基于電路理論的圖們江流域生態(tài)空間連通性變化研究

龔晨

（延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林延吉 133002）

隨著聯(lián)合國開發(fā)計劃署制定圖們江地區(qū)發(fā)展規(guī)劃和一帶一路的開發(fā)，使得該地區(qū)經(jīng)濟大規(guī)模發(fā)展，但一系列生態(tài)環(huán)境問題也接踵而來，例如：水質(zhì)惡化，除少數(shù)江段外，干流受到不同程度的污染，森林資源和生物多樣性減少等[1]。生態(tài)連通性對種群的穩(wěn)定性和彈性非常重要，在物種、群落、生態(tài)系統(tǒng)以及海洋景觀等不同的尺度中有廣泛的應(yīng)用，是研究空間生態(tài)學(xué)和保護生物學(xué)的重要手段，是構(gòu)建生態(tài)景觀安全格局的必要基礎(chǔ)[2]。

生態(tài)連通性是指生態(tài)用地景觀空間結(jié)構(gòu)單元之間的連續(xù)性程度，可以用來反映不同生態(tài)環(huán)境隨著不同景觀結(jié)構(gòu)在時間和空間上發(fā)生變化所受的影響[3]。它的主要方法是通過試驗研究、特定生態(tài)過程的模型模擬和景觀指標(biāo)來量化景觀模式和生態(tài)功能的變化。這些試驗研究可以通過使用適當(dāng)?shù)姆椒ǜ櫳镄袨樘卣鞯倪\動路徑來獲得生物行為特征的原始數(shù)據(jù)，比如：Gillis 和Krebs[4]使用無線電遙感技術(shù)監(jiān)測分散雪兔和幼雪兔的存活情況；Bowne 等[5]根據(jù)觀察到的5 種年齡、性別類別的海龜?shù)倪\動率和運動概率計算了連通性。該研究結(jié)果充分說明了連通性依賴于物種的運動行為[6]。電路理論是將某一生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)流視為電流，將有利于生態(tài)流動的景觀類型視為低電阻，阻礙生態(tài)流實現(xiàn)的景觀類型視為高電阻[7]，利用電流在電路中隨機游走的特性模擬生態(tài)過程，是當(dāng)前研究生態(tài)連通性的熱點方法之一。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖們江流域中國一側(cè)位于吉林省延邊朝鮮族自治州境內(nèi)，地處中、俄、朝三國交界，東臨日本海，位于東經(jīng)127°27′43″～131°18′33″，北緯41°59′47″～44°30′42″，屬中溫帶，占地面積為23080.83645 km2，研究區(qū)內(nèi)坐落著四市兩縣，分別為延吉市、琿春市、龍井市、和龍市、安圖縣和汪清縣。分布著4 條主要支流，分別為嘎呀河、布爾哈通河、海蘭江和琿春河。地勢自西向東，自北向南逐漸降低，平均海拔在558m，最高處達(dá)到1691m。由于其特殊的緯度條件，該自然帶具有明顯的干濕變化。降水主要集中在夏秋季，冬季寒冷干燥，年平均降水量約580mm。該地區(qū)獨特的地理環(huán)境孕育了多種生態(tài)系統(tǒng)，因此，其在東北亞生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中占有核心地位。近年來，隨著我國全方位對外開放戰(zhàn)略的實施，圖們江流域進(jìn)入了跨國聯(lián)合開發(fā)階段，受到人類活動的干擾非常明顯。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2000 年、2010 年和2020 年的土地利用、覆蓋數(shù)據(jù)均來自GlobelLand30 全球地理信息公共產(chǎn)品（http：//www.globallandcover.com/）?？臻g分辨率為30m 的數(shù)字高層模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）。

1.3 研究方法

1.3.1 基于InVEST 模型的生境質(zhì)量分析。生境質(zhì)量是指環(huán)境為種群提供持續(xù)生存條件的能力，當(dāng)生物資源可用時，為生物個體或群體提供合適、健康和穩(wěn)定的生活條件，并保護生物多樣性[8]。根據(jù)3 期土地利用數(shù)據(jù)，選取林地、草地、濕地和裸地作為生境，耕地、水體和建筑用地作為威脅源，參考相關(guān)研究[7，9]，確定威脅源的影響距離和權(quán)重（見表1）及不同土地覆蓋類型的敏感性（見表2），分別建立生態(tài)威脅源和生境類型對威脅源的敏感數(shù)據(jù)，通過Habitat Quality 模塊生成區(qū)域生境質(zhì)量圖。

