1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金项目()收稿日期:通讯作者 .:.:./李权荃金晓斌张晓琳韩博李寒冰周寅康.基于景观生态学原理的生态网络构建方法比较与评价.生态学报().()基于景观生态学原理的生态网络构建方法比较与评价李权荃金晓斌张晓琳韩 博李寒冰周寅康 南京大学地理与海洋科学学院南京 自然资源部海岸带开发与保护重点实验室南京 江苏省土地开发整理技术工程中心南京 摘要:构建良好的生态网络是国土空间生态修复的重要内容对保障区域生态安全提高景观连通性、保护生物多样性具有重要意义 基于景观生态学原理遵循“生态源地识别综合阻力面构建生态网络生成”基本模式构建区域生态网
2、络是相关研究的主流做法 但该模式内部各环节所依赖的理论基础差异较大相应的细化思路方法多元考虑到尺度特征和景观的空间异质性综合评估不同方法组合下研究结果的差异对深化原理认知和有效指导实践都具有重要意义 考虑到采用景观生态学原理构建生态网络中各环节技术方法的差异性本研究选取生态源地识别的 种方法、综合阻力面构建的 种方法以及生态网络生成的 种方法分别基于最小累积阻力模型和电路理论对比两个视角通过方法组合形成相应的生态网络并进行对比分析 研究结果表明:()由于原理差异各环节下不同方法的分析结果具有显著差异主要表现在生态源地的数量、面积和空间分布阻力面高阻力值分布状况以及生态廊道、生态节点的数量与格局
3、特征等方面()在基于最小累积阻力模型原理的对比方案中构建包含 指数、整体连通性指数、可能连通性指数 、成本比 、网络密度 、效能鲁棒性 和廊道密度 等 个指标的评价体系对该方案下的 个生态网络结果进行评价最终基于综合评价法生成的生态源地、基于阻力系数结合夜间灯光修正因子构建的综合阻力面和基于 软件生成的生态网络方法组合方式构建的生态网络最优()在基于电路理论与基于最小累积阻力模型的对比方案中基于电路理论可以识别出潜在生态廊道和用于替代最小成本路径生态廊道的结果对基于最小累积阻力模型方法生成的结果具有较好的补充作用将两个方法结合使用可以有效提高生态网络安全等级关键词:生态网络景观生态学景观连通性
4、最小累积阻力模型电路理论方法对比 PL D C T :.“”.网络首发时间：2022-10-14 08:42:28网络首发地址：https:/ 通过国土空间布局优化和国土空间生态修复来改善生态环境提升生态系统稳定性促进人与自然和谐共生保障生态安全推动可持续发展是我国生态文明建设的重要内容 长期以来随着城市化和工业化的快速推进高强度的国土开发利用活动造成部分区域生态环境退化物种栖息地丧失景观破碎化程度严重影响物种迁移和交流导致生物多样性降低 生物多样性关乎人类福祉 年联合国环境与发展大会通过生物多样性公约至今已有 个缔约方 中国一直致力于加强自然保护地体系建设保护地总面积达到国土陆域面积的 自然
5、保护地在生物多样性保护方面发挥了巨大的作用 生态网络是指由核心生境斑块以及用于连接它们的生态廊道构成的系统通过建立、恢复和维持生态廊道进而保护系统中破碎化的生物多样性来发挥作用 研究表明生态网络将破碎的生境斑块连接起来促进生态流流动有利于保持生态系统的功能构建生态网络比增加孤立的保护区或者扩大自然生境的规模更具有长远意义也能更好应对气候变化 国民经济和社会发展第十四个五年规划和 年远景目标纲要提出我国将构筑生物多样性保护网络 各省在编制国土空间生态修复规划过程中也将构建生态网络作为生态修复的一个重要内容 然而不同区域面临的生态环境问题具有显著差异不同空间尺度的生态网络也难以采用统一的构建体系而
6、且基于不同原理和视角研究构建的生态网络复杂多样生态网络构建的效果缺乏统一的评判标准这为深化生态网络构建的理论与方法研究提出了新的要求生态网络、生物多样性保护网络、生态保护网络的内涵接近都是指通过识别对于生态过程起到保护作用的关键要素构建起网络提升整体景观连通性形成有利于物种迁移与生态流传播扩散等生态过程保护恢复破碎的物种栖息地从而改善区域生态环境质量进而使生态系统可持续稳定发挥作用的生态安全格局生态网络是将景观要素、空间格局与区域生态安全联系起来的桥梁与窗口近年来成为地理学和景观生态学的热点研究方向国内外学者从土地利用与规划、景观生态学、岛屿生物地理学等学科视角围绕生态廊道、生态安全格局和生态
