祖悅晴,魏妍兒,張曦文,于德永

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

當(dāng)今全球范圍內(nèi)正在經(jīng)歷著前所未有規(guī)模的城市化過(guò)程[1],這種劇烈的土地利用改變會(huì)帶來(lái)包括土地覆被、氣候、水文、生物地球化學(xué)循環(huán)和生物多樣性等一系列的環(huán)境變化及環(huán)境問(wèn)題[2—3]。在大部分城市區(qū)域,生物多樣性僅存在于城市發(fā)展過(guò)程中保留的處于孤立和破碎化的生境斑塊中[4]。城市化導(dǎo)致的土地利用變化過(guò)程會(huì)使城市生境斑塊損失及破碎化,影響物種運(yùn)動(dòng)、捕食等過(guò)程,改變物種組成和種群結(jié)構(gòu),最終降低生物多樣性[2—6]。因此,為了保護(hù)和維持城市生物群落及生物多樣性,同時(shí)考慮城市發(fā)展情況,需要城市規(guī)劃者確定城市關(guān)鍵保護(hù)區(qū)域,采取有效的措施保護(hù)現(xiàn)有的自然或半自然生境。目前,一些國(guó)家采取劃定生態(tài)保護(hù)區(qū)的方式來(lái)管理和保護(hù)城市生境及生物多樣性,在生態(tài)保護(hù)區(qū)中限制城市建設(shè)[7],如中國(guó)深圳為保障城市生態(tài)系統(tǒng)的完整性和連通性,根據(jù)其劃定的生態(tài)保護(hù)范圍確定了基本生態(tài)控制線；澳大利亞依據(jù)生態(tài)重要性、保護(hù)程度和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,在大堡礁保護(hù)區(qū)中劃定了生境保護(hù)區(qū)[8—9]。然而,已有研究表明生態(tài)保護(hù)區(qū)并不能完全覆蓋某些生物生存活動(dòng)的必要區(qū)域和棲息地[10],Leroux等的研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)區(qū)外臨近的生境斑塊在保護(hù)和維持物種及其生態(tài)過(guò)程中也起到至關(guān)重要的作用[11—12],但這部分保護(hù)區(qū)外的生境斑塊并沒(méi)有給予應(yīng)有的重視。當(dāng)這些未受到保護(hù)的臨近生境受到城市化的影響時(shí),生境會(huì)發(fā)生損失,從而影響物種覓食、遷徙等生態(tài)活動(dòng),造成生物多樣性損失[13]。因此,忽略生態(tài)保護(hù)區(qū)外潛在對(duì)生物活動(dòng)具有重要生態(tài)價(jià)值的生境斑塊不利于城市生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)生物多樣性的整體保護(hù)。

景觀連接度可以用于生物多樣性保護(hù)的研究[4]。景觀連接度是指景觀促進(jìn)或阻礙生物體或某種生態(tài)過(guò)程在源斑塊間運(yùn)動(dòng)的程度[14]。保護(hù)和提高景觀連接度是在有限的空間范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)生境損失和破碎化,維持生物多樣性的有效途徑之一[15]。目前景觀連接度的量化方法包括圖論法、空間格局指數(shù)法、最近鄰距離法、擴(kuò)散率法等,而圖論法可以將生境空間情況與生物遷移相結(jié)合,能很好地預(yù)測(cè)景觀潛在連接度,且適用于保護(hù)區(qū)等大尺度的景觀連接度研究[16]。Bunn等最早將圖論法應(yīng)用于景觀連接度的研究中[17]。基于圖論法可以定量評(píng)估整體景觀連接度,還可以評(píng)價(jià)各個(gè)生境斑塊對(duì)于景觀的重要性。國(guó)內(nèi)外已有部分研究基于圖論量化景觀連接度和生物多樣性保護(hù)、城市景觀規(guī)劃相結(jié)合。例如,Zetterberg等以斯德哥爾摩地區(qū)為例,利用圖論法確定了生境中的重要結(jié)構(gòu)和廊道,并基于結(jié)果進(jìn)行景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)[18]。于德永等基于圖論模型,對(duì)廣東省深圳市核心生境的整體景觀連接度進(jìn)行了評(píng)價(jià),確定了生態(tài)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)廊道,并應(yīng)用到實(shí)際保護(hù)規(guī)劃方案中[19]。蒙吉軍等基于圖論模型量化了黑河中游地區(qū)景觀連接度的年際變化,并根據(jù)特定距離閾值確定了不同規(guī)模生態(tài)斑塊的區(qū)域生態(tài)重要性[20]。其中一些研究通過(guò)模擬移除某斑塊后的景觀連接度變化來(lái)量化其在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的重要性[21—22]。例如,荀斌等運(yùn)用圖論模型,結(jié)合連續(xù)移除斑塊的模擬方法,判斷深圳市生境斑塊重要性并確定了生境變化情景[23]。在判斷生境斑塊重要性時(shí),僅僅根據(jù)斑塊屬性確定斑塊移除順序可能與城市發(fā)展實(shí)際情況不符,較少有研究綜合考慮未來(lái)城市發(fā)展實(shí)際情況,從而影響生態(tài)生境變化情景的制定。因此,為了在滿足未來(lái)城市可持續(xù)發(fā)展的需求,應(yīng)考慮該城市的未來(lái)土地利用變化,并根據(jù)情景結(jié)果確定生境斑塊的移除順序,從而將生物多樣性保護(hù)與城市發(fā)展相結(jié)合[24—25]。

