黃 鑫，曹學(xué)章，張 明，鄒 嫻

(1.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；3.南京信息工程大學(xué)遙感與測繪工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

景觀格局是指各種生態(tài)過程在不同尺度作用下的景觀異質(zhì)性在空間上的綜合表現(xiàn)。FORMAN[1]最早系統(tǒng)總結(jié)并提出景觀格局的優(yōu)化方案。俞孔堅(jiān)[2]在此基礎(chǔ)上首次提出了景觀生態(tài)安全格局理論，認(rèn)為景觀生態(tài)安全格局是景觀中存在的某種潛在的空間格局，由景觀中的某些關(guān)鍵的局部、點(diǎn)和空間關(guān)系所構(gòu)成，一個(gè)典型的安全格局包含源、緩沖區(qū)、源間聯(lián)接、輻射道和戰(zhàn)略點(diǎn)；景觀生態(tài)安全格局識(shí)別的步驟包括確定源、建立阻力面、根據(jù)阻力面判別安全格局。隨后景觀生態(tài)安全格局研究逐漸成為熱點(diǎn)方向，學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)土地[3]、森林[4]、古村落[5]和流域[6]等景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建及應(yīng)用方面做了積極探索。

內(nèi)蒙古自治區(qū)分布有廣闊的草原，是我國北方重要的自然生態(tài)屏障。內(nèi)蒙古礦產(chǎn)資源豐富，煤炭資源尤其豐富。近年來，內(nèi)蒙古采礦業(yè)迅速發(fā)展，在給區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶來發(fā)展的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。大型露天煤礦由于開發(fā)面積大，造成的生態(tài)環(huán)境問題尤其突出，除植被破壞、水土流失、土地沙化、水資源破壞和次生地質(zhì)災(zāi)害等問題外，還極大地改變區(qū)域性景觀格局，導(dǎo)致生境斑塊破碎化，影響生物個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)組織水平的生態(tài)過程[7]。因此，景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建是大型露天煤礦開發(fā)過程中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要方面，也是目前比較薄弱的方面。筆者以位于典型草原區(qū)的大型露天煤礦——內(nèi)蒙古勝利煤田為例，采用最小累積阻力模型構(gòu)建區(qū)域景觀生態(tài)安全格局，以期為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)，并為同類礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

勝利煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市西北部勝利蘇木和伊利勒特蘇木境內(nèi)，地理坐標(biāo)位于43°54′15″～44°13′52″ N，115°24′26″～116°26′30″ E。以通過數(shù)字高程模型(DEM)得到的流域邊界作為研究區(qū)，研究區(qū)總面積為1 021 km2。研究區(qū)內(nèi)有5個(gè)露天礦區(qū)，分別是烏蘭圖嘎露天鍺礦、中國國電西二號(hào)露天礦、內(nèi)蒙古能源西三號(hào)露天礦、神華一號(hào)露天礦和大唐東二號(hào)露天礦。研究區(qū)地形為緩波狀起伏的山前平原；氣候?qū)侔敫珊挡菰瓪夂騾^(qū)，平均氣溫為1.7 ℃，極端最高氣溫為38.3 ℃，極端最低氣溫為-42.4 ℃，年均降水量為294.7 mm，最大年降水量為481.0 mm，最小年降水量為146.7 mm，年均蒸發(fā)量為1 794.6 mm；春季多風(fēng)，風(fēng)速為2.1～8.4 m·s-1，年均風(fēng)速為3.5 m·s-1。土壤類型主要有栗鈣土、草甸栗鈣土和草甸土等，由于草場退化，已形成沙化、礫石化栗鈣土，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，土壤肥力差。研究區(qū)草原植被發(fā)育，地帶性植被類型屬于典型草原類型，草地分區(qū)為內(nèi)蒙古中東部溫帶半濕潤半干旱草原區(qū)，植物組成有克氏針茅(Stipakrylovii)、大針茅(Stipagrandis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、洽草(Koeleriaglauca)、冰草(Agropyroncristatum)和錦雞兒(Caraganasinica)等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用高分一號(hào)多光譜相機(jī)PMS數(shù)據(jù)，成像時(shí)間為2016年5月29日，空間分辨率為8 m，共4個(gè)光譜波段，中心波長分別對(duì)應(yīng)藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外波段。研究區(qū)GF-1 PMS影像共4景，預(yù)處理過程為采用2016年高分一號(hào)衛(wèi)星定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，采用ENVI 5.3軟件的FLAASH大氣校正模塊，輸入相應(yīng)的波譜響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)行大氣校正，并采用原數(shù)據(jù)中自帶的RPC文件進(jìn)行正射校正，得到4景影像的地表反射率數(shù)據(jù)，最后利用ENVI 5.3軟件的Seamless Mosaic工具進(jìn)行拼接，并利用研究區(qū)DEM得到的流域邊界對(duì)其進(jìn)行裁剪。高分一號(hào)衛(wèi)星定標(biāo)系數(shù)和波譜響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)均來自中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)(http:∥www.cresda.com/CN/Downloads/dbcs/index.shtml)。DEM數(shù)據(jù)為30 m分辨率的柵格，來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心(地理空間數(shù)據(jù)云)GDEM數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

