基于MCR和HY模型的莆田市生态廊道构建与优化.pdf
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1、引文格式:金博闻,谢祯,柯I.基于MCR和HY模型的莆田市生态廊道构建与优化 .西南林业大学学报(自然科Jan.2024JOURNAL OF SOUTHWEST FORESTRY UNIVERSITY2024年1月Vol.44No.1大南第44卷西第1期报学学业林DOI:10.11929/j.swfu.202210015学),2 0 2 4,44(1):7 9-8 7.基于MCR和HY模型的莆田市生态廊道构建与优化金博闻1,2谢祯?柯山1耿建伟2 潘辉!(1.闽江学院,福建福州35 0 10 8;2.福建农林大学风景园林与艺术学院,福建福州35 0 10 6)摘要:以莆田市主城区为例,采用形态
2、学空间格局方法(MSPA)结合景观连通性分析筛选重要生态源地,运用最小累积阻力模型(MCR)与重力模型方法,提取研究区潜在生态廊道;同时结合水文分析模型(HY)识别研究区辐射廊道和生态节点,最终构建并优化莆田市生态廊道。结果表明:基于MSPA与景观连通性指数,共识别出14个核心源地;采用MCR与重力模型,共识别出2 9 条廊道,一级廊道7 条,二级廊道10 条,三级廊道12 条;结合水文分析法共识别出2 0 5 条辐射廊道和5 3个生态功能节点,包括一级节点5 个,二级节点17 个,三级节点31个,确定各类型生态修复的关键区域,提取生态节点建设策略。本研究可为莆田市生态廊道构建及生态节点保护时
3、序性研究提供科学依据。关键词:生态廊道;最小累积阻力模型;水文分析;辐射廊道中图分类号:X171.1文献标志码:A文章编号:2 0 9 5-19 14(2 0 2 4)0 1-0 0 7 9-0 9Construction and Optimization of Ecological Corridor Based onMCR and HY Analysis in PutianJin Bowen 2,Xie Zhen2,Ke Shan,Geng Jianwei?,Pan Hui(1.Minjiang University,Fuzhou Fujian 350108,China;2.Fujian A
4、griculture and Forestry University,Fuzhou Fujian 350106,China)Abstract:In this study,taking the main urban area of Putian City as an example,the morphological spatialpattern approach(MSPA)combined with landscape connectivity analysis is used to screen important ecologicalsource sites,and the minimum
5、 cumulative resistance model(MCR)and gravity model approach are applied to ex-tract potential ecological corridors in the study area,while the hydrological analysis model(HY)is combined toidentify radiation corridors and ecological function nodes in the study area,and finally construct and optimize
6、eco-logical corridors in Putian City.The results show that based on MSPA and landscape connectivity index,a total of14 core source sites were identified;using MCR and gravity model,a total of 29 corridors were identified,includ-ing 7 primary corridors,10 secondary corridors and 12 tertiary corridors