北京作為中國(guó)的首都,在過(guò)去幾十年經(jīng)歷了快速的城市化過(guò)程[26],但是針對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)區(qū)景觀格局的研究較少。因此,本研究基于圖論法,以北京市延慶區(qū)為研究區(qū),劃分生境斑塊,并構(gòu)建生境網(wǎng)絡(luò),評(píng)價(jià)和模擬城市化過(guò)程導(dǎo)致的生境斑塊損失對(duì)當(dāng)?shù)夭煌植溉閯?dòng)物的影響,量化和分析該地生態(tài)保護(hù)區(qū)外生境斑塊對(duì)于生物活動(dòng)的重要性并識(shí)別對(duì)維持景觀連接度具有重要作用的潛在生境斑塊。本文主要回答以下科學(xué)問(wèn)題：(1)在不同的生境變化情境下哪些生境斑塊對(duì)于維持景觀連接度有較大影響？(2)當(dāng)生境景觀格局變化時(shí),對(duì)于不同遷移能力的物種,景觀連接度的變化特征有什么不同？本文可以為該地的生物多樣性保護(hù)和景觀格局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和方法參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

北京市延慶區(qū)位于北京市西北部(圖1),西與河北省接壤,面積1993.75km2,介于東經(jīng)115°44′—116°34′、北緯40°16′—40°47′之間。延慶區(qū)屬大陸季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,全區(qū)多年平均氣溫為8.8℃,最高氣溫為39℃,最低氣溫為-27.3℃[27]。該地植被類型為暖溫帶落葉闊葉林和溫帶針葉林。全區(qū)平均海拔500m以上,東北部山地平均海拔1000m左右,南部山地地勢(shì)較低。

作為國(guó)家級(jí)生態(tài)示范縣和首都生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū),延慶區(qū)生物多樣性豐富,是北京西北的重要生態(tài)屏障。延慶區(qū)內(nèi)的北京松山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是以豐富的動(dòng)植物資源為主要保護(hù)對(duì)象的綜合性自然保護(hù)區(qū),總面積為46.71km2[27]。保護(hù)區(qū)內(nèi)有多種大型哺乳動(dòng)物以及鳥(niǎo)獸,大型野生動(dòng)物有中華斑鈴、狍、野豬、豹貓、豬獾、狗獾、貉等[27—28],其中中華斑羚為國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物。

圖1 延慶區(qū)區(qū)位圖和延慶區(qū)2020年土地利用圖Fig.1 Location and land use map of Yanqing District

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文獲取研究區(qū)相關(guān)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),將柵格數(shù)據(jù)的像元大小統(tǒng)一重采樣為30m,經(jīng)處理后用于后續(xù)劃分生境斑塊、構(gòu)建阻力面、模擬城市土地利用變化、計(jì)算景觀連接度。具體的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)來(lái)源如表1。

