安 毅,劉世梁,侯笑云,成方妍,趙 爽,武 雪

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)日益加劇,重大工程的生態(tài)干擾受到了越來(lái)越多的關(guān)注。在礦產(chǎn)資源富集區(qū),礦產(chǎn)資源開(kāi)采由于社會(huì)需求增加呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)[1-2],特別是露天礦從地表開(kāi)采出大量的礦石,破壞了地表和巖石圈的自然平衡,影響山體的穩(wěn)定,甚至引發(fā)一些地質(zhì)災(zāi)害[3]；而相伴而來(lái)的道路建設(shè)作為一種主要的人類(lèi)活動(dòng)因素,會(huì)對(duì)部分生態(tài)過(guò)程造成影響[4],總體來(lái)看,道路建設(shè)速度之快是其他建設(shè)工程所無(wú)法相比的[5]。土地利用是最基本的人類(lèi)活動(dòng)之一,土地利用類(lèi)型的變化是人類(lèi)活動(dòng)的直接體現(xiàn)[6],可對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[7],如生物多樣性等。礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、道路建設(shè)以及土地利用變化等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域的景觀格局會(huì)產(chǎn)生顯著的影響,因而景觀連接度的變化成為人類(lèi)活動(dòng)過(guò)程中需要考慮的一個(gè)重要因素[8- 10]。

景觀連接度描述的是景觀促進(jìn)或阻礙資源斑塊之間運(yùn)動(dòng)的程度,受景觀要素及其空間分布格局、生態(tài)過(guò)程以及研究目的和對(duì)象等因素的影響,是景觀要素中生態(tài)過(guò)程進(jìn)行相對(duì)順利程度的測(cè)度指標(biāo)[4, 11-12]。目前,景觀連接度已經(jīng)成為景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[13],對(duì)于景觀連接度的研究主要集中于道路建設(shè)[14]、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)[15]、土地利用變化[16]等對(duì)景觀的影響,其相關(guān)研究結(jié)果可為生物多樣性保護(hù)及區(qū)域景觀規(guī)劃提供科學(xué)的參考[17]。

近年來(lái),生態(tài)廊道在景觀連接度研究中的作用受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。生態(tài)廊道具有包括改善景觀格局和生態(tài)過(guò)程等在內(nèi)的許多優(yōu)勢(shì)[18],作為景觀規(guī)劃的一個(gè)至關(guān)重要的要素,廊道是生物多樣性保護(hù)的主要考慮因素[19]。對(duì)于很多野生物種來(lái)說(shuō),廊道網(wǎng)絡(luò)在其季節(jié)性遷徙和日常移動(dòng)中起到了十分重要的作用[20-21]。因此,近年來(lái)很多研究人員已經(jīng)開(kāi)始用生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)的好壞作為評(píng)估景觀連接度好壞的一個(gè)指標(biāo)。

云南省個(gè)舊市的礦田是一個(gè)以錫銅為主的世界上規(guī)模最大的超大型多金屬礦田,總面積約1200 km2。開(kāi)采時(shí)間較早,研究時(shí)間長(zhǎng),因此積累的研究資料多,為深入分析個(gè)舊礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)對(duì)景觀連接度的影響提供了一個(gè)科學(xué)的參考和良好的研究基礎(chǔ)[22-23]。

自1990年至2015年,云南個(gè)舊礦產(chǎn)總開(kāi)采面積與開(kāi)采點(diǎn)數(shù)量連年增加,礦區(qū)的增加也帶動(dòng)了個(gè)舊各級(jí)道路的建設(shè),使得道路數(shù)目增多或道路級(jí)別提升。而道路作為貫穿于各類(lèi)景觀的一類(lèi)景觀要素,所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)也越發(fā)受到關(guān)注[24-25]。道路的擴(kuò)展,一方面可以影響景觀格局的變化,另一方面對(duì)于生態(tài)過(guò)程也有影響[26]。因此研究區(qū)道路擴(kuò)展產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)以及對(duì)景觀連接度的影響受到了越來(lái)越多的關(guān)注[27]。

