生態斑塊重要性綜合評價方法研究
——以四川省為例

劉伊萌,楊賽霓,*,倪 維,何錦彪

1 北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室, 北京 100875 2 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875 3 北京師范大學地理科學學部民政部-教育部減災與應急管理研究院, 北京 100875 4 華中科技大學武漢光電國家研究中心, 武漢 430074

快速城市化往往導致景觀破碎化、內部種生境面積縮小等問題,威脅正常生態過程并降低生態系統服務[1- 3]。景觀中存在一些對維持和改善生態過程具有關鍵意義的區域或元素(如斑塊、廊道等)[4- 5],識別并保護這些重要元素可對抗景觀破碎化,也是優化有限資源配置、實現高效生態保護和分級管理的有效途徑。

景觀連接度指景觀促進或阻礙生物體或生態過程在斑塊間運動的程度[6- 7]。在基于圖論法的景觀連接度模型中,節點表示棲息地斑塊,連邊表示生物在斑塊之間的潛在擴散能力[8- 10]。該模型可通過一系列指數定量分析每一斑塊對維持景觀連接度的貢獻,從而評價斑塊的重要性。近年來,國內外學者提出了多種基于景觀網絡的景觀連接度度量方法,并延伸出斑塊重要性評價方法。Urban和Keitt[11]提出使用種群增長潛力(R)、擴散通量(F)和可通過性(T)評價生態網絡的景觀連接特征,并基于移除各個斑塊后指標的變化量衡量斑塊的重要性。Jordán等[12]從節點的度值、集聚系數、平均拓撲距離和去除該節點后網絡中存留的最大連通種群量四個方面識別生態網絡中的關鍵斑塊。Pascual-Hortal 和Saura[13]提出了基于圖論的景觀功能連接度指數：整體連通性指數(IIC)、 可能連通性指數(PC),同樣基于“斑塊移除”實驗,根據移除斑塊后指數的降低程度對斑塊重要性排序。Minor和Urban[14]則基于介數、度值、流入/流出通量等網絡拓撲屬性確定了斑塊的優先保護順序,并證明該結果與空間顯示種群模型(SEPM)的斑塊重要性評價結果有很好的一致性,驗證了圖論法在景觀生態學研究中的有效性。國內評價斑塊重要性主要基于功能連接度指數法,近年來國內學者們也在不斷探索新的指標或方法。陳杰等[15]運用功能連接度指數評價了欲恢復為森林景觀的農業斑塊的重要性值,確定了鞏義市農業斑塊恢復的順序。馮姍姍等[16]基于可能連通性指數(PC),評價了徐州市采煤塌陷地生態恢復的優先級；張宇等[17]基于介數中心性指標確定了滇金絲猴棲息地的優先保護順序。邱瑤等[18]從斑塊面積和連接度兩個維度,識別了對維持深圳市景觀生態功能具有重要意義的斑塊。吳銀鵬等[19]運用層次分析法(AHP)構建斑塊重要性評價指標體系,識別出成都市綠色基礎設施中的關鍵斑塊。學者們日益注重納入新指標和使用多個指標評價斑塊的重要性,以克服傳統單指標評價的局限性,但尚缺乏客觀綜合評價方法的運用。

四川省各類自然資源充沛,不僅是長江上游的重要生態屏障,也是世界生物多樣性保護研究的熱點地區之一。省內現有包括國家公園、自然保護區等在內的各類自然保護地519處,共11.35萬 km2[20- 21]。四川省城鎮化速度高于全國平均水平[22],人類活動對于生態環境的影響日益加劇。省內自然災害頻發,水土流失和土地石漠化問題嚴峻[23- 24]。高速的城市化進程和頻發的自然災害對當地生態環境造成威脅,生態保育和生態建設成為當地緊要重任。四川省全境分布有以森林和草地為主要棲息地的野生動物約1300種,其中154種是國家重點保護物種,占全國的39.6%,比例居全國之首[25]。近年來,省內森林等生態用地大面積減少[26],針對省級尺度的野生動物棲息地保護研究十分值得關注。本文基于四川省森林和草地斑塊,結合最低成本路徑和最小生成樹方法,為野生動物復合種群構建棲息地保護網絡,并運用網絡科學和綜合評價方法定量分析生態斑塊的重要性,量化識別對生態保護起到關鍵作用的區域,以期為未來景觀規劃和復合種群保護提供科學評估方法。

