基于不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例

吳　未， 張　敏， 許麗萍， 歐名豪

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院, 南京　210095

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基于不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究
——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例

吳未， 張敏， 許麗萍， 歐名豪*

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院, 南京210095

摘要:生境網(wǎng)絡(luò)在支持物種長期存活中具有重要意義，由于受人類社會經(jīng)濟(jì)頻繁活動的影響，迫切需要優(yōu)化。選取城市化快速發(fā)展的蘇錫常地區(qū)為研究區(qū)域，以濕地代表性鳥類白鷺為目標(biāo)物種，利用2000、2010 年土地利用/覆被數(shù)據(jù)，采用兩種不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，識別出恢復(fù)或新建生境節(jié)點(diǎn)或斑塊，以及基于網(wǎng)絡(luò)連接度并兼顧了集合覆蓋問題遴選出重要新增生境節(jié)點(diǎn)，得到生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案。結(jié)果表明：(1)恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的生境斑塊面積在10—50 hm2之間，以喬木林地為主；新建型生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的生境斑塊是喬木林地和湖泊水庫與河流兼而有之，均滿足白鷺生境地類要求；優(yōu)化的生境網(wǎng)絡(luò)連接度較高、整體結(jié)構(gòu)狀況最好，兼顧了資源有限性下經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益最大化，與歷史觀測點(diǎn)實(shí)際情況較為吻合，可作為優(yōu)化方案。(2)相同的生境斑塊格局受生境格局時空變化、生態(tài)過程模擬方法及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評判標(biāo)準(zhǔn)的影響，在采用不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法時，會得到不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果。采用時空格局變化與不同生態(tài)過程模擬相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，有助于分析格局-生態(tài)過程及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化情況，其思路為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法進(jìn)一步深入研究提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化; 生境網(wǎng)絡(luò); 時空格局變化; 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法; 方法論; 白鷺; 蘇錫常地區(qū)

生境是物種的天然棲息場所和物種生存的最基本條件，它的破壞會導(dǎo)致物種瀕危乃至滅絕。生境網(wǎng)絡(luò)是物種在不同生境間物質(zhì)、能量和信息交流的重要空間保障[1- 2]，支持著物種的長期存活[3]，保護(hù)生境網(wǎng)絡(luò)比單純保護(hù)生境更具有意義和價(jià)值。在城市化快速發(fā)展地區(qū)，人為干擾不斷加劇，物種適宜生境面積減小，生境質(zhì)量下降，生境隔離效應(yīng)增強(qiáng)，都會危及到物種多樣性的維持，因此迫切需要優(yōu)化生境網(wǎng)絡(luò)。

已有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究多從擴(kuò)大斑塊面積、建立踏腳石或設(shè)置緩沖區(qū)、提升景觀異質(zhì)性等方面入手[4]，通過提高網(wǎng)絡(luò)連接度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。增設(shè)踏腳石或緩沖區(qū)，如識別生態(tài)斷裂點(diǎn)[5]、暫息地[5]、生態(tài)節(jié)點(diǎn)[6]等是提高網(wǎng)絡(luò)連接度的關(guān)鍵。識別時，常采用某一特定時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究[5- 8]；類似的通過分析墨西哥山貓和貓熊多時段生境格局變化情況識別區(qū)內(nèi)潛在適宜性生境斑塊[9]的研究不多。構(gòu)建廊道時，常采用同一種方法模擬物種遷移的生態(tài)過程，如最小成本路徑法、修正的Spatial Links Tool[10]、以及Graphab 1.0軟件[11]、UNICOR(UNIversal CORridor network simulator)模型[12]等新方法；同時采用數(shù)種不同構(gòu)建廊道方法的研究不多。因而，將時空格局變化分析與不同生態(tài)過程模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的研究更少。

本文以土地資源緊缺、城市化快速發(fā)展的蘇錫常(蘇州—無錫—常州)地區(qū)為研究區(qū)域，濕地代表性鳥類白鷺為目標(biāo)物種，2010 年白鷺生境斑塊為現(xiàn)狀，與2000 年白鷺生境斑塊初始狀態(tài)變化情況比照，通過采用兩種不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，提出恢復(fù)、新建生境節(jié)點(diǎn)與斑塊的方法，以及基于網(wǎng)絡(luò)連接度并兼顧保護(hù)成本效益的生境網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先性評估，實(shí)現(xiàn)白鷺生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。本文著眼于生境網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法論研究，試圖回答：生境斑塊時空格局變化對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的影響是什么？不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的影響是什么？時空格局變化與生態(tài)過程相結(jié)合的方法對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究的作用和意義是什么？等問題，以拓展網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法論的研究。

