内蒙古土默特左旗生态网络构建与优化
——基于MSPA 与MCR 模型分析

韩 冰 韩 轶 秦富仓 王新雅 段广德

1 内蒙古农业大学林学院 呼和浩特 010010

2 呼和浩特环保投资有限公司 呼和浩特 010000

3 内蒙古农业大学草原与资源环境学院 呼和浩特 010010

随着城市化进程的加速, 土地空间需求日益增大, 人地矛盾日益突出, 区域生态环境遭到不同程度的破坏, 土地荒漠化和沙化、 草场退化、 水土流失等生态问题日益突出, 对区域内物种的正常迁移和物质交换造成极大的威胁[1]。研究表明, 建立生态网络为物种迁移以及物质交换提供通道, 对维护区域生态安全, 促进区域可持续发展具有重要意义[2]。 “源地识别－建立阻力面－廊道提取－构建生态网络” 是目前生态网络构建研究广泛采取的方法框架[3]。 近几年越来越多的研究者利用形态学空间格局分析(Morphological spatial pattern analysis, MSPA) 方法科学定量识别生态源地[4－6], 许峰等[7]基于MSPA 法在Guidos 中根据研究区土地覆被现状识别出具有重要生态学意义的核心区作为生态源地； 史芳宁等[8]根据研究区河流流域的自然现状, 注重大面积自然绿地对区域生态系统的作用, 并为生物多样性保护提供了方法和建议以及修复和优化对策。 构建阻力面的方法主要有土地利用类型赋值法与生境质量评分法[9],Lookingbill 等[10]在扩散模型中将物种的迁移规律作为影响因素评估斑块间阻力, 何建华等[11]在阻力面构建中将区域人类活动强度因素作为阻力因子。 最小累积阻力模型(Minimal cumulative resistance model, MCR)、 图论以及电路模型[12－13]等方法是提取生态廊道的主要手段, 其中MCR 模型能够综合考虑区域内自然环境以及人类活动干扰等多方面因素, 较为客观地判断并模拟生成潜在的生态廊道[14]。 陈涛等[15]]基于MCR 模型与功能性连接度, 提取鸟类在研究区的飞行廊道从而优化城区生态网络结构； 杨姗姗等[16]基于研究区生态红线的划分和MCR 模型, 确定区域生态安全格局组分的空间分布。

土默特左旗是呼包鄂经济区与呼包银榆经济区的重要节点旗, 土地用地类型较为单一且两极分化严重, 干扰景观格局结构和质量, 生态脆弱性较为明显, 空间异质性较为突出, 保护与发展的矛盾在本研究区较为强烈。 基于此, 通过MSPA 方法与MCR 模型构建土默特左旗生态网络并量化网络布局特征, 以期为我国北方旗县范围内生态网络构建后续研究提供参考。

1 研究区概况

土默特左旗位于内蒙古自治区呼和浩特市西郊大青山南麓的土默川平原, 北与武川县相邻,南与托克托县、 和林格尔县相邻, 东与呼和浩特市区相连, 西与包头市土默特右旗相邻, 总面积2 779km2。

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理

本研究的遥感影像数据是Landsat 8 卫星数字产品, 分辨率为30 m×30 m, 且云量低于4%, 考虑研究内容对于数据质量与精度的要求, 选择成像时间为2000 年8 月17 日与2018 年5 月18 日。

利用ENVI 5.1 软件对2000、 2018 年土默特左旗的遥感影像处理后, 以最大拟然法的设定作为依据并参考«土地利用现状分类»(GB/T 21010－2017) 和区域实际情况进行监督分类, 将土地利用类型分为林地、 耕地、 水体、 草地、 建设用地、未利用地共6 种。 Kappa 系数为0.857 3、 0.822 9, 表明本文对研究区进行的土地利用分类精度很高。

