基于“HY-LM”的生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點綜合識別研究

韋寶婧,蘇 杰,胡希軍,*,徐凱恒,朱滿樂,劉路云

1 中南林業(yè)科技大學風景園林學院,湖南省自然保護地風景資源大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心,城鄉(xiāng)景觀生態(tài)研究所，長沙 410004

2 南京大學建筑與城市規(guī)劃學院，南京 210093

3 中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120

2020年9月《市級國土空間總體規(guī)劃編制指南(試行)》(自然資辦發(fā)[2020]46號)中提到需“明確自然保護地等生態(tài)重要和生態(tài)敏感區(qū)域,構(gòu)建重要生態(tài)屏障、廊道和網(wǎng)絡(luò),形成連續(xù)、完整、系統(tǒng)的生態(tài)保護格局和開敞空間網(wǎng)絡(luò)體系,維護生態(tài)安全和生物多樣性”。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個區(qū)域同類型生態(tài)系統(tǒng)的集合,是形成區(qū)域生態(tài)斑塊有效連接的方式之一,構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)廊道是恢復和維護生態(tài)連通性的重要策略[1]。生態(tài)廊道作為溝通生態(tài)斑塊的橋梁,是不同于兩側(cè)基質(zhì)的線狀或帶狀景觀要素,也是生態(tài)斑塊間物質(zhì)、能量及信息交換的通道[2],因此借助生態(tài)廊道可促進物種棲息、繁衍、遷徙和擴散等生態(tài)過程[3]。目前學者們多運用基于最小累積阻力模型(MCR)提取最小費用路徑[4—6],即為生態(tài)廊道；近年來部分學者利用水文分析原理通過提取累積耗費距離的山谷線作為生態(tài)廊道[7]；少量學者運用Linkage Mapper工具提取帶有寬度信息的生態(tài)廊道[8—9],其本質(zhì)是計算與最近源地的加權(quán)成本距離。生態(tài)節(jié)點是指生態(tài)廊道上對斑塊間生態(tài)過程起關(guān)鍵作用的生態(tài)地段[10],一般位于廊道的最薄弱處,起“踏腳石”作用的生態(tài)節(jié)點可實現(xiàn)斑塊間從結(jié)構(gòu)聯(lián)動到功能連通的轉(zhuǎn)變[11—12],對維持生態(tài)安全格局、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中各組分間物質(zhì)能量交流過程具有戰(zhàn)略節(jié)點價值。依據(jù)已有研究對生態(tài)節(jié)點的識別方式,生態(tài)節(jié)點是環(huán)繞相鄰源的等阻力線的相切點[10,13],也有是與最小費用路徑的交點[14—15],還有是不同等級廊道的交點[16],甚至有的是基于電路理論識別出生態(tài)“夾點”和“障礙點”[17]。

大量的研究為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供了較為成熟的研究范式[18],也為生態(tài)安全格局構(gòu)建、生態(tài)規(guī)劃建設(shè)及物種保護等戰(zhàn)略部署提供重要方法依據(jù)。在這些生態(tài)廊道提取方法中,MCR模型運用ArcGIS的成本路徑工具識別源地間最小耗費路徑確定物種遷徙與擴散的所有可能路徑,其過程需大量反復操作且生成的廊道冗雜；Linkage Mapper工具進行生態(tài)廊道識別的原理與MCR基本相同,其優(yōu)勢在不需要人為對剔除重復冗余廊道,即可通過設(shè)定廊道長度閾值等操作得到含一定寬度信息的生態(tài)廊道；利用水文分析原理除了得到源地間生態(tài)廊道外,還可生成許多以源地為中心的、按照累積阻力面向周圍景觀展開的低阻力通道,一般呈輻射狀展開,稱為輻射道[19],是區(qū)別于MCR模型和Linkage Mapper方法識別的生態(tài)廊道,輻射道對于加強源地與周圍基質(zhì)的連接以及連接潛在源地具有重要作用[20]。在生態(tài)節(jié)點判別方面,MCR模型主要將生態(tài)廊道交匯處判別為生態(tài)節(jié)點,而Linkage Mapper工具進行生態(tài)節(jié)點判別其優(yōu)勢主要通過分析生態(tài)“夾點”和生態(tài)“障礙點”而確定,帶有明確的空間及區(qū)域信息,不僅是簡單的廊道相交；水文分析原理則可形成集水“盆地”確定生態(tài)節(jié)點,目前已被多數(shù)學者認可[21]。目前的研究方法和思路多基于某一種識別方法進行生態(tài)廊道提取和生態(tài)節(jié)點判別,多方法、多目標的綜合識別研究較少。

