東圳水庫流域的景觀連通度分析

張文婷，潘文斌，鄭 鵬

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州350108)

0 引言

景觀連通度是指景觀有利于或者妨礙生物在資源斑塊間運(yùn)動(dòng)的程度［1］，景觀連通度缺乏和棲息地斑塊隔離會干擾授粉、種子傳播、基因流、野生動(dòng)物遷移和繁殖及其他生態(tài)過程，因此景觀連通度研究是現(xiàn)代生物多樣性保護(hù)策略研究的關(guān)鍵技術(shù)，開展此類研究對于區(qū)域生物多樣性保護(hù)和生態(tài)平衡維持具有重要意義。景觀連通度包括結(jié)構(gòu)連通度和功能連通度。結(jié)構(gòu)連通度重點(diǎn)分析棲息地和景觀類型在空間上的連續(xù)，它不涉及任何特殊的物種或生態(tài)過程。從功能連通度來看，在評價(jià)生態(tài)流和景觀可利用性，景觀連通度必須考慮到不同的生物體通過非棲息地的能力。高的功能連通度不僅保證當(dāng)前棲息地單元是連續(xù)的，同時(shí)由可滲透的基底、一系列踏腳石或其他鏈接元素組成景觀，并允許特定生物體在棲息地間遷移。景觀連通度缺乏和棲息地斑塊隔離會干擾授粉、種子傳播、基因流、野生動(dòng)物遷移和繁殖及其他生態(tài)過程。增加景觀連通度是現(xiàn)代生物多樣性保護(hù)策略的關(guān)鍵部分，且是抵消棲息地破碎化和促進(jìn)物種在自然范圍內(nèi)遷移的最佳手段［2］。

近年來，許多外國學(xué)者提出了許多不同的連通度指數(shù)試圖獲得景觀連通度的狀態(tài)、變化趨勢以及與它相關(guān)的生態(tài)過程［3-5］。目前分析景觀連通度的方法有基于圖論方法和棲息地可利用性2種［6］?；趫D論的方法將景觀被表示為一系列的節(jié)點(diǎn)和鏈接，節(jié)點(diǎn)表示棲息地斑塊，鏈接表示特定物種遷移的可能性或斑塊之間傳遞生態(tài)流的可能性［7］，這種結(jié)構(gòu)在模擬景觀網(wǎng)絡(luò)和分析連通度及種群持續(xù)性方面極為有效，因?yàn)闂⒌乜衫眯苑椒▌t認(rèn)為一個(gè)斑塊本身是有連接度存在的空間［7］;而連通度被認(rèn)為是一個(gè)允許物種到達(dá)大量棲息地資源的景觀屬性［5］。重要景觀元素的定量和保護(hù)的優(yōu)先秩序都是基于不同元素在網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)渲笜?biāo)的相對重要性。本研究選取福建莆田東圳水庫流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，利用了2001、2006、2010年東圳水庫流域的遙感影像，通過分析其土地覆蓋變化，研究人類土地利用逐步增強(qiáng)的流域長期景觀連通度動(dòng)態(tài)變化趨勢，探討保持流域景觀的高連通度，進(jìn)而確保區(qū)域各物種傳播和基因流動(dòng)，以減緩生物多樣性下降的方法。

1 概況

圖1 東圳水庫流域位置示意Figure1 Location of Dongzhen Reservoir Watershed

東圳水庫位于莆田市城廂區(qū)常太鎮(zhèn)木蘭溪支流的延壽溪中游地帶，于1960年4月建成，庫區(qū)跨城廂、仙游、涵江、荔城等4個(gè)縣區(qū)、8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分地區(qū)，東與白沙鎮(zhèn)、西天尾鎮(zhèn)交界，西與鐘山西部各村及榜頭鎮(zhèn)接壤，南與華亭鎮(zhèn)、蓋尾鎮(zhèn)相鄰，北與游洋鎮(zhèn)北部各村毗鄰 (圖1)。集雨總面積321 km2，水庫總庫容4.35億m3，庫區(qū)多年平均水位面積17.8 km2，設(shè)計(jì)正常蓄水位為80.5 m，相應(yīng)庫容2.8億m3，庫區(qū)多年平均凈流量3.13億m3［8］。東圳水庫庫區(qū)受加里升運(yùn)動(dòng)和第三紀(jì)末、第四紀(jì)初的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響，水庫流域地勢從西北向東南方向傾斜，地貌以低山為主，丘陵次之，山間盆谷發(fā)育其中。該流域范圍屬中、南亞熱帶海洋性季風(fēng)性氣候，多年平均氣溫17～20℃，受地形作用，自東南向西北遞減。該范圍主要包括城廂區(qū)、常太鎮(zhèn)的大部分以及仙游縣鐘山、游洋2個(gè)鎮(zhèn)的一小部分，共52個(gè)行政村，水庫流域內(nèi)人口約6.26萬人，其中農(nóng)業(yè)人口為6.05萬人，農(nóng)村勞動(dòng)力3.03萬人。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，居民地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路和環(huán)庫公路的建成及果園經(jīng)濟(jì)林的增多，東圳水庫流域的景觀連通度受到極大的影響。

