基于CL-PIOP方法的青島市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素評(píng)價(jià)

傅 強(qiáng),顧朝林

1 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 青島 266590 2 清華大學(xué)建筑學(xué)院, 北京 100084

基于CL-PIOP方法的青島市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素評(píng)價(jià)

傅 強(qiáng)1,*,顧朝林2

1 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 青島 266590 2 清華大學(xué)建筑學(xué)院, 北京 100084

景觀生態(tài)學(xué)中的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)概念,已被國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多機(jī)構(gòu)與學(xué)者所接受。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素的量化評(píng)價(jià)成為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)能否真正發(fā)揮在空間上調(diào)和自然生態(tài)保護(hù)與社會(huì)發(fā)展作用的關(guān)鍵。圖形理論中相關(guān)評(píng)價(jià)指數(shù)為量化評(píng)價(jià)提供了方法。探討如何基于圖形理論中相關(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)對(duì)一個(gè)地區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性有重要影響的斑塊與廊道等生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素。以青島作為研究案例區(qū)域,使用最小成本路徑模型構(gòu)建了濕地和林地兩種生態(tài)網(wǎng)絡(luò),并以一定閾值為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)做等級(jí)劃分,采用圖形理論中的CL-PIOP評(píng)價(jià)方法作為基礎(chǔ)方法,提出兩種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)作深入分析。分析結(jié)果表明：基于不同等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斑塊的CL-PIOP重要性頻次統(tǒng)計(jì)可以有效的識(shí)別對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性有重要作用的斑塊,既涵蓋了幾乎所有大面積的斑塊,同時(shí)也包括一定數(shù)量的小面積斑塊；CL-PIOP評(píng)價(jià)方法可在眾多廊道中快速識(shí)別具有不可替代作用的廊道,且根據(jù)CL-PIOP值大小以及在各等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中非零CL-PIOP值的頻率統(tǒng)計(jì)進(jìn)一步確定廊道的重要程度。此外,不同等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中CL-PIOP值存在異常增大的斑塊及其相關(guān)廊道對(duì)于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與連通性增強(qiáng)有關(guān)鍵作用,這些斑塊通常與面積等自身的屬性無(wú)關(guān),而與其在網(wǎng)絡(luò)所處的位置相關(guān)。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型與圖形理論相關(guān)方法結(jié)合可以快速有效的識(shí)別區(qū)域重要的生態(tài)用地,為相關(guān)規(guī)劃中生態(tài)用地的保護(hù)、恢復(fù)提供量化依據(jù)。

林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；相關(guān)長(zhǎng)度；PIOP；青島市

自然生境破碎化是人類在土地使用過(guò)程中產(chǎn)生的兩大主要問(wèn)題之一[1]。表現(xiàn)為自然生境面積的縮小及自然生境之間聯(lián)系的減弱,限制了物種擴(kuò)散、遷移以及基因交換的機(jī)會(huì),從而增加了生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。

我國(guó)城鎮(zhèn)化正在經(jīng)歷前所未有的快速發(fā)展時(shí)期。2014年城鎮(zhèn)常住人口7.49億人,城鎮(zhèn)化水平達(dá)到了54.77%[2]。從城鎮(zhèn)化趨勢(shì)看,我國(guó)還將繼續(xù)以較高的速度持續(xù)城鎮(zhèn)化進(jìn)程。因此,城市對(duì)土地的巨大需求仍在繼續(xù),在人多地少的背景下,保證城鎮(zhèn)發(fā)展必要的土地并盡可能減少其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)破壞就顯得非常重要。

