基于最小累積阻力模型的內(nèi)蒙古勝利煤田景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建

黃 鑫，曹學(xué)章，張 明，鄒 嫻

(1.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；3.南京信息工程大學(xué)遙感與測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

景觀格局是指各種生態(tài)過程在不同尺度作用下的景觀異質(zhì)性在空間上的綜合表現(xiàn)。FORMAN[1]最早系統(tǒng)總結(jié)并提出景觀格局的優(yōu)化方案。俞孔堅(jiān)[2]在此基礎(chǔ)上首次提出了景觀生態(tài)安全格局理論，認(rèn)為景觀生態(tài)安全格局是景觀中存在的某種潛在的空間格局，由景觀中的某些關(guān)鍵的局部、點(diǎn)和空間關(guān)系所構(gòu)成，一個(gè)典型的安全格局包含源、緩沖區(qū)、源間聯(lián)接、輻射道和戰(zhàn)略點(diǎn)；景觀生態(tài)安全格局識(shí)別的步驟包括確定源、建立阻力面、根據(jù)阻力面判別安全格局。隨后景觀生態(tài)安全格局研究逐漸成為熱點(diǎn)方向，學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)土地[3]、森林[4]、古村落[5]和流域[6]等景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建及應(yīng)用方面做了積極探索。

內(nèi)蒙古自治區(qū)分布有廣闊的草原，是我國(guó)北方重要的自然生態(tài)屏障。內(nèi)蒙古礦產(chǎn)資源豐富，煤炭資源尤其豐富。近年來，內(nèi)蒙古采礦業(yè)迅速發(fā)展，在給區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶來發(fā)展的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。大型露天煤礦由于開發(fā)面積大，造成的生態(tài)環(huán)境問題尤其突出，除植被破壞、水土流失、土地沙化、水資源破壞和次生地質(zhì)災(zāi)害等問題外，還極大地改變區(qū)域性景觀格局，導(dǎo)致生境斑塊破碎化，影響生物個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)組織水平的生態(tài)過程[7]。因此，景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建是大型露天煤礦開發(fā)過程中生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要方面，也是目前比較薄弱的方面。筆者以位于典型草原區(qū)的大型露天煤礦——內(nèi)蒙古勝利煤田為例，采用最小累積阻力模型構(gòu)建區(qū)域景觀生態(tài)安全格局，以期為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)，并為同類礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

勝利煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市西北部勝利蘇木和伊利勒特蘇木境內(nèi)，地理坐標(biāo)位于43°54′15″～44°13′52″ N，115°24′26″～116°26′30″ E。以通過數(shù)字高程模型(DEM)得到的流域邊界作為研究區(qū)，研究區(qū)總面積為1 021 km2。研究區(qū)內(nèi)有5個(gè)露天礦區(qū)，分別是烏蘭圖嘎露天鍺礦、中國(guó)國(guó)電西二號(hào)露天礦、內(nèi)蒙古能源西三號(hào)露天礦、神華一號(hào)露天礦和大唐東二號(hào)露天礦。研究區(qū)地形為緩波狀起伏的山前平原；氣候?qū)侔敫珊挡菰瓪夂騾^(qū)，平均氣溫為1.7 ℃，極端最高氣溫為38.3 ℃，極端最低氣溫為-42.4 ℃，年均降水量為294.7 mm，最大年降水量為481.0 mm，最小年降水量為146.7 mm，年均蒸發(fā)量為1 794.6 mm；春季多風(fēng)，風(fēng)速為2.1～8.4 m·s-1，年均風(fēng)速為3.5 m·s-1。土壤類型主要有栗鈣土、草甸栗鈣土和草甸土等，由于草場(chǎng)退化，已形成沙化、礫石化栗鈣土，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，土壤肥力差。研究區(qū)草原植被發(fā)育，地帶性植被類型屬于典型草原類型，草地分區(qū)為內(nèi)蒙古中東部溫帶半濕潤(rùn)半干旱草原區(qū)，植物組成有克氏針茅(Stipakrylovii)、大針茅(Stipagrandis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、洽草(Koeleriaglauca)、冰草(Agropyroncristatum)和錦雞兒(Caraganasinica)等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用高分一號(hào)多光譜相機(jī)PMS數(shù)據(jù)，成像時(shí)間為2016年5月29日，空間分辨率為8 m，共4個(gè)光譜波段，中心波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外波段。研究區(qū)GF-1 PMS影像共4景，預(yù)處理過程為采用2016年高分一號(hào)衛(wèi)星定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，采用ENVI 5.3軟件的FLAASH大氣校正模塊，輸入相應(yīng)的波譜響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)行大氣校正，并采用原數(shù)據(jù)中自帶的RPC文件進(jìn)行正射校正，得到4景影像的地表反射率數(shù)據(jù)，最后利用ENVI 5.3軟件的Seamless Mosaic工具進(jìn)行拼接，并利用研究區(qū)DEM得到的流域邊界對(duì)其進(jìn)行裁剪。高分一號(hào)衛(wèi)星定標(biāo)系數(shù)和波譜響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)均來自中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)(http:∥www.cresda.com/CN/Downloads/dbcs/index.shtml)。DEM數(shù)據(jù)為30 m分辨率的柵格，來自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心(地理空間數(shù)據(jù)云)GDEM數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