由于人類(lèi)活動(dòng)的過(guò)程復(fù)雜多樣、規(guī)模較大等特點(diǎn),經(jīng)常會(huì)對(duì)區(qū)域的景觀格局產(chǎn)生不可預(yù)估的影響,并引發(fā)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等一系列的問(wèn)題[28]。因此,評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)的景觀生態(tài)效應(yīng)顯得十分重要[29]。過(guò)去的研究往往只是集中于礦區(qū)擴(kuò)展或土地利用變化等單一因素對(duì)景觀的影響,而很少將各項(xiàng)單一人類(lèi)活動(dòng)因素進(jìn)行全面綜合考慮。目前評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀連接度的影響還沒(méi)有形成一個(gè)成熟的評(píng)估體系,評(píng)估的方法往往比較片面,不能很好地反映出景觀連接度的變化[30]。

本文選取云南省個(gè)舊市為研究區(qū)域,運(yùn)用移動(dòng)窗口法量化景觀格局指數(shù),分析研究區(qū)景觀格局的變化。綜合考慮礦區(qū)擴(kuò)展、道路建設(shè)以及土地利用變化等因素,從景觀連接度變化的角度,采用基于多物種電流理論的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型方法并借助Zonation模型分析了人類(lèi)活動(dòng)的景觀生態(tài)效應(yīng),旨在探討以下兩個(gè)問(wèn)題：(1)在景觀尺度上分析人類(lèi)活動(dòng)對(duì)個(gè)舊市景觀格局的影響,定量評(píng)價(jià)個(gè)舊市景觀格局的變化；(2)分析人類(lèi)活動(dòng)所導(dǎo)致的景觀連接度在不同時(shí)期的變化以及空間上不同區(qū)域的差異性。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 個(gè)舊市位置圖Fig.1 Spatial location of Gejiu City

個(gè)舊位于中國(guó)云南省(圖1),地處云貴高原的南端,為亞熱帶高原季風(fēng)氣候。年平均氣溫16.4℃,最冷月(1月):10.1℃,最熱月(7月)：20.5℃。最高海拔2740 m,最低海拔150 m,市區(qū)海拔1688 m。由于海拔差異大,立體氣候明顯,動(dòng)植物資源也十分豐富。個(gè)舊的森林覆蓋率達(dá)到32.3%,有喬木420種,經(jīng)濟(jì)林11種,竹子5種,野生藥材200多種,野生花卉270余種,珍稀植物有云南金花茶Camelliafascicularis、望天樹(shù)Parashoreachinensis、桫欏Alsophilaspinulosa、董棕Caryotaurens、云南穗花杉Amentotaxusyunnanensis、柄翅果Burretiodendronesquirolii、多歧蘇鐵Cycasmultipinnata等9種,珍稀動(dòng)物有長(zhǎng)臂猿Hylobatidae、云豹NeofelisnebulosaGriffith、麝NoschusnoschiferusLinnaeus、巨蜥Stelliosalvator等11種。

個(gè)舊市高等級(jí)公路和窄軌鐵路直達(dá)昆明,南至緊鄰越南的邊境重鎮(zhèn)河口,境內(nèi)公路網(wǎng)四通八達(dá)。但個(gè)舊西南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)因地勢(shì)偏僻,公路等級(jí)低且交通條件較差。個(gè)舊是以生產(chǎn)錫為主并產(chǎn)鉛、鋅、銅等多種有色金屬的冶金工業(yè)城市,是中外聞名的“錫都”。當(dāng)?shù)亻_(kāi)采錫礦的歷史有約2000年,是中國(guó)最大的產(chǎn)錫基地,同時(shí)是世界上最早的產(chǎn)錫基地。但隨著長(zhǎng)期簡(jiǎn)單的擴(kuò)張式開(kāi)采,個(gè)舊的礦產(chǎn)資源不僅面臨枯竭的情況,而且包括重金屬污染及景觀破壞的生態(tài)困局正在逼近,對(duì)于礦區(qū)擴(kuò)展影響的研究及環(huán)境治理迫在眉睫。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)(1990年和2015年)來(lái)自于TM遙感影像解譯。礦區(qū)邊界用Google Earth 2015年的遙感影像,采用人工目視解譯勾繪。1990年的礦區(qū)邊界結(jié)合TM遙感影像與歷史資料核查結(jié)合的方法獲得。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)(分辨率為30 m)下載自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站 (http://www.gscloud.cn/),該數(shù)據(jù)直接提供研究區(qū)海拔信息?；贒EM數(shù)據(jù),借助ArcGIS軟件提取得到研究區(qū)坡度信息。研究區(qū)1990年道路矢量數(shù)據(jù)利用1∶25萬(wàn)中國(guó)基礎(chǔ)地理信息中的道路要素圖,2015年的道路數(shù)據(jù)下載自O(shè)penStreetMap (http://www.openstreetmap.org/),并結(jié)合最新的交通圖進(jìn)行校正。