2 數(shù)據(jù)資料來源與處理

本研究采用的數(shù)據(jù)資料有:30 m×30 m的SRTM數(shù)字高程模型，2001年3月4日Landsat ETM+遙感影像，2006年11月5日和2010年5月24日的Landsat TM5遙感影像。在ERDAS軟件中，對3幅遙感影像進(jìn)行遙感解譯，將其分為林地、果園、耕地、水體、建設(shè)用地、裸地。其中2001年的總分類精度為88.33%，Kappa系數(shù)為0.81;2006年的總分類精度為90%，Kappa系數(shù)為0.86;2010年的總分類精度為93.33%，Kappa系數(shù)為0.9，滿足分類的精度要求。再通過ARCVIEW 3.2軟件中的CONEFOR INPUTS插件對解譯好的遙感影像生成計(jì)算連通度的2個(gè)前置文件 (node.txt和distance.txt)。最后，在CONEFOR 26中，利用2個(gè)前置文件計(jì)算景觀連通度。

3 研究方法

CONEFOR 26軟件是由馬德里理工大學(xué)的Santiago Saura和Josep Torne在2.2版本 (Saura和Torne)上發(fā)展起來，計(jì)算棲息地斑塊和鏈接對景觀連通度改善或維持的重要性，也可以估算棲息地和土地利用變化對連通度的影響，通過該軟件識別對生態(tài)連通度有重要作用的斑塊，支持決策者在生態(tài)保護(hù)和景觀規(guī)劃中的決策。本研究應(yīng)用該軟件計(jì)算IICnum、BC、dIICintra、dIICflux、dIICconnector、dPCintra、dPCflux、dPCconnector、BC_IIC、BC_PC［9-10］。

本研究主要分析2001、2006、2010年東圳水庫流域連通度變化和對連通度產(chǎn)生影響的最重要斑塊(技術(shù)路線如圖2)。利用IICnum來指示研究范圍內(nèi)的景觀連通度。利用5組指數(shù) (表1)選取重要的棲息地斑塊，中心度 (Betweenness centrality，BC)、dPCconnector和dIICconnector為一組 (Baranyi_2011)，dIICconnector、dIICintra和dIICflux為一組 (Saura_and_Rubio_2010)，BC_IIC、dIICconnector、dIICintra和dIICflux為一組 (Manual_conefor_26)，dPCconnector、dPCintra和dPCflux為一組(Saura_and_Rubio_2010)，BC_PC、dPCconnector、dPCintra和dPCflux為一組 (Saura_and_Rubio_2010)。本研究首先找出每個(gè)指標(biāo)排名前50的斑塊，再在每個(gè)組中找出在每個(gè)指標(biāo)中都能排名前50的斑塊，最后找出在這5個(gè)組中出現(xiàn)頻率最高的斑塊。在2001、2006、2010年景觀連通度的分析中物種距離閾值分別設(shè)置為1 000 m、500 m、300 m、100 m、50 m，研究對象在設(shè)定的距離內(nèi)到達(dá)目標(biāo)斑塊的概率值均設(shè)置為0.5的景觀連通度。

圖2 本研究的技術(shù)路線Figure2 The technical route

表1 各組指數(shù)Table1 Indices of every group

4 研究結(jié)果與分析

從表2可知，當(dāng)距離閾值和概率值均設(shè)置一致時(shí)，景觀連接度從2001—2010年有遞減的趨勢，表明了斑塊破碎化加大，景觀連接度逐年遞減。同一年中，當(dāng)距離閾值增大，物種的遷移距離越大，斑塊之間的連接越好，景觀連接度增大。

表2 2001、2006、2010年距離為1 000 m、500 m、300 m、100 m、50 m的景觀連通度總指標(biāo)Table2 General landscape connectivity indicators in 2001，2006 and 2010

由表3可以看出，在一定的距離閾值范圍內(nèi)，隨著距離閾值的增加，對景觀連通度產(chǎn)生影響的重要斑塊數(shù)量有減少的趨勢。從這些重要斑塊的土地覆蓋類型來看，林地、果園、耕地、水體都對景觀連通度產(chǎn)生影響，而在這些重要斑塊中，建設(shè)用地和裸地對景觀連通度沒有貢獻(xiàn)。

