基于空间主成分分析和电路理论的嘉鱼县生态网络构建.pdf

2023 年 7 月第 36 卷第 4 期黑龙江生态工程职业学院学报Journal of Heilongjiang Vocational Institute of Ecological EngineeringJuly.2023Vol.36 No.4doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2023.04.04基于空间主成分分析和电路理论的嘉鱼县生态网络构建时雅宁 唐雅兰 杨佩 陈雨如 陆东芳(福建农林大学 风景园林与艺术学院,福建 福州 350002)摘 要:构建生态网络能够促进区域生物流动,改善城市生态环境,促进可持续发展。以嘉鱼县为研究对象,运用 MSPA 分析法、景观连通性提取生态源地,通过空间主成分分析法构建综合阻力面,基于电路理论提取生态廊道、生态夹点和障碍点,构建研究区生态网络。结果表明:共提取生态源地面积 230.33 km2(占研究区总面积的22.59%),生态廊道 30 条,生态夹点 23 个,障碍点 16 个。其中,面积较大的源地斑块多分布在水体区域,而中部和西南区域较为分散,生态廊道分布不均且跨度较大。在后期城市生态建设中,可结合生态夹点、障碍点的位置进行城市绿地增设和障碍区修复,提高研究区生态网络连通性,促进区域生物流动。关键词:MSPA;空间主成分分析;电路理论;生态网络中图分类号:TU 984.115 文献标识码:A 文章编号:1674-6341(2023)04-0018-06 Construction of Ecological Network in Jiayu County based on Spatial Principal Component Analysis and Circuit TheorySHI Ya-ning,TANG Ya-lan,YANG Pei,CHEN Yu-ru,LU Dong-fang(Fujian Agricultural and Forestry University,Fuzhou 350002,China)Abstract:The construction of ecological network can promote regional biological flow,improve urban ecological envi-ronment and promote sustainable development.Take Jiayu County as the research object,use MSPA analysis and landscape connectivity to extract ecological source,construct comprehensive resistance surface through spatial principal component a-nalysis,extract ecological corridor,ecological pinch points and obstacle points based on circuit theory,and constructs eco-logical network in the study area.The results show that:The total ecological source area extracted is 230.33 km2(account-ing for 22.59%of the total area of the study area),including 30 ecological corridors,23 ecological pinch points and 16 ob-stacle points.Among them,the source patches with large area are mostly distributed in the water area,while the central and southwest areas are relatively scattered,and the ecological corridors are unevenly distributed and have a large span.In the later stage of urban ecological construction,the