1.3.1研究框架

通過識(shí)別景觀關(guān)鍵組分，構(gòu)建勝利煤田景觀生態(tài)安全格局。根據(jù)前人對(duì)景觀生態(tài)安全格局的研究[2]，確定景觀生態(tài)安全格局組分包括生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)。生態(tài)源地是具有較高生態(tài)功能的景觀類型，它是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量和服務(wù)功能的源頭或匯集處。生態(tài)廊道是源地間斑塊的鏈接，在研究區(qū)主要有以下功能：傳輸通道功能(植物傳播體，動(dòng)物或其他物質(zhì)在廊道中運(yùn)動(dòng)、遷移)；過濾和阻抑作用(攔阻沙塵，減緩水土流失等)；生境功能(為生物提供生存繁殖的場所)。生態(tài)節(jié)點(diǎn)是景觀中能夠?qū)坝^生態(tài)流的運(yùn)行起到疏通作用的點(diǎn)，可以作為物種遷徙的踏腳石引導(dǎo)物種遷移，也可以維持局部地區(qū)的生態(tài)平衡。

在景觀類型劃分基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果選取生態(tài)源地，基于最小累積阻力模型識(shí)別生態(tài)廊道，并在生態(tài)廊道上確定生態(tài)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建成“點(diǎn)—線—面”交織的空間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從而使景觀斑塊、類型和整體景觀之間達(dá)到和諧穩(wěn)定。

1.3.2景觀類型劃分

根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)，結(jié)合面積大小和精度要求，將研究區(qū)景觀類型劃分為2大類13小類(表1)。利用高分辨率遙感影像，借助ENVI 5.3和ARCGIS 10.1軟件對(duì)研究區(qū)景觀類型進(jìn)行目視解譯，生成矢量圖(圖1)。對(duì)解譯結(jié)果隨機(jī)抽樣，進(jìn)行實(shí)地精度驗(yàn)證，正確率為89%，滿足本研究需要。將矢量文件進(jìn)行柵格化以進(jìn)行進(jìn)一步研究。

表1勝利煤田景觀分類系統(tǒng)