2 研究方法

2.1 生境斑塊劃分

考慮到生態(tài)過(guò)程具有空間連續(xù)性,為避免城市的邊緣效應(yīng),根據(jù)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的可用性和保護(hù)物種的遷移距離大小,在延慶區(qū)行政區(qū)邊界周圍建立5km緩沖區(qū)[25]。城市內(nèi)的斑塊需滿足一定要求才能作為森林哺乳動(dòng)物的棲息地,從而被劃為生境斑塊,設(shè)定生境斑塊需符合以下三個(gè)條件：地表覆蓋為林地或灌木、面積大于0.2km2[23]、遠(yuǎn)離主要道路1km[29]以上。

表1 數(shù)據(jù)說(shuō)明及來(lái)源

現(xiàn)有生態(tài)保護(hù)區(qū)對(duì)于維護(hù)生物繁衍和生物多樣性有重要意義,其內(nèi)森林和灌木受政策保障而得到嚴(yán)格保護(hù),因此將包含北京市生態(tài)保護(hù)紅線劃定方案內(nèi)區(qū)域的生境斑塊劃分為核心生境斑塊,共劃分出4個(gè)核心生境斑塊。生態(tài)保護(hù)區(qū)外臨近的生境斑塊在生物遷移過(guò)程中也可能起到重要作用,因此將位于北京市生態(tài)保護(hù)紅線劃定方案外的生境斑塊劃分為潛在生境斑塊,共劃分出74個(gè)潛在生境斑塊,按面積從小到大編號(hào)(圖2)。核心生境斑塊和潛在生境斑塊的質(zhì)心作為生境網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),用于后續(xù)景觀連接度的計(jì)算。

圖2 生境斑塊劃分結(jié)果圖Fig.2 Map of the spatial distributions of habitat patches

2.2 景觀連接度的評(píng)價(jià)

本研究選用連接概率(Probability of connectivity,PC)指數(shù)評(píng)價(jià)生境網(wǎng)絡(luò)的景觀連接度。連接概率指數(shù)被定義為隨機(jī)放置在某一區(qū)域的生境斑塊中的兩個(gè)動(dòng)物,能夠通過(guò)其它斑塊和斑塊間連接路徑彼此相遇的可能性[30],該指數(shù)在景觀尺度上度量連接度。該指數(shù)越大則表明生境網(wǎng)絡(luò)連接度越高,越利于生物的擴(kuò)散和生態(tài)過(guò)程的傳播。PC指數(shù)受到斑塊間空間結(jié)構(gòu)、斑塊屬性和物種遷移能力的影響,值介于0—1之間。公式如下：

(1)

pij=e-θdij

(2)

式中,θ為常量,是使得物種的遷移距離與遷移概率相匹配的參數(shù),本文選擇遷移概率p=0.5所代表的物種中等擴(kuò)散距離以確定θ。dij為兩個(gè)斑塊之間的距離,本研究選用最小耗費(fèi)路徑長(zhǎng)度作為斑塊間距離,與歐氏距離相比,考慮地表阻力的最小耗費(fèi)路徑距離更符合森林物種在斑塊間遷移的實(shí)際情況。

物種的遷移距離作為其遷移能力的表現(xiàn),能夠用于判斷斑塊間是否連接。選擇不同物種遷移距離作為參數(shù)用于景觀連接度指數(shù)的計(jì)算,可以評(píng)價(jià)景觀格局變化對(duì)不同遷移能力物種的影響。選取延慶區(qū)內(nèi)保護(hù)物種并收集其飲食類型與平均體重,根據(jù)Sutherland的公式[32]計(jì)算出各物種的估計(jì)分散度中位數(shù)(表2),由此確定物種遷移距離參數(shù)為1、8、10km。

表2 延慶區(qū)不同物種相關(guān)參數(shù)及估計(jì)分散度中位數(shù)

生境斑塊對(duì)于整個(gè)生境網(wǎng)絡(luò)連接度的貢獻(xiàn)程度可用移除某斑塊后網(wǎng)絡(luò)連接度的變化率來(lái)表示[31]。變化率值越大,則斑塊在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中越重要、貢獻(xiàn)越大。公式如下：

