基于景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的涪江流域景觀格局優(yōu)化

張雪茂,董廷旭,杜華明,廖傳露,王 飛

1 綿陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院, 綿陽(yáng) 621000

2 生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽(yáng) 621000

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指在自然因素或者是人類社會(huì)因素的干擾下,不同因素相互交錯(cuò)作用而對(duì)景觀生態(tài)環(huán)境可能產(chǎn)生的不利影響[1]。流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的重要分支領(lǐng)域,日益成為“景觀格局——生態(tài)過(guò)程關(guān)聯(lián)”研究的熱點(diǎn)區(qū)域[2]。早期關(guān)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究主要集中于對(duì)不透水面增加,農(nóng)業(yè)污染源的擴(kuò)散,土壤侵蝕等特定風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行評(píng)價(jià),缺乏全局視角的研究[1, 3]。而流域生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)特殊的自然綜合體,不僅受到特定景觀格局的影響,同時(shí)自然與社會(huì)因素也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生作用,因此有必要從多維度、多級(jí)別以及多尺度對(duì)流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析[1]。目前對(duì)于流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究正在向多重受體和多樣風(fēng)險(xiǎn)源的的模式發(fā)生轉(zhuǎn)變[4],但是從“自然—社會(huì)—景觀格局”3個(gè)維度對(duì)流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)研究仍不足[5]。因此,將景觀格局指數(shù)與流域“自然—社會(huì)”多源要素進(jìn)行整合,并將其涵蓋進(jìn)流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中,可以為后續(xù)的景觀格局優(yōu)化研究工作提供科學(xué)依據(jù)[6]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)不同尺度上的景觀格局生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的有關(guān)內(nèi)容開展了大量的研究,研究對(duì)象包括行政區(qū)域[7]、城市用地[8]、高原[9-10]、自然保護(hù)區(qū)[11]等。研究方法囊括生態(tài)模型、數(shù)字模型、景觀生態(tài)模型和數(shù)字地形模型等[12]。這類模型方法大多數(shù)以行政區(qū)為研究單元,評(píng)價(jià)結(jié)果難以反映區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間差異特征,更難反映區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間鄰近關(guān)系[13]。層次分析法[14]和基于“源—匯”理論的綜合指數(shù)構(gòu)建的方法[15]也被廣泛采用,但是此類方法對(duì)于權(quán)重值的確定具有很強(qiáng)的主觀性,不利于在眾多影響因素中識(shí)別主要的風(fēng)險(xiǎn)要素[16]。而本研究所采用的空間主成分分析法能夠客觀的計(jì)算出每個(gè)影響因素的權(quán)重,避免多指標(biāo)判斷權(quán)重的不完善性,且能夠?qū)⒅鞒煞忠蜃拥姆治鼋Y(jié)果落實(shí)在地理空間所對(duì)應(yīng)的每一個(gè)柵格上,具有良好的空間可視化效果。

景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與景觀格局優(yōu)化兩者之間關(guān)系密切,進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)能夠反映出區(qū)域生態(tài)安全狀況,可以為區(qū)域景觀格局優(yōu)化提供方向；而進(jìn)行景觀格局優(yōu)化則需要借助人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的主動(dòng)干預(yù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各要素之間的優(yōu)化配置,減弱生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),最終促進(jìn)區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建[17]]。最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance Model MCR)最早是由Knaapen用于景觀格局優(yōu)化[6, 18]。 根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)原理,在具有異質(zhì)性特征的生物擴(kuò)散過(guò)程中,物質(zhì)能量的流動(dòng)、交換以及生境的維護(hù)都需要克服景觀阻力[19]。MCR模型的優(yōu)勢(shì)在于它綜合考慮了景觀單元內(nèi)部單元之間的水平聯(lián)系,而非景觀單元內(nèi)部的垂直過(guò)程,即考慮了距離和阻力兩種因素,在景觀格局優(yōu)化的過(guò)程中具有良好的適用性和延伸性[20-21]。為此,本文基于MCR模型,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析方法,更好的體現(xiàn)區(qū)域各景觀之間的有機(jī)聯(lián)系。

