韩依纹

张謦文

张诗宁

殷利华*

快速城市化进程中大规模的土地开发导致自然生境锐减，是城市生态系统退化和生物多样性缺失的主要动因[1-2]。现今城市中留存的生境斑块可作为核心物种库，对其保护及优化是实现生物多样性保护的重要途径。生境(Habitat/Biotope)，又称“栖息地”，其内涵主要在“特定生物指向的”和“以土地为基础的”2个方向展开诠释[3-4]。通常“生境”指一个包含特定资源和环境条件的区域，是某一种或多种物种完成生命活动所必需的环境[5-6]；随着快速城市化发展，“生境”的第二种用法日渐普遍，用于指代相似植被或土地覆盖的区域，例如“生境类型”(habitat types)即是出于该种用法的定义。区域的生物多样性支持能力可通过生境质量评估反映，代表某一时间和空间内生态系统对个体和种群发展的适宜程度[7]。当前针对生境质量评估的研究已涉及多个尺度，在多样化的生态系统中进行模型模拟[8-10]。

生境质量退化的主要动因可归咎于生境格局的转换(即“生境的景观格局”)，从而引起区域内部动植物群落发生本质性的变化[11]。通过优化生境格局促进物种在不同生境之间的物质、能量和信息交流，遏制生境破碎化影响，可作为提高区域的生境质量、优化生物多样性支持能力的途径。然而，针对生境格局优化模拟或生境质量指数模拟的研究通常分别开展，忽视了两者结合的联动效应。生境类型的识别是景观格局和生境质量评估的基础，对数据来源及其精度依赖性较大。国际上部分地区已完成了政府主导的生境制图(Biotope Mapping)工作，如德国[12]、英国[13]、韩国[14]等，具有分类较统一、精度较高等特点。鉴于高精度数据及实地考察数据较难获取，现有研究多利用基于粗精度遥感图像解译的土地覆被/利用数据，较适用于大尺度研究区域的生境特征评估，中小尺度研究区域的相关研究鲜有开展。随着近年来数据的可获取性增强，进行中小尺度场地的生境识别及其生境质量评估可为生物多样性保护、景观规划等相关政策制定提供参考和依据。我国已有部分学者尝试开展生境识别与制图的探索[15-16]，但是尚未有官方的识别路径和生境空间数据平台发布。

当前国土空间规划背景下生态空间的保护、修复面临着新一轮的挑战，其中，以国家公园为主体的自然保护地体系是生态空间的主要组成部分，被归类于“自然公园”的风景名胜区(以下简称“风景区”)是受人类活动影响较大的保护地类型，鉴于邻近威胁源复杂、生态系统的稳定性较大地依赖于人工保护和修复措施，有必要对其生物多样性支持能力进行提升。综上，本文选取武汉市的典型生态源地东湖风景区为例证区域[17]，旨在探究以生境格局优化为媒介的生境质量提升路径，进而对我国的生境评估与城市生物多样性保护实践提供理论支持。研究包含以下三部分内容：1)基于多源数据的武汉市东湖风景区生境类型识别；2)运用MSPA模型和最小累积阻力模型的东湖风景区生境格局优化模拟；3)通过InVEST模型评估生境质量对生境格局优化的响应。

1 研究方法

1.1 研究区域

东湖是亚洲地区最大的城中湖，位于湖北省武汉市中心城区。东湖风景区是首批国家重点风景名胜区、国家5A级旅游景区。近年来，伴随着周边土地开发扩张及景区建设，区内土地破碎化现象明显，大量原生生境被城市建设用地取代，对其生态本底及周边环境产生诸多不利影响, 本研究选取其西部风景区域(约65km2)为评估区域开展研究(图1)。东湖风景区属亚热带湿润气候，降水丰富，四季分明，年平均气温为16.7℃，年平均降水量为1 191.6mm。东湖为长江壅塞湖，通过青山港与长江连接，水域面积达32.5km2，平均水深3m，最深5m，常水位19.59～20.07m。区内生物多样性丰富：植物共计72科173属396种(其中乔木137种)，以壳斗科和樟科常绿阔叶树种为主；鸟类众多，含省级保护鸟类10种、二级保护鸟类9种、濒危鸟类2种；水生动物种类丰富，湖中共有鱼类39种。