圖1　研究區(qū)位置示意圖Fig.1　Location of the study area

圖2　蘇錫常地區(qū)觀測到白鷺活動的77個觀測點(diǎn)(2003—2014年)Fig.2　Sites where Egretta garzetta have been eye-witted in Su-Xi-Chang area during the period of 2003 to 2014

1研究區(qū)概況

蘇錫常地區(qū)位于江蘇省南部太湖之濱(圖1)，屬長江沖積平原，區(qū)內(nèi)地勢平坦，河湖眾多，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)物種豐富，鳥類、獸類和兩棲爬行類200 多種，濕地鳥類為優(yōu)勢野生物種。區(qū)內(nèi)鷺鳥主要有白鷺(Egrettagarzetta)、夜鷺(Nycticoraxnycticorax)、池鷺(Ardeolabacchus)和牛背鷺(Bubulcusibis)4種[13]，其中白鷺作為優(yōu)勢物種被列入《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約，CITES》名單。中國觀鳥記錄中心(http://www.birdtalker.net/)數(shù)據(jù)顯示，2003—2014年區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)白鷺活動的觀測點(diǎn)77處(圖2中黑色標(biāo)注點(diǎn))，其中無錫斗山茶場和常熟尚湖風(fēng)景區(qū)觀測數(shù)量最多達(dá)到200 只。

蘇錫常地區(qū)總面積1.75萬km2，其中水域面積占32.47%；地區(qū)以占江蘇省約17%的國土面積和人口，實(shí)現(xiàn)了約40%的GDP和地方財(cái)政收入。2000—2010年地區(qū)農(nóng)用地比重從56.69%降至44.41%、建設(shè)用地比重從14.71%增至27.82%，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和空間布局發(fā)生了顯著變化。

2數(shù)據(jù)與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源及處理

采用中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺2000、2010 年兩期TM影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)；中國縣級行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。TM影像經(jīng)解譯得到蘇錫常地區(qū)土地利用/覆被數(shù)據(jù)，地類劃分為水田、旱地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、交通用地、灘涂沼澤、湖泊水庫、河流、溝渠/運(yùn)河和其他未利用地共13類。

2.2研究方法2.2.1評判假設(shè)與研究思路

從識別新增生境斑塊、考慮在人為干擾強(qiáng)烈地區(qū)恢復(fù)生境斑塊難易程度、物種對新增生境斑塊接受程度及遷徙可能性等入手，提出以下兩點(diǎn)假設(shè)作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的評判標(biāo)準(zhǔn)：

(1)假設(shè)一識別的新增生境斑塊與生境斑塊初始狀態(tài)比照，假設(shè)恢復(fù)初始存在但現(xiàn)狀失缺的生境斑塊(特指因干擾致使面積減少而不符合生境斑塊條件的適宜地塊)優(yōu)于增添初始和現(xiàn)狀都不存在的生境斑塊，即恢復(fù)的生境斑塊是生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的優(yōu)選方案。

(2)假設(shè)二不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的構(gòu)建條件不同。假設(shè)同時滿足不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建條件的新增生境斑塊優(yōu)于不能同時滿足不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建條件的新增生境斑塊，即新增生境斑塊滿足的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建條件越多，其重要性越高，是生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的優(yōu)選方案。

