，它需在景觀要素空間結構分析的基礎上，對斑塊間物種遷徙、能量流動等生態過程進行觀測研究以反映生物群體在景觀中生存的難易程度[1-2]。然而，快速城市化導致景觀破碎化嚴重、生態廊道斷裂、生物多樣性銳減，如何有效識別生態源地、構建具有高連通性的綠地生態網絡已引起專家學者們的關注并以展開大量的相關研究。目前，生態源地多直接選擇生態環境質量較好的斑塊，或利用MSPA[2-3]與圖論景觀連通性指數綜合篩選，但未考慮不同斑塊規模對綠地空間連通性影響的差異性。構建生態網絡的方法主要包括最小累積阻力模型[4-5]、重力模型[6]、圖論法[7-10]、電路理論[11-14]等。大多數研究多從功能連通性層面入手構建綠地生態網絡，基于結構連通性識別潛在生態廊道，優化生態網絡的研究相對較少。

充分發揮結構與功能連通性在綠地生態網絡構建中的相互協同作用，進一步揭示景觀空間結構、物種遷移等生態過程與景觀連通性的關系，構建高連通性的生態網絡對城鄉綠地空間規劃具有重要意義。因此，以2000—2020年成都市為研究對象，基于圖論景觀連通性指數，確定最優距離閾值和生態源地面積閾值，評價生態網絡空間連通性的動態變化特征；利用電路理論分析綠地功能連通性特征，耦合結構與功能連通性，提出城市綠地生態網絡格局優化策略。

1 研究地概況

成都市(30°05′—31°26′N，102°54′—104°53′E)，位于四川盆地西部，是全國建設踐行新發展理念的公園城市示范區(圖1)。市域總面積為14 335 km2，轄區內包括12個市轄區5個縣級市3個縣。境內由山地、丘陵、平原組成，地形變化豐富，垂直落差大，最典型的是呈東北—西南走向的龍門山脈和龍泉山脈以及呈西南—東北走向的長丘山脈，生物多樣性豐富，它們是成都市重要的生態屏障。岷江、沱江等河網渠系縱橫交錯，多樣而獨特的山水資源為公園城市建設提供了重要的生態基礎[15]。

圖1 成都市主要行政區區位及主要綠地及河流分布示意

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

研究數據包括精度為30 m的2000、2005、2010年成都市Landsat 7 ETM，2015、2020年Landsat 8 OLI遙感影像數據，DEM數據以及同期的Quickbird高分辨率歷史影像和相關規劃圖集等。各類遙感數據和DEM數據從地理空間數據云中下載。首先，基于ENVI軟件對5期遙感影像進行預處理，利用監督分類方法提取不同用地類型，同時在ArcGIS10.3中借助同期的高分辨率遙感影像以及規劃圖集對土地利用數據進行修正，解譯精度達到95%以上，以獲得5期包括城鄉建設用地、耕地、綠地(包括林地、草地等生態用地以及城市人工綠地)、水系、農村居民點、其他用地的土地利用現狀圖；然后，對5期土地利用柵格數據進行重分類，將前景數據綠地、水體賦值為2，背景數據(其他用地類型)賦值為1，并將其轉化為TIFF格式的二值柵格數據。基于Guidos1.3軟件，根據研究需求，設置邊緣寬度為1，八鄰域連通性分析原則，將研究區前景要素劃分為核心、連橋接、環道、分支、邊緣、孔隙和孤島7種不同的景觀類型(圖2)；最后，提取核心綠地斑塊，參考相關文獻[7]，并根據幾何間隔重分類法對核心斑塊進行分類，最終將核心斑塊按照面積大小劃分為7類:＜1.0 hm2，1.0～5.0 hm2，5.0～10.0 hm2，10.0～20.0 hm2，20.0～50.0 hm2，50.0～100.0 hm2，＞100.0 hm2。

