大慶市濕地生態(tài)網絡的構建與優(yōu)化研究

許慶，田宇，胡遠東，劉炳熙，郭迎皓

(1.東北林業(yè)大學園林學院；2.黑龍江省寒區(qū)園林植物種質資源開發(fā)與景觀生態(tài)修復重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；3.七臺河市園林事業(yè)發(fā)展中心，七臺河 154600)

具有“百湖之城”美譽的大慶市，濕地面積占據市域面積的12.7%，濕地成為大慶城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和動植物棲息的主要場所.伴隨城市化進程的加快，大慶市濕地生態(tài)網絡連接度不斷下降，景觀破碎化日益嚴重.目前學者的研究大多是基于濕地生態(tài)環(huán)境的理化性質以及生物多樣性調查方面[1-7]，而對通過加強生態(tài)系統(tǒng)的空間結構、保護生態(tài)系統(tǒng)功能及過程的研究相對較少.肖篤寧在《環(huán)渤海三角洲濕地的景觀生態(tài)學研究》一書中對濕地生態(tài)學已有較為詳盡的研究[5].本研究以大慶市濕地景觀為研究對象，就如何識別出濕地景觀破碎化區(qū)域生態(tài)源地與結構性連接廊道，如何量化評價生態(tài)源地以及結構性廊道的相對重要性程度，如何利用當前濕地景觀資源更好地優(yōu)化濕地生態(tài)網絡3個問題進行了研究，以期為大慶市濕地網絡構建提供參考，同時也為其他區(qū)域濕地生態(tài)網絡的構建提供方法借鑒.

圖1 大慶地理位置圖Figure 1 Daqing location map

1 研究區(qū)概況

大慶市位于松嫩平原中部，松遼盆地中央坳陷區(qū)北部，黑龍江省西部，地處哈大齊經濟帶中心，是我國著名的石油工業(yè)工程和典型的資源型城市.本文以大慶市市域為研究范圍，下轄薩爾圖區(qū)、讓胡路區(qū)、龍鳳區(qū)、紅崗區(qū)、大同區(qū)5個區(qū)，總面積21 170.792 km2，其中湖泊與濕地面積2 561.60 km2[21].隨著人類農業(yè)開墾、城市建設等干擾活動的加劇，大慶市濕地資源遭到了嚴重破壞.

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

遙感影像數據主要是由中國科學院提供的2018年大慶市OLI遙感影像，通過投影校對轉換以及地理配準后，經非監(jiān)督解譯與監(jiān)督解譯共同處理，依據國家標準《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T 21010-2017結合本文研究的目的，將大慶市土地覆蓋類型分為：草地、耕地、水域、林地、未利用地以及建設性用地5大類.將上述數據統(tǒng)一于投影坐標：WGS-TUM-1984-Zone-51N，并在ArcGIS 10.5數據庫中導出像元柵格為30 m×30 m數據(圖2).

2.2 研究方法

2.2.1 大慶市域濕地景觀格局分析 基于研究大慶市市域范圍的土地利用圖，對濕地景觀組分進行劃分，采用MSPA方法將柵格化后濕地景觀地理數據分為7類不同空間屬性的柵格數據，包括：核心區(qū)、橋連區(qū)、島狀斑塊、邊緣區(qū)、環(huán)道區(qū)、支線、空隙，每一類區(qū)域均具有其各自的景觀生態(tài)學意義(表1).根據其工作原理(圖3)需要將柵格數據在進行MSPA方法分析前，先運用GIS對柵格數據進行二值化處理，形成前景與背景.經MSPA方法分析后，可得出濕地景觀不同生態(tài)學功能的景觀要素覆蓋情況.

圖3 Guidos處理數據原理Figure 3 Guidos processing data principle

表1 MSPA的濕地景觀組分、定義及生態(tài)學意義

2.2.2 生源地連接度評價方法 生態(tài)網絡景觀連接度的研究方法主要是運用景觀指數分析法對生態(tài)網絡進行定量評價，通過景觀指數變化對景觀格局進行描述[8].目前，對于生態(tài)網絡研究一般選用整體連通性連接度指數(IIC)、可能連通性連接度指數(PC)以及斑塊重要性指數(dPC)作為網絡連接度評價指標，3個景觀指數能夠較好地反映斑塊的重要程度以及研究區(qū)域內的斑塊間連接程度，從而對當前景觀格局與功能在定量研究中得以良好的呈現(xiàn).

