張盼月,丁依冉,蔡雅靜,張光明,吳 彥,付 川,王洪杰

1 北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083 2 重慶三峽學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 重慶 404632 3 河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院, 天津 300401 4 河北大學(xué)雄安生態(tài)研究院, 保定 071002

人類的過(guò)度開(kāi)發(fā)導(dǎo)致水體、空氣等環(huán)境承受巨大負(fù)擔(dān),其中水環(huán)境的響應(yīng)最為直接和迅速,也最早受到關(guān)注。水體生態(tài)環(huán)境治理逐步從單一的水質(zhì)改善向河道綜合治理邁進(jìn)。河流生態(tài)廊道的提出為水體生態(tài)環(huán)境綜合治理提供了優(yōu)化的思路,多種生態(tài)要素結(jié)合、區(qū)域聯(lián)合防治等均為水體生態(tài)環(huán)境治理提出了新要求。在河流生態(tài)廊道構(gòu)建時(shí),若只考慮河湖水系特征,可能會(huì)忽略區(qū)域之間的連通性,難以對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。本文綜述了河流生態(tài)廊道的基礎(chǔ)理論,明確了河流生態(tài)廊道的基本概念,詳細(xì)分析了河流生態(tài)廊道提取的直接和間接方法。最后將河流生態(tài)廊道間接提取方法“源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取”應(yīng)用于白洋淀-大清河流域,為白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構(gòu)建提供初步思路。

1 河流生態(tài)廊道的基礎(chǔ)理論

1.1 河流生態(tài)廊道的概念

生態(tài)廊道是指在生態(tài)環(huán)境中線狀或帶狀的景觀生態(tài)空間系統(tǒng)[1],起源于景觀生態(tài)學(xué)中的島嶼生物平衡理論,用于促進(jìn)物種在破碎化斑塊中的移動(dòng),之后也用于揭示斑塊間的基因交流和能量流動(dòng)等[2—3]。生態(tài)廊道能夠溝通連接空間分布上較為孤立和分散的景觀單元[4],滿足物種和信息的擴(kuò)散、遷移和交換,是構(gòu)建區(qū)域“山水林田湖草”完整生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。參考生態(tài)廊道的概念,河流生態(tài)廊道可以定義為由河流聯(lián)系在一起的河流本身及沿河流分布的植被帶和相關(guān)的所有生態(tài)元素,通過(guò)廊道可以實(shí)現(xiàn)流域水系和生態(tài)流的連通。河流生態(tài)廊道概念包含多個(gè)組成部分,易與綠道、藍(lán)道、河岸帶等概念混淆,表1中列出了應(yīng)用較多的相關(guān)概念以及它們與河流生態(tài)廊道的關(guān)系。其中,綠色河流廊道、河岸帶、藍(lán)道等均是河流生態(tài)廊道的組成部分,綠道的概念比河流生態(tài)廊道更廣泛,綠道的中心可以是河流,和河流生態(tài)廊道相似,綠道的中心也可以無(wú)河流,只是自然植被帶。

表1 河流生態(tài)廊道的類似概念及關(guān)系

1.2 河流生態(tài)廊道的組成

河流生態(tài)廊道由河道以及河道周?chē)淖o(hù)岸(河漫灘和邊緣過(guò)渡帶)組成[11](圖1)。河道位于整個(gè)系統(tǒng)的中心位置；河漫灘是指在洪水泛濫時(shí),在河岸以外高度周期性變化的區(qū)域；離河道最遠(yuǎn)的邊緣過(guò)渡帶是指河漫灘與周?chē)坝^的過(guò)渡區(qū)域,通常由草地、林地、農(nóng)田等組成,此區(qū)域較易受到人類活動(dòng)的影響[8]。城市河流生態(tài)廊道與自然河流生態(tài)廊道主要在護(hù)岸上有所不同,城市河流生態(tài)廊道的護(hù)岸范圍更小,更容易受人類影響。三個(gè)組成部分雖然相互獨(dú)立,但也均通過(guò)水文流、物種流、物質(zhì)流等交換流聯(lián)系為一個(gè)整體。河流生態(tài)廊道內(nèi)多個(gè)方向水流之間的動(dòng)態(tài)作用對(duì)河流生態(tài)廊道的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義[12]。

