大庆市湿地生态网络的构建与优化研究

许庆，田宇，胡远东，刘炳熙，郭迎皓

(1.东北林业大学园林学院；2.黑龙江省寒区园林植物种质资源开发与景观生态修复重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；3.七台河市园林事业发展中心，七台河 154600)

具有“百湖之城”美誉的大庆市，湿地面积占据市域面积的12.7%，湿地成为大庆城市生态系统的重要组成部分和动植物栖息的主要场所.伴随城市化进程的加快，大庆市湿地生态网络连接度不断下降，景观破碎化日益严重.目前学者的研究大多是基于湿地生态环境的理化性质以及生物多样性调查方面[1-7]，而对通过加强生态系统的空间结构、保护生态系统功能及过程的研究相对较少.肖笃宁在《环渤海三角洲湿地的景观生态学研究》一书中对湿地生态学已有较为详尽的研究[5].本研究以大庆市湿地景观为研究对象，就如何识别出湿地景观破碎化区域生态源地与结构性连接廊道，如何量化评价生态源地以及结构性廊道的相对重要性程度，如何利用当前湿地景观资源更好地优化湿地生态网络3个问题进行了研究，以期为大庆市湿地网络构建提供参考，同时也为其他区域湿地生态网络的构建提供方法借鉴.

图1 大庆地理位置图Figure 1 Daqing location map

1 研究区概况

大庆市位于松嫩平原中部，松辽盆地中央坳陷区北部，黑龙江省西部，地处哈大齐经济带中心，是我国著名的石油工业工程和典型的资源型城市.本文以大庆市市域为研究范围，下辖萨尔图区、让胡路区、龙凤区、红岗区、大同区5个区，总面积21 170.792 km2，其中湖泊与湿地面积2 561.60 km2[21].随着人类农业开垦、城市建设等干扰活动的加剧，大庆市湿地资源遭到了严重破坏.

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

遥感影像数据主要是由中国科学院提供的2018年大庆市OLI遥感影像，通过投影校对转换以及地理配准后，经非监督解译与监督解译共同处理，依据国家标准《土地利用现状分类》GB/T 21010-2017结合本文研究的目的，将大庆市土地覆盖类型分为：草地、耕地、水域、林地、未利用地以及建设性用地5大类.将上述数据统一于投影坐标：WGS-TUM-1984-Zone-51N，并在ArcGIS 10.5数据库中导出像元栅格为30 m×30 m数据(图2).

2.2 研究方法

2.2.1 大庆市域湿地景观格局分析 基于研究大庆市市域范围的土地利用图，对湿地景观组分进行划分，采用MSPA方法将栅格化后湿地景观地理数据分为7类不同空间属性的栅格数据，包括：核心区、桥连区、岛状斑块、边缘区、环道区、支线、空隙，每一类区域均具有其各自的景观生态学意义(表1).根据其工作原理(图3)需要将栅格数据在进行MSPA方法分析前，先运用GIS对栅格数据进行二值化处理，形成前景与背景.经MSPA方法分析后，可得出湿地景观不同生态学功能的景观要素覆盖情况.

图3 Guidos处理数据原理Figure 3 Guidos processing data principle

表1 MSPA的湿地景观组分、定义及生态学意义

2.2.2 生源地连接度评价方法 生态网络景观连接度的研究方法主要是运用景观指数分析法对生态网络进行定量评价，通过景观指数变化对景观格局进行描述[8].目前，对于生态网络研究一般选用整体连通性连接度指数(IIC)、可能连通性连接度指数(PC)以及斑块重要性指数(dPC)作为网络连接度评价指标，3个景观指数能够较好地反映斑块的重要程度以及研究区域内的斑块间连接程度，从而对当前景观格局与功能在定量研究中得以良好的呈现.

(1)

(2)

(3)

公式中：n表示研究范围内斑块总数；ai与aj分别表示斑块i与斑块j的面积；AL表示研究斑块的总体面积；nlij表示斑块i与斑块j之间的连接长度；PC表示某一景观的景观连接度指数；PCij*表示斑块i与斑块j之间物种扩散的最大可能性；PCremove表示将随机斑块i剔除后的景观连接度.

2.2.3 基于最小路径方法的生态网络构建 最短成本路径是获取从一个“源”或一组“源”地出发，到达一个“汇”或一组“汇”即目标地的最短直线路径或最小成本路径(公式4).通过MSPA以及核心斑块权重分析，确定生态源后，最小成本路径由建立在GIS中的Spatial Analyst中的Distance分析中的Cost Weighted工具完成，通过分析可以找到有利于物种扩散、能量流动以及信息传递通达性潜在路线， 能够有效模拟生物在研究区域运动的趋向性.

(4)

式中：MCR为最小成本值；Dij表示从原点j到空间单元i的空间距离；Ri表示空间单元i的阻力系数.

