吳鈺茹,吳晶晶,畢曉麗,栗云召,肖魯湘,*

1 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所,煙臺(tái) 264003

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 101400

3 廣州城市信息研究所有限公司,廣州 510665

4 魯東大學(xué),煙臺(tái) 264003

景觀連通性是測(cè)定各類景觀廊道或基質(zhì)在空間上連續(xù)的指標(biāo)[1],用來度量物種遷移、擴(kuò)散或某種生態(tài)過程在景觀中的暢通程度,是景觀格局和生態(tài)過程之間聯(lián)系的紐帶[2]。景觀連通性評(píng)估包括功能性度量和結(jié)構(gòu)性度量。景觀連通性評(píng)估有助于快速了解景觀內(nèi)的生態(tài)過程,對(duì)提高生態(tài)功能,優(yōu)化區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域景觀管理及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和運(yùn)算方法的快速發(fā)展,基于最小耗費(fèi)距離理論和電路理論的景觀連通性評(píng)估模型應(yīng)用最為廣泛[3]。

最小耗費(fèi)距離模型基于圖論,通過計(jì)算源斑塊與目標(biāo)斑塊之間最小累積成本來模擬最小成本路徑,是物種遷徙或者某種生態(tài)過程運(yùn)行的最優(yōu)路徑[4]。最小耗費(fèi)距離模型所計(jì)算的障礙影響大小是物種遷移或擴(kuò)散過程中景觀對(duì)物質(zhì)、能量阻力產(chǎn)生的損耗系數(shù)[5]。通過對(duì)土地利用類型、海拔、道路密度等障礙因素進(jìn)行阻力面賦值,運(yùn)用最小耗費(fèi)距離模型來構(gòu)建研究區(qū)的累積耗費(fèi)距離表面,進(jìn)而計(jì)算出最小耗費(fèi)路徑。

但是,由于物種遷徙或者某種生態(tài)過程事先不知道目的地,符合隨機(jī)游走理論[6]。McRea據(jù)此提出將物理學(xué)的電路理論應(yīng)用到景觀生態(tài)學(xué)中,將電流作為物種遷移或者某種生態(tài)過程的生物流[7]。電路理論可以識(shí)別景觀內(nèi)物種或生態(tài)過程所有可以利用的潛在生態(tài)廊道,并拓展了夾點(diǎn)、障礙區(qū)等的識(shí)別功能[8]。

最小耗費(fèi)距離模型和電路理論模型都是基于“識(shí)別生態(tài)源地—構(gòu)建阻力面—提取生態(tài)廊道”的一般研究范式進(jìn)行模擬運(yùn)算[9]。其中阻力面用來反映物種遷移擴(kuò)散或某種生態(tài)過程運(yùn)行的困難度[10],是連通性研究的基礎(chǔ)[11]。阻力面的設(shè)定通常是根據(jù)專家意見或者相關(guān)數(shù)據(jù)而參數(shù)化設(shè)定。例如,劉孝富在廈門土地生態(tài)適宜性的評(píng)價(jià)中,采用專家打分與地形、水文地質(zhì)等各影響要素權(quán)重比相結(jié)合的方法來設(shè)定景觀過程阻力值[12]；孔繁花等將道路、水體、建設(shè)用地等不同用地類型賦予不同的景觀阻力值,生成濟(jì)南市耗費(fèi)阻力面[13]。Finch通過研究區(qū)所有土地利用類型排序公式進(jìn)行阻力賦值[14]。也有文獻(xiàn)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來設(shè)定阻力面參數(shù),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越高,該生態(tài)過程所經(jīng)受的阻力越小[15]。而Koen等人直接設(shè)計(jì)一個(gè)電阻表面,使景觀的阻力值估計(jì)對(duì)成本權(quán)重變化產(chǎn)生線性響應(yīng),這提高了衡量景觀功能連通性的準(zhǔn)確性[16]。因?yàn)楹茈y獲取實(shí)際觀測(cè)的阻力值數(shù)據(jù),所以阻力面的準(zhǔn)確構(gòu)建成為景觀連通性模型應(yīng)用中的一大難點(diǎn)[17]。