7、网络构建及优化等开展了大量研究 景观生态学家认为景观空间格局与生生 态 学 报 卷:/.态系统过程紧密联系两者都为维持生态系统过程进而保护生物多样性等生态系统服务功能最终实现保障区域生态安全加强生态网络建设有利于生态安全格局的构建 当前基于景观生态学原理遵循“生态源地识别综合阻力面构建生态网络生成”基本模式构建区域生态网络是较为普遍的做法 在这一基本模式下学者们尝试运用基于最小累积阻力模型、电路理论、图论等具体手段进行生态网络构建并将景观连通性评价、景观格局分析、生态系统服务功能或价值以及生境质量评价等研究与生态网络构建过程中的具体分析环节加以融合使生态网络构建的细化思路日益丰富 也有学者通过
8、算法以生态网络组成要素为重点内容深化研究如对生态节点提取方法进行优化或对生态廊道宽度进行界定 然而空间尺度和景观异质性决定了一定空间范围下特定区域生态网络构建宜采用的方法应根据不同方法适用条件进行遴选但当前对于生态网络构建方法比较、评价以及据此进行的适用性分析尚不多见长江下游平原区河湖众多水网密布交错的水网在带来丰富生物资源和优良生态环境的同时也一定程度上降低了区域景观连通性破碎的生境斑块对物种迁移等生态过程和生态流流动产生了阻碍加之城市用地快速扩张对生态用地生态服务功能的正常维持与保护构成威胁 基于此背景本研究选取常州市金坛区为研究区将基于“生态源地识别综合阻力面构建生态网络生成”构建生态网
9、络基本模式中各技术环节中的多种主流方法进行组合比较和对比分析希冀得到适用于该研究区尺度及生境特征的生态网络构建模式并为相关规划实践提供思路借鉴从而依托更适宜的生态网络构建实现区域国土空间布局优化 基于景观生态学原理的生态网络构建基本模式.模式解析景观生态学是于 世纪 年代形成的地理学和生态学之间的交叉学科空间异质性和尺度性是该学科的重要特征 生态网络是耦合景观生态学中景观结构、生态过程和生态系统服务的重要途径 景观中各点及其组成部分在单一生态过程中发挥的作用并不相同通过识别某些关键位置、要素及其特定空间相互关系形成的特定格局构建生态网络有利于保护生态过程当前生态网络构建方法体系已日趋成熟已形成
10、基于景观生态学“斑块廊道基质”理论通过“生态源地识别综合阻力面构建生态网络生成”构建区域生态网络的基本模式 其中:生态源地 其理论基础是“源汇”理论最初指可以作为物种扩散和维持源头的现存自然栖息地随着关于生态网络构建相关研究不断深入其内涵扩展为可以提供重要生态系统服务、综合生境质量高的斑块 根据景观生态学生境多样性原理斑块面积与生境多样性呈正比关系因而通常生态源地应具有一定规模 综合阻力面 其是景观阻力的空间分布表面 景观阻力最早由 提出其内涵可总结为物种、物质或能量等在空间中流动扩散受到的阻碍作用这种阻力可能来源于所处自然环境变化或者人类活动的影响不同景观类型的阻力值具有较明显差异 物种能否
11、成功地从一个源地到达目标源地取决于能否跨越源地之间的阻力距离即由物种穿过路径中的每一点对于物种穿越的既定景观阻力值累加形成的累积阻力距离 计算该距离需要综合阻力面故构建综合阻力面是提取生态网络组分(生态廊道、生态节点)的基础也是保证生态网络实现景观功能连通和生态保护的关键 生态廊道 其是景观中生态流流动扩散的载体提取并建设生态廊道可以有效保持或恢复景观连通性 就保护物种迁移通道作用而言生态廊道应尽可能覆盖物种在生态源地之间迁移时可能穿过的路径因而需要分析物种在源地间的运动过程以综合阻力面为基础数据模拟物种在景观中迁移时的决策行为即如何选择穿行的路径 至此由生态源地、基于综合阻力面提取的生态廊道
