北京丰台区城市生物多样性保护的绿地网络构建新方法

摘要：城市化进程和人口增长导致生物栖息地的破碎化和生物多样性的丧失，利用有效的模型和指标来评估景观连接度并用以构建绿地网络对于栖息地恢复和生物多样性保护具有重大意义。以北京市丰台区为例，选用基于图论的连接度指数探讨最优距离阈值，利用最小成本路径模型构建阻力面，并引入电路模型量化源地斑块与廊道的相对重要程度，识别「夹点」地区。结果表明，研究区域西部生态基底良好，而中东部破碎化严重，需增加「垫脚石」绿地。本研究弥补了城市绿地网络构建在生物多样性保护层面的欠缺，为区域绿地格局优化提供科学参考。

关键词：生物多样性保护；景观连接度；绿地网络；电路理论；丰台区；夹点识别

1 概述

生物多样性保护是城市绿地提供的一项重要生态系统服务功能[1]，尤其在高强度建设、人类活动频繁的中心城区，生态系统退化和景观破碎化严重阻碍了生物迁徙，导致生物多样性显著下降[2]。此外，城市绿地通常受到不同程度的人为干预，其景观组成的複杂性决定了其动态过程和机理与自然生态系统迥然不同[3]，这是中心城区绿地区别于乡村地区以及自然生态空间的显著特徵。

这使得专注于物种本身的、以遗传多样性与物种多样性为切入点的传统保护措施在複杂的城市环境中难以发挥良好的效益，而风景园林视角下的生物多样性保护强调对物种生存环境的保护，通过景观生态规划实现局部或整体城市绿地生境保护是行之有效的生物多样性保护途径[4]。

这种途径重视人为干扰下景观格局的改变对生物迁徙活动影响，并在景观生态学的深入研究下，逐渐从单独的栖息地保护向绿地网络过渡。因此，如何构建合理的绿地网络、保护生物多样性以提供多样的生态系统服务成为城市景观生态研究的重要议题。完善的绿地网络构建方法不仅需要考虑土地空间格局和景观破碎化之间的相互作用，而且还要考虑有利于物种生存繁殖与迁徙以及支持生物栖息环境优先保护等策略的制定[5]。

提高种群迁徙和栖息地之间的连接度对于更大范围的生态过程非常重要，是生物多样性保护规划的重要研究基础与评测指标[6-8]，许多研究以生境质量指数作为指标，直接应用在生物多样性的评价中，忽略了栖息地连接度和生物多样性之间的内在联繫[9]。理解、保护和恢复複杂环境中的景观生态连接需要可靠、高效并基于过程的连接模型和度量方法。景观连接通常划分为结构性连接和功能性连接[10]。

1.1 结构性连接：图论与距离阈值

1）结构性连接强调斑块形状与结构对生物迁徙的影响，例如廊道宽度、斑块间距离等。结构性连接在绿地网络格局构建与优化应用中体现出较强的实用性[11]，其测量相对简单，已有研究通过各种度量指数量化其连接程度，如 Fragstats 软件，凭藉其快速简便的操作已广泛应用在多种生态系统中。但是，现有景观指数的数量与类型众多，部分指数的表徵结果含义存在一定的重迭，评价指数选择的合理性直接影响了评价结果的准确性[12]。此外，大部分指数不能准确地解释生态系统的生态过程与功能[13]。

事实上，城市环境的複杂性和高度异质性使得结构性连接的研究存在一定困难[14]，例如绿地的形状以及廊道的宽度难以达到满足最优结构的阈值要求。然而，斑块距离作为影响结构连通性的重要因素，可以有效指导城市绿地规划半径与建设范围以满足物种活动需求。基于图论的景观连接度的量化方法，引入距离阈值这一重要参数，可判断区域内绿地斑块之间生态流的存在和强弱[15]，弥补了传统景观指数计算中忽视生态过程对景观格局响应的缺陷。

1.2 功能性连接：最小成本路径与电路理论

2）功能性连接更多考虑物种或种群具体需求和行为，是探讨物种和景观要素之间有机联繫的重要指标[16]。功能性连接在保障城市生态过程完整性与连续性方面具有较高的可操作性[17]，对于动植物物种的生存和繁殖非常重要。其测量以最小成本路径模型为代表，假设可以根据可促进或阻碍物种迁移的景观矩阵特徵来估计斑块之间的连接程度[18]，但该方法假设物种的运动被限制在一个单一的最优路径下，很难准确模拟区域的物种迁徙与能量流动，且无法识别迁徙路径中的关键夹点位置，难以有效提升廊道连通性。

近年来，基于图论的连接度模型[17,19]和网络分析法[20]能够耦合结构性连接和功能性连接，从而提高了连通性测量的准确度，但网络分析法需要的大量观测材料与物种数据通常难以获取，而且物种迁徙具有很大的游走随机性，仅根据代表性物种的迁徙规律来模拟最佳的潜在廊道具有一定的局限，存在不能被其他物种利用的可能性[21]。

因此，一些学者开始尝试和探索新的理论方法和模型，如电路模型，来弥补现有研究存在的缺陷。McRae 最早将物理学中的电路理论引入到景观生态学中[22]，该模型被证明可以用于预测异质景观中基因流的模式，并基于简单的景观数据，预测种群之间的扩散率，以便将元种群模型参数化，在生态安全格局构建[23]、生物多样性保护规划[24]、景观遗传学[25]领域都有所应用，也在以生物多样性保护为导向的城市绿地格局优化方面取得了一定的成效[26-29]。其模拟并非只针对某个物种的扩散做出反应，而是对几个具有相似扩散能力或栖息地要求的物种扩散做出反应。

儘管这种模拟由于涉及大量物种迁徙过程致使结果有一定程度的不适宜性，但其高效的算法可以快速处理包含数百万个节点或栅格单元的网络，尤其针对複杂的城市环境，在预测随机游走物种的运动模式、成功迁徙或死亡的概率、栖息地斑块的识别、种群或保护区的连接度测量方面具有不可替代的优势。同时，它还能够识别重要的连接元素并用于保护规划，在缺乏绝对种群规模、迁移率等数据的情况下进行廊道构建时具有较高的准确性[22]。

1.3 研究路径与目标

本研究以北京市丰台区为研究区域，採用基于图论的连接度量化方法分析不同斑块距离下的绿地结构特徵，探讨满足生物迁徙需求的最优绿地建设距离；利用最小成本路径模型构建阻力面，採用 linkageMapper 工具确定物种迁徙的潜在连接路径；引入物理学中的电路模型，通过电流密度量化斑块与连接路径对整体绿地格局连通性的贡献程度，并识别对物种迁徙有重要影响的夹点区域，提升绿地网络的整体连通性。

将模型模拟结果与鸟类丰度的经验观测结果进行比较，以探讨该方法对观测到的生境适宜性的解释能力，加深对城市景观形态和生态功能之间关係的理解。该研究结果能够为城市生物多样性保护、生物生境优先保护策略制定以及城市绿地规划提供一定的科学依据。