(3)

式中,I為包含某一生境斑塊在內(nèi)的整體網(wǎng)絡(luò)連接度大小,I′為移除該斑塊后整體網(wǎng)絡(luò)連接度的大小,本研究中景觀連接度大小用PC值表達(dá)。

2.3 生境阻力面的構(gòu)建

生境阻力的大小反映了物種遷移的困難程度[33],生境阻力面的構(gòu)建是計(jì)算最小耗費(fèi)路徑長(zhǎng)度的基礎(chǔ)。地表覆蓋類型、坡度、人類活動(dòng)[25]等因素均影響物種的遷移過(guò)程。較陡的坡度和頻繁的人類活動(dòng)會(huì)阻礙物種的運(yùn)動(dòng),增加生境阻力。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity, NPP)指綠色植物在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量減去自身呼吸后的剩余部分[34],是生物生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ),本研究選用MODIS的NPP產(chǎn)品數(shù)據(jù)代表地表覆蓋情況(表1)。對(duì)研究區(qū)內(nèi)所有像元,使用最大最小縮放對(duì)NPP、坡度數(shù)據(jù)層進(jìn)行1—100的阻力賦值,使NPP值小、坡度值大的像元阻力值大。最大最小縮放公式如下：

(4)

式中,x*表示縮放后的像元值,x表示縮放前的像元值,xmax表示縮放前研究區(qū)內(nèi)像元最大值,xmin表示縮放前研究區(qū)內(nèi)像元最小值。

水體和河流是大多數(shù)森林物種遷移的屏障,居民地及其周邊區(qū)域的人類活動(dòng)頻繁且地表覆蓋類型不適宜森林動(dòng)物遷移,本研究賦予這些地區(qū)最高阻力值300。線狀交通干線對(duì)周圍景觀具有明顯的破碎化和障礙效應(yīng),會(huì)阻礙物種的遷移運(yùn)動(dòng)過(guò)程,因此依據(jù)不同的鐵路、公路級(jí)別建立不同緩沖區(qū)并設(shè)定不同阻力值(表3)[31]。將道路、河流建立緩沖區(qū),可以防止在柵格化過(guò)程中線要素丟失或不連續(xù),避免出現(xiàn)路徑沿對(duì)角線跨越道路、河流的情況發(fā)生。本研究綜合考慮地表覆蓋類型、坡度、人類活動(dòng)等因素,將NPP數(shù)據(jù)層、坡度數(shù)據(jù)層和道路數(shù)據(jù)層賦予相同的權(quán)重,結(jié)合水體、河流和居民地?cái)?shù)據(jù)層疊加生成生境阻力面。

表3 生境阻力面各數(shù)據(jù)層阻力值

2.4 城市土地利用變化的模擬

結(jié)合未來(lái)土地利用空間格局變化的模擬,可以研究城市化過(guò)程對(duì)區(qū)域生境網(wǎng)絡(luò)和景觀連接度的影響。本研究選用CLUE-S模型(https://www.environmentalgeography.nl/site/)進(jìn)行研究區(qū)土地利用類型變化的模擬,該模型能夠在小尺度上綜合驅(qū)動(dòng)因素和土地利用演變特征,預(yù)測(cè)土地利用變化并識(shí)別變化的熱點(diǎn)地區(qū)[35—36]。模型以兩個(gè)假設(shè)為前提條件,一是模擬區(qū)域內(nèi)土地利用和覆蓋明顯受到土地需求的驅(qū)動(dòng)；二是研究區(qū)域內(nèi)的土地需求、自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況總是與土地利用空間格局保持動(dòng)態(tài)平衡。基于上述假設(shè)條件,CLUE-S模型將土地需求結(jié)果進(jìn)行空間分配[37],實(shí)現(xiàn)不同地類之間的相互轉(zhuǎn)化。