1.3.1研究框架

通過識(shí)別景觀關(guān)鍵組分，構(gòu)建勝利煤田景觀生態(tài)安全格局。根據(jù)前人對(duì)景觀生態(tài)安全格局的研究[2]，確定景觀生態(tài)安全格局組分包括生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)。生態(tài)源地是具有較高生態(tài)功能的景觀類型，它是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量和服務(wù)功能的源頭或匯集處。生態(tài)廊道是源地間斑塊的鏈接，在研究區(qū)主要有以下功能：傳輸通道功能(植物傳播體，動(dòng)物或其他物質(zhì)在廊道中運(yùn)動(dòng)、遷移)；過濾和阻抑作用(攔阻沙塵，減緩水土流失等)；生境功能(為生物提供生存繁殖的場(chǎng)所)。生態(tài)節(jié)點(diǎn)是景觀中能夠?qū)坝^生態(tài)流的運(yùn)行起到疏通作用的點(diǎn)，可以作為物種遷徙的踏腳石引導(dǎo)物種遷移，也可以維持局部地區(qū)的生態(tài)平衡。

在景觀類型劃分基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果選取生態(tài)源地，基于最小累積阻力模型識(shí)別生態(tài)廊道，并在生態(tài)廊道上確定生態(tài)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建成“點(diǎn)—線—面”交織的空間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從而使景觀斑塊、類型和整體景觀之間達(dá)到和諧穩(wěn)定。

1.3.2景觀類型劃分

根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)，結(jié)合面積大小和精度要求，將研究區(qū)景觀類型劃分為2大類13小類(表1)。利用高分辨率遙感影像，借助ENVI 5.3和ARCGIS 10.1軟件對(duì)研究區(qū)景觀類型進(jìn)行目視解譯，生成矢量圖(圖1)。對(duì)解譯結(jié)果隨機(jī)抽樣，進(jìn)行實(shí)地精度驗(yàn)證，正確率為89%，滿足本研究需要。將矢量文件進(jìn)行柵格化以進(jìn)行進(jìn)一步研究。

表1勝利煤田景觀分類系統(tǒng)