1 研究區概況

四川省(97°21′—108°31′E,26°03′—34°19′N)地跨多個地貌單元,處于中國大陸第一、二級階梯的過渡帶,地勢西高東低,整體上由西北到東南傾斜。受復雜地形和季風的影響,四川省氣候復雜多樣且不同區域差異顯著[27],形成了種類繁多且數量龐大的自然資源,如動植物資源、水能資源和地質礦產資源等。

四川省轄區面積48.5萬 km2,是中國面積第五大省,其土地利用格局大致以“胡煥庸線”為界,西北部以林地(16.9萬km2)、草地(16.9萬 km2)為主,兩種地類面積相當,分布廣袤,總和約占全省70%；東南部人類活動密集,耕地(11.95萬 km2)、建設用地(0.56萬 km2)集中分布。此外,四川省還分布有0.46萬 km2水域和1.75萬 km2未利用地。四川省也是我國西部重要工業基地。改革開放之后,四川省進入快速城市化階段[28]。2010年末四川省城鎮化率為40.18%, 2015年達47.69%[29],表明“十二五”規劃時期四川省由城市化加速期步入城市成長關鍵期,尤其需要注重合理規劃和區域協調[30]。

自然災害種類多、發生頻、影響廣是四川省的又一特點。其中,地震災害發生最為頻繁,造成的損失最為嚴重。2008年汶川特大地震造成了巨大的人口經濟損失和嚴重生態破壞,生態破壞重災區覆蓋汶川縣、彭州縣等10縣市,地震導致的生態系統喪失面積超過1200 km2[31]。此外,頻發的滑坡、泥石流等地質災害加劇了當地水土流失和山地石漠化等生態環境問題。

為從宏觀上預防和應對城市化進程和自然災害可能帶來的生態問題,本文選取2015年的四川省作為研究區域,對省內生態斑塊的重要性進行評價,并提出分級管制建議,以期為下一階段生態文明建設提供決策依據。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源與預處理

本文所使用的歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、陸地植被凈初級生產力(Net Primary Productivity, NPP)遙感影像產品來自NASA EOS/MODIS 2015年的MOD13A3數據和MOD17A3數據(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search/)。道路數據來自于國家基礎地理信息中心1∶25萬全國行政區矢量化電子地圖。土地利用/土地覆蓋數據來自地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn)提供的2015年30米分辨率產品,包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地在內的6個一級分類和25個二級分類,研究中涉及的水域、建設用地、生態斑塊等數據均由此提取。對研究數據的預處理包括統一坐標系、拼接、裁剪,將柵格分辨率統一為250 m×250 m。所有數據以年為時間分辨率,根據相關研究[32- 33],我國植被在8月份生長最好,故用8月份年NDVI、NPP最大值表示全年植被生長狀況。

2.2 生態基礎設施網絡構建

生態基礎設施(Ecological Infrastructure, EI)是相互連接的自然區域和其他開闊空間,也是一種優化的自然生態系統保育措施[34],其拓撲結構可指征對景觀連接度起關鍵作用的區域,為生態保護和恢復的優先級提供依據。EI通常由節點和連邊組成,其中節點是棲息地單元(如斑塊、保護區等),連邊表示生物在兩個棲息地單元之間擴散的潛在能力。構建生態基礎設施網絡分為兩步：1)識別節點,即生態斑塊；2)合理構建邊以連接節點,本研究中邊是兩點間的最低成本路徑。

2.3 生態斑塊識別

生態斑塊是生態系統中物質、能量、信息甚至功能的源頭或匯集,本研究中各個生態斑塊既是源地,又互為其他斑塊的到達目標。參考相關文獻[35],綜合考慮土地覆蓋類型和面積,確定提取生態斑塊的原則有以下三個：①土地覆蓋類型為林地或草地,因這兩種土地覆蓋類型能為物種提供生存和發展的資源,且受人為干擾較少；②斑塊面積應大于20 km2；③本文假設若兩斑塊間存在公共點或公共邊,它們將自發進行物質能量信息交換而不需要額外增加廊道,故有公共點或公共邊的斑塊可以融合。最終生態網絡中的斑塊應在空間上相互孤立,即斑塊之間沒有任何公共點或公共邊。