黃河三角洲具有典型的河口濕地生態(tài)系統(tǒng)。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,頻繁的人類活動(dòng)導(dǎo)致黃河三角洲濕地景觀破碎化,引起了一系列生態(tài)問題。許多學(xué)者在黃河三角洲景觀格局及其生態(tài)保護(hù)方面做了大量的研究工作,王永麗等人利用Fragstats研究了黃河三角洲2000年和2009年濕地不同時(shí)空尺度的景觀格局變化,結(jié)果表明10年間濱海濕地景觀破碎化程度有所降低[18]。吳晶晶等人利用基于圖論的指數(shù)方法測(cè)度景觀連接度對(duì)黃河三角洲濕地的時(shí)空變化格局進(jìn)行分析,結(jié)果表明1991—2013年期間黃河三角洲的景觀連通性整體較低[19]。大部分研究利用景觀指數(shù)等方式對(duì)黃河三角洲景觀連通性進(jìn)行了評(píng)估,為黃河三角洲開展?jié)竦乇Ｗo(hù)提供了參考。然而,較單一的使用基于圖論的指數(shù)模型和最小耗費(fèi)距離模型,使連通性評(píng)估結(jié)果存在一定的偏差。因此本文以黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,運(yùn)用最小耗費(fèi)距離模型與電路理論模型對(duì)黃河三角洲濕地進(jìn)行景觀連通性評(píng)估,同時(shí)通過對(duì)比分析兩種模型的基本原理、計(jì)算過程及其主要存在的問題,以期綜合利用兩種模型所得結(jié)論為黃河三角洲濕地景觀保護(hù)及規(guī)劃管理提供精準(zhǔn)服務(wù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 研究區(qū)

本文以東營(yíng)市墾利縣寧海為起點(diǎn)的近代黃河三角洲為研究區(qū)(圖1),總面積約為3084.72 km2。該研究區(qū)的范圍在37°36′N—37°45′N、118°32′E—119°19′E之間,屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨熱同期,年平均降水量約為500 mm左右。黃河三角洲是我國(guó)三大河口三角洲之一,它的灘涂、鹽沼、森林等濕地生態(tài)系統(tǒng)是眾多保護(hù)物種如丹頂鶴(Grusjaponensis)、白尾海雕(Haliaeetusalbicilla)等的棲息地和繁殖地；也是候鳥遷徙的重要路徑[20]；蘆葦(Phragmitesaustralis)、檉柳(Tamarixchinensis)、堿蓬(Suaedaglauca)為濕地植物群落的主要優(yōu)勢(shì)種。黃河三角洲石油資源豐富,石油工業(yè)相關(guān)的活動(dòng)及漁業(yè)資源發(fā)展使三角洲新生濕地生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的人為干擾。近30年來,濕地景觀破碎化明顯,如何維持和提高濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性是當(dāng)前黃河三角洲濕地保護(hù)管理工作中面臨的主要問題。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括濕地分類數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù),其中濕地分類數(shù)據(jù)來源于栗云召2014年構(gòu)建的濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),其將黃河三角洲劃分為3個(gè)地類級(jí)別:一級(jí)地類(自然濕地、人工濕地、非濕地和海洋)、二級(jí)地類(草本沼澤、灌叢濕地、森林濕地、鹽沼、灘涂、河流、積水洼地、養(yǎng)殖塘、池塘、水田、鹽田、水庫(kù)、溝渠等19個(gè))、三級(jí)地類(蘆葦濕地、淡水沼澤、草甸濕地等36個(gè))[21]；NDVI數(shù)據(jù)為500 m 分辨率的月合成產(chǎn)品,來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)。