模型的輸入數(shù)據(jù)包括模擬范圍、驅(qū)動(dòng)因子和各類土地利用類型的需求量。本研究以研究區(qū)作為模擬范圍,生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)區(qū)域設(shè)置為限制區(qū)域,其土地利用類型不會(huì)改變。以2010和2020年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),考慮移除生境斑塊的需求,線性模擬獲取各類土地利用類型的需求量。采用DEM、坡度、距河流距離、距主要道路距離、距居民地距離作為驅(qū)動(dòng)因子,運(yùn)用SPSS軟件中二元Logistic回歸模型計(jì)算各地類與驅(qū)動(dòng)因子之間的相關(guān)系數(shù)。

2.5 生境變化情景的設(shè)計(jì)

城市生境斑塊容易受到人類活動(dòng)干擾和城市化擴(kuò)展過(guò)程的影響,本研究分析從整個(gè)生境網(wǎng)絡(luò)中移除部分斑塊對(duì)整體景觀連接度的影響。本研究設(shè)計(jì)了三種生境變化情景[23],潛在生境斑塊在不同生境變化情景中將以不同的順序從生境網(wǎng)絡(luò)中移除,核心生境斑塊不移除。情景1,將潛在生境斑塊按面積升序依次單獨(dú)移除,每次都基于原始的生境網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)移除某一個(gè)斑塊。情景2,將潛在生境斑塊按面積升序連續(xù)移除,每次基于上一次移除斑塊后的新生境網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)上述單獨(dú)和連續(xù)移除斑塊的兩個(gè)情景用以識(shí)別生境網(wǎng)絡(luò)中能夠顯著提升景觀連接度的生境斑塊。情景3,依據(jù)城市土地利用變化模擬的結(jié)果判斷潛在生境斑塊的移除順序并將其連續(xù)移除。將2020年和模擬結(jié)果的生境斑塊對(duì)應(yīng),計(jì)算每個(gè)斑塊面積的變化率ri,根據(jù)變化率由大到小的順序決定斑塊移除先后順序。其中未來(lái)消失的斑塊先移除,面積小的斑塊優(yōu)先移除,與大斑塊合并的小斑塊不移除。斑塊面積變化率計(jì)算公式如下：

(5)

3 結(jié)果

對(duì)于全部三個(gè)生境變化情景,PC值所表征的景觀連接度隨著物種遷移距離的增加而增大(圖3)。因?yàn)檫w移能力越強(qiáng)的物種越容易通過(guò)其他斑塊和斑塊間連接路徑實(shí)現(xiàn)遷移過(guò)程,達(dá)到兩個(gè)動(dòng)物的相遇。物種遷移距離由8km增加至10km時(shí)PC值增加0.0048,由1km增加至8km時(shí)PC值增加0.0060,前者的單位距離PC值增加量遠(yuǎn)大于后者,說(shuō)明對(duì)于相同的景觀格局變化,物種遷移距離為8—10km的景觀連接度變化更大。

圖3 三種生境變化情景下生境網(wǎng)絡(luò)景觀連接度變化Fig.3 Changes of landscape connectivity of habitat networks under three different habitat change scenarios景觀連接度變化包括連接概率指數(shù)PC和網(wǎng)絡(luò)連接度變化率dI；情景1為斑塊依面積由小到大逐個(gè)單獨(dú)移除,情景2為斑塊依面積由小到大連續(xù)移除,情景3為通過(guò)模擬該城市的未來(lái)土地利用變化順序移除斑塊

dI值隨著物種遷移距離的增加而增大。全部三個(gè)生境變化情景中,物種遷移距離為1km時(shí)的dI值很小,對(duì)于全部潛在生境斑塊dI值均接近零；物種遷移距離為8—10km時(shí),dI值因斑塊特征而異(圖3),且斑塊dI值越高其dI值受物種遷移距離變化的影響越大。說(shuō)明物種遷移距離為1km時(shí)潛在生境斑塊的移除對(duì)景觀連接度幾乎沒(méi)有影響,物種遷移距離為8—10km時(shí)關(guān)鍵的潛在生境斑塊則對(duì)維持景觀連接度有重要意義。