2 研究方法

2.1 景觀格局分析

土地利用等的變化常會(huì)造成景觀格局及功能的變化[31]。根據(jù)研究目的,將土地利用、道路以及礦區(qū)進(jìn)行疊加,獲得格局變化信息。利用Fragstats軟件中的移動(dòng)窗口法量化研究區(qū)的景觀格局指數(shù)分布,從景觀水平分析研究區(qū)的景觀格局變化,本次研究矩形窗口邊長(zhǎng)為2 km。本文從景觀尺度上選取分離度指數(shù)(SPLIT, Splitting Index)、聚合度指數(shù)(AI, Aggregation Index)、蔓延度指數(shù)(CONTAG, Contagion index)3個(gè)指數(shù)評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響。其中分離度指數(shù)指景觀中不同斑塊個(gè)體分布的分離程度,一定程度上可以反映景觀的破碎化情況；聚合度指數(shù)表征了景觀斑塊間的連通性,值越小則景觀越離散；蔓延度指數(shù)描述景觀里不同斑塊類(lèi)型的團(tuán)聚程度,高蔓延度值說(shuō)明景觀中某種優(yōu)勢(shì)斑塊類(lèi)型形成了良好的連接性,反之則表明景觀是具有多種要素的密集格局,景觀的破碎化程度較高。

2.2 阻力面的確定

2.2.1 景觀要素阻力層的確定

在研究區(qū)內(nèi),高程和坡度是影響景觀要素空間分布的基本因素。同時(shí),采礦區(qū)和道路的空間分布以及動(dòng)態(tài)變化對(duì)于景觀連接度的變化也有著非常大的影響。過(guò)去的研究往往只是集中于礦區(qū)擴(kuò)展這樣單一因素對(duì)景觀的影響,而實(shí)際上道路建設(shè)以及土地覆被變化所造成的影響同樣是不可忽略的,對(duì)于區(qū)域景觀連接度同樣會(huì)產(chǎn)生很大的影響。個(gè)舊屬于亞熱帶區(qū)域,降水的變化影響植被的覆蓋率變化,從而對(duì)實(shí)際的阻力產(chǎn)生一定的影響,本研究主要是基于土地利用、道路以及礦區(qū)開(kāi)發(fā)等開(kāi)展的賦值,植被覆蓋率的差異相對(duì)于這些因素影響較弱,因而未將降水作為阻力因子。因此,本研究選擇土地利用類(lèi)型、道路、高程、坡度和礦區(qū)五個(gè)因素作為景觀阻力因子[32],以此構(gòu)建景觀要素阻力層。

2.2.2 不同景觀阻力要素阻力值的確定

景觀要素阻力值是指多物種穿越該景觀要素的一種難易程度,阻力值越大則說(shuō)明多物種越難通過(guò)該區(qū)域,反之則說(shuō)明越容易通過(guò)[33]。根據(jù)個(gè)舊的實(shí)際情況以及文獻(xiàn)資料,把研究區(qū)域的土地利用類(lèi)型分為林地、草地、耕地、濕地、人工表面、未利用土地共6個(gè)類(lèi)型。個(gè)舊市道路按照級(jí)別劃分為高速公路、國(guó)道省道、縣鄉(xiāng)道共3個(gè)級(jí)別。景觀連接度受到道路的影響主要是隨著距離道路遠(yuǎn)近的不同而發(fā)生變化,不同級(jí)別道路的影響范圍也大不相同,影響范圍按高速公路、國(guó)道省道、縣鄉(xiāng)道逐級(jí)遞減。此外,考慮到地形要素對(duì)于生態(tài)過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生阻力,因此對(duì)坡度和高程也分別按不同的范圍進(jìn)行分類(lèi)后賦阻力值。礦區(qū)對(duì)景觀連接度的影響按照距離礦區(qū)遠(yuǎn)近賦阻力值。

