生態(tài)廊道構(gòu)建對(duì)陸行野生動(dòng)物種群生存能力的影響

生態(tài)廊道構(gòu)建對(duì)陸行野生動(dòng)物種群生存能力的影響

隨著城市化進(jìn)程的加快，城鄉(xiāng)景觀的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化（atop，2004；張明娟等，2006）。自然景觀破碎化是城市化過程中最為常見的格局變化,它可能導(dǎo)致物種數(shù)量減少、死亡率增加及遷移率的下降,因而被認(rèn)為是生物多樣性降低與物種滅絕的最重要影響因素之一(Nikolakaki&Dunnett,2005;Driezenetal.,2007)。陸行野生動(dòng)物的覓食和棲息通常在不同時(shí)間利用在空間上相互聯(lián)系的不同斑塊,因此斑塊的連通性具有特別重要的意義(Hehl-Lange,2001;宋治清和王仰麟,2004)。通過生態(tài)廊道把各生境島嶼連接在一起,尤其是與較大的自然斑塊連接在一起可以減少甚至消除景觀破碎化對(duì)生物多樣性的影響,從而有效地保護(hù)野生動(dòng)植物(Linehanetal.,1995)。生態(tài)廊道(ecologicalcorridor)又稱綠道(greenways),是為了多種用途而規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理的線性要素,有著生態(tài)、休閑游憩、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)文化和美學(xué)等眾多功能(Ahern,1995)。自20世紀(jì)90年代以來,生態(tài)廊道構(gòu)建一直是保護(hù)生物學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、城市規(guī)劃和景觀設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科交叉的研究熱點(diǎn)和前沿(周年興等,2006)。Linehan等(1995)首先將野生動(dòng)物保護(hù)廊道和網(wǎng)絡(luò)作為綜合的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃的框架,選取重要生境斑塊形成7種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)方案,然后通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)對(duì)各方案進(jìn)行評(píng)價(jià),奠定了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)。隨后,Conine等(2004)進(jìn)一步應(yīng)用地理信息系統(tǒng)開發(fā)出一種景觀評(píng)價(jià)模型以確定潛在的生態(tài)廊道。Toccolini等(2006)從區(qū)域分析的尺度提出了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法,綜合評(píng)價(jià)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和功能。近年來,國內(nèi)一些學(xué)者也開展了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究的嘗試(王海珍和張力權(quán),2005;周年興等,2006;張小飛等,2007;戚仁海和熊斯頓,2007),取得了一定的進(jìn)展。總的來說,相關(guān)研究還十分薄弱,特別是在規(guī)劃廊道的可行性方面如對(duì)成本、阻力等問題缺乏考慮。本文嘗試結(jié)合目標(biāo)種動(dòng)物的行為特點(diǎn),利用成本模型確立動(dòng)物在不同景觀基質(zhì)中的穿行阻力相對(duì)系數(shù),用最小耗費(fèi)模型實(shí)現(xiàn)具體的廊道空間定位和分布,最終實(shí)現(xiàn)基于目標(biāo)物種保護(hù)的生態(tài)廊道規(guī)劃。1學(xué)習(xí)方法1.1類型和節(jié)點(diǎn)選擇1.1.1不同的偏好程度和適宜的生物用量生境破碎化導(dǎo)致適宜生境的減少和景觀孤立化,降低了個(gè)體在斑塊間擴(kuò)散的機(jī)會(huì),綠色廊道是降低其負(fù)面影響的一個(gè)有效途徑。