流域作為特殊的一類景觀生態(tài)系統(tǒng),對(duì)特定區(qū)域的水循環(huán)、生物多樣性以及生態(tài)環(huán)境有著重要的影響[15-16]。涪江流域作為長(zhǎng)江流域上游重要的水源地以及生態(tài)屏障,也存在一些問(wèn)題,如水土流失嚴(yán)重,自然災(zāi)害頻發(fā),植被覆蓋率減弱等,維護(hù)其生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展對(duì)于整個(gè)川渝地區(qū),乃至整個(gè)長(zhǎng)江流域的生態(tài)安全以及水源補(bǔ)給安全都有著重要的作用。因此,對(duì)此區(qū)域進(jìn)行景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及景觀格局優(yōu)化的需要顯得尤為迫切。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

涪江為長(zhǎng)江的二級(jí)支流,嘉陵江右岸最大支流,發(fā)源于四川省境內(nèi)的雪寶頂,流經(jīng)四川省的中部,自西北向東南斜穿過(guò)四川盆地,在重慶市合川區(qū)匯入嘉陵江,如圖1所示,整個(gè)流域介于29.10°—33.04°N,103.30°—106.30°E之間,流域總面積為3.92×104km2,流域涉及了川渝地區(qū)的30個(gè)縣區(qū)。區(qū)內(nèi)海拔高差較大,高達(dá)5300 m,上游經(jīng)過(guò)川西北丘狀高原山區(qū),地勢(shì)起伏較大；中下游流經(jīng)四川盆地盆中丘陵區(qū),地勢(shì)較為低平。主要的氣候類型為川西高原氣候和亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,降水豐沛,雨熱同期,但時(shí)空分異特征較為顯著。整體上研究區(qū)景觀格局空間分異特征明顯,上游主要以林地為主,植被覆蓋率較高,中下游地區(qū)多以耕地和建設(shè)用地為主。由于近些年自然環(huán)境的整體變化和人類活動(dòng)的頻繁的影響,流域內(nèi)滑坡、崩塌、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā),導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)景觀格局愈加的破碎,流域所面臨的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題日益嚴(yán)峻。

圖1 涪江流域概況

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)包括地表覆被數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)以及其它基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。①地表覆被數(shù)據(jù)：2020年GlobeLand 30數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m,來(lái)源于http://www. globeland30.org,總體精度為85.72%,Kappa系數(shù)0.82,滿足研究需求。②DEM數(shù)據(jù)：采用GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m,來(lái)源于中國(guó)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)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)。③土壤類型數(shù)據(jù)：來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(http://www.fao.org/home/en/),空間分辨率為1000 m,比例尺為1∶100萬(wàn)。④其它基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)：包括居民點(diǎn)數(shù)據(jù)、工礦用地以及水體數(shù)據(jù)等,來(lái)源于全球地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(https://www.webmap.cn/),比例尺為1∶25萬(wàn),為shp格式文件。通過(guò)ArcGIS平臺(tái)的距離計(jì)算工具進(jìn)行柵格化處理,柵格大小為30 m。