(1)

(2)

(3)

公式中：n表示研究范圍內斑塊總數；ai與aj分別表示斑塊i與斑塊j的面積；AL表示研究斑塊的總體面積；nlij表示斑塊i與斑塊j之間的連接長度；PC表示某一景觀的景觀連接度指數；PCij*表示斑塊i與斑塊j之間物種擴散的最大可能性；PCremove表示將隨機斑塊i剔除后的景觀連接度.

2.2.3 基于最小路徑方法的生態(tài)網絡構建 最短成本路徑是獲取從一個“源”或一組“源”地出發(fā)，到達一個“匯”或一組“匯”即目標地的最短直線路徑或最小成本路徑(公式4).通過MSPA以及核心斑塊權重分析，確定生態(tài)源后，最小成本路徑由建立在GIS中的Spatial Analyst中的Distance分析中的Cost Weighted工具完成，通過分析可以找到有利于物種擴散、能量流動以及信息傳遞通達性潛在路線， 能夠有效模擬生物在研究區(qū)域運動的趨向性.

(4)

式中：MCR為最小成本值；Dij表示從原點j到空間單元i的空間距離；Ri表示空間單元i的阻力系數.

參考國內外研究成果，以及MSPA分析結果[9-17]，確定各個土地利用類型的景觀阻力值，景觀阻力值表示物種擴散過程中穿越斑塊的難易程度，阻力值越大，表示物種越難穿越斑塊.根據不同景觀類型對于物種的擴散阻力大小，分別賦以不同的阻力值(表4).基于重力模型構建了生態(tài)源地的相互作用相關矩陣，以得到廊道的重要程度總體分布，重力模型公式如下：

(5)

式中：Tij代表區(qū)域內i產生的吸引力到j上的作用強度；Pi為斑塊i的整體阻力值；Pj為斑塊j的整體阻力值；Si為斑塊i的面積；Sj為斑塊j的面積；Lmax表示從斑塊i到斑塊j的最大阻力值；Lij為斑塊i與斑塊j潛在廊道的積累阻力值.

表2 阻力因子分級賦值

3 結果與分析

3.1 濕地景觀要素空間分布

通過MSPA分析得到的濕地景觀生態(tài)功能不同的景觀要素空間分布，以及面積數值占比(表3、圖4)，并識別出適宜作為生物棲息的濕地斑塊.其中核心斑塊面積為240 399.512 km2，核心斑塊作為生物棲息的主要場所，占濕地斑塊總面積93.848%.主要核心斑塊分布于大慶市西部以及西南部，形成兩個次級濕地斑塊組團.西部組團空間連通性較好，組團內連通性較好，而南部組團空間分布較為分散.東部與北部則分布較少且核心斑塊連通性較差；橋連接區(qū)域作為廊道或潛在廊道的重要組成部分，對于生物在濕地內的遷徙運動具有重要意義，在研究區(qū)域區(qū)所占比僅為0.01%，由此可見生物廊道受到破壞性較大，且較為分散，這對于物種在棲息地擴散十分不利；邊緣區(qū)與空隙面積分別占濕地總面積4.992%、0.460%，其二者作為同一個斑塊邊緣的不同區(qū)域，或為不同斑塊間的生態(tài)交錯帶的重要組成部分，都是邊緣效應重要區(qū)域，有利于異質種群的生存，但其破碎程度較為嚴重，很難滿足物種的棲息；島狀斑塊可作為生物在不同斑塊間運動的踏腳石斑塊，并可以作為生態(tài)網絡構建的生態(tài)戰(zhàn)略點，占濕地總面積0.211%；支線具有一定的連通性，是生物向外擴散的途徑，占濕地面積的0.401%，而環(huán)道區(qū)則為物種在單個斑塊內的運動提供捷徑，僅15.924 km2，由此可見濕地斑塊間的連接較差，破碎程度較高.

