黄河口湿地生态网络构建与评价

王庆孝, 栗云召, 曲芷程, 于君宝, 王雪宏, 周迪, 王书文

黄河口湿地生态网络构建与评价

王庆孝, 栗云召, 曲芷程, 于君宝*, 王雪宏, 周迪, 王书文

鲁东大学滨海生态高等研究院, 烟台 264025

构建生态网络能够有效连接破碎的生境, 对保护物种多样性具有重要意义。以黄河口为研究区域, 利用最小耗费距离模型和重力模型构建黄河口湿地“三横两竖”的生态网络框架, 并基于景观连通性指数法、廊道土地利用类型分析法和网络结构分析法对黄河口湿地生态网络进行了评价。研究结果表明: (1)通过构建生态网络, 生境源地的的和分别提高到之前的4.5倍和8.6倍, 各生境源地的斑块重要性较为均衡。(2)不同生境源地之间相互关系密切程度随着距离和面积的变化存在差异。(3)黄河口湿地生态网络的指数为0.4396,指数为1.8125,指数为0.6304, 具有较大优化提升空间。(4)草本沼泽和灌丛湿地是生境源地主要景观组成, 盐沼湿地、草本沼泽和灌丛湿地是构成生态廊道的优势景观, 分别占生态网络景观组成的31.23%、23.86%和17.30%。黄河口湿地生态网络的构建对黄河口湿地生态保护和保护区规划有重要的参考价值。

黄河口湿地; 景观连接度; 生态网络; 破碎化

0 前言

生态网络是基于景观生态学基础和图论基础, 采用最小耗费距离模型构建的由栖息地以及连通廊道构成的网络。通过构建生态网络, 可以改变生态系统不同层次的结构与功能[1-3], 减小生境破碎化带来的影响[4], 为区域生态恢复提供借鉴。黄河三角洲湿地是我国典型的新生河口湿地, 是湿地动植物天然的栖息地和鸟类的天堂, 在保护环渤海和黄河下游生态环境, 促进环渤海地区经济的可持续发展等方面具有重要的战略地位[5-7]。黄河口湿地突出的生态问题主要表现为在自然和人为因素的影响下, 自然湿地不断退化、萎缩, 植被覆盖逐渐下降, 湿地生境趋于破碎化[8-11], 湿地的生态功能受到严重威胁, 黄河口亟需湿地保护和生态修复措施, 而生态网络构建可以作为区域生态修复的有效方法。目前, 相关研究有利用GIS方法将生态网络的连通性纳入到区域规划[12], 探讨水系阻力对黄河三角洲湿地生态网络构建的影响[13], 识别黄河三角洲生态网络构建中的重要生态节点[14], 这些研究对生态网络的构建进行了不同程度的探究, 为黄河口湿地生态网络构建提供了方法和理论基础。从生态学的角度出发, 合理构建黄河口湿地生态网络, 可以增加黄河口湿地不同景观斑块之间的连通性, 提高河口湿地食物供给功能和栖息地隐蔽功能[15], 维持黄河口湿地生态系统的健康与稳定[16], 对黄河口湿地主体功能的发挥及湿地整体管理具有重要的理论意义[17]。

1 区域概况和数据来源

1.1 研究区概况

黄河口紧邻渤海湾和莱州湾, 为近代黄河河口的扇形堆积平原, 地势低平, 平均海拔在15 m以下, 范围位于37°34′—37°53′N和118°53′—119°21′E之间(图1), 气候属于温带大陆性季风气候, 四季分明, 年平均气温12.1 ℃, 年平均降水量为530—630 mm[18], 雨热同期。

1.2 数据来源与处理

本研究以黄河口2017年9月Landsat遥感影像为底图, 依据《拉姆萨尔公约》, 将黄河口土地利用类型分为草本沼泽、灌丛湿地、森林湿地、滩涂、盐沼湿地、河流、积水洼地、池塘、堤坝、工矿区、公路、沟渠、旱地、居民区、水库、水田、盐田、养殖池18种类型。利用ENVI软件, 对遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正和图像增强等处理, 运用目视解译法进行遥感解译。通过实地考察进行数据校验, 总体遥感解译精度为83.7%。并与黄河三角洲保护区范围图、河流分布图等建立基础数据库。

2 研究方法

2.1 景观连通性分析

景观连通性分析采用整体连接度指数和可能连接度指数[19, 20]。其公式如下:

整体连接度指数()

式中,表示景观中斑块总数;a和a分别表示斑块和斑块的面积;NL表示斑块和斑块之间的连接数;A表示整个景观的面积。0≤≤1, 当=0, 生境斑块之间没有连接; 当=1, 整个景观都为生境斑块。

可能连接度指数(Probability of connectivity, PC)