Table1LandscapeclassificationsystemofShengliCoalfield

景觀類型大類小類景觀特征自然半自然景觀草地以生長(zhǎng)草本植物為主、覆蓋度大于5%的各類草地(不包括沼澤草地),地勢(shì)和緩起伏,主要用于放牧人工林人工種植的喬、灌木林,包括排土場(chǎng)等采礦破壞地種植的人工林農(nóng)田種植農(nóng)作物的土地濕地包括河流水面、湖泊水面和沼澤草地鹽堿地地表鹽堿聚集、植被稀少、只能生長(zhǎng)耐鹽堿植物的土地裸土地地表土質(zhì)覆蓋、植被覆蓋度小于5%的土地沙地地表為沙覆蓋、植被覆蓋度小于5%的土地,包括沙漠,不包括水系中的沙灘人工景觀露天采場(chǎng)開采所形成的采坑、臺(tái)階和露天溝道,無植被覆蓋,采場(chǎng)內(nèi)有包括穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)。機(jī)械生產(chǎn)和車輛運(yùn)輸過程中,易產(chǎn)生地面揚(yáng)塵工業(yè)場(chǎng)地工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造、機(jī)械和設(shè)備維修以及直接為工業(yè)生產(chǎn)等服務(wù)的附屬設(shè)施用地,還包括物資儲(chǔ)備、中轉(zhuǎn)的場(chǎng)所用地,有建筑物、生產(chǎn)設(shè)施、道路、綠地等在用排土場(chǎng)人為形成的臺(tái)階式塔狀巨大巖土松散堆積體,是剝離巖土堆積而成的特殊人工地貌,臺(tái)階邊坡坡度為35°左右,形成大面積高陡邊坡,土壤結(jié)構(gòu)松散、貧瘠,無植被覆蓋,水土流失嚴(yán)重,邊坡易發(fā)生崩塌、滑坡農(nóng)村居民地鎮(zhèn)以下的居民點(diǎn)用地以及農(nóng)村道路用地城市建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商服用地及城鎮(zhèn)道路用地交通用地機(jī)場(chǎng)、鐵路、公路(不包括城鎮(zhèn)、村道路用地)

圖1 勝利煤田景觀類型

1.3.3最小累積阻力模型

最小累積阻力(MCR)模型是計(jì)算物種在從源到目的地運(yùn)動(dòng)過程中所需要耗費(fèi)代價(jià)的模型，最早由Knaapen于1992年提出，用于研究物種擴(kuò)散過程[8]，之后被應(yīng)用到多種自然生態(tài)或人文過程的研究，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到模擬城市土地演變、土地利用規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域[9]。MCR模型在眾多應(yīng)用中，充分展示了其在分析水平空間擴(kuò)張方面的良好適應(yīng)性和可擴(kuò)張性，計(jì)算公式[6]為

(1)

式(1)中，RMC為最小累積阻力值；f為一個(gè)未知的正函數(shù)，反映空間中任一點(diǎn)的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系；Dij為物種從源j到空間某一點(diǎn)所穿越的某景觀基面i的空間距離；Ri為景觀i對(duì)某物種運(yùn)動(dòng)的阻力。盡管函數(shù)f通常是未知的，但(Dij×Ri)的累積值可用于衡量物種從源到空間某一點(diǎn)的某一路徑的相對(duì)易達(dá)性。其中，從所有源到該點(diǎn)阻力的最小值用于衡量該點(diǎn)的易達(dá)性。

最小累積阻力值反映了物種運(yùn)動(dòng)的潛在可能性及趨勢(shì)，通過單元最小累積阻力的大小可以判斷該單元與源地單元的“連通性”和“相似性”，通常源地對(duì)于生態(tài)過程是最適宜的。

1.3.4源地的確定

根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的“源-匯”理論，源景觀具有空間擴(kuò)展性、連續(xù)性，應(yīng)依據(jù)格局優(yōu)化所針對(duì)的生態(tài)過程決定生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮的作用不同而確定。源地一般生境質(zhì)量較高，對(duì)于研究的生態(tài)過程起到正向推動(dòng)作用[6]。源地的選取通過景觀斑塊質(zhì)量的評(píng)價(jià)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)勝利礦區(qū)景觀斑塊質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)后，選取評(píng)價(jià)質(zhì)量最高的斑塊作為生態(tài)源地。

(1)斑塊評(píng)價(jià)指標(biāo)選取和權(quán)重確定

基于對(duì)景觀過程完整性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持，選取6項(xiàng)指標(biāo)(表2[10-11])。