参考国内外研究成果，以及MSPA分析结果[9-17]，确定各个土地利用类型的景观阻力值，景观阻力值表示物种扩散过程中穿越斑块的难易程度，阻力值越大，表示物种越难穿越斑块.根据不同景观类型对于物种的扩散阻力大小，分别赋以不同的阻力值(表4).基于重力模型构建了生态源地的相互作用相关矩阵，以得到廊道的重要程度总体分布，重力模型公式如下：

(5)

式中：Tij代表区域内i产生的吸引力到j上的作用强度；Pi为斑块i的整体阻力值；Pj为斑块j的整体阻力值；Si为斑块i的面积；Sj为斑块j的面积；Lmax表示从斑块i到斑块j的最大阻力值；Lij为斑块i与斑块j潜在廊道的积累阻力值.

表2 阻力因子分级赋值

3 结果与分析

3.1 湿地景观要素空间分布

通过MSPA分析得到的湿地景观生态功能不同的景观要素空间分布，以及面积数值占比(表3、图4)，并识别出适宜作为生物栖息的湿地斑块.其中核心斑块面积为240 399.512 km2，核心斑块作为生物栖息的主要场所，占湿地斑块总面积93.848%.主要核心斑块分布于大庆市西部以及西南部，形成两个次级湿地斑块组团.西部组团空间连通性较好，组团内连通性较好，而南部组团空间分布较为分散.东部与北部则分布较少且核心斑块连通性较差；桥连接区域作为廊道或潜在廊道的重要组成部分，对于生物在湿地内的迁徙运动具有重要意义，在研究区域区所占比仅为0.01%，由此可见生物廊道受到破坏性较大，且较为分散，这对于物种在栖息地扩散十分不利；边缘区与空隙面积分别占湿地总面积4.992%、0.460%，其二者作为同一个斑块边缘的不同区域，或为不同斑块间的生态交错带的重要组成部分，都是边缘效应重要区域，有利于异质种群的生存，但其破碎程度较为严重，很难满足物种的栖息；岛状斑块可作为生物在不同斑块间运动的踏脚石斑块，并可以作为生态网络构建的生态战略点，占湿地总面积0.211%；支线具有一定的连通性，是生物向外扩散的途径，占湿地面积的0.401%，而环道区则为物种在单个斑块内的运动提供捷径，仅15.924 km2，由此可见湿地斑块间的连接较差，破碎程度较高.

表3 MSPA分类统计表

图4 Duidos分类结果图Figure 4 Duidos classification results

3.2 景观连通性指数

通过MSPA方法分析得到湿地景观要素空间分布状况以及生态源地，进一步运用软件Conefor2.6对湿地景观要素的景观连通性指数重要值进行评价,选取重要值大于1的斑块作为核心斑块[9-17](表4).但是根据实际情况，依据《大庆市湿地资源保护规划》，生态网络中存在重要性偏低，但需要保护的湿地斑块，如乌拉哈达水库、石人沟大型人工水产养殖、林甸温泉湿地等6处次要保护性湿地斑块，这些湿地斑块对大庆城市生产、生活以及生态功能具有重要意义，所以将其视为次要生态源斑块,在表4中编号10～16.因此，大庆市湿地生态源地核心斑块分布如图5所示.

图5 生态源地核心斑块分布图Figure 5 Distribution of core plaques in the source area

依据图5，斑块整体分布为西部与南部两个组团.西部区域为主，核心斑块数量较多，面积较大，聚集性较强，空间环通度与连通性均较好，有利于区域范围内湿地物种多样性的保持，但一般性湿地斑块较少，一般性湿地斑块是踏脚石的重要选择对象，能够为生物迁徙提供栖息场所.西部区域一般性湿地斑块数量过少，使得核心湿地组团与外界的隔离程度加强，这并不利于核心斑块内的生物种群的迁入与迁出，以及物种间的信息交流；西南部组团为辅，生源性湿地斑块分布较为分散且数量较少，空间连通性较弱，一般性湿地斑块数量相对西部组团较多，有利于物种的扩散.

从湿地斑块整体角度来看，西部与南部两个次级生态网络之间缺少生态廊道的连接，空间连通性较弱，这必将影响湿地生态网络功能的连通性.

表4 核心区(源地)景观连通性指数重要值表

3.3 生态网络构建

由图5运用最小阻力模型进行潜在生态廊道模拟，生成潜在廊道分布图(图6),并进一步基于重力模型生成斑块间相互作用矩阵(表5)，得到潜在廊道重要程度.由表5可知，生源斑块8与生源斑块9之间相互作用最强，表明生源斑块8与生源斑块9之间的生态廊道景观阻力较小，更有利于物种迁徙，在此廊道沿线分布的生境斑块更有利于生物栖息.因此应加强斑块8与斑块9之间空间与功能连通性.在未来城市建设中应该严格控制建设范围，并对湿地之间连通性进行保护.同时图表中斑块12与斑块13之间相互作用为空值，表明斑块12与斑块13的景观阻力较大，景观连通性较弱.从图1、图4可知，斑块12处于西部与南部两个生源斑块组团之间的脆弱带，而斑块13位于大庆市的东部，周边均为城市建设性用地，不利于物种间迁徙.因此在未来进行生态规划时，需加强生源斑块12与生源斑块13之间的景观连通性.