以上述假設(shè)為基礎(chǔ)，以2010 年白鷺生境斑塊為現(xiàn)狀，通過方法a得到對應(yīng)的白鷺生境網(wǎng)絡(luò)A，與2000 年生境斑塊初始狀態(tài)比照：(1)凡初始存在但現(xiàn)狀失缺，并被生境網(wǎng)絡(luò)A與現(xiàn)狀生境斑塊連接到一起的生境斑塊，即符合假設(shè)一條件的生境斑塊，為恢復(fù)型新增生境斑塊。(2)凡初始和現(xiàn)狀都不存在，但被生境網(wǎng)絡(luò)A與現(xiàn)狀生境斑塊連接到一起的生境斑塊，即為新建型新增生境斑塊。將上述兩類新增生境斑塊置放到2010 年生境斑塊現(xiàn)狀中，采用方法b構(gòu)建對應(yīng)的白鷺生境網(wǎng)絡(luò)B，當(dāng)新增生境斑塊被生境網(wǎng)絡(luò)B與現(xiàn)狀生境斑塊連接到在一起，或符合假設(shè)二條件的生境斑塊，其重要性更高。從以最少土地實(shí)現(xiàn)對物種保護(hù)的視角[14]對遴選出的新增生境斑塊進(jìn)行優(yōu)先性評價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)生境網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

2.2.2識別現(xiàn)有生境斑塊

參照已有成果[15]，白鷺生境斑塊為符合以下4個基本約束條件的地塊集合：(1)喬木林地為筑巢地，沼澤灘涂、湖泊水庫為覓食地，筑巢地與覓食地相距不超過10 km；(2)面積不小于10 hm2；(3)高程在5—70 m之間；(4)至市區(qū)和主要對外交通用地距離不小于400 m和300 m。通過ArcGIS 10.1完成生境斑塊的識別。

2.2.3構(gòu)建現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)

白鷺遷移行為包括空中飛行和陸地行走兩種方式[16]?？罩酗w行時受地類變化影響較小，路徑可設(shè)為直線，生境網(wǎng)絡(luò)以覓食半徑不超過10 km[9]為依據(jù)，由10 km范圍內(nèi)的生境斑塊直線連接構(gòu)成；陸地行走時受地類變化影響較大，路徑可設(shè)為曲線，生境網(wǎng)絡(luò)可采用最小成本路徑法構(gòu)成；由此得到兩種不同方法構(gòu)建的白鷺空中飛行和陸地行走生境網(wǎng)絡(luò)。

影響白鷺陸地遷移的因素很多，如生境質(zhì)量、水質(zhì)情況、人為干擾強(qiáng)度等[17]。采用最小成本法模擬時，可選取典型因素類型[18- 19]或直接通過考察土地利用類型適宜性或景觀類型異質(zhì)性[8,20- 21]，設(shè)定阻力值簡化研究。本文著眼于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法論研究，依據(jù)數(shù)據(jù)獲得性和可操作性原則，以土地利用類型為直接影響因素，參照類似研究成果[21- 22]，結(jié)合白鷺生活習(xí)性，設(shè)定了不同土地利用類型對白鷺陸地遷移影響在1—100之間的相對阻力值(表1)。借助ArcGIS中Cost Path工具生成、Feature to point工具將所有生境斑塊轉(zhuǎn)換為生境節(jié)點(diǎn)，將生境網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)和線的集合[23]。

表1　不同土地利用類型對白鷺陸地遷移的阻力值

2.2.4識別新增生境斑塊/節(jié)點(diǎn)

在評判假設(shè)與研究思路(2.2.1)中構(gòu)建的恢復(fù)型和新建型新增生境斑塊，對應(yīng)著恢復(fù)型和新建型生境節(jié)點(diǎn)，具體識別方法分別為：(1)在ArcGIS 10.1中通過最小成本路徑法獲得2010 年白鷺現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)，與2000 年白鷺生境節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)疊加，得到恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)。(2)在2010 年白鷺現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)中，遴選路徑間的相交點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)[5- 6]，其中穿過節(jié)點(diǎn)路徑數(shù)量≥3(不考慮太湖內(nèi)部生成的交點(diǎn))且不屬于恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)的為新建型生境節(jié)點(diǎn)。

2.2.5新增斑塊/節(jié)點(diǎn)重要性排序

新增生境斑塊設(shè)計(jì)過程中尤其是在土地資源稀缺、城市化快速發(fā)展地區(qū)通常面臨著一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即在資源有限條件下，需要用最少的土地面積/資金實(shí)現(xiàn)對一組物種的保護(hù)或用給定的資金實(shí)現(xiàn)對盡可能多的物種/面積的保護(hù)，即物種的“集合覆蓋問題(Set Covering Problem，SCP)”和“最大覆蓋問題(Maximal Covering Problem，MCP)”[14]。從集合覆蓋問題出發(fā)，優(yōu)選出最重要最迫切需要恢復(fù)或新建的新增生境斑塊，可體現(xiàn)資源有限性下兼顧經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的最大化。