Table1LandscapeclassificationsystemofShengliCoalfield

景觀類型大類小類景觀特征自然半自然景觀草地以生長草本植物為主、覆蓋度大于5%的各類草地(不包括沼澤草地),地勢和緩起伏,主要用于放牧人工林人工種植的喬、灌木林,包括排土場等采礦破壞地種植的人工林農(nóng)田種植農(nóng)作物的土地濕地包括河流水面、湖泊水面和沼澤草地鹽堿地地表鹽堿聚集、植被稀少、只能生長耐鹽堿植物的土地裸土地地表土質(zhì)覆蓋、植被覆蓋度小于5%的土地沙地地表為沙覆蓋、植被覆蓋度小于5%的土地,包括沙漠,不包括水系中的沙灘人工景觀露天采場開采所形成的采坑、臺(tái)階和露天溝道,無植被覆蓋,采場內(nèi)有包括穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)。機(jī)械生產(chǎn)和車輛運(yùn)輸過程中,易產(chǎn)生地面揚(yáng)塵工業(yè)場地工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造、機(jī)械和設(shè)備維修以及直接為工業(yè)生產(chǎn)等服務(wù)的附屬設(shè)施用地,還包括物資儲(chǔ)備、中轉(zhuǎn)的場所用地,有建筑物、生產(chǎn)設(shè)施、道路、綠地等在用排土場人為形成的臺(tái)階式塔狀巨大巖土松散堆積體,是剝離巖土堆積而成的特殊人工地貌,臺(tái)階邊坡坡度為35°左右,形成大面積高陡邊坡,土壤結(jié)構(gòu)松散、貧瘠,無植被覆蓋,水土流失嚴(yán)重,邊坡易發(fā)生崩塌、滑坡農(nóng)村居民地鎮(zhèn)以下的居民點(diǎn)用地以及農(nóng)村道路用地城市建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商服用地及城鎮(zhèn)道路用地交通用地機(jī)場、鐵路、公路(不包括城鎮(zhèn)、村道路用地)

圖1 勝利煤田景觀類型

1.3.3最小累積阻力模型

最小累積阻力(MCR)模型是計(jì)算物種在從源到目的地運(yùn)動(dòng)過程中所需要耗費(fèi)代價(jià)的模型，最早由Knaapen于1992年提出，用于研究物種擴(kuò)散過程[8]，之后被應(yīng)用到多種自然生態(tài)或人文過程的研究，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到模擬城市土地演變、土地利用規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域[9]。MCR模型在眾多應(yīng)用中，充分展示了其在分析水平空間擴(kuò)張方面的良好適應(yīng)性和可擴(kuò)張性，計(jì)算公式[6]為

(1)

式(1)中，RMC為最小累積阻力值；f為一個(gè)未知的正函數(shù)，反映空間中任一點(diǎn)的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系；Dij為物種從源j到空間某一點(diǎn)所穿越的某景觀基面i的空間距離；Ri為景觀i對(duì)某物種運(yùn)動(dòng)的阻力。盡管函數(shù)f通常是未知的，但(Dij×Ri)的累積值可用于衡量物種從源到空間某一點(diǎn)的某一路徑的相對(duì)易達(dá)性。其中，從所有源到該點(diǎn)阻力的最小值用于衡量該點(diǎn)的易達(dá)性。

最小累積阻力值反映了物種運(yùn)動(dòng)的潛在可能性及趨勢，通過單元最小累積阻力的大小可以判斷該單元與源地單元的“連通性”和“相似性”，通常源地對(duì)于生態(tài)過程是最適宜的。

1.3.4源地的確定

根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的“源-匯”理論，源景觀具有空間擴(kuò)展性、連續(xù)性，應(yīng)依據(jù)格局優(yōu)化所針對(duì)的生態(tài)過程決定生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮的作用不同而確定。源地一般生境質(zhì)量較高，對(duì)于研究的生態(tài)過程起到正向推動(dòng)作用[6]。源地的選取通過景觀斑塊質(zhì)量的評(píng)價(jià)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)勝利礦區(qū)景觀斑塊質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)后，選取評(píng)價(jià)質(zhì)量最高的斑塊作為生態(tài)源地。

(1)斑塊評(píng)價(jià)指標(biāo)選取和權(quán)重確定

基于對(duì)景觀過程完整性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持，選取6項(xiàng)指標(biāo)(表2[10-11])。