本文以福建省上杭縣為實例,運用水文分析原理和Linkage Mapper工具等分別提取生態(tài)廊道,疊加合并后構(gòu)成上杭縣綜合生態(tài)廊道體系,利用Circuitscape工具識別其生態(tài)“夾點”和“障礙點”,與水文分析“源-匯”原理識別所得的生態(tài)薄弱點進行疊加獲得上杭縣綜合生態(tài)節(jié)點空間分布。對生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點進行等級劃分,關(guān)鍵生態(tài)廊道和關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點構(gòu)成了上杭縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵地段,對關(guān)鍵地段不同寬度緩沖區(qū)設(shè)定下所覆蓋的土地覆被類型構(gòu)成進行分析,從而為區(qū)域生態(tài)安全格局、國土空間規(guī)劃與生態(tài)系統(tǒng)修復等研究提供較為科學、全面的研究思路和研究方法,同時也可為生物多樣性保護與生態(tài)建設(shè)提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

上杭縣隸屬于福建省龍巖市,又稱杭城、杭川、金杭,位于福建省西南部,龍巖市域中西部,汀江中游(圖1)。上杭縣境內(nèi)丘陵起伏,西側(cè)屬武夷山脈南段的延伸分支,境內(nèi)水系密布,有汀江、九龍江、梅江水系,其中汀江是福建省四大河流之一。上杭縣屬亞熱帶季風氣候,溫暖濕潤,降水充沛,原生植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林,森林覆蓋率達75.1%,是我國南方48個重點林區(qū)縣之一。由于受人為活動的影響和生態(tài)環(huán)境的改變,僅有步云、古田的梅花山區(qū)有保存較好的成片原生植被。

圖1 上杭縣區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

土地覆被數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)2020年全球30 m 地表覆蓋數(shù)據(jù)(GlobalLand30),根據(jù)上杭縣行政邊界矢量裁剪,獲取上杭縣2020年土地覆被數(shù)據(jù),分為森林、水體、耕地、灌木地、草地、濕地、人造地表七類；DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)ASTER GDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù),條帶號120,行編號43；上杭縣道路、河流數(shù)據(jù)均由上杭縣自然資源局提供,年份為2019年；2020年上杭縣NDVI數(shù)據(jù)來源于Landsat系列遙感影像,并根據(jù)上杭縣主要作物物候期(即2020年7月1日—2020年10月31日)進行中值處理。

基于生態(tài)重要性角度綜合上杭縣森林公園、濕地保護區(qū)(水庫、水源保護地等)、梅花山國家自然保護區(qū)、自然保護小區(qū)等區(qū)域,刪除重復、細碎斑塊,獲得上杭縣生態(tài)源地分布圖(圖2),共73個生態(tài)源地,源地內(nèi)主要保護物種以陸生動物為主,有眼鏡蛇Najaatra、穿山甲Manispentadactyla、蟒蛇Pythonbivittatus、虎紋蛙Hoplobatrachuschinensis、云豹Neofelisnebulosa、大靈貓Viverrazibetha、蘇門羚(中華鬣羚)Capricornismilneedwardsii、野豬Susscrofa等。

