河流生態(tài)廊道提取方法研究及其應用思路

張盼月,丁依冉,蔡雅靜,張光明,吳 彥,付 川,王洪杰

1 北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院, 北京 100083 2 重慶三峽學院環(huán)境與化學工程學院, 重慶 404632 3 河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院, 天津 300401 4 河北大學雄安生態(tài)研究院, 保定 071002

人類的過度開發(fā)導致水體、空氣等環(huán)境承受巨大負擔,其中水環(huán)境的響應最為直接和迅速,也最早受到關注。水體生態(tài)環(huán)境治理逐步從單一的水質改善向河道綜合治理邁進。河流生態(tài)廊道的提出為水體生態(tài)環(huán)境綜合治理提供了優(yōu)化的思路,多種生態(tài)要素結合、區(qū)域聯(lián)合防治等均為水體生態(tài)環(huán)境治理提出了新要求。在河流生態(tài)廊道構建時,若只考慮河湖水系特征,可能會忽略區(qū)域之間的連通性,難以對整個生態(tài)系統(tǒng)進行優(yōu)化。本文綜述了河流生態(tài)廊道的基礎理論,明確了河流生態(tài)廊道的基本概念,詳細分析了河流生態(tài)廊道提取的直接和間接方法。最后將河流生態(tài)廊道間接提取方法“源地識別-阻力面構建-廊道提取”應用于白洋淀-大清河流域,為白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構建提供初步思路。

1 河流生態(tài)廊道的基礎理論

1.1 河流生態(tài)廊道的概念

生態(tài)廊道是指在生態(tài)環(huán)境中線狀或帶狀的景觀生態(tài)空間系統(tǒng)[1],起源于景觀生態(tài)學中的島嶼生物平衡理論,用于促進物種在破碎化斑塊中的移動,之后也用于揭示斑塊間的基因交流和能量流動等[2—3]。生態(tài)廊道能夠溝通連接空間分布上較為孤立和分散的景觀單元[4],滿足物種和信息的擴散、遷移和交換,是構建區(qū)域“山水林田湖草”完整生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。參考生態(tài)廊道的概念,河流生態(tài)廊道可以定義為由河流聯(lián)系在一起的河流本身及沿河流分布的植被帶和相關的所有生態(tài)元素,通過廊道可以實現(xiàn)流域水系和生態(tài)流的連通。河流生態(tài)廊道概念包含多個組成部分,易與綠道、藍道、河岸帶等概念混淆,表1中列出了應用較多的相關概念以及它們與河流生態(tài)廊道的關系。其中,綠色河流廊道、河岸帶、藍道等均是河流生態(tài)廊道的組成部分,綠道的概念比河流生態(tài)廊道更廣泛,綠道的中心可以是河流,和河流生態(tài)廊道相似,綠道的中心也可以無河流,只是自然植被帶。

表1 河流生態(tài)廊道的類似概念及關系

1.2 河流生態(tài)廊道的組成

河流生態(tài)廊道由河道以及河道周圍的護岸(河漫灘和邊緣過渡帶)組成[11](圖1)。河道位于整個系統(tǒng)的中心位置；河漫灘是指在洪水泛濫時,在河岸以外高度周期性變化的區(qū)域；離河道最遠的邊緣過渡帶是指河漫灘與周圍景觀的過渡區(qū)域,通常由草地、林地、農(nóng)田等組成,此區(qū)域較易受到人類活動的影響[8]。城市河流生態(tài)廊道與自然河流生態(tài)廊道主要在護岸上有所不同,城市河流生態(tài)廊道的護岸范圍更小,更容易受人類影響。三個組成部分雖然相互獨立,但也均通過水文流、物種流、物質流等交換流聯(lián)系為一個整體。河流生態(tài)廊道內(nèi)多個方向水流之間的動態(tài)作用對河流生態(tài)廊道的生態(tài)環(huán)境質量具有重要意義[12]。