斑塊重要性可通過景觀連通性指標(biāo)(如IIC和PC)[24- 25]或景觀中心度指標(biāo)(如節(jié)點(diǎn)度、中介度、緊密度、特征向量度和子圖度)[26]反映。連通性指標(biāo)側(cè)重于斑塊分析，受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響較??；中心度指標(biāo)側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)分析，受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響較大。本文旨在通過提高網(wǎng)絡(luò)連接度優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，故選用中心度指標(biāo)測算斑塊重要性。中心度指標(biāo)中，節(jié)點(diǎn)度和中介度較為常見，分別反映斑塊功能性連接的整體特征和斑塊在景觀流傳遞過程中的重要程度[26]：(1)節(jié)點(diǎn)度也稱中心集中度，指網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中與某一節(jié)點(diǎn)相連的連接線的數(shù)量。節(jié)點(diǎn)度越高，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)在所處局部景觀中的中心位置越重要[26]。數(shù)據(jù)獲取借助UCINET軟件Degree工具完成[27]。(2)中介度又稱關(guān)聯(lián)度，指某個斑塊處于其他斑塊對之間的頻度，是通過網(wǎng)絡(luò)中某個點(diǎn)的最短路徑與所有節(jié)點(diǎn)間(不包括該點(diǎn))最短路徑的數(shù)量比[26]。中介度越高，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)控制穿越網(wǎng)絡(luò)景觀流的能力越強(qiáng)，在維持景觀連接度中的作用越重要。重要節(jié)點(diǎn)的缺失將造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分裂和景觀破碎化。數(shù)據(jù)獲取借助UCINET軟件Node Betweenness工具完成[27]。本文將兩個指標(biāo)反映的功能列為同等重要，對得到的指標(biāo)計(jì)算結(jié)果按照極差標(biāo)準(zhǔn)化法歸一化處理之后進(jìn)行等權(quán)疊加排序。

2.2.6評價(jià)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果可通過測算景觀連接度來評價(jià)。選擇反映網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的α、β、γ3個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)，分別反映網(wǎng)絡(luò)中回路出現(xiàn)的程度、每個節(jié)點(diǎn)的平均連線數(shù)和所有節(jié)點(diǎn)被連接的程度[28- 29]。

圖3　恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)與新建型生境節(jié)點(diǎn)分布及基于最小成本路徑法的白鷺生境網(wǎng)絡(luò)A　Fig.3　The distribution of restorative and new habitat nodes and Egretta garzetta′s habitat Net-A based on the least-cost path model

3結(jié)果與分析

3.1識別的新增生境節(jié)點(diǎn)

圖3為由最小成本路徑法識別得到的恢復(fù)型和新建型生境節(jié)點(diǎn)分布情況及構(gòu)建的白鷺生境網(wǎng)絡(luò)A?；謴?fù)型生境節(jié)點(diǎn)17個，主要在太湖周邊及宜興—溧陽片區(qū)。新建型生境節(jié)點(diǎn)18個，主要在太湖東、西兩側(cè)。與影像圖對照，恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的生境斑塊面積在10—50 hm2之間，以喬木林地為主；新建型生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的生境斑塊是喬木林地(宜興—溧陽片區(qū)為主)和湖泊水庫與河流(蘇州境內(nèi)為主)兼而有之；均滿足白鷺生境地類要求、為容易恢復(fù)的小面積生境斑塊。

3.2新增生境節(jié)點(diǎn)重要性排序

圖4　基于直線路徑法的白鷺生境網(wǎng)絡(luò)BFig.4　Egretta garzetta′s habitat Net-B based on the linear path model

圖5　新增生境節(jié)點(diǎn)綜合評價(jià)值分布情況Fig.5　Comprehensive values of new habitat nodes

