基于最小費(fèi)用模型的遼河三角洲水禽生境綠道構(gòu)建

唐 強(qiáng)，范業(yè)展

（沈陽(yáng)大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110044）

生境破碎化、片段化會(huì)造成種群面臨局地滅絕風(fēng)險(xiǎn)［1］，反之，較好的景觀連接能夠促進(jìn)種群在殘留生境之間的擴(kuò)散，對(duì)生物多樣性保護(hù)具有重要意義.為了避免近交、種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)和近緣個(gè)體之間競(jìng)爭(zhēng)，物種形成了擴(kuò)散行為［2］.在擴(kuò)散過程中，由于受到自身和外界環(huán)境的影響，其往往選擇阻力相對(duì)較小的通道運(yùn)動(dòng).在景觀基質(zhì)中，各種不同基質(zhì)對(duì)物種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力是不盡相同的，這就決定了物種是否擴(kuò)散與擴(kuò)散的方向，其分析對(duì)營(yíng)造物種的生境網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)物種生境景觀滲透，增強(qiáng)景觀連接度，都具有實(shí)際意義.本文將借助最小費(fèi)用模型，分析在遼河三角洲域內(nèi)水禽生境綠道如何構(gòu)建.

1 研究區(qū)域

遼河三角洲是我國(guó)四大河流（長(zhǎng)江、珠江、黃河、遼河）三角洲之一.區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，主要河流有大遼河和雙臺(tái)子河，兩股河流均向南流入渤海遼東灣，它們同大凌河一起作用，沖積形成遼河三角洲平原.其核心區(qū)域?yàn)楸P錦市，地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°31′～122°28′，北緯40°40′～41°27′.其境內(nèi)地勢(shì)平坦，地貌類型單一，主要為沖海積平原，平均高程低于7 m，坡降為1／20 000～1／25 000.

2 研究對(duì)象

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，并參照相關(guān)文獻(xiàn)［3］，全區(qū)域共有鳥類236種，其中水禽100種，隸屬于17目46科125屬.從水禽所屬生物類群來看，主要可分為蘆葦沼澤鳥類群落、灘涂鳥類群落和河沿溝渠鳥類群落3種.蘆葦沼澤鳥類群落和灘涂鳥類群落對(duì)地域環(huán)境限定性要求較高，多不選擇擴(kuò)散，而河沿溝渠鳥類群落是3個(gè)類群中擴(kuò)散特征比較明顯的一類，因此研究遼河三角洲水禽生境綠道，選擇其作為研究對(duì)象比較合適.河沿溝渠鳥類群落主要分布在河流、渠道、水塘岸邊.群落優(yōu)勢(shì)種類為以魚類為食的水禽為主，常見的種類有草鷺（Purpurea manillensis）、白鷺（Alba modestus）、紅腳鷸（Tringa totanus）、青腳鷸（Tringa nebularia）、綠翅鴨（Anas crecca）等.本文將選擇在遼河三角洲最為常見的綠翅鴨（Anas crecca）作為研究對(duì)象.

3 研究方法

最小費(fèi)用模型，又稱“阻力模型”或者“引力模型”.在依靠“圖論”原理形成的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，點(diǎn)與點(diǎn)之間的連接狀況分析依靠“最小費(fèi)用模型”來完成.最小費(fèi)用模型是應(yīng)用廣泛的空間相互作用模型，它是用來分析和預(yù)測(cè)空間相互作用形式的數(shù)學(xué)方程.由于其應(yīng)用廣泛，對(duì)其表達(dá)的形式也各有不同，本文主要參照Linehan在1995年的研究成果［4］，列為

式中，Gij為兩個(gè)生境節(jié)點(diǎn)之間的相互作用力，用來表現(xiàn)兩個(gè)斑塊之間相對(duì)的重要性，Gij＝Gji.Ni和Nj分別為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的“質(zhì)量”，Dij為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離.N 所代表節(jié)點(diǎn)“質(zhì)量”，算法為

式中，S 代表生境斑塊面積.對(duì)于具有領(lǐng)域性鳥，Smin代表研究對(duì)象巢域面積；對(duì)于非領(lǐng)域性鳥，Smin代表最小生境面積.

式（1）中的D 在最小費(fèi)用模型中，最初采用的是普通歐式距離［5］，即兩點(diǎn)之間的直線距離，實(shí)際上，普通歐式距離并不能反映兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間真正的阻力距離，后期形成的距離模型解決了這個(gè)問題.在新的最小費(fèi)用距離模型中，增加了對(duì)景觀介質(zhì)阻力的分析.其與歐式距離共同點(diǎn)也是強(qiáng)調(diào)點(diǎn)與點(diǎn)之間的空間關(guān)系.但它又不同于點(diǎn)與點(diǎn)之間的實(shí)際距離，而是基于生物體通過不同景觀單元時(shí)的阻力系數(shù)［6］來計(jì)算，得到的距離D 可以取代普通歐式距離.