表2勝利煤田景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)與指標(biāo)權(quán)重[10-11]

Table2EvaluationindexoflandscapepatchqualityandindexweightinShengliCoalfield

目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)層權(quán)重指標(biāo)生態(tài)學(xué)意義景觀斑塊質(zhì)量斑塊規(guī)模大小斑塊面積(C1)0.125 4影響生物活動(dòng)的擴(kuò)散和生物多樣性的保護(hù)。斑塊面積越大,越有利于保護(hù)生態(tài)的多樣性,屬于正向指標(biāo)斑塊形狀分維數(shù)(C2)0.074 8反映斑塊形狀的復(fù)雜程度和人類活動(dòng)對(duì)斑塊的干擾程度。斑塊形狀越復(fù)雜,越有利于物種的保護(hù),屬于正向指標(biāo)斑塊邊界破碎度斑塊形狀指數(shù)(C3)0.074 8反映斑塊的破碎化程度。斑塊破碎化程度越高,越不利于生態(tài)功能的維持,屬于負(fù)向指標(biāo)植被覆蓋歸一化植被指數(shù)(C4)0.385 0反映斑塊的植被覆蓋情況。已有研究結(jié)果表明,一般NDVI值越高,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越高[10],屬于正向指標(biāo)斑塊重要性斑塊重要值(C5)0.125 4重要斑塊指對(duì)景觀連通度的維持和改善具有顯著作用和貢獻(xiàn)的斑塊,其對(duì)保障生態(tài)流運(yùn)行、提高生態(tài)安全水平具有重要意義[11]。斑塊重要值越高,其在整體景觀中的連通度也越高,屬于正向指標(biāo)人工控制程度人工控制程度(C6)0.214 7生態(tài)系統(tǒng)受人工控制程度越高,即斑塊自然性越低,斑塊質(zhì)量就越低,屬于負(fù)向指標(biāo)

采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重。對(duì)勝利煤田景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性構(gòu)建判斷矩陣(表3)，指標(biāo)的相對(duì)重要性采用1～9標(biāo)度法，逐項(xiàng)就任意兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較得出。將Ci對(duì)Cj的標(biāo)度值記為Cij，當(dāng)Cij為1時(shí)，說明Ci與Cj的影響同等重要；Cij值越大，表明Ci比Cj的影響越重要；Cj對(duì)Ci的標(biāo)度值Cji為Cij的倒數(shù)。根據(jù)相對(duì)重要性計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。采用和積法計(jì)算出隨機(jī)一致性比率RC=0.058<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。各指標(biāo)權(quán)重見表2。

表3勝利煤田景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性判斷矩陣

Table3RelativeimportancejudgmentmatrixofevaluationindexoflandscapepatchqualityinShengliCoalfield

指標(biāo)C1C2C3C4C5C6C1221/311/2C21/211/41/21/2C31/211/41/21/3C434443C51221/31/2C62331/22

C1為斑塊面積，C2為分維數(shù)，C3為斑塊形狀指數(shù)，C4為歸一化植被指數(shù)，C5為斑塊重要值，C6為人工控制程度。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

斑塊面積、分維數(shù)和斑塊形狀指數(shù)采用Fragstats 4.2軟件計(jì)算得到，并采用Excel 2013軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

歸一化植被指數(shù)(NDVI，INDV)是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)，定義為近紅外通道與可見光通道反射率之差與之和的商，計(jì)算公式為

INDV=(RNI-R)/(RNI+R)。

(2)

式(2)中，RNI為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。

NDVI采用ENVI 5.3軟件計(jì)算得到。植被覆蓋的確定還應(yīng)結(jié)合斑塊的生態(tài)恢復(fù)潛力，有些生態(tài)斑塊雖然目前的植被覆蓋度較低，但是該斑塊具有很好的發(fā)展?jié)摿腿斯す芾泶胧?，所以在選取源地的時(shí)候應(yīng)該考慮斑塊的潛在價(jià)值。根據(jù)前人對(duì)露天煤礦生態(tài)修復(fù)的調(diào)查結(jié)果[12-13]，考察露天煤礦周圍不同景觀類型的恢復(fù)狀況，確定不同斑塊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