圖2 基于MSPA的研究區形態空間格局分類

2.2 基于圖論的綠地空間連通性評價

2.2.1 圖論指數的選擇

Graphab軟件是基于圖論原理建立的生態網絡模型，其景觀連通性指數涵蓋全局、組分、個體3個尺度以及增量模式[6-7]。選取連接單元體數量(NC)、整體連通性指數(IIC)、可能連通性指數(PC)、斑塊節點度指數(Dg)、中間度核心性指數(BC)、重要性指數(dI)和歸一化后的重要性指數(dI′)用以評價綠地斑塊重要程度和空間連通性(計算公式如式1～2)，具體可參考Graphab2.6用戶指導手冊。

式(1)和式(2):I代表IIC和PC；Iremove是去除某斑塊后的IIC和PC；dIIC是移除某斑塊后IIC值的變化幅度；dPC是移除某斑塊后PC值的變化幅度。

2.2.2 最優距離閾值與生態源地面積閾值的確定

圖論模型中，適宜的距離閾值應考慮物種遷移特征以提高規劃的適用性和科學性。根據相關研究結果，鳥類的平均搜索范圍為30～32 000 m，一些雁形目鳥類的搜索范圍約為10 000 m[2]，一些中小型哺乳動物及兩棲類爬行動物的平均擴散范圍為50～1 000 m[16]。因此，選擇MSPA確定的核心斑塊，根據區域內重點保護動物的搜索擴散范圍以及棲息地生境的可達性，分別設置0.5、1、2、5、7.5、10、12.5、15、20、25、30 km等11個距離閾值，利用Conefor2.6軟件，計算全局尺度下的NC、IIC、PC的變化趨勢及穩定性；同時，以2020年為例計算不同距離閾值、不同斑塊間的dI′用以綜合確定最優距離閾值。最后，分別計算最優距離閾值下不同規模核心斑塊的全局連通性指數，分析這些全局連通性指數與斑塊面積的相關性，并根據變化趨勢確定生態源地的最優面積閾值。

2.2.3 基于圖論的綠地生態網絡空間連通性評價

基于空間連通性的綠地網絡評價方法主要包括生態源地的篩選、綜合阻力面的制作、生態網絡的構建、景觀連通性評價4個步驟。景觀阻力反映物種在不同景觀單元之間遷移和能量流動的難易程度[3，17]。綜合考慮成都市土地利用現狀及地形特征，根據數據的可獲得性和專家意見，參考相關文獻資料[5，9，14]，確定不同阻力因子及其阻力值，引入熵權法計算不同阻力因子權重(表1)，通過加權疊加得到最終綜合阻力面。

表1 不同阻力因子、阻力值與權重

在Graphab2.6中導入S≥最優面積閾值的核心斑塊源地，設置最小斑塊面積為0，設置八鄰域的斑塊連接規則，再導入綜合阻力面，利用創建圖譜工具，構建研究區綠地生態網絡。在綠地空間連通性評價中，基于最優距離閾值計算不同尺度下的NC、IIC、PC、BC、Dg、dI′等圖論指數，評價綠地斑塊重要程度，并選擇dI′≥10-4的綠地斑塊作為電路理論的生態源地。最后，在2020年綠地生態網絡中識別出不同年份相互重疊的生態源地、生態廊道以及高BC、Dg值綠地斑塊，它們對維持生態網絡穩定性與連通性具有重要作用。

2.3 基于電路理論的綠地生態網絡構建

在電路理論中，電阻代表生境中物種遷移運動、基因流動或信息能量流動的阻礙程度，低電阻區域物種遷移通暢，則該區域的電流密度高，空間連通性好[18]。基于圖論方法篩選的生態源地，利用Linkage Mapper工具下的Centrality Mapper tool計算源斑塊的當前電流中心性評估其重要程度；采用成對模式分析，利用Linkage Pathways工具的最小成本加權距離識別區域內的重要生態廊道；運用Pinchpoint Mapper工具，選擇位于生態廊道瓶頸處、電流密度大且具有不可替代作用的地帶作為夾點[14]；利用Barrier Mapper工具，通過反復計算驗證，設定柵格大小為300 m的搜索半徑，采用移動窗口法搜索障礙點。