2 研究方法

2.1 基本原理

2.1.1最小耗費(fèi)距離理論

最小耗費(fèi)距離是目前使用最廣泛、簡(jiǎn)便快速的一種景觀連通性評(píng)估模型。它是通過計(jì)算源點(diǎn)到消耗費(fèi)用最低、距離最近的源的方向和路徑來確定廊道和戰(zhàn)略點(diǎn)[19]。不同于歐氏距離,最小耗費(fèi)距離是基于某物種或某一生態(tài)過程克服不同生態(tài)源地時(shí)的耗費(fèi)阻力系數(shù)來計(jì)算的。源斑塊之間存在多條路徑,但總有一條路徑上的阻力累計(jì)值最小,稱之為最小耗費(fèi)路徑。其計(jì)算公式為[9]:

(1)

式中,MCR為某物種或某生態(tài)過程通過源i出發(fā)到達(dá)景觀中另一源j所耗費(fèi)的最小費(fèi)用距離；Dij為源斑塊i到源斑塊j所經(jīng)歷的費(fèi)用距離；Ri為經(jīng)過源斑塊i時(shí)的阻力系數(shù)。

基于ArcGIS的空間分析工具(Spatial Analyst Tools),根據(jù)重力模型進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中重要邊的提取,網(wǎng)絡(luò)邊的有效性和重要性則通過源斑塊相互作用強(qiáng)度來定量表征,計(jì)算出源地斑塊之間的最小累積阻力值。最小累積耗費(fèi)距離強(qiáng)調(diào)的是資源阻力在一定空間距離上的累積效應(yīng),所生成的為兩個(gè)生態(tài)源地之間的最小耗費(fèi)距離[22],即物種在對(duì)景觀格局有著最優(yōu)了解的情況下,根據(jù)唯一最優(yōu)路徑進(jìn)行遷徙,沒有其他潛在路徑可以通過,此方法存在一定的分析誤差。

2.1.2電路理論

電路理論通過隨機(jī)漫步理論將物理學(xué)中的電路與生態(tài)學(xué)相結(jié)合,在物種遷移或擴(kuò)散過程中,景觀被視為導(dǎo)電表面,高滲透性景觀的電阻低,低滲透性景觀電阻高[23]。電路理論模型假定物種遷移或擴(kuò)散過程中經(jīng)過不同的阻力值會(huì)產(chǎn)生有差異的電流密度,通過連接源斑塊,創(chuàng)建累積電流值作為耗費(fèi)路徑[24]。累積電流值越高,說明在該區(qū)域兩生態(tài)源地之間的連通性越好,有更多的物種或者某物種更加頻繁地通過該區(qū)域,即該生態(tài)廊道的使用頻率越高。電路理論可獲取多路徑擴(kuò)散的研究結(jié)果,更具有現(xiàn)實(shí)性和客觀性。因此,在電路理論模型中,相關(guān)的物理學(xué)術(shù)語(yǔ)具有了明確的生態(tài)學(xué)意義(表1)。