斑塊重要值(dPC，CdP)通過可能連通性指數(shù)(PC，CP)來衡量，斑塊重要值指在此點(diǎn)處斷裂(或移除)后整個(gè)區(qū)域景觀連通性的變化量，計(jì)算公式為

(3)

(4)

斑塊重要值采用ArcGIS 10.1軟件、Conefor Inputs for ArcGIS10插件和Conefor Sensinode 2.2軟件計(jì)算得到。

人工控制程度指標(biāo)為定性指標(biāo)，通過分析不同景觀類型的人為活動(dòng)和人工管理，定性判定生態(tài)系統(tǒng)受人工控制程度(輕、中、強(qiáng)、極強(qiáng))。

(3)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

定量指標(biāo)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)Xi為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的值，Xmax為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的最大值，Xmin為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的最小值，Pi為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的得分。對(duì)正向指標(biāo)，Pi=100·(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，Pi=100·(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)。其中，NDVI指標(biāo)值在[0,1]區(qū)間時(shí)為正向指標(biāo)，在[-1,0)區(qū)間時(shí)取滿分。

定性指標(biāo)采用分級(jí)賦分法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(表4)。

表4勝利煤田景觀斑塊人工控制程度分級(jí)賦分

Table4ClassificationandquantificationofartificialcontrolfactoroflandscapepatchinShengliCoalfield

景觀類型人工控制程度等級(jí)分值濕地、人工林、鹽堿地、裸土地、沙地輕100草地中70農(nóng)田強(qiáng)40農(nóng)村居民地、在用排土場(chǎng)、交通用地、工業(yè)場(chǎng)地、城市建設(shè)用地、露天采場(chǎng)極強(qiáng)10

(4)斑塊綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建與源地識(shí)別。在權(quán)重確定和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，按照加權(quán)模型進(jìn)行計(jì)算，得分越高，表明斑塊質(zhì)量越好，計(jì)算公式為

(5)

式(5)中，Zi為第i個(gè)評(píng)價(jià)斑塊的質(zhì)量總分值；wij為第i個(gè)評(píng)價(jià)斑塊第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；yij為第i個(gè)評(píng)價(jià)斑塊第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；m為指標(biāo)數(shù)。

采用[0,100]區(qū)間的連續(xù)數(shù)來確定制表分級(jí)量化值。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判別標(biāo)準(zhǔn)和研究區(qū)實(shí)際情況，將斑塊質(zhì)量分為5個(gè)等級(jí)并賦以相應(yīng)分值，選擇綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zi≥80的斑塊作為生態(tài)源地。具體分級(jí)情況見表5。

1.3.5生態(tài)廊道的確定

生態(tài)廊道是源地間斑塊的鏈接，是物種、信息和能量流通的主要通道，可以增強(qiáng)景觀組分間的聯(lián)系和防護(hù)功能等。構(gòu)建生態(tài)廊道需要一個(gè)阻力面，而阻力值的確定是廊道提取的關(guān)鍵。

表5評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table5Thegradingcriteriaoftheassessingindexes

斑塊質(zhì)量等級(jí)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zi含義Ⅰ[80,100]斑塊質(zhì)量很好Ⅱ[60,80)斑塊質(zhì)量較好Ⅲ[40,60)斑塊質(zhì)量一般Ⅳ[20,40)斑塊質(zhì)量較差Ⅴ[0,20)斑塊質(zhì)量很差

(1)阻力面的建立

受景觀格局的影響，景觀生態(tài)流在空間中運(yùn)行時(shí)需要克服空間給其帶來的阻力，因此可以通過模擬景觀生態(tài)流運(yùn)行并以此來探尋景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建方法。

