磴口縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)多情景模擬研究

于 強(qiáng) 劉智麗 岳德鵬 張啟斌 牛 騰 蘇 凱

(北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

土地沙漠化目前成為全球最嚴(yán)重的環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)問題之一[1]。在我國，西北地區(qū)沙漠化的迅速發(fā)展已經(jīng)對社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境造成了很大影響，雖土地經(jīng)濟(jì)開發(fā)進(jìn)程緩慢，但輕微程度的干擾與破壞就會對脆弱的生態(tài)環(huán)境造成不可恢復(fù)的破壞[2]。具有生態(tài)作用的生態(tài)用地有機(jī)結(jié)合就形成了綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在一定程度上保證了干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，雖然受到土地經(jīng)濟(jì)開發(fā)、沙漠化和客觀環(huán)境不穩(wěn)定性等的影響，但生態(tài)網(wǎng)絡(luò)能夠抵抗破壞的彈性特征使得遭到破壞后的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)能夠得到一定程度的恢復(fù)[3]。如何在土地經(jīng)濟(jì)開發(fā)的背景下保證生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定從而發(fā)揮其生態(tài)功能，成為需要迫切解決的現(xiàn)實問題[4]。

對區(qū)域現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行細(xì)致分析是進(jìn)行格局優(yōu)化的前提。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析方面，目前多數(shù)的研究是針對潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究，且多集中于城市區(qū)域[5]。首先基于景觀生態(tài)學(xué)“斑塊-廊道-基質(zhì)”理論利用生態(tài)阻力面模型等構(gòu)建區(qū)域的潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而選用聯(lián)通性、重要性等景觀格局指數(shù)[6]，關(guān)聯(lián)長度指數(shù)、介數(shù)指數(shù)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評價指數(shù)[7]，以及重力模型、形態(tài)學(xué)空間格局分析模型[8]等對其進(jìn)行分析。潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論上是現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化狀態(tài)，潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是基于現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境下最優(yōu)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]，但其是一種最理想化的狀態(tài)，在中國西北干旱半干旱區(qū)由于水資源、土壤資源等的限制[10]，這種潛在的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局并不能真正的實現(xiàn)，故對現(xiàn)狀的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析意義更大，維持現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定持續(xù)更為重要。

現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行破壞模擬意義重大。在西北干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最大的影響就是在水資源有限的前提下的土地經(jīng)濟(jì)開發(fā)，經(jīng)濟(jì)開發(fā)需要大量水資源，則導(dǎo)致用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的水資源不足[11]。基于此，本研究設(shè)置多種情境對現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演化特征進(jìn)行模擬分析，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演化不同于土地利用的演化，其不僅受到生態(tài)基質(zhì)的影響，其自身結(jié)構(gòu)特點也對演化產(chǎn)生影響，即生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中存在生態(tài)力，對此生態(tài)力進(jìn)行定量描述對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演化模擬至關(guān)重要。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一種，針對社交網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、生物網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的布局研究目前較多，其中力導(dǎo)向算法被廣泛的應(yīng)用于這些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的自動布局，對具有空間信息的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用極少[12]。故本研究以中國西北荒漠綠洲區(qū)典型縣域為研究區(qū)，對力導(dǎo)向算法進(jìn)行改造，構(gòu)建出可應(yīng)用于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)演化的力導(dǎo)向模型，結(jié)合最小累積阻力面模型對研究區(qū)現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬分析。模擬并預(yù)測不同程度生態(tài)保護(hù)和土地經(jīng)濟(jì)開發(fā)情景設(shè)置下區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局的演變特點，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