圖4 為上述35個新增生境斑塊和2010 年現(xiàn)狀生境斑塊通過直線路徑法構(gòu)建的白鷺生境網(wǎng)絡(luò)B。表2為新增生境節(jié)點(diǎn)在圖4中標(biāo)準(zhǔn)化后的節(jié)點(diǎn)度、中介度及其綜合評價(jià)值。圖5 為新增生境節(jié)點(diǎn)綜合評價(jià)值分布情況。圖中，橫軸為生境節(jié)點(diǎn)重要性的降序排列號；縱軸為生境節(jié)點(diǎn)在1.00—0.00之間標(biāo)準(zhǔn)化的重要性綜合值，值越大重要性越高。35個散點(diǎn)組成的折線中，第27處為折線拐點(diǎn)，出現(xiàn)明顯下降，故設(shè)定前26個新增生境節(jié)點(diǎn)為重要節(jié)點(diǎn)，分別得到恢復(fù)型和新建型生境節(jié)點(diǎn)14個和12個。

在重要性排序中，位于前10的新增生境節(jié)點(diǎn)中新建型生境節(jié)點(diǎn)有8個，其中7個占據(jù)了前7位，與假設(shè)一不符；遴選掉的9個新增生境節(jié)點(diǎn)中，除92號節(jié)點(diǎn)未連入生境網(wǎng)絡(luò)B不符合假設(shè)二條件外，其余節(jié)點(diǎn)均滿足假設(shè)二條件。其中62、72和74號3個恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)同時滿足假設(shè)一、二的前提條件，但都被篩選掉，與假設(shè)不符。文中假設(shè)的兩種情況均沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)期的優(yōu)化結(jié)果，表明受人為干擾影響，生境斑塊格局變化對生態(tài)過程、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果均產(chǎn)生顯著影響。

3.3網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果

圖6為白鷺生境網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及優(yōu)化情景：1是現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)Ⅰ；2是增添了恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)Ⅱ；3是增添了新建型生境節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)Ⅲ；4是由網(wǎng)絡(luò)Ⅱ和Ⅲ疊加得到的網(wǎng)絡(luò)Ⅳ，即網(wǎng)絡(luò)B；5是由遴選的重要生境節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)Ⅴ，即網(wǎng)絡(luò)Ⅳ的優(yōu)化結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)Ⅰ破碎化明顯，相互之間孤立。網(wǎng)絡(luò)Ⅱ與網(wǎng)絡(luò)Ⅰ相比，增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)和廊道數(shù)，但網(wǎng)絡(luò)連接度改善不明顯。網(wǎng)絡(luò)Ⅲ與網(wǎng)絡(luò)Ⅰ相比，宜興—溧陽片區(qū)及蘇州中部的網(wǎng)絡(luò)連接度得到較明顯改善，說明新建型生境節(jié)點(diǎn)比恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)在提高網(wǎng)絡(luò)連接度上成效明顯。網(wǎng)絡(luò)Ⅳ和Ⅴ與網(wǎng)絡(luò)Ⅲ相比，無明顯差別。

表3是網(wǎng)絡(luò)Ⅰ—Ⅴ的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)情況。與網(wǎng)絡(luò)Ⅰ相比，網(wǎng)絡(luò)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的3個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)值均得到不同程度的增加、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了不同程度的優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)Ⅲ的節(jié)點(diǎn)數(shù)略多于網(wǎng)絡(luò)Ⅱ，但廊道數(shù)、3個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)值均低于網(wǎng)絡(luò)Ⅱ，優(yōu)化成效不明顯；網(wǎng)絡(luò)Ⅴ的節(jié)點(diǎn)數(shù)和廊道數(shù)均低于網(wǎng)絡(luò)Ⅳ，但3個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)值均高于網(wǎng)絡(luò)Ⅴ，網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)狀況最好，說明滿足了“集合覆蓋問題”的同時實(shí)現(xiàn)了提高網(wǎng)絡(luò)連接度的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目的，是最優(yōu)方案。綜合上一節(jié)結(jié)論說明，在網(wǎng)絡(luò)Ⅳ被優(yōu)化為網(wǎng)絡(luò)Ⅴ時，被篩選掉的新增生境節(jié)點(diǎn)在不同網(wǎng)絡(luò)中的重要性不同，或者說不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法對新增生境節(jié)點(diǎn)的需求是不同的，即不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的結(jié)果存在影響。

表2　新增生境節(jié)點(diǎn)類型及其標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)度值、中介度值及其綜合評價(jià)值