然而不同物種對(duì)相同景觀有著不同的偏愛程度,這影響到對(duì)廊道的具體空間布局(Doncasteretal.,2001),因此在規(guī)劃廊道時(shí)通常需要在研究區(qū)域中選擇具有代表性的物種作為目標(biāo)種。目標(biāo)種選擇一般根據(jù)研究區(qū)域中野生動(dòng)物普查的結(jié)果,選擇國家或當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)保護(hù)的野生動(dòng)物,相同保護(hù)級(jí)別的物種可依下列原則確定:1)食物網(wǎng)中重要性;2)與生態(tài)系統(tǒng)中其他物種的相互關(guān)系;3)是否能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的健康情況(Linehanetal.,1995)。1.1.2劉雪華等地臺(tái)分布的決定因素代表物種的棲息地生境將作為生態(tài)廊道的“源”,是廊道建設(shè)必不可少的步驟。動(dòng)物種群的分布常常由植被的分布所決定(劉雪華等,1998)。節(jié)點(diǎn)的選擇目前有以下3種方法:根據(jù)景觀阻力表面特征判別景觀生態(tài)戰(zhàn)略點(diǎn)(俞孔堅(jiān),1998),根據(jù)數(shù)字地形模型識(shí)別瀕危動(dòng)物生境(劉雪華等,1998),根據(jù)代表物種的生活習(xí)性選擇合適的棲息地斑塊(Linehanetal.,1995)。1.2土地利用類型的影響為尋找2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑,需要為節(jié)點(diǎn)間所有的土地利用類型賦予阻力值。阻力值的大小通常根據(jù)目標(biāo)物種在不同土地利用類型中覓食或穿行的促進(jìn)或阻礙程度加以確定。包括2個(gè)步驟:首先為不同土地類型預(yù)設(shè)多組阻力值集合,然后通過成本模型對(duì)預(yù)設(shè)阻力值集合加以驗(yàn)證、確定。1其他土地利用類型阻力系數(shù)每種土地利用類型阻力值預(yù)設(shè)是根據(jù)目標(biāo)種的生活習(xí)性,以及其在每種土地利用類型中被發(fā)現(xiàn)的頻率而設(shè)置的,發(fā)現(xiàn)頻率越高則賦予的阻力值越低。目標(biāo)種生境的阻力值最低,系數(shù)一般設(shè)定為1;其他土地利用類型阻力系數(shù)根據(jù)目標(biāo)種的適宜程度設(shè)定,適宜程度越高阻力值越低。此外,預(yù)設(shè)的阻力值集合還包含2個(gè)重要的參數(shù):取值范圍與個(gè)數(shù)。取值范圍表示景觀對(duì)物種個(gè)體的穿行干擾的強(qiáng)度,取值個(gè)數(shù)表示景觀的分化程度。2考慮真實(shí)路徑與景觀中成本值的選取通常采用成本模型(Doncasteretal.,2001;Rondinini&Doncaster,2002;Driezenetal.,2007)對(duì)預(yù)設(shè)的阻力值集合進(jìn)行優(yōu)劣比較。該方法通過比較目標(biāo)種在陌生環(huán)境中的真實(shí)路徑與景觀中成本值的分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果來選取最優(yōu)阻力值集合。具體步驟是在GIS環(huán)境下計(jì)算釋放點(diǎn)的耗費(fèi)阻力表面,以代表物種釋放點(diǎn)為原點(diǎn)畫經(jīng)過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的同心圓,統(tǒng)計(jì)計(jì)算圓周上的象元阻力值的和。為了得到標(biāo)準(zhǔn)化的值,計(jì)算節(jié)點(diǎn)的耗費(fèi)值減去圓周上阻力值的均值,然后除上圓周上阻力值的標(biāo)準(zhǔn)方差,并定義此值為Z值。較低的Z值表明與整個(gè)圓周距離相同的點(diǎn)比較,動(dòng)物位于較低的累積耗費(fèi)值位置上;從耗費(fèi)的角度來看,動(dòng)物位于優(yōu)于隨機(jī)路線的點(diǎn)上,最后通過比較Z值的優(yōu)劣來選擇最優(yōu)的阻力值集合,詳細(xì)步驟可參見Doncaster等(2001)和Driezen等(2007)。π=f(土地利用,地形,生活習(xí)性等)式中:z為節(jié)點(diǎn)柵格的阻力值;π為節(jié)點(diǎn)的耗費(fèi)值。1.3基于最優(yōu)路徑的柵格模型景觀阻力系數(shù)確定之后即可為對(duì)應(yīng)的土地利用類型賦予阻力值,得到相應(yīng)的耗費(fèi)阻力表面,通過最小耗費(fèi)模型(Rothley,2005;張小飛等,2007)得到2個(gè)生境斑塊之間的最優(yōu)路徑。