磴口縣地處中國西北部(東經(jīng)107°05′，北緯40°13′)，位于內(nèi)蒙古河套平原源頭，黃河中上游，背靠狼山山脈，西鄰烏蘭布和沙漠。磴口縣氣候干旱少雨，水資源較為短缺，土地沙漠化嚴(yán)重，土地退化嚴(yán)重，區(qū)域蒸發(fā)量大，導(dǎo)致土地鹽漬化程度深，境內(nèi)海拔1 030～2 046 m，整個地形除山區(qū)外，呈東南高西北低，逐漸傾斜。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，歷年平均風(fēng)速3.0 m/s，瞬間最大風(fēng)速28 m/s，多年平均降水量143.9 mm，多年平均蒸發(fā)量2 327 mm，多年平均氣溫7.6℃，無霜期136 d。全縣有6個土類，10個亞類，31個土屬，258個土種。黃河流經(jīng)磴口縣52 km，年徑流量310億m3，水域面積2 400 hm2。河套地區(qū)地下水埋深0.5～3 m，沙區(qū)地下水埋深3～10 m，山前洪積扇地下水埋深3～30 m，相對豐富的地表水與地下水對磴口縣發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境改善提供了有力保障[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取磴口縣2016年夏季且少云的30 m分辨率的Landsat OLI影像為研究素材(來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺)，提取NDVI、MNDWI指數(shù)。利用ENVI 5.1軟件對影像進(jìn)行波段合成、圖像增強(qiáng)和幾何校正處理，選擇最大似然監(jiān)督分類法對遙感影像進(jìn)行目視解譯，提取磴口縣的土地利用類型信息，使用ArcMap 10.2進(jìn)行細(xì)碎斑塊處理。為滿足研究需要，利用從內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市國土局獲得的2015年二級土地利用精細(xì)分類數(shù)據(jù)對影像解譯的2016年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，結(jié)合外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確的2016年土地利用精細(xì)分類數(shù)據(jù)，土地利用類型包括：采礦用地、村莊、風(fēng)景名勝及特殊用地、公路用地、溝渠、灌木林地、果園、河流、河灘地、湖泊濕地、湖泊水面、建制鎮(zhèn)、交通用地、坑溏水面、林帶、落地、其他草地、人工草地、沙地、設(shè)施農(nóng)用地、水工建設(shè)用地、水澆地、水庫水面、天然牧草地、鹽堿地和有林地26類[14]。

用于構(gòu)建最小累積阻力面的DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺，分辨率30 m。利用ArcGIS 10.2軟件根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù)。地下水埋深的空間分布數(shù)據(jù)來自馬歡等[15]的研究成果，其為本研究的前期研究成果。通過土地利用數(shù)據(jù)提取水網(wǎng)和路網(wǎng)，利用ArcGIS 10.2軟件中的多重緩沖區(qū)分析模塊獲得距離因子數(shù)據(jù)。通過土地利用數(shù)據(jù)提取居民點、路網(wǎng)、水網(wǎng)，利用ArcGIS 10.2軟件中的密度分析模塊獲得密度因子數(shù)據(jù)。

1.3 最小累積阻力面模型

基本最小累積阻力面模型，即MCR(Minimal cumulative resistance)的基本公式為

(1)

式中VMCR——最小累積阻力面

fmin——某土地單元的累積阻力最小值

Dij——從生態(tài)源地j到土地單元i空間距離

Ri——用地單元i對運動過程的阻力系數(shù)

不同生態(tài)源地有不同的生態(tài)能量，即不同生態(tài)源地的影響力是不同的，引入不同等級生態(tài)源地的能量因子Pj，修正MCR模型[16]。根據(jù)生態(tài)源地生態(tài)系統(tǒng)的類型不同，磴口縣的生態(tài)源地可概括為綠色和藍(lán)色兩種類型，分別利用NDVI和MNDWI兩個指數(shù)描述兩種生態(tài)源地的特征[17-18]，并結(jié)合各個生態(tài)源地斑塊的面積大小構(gòu)建能量因子Pj修正系數(shù)，能量因子Pj的計算公式為

Pj=AjIjr

(2)

式中Aj——第j塊生態(tài)源地斑塊的面積

Ijr——第j塊生態(tài)源地斑塊的第r個歸一化指數(shù)