模擬景觀生態(tài)流運(yùn)行的第一步是確定景觀生態(tài)流運(yùn)行的阻力面。阻力面反映的是景觀生態(tài)流在空間運(yùn)行時(shí)受到的阻力強(qiáng)度空間分布。物種水平空間運(yùn)動(dòng)的生態(tài)過程以及生態(tài)功能的流動(dòng)與傳遞，主要受土地覆被狀態(tài)和人為干擾程度的影響[14]。筆者在構(gòu)建生態(tài)阻力面時(shí)將阻力因子分為景觀自身因子和鄰近景觀干擾因子兩類(表6)。景觀自身因子包括NDVI(反映植被覆蓋狀況)、坡度和土地利用強(qiáng)度，其中NDVI和坡度為自然阻力因子，若NDVI值高，坡度小，阻力值則?。煌恋乩脧?qiáng)度為人為活動(dòng)阻力因子，不同景觀類型的人為活動(dòng)強(qiáng)度不同，據(jù)此進(jìn)行阻力等級(jí)劃分，人為活動(dòng)干擾大的景觀，其阻力值大。鄰近景觀干擾因子選擇對(duì)鄰近景觀影響較大的露天采場(chǎng)、在用排土場(chǎng)和道路，它們對(duì)鄰近景觀的影響主要是機(jī)械和車輛噪聲引起的，按照距離進(jìn)行阻力等級(jí)劃分，其中最遠(yuǎn)影響距離(即超過該距離的區(qū)域，該因子的阻力值為0)參照文獻(xiàn)[15]。各阻力因子權(quán)重參照文獻(xiàn)[16-18]。

將阻力值設(shè)定為1～200，1為最小阻力值，即景觀生態(tài)流能夠順暢通過，200為最大阻力值，即景觀生態(tài)流最不容易通過。需要指出的是，阻力值只反映相對(duì)阻力的概念，不是絕對(duì)的，但由于阻力面計(jì)算的目的是要反映相對(duì)的趨勢(shì)，因此，相對(duì)意義上的阻力值仍然具有意義[19]。

采用ArcGIS 10.2軟件計(jì)算每類阻力因子的阻力值并生成30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，然后將各類阻力因子進(jìn)行疊加，得到勝利煤田景觀阻力柵格圖，即阻力面。

(2)廊道的提取

根據(jù)阻力面和識(shí)別出的生態(tài)源地，采用ArcGIS10.2中cost distance模塊得到勝利礦區(qū)最小累積耗費(fèi)距離表面。最后利用cost path模塊，結(jié)合生態(tài)源地與最小累積耗費(fèi)距離表面生成生態(tài)廊道。

表6勝利煤田景觀阻力因子及其權(quán)重和相對(duì)阻力值

Table6LandscaperesistancefactorsandtheirweightsandrelativeresistancevaluesinShengliCoalfield

阻力因子權(quán)重阻力等級(jí)阻力值景觀自身因子 歸一化植被指數(shù)0.3[0.8,1]∪[-1,0)1[0.6,0.8)45[0.4,0.6)95[0.2,0.4)145[0,0.2)200 坡度0.15[0,5)25[5,15)60[15,30)100[30,45)150[45,90]200 土地利用強(qiáng)度0.25濕地、人工林、鹽堿地、裸土地、沙地50草地100農(nóng)田150農(nóng)村居民地、在用排土場(chǎng)、交通用地、工業(yè)場(chǎng)地、城市建設(shè)用地、露天采場(chǎng)200鄰近景觀干擾因子 距道路距離0.1[0,200)200[200,400)150[400,600)100[600,800)50[800,∞)0 距露天采場(chǎng)距離0.1[0,100)200[100,150)150[150,200)100[200,250)50[250,∞)0 距在用排土場(chǎng)距離0.1[0,100)200[100,150)150[150,200)100[200,250)50[250,∞)0