2.2 基于MSPA 的景观要素识别与分类

将研究区2018 年的土地利用类型栅格数据(30 m×30 m) 转换为前景和背景的二值数据, 其中前景为需要分析的生态空间即水体、 林地、 草地, 背景为城乡工矿用地即耕地、 建设用地、 未利用地。 基于GuidosToolbox 软件进行MSPA 景观类型识别, 将景观类型划分为7 种类型, 即核心区(Core)、 连接桥(Bridge)、 环岛(Loop)、 支线(Branch)、 边缘区(Edge)、 孔隙(Perforation)和孤岛(Islet)。

2.3 景观连通性评价和生态源地的提取

本研究采用具有代表性的可能连通性指数(PC)、 整体连通性指数(IIC) 和斑块重要性指数(dPC), 参考相关研究[17], 在Conefor 2.6 中设置连接距离阈值为1 000 m, 连接概率为0.5,根据连接重要性指数(dI) 以及面积大于0.5 km2且dPC ≥0.1 的斑块作为生态源地。 计算公式如下:

式(1) ~ (3) 中:n为斑块数量；ai和aj分别为斑块i和j的面积；为在不同斑块中物种移动的最大可能性；PCremove为去除某斑块后景观整体连通指数；nlij为i和j之间的连接数量。

2.4 基于最小阻力(MCR) 模型的生态廊道提取

提取生态廊道首先要构建综合阻力面。 通过专家对MSPA 景观类型数据以及土地利用分类数据、 高程数据和坡度数据所建立的阻力层进行打分得到阻力层权重系数和对应阻力值(表1)。 综合阻力面的计算公式如下:

表1 各阻力因子阻力值及权重

式(4) 中:i为栅格；n为阻力因子数量；Wi为阻力因子权重；Aij为栅格中阻力因子的阻力值。

利用ArcGIS 软件将生态源地转为点, 基于综合阻力面使用成本距离工具计算源点之间最小累积成本距离并生成成本回溯链接栅格, 剔除重复冗杂的廊道后生成潜在生态廊道[18]。 最小累积阻力模型(MCR) 计算公式如下:

式(5) 中:Dij为生态源地j到空间单元i的距离；Ri为经过空间i需克服的阻力值；fmin代表正相关函数。

2.5 基于重力模型的重要生态廊道识别

当生态引力值越大时, 源地之间的阻力值越小, 交互作用越强, 则说明廊道越重要。 计算公式如下:

式(6) 中:Gij为i和j两点间的交互作用强度；Ni和Nj为斑块i和j的权重；Dij为斑块i与j间廊道阻力标准值。

2.6 生态网络结构评价

通过计算生态廊道网络闭合指数(α 指数)、网络连接度指数(β 指数)、 网络连通率指数(γ指数) 反映区域内生态源地与生态廊道之间的连通关系以及所形成生态廊道网络结构的复杂程度[19]。 各指数计算公式如下:

式(7) ~ (9) 中:L代表廊道数；V表示生态节点数。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

数据分析(表2) 显示, 土默特左旗主要土地利用类型是林地、 耕地, 前者主要分布于北部的大青山山区, 后者分布在南部。 2000—2018年, 耕地类型面积增加较多, 从2000 年的1 037.38 km2增加至2018 年的1 178.90 km2, 由37.33%增加至42.42%； 草地类型面积减少较多,从2000 年的778.73 km2减少至2018 年的568.77 km2,由28.02%降至20.47%。 在ArcGIS 10.2 中使用空间叠加计算分析2000 年和2018 年的土地利用数据, 得到2000—2018 年土默特左旗土地利用转移矩阵(表3), 耕地与林地之间的变化是土默特左旗土地利用结构主要的空间变化, 其次是草地与耕地间的转化。 土地利用转换矩阵中变换面积大小依次是草地>未利用地>林地>水体>建设用地>耕地, 表明近20 年来, 建设用地随着城镇建设不断向四周扩散, 占用部分草地和耕地的面积； 此外, 耕地面积增加也占用部分草地的面积, 导致斑块破碎化程度剧烈； 水体面积占比增加对生态系统起到一定的补偿作用。