表1 電路理論中物理學(xué)術(shù)語(yǔ)、單位及生態(tài)學(xué)意義對(duì)照表

利用Cirsuitscape[24]軟件,通過模擬物種遷移路徑或者基因流來確定生態(tài)廊道。ArcGIS的Linkage Mapper插件可進(jìn)行源地中心度、廊道“夾點(diǎn)”以及景觀連接中的障礙區(qū)確定與分析。其中源地中心度是用來衡量生態(tài)源地或者生態(tài)廊道對(duì)保持整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要性[25],通過使用Circuitscape成對(duì)運(yùn)算模式計(jì)算獲得的整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的電流的中心性進(jìn)而產(chǎn)生中心度得分。其計(jì)算方式是將兩生態(tài)源地間最小成本路徑的成本加權(quán)距離作為該路徑的阻力值,一生態(tài)源地為起點(diǎn),輸入1 A的電流,另一生態(tài)源地接地,以此遍歷所有成對(duì)生態(tài)源地,最終獲得生態(tài)源地和生態(tài)廊道的中心性得分。在研究區(qū)域的生態(tài)保護(hù)過程中如果中心度得分較高的生態(tài)源地或者生態(tài)廊道被某種方式占用或出現(xiàn)一定的損失,該區(qū)域的大部分的生態(tài)源地和生態(tài)廊道會(huì)受到慘重?fù)p失；通過電流密度圖識(shí)別的“夾點(diǎn)”是整個(gè)景觀連接最重要的部分,某個(gè)“夾點(diǎn)”的損失會(huì)造成該研究區(qū)內(nèi)整個(gè)景觀連接的紊亂,相當(dāng)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的“踏腳石”[26],所以“夾點(diǎn)”區(qū)域的保護(hù)要優(yōu)于對(duì)景觀連通性貢獻(xiàn)不大的區(qū)域。

在關(guān)鍵生態(tài)廊道中存在建設(shè)用地等阻力面值較高的土地利用類型時(shí),就會(huì)產(chǎn)生障礙,在一定成本加權(quán)距離范圍內(nèi),借助移動(dòng)窗口搜索法識(shí)別障礙區(qū)[27]。障礙區(qū)分析最終給出的結(jié)果為當(dāng)改變電阻值為1時(shí),每個(gè)柵格恢復(fù)時(shí),預(yù)期減少的最小耗費(fèi)距離并對(duì)減少的最小耗費(fèi)距離給予改善得分,改善得分高的區(qū)域通過修復(fù),可以改善研究區(qū)域內(nèi)多重廊道[28]。但是該方法存在一定的問題:電路理論根據(jù)隨機(jī)游走理論運(yùn)行,但物種遷移過程有一定的事先經(jīng)驗(yàn)或者根據(jù)沿途中的指示植物進(jìn)行遷移擴(kuò)散。

2.2 生態(tài)源地的識(shí)別

某一生態(tài)斑塊作為某物種或生態(tài)過程向外擴(kuò)散和維持的源區(qū),對(duì)區(qū)域生態(tài)過程和功能起著決定作用,將該生態(tài)斑塊識(shí)別為生態(tài)源地[29—30]。生態(tài)源地的功能是相對(duì)的,比如某一廊道的生境斑塊質(zhì)量較差,但是可能提供最佳或者唯一的覓食路徑或者休息區(qū)[14]。Mallarach等認(rèn)為面積較小的生態(tài)孤島對(duì)生態(tài)保護(hù)的功能性不強(qiáng)[31],選擇有較豐富物種的大面積生境斑塊作為生態(tài)源地。所以本文在進(jìn)行生態(tài)源地的選擇時(shí)根據(jù)黃河三角洲區(qū)域主要濕地類型斑塊面積的大小進(jìn)行生態(tài)源地的選擇,選擇面積大于0.8 km2的主要濕地(圖2):灌叢濕地(14個(gè))、森林濕地(11個(gè))、灘涂(13個(gè))、鹽沼(18個(gè))作為源斑塊,進(jìn)行濕地景觀連通性評(píng)估分析。

圖2 生態(tài)源地

2.3 阻力面設(shè)定

根據(jù)研究區(qū)的生態(tài)本底特征、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值以及專家經(jīng)驗(yàn)提出兩種阻力面構(gòu)建的方案(表2)。本文中,積水洼地是指油田相關(guān)活動(dòng)導(dǎo)致的坑洼地面,將其劃為人工濕地。第一種阻力面設(shè)定考慮所有水系在黃河三角洲濕地具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,阻力面設(shè)定為1,對(duì)物種遷移或者物質(zhì)、能量運(yùn)輸?shù)茸枇ψ钚?。第二種阻力面將河流根據(jù)不同流域面積對(duì)阻力值進(jìn)行分級(jí)設(shè)定,并結(jié)合最為廣泛使用的陸域方案對(duì)各土地利用類型進(jìn)行阻力賦值(圖3)。