景觀生態(tài)學(xué)中的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Ecological Network)概念,表述為生境破碎條件下生境的空間組織方式,用于分析景觀空間模式與物種存續(xù)的關(guān)系,以維護(hù)生境破碎地區(qū)生物多樣性[3-4]。由于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)構(gòu)要素的網(wǎng)絡(luò)化連接,個(gè)別要素的消失不會(huì)改變一個(gè)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的整體功能[3],使得生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在空間結(jié)構(gòu)和調(diào)整上有了一定的靈活性,從而為解決當(dāng)前快速城鎮(zhèn)化背景下生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間在空間上的矛盾提供了可能。目前,國(guó)際、國(guó)家和地區(qū)各個(gè)空間層面上都已經(jīng)有生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究與實(shí)踐的開(kāi)展[5- 11]。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與自然保護(hù)區(qū)相比突出優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在其更加重視生態(tài)用地之間的連通性。圖形理論為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性的量化評(píng)價(jià)提供了有效的方法。已有許多學(xué)者提出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指數(shù)[12- 18]及評(píng)價(jià)軟件[19- 20],這些指數(shù)從不同角度反映生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素在維護(hù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性與完整性的重要程度。基于圖形理論中的相關(guān)評(píng)價(jià)指數(shù),國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素的評(píng)價(jià),如Pajek軟件的中介性[21]評(píng)價(jià)方法、PC指數(shù)[22-23]、IIC指數(shù)[23-25]、dI指數(shù)[25]、BCI[11]指數(shù)等都被用于計(jì)算具有重要意義的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素。

基于當(dāng)前研究的分析,現(xiàn)有的指數(shù)能夠回答在同一個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架下,結(jié)構(gòu)要素的重要程度。但現(xiàn)實(shí)情況是,由于分析的物種不同、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)目標(biāo)的不同,同一地區(qū)可能存在不同等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[3],發(fā)現(xiàn)那些在不同等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡中發(fā)揮重要作用的結(jié)構(gòu)要素將會(huì)使得生態(tài)保護(hù)工作事半功倍。此外,現(xiàn)有的研究更傾向于結(jié)構(gòu)要素中斑塊的評(píng)價(jià),而廊道的重要程度較少的明顯提及。由此,本文以東部經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)城市青島市為研究區(qū),采用最小成本路徑模型構(gòu)建該地區(qū)兩大生態(tài)系統(tǒng)(林地、濕地)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。基于圖形理論中的相關(guān)長(zhǎng)度指數(shù)及PIOP方法對(duì)兩大生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)深入分析,試圖回答如下問(wèn)題：(1)如何確定一個(gè)地區(qū)中對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性維護(hù)與增強(qiáng)起到重要作用的網(wǎng)絡(luò)斑塊？(2)如何確定在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換中起到關(guān)鍵作用的網(wǎng)絡(luò)斑塊？(3)哪些廊道在上述兩類重要斑塊的連接中起到了不可替代的作用？本研究試圖為基于圖形理論的評(píng)價(jià)結(jié)果的深入挖掘與解讀提供一種啟發(fā)式的思路,為快速城鎮(zhèn)化地區(qū)城生態(tài)用地保護(hù)與恢復(fù)提供量化的技術(shù)方法與數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

青島市位于山東半島南端(35°35′—37°09′N,119°30′—121°00′E)、黃海之濱,西與濰坊市相連,東北與煙臺(tái)市毗鄰,西南與日照市接壤。青島市地處海洋生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的交匯處,生態(tài)環(huán)境極為脆弱,易遭受外力破壞,且難以恢復(fù)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所采用的數(shù)據(jù)包括：基于環(huán)境1號(hào)衛(wèi)星2013年9月獲取的30m分辨率的影像數(shù)據(jù)、中國(guó)1∶25萬(wàn)土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的2005年土地利用數(shù)據(jù)在ERDAS軟件支持下得到2013年土地利用數(shù)據(jù)；中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站提供的30m分辨率數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數(shù)據(jù)并通過(guò)ARCGIS軟件生成相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及等級(jí)劃分

最小成本路徑模型(Least Cost Path,LCP)方法可以在數(shù)據(jù)較難保證的情況下構(gòu)建區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[26-28]。由于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建并非本文討論重點(diǎn),因此生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的具體方法沿用了已有的研究基礎(chǔ)[29]：在研究區(qū)域相關(guān)物種分析基礎(chǔ)上引入通用物種[30-34],采用專家打分的方式獲得相應(yīng)的景觀成本值并生成成本面,用不同距離閾值的廊道與斑塊組成不同等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),對(duì)應(yīng)相應(yīng)擴(kuò)散能力物種生存的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)技術(shù)則基于ARCGIS開(kāi)發(fā)包在Microsoft Visual Studio.Net開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)完成。

2.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)方法

2.2.1 評(píng)價(jià)指數(shù)的選擇

選用相關(guān)長(zhǎng)度(Correlation Length,CL)[14](公式1)作為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指數(shù),該指數(shù)用于計(jì)算給定擴(kuò)散能力的物種在到達(dá)其能力所及的斑塊邊界時(shí)移動(dòng)的平均距離。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性越強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)連接越緊密,則關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度指數(shù)的值越大。