圖1 自然河流和城市河流生態(tài)廊道的組成

1.3 河流生態(tài)廊道的功能

1.3.1河流生態(tài)廊道的自然功能

將河流生態(tài)廊道作為一個(gè)整體時(shí),可以從物理、化學(xué)和生物三方面分析其自然功能。

在物理方面,河流生態(tài)廊道主要發(fā)揮區(qū)域連通、污染物削減、微氣候調(diào)節(jié)等功能。河流生態(tài)廊道通過(guò)其流域尺度景觀上的線性特征,聯(lián)系流域中散落的生態(tài)源地,促進(jìn)流域內(nèi)物質(zhì)、能量的流動(dòng)；不同水源地之間通過(guò)河流生態(tài)廊道的聯(lián)系可提升水資源的合理時(shí)空分配和泥沙運(yùn)移效率。河流生態(tài)廊道的縱向結(jié)構(gòu)則可對(duì)能量、物質(zhì)進(jìn)行阻礙或過(guò)濾,如對(duì)水流的阻隔可以降低洪峰,進(jìn)而削減洪水危害[13]。河漫灘和邊緣過(guò)渡帶形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),并且通過(guò)吸附、過(guò)濾等改善河流水環(huán)境質(zhì)量。另外,河流生態(tài)廊道通過(guò)水面蒸發(fā)、植物蒸騰等生態(tài)作用調(diào)節(jié)附近的微氣候,為人類和動(dòng)植物提供良好的生態(tài)環(huán)境。

在化學(xué)方面,河流生態(tài)廊道主要發(fā)揮水體污染削減、水環(huán)境質(zhì)量提升的功能。河流生態(tài)廊道包含水體、植被、微生物等多種生態(tài)要素,多種要素的相互作用形成完整的生態(tài)系統(tǒng),其中水體中的部分污染物可通過(guò)氧化還原、吸附、沉淀等化學(xué)反應(yīng)發(fā)生降解和轉(zhuǎn)化。

在生物方面,植物通過(guò)固定作用將河道底泥和土壤中的污染物轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi),后續(xù)通過(guò)植物收割將污染排除到河流生態(tài)系統(tǒng)外[14]。微生物通過(guò)降解和轉(zhuǎn)化作用改變污染物的形態(tài)或者將污染物礦化,大大削減水體污染負(fù)荷。另外,植物的凈化和釋氧功能也間接改善水體、土壤的環(huán)境條件[15],促進(jìn)生物多樣性的保持和生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展,打造人與自然和諧共生的河流生態(tài)廊道環(huán)境。同時(shí),河流生態(tài)廊道為動(dòng)植物提供棲息地。河流生態(tài)廊道可為水中的動(dòng)植物提供充足的營(yíng)養(yǎng)或食物、生存和繁衍的場(chǎng)所以及生命生長(zhǎng)發(fā)育的各種要素[16]。植物的庇護(hù)有利于動(dòng)物在破碎生境斑塊中的運(yùn)動(dòng)[17—18]。

1.3.2河流生態(tài)廊道的社會(huì)功能

隨著人類對(duì)美好生活的向往,河流生態(tài)廊道衍生出景觀、文化、經(jīng)濟(jì)等多方面的社會(huì)功能。中國(guó)于2016年明確了“城市雙修”概念,即生態(tài)修復(fù)和城市修補(bǔ),其中生態(tài)修復(fù)利用再生態(tài)的理念,修復(fù)城市中被破壞的自然環(huán)境和地形地貌,改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?；谝陨侠砟?依托傳統(tǒng)城市河流可規(guī)劃建設(shè)森林公園或?yàn)I河公園,建立慢行游憩系統(tǒng),滿足城市居民的休閑需求。河流生態(tài)廊道也是重要的文化和遺產(chǎn)廊道,如京杭大運(yùn)河悠久的歷史及其工程示范作用,形成重要的水文化景觀,其中揚(yáng)州段于2014年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》。另外,有些河流生態(tài)廊道也體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)功能,通過(guò)航運(yùn)、旅游等發(fā)展帶動(dòng)河岸地區(qū)甚至城市的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

2 河流生態(tài)廊道的提取方法

河流生態(tài)廊道的提取是區(qū)域規(guī)劃、流域河湖生態(tài)治理的基礎(chǔ)工作,尤其是在區(qū)域、流域等大尺度進(jìn)行廊道提取意義重大。河流生態(tài)廊道的提取方法可以總結(jié)為直接提取和基于“源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取”框架的間接提取。