图1 东湖风景区区位与研究范围

1.2 数据来源与预处理

本研究基于2017年快鸟(Quick Bird)高精度遥感数据(0.8m×0.8m)结合多源数据类型识别东湖风景区的生境类型(表1)。数据的预处理包含如下2个阶段：收集查阅东湖风景区的相关资料和文献，参照《武汉东湖风景名胜区总体规划修编(2011—2025)》的植被类型描述，运用ENVI遥感工具中面向对象的图像分类方式对0.8m快鸟高精度遥感数据进行解译并识别生境类型信息，由此得到景区生境类型初步判定结果；结合最新的2020年线上高精度遥感影像和生境类型实地调研结果[18-19]，在ArcGIS平台上对生境类型初步判定结果进行纠正和校对，建构起包含有6个一级类型、19个二级类型的生境空间数据库(表2)，作为后续生境格局优化和生境质量估算的基础数据。

表1 研究数据说明

表2 研究区域生境类型及说明

1.3 生境格局优化模拟

运用MSPA(Morphological Spatial Pattern Analysis)模型识别出区内的核心区、桥接区、孤岛、边缘、穿孔、环、分支共7种格局类型。模拟过程中将林地、草地、农田作为前景，开放水域、未利用地、建设用地作为背景随后导入Guidos软件。鉴于动物迁移特点与多样性保护需求，边缘宽度设置为30m[20]。随后选取斑块重要度大于0.1的核心区斑块作为生态源地。其中，斑块连通距离阈值设置为500m，连通的概率设置为0.5，具体运算方式详见许峰等的研究[21]。根据研究区内地形地貌与各类地物对动物迁移的影响，从生境类型、地貌因子、道路因子、人类活动干扰4个方面构建生态阻力面(表3)。

表3 生态阻力面构建参数[22-26]

运用最小累积阻力模型(Minimal Cumulative Resistance Mode，MCR)识别生境斑块间的廊道。根据不同宽度生态廊道功能特点和研究区域特征[20]，选取30m作为本研究生态廊道的宽度。随后基于优化结果，采取“复绿”“增绿”“完善”3种措施修复研究区域生境类型，最终识别出生态廊道(表4)。

表4 生境格局修复方式说明

1.4 生境质量优化模拟

InVEST模型的生境质量模块(Habitat Quality Module)常用于对区域生境质量的量化评价[27]。生境质量指数越接近1，则认为该生境对生物多样性的支持能力越强，计算公式如下[7，27]：

式中，Qxj是某种生境类型j中栅格x的生境质量；Hj是某种生境类型j的生境适宜性；k是半饱和常数；z是模型默认常数，通常设置为2.5；Dxj是某种生境类型j中栅格的生境胁迫水平，具体公式如下：

式中，R是胁迫因子数量；Yr是胁迫因子的栅格单元总数；ωr是权重，取值范围为0～1；ry是栅格单元上的胁迫因子个数；βx是栅格x的可达性水平，其值越接近1，则可达性越高；Sjr是景观j对胁迫因子的敏感性，其值越接近1，则生境对胁迫因子的敏感性越大；irxy是胁迫因子的影响距离，有线性和指数衰退2种情况，具体公式如下:

式中，dxy是栅格x与y间的直线距离；drmax是威胁因子r的最大作用距离。

本研究将城乡居民点、工业用地、游览设施用地、道路交通用地5类人类活动较强的类型确定为生境威胁因子，并参考前人研究设置威胁因子的敏感度参数(sensitivity of land cover types to each threat)和退化源可达性(accessibility to sources of degradation)，具体参数详见表5、6。运算得出生境质量赋值栅格，在此基础上，以19个生境类型作为综合单元分析尺度，运用Zonal Statistic统计方法确定生境单元值，对比生境格局优化前后生境质量的响应结果。

表5 威胁因子权重[7，10，28]