(1)

式中,ni表示斑塊集合i中斑塊所覆蓋的像素個(gè)數(shù),m表示同一斑塊集合中所包含的斑塊的個(gè)數(shù),Ri表示斑塊集i的回轉(zhuǎn)半徑(radius of gyration),其定義如公式2所示

(2)

將公式1代入公式2可以得到：

(3)

2.2.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素重要程度評(píng)價(jià)

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素包括生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斑塊(下文簡(jiǎn)稱斑塊)以及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)廊道(下文簡(jiǎn)稱廊道)。采用PIOP(Percentage of Importance of Omitted Patches)方法作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)構(gòu)要素在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性中重要程度的評(píng)價(jià)方法[14,16],PIOP方法的采用了如下評(píng)價(jià)思路：分別移去網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)斑塊及與其連接的廊道(每條連接廊道),計(jì)算經(jīng)過(guò)這一處理得到的新網(wǎng)絡(luò)的CL值,與之前完整網(wǎng)絡(luò)的CL值進(jìn)行對(duì)比,從而獲得每個(gè)斑塊(廊道)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性(公式4)。由于在本文中PIOP基于CL指數(shù),因此下文該評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)稱CL-PIOP。

(4)

基于CL-PIOP評(píng)價(jià)結(jié)果,本文提出關(guān)于斑塊或廊道重要程度評(píng)價(jià)的兩條標(biāo)準(zhǔn)：

(1)斑塊或廊道重要程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ

通過(guò)公式1、2、3、4可知,CL-PIOP值本身就可以反應(yīng)各斑塊或廊道在當(dāng)前等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用的重要程度。CL-PIOP值分析也是當(dāng)前基于圖形理論中相關(guān)評(píng)價(jià)指數(shù)獲知斑塊及廊道(特別是斑塊)重要程度的主流思路[35]。通過(guò)其在各等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)下作用大于平均值的次數(shù)統(tǒng)計(jì)(后文稱重要性頻次),可以進(jìn)一步評(píng)價(jià)核心斑塊的重要程度。例如,如果一個(gè)斑塊在各等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中重要程度均大于斑塊平均水平,說(shuō)明這些斑塊對(duì)于各擴(kuò)散能力的物種存續(xù)都有重要意義。

(2)斑塊或廊道重要程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ

本文基于廊道的長(zhǎng)度進(jìn)行了基于距離閾值的劃分,從而得到了一系列不同等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(生態(tài)網(wǎng)絡(luò)1,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)2,…,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)N)。通過(guò)對(duì)比相同斑塊在不同等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的CL-PIOP值可以發(fā)現(xiàn),其變化的趨勢(shì)、強(qiáng)度隨著斑塊連入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同而有不同程度的變化。通過(guò)對(duì)那些在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)n中CL-PIOP值突然變大的斑塊的分析,其原因是在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)n下,由于該斑塊的存在,使得兩個(gè)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)n-1中尚未連接的子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)n中連接成一個(gè)整體。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)n中CL-PIOP值越大,說(shuō)明兩個(gè)連為整體的子網(wǎng)絡(luò)的CL值越大。同時(shí),在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)n中新增的與該斑塊線連接的廊道也發(fā)揮了重要作用。因此,這些在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)n中CL-PIOP值異常變大的斑塊以及相關(guān)廊道理應(yīng)引起足夠的重視。正是基于上述思路,斑塊或廊道重要程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ是通過(guò)對(duì)各斑塊在不同等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中CL-PIOP值的對(duì)比,找到存在某一(幾個(gè))等級(jí)下出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象的斑塊,同時(shí)找出與之相連的在該等級(jí)下新增的廊道,并基于這些廊道的CL-PIOP值,得到不可替代廊道(CL-PIOP值>0)及其不可替代性(CL-PIOP值越高,不可替代性越高)。

3 分析結(jié)果

3.1 研究區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

3.1.1 不同連接路徑成本閾值下的濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

以河流湖泊、沼澤灘涂用地作為林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斑塊。設(shè)定1000為間隔閾值,得到等級(jí)為5000—20000的濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖1)。