3 結果與分析

3.1 全局水平最優距離閾值及面積閾值的確定

2000—2020年不同距離閾值、不同景觀連通性指數的變化趨勢(圖3)表明，雖然不同時期核心綠地斑塊的面積和位置發生了變化，但NC、IIC和PC的變化趨勢基本一致，整體表現為:隨著距離的增加，NC呈對數下降，IIC和PC不斷增大。這說明綠地空間整體連通性在不斷提高。當距離閾值為10 km時，NC接近1，并隨著距離的增加，NC趨于穩定。IIC和PC的最大增速出現在7.5～12.5 km時，隨著距離的增大，它們趨于穩定或緩慢增長。不同斑塊在不同距離閾值下的dI′變化(圖4)表明，在0.5～30 km的距離閾值范圍內，dI′與斑塊面積呈顯著的正相關關系。當距離閾值為0.5～7.5 km時，dI′≥10-5的綠地斑塊占比由8.75%增加到48.65%，中小型綠地斑塊的重要程度不斷提升；當距離閾值為10～30km時，dI′≥10-5的綠斑塊占比穩定在53%左右，中小型斑塊的重要性趨于平穩，說明此時不同大小的綠地斑塊維持景觀連通的重要性不受距離閾值的影響。因此，綜合考慮不同景觀連通性指數對不同距離閾值的變化特征，選定10 km作為評價研究區景觀連通性的最優距離閾值。

圖4 不同距離閾值下綠地斑塊面積及dI′變化

選擇全局水平上的NC、IIC、PC與不同規模綠地總面積進行相關性分析(表2)，結果表明，隨著綠地總面積的增大，NC與綠地總面積的相關性逐漸增強。當綠地面積＞100 hm2時，NC已趨近于1，二者之間無相關性，說明大型綠地斑塊在改善空間連通性上具有關鍵作用。當綠地斑塊面積≥50 hm2時，IIC和PC與斑塊總面積表現出顯著或極顯著正相關關系。同時，對比分析不同規模綠地的景觀連通性指數變化特征(圖5～6)發現，不同區域內不同綠地斑塊規模的景觀連通性指數變化趨勢基本趨同，最顯著的差異主要表現在中心城區、新津、邛崍，由于中心城區是核心綠地面積及位置變化最劇烈的區域，NC變化波動也最大。在1～50 hm2的綠地斑塊范圍內，NC整體表現出急劇降低的趨勢，當綠地斑塊等級≥50 hm2時，NC減少趨勢變緩，直至趨近于1。IIC隨著斑塊面積的增加而不斷增大，當斑塊面積增加到50～100 hm2時，IIC表現出驟增趨勢。因此，綜合考慮不同規模綠地斑塊與景觀連通性指數的變化趨勢以及相關性分析，將50 hm2設定為核心斑塊的最優面積閾值，并根據最優面積閾值進一步篩選生態源地。

表2 全局水平上不同規模綠地總面積與圖論指數的相關系數

圖5 不同時期不同綠地規模NC變化

圖6 不同時期不同綠地規模IIC變化

3.2 基于圖論的城市綠地空間連通性評價

3.2.1 個體水平綠地空間連通性

Dg表示綠地斑塊間的空間連通能力。圖7表明，2000—2020年，高Dg值斑塊出現逐漸增多的趨勢，尤其在中心城區表現最為顯著；而Dg≥10的綠地斑塊僅有3個，龍門山一直是Dg值最大的斑塊，對整體綠地空間連通性至關重要。龍泉山、長丘山、興隆湖濕地生態公園、鹿溪河生態區等斑塊的Dg值逐漸增大，它們不僅對中心城區的空間連通性具有重要影響，同時也是市域范圍內影響整體空間連通性的關鍵節點。

BC值表征斑塊在生態網絡中的重要程度和承載能力大小，高BC值的綠地斑塊具有的重要“踏腳石”作用。由圖8可知，研究區內BC值最大的綠地斑塊包括丹景山風景區、大熊貓繁育研究基地、鳳凰山公園等，它們對斑塊間的連通起著關鍵作用。2000—2020年，BC值大于18.43×1010的綠地斑塊數量呈現先增加再減少的變化趨勢，這與高BC值綠地斑塊自身或周邊綠地斑塊的規模、數量、生態環境質量等因素的變化密切相關。