圖1 自然河流和城市河流生態(tài)廊道的組成

1.3 河流生態(tài)廊道的功能

1.3.1河流生態(tài)廊道的自然功能

將河流生態(tài)廊道作為一個整體時,可以從物理、化學和生物三方面分析其自然功能。

在物理方面,河流生態(tài)廊道主要發(fā)揮區(qū)域連通、污染物削減、微氣候調(diào)節(jié)等功能。河流生態(tài)廊道通過其流域尺度景觀上的線性特征,聯(lián)系流域中散落的生態(tài)源地,促進流域內(nèi)物質、能量的流動；不同水源地之間通過河流生態(tài)廊道的聯(lián)系可提升水資源的合理時空分配和泥沙運移效率。河流生態(tài)廊道的縱向結構則可對能量、物質進行阻礙或過濾,如對水流的阻隔可以降低洪峰,進而削減洪水危害[13]。河漫灘和邊緣過渡帶形成復雜的生態(tài)系統(tǒng),并且通過吸附、過濾等改善河流水環(huán)境質量。另外,河流生態(tài)廊道通過水面蒸發(fā)、植物蒸騰等生態(tài)作用調(diào)節(jié)附近的微氣候,為人類和動植物提供良好的生態(tài)環(huán)境。

在化學方面,河流生態(tài)廊道主要發(fā)揮水體污染削減、水環(huán)境質量提升的功能。河流生態(tài)廊道包含水體、植被、微生物等多種生態(tài)要素,多種要素的相互作用形成完整的生態(tài)系統(tǒng),其中水體中的部分污染物可通過氧化還原、吸附、沉淀等化學反應發(fā)生降解和轉化。

在生物方面,植物通過固定作用將河道底泥和土壤中的污染物轉移到植物體內(nèi),后續(xù)通過植物收割將污染排除到河流生態(tài)系統(tǒng)外[14]。微生物通過降解和轉化作用改變污染物的形態(tài)或者將污染物礦化,大大削減水體污染負荷。另外,植物的凈化和釋氧功能也間接改善水體、土壤的環(huán)境條件[15],促進生物多樣性的保持和生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展,打造人與自然和諧共生的河流生態(tài)廊道環(huán)境。同時,河流生態(tài)廊道為動植物提供棲息地。河流生態(tài)廊道可為水中的動植物提供充足的營養(yǎng)或食物、生存和繁衍的場所以及生命生長發(fā)育的各種要素[16]。植物的庇護有利于動物在破碎生境斑塊中的運動[17—18]。

1.3.2河流生態(tài)廊道的社會功能

隨著人類對美好生活的向往,河流生態(tài)廊道衍生出景觀、文化、經(jīng)濟等多方面的社會功能。中國于2016年明確了“城市雙修”概念,即生態(tài)修復和城市修補,其中生態(tài)修復利用再生態(tài)的理念,修復城市中被破壞的自然環(huán)境和地形地貌,改善生態(tài)環(huán)境質量。基于以上理念,依托傳統(tǒng)城市河流可規(guī)劃建設森林公園或濱河公園,建立慢行游憩系統(tǒng),滿足城市居民的休閑需求。河流生態(tài)廊道也是重要的文化和遺產(chǎn)廊道,如京杭大運河悠久的歷史及其工程示范作用,形成重要的水文化景觀,其中揚州段于2014年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》。另外,有些河流生態(tài)廊道也體現(xiàn)出經(jīng)濟功能,通過航運、旅游等發(fā)展帶動河岸地區(qū)甚至城市的經(jīng)濟增長。

2 河流生態(tài)廊道的提取方法

河流生態(tài)廊道的提取是區(qū)域規(guī)劃、流域河湖生態(tài)治理的基礎工作,尤其是在區(qū)域、流域等大尺度進行廊道提取意義重大。河流生態(tài)廊道的提取方法可以總結為直接提取和基于“源地識別-阻力面構建-廊道提取”框架的間接提取。

2.1 廊道直接提取

實地觀察和測量是自然科學中常用的手段之一,廊道直接提取通過河流類型、河流結構、河床坡度、土壤類型等野外調(diào)查識別河流生態(tài)廊道,但該方法人力和物力耗費較大,大型河流操作起來更為困難。地理信息技術的發(fā)展為研究人員提供了更為快捷和便利的手段,根據(jù)土地利用類型、遙感影像數(shù)據(jù)可以進行河流生態(tài)廊道的提取。河流生態(tài)廊道要素較易從以上兩種數(shù)據(jù)中分離,河流兩側的植被范圍可通過遙感影像解譯得到[19]；廊道寬度可通過分析河流兩側的土地利用結構變化獲得[20—21]。另外,還可以結合主河道及兩側洪水淹沒范圍[22]、當?shù)刂脖粩?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)[23],以及相關水文模型確定河流生態(tài)廊道的范圍。