表3 MSPA分類統(tǒng)計表

圖4 Duidos分類結果圖Figure 4 Duidos classification results

3.2 景觀連通性指數

通過MSPA方法分析得到濕地景觀要素空間分布狀況以及生態(tài)源地，進一步運用軟件Conefor2.6對濕地景觀要素的景觀連通性指數重要值進行評價,選取重要值大于1的斑塊作為核心斑塊[9-17](表4).但是根據實際情況，依據《大慶市濕地資源保護規(guī)劃》，生態(tài)網絡中存在重要性偏低，但需要保護的濕地斑塊，如烏拉哈達水庫、石人溝大型人工水產養(yǎng)殖、林甸溫泉濕地等6處次要保護性濕地斑塊，這些濕地斑塊對大慶城市生產、生活以及生態(tài)功能具有重要意義，所以將其視為次要生態(tài)源斑塊,在表4中編號10～16.因此，大慶市濕地生態(tài)源地核心斑塊分布如圖5所示.

圖5 生態(tài)源地核心斑塊分布圖Figure 5 Distribution of core plaques in the source area

依據圖5，斑塊整體分布為西部與南部兩個組團.西部區(qū)域為主，核心斑塊數量較多，面積較大，聚集性較強，空間環(huán)通度與連通性均較好，有利于區(qū)域范圍內濕地物種多樣性的保持，但一般性濕地斑塊較少，一般性濕地斑塊是踏腳石的重要選擇對象，能夠為生物遷徙提供棲息場所.西部區(qū)域一般性濕地斑塊數量過少，使得核心濕地組團與外界的隔離程度加強，這并不利于核心斑塊內的生物種群的遷入與遷出，以及物種間的信息交流；西南部組團為輔，生源性濕地斑塊分布較為分散且數量較少，空間連通性較弱，一般性濕地斑塊數量相對西部組團較多，有利于物種的擴散.

從濕地斑塊整體角度來看，西部與南部兩個次級生態(tài)網絡之間缺少生態(tài)廊道的連接，空間連通性較弱，這必將影響濕地生態(tài)網絡功能的連通性.

表4 核心區(qū)(源地)景觀連通性指數重要值表

3.3 生態(tài)網絡構建

由圖5運用最小阻力模型進行潛在生態(tài)廊道模擬，生成潛在廊道分布圖(圖6),并進一步基于重力模型生成斑塊間相互作用矩陣(表5)，得到潛在廊道重要程度.由表5可知，生源斑塊8與生源斑塊9之間相互作用最強，表明生源斑塊8與生源斑塊9之間的生態(tài)廊道景觀阻力較小，更有利于物種遷徙，在此廊道沿線分布的生境斑塊更有利于生物棲息.因此應加強斑塊8與斑塊9之間空間與功能連通性.在未來城市建設中應該嚴格控制建設范圍，并對濕地之間連通性進行保護.同時圖表中斑塊12與斑塊13之間相互作用為空值，表明斑塊12與斑塊13的景觀阻力較大，景觀連通性較弱.從圖1、圖4可知，斑塊12處于西部與南部兩個生源斑塊組團之間的脆弱帶，而斑塊13位于大慶市的東部，周邊均為城市建設性用地，不利于物種間遷徙.因此在未來進行生態(tài)規(guī)劃時，需加強生源斑塊12與生源斑塊13之間的景觀連通性.

從大慶市濕地生態(tài)網絡整體角度進行剖析(圖6～7)，整個網絡呈“C”字形，“C”字兩個端點即網絡的西部與南部，形成兩個次級網絡，景觀連通性較好，廊道分布較為密集，生源斑塊分布較多，為生物提供良好的生境.而網絡中部景觀連接度較弱，其中嫩江在濕地生態(tài)網絡構建中起到溝通西部與南部兩個次級生態(tài)網絡的作用.因此在未來生態(tài)規(guī)劃時，應加強對于嫩江流域的建設，同時需要加強斑塊12在濕地生態(tài)網絡中的景觀連通性，以加強整體網絡的連通性.