在本研究中選擇了兩種歸一化指數(shù)描述生態(tài)源地，故r分別取值1和2，Ij1為第j塊生態(tài)源地的NDVI均值，Ij2為第j塊生態(tài)源地的MNDWI均值。

修正后MCR模型考慮了4方面因素，即生態(tài)源地、生態(tài)源地能量等級、距離和基面阻力特征，修正后公式為

(3)

式中VMCR-P——生態(tài)用地擴(kuò)展最小生態(tài)累積阻力面

Pj——生態(tài)源地j的能量因子，其值越大代表生態(tài)源地斑塊的生態(tài)能量越大

由于基面特征的不同，生態(tài)源地中產(chǎn)生的生態(tài)能量在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)展過程中所受到的阻力是不同的。阻力系數(shù)反映了生態(tài)景觀覆蓋控制其他景觀的難易程度。本研究在構(gòu)建阻力面時設(shè)置兩種磴口縣的發(fā)展模式，第1種模式是經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，第2種是生態(tài)保護(hù)模式。針對兩種模式構(gòu)建相對應(yīng)的阻力面，賦予不同的阻力系數(shù)。最終利用ArcGIS軟件中的cost-distance模塊完成7種類型生態(tài)源地的累積阻力面的計算，由于計算量較大，故利用Python腳本語言編寫程序完成該計算。通過對計算生成的累積阻力面進(jìn)行疊加分析，計算各個柵格單元的最小值，最終得到2種模式下的2個最小生態(tài)累積阻力面。

1.4 多情景模擬模型

磴口縣的現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要由生態(tài)源地節(jié)點和生態(tài)廊道組成，是一個有權(quán)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。生態(tài)能量在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的流動是雙向的，即生態(tài)源地與生態(tài)源地之間能夠互相影響，互相傳遞能量。由于在干旱區(qū)水資源相對短缺，生態(tài)源地之間不僅存在著相互依存的關(guān)系，在水資源、土壤資源利用等方面還存在著競爭的關(guān)系。距離因素決定了2個生態(tài)源地之間的關(guān)系，距離過近則競爭現(xiàn)象凸顯，距離過遠(yuǎn)則不能夠相互補(bǔ)充能量，這種現(xiàn)象類似于物理學(xué)中的真空中2個電子之間的庫倫效應(yīng)，故本文將生態(tài)源地之間的這種現(xiàn)象稱為生態(tài)源地類庫倫效應(yīng)。這種效應(yīng)可以解釋為：當(dāng)2個生態(tài)源地距離過近，則它們之間存在著排斥力，隨著2個生態(tài)源地距離的增加，這種排斥力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲?，直到距離過大導(dǎo)致2個生態(tài)源地之間影響力消失。

故本文將物理學(xué)領(lǐng)域電子之間的庫倫力引入到景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，將生態(tài)源地之間的這種類庫倫力稱為生態(tài)庫倫力，并給出生態(tài)庫倫力的定義：在一定的土地空間內(nèi)，假設(shè)生態(tài)綠地所能利用的資源是有一定限度的，則2個生態(tài)綠地之間存在隨距離的變化而變化的作用力，即生態(tài)庫倫力。

根據(jù)牛頓第三定律：相互作用的2個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。而牛頓第三定律同樣適用于生態(tài)庫倫力。如圖1所示，在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，生態(tài)庫倫力與最小生態(tài)累積阻力是一對相互作用力，它們大小相等且方向相反。當(dāng)2個生態(tài)源地節(jié)點相互作用產(chǎn)生生態(tài)庫倫力后，生態(tài)庫倫力又導(dǎo)致了生態(tài)能量在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的流動，從而產(chǎn)生了生態(tài)流。而生態(tài)流在流動的過程中所做的功就等于最小累積生態(tài)阻力克服生態(tài)流的流動而做的功，故可以用最小累積生態(tài)阻力來反映生態(tài)庫倫力。