圖2 上杭縣主要生態(tài)源地分布

2 研究方法

研究方法由三部分組成,即生態(tài)源地的篩選和綜合阻力面構(gòu)建、生態(tài)廊道綜合識別、生態(tài)節(jié)點綜合識別。技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

2.1 阻力面構(gòu)建

(1)阻力因子選取

生態(tài)阻力值主要受土地覆被類型和地形坡度影響[22]。對于大多數(shù)生物,特別是陸生物種來說,建設(shè)用地、道路和水域是物種遷移擴散的重要障礙,由于遭受強烈的人為干擾,城市建設(shè)用地(人造地表)景觀阻力賦值最大；高速公路與鐵路對生態(tài)斑塊的阻隔作用較大,因此道路的景觀阻力賦值也較大；大的水域可能更多的是對陸生物種的阻隔作用,而小的水域是動物遷徙過程中的重要水源,因此將主要水域按照距水域不同的距離分別賦予不同的景觀阻力值。參考前人研究成果[23]及綜合上杭縣實際情況,選取土地覆被類型、距道路距離、地形起伏度、坡度、距水域距離、NDVI植被指數(shù)等為主要阻力因子并進行分級賦值(表1、圖4)。

表1 阻力因子與阻力值

圖4 上杭縣域生態(tài)阻力基面

(2)阻力值確定及綜合阻力面構(gòu)建

利用ArcGIS對阻力因子分級、標準化處理,參考文獻資料及結(jié)合上杭縣實際情況將其標準化為5級[24—25]。目前在阻力值權(quán)重方面主要分為客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法兩種,前者根據(jù)阻力因子反映的統(tǒng)計信息對阻力因子賦權(quán),如熵權(quán)法、主成分分析法等,后者結(jié)合專業(yè)知識和專家經(jīng)驗綜合確定指標權(quán)重,如層次分析法、灰度關(guān)聯(lián)度分析法等[26],目前多數(shù)研究采用層次分析法[27]。然層次分析法權(quán)重的主觀性較大,未對各阻力因子深入分析可能會導致結(jié)果與實際誤差較大,考慮模型可行性、綜合阻力面結(jié)果的客觀性和準確性,本研究采用熵權(quán)法求取阻力因子權(quán)重。熵權(quán)法既可以克服主觀賦權(quán)法無法避免的隨機性、臆斷性,還可以有效解決多指標變量間信息的重疊問題,熵權(quán)法主要運用于面板數(shù)據(jù)的指標權(quán)重求取。本文引入熵權(quán)法,將其與GIS空間地圖代數(shù)功能相結(jié)合構(gòu)建基于空間化的數(shù)據(jù)指標,確定各阻力因子權(quán)重(表2),將6個阻力因子加權(quán)疊加得到綜合阻力面(圖5)。

表2 阻力因子熵權(quán)

圖5 綜合阻力基面

2.2 Linkage Mapper

(1)生態(tài)廊道提取

最小成本路徑(Least-cost path method,LCP)能夠計算物種在源地間遷徙經(jīng)過不同阻力的景觀面所克服的累積阻力值。利用Linkage Mapper(LM)工具在ArcGIS平臺把綜合阻力基面和生態(tài)源地一同導入,識別物種遷移擴散的最小成本路徑,獲得最小成本距離通道,即生態(tài)流通道,本研究中用于截斷生態(tài)走廊的成本加權(quán)距離閾值設(shè)置為20 km[28]。