依據以上原則,運用ArcGIS 10.2空間分析模塊,按屬性提取出四川省231個離散的生態斑塊,即生態基礎設施的節點。

2.4 景觀阻力面構建

生態基礎設施的構建要考慮基底對生態過程的綜合作用[36]。景觀阻力面(又稱成本面)實際上量化表征了基底對物質、能量、信息流動的阻礙程度,每個柵格單元值的高低代表通過的難易程度[37]。植被群落特征和人為干擾強度在成本面的計算中起著決定性作用[38],本研究從這兩個角度出發,考慮植被覆蓋度、NPP、道路密度、水體分布和建筑分布5種因素構建成本面。參照已有研究[35],對于成本因素進行如表 1所示的阻力賦值：

表1 景觀阻力賦值

植被群落特征與成本值負相關,用NPP、植被覆蓋度兩個指標表征。二者值越大的地方生境質量越高,物種經過時承受的阻力越小,即穿越所耗費的成本越小。故而對于這兩種數據,其數值高的地方賦予較低成本值。

建設用地和公路是人為建造的非滲透表面,人為干擾強度最大,且植被覆蓋率低；水域雖受人為干擾強度小,但不適宜動物遷徙穿越,故這三種覆蓋類型均與成本值正相關,其數值高的地方賦予較高成本值。

2.5 基于最低成本路徑與最小生成樹的生態基礎設施識別

相關研究表明在識別斑塊重要性方面,最低成本路徑優于歐氏距離,理論上能有效降低外界干擾從而成為物種遷移、擴散的最佳路徑[39- 42]。本文基于ArcGIS 10.2平臺中的成本距離與成本路徑工具,計算各斑塊邊界到邊界的最低成本路徑,形成一個規模為231×231的成本距離矩陣。

考慮到實際生態保護工作中的資源限制,本研究擬為四川省構建以最低的總成本滿足所有斑塊全連通的生態基礎設施。最小生成樹的原理與這一要求相吻合,它包含原圖所有節點并具有讓節點保持全連通的總成本最小的邊。本文選取Prim算法[43]作為最小生成樹實現算法,利用上述成本距離矩陣作為輸入,求解出四川省生態基礎設施網絡。

2.6 生態斑塊重要性排序與分級

2.6.1測度指標選取與計算

本文將生態基礎設施網絡抽象為相對單調直觀的“圖”,并從節點的結構和功能特性出發,選取度中心性(Degree Centrality)、介數中心性(Betweenness Centrality)、接近中心性(Closeness Centrality)、脆弱性(Vulnerability)等四個圖論中的測度指標(表 2),定量評價節點在網絡中的重要性。這些測度指標反映了節點的連接程度,可用于表征節點的相對重要性[44]。指標計算時所用距離指斑塊間的成本距離。

這些指標具有在生態學中實際的意義。在生態網絡中,度中心性表征了斑塊抵御擾動的能力：如果一個斑塊的度較小,表示它相對孤立于其他斑塊,在面對擾動時難以與其他斑塊建立聯系,易受侵害。反之一個斑塊的度值較大,表明其能夠與其他斑塊發生充分的物質、能量和信息交流,其對抗擾動的能力相對較強[12]。介數中心性表示一個斑塊在其他兩個斑塊的最短路徑上擔任“橋梁”的次數。介數值高的斑塊所經歷的生物流不僅來自附近的斑塊,還可能來自相當遠的斑塊[45],故而它們對生態網絡中的生物流擁有著最強的控制能力,擁有更多機會獲取其他斑塊對其的物種補充。接近中心性指示著生態網絡中物質、能量和信息傳遞的便捷程度[46]。接近數數值小表示該節點與其他節點平均距離小,表明它處于網絡中相對中心的位置,傳遞消息能力強且速度快,是生態系統中重要而可靠的墊腳石。節點脆弱性指標側重于節點功能的評價[47]。它基于網絡效率計算,反映了某個斑塊從生態網絡中移除后對生物流傳輸效率的影響。節點脆弱性值高的斑塊被移除后,生態網絡的效率急劇下降,生態過程受到威脅,生態系統服務質量降低。