本文涉及到的“費(fèi)用距離”主要借助GIS 空間分析模塊中“費(fèi)用距離”模塊功能計(jì)算得到，在確定了主要生境節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建主要的生境節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［7］，并結(jié)合遼河三角洲實(shí)際生境狀況，確定區(qū)域主要生境綠道位置.

4 水禽生境綠道構(gòu)建與分析

4.1 生境網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的確定

以綠翅鴨為例，其生境網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的確定，主要基于其對(duì)生境選擇的要求，來明確其主要生境節(jié)點(diǎn)位置.綠翅鴨同其他水禽一樣，其選擇生境的基本條件主要包括區(qū)域的受干擾程度、積水狀況、食物的豐富度和隱蔽狀況.將綠翅鴨不同生境因子進(jìn)行分級(jí)，并確定權(quán)重（見表1），然后借助GIS的空間分析模塊中的疊加功能，將不同生境因子進(jìn)行疊加組合，進(jìn)一步確定其主要生境棲息區(qū)域、可覓食區(qū)域和可擴(kuò)散區(qū)域，如圖1.在研究區(qū)域內(nèi)，綠翅鴨屬于夏候鳥，一般在4月末左右遷徙到本地，10月左右遷出，主要在此完成繁殖，因此關(guān)于綠翅鴨在遼河三角洲的擴(kuò)散特征分析主要基于其繁殖期行為特征.在遷徙來初期，綠翅鴨一般棲于開闊的大型湖泊、江河和沼澤地帶，繁殖期則主要棲息于水生植物茂盛且干擾少的中小型湖泊和水塘中.基于此，進(jìn)一步確定綠翅鴨在遼河三角洲主要生境節(jié)點(diǎn)位置，如圖2.

表1 綠翅鴨生境因子分級(jí)和權(quán)重［8］Table 1 Grades and weights of habitats factors of Anas crecca

注：基于綠翅鴨生活習(xí)性，對(duì)綠翅鴨生境因子評(píng)級(jí)并分為3個(gè)類型：（1）（輕干擾＋潮間帶＋食物充足＋隱蔽）、（輕干擾＋深積水＋食物充足＋隱蔽）列為綠翅鴨主要棲息生境；（2）（中干擾＋深積水＋食物比較充足＋隱蔽）、（中干擾＋深積水＋食物比較充足＋比較隱蔽）列為可覓食區(qū)域；（3）（中干擾＋淺積水＋食物比較充足＋隱蔽）、（中干擾＋淺積水＋食物比較充足＋較隱蔽）列為可擴(kuò)散區(qū)域.其他生境因子的組合將列為綠翅鴨的不適宜生境區(qū)域.

圖1 綠翅鴨主要棲息生境分布圖Fig.1 The main habitats distribution of Anas crecca

綠翅鴨的棲息區(qū)域受到水域限制較大，這與實(shí)際調(diào)查結(jié)果相符，其現(xiàn)狀主要分布在雙臺(tái)子河和大遼河及兩側(cè)附近，以及河口灘涂的潮上帶蘆葦群落隱蔽性相對(duì)較好的區(qū)域.在人工水田區(qū)域的灌渠中雖有發(fā)現(xiàn)，但數(shù)量較少，與綠翅鴨集群活動(dòng)特征表現(xiàn)不符.

圖2 綠翅鴨主要棲息生境節(jié)點(diǎn)圖Fig.2 The main habitat knots of Anas crecca

4.2 生境節(jié)點(diǎn)間阻力分析

基于遼河三角洲用地現(xiàn)狀［9］，綠翅鴨的生境及連接區(qū)域特征如下：①在遼河三角洲東部，綠翅鴨主要生境區(qū)域同三角洲內(nèi)部分布的池塘水渠之間多為水田、建設(shè)用地等，區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，尤其路網(wǎng)密布在一定程度阻礙了綠翅鴨的擴(kuò)散過程；②遼河三角洲西部分布的葦田濕地區(qū)域?qū)G翅鴨的擴(kuò)散影響較小，其擴(kuò)散阻力同其他水禽一樣，主要源于油氣作業(yè)形成的油井區(qū)域和作業(yè)道路.綜合綠翅鴨生境之間區(qū)域用地分布特征（見圖3），葦田濕地、水域等對(duì)綠翅鴨擴(kuò)散和繁殖影響較小，但其間的水田、建設(shè)用地、油井和道路等對(duì)其擴(kuò)散影響較大，并且局部將綠翅鴨的生境割裂成了孤島狀.經(jīng)實(shí)地調(diào)查，這些連接區(qū)域的水域生境結(jié)構(gòu)也不夠完整，很少能夠?yàn)榫G翅鴨提供擴(kuò)散時(shí)需求的隱蔽物和覓食植物群落結(jié)構(gòu)，這些不利條件對(duì)綠翅鴨擴(kuò)散帶來較多不便.