表2 阻力賦值體系

2.4 運(yùn)行過程對(duì)比

最小耗費(fèi)距離模型與電路理論模型都是以計(jì)算歐氏距離為基礎(chǔ)的。最小耗費(fèi)距離只生成了最小耗費(fèi)路徑,沒有辦法識(shí)別整個(gè)生態(tài)區(qū)域的潛在生態(tài)廊道。最小耗費(fèi)距離模型的計(jì)算在運(yùn)行過程中會(huì)輕易忽略阻力較小的生態(tài)源地,對(duì)最后景觀連通性產(chǎn)生較大的影響。電路理論首先是識(shí)別鄰近核心區(qū)域,基于歐氏距離來構(gòu)建核心網(wǎng)絡(luò),計(jì)算電阻路徑之后通過閾值的設(shè)定來確定核心生態(tài)源地的連接,從而計(jì)算電流值。

2.5 分析尺度對(duì)比

最小耗費(fèi)距離模型生成的只有最小耗費(fèi)生態(tài)廊道,不進(jìn)行潛在廊道的分析,輸入數(shù)據(jù)與結(jié)果數(shù)據(jù)均占較小空間,運(yùn)行速度快,能夠在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行大尺度的景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究。電路理論需要生成兩生態(tài)源地之間的電流值,并對(duì)其電流值進(jìn)行累加運(yùn)算。生態(tài)源地之間的廊道連接存在一定的冗余性,需要在運(yùn)行過程中刪除穿過生態(tài)源地的生態(tài)連接。其拓展功能需要通過計(jì)算耗費(fèi)電流值來獲取“夾點(diǎn)”和障礙區(qū)。以黃河三角洲為例,應(yīng)用于最小耗費(fèi)距離的生態(tài)源地與阻力面在電路理論中運(yùn)行需耗費(fèi)30 h左右,運(yùn)行速度慢,適合短時(shí)間內(nèi)中小尺度區(qū)域的研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于最小耗費(fèi)距離的評(píng)估

最小耗費(fèi)距離模型對(duì)兩種方案分別共生成了129條和113條最小成本路徑(圖4)。對(duì)比于第一種阻力面,將河流根據(jù)不同流域面積設(shè)定不同阻力值對(duì)景觀連通性有更大的影響,通過成對(duì)棲息地之間的成本加權(quán)距離(CWD, Cost Weight Distance)與最小耗費(fèi)路徑(LCP, Least Cost Path)可以看出阻力面設(shè)定值越大,成本加權(quán)距離越大(表3)。

表3 成對(duì)棲息地之間的歐氏距離、最小耗費(fèi)路徑長(zhǎng)度、成本加權(quán)距離等數(shù)量特征

成本加權(quán)距離與最小耗費(fèi)路徑長(zhǎng)度(LCPL, Least Cost Path Length)的比值可以研究最小成本路徑的性質(zhì)[3],當(dāng)CWD/LCPL值越大時(shí),物種通過此最小成本路徑進(jìn)行遷移或者擴(kuò)散時(shí)遭受到較大的阻力,景觀連通性較差。結(jié)合2013年的土地利用類型圖進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)耗費(fèi)高的路徑大部分經(jīng)過旱地、工礦區(qū)等阻力面較大的土地利用類型。第二種阻力面相對(duì)于第一種阻力面景觀連通性有所降低,廊道總長(zhǎng)減少4010 m,最小耗費(fèi)路徑降低16%,體現(xiàn)在研究區(qū)的西部。

阻力面方案一中,從編號(hào)為5的生態(tài)源地出發(fā)的最小耗費(fèi)路徑最多,有7條；到達(dá)編號(hào)為29的生態(tài)源地的連接路徑有6條。129條路徑中最長(zhǎng)的一條路徑是從生態(tài)源地33到生態(tài)源地2,其歐式距離為28043 m。方案二從編號(hào)6和22的生態(tài)源地出發(fā)的最小耗費(fèi)路徑最多,有6條,到達(dá)編號(hào)為54的生態(tài)源地的最小耗費(fèi)路徑有6條(圖4)。