location of ecological pinch points and obstacle points can be combined to add urban green space and repair obstacle areas,improve the connectivity of ecological network in the research area,and promote regional biological flow.Key words:MSPA;Spatial principal component analysis;Circuit theory;Ecological network 收稿日期:2023-04-07基金项目:福建省社科规划项目(FJ2022BF061);福建农林大学校级重点教改项目(115/111422128)。第一作者简介:时雅宁(1999),女,山东济南人,在读硕士研究生。研究方向:风景园林规划与设计研究。通信作者简介:陆东芳(1977),女,福建仙游人,副教授。研究方向:园林规划及植物修复研究。在高速城市化背景下,人们盲目追求社会经济效益,使得区域生态环境遭到严重破坏,导致生物栖息地不断减少、生态系统服务功能退化、生境斑块破碎化加重1。生态网络以景观生态学理论为支撑,通过生态廊道将生境斑块进行有机链接,在空间上形成连续的系统,能够有效缓解区域斑块破碎化问题2-4。随着生态文明建设的推进,人们逐渐重视生态环境保护,生态网络的建设也成为诸多学者的研究热点。目前,我国生态网络的识别大多沿用俞孔坚51999 年提出的生态安全格局构建方法,按照“源地廊道节点”模式构建生态网络。至今,已形成生态网络构建的基本模式:生态源地识别、综合阻力面构建、生态廊道构建。对于生态源地识别,不同研究者存在差异。李晖等6将风景名胜区、自然保护区和城市公园绿地直接作为生态源地,而汉瑞81英等7将研究区生境质量较好的生态斑块与各类自然保护地相结合共同识别太行山片区的生态源地。以上方法均忽略了土地利用的内部差异,存在一定主观性。MSPA 分析法从像元角度对区域栅格进行重新解译,能精确景观结构类型8,其结果更具客观性。综合阻力面构建的重点在于阻力因子的选择和权重的确定,通常选择土地利用、高程、坡度等作为单因子阻力面968,常采用专家打分法和层次分析法10778确定权重并进行加权叠加,其结果主观性较强,采用主成分分析法11-12确定权重能够弥补该缺陷。生态廊道众多研究均使用 MCR 模型13或电路理论14进行提取,而电路理论将电子移动模拟为生物流动,更符合生物迁移习惯15。近年来,由于过度养殖、围湖造田和污水排放等原因使得嘉鱼县生态环境遭到严重破坏。嘉鱼县作为武汉城市圈的重要组成部分,其生态环境受到政府和学者的关注,但关于嘉鱼县生态网络的研究不深入。因此,本研究采用 MSPA 分析法、景观连通性指数、空间主成分分析法和电路理论以客观构建嘉鱼县生态网络,对缓解区域生态环境问题具有重要意义,可为后续城市生态建设提供理论参考。1 研究区概况与数据来源1.1 研究区概况嘉鱼县(1133911422E,29483019N)隶属湖北省咸宁市,总面积 1 019.53 km2,属亚热带湿润型季风气候,四季分明且日照充足,全县年平均气温 17.0,年平均降水量 1 431 mm;地势自东南向西北倾斜,现有湖泊 16 处,总面积 123.67 km2;境内自然景观优美,有牛头山森林公园、仙人洞和三湖连江水库风景区等多处景观资源。1.2 基础数据来源研究采用的2020 年土地利用数据(分辨率30 m)来自 GlobeLand30;DEM 高程数据(分辨率 30 m)来自地理空间数据云(http:/ MOD13Q1 数据来源于LAADSDAAC 官方网站,该数据空间分辨率为 250 m;道路矢量数据以及水系数据来源于 OSM 开源地图;POI 数据来源于百度地图。2 研究方法2.1 生态阻力因子确定参考相关文献10779并结合嘉鱼县实际情况,选取土地利用类型、高程、坡度等 8 个因子作为研究区生态阻力因子。其中距道路、水体、建设用地和居民点距离通过建立多环缓冲区设定不同指标166 623。借助 Arcgis10.7 当中的重分类工具对各指标进行阻力赋值,得到研究区单因子阻力栅格(见图 1),赋值情况见表 1。