2.1 廊道直接提取

實(shí)地觀察和測(cè)量是自然科學(xué)中常用的手段之一,廊道直接提取通過(guò)河流類型、河流結(jié)構(gòu)、河床坡度、土壤類型等野外調(diào)查識(shí)別河流生態(tài)廊道,但該方法人力和物力耗費(fèi)較大,大型河流操作起來(lái)更為困難。地理信息技術(shù)的發(fā)展為研究人員提供了更為快捷和便利的手段,根據(jù)土地利用類型、遙感影像數(shù)據(jù)可以進(jìn)行河流生態(tài)廊道的提取。河流生態(tài)廊道要素較易從以上兩種數(shù)據(jù)中分離,河流兩側(cè)的植被范圍可通過(guò)遙感影像解譯得到[19]；廊道寬度可通過(guò)分析河流兩側(cè)的土地利用結(jié)構(gòu)變化獲得[20—21]。另外,還可以結(jié)合主河道及兩側(cè)洪水淹沒(méi)范圍[22]、當(dāng)?shù)刂脖粩?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)[23],以及相關(guān)水文模型確定河流生態(tài)廊道的范圍。

河流生態(tài)廊道也可以根據(jù)國(guó)家和地區(qū)的規(guī)劃進(jìn)行粗略提取。近年來(lái),我國(guó)各地的城市規(guī)劃中常會(huì)采用點(diǎn)(核、心)、線(軸、帶、廊)、面(區(qū)、板塊、片)要素形成區(qū)域結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)劃。河流是主要的線性景觀要素,通過(guò)查詢地區(qū)發(fā)展規(guī)劃可以明確河流的基礎(chǔ)定位,提取河流生態(tài)廊道。如河北省邢臺(tái)市提出“一核六廊、雙心五區(qū)”的發(fā)展結(jié)構(gòu),其中“六廊”中有三條廊道為河流生態(tài)廊道。規(guī)劃目標(biāo)、尺度不同,河流生態(tài)廊道的寬度也會(huì)隨之變化。Boisjolie等[24]總結(jié)了美國(guó)俄勒岡州政策目標(biāo)、河流性質(zhì)、監(jiān)管方法、管理標(biāo)準(zhǔn)四方面的差異性,制定出適用于當(dāng)?shù)氐?5種0—152 m的河流生態(tài)廊道的寬度標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取

2.2.1源地識(shí)別

源地的識(shí)別是廊道構(gòu)建過(guò)程中的重要步驟。源地識(shí)別方法的多樣性,有利于研究人員根據(jù)研究目的和研究區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行選擇,表2為常用的源地識(shí)別方法及特點(diǎn)。

表2 源地識(shí)別的方法及特點(diǎn)

(1)直接識(shí)別方法。直接識(shí)別是目前源地識(shí)別研究中最受歡迎的方法。直接識(shí)別一般將生態(tài)服務(wù)功能高的地塊識(shí)別為源地[26],源地景觀一般為湖泊、水庫(kù)、灘涂、生物重要棲息地等。根據(jù)研究目的的不同,源地種類可能更為豐富。如考慮廊道文化功能時(shí),可將重要的風(fēng)景名勝區(qū)、水文化景觀作為源地[27]。也可以通過(guò)不同面積閾值、生物活動(dòng)范圍設(shè)定源地識(shí)別標(biāo)準(zhǔn),受源地選取標(biāo)準(zhǔn)、土地利用情況等因素影響,源地?cái)?shù)量一般為10—25個(gè)[21,26]。在廊道建立過(guò)程中,源地?cái)?shù)量過(guò)少可能導(dǎo)致流域廊道構(gòu)建不完整；源地?cái)?shù)量過(guò)多則可能導(dǎo)致流域破碎化。