圖1 生態(tài)源地間相互作用力示意圖Fig.1 Schematic diagram of interaction forces between ecological sources

生態(tài)源地能量的大小決定了生態(tài)庫倫力的強(qiáng)弱，生態(tài)庫倫力的變化引起了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局的改變?；诹?dǎo)向模型(Force directed model，F(xiàn)DM)的圖形繪制方法是網(wǎng)絡(luò)圖節(jié)點自動布局研究中應(yīng)用最廣的一類算法[19]。FDM將圖形假想為一個物理系統(tǒng)，每個節(jié)點都受到其他節(jié)點的拉力或斥力，所有的節(jié)點在相互作用力下運動，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到力平衡而靜止時，即獲得了最佳布局[20]。

本研究利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)力導(dǎo)向算法進(jìn)行磴口縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的布局模擬研究，采用{V,H}代表復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其中V是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集合，而H是廊道的集合。借鑒Noack所提出的LL(LinLog)模型，該模型在圖形進(jìn)行節(jié)點自動布局的同時，完成節(jié)點聚類[21]。該模型定義復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)系統(tǒng)的能量為

E=∑(‖pi-pj‖-ln(‖pi-pj‖))

(4)

式中E——復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)能量

pi——V中第i個生態(tài)節(jié)點

pj——V中第j個生態(tài)節(jié)點

|·|——節(jié)點pi與pj之間的歐氏距離

|pi-pj|——節(jié)點pi與pj之間的圖論距離(即跳數(shù))

式中前半部分代表了鄰接節(jié)點的引力，后半部分代表了任意節(jié)點之間的斥力。

本研究中的生態(tài)庫倫力借鑒了物理學(xué)中電子的引力與斥力，借鑒Fruchterman的研究將電子斥力引入生態(tài)網(wǎng)絡(luò)力導(dǎo)向布局模型[22-23]，定義任意2個生態(tài)源地節(jié)點之間存在的斥力和引力的計算公式為

(5)

(6)

式中Fc——斥力Fy——引力

K——生態(tài)庫倫力常數(shù)

公式表明生態(tài)源地節(jié)點之間的距離越小則互相斥力越大，這可以有效的解決生態(tài)源地節(jié)點之間重疊覆蓋引發(fā)資源競爭的問題。

在斥力與引力以及最小累積阻力的共同作用下，實際中的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)會逐漸的發(fā)生演化。生態(tài)源地節(jié)點、生態(tài)廊道會發(fā)生小幅度的位置變化以及面積的變化，本研究假設(shè)當(dāng)所有生態(tài)源地節(jié)點的動力和最小時，生態(tài)源地節(jié)點就達(dá)到了平衡狀態(tài)，即最佳布局。但是因為實際中最小累積阻力的限制，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)只能是最大可能地趨于最佳的布局。本研究生態(tài)網(wǎng)絡(luò)力導(dǎo)向多情景模擬模型的具體算法流程如下：

(1)將磴口縣內(nèi)的所有生態(tài)節(jié)點劃分為k個子區(qū)域，并進(jìn)行編號。

(2)計算各個生態(tài)源地節(jié)點與k個子區(qū)域之間的受力情況，計算pi受到第j子區(qū)域所有生態(tài)源地節(jié)點的作用力之和。

(3)計算最大作用生態(tài)庫倫力，結(jié)合最小累積阻力面數(shù)據(jù)獲得最小累積阻力，判斷在空間上該生態(tài)節(jié)點能夠移動的距離與方向，改變節(jié)點pi的位置，評判是否可以改變節(jié)點pi的區(qū)域編號，若阻力過大不能將節(jié)點pi加入到最大作用力子區(qū)域，則在空間上將節(jié)點pi的位置移動到距離子區(qū)域最能達(dá)到的位置。

