基于电路理论的图们江流域生态空间连通性变化研究

龚晨

（延边大学农学院，吉林延吉 133002）

随着联合国开发计划署制定图们江地区发展规划和一带一路的开发，使得该地区经济大规模发展，但一系列生态环境问题也接踵而来，例如：水质恶化，除少数江段外，干流受到不同程度的污染，森林资源和生物多样性减少等[1]。生态连通性对种群的稳定性和弹性非常重要，在物种、群落、生态系统以及海洋景观等不同的尺度中有广泛的应用，是研究空间生态学和保护生物学的重要手段，是构建生态景观安全格局的必要基础[2]。

生态连通性是指生态用地景观空间结构单元之间的连续性程度，可以用来反映不同生态环境随着不同景观结构在时间和空间上发生变化所受的影响[3]。它的主要方法是通过试验研究、特定生态过程的模型模拟和景观指标来量化景观模式和生态功能的变化。这些试验研究可以通过使用适当的方法跟踪生物行为特征的运动路径来获得生物行为特征的原始数据，比如：Gillis 和Krebs[4]使用无线电遥感技术监测分散雪兔和幼雪兔的存活情况；Bowne 等[5]根据观察到的5 种年龄、性别类别的海龟的运动率和运动概率计算了连通性。该研究结果充分说明了连通性依赖于物种的运动行为[6]。电路理论是将某一生态系统中的生态流视为电流，将有利于生态流动的景观类型视为低电阻，阻碍生态流实现的景观类型视为高电阻[7]，利用电流在电路中随机游走的特性模拟生态过程，是当前研究生态连通性的热点方法之一。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

图们江流域中国一侧位于吉林省延边朝鲜族自治州境内，地处中、俄、朝三国交界，东临日本海，位于东经127°27′43″～131°18′33″，北纬41°59′47″～44°30′42″，属中温带，占地面积为23080.83645 km2，研究区内坐落着四市两县，分别为延吉市、珲春市、龙井市、和龙市、安图县和汪清县。分布着4 条主要支流，分别为嘎呀河、布尔哈通河、海兰江和珲春河。地势自西向东，自北向南逐渐降低，平均海拔在558m，最高处达到1691m。由于其特殊的纬度条件，该自然带具有明显的干湿变化。降水主要集中在夏秋季，冬季寒冷干燥，年平均降水量约580mm。该地区独特的地理环境孕育了多种生态系统，因此，其在东北亚生态网络中占有核心地位。近年来，随着我国全方位对外开放战略的实施，图们江流域进入了跨国联合开发阶段，受到人类活动的干扰非常明显。

1.2 数据来源及预处理

2000 年、2010 年和2020 年的土地利用、覆盖数据均来自GlobelLand30 全球地理信息公共产品（http：//www.globallandcover.com/）。空间分辨率为30m 的数字高层模型（DEM）数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）。

1.3 研究方法

1.3.1 基于InVEST 模型的生境质量分析。生境质量是指环境为种群提供持续生存条件的能力，当生物资源可用时，为生物个体或群体提供合适、健康和稳定的生活条件，并保护生物多样性[8]。根据3 期土地利用数据，选取林地、草地、湿地和裸地作为生境，耕地、水体和建筑用地作为威胁源，参考相关研究[7，9]，确定威胁源的影响距离和权重（见表1）及不同土地覆盖类型的敏感性（见表2），分别建立生态威胁源和生境类型对威胁源的敏感数据，通过Habitat Quality 模块生成区域生境质量图。

表1 威胁源的影响范围和权重

表2 不同土地覆被类型对各威胁源的敏感度

1.3.2 生态阻力面构建。生态阻力面描述了不同景观斑块中物种间的基因交换、信息传递和迁移难度，与源距离、土地利用和人类经济社会发展强度有关。相对生境质量而言，生境质量越高，物种间形成和传播的难度越大，表明生态抗性越强。因此，栖息地质量的倒数可以用来描述物种之间的障碍。

1.3.3 电路理论连接度模型。电路理论是根据电子或电流随机游走的特性，结合生态系统中生物物流的随机性，将复杂景观中的单个物种或基因流与电荷进行比较，将景观视为电阻面，可通过电路理论中的电流密度来识别廊道，生态廊道是相邻生态源之间生态流的低阻力生态通道，高电流密度区域表明该区域连通度高，生态通道阻力低，生态连通性较好[9]。

Circuitscape 4.0 是基于电路理论模拟分析的软件，它可以根据用户提供的节点数据和电阻数据，计算整个景观的电流和电压图。电流可反映生态流沿某一节点或路径迁移的概率。电流越大，则说明该区域的通过水平越高。该软件有4 种运行模式，分别是成对、高级、一对多和多对一，成对、高级模式可用于栅格和网络数据类型，而一对多和多对一2 种模式仅适用于栅格数据。本研究采用多对一模式进行模拟。