(2)基于形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)的識(shí)別方法?；贛SPA的識(shí)別方法通過(guò)降低人為選擇的主觀性,更加科學(xué)地識(shí)別生態(tài)源地。該方法首先在景觀格局評(píng)價(jià)、綠色景觀連通性等[28]方面廣泛應(yīng)用,近些年被用于源地的識(shí)別。MSPA根據(jù)前景、背景的不同選擇,通過(guò)圖像處理對(duì)研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行重新分類。前景為生態(tài)效益較高的土地利用類型,如水域、林地、草地及三者的組合[29—30]較受歡迎,背景則為其他土地利用類型。圖像處理結(jié)果呈現(xiàn)為7類景觀類型,分別是核心區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)道區(qū)、支線、邊緣區(qū)、孔隙和島狀板塊(圖2)。結(jié)合Vogt等[32]對(duì)7種景觀類型的定義,具體研究根據(jù)研究目的可以為景觀類型賦予實(shí)際的生態(tài)學(xué)意義。核心區(qū)可直接被識(shí)別為生態(tài)源地,但大部分研究者通常結(jié)合整體連通性(Integral Index of Connectivity, IIC)、可能連通性(Probability of Connectivity, PC)等指數(shù)和斑塊面積確定最終的源地。與景觀相關(guān)連通性指數(shù)的結(jié)合能夠更好地展示研究區(qū)源地之間的連通關(guān)系,將研究區(qū)考慮為整體而不是分散的斑塊。但需要注意,景觀研究尺度的選擇[25]、邊緣寬度的設(shè)定[33]、土地利用數(shù)據(jù)的精確度等因素可對(duì)MSPA的結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

圖2 形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)分類[31]

(3)指標(biāo)識(shí)別方法。指標(biāo)識(shí)別方法通常與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相關(guān)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指人類從生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)過(guò)程中獲得的有利于環(huán)境發(fā)展的效益[34],一般包括水源涵養(yǎng)、物種多樣性維持、水土保持等。通過(guò)對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定量評(píng)估和空間疊加,將綜合生態(tài)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Value, ESV)較高的斑塊識(shí)別為源地。針對(duì)不同研究區(qū)可以選擇適合的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)及對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。張亮等[35]基于城市生態(tài)斑塊的復(fù)合屬性特征,建立了一套適用于杭州市源地識(shí)別的體系。也有學(xué)者建立ESV與生態(tài)敏感性[36]、景觀連通性指數(shù)[37]耦合的指標(biāo)體系識(shí)別生態(tài)源地。

(4)其他識(shí)別方法。為了更好地進(jìn)行源地識(shí)別,Wanghe等[38]運(yùn)用內(nèi)置生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和景觀連通性指數(shù)的PANDORA模型,識(shí)別了北京市通州區(qū)某區(qū)域內(nèi)的多個(gè)中心節(jié)點(diǎn),結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,將中心節(jié)點(diǎn)所在的公園識(shí)別為生態(tài)源地。Liang等[39]運(yùn)用Zonation軟件進(jìn)行中國(guó)超大型景觀的生態(tài)優(yōu)先區(qū)域識(shí)別,考慮生物多樣性特征分布和權(quán)重條件下反復(fù)篩選,逐步刪除不重要的斑塊,剩余的斑塊被視為生態(tài)源地。Guo等[40]認(rèn)為高植被覆蓋率地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能更高,將歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)具有增長(zhǎng)趨勢(shì)的像元用閉合曲線連接,形成生態(tài)源地(適用于沒(méi)有水域的地區(qū))。Li等[41]綜合考慮土地利用類型、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、以及景觀連通性,將MSPA和指標(biāo)識(shí)別方法結(jié)合,更加全面科學(xué)地進(jìn)行生態(tài)源地的識(shí)別。

2.2.2阻力面構(gòu)建

阻力面是指信息流、物質(zhì)流、物種流等從源頭向外擴(kuò)散時(shí)需要克服的障礙等值面,可通過(guò)與源地結(jié)合構(gòu)建研究區(qū)域內(nèi)的廊道。阻力值可以反應(yīng)信息、物質(zhì)和物種在經(jīng)過(guò)不同土地利用類型時(shí)的困難程度,也可表現(xiàn)生態(tài)過(guò)程中景觀異質(zhì)性對(duì)信息、物質(zhì)和物種的影響,是阻力面構(gòu)建的重要參數(shù),國(guó)內(nèi)外研究中多用賦值法確定。