(4)將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D與實際生態(tài)網(wǎng)絡(luò)柵格數(shù)據(jù)對應(yīng)，獲得生態(tài)源地斑塊柵格的生態(tài)庫倫力，根據(jù)阻力大小進(jìn)行生態(tài)源地斑塊、生態(tài)廊道斑塊的擴(kuò)張或縮減模擬。

(5)重復(fù)計算，直到整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量E之和最小，則生態(tài)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了平衡狀態(tài)，最終得到生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間分布柵格模擬結(jié)果。

設(shè)置了兩種演化模式，基于現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)保護(hù)模式和與之相對應(yīng)的純粹的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。在現(xiàn)實中磴口縣的發(fā)展是兼顧生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面，磴口縣生態(tài)環(huán)境極其脆弱，生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，生態(tài)保護(hù)模式是磴口縣目前的主要模式。生態(tài)保護(hù)模式可理解為磴口縣現(xiàn)狀模式，通過調(diào)整兩種模式的轉(zhuǎn)換完成情景模擬，分析磴口縣未來多情境下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演變規(guī)律。

在干旱半干旱區(qū)，水資源以及經(jīng)濟(jì)狀況決定發(fā)展模式，且水資源和經(jīng)濟(jì)投資是有限的，基于此假設(shè)生態(tài)保護(hù)模式的權(quán)重為M，經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的權(quán)重為N，則有M+N=1。設(shè)定步長為0.1，分別設(shè)置M={0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0}，則有N={1.0,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0}。M=0代表純粹的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，M=1.0則代表現(xiàn)狀的生態(tài)保護(hù)模式。利用該權(quán)重體系最終獲得11幅最小累積阻力面圖，即11種不同程度生態(tài)發(fā)展模式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的磴口縣基面阻力特征，利用力導(dǎo)向算法最終模擬出11種情境下的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)演化結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 最小累積阻力面構(gòu)建

從地形坡度、植被覆蓋、水文分布、土地覆蓋、距離因子、密度因子6方面建立生態(tài)阻力的評價體系。按照表1將各項生態(tài)阻力劃分為5個等級，針對生態(tài)保護(hù)模式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，分別用1、3、5、7、9來表示程度，考慮各個因子對于現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的維持與發(fā)展都有必不可少的貢獻(xiàn)，故各個因子具有相同的權(quán)重。地下水埋深的空間分布對地上植被的空間格局起著決定性作用，地下水埋深小易于植被的生經(jīng)過疊加?xùn)鸥裼嬎愕玫缴鷳B(tài)保護(hù)模式下和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下生態(tài)能量在區(qū)域內(nèi)流動的基面阻力。在生態(tài)保護(hù)模式下，經(jīng)過疊加運算得到6個阻力，阻力2的區(qū)域面積很少，阻力3的區(qū)域主要位于道路廊道和水網(wǎng)廊道，阻力4的區(qū)域位于道路廊道周圍，阻力5的面積最大，阻力6主要分布在烏蘭布和沙漠東北緣以及狼山山前。在生態(tài)保護(hù)模式下生態(tài)能量在生態(tài)源地與生態(tài)廊道附近有較低的阻力值。但是在經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下，烏蘭布和沙漠東北緣以及狼山山前洪積扇區(qū)域反而生態(tài)阻力較小，在生態(tài)廊道以及生態(tài)源地周邊生態(tài)阻力反而較大，這反映了在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)會極大破壞生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，因為在磴口縣發(fā)展經(jīng)濟(jì)離不開水及交通運輸，所以在阻力面上反而荒漠地帶有相對較低的生態(tài)阻力值，這也反映出若基于現(xiàn)狀純粹的經(jīng)濟(jì)發(fā)展開發(fā)會嚴(yán)重地增大生態(tài)阻力，嚴(yán)重地阻礙生態(tài)能量的流動。