本文中研究區(qū)的景觀阻力值是通過(guò)借鑒相關(guān)研究資料以及考慮研究區(qū)的具體情況最終確定的。具體阻力值賦值情況見(jiàn)表1。

表1 景觀要素阻力賦值表

2.2.3 景觀阻力面的生成

各景觀阻力要素分別賦阻力值后,形成單個(gè)阻力要素的阻力面,然后將五個(gè)阻力圖層數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)為90 m×90 m的柵格文件。利用ArcGIS軟件中的疊加命令,將每一時(shí)期的五個(gè)阻力柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行等權(quán)疊加,形成1990年和2015年兩個(gè)時(shí)期的景觀阻力面。

2.3 電流理論原理及方法

電流理論是用于模擬物種穿越一個(gè)阻力表面的難易情況,并且可以表示出對(duì)于物種移動(dòng)至關(guān)重要的廊道(密集高電流值區(qū)域)情況。電流理論中各要素都有其生態(tài)學(xué)意義,其中電阻表示對(duì)物種移動(dòng)的阻礙程度,電阻越大則表示該區(qū)域?qū)ξ锓N移動(dòng)的阻礙越大；電流表示物種在斑塊間隨機(jī)遷移時(shí)的可能性,描述了景觀連接度的情況,電流越大則物種在此遷移的可能性越大,此區(qū)域景觀連接度情況越好。

Koen等[34]基于電流理論探究出一種新方法,以用于識(shí)別面向多物種的潛在遷徙廊道。這種新方法具有面向多物種的特點(diǎn),且能夠表示出整個(gè)研究區(qū)的景觀連接度情況,打破了過(guò)去只能研究固定棲息地之間景觀連接度的限制。此方法利用隨機(jī)選取的位于不同寬度緩沖區(qū)的棲息地進(jìn)行電流密度分析,確定了在保持潛在遷徙廊道分布格局基本保持不變且可以基本消除節(jié)點(diǎn)邊緣效應(yīng)的情況下,需要設(shè)置的緩沖區(qū)范圍大致為研究區(qū)寬度的20%左右,且緩沖區(qū)邊界上隨機(jī)分布的棲息地?cái)?shù)量為15個(gè)[34]。因此,本次研究緩沖區(qū)寬度設(shè)置為8000 m,然后將阻力面與緩沖區(qū)合并為最終輸入Circuitscape軟件中運(yùn)算的阻力面,在緩沖區(qū)邊緣隨機(jī)選取15個(gè)斑塊作為棲息地斑塊(Focal node文件)。選擇成對(duì)模式和八鄰近法,輸入Circuitscape軟件中進(jìn)行運(yùn)算,輸出電流密度圖。為了聚焦在研究區(qū)的電流情況,在電流密度圖產(chǎn)生之后,緩沖區(qū)區(qū)域會(huì)被裁剪掉。裁剪后的電流密度圖可以描述在上述五個(gè)阻力要素影響下的研究區(qū)的多物種遷移格局,電流即表示物種的擴(kuò)散移動(dòng),電流值越高則表示物種移動(dòng)更為容易、該區(qū)域可利用的潛在廊道越多、景觀連接度越大。將兩個(gè)時(shí)期的電流圖進(jìn)行對(duì)比分析。

為更好地描述景觀連接度的變化,在本次研究中,Zonation 4.0軟件被用來(lái)在電流密度圖中進(jìn)行像元級(jí)別的排序工作,它可以根據(jù)最小化邊際損失從景觀中迭代移除一定數(shù)量的柵格,本研究中移除法則選擇附加效益函數(shù)移除法則。在本次研究中,Zonation軟件排序的前20%的柵格被確定為廊道區(qū)域,借助該模型識(shí)別的廊道區(qū)域是基于像元單元相對(duì)重要性排序的結(jié)果。

3 研究結(jié)果

3.1 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)個(gè)舊景觀格局變化的影響分析

選擇研究區(qū)1990年和2015年兩個(gè)時(shí)期不同利用類(lèi)型土地的面積進(jìn)行對(duì)比(表2),以此表示研究區(qū)土地利用變化情況。由表2可以看出,2015年與1990年相比,個(gè)舊市不同利用類(lèi)型土地的變化是：林地、濕地及未利用土地面積均增加；而草地和耕地面積有所減少,且草地面積減少較多。從土地面積變化比例來(lái)看,人工表面的增加比例最大。