根據(jù)研究?jī)?nèi)容的不同,阻力因子的選擇也存在區(qū)別。阻力因子的選擇和賦值方法均可影響到阻力面構(gòu)建的精確程度,進(jìn)一步影響廊道構(gòu)建的結(jié)果。阻力因子的選擇需能夠全面表征廊道內(nèi)信息、物質(zhì)和物種流動(dòng)時(shí)可能遇到的障礙。因地制宜選擇合適的阻力因子指標(biāo)和方法有利于對(duì)區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確研究(圖3)。近五年相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明(共180篇),土地利用類型為最常用的阻力因子。除了土地利用類型,坡度、高程、地形也常被選擇為阻力因子(圖3),其中39篇文章結(jié)合了高程和坡度兩種因子。只選一種阻力因子時(shí),絕大多數(shù)學(xué)者首選土地利用類型(69篇)。Adriaensen等[42]認(rèn)為盡可能不要將土地利用分成較多層級(jí)或類別,避免一些小類別信息的丟失和阻力值賦值時(shí)的繁雜工作。也有較多學(xué)者選擇三個(gè)阻力因子構(gòu)建阻力面,通常為土地利用類型、地形以及一個(gè)與研究?jī)?nèi)容密切相關(guān)的阻力因子。也有學(xué)者認(rèn)為,區(qū)域內(nèi)的阻力來(lái)源于自然因素、人為干擾、經(jīng)濟(jì)因素等不同方面,從而選擇2—3個(gè)方面,每個(gè)方面選2—3個(gè)阻力因子。豐富的阻力因子可以更加全面地反映研究區(qū)的具體情況,但從圖3可知,并不會(huì)有太多學(xué)者選擇多于6個(gè)阻力因子構(gòu)建阻力面。研究區(qū)域內(nèi)道路常交錯(cuò)縱橫,交通因子也受到較多研究者的重視,Huang等[43]在構(gòu)建區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)選擇了三種道路阻力因子,分別為距離主要道路、次要道路和三級(jí)公路的距離。

圖3 近五年相關(guān)文獻(xiàn)中阻力因子選擇與阻力因子數(shù)量選擇

為了方便計(jì)算,阻力因子一般被賦予權(quán)重和阻力值。研究者一般參考相關(guān)文獻(xiàn)、相似案例以及咨詢?cè)擃I(lǐng)域?qū)＜业囊庖?jiàn),降低賦值過(guò)程中主觀性。對(duì)于沒(méi)有前人經(jīng)驗(yàn)的阻力因子也可以根據(jù)其概念、研究區(qū)實(shí)際情況、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行賦值。也有研究者將這些阻力因子進(jìn)行系統(tǒng)的整理,采用層次分析法(Analytical Hierarchy Process, AHP)賦予權(quán)重和設(shè)定阻力值[30]。還有研究者[44—45]將統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)結(jié)合,運(yùn)用空間主成分分析(Spatial Principal Component Analysis, SPCA)方法計(jì)算阻力因子的權(quán)重,不僅客觀性強(qiáng),而且能夠減少數(shù)據(jù)種類和數(shù)據(jù)量。

此外,Li等[41]引入地表干旱指數(shù)、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等作為修正參數(shù)進(jìn)行阻力面構(gòu)建。也可以考慮相同土地利用的內(nèi)部差異采用由土地利用類型插值得到的隱性阻力面[46],或者考慮人為干擾等因素,利用表征人類活動(dòng)的夜光燈數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[47]。Wang等[48]和毛誠(chéng)瑞等[49]利用ESV識(shí)別源地后,以ESV的倒數(shù)作為阻力面,即生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值高的地方阻力小。

2.2.3廊道提取

考慮斑塊、廊道、基質(zhì)之間的關(guān)系[50],結(jié)合源地和阻力面構(gòu)建廊道的方法在研究中較為常用。其本質(zhì)是根據(jù)于景觀生態(tài)學(xué)中的源—匯理論,探求景觀格局和生態(tài)過(guò)程之間的雙向影響,解決景觀生態(tài)學(xué)的核心問(wèn)題[40]。廊道提取的具體方法主要基于圖譜理論,但不是簡(jiǎn)單的歐幾里得距離,而是考慮成本和權(quán)重的加權(quán)距離[51—52]?；诘乩硇畔⒓夹g(shù),通過(guò)點(diǎn)線面規(guī)劃,選擇代表兩個(gè)源地區(qū)域之間最小阻力和最短距離的組合,模擬最可能的廊道。

廊道構(gòu)建方法可分為最小耗費(fèi)距離(Least Cost Distance, LCD)方法、最小耗費(fèi)路徑(Least Cost Path, LCP)方法、最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance, MCR)模型方法。這些方法與GIS技術(shù)結(jié)合,涵蓋了地形、地貌、人類影響等多種因素,能夠科學(xué)客觀地模擬廊道的位置和格局,模擬結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)廊道的可視化。