圖3 綠翅鴨生境連接區(qū)域現(xiàn)狀圖Fig.3 Status quo of the connection regions of Anas crecca haibitats

通過對(duì)綠翅鴨生境及其連接區(qū)域的定性分析，參照相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)不同用地阻力系數(shù)進(jìn)行定量化，見表2.然后將區(qū)域圖形“柵格化”，結(jié)合各用地的阻力系數(shù)，對(duì)區(qū)域各用地阻力狀況進(jìn)行分析，這一過程借助GIS“空間分析模塊”的疊加功能協(xié)助實(shí)現(xiàn)，得到圖4.

表2 各用地對(duì)綠翅鴨阻力系數(shù)［10］Table 2 Resistance coefficients of land utilization types to Anas crecca

圖4 綠翅鴨生境連接干擾阻力分析圖Fig.4 Resistance to habitats connection of Anas crecca

4.3 生境網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

經(jīng)過GIS軟件中空間分析的費(fèi)用距離模塊循環(huán)計(jì)算，進(jìn)一步明確各主要生境節(jié)點(diǎn)之間阻力關(guān)系，選擇最小費(fèi)用距離作為最佳路徑，見圖5.參照該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合區(qū)域用地現(xiàn)狀，完成綠翅鴨水禽生境網(wǎng)絡(luò)圖紙的繪制，見圖6.

在圖6中，生境連接綠道1主要是指遼河三角洲主要的干渠，經(jīng)過河岸植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)整，可以使其成為綠翅鴨主要生境連接綠道；生境連接綠道2為潛在綠道，因?yàn)檫@些區(qū)域并不是連續(xù)的干渠水體，或者是寬度較小的溝渠，但從圖5中的圖形分析可知，其連接意義較大，應(yīng)通過適當(dāng)調(diào)整水渠寬度，豐富岸邊植物群落結(jié)構(gòu)，使其成為綠翅鴨等沿河水禽生態(tài)類群的擴(kuò)散綠道.

圖5 綠翅鴨生境節(jié)點(diǎn)及連接綠道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Greenway network and habitat knots of Anas crecca

圖6 綠翅鴨生境主要連接綠道布局圖Fig.6 Greenway layout based on habitats protection of Anas crecca

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以“綠翅鴨”為研究對(duì)象，借助最小費(fèi)用模型構(gòu)建原理闡釋了遼河三角洲水禽生境綠道的構(gòu)建過程.從綠翅鴨所在的生境斑塊節(jié)點(diǎn)分布特征來看，其主要集中在大遼河和雙臺(tái)子河附近區(qū)域，綠道布局結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大格局分枝狀、小格局網(wǎng)絡(luò)狀特征，即在靠近河道附近呈現(xiàn)斑塊節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)密集化特征，遠(yuǎn)離河道區(qū)域網(wǎng)絡(luò)滲透性較差，這與綠翅鴨的生態(tài)習(xí)性相符.同時(shí)也說明，即使遼河三角洲水網(wǎng)密布，但由于這些水網(wǎng)結(jié)構(gòu)不具備綠翅鴨棲息生境特征，因此阻力依然較大，要想幫助綠翅鴨向內(nèi)部區(qū)域滲透，構(gòu)建合理生境結(jié)構(gòu)非常重要.

基于此，對(duì)水禽在遼河三角洲的生境綠道構(gòu)建提出主要措施如下：

（1）適當(dāng)整合區(qū)域土地利用形式，控制建設(shè)用地范圍，減少不必要的人為干擾和破壞，以拓展生境保護(hù)區(qū)域范圍.

（2）增加對(duì)主要干渠濱水植物群落的保護(hù)，在道路與鄰路水體之間適當(dāng)補(bǔ)植蘆葦，為水禽提供隱蔽物.

（3）在主要干渠交匯處適當(dāng)拓寬水面，豐富水深變化，以濱水植物群落組成結(jié)構(gòu)，為水禽提供棲息點(diǎn).

（4）除原有水道之外，結(jié)合構(gòu)建的生境綠道分布圖，在低阻力通道區(qū)域營(yíng)造以池塘和濱水植物群落為地理特征的生境駐足點(diǎn).

總之，通過構(gòu)建合理的生境綠道，可以進(jìn)一步減少水禽在該區(qū)域出現(xiàn)的局地滅亡，能夠進(jìn)一步促進(jìn)區(qū)域生物綜合保護(hù).

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