从大庆市湿地生态网络整体角度进行剖析(图6～7)，整个网络呈“C”字形，“C”字两个端点即网络的西部与南部，形成两个次级网络，景观连通性较好，廊道分布较为密集，生源斑块分布较多，为生物提供良好的生境.而网络中部景观连接度较弱，其中嫩江在湿地生态网络构建中起到沟通西部与南部两个次级生态网络的作用.因此在未来生态规划时，应加强对于嫩江流域的建设，同时需要加强斑块12在湿地生态网络中的景观连通性，以加强整体网络的连通性.

表5 生态源地的相互作用相关矩阵

图6 潜在廊道分布图Figure 6 Potential corridor distribution map

图7 TransCAD生态廊道重要分布图Figure 7 Important distribution map of TransCAD ecological corridor

4 讨论与结论

区域景观生态网络构建对于区域内生物多样性保护具有重要意义，生态源地的确定以及结构性廊道的识别是构建生态廊道的基础[9，16，21].本文采用 MSPA 方法对研究区内湿地景观进行分析，在生态源地选取的方式上，不仅从强调结构性连接的角度出发，还要考虑到大庆市市域不同湿地斑块的功能性质，通过形态学原理识别出具有重要生态意义的核心区湿地景观，同时研究没有采用以往直接将湿地保护区或湿地公园作为生态源地的方式,而是运用MSPA方法提取出核心区斑块作为生态源地,从而避免了以往生态源地选取时的主观性.基于最小阻力模型综合考虑多种阻力值，参考以往学者阻力赋值方法[9-17]，生成研究区生态源地间的最小阻力生态网络，得到潜在廊道(图6)，研究结果为识别生态源地以及结构连接性提供更为科学的方法.

图8 湿地生态网络规划图Figure 8 Wetland ecological network planning map

为进一步明确生态源地以及潜在廊道在生态网络中重要程度.本文基于景观指数评价选取连接度指数(IIC)与连通性指数(PC)对核心斑块重要程度进行定量化评价[9-17、21、24-29]，在一定程度上改变以往人工选取生态源地的主观性[9-14]，在生态源地(即核心斑块)选取方式上更为科学合理.通过重力模型评价廊道的重要程度，定量地分析后得到生态廊道的保护顺序，为今后的大庆湿地生态廊道的保护与建立提供更加合理的依据.

基于对生态源地识别、潜在廊道模拟以及生态源地与潜在廊道重要度分析，可清楚了解当前大庆湿地生态网络现状.由于大庆市主城区以及建设用地主要集中于中东部，使得研究范围内湿地生态网络分布呈“C”字形，生态廊道主要集中分布在西部，中部极其缺少生态廊道，结合当前湿地景观资源状况进一步对生态网络进行优化，增加踏脚石斑块能够有效增加湿地生态网络的连接度以及连通性[18，21].在增加7处踏脚石斑块后，利用最小消耗路径模型新增17条生态廊道(图8)，新增廊道使湿地生态网络连接度与生态网络环通度由0.391、0.136提升到0.533、0.327，使得研究区域内的湿地生态网络连接程度得到很大提升.研究结果对大庆市域生物多样性保护具有重要的指导意义和实践价值,同时可为其他地区生态网络的构建提供参考与借鉴.

在运用MSPA方法时，较大像元会导致一些具有连接价值斑块丢失，粒度的变化通常会对MSPA的分析结果产生影响.选择合适的尺度是 MSPA 研究的一项重要内容.通过参考前人研究进展[9-17，24]，本文选取30 m×30 m为最终单位像元，因此MSPA方法像元大小的设定，需要进一步研究.

其次，在运行Confer2.6软件对湿地斑块进行景观指数评价时，需要设定连接距离参数，连接距离决定了湿地斑块的IIC与PC值的大小，反应某一湿地斑块在整体湿地斑块空间格局中连接性的重要程度，连接距离阈值的确定是参考物种扩散距离而选定的[9-13].本文研究范围较大，将设定距离阈值为5 000 m，间接概率为0.5，并没有依据实际扩散距离而设定，所以不同阈值的设定同样会使湿地网络的连接产生变化.

最后，湿地作为重要的自然资源，为动植物提供栖息生境，湿地研究一直作为生态学研究的热点，同时生态网络的研究热度也在不断上升，但针对湿地生态网络构建的文献却相对较少，本文针对大庆市域湿地景观生态网络构建以及优化进行研究，期望研究结果能为大庆市未来区域景观生态规划提供科学参考.