3.1.2 不同連接路徑成本閾值下的林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

以針葉林、闊葉林、混交林為林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斑塊。設(shè)定1000為間隔閾值,得到等級(jí)為5000—20000的林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖2)。

3.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架下斑塊、廊道的重要程度

3.2.1 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ得到的重要斑塊

將各斑塊CL-PIOP值的平均值作為在該等級(jí)下重要程度的篩選標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這一設(shè)定,基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ,濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)有102個(gè)斑塊(共308個(gè),占總數(shù)的33%)入選(圖3)。林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)有261個(gè)斑塊(共914個(gè),占總數(shù)的28.6%)入選(圖4)。

圖1 研究區(qū)域濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(以5000、12000、20000等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)為例)Fig.1 Wetland ecological network (take ecological networks with connect strength of 5000, 12000 and 20000 as examples)

圖2 研究區(qū)域林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(以5000、12000、20000等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)為例)Fig.2 Woodland ecological network (take ecological networks with connect strength of 5000, 12000 and 20000 as examples)

圖3 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ的濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)重要斑塊與廊道 Fig.3 Important patches and corridors in wetland ecological networks based on standard I

圖4 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ的林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)重要斑塊與廊道 Fig.4 Important patches and corridors in woodland ecological networks based on standard I

3.2.2 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ得到的重要廊道

廊道的CL-PIOP值大于0,表示該廊道的缺失將改變生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的CL值,使得生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,該廊道便是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的不可替代廊道。CL-PIOP值的大小則可以表示其作為不可替代廊道在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用的程度。濕地、林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮不可替代作用的廊道如圖3、圖4所示。

3.2.3 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ得到的重要斑塊

利用SPSS 17.0軟件中描述統(tǒng)計(jì)的探索工具,基于各斑塊在各等級(jí)下的CL-PIOP值,得到箱線圖(圖5,圖6),發(fā)現(xiàn)存在異常大值的斑塊(圖7,圖8)。

圖5 濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中異常大值斑塊Fig.5 Patches with abnormal large CL-PIOP values in wetland ecological networks

圖6 林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中異常大值斑塊Fig.6 Patches with abnormal large CL-PIOP values in woodland ecological networks

3.2.4 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ得到的重要廊道

在新等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中與重要斑塊相連的不可替代廊道便成為了重要廊道(圖7,圖8)。

圖7 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ得到的濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)重要斑塊與廊道Fig.7 Important patches and corridors in wetland ecological networks based on standard II

圖8 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ得到的林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)重要斑塊與廊道Fig.8 Important patches and corridors in woodland ecological networks based on standard II

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

3.3.1 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ的斑塊評(píng)價(jià)結(jié)果與其面積對(duì)比

圖9 基于面積排名的濕地斑塊重要性頻次分布圖(標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ)Fig.9 Patch importance frequency based on patch area ranking in wetland ecological networks (Standard Ⅰ)

通過(guò)圖9可以發(fā)現(xiàn)：濕地斑塊在16個(gè)等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的重要性頻次與其面積的排序在總的趨勢(shì)上并沒(méi)有表現(xiàn)出一致的特性。圖10可以發(fā)現(xiàn)：林地斑塊在16個(gè)等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為重要的頻次與其面積的排序在總的趨勢(shì)上表現(xiàn)較為一致,但存在大量斑塊其重要程度與面積的排序并不相符。總體來(lái)說(shuō),基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ的斑塊重要程度識(shí)別,幾乎已經(jīng)將面積排名靠前的斑塊全部包括。

3.3.2 基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ的斑塊評(píng)價(jià)結(jié)果與其面積的對(duì)比

圖10 基于面積排名的林地斑塊重要性頻次分布圖(標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ)Fig.10 Patch importance frequency based on patch area ranking in woodland ecological networks (Standard Ⅰ)

圖11 基于斑塊面積排名的濕地斑塊重要性頻次分布圖(標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ)Fig.11 Patch importance frequency based on patch area ranking in wetland ecological networks (Standard Ⅱ)

圖12 基于斑塊面積排名的林地斑塊重要性頻次分布圖(標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ)Fig.12 Patch importance frequency based on patch area ranking in woodland ecological networks (Standard Ⅱ)