河流生態(tài)廊道也可以根據(jù)國家和地區(qū)的規(guī)劃進行粗略提取。近年來,我國各地的城市規(guī)劃中常會采用點(核、心)、線(軸、帶、廊)、面(區(qū)、板塊、片)要素形成區(qū)域結構發(fā)展規(guī)劃。河流是主要的線性景觀要素,通過查詢地區(qū)發(fā)展規(guī)劃可以明確河流的基礎定位,提取河流生態(tài)廊道。如河北省邢臺市提出“一核六廊、雙心五區(qū)”的發(fā)展結構,其中“六廊”中有三條廊道為河流生態(tài)廊道。規(guī)劃目標、尺度不同,河流生態(tài)廊道的寬度也會隨之變化。Boisjolie等[24]總結了美國俄勒岡州政策目標、河流性質、監(jiān)管方法、管理標準四方面的差異性,制定出適用于當?shù)氐?5種0—152 m的河流生態(tài)廊道的寬度標準。

2.2 源地識別-阻力面構建-廊道提取

2.2.1源地識別

源地的識別是廊道構建過程中的重要步驟。源地識別方法的多樣性,有利于研究人員根據(jù)研究目的和研究區(qū)特點進行選擇,表2為常用的源地識別方法及特點。

表2 源地識別的方法及特點

(1)直接識別方法。直接識別是目前源地識別研究中最受歡迎的方法。直接識別一般將生態(tài)服務功能高的地塊識別為源地[26],源地景觀一般為湖泊、水庫、灘涂、生物重要棲息地等。根據(jù)研究目的的不同,源地種類可能更為豐富。如考慮廊道文化功能時,可將重要的風景名勝區(qū)、水文化景觀作為源地[27]。也可以通過不同面積閾值、生物活動范圍設定源地識別標準,受源地選取標準、土地利用情況等因素影響,源地數(shù)量一般為10—25個[21,26]。在廊道建立過程中,源地數(shù)量過少可能導致流域廊道構建不完整；源地數(shù)量過多則可能導致流域破碎化。

(2)基于形態(tài)學空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)的識別方法?；贛SPA的識別方法通過降低人為選擇的主觀性,更加科學地識別生態(tài)源地。該方法首先在景觀格局評價、綠色景觀連通性等[28]方面廣泛應用,近些年被用于源地的識別。MSPA根據(jù)前景、背景的不同選擇,通過圖像處理對研究區(qū)土地利用類型進行重新分類。前景為生態(tài)效益較高的土地利用類型,如水域、林地、草地及三者的組合[29—30]較受歡迎,背景則為其他土地利用類型。圖像處理結果呈現(xiàn)為7類景觀類型,分別是核心區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)道區(qū)、支線、邊緣區(qū)、孔隙和島狀板塊(圖2)。結合Vogt等[32]對7種景觀類型的定義,具體研究根據(jù)研究目的可以為景觀類型賦予實際的生態(tài)學意義。核心區(qū)可直接被識別為生態(tài)源地,但大部分研究者通常結合整體連通性(Integral Index of Connectivity, IIC)、可能連通性(Probability of Connectivity, PC)等指數(shù)和斑塊面積確定最終的源地。與景觀相關連通性指數(shù)的結合能夠更好地展示研究區(qū)源地之間的連通關系,將研究區(qū)考慮為整體而不是分散的斑塊。但需要注意,景觀研究尺度的選擇[25]、邊緣寬度的設定[33]、土地利用數(shù)據(jù)的精確度等因素可對MSPA的結果產(chǎn)生一定影響。

圖2 形態(tài)學空間格局分析(MSPA)分類[31]

(3)指標識別方法。指標識別方法通常與生態(tài)系統(tǒng)服務功能相關。生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指人類從生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)過程中獲得的有利于環(huán)境發(fā)展的效益[34],一般包括水源涵養(yǎng)、物種多樣性維持、水土保持等。通過對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能定量評估和空間疊加,將綜合生態(tài)服務價值(Ecosystem Services Value, ESV)較高的斑塊識別為源地。針對不同研究區(qū)可以選擇適合的生態(tài)系統(tǒng)服務指標及對應的計算方法。張亮等[35]基于城市生態(tài)斑塊的復合屬性特征,建立了一套適用于杭州市源地識別的體系。也有學者建立ESV與生態(tài)敏感性[36]、景觀連通性指數(shù)[37]耦合的指標體系識別生態(tài)源地。