三種廊道構(gòu)建方法的本質(zhì)和目的相同,只是在概念和操作上存在一定差別。LCD是一個(gè)源地到另一個(gè)源地間物種的可能路線,可以表明源地的可達(dá)性[21, 53]。LCP是一個(gè)源地到另一個(gè)源地最小成本的唯一路徑,在LCD的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用LCP方法識(shí)別的最小耗費(fèi)路徑即為潛在生態(tài)廊道[40]。MCR模型方法將源地之間的距離概化為正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系,如公式(1)所示:

(1)

式中,i表示某一景觀單元；j表示某一源地；Ri表示i在某方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)；Dij表示物種或能量從j擴(kuò)散到i穿過(guò)的距離；min表示i到j(luò)產(chǎn)生的累積阻力最小值；f是一個(gè)反映空間某點(diǎn)的最小阻力到源地的距離和景觀類型特征的正相關(guān)函數(shù)。

通過(guò)以上方法可以初步構(gòu)建區(qū)域的生態(tài)廊道。在剔除重復(fù)廊道后,通過(guò)對(duì)研究區(qū)廊道景觀構(gòu)成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)或與數(shù)字河網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比,可以進(jìn)一步識(shí)別研究區(qū)的河流生態(tài)廊道。但是也存在一些問(wèn)題:1)不能區(qū)分廊道的重要性,2)沒(méi)有考慮廊道寬度的影響,3)忽略了源地本身存在的差異?；谶@些問(wèn)題,研究者給出了一些解決方法。如通過(guò)重力模型、圖譜理論[50—51]等方法結(jié)合景觀指數(shù),將廊道劃分為不同等級(jí),從而提取出更為重要的廊道。通過(guò)對(duì)研究區(qū)的系統(tǒng)分析[51],可以沿河道向兩側(cè)擴(kuò)展一定距離的緩沖區(qū),將寬度因素融入廊道構(gòu)建中。但也有研究者指出,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)沿河道外延形成的緩沖區(qū)在人類發(fā)展和生態(tài)保護(hù)中存在矛盾[35]。廊道寬度問(wèn)題值得研究者進(jìn)一步深入研究,找到合適的方法提升廊道寬度選擇的科學(xué)性和客觀性。為了區(qū)分源地之間的差異,Li等[41]考慮了源地面積和類型等因素,將MCR模型進(jìn)行修正為公式(2):

(2)

式中,Ej表示j的相對(duì)潛力,數(shù)值越大代表生態(tài)潛力越高。

另外,在阻力面構(gòu)建后,也有研究者基于電路理論通過(guò)Circuitscape軟件構(gòu)建生態(tài)廊道。與上述方法不同,電路理論認(rèn)為兩源地之間物種遷移是隨機(jī)的,這種隨機(jī)遷移更符合物種運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況,但不一定遵循最優(yōu)路徑。電路理論用電阻代表景觀阻力[54],用電流表示景觀單元節(jié)點(diǎn)間的物種擴(kuò)散通量[53],通過(guò)模擬得出多條可能路徑[55]。LaPoint等[52]利用LCD方法和基于電路理論的RD(Resistance Distance)方法提取了生態(tài)廊道,并與實(shí)際廊道進(jìn)行了對(duì)比,兩種方法均表現(xiàn)不佳,僅識(shí)別出不到1/4的實(shí)際使用廊道,后續(xù)應(yīng)結(jié)合生物實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行改善。

2.3 廊道直接提取和間接提取的比較

廊道直接提取方法最為簡(jiǎn)單,適用于單條河道,通過(guò)大量的實(shí)地調(diào)查等能夠細(xì)致、精確地表現(xiàn)河流生態(tài)廊道的特征。當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)發(fā)達(dá)、河流數(shù)量眾多時(shí),直接提取方法較難確定河流之間的關(guān)系,較難解釋流域內(nèi)的聯(lián)系,難以構(gòu)建完整的生態(tài)廊道系統(tǒng)。

間接提取方法基于“源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取”框架進(jìn)行河流生態(tài)廊道的提取,可以利用遙感影像、土壤和植被數(shù)據(jù)庫(kù)等多種可獲得的數(shù)據(jù),使河流生態(tài)廊道的提取可在室內(nèi)完成大部分工作,省時(shí)省力。間接提取方法尤其適用大尺度流域河流生態(tài)廊道的提取,在近五年的相關(guān)文獻(xiàn)中,86%的文章中研究區(qū)面積均超過(guò)了1000 km2。與實(shí)地考察相比,恰當(dāng)運(yùn)用遙感和GIS技術(shù)能夠在保障數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)下提高工作效率、節(jié)約人力和物力。但廊道間接提取方法不能細(xì)致到某一條河流的研究,所構(gòu)建的廊道細(xì)節(jié)不足。

