基于MSPA和MCR模型的湖南省生态网络构建

郑群明， 扈嘉辉，申明智

(湖南师范大学a.旅游学院,b.研学旅行研究院，中国 长沙 410081)

近年来，城市化进程的加快使得土地被高强度利用开发，区域生态环境也因此遭到了不同程度的破坏，导致区域内生境斑块出现破碎化、岛屿化的现象[1-3]，严重影响到区域内生物的正常迁徙、流通，对生物多样性的保护产生了巨大挑战。生态网络的构建可以连接破碎斑块，为生物在斑块间流动、迁徙提供通道[4，5]，提升区域整体景观连通性，对提高区域生态安全、促进区域可持续发展有着十分重要的意义。

生态网络思想源于十八世纪的城市美化，如今其理念逐渐演变为修复破碎生境及物种栖息地，提高生态网络的生态服务功能[6]。生态网络的构建方法仍在不断探索发展，在选取生态源地方面，有学者直接选取自然保护区、森林公园、湿地公园、大型林地等生态系统结构较为稳定的区域作为生态源地[1，7，8]；部分学者从景观连通性、生态敏感性、生态服务功能重要性等方面出发，利用InVEST模型和RUSLE模型等方法选取生态源地[9-12]。直接选取生态源地相较后者而言具有相对主观性。近年来，运用形态学空间格局分析法(MSPA)来辨别生态源地被越来越多的学者采纳。MSPA是利用图形学原理，使用相关图像方法，对土地利用的栅格数据进行识别、分类，科学、定量地识别生态源地[2，13]。提取生态廊道的方法主要包括最小累积阻力模型[14，15]、电路模型[16，17]等，最小累积阻力模型(MCR模型)，作为构建生态廊道的主要方法[16，18]，因具有兼容性及适应性等优点[19]，被众多学者在生态网络规划中应用。

2016年，《全国生态旅游发展规划(2016—2025年)》中提出未来十年将建设25条国家生态风景道[20]，其中沿武陵山和罗霄山-南岭两条国家生态风景道途经湖南省内。传统生态风景道以往多重视交通功能和景观质量，在生态提升方面鲜有关注且缺乏科学方法指导[21]。为使生态风景道能实现多元价值，综合生态、交通、观赏、保护等多种功能，加强生态风景道的生态功能打造必不可少。本文以湖南省为例，运用MSPA方法识别生态源地，采用可能连通性指数、斑块重要性指数等景观指标区分生态源地的重要程度，并利用MCR模型生成湖南省的潜在生态网络，甄别重要生态廊道，在此基础上提出对湖南省生态网络优化的策略，以期为湖南省的生态安全格局构建提供科学参考，并为国家生态风景道选线和湖南省生态风景道网络构建提供相应的参考依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

湖南省位于我国中部地区，是华中地区的重要组成部分之一。湖南地貌类型丰富，多山地、丘陵，主要有武陵山、雪峰山、南岭、罗霄山四大山脉；河流纵横，湖泊密布，湘、资、沅、澧四大水系与洞庭湖等湖泊构成了湖南省水生态格局；截至2020年底，境内有世界自然遗产和世界地质公园各2处，国际重要湿地3处，国家级自然保护区23处，国家级地质公园14处，国家公园1处，国家湿地公园49处，国家草原自然公园2处，森林公园126处，省级自然保护区30处。但是省内一些地区在追求经济发展的过程中忽视资源环境承载能力，导致了生态破坏、环境污染、生物多样性降低等问题。通过构建生态网络系统来提升湖南省生态安全、促进区域间能量流通尤为重要。

1.2 数据来源

本研究所用数据包括2020年湖南省土地利用遥感监测数据、高程数据、坡度数据及道路矢量数据。其中湖南省土地利用数据来源中科院资源环境科学与数据中心网站，高程及坡度数据来源于地理空间数据云DEM数字高程数据，道路数据来源于OpenStreetMap网站。

1.3 研究方法

1.3.1 基于MSPA方法的生态源地识别 MSPA是定量识别生态源地的一种方法，主要通过图像方法对生态源地进行识别和分类，从而得出较为科学的生态源地分布[10]。根据实地情况，将湖南省的土地利用类型划分为6类：耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地。本文把林地、草地、水域3种景观类型设为前景，其余类型作为背景，并转换为 tiff 二值图，在 Guidos 软件中识别出 7 种景观类型(图2)。核心区是面积较大的生境斑块，对生态系统完整性及生物多样性的维持起着十分重要的作用。面积较大的核心区内生境质量更稳定，连通性也更高，更利于物种的生存和扩散[22]。因此本文根据核心区面积大小降序排序，选取前50个面积较大的斑块作为本研究的生态源地。