1.3.6生態(tài)節(jié)點(diǎn)的確定

生態(tài)節(jié)點(diǎn)一般處于連接生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道上，分布在生態(tài)功能最薄弱的地方。生態(tài)節(jié)點(diǎn)的建立可以對(duì)景觀流的運(yùn)行起到促進(jìn)作用。采用ArcGIS 10.2軟件中水文分析模型得到最小累積耗費(fèi)距離表面的“山脊線”，即最大累積阻力，“山脊線”與生態(tài)廊道的交點(diǎn)即生態(tài)節(jié)點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)源地的構(gòu)建

景觀斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zi≥80的斑塊共10個(gè)，以這10個(gè)斑塊作為生態(tài)源地(圖2)，生態(tài)源地面積為49.64 km2，占研究區(qū)總面積的4.86%。

從空間分布上看，除了2和3號(hào)生態(tài)源地處于人口密度較低的草原外，其他生態(tài)源地都處在人口密度較高的城鎮(zhèn)和露天礦區(qū)附近。從景觀類型上來看，生態(tài)源地包括人工林和濕地2種類型。與研究區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)——草原相比，人工林具有更高的生物量，而濕地水分條件好，生物量高，生物多樣性豐富，因而人工林和濕地具有較強(qiáng)的生態(tài)功能。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)雖然生物量較高，但完全受人工調(diào)控，不適合作為生態(tài)源地。

這些生態(tài)源地為區(qū)域人口和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)提供重要的生命支持，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，對(duì)控制和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)功能穩(wěn)定、維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要作用。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)源地的保護(hù)，防止其被建設(shè)侵占，防止植被破壞。對(duì)生態(tài)源地與正在使用的排土場(chǎng)相連的情況，加強(qiáng)采(礦)排(土)復(fù)(墾)一體化，盡快形成可復(fù)墾臺(tái)階，及時(shí)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，擴(kuò)大生態(tài)源地面積。對(duì)生態(tài)源地中植被覆蓋較低的區(qū)域，通過補(bǔ)種、灌溉、施肥等措施，促進(jìn)植被生長(zhǎng)，改善植被覆蓋狀況。

圖2 勝利煤田景觀生態(tài)安全格局

2.2 生態(tài)廊道的構(gòu)建

勝利煤田阻力面見圖3。人工景觀是阻力值較大的區(qū)域。農(nóng)田雖然有長(zhǎng)勢(shì)較好的植被，但是受人工控制的影響，其阻力值也相對(duì)較大。自然半自然景觀具有較小的阻力值，但是在道路、露天采場(chǎng)、在用排土場(chǎng)的影響作用范圍內(nèi)其阻力值也相對(duì)較高。

利用阻力面和生態(tài)源地得出的勝利煤田最小累積耗費(fèi)距離表面見圖4。耗費(fèi)距離的大小由阻力值與距離共同決定，生態(tài)源地是累積耗費(fèi)距離最小的地區(qū)。

圖3 勝利煤田阻力面

圖4 勝利煤田最小累積耗費(fèi)距離表面

城鎮(zhèn)、露天礦區(qū)等區(qū)域累積耗費(fèi)距離并不是最高的，這是因?yàn)樗鼈兙嚯x生態(tài)源地較近，而距生態(tài)源地較遠(yuǎn)的草地、林地等自然半自然景觀則具有較高的累積耗費(fèi)距離。結(jié)合最小累積耗費(fèi)距離表面和生態(tài)源地，共選取24條生態(tài)廊道(圖2)，總長(zhǎng)度為159.2 km，其中最短的為1.19 km，最長(zhǎng)的為17.95 km。從空間分布上來看，穿越城鎮(zhèn)與礦區(qū)的生態(tài)廊道比較密集，但是長(zhǎng)度相對(duì)較短，這是因?yàn)槌擎?zhèn)與礦區(qū)間的生態(tài)源地分布較多，且距離較近。穿越草原的生態(tài)廊道比較稀疏，但長(zhǎng)度較長(zhǎng)，這類生態(tài)廊道可以將草原上孤立破碎的生境斑塊連接到生態(tài)源地上，增強(qiáng)連通性，有利于物種的遷徙，對(duì)生物多樣性的維持具有重要作用。