表2 不同類(lèi)型土地面積比較/km2

圖2是1990年與2015年的土地利用及礦區(qū)分布圖。從圖中可以明顯看出,2015年與1990年相比,新增礦區(qū)主要占用土地利用類(lèi)型是耕地和草地,而林地、濕地等的面積基本沒(méi)有受到礦區(qū)擴(kuò)展的影響。因而,礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)會(huì)使研究區(qū)部分原有的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,一定程度上影響與景觀類(lèi)型和格局密切相關(guān)的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)過(guò)程。

圖2 1990年與2015年的土地利用及礦區(qū)分布圖Fig.2 Land use and mining area maps in 1990 and 2015

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)景觀格局產(chǎn)生了一定的影響,通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期的景觀格局指數(shù)(表3)可知,分離度指數(shù)(SPLIT)及聚合度指數(shù)(AI)變化較大。其中分離度指數(shù)(SPLIT)無(wú)論是最大值還是研究區(qū)的平均值都有明顯的增加,說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)斑塊之間的分離程度加大,景觀破碎為更小的斑塊,這主要是由于新增礦區(qū)及道路等占用或分割了其他利用類(lèi)型的土地；聚合度指數(shù)(AI)最小值降幅較大,區(qū)域平均值也有所下降,說(shuō)明同類(lèi)型斑塊集中程度減小,聚合度降低,斑塊間連通性有所下降；蔓延度指數(shù)(CONTAG)變化較小,不過(guò)研究區(qū)平均值仍有所下降,說(shuō)明研究區(qū)中優(yōu)勢(shì)斑塊類(lèi)型連接性稍有下降。

SPLIT：分離度指數(shù),Splitting index；CONTAG：蔓延度指數(shù),Contagion index；AI：聚合度指數(shù),Aggregation index

圖3為1990年和2015年兩個(gè)時(shí)期的SPLIT指數(shù)圖。無(wú)論在1990年還是2015年,礦區(qū)附近的SPLIT指數(shù)均為較高值,說(shuō)明礦區(qū)對(duì)于周?chē)坝^的分離度產(chǎn)生明顯影響,破碎化程度加重。

為了更直觀表現(xiàn)出兩個(gè)時(shí)期的變化,將2015年的SPLIT指數(shù)與1990年的SPLIT指數(shù)相減,得到結(jié)果如圖3所示。圖中藍(lán)色為負(fù)值,即藍(lán)色區(qū)域?yàn)?015年的SPLIT值小于1990年,反之紅色區(qū)域則是2015年的SPLIT值大于1990年。

礦區(qū)周?chē)饕植紴榧t色區(qū)域,即2015年礦區(qū)周?chē)鶶PLIT值要大于1990年,礦區(qū)周?chē)蛛x度指數(shù)增大,說(shuō)明礦區(qū)對(duì)周邊區(qū)域連通性影響明顯,礦區(qū)周邊景觀被分為更小的斑塊,斑塊間分離程度增加,景觀破碎化情況加重。

圖3 1990年及2015年的SPLIT指數(shù)對(duì)比圖Fig.3 Comparison of SPLIT indexes in 1990 and 2015SPLIT：分離度指數(shù),Splitting index

總而言之,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)景觀格局產(chǎn)生了一定的影響,改變了景觀的連通性和破碎情況。相較于1990年,2015年研究區(qū)景觀尺度上各景觀格局指數(shù)均發(fā)生了一定程度的變化,主要表現(xiàn)為景觀的分離程度增加,聚合度減小,破碎化程度加重。

3.2 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)景觀阻力的影響

圖4為研究區(qū)的坡度及高程的阻力面。這兩種阻力屬于自然因素阻力,不會(huì)隨時(shí)間變化而有所改變。如圖4所示,研究區(qū)的中部地區(qū)海拔較高,但地形較為平緩；南部及北部區(qū)域海拔高度均較低,但北部區(qū)域地形平緩而南部區(qū)域地形則起伏較大。

