景观生态战略点识别方法
作者：俞孔坚 来源：地理学报 时间：2005-04-06 点击： 进入论坛讨论摘要： 景观中的某些点对控制水平生态过程有关键性的作用，占踞这些景观战略点，将给生态过程带来先手、空间联系及高效的优势。设想物种在景观中的水平运动是一个克服某种阻力而进行的竞争性过程，本文讨论了如何根据景观阻力表面特征来判别景观生态战略点的方法。文章论述了三种类型的景观阻力表面：岛屿型、网络型和高原型。相应于各种阻力表面类型，得出五种景观战略点的空间位置：鞍部战略点，交汇处战略点，中央战略点，边缘战略点和角落战略点。文章还通过一个案例来举例说明景观战略点识别方法论。GIS技术对本研究有很大的支持作用。
关键词：空间分析，景观生态，景观格局，景观规划
(摘自论文: Security Patterns in Landscape Planning with a Case Study in South China. Doctoral Thesis, Graduate School of Design, Harvard University, MA. USA. 1995, 有较大改动)
1.引言
1。1 问题：战略点
如何判别景观中的某些关键性点，通过控制这些点而异常有效地控制或促进某种生态过程，如物种的空间运动，火灾和虫灾的漫延，养份及污染物的流动等等?这些关键性的点叫景观战略点(Strategic Points, Forman 1995, Yu 1995a-c 1996). 通过景观战略点的判别和改变及管理将异常有效地维护和控制某种生态过程。
根据起源之不同，可分为两类景观生态战略点：一类是资源型的战略点，另一类是结构型的战略点。 资源型的战略点直接取决与地段的资源属性，如某一地段的地质、土壤，水文、热力，营养条件及人类活动决定生物多样性及物种的稀有性，从而决定该地段在生物保护中的战略意义。本文将论述后一类景观生态战略点。其战略性取决于该点在景观整体格局中的地位和其对水平生态过程的影响。
许多学者都注意到在某些关键地段设生物保护斑块对整体生物保护和形成景观基础结构(Landscape Infrastructure)有重要意义(Frankel and Soule 1981;Harris 1984; Forman 1990; Erwin 1991). 在异相景观中，有的景观战略点是显而易见的，如一个盆地的进出水口，廊道的断裂处(Merriam 1984; Forman and Godron 1986),一个具有"跳板"(Stepping Stone)作用的残遗斑块，河道网络上的汇合口及河谷与山脊之交接处