1.3.2 生态源地景观连通性评价 景观连通性评价是判断各个景观斑块之间的连通性强弱较为有效的办法，维持良好的景观连通性对维持生态系统的稳定和生物多样性有着十分积极的效果[14，23]。本文选用PC和dPC两个景观指数，使用Conefor软件进行计算。参考相关文献[24]，设定 2 500 m为距离阈值，概率为0.5，将生态源地分为3类，即dPC>6为一级生态源地，1dPC>0.1的为三级生态源地。计算公式如下：

(1)

dPC=100%×(PC-PCremove)/PC，

(2)

1.3.3 基于MCR模型的生态廊道构建 最小累积阻力模型是指生态物质在流通过程中从起始源出发经过不同阻力值的景观到达目标源所需要做的功[25，26]。运用最小累积阻力模型可以有效计算生态能量在不同景观面之间流通所需克服的阻力，景观面的阻力越大，生态能量流通的难度就越大。

构建生态廊道首先需要构建阻力面。由于生物在扩散过程中不仅会受到坡度、景观类型等自然因素方面的影响，同时也会受到人类活动的影响，因此本研究根据可获得数据将阻力因子设为高程、坡度、土地利用类型、距离道路距离四个方面，以此生成综合阻力面(表1)，其计算公式为

表1 阻力因子赋值、权重表

(3)

式中：i代表栅格，j代表阻力因子，Fi为i栅格的综合阻力值，n代表阻力因子的数量，Wj为j所占比重，Aij为i栅格中的j的阻力值。

最小累积阻力值计算公式如下：

(4)

式中：f代表正相关函数，Dij表示一个点j到达另一个点i所需穿过的空间距离，Ri为穿过空间i的所需克服的阻力值。

基于ArcGIS 10.2软件，加权叠加4个阻力因子后生成综合阻力面。然后将生态源地转为点，使用距离分析的成本距离工具计算最小累积成本距离，并生成成本回溯链接栅格，再使用成本路径工具计算从源点到目标的最小成本路径，对重复冗杂的廊道进行剔除后，生成潜在生态廊道。

1.3.4 基于重力模型的重要生态廊道识别 重力模型最早用于交通领域，后逐渐被引用到景观生态领域。通过重力模型，可计算出不同生态源地相互之间的生态引力，从而识别出较为重要的生态廊道[27]。生态引力值越大，说明源地间的相互作用力越大，源地之间生态能量流动的阻力越小。重力模型公式如下：

(5)

式中：i和j为两个不同的斑块，Gij为i与j之间的生态引力值，Ni和Nj为其权重，Dij为i与j间廊道阻力标准值，Pi和Pj代表阻力值，Si和Sj代表面积，Lij为累积阻力值，Lmax为最大阻力值。

2 结果与分析

2.1 土地利用状况分析

通过对湖南省的土地利用状况进行分析可知，湖南省土地总面积为211 795 km2，其中林地为131 647 km2，所占面积最大，占总面积的62.16%；耕地占地面积为59 371 km2，占总面积的28.03%，大部分耕地主要集中在湖南省北部洞庭湖附近；草地和水域所占比重较小，未利用地面积为978 km2，占总面积的0.5%，反映了湖南省的土地利用程度较高(图1)。

图1 土地利用类型分布图

2.2 景观格局分析

根据湖南省土地利用类型分类，选取林地、草地、水域3种景观类型设为前景，其余类型作为背景。对湖南省的土地利用数据进行MSPA分析后，得到景观要素的MSPA分类结果(图2)，然后对不同景观类型的面积及其占比进行统计。结果可知，前景数据景观占研究区总面积的68.8%，其中核心区面积为47 976 km2，占前景面积的32.9%，主要分布在湖南省中西部的雪峰山脉、武陵山山脉，湘南地区的南岭以及湖南省东部的幕连九山脉、罗霄山脉，而北部地区、中部地区的斑块数量较为稀少，不利于研究区域整体的连通。总体上看，研究区也存在着核心区较为分散，破碎化程度高的现象。桥接区面积为52 512 km2，占前景面积的36%。桥接区作为不同核心区之间交通的桥梁，对生物的迁徙、流通有着重要的意义。湖南省内的桥接区面积占比较大，利于生物在核心区间的流通。边缘区和孔隙都具有边缘效应，能够维持核心区的稳定，此两类景观占比分别为15.9%和2.5%，说明本研究区内的核心区较为稳定。此外，岛状斑块占比2.4%，为核心区内部提供廊道的环道区占比2.4%，对研究区前景与背景之间提供连接作用的支线占比7.8%。