圖4 坡度及高程阻力面Fig.4 Slope and elevation resistance surfaces

圖5為1990年和2015年兩個(gè)時(shí)期的土地利用、礦區(qū)以及道路的阻力面對(duì)比圖。土地利用的改變主要受到人類(lèi)活動(dòng)的影響,而礦區(qū)與道路的建設(shè)則更是人類(lèi)活動(dòng)的直接結(jié)果,因此這3個(gè)阻力因素受人類(lèi)活動(dòng)干擾較大,3個(gè)阻力要素不同時(shí)期的阻力面差別明顯。中部礦區(qū)的密集程度明顯增加,北部區(qū)域也新增多處采礦點(diǎn),南部區(qū)域礦區(qū)稍有增加。路網(wǎng)密集程度大幅提升,大量不同等級(jí)的道路被修建,其中中部區(qū)域尤為明顯。

景觀阻力是自然因素與人為因素的綜合作用結(jié)果,將五個(gè)阻力面進(jìn)行等權(quán)疊加,得到研究區(qū)疊加后的阻力面。如圖6所示,2015年研究區(qū)最大景觀阻力值約為1990年時(shí)的1.75倍,且道路分布密集區(qū)與礦區(qū)周?chē)淖枇χ狄恢碧幱谳^高水平,線(xiàn)狀特征明顯。從空間分布上來(lái)看,研究區(qū)中部地區(qū)以及北部部分區(qū)域?qū)ξ锓N遷移擴(kuò)散的阻力作用明顯；西部地區(qū)路網(wǎng)密集程度低,礦區(qū)分布極少,因此阻力作用較小。研究區(qū)各區(qū)域的阻力變化程度相差較大,主要與區(qū)域礦區(qū)建設(shè)以及道路密度和土地利用的具體變化有關(guān)。

3.3 景觀連接度的時(shí)空變化

3.3.1 研究區(qū)景觀連接度的空間分布

圖7為1990年和2015年的電流密度圖,可以描述基于多物種的景觀連接度在時(shí)間和空間分布上的變化。圖中紅色區(qū)域是電流值較高的區(qū)域,往往呈線(xiàn)狀或窄帶狀分布,實(shí)際上這些高電流值區(qū)域即被認(rèn)為是廊道區(qū)域。

空間上個(gè)舊市不同區(qū)域的景觀連接度差異化表現(xiàn)十分顯著,中東部地區(qū)維持景觀連接度的功能始終較低,很難為多物種提供有效的遷徙擴(kuò)散路徑。至2015年,中東部區(qū)域已經(jīng)基本沒(méi)有可供物種遷移的有效廊道,相比之下,研究區(qū)東南部地區(qū)的景觀連接度則一直較好,但2015年時(shí)較1990年也有所下降。從兩個(gè)時(shí)期電流圖中的線(xiàn)狀區(qū)域來(lái)看,道路對(duì)于景觀連接度的影響較為明顯。而在礦區(qū)周?chē)?尤其是新增礦區(qū)周?chē)?這種對(duì)景觀連接度的影響則更加顯著,呈面狀影響周邊區(qū)域的景觀連接度。

圖7 1990年和2015年研究區(qū)的累積電流密度圖Fig.7 Cumulative current density maps of the study area in 1990 and 2015

3.3.2 不同時(shí)期景觀連接度變化分析

從圖7中可以獲取的直接有效信息為電流分布的大致情況以及高電流密度聚集區(qū)等。1990年和2015年兩個(gè)時(shí)期的最高電流密度值分別為9.39A、6.35A,減少近三分之一,下降十分明顯,說(shuō)明1990年時(shí)研究區(qū)還可以提供條件更為優(yōu)越的廊道區(qū)域,而到2015年時(shí)廊道質(zhì)量下降較大；電流平均值分別為0.3655A、0.3599A,說(shuō)明到2015年研究區(qū)整體區(qū)域的景觀連接度都有所下降。