在兩種阻力面方案設(shè)定下,有10對(duì)生態(tài)源地之間一直存在廊道,不同阻力面下仍存在連接的生態(tài)源地之間最小耗費(fèi)路徑長(zhǎng)度存在明顯的差異(圖5)。

圖5 不同阻力面下10對(duì)生態(tài)源地之間最小耗費(fèi)路徑

3.2 基于電路理論的景觀連通性評(píng)估

Circuitscape運(yùn)行結(jié)果表明第一種方案阻力面的電流值在(0,40)A之間(圖6),生態(tài)源地56與51之間、7與54之間的電流密度大,電流值均大于4。較高的電流密度主要集中在黃河三角洲中部區(qū)域,說明黃河三角洲中部區(qū)域的景觀連通性較好。生態(tài)源地30、20與5的中心度得分較高,分別為533.50594、503.819695、497.402128,分布在黃河三角洲的北部和東部,屬于原黃河入?？诤同F(xiàn)黃河三角洲保護(hù)區(qū),這些生態(tài)源地對(duì)維持黃河三角洲景觀連通性具有重要貢獻(xiàn)。而在邊緣編號(hào)為40的生態(tài)源地,中心度得分最低為55,且周圍的電流值較低,景觀呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì)。

第二種方案的阻力面的電流值在(0,73)A之間(圖6),相對(duì)于第一種阻力面,整體電流密度明顯下降,潛在生態(tài)廊道明顯減少,生態(tài)源地7與54之間有大于10 A的電流值通過。結(jié)合土地利用類型,由于25號(hào)(研究區(qū)東部)生態(tài)源地附近多人工養(yǎng)殖池,26號(hào)與23號(hào)(研究區(qū)西部)生態(tài)源地附近多鹽田,旱地較多的遍布在了45號(hào)生態(tài)源地(研究區(qū)東北部)周圍,在方案2中面積小的水域阻力值設(shè)定較高,導(dǎo)致黃河三角洲西北部、中南部和東北部的電流密度明顯降低,造成關(guān)鍵生態(tài)廊道消失或者潛在生態(tài)廊道減少。景觀連通性在第二種阻力面的設(shè)定情況下明顯較差,不利于識(shí)別有關(guān)潛在廊道及對(duì)黃河三角洲景觀連通性的整體性了解。在阻力面變更的情況下,生態(tài)源地的中心性沒有明顯變化,主要生態(tài)源地仍然分布在北部和東部。

圖6 不同阻力面方案電流密度

圖7左為第一種阻力面方案生成的成本加權(quán)距離表面。電流高的地區(qū)其成本加權(quán)距離越小,在電流幾乎為零的地區(qū),該廊道的成本加權(quán)距離呈現(xiàn)紅色較高值,在東部工礦區(qū)和西南部的旱地、居民區(qū)最為明顯。圖7右為第二種阻力面方案生成的成本加權(quán)距離表面,各生態(tài)源地之間的成本加權(quán)距離都較小。人工濕地阻力值的設(shè)定大于第一種,所以在西南部地區(qū)高值更加明顯,東部工礦區(qū)的成本加權(quán)距離顯然低于第一種阻力面設(shè)定。西南部人工濕地建設(shè)區(qū)與東部工礦區(qū)的景觀破碎化程度較高,對(duì)景觀連通性的貢獻(xiàn)較低。