2 研究结果

2.1 东湖风景区生境类型

武汉东湖风景区共识别出19种生境类型(图2A)。首先，滩涂和东湖主体水域的面积分别为1 734.48(26.42%)和1 579.25hm2(24.06%)，是区域内主导生境类型。其次，东湖风景区拥有较大面积林地生境，尤以针阔混交林与常绿阔叶混交林为主，分别占林地面积的9.58%(628.70hm2)和7.11%(467.17hm2)。

景区局部区域仍不可避免地受到城市开发建设的影响，内部居住用地的面积高达254.61hm2(3.88%)，主要集中分布在东湖西北部(华侨城)、西南部(中国地质大学)和东北部(武汉科技大学)一带；位于东北部的大型游赏设施、东南角连片分布的产业园区亦作为东湖风景区内部自然生境的主要威胁源。此外，景区内保留有200.72hm2(3.06%)以 “景中村”为代表的农村居民点，主要位于区域东部、南部磨山和马鞍山苗圃附近。这些建设规模较大、人口密度较高的“景中村”及其周边的农田、坑塘等人工度较高的生境区域，对于东湖风景区生境保护产生了一定的负面影响。

2.2 生境格局优化

基于MPSA和MCR模型在东湖风景区内共识别生态源地43个、生态廊道105条(图2B)。其中，生态源地主要位于磨山、南望山、喻家山、马鞍山一带，总面积为1 053.79hm2，约占总面积的16.05%；生态廊道包括水上廊道、陆上廊道、水陆混合廊道3种类型，总长度为87.24km。生态廊道的优化措施因类型而异。跨越东湖水域的水上廊道主要通过减少游赏设施与道路交通用地、增加以行道树为代表的其他林地等方式进行优化，湖中岛、洲等充当生物迁移的踏脚石。陆上廊道大多穿过南部农村居民点、农田、坑塘及以苗圃为代表的其他林地，主要通过将其部分区域转化成为与周边生境相同的针阔叶混交林、常绿落叶阔叶林等类型进行优化，对于少部分被道路交通用地阻隔的陆上廊道则通过增种行道树的方式优化。水陆混合廊道主要位于湖湾、湖汊处，多由各类林地、农田、滩涂、东湖主体水域等生境类型构成，一些滨湖道路交通与游赏设施用地对其造成阻隔，主要优化方式为增种行道树与移除部分游赏设施。

图2 生境类型分布与生境格局分析结果(A 东湖风景区生境类型空间分布；B 生境格局分析结果)

生境格局优化前后多个生境面积产生相应变化(图3、4)。其中，农田面积减少最多，为96.51hm2；坑塘次之，面积减少为9.81hm2；农村居民点减少了5.72hm2，反映出农村居民点及其附属生产型用地的转型对东湖风景区的生境格局优化具有明显影响。林地面积共增加13.98hm2，其中，针阔叶混交林、常绿落叶阔叶混交林和常绿阔叶林面积增长尤为明显，分别为82.34、30.29、23.44hm2，所增加的林地面积与东湖风景区原有主导植被类型特征基本相符。

图3 优化前后面积对比

图4 各类生境面积变化

2.3 生境质量优化

为清晰阐述和比较优化前后生境质量的变化，将东湖风景区生境质量分为高质量生境(0.85～1.00)、中高质量生境(0.75～0.85)、中质量生境(0.40～0.75)、中低质量生境(0.20～0.40)、低质量生境(0～0.20)5个区间(图5)。当前区内高质量生境主要分布在南部的喻家山、南望山、磨山、森林公园等林地及郭郑湖、后湖等东湖主体水域的中心区域，占研究区域总面积的46.26%(3 036.87hm2)，这些生境离城市建设用地相对较远，生境斑块较为完整，因此保持了较高的生境质量；低度生境主要分布于东湖风景区边缘地带、南部中国地质大学及其周边区域、磨山社区、桥梁社区、马鞍山苗圃与东南角的花木城一带，占研究区域总面积的12.87%(845.96hm2)，这些生境受人类活动干扰较大，主要是来自城镇和农村居民点的影响，东南角花木城一带的连片产业园区也对周边生境造成严重威胁，导致了生境质量的降低。

图5 东湖风景区生境质量空间分布(A 优化前生境质量空间分布，B 优化后生境质量空间分布)