7、;combined with the hydrological analysismethod,a total of 205 radiating corridors and 53 ecological function nodes were identified,including 5 primarynodes,17 secondary nodes and 31 tertiary nodes.key areas for various types of ecological restoration were identi-fied.Ecological node construction str
8、ategies were extracted.The results of this study provide a scientific basis forthe study of ecological corridor construction and ecological node protection temporality in Putian City.收稿日期:2 0 2 2-10-0 9;修回日期:2 0 2 2-12-0 6基金项目:福州市社科规划重大项目(2 0 17 FZA02)资助。第1作者:金博闻(19 9 7 一),男,硕士研究生。研究方向:风景园林规划与设计、旅游地
9、理。Email:。通信作者:潘辉(19 6 8 一),男,博士,教授,享受国务院政府特殊津贴专家。研究方向:环境资源管理、生态旅游等。Email:。80西南林业大学学报第44卷Key words:ecological corridor;minimum cumulative resistance model;hydrological analysis;radiation cor-ridor随着城镇化进程的快速推进,高密度的土地开发不断侵占城市中的生态用地,导致了生态用地的斑块侵蚀、连通性降低和景观破碎化,对城市生态安全与整体景观格局造成严重威胁与破坏 ,产生了如城市热岛效应 2 、洪涝 3 和生
10、物多样性丧失 4 等系列问题。研究表明,生态斑块破碎化是造成区域生物多样性减少的症结之一。作为连接城市主要生态斑块的线性要素,生态廊道通过在生态规划中的布局、整合和衔接,利用其线性特征连接和组织生态源地,不仅有利于促进城市生物流的良性循环,也对城市土地价值提升和城市可持续发展具有重要意义。然而,主城区具有人为干扰大,土地覆被复杂等特点,导致生态源地较为破碎,对生态廊道的构建造成了诸多困难。因此,如何在高人口密度的主城区,构建并优化生态廊道显得尤为重要。目前,生态廊道已形成了“源地-阻力面-廊道”的研究范式 5 ,其中,如何准确地识别生态廊道,成为当今生态学及风景园林学等关联学科讨论研究的重点。
11、当前对于生态廊道的研究主要集中在连通性阈值设置、阻力面构建、廊道的模拟等方面,涉及渗透理论、图论、阻力模型理论、电流理论等。杨娅楠等 6 基于渗透理论并结合模型模拟等方法,讨论了当前在研究景观连通性过程中存在的问题,侧重于合理构建廊道对于野生动物生境保护的重要性。Urban等 7 首次将图论理论应用于解决有关景观连通性的实际问题,重点为保护墨西哥斑点猫头鹰种群及其栖息地提供了方法。阻力模型理论认为生物体在穿过不同景观空间的过程中需要耗费一定的成本或克服相应阻力,物种最佳的生境通道则为累积成本最小或阻力最小的生境通道 8 ,其操作过程复杂且易生成杂廊道。近年来又发展出许多以阻力模型理论为基础,计
12、算最佳迁移路径的方法和廊道构建模型,例如最小成本路径模型(LCP)、最小累积阻力模型(MCR)9-1 等。最小累积阻力模型(MCR)运用ArcGIS的成本路径工具识别源地间最小耗费路径,确定物种迁徙与扩散的所有可能路径,忽略了源地与周围基质的连接和连接潜在源地等属性,以及斑块内部的物种运动路径,对生态廊道与节点的识别具有局限性12 。而水文分析模型(HY)能有效的识别辐射廊道,即在低阻力区域形成辐射型谷线 3-15 ,能够有效补充区域内潜在生态廊道;MCR与水文分析模型(H Y)结合所产生的潜在廊道与辐射廊道的交点,能有效补充斑块内部的生态节点。因此,水文分析模型在一定程度上弥补了MCR模型对