除了物種遷移距離為1km時(shí)PC值在0.16附近極小幅浮動(dòng)而看不出顯著變化趨勢(shì)外,三種生境變化情景下PC值的變化特征差異均較為明顯(圖3)。單獨(dú)移除斑塊的情景1表明,相對(duì)核心生境斑塊所確定的PC值基數(shù),每個(gè)潛在生境斑塊對(duì)PC值的貢獻(xiàn)量很小,均小于0.27%,這與研究區(qū)景觀格局特征有關(guān)。對(duì)比生境變化情境1和情景2下PC值的變化,可知即使單個(gè)斑塊的損失對(duì)于景觀連接度影響較小,但生境斑塊的連續(xù)損失對(duì)景觀連接度仍然具有較大影響,且該影響隨著連續(xù)損失斑塊面積的增大而增大。連續(xù)移除斑塊的情景2和情景3顯示潛在生境斑塊移除順序的差異會(huì)影響PC值減小的速度。情景2中PC值隨累計(jì)移除生境斑塊數(shù)量增加而平緩降低,PC值最后因移除較大面積潛在斑塊而迅速降低；情景3中PC值則在某些斑塊被移除后有相對(duì)明顯的突然降低。

將不同生境變化情景下dI值按降序排列,結(jié)合dI值整體變化規(guī)律,選取前10%的斑塊作為對(duì)整個(gè)生境網(wǎng)絡(luò)的景觀連接度有顯著貢獻(xiàn)的生境斑塊。情景1和情景2中1、68—74號(hào)斑塊具有顯著貢獻(xiàn),情景3中1、4、59、62、68—72號(hào)斑塊具有顯著貢獻(xiàn),這些潛在生境斑塊需要重點(diǎn)保護(hù)(圖4),其中59、69號(hào)斑塊只在物種遷移距離為1km時(shí)有顯著貢獻(xiàn),1、62號(hào)斑塊在物種遷移距離為8、10km時(shí)才有顯著貢獻(xiàn)。核心生境斑塊對(duì)景觀連接度的貢獻(xiàn)顯著高于潛在生境斑塊的貢獻(xiàn),但延慶區(qū)內(nèi)面積占比達(dá)53.30%的核心斑塊沒(méi)有被劃入當(dāng)前生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi),因此生態(tài)保護(hù)紅線外的核心斑塊區(qū)域同樣需要注意保護(hù)。

4 討論

4.1 生境斑塊的dI值特征及其對(duì)景觀連接度的貢獻(xiàn)

生境斑塊的dI值大小與斑塊面積和其所在生境網(wǎng)絡(luò)的位置有關(guān),面積大的斑塊或在網(wǎng)絡(luò)中位于關(guān)鍵位置的斑塊均對(duì)景觀連接度有較大貢獻(xiàn)。由結(jié)果可知,生境中面積較大的核心生境斑塊雖然數(shù)量?jī)H占5%,但維持了生境網(wǎng)絡(luò)98%左右的景觀連接度,表明大中型斑塊對(duì)于維護(hù)景觀連接度水平具有極重要的意義,這與前人研究結(jié)果一致[20,38]。此外,選擇三種生境變化情景下dI值最高的前10個(gè)斑塊(表4)分析它們所具有的特征,68—74號(hào)斑塊均為研究區(qū)中面積較大的潛在生境斑塊,因此其對(duì)景觀連接度的貢獻(xiàn)也相對(duì)較高。dI值排名第一位的1號(hào)斑塊為研究區(qū)內(nèi)面積最小的潛在生境斑塊,其他部分面積較小的斑塊也具有較高的dI值,原因可能是這些斑塊與核心生境斑塊的距離較近,且處于整個(gè)生境網(wǎng)絡(luò)相對(duì)中心的位置。這也反映了位于關(guān)鍵位置的小型斑塊對(duì)于維護(hù)生境網(wǎng)絡(luò)景觀連接度的重要性[39]。

4.2 不同遷移能力的物種對(duì)景觀連接度的響應(yīng)