表2勝利煤田景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)與指標(biāo)權(quán)重[10-11]

Table2EvaluationindexoflandscapepatchqualityandindexweightinShengliCoalfield

目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層權(quán)重指標(biāo)生態(tài)學(xué)意義景觀斑塊質(zhì)量斑塊規(guī)模大小斑塊面積(C1)0.125 4影響生物活動(dòng)的擴(kuò)散和生物多樣性的保護(hù)。斑塊面積越大,越有利于保護(hù)生態(tài)的多樣性,屬于正向指標(biāo)斑塊形狀分維數(shù)(C2)0.074 8反映斑塊形狀的復(fù)雜程度和人類活動(dòng)對(duì)斑塊的干擾程度。斑塊形狀越復(fù)雜,越有利于物種的保護(hù),屬于正向指標(biāo)斑塊邊界破碎度斑塊形狀指數(shù)(C3)0.074 8反映斑塊的破碎化程度。斑塊破碎化程度越高,越不利于生態(tài)功能的維持,屬于負(fù)向指標(biāo)植被覆蓋歸一化植被指數(shù)(C4)0.385 0反映斑塊的植被覆蓋情況。已有研究結(jié)果表明,一般NDVI值越高,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越高[10],屬于正向指標(biāo)斑塊重要性斑塊重要值(C5)0.125 4重要斑塊指對(duì)景觀連通度的維持和改善具有顯著作用和貢獻(xiàn)的斑塊,其對(duì)保障生態(tài)流運(yùn)行、提高生態(tài)安全水平具有重要意義[11]。斑塊重要值越高,其在整體景觀中的連通度也越高,屬于正向指標(biāo)人工控制程度人工控制程度(C6)0.214 7生態(tài)系統(tǒng)受人工控制程度越高,即斑塊自然性越低,斑塊質(zhì)量就越低,屬于負(fù)向指標(biāo)

采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重。對(duì)勝利煤田景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性構(gòu)建判斷矩陣(表3)，指標(biāo)的相對(duì)重要性采用1～9標(biāo)度法，逐項(xiàng)就任意兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較得出。將Ci對(duì)Cj的標(biāo)度值記為Cij，當(dāng)Cij為1時(shí)，說明Ci與Cj的影響同等重要；Cij值越大，表明Ci比Cj的影響越重要；Cj對(duì)Ci的標(biāo)度值Cji為Cij的倒數(shù)。根據(jù)相對(duì)重要性計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。采用和積法計(jì)算出隨機(jī)一致性比率RC=0.058<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。各指標(biāo)權(quán)重見表2。

表3勝利煤田景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性判斷矩陣

Table3RelativeimportancejudgmentmatrixofevaluationindexoflandscapepatchqualityinShengliCoalfield

指標(biāo)C1C2C3C4C5C6C1221/311/2C21/211/41/21/2C31/211/41/21/3C434443C51221/31/2C62331/22

C1為斑塊面積，C2為分維數(shù)，C3為斑塊形狀指數(shù)，C4為歸一化植被指數(shù)，C5為斑塊重要值，C6為人工控制程度。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

斑塊面積、分維數(shù)和斑塊形狀指數(shù)采用Fragstats 4.2軟件計(jì)算得到，并采用Excel 2013軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

歸一化植被指數(shù)(NDVI，INDV)是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)，定義為近紅外通道與可見光通道反射率之差與之和的商，計(jì)算公式為

INDV=(RNI-R)/(RNI+R)。

(2)