圖7 不同阻力面方案成本加權(quán)距離

根據(jù)生態(tài)源地面積大小將成本加權(quán)距離的閾值設(shè)定為2000 m作為生態(tài)廊道的“寬度”,此寬度是指成本加權(quán)距離的大小。在不同廊道“寬度”下,兩個(gè)生態(tài)源地之間的電流大小不同。本研究在2000 m閾值下研究黃河三角洲區(qū)域生態(tài)廊道的“夾點(diǎn)”,該“夾點(diǎn)”是指一條狀的狹窄區(qū)域,并不是單純的點(diǎn)。通過參數(shù)設(shè)定生成的夾點(diǎn)區(qū)域如圖8所示,相同閾值設(shè)定下,第一種阻力面生成的夾點(diǎn)區(qū)域較為明顯。在第一種阻力面設(shè)定下,黃河三角洲區(qū)域生態(tài)源地之間大部分存在夾點(diǎn),作為兩個(gè)生態(tài)源地之間的小型生態(tài)區(qū)域；在第二種阻力面設(shè)定情況下,黃河三角洲北部和南部區(qū)域生態(tài)源地之間的部分夾點(diǎn)消失,零散的人工濕地和旱地造成北部區(qū)域和南部區(qū)域的景觀破碎化,導(dǎo)致較差的景觀連通性。兩種阻力面設(shè)定情況下的“夾點(diǎn)”主要集中在中部區(qū)域,說明中部地區(qū)對(duì)黃河三角洲景觀連通性起著關(guān)鍵作用。

圖8 不同阻力面方案“夾點(diǎn)”

以往景觀連通性的研究?jī)H限于構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò),很少關(guān)注生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的障礙區(qū)。為了更好地維護(hù)和改善景觀連通性,需要進(jìn)一步做出規(guī)劃,對(duì)于障礙區(qū)的精準(zhǔn)識(shí)別尤為重要。生態(tài)廊道的寬度在600—1200 m范圍內(nèi)能夠創(chuàng)造自然化的物種豐富的景觀結(jié)構(gòu)[32],本文據(jù)此設(shè)定生態(tài)源地800 m的搜索半徑進(jìn)行障礙區(qū)的識(shí)別。圖9是通過設(shè)定800 m搜索半徑獲取黃河三角洲區(qū)域的障礙區(qū)范圍,使用最大改善得分方法獲取的障礙區(qū)的改善得分,為該區(qū)域中心像元改善得分的最大值。在兩種阻力面設(shè)定下,改善得分較高的障礙區(qū)相似,主要為東部工礦區(qū)、養(yǎng)殖池(A區(qū)域),西部養(yǎng)殖池(B區(qū)域)。不同的是,在水系阻力值較高的設(shè)定下,黃河三角洲現(xiàn)入?？?C區(qū)域)的改善得分明顯有所提高,水系對(duì)C區(qū)域連通性有一定程度的影響,應(yīng)對(duì)該區(qū)域引起足夠的重視。在一定的保護(hù)和改善措施下A、B、C區(qū)域的景觀連通性將會(huì)得到較大的提高。由于南部地區(qū)的景觀阻力值較大,導(dǎo)致該區(qū)域改善得分為零,可能會(huì)造成該區(qū)域修復(fù)的忽略,不利于該區(qū)的景觀生態(tài)發(fā)展。

圖9 不同阻力面設(shè)定方案下的障礙區(qū)

4 結(jié)論與展望

綜合最小耗費(fèi)距離模型與電路理論模型評(píng)估了黃河三角洲濕地景觀連通性。結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)通過最小耗費(fèi)距離模型得出的最小成本路徑與由電路理論模型得出的電流密度高值區(qū)基本貼切。(2)根據(jù)不同流域面積對(duì)河流設(shè)定不同的阻力值對(duì)景觀連通性有一定影響,不同阻力面方案的設(shè)定下景觀連通性不同。成本加權(quán)距離在第一種阻力值設(shè)定下工礦區(qū)和旱地、居民區(qū)呈現(xiàn)高值；當(dāng)在阻力面方案二設(shè)定中人工濕地阻力值較大時(shí),工礦區(qū)的成本加權(quán)距離較第一種阻力面方案設(shè)定低。(3)在成本加權(quán)距離2000 m閾值范圍內(nèi)生成“夾點(diǎn)”,兩種阻力面方案設(shè)定下,“夾點(diǎn)”主要集中在黃河三角洲中部區(qū)域,說明中部地區(qū)對(duì)黃河三角洲的景觀連通性起著關(guān)鍵作用。(4)根據(jù)障礙區(qū)的改善得分提取黃河三角洲三大改善區(qū)域(圖9):東部工礦區(qū)、養(yǎng)殖池,西部養(yǎng)殖池以及黃河現(xiàn)入?？趨^(qū)域。