景觀格局變化對(duì)不同遷移能力物種有明顯不同的影響,應(yīng)針對(duì)生境中保護(hù)物種的需要制定相應(yīng)的保護(hù)方案。本研究中物種遷移距離為1km時(shí),單獨(dú)和連續(xù)移除潛在生境斑塊的情景對(duì)景觀連接度都幾乎沒(méi)有影響,核心生境斑塊的特征決定了其生境景觀連接度大小。因此保護(hù)遷移能力非常弱的物種時(shí),應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)該物種集中分布的生境斑塊,尤其應(yīng)避免核心斑塊中位于生態(tài)保護(hù)紅線外的區(qū)域發(fā)生破碎化。對(duì)比物種遷移距離為8km和10km時(shí)的PC值變化,遷移能力更強(qiáng)的物種對(duì)移除相同生境斑塊的響應(yīng)更明顯,其對(duì)景觀格局變化更敏感。遷移能力越強(qiáng),通過(guò)踏腳石進(jìn)行遠(yuǎn)距離遷移的可能性越高,則潛在生境斑塊的損失對(duì)其影響越大。保護(hù)遷移能力較強(qiáng)的物種時(shí),應(yīng)保護(hù)對(duì)景觀連接度具有顯著貢獻(xiàn)的潛在生境斑塊,同時(shí)應(yīng)注意緩解城市道路的障礙效應(yīng)對(duì)物種遷移的阻礙[40]。

表4 三種生境變化情景下dI值較高斑塊的特征

4.3 生境特征對(duì)生境保護(hù)的影響

本研究選取的生境中以大中型的核心生境斑塊為主,小型潛在生境斑塊質(zhì)量較小且破碎化程度高。全部潛在生境斑塊對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的景觀連接度有最大2.15%的影響,單獨(dú)斑塊對(duì)景觀連接度有最大0.28%的影響,因而小型斑塊對(duì)維護(hù)生境的景觀連接度仍然具有一定貢獻(xiàn)。因此,本研究通過(guò)綜合評(píng)價(jià)不同情境下各生境斑塊的相對(duì)重要性,確定了需要著重保護(hù)的關(guān)鍵斑塊,即重點(diǎn)保護(hù)大中型核心生境斑塊和個(gè)別對(duì)景觀連接度有顯著貢獻(xiàn)的小型潛在生境斑塊(圖4)。在本研究區(qū)中,大部分應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)的生境斑塊還未歸入已劃定的生態(tài)紅線范圍內(nèi),其中包括核心生境斑塊的大部分區(qū)域,未來(lái)城市規(guī)劃者應(yīng)注意避免城市建筑、道路等的建設(shè)對(duì)這些區(qū)域的侵占、切割和破碎化。

不同生境中斑塊的特征可能存在較大的差異,因此需要采取不同的保護(hù)措施。對(duì)于生境中大中型生境斑塊占據(jù)面積較大、位置集中的地區(qū),應(yīng)該重點(diǎn)保護(hù)大中型生境斑塊,此外還要根據(jù)斑塊特征,識(shí)別位于生境網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵位置且易被破壞的重要小型生境斑塊[41]。除了關(guān)注生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)的核心生境,還應(yīng)該關(guān)注生態(tài)保護(hù)區(qū)外對(duì)于物種遷徙和景觀連接度有重要作用的潛在生境斑塊及生態(tài)廊道[42],針對(duì)不同生境和物種的需要因地制宜地采取保護(hù)措施,以達(dá)到生態(tài)保護(hù)投入和生物多樣性保護(hù)效率協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4.4 城市化擴(kuò)展對(duì)景觀連接度的影響