表1 威脅源的影響范圍和權(quán)重

表2 不同土地覆被類型對各威脅源的敏感度

1.3.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建。生態(tài)阻力面描述了不同景觀斑塊中物種間的基因交換、信息傳遞和遷移難度，與源距離、土地利用和人類經(jīng)濟社會發(fā)展強度有關(guān)。相對生境質(zhì)量而言，生境質(zhì)量越高，物種間形成和傳播的難度越大，表明生態(tài)抗性越強。因此，棲息地質(zhì)量的倒數(shù)可以用來描述物種之間的障礙。

1.3.3 電路理論連接度模型。電路理論是根據(jù)電子或電流隨機游走的特性，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)中生物物流的隨機性，將復(fù)雜景觀中的單個物種或基因流與電荷進(jìn)行比較，將景觀視為電阻面，可通過電路理論中的電流密度來識別廊道，生態(tài)廊道是相鄰生態(tài)源之間生態(tài)流的低阻力生態(tài)通道，高電流密度區(qū)域表明該區(qū)域連通度高，生態(tài)通道阻力低，生態(tài)連通性較好[9]。

Circuitscape 4.0 是基于電路理論模擬分析的軟件，它可以根據(jù)用戶提供的節(jié)點數(shù)據(jù)和電阻數(shù)據(jù)，計算整個景觀的電流和電壓圖。電流可反映生態(tài)流沿某一節(jié)點或路徑遷移的概率。電流越大，則說明該區(qū)域的通過水平越高。該軟件有4 種運行模式，分別是成對、高級、一對多和多對一，成對、高級模式可用于柵格和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)類型，而一對多和多對一2 種模式僅適用于柵格數(shù)據(jù)。本研究采用多對一模式進(jìn)行模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 生境質(zhì)量分析

基于InVEST 軟件，模擬圖們江流域中國一側(cè)生境質(zhì)量，按自然間斷裂點分級法將其分為5 類，等級1 表示生境質(zhì)量最低的地區(qū)，等級5 表示生境質(zhì)量最高的區(qū)域。2000 年、2010 年和2020 年平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.8039、0.7964 和0.8008，整體出現(xiàn)下降趨勢，在2010 年有所回轉(zhuǎn)。

2.2 生態(tài)連通性分析

2.2.1 生態(tài)源地。選取生境質(zhì)量等級最高的區(qū)域，并進(jìn)一步篩選出面積大于1km2的斑塊作為研究區(qū)域的生態(tài)源地。2000 年、2010 年和2020 年分別得到46 處、56 處和60 處生態(tài)源地，其中包括林地、草地和濕地，林地是主要土地覆被類型。2000 年、2010 年和2020 年生態(tài)源地中，林地所占研究區(qū)該年份的生態(tài)源地總面積的比分別為99.97%、99.89%和99.98%。從空間分布來看，30 年內(nèi)，在延吉市、和龍市和龍井市三市相連地帶，生境斑塊分布較少，存在生態(tài)孤島現(xiàn)象，并有一處已經(jīng)消失；琿春市附近生境斑塊分布多且小，破碎化嚴(yán)重，但多年來保持比較穩(wěn)定；圖們市和汪清縣城鎮(zhèn)周邊地帶保護良好，斑塊面積大，變化不明顯；安圖縣30 年來城鎮(zhèn)周邊變化巨大，表現(xiàn)為生境斑塊面積變小，數(shù)量變多，破碎化嚴(yán)重，逐漸趨向于延吉市、龍市和龍井市三市相連，這種趨勢源于長吉圖開發(fā)開放先導(dǎo)區(qū)的成立。長吉地區(qū)對延圖龍地區(qū)經(jīng)濟影響巨大，但是和長吉地區(qū)相比，還存在著經(jīng)濟發(fā)展不均衡的問題，距離的遠(yuǎn)近是制約長吉圖區(qū)域一體化進(jìn)程的重要因素。延邊朝鮮族自治州的首府延吉市對地方經(jīng)濟發(fā)展起著不可替代的作用。因此，在發(fā)展延龍圖地方經(jīng)濟的同時，使得城市建筑用地、交通用地擴大，導(dǎo)致長吉圖重要節(jié)點安圖縣周邊趨于經(jīng)濟建設(shè)更高的地區(qū)，從而引起周邊生境斑塊破碎化。