*R代表恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)；N代表新建型生境節(jié)點(diǎn)

圖6　蘇錫常地區(qū)白鷺生境網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及優(yōu)化情景Fig.6　Egretta garzetta′s current habitat network and its optimized scenarios in Su-Xi-Chang area

網(wǎng)絡(luò)Network節(jié)點(diǎn)個數(shù)Nodes廊道數(shù)量Corridorsα指數(shù)值αindexβ指數(shù)值βindexγ指數(shù)值γindex網(wǎng)絡(luò)Ⅰ(Net-Ⅰ)581090.471.880.65網(wǎng)絡(luò)Ⅱ(Net-Ⅱ)751920.812.560.88網(wǎng)絡(luò)Ⅲ(Net-Ⅲ)761730.672.280.78網(wǎng)絡(luò)Ⅳ(Net-Ⅳ)932620.942.820.96網(wǎng)絡(luò)Ⅴ(Net-Ⅴ)842410.972.870.98

4結(jié)論

本文以白鷺生境網(wǎng)絡(luò)為例，利用蘇錫常地區(qū)2000、2010 年土地利用/覆被數(shù)據(jù)，通過與兩種不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法相結(jié)合的思路，識別出需要恢復(fù)、新建的生境節(jié)點(diǎn)或斑塊，并從資源有限性出發(fā)對新增生境節(jié)點(diǎn)重要性進(jìn)行排序，得到生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案。結(jié)果表明：(1)恢復(fù)型生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的生境斑塊面積在10—50 hm2之間，以喬木林地為主；新建型生境節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的生境斑塊是喬木林地和湖泊水庫與河流兼而有之，均滿足白鷺生境地類要求。優(yōu)化后的生境網(wǎng)絡(luò)連接度較高、整體結(jié)構(gòu)狀況最好，能兼顧資源有限性下經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的最大化，為優(yōu)化方案。(2)與圖2比照，77個觀測點(diǎn)覆蓋了大部分優(yōu)化后的生境網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即新增和現(xiàn)有生境斑塊與實(shí)際情況較為吻合。但是環(huán)太湖地區(qū)觀測點(diǎn)密集，數(shù)量多于現(xiàn)有和新增生境節(jié)點(diǎn)數(shù)量，存在一定偏差，可能與同一生境節(jié)點(diǎn)覆蓋了多個觀測點(diǎn)有關(guān)；部分有白鷺活動的觀測點(diǎn)，如常州中、西部，無錫東北部，蘇州東部，尚未被識別出，有待進(jìn)一步研究。(3)結(jié)果與假設(shè)一不符，說明即使將2010 年生境斑塊格局恢復(fù)到2000 年?duì)顟B(tài)，也因其它地類變化影響無法還原出原有生境網(wǎng)絡(luò)，反映出生境網(wǎng)絡(luò)變化受格局—生態(tài)過程影響明顯。結(jié)果與假設(shè)二不符，說明即使能夠同時滿足不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建條件的新增斑塊形成的網(wǎng)絡(luò)也不一定得到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最優(yōu)結(jié)果，反映出在相同生境斑塊情況下，不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法會得到不同的網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化結(jié)果，即網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果受生態(tài)過程模擬方法和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評判標(biāo)準(zhǔn)選擇的影響明顯。時空格局變化與不同生態(tài)過程模擬相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，有益于還原和分析格局-生態(tài)過程以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化情況，其思路和方法有助于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的進(jìn)一步深入研究。

物種遷徙模擬是一個非常復(fù)雜的過程，需要大量的物種分布和生境結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。本文選擇不同土地利用類型為影響因素通過最小成本路徑法模擬，設(shè)定阻力值時，存在主觀性；計(jì)算時，柵格數(shù)據(jù)粒度效應(yīng)[30]所造成的信息傳遞丟失現(xiàn)象會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。將生境斑塊簡化為景觀類型，再進(jìn)一步簡化為節(jié)點(diǎn)，忽略了斑塊面積效應(yīng)、邊緣效應(yīng)等因素，會導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際狀況之間的顯著偏差。以上都應(yīng)在后續(xù)研究中不斷完善。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化旨在完善景觀格局，而景觀格局是實(shí)現(xiàn)景觀可持續(xù)過程中至關(guān)重要的一環(huán)。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)可以更好的反映出景觀格局、景觀服務(wù)和人類福祉之間的動態(tài)關(guān)系[31]。同時，也可依據(jù)景觀格局-過程-服務(wù)-福祉機(jī)理系統(tǒng)研究成果，為景觀格局或網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供新的研究思路和理論基礎(chǔ)。