(4)其他識別方法。為了更好地進行源地識別,Wanghe等[38]運用內(nèi)置生態(tài)系統(tǒng)服務價值和景觀連通性指數(shù)的PANDORA模型,識別了北京市通州區(qū)某區(qū)域內(nèi)的多個中心節(jié)點,結合研究區(qū)實際情況,將中心節(jié)點所在的公園識別為生態(tài)源地。Liang等[39]運用Zonation軟件進行中國超大型景觀的生態(tài)優(yōu)先區(qū)域識別,考慮生物多樣性特征分布和權重條件下反復篩選,逐步刪除不重要的斑塊,剩余的斑塊被視為生態(tài)源地。Guo等[40]認為高植被覆蓋率地區(qū)的生態(tài)服務功能更高,將歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)具有增長趨勢的像元用閉合曲線連接,形成生態(tài)源地(適用于沒有水域的地區(qū))。Li等[41]綜合考慮土地利用類型、生態(tài)系統(tǒng)服務功能、以及景觀連通性,將MSPA和指標識別方法結合,更加全面科學地進行生態(tài)源地的識別。

2.2.2阻力面構建

阻力面是指信息流、物質流、物種流等從源頭向外擴散時需要克服的障礙等值面,可通過與源地結合構建研究區(qū)域內(nèi)的廊道。阻力值可以反應信息、物質和物種在經(jīng)過不同土地利用類型時的困難程度,也可表現(xiàn)生態(tài)過程中景觀異質性對信息、物質和物種的影響,是阻力面構建的重要參數(shù),國內(nèi)外研究中多用賦值法確定。

根據(jù)研究內(nèi)容的不同,阻力因子的選擇也存在區(qū)別。阻力因子的選擇和賦值方法均可影響到阻力面構建的精確程度,進一步影響廊道構建的結果。阻力因子的選擇需能夠全面表征廊道內(nèi)信息、物質和物種流動時可能遇到的障礙。因地制宜選擇合適的阻力因子指標和方法有利于對區(qū)域進行準確研究(圖3)。近五年相關文獻統(tǒng)計表明(共180篇),土地利用類型為最常用的阻力因子。除了土地利用類型,坡度、高程、地形也常被選擇為阻力因子(圖3),其中39篇文章結合了高程和坡度兩種因子。只選一種阻力因子時,絕大多數(shù)學者首選土地利用類型(69篇)。Adriaensen等[42]認為盡可能不要將土地利用分成較多層級或類別,避免一些小類別信息的丟失和阻力值賦值時的繁雜工作。也有較多學者選擇三個阻力因子構建阻力面,通常為土地利用類型、地形以及一個與研究內(nèi)容密切相關的阻力因子。也有學者認為,區(qū)域內(nèi)的阻力來源于自然因素、人為干擾、經(jīng)濟因素等不同方面,從而選擇2—3個方面,每個方面選2—3個阻力因子。豐富的阻力因子可以更加全面地反映研究區(qū)的具體情況,但從圖3可知,并不會有太多學者選擇多于6個阻力因子構建阻力面。研究區(qū)域內(nèi)道路常交錯縱橫,交通因子也受到較多研究者的重視,Huang等[43]在構建區(qū)域綠色基礎設施時選擇了三種道路阻力因子,分別為距離主要道路、次要道路和三級公路的距離。

圖3 近五年相關文獻中阻力因子選擇與阻力因子數(shù)量選擇

為了方便計算,阻力因子一般被賦予權重和阻力值。研究者一般參考相關文獻、相似案例以及咨詢該領域專家的意見,降低賦值過程中主觀性。對于沒有前人經(jīng)驗的阻力因子也可以根據(jù)其概念、研究區(qū)實際情況、國家標準、地方標準等進行賦值。也有研究者將這些阻力因子進行系統(tǒng)的整理,采用層次分析法(Analytical Hierarchy Process, AHP)賦予權重和設定阻力值[30]。還有研究者[44—45]將統(tǒng)計學與GIS技術結合,運用空間主成分分析(Spatial Principal Component Analysis, SPCA)方法計算阻力因子的權重,不僅客觀性強,而且能夠減少數(shù)據(jù)種類和數(shù)據(jù)量。