表2 2000、 2018 年研究区不同土地利用类型面积及比例

表3 2000—2018 年研究区土地利用转移矩阵

3.2 基于MSPA 方法的景观类型识别

将2018 年土地利用类型栅格数据导入Guidos 中识别出7 种景观类型(表4), 前景要素面积为1 251.45 km2, 占研究区总面积的42.71%。 其中, 核心区面积为1 109.92 km2,占前景要素面积的88.69%, 集中在研究区北部的大青山山区林地和南部地区的哈素海国家湿地公园； 其余区域斑块数量较为稀少且分散,南北核心区分化严重、 破碎化程度高, 不利于研究区整体连通。 连接桥作为连接核心区的桥梁, 面积为1.13 km2, 占前景要素面积的0.09%, 面积占比较低不利于物种在核心区之间的流动。 边缘区和孔隙都具有边缘效应, 分别占前景要素面积的9.73%和0.95%, 表明研究区内的核心区较为稳定。 此外, 孤岛占比0.09%； 环岛占比0.01%, 能够为物种提供在核心区扩散媒介； 支线占比0.44%, 为前景要素与背景之间提供连接作用。

表4 MSPA 景观要素生态学含义及面积占比

3.3 重要生态源地的提取

选择面积大于0.5 km2的核心区, 筛选得到50 个斑块。 根据连接重要性指数(dI) 以及面积大于0.5km2且dPC≥0.1 的斑块作为源地, 共提取11 个生态源地斑块(表5), 结果发现: 斑块1与斑块7 所对应的dPC 值最大, 分别为78.76 与17.52, 面积分别为263.34 km2、 124.29 km2, 位于察素齐镇和白庙子镇, 在景观规划的过程中需重点保护； 斑块6、 8、 11 的dPC 值分别是0.61、0.30、 0.41, 面积分别为23.05 km2、 5.03 km2、18.72 km2, 分布在敕勒川镇的大青山南麓和哈素海湿地保护区, 在谋求旅游产业和渔业等相关发展过程中应坚持先保护后开发, 减少人为活动对生物迁移的负面影响； 斑块2、 3、 4、 5、 9、 10主要分布在毕克齐镇、 察素齐镇、 美岱镇、 沙尔沁镇, 在进行景观规划和土地利用决策时, 应考虑生态源地的重要性, 实施适当的保护和管理措施,以确保生态系统的健康和稳定。

表5 生态源地连通重要性指数排序

3.4 生态网络构建

根据生成的综合阻力面(图1) 发现, 土默特左旗北部区域阻力值较小, 大青山南麓山脚处阻力较大, 这是由于坡度较大, 高程较高, 植被覆盖较低。 建设用地会影响附近物质循环交流,因此研究区内的建设用地附近的区域阻力值相应较高。

图1 研究区综合阻力面

基于研究区综合阻力面, 在ArcGIS 中计算每两个斑块间的最小累积阻力值, 在剔除重复冗杂的生态廊道后, 得到研究区11 个生态源地间存在共计65 条潜在生态廊道。 在重力模型中计算11个生态源地之间的相互作用强度(表6), 将重力阈值设为5, 共筛选得到21 条重要廊道, 其余41条为一般廊道(图2), 结果发现, 土默特左旗生态廊道主要分布在西北部, 东部的生态廊道较为匮乏, 总体呈现连通水平较低、 部分区域缺少廊道覆盖以及缺乏闭合环路等问题, 生态网络结构体系仍需完善。

图2 研究区生态源地及重要廊道识别

表6 基于重力模型的生态源地相互作用矩阵

3.5 生态网络优化与生态断裂点识别

本研究选择的西北部大青山区域因生态源地面积较大且较为密集, 生态廊道较为集中, 廊道系统景观连通性较好； 东部与中部因缺少源地且源地面积较小, 廊道系统连通性较差。 在前期MSPA 法分析结果的基础上, 排除西北部生态源地之外, 选择研究区中部和边界处具有高连通性且面积较大的斑块作为补充生态源地, 将其与原有生态源地共同构建廊道, 完善研究区生态网络体系, 最终选取7 处补充生态源地(表7), 与原有生态源地补充计算得出新增55 条规划廊道。 将优化前后的生态网络体系通过α 指数、 β 指数、 γ指数进行对比, 优化之前的生态源地数为11, 廊道总数为65, α、 β、 γ 指数分别为3.20、 5.90、2.40； 优化后的生态源地数为18, 廊道总数为120, α、 β、 γ 指数分别为3.30, 6.67, 2.50。 结果(图3) 表明, 土默特左旗的生态网络结构和连通性得到了显著的改善, 生态源地连接水平被规划的潜在生态廊道所提高, 生态系统的稳定性得到加强。