(2)生態(tài)節(jié)點判別

Circuitscape程序基于電路理論對不同景觀進行連接建模[29],該模型利用電荷的隨機游特性,將電路理論與運動生態(tài)學聯(lián)系在一起。運用Linkage Mapper工具箱中的Pinchpoint Mapper模塊調(diào)用Circuitscape程序?qū)⑺泻诵纳嘲邏K對(包括非相鄰核心生境斑塊對)之間的電流進行組合,生成累積電流圖,估算每個生態(tài)源地斑塊與廊道的中心性值,識別最小成本廊道內(nèi)的夾點(Pinch Point)位置[30],以“夾點”電流值評估廊道和連接點對于維持整個景觀連接性的重要性[31—33]。本文利用Pinchpoint Mapper模塊,分別選擇“all-to-one”和“Pairwise”模式迭代運算。鑒于廊道寬度不會影像夾點位置與區(qū)域連通性,本研究設(shè)置10000 m加權(quán)成本距離作為廊道寬度,電流密度按自然斷點法分為四類,提取最高值為生態(tài)“夾點”。

Barrier Mapper是Linkage Mapper工具箱的組成之一,可檢測到影響通道質(zhì)量的重要屏障(障礙物),運行Barrier Mapper中運用移動窗口搜索法,把搜索窗口中心像元數(shù)值替換為源地之間最小耗費距離值,用單位最小費用距離改善值表征障礙點移除后連通性的改善情況[34—36],數(shù)值大的區(qū)域即廊道中的障礙點(Barrier Point),修復后可增強源地間連通性。選擇“Maximum”模式,經(jīng)過反復閾值迭代計算,以250 m為半徑迭代運算結(jié)果最佳。

2.3 水文分析原理

水文分析原理(HY)常用于基于高程DEM數(shù)據(jù)提取河流網(wǎng)絡(luò)、劃分流域等水文分析中。借鑒ArcGIS中水文分析方法,以累積耗費距離表面為基礎(chǔ)進行一系列水文分析操作,最終形成低阻力值“河流網(wǎng)絡(luò)”,根據(jù)“河流分級”工具最終提取低阻力“山谷線”為潛在生態(tài)廊道。水文分析中確定生態(tài)節(jié)點組成的方法主要遵循以下原則：生態(tài)節(jié)點應(yīng)具備一定規(guī)模的“集水盆地”,即輻射區(qū)域；生態(tài)節(jié)點應(yīng)在“河網(wǎng)等級”較高的“河道”、“集水盆地”出水口和“河流”交叉點,這些生態(tài)節(jié)點皆為生態(tài)廊道中的重要位置且為生態(tài)薄弱點。

以所有生態(tài)源地為對象利用ArcGIS中的Cost Distance工具分析得到研究區(qū)累積耗費距離表面,以此為基礎(chǔ),結(jié)合研究區(qū)實際情況,借鑒水文分析原理利用Hydrology工具對洼地填充、計算無洼地的水流方向,匯流累積量,通過反復設(shè)定閾值,確定匯流累積的值,進一步確定源地之間最小通道即潛在生態(tài)廊道[37]。通過閾值測試,確定1500處源間最小累積耗費路徑的完整性(延伸性)和連通性較好,因此提取大于1500的值,矢量化、平滑處理后即得到物種擴散或生態(tài)流運行的低阻力“山谷線”,確定潛在生態(tài)廊道的空間位置。

2.4 重力模型

目前重力模型(Gravity model)已被廣泛用于空間相互作用的相關(guān)分析中,在城市規(guī)劃、人文科學、經(jīng)濟地理等與相互關(guān)系有關(guān)的研究中應(yīng)用最多[38—39]。生態(tài)廊道的有效性及重要性主要通過源地之間的相互作用強度來表達。運用重力模型可構(gòu)建生態(tài)源地間的相互作用矩陣,從而可定量判別生態(tài)源地間的相互作用強度,并結(jié)合研究區(qū)實際情況判斷生態(tài)廊道的重要性,本研究依據(jù)重要性將廊道分為關(guān)鍵生態(tài)廊道和一般生態(tài)廊道兩類[40]。重力模型公式如下：

(1)

式中,Gij代表的是斑塊i與j的相互作用強度的大小；Ni與Nj代表斑塊i與j的權(quán)重系數(shù)大小；Dij代表斑塊i與j的潛在廊道標準化阻力值大小；pi表示斑塊i的整體阻力值大小；Si為斑塊i的面積；Lij表示斑塊i與j的潛在廊道的累積阻力值數(shù)值；Lmax代表區(qū)域內(nèi)所有廊道的阻力值最大數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于Linkage Mapper 提取生態(tài)廊道和節(jié)點