图2 基于MSPA的景观分类图

2.3 重要生态源地提取与评价识别

结合相关文献并进行多次试验后，最终选择2 500 m作为距离阈值，概率设为0. 5，对生态源地进行景观连通性评价。根据 Conefor 2.6的计算结果，将生态源地分为3类，即dPC>6为一级生态源地，1dPC>0.1的为三级生态源地。(图3)

图3 生态源地分布

斑块的可能连通性指数越高，dPC值越大，代表着源地内的生态系统越稳定。面积较大、连通性较高的斑块内往往分布着自然保护区、国家公园、森林公园等具有重要生态意义的区域。根据分析结果，一级生态源地共有7个，其中斑块39的dPC值最大，为38.76，面积为5 570 km2，位于雪峰山脉南部，包含着南山国家公园、崀山、黄桑自然保护区、中坡、万佛山国家森林公园等众多生物适宜栖息地。斑块17次之，dPC值为32.09，面积为3 960 km2，位于湖南省中西部，雪峰山斑块北部，包含六步溪、雪峰湖、大熊山国家保护地等区域。斑块21的dPC值为10.35，主要位于雪峰山脉中部区域。斑块40主要位于湖南省东南边陲，罗霄山脉南部，区域内包含桃源洞、齐云峰等国家保护地。斑块49位于湖南省最南部，斑块内包含九嶷山、蓝山等国家保护地，斑块42位于湖南省南部，地处阳明山脉，内有阳明山、金洞、福音山等国家保护地。二级生态源地共有9个，其dPC值在1～6之间，源地面积相比于一级生态源地较小，地理位置上分布在一级生态源地周围，与一级生态源地相毗邻。三级生态源地共34个，其面积相对较小，dPC值均小于1，对研究区域整体的连通性没有太大贡献，零星分布于湖南省各个市域内。

表2 前景分类统计表

2.4 生态网络构建分析

2.4.1 基于 MCR 的潜在生态廊道提取分析 根据生成的综合阻力面(图4)可发现湖南省中部及北部区域阻力值较小，西部及南部阻力较大，这是由于西部及南部地区多山地，坡度较大，高程较高。道路和建筑用地会影响其附近生态能量的流通，因此研究区内道路及建筑用地附近的区域阻力值也相应较大。

以景观阻力面为基础，计算从各个源地之间的最小累积阻力值，生成生态廊道共1 172条，总长度为155 858 km。对重复冗杂的廊道进行剔除后，最终生成本文的潜在生态廊道(图4)。从图5可以看出，廊道呈现为较为密集的网状。

图4 综合阻力图

图5 湖南省潜在生态廊道图

2.4.2 重要生态廊道识别分析 将50个生态源地进行编号，通过重力模型计算后得到研究区域内不同生态源地间的相互作用强度(表3)。生态源地之间的相互作用力越强，源地间廊道的建设意义就越大。将重力阈值设为500，共筛选出53条廊道作为重要廊道。根据表3，源地8和9之间的相互作用强度为4 782，代表这两块源地之间的生态引力较大，且两地间距离较近，景观阻力值较小，在生态廊道建设时应该重点建设此类相互作用值高的源地间廊道。源地1与源地48之间的相互作用强度为7，在所有源地间的生态引力最小，原因为源地1位于湖南省的最北端，源地48位于湖南省南部，源地距离过于遥远，若建设此类廊道需花费较大成本。根据图6中的廊道分布情况可见，研究区内的重要廊道多呈线状、环状或网状相连，源地10，11，12和18之间的重要廊道呈环状分布，并与源地17，14和16之间的线状重要廊道相连，以上源地及廊道皆位于雪峰山脉附近，在规划过程中要加以重视，以增强雪峰山区域内的连通性。源地6，7，9间重要廊道呈环状相连，并与源地8，9，13，15和19间呈线状分布的重要廊道相连，此区域位于湖南省的东北部，主要包括洞庭湖、连云山、幕阜山、罗霄山北部区域，内部包含幕阜山、大围山、牛石寨、大云山、五尖山等众多国家森林公园，河流湖泊交错，生态价值重要，因此需要建设其内部生态廊道，维持湖南省东北部的生态连通。源地29，31，32，37，40，41，43和44之间重要廊道同样呈网状相连，位于湖南省的东南部，主要包括东江湖、罗霄山、南岭山脉附近区域，内部包含桃源洞、八面山国家级自然保护区，五盖山国际狩猎场，神农谷、云阳、酒埠江、齐云峰、天鹅山、攸州、飞天山、永兴丹霞等重要保护地，该区域生态资源良好，源地间联系紧密，利于物种流通，因此需要重点建设、维护生态廊道。从生态源地6到生态源地9一直往南到源地48之间的重要廊道紧紧相连，构成湖南省东部的生态屏障；从生态源地10向南到源地33之间的重要廊道亦连接成线，构成湖南省西部的生态屏障。其余的重要生态廊道大多呈线状相互连接，分布在湖南省的西北部、中部、南部地区，在未来的规划中都应加强其围合保护。