图1 研究区地理位置

Figure 1 The location of Yellow River Estuary

计算整体连接度指数和可能连接度指数时, 需要指定景观斑块间的阻力距离阈值和斑块之间的可能连接性。当斑块之间的距离成本小于设置的阻力阈值时才认为斑块之间是连通的, 根据研究区的范围、以往的研究经验和实际模拟计算尝试, 本研究将距离阈值设置为2 km, 可能连接性设置为0.5[19]。

斑块重要性指数d

式中:表示景观中所有斑块的整体指数值;remove是去除单个斑块后剩下的斑块的整体指数值。

2.2 生态网络构建

生态网络构建分为三步: 选取生境源地、构建阻力面、根据最小耗费距离模型生成潜在生态廊道。

2.2.1 选取生境源地

在研究区内根据2017年景观分类数据, 利用斑块重要性指数(d)法计算灌丛湿地、森林湿地和草本湿地的斑块重要性(图2中), 参考保护区范围、植被覆盖度等选取生境源地。选取面积大于2 km², 斑块重要性大于2.45, 适宜生物长期生存的斑块作为生境源地[21, 22], 为了保持研究区内景观的整体性和连通性, 不考虑行政界线, 将相邻较小的图斑与相近较大的图斑合并[23], 并根据实地考察, 共筛选出10个生境源地(图2右)。

2.2.2 构建阻力面

本研究综合以往的研究经验与实地的情况, 利用德尔菲法, 咨询专家后选取景观分类、水文连通性、道路-堤坝阻隔、保护区分区等综合确定阻力面[12, 24], 分别将以上因素赋阻力值, 最终综合生成生态网络阻力面(分辨率30 m×30 m)。

将研究区道路-堤坝划分为主要和次要两类, 参考道路对生物的影响范围, 构建道路-堤坝两侧200 m的缓冲区[25], 将主要道路-堤坝和次要道路-堤坝分别赋予100和50阻力值。

湿地水文连通性与阻力值成负相关关系, 据此, 将黄河口划分为30 m×30 m的网格, 并进行重分类赋值。

保护区分区阻力设置中, 核心区、缓冲区、实验区阻力设置依次增大[21], 分别赋予1、50、100的阻力值。

不同阻力类型设置如表1所示, 生成一个完整的综合阻力面(图3)。

2.2.3 构建生态网络

利用基于GIS的网络分析工具生成源地到其他源地的最短路径, 去除重复路径, 得到黄河口湿地生态网络。

2.3 重要廊道的提取

利用重力模型计算提取的10个生境源地之间潜在生态廊道的重要性, 对廊道的重要性进行分析与评价。

重力模型计算公式为:

式中,D是生境源地和之间的相互作用力,N、N是两生境源地的权重值,D为生境源地和间潜在廊道阻力的标准化值,P为生境源地阻力值,S是生境源地的面积,L是生境源地、之间廊道的累积阻力值,max是研究区中全部廊道累积阻力的最大值。

2.4 生态网络结构评价

生态网络结构评估通过分析网络结构指数, 将景观生态网络中的“斑块-廊道-基质”转化为点和线的相结合形式, 计算研究区生态网络的(闭合度)指数、(线点率)指数以及(网络连接度)指数[26]。公式如下:

(闭合度)指数: 主要反映生态网络中出现回路的程度。

式中,为生态廊道数量,为生态节点数量。取值范围为0≤≤1, 当=0时, 说明网络不存在回路, 当=1时, 表示网络存在最大可能回路数。回路数量越大表示网络内部生态过程的连通性越顺畅。

图2 景观分类与生境源地

Figure 2 Landscape classification and habitat source

表1 不同阻力类型阻力值赋值

图3 单因子及综合阻力面

Figure 3 Single factor and composite resistance surface

指数(线点率): 表示网络中廊道与节点之间的关系, 衡量廊道的通达程度。

式中线点率的取值范围为0≤≤3, 当=0 时, 表示研究区域中网络不存在; 当取值越大, 表示网络复杂程度越高。

指数(网络连接度): 反映网络中所有节点被连接的程度。

式中,的取值范围为 0≤≤1, 当=0, 表示网络中没有节点相连接, 当=1 时, 表示网络中任意两点相连。

3 结果与分析

3.1 黄河口湿地生境源地生态网络连通性评价

3.1.1 整体连通性和可能连通性

黄河口湿地生境源地的整体连接度指数()和可能连接度指数()在生态网络构建后有很大提高, 连通性水平得到明显提高(图4)。通过生态网络构建,提高到构建前的4.5倍,提高到构建前的8.6倍, 生态网络的构建增加了生境源地之间的连通性, 生态网络的构建能增加对生境源地的保护。