1.3 研究方法

1.3.1生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子選取

根據(jù)涪江流域的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,從自然、社會(huì)、景觀格局3個(gè)維度選取了高程、坡度、土壤類型、地表覆蓋類型、距河流距離、距工礦用地距離、距居民點(diǎn)距離、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、植被覆蓋度指數(shù)(NDVI)等10個(gè)指標(biāo)因子構(gòu)建流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,植被覆蓋度指數(shù)(NDVI)在ENVI平臺(tái)中基于Landsat8 OLI_TIRS_2018年的遙感影像計(jì)算得出；香濃均勻度指數(shù)(SHEI)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)通過(guò)Fragstats軟件中移動(dòng)窗口法進(jìn)行了可視化處理[22]。其中土壤類型的等級(jí)劃分根據(jù)所對(duì)應(yīng)的固碳能力和抗外力侵蝕能力的差異,能力越低的區(qū)域,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高[23]；地表覆蓋類型參考文獻(xiàn)[6]進(jìn)行分類；其余評(píng)價(jià)因子利用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí),1—5級(jí)分別表示較低、低度、中度、較高和高度風(fēng)險(xiǎn),分級(jí)詳情見表1。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子等級(jí)空間分布見圖2。

表1 涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2空間主成分分析

用于評(píng)價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法中,空間主成分分析法是將輸入的多波段數(shù)據(jù)變換到一個(gè)新的空間中,對(duì)原始空間軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)而成新的多元屬性空間[24]。通過(guò)空間主成分分析法(Spatial principal components SPCA)計(jì)算得出空間載荷圖、各個(gè)成分的貢獻(xiàn)率以及累計(jì)貢獻(xiàn)率,將累計(jì)貢獻(xiàn)率超過(guò)90%的成分確定為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的主成分[25],再根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算每個(gè)影響因子的權(quán)重,然后進(jìn)行加權(quán)疊加,最終得到評(píng)價(jià)結(jié)果。具體的公式表達(dá)如下[26]：

(1)

式中,E表示景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合結(jié)果；aij表示第i個(gè)柵格對(duì)應(yīng)的第j個(gè)主成分；Fj表示第j個(gè)主成分的特征貢獻(xiàn)率。

1.3.3景觀格局優(yōu)化

根據(jù)俞孔堅(jiān)[27]、刁菲菲[28]等對(duì)于景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建的方法,本研究根據(jù)生態(tài)源地以及景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果構(gòu)建景觀格局累積阻力表面,利用最小累積阻力模型(MCR)和網(wǎng)絡(luò)分析等建立生態(tài)廊道、識(shí)別生態(tài)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)景觀格局優(yōu)化。公式如下：

(2)

式中,MCR表示生態(tài)源地j到任意柵格i之間的最小阻力累計(jì)值；Dij表示景觀格局阻力上第i個(gè)柵格到第j個(gè)生態(tài)源地之間的距離；Wi表示在景觀格局阻力表面上第i個(gè)柵格對(duì)生態(tài)流運(yùn)行所產(chǎn)生阻礙的阻力值。

(1)“生態(tài)源地”的識(shí)別。生態(tài)源地是指對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用的斑塊,其能夠提供關(guān)鍵的生態(tài)服務(wù)以及防止生態(tài)系統(tǒng)退化而引發(fā)的各種生態(tài)問(wèn)題[29]。本研究對(duì)于生態(tài)源地的選取為初次篩選的面積大于5 km2的林地、濕地以及水體斑塊導(dǎo)入Conefor_input,計(jì)算得出景觀一致性概率(Landscape coincidence probability LCP)、整體連通性(Integral index of connectivity IIC)、可能連通性(Probability of connectivity PC)、斑塊重要性(DI)等4個(gè)景觀格局指數(shù),閾值設(shè)為2000,連通概率設(shè)為0.5,對(duì)核心區(qū)進(jìn)行連接度評(píng)價(jià),并將核心區(qū)域重要值>1的斑塊確認(rèn)為最終生態(tài)源地。