通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)和方法比較可知,在大尺度流域框架下,可以結(jié)合河流生態(tài)廊道的基礎(chǔ)理論,采用“源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取”的間接方法提取流域內(nèi)的河流生態(tài)廊道。

3 白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構(gòu)建思路

3.1 研究區(qū)概況

白洋淀-大清河流域位于海河流域的中部,跨越山西、河北、北京、天津四個(gè)省市,總面積約4.5萬(wàn)km2。流域地勢(shì)呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢(shì),海拔高度最高2782 m左右,坡度在1/500—1/10000之間[56],山區(qū)地形變化顯著,平原地區(qū)起伏較小。流域內(nèi)有多條河流,漕河、府河、孝義河等九條河流匯入大清河流域中心區(qū)域的白洋淀,其中僅府河和孝義河沒(méi)有斷流[57]。白洋淀通過(guò)東側(cè)的趙王新河匯入大清河,然后向東注入渤海。流域中廣泛分布著白洋淀、團(tuán)泊洼等大型洼地,西大洋、王快、北大港等水庫(kù)(圖4)。流域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。大部分地區(qū)四季分明,多年平均降水量575 mm。流域內(nèi)廣泛分布褐土、棕壤、粗骨土、潮土等,山區(qū)土地利用類型以草地和林地為主,平原區(qū)城市及農(nóng)村與耕地相間分布。

圖4 大清河流域水系圖

3.2 白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構(gòu)建思路

白洋淀-大清河流域河網(wǎng)復(fù)雜,河流眾多,采用基于GIS的“源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取”間接提取河流生態(tài)廊道更為科學(xué)(圖5)。如圖4所示,白洋淀既是重要的生態(tài)源地,又是連接大清河流域的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。采用考慮生態(tài)系統(tǒng)連通性的MSPA方法識(shí)別重要的生態(tài)源地。在廊道構(gòu)建時(shí),可適當(dāng)提高白洋淀的源地等級(jí),進(jìn)而形成以白洋淀為核心的輻射型河流生態(tài)廊道及多河道交織的復(fù)雜河流生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)河流生態(tài)廊道的構(gòu)建,增強(qiáng)流域內(nèi)部連通,充分發(fā)揮白洋淀濕地對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境提升的作用,打造綠色、健康的流域生態(tài)環(huán)境。

圖5 白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構(gòu)建思路

(1)生態(tài)源地識(shí)別。采用MSPA方法,通過(guò)Guidos軟件對(duì)生態(tài)源地進(jìn)行識(shí)別,選用水體、林地和草地作為前景,其他土地利用類型作為背景,得到7類景觀,結(jié)合前人的研究和大清河流域的實(shí)際情況賦予7類景觀的具體生態(tài)學(xué)意義。結(jié)合景觀指數(shù)和斑塊面積進(jìn)行連通性評(píng)價(jià),篩選出更為重要且數(shù)量適宜的生態(tài)源地。為了便于后期對(duì)源地進(jìn)行管理,可以結(jié)合實(shí)際情況與斑塊所在的保護(hù)區(qū)、水庫(kù)、林地等景觀進(jìn)行對(duì)比,如果由MSPA方法識(shí)別的源地與實(shí)際景觀面積相近,可將源地斑塊進(jìn)行微調(diào)至實(shí)際景觀。將調(diào)整后的生態(tài)源地劃分為不同類型,如水源地、森林源地等,并根據(jù)源地的類型、面積、區(qū)位等要素將源地劃分為不同等級(jí)。

(2)阻力面構(gòu)建。阻力面構(gòu)建的前提是選擇合適的阻力因子,優(yōu)先選用土地利用類型,并結(jié)合其他廊道生態(tài)過(guò)程可能遇到的阻力,如高程、植被覆蓋度、與道路之間的距離等因子。通過(guò)層次分析法結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜乙庖?jiàn)、相關(guān)研究結(jié)果,對(duì)各阻力因子進(jìn)行分級(jí)并設(shè)定阻力值和權(quán)重。將多個(gè)單獨(dú)的阻力因子在ArcGIS中進(jìn)行處理,得到綜合景觀阻力面。