圖8 不同年份綠地斑塊BC動態變化

3.2.2 增量模式綠地景觀空間連通性

按照自然斷點法對斑塊的dI′值進行等級劃分，結果(圖9)表明，2000—2020年，龍門山、龍泉山斑塊對整體連通性貢獻最大，它們能夠為生物提供適宜的生境；其次是長丘山、石象湖、三岔湖、白鷺灣濕地公園等斑塊；東部區域生態源地較為獨立，連通存在一定的困難。

圖9 不同年份綠地斑塊dI′動態變化

3.3 基于電路理論的綠地生態網絡的構建

利用自然斷點法對生態源地中心度模擬結果(圖10A)進行分類，發現中心度值大于200的生態源地比例高達75.5%，它們為生物的覓食、遷移提供了重要的基礎條件。由圖10B可知，市域范圍內重要生態廊道主要分布在中心城區、西南部以及東南部，它們對生態網絡功能連通性的改善起到關鍵作用。中心城區利用環狀廊道、水系與零散綠地斑塊串聯，網絡結構復雜；西南部利用金馬河、西河等水系將龍門山與周邊斑塊相連接；東南部以龍泉山、沱江為中心連接周邊的綠地斑塊，由于該區域成本距離較高，與重要生態源地的距離較遠，網絡通達性還需進一步提高。通過對夾點區域的識別(圖10C)，可以發現中心城區分布著大量的夾點，部分夾點與高中心度斑塊相重合，這也反映了夾點對維持整體連通性的重要作用。障礙點(圖10D)主要分布在研究區中部以及西南部，現狀用地多為城鎮建設用地、道路用地、農村居民點等，其中城鎮建設用地、道路用地等不透水下墊面硬化程度較高，對生物遷徙擴散、能量流動產生較大的阻礙作用。還有一部分障礙點與構建的生態廊道相重疊，因此，合理修復障礙點可以有效提高區域整體連通性。

圖10 基于電路理論的功能連通性分析

3.4 基于空間連通性的綠地生態網絡優化策略

基于圖論與電路理論綜合模擬結果，疊加篩選出對區域整體連通性具有重要影響的生態源地、關鍵戰略點、踏腳石、重要廊道以及生態修復區，最終構建以龍門山、龍泉山為基礎，依托岷江、沱江等河網道路的網絡化聯通，構建覆蓋全域多層次、具有高連通性的復合綠地生態網絡格局，其優化策略主要包括:

1)生態源地保護。根據成都市自然資源和地形特征，將生態源地劃分為山地型、丘陵型、平原型。山地型源地以龍門山、龍泉山系為主，按照法律法規嚴格保護生態紅線所包圍的區域。高海拔地區保護重點為生態保育，保護原有珍貴物種資源；低海拔地區注重保持水土和涵養水源，發展多層次、多種類的復合森林生態系統。丘陵型源地應加強植被資源與生物多樣性保護，科學發展生態果林農業和生態旅游業，限制人為活動對自然生境的破壞。平原型源地可利用生態廊道與周邊的水體、濕地等資源進行整合，構建不同類型的森林公園、濕地保護區等，增大源地的保護輻射范圍，在豐富源地生物多樣性的同時提高對外界的抗干擾能力。

2)戰略點應對。高Dg值和高中心度斑塊可作為生態網絡中的關鍵戰略點，它們對維持生態網絡的空間連通性具有重要的貢獻度。關鍵戰略點周圍可設定一定范圍的緩沖區，以緩解城市發展過程中人類活動對戰略點的干擾。同時，利用生態廊道加強與周圍生態源地、踏腳石的有效連接，以增加關鍵戰略點之間的連通強度。

3)踏腳石拓展。選擇具有關鍵作用的重要夾點以及高BC值斑塊作為生態網絡中的踏腳石。根據踏腳石斑塊的立地條件有針對性地進行保護與修復，不斷提升其生態穩定性。優先將踏腳石斑塊數量明顯減少的中東部區域踏腳石斑塊與周圍的生態斑塊形成大范圍的輻射連接，拓展其規模，以確保生物遷徙以及能量流通的成功率。