此外,Li等[41]引入地表干旱指數(shù)、景觀生態(tài)風險指數(shù)等作為修正參數(shù)進行阻力面構建。也可以考慮相同土地利用的內(nèi)部差異采用由土地利用類型插值得到的隱性阻力面[46],或者考慮人為干擾等因素,利用表征人類活動的夜光燈數(shù)據(jù)進行修正[47]。Wang等[48]和毛誠瑞等[49]利用ESV識別源地后,以ESV的倒數(shù)作為阻力面,即生態(tài)系統(tǒng)價值高的地方阻力小。

2.2.3廊道提取

考慮斑塊、廊道、基質之間的關系[50],結合源地和阻力面構建廊道的方法在研究中較為常用。其本質是根據(jù)于景觀生態(tài)學中的源—匯理論,探求景觀格局和生態(tài)過程之間的雙向影響,解決景觀生態(tài)學的核心問題[40]。廊道提取的具體方法主要基于圖譜理論,但不是簡單的歐幾里得距離,而是考慮成本和權重的加權距離[51—52]?；诘乩硇畔⒓夹g,通過點線面規(guī)劃,選擇代表兩個源地區(qū)域之間最小阻力和最短距離的組合,模擬最可能的廊道。

廊道構建方法可分為最小耗費距離(Least Cost Distance, LCD)方法、最小耗費路徑(Least Cost Path, LCP)方法、最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance, MCR)模型方法。這些方法與GIS技術結合,涵蓋了地形、地貌、人類影響等多種因素,能夠科學客觀地模擬廊道的位置和格局,模擬結果可以實現(xiàn)廊道的可視化。

三種廊道構建方法的本質和目的相同,只是在概念和操作上存在一定差別。LCD是一個源地到另一個源地間物種的可能路線,可以表明源地的可達性[21, 53]。LCP是一個源地到另一個源地最小成本的唯一路徑,在LCD的基礎上進一步采用LCP方法識別的最小耗費路徑即為潛在生態(tài)廊道[40]。MCR模型方法將源地之間的距離概化為正相關的函數(shù)關系,如公式(1)所示:

(1)

式中,i表示某一景觀單元；j表示某一源地；Ri表示i在某方向運動時的阻力系數(shù)；Dij表示物種或能量從j擴散到i穿過的距離；min表示i到j產(chǎn)生的累積阻力最小值；f是一個反映空間某點的最小阻力到源地的距離和景觀類型特征的正相關函數(shù)。

通過以上方法可以初步構建區(qū)域的生態(tài)廊道。在剔除重復廊道后,通過對研究區(qū)廊道景觀構成進行統(tǒng)計或與數(shù)字河網(wǎng)進行對比,可以進一步識別研究區(qū)的河流生態(tài)廊道。但是也存在一些問題:1)不能區(qū)分廊道的重要性,2)沒有考慮廊道寬度的影響,3)忽略了源地本身存在的差異。基于這些問題,研究者給出了一些解決方法。如通過重力模型、圖譜理論[50—51]等方法結合景觀指數(shù),將廊道劃分為不同等級,從而提取出更為重要的廊道。通過對研究區(qū)的系統(tǒng)分析[51],可以沿河道向兩側擴展一定距離的緩沖區(qū),將寬度因素融入廊道構建中。但也有研究者指出,根據(jù)經(jīng)驗沿河道外延形成的緩沖區(qū)在人類發(fā)展和生態(tài)保護中存在矛盾[35]。廊道寬度問題值得研究者進一步深入研究,找到合適的方法提升廊道寬度選擇的科學性和客觀性。為了區(qū)分源地之間的差異,Li等[41]考慮了源地面積和類型等因素,將MCR模型進行修正為公式(2):

(2)

式中,Ej表示j的相對潛力,數(shù)值越大代表生態(tài)潛力越高。

另外,在阻力面構建后,也有研究者基于電路理論通過Circuitscape軟件構建生態(tài)廊道。與上述方法不同,電路理論認為兩源地之間物種遷移是隨機的,這種隨機遷移更符合物種運動的實際情況,但不一定遵循最優(yōu)路徑。電路理論用電阻代表景觀阻力[54],用電流表示景觀單元節(jié)點間的物種擴散通量[53],通過模擬得出多條可能路徑[55]。LaPoint等[52]利用LCD方法和基于電路理論的RD(Resistance Distance)方法提取了生態(tài)廊道,并與實際廊道進行了對比,兩種方法均表現(xiàn)不佳,僅識別出不到1/4的實際使用廊道,后續(xù)應結合生物實際運動數(shù)據(jù)進行改善。