(2)生態(tài)阻力面的確定。生態(tài)阻力面是生態(tài)源地之間進(jìn)行物質(zhì)交換、能量傳輸以及物種遷徙等生態(tài)過(guò)程中所受到的阻力[30]。以流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果和篩選出的生態(tài)源地作為景觀格局阻力面生成的基礎(chǔ),利用成本距離(Cost distance)工具計(jì)算得到涪江流域景觀格局累積阻力表面,最后用自然斷點(diǎn)法將綜合阻力表面的大小分為1—5個(gè)等級(jí)：低阻力、較低阻力、中阻力、較高阻力、高阻力。景觀格局阻力表面的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 涪江流域景觀格局阻力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(3)生態(tài)廊道的建立。廊道是指具有通道或屏障功能的線狀和帶狀的景觀要素,是“源地”之間能量流通的重要橋梁和紐帶[31]。對(duì)于生態(tài)廊道的提取本文主要是基于選取的“生態(tài)源地”以及景觀格局累積阻力表面利用Model Builder工具進(jìn)行建模,計(jì)算出每個(gè)生態(tài)源地到其余生態(tài)源地之間的最短耗費(fèi)路徑,然后根據(jù)長(zhǎng)度將其分為5個(gè)等級(jí)。(表3)

表3 涪江流域生態(tài)廊道分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(4)生態(tài)節(jié)點(diǎn)的判別。生態(tài)節(jié)點(diǎn)是指在整個(gè)景觀格局中需要加以識(shí)別和保護(hù)相對(duì)脆弱的區(qū)域,利用水文分析的相關(guān)工具提取景觀格局阻力面的“山脊線”,將“山脊線”與生態(tài)廊道相交,提取生態(tài)節(jié)點(diǎn)[32-33]。

(5)景觀格局優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。為了進(jìn)一步促進(jìn)生物流在研究區(qū)流通,以構(gòu)建的生態(tài)廊道和識(shí)別的生態(tài)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ),利用網(wǎng)絡(luò)分析法,再次計(jì)算最短路徑,形成了一條貫穿整個(gè)流域的主廊道,模擬和分析能量在生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)和分配情況。

(6)景觀格局優(yōu)化效果評(píng)估。景觀連接度可以有效的對(duì)景觀要素在景觀功能和過(guò)程上的有機(jī)聯(lián)系進(jìn)行描述[6]。前人的研究大多選取景觀一致性概率(LCP)、種類一致性概率(CCP)、整體連接度指數(shù)(IIC)和可能連接度指數(shù)(PC)等對(duì)景觀格局優(yōu)化前后效果進(jìn)行評(píng)估[6, 34- 36]。其中IIC和PC指數(shù)能夠較好的表現(xiàn)景觀格局斑塊與重要生態(tài)要素之間的連通情況,因此本研究選取IIC指數(shù)和PC指數(shù)對(duì)涪江景觀格局優(yōu)化前后效果進(jìn)行定量分析,表達(dá)式如下[37]：

(3)

(4)

2 結(jié)果分析

2.1 流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1.1指標(biāo)權(quán)重的確定

選取海拔、坡度、土壤類型、地表覆蓋類型、距河流距離等10個(gè)影響因子,通過(guò)空間主成分分析得出前7個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率>90%(表4),即前7個(gè)主成分能夠?qū)ρ芯繀^(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的信息進(jìn)行有效的概括。根據(jù)前7各主成分的初始特征根以及貢獻(xiàn)率計(jì)算得出每個(gè)指標(biāo)因子的權(quán)重值(表5)。從計(jì)算結(jié)果可以得出蔓延度指數(shù)(CONTAG)、距水體距離、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、坡度占比較大,分別為0.1293、0.1280、0.1197、0.1098,說(shuō)明其對(duì)涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響較大。因此,從權(quán)重角度出發(fā),涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果受自然因子和景觀格局因子影響較大,社會(huì)因子影響相對(duì)較小。