表2 測度指標及其含義

2.6.2基于TOPSIS的斑塊重要性排序

逼近理想點排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,簡稱TOPSIS)是一種有效的多指標綜合分析方法,被廣泛應用于地質災害危險性評價、電網安全評價、地下水質量評價、企業競爭力評價等多領域的績效、質量評價中[48- 51]。其基本原理是：基于標準化后的數據矩陣,在每個指標維度確定一個正理想點和一個負理想點,計算各評價對象到兩種理想點的距離,獲得各評價對象與負理想點相對接近程度,并作為衡量相對優劣的依據[52]。本研究應用TOPSIS方法對斑塊維持景觀連接度的重要性進行綜合評價。

2.6.3基于有序樣品聚類的斑塊重要性分級

有序樣品聚類方法(又稱最優分割法)要求分割時樣品保持已知次序,同類樣品相互鄰接[53]。它在不打亂樣品順序的前提下對其進行最優層級劃分,適用于具有特定排序的數據分析,目前的應用涉及地層單位劃分、植物生長節律、健康指標參考值制定[53- 55]等方面。這種最優分割的基本思想是：確定包含n個樣品的序列被劃分的類別數目L,并確定每類含有的樣品數量nk,以使得類別劃分后,各類內離差平方和(W)最小且各類間離差平方和(B)最大。

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3 結果分析

本研究共識別出231個生態斑塊,總面積18.65萬km2,占全省面積的38.5%,斑塊空間分布如圖1所示。西部高原、山地地區生態斑塊面積大而個數少,但東部生態斑塊面積小,且出現了大片空洞。整體上,四川西北部的生態斑塊相對連續,南部和東部的生態斑塊分布零散而稀疏。

全省景觀阻力值 (圖1)分布在19.38至596.51之間,不同地區的阻力值差異大。阻力值的高低程度反映了各物種穿越該地區時受到下墊面的綜合阻礙大小,圖中紅色區域表示遷徙經過時阻力大,可達性低；藍色區域表示通過阻力小,可達性高。在四川省東部出現生態斑塊空洞的地方,相應地出現了成本高值區,因為四川省東部城市建成區密集,該處生態用地多被建筑用地取代,人類干擾強烈,生物遷徙成本高。而西部生態斑塊分布廣泛的區域生境質量高,適宜物種穿越,阻力值普遍較低。水體、建筑物、道路集中的區域成本值也明顯高于斑塊廣布的地區。

圖1 生態斑塊分布圖和成本值分布圖Fig.1 Distribution of ecological patches and cost value

圖2是生態基礎設施網絡的實際分布情況,復雜的現實景觀格局使得計算出的不同路徑之間長短相去甚遠,顯示不夠清晰直觀。為更加明晰地展示網絡結構,本文提取各斑塊的重心來抽象代表斑塊本身,并將生態廊道用直線表示(圖2)。

圖2 生態廊道分布圖與抽象示意圖Fig.2 Distribution of ecological corridors and its schematic diagram

對所有斑塊分別進行度、介數、接近數和脆弱性指標計算,所得結果作為TOPSIS的輸入,得到斑塊重要性序列。基于該序列進行有序樣品聚類時,首先以類內離差平方和(W)最優為確定分級數目(L)的依據。當L較小時,W隨L的增大而迅速降低,而在L大于6后,W基本不隨L增大而發生改變。考慮到分級評價往往采用單數級別,以便直觀認識評價對象的上、中、下等級。我們將類間差異較小的第5、6層級的斑塊合并為同一層級,最終形成5級斑塊重要性層次(表 3),層級排名越靠前的斑塊重要程度越高。

整體上高層級斑塊主要位于全省西北部和中部,低層級斑塊分布于全省邊緣,主要集中于南部和東部的城市建成區周邊(圖3)。斑塊重要性層級的空間分布受到生態斑塊和景觀阻力值分布的共同影響。在四川西北部和中部,生態斑塊分布廣袤,較低的景觀阻力值促進了斑塊之間的生態過程,斑塊對于景觀連接度的貢獻較高,因此高層級斑塊多集中于此,成為生物的主要棲息地和物質能量交換的場所。對于全省邊緣地區尤其是東部和南部邊緣,生態斑塊本身細碎而零散,加之城市建設用地密集分布,生物遷徙和生態流動面臨的景觀阻力高,故而低層級斑塊大多分布于此,它們對于景觀連接度的貢獻整體較低,易受外界擾動影響發生退化。通過模型評估獲得的斑塊重要性空間分布與已有研究[56]一致,這也一定程度上驗證了本文提出的評估模型的有效性。