表1 生態(tài)阻力評價指標(biāo)體系Tab.1 Ecological resistance evaluation index system

長，能夠保證生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不斷裂，故將地下水埋深空間分布加入評價體系。與水體廊道和道路廊道的距離大小，描述的是生態(tài)能量水平運動過程的難易，廊道密度以及居民地密度決定了大尺度空間上的生態(tài)能量傳遞的難易。利用ArcGIS軟件制作各個單因子的評價結(jié)果，進(jìn)行疊加?xùn)鸥裼嬎愕玫缴鷳B(tài)保護(hù)模式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下的生態(tài)阻力基面的綜合評價結(jié)果，如圖2所示。

圖2 生態(tài)保護(hù)模式與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式生態(tài)阻力面Fig.2 Ecological protection and economic development model ecological resistance surfaces

基于改進(jìn)的最小累積阻力面模型，利用ArcGIS軟件中的cost-distance模塊分別計算人工草地、其他草地、坑溏水面、有林地、果園、湖泊和灌木林地7種類型生態(tài)源地的生態(tài)累積阻力面，進(jìn)行疊加?xùn)鸥裼嬎愕玫皆陧憧诳h現(xiàn)狀基礎(chǔ)上生態(tài)保護(hù)模式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下的綜合生態(tài)累積阻力面。由圖3可知，在生態(tài)保護(hù)模式下磴口縣大部分區(qū)域的生態(tài)累積阻力較低，最低為23 971，狼山山前最大生態(tài)累積阻力為512 433，在烏蘭布和沙漠東北緣的最大阻力值達(dá)到809 998。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下生態(tài)累積阻力相對較小的區(qū)域明顯減少，在磴口縣西北的那仁布魯格嘎查地區(qū)阻力較大，在磴口縣東南的渡口鎮(zhèn)附近區(qū)域阻力明顯有所升高，整體最低生態(tài)累積阻力為24 057。

圖3 生態(tài)保護(hù)模式與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式累積生態(tài)阻力面Fig.3 Cumulative ecological resistance surfaces of ecological protection and economic development model

2.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)多情景模擬

通過多情景模擬分析不同發(fā)展模式對現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的影響作用。(M，N)共設(shè)置(0，1.0)、(0.1，0.9)、(0.2，0.8)、(0.3，0.7)、(0.4，0.6)、(0.5，0.5)、(0.6，0.4)、(0.7，0.3)、(0.8，0.2)、(0.9，0.1)、(1.0，0)11種情景，(0，1.0)模式即經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下的生態(tài)阻力面，(1.0，0)模式即生態(tài)保護(hù)模式下的生態(tài)阻力面，利用ArcGIS軟件的Raster Calculator模塊得到其他9種模式的生態(tài)累積阻力面。如圖4所示，由(0.1，0.9)模式到(0.9，0.1)模式，隨著生態(tài)保護(hù)模式生態(tài)累積阻力面的權(quán)重增加，生態(tài)保護(hù)的效果能夠被反映出來，9種模式的累積阻力值范圍分別為24 763～864 906、24 661～943 172、24 560～1 021 440、24 458～1 104 420、24 357～1 187 410、24 255～1 270 410、24 154～1 353 410、24 052～1 436 400、23 929～1 519 400。結(jié)合圖3可明顯看出隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式到生態(tài)保護(hù)模式的轉(zhuǎn)換，象征較低生態(tài)累積阻力的藍(lán)色和綠色區(qū)域逐漸增多。

圖4 多情景模式累積生態(tài)阻力面Fig.4 Cumulative ecological resistance surface under multi scenarios

圖5 水網(wǎng)和路網(wǎng)骨架空間分布Fig.5 Spatial distribution of water network and road >network skeleton