式(2)中，RNI為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。

NDVI采用ENVI 5.3軟件計(jì)算得到。植被覆蓋的確定還應(yīng)結(jié)合斑塊的生態(tài)恢復(fù)潛力，有些生態(tài)斑塊雖然目前的植被覆蓋度較低，但是該斑塊具有很好的發(fā)展?jié)摿腿斯す芾泶胧?，所以在選取源地的時(shí)候應(yīng)該考慮斑塊的潛在價(jià)值。根據(jù)前人對(duì)露天煤礦生態(tài)修復(fù)的調(diào)查結(jié)果[12-13]，考察露天煤礦周圍不同景觀類型的恢復(fù)狀況，確定不同斑塊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

斑塊重要值(dPC，CdP)通過可能連通性指數(shù)(PC，CP)來衡量，斑塊重要值指在此點(diǎn)處斷裂(或移除)后整個(gè)區(qū)域景觀連通性的變化量，計(jì)算公式為

(3)

(4)

斑塊重要值采用ArcGIS 10.1軟件、Conefor Inputs for ArcGIS10插件和Conefor Sensinode 2.2軟件計(jì)算得到。

人工控制程度指標(biāo)為定性指標(biāo)，通過分析不同景觀類型的人為活動(dòng)和人工管理，定性判定生態(tài)系統(tǒng)受人工控制程度(輕、中、強(qiáng)、極強(qiáng))。

(3)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

定量指標(biāo)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)Xi為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的值，Xmax為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的最大值，Xmin為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的最小值，Pi為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的得分。對(duì)正向指標(biāo)，Pi=100·(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，Pi=100·(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)。其中，NDVI指標(biāo)值在[0,1]區(qū)間時(shí)為正向指標(biāo)，在[-1,0)區(qū)間時(shí)取滿分。

定性指標(biāo)采用分級(jí)賦分法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(表4)。

表4勝利煤田景觀斑塊人工控制程度分級(jí)賦分

Table4ClassificationandquantificationofartificialcontrolfactoroflandscapepatchinShengliCoalfield

景觀類型人工控制程度等級(jí)分值濕地、人工林、鹽堿地、裸土地、沙地輕100草地中70農(nóng)田強(qiáng)40農(nóng)村居民地、在用排土場、交通用地、工業(yè)場地、城市建設(shè)用地、露天采場極強(qiáng)10

(4)斑塊綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建與源地識(shí)別。在權(quán)重確定和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，按照加權(quán)模型進(jìn)行計(jì)算，得分越高，表明斑塊質(zhì)量越好，計(jì)算公式為

(5)

式(5)中，Zi為第i個(gè)評(píng)價(jià)斑塊的質(zhì)量總分值；wij為第i個(gè)評(píng)價(jià)斑塊第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；yij為第i個(gè)評(píng)價(jià)斑塊第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；m為指標(biāo)數(shù)。

采用[0,100]區(qū)間的連續(xù)數(shù)來確定制表分級(jí)量化值。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判別標(biāo)準(zhǔn)和研究區(qū)實(shí)際情況，將斑塊質(zhì)量分為5個(gè)等級(jí)并賦以相應(yīng)分值，選擇綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zi≥80的斑塊作為生態(tài)源地。具體分級(jí)情況見表5。

1.3.5生態(tài)廊道的確定

生態(tài)廊道是源地間斑塊的鏈接，是物種、信息和能量流通的主要通道，可以增強(qiáng)景觀組分間的聯(lián)系和防護(hù)功能等。構(gòu)建生態(tài)廊道需要一個(gè)阻力面，而阻力值的確定是廊道提取的關(guān)鍵。

表5評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table5Thegradingcriteriaoftheassessingindexes

斑塊質(zhì)量等級(jí)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zi含義Ⅰ[80,100]斑塊質(zhì)量很好Ⅱ[60,80)斑塊質(zhì)量較好Ⅲ[40,60)斑塊質(zhì)量一般Ⅳ[20,40)斑塊質(zhì)量較差Ⅴ[0,20)斑塊質(zhì)量很差

(1)阻力面的建立

受景觀格局的影響，景觀生態(tài)流在空間中運(yùn)行時(shí)需要克服空間給其帶來的阻力，因此可以通過模擬景觀生態(tài)流運(yùn)行并以此來探尋景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建方法。