图3 研究区生态廊道构建与优化

表7 补充生态源地选择依据

生态网络与硬质表面的交汇处称为生态断裂点[20], 此类地点生态效益较差。 在ArcGis 中, 将研究区主要矢量交通路网与生态廊道网络叠加分析, 得到土默特左旗生态断裂点共118 个(图4), 并划分为三个等级: 一级断裂点为与铁路交汇点, 共47； 二级断裂点为与高速路交汇点, 共49 个； 三级断裂点为与国道交汇点, 共22 个。主要集中在沿铁路两侧分布的耕地以及哈素海湿地保护区北侧, 为京藏高速、 京青线的交点, 在未来生态保护建设工作中, 应注重交通道路两侧自然植被防护带的规划建设和维护, 可以在生态断裂点处修建立体生态绿道, 为生物物种迁徙以及物质交换提供通道。

图4 研究区生态断裂点识别

4 讨论与结论

4.1 讨论

本研究使用MSPA 法识别适宜生物栖息和活动的区域作为核心区, 与土默特左旗林地、 水体等自然生态要素分布情况相同, 相较常规生态源地识别方法减少主观性的干扰[21－22], 数据结果更具科学性和合理性。 计算核心区连通性时须在Conefor 软件中设定距离阈值, 系统计算时会默认核心区距离大于阈值则核心区不连通, 相较前期研究成果[23－24], 本研究结合研究区区域尺度, 增大距离阈值, 提高了核心区间连通性以及生态网络的合理性, 设置距离阈值为1 000 m, 连通率为0.5, 所选取的生态源地更加全面准确[17]。 土默特左旗南部高阻力值较为集中, 与南部土地利用现状特征相符, 对生态廊道提取的客观性与合理性在一定程度上有所提高； 根据前期研究, 生态廊道密度较低的地区具有较弱的生态稳定性[24－26], 本研究通过增加生态源地, 显著提高区域生态网络的连接密度, 从而加强了生态系统的稳定性。

本文对内蒙古自治区中部旗县尺度下的生态网络构建与优化处于尝试探索初期阶段, 整体研究中仍存在以下不足: 1) 选取2000、 2018 年的两个时期的土默特左旗土地利用类型数据, 时间跨度较大, 对于土地利用类型变化分析还能够在时间和空间两个维度挖掘更加详细的相关数据进行更加全面的分析； 2) 未考虑到生态廊道的建设长度和宽度以及廊道内用地类型是否符合相关建设规定, 缺少相应的研究； 3) 生态源地的扩充并未充分考虑到区域未来发展规划, 需进一步斟酌。 未来研究会加大对土默特左旗区域内生物物种以及相关政策规定等资料收集和分析, 进一步深入县域尺度下廊道建设合理性研究, 为我国北方其他旗县的环境建设提供更加科学的生态网络构建优化策略。

4.2 结论

本研究基于MSPA 和MCR 模型在土默特左旗成功构建并优化了生态网络, 提出了因地制宜的生态规划策略, 对缓解城镇化对生态环境的影响和促进生态可持续发展具有显著意义。 主要结论如下: 1) 城镇化导致土地利用类型变化, 加剧了生态破碎化； 2) 生态网络中南北核心区分化显著, 影响整体连通性； 3) 有效识别并保护关键生态源地和廊道, 提升了生态网络的结构和连通性； 4) 新增生态源地和廊道显著增强了生态系统稳定性； 5) 识别的生态断裂点为未来生态规划提供了重要参考。