图 1 嘉鱼县单因子阻力面91表 1嘉鱼县生态阻力因子及赋值情况阻力因子阻力等级13579土地利用类型林地水体草地耕地建设用地高程/m200坡度/25NDVI0.80.60.80.40.60.20.42 0001 5002 0001 0001 5005001 000500距水体距离/m2 000距建设用地距离/m3 0002 0003 0001 0002 0005001 0001 0008001 0006008004006000.2的区域作为生态源地斑块18。2.4 基于电路理论的生态廊道构建在电路理论中,景观阻力面作为导电表面,物种的随机运动被视为模拟生物运动过程的电子19230。电流空间分布可预测物种运动的可能性,而电流值高的区域则视为生态廊道的组成部分20。研究借助 Linkage Mapper 当中的 Build Network and Map Linkages 模块,输入生态源地以及综合阻力面栅格,将距离阈值设为1 000 m,选择“Pairwise”成对模式进行廊道提取21。2.5 基于电路理论的生态夹点、障碍点识别电路理论中,累计电流值最高的区域为生态夹点,这些区域表示生物通过的可能性较大或不可替代970。因此,生态夹点应当作为研究区重点保护区域。本研究采用 Pinchpoint Mapper 模块识别生态夹点。生物在源地间移动时受到阻碍的区域为障碍点19233。修复障碍点对于提高区域整体斑块连通性、增强生物流动具有重要意义。本研究采用 Bar-rier Mapper 模块识别障碍点。3 结果与分析3.1 嘉鱼县生态阻力评价嘉鱼县各生态阻力因子特征值及其累积贡献率如表 2 所示。其中前 6 个主成分的累积贡献率超过 98%,能够反映嘉鱼县生态阻力格局情况,因此选取前 6 个主成分对其阻力因子权重进行计算。通过分析各主成分所对应的生态阻力因子载荷见表3。由表 3 可知:距道路距离在第 1 个和第 2 个主成分中荷载较大;土地利用在第 3 个主成分中荷载较大;距建设用地距离在第 4 个主成分中荷载较大;土地利用、NDVI 在第 5 和第 6 个主成分当中荷载较大。综合考虑各主成分的荷载,可将研究区生态阻力因子概括为交通因子、自然因子和人类活动因子。通过相关数理运算得到各阻力因子权重,借助栅格计算器进行加权叠加得到嘉鱼县生态综合阻力面,结果见图 2。该结果与研究区实际情况相符。研究区城市路网相对密集,容易割裂、破环自然生境;城市绿地分散,自然资源连续性较差。近年来城镇发展较快,自然用地被侵占,加重了研究区生态环境的破坏。通过嘉鱼县生态综合阻力面可以看出,阻力高值区域多为受人为干扰严重的地段,如武深高速、蕲嘉高速两侧及城市建成区,而在城市边缘多为水体,且自然环境相对良好,因此阻力值较低。02 表 2生态阻力主成分特征值及其累积贡献率主成分特征值贡献率/%累积贡献率/%主成分特征值贡献率/%累积贡献率/%15.107 0243.044 743.044 750.790 466.662 494.216 122.892 7124.381 367.426 060.507 454.277 098.493 231.317 2111.102 178.528 170.140 521.184 499.677 541.070 849.025 687.553 780.038 260.322 5100 表 3生态阻力荷载矩阵阻力因子主成分12345678权重高程0.015 17-0.043 81-0.032 350.012 14-0.048 33-0.028 630.621 520.779 240.019坡度0.006 11-0.031 50-0.027 920.012 33-0.048 25-0.027 710.776 26-0.626 390.016土地利用0.345 84-0.049 300.658 71-0.171 780.618 820.162 440.071 970.007 450.139NDVI-0.220 710.242 11-0.342 560.590 830.599 140.255 810.042 190.007 390.140距水体距离0.598 80-0.672 73-0.345 010.249 780.058 93-0.013 33-0.059 18-0.017 320.229距道路距离0.624 880.643 09-0.358 82-0.256 330.001 680.035 450.015 460.002 160.230距建设用地距离0.278 320.224 760.434 640.656 21-0.466 190.187 26-0.009 610.000 670.150距居民点距离0.070 120.139 270.101 140.249 810.180 62-0.932 78-0.018 53-0.001 520.076图 2 嘉鱼县综合阻力面3.2 生态源地识别基于 MSPA 分析的识别结果见图 3。