3.1.1生態(tài)廊道提取

基于Linkage Mapper工具箱的Linkage Pathways Tool工具識別生態(tài)流通道,生態(tài)流通道帶有一定寬度信息,可為后期生態(tài)廊道規(guī)劃寬度提供一定的參考。生態(tài)流通道映射出生態(tài)廊道187條(圖6),實現(xiàn)了每個源地均有廊道被連接且形成網(wǎng)絡(luò)回路。

圖6 Linkage Mapper識別生態(tài)廊道分析

3.1.2生態(tài)節(jié)點判別

在Pinchpoint Mapper工具中使用多對一(all-to-one)模式調(diào)用Circuitscape,鑒于廊道寬度不會影像夾點位置與區(qū)域連通性,本研究設(shè)置加權(quán)成本距離10 km為廊道寬度,獲得“all-to-one”電流密度圖,進而提電流高密度區(qū)域為夾點區(qū)域和生態(tài)節(jié)點,43個。在Pinch point Mapper工具中使用成對模式(Pairwise)模式調(diào)用Circuitscape,設(shè)置加權(quán)成本距離10 km為廊道寬度,獲得“Pairwise”模式電流密度圖,進而提取電流高密度區(qū)域為“夾點”區(qū)域和生態(tài)節(jié)點(圖7),共52個。

圖7 基于Pinchpoint Mapper生態(tài)節(jié)點分析

利用Barrier Mapper對源間生態(tài)廊道進行障礙點分析。可通過兩種設(shè)定分別檢測改進到得分高的節(jié)點與原始連接相對較高的節(jié)點,即未選定改進得分相對于LCD(least-cost distance)百分比和選定改進得分相對于LCD百分比,分別提取生態(tài)“障礙點”40個、15個,共55個生態(tài)障礙點即生態(tài)節(jié)點(圖8)。

圖8 基于Barrier Mapper生態(tài)節(jié)點分析

3.2 基于水文分析原理提取生態(tài)廊道和節(jié)點

3.2.1生態(tài)廊道提取

基于生態(tài)源地之間的累積耗費距離表面,運用水文分析原理提取連接性較好、較完整的“山谷線”,共提取240條生態(tài)廊道(圖9),生態(tài)廊道分布多呈“西北-東南”向,這與累計耗費距離的阻力值空間分布基本一致。

圖9 基于水文分析原理生態(tài)廊道識別分析

3.2.2生態(tài)節(jié)點判別

基于水文分析原理從低阻力值路徑中提取輻射道,即除了兩“生態(tài)源地”之間的生態(tài)廊道,以某個“源地”為中心向外輻射的所有低阻力谷線。生態(tài)節(jié)點即低阻力路徑的交匯點或低阻力和高阻力的相交處,而某個“源地”即生態(tài)節(jié)點,它將零散的斑塊連接起來,并對生態(tài)流的運行起關(guān)鍵作用[41],共提取生態(tài)節(jié)點133個(圖10)。