最小耗費(fèi)模型來源于圖論,運(yùn)用基于柵格的簡單代數(shù)法則來加權(quán)源與目標(biāo)地之間的路徑(Adriaensenetal.,2003;Chardonetal.,2003),在多數(shù)的GIS軟件中都有相應(yīng)的功能(俞孔堅(jiān)等,2005),結(jié)果為一個(gè)柵格圖層,圖像上每個(gè)像素值代表了到源的累積耗費(fèi),這個(gè)數(shù)值的倒數(shù)可以看做是源到目的地連通程度(Xiang,1996;Gough&Rushton,2000)。源與目標(biāo)單元的最低耗費(fèi)分析結(jié)果即為最低耗費(fèi)路徑。最優(yōu)路徑=minπ=min∑(Dij×πi)(i=1,2,…,nj=1,2,…,m)式中:Dij為從“源”到“匯”所經(jīng)過柵格的數(shù)量;πi為柵格類型i的阻力值。最小耗費(fèi)模型的參數(shù)為柵格數(shù)據(jù),這意味著在應(yīng)用這個(gè)模型之前,一些在矢量環(huán)境下的數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)。柵格像元的大小將對(duì)模型的精度和可靠性產(chǎn)生非常大的影響,尤其是景觀中的線性要素和較小面積的要素。細(xì)節(jié)將會(huì)在柵格化過程中消失,它們會(huì)在高阻力的要素中產(chǎn)生空隙,導(dǎo)致明顯錯(cuò)誤。為了降低它們對(duì)耗費(fèi)距離的影響,對(duì)于阻礙作用的要素(如高等級(jí)道路),數(shù)據(jù)柵格化的過程中柵格象元大小的設(shè)定應(yīng)使得線狀要素至少保持兩列以上。保證圖像質(zhì)量的方法可參見Rothley(2005)討論的填補(bǔ)縫隙技術(shù)。2研究實(shí)例2.1規(guī)?；?lián)片綠化景觀崇明島(31°27′N—31°51′N,121°09′E—121°54′E)位于上海市東北側(cè),地處中國最大河流長江入?？?。島上地勢平坦,距上海內(nèi)陸最近距離不到12km,受其城市化影響景觀破碎化嚴(yán)重。規(guī)模化片狀綠地主要分布在崇東、崇西和東平國家森林公園附近?？臻g上分布較為分散不均衡,綠地斑塊間相隔較遠(yuǎn)缺乏聯(lián)系,不利于動(dòng)物的擴(kuò)散與保護(hù)。本研究根據(jù)上海市崇明島2005年假彩色航片(分辨率1.27m)及現(xiàn)場調(diào)查輔助,利用ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)字化,提取出崇明島全島土地利用現(xiàn)狀及綠地分布。2.2生境斑塊的保護(hù)上海目前現(xiàn)存的野生哺乳動(dòng)物有豹錨、豬獾、刺猬、貉、黃鼬和華南兔6種(達(dá)良俊等,2004)。過去這些動(dòng)物的數(shù)量較多,而近年來隨著郊區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,一些原有的自然生境不復(fù)存在,依賴這些生境生存的動(dòng)物數(shù)量大大減少。目前崇明島常見的有刺猬和黃鼬,刺猬的最小生境面積為8.2hm2,黃鼬的為17hm2(上海市農(nóng)林局,2004)。根據(jù)島嶼生態(tài)學(xué)的理論,保護(hù)了生境面積較小的動(dòng)物(刺猬)也就相應(yīng)的保護(hù)了需求面積較大的動(dòng)物(黃鼬),即采用越低的保護(hù)閾值保護(hù)的生境斑塊越多。再考慮到刺猬是上海市一級(jí)野生保護(hù)動(dòng)物,保護(hù)級(jí)別較黃鼬要高,因此選擇刺猬為研究區(qū)域的目標(biāo)種。Linehan等(1995)的研究把目標(biāo)種的最小生境面積作為生境斑塊保護(hù)的臨界值,而Hinsley等(1994)則確定生境面積10hm2是野生動(dòng)物保護(hù)的臨界值,認(rèn)為斑塊面積>10hm2時(shí)內(nèi)部物種才能受到很好的保護(hù)。為此,本研究結(jié)合刺猬最小生境面積為8.2hm2的要求,選取10hm2以上的生境斑塊作為節(jié)點(diǎn)。由于刺猬的棲息地為林地(Doncasteretal.,2001),因此根據(jù)土地利用分析的結(jié)果,選擇49個(gè)林地斑塊作為廊道建設(shè)的生境節(jié)點(diǎn)(圖1)。