2.3 廊道直接提取和間接提取的比較

廊道直接提取方法最為簡單,適用于單條河道,通過大量的實地調(diào)查等能夠細致、精確地表現(xiàn)河流生態(tài)廊道的特征。當研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)發(fā)達、河流數(shù)量眾多時,直接提取方法較難確定河流之間的關系,較難解釋流域內(nèi)的聯(lián)系,難以構建完整的生態(tài)廊道系統(tǒng)。

間接提取方法基于“源地識別-阻力面構建-廊道提取”框架進行河流生態(tài)廊道的提取,可以利用遙感影像、土壤和植被數(shù)據(jù)庫等多種可獲得的數(shù)據(jù),使河流生態(tài)廊道的提取可在室內(nèi)完成大部分工作,省時省力。間接提取方法尤其適用大尺度流域河流生態(tài)廊道的提取,在近五年的相關文獻中,86%的文章中研究區(qū)面積均超過了1000 km2。與實地考察相比,恰當運用遙感和GIS技術能夠在保障數(shù)據(jù)質量的基礎下提高工作效率、節(jié)約人力和物力。但廊道間接提取方法不能細致到某一條河流的研究,所構建的廊道細節(jié)不足。

通過文獻總結和方法比較可知,在大尺度流域框架下,可以結合河流生態(tài)廊道的基礎理論,采用“源地識別-阻力面構建-廊道提取”的間接方法提取流域內(nèi)的河流生態(tài)廊道。

3 白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構建思路

3.1 研究區(qū)概況

白洋淀-大清河流域位于海河流域的中部,跨越山西、河北、北京、天津四個省市,總面積約4.5萬km2。流域地勢呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢,海拔高度最高2782 m左右,坡度在1/500—1/10000之間[56],山區(qū)地形變化顯著,平原地區(qū)起伏較小。流域內(nèi)有多條河流,漕河、府河、孝義河等九條河流匯入大清河流域中心區(qū)域的白洋淀,其中僅府河和孝義河沒有斷流[57]。白洋淀通過東側的趙王新河匯入大清河,然后向東注入渤海。流域中廣泛分布著白洋淀、團泊洼等大型洼地,西大洋、王快、北大港等水庫(圖4)。流域地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)。大部分地區(qū)四季分明,多年平均降水量575 mm。流域內(nèi)廣泛分布褐土、棕壤、粗骨土、潮土等,山區(qū)土地利用類型以草地和林地為主,平原區(qū)城市及農(nóng)村與耕地相間分布。

圖4 大清河流域水系圖

3.2 白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構建思路

白洋淀-大清河流域河網(wǎng)復雜,河流眾多,采用基于GIS的“源地識別-阻力面構建-廊道提取”間接提取河流生態(tài)廊道更為科學(圖5)。如圖4所示,白洋淀既是重要的生態(tài)源地,又是連接大清河流域的關鍵節(jié)點。采用考慮生態(tài)系統(tǒng)連通性的MSPA方法識別重要的生態(tài)源地。在廊道構建時,可適當提高白洋淀的源地等級,進而形成以白洋淀為核心的輻射型河流生態(tài)廊道及多河道交織的復雜河流生態(tài)廊道網(wǎng)絡。通過河流生態(tài)廊道的構建,增強流域內(nèi)部連通,充分發(fā)揮白洋淀濕地對區(qū)域生態(tài)環(huán)境提升的作用,打造綠色、健康的流域生態(tài)環(huán)境。

圖5 白洋淀-大清河流域河流生態(tài)廊道構建思路

(1)生態(tài)源地識別。采用MSPA方法,通過Guidos軟件對生態(tài)源地進行識別,選用水體、林地和草地作為前景,其他土地利用類型作為背景,得到7類景觀,結合前人的研究和大清河流域的實際情況賦予7類景觀的具體生態(tài)學意義。結合景觀指數(shù)和斑塊面積進行連通性評價,篩選出更為重要且數(shù)量適宜的生態(tài)源地。為了便于后期對源地進行管理,可以結合實際情況與斑塊所在的保護區(qū)、水庫、林地等景觀進行對比,如果由MSPA方法識別的源地與實際景觀面積相近,可將源地斑塊進行微調(diào)至實際景觀。將調(diào)整后的生態(tài)源地劃分為不同類型,如水源地、森林源地等,并根據(jù)源地的類型、面積、區(qū)位等要素將源地劃分為不同等級。