表4 各主成分特征根以及累計(jì)貢獻(xiàn)率

表5 涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重

2.1.2涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征見圖3：①高度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為3.45—4.51,面積為5697.60 km2,占了整個(gè)流域面積的14.55%,主要位于涪江流域的上游部分地區(qū)以及中下游地區(qū)有工礦用地以及居民點(diǎn)分布的的區(qū)域,其主要原因是上游地區(qū)海拔較高、坡度較陡、地表起伏較大,在雨季節(jié)易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等自然次生災(zāi)害,從而導(dǎo)致面臨的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題較為嚴(yán)峻；②較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為3.12—3.44,面積為9941.48 km2,所占整個(gè)研究區(qū)面積25.38%,主要在上游高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的外圍區(qū)域分布、中下游人類活動(dòng)影響較為強(qiáng)烈的區(qū)域有零星分布如城鎮(zhèn)建設(shè)用地和工礦用地等；③中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為2.80—3.11,分布面積為9957.43 km2,所占整個(gè)流域面積的25.43%,在中下游區(qū)域零散分布；④低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為2.44—2.79,分布面積為8117.26 km2,占流域總面積的20.72%,主要分布于中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的外圍地區(qū),覆被類型主要以耕地、草地以及灌木為主。⑤較低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為1.30—2.43,面積為5453.52 km2,占流域總面積的13.92%,占比最小,主要位于植被覆蓋度較高區(qū)域、河流流經(jīng)區(qū)域等,主要是由于該類區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高、生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定且受人類活動(dòng)干預(yù)較少,有利于自然生物在此類地區(qū)聚集繁衍以及維持生態(tài)平衡。

圖3 涪江流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

2.2 涪江流域景觀格局優(yōu)化

2.2.1流域生態(tài)源地的提取

經(jīng)過(guò)篩選,選取出15個(gè)斑塊作為最終生態(tài)源地,占地面積為11194.28 km2,占總流域生態(tài)用地面積的28.58%,以大面積分布的林地為主,河流以及濕地占比較小,主要分布于上游地區(qū)的平武、北川、安州和江油,該地區(qū)植被覆蓋度較高,生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定,生物多樣性豐富,有利于物種的擴(kuò)散和維持。生態(tài)源地分布見圖5。

2.2.2流域景觀格局阻力表面

由圖4可見,涪江流域景觀格局累積阻力表面的空間分布特征為：①較低阻力地區(qū)所占整個(gè)研究區(qū)阻力面的范圍最大,面積為18143.05 km2,占了46.24%,主要分布于上游區(qū)域植被覆蓋度較高地區(qū)和涪江干流流經(jīng)區(qū)域等。②低阻力區(qū)占了21.93%,面積為8606.351 km2,占地面積較大,主要位于梓潼、涪城、中江、射洪等區(qū)縣。③中等阻力區(qū)所占面積為7189.816 km2,占了總面積的18.32%,主要分布在低阻力區(qū)域的外圍地區(qū)。④較高阻力區(qū)主要在分布研究區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的外圍區(qū)域,占比為10.39%,面積為4077.067 km2。⑤高阻力區(qū)占比為3.11%,面積為1220.831 km2,主要分布在中下游地區(qū)城市建筑較為密集的區(qū)域。