模擬景觀生態(tài)流運(yùn)行的第一步是確定景觀生態(tài)流運(yùn)行的阻力面。阻力面反映的是景觀生態(tài)流在空間運(yùn)行時(shí)受到的阻力強(qiáng)度空間分布。物種水平空間運(yùn)動(dòng)的生態(tài)過程以及生態(tài)功能的流動(dòng)與傳遞，主要受土地覆被狀態(tài)和人為干擾程度的影響[14]。筆者在構(gòu)建生態(tài)阻力面時(shí)將阻力因子分為景觀自身因子和鄰近景觀干擾因子兩類(表6)。景觀自身因子包括NDVI(反映植被覆蓋狀況)、坡度和土地利用強(qiáng)度，其中NDVI和坡度為自然阻力因子，若NDVI值高，坡度小，阻力值則??；土地利用強(qiáng)度為人為活動(dòng)阻力因子，不同景觀類型的人為活動(dòng)強(qiáng)度不同，據(jù)此進(jìn)行阻力等級(jí)劃分，人為活動(dòng)干擾大的景觀，其阻力值大。鄰近景觀干擾因子選擇對(duì)鄰近景觀影響較大的露天采場、在用排土場和道路，它們對(duì)鄰近景觀的影響主要是機(jī)械和車輛噪聲引起的，按照距離進(jìn)行阻力等級(jí)劃分，其中最遠(yuǎn)影響距離(即超過該距離的區(qū)域，該因子的阻力值為0)參照文獻(xiàn)[15]。各阻力因子權(quán)重參照文獻(xiàn)[16-18]。

將阻力值設(shè)定為1～200，1為最小阻力值，即景觀生態(tài)流能夠順暢通過，200為最大阻力值，即景觀生態(tài)流最不容易通過。需要指出的是，阻力值只反映相對(duì)阻力的概念，不是絕對(duì)的，但由于阻力面計(jì)算的目的是要反映相對(duì)的趨勢，因此，相對(duì)意義上的阻力值仍然具有意義[19]。

采用ArcGIS 10.2軟件計(jì)算每類阻力因子的阻力值并生成30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，然后將各類阻力因子進(jìn)行疊加，得到勝利煤田景觀阻力柵格圖，即阻力面。

(2)廊道的提取

根據(jù)阻力面和識(shí)別出的生態(tài)源地，采用ArcGIS10.2中cost distance模塊得到勝利礦區(qū)最小累積耗費(fèi)距離表面。最后利用cost path模塊，結(jié)合生態(tài)源地與最小累積耗費(fèi)距離表面生成生態(tài)廊道。

表6勝利煤田景觀阻力因子及其權(quán)重和相對(duì)阻力值

Table6LandscaperesistancefactorsandtheirweightsandrelativeresistancevaluesinShengliCoalfield

阻力因子權(quán)重阻力等級(jí)阻力值景觀自身因子 歸一化植被指數(shù)0.3[0.8,1]∪[-1,0)1[0.6,0.8)45[0.4,0.6)95[0.2,0.4)145[0,0.2)200 坡度0.15[0,5)25[5,15)60[15,30)100[30,45)150[45,90]200 土地利用強(qiáng)度0.25濕地、人工林、鹽堿地、裸土地、沙地50草地100農(nóng)田150農(nóng)村居民地、在用排土場、交通用地、工業(yè)場地、城市建設(shè)用地、露天采場200鄰近景觀干擾因子 距道路距離0.1[0,200)200[200,400)150[400,600)100[600,800)50[800,∞)0 距露天采場距離0.1[0,100)200[100,150)150[150,200)100[200,250)50[250,∞)0 距在用排土場距離0.1[0,100)200[100,150)150[150,200)100[200,250)50[250,∞)0