由于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)Π邏K有了較大幅度的篩選,在對(duì)比面積時(shí),本文采用了該斑塊面積占生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中最大斑塊面積的比值代替。通過(guò)圖11、圖12可以看到,標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ篩選得到的重要斑塊中,面積最大的斑塊僅是該網(wǎng)絡(luò)最大斑塊面積的3.9%(濕地網(wǎng)絡(luò))和30%(林地網(wǎng)絡(luò))。而且重要性頻次排名與面積排名之間并無(wú)明顯的聯(lián)系。

3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ與標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ的比較

圖13 濕地網(wǎng)絡(luò)基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ與標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ得到的重要斑塊比較Fig.13 Comparison of important patches of wetland ecological network base on standard I and standard II

圖14 林地網(wǎng)絡(luò)基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ與標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ得到的重要斑塊比較Fig.14 Comparison of important patches of woodland ecological network base on standard I and standard II

圖13、圖14是將標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ中得到的重要斑塊賦上其在標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ中的重要程度得到的。在濕地網(wǎng)絡(luò)中,標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ的重要程度與標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ得到的重要程度在趨勢(shì)上呈現(xiàn)了較為明顯的正相關(guān),而在林地網(wǎng)絡(luò)中則并不明顯。

3.4 對(duì)青島市林地、濕地兩類生態(tài)用地保護(hù)的啟示

在青島市濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中：①重要的濕地斑塊在濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中形成了一個(gè)完整的主線,即以中部膠州灣濕地為中心,向南、東北、西北3個(gè)方向延伸；②重要的濕地廊道也較為明顯,這些廊道的出現(xiàn)表明濕地斑塊的連接是通過(guò)眾多不可替代廊道形成的,反映了該地區(qū)濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性較弱,一旦部分不可替代廊道消失,將會(huì)對(duì)整個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的連通性產(chǎn)生較大影響；③沿海零散分布的小面積濕地在濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性增強(qiáng)作用突出,應(yīng)在岸線保護(hù)中予以重點(diǎn)關(guān)注。在青島市林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中：①重要的林地斑塊在空間分布上呈現(xiàn)大分散,小集中的形態(tài),形成了北部(大澤山)、東部(嶗山)和南部(藏馬-鐵撅山)3個(gè)林地生態(tài)子網(wǎng)絡(luò),且3個(gè)子網(wǎng)絡(luò)之間的連接缺失；②在子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,由于大小林地分布較為密集,林地斑塊之間連接多樣化,不可替代廊道較少,所出現(xiàn)的為數(shù)不多的不可替代廊道更加應(yīng)該引起足夠的重視。

4 討論與結(jié)論

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)地區(qū)實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)之間相互聯(lián)系客觀存在的生態(tài)空間。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究的目的是通過(guò)采取一定措施增加區(qū)域中破碎、孤立的自然生境之間結(jié)構(gòu)與功能上的聯(lián)系,從而促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量、信息的流動(dòng),進(jìn)而維護(hù)一個(gè)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模中,廊道的選擇是基于代表不同物種擴(kuò)散遷徙能力的不同閾值,在實(shí)際分析中,由于生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)采集較為困難,關(guān)注的物種較多等因素這一閾值通常難以確定。因此通過(guò)一組閾值而構(gòu)建不同等級(jí)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)很好的解決方案。等級(jí)劃分使得閾值概念變成了一個(gè)相對(duì)比值,由此解決閾值單位難以確定的問(wèn)題。除此之外,通過(guò)等級(jí)劃分可以表征不同保護(hù)需求,這對(duì)分層次、有重點(diǎn)的生態(tài)用地規(guī)劃與保護(hù)也具有指導(dǎo)意義。

標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ通過(guò)各級(jí)網(wǎng)絡(luò)中斑塊CL-PIOP的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別重要斑塊。幾乎將面積排名靠前的斑塊全部包括,從這方面來(lái)看,該方法可以替代過(guò)去僅僅以面積作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的方法；此外,標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ的重要程度排名與面積排名并非完全一致,這也說(shuō)明,在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架下,面積并不能作為生態(tài)用地在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)重要程度評(píng)價(jià)的唯一標(biāo)準(zhǔn),一些面積較小的斑塊,往往也發(fā)揮巨大作用。因此,標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ是對(duì)以面積(或斑塊的某一個(gè)或幾個(gè)屬性)為唯一標(biāo)準(zhǔn)的斑塊重要性評(píng)價(jià)方法的完善。此外,CL-PIOP方法能夠快速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)具有不可替代性的廊道。從而,基于此標(biāo)準(zhǔn)能夠得到有重要斑塊及不可替代廊道構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)骨干框架。