(3)河流生態(tài)廊道提取。結(jié)合源地和阻力面,應(yīng)用修正后加入源地等級(jí)的MCR模型生成各景觀單元到綜合景觀阻力面上最近源地的累積阻力距離的最小值。運(yùn)用ArcGIS中空間分析(Spatial Analyst)工具箱中的Cost Path工具提取流域內(nèi)的生態(tài)廊道,對(duì)重復(fù)的廊道進(jìn)行剔除后得到廊道網(wǎng)絡(luò)。對(duì)識(shí)別后的廊道進(jìn)行景觀組成分析,結(jié)合白洋淀-大清河流域的水系、路網(wǎng)等,分析河流生態(tài)廊道在區(qū)域內(nèi)的重要性。

(4)河流生態(tài)廊道優(yōu)化。河流生態(tài)廊道作用的發(fā)揮受到寬度、水系連通情況等因素的影響[58],合理規(guī)劃適當(dāng)?shù)睦鹊缹挾饶軌虼龠M(jìn)河流生態(tài)廊道效益的最大化?？紤]到白洋淀-大清河流域面積較大,通過(guò)土壤和水評(píng)估工具(Soil and Water Assessment Tool, SWAT)模型,以白洋淀為中心將流域劃分為若干小區(qū)域。位于大清河流域中央的白洋淀不僅具有重要生態(tài)價(jià)值,還是國(guó)家級(jí)雄安新區(qū)重要的水資源保障和生態(tài)景觀基地。結(jié)合每個(gè)區(qū)域河流生態(tài)廊道的作用、土地利用類型等因素,通過(guò)實(shí)地觀測(cè)、模型模擬、專家咨詢、緩沖區(qū)土地類型分析等方法合理規(guī)劃河流生態(tài)廊道的寬度。

4 河流生態(tài)廊道提取研究展望

4.1 河流生態(tài)廊道提取科學(xué)性的提升

河流生態(tài)廊道間接提取方法依托于遙感影像、氣象、人口等數(shù)據(jù),用GIS技術(shù)結(jié)合模型對(duì)廊道進(jìn)行提取,不僅效率高,而且適用于大尺度河流生態(tài)廊道。但是,阻力面構(gòu)建過(guò)程中阻力因子選擇和阻力值賦值較為主觀,是廊道構(gòu)建過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。雖然研究者針對(duì)這種主觀性進(jìn)行了一定的修正,如考慮土地利用類型對(duì)物質(zhì)和能量流動(dòng)的阻力等[59]。但目前尚未比較不同賦值方法對(duì)阻力面構(gòu)建的影響,不能有效評(píng)價(jià)不同賦值方法的優(yōu)劣。未來(lái)阻力面構(gòu)建可重點(diǎn)關(guān)注阻力值賦值的科學(xué)性,如結(jié)合模型對(duì)阻力因子賦予權(quán)重,明確不同阻力因子間的邏輯關(guān)系,提升相同阻力因子內(nèi)及不同阻力因子間賦值的科學(xué)性等；也可以結(jié)合廊道的實(shí)際功能進(jìn)行阻力面修正等,提升河流生態(tài)廊道提取的科學(xué)性。

4.2 河流生態(tài)廊道提取過(guò)程中廊道寬度的優(yōu)化

寬度不僅是河流生態(tài)廊道發(fā)揮功能的重要特征之一,也是河流生態(tài)廊道構(gòu)建的重要參數(shù)。直接提取方法通過(guò)野外調(diào)查確定河流生態(tài)廊道的寬度,但測(cè)量[60]、目視估計(jì)[61]等方法得到的廊道寬度,難以考慮河流、河漫灘、邊緣過(guò)渡帶三者之間的關(guān)系,并且在大尺度范圍很難實(shí)現(xiàn)?！霸吹刈R(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取方法”間接提取方法則不能確定河流生態(tài)廊道的寬度。未來(lái)需運(yùn)用3S(遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的統(tǒng)稱)技術(shù),結(jié)合相關(guān)數(shù)學(xué)模型或者建立經(jīng)驗(yàn)公式等,對(duì)間接提取的河流生態(tài)廊道寬度進(jìn)行模擬計(jì)算；也可采用直接提取和間接提取相結(jié)合的方法,在研究區(qū)劃分多個(gè)典型的小流域,通過(guò)野外調(diào)查確定河流生態(tài)廊道的寬度,用AI+GIS技術(shù)將廊道寬度推及到相似區(qū)域內(nèi)。