(2)阻力面構建。阻力面構建的前提是選擇合適的阻力因子,優(yōu)先選用土地利用類型,并結合其他廊道生態(tài)過程可能遇到的阻力,如高程、植被覆蓋度、與道路之間的距離等因子。通過層次分析法結合領域專家意見、相關研究結果,對各阻力因子進行分級并設定阻力值和權重。將多個單獨的阻力因子在ArcGIS中進行處理,得到綜合景觀阻力面。

(3)河流生態(tài)廊道提取。結合源地和阻力面,應用修正后加入源地等級的MCR模型生成各景觀單元到綜合景觀阻力面上最近源地的累積阻力距離的最小值。運用ArcGIS中空間分析(Spatial Analyst)工具箱中的Cost Path工具提取流域內(nèi)的生態(tài)廊道,對重復的廊道進行剔除后得到廊道網(wǎng)絡。對識別后的廊道進行景觀組成分析,結合白洋淀-大清河流域的水系、路網(wǎng)等,分析河流生態(tài)廊道在區(qū)域內(nèi)的重要性。

(4)河流生態(tài)廊道優(yōu)化。河流生態(tài)廊道作用的發(fā)揮受到寬度、水系連通情況等因素的影響[58],合理規(guī)劃適當?shù)睦鹊缹挾饶軌虼龠M河流生態(tài)廊道效益的最大化?？紤]到白洋淀-大清河流域面積較大,通過土壤和水評估工具(Soil and Water Assessment Tool, SWAT)模型,以白洋淀為中心將流域劃分為若干小區(qū)域。位于大清河流域中央的白洋淀不僅具有重要生態(tài)價值,還是國家級雄安新區(qū)重要的水資源保障和生態(tài)景觀基地。結合每個區(qū)域河流生態(tài)廊道的作用、土地利用類型等因素,通過實地觀測、模型模擬、專家咨詢、緩沖區(qū)土地類型分析等方法合理規(guī)劃河流生態(tài)廊道的寬度。

4 河流生態(tài)廊道提取研究展望

4.1 河流生態(tài)廊道提取科學性的提升

河流生態(tài)廊道間接提取方法依托于遙感影像、氣象、人口等數(shù)據(jù),用GIS技術結合模型對廊道進行提取,不僅效率高,而且適用于大尺度河流生態(tài)廊道。但是,阻力面構建過程中阻力因子選擇和阻力值賦值較為主觀,是廊道構建過程中的薄弱環(huán)節(jié)。雖然研究者針對這種主觀性進行了一定的修正,如考慮土地利用類型對物質和能量流動的阻力等[59]。但目前尚未比較不同賦值方法對阻力面構建的影響,不能有效評價不同賦值方法的優(yōu)劣。未來阻力面構建可重點關注阻力值賦值的科學性,如結合模型對阻力因子賦予權重,明確不同阻力因子間的邏輯關系,提升相同阻力因子內(nèi)及不同阻力因子間賦值的科學性等；也可以結合廊道的實際功能進行阻力面修正等,提升河流生態(tài)廊道提取的科學性。

4.2 河流生態(tài)廊道提取過程中廊道寬度的優(yōu)化

寬度不僅是河流生態(tài)廊道發(fā)揮功能的重要特征之一,也是河流生態(tài)廊道構建的重要參數(shù)。直接提取方法通過野外調(diào)查確定河流生態(tài)廊道的寬度,但測量[60]、目視估計[61]等方法得到的廊道寬度,難以考慮河流、河漫灘、邊緣過渡帶三者之間的關系,并且在大尺度范圍很難實現(xiàn)?！霸吹刈R別-阻力面構建-廊道提取方法”間接提取方法則不能確定河流生態(tài)廊道的寬度。未來需運用3S(遙感技術、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的統(tǒng)稱)技術,結合相關數(shù)學模型或者建立經(jīng)驗公式等,對間接提取的河流生態(tài)廊道寬度進行模擬計算；也可采用直接提取和間接提取相結合的方法,在研究區(qū)劃分多個典型的小流域,通過野外調(diào)查確定河流生態(tài)廊道的寬度,用AI+GIS技術將廊道寬度推及到相似區(qū)域內(nèi)。