標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ通過(guò)某相鄰等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素CL-PIOP值對(duì)比發(fā)現(xiàn)變化異常的斑塊,進(jìn)而確定網(wǎng)絡(luò)等級(jí)提升中起到重要作用的關(guān)鍵斑塊。通過(guò)查找與這些斑塊相連的且CL-PIOP值不為零的廊道,可以進(jìn)一步確定關(guān)鍵廊道。這些關(guān)鍵斑塊也許原本并不突出(比如面積不大),構(gòu)成這種關(guān)鍵連接的廊道也隱藏于與其相差不大的成千上萬(wàn)條廊道中,以往常規(guī)的方法往往無(wú)法識(shí)別出來(lái)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ,更加突出斑塊在整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接中所能發(fā)揮的重要作用,這有利于發(fā)現(xiàn)發(fā)揮重要作用且面積較小的斑塊,而這種類型的斑塊在當(dāng)前研究中正得到重視[24,36- 37]。

3.3節(jié)中發(fā)現(xiàn),與林地網(wǎng)絡(luò)相比,濕地網(wǎng)絡(luò)在基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ的重要性頻次與面積的關(guān)系以及基于標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ和標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ重要性頻次關(guān)系上都表現(xiàn)出較為明顯的相關(guān)性。對(duì)比濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖1)與林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖2),出現(xiàn)上述結(jié)果是由于林地斑塊在密度上要大于濕地斑塊,林地斑塊之間的聯(lián)系更加錯(cuò)綜復(fù)雜,由此削弱了由于面積而帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)地位。因此,對(duì)于生態(tài)用地空間分布密度較小的地區(qū),應(yīng)該更加注重大型斑塊的保護(hù)與恢復(fù)。

本文所使用的方法仍存在諸多不足,需要在未來(lái)的研究中改進(jìn)。比如生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是基于圖形理論生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),目前廣泛采用的是最小成本路徑方法構(gòu)建中,在物種選擇、阻力值賦值以及不同等級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)劃分閾值確定等方面存在很大的主觀性。此外,如果研究地區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素?cái)?shù)量眾多,計(jì)算方法也許要做相應(yīng)的改進(jìn)以提高計(jì)算效率。

致謝：感謝環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心萬(wàn)華偉博士為本研究提供的環(huán)境1號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

[1] Jongman R H G. Homogenisation and fragmentation of the European landscape: ecological consequences and solutions. Landscape and Urban Planning, 2002, 58(2/4): 211- 221.

[2] 中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng).國(guó)家統(tǒng)計(jì)局:2014年中國(guó)城鎮(zhèn)化率達(dá)到54.77%[EB/OL].[2015-09- 10] http://politics.people.com.cn/n/2015/0120/c70731- 26417968.html.

[3] Opdam P, Steingr?ver E, van Rooij S. Ecological networks: A spatial concept for multi-actor planning of sustainable landscapes. Landscape and Urban Planning, 2006, 75(3/4): 322- 332.

[4] Jongman R H G, Külvik M, Kristiansen I. European ecological networks and greenways. Landscape and Urban Planning, 2004, 68(2/3): 305- 319.

[5] Sepp K, Kaasik A. Development of National Ecological Networks in the Baltic Countries in the Framework of the Pan-European Ecological Network. Warsaw: IUCN Office for Central Europe, 2002.

[6] Bennett G, Mulongoy K J. Review of Experience with Ecological Networks, Corridors and Buffer Zones. CBD Technical Series No. 23. Montreal: Secretariat of the Convention on Biological Diversity, 2006: 100- 100.

[7] Jongman R H G, Bouwma I M, Griffioen A, Jones-Walters L, Van Doorn A M. The pan European ecological network: PEEN. Landscape Ecology, 2011, 26(3): 311- 326.

[8] 劉濱誼, 王鵬. 綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的發(fā)展歷程與中國(guó)研究前沿. 中國(guó)園林, 2010, 26(3): 1- 5.

[9] 尹海偉, 孔繁花, 祈毅, 王紅揚(yáng), 周艷妮, 秦正茂. 湖南省城市群生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(10): 2863- 2874.