12、与生态节点共同组成了可以保护物种迁移这一生态过程、促进生态流流动的生态网络.基本模式下的各环节常用方法随着生态网络研究日渐深入学者们将形态学、景观生态学、图论等众多学科背景下的方法融入生态网络构建的相关核心环节中表 介绍了生态网络构建基本模式“生态源地识别综合阻力面构建生态网络生成”中各环节的常用方法及原理 期 李权荃 等:基于景观生态学原理的生态网络构建方法比较与评价:/.表 生态网络构建基本模式下的各环节常用方法 步骤 方法 原理 生态源地识别()()形态 学 空 间 格 局 分 析()基于形态学空间格局分析()识别生态源地可从像元尺度识别对提升区域景观连通性具有重要影响的景观要素借助算法
13、基于土地利用数据可生成核心区、孤岛、孔隙、边缘区、环道区、桥接区、支线等 种景观要素 其中核心区是较大的生境斑块可以为物种提供栖息地和迁移空间并作为生态网络中的生态源地粒度反推法()粒度是景观生态学中的尺度表达形式空间粒度指景观中最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积(如样方、像元等)粒度反推法采用不同粒度栅格表征不同生境斑块结构基于选取的景观格局指数通过综合连通性评价确定最佳生态景观组分结构将结果返回即反推至所对应栅格作为生态源地 在粒度反推的过程中随着粒度不断增大规模小且零散分布的斑块逐渐被剔除相距较近但不连续的斑块逐渐被合并成更大规模的斑块基于生态系统服务价值重构()当量因子法是进行
14、生态系统服务价值核算采用的主流方法其通过结合中国实际构建单位面积价值当量因子表进行核算 该方法因对数据需求较少、评估相对全面被广泛采用但由于生态系统服务的空间异质性以及其类型对于特定区域重要性的差异该方法需进一步修正才能用于识别生态源地 吴健生等提出了生态系统服务价值重构方法其采用基于多年平均变化率的生态系统服务价值重要性指数和基于表征生态系统服务关键指标空间聚集程度的空间丰富度指数对以当量因子法计算的静态生态系统服务价值进行重构评价结果可作为识别生态源地的依据综合评价法()考虑到生态源地内涵及其作用从生态系统服务重要性、生境敏感性和景观连通性三方面对生境质量进行综合评价根据评价结果对生态源地
15、进行提取 其中:生态系统服务重要性是从人类对于生态系统的需求出发重要性越高越有必要被提取为生态源地多借助 模型进行评估生境敏感性指生态系统在外界环境变化、受到人为扰动时产生失衡等生态问题的可能性可借助综合敏感性指数进行评价景观连通性主要评判生态系统结构状况是否利于生态流在生境斑块间流动一般采用基于图论的斑块重要性指数进行评价最后根据加权叠加结果作为生态源地识别依据综合阻力面构建()()基于阻力系数与修正因子()主要根据景观阻力的影响因素并考虑人类活动对物种迁移、生态流流动的干扰作用构建阻力因子评价体系 不同用地景观类型对物种、物质扩散影响差异巨大阻力值主要取决于景观类型受人为干扰程度以及关键物
16、种迁移难度 植被覆盖状况一般采用植被归一化指数 表征可在一定程度反映生境质量地形因素(高程、坡度等)也是影响景观阻力的重要方面人类活动强度是影响某景观对物种迁移阻碍作用大小的重要因素利用夜间灯光数据对用地景观类型阻力因子结果进行修正得到最终阻力面的做法被广泛采用基于 生 态 安 全 指 数 和()从生态环境本底特性和所受潜在威胁出发构建生态安全指数 常用的生态安全约束因子包括高程、坡度、景观类型、植被覆盖度、距水体距离、距道路距离、距居民点距离等结合各生态安全约束因子通过空间主成分分析()、多因子综合评价等方法对特定区域生态安全等级进行评定和等级划分依据生态安全指数评价空间分布结果构建综合阻力面生态网络生成()()最小累积阻力模型最小累积阻力模型()以阻力距离度量区域的景观连通性通过计算物种由生态源地扩散至空间某点的最小累积阻力实现景观模拟及廊道提取 以此理念为支撑一系列软件工具被引入景观连通性、生态网络构建等相关研究包括 软件的 工具、软件以及 工具箱 模块和 工具箱等 这些工具可以提取生态源地之间符合最小成本路径特征的生态廊道部分工具还可用于景观连通性分析电路理论电路理论基于电流随