对生境格局优化前后的生境质量栅格值统计后得出生境单元值，结果显示，东湖风景区生境单元值总体提高了1.33%。南部“景中村”区域的生境质量提高最为明显，这与农村居民点中农田、坑塘的复绿和增绿有关。生境格局优化后，高度生境面积占比从30.37%增加到32.02%，中低生境和低度生境面积占比从优化前的8.45%和3.80%下降到优化后的8.17%和2.84%(图6)，由此可见，区内生境质量得到部分改善。

图6 优化前后各生境质量等级面积变化

3 结论与讨论

3.1 结论

生物多样性支持能力是诸多生态系统服务功能供给的基础。本研究基于高精度遥感数据与影像，将MSPA+MCR格局优化模型结合InVEST模型探究了武汉市东湖风景区的生境质量优化途径，识别出19种生境类型，以及潜在可构建生态廊道105条，包括跨越东湖湖面的水上廊道、集中分布于场地南部的陆上廊道和穿越湖湾湖汊的水陆混合廊道，通过采用“复绿”“增绿”“完善”3种修复措施，在东湖风景区可进行用途转变的土地有限的背景下，模拟优化后的高质量生境面积仍增加了165.16hm2，生境单元值总体提高了1.33%。

3.2 讨论

人类活动导致生态系统功能及其带给人类福祉的改变，进而引起全球范围内生物多样性丧失、生态系统服务退化的恶性循环。我国市县域范围内散布的风景区是重要的生态源地，鉴于其邻近威胁源的复杂性，有必要对其生境质量进行评估与优化。本研究以武汉东湖风景区为例，得出以下2点启示。

首先，基于高精度数据的生境格局优化对区域生物多样性保护具有积极影响。本文所探究的东湖风景区位于武汉市中心城区，具有典型的人工与自然相结合的生态系统特征。2017年完成的《武汉东湖生态旅游风景区保护与发展“十三五”规划(2016—2020)》中提出“加快推进景中村改造”“退养还林”等实施策略，但至今仍未完全实施。研究结果证实了通过生境格局优化可增加高质量的生境面积，也揭示出区内的“景中村”改造工作是东湖生态绿心建设的重要基础，对提升景区环境品质有重要意义。同时，基于“生境类型识别-生境格局优化-生境质量提升”模拟的技术路线对相似区域的生境优化具有可行性，可指点中小尺度场地的精细化生态修复策略，对未来相关区域的规划给予研究支持和借鉴。通过定量化的技术手段了解区域的生态本底，推动完成官方的生境识别工作，同时，保护高质量生境、优化中低质量生境是权衡风景区中游憩需求和生物多样性保护的有效途径。

其次，将生物多样性保护导向的生境特征评估路径引入国土生态空间规划内容。在我国不断促进自然资源统一管理的国家战略背景下，已从过去单一要素的保护修复转变为以多要素构成的国土空间生态修复。正在建立的以国家公园为主体的自然保护地体系是国土生态空间的主要组成部分，诸多保护地概念中，只有风景区是从我国上古时代开始、由中央和地方公认、并连续4 000余年历史不断的名山大川体系[30]。风景区作为城市生态系统中自然生境留存较多的区域，其生境质量的变化揭示着生物多样性变化情况。同时，基于“一张底图”的自上而下的定量化模式取代了传统以定性为主的规划方法，而当前国土范围内生物多样性和生态系统服务功能的评估由于空间化数据较难获取、时空尺度衔接不足、模型参数和评估指标较难统一等问题，其量化评估阻碍重重，因此，解决上述一系列问题是保护生态空间生物多样性的必要途径。

表6 生境适宜度及生境威胁因子的敏感度[7，9，28-29]

本研究仍有一定不足之处。首先，格局优化模拟出的生态廊道基于图论原理而得出，具体的生态修复策略应结合动物物种迁徙的实际特征开展；此外，尽管InVEST中的生境质量模型的多数参数设置已经达成一定共识，但在具体的场地应用中仍需要实地监测数据加以验证，本研究结合东湖风景区实际情况进行了适当调整，或有不够精准之处，有待后续进一步完善。

注：文中图片均由作者绘制。