[10] 陳劍陽(yáng), 尹海偉, 孔繁花, 幺貴鵬. 環(huán)太湖復(fù)合型生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(9): 3113- 3123.

[11] 傅強(qiáng), 宋軍, 毛鋒, 吳永興, 姚涵, 唐劍波. 青島市濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)與構(gòu)建. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(12): 3670- 3680.

[12] Minor E S, Urban D L. A graph-theory framework for evaluating landscape connectivity and conservation planning. Conservation Biology, 2008, 22(2): 297- 307.

[13] Pascual-Hortal L, Saura S. Comparison and development of new graph-based landscape connectivity indices: towards the prioritization of habitat patches and corridors for conservation. Landscape Ecology, 2006, 21(7): 959- 967.

[14] Keitt T H, Urban D L, Milne B T. Detecting critical scales in fragmented landscapes. Conservation Ecology, 1997, 1(1): 4- 4, http://www.consecol.org/vol1/iss1/art4/.

[15] Urban D, Keitt T. Landscape connectivity: a graph-theoretic perspective. Ecology, 2001, 82(5): 1205- 1218.

[16] Bunn A G, Urban D L, Keitt T H. Landscape connectivity: A conservation application of graph theory. Journal of Environmental Management, 2000, 59(4): 265- 278.

[17] Urban D L, Minor E S, Treml E A, Schick R S. Graph models of habitat mosaics. Ecology Letters, 2009, 12(3): 260- 273.

[18] Pascual-Hortal L, Saura S. Impact of spatial scale on the identification of critical habitat patches for the maintenance of landscape connectivity. Landscape and Urban Planning, 2007, 83(2/3): 176- 186.

[19] Saura S, Torné J. Conefor Sensinode 2.2: A software package for quantifying the importance of habitat patches for landscape connectivity. Environmental Modelling & Software, 2009, 24(1): 135- 139.

[20] Foltête J C, Clauzel C, Vuidel G. A software tool dedicated to the modelling of landscape networks. Environmental Modelling & Software, 2012, 38: 316- 327.

[21] Minor E S, Urban D L. Graph theory as a proxy for spatially explicit population models in conservation planning. Ecological Applications, 2007, 17(6): 1771- 1782.

[22] Clauzel C, Bannwarth C, Foltete J C. Integrating regional-scale connectivity in habitat restoration: An application for amphibian conservation in eastern France. Journal for Nature Conservation, 2015, 23: 98- 107.

[23] 許峰, 尹海偉, 孔繁花, 徐建剛. 基于MSPA與最小路徑方法的巴中西部新城生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(19): 6425- 6434.

[24] 陳春娣, Colin M D, Maria I E, Glenn S H, 吳勝軍. 城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能性連接辨識(shí)方法. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(19): 6414- 6424.

[25] Crouzeilles R, Lorini M L, Grelle C E V. The importance of using sustainable use protected areas for functional connectivity. Biological Conservation, 2013, 159: 450- 457.

[26] Phillips S J, Williams P, Midgley G, Archer A. Optimizing dispersal corridors for the Cape Proteaceae using network flow. Ecological Applications, 2008, 18(5): 1200- 1211.

[27] Rouget M, Cowling R M, Lombard A T, Knight A T, Kerley G I H. Designing large-scale conservation corridors for pattern and process. Conservation Biology, 2006, 20(2): 549- 561.

[28] Sawyer S C, Epps C W, Brashares J S. Placing linkages among fragmented habitats: do least-cost models reflect how animals use landscapes?. Journal of Applied Ecology, 2011, 48(3): 668- 678.

[29] 傅強(qiáng).基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的非建設(shè)用地評(píng)價(jià)方法研究[D].北京,2013

[30] Adriaensen F, Chardon J P, De Blust G, Swinnen E, Villalba S, Gulinck H, Matthysen E. The application of ‘least-cost′ modelling as a functional landscape model. Landscape and Urban Planning, 2003, 64(4): 233- 247.

[31] Pinto N, Keitt T H. Beyond the least-cost path: evaluating corridor redundancy using a graph-theoretic approach. Landscape Ecology, 2009, 24(2): 253- 266.

[32] Rae C, Rothley K, Dragicevic S. Implications of error and uncertainty for an environmental planning scenario: A sensitivity analysis of GIS-based variables in a reserve design exercise. Landscape and Urban Planning, 2007, 79(3/4): 210- 217.