圖4 涪江流域景觀格局阻力空間分布

2.2.3流域生態(tài)廊道的構(gòu)建與優(yōu)化

從圖5和表6可見,共識(shí)別出研究區(qū)的生態(tài)廊道41條,長(zhǎng)度共有5229.038 km。其中原有的生態(tài)廊道29條,新添12條潛在生態(tài)廊道,根據(jù)廊道經(jīng)過(guò)的生態(tài)用地類型,將其分為綠帶型、河流型以及道路型三類[16]。其中：①一級(jí)生態(tài)廊道有3條,總長(zhǎng)度為1079.234 km,所占比例為20.64%,最長(zhǎng)的一條為22號(hào)廊道,從四川省的九寨溝縣一直延伸到重慶市的合川區(qū),往后依次為26號(hào)以及20號(hào)廊道。三條一級(jí)生態(tài)廊道大致貫穿了整個(gè)涪江流域,有利于物種在流域內(nèi)的遷徙和物質(zhì)能量在流域范圍內(nèi)的交換,是上下游維持生態(tài)平衡的關(guān)鍵,需要給予重點(diǎn)關(guān)注。②二級(jí)廊道有5條,總長(zhǎng)為1392.163 km,占了生態(tài)廊道總長(zhǎng)度的26.62%。分別為14號(hào)、10號(hào)13號(hào)、6號(hào)和18號(hào)生態(tài)廊道。二級(jí)生態(tài)廊道貫穿了涪江流域的中下游區(qū)域,呈閉合狀,有效的連接了中下游的生態(tài)源地,促進(jìn)當(dāng)?shù)匚锓N的遷移和保護(hù),提高生物多樣性,增加生態(tài)服務(wù)價(jià)值。③三級(jí)生態(tài)廊道共有13條,總長(zhǎng)度為1854.142 km,長(zhǎng)度占比為35.46%,是占比最大的一類生態(tài)廊道,涉及4號(hào)、39號(hào)、19號(hào)、17號(hào)、30號(hào)、34號(hào)、9號(hào)、27號(hào)、35號(hào)、36號(hào)、28號(hào)、3號(hào)和41號(hào)廊道。三級(jí)生態(tài)廊道雖然比較破碎,但是涉及到了涪江流域的上、中、下游,有效的連接了流域內(nèi)分散分布的面積較小的生態(tài)源地,增加研究區(qū)內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性,促進(jìn)了較為完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成,有利于物種的保護(hù)。④四級(jí)生態(tài)廊道共有14條,其總長(zhǎng)度為830.744 km,占所有廊道總長(zhǎng)比例的15.89%,其中21號(hào)、15號(hào)、24號(hào)、5號(hào)、23號(hào)、25號(hào)、12號(hào)以及7號(hào)此8條廊道在平武、北川、安縣以及江油境內(nèi),在以上4個(gè)區(qū)縣內(nèi)形成了較為完整的廊道網(wǎng)絡(luò),滿足了生物溝通的需要,因此,此區(qū)域內(nèi)自然保護(hù)區(qū)眾多,生物多樣性較為豐富；其余的37號(hào)、32號(hào)、40號(hào)、2號(hào)、40號(hào)、37號(hào)和1號(hào)則較為分散的分布于下游區(qū)域,沒有形成較為完整的廊道網(wǎng)絡(luò)體系,生態(tài)連接度較差,無(wú)法滿足生物溝通的需要。⑤五級(jí)廊道有6條,總長(zhǎng)度為72.755 km,僅占所有廊道長(zhǎng)度的1.39%,為占比最小的廊道,分別為8號(hào)、11號(hào)、16號(hào)、29號(hào)、38號(hào)和33號(hào)廊道。

圖5 涪江流域景觀格局優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)

表6 涪江流域生態(tài)廊道分級(jí)

研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)廊道類型主要是以綠帶型和河流型廊道為主,主要受生態(tài)源地分布的影響。對(duì)于綠帶型廊道可以進(jìn)一步增加林地型生態(tài)源地的面積并且增大其之間的連通性,減小景觀格局阻力。而對(duì)于河流型的生態(tài)廊道,為了進(jìn)一步減少沿江一帶的景觀格局阻力,可以根據(jù)河流型廊道的寬度建立緩沖區(qū),在緩沖區(qū)邊緣設(shè)置綠化帶,促進(jìn)能量流和生物流在此類型廊道中的流通。