表5 生態(tài)源地的相互作用相關矩陣

圖6 潛在廊道分布圖Figure 6 Potential corridor distribution map

圖7 TransCAD生態(tài)廊道重要分布圖Figure 7 Important distribution map of TransCAD ecological corridor

4 討論與結論

區(qū)域景觀生態(tài)網絡構建對于區(qū)域內生物多樣性保護具有重要意義，生態(tài)源地的確定以及結構性廊道的識別是構建生態(tài)廊道的基礎[9，16，21].本文采用 MSPA 方法對研究區(qū)內濕地景觀進行分析，在生態(tài)源地選取的方式上，不僅從強調結構性連接的角度出發(fā)，還要考慮到大慶市市域不同濕地斑塊的功能性質，通過形態(tài)學原理識別出具有重要生態(tài)意義的核心區(qū)濕地景觀，同時研究沒有采用以往直接將濕地保護區(qū)或濕地公園作為生態(tài)源地的方式,而是運用MSPA方法提取出核心區(qū)斑塊作為生態(tài)源地,從而避免了以往生態(tài)源地選取時的主觀性.基于最小阻力模型綜合考慮多種阻力值，參考以往學者阻力賦值方法[9-17]，生成研究區(qū)生態(tài)源地間的最小阻力生態(tài)網絡，得到潛在廊道(圖6)，研究結果為識別生態(tài)源地以及結構連接性提供更為科學的方法.

圖8 濕地生態(tài)網絡規(guī)劃圖Figure 8 Wetland ecological network planning map

為進一步明確生態(tài)源地以及潛在廊道在生態(tài)網絡中重要程度.本文基于景觀指數評價選取連接度指數(IIC)與連通性指數(PC)對核心斑塊重要程度進行定量化評價[9-17、21、24-29]，在一定程度上改變以往人工選取生態(tài)源地的主觀性[9-14]，在生態(tài)源地(即核心斑塊)選取方式上更為科學合理.通過重力模型評價廊道的重要程度，定量地分析后得到生態(tài)廊道的保護順序，為今后的大慶濕地生態(tài)廊道的保護與建立提供更加合理的依據.

基于對生態(tài)源地識別、潛在廊道模擬以及生態(tài)源地與潛在廊道重要度分析，可清楚了解當前大慶濕地生態(tài)網絡現(xiàn)狀.由于大慶市主城區(qū)以及建設用地主要集中于中東部，使得研究范圍內濕地生態(tài)網絡分布呈“C”字形，生態(tài)廊道主要集中分布在西部，中部極其缺少生態(tài)廊道，結合當前濕地景觀資源狀況進一步對生態(tài)網絡進行優(yōu)化，增加踏腳石斑塊能夠有效增加濕地生態(tài)網絡的連接度以及連通性[18，21].在增加7處踏腳石斑塊后，利用最小消耗路徑模型新增17條生態(tài)廊道(圖8)，新增廊道使?jié)竦厣鷳B(tài)網絡連接度與生態(tài)網絡環(huán)通度由0.391、0.136提升到0.533、0.327，使得研究區(qū)域內的濕地生態(tài)網絡連接程度得到很大提升.研究結果對大慶市域生物多樣性保護具有重要的指導意義和實踐價值,同時可為其他地區(qū)生態(tài)網絡的構建提供參考與借鑒.

在運用MSPA方法時，較大像元會導致一些具有連接價值斑塊丟失，粒度的變化通常會對MSPA的分析結果產生影響.選擇合適的尺度是 MSPA 研究的一項重要內容.通過參考前人研究進展[9-17，24]，本文選取30 m×30 m為最終單位像元，因此MSPA方法像元大小的設定，需要進一步研究.

其次，在運行Confer2.6軟件對濕地斑塊進行景觀指數評價時，需要設定連接距離參數，連接距離決定了濕地斑塊的IIC與PC值的大小，反應某一濕地斑塊在整體濕地斑塊空間格局中連接性的重要程度，連接距離閾值的確定是參考物種擴散距離而選定的[9-13].本文研究范圍較大，將設定距離閾值為5 000 m，間接概率為0.5，并沒有依據實際擴散距離而設定，所以不同閾值的設定同樣會使?jié)竦鼐W絡的連接產生變化.

最后，濕地作為重要的自然資源，為動植物提供棲息生境，濕地研究一直作為生態(tài)學研究的熱點，同時生態(tài)網絡的研究熱度也在不斷上升，但針對濕地生態(tài)網絡構建的文獻卻相對較少，本文針對大慶市域濕地景觀生態(tài)網絡構建以及優(yōu)化進行研究，期望研究結果能為大慶市未來區(qū)域景觀生態(tài)規(guī)劃提供科學參考.