其中提取的核心区面积约为 257.85 km2,占研究区总面积的25.29%。核心区较大的斑块主要位于长江流域、斧头湖和西凉湖,其中研究区中部和西南区域核心区斑块破碎较为严重。通过筛选,选取 15 个斑块作为研究区生态源地(见表 4),源地分布见图 4。分析认为,嘉鱼县生态源地分布较为分散,北部和东部区域源地斑块较大,其中 8 号源地面积最大,约占研究区生态源地总面积的一半,且 dPC 指数最高,应当重点保护。而中部以及西南区域源地破碎,连通性较差,不利于生物迁移,应当增加源地建设。图 3 嘉鱼县 MSPA 类型空间格局图 4 嘉鱼县生态源地分布图12 表 4生态源地连通性指数及面积统计表源地编号面积/km2dPC8114.389 74482.328 530109.394 10212.874 43040.987 37712.745 6301338.197 4737.882 478116.291 0327.266 490539.176 3047.205 5701411.736 6565.842 02030.817 7890.938 73920.663 1880.826 52361.880 1450.409 59610.319 0890.380 853120.780 6670.371 97290.389 4580.286 51770.282 6590.227 791155.019 3730.213 3223.3 生态廊道构建通过 Linkage Mapper 对嘉鱼县生态廊道进行提取,结果见图5。廊道宽度设置为1 000 m,共提取生态廊道 30 条,总长度约 108.65 km。从图 5 可以看出,研究区生态廊道主要集中在三湖连江水库、蜜泉湖、西凉湖和长江之间,这些区域斑块分布较为密集,因此廊道密度相对较高。嘉鱼县边缘区域源地斑块较大,但斑块间距离较远,导致生态廊道跨度较大,不利于生物迁移。在长江与斧头湖间仅有一条廊道连接,后期应加强该区域的源地建设,提高廊道连通性。图 5 嘉鱼县生态源地与生态廊道构建图3.4 生态网络构建利用 Pinchpoint Mapper 识别的生态夹点共计 23个。夹点在研究区东部以及西南部分布较少,而中部较为密集,主要包括“三湖一江”区域。表明该区域源地间生态流动频率较高,是生物迁移的重要区域,但该区域位于城市建成区,易受到人为活动的影响,应进行重点保护。利用 Barrier Mapper 识别障碍点共计 16 个。经过叠加研究区土地利用数据后发现,障碍点多分布在城市建设用地和耕地处。因此,在后期的城市生态建设当中,应在障碍点增设城市绿地,开展退耕还林工作,增强区域生态源地的连续性。将生态源地、生态廊道、生态夹点和障碍点进行空间叠加,得到研究区生态网络见图 6。由图 6 可知,生态夹点和障碍点有 4 处重叠,分别位于李家湾、石矶头村、高铁岭镇和三湖桥以东。这些生态关键点的修复和保护对于提升嘉鱼县生态网络连通性具有重要意义。图 6 嘉鱼县生态网络4 结论与讨论本研究以咸宁市嘉鱼县为研究对象,通过 MSPA和景观连通性指数提取生态源地,以高程、坡度、NDVI等 8 个指标作为研究区生态阻力因子,结合空间主成分分析法构建嘉鱼县生态综合阻力面,基于电路理论,借助 Linkage Mapper 工具识别生态廊道、生态夹点和障碍点,共同组成嘉鱼县生态网络。结果表明:(1)通过 MSPA 识别出嘉鱼县 7 种景观类型,其中核心区面积约为 257.85 km2,占研究区总面积的25.29%,景观整体性较弱;综合斑块面积和 dPC 指数筛选出 15 个生态源地,主要分布在北部和东部;而中部和西南区域生态源地较为破碎,空间分布不均,整体连通性较差。(2)运用 Linkage Mapper 工具共提取生态廊道30 条。中部廊道密度高于周边区域,由于源地斑块间距离较远,使得生态廊道跨度较大,且东部和西部的生态廊道较为缺乏,急需在该区域增设生态源地,增强生态网络的稳定性。通过 Pinchpoint Mapper 和Barrier Mapper 模块共识别生态夹点 23 个、障碍点 16个,两者在空间上有 4 处重合。结合研究区土地利用22类型后发现 3 处位于耕地,1 处位于城市建设用地。这些生态节点可用于构建踏脚石,对于提高生态网络的整体连通性具有重要意义。