2.2.4流域生態(tài)節(jié)點(diǎn)的提取

通過(guò)提取景觀格局累積阻力面“山谷線”,將其與生態(tài)廊道進(jìn)行疊加分析,提取出53個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)(圖5)。根據(jù)其分布的具體位置可以看出,位于河流流經(jīng)區(qū)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)有17個(gè),位于生態(tài)源地中的生態(tài)節(jié)點(diǎn)有26個(gè),位于生態(tài)源地之間的生態(tài)節(jié)點(diǎn)有10個(gè)。根據(jù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)的概念,將生態(tài)節(jié)點(diǎn)分為了3類,分別為河流濕地區(qū)生態(tài)節(jié)點(diǎn)、重要生態(tài)區(qū)生態(tài)節(jié)點(diǎn)和生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)節(jié)點(diǎn),前兩者主要位于斑塊面積較大的生態(tài)源地內(nèi)和廊道與廊道交接處,生物流的流量較大,在形成的廊道中起到了“踏腳石”的作用；而生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)一般距離生態(tài)源地較遠(yuǎn),位于前兩類生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間,是研究區(qū)形成生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,因此應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)節(jié)點(diǎn)的保護(hù)和建設(shè),讓其對(duì)周圍較為脆弱的景觀產(chǎn)生輻射作用。

2.2.5涪江流域景觀格局優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

利用網(wǎng)絡(luò)分析方法,形成了一條貫穿整個(gè)流域范圍的主廊道,長(zhǎng)約1607.38 km(圖5)。因此優(yōu)化過(guò)后的景觀生態(tài)格局是以主生態(tài)廊道為“中軸”、識(shí)別出的現(xiàn)有的生態(tài)廊道以及潛在生態(tài)廊道為“輔助”、生態(tài)節(jié)點(diǎn)為“樞紐”,打通整個(gè)廊道,形成了涪江流域較為完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架。

2.2.6優(yōu)化效果評(píng)估

對(duì)比涪江流域景觀格局優(yōu)化前后的IIC指數(shù)和PC指數(shù)(表7),可以得出：在優(yōu)化之前兩個(gè)指數(shù)都維持在0.48左右。在優(yōu)化后,研究區(qū)的IIC指數(shù)和PC指數(shù)分別為0.083624、0.079675,變化率分別呈74.12%和67.87%的正增長(zhǎng)。根據(jù)相關(guān)研究表明[6,36],景觀連通性指數(shù)較高的區(qū)域,其生態(tài)景觀格局具有更高的穩(wěn)定性。因此,進(jìn)行景觀格局優(yōu)化有利于提高涪江流域整體景觀格局的穩(wěn)定性。