13、于潜在廊道提取与生态节点选择中的不足,对于加强源地与周围基质的连接以及连接潜在源地具有重要作用 12 基于此,本研究以莆田市主城区为例,采用形态学空间格局(MSPA)结合景观连通性识别、分析、筛选生态源地,运用最小累积阻力模型(MCR)与重力模型,构建研究区各级潜在生态廊道;同时结合水文分析模型(HY),提取研究区辐射廊道,并识别出潜在廊道与辐射廊道的交点为生态节点,最终构建并优化莆田市生态廊道。本研究可为莆田市生态廊道构建提供科学依据。1研究区概况莆田市是福建省辖地级市,位于我国华东地区(2 45 9 2 5 46 N,118 2 7 119 6 E),东临台湾海峡,背倚戴云山脉。境内地势呈
14、西北高、东南低,西北部中低山众多,海拔约5 0 0 18 0 0 m。中部为低山与丘陵,平原与盆谷错综其间,地势较平坦,是研究区中人口主要分布的建成区。本研究划定莆田市主城区范围:荔城区、城厢区、涵江区、秀屿区。由于莆田市主城区内人口密集,城市化程度较高,造成内部生态源地数量多,面积小,与城郊的大型生态源地联系性差。因此,合理地构建莆田市生态廊道,对提升城市生态环境,促进城市可持续发展具有重要的意义。2材料与方法2.1数据来源与预处理本研究所采用的数据为:1)莆田市10 m81第1期金博闻等:基于MCR和HY模型的莆田市生态廊道构建与优化10m精度的土地利用栅格数据【欧洲航天局(ESA)的全球
15、陆地覆盖数据集(https:/www.esa-landcover-cci.org),根据ESA数据分类结果,在研究区内提取8 类土地利用类型:林地、灌木地、草地、水体、湿地、耕地、裸地和建设用地;2)30 m30m的DEM据【地理空间数据云(h t t p:/w w w.g s c l o u d.c n)l;3)2 0 2 1年莆田市行政边界数据(莆田市自然资源和规划局);4)道路矢量数据(https:/www.openstreetmap.org/),提取莆田市的铁路、国道和高速公路3类道路信息。2.2重要生态源地识别与评价形态学空间格局分析(MSPA)是基于数学形态学原理来识别、测量和分析
16、栅格影像空间的图像处理方法 16 ,能够高效识别研究区范围内的景观类型。本研究通过将土地利用数据中具有生态价值的要素(前景)和其他要素(背景)进行二值化处理后,以林地、灌木地、草地、水体、湿地要素作为前景数据,借鉴相关学者的参数设定 17 ,景观类型划分参考GuidosToolbox手册 18 ,将前景数据分为7 种景观类型。最后对分析结果进行面积、占比等数据统计,并提取核心区斑块作为连通性分析的生态源地 19-2 0 。其次,利用连通性指数(PC)与整体连通性指数(IC),定量评价斑块之间的连通性。数值越大说明斑块的连通性越高,对物种的交流和迁徙越有利,说明斑块具有更高的生态功能价值。相关计
17、算公式如下:a:a,Pij4j1PC,(0PC 1)(1)A2a;ajIC(0IIC 1)(2)式中:PC为可能连通性指数;IIC为整体连通性指数;AL为景观总面积;n为斑块的总量;a;与a,为斑块i与j的面积;P,为斑块在i与j之间连通的最大概率,nl,指斑块在i与j之间的连接数量。PC-PC,removedPC100%(3)PCIC-IIC,removedIIC100%(4)IC式中:dPC与dIIC值越高,代表斑块的连通性越好,作用越大;PCremove与IICremove为剔除某一斑块后连接指数值。本研究综合相关研究 2 1-2 2 并结合相关领域专家建议,分别赋予dPC、d I C为
18、0.5 的权重值,结果大于0.0 2 的生态斑块划定为核心源地。2.3基于MCR模型的生态网络构建2.3.1综合阻力面构建物种的空间传播和迁移可以促进生物多样性,有利于生态系统的稳定;然而,迁移的难易程度受到空间阻力的影响,因此合理地构建综合阻力面是提取生态廊道的关键。其中,土地利用类型是廊道构建的基础,坡度和高程影响植被生长和城镇开发强度 13,而与铁路、公路 16 之间的距离可以反映人类活动的影响程度。综上所述,本研究选取土地利用类型、MSPA景观类型、高程、坡度、距离国道16 、距离水域、距离铁路、距离高速公路作为生态廊道提取的主要阻力因子。结合研究区实际情况 2 3 和相关研究成果 1