2.2.2 生態(tài)阻力面?；贗nVEST 模型，模擬3 個時間點的圖們江流域生境質(zhì)量分布，并根據(jù)生境質(zhì)量高低，參考相關(guān)文獻(xiàn)方法及結(jié)合本研究區(qū)實際情況，構(gòu)建生態(tài)阻力面。本研究區(qū)，城鎮(zhèn)和建設(shè)用地區(qū)域以及中朝邊境圖們江部分區(qū)域生境質(zhì)量逐漸趨于0，最低值達(dá)到0。因此，在對生境質(zhì)量反比運算時，其值接近無窮大，從而表現(xiàn)出無限大的電阻，本研究將此處的電阻賦予電阻最大值（如圖3）。2000 年、2010 年、2020 年生態(tài)阻力最高值可達(dá)8.4213、8.4581、16.3772，平均值分別為2.2891、2.3339、3.6502。30 年來，阻力值呈現(xiàn)增長趨勢，這與平均生境質(zhì)量變低有關(guān)，說明該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境遭到了不同程度的破壞，為了恢復(fù)和保護遭到破壞的源地，迫切需要找到這些斑塊。

圖3 研究區(qū)2000-2020 年生態(tài)阻力面

2.2.3 生態(tài)空間連通性。根據(jù)所篩選出來的生態(tài)源地，將其進(jìn)行編號，伴隨著生態(tài)阻力面一同導(dǎo)入Circuitscape 4.0 并選取多對一模式，得到2000 年、2010年和2020 年生態(tài)安全格局電流密度圖，電流強度為0的區(qū)域代表空間生態(tài)連通性最差，趨于1 為最好。3 個時間點的電流強度平均值分別為0.7132，0.7122 和0.6928，30 年內(nèi)，空間生態(tài)連通性變?nèi)?，這和生境斑塊破碎化相關(guān)（見圖4）。

圖4 基于電路理論的區(qū)域連通性模擬結(jié)果

通過研究發(fā)現(xiàn)，30 年內(nèi)，共有8 處生態(tài)源地斑塊出現(xiàn)了明顯變化。安圖縣西北地區(qū)生態(tài)源地斑塊在2000-2010 年遭到了嚴(yán)重的破壞，在2010-2020 年得到了恢復(fù)和改善，但仍有大塊面積斑塊需要修復(fù)。和龍市西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境逐步惡化，30 年內(nèi)電流密度趨于0，深受延圖龍地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展影響，若要保留該地塊，應(yīng)加以保護。延吉市和龍井市地區(qū)內(nèi)部，30 年間已有1 處生態(tài)源地消失，另外兩處也在漸漸形成孤島，若不加以保護，也將隨著那處一起消失。龍井市東南方向和圖們市西南方向以及琿春市正南方向的3 處源地，在2000-2010 年得到了恢復(fù)，在2010-2020 年，又出現(xiàn)了小幅度的惡化。

3 結(jié)語

圖1 研究區(qū)2000-2020 年生境質(zhì)量等級區(qū)劃

圖2 研究區(qū)2000-2020 年生態(tài)源地分布

以圖們江流域中國一側(cè)作為研究對象，運用InVEST 模型生境質(zhì)量模塊和電路理論來分析2000 年、2010 年和2020 年的空間生態(tài)連通性，根據(jù)模擬演示出的累計電流值，得到需要修復(fù)和保護的生態(tài)源地節(jié)點區(qū)域。研究區(qū)內(nèi)2000 年、2010 年和2020 年共識別46 處、56 處和60 處生態(tài)源地，其中包括林地、草地和濕地。30年來，生態(tài)源地數(shù)量有所增長，但斑塊面積整體趨勢減小，逐漸出現(xiàn)破碎化、孤島化，出現(xiàn)明顯變化的共有8處。其中需要保護和修復(fù)的區(qū)域分別為安圖縣西北地區(qū)和龍市西部地區(qū)、延吉市內(nèi)部區(qū)、龍井市內(nèi)部及東南地區(qū)、圖們市西南地區(qū)以及琿春市正南方向區(qū)。