水網(wǎng)和路網(wǎng)組成了磴口縣的廊道網(wǎng)絡(luò)，為了分析廊道網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定機(jī)理，利用Kruskal算法[24]進(jìn)行磴口縣骨架廊道的提取，在Matlab軟件中實現(xiàn)骨架樹的篩選生成?；诮閿?shù)計算的Kruskal算法成熟、穩(wěn)定且計算量小。在生成骨架廊道之前，首先根據(jù)生態(tài)源地斑塊與生態(tài)廊道的空間位置確定出每條廊道的起點與終點，確定每條廊道與生態(tài)節(jié)點之間的連接關(guān)系，并且抽象成為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖譜結(jié)構(gòu)，最終得出磴口縣現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的骨架廊道，結(jié)果如圖5所示。骨架廊道是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的最基本保證，所提取出來的骨架廊道與實際情況較為吻合，水網(wǎng)中的黃河以及黃河奈倫湖分枝、烏沈干渠、總干渠、大灘渠、東風(fēng)渠建設(shè)二干渠、烏拉河、團(tuán)結(jié)渠北二支渠、五支渠、四支溝、瑪彌吐渠等關(guān)鍵的河流溝渠都被確定為骨架廊道。路網(wǎng)中的磴哈公路、穿沙公路、京藏高速、包銀公路、沙巴公路、S312省道等關(guān)鍵的路段都被確定為骨架廊道。在現(xiàn)實中這些骨架廊道具有不易發(fā)生大規(guī)模變動的特點，其極高的穩(wěn)定性也保證了磴口縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

在利用本研究所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)力導(dǎo)向算法進(jìn)行多情景模擬之前給出模型假設(shè)。(1.0，0)模式是根據(jù)2016年研究區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行阻力體系賦值，故假設(shè)代表現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的(1.0，0)模式為初始模式?，F(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是多年的生態(tài)環(huán)境演變的結(jié)果，假設(shè)初始模式下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)且其生態(tài)庫倫力與最小累積阻力相同。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)庫倫力的作用下，隨著最小累積阻力值的變化，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)也隨之發(fā)生變化，從而完成多情景模擬。利用Python腳本語言基于ArcGIS軟件中編寫程序完成力導(dǎo)向模型在不同阻力面上的模擬，為便于分析，利用自然斷點法按照生態(tài)庫倫力大小對柵格生態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級，共分為5個等級。(1.0，0)模式下的初始生態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及(0，1.0)模式下的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 初始模式及最終模式生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果Fig.6 Ecological network simulation results of initial model and final model

隨著(1.0，0)模式到(0，1.0)模式的轉(zhuǎn)換，部分區(qū)域內(nèi)最小累積生態(tài)阻力逐漸增大，導(dǎo)致現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)遭到巨大破壞，在磴口縣北部、西部和東南部破壞最為嚴(yán)重，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)庫倫力為1級、2級的柵格大量消失，5級柵格也有較多消失，網(wǎng)絡(luò)的骨架廊道也遭到了致命的破壞。為了更為準(zhǔn)確的分析從(1.0，0)模式到(0，1.0)模式轉(zhuǎn)換過程中生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化的細(xì)節(jié)，選擇了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)被破壞較大的沙金套海蘇木周邊的區(qū)域進(jìn)行細(xì)致研究，劃定了面積接近310 km2的樣圓(圖6)。樣圓內(nèi)包含了5個等級的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)柵格、7個種類的生態(tài)源地斑塊類型，也包含水網(wǎng)和路網(wǎng)兩種類型廊道的骨架結(jié)構(gòu)以及非骨架結(jié)構(gòu)。

圖7 多情景生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of sentimental landscape ecological network