4)生態廊道優化。耦合結構連通與功能連通性，篩選出具有協同效應的生態廊道，這些廊道主要依托道路、水體等景觀要素組成，應嚴格控制生態廊道內的開發方式與建設強度，設置多元化的廊道保護模式。合理規劃環城廊道，建設不同類型的生態公園節點，預留城市通風廊道，以緩解城市熱島效應。

5)生態修復區劃定。基于障礙點分析結果，識別區域內需優先修復的范圍。生態修復過程中，基于城市土地利用現狀以及成都市發展建設規劃，合理評估生態修復區建設的可落地性，并做出相應的增補協調政策。同時，禁止建設工業等對生態環境有影響的建設開發活動，在尊重自然生態現狀的基礎上，保護區域內的自然與文化遺產、林盤等特色景觀資源，妥善處理不同區域的耕地利用問題，堅持耕地優先保護，嚴守耕地紅線，維護生態源地的完整性和多樣性。

4 討論

對于距離閾值的篩選，本研究利用Conefor軟件對比分析不同距離閾值景觀連通性指數的變化趨勢與穩定性進行確定。與其他研究成果[18-19]對比發現，大多數研究均基于1期數據進行最優距離閾值的篩選，但城市化進程的高速發展導致不同用地類型的面積、空間位置、結構形態都發生了劇烈變化，它們對不同時期最優距離閾值的篩選都會產生影響。因此，分別對2000—2020年5期不同時間序列下的景觀連通性指數的變化特征進行對比分析，不僅可以規避因土地利用變化對距離閾值篩選造成的影響，還可以清晰地表達不同時期、不同距離閾值下景觀連通性水平的差異及變化趨勢，對后期城市空間格局優化具有一定的指導意義。

對于源地面積閾值的劃定，以往大量的研究[14，18，20]多用最小面積閾值法識別并篩選源地，具有一定的主觀性，本研究在城市綠地空間連通性分析的基礎上，利用圖論方法分析不同時期、不同規模的綠地斑塊與連通性指數的變化趨勢及相關性，篩選影響空間連通性的綠地最優面積閾值，不僅可以發現不同時期、不同規模的綠地建設水平差異，還能更準確地驗證最優面積閾值選擇的合理性。相比傳統方法而言，本研究方法不僅考慮了綠地斑塊的面積規模，還考慮了綠地空間結構以及物種生境適宜性的影響，更能反映生物保護的需求。

基于空間連通性的綠地生態網絡格局優化方法仍面臨一定的挑戰。在綜合阻力面的構建過程中，主要根據研究區綜合現狀及國內外研究經驗，從土地利用類型、地形坡度等方面來設置阻力因子，目前也尚無公認的評價指標體系。未來研究可結合經濟、人文等社會因素以及生態系統服務功能，綜合考慮不同物種在不同用地類型中的遷移擴散特征、不同土地利用間的連通性水平以及斑塊異質性等影響因子構建綜合阻力面；同時結合實驗數據對模型進行修正，以促進圖論及電路理論在景觀生態規劃領域中的應用。

5 結論

耦合MSPA、圖論以及電路理論方法，在分析綠地結構與功能連通性動態變化特征的基礎上，提出基于空間連通性的綠地生態網絡優化策略，得出以下結論:1)基于研究區不同景觀連通性指數在不同距離閾值的變化特征，選定最優閾值距離為10 km，生態源地最優面積閾值為50 hm2。2)研究區內景觀結構連通性表現出西高東低、南高北低、由外圍向中心擴展的分布特征。中部地區的綠地斑塊數量少而分散，西、南部重要廊道數量最多，東部最少。3)功能連通性廊道區域差異明顯，障礙點多與不同類型城市建設用地重合。4)構建的高連通性綠地生態網絡方法框架在綠地生態規劃與應用中具有可實踐性，將為綠地生態網絡格局優化提供參考。