19、9.2 4,并通过咨询相关专家和AHP层次分析法赋予莆田市的阻力因子相应权重和阻力值,借助ArcGIS10.8栅格加权叠加等方法构建综合阻力面(表1)。表1阻力层权重及因子阻力值Table1Resistance layer weights and factor resistance values阻力类型阻力因子阻力值权重阻力类型阻力因子阻力值权重土地利用类型林地10.350MSPA景观类型核心区10.221灌木1桥接1草地1环道3耕地5支线5建设用地9孤岛5裸地7边缘7水体3孔隙7湿地3背景9高程/m(80,200)10.112距离水域/m0,10010.070200,4003100,2003
20、400,6005200,500582西南林业大学学报第44卷续表1阻力类型阻力因子阻力值权重阻力类型阻力因子阻力值权重高程/m600,80070.112距离水域/m500,100070.070800,+o01000,+09坡度/)0,810.112距离铁路/m2000,+o010.0450,831500,2000315,2551000,1500525,357500,1000735,900,500距离国道/m2000,+8010.045距离高速公路/m2000,+0010.0451500,200031500,200031000,150051000,15005500,10007500,100070
21、,50090,50092.3.2生态廊道的提取物种的迁徙受多种阻力的影响,结合研究区生态环境特征,以Yu等 2 5-2 6 最小累积阻力模型(M CR)相关研究为依据,基于ArcGIS10.8中的成本路径工具,以构建的综合阻力面为基础计算生态斑块之间最小成本路径,得到潜在生态廊道。公式如下:MCR=fmZ(D,R.)(5)式中:f是模型与变量间的正函数关系;D;是生态流从i到i所消耗的空间距离;R,是加权阻力值。2.3.3生态廊道的分级重力模型又称为引力模型 2 7 ,该方法的关键在于能够将不同斑块之间的相互影响程度计量化,常被应用于空间相互作用的研究中。斑块之间的相互影响程度越高,表明斑块之
22、间联系越紧密,以此作为筛选相对重要廊道 2 8 的关键依据。重力模型的计算公式如下:N.N,LmaxlnV,lnV,F=GabD2LaP.P,ab(6)式中:F为重力模型式;Gab为生态斑块a与b间的相互作用力;Na、N,为斑块a和b的权重;Dab为与b之间潜在廊道阻力的标准化值;Pa、P,是斑块a、b 的阻力值;Va、Vb 是斑块a、b 的面积;Lab是斑块与b之间廊道的累加阻力值;Lmax是研究区内所有廊道累积的最大阻力值。2.3.4基于水文分析的生态廊道优化基于MCR与重力模型所提取的仅为斑块间的廊道,只能定量描述物种在斑块间的迁徙最大可能路径,而忽视了物种在斑块内部的运动路径,而通过水
23、文分析模型所提取辐射廊道 13 能够有效弥补前者的不足。水文分析模型(HY)常用于提取河流网络、划分流域等水文研究中 2 8-2 9 。本研究采用ArcGIS10.8中水文分析工具,提取综合阻力面的谷线,进而构成低阻力值网络,再通过河网分级工具中STRAHLER方法 15 识别潜在的辐射廊道。利用ArcGIS10.8的距离测算工具分析得到研究区累积耗费距离表面,以此为基础,结合研究区实际情况,利用填洼、流向、流量等工具,通过反复测试阈值,确定汇流累积的值,补充识别研究区的辐射廊道。结合研究区现状测试与相关研究 13,15 ,设定大于15 0 0 的阈值范围,得到物种迁移的低阻力线路,最终确定研
24、究区辐射廊道的分布位置。借鉴生态节点的相关研究 15 ,在最小耗费路径即生态廊道与辐射廊道的交叉处提取生态节点 2 9 3结果与分析3.1生态源地识别将二值化后的前景与背景数据导入Guid-osToolbox工具,分析得到MSPA分类(图1),计算后得出各景观类型的面积与占比数据(表2)。结果表明,前景要素中面积最大的为核心区(9 6 3.32 k m),景观类型占比为7 8.7 3%,景观类型主要以林地为主,其次为水体、草地等,最小的为环道(2 6.5 3km),仅占2.17%。从空间分布来看,核心区主要分布于莆田市北部戴云山余脉和西部林地。其中,北部核心区呈块状组团,整体连通性良好,包括瑞
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- 基于 MCR HY 模型 莆田市 生态 廊道 构建 优化
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