表3 2001年距離為1 000 m、500 m、300 m、100 m、50 m時(shí)的重要斑塊Table3 Important patches affecting landscape connectivity in 2001

由圖3可以看出，2001年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊占總景觀面積的大部分，且它們之間的鏈接好，景觀連接度好。

由表4可以看出，隨著距離閾值的增加，對景觀連通度產(chǎn)生影響的重要斑塊數(shù)量有減少的趨勢。從這些重要斑塊的土地覆蓋類型來看，林地、果園、耕地、水體都對景觀連通度產(chǎn)生影響，少部分的建設(shè)用地在距離閾值增大時(shí)對景觀連通度產(chǎn)生影響，裸地對景觀連通度沒有貢獻(xiàn)。

表4 2006年距離為1 000 m、500 m、300 m、100 m、50 m時(shí)的重要斑塊Table4 The critical patches impact on landscape connectivity at 2006

由圖4可以看出，2006年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊占總景觀面積的大部分，但是較2001年少，它們之間的鏈接較好，景觀連通度較好。

由表5可以看出，隨著距離閾值的增加，對景觀連通度產(chǎn)生影響的重要斑塊數(shù)量有減少的趨勢。從這些重要斑塊的土地覆蓋類型來看，林地、耕地、和果園對景觀連通度有影響。

表5 2010年距離為1 000 m、500 m、300 m、100 m、50 m時(shí)的重要斑塊Table5 Important patches affecting landscape connectivity in 2010

由圖5以看出，2010年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊占總景觀面積明顯減少，大多數(shù)斑塊對景觀連通度產(chǎn)生的作用不明顯，景觀連通度較差。

從圖3、圖4、圖5明顯看出，2001年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊數(shù)量多，占總景觀面積最大，斑塊之間的鏈接最好，景觀連通度大;2006年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊數(shù)量較多，占總景觀面積較大，斑塊之間的鏈接較好，景觀連通度較大;2010年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊數(shù)量最少，占總景觀面積最少，景觀連通度最小。

由表3、表4、表5可以看出，當(dāng)距離閾值設(shè)置一致時(shí)，2001年對景觀連通度產(chǎn)生影響的重要斑塊數(shù)量最多，2006年則稍微減少，2010年則明顯減少，這是由于2010年的景觀連通度已經(jīng)很差，斑塊與斑塊之間的連接越來越少，能對景觀連通度產(chǎn)生影響的斑塊數(shù)也急劇下降。

由表6數(shù)據(jù)顯示，重要斑塊中土地覆蓋類型為果園的斑塊在對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊中出現(xiàn)的頻率最大，在不同距離閾值設(shè)定下，重要斑塊發(fā)生了一定的增減。重要斑塊中土地覆蓋類型為林地的斑塊在對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊中出現(xiàn)的頻率最小，卻占總面積的比例最大，達(dá)到了一半以上，說明了2001年東圳水庫流域林地保存良好，對景觀連通度產(chǎn)生了明顯作用。

由表7數(shù)據(jù)顯示，重要斑塊中土地覆蓋類型為果園的斑塊在對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊中出現(xiàn)的頻率最大，但與2001年相比有所減少。重要斑塊中土地覆蓋類型為耕地的斑塊在對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊比2001年出現(xiàn)的頻率和占總面積都略有增大。重要斑塊中土地覆蓋類型為林地的斑塊在對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊中出現(xiàn)的頻率小，占總面積的比例最大，可與2001年相比下降了13%。且土地覆蓋類型為建設(shè)用地的斑塊在重要斑塊中出現(xiàn)，建設(shè)用地對景觀連通度產(chǎn)生了較小的影響。

由表8數(shù)據(jù)顯示，重要斑塊中土地覆蓋類型為果園和耕地的斑塊面積比2006年減少，重要斑塊中土地覆蓋類型為林地的斑塊占總面積的比例比2006年更少，土地覆蓋類型為水體的斑塊已經(jīng)不在重要斑塊中出現(xiàn)，因?yàn)樗w斑塊在dBC_PC這個(gè)指標(biāo)中沒有在前50名內(nèi)出現(xiàn)，從圖3、4、5可以看出水體周邊的斑塊出現(xiàn)在重要斑塊中的數(shù)量急劇減少，即使水體斑塊包含大量的生態(tài)流，丟失該斑塊也不會對其他棲息地之間的連通度產(chǎn)生很大影響，水體斑塊對其他棲息地之間的連通作用貢獻(xiàn)減少，這說明東圳水庫周邊的土地利用發(fā)生很大改變，使得斑塊與斑塊之間的連通被減小或阻斷，使得水體斑塊也不再作為重要的棲息地斑塊，這時(shí)東圳水庫流域的土地覆蓋類型與2001年相比有很大的變化，景觀連通度產(chǎn)生了較大變化。