[33] Watts K, Eycott A E, Handley P, Ray D, Humphrey J W, Quine C P. Targeting and evaluating biodiversity conservation action within fragmented landscapes: an approach based on generic focal species and least-cost networks. Landscape Ecology, 2010, 25(9): 1305- 1318.

[34] Opdam P, Pouwels R, Van Rooij S, Steingr?ver E, Vos C C. Setting biodiversity targets in participatory regional planning: introducing ecoprofiles. Ecology and Society, 2008, 13(1): 20- 20. http://www.ecologyandsociety.org/vol13/iss1/art20/.

[35] Foltête J C, Girardet X, Clauzel C. A methodological framework for the use of landscape graphs in land-use planning. Landscape and Urban Planning, 2014, 124: 140- 150.

[36] Tischendorf L, Fahrig L. On the use of connectivity measures in spatial ecology. A reply. Oikos, 2001, 95(1): 152- 155.

[37] Schadt S, Knauer F, Kaczensky P, Revilla E, Wiegand T, Trepl L. Rule-based assessment of suitable habitat and patch connectivity for the Eurasian lynx. Ecological Applications, 2002, 12(5): 1469- 1483.

Evaluation of the structural elements of Qingdao ecological network based on the CL-PIOP method

FU Qiang1,*, GU Chaolin2

1SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China2SchoolofArchitecture,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

The analysis of ecological networks in landscape ecology has been accepted increasingly by a growing number of institutions and scholars worldwide. The network connections of structural landscape elements, such as patches and corridors, enhance the effective flow of matter, energy, and information. Furthermore, the network structure can guarantee stability of the ecological network when certain ecological patches or corridors disappear. The ecological network therefore has some flexibility in the layout and adjustment of its spatial structure. This makes it possible to provide compromises for the spatial contradiction between protection of ecosystems and the socio-economic development that accompanies the current rapid urbanization in China. Quantitative evaluations of the structure elements of ecological networks play a key role in the protection, restoration, and adjustment of the regional environment. The related evaluation indexes from graph theory provide methods for such a quantitative evaluation. We intended to identify the patches and corridors that have a large influence on the connectivity of an ecological network, based on data evaluated by indexes from graph theory. Taking Qingdao City as an example, our study constructed wetland and woodland ecological networks, and classified these ecological networks by a certain threshold. This created a series of ecological networks of these two ecosystems with different connection strengths. We proposed two standards (Standard I and Standard II) to analyze the data produced by the evaluation index CL-PIOP (Correlation Length- Percentage of Importance of Omitted Patches). Our results show that: Standard I can determine the importance of patches and corridors in ecological networks of a certain connection strength. Standard I can also subdivide the important patches and corridors by the statistics of the importance of each connection strength. The most important patches based on standard I overlapped with almost all the larger patches when they were ranked by size. This shows that patch area or other properties cannot be used as the sole criterion for evaluating the maintenance of regional ecosystems. It also indicates some patches with a smaller area should receive more attention, because they may play a fundamental role in the overall connectivity of the ecological network. In addition, standard II can identify the critical patches and corridors that can connect two sub-networks of a certain connection strength by analyzing the patches and corridors with abnormal large CL-PIOP values at a set connection strength. Furthermore, the critical patches recognized by standard II are not prominent in their own properties (e.g., their areas are not large), and the corridors may not stand out from the numerous corridors that differ little, so are therefor hard to identify with other conventional methods. Overall, our study explored the application of evaluation indexes from graph theory to evaluate an ecosystem within the framework of ecological networks. Furthermore, our study proposed two standards to determine the important patches and corridors rapidly, which can provide a quantitative database for regional ecological land evaluation, planning, protection, and restoration.

woodland ecological network; wetland ecological network; correlation length; PIOP; Qingdao City

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408344)；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAL04B01)；山東科技大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目

2015- 10- 09;

日期:2016- 07- 13

10.5846/stxb201510092037

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fuqiangfio@163.com

傅強(qiáng),顧朝林.基于CL-PIOP方法的青島市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(5):1729- 1739.

Fu Q, Gu C L.Evaluation of the structural elements of Qingdao ecological network based on the CL-PIOP method.Acta Ecologica Sinica,2017,37(5):1729- 1739.