最小耗費(fèi)距離模型得出的最小成本路徑是評(píng)估景觀連通性的重要方法,能夠?yàn)辄S河三角洲濕地的主要保護(hù)區(qū)的修護(hù)與管理提出建議；電路理論以隨機(jī)游走理論為基礎(chǔ),能夠識(shí)別黃河三角洲各生態(tài)源地之間的潛在生態(tài)廊道,可作為關(guān)鍵生態(tài)廊道的補(bǔ)充,為黃河三角洲濕地保護(hù)、恢復(fù)、管理提供更加充分的空間。

兩種模型存在一定的局限性。最小耗費(fèi)模型無法識(shí)別潛在廊道,只關(guān)注于最優(yōu)路徑,一定程度上導(dǎo)致生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的缺失。電路理論認(rèn)為物種的遷移或擴(kuò)散是事先不知道周圍環(huán)境狀況,不一定能夠識(shí)別最優(yōu)路徑,但是物種在黃河三角洲地區(qū)可能具有一定的遷徙或活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),其行為具有一定的不確定性。最小耗費(fèi)距離模型由于只是識(shí)別最小成本路徑,運(yùn)行速度快,能夠在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行大尺度景觀的研究,而電路理論的運(yùn)行處理速度慢,需生成累積電流,適用于在短時(shí)間內(nèi)對(duì)中小尺度景觀的研究。其次電路理論在運(yùn)行過程中根據(jù)累積電流值生成障礙區(qū)或者“夾點(diǎn)”等都需要設(shè)置一定的閾值范圍,此閾值范圍的設(shè)定需要進(jìn)行進(jìn)一步討論研究,本文僅根據(jù)生態(tài)源地的面積來進(jìn)行設(shè)定,具有一定的局限性。

阻力值的設(shè)定也是目前需要關(guān)注的問題之一,同一物種對(duì)于不同土地利用類型具有不同的適應(yīng)性,或者不同物種對(duì)于同一種土地利用類型具有不同的適應(yīng)性,以及不同的遷移擴(kuò)散需求等都對(duì)土地利用類型有著不同的要求,僅僅考慮專家意見或者在專家意見上根據(jù)有限的數(shù)據(jù)來設(shè)定的阻力值具有一定的局限性。本文通過采用兩種阻力值設(shè)定方案進(jìn)行研究,能夠根據(jù)研究目的相互結(jié)合得出更加全面的數(shù)據(jù)分析。

黃河三角洲作為典型的河口濕地生態(tài)系統(tǒng),“夾點(diǎn)”具有維持和促進(jìn)物種多樣性、便于特有物種遷徙等功能。通過量化“夾點(diǎn)”的重要性,有利于提出合理的景觀規(guī)劃方案,降低破碎化程度,促進(jìn)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。通過障礙區(qū)的改善得分可以為黃河三角洲的濕地生態(tài)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

總之,最小耗費(fèi)距離模型與電路理論模型對(duì)黃河三角洲區(qū)域的景觀連通性評(píng)估結(jié)果趨于一致,電路理論同時(shí)具有識(shí)別“夾點(diǎn)”和障礙區(qū)的拓展功能。綜合兩種方法能夠快速全面地分析海岸帶地區(qū)的景觀連通性,可以為我國(guó)海岸帶景觀保護(hù)與生態(tài)安全格局建設(shè)提供科學(xué)可行的研究方案。