由圖7可知，(0.9，0.1)模式下，樣圓西部非骨架廊道出現(xiàn)了斷裂，5級柵格有部分消失，但是在樣圓中部阻力值降低，源地柵格和廊道柵格都有所擴(kuò)張。(0.8，0.2)模式下樣圓西部阻力繼續(xù)增大，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)源地柵格出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，非骨架廊道破壞程度增加，骨架廊道中的三支渠出現(xiàn)了斷裂。(0.7，0.3)模式下樣圓的中部阻力值增加幅度較大，3、4、5級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)柵格破碎消失的比較嚴(yán)重，西部骨架廊道新四支渠出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的破壞，非骨架廊道出現(xiàn)了嚴(yán)重斷裂。(0.6，0.4)模式下西部骨架廊道新四支渠基本完全破壞，中部骨架廊道三支渠破壞程度增加，但是東部骨架廊道北二支渠并沒有遭到破壞。(0.5，0.5)模式下樣圓南部隨著阻力值增大，納林套海農(nóng)場附近生態(tài)網(wǎng)絡(luò)柵格破碎嚴(yán)重，部分生態(tài)源地柵格完全消失。(0.4，0.6)模式下樣圓西部和南部骨架廊道基本完全破壞，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)破碎化嚴(yán)重。(0.3，0.7)模式下樣圓北部太陽廟農(nóng)場附近生態(tài)網(wǎng)絡(luò)柵格逐漸消失，西部和南部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)破碎柵格進(jìn)一步消失，東部非骨架廊道也遭到了破壞。(0.2，0.8)模式下樣圓東部骨架廊道北二支渠出現(xiàn)了斷裂，西部和南部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)破碎柵格進(jìn)一步消失。(0.1，0.9)模式下骨架廊道北二支渠斷裂增大，北部骨架廊道瑪彌吐渠也遭到破壞。(0，1.0)模式生態(tài)網(wǎng)絡(luò)破碎柵格大量消失，主要骨架廊道基本完全斷裂，生態(tài)源地斑塊之間幾乎不相連，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)完全喪失其功能?，F(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是適應(yīng)目前磴口縣生態(tài)環(huán)境而演化形成的，隨著生態(tài)保護(hù)模式阻力面權(quán)重的降低，區(qū)域內(nèi)阻力值逐漸增大，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)也逐漸的遭受破壞，生態(tài)源地萎縮，生態(tài)廊道斷裂，表明在現(xiàn)有條件下若進(jìn)行較大規(guī)模的土地經(jīng)濟(jì)開發(fā)會對磴口縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)造成不可恢復(fù)的破壞。但是在多種模式中，(0.9，0.1)模式雖在沙漠邊緣處出現(xiàn)破壞，但是在樣圓內(nèi)部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)卻出現(xiàn)擴(kuò)張，而此后的模式生態(tài)網(wǎng)絡(luò)則呈現(xiàn)持續(xù)破壞狀態(tài)，表明磴口縣仍有進(jìn)一步發(fā)展經(jīng)濟(jì)的空間，但空間不大。

3 結(jié)論

(1)本研究給出了生態(tài)庫倫力的概念，將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)用于實際生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的分析中，結(jié)合最小累積阻力模型所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)多情景模擬模型可行?；诂F(xiàn)狀構(gòu)建的生態(tài)保護(hù)模式累積生態(tài)阻力面顯示出狼山山前和烏蘭布和沙漠的東北緣生態(tài)阻力較大，與之相對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式累積生態(tài)阻力值較大區(qū)域明顯增多。

(2)基于復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)力導(dǎo)向模型的11種情景模式下，隨著(1.0，0)模式到(0，1.0)模式的轉(zhuǎn)換，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了逐漸的破壞。以局部樣圓為例，隨著模式的轉(zhuǎn)換，生態(tài)源地斑塊柵格逐漸消失，骨架廊道逐漸出現(xiàn)斷裂，最終(0，1.0)模式下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)遭到極大破壞，結(jié)構(gòu)上已經(jīng)不具備生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的特征，表明現(xiàn)狀條件下干旱半干旱區(qū)若進(jìn)行大規(guī)模土地經(jīng)濟(jì)開發(fā)會對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)造成極大的破壞。

(3)在(0.9，0.1)模式下，沙漠邊緣處出現(xiàn)破壞，但是在樣圓內(nèi)部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)卻出現(xiàn)擴(kuò)張，在現(xiàn)有自然資源的約束下，磴口縣仍有發(fā)展經(jīng)濟(jì)的空間，但空間不大。這個現(xiàn)象對未來利用本研究所提出的多情景模擬模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間閾值界定提供了一個研究方向。

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