1.3.6生態(tài)節(jié)點(diǎn)的確定

生態(tài)節(jié)點(diǎn)一般處于連接生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道上，分布在生態(tài)功能最薄弱的地方。生態(tài)節(jié)點(diǎn)的建立可以對(duì)景觀流的運(yùn)行起到促進(jìn)作用。采用ArcGIS 10.2軟件中水文分析模型得到最小累積耗費(fèi)距離表面的“山脊線”，即最大累積阻力，“山脊線”與生態(tài)廊道的交點(diǎn)即生態(tài)節(jié)點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)源地的構(gòu)建

景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zi≥80的斑塊共10個(gè)，以這10個(gè)斑塊作為生態(tài)源地(圖2)，生態(tài)源地面積為49.64 km2，占研究區(qū)總面積的4.86%。

從空間分布上看，除了2和3號(hào)生態(tài)源地處于人口密度較低的草原外，其他生態(tài)源地都處在人口密度較高的城鎮(zhèn)和露天礦區(qū)附近。從景觀類型上來看，生態(tài)源地包括人工林和濕地2種類型。與研究區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)——草原相比，人工林具有更高的生物量，而濕地水分條件好，生物量高，生物多樣性豐富，因而人工林和濕地具有較強(qiáng)的生態(tài)功能。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)雖然生物量較高，但完全受人工調(diào)控，不適合作為生態(tài)源地。

這些生態(tài)源地為區(qū)域人口和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)提供重要的生命支持，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，對(duì)控制和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)功能穩(wěn)定、維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要作用。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)源地的保護(hù)，防止其被建設(shè)侵占，防止植被破壞。對(duì)生態(tài)源地與正在使用的排土場相連的情況，加強(qiáng)采(礦)排(土)復(fù)(墾)一體化，盡快形成可復(fù)墾臺(tái)階，及時(shí)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，擴(kuò)大生態(tài)源地面積。對(duì)生態(tài)源地中植被覆蓋較低的區(qū)域，通過補(bǔ)種、灌溉、施肥等措施，促進(jìn)植被生長，改善植被覆蓋狀況。

圖2 勝利煤田景觀生態(tài)安全格局

2.2 生態(tài)廊道的構(gòu)建

勝利煤田阻力面見圖3。人工景觀是阻力值較大的區(qū)域。農(nóng)田雖然有長勢較好的植被，但是受人工控制的影響，其阻力值也相對(duì)較大。自然半自然景觀具有較小的阻力值，但是在道路、露天采場、在用排土場的影響作用范圍內(nèi)其阻力值也相對(duì)較高。

利用阻力面和生態(tài)源地得出的勝利煤田最小累積耗費(fèi)距離表面見圖4。耗費(fèi)距離的大小由阻力值與距離共同決定，生態(tài)源地是累積耗費(fèi)距離最小的地區(qū)。

圖3 勝利煤田阻力面

圖4 勝利煤田最小累積耗費(fèi)距離表面

城鎮(zhèn)、露天礦區(qū)等區(qū)域累積耗費(fèi)距離并不是最高的，這是因?yàn)樗鼈兙嚯x生態(tài)源地較近，而距生態(tài)源地較遠(yuǎn)的草地、林地等自然半自然景觀則具有較高的累積耗費(fèi)距離。結(jié)合最小累積耗費(fèi)距離表面和生態(tài)源地，共選取24條生態(tài)廊道(圖2)，總長度為159.2 km，其中最短的為1.19 km，最長的為17.95 km。從空間分布上來看，穿越城鎮(zhèn)與礦區(qū)的生態(tài)廊道比較密集，但是長度相對(duì)較短，這是因?yàn)槌擎?zhèn)與礦區(qū)間的生態(tài)源地分布較多，且距離較近。穿越草原的生態(tài)廊道比較稀疏，但長度較長，這類生態(tài)廊道可以將草原上孤立破碎的生境斑塊連接到生態(tài)源地上，增強(qiáng)連通性，有利于物種的遷徙，對(duì)生物多樣性的維持具有重要作用。