(3)针对研究区的生态问题,在后期城市生态建设当中,对于面积较大的生态斑块应当重点保护,加强水生态修复,强化生态环境治理,形成生态保护带,防止人为破坏。在源地分散和空白区域可结合生态夹点、障碍点的位置增设城市绿地,优先修复障碍区,增强各源地斑块间的连通性。同时,应大力实施退耕还林、还湖政策,提高研究区生态网络稳定性和城市植被覆盖度,促进区域生物流动。本研究基于空间主成分分析法构建嘉鱼县生态阻力面,其结果更具有客观性。通过研究发现:影响嘉鱼县生态阻力的因子主要包括交通因子、自然因子和人类活动因子,且其空间分布也与实际情况相符,说明基于空间主成分分析构建生态阻力面能够较好表现研究区生态阻力情况。本研究还存在以下不足:(1)由于数据可获取性方面的原因,本研究没有统一研究区基础数据的分辨率,在后期数据构建方面可能存在一定偏差;(2)MSPA 分析法对研究尺度较敏感,不同栅格大小会影响其最终分析结果,研究选取 30 m 栅格大小是否合理还需进一步验证;(3)本研究在景观连通性分析过程中,通过参考前人研究将距离阈值设为 1 000 m,连通概率设为 0.5,该数值的适宜性在未来应需深入探讨。参考文献:1杨畅.生境质量时空变化与生态安全格局构建研究D.武汉:华中师范大学,2021.2姚采云,安睿,窦超,等.基于 MSPA 与 MCR 模型的三峡库区林地生态网络构建与评价研究J.长江流域资源与环境,2022,31(9):1 953-1 962.3蒋若琳,龚本海,王艺锦,等.基于 MSPA 与 MCR的崇左市生态网络构建与优化J.江西农业学报,2022,34(7):122-129.4沈钦炜,林美玲,莫惠萍,等.佛山市生态网络构建及优化J.应用生态学报,2021,32(9):3 288-3 298.5俞孔坚.生物保护的景观生态安全格局J.生态学报,1999(1):10-17.6李晖,易娜,姚文璟,等.基于景观安全格局的香格里拉县生态用地规划J.生态学报,2011,31(20):5 928-5 936.7汉瑞英,赵志平,肖能文.生物多样性保护优先区生态网络构建与优化:以太行山片区为例J.西北林学院学报,2021,36(2):61-67.8廖剑威,闫淑君,叶佳伟,等.基于 MSPA-Linkage Mapper 的福州滨海长乐区生态网络构建与优化J/OL.西北林学院学报:1-112023-03-12.9倪庆琳,丁忠义,侯湖平,等.基于电路理论的生态格局识别与保护研究:以宁武县为例J.干旱区资源与环境,2019,33(5):67-73.10姚新治,杨航,王立涛,等.基于 MSPA 模型的登封市生态网络构建与优化J.河南科学,2022,40(5):776-784.11潘竟虎,刘晓.基于空间主成分和最小累积阻力模型的内陆河景观生态安全评价与格局优化:以张掖市甘州区为例J.应用生态学报,2015,26(10):3 126-3 136.12李航鹤,马腾辉,王坤,等.基于最小累积阻力模型(MCR)和空间主成分分析法(SPCA)的沛县北部生态安全格局构建研究J.生态与农村环境学报,2020,36(8):1 036-1 045.13代继平,朱坤,周天宇,等.基于 MSPA 和 MCR模型的曲靖中心城市生态网络优化研究J.西北林学院学报,2022,37(6):250-257.4张美丽,齐跃普,张利,等.基于 Linkage Mapper 与粒度反推法的太行山中北段生态节点识别与分析:以河北省阜平县为例J.生态与农村环境学报,2020,36(12):1 569-1 578.15丁徽.基于 MSPA 与电路理论的鹰潭市土地生态网络识别与优化 D.南昌:江西农业大学,2021.16范春苗,王志泰,汤娜,等.基于形态学空间格局和空间主成分的贵阳市中心城区生态网络构建J.生态学报,2022,42(16):6 620-6 632.17费文君,赵梦琴.基于 MSPA 的南京市绿色基础设施网络构建J.南京林业大学学报(自然科学版),2022,46(3):50-56.18张亚丽,尹伟特,胡希军,等.基于 MSPA 与 MCR 模型的资源节约型生态网络构建:以福建省东山岛为例J.西北林学院学报,2021,36(5):254-261.19李瑶,李久林,储金龙.基于电路理论的金寨县生态安全格局构建J.生态科学,2022,41(2):227-236.20黄九明.基于电路理论的济南市生态安全格局构建研究D.北京:中国地质大学,2020.21杜雨阳,王征强,于庆和,等.基于生境质量模型和电路理论的区域生态安全格局构建:以秦岭(陕西段)为例J.农业资源与环境学报,2022,39(5):1 069-1 078.责任编辑:富春凯32