3.1.2 斑块重要性评价

生境源地的斑块重要性(表2)在生态网络构建前后的顺序变化较大, 生境源地5在生态网络构建前的斑块重要性最高, 但通过构建生态网络重要性变小, 而源地9和10在生态网络构建前斑块重要性较小, 但在构建后重要性变大。生境源地9和10位于黄河口较深处位置, 生态较好, 对于物种的生存和迁移的重要性较高, 而生境源地5位于景区入口处, 受到人为影响较大。通过构建生态网络, 各斑块之间的重要性差距也逐渐缩小, 生态网络的构建可以平衡各斑块之间的重要性, 使各斑块之间的功能作用相对平衡, 有利于优化整个湿地的功能。

图4 生境源地景观连通性指数

Figure 4 Landscape connectivity index of habitat source

表2 生态网络构建过程中生境源地重要性变化

3.2 重要廊道的提取

通过构建的生态网络, 依据重力模型构建10个生态源地之间的相互作用矩阵(表3)。通过相互作用矩阵分析得知, 源地9与源地10之间的相互作用最大, 为235.18, 两斑块位于1996年黄河故道两侧,两源地之间的距离较小, 物种在两源地之间生存迁移的阻力较小。源地9与源地10之间的廊道在生态网络中占有重要地位, 有利于生态网络中物种间的信息交流, 在生态保护过程中对两斑块要更加保护。源地1和源地8之间的相互作用最小, 为0.56, 两源地位于东西两侧, 距离较远, 两源地间的阻力较大, 物种在两源地之间相互迁移较困难。因此在未来的生态保护规划中, 需要加强对于相互作用较大的斑块之间的保护, 对于相互作用较小的源地之间要加强生态保护建设, 降低两源地之间的阻力, 提升整体生态网络的活性与稳定性, 促进物种之间的迁移和扩散。选取斑块相互作用大于4的廊道为重要廊道(图5)。

3.3 生态网络结构框架

黄河口湿地生态网络经过去除重复路径简化后的廊道有87条, 节点有48个, 黄河口湿地生态网络闭合度(指数)为0.4396, 线点率(指数)为1.8125, 连接度(指数)为0.6304, 生态网络结构提升还有较大空间。

表3 源地斑块相互作用矩阵

基于潜在生态廊道和重要廊道, 并结合黄河口景观格局现状、地形特点和自然保护区空间布局, 提出黄河口湿地“三横两竖”的生态网络框架(图5)。三横: 黄河北岸源地1、2、3, 源地5、6、7、8, 源地5、9、10。两竖: 源地3、4、5, 源地7、8、9、10。

3.4 生态网络景观组成结构分析

黄河口湿地总面积为787.64 km², 潜在生态廊道的总面积为48.79 km², 占黄河口总面积的6.19%。其中, 生态廊道景观组成分析(表4)得知, 廊道的景观组成中盐沼湿地占31.23%, 盐沼湿地在动物的迁移路径中具有重要作用, 以在动物的迁移过程中发挥食物供给的作用, 为动物提供觅食和休憩场所。草本沼泽和灌丛湿地在生态廊道中占23.86%和17.30%, 草本沼泽和灌丛湿地不仅在生境源地中占有重要地位, 而且在动物的迁移过程中也发挥较大作用, 也可以提供觅食和隐蔽的功能。居民区和公路等景观类型占比最少, 人为建设用地对于物种的迁移阻力较大, 不适宜物种的生存, 作为潜在生态网络景观类型的作用与意义不大。

图5 黄河口湿地生态网络框架

Figure 5 Framework of wetland ecological network in the Yellow River Estuary

表4 黄河口湿地生态网络景观组成

图6 黄河口湿地生态网络

Figure 6 Wetland ecological network of the Yellow River Estuary

4 讨论

利用最小耗费距离模型生成生态网络, 可以为物种的迁移和扩散模拟良好的生态廊道, 并为优化湿地生境提供依据。生态网络的构建起初相对比较简单, 由河流和道路等自然廊道构建网络[27, 28], 现在生态网络的构建多借助软件进行廊道模拟研究, 例如基于最小耗费距离模型[29]、电路理论等[30], 本研究利用比较成熟的最小耗费距离模型进行网络构建模拟。最小耗费距离模型可以比较真实的模拟物种在生境中迁移的路径, 被广泛应用于城市规划、土地利用、生态评价等问题的研究中。

利用斑块重要性定量选取生境源地, 避免了在生境源地选择中人为的主观性, 参考多因子构建综合阻力面[24], 使阻力面更能反映物种在不同景观之间迁移的阻力。在生态廊道宽度的选取中并没有确切的定论, 生物保护学家认为廊道越宽越好[31], 但也有学者认为过宽的廊道会使物种在廊道内部活动, 从而减缓物种到达目的地的速度[32], 有学者研究得出廊道的宽度由多因素决定, 可以用公式来计算[25]。鸟类是黄河口湿地中最重要的保护目标, 研究表明50—80 m是鸟类所需要的最小生境宽度[33], 200 m是保护鸟类种群的最适宜宽度[34]。