圖10 基于水文分析原理生態(tài)節(jié)點識別分析

3.3 生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點綜合識別

3.3.1關(guān)鍵生態(tài)廊道提取

在Linkage Mapper獲取的生態(tài)廊道的基礎(chǔ)上,疊加水文分析原理所提取的生態(tài)廊道互為補充、驗證,增強生態(tài)廊道的連通性,進而根據(jù)上杭縣實際情況刪除冗雜、多余廊道后提取最終綜合生態(tài)廊道分布圖(圖11),共提取生態(tài)廊道197條。利用重力模型,分析源地間相互作用強度,形成重力模型重要值矩陣,根據(jù)上杭縣主要生態(tài)源地間的相互重要值矩陣將源間生態(tài)廊道分為兩級,重要值大于500000的生態(tài)廊道為關(guān)鍵生態(tài)廊道,其余為一般生態(tài)廊道。綜合水文分析原理獲得的輻射道,根據(jù)源地間的相互重要程度及生態(tài)廊道的分布,綜合考慮關(guān)鍵生態(tài)廊道連通性、去除冗余的輻射道選取剩余輻射道作為關(guān)鍵生態(tài)廊道,共同構(gòu)成上杭縣生態(tài)廊道等級(圖12),關(guān)鍵生態(tài)廊道共103條(含輻射道30條),一般生態(tài)廊道124條。

圖11 綜合潛在生態(tài)廊道

圖12 生態(tài)廊道等級劃分

3.3.2關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點提取

從保護現(xiàn)有生態(tài)節(jié)點和改善現(xiàn)有源地間連通性兩個角度出發(fā),將水文分析判別的生態(tài)薄弱點和Linkage Mapper工具箱中Pinchpoint Mapper和Barrier Mapper識別的有效改善區(qū)域、連通性較好的生態(tài)夾點和生態(tài)障礙點疊加綜合共得到283個生態(tài)節(jié)點(圖13)。結(jié)合上杭縣關(guān)鍵生態(tài)廊道與潛在生態(tài)廊道分布,基于前人的研究[42]將位于關(guān)鍵生態(tài)廊道與關(guān)鍵、潛在生態(tài)廊道的交點及關(guān)鍵生態(tài)廊道這點的生態(tài)節(jié)點作為關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點；當多個關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點重合時選取其中之一作為關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點,剩余作為一般生態(tài)節(jié)點,最終提取關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點97個,一般生態(tài)節(jié)點186個(圖14)。

圖13 綜合生態(tài)節(jié)點

圖14 生態(tài)節(jié)點等級劃分

3.3.3關(guān)鍵生態(tài)廊道與關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點分析

(1)關(guān)鍵地段分析將阻力面柵格利用自然斷點法分為低阻力、較低阻力、中度阻力、較高阻力和高阻力5個級別,同時將關(guān)鍵生態(tài)廊道與關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點進行疊加,結(jié)合生態(tài)源地分布,得到研究區(qū)關(guān)鍵地段分布圖(圖15)。由圖可看出,關(guān)鍵生態(tài)廊道分布受生態(tài)源地空間分布的影響主要集中在上杭縣的北部、東北部和西部,同時有輻射道存在,而這些區(qū)域也是高阻力和較高阻力較為集中的區(qū)域；關(guān)鍵生態(tài)廊道加強了生態(tài)源地與周圍基質(zhì)的物質(zhì)能量交流,同時也減緩了生態(tài)源地空間上分布不均的問題,這在一定程度上可增強上杭縣西北、東南部的綠色生態(tài)建設(shè),為潛在生態(tài)源地的連接提供可能性。關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點在空間上分布相對均勻,與生態(tài)源地分布較一致在東北、西南及西北分布較稀疏,這也說明在源地分布密集的區(qū)域需加強生態(tài)節(jié)點建設(shè),降低阻力值,增加生態(tài)節(jié)點促進連通性的作用。此外,關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點多集中在生態(tài)源地周邊,也說明了上杭縣自然保護區(qū)、國家森林公園、濕地保護區(qū)等范圍應(yīng)綜合考慮關(guān)鍵生態(tài)廊道和關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點的分布重新界定保護范圍,以更好的實現(xiàn)源地間的物質(zhì)、能量交換。