城市化擴(kuò)展過(guò)程使得適合動(dòng)植物生存的生境逐漸被建筑物、水泥路面等城市基礎(chǔ)設(shè)施替代,導(dǎo)致生境破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重并影響到生物體遷移等生態(tài)過(guò)程[43]。對(duì)比情景2和情景3下PC值變化特征,可知對(duì)景觀連接度有顯著貢獻(xiàn)的生境斑塊如因城市化擴(kuò)展過(guò)程被較早移除,景觀連接度下降迅速。對(duì)比三種不同情境下dI值的變化,發(fā)現(xiàn)情境1和情景2下對(duì)景觀連接度貢獻(xiàn)較大的生境斑塊高度重合,都為1、68—74號(hào)斑塊；但情境3下對(duì)景觀連接度貢獻(xiàn)較大的生境斑塊與前兩個(gè)情景不同,為1、4、59、62、68—72號(hào)斑塊。相較于僅考慮生境斑塊特征的情景,增加考慮城市化擴(kuò)展情景能更好地識(shí)別對(duì)生境網(wǎng)絡(luò)景觀連接度具有顯著貢獻(xiàn)的生境斑塊,這些斑塊應(yīng)給予優(yōu)先保護(hù),如情景3識(shí)別出的重點(diǎn)保護(hù)生境斑塊。另外,對(duì)比《延慶分區(qū)規(guī)劃(國(guó)土空間規(guī)劃)(2017—2035年)》中的國(guó)土空間規(guī)劃分區(qū),68和72號(hào)重點(diǎn)保護(hù)的潛在生境斑塊毗鄰規(guī)劃的城鎮(zhèn)建設(shè)用地區(qū)域,上述兩個(gè)生境斑塊更易在未來(lái)城市擴(kuò)展過(guò)程中破碎化或損失,應(yīng)著重保護(hù)。

4.5 本研究不足之處

本研究選取生境斑塊質(zhì)心到質(zhì)心的最小耗費(fèi)路徑長(zhǎng)度作為PC指數(shù)計(jì)算的參數(shù),但對(duì)于研究區(qū)內(nèi)面積較大的生境斑塊,生物從鄰近生境斑塊遷移至大斑塊邊緣的成本距離遠(yuǎn)小于遷移至斑塊質(zhì)心的成本距離,使得計(jì)算出的成本距離與實(shí)際情況間存在偏差。另一方面,本研究基于多因素賦值確定生境阻力面,實(shí)踐中應(yīng)基于受保護(hù)物種的觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建阻力值方案。由于受數(shù)據(jù)可獲取性等限制,本文結(jié)合文獻(xiàn)資料設(shè)置阻力值,存在一定主觀性[44],可以通過(guò)構(gòu)建多條最小耗費(fèi)路徑來(lái)劃定受保護(hù)物種可能的移動(dòng)區(qū)域[45],以降低經(jīng)驗(yàn)賦值的不確定性。此外,國(guó)土空間規(guī)劃政策可以改變城市未來(lái)空間形態(tài)、改變特定區(qū)域土地利用變化的方向,有研究表明考慮國(guó)土空間規(guī)劃政策的城市空間形態(tài)模擬在中長(zhǎng)期尺度上具有更高的現(xiàn)實(shí)性和精度[46]。進(jìn)行未來(lái)土地利用變化模擬時(shí),可以增加對(duì)研究區(qū)國(guó)土空間規(guī)劃的參考。這些研究不足將在以后的研究中進(jìn)行改進(jìn)和完善。

5 結(jié)論

城市化過(guò)程導(dǎo)致的城市生境斑塊破碎化和損失可能降低生境網(wǎng)絡(luò)的景觀連接度,不利于物種遷移及生物多樣性的保護(hù)。本研究關(guān)注生態(tài)保護(hù)區(qū)外的生境斑塊,基于圖論構(gòu)建生境網(wǎng)絡(luò),選取景觀連接度指數(shù)PC和dI,結(jié)合未來(lái)土地利用變化模擬設(shè)計(jì)三種生境變化情景,基于生境變化情景進(jìn)行生境網(wǎng)絡(luò)景觀連接度和生境斑塊重要性的評(píng)價(jià)。本研究識(shí)別出了對(duì)生境網(wǎng)絡(luò)景觀連接度具有顯著貢獻(xiàn)的各類生境斑塊。景觀格局變化對(duì)不同遷移能力的物種可能產(chǎn)生顯著差異性的影響,本研究中不同生境變化情景下生境網(wǎng)絡(luò)景觀連接度的變化特征差異明顯。在實(shí)際工作中,應(yīng)同時(shí)考慮生境斑塊本身特征、各類生境斑塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)景觀連接度的貢獻(xiàn)和城市化擴(kuò)展過(guò)程的壓力制定適宜的生境斑塊管理措施,以最大程度地提高資源利用效率和保護(hù)生物多樣性。本研究的結(jié)果可為城市生物多樣性保護(hù)和城市土地利用管理和規(guī)劃提供科學(xué)支撐。