在生态网络评价中, 多应用景观连接度指数法、廊道土地利用类型分析法和网络结构分析法来评价生态网络。景观连接度指景观空间组成单元之间的连续性程度, 反映了促进或阻碍物种在生境源地之间的运动程度[35]; 廊道土地利用分析可以了解到生态网络的组成结构, 通过分析, 可以有根据的进行后期生态网络的优化研究[29]; 网络结构分析可以了解到生态网络结构的复杂程度, 可以有依据的规划廊道[36]。潜在生态廊道之间的阻力会影响物种在不同源地之间的迁移速度[37], 通过重力模型计算生境源地到其他源地之间的相互作用强度, 可以识别潜在生态廊道构建的有效性和重要性。本研究对比生态网络构建前后生境源地斑块重要性的变化, 可以更直观了解到生态网络的构建对生境源地的影响, 根据斑块重要性对不同生境源地采取不同的方法加以保护。利用重力模型来评价生态廊道的重要性程度, 可以更直观的了解到不同生境源地之间的联系程度, 为区域生态规划提供依据。

虽然生态网络构建方法较为成熟, 但生态网络是基于图论基础进行模拟研究, 黄河口湿地的生态恢复需要多方面的共同努力, 才能进行多尺度的生态恢复, 改善黄河口湿地的生境破碎化状况。

5 结论

1)通过构建生态网络, 生境源地的和分别提高到之前的4.5倍和8.6倍湿地的景观连接度有较大提升, 生境源地的斑块重要性相对平衡, 有利于黄河口湿地整体功能的发挥。

2)面积较大, 距离较近的生境源地间的相互作用力较大, 两生境源地之间的廊道重要性高, 物种通过重要廊道在两生境源地之间迁移阻力小, 有利于物种的迁移。

3)盐沼湿地、草本沼泽和灌丛湿地是构成生态廊道的优势景观, 分别占生态网络景观组成的31.23%、23.86%和17.30%, 草本沼泽和灌丛湿地不仅是生境源地的主要景观组成, 而且在生态网络中发挥着重要作用。

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Construction and evaluation of the Yellow River Estuary wetland ecological network

WANG Qingxiao, LI Yunzhao, QU Zhicheng, YU Junbao*, WANG Xuehong, ZHOU Di, WANG Shuwen

The Institute for Advanced Study of Coastal Ecology, Ludong University, Yantai 264025, China

The construction of ecological network can effectively connect fragmented habitats and is of great significance to the protection of species diversity. In this study, we constructed the ecological network framework of the Yellow River Estuary(YRE) wetland by using the minimum cost distance model and the gravity model. Then, we evaluated the quality of wetland ecological network in the YRE by using landscape connectivity index, corridor land use type analysis and network structure analysis. The research results showed that: (1) The closeness of the relationship between different habitat sources varied with distance and area. (2) The alpha index of the Yellow River Estuary wetland ecological network was 0.4396, the beta index was 1.8125, and the gamma index was 0.6304, which had a lot of room for optimization and improvement. (3) Herb swamps and shrub wetlands were the main landscape components of the habitat source. Salt marsh wetlands, herb swamps and shrub wetlands were the dominant landscapes that constitute ecological corridors, accounting for 31.23%, 23.86% and 17.30% of the ecological network landscape composition respectively. (4) Through the construction of an ecological network, the IIC and PC of natural wetlands had been increased by 4.5 times and 8.6 times respectively. The importance of patches in each habitat source was relatively balanced. Our study is expected to contribute to the protection and planning of ecology of the YRE.

Yellow River Estuary wetland; landscape connectivity; ecological network; fragmentation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.013

P901

A

1008-8873(2022)06-105-09

2020-10-05;

2020-12-04

国家自然科学基金(U1806218, 41871087, 41301052, 41871091); 国家重点研发计划项目(2017YFC0505900)

王庆孝(1994—), 男, 山东泰安人, 硕士研究生, 主要从事滨海湿地生态与环境研究, E-mail:1065771995@qq.com

通信作者:于君宝, 男, 博士, 教授, 主要从事湿地生物地球化学与生态修复研究, E-mail: junbao.yu@gmail.com

王庆孝, 栗云召, 曲芷程, 等. 黄河口湿地生态网络构建与评价[J]. 生态科学, 2022, 41(6): 105–113.

WANG Qingxiao, LI Yunzhao, QU Zhicheng, et al. Construction and evaluation of the Yellow River Estuary wetland ecological network[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 105–113.