圖15 關(guān)鍵地段分布圖

(2)土地覆被構(gòu)成分析

關(guān)鍵生態(tài)廊道是生態(tài)源地之間進行物質(zhì)、能量等信息交換時所耗費累積阻力最小的通道,是關(guān)鍵生態(tài)源地間最有效的連接。生態(tài)廊道一般都有一定的寬度,適當?shù)睦鹊缹挾瓤稍黾悠溥B通性。選用30 m、60 m、90 m、150 m、300 m、500 m進行緩沖區(qū)分析,獲取到不同廊道寬度下的關(guān)鍵生態(tài)廊道的土地覆被類型組成(圖16)。由圖16所示,在30—500 m寬度時,森林的占比均大于80%,但隨著廊道寬度的增加森林面積占比逐漸下降,從88.05%下降到81.1%；耕地、草地、人造地表和灌木地的面積占比隨著廊道的加寬而增大,其中耕地和草地的增加趨勢較大,分別從5.52%、3.85%增加到9.44%、5.76%,而人造地表、灌木地的增幅不大；水體隨著廊道寬度的加大其面積占比變化微小,廊道寬度加大到500m時才有0.002%的濕地。由此說明,森林、耕地和草地等土地覆被類型在關(guān)鍵生態(tài)廊道中占主要地位。

圖16 不同生態(tài)廊道寬度下土地覆被類型構(gòu)成

關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點是提升生態(tài)廊道連接性的重要戰(zhàn)略點,同理生態(tài)廊道具有一定的寬度才能更好的發(fā)揮其促進連接作用。與生態(tài)廊道保持一致選用30 m、60 m、90 m、150 m、300 m、500 m進行緩沖區(qū)分析,獲取到不同廊道寬度下的關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點的土地覆被類型組成(圖17)。由圖所示,結(jié)果與生態(tài)廊道一致,隨著廊道的加寬森林的面積占比雖從80.87%下降到77.08%,但仍在所有土地覆被類型中占絕對優(yōu)勢；耕地、草地、人造地表和灌木地的面積占比隨著廊道的加寬而逐漸增大,其中耕地和草地的增加趨勢較大,分別從9.89%、4.29%增加到11.48%、6.25%,而人造地表和灌木地增幅不大；水體的面積占比卻隨著廊道寬度的加寬從2.31%下降到1.78%。由此說明,關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點的土地覆被構(gòu)成占比及趨勢與生態(tài)廊道保持一致,即森林、耕地、草地為主要土地覆被類型構(gòu)成。

圖17 不同生態(tài)節(jié)點寬度下土地類型構(gòu)成

綜合關(guān)鍵生態(tài)廊道和關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點土地覆被類型組成比例可知,森林、耕地、草地為其主要土地覆被類型構(gòu)成,在30—500 m寬度設(shè)定下三類要素的占比和均大于90%,當廊道預設(shè)寬度增加時其占比和會降低,但幅度不大。為了使區(qū)域生態(tài)廊道連通性更好,免受外界影響,優(yōu)化關(guān)鍵生態(tài)廊道和關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點所在的森林、灌木地、草地等自然要素生境質(zhì)量,降低景觀阻力,促進生態(tài)源地間物質(zhì)和能量流交換,維護區(qū)域生物多樣性；增強水體和道路等阻隔性要素連通能力,如架橋或修路時需考慮生物遷徙通道,強化其生態(tài)建設(shè),最大程度降低其景觀阻力；隨著緩沖區(qū)寬度的增加,面積占比增加的區(qū)域?qū)⒊蔀樯鷳B(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點建設(shè)與改善的關(guān)鍵點；此外在保護基本農(nóng)田的前提下加強耕地防護帶建設(shè),而在人造地表區(qū)域保證一定規(guī)模的綠化隔離帶并且在生態(tài)空間建設(shè)中保證生態(tài)廊道的連通性和生態(tài)節(jié)點的“踏腳石”作用。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及生態(tài)安全格局構(gòu)建及優(yōu)化研究中,生態(tài)源地的識別、生態(tài)廊道的提取和生態(tài)節(jié)點的判別都是關(guān)鍵性問題,目前本研究僅著眼于生態(tài)廊道的提取和生態(tài)節(jié)點的判別研究思路和方法,未進行生態(tài)源地的綜合識別,而綜合、多功能生態(tài)源地的空間分布在一定程度上會影響生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的空間分布。福建省上杭縣林地面積占國土空間面積的76.78%,大面積的林地為生物棲息、遷徙等生態(tài)過程提供了良好的生境基礎(chǔ),雖然目前的生態(tài)源地基本覆蓋了上杭縣境內(nèi)保護生物的分布區(qū)域及活動范圍,但還是會對物種遷徙運動及物種保護區(qū)范圍劃定有一定的影響。