表3 各級斑塊特征

圖3 斑塊重要性層級的空間分布Fig.3 Spatial distribution of patch importance levels

本文構建的生態網絡實現了所有斑塊之間的全連通,通過檢驗節點的度值分布發現符合冪律分布,表明此網絡是無標度網絡。在這種網絡中,節點之間連接狀況具有嚴重的不均衡性：絕大多數節點的度值很低,但存在少量度值很高的節點,這種度值很高的節點稱作“中樞節點(hub)”。具有這種結構的網絡往往對隨機打擊有著較強的抵御力,而難以承受對中樞節點的蓄意攻擊。

層級1的斑塊位于四川省西北部,植被覆蓋廣袤,是生態網絡中的中樞斑塊(圖2)。該層級斑塊大而連片,可為多物種提供生境。但近幾十年來,川西北地區約占全省5%的物種已滅絕,10%—20%的物種瀕危[26]。根據中樞節點難以承受蓄意擾動的特點,這里需要減少人類活動的影響以維護生態環境穩定。建議制定嚴格的保護措施,減少人為擾動以保存該地區斑塊的天然狀態,以便其為物種提供穩定的活動范圍和避難所[57],以及持續的生態系統服務,并對生態斑塊的破碎程度等性質進行動態監測。層級2斑塊對景觀連接度貢獻較高,處在層級1斑塊的南緣,建議通過修建生態廊道以促進其與周邊斑塊的物質、能量、信息交流,鞏固該層級斑塊現有的生態優勢。層級3、4包含的斑塊的空間分布相近,主要分布于東部和南部城市密集區周邊。建議該區域協調經濟發展和生態保護,優化產業結構和布局,注重扶持對環境破壞小、附加值高的綠色產業。此外,對于此類位于城區周邊的生態斑塊,還可考慮構建生態公園,發揮其觀賞功能的同時幫助緩解城市熱島效應。層級5斑塊數量達190個,但面積僅占全部生態斑塊的10%左右。該層級斑塊細碎,分布零散,主要分布在全省邊緣地區。它們在大尺度生態網絡中對網絡整體發揮的連接性作用有限,且易受外界擾動影響從而發生損失或消亡。針對這類斑塊的管理應基于更精細尺度的研究和分析,探尋斑塊的局部生態效益。例如,本研究從宏觀角度出發,發現層級5中分布于高層級斑塊四周的斑塊,可通過建立生態廊道成為大斑塊之間的墊腳石并起到阻止生態干擾傳播的作用,但具體決策應綜合考量區域生態和資金的實際情況。

4 結論與討論

(1)本研究提供了一套定量分析生態斑塊重要性的新思路和新方法。本文結合最低成本路徑和最小生成樹構建了四川省野生動物復合種群棲息地保護網絡,基于復雜網絡理論選取4個連接度測度指標,結合綜合評價方法對斑塊在網絡中對景觀連接度的重要性進行了層級劃分。整體上高層級斑塊主要位于全省西北部和中部,植被覆蓋廣泛,成為生物物種的主要棲息地,需要嚴格保護并減少人為擾動；低層級斑塊分布于全省邊緣,主要集中于南部和東部的城市建成區周邊,斑塊細碎且分布零散,易受外界擾動影響,需要各地通過發展綠色產業、建設生態公園等措施協調經濟發展和生態保護。研究結果可為有限資源下的生態保護工作提供依據。

(2)本文關注省級尺度的生態斑塊重要性評價,旨在從宏觀和整體視角認識四川省的斑塊重要性空間分布,明確對景觀連接度起關鍵作用的區域,為未來四川省物種保護和景觀規劃提供參考。在不同尺度下構建和優化生態網絡,是維持與改善區域生態環境的有效方法之一[58]。本研究框架亦具有遷移靈活性,可擴展至其他尺度的生態空間評價研究。

(3)對于未來研究,可在以下方面進行探討：①本研究中所用指標在評價景觀要素連接度的重要性方面代表性較強,能在一定程度上為區域斑塊重要性探索提供思路。今后可根據實際需要,在指標體系中加入如景觀指數等的其他指標,以實現更為靈活、全面的斑塊重要性評價,協助區域可持續發展；②本研究在進行有序樣品聚類時,從類內離差平方和最優的角度建議對生態斑塊劃分為5個層級,但在實際生態保護工作中,還可以根據資源量、工期要求等實際因素靈活調整分級數目,從而科學引導不同資源水平下的分級管理規劃。