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Habitat network optimization based on different network building methods:a case study ofEgrettagarzettain the Su-Xi-Chang area

WU Wei, ZHANG Min, XU Liping, OU Minghao*

CollegeofLandManagement,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China

Abstract:Habitat networks are important to the long-term survival of many species. However, due to frequent human disturbance, the habitat networks in most developing urban regions of China desperately need rebuilding or optimization. Identification of potential conservation areas is usually based on land use and land cover data from a single year; multiple years of data are rarely used. Additionally, in majority of the studies, only one network building method is applied to optimize networks; for example the least-cost path method, the Spatial Links Tool or the LARCH model. Furthermore, studies which combine spatio-temporal analysis and different network building methods to optimize networks are rare. The aim of this study was to determine:how spatio-temporal analysis and different network building methods affect network optimization and how combining spatio-temporal analysis and different network building methods can contribute to the methodology of network optimization. In this case study, the Su-Xi-Chang area of the Yangtze River Delta Region was taken as the study area and Egretta garzetta was selected as a representative species of wild animal. Egretta garzetta distribution was identified and recorded in a grid using ArcGIS software along with land use/land cover data from 2010 and 2000. Potential corridors were identified using the least-cost path method and a 10 km-radial-line path method, based on land use/land cover data from 2010 and 2000, respectively. The potential corridors and habitats identified using these two methods and years were overlaid. Habitats that existed in 2000 but not in 2010, and were linked by both types of potential corridors were identified. These were named Rebuild Potential Habitats (RP habitats). Habitats that did not exist in either 2000 or 2010, but were at the junctions of potential corridors were also identified; these were named Newly-added Potential Habitats (NP habitats). The landscape connectivity indices of RP habitats, NP habitats and their comprehensive values were calculated and arranged. The habitats that had higher comprehensive values were selected from the perspective of a Set Covering Problem. These selected habitats along with habitats from 2010 formed the optimized habitat network. 17 RP habitats and 18 NP habitats were identified. The identified potential habitats and the existing habitats from 2010 formed network scenarios Ⅱ, Ⅲ and Ⅳ, respectively. The RP habitats had areas of approximately 10—50 hectares. The land-use type for most RP habitats was arboreal forest. The land-use types for most NP habitats were arboreal forest, lakes, ponds, and rivers. These have suitable conditions for Egretta garzetta. There were 14 RP habitats and 12 NP habitats left after selection. The selected potential habitats and the existing habitats in 2010 formed network scenario Ⅴ. Comparison of three network structure indices (α, β, and γ) for network scenarios Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, and Ⅴ showed that scenario network Ⅴ offered the maximum economic and ecological benefits from a limited land area. The network structure connectivity in 2010 could emulate that of 2000, even if RP habitats were rebuilt in the same pattern as 2010. This indicates that spatio-temporal changes had an obvious effect on ecological processes and patterns. Network structure is not necessarily optimized even if all RP habitats and NP habitats meet the conditions of the different network construction methods. This suggested that the chosen ecological process model or network optimization criteria have important influences on the results. The method developed in this study was helpful in analyzing the relationships among spatio-temporal patterns, changes in network structure and ecological processes and patterns. Our analysis also highlights on the methodology of network structure optimization.

Key Words:network optimization; habitat network; spatio-temporal pattern change; network building method; methodology; Egretta garzetta; Su-Xi-Chang area

DOI:10.5846/stxb201405191026

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:mhou@njau.edu.cn

收稿日期:2014- 05- 19; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 06- 12

基金項(xiàng)目:中國博士后基金特別資助項(xiàng)目(2010003592)

吳未， 張敏， 許麗萍， 歐名豪.基于不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(3):844- 853.

Wu W, Zhang M, Xu L P, Ou M H.Habitat network optimization based on different network building methods:a case study ofEgrettagarzettain the Su-Xi-Chang area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(3):844- 853.