2.3土地利用類型間的阻力本文參考Doncaster等(2001)和Driezen等(2007)對(duì)刺猬行為研究的結(jié)果和阻力值設(shè)定的方法,設(shè)定崇明島刺猬的棲息地——林地的阻力值最低,其次為自然村落住宅和耕地;而高等級(jí)的道路、河流、水域則被賦予較高的阻力值,尤其是高等級(jí)道路,因?yàn)榇题袆?dòng)緩慢,經(jīng)常會(huì)被高速行駛的車輛軋死。此外,由于刺猬擁有一定的涉水能力可以穿越較窄的河流,因此四級(jí)以下河道仍被賦予較低的阻力值。每種土地利用具體的阻力值大小見表1。根據(jù)上述原則和方法設(shè)定多組不同阻力值集合,最低Z值的集合被作為最終的阻力值集合。該集合的取值范圍為150,取值個(gè)數(shù)為10。取值范圍小則反映出綠地景觀退化程度低,土地利用類型間的差異小,對(duì)動(dòng)物的擴(kuò)散阻礙就弱。取值個(gè)數(shù)多則反映出崇明島景觀分化程度較高,原有的景觀類型正在進(jìn)行著不同程度的改變。2.4節(jié)點(diǎn)間引力值首先將表1中的阻力值數(shù)據(jù)作為參數(shù)代入最小耗費(fèi)模型生成阻力表面,見圖2A,利用GIS中的costdistance分析模塊計(jì)算達(dá)到49節(jié)點(diǎn)之間最終的生態(tài)廊道,見圖2B。根據(jù)引力模型(Linehanetal.,1995;戚仁海和熊斯頓,2007)的方法,依節(jié)點(diǎn)間引力值大小簡單的將節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B、C、D連接為直線AB、AC和AD(圖3);然而最小耗費(fèi)模型則發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A、C之間直接連接并非最佳選擇,而是以節(jié)點(diǎn)B為踏板,再連通到C的道路,這是由于不同土地利用類型的阻礙作用,以節(jié)點(diǎn)B點(diǎn)為跳板將會(huì)使得動(dòng)物在兩塊林地之間的運(yùn)動(dòng)的累積耗費(fèi)更小,因此在最終的廊道規(guī)劃中呈現(xiàn)為A→B→C的狀態(tài)。此外,最小耗費(fèi)模型在節(jié)點(diǎn)連接過程中生成的新廊道間會(huì)形成新的交叉點(diǎn),如圖3中的e、f、g節(jié)點(diǎn),這些在后期的規(guī)劃中可考慮作為戰(zhàn)略選擇點(diǎn)加以恢復(fù)或建設(shè),以利用更好地保護(hù)目標(biāo)種。3最小付費(fèi)模型本研究選擇刺猬作為目標(biāo)種,通過其行為特點(diǎn)確定其生境節(jié)點(diǎn)(戰(zhàn)略點(diǎn))和生境間不同阻力值大小,利用最小耗費(fèi)模型在GIS平臺(tái)上構(gòu)建了刺猬的生態(tài)廊道。本方法構(gòu)建的生態(tài)廊道不僅考慮了節(jié)點(diǎn)間的距離因素,同時(shí)也疊加了動(dòng)物的行為因素即生境阻力對(duì)動(dòng)物擴(kuò)散的影響,因此較引力模型構(gòu)建的直線廊道更具有可操作性。對(duì)大多數(shù)動(dòng)物來說,阻力系數(shù)設(shè)定是一個(gè)困難的過程,過去一般通過專家的研究經(jīng)驗(yàn)結(jié)合試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到數(shù)值集合,但很難得到驗(yàn)證和優(yōu)化(Doncasteretal.,2001)。而最小耗費(fèi)模型則是通過對(duì)代表物種實(shí)際倆散路徑與最小耗費(fèi)分析進(jìn)行比較,區(qū)分出不同的阻力值集合,并能以一個(gè)簡單有效的方法來確定最逼近實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線的阻力值集合。此外,最小耗費(fèi)模型不需要目標(biāo)單元,而是通過比較目標(biāo)種在陌生環(huán)境中的真實(shí)路徑與景觀中成本值的分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果,來驗(yàn)證成本集合優(yōu)劣,并將觀察得到的擴(kuò)散路徑與相同半徑內(nèi)的累積耗費(fèi)的相關(guān)程度定量化,以Z值的高低評(píng)價(jià)不同成本集合的優(yōu)劣。然而,最小耗費(fèi)模型只能在預(yù)設(shè)的集合中選擇相對(duì)最優(yōu)的阻力值集,由于景觀的復(fù)雜性,很難準(zhǔn)確地評(píng)估景觀阻力值,這就影響到了構(gòu)建廊道的合理性。本文參考Doncaster等(2001)和Driezen等(2007)在英國牛津、斯坦福等地