图6 生态廊道分级

表3 源地间相互作用强度

2.5 生态网络优化

2.5.1 保护重要生态源地和廊道 生态源地是生态网络中的重要功能节点，在维护区域生态系统稳定方面有重要价值。本研究区域中，一级生态源地内包含着较多的自然保护区、森林公园等面积大、生境质量良好区域，是十分重要的生物源地和物种迁徙地，其对整体区域的生态环境、物种多样性的维护有较大意义。因此在今后的规划中应将严格保护放在第一位，同时多采取植树造林等方式连接分布在其周围、距离较近的二级源地，以此扩大源地面积，提升景观连通性，增强生态系统的稳定性。对于距离较远的三级源地，应重点保护、建设与之相连通的生态廊道，保证生态网络的整体连通。此外，湖南省河湖密布，四大水系与众多湖泊相连覆盖全省，河流是天然的生态廊道，应加强对其保护及其两岸绿道建设(图7)。基于重力模型筛选出的重要生态廊道累积阻力较小，连通性较好，多呈线状、网状相连，构成了湖南省东部和西部的生态屏障，因此也需要对其进行重点建设。

图7 生态网络规划图

2.5.2 规划“脚踏石”的建设 脚踏石是指生物在迁徙、移动过程中的临时停留地，当生态廊道过长时，脚踏石可为迁徙的生物提供暂时休憩地，增加生物迁徙存活率。生态廊道的交点对生态网络的连通性和完整性十分重要，应对其重点规划。另外，作为核心区沟通桥梁的桥接区对区域的连通性也起着十分重要的作用，因此本文根据研究区域内的生态源地和廊道的分布情况，将生态廊道交点与桥接区相结合，共规划293个脚踏石。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文以MSPA和MCR模型为基础，尝试构建了湖南省的生态网络。首先使用MSPA方法确定了本研究的生态源地，并利用Conefor软件根据生态源地的景观连通性对其分级，之后根据生成的综合阻力面运用MCR模型生成湖南省潜在生态廊道，并根据重力模型判断出研究区域内的重要生态廊道，最后设立脚踏石对生态网络进行优化。研究发现：

(1)湖南省的生态源地较为分散，破碎化程度高。由MSPA识别出的核心区面积为47 976 km2，占前景面积的32.9%。前50个生态源地主要分布在湖南省中西部、湘南地区以及湖南省东部，而北部地区、中部地区的斑块数量较为稀少，不利于研究区域整体的连通。桥接区面积为52 512 km2，占前景面积的36%，在前景景观类型中所占面积最大，因此应加强对桥接区的利用增强生态源地之间的连通。

(2)通过对阻力值分析可知湖南省中部及北部区域阻力值较小，西部及南部阻力较大，以阻力面为基础生成的湖南省生态廊道特征为：潜在生态廊道呈网状分布，重要生态廊道多呈线状、环状相连。东部及西部的重要生态廊道由北至南紧密相连，构成湖南省东部及西部的生态屏障。

(3)湖南省生态网络由生态源地、生态廊道和脚踏石组成。其中具体包括50个生态源地、1 172条潜在生态廊道、53条重要生态廊道及293个脚踏石。

(4)部分生态源地之间距离较远，廊道过长，选取廊道间的交点及桥接区作为踏脚石利于生态廊道的建设，因此根据构建的生态网络提出保护重要生态源地和廊道、设立“脚踏石”等策略对生态网络进行优化。

3.2 讨论

生态廊道是生态风景道的基础，本文尝试通过构建湖南省的生态网络，为湖南省的生态建设提供相应参考，也为生态风景道的构建和选线[28]提供一定的科学依据。采用MSPA方法选取生态源地，该方法通过图形学原理来识别生态源地，较为科学，使用Conefor软件将连通概率设为0.5，设定2 500 m距离阈值，来区分生态源地的重要程度。距离阈值的设置不同会对斑块间的景观连接度产生不同的影响，此处阈值是否足够合理还有待讨论。在生成潜在生态廊道时，阻力因子的选取将自然影响因素和人文影响因素相结合，但在对阻力因子权重的占比上采用专家打分法可能导致结果带有一定的主观性。利用MCR模型生成的生态廊道并未考虑廊道宽度问题，在今后的规划设计中应加以考虑。最后，本文对湖南省的生态网络构建多从科学、理论的角度出发，对于湖南省内各省市区域的实际情况没有过多涉及，希望在未来的研究中可以继续完善，为湖南省生态网络规划及生态风景道规划提供科学合理的建议。