為了更為直觀和清晰地反映出不同時(shí)期的景觀連接度變化,在本次研究中,Zonation 4.0軟件被用來(lái)在電流密度圖中進(jìn)行柵格級(jí)別的排序工作。Zonation軟件提供了一個(gè)專(zhuān)門(mén)表示電流隨景觀損失而變化的曲線(xiàn)(圖8),以幫助我們理解電流隨景觀移除的變化。如圖8所示,兩個(gè)時(shí)期電流隨景觀移除變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)景觀移除比例達(dá)80%(即圖中剩余景觀為20%)時(shí),剩余電流比例約為45%,即等級(jí)排序在前20%的景觀支撐著區(qū)域內(nèi)約一半的景觀連接度,而剩余80%的景觀占據(jù)的電流為一半左右。因而在本次研究中,Zonation軟件中排序前20%的柵格被確定為廊道區(qū)域。

圖8 電流損失曲線(xiàn)圖Fig.8 Current loss curve

圖9為利用Zonation模型運(yùn)算產(chǎn)生的排序結(jié)果圖,圖中的0.8—1即為排序的前20%,被視為廊道區(qū)域。即等級(jí)排序圖分為：非廊道區(qū)域(0≤等級(jí)排序<0.8)和廊道區(qū)域(0.8≤等級(jí)排序<1.0)。

兩個(gè)時(shí)期研究區(qū)中均分布有很多廊道,從空間分布來(lái)看,廊道主要分布區(qū)域?yàn)槟喜看蟛糠謪^(qū)域、中部及北部的少部分區(qū)域。由于研究區(qū)南部基本無(wú)礦區(qū)建設(shè),北部礦區(qū)也相對(duì)較少,且兩個(gè)區(qū)域路網(wǎng)密度較中東部而言相對(duì)較小,因此景觀連接度情況較中東部區(qū)域情況更好,廊道也主要分布于此。而中部區(qū)域路網(wǎng)極為密集,且中東部尤其受到礦區(qū)建設(shè)的影響,廊道寬度以及質(zhì)量情況較差,景觀連接度較低。

從不同時(shí)期的變化來(lái)看,1990年與2015年廊道區(qū)域的分布及質(zhì)量變化非常明顯。總體上廊道的破碎化趨勢(shì)十分顯著,質(zhì)量有所下降。分區(qū)域而言,由于新增礦區(qū)主要位于中東部及北部,因此研究區(qū)中東部及北部廊道受影響較為嚴(yán)重。如圖9所示,1990年時(shí)中部區(qū)域有一條較寬的廊道從北部幾乎延伸至南部,自北向南貫穿整個(gè)研究區(qū),而到2015年時(shí),廊道已經(jīng)基本無(wú)法從北部完整連接到南部,一條完整的寬廊道破碎為很多較窄且面積較小的廊道,對(duì)于物種的遷移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了極大的阻礙作用。而在研究區(qū)中東部,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于景觀連接度的影響則表現(xiàn)得更為明顯,該區(qū)域不僅廊道極少,且?guī)缀跽麄€(gè)區(qū)域都從排序等級(jí)的0.2—0.4級(jí)降為0—0.2級(jí),意味著此區(qū)域整體的景觀連接度都受到了極大的影響,景觀連接度情況進(jìn)一步惡化。在研究區(qū)北部,除面積較大的廊道破碎為很多較小的廊道外,原本的廊道區(qū)域已經(jīng)有很大面積退化為非廊道區(qū)域,不能為多物種的遷移活動(dòng)提供有效的路徑。南部區(qū)域廊道寬度及破碎情況雖然也受到些許影響,但影響不大,這主要是由于礦區(qū)在南部區(qū)域幾乎沒(méi)有分布且該區(qū)域道路分布較其他區(qū)域更少。

圖9 1990年和2015年生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的廊道示意圖Fig.9 Corridors of ecological network in 1990 and 2015

4 結(jié)論與討論

本研究以云南省個(gè)舊市作為研究區(qū)域,在區(qū)域土地利用改變以及礦山開(kāi)采面積、路網(wǎng)密度不斷增加的背景下,針對(duì)人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的景觀生態(tài)效應(yīng),運(yùn)用量化景觀格局指數(shù)分布的移動(dòng)窗口法以及基于電流理論的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,并借助Zonation模型等開(kāi)展分析。綜合上述的結(jié)果,可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

首先,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于研究區(qū)的景觀格局影響較大。礦區(qū)的增加占用了部分草地和耕地,一定程度上影響了與景觀類(lèi)型和格局密切相關(guān)的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)過(guò)程。由移動(dòng)窗口法計(jì)算所得的景觀格局指數(shù)表明,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)整體尤其是礦區(qū)周邊的景觀格局影響顯著。由于新增礦區(qū)和道路占用并分割其他類(lèi)型土地,致使分離度指數(shù)增加,聚合度指數(shù)減小,表明研究區(qū)景觀的破碎化程度加劇。