圖3 2001年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的所有斑塊Figure3 All important patches affecting landscape connectivity in 2001

圖4 2006年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊Figure4 All important patches affecting landscape connectivity in 2006

5 結(jié)論與展望

圖5 2010年對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊Figure5 All important patches affecting landscape connectivity in 2010

研究數(shù)據(jù)顯示，2001年景觀連通度最大，對景觀連通度產(chǎn)生重要作用的斑塊數(shù)量最多，重要斑塊占總景觀面積最大，2006年輕微減少，2010年有明顯減少。重要斑塊中土地覆蓋類型為果園和耕地的斑塊面積先增長，在2006年達(dá)到最大后下降。重要斑塊中土地覆蓋類型為林地的斑塊面積在2001年最大后一直減少。2010年水體不再作為重要斑塊。這說明東圳水庫流域的景觀連通度發(fā)生了很大變化，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動(dòng)越來越劇烈，使得斑塊之間的破碎化加大，斑塊與斑塊之間的連通被減小或阻斷，廊道逐漸消失，重要斑塊面積減小，景觀連通度大幅下降。這會使得物種在斑塊之間遷移活動(dòng)減少，生態(tài)流降低，生物多樣性下降，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境失去平衡。高的景觀連通度對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)有重要作用。在將來的土地利用規(guī)劃中，應(yīng)該盡量修復(fù)或擴(kuò)大那些消失在重要斑塊中的斑塊和鏈接，把景觀連通度作為評價(jià)土地利用規(guī)劃的重要指標(biāo)之一。

表6 2001年各地類重要斑塊的相關(guān)指標(biāo)Table6 Related indices of important patches in 2001

表7 2006年各地類重要斑塊的相關(guān)指標(biāo)Table7 Related indices of important patches in 2006

表8 2010年各地類重要斑塊的相關(guān)指標(biāo)Table8 Related indices of important patches in 2010

隨著人們對景觀連通度作用的深入了解，對景觀連通度的研究將在以下幾個(gè)方面得到發(fā)展:1)分析每個(gè)斑塊面積、周長、形狀，位置對景觀連通度的影響和不同景觀類型的結(jié)構(gòu)和功能對區(qū)域生態(tài)功能流的影響;2)分析不同尺度下，景觀連通度對生物多樣性的不同影響;3)研究景觀連通度與景觀破碎化及其他景觀評價(jià)指標(biāo)的關(guān)系;4)研究景觀連通度對景觀生態(tài)流和景觀功能的影響。

［1］Taylor P D，F(xiàn)shrig L，Henein K，et al．Connectivity is a vital element of landscape structure［J］．Oikos，1993，68:571-573．

［2］Orjan Bodin，Santiago Saura．Ranking individual habitat patches as connectivity providers:Integrating network analysis and patch removal experiments［J］．Ecological Modelling，2010，221:2393-2405．

［3］Pascual-Hortal L，Saura S．Comparison and development of new graph-based landscape connectivity indices:Towards the priorization of habitat patches and corridors for conservation［J］．Landscape Ecology，2006，21:959-967．

［4］Saura S，Pascual-Hortal L．A new habitat availability index to integrate connectivity in landscape conservation planning:Comparison with existing indices and application to a case study［J］．Landscape and Urban Planning，2007， (83):91-103．

［5］Saura S，Estreguil C，Mouton C，et al．Network analysis to assess landscape connectivity trends:Application to European forests(1990—2000)［J］．Ecological Indicators，2011，(11):407-416．

［6］Saura S，Rubio L．A common currency for the different ways in which patches and links can contribute to habitat availability and connectivity in the landscape［J］．Ecography，2010，(33):523-537．

［7］Luque S，Saura S．Landscape connectivity analysis for conservation:Insights from combining new methods with ecological and genetic data［J］．Landscape Ecology，2012，(27):153-157．

［8］Zheng Peng．Study on land suitability evaluation in the Dongzhen Reservoir Watershed based on 3S technology:A case study of semi-tropics fruit trees［D］．Fuzhou:Fuzhou University，2009．［鄭鵬．基于3S的東圳水庫流域土地適宜性——亞熱帶果樹為例［D］．福州:福州大學(xué)，2009．］

［9］Rubio L，Saura S．Assessing the importance of individual habitat patches as irreplaceable connecting elements:An analysis of simulated and real landscape data［J］．Ecological Complexity，2012，(11):28-37．

［10］Baranyi G，Saura S，Podani J，et al．Contribution of habitat patches to network connectivity:Redundancy and uniqueness of topological indices［J］．Ecological indicators，2011，(11):1301-1310．