各生態(tài)廊道穿越的景觀類型既有自然景觀，也有人工景觀。廊道穿越人工林、濕地和草地等自然景觀時(shí)，建議采取控制放牧強(qiáng)度、人工促進(jìn)植被生長(zhǎng)(補(bǔ)種、施肥等)、防止建設(shè)侵占等保護(hù)與建設(shè)措施。廊道穿越城市建設(shè)用地、工業(yè)場(chǎng)地、露天采場(chǎng)和道路等人工景觀時(shí)，建議加強(qiáng)人工綠地建設(shè)和管護(hù)措施。廊道穿越農(nóng)田時(shí)，建議保留生態(tài)廊道處的自然組分或人工建設(shè)近自然組分。

2.3 生態(tài)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建

生態(tài)節(jié)點(diǎn)共選取29個(gè)(圖2)。生態(tài)節(jié)點(diǎn)可以使生態(tài)廊道更加穩(wěn)定，增強(qiáng)與生態(tài)源地間的連通性，進(jìn)而使整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性與穩(wěn)定性得到提高。對(duì)于城市建設(shè)用地、工業(yè)場(chǎng)地等人工景觀內(nèi)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，建議減少人為干擾，加強(qiáng)綠地建設(shè)。對(duì)于濕地、林地、草地等自然景觀內(nèi)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，建議加強(qiáng)植被保護(hù)，并采取人工措施改善植被狀況。對(duì)于農(nóng)田內(nèi)的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，建議保留自然組分或人工建設(shè)近自然組分。

3 結(jié)論

采用景觀生態(tài)安全格局的理論和方法，通過對(duì)景觀斑塊的評(píng)價(jià)識(shí)別生態(tài)源地，基于最小累積阻力模型識(shí)別生態(tài)廊道，利用水文分析模型提取生態(tài)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了由生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的勝利煤田景觀生態(tài)安全格局。生態(tài)源地共10塊，由濕地和人工林組成，占研究區(qū)總面積的4.86%。生態(tài)廊道共24條，總長(zhǎng)度為159.2 km，它們將各生態(tài)源地連接起來，增強(qiáng)景觀網(wǎng)路連通性和防護(hù)功能。生態(tài)節(jié)點(diǎn)共29個(gè)，它們使生態(tài)廊道更加穩(wěn)定，增強(qiáng)與生態(tài)源地間連通性。對(duì)生態(tài)源地，建議加強(qiáng)保護(hù)，防止破壞，并采取人工促進(jìn)措施改善植被，同時(shí)在可能的情況下擴(kuò)大源地面積。對(duì)生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)，依其所穿越(處于)的景觀類型，建議采取保護(hù)自然景觀、人工促進(jìn)植被生長(zhǎng)、加強(qiáng)人工景觀區(qū)域的綠地建設(shè)、在農(nóng)田區(qū)域保留自然組分或人工建設(shè)近自然組分等措施。

采用最小累積阻力模型對(duì)勝利煤田景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建進(jìn)行研究，思路和方法可為其他礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建提供借鑒。然而，這只是初步探索，還有以下問題有待解決：(1)從草原露天煤礦的特點(diǎn)出發(fā)，初步提出了構(gòu)建阻力面所需的景觀阻力因子體系及其權(quán)重和分級(jí)賦阻力值方案，對(duì)阻力面的構(gòu)建還有待于進(jìn)一步研究；(2)構(gòu)建的景觀生態(tài)安全格局方案只考慮生態(tài)保護(hù)本身，未考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展等方面；(3)礦區(qū)景觀處于不斷變化中，如排土場(chǎng)在排土到位實(shí)施生態(tài)恢復(fù)后，短期內(nèi)就可能變成長(zhǎng)勢(shì)良好的人工林，此時(shí)可將其作為生態(tài)源地。需要進(jìn)一步研究如何在景觀格局構(gòu)建時(shí)考慮區(qū)域景觀的未來變化。