表7 景觀格局優(yōu)化效果評(píng)估

3 討論

當(dāng)前學(xué)界對(duì)于多源景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)注逐漸增大,但是從“自然-社會(huì)-景觀格局”3個(gè)維度綜合選取評(píng)價(jià)因子對(duì)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究的案例還相對(duì)較少[1, 4, 19]。景觀格局優(yōu)化是景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的最終目標(biāo)[38]。本文基于景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果,進(jìn)一步明確了涪江流域目前的景觀格局現(xiàn)狀以及所面臨的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,為后續(xù)的景觀格局優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。在景觀格局優(yōu)化的研究中,生態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、質(zhì)量和空間分布狀況會(huì)對(duì)物種遷移的時(shí)間、周期和成功率產(chǎn)生重要的影響,加大對(duì)流域生態(tài)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)和保護(hù),能夠促進(jìn)物質(zhì)、能量流在整個(gè)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)更加流暢的循壞運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)于整個(gè)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升和生物多樣性的保護(hù)具有極其重要的意義[39]。利用網(wǎng)絡(luò)分析方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)結(jié)構(gòu)提高了整個(gè)區(qū)域的連通度指數(shù),景觀生態(tài)流可以直接滲透到景觀格局阻力較高的區(qū)域,促進(jìn)研究區(qū)生態(tài)安全水平的提高。因此應(yīng)做好上游地區(qū)如九寨溝、雪寶頂、王朗等國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的天然林保護(hù)工作,推進(jìn)流域內(nèi)森林、草原以及河流濕地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)工作,有效的保護(hù)和建設(shè)好生態(tài)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步推進(jìn)研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建。與常規(guī)的流域景觀格局研究方法相比較,本文創(chuàng)新之處在于：①?gòu)木坝^生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源的選取上,綜合的從自然、社會(huì)、景觀格局三方面選取評(píng)價(jià)因子,并且利用SPCA方法計(jì)算得出每個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值,可以減少由于人為經(jīng)驗(yàn)和判斷所賦予的權(quán)重值的主觀性,較為客觀的反應(yīng)出不同評(píng)價(jià)因子之間重要性差異,增加評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步揭示景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果中所蘊(yùn)含的生態(tài)學(xué)內(nèi)涵。②生態(tài)源地的選擇是進(jìn)行景觀格局優(yōu)化的重要環(huán)節(jié),在以往的眾多研究中,生態(tài)源地僅僅只是以面積大小為決定因素,選取的林地、水域等具有生態(tài)服務(wù)功能的景觀類型作為生態(tài)源地,具有較強(qiáng)的主觀性[6-7, 17]。而在本研究中對(duì)于生態(tài)源地的選取以4個(gè)表示景觀連通度以及斑塊重要性的景觀格局指數(shù)作為依據(jù)(LCP、LLC、PC、DI),最終選取出15個(gè)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和連通性的生態(tài)斑塊作為生態(tài)源地,提升對(duì)生態(tài)源地選擇的科學(xué)性。③本研究在MCR模型構(gòu)建出的生態(tài)廊道的基礎(chǔ)上,采用了網(wǎng)絡(luò)分析的方法,彌補(bǔ)了對(duì)于潛在廊道分析提取不足的情況,使得構(gòu)建的生態(tài)廊道具有更加豐富的層次性,提取的生態(tài)節(jié)點(diǎn)在空間定位中更加的清晰,并且通過(guò)計(jì)算景觀格局優(yōu)化前后得出的LCP、CP景觀指數(shù)結(jié)果可以看到,優(yōu)化后的景觀連通度得到了極大的提升。

本研究的所采用的研究方法和研究結(jié)果可為涪江流域制定景觀格局優(yōu)化措施提供具有參考意義的布局模式,并且對(duì)于整個(gè)長(zhǎng)江流域未來(lái)景觀生態(tài)安全構(gòu)建具有一定的理論和實(shí)踐意義。但是,本研究只是得出了優(yōu)化布局的結(jié)構(gòu),對(duì)于具體的優(yōu)化措施,如構(gòu)建生態(tài)廊道的寬度,生態(tài)節(jié)點(diǎn)的具體保護(hù)措施等方面,在未來(lái)的研究中都將結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行更深一步的研究和探討。

4 結(jié)論

本文基于空間主成分分析法(SPCA)評(píng)估研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),利用最小累積阻力模型(MCR)和網(wǎng)絡(luò)分析等方法對(duì)涪江流域的景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)分析得出,涪江流域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況在“自然—社會(huì)—景觀格局”三方面因素的共同作用下,受自然和景觀格局因子的影響較大,社會(huì)因子影響較小。

(2)從整體上來(lái)看,涪江流域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在空間分布上大致呈西北部高于東南部,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等、較高、高度的區(qū)域的面積占研究區(qū)總面積的65.35%,研究區(qū)生態(tài)環(huán)境所面臨的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。

(3)生態(tài)源地主要以林地、河流以及濕地為主,主要分布松潘、平武、北川區(qū)縣,總面積為11194.28 km2,占流域總面積的25.58%；構(gòu)建涪生態(tài)廊道共41條,其中現(xiàn)有的生態(tài)廊道有29條,潛在的生態(tài)廊道有12條；識(shí)別出生態(tài)節(jié)點(diǎn)53個(gè)。

(4)構(gòu)建了以主廊道為“中軸”,現(xiàn)有廊道及潛在廊道為“輔助”,生態(tài)節(jié)點(diǎn)為“樞紐”的較為完整的網(wǎng)絡(luò)型生態(tài)景觀格局；對(duì)比優(yōu)化前后的連通度進(jìn)行比較,優(yōu)化后景觀格局的連通度有了極大的提升。