各生態(tài)廊道穿越的景觀類型既有自然景觀，也有人工景觀。廊道穿越人工林、濕地和草地等自然景觀時(shí)，建議采取控制放牧強(qiáng)度、人工促進(jìn)植被生長(補(bǔ)種、施肥等)、防止建設(shè)侵占等保護(hù)與建設(shè)措施。廊道穿越城市建設(shè)用地、工業(yè)場地、露天采場和道路等人工景觀時(shí)，建議加強(qiáng)人工綠地建設(shè)和管護(hù)措施。廊道穿越農(nóng)田時(shí)，建議保留生態(tài)廊道處的自然組分或人工建設(shè)近自然組分。

2.3 生態(tài)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建

生態(tài)節(jié)點(diǎn)共選取29個(gè)(圖2)。生態(tài)節(jié)點(diǎn)可以使生態(tài)廊道更加穩(wěn)定，增強(qiáng)與生態(tài)源地間的連通性，進(jìn)而使整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性與穩(wěn)定性得到提高。對(duì)于城市建設(shè)用地、工業(yè)場地等人工景觀內(nèi)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，建議減少人為干擾，加強(qiáng)綠地建設(shè)。對(duì)于濕地、林地、草地等自然景觀內(nèi)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，建議加強(qiáng)植被保護(hù)，并采取人工措施改善植被狀況。對(duì)于農(nóng)田內(nèi)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，建議保留自然組分或人工建設(shè)近自然組分。

3 結(jié)論

采用景觀生態(tài)安全格局的理論和方法，通過對(duì)景觀斑塊的評(píng)價(jià)識(shí)別生態(tài)源地，基于最小累積阻力模型識(shí)別生態(tài)廊道，利用水文分析模型提取生態(tài)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了由生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的勝利煤田景觀生態(tài)安全格局。生態(tài)源地共10塊，由濕地和人工林組成，占研究區(qū)總面積的4.86%。生態(tài)廊道共24條，總長度為159.2 km，它們將各生態(tài)源地連接起來，增強(qiáng)景觀網(wǎng)路連通性和防護(hù)功能。生態(tài)節(jié)點(diǎn)共29個(gè)，它們使生態(tài)廊道更加穩(wěn)定，增強(qiáng)與生態(tài)源地間連通性。對(duì)生態(tài)源地，建議加強(qiáng)保護(hù)，防止破壞，并采取人工促進(jìn)措施改善植被，同時(shí)在可能的情況下擴(kuò)大源地面積。對(duì)生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)，依其所穿越(處于)的景觀類型，建議采取保護(hù)自然景觀、人工促進(jìn)植被生長、加強(qiáng)人工景觀區(qū)域的綠地建設(shè)、在農(nóng)田區(qū)域保留自然組分或人工建設(shè)近自然組分等措施。

采用最小累積阻力模型對(duì)勝利煤田景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建進(jìn)行研究，思路和方法可為其他礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建提供借鑒。然而，這只是初步探索，還有以下問題有待解決：(1)從草原露天煤礦的特點(diǎn)出發(fā)，初步提出了構(gòu)建阻力面所需的景觀阻力因子體系及其權(quán)重和分級(jí)賦阻力值方案，對(duì)阻力面的構(gòu)建還有待于進(jìn)一步研究；(2)構(gòu)建的景觀生態(tài)安全格局方案只考慮生態(tài)保護(hù)本身，未考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展等方面；(3)礦區(qū)景觀處于不斷變化中，如排土場在排土到位實(shí)施生態(tài)恢復(fù)后，短期內(nèi)就可能變成長勢良好的人工林，此時(shí)可將其作為生態(tài)源地。需要進(jìn)一步研究如何在景觀格局構(gòu)建時(shí)考慮區(qū)域景觀的未來變化。