(2)關(guān)鍵生態(tài)廊道和關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點土地覆被類型構(gòu)成分析主要目的在于分析其空間分布及指明生態(tài)規(guī)劃建設(shè)方向。根據(jù)上杭縣土地覆被類型構(gòu)成分析結(jié)果,雖然耕地面積占比相對林地較少,但基于目前國土空間規(guī)劃及基本農(nóng)田保護條例,耕地是否可納入生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點建設(shè)還需進一步探討。

(3)綜合Linkage Mapper工具箱分析模塊提取的生態(tài)廊道、生態(tài)“夾點”、生態(tài)“障礙點”不僅可為構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)提供新的思路和研究方法,而且其分析結(jié)果可為多物種遷徙運動及物種保護區(qū)的范圍劃定及建設(shè)提供科學參考。根據(jù)水文分析的“源-匯”原理,物種從趨于向低阻力值方向遷徙,生成的“主河道”和輻射出的支流形成能量流“盆域”,這也為物種遷移及保護提供了一種有效的補充。

4.2 結(jié)論

在結(jié)合上杭縣實際與前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,構(gòu)建綜合阻力面,進而借助GIS技術(shù),運用水文分析原理和電路理論的研究思路和方法,以福建省上杭縣為實證進行生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點識別研究,為區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)安全格局構(gòu)建及優(yōu)化研究提供新的研究思路和研究方法,研究結(jié)論如下：

(1)基于陸生動物遷移特征,土地覆被類型、距道路距離、地形起伏度、坡度、距水域的距離、NDVI植被指數(shù)為主要阻力因子,其中土地覆被類型、距水域距離和距道路距離對綜合阻力面影響較大；

(2)運用水文分析原理和電路理論的連接度模型,疊加篩選后共提取240條生態(tài)廊道,運用重力模型對生態(tài)廊道的有效性及重要性進行判別并結(jié)合水文分析提取的輻射道提取關(guān)鍵生態(tài)廊道103條(含輻射道30條),一般生態(tài)廊道124條；

(3)運用水文分析原理和Linkage Mapper的Pinchpoint Mapper和Barrier Mapper模塊共提取283個生態(tài)節(jié)點,結(jié)合關(guān)鍵生態(tài)廊道的分布及廊道交叉點分布提取關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點97個,一般生態(tài)節(jié)點186個；

(4)關(guān)鍵生態(tài)廊道和關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點主要集中在高阻力和較高阻力值集中的區(qū)域,需在這些區(qū)域加強生態(tài)建設(shè),降低阻力值以促進生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性；同時關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點多分布在生態(tài)源地周邊,為實現(xiàn)源地間物質(zhì)、能量交換建議根據(jù)關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點分布重新界定保護區(qū)范圍；

(5)對關(guān)鍵生態(tài)廊道、關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點緩沖區(qū)土地覆被類型構(gòu)成進行分析,森林、耕地和草地等土地覆被類型占比具有絕對優(yōu)勢,尤其是林地景觀,在生態(tài)建設(shè)中需優(yōu)化其生境質(zhì)量降低景觀阻力,同時增強水體和道路的連通性如架橋或修路時需考慮生物遷徙通道,強化其生態(tài)建設(shè)最大程度降低景觀阻力；隨著廊道寬度的增加,面積占比增加的區(qū)域?qū)⒊蔀樯鷳B(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點建設(shè)與改善的關(guān)鍵點。