第二,空間上研究區(qū)各區(qū)域的阻力變化程度相差較大,這主要與區(qū)域礦區(qū)及道路的建設(shè)以及土地利用的具體變化有關(guān)。中東部區(qū)域海拔較高且礦區(qū)大部分布于此,因此與其他區(qū)域相比,中東部區(qū)域阻力值較高。1990年后該區(qū)域新增大量礦區(qū)且道路建設(shè)較其他區(qū)域更為密集,因而該區(qū)域阻力變化程度較大。而西部區(qū)域由于幾乎一直沒(méi)有礦區(qū)存在,且道路密度變化相對(duì)較小,因此阻力變化不明顯。

第三,基于多物種電流理論的電流密度圖顯示,景觀連接度受影響較為嚴(yán)重。1990年和2015年兩個(gè)時(shí)期的最高累積電流密度值分別為9.39A、6.35A,降幅較大,說(shuō)明1990年時(shí)研究區(qū)還可以提供條件更為優(yōu)越的廊道區(qū)域,而到2015年時(shí)廊道質(zhì)量下降較大；電流平均值分別為0.3655A、0.3599A,表明研究區(qū)整體的景觀連接度都有所下降。借助Zonation模型確定的廊道表明,廊道的空間分布及質(zhì)量變化十分明顯。2015年與1990年相比,廊道總體上破碎程度加大,質(zhì)量下降。由于新增礦區(qū)主要位于研究區(qū)中東部及北部,因而這些區(qū)域廊道受影響更為嚴(yán)重。中部原本一條完整的寬廊道破碎為很多較窄且面積較小的廊道,對(duì)于物種的遷移會(huì)產(chǎn)生極大的阻礙作用；在研究區(qū)北部,礦區(qū)開(kāi)發(fā)對(duì)于景觀連接度的影響則表現(xiàn)得更為明顯,除廊道破碎程度加大外,大面積的原廊道區(qū)域已經(jīng)退化為非廊道區(qū)域；南部區(qū)域由于礦區(qū)及道路分布較少,廊道寬度及破碎情況雖然也受到些許影響,但影響不大。

到目前為止,已經(jīng)有很多方法和軟件被用于景觀格局和景觀連接度的研究。總體景觀格局指數(shù)能夠分析研究區(qū)的整體特征,但是很難反映出景觀格局的細(xì)節(jié)特征及內(nèi)部空間上的差異,本次研究所采用的移動(dòng)窗口法可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。與過(guò)去往往針對(duì)單一物種開(kāi)展的景觀連接度研究不同,本次研究面向多物種,所產(chǎn)生的電流密度圖可以展示所有的可能遷移路徑,而不只是一條最小耗費(fèi)路徑,分析結(jié)果可以為多物種的遷移運(yùn)動(dòng)以及相關(guān)保護(hù)區(qū)的建設(shè)提供科學(xué)的參考。作為一種有意義的嘗試,本次研究采用移動(dòng)窗口法和基于電流理論的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方法,更具體地分析了研究區(qū)景觀格局和景觀連接度的變化,但仍然存在一些問(wèn)題：

(1) 電流理論方法基于隨機(jī)游走理論,即動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和遷移會(huì)被假設(shè)為隨機(jī)游走方式。而事實(shí)上,這個(gè)假設(shè)忽略了一個(gè)非常重要的事實(shí)：在很多情況下,野生動(dòng)物會(huì)根據(jù)它們以往的經(jīng)驗(yàn)或運(yùn)動(dòng)路徑上的植物等特殊標(biāo)記來(lái)遷移。而且這種方法產(chǎn)生的電流密度圖雖然可以展示所有的可能遷移路徑,卻無(wú)法量化每條路徑的具體貢獻(xiàn)。

(2) 阻力值的確定采用野外實(shí)地觀測(cè)方法為最佳,但受制于時(shí)間成本和可操作性等原因,其參數(shù)化往往會(huì)基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)及研究區(qū)實(shí)際情況來(lái)確定。