2 结果与分析

2.1 生境质量分析

基于InVEST 软件，模拟图们江流域中国一侧生境质量，按自然间断裂点分级法将其分为5 类，等级1 表示生境质量最低的地区，等级5 表示生境质量最高的区域。2000 年、2010 年和2020 年平均生境质量指数分别为0.8039、0.7964 和0.8008，整体出现下降趋势，在2010 年有所回转。

2.2 生态连通性分析

2.2.1 生态源地。选取生境质量等级最高的区域，并进一步筛选出面积大于1km2的斑块作为研究区域的生态源地。2000 年、2010 年和2020 年分别得到46 处、56 处和60 处生态源地，其中包括林地、草地和湿地，林地是主要土地覆被类型。2000 年、2010 年和2020 年生态源地中，林地所占研究区该年份的生态源地总面积的比分别为99.97%、99.89%和99.98%。从空间分布来看，30 年内，在延吉市、和龙市和龙井市三市相连地带，生境斑块分布较少，存在生态孤岛现象，并有一处已经消失；珲春市附近生境斑块分布多且小，破碎化严重，但多年来保持比较稳定；图们市和汪清县城镇周边地带保护良好，斑块面积大，变化不明显；安图县30 年来城镇周边变化巨大，表现为生境斑块面积变小，数量变多，破碎化严重，逐渐趋向于延吉市、龙市和龙井市三市相连，这种趋势源于长吉图开发开放先导区的成立。长吉地区对延图龙地区经济影响巨大，但是和长吉地区相比，还存在着经济发展不均衡的问题，距离的远近是制约长吉图区域一体化进程的重要因素。延边朝鲜族自治州的首府延吉市对地方经济发展起着不可替代的作用。因此，在发展延龙图地方经济的同时，使得城市建筑用地、交通用地扩大，导致长吉图重要节点安图县周边趋于经济建设更高的地区，从而引起周边生境斑块破碎化。

2.2.2 生态阻力面。基于InVEST 模型，模拟3 个时间点的图们江流域生境质量分布，并根据生境质量高低，参考相关文献方法及结合本研究区实际情况，构建生态阻力面。本研究区，城镇和建设用地区域以及中朝边境图们江部分区域生境质量逐渐趋于0，最低值达到0。因此，在对生境质量反比运算时，其值接近无穷大，从而表现出无限大的电阻，本研究将此处的电阻赋予电阻最大值（如图3）。2000 年、2010 年、2020 年生态阻力最高值可达8.4213、8.4581、16.3772，平均值分别为2.2891、2.3339、3.6502。30 年来，阻力值呈现增长趋势，这与平均生境质量变低有关，说明该区域的生态环境遭到了不同程度的破坏，为了恢复和保护遭到破坏的源地，迫切需要找到这些斑块。

图3 研究区2000-2020 年生态阻力面

2.2.3 生态空间连通性。根据所筛选出来的生态源地，将其进行编号，伴随着生态阻力面一同导入Circuitscape 4.0 并选取多对一模式，得到2000 年、2010年和2020 年生态安全格局电流密度图，电流强度为0的区域代表空间生态连通性最差，趋于1 为最好。3 个时间点的电流强度平均值分别为0.7132，0.7122 和0.6928，30 年内，空间生态连通性变弱，这和生境斑块破碎化相关（见图4）。

图4 基于电路理论的区域连通性模拟结果

通过研究发现，30 年内，共有8 处生态源地斑块出现了明显变化。安图县西北地区生态源地斑块在2000-2010 年遭到了严重的破坏，在2010-2020 年得到了恢复和改善，但仍有大块面积斑块需要修复。和龙市西部地区生态环境逐步恶化，30 年内电流密度趋于0，深受延图龙地区经济发展影响，若要保留该地块，应加以保护。延吉市和龙井市地区内部，30 年间已有1 处生态源地消失，另外两处也在渐渐形成孤岛，若不加以保护，也将随着那处一起消失。龙井市东南方向和图们市西南方向以及珲春市正南方向的3 处源地，在2000-2010 年得到了恢复，在2010-2020 年，又出现了小幅度的恶化。

3 结语

图1 研究区2000-2020 年生境质量等级区划

图2 研究区2000-2020 年生态源地分布

以图们江流域中国一侧作为研究对象，运用InVEST 模型生境质量模块和电路理论来分析2000 年、2010 年和2020 年的空间生态连通性，根据模拟演示出的累计电流值，得到需要修复和保护的生态源地节点区域。研究区内2000 年、2010 年和2020 年共识别46 处、56 处和60 处生态源地，其中包括林地、草地和湿地。30年来，生态源地数量有所增长，但斑块面积整体趋势减小，逐渐出现破碎化、孤岛化，出现明显变化的共有8处。其中需要保护和修复的区域分别为安图县西北地区和龙市西部地区、延吉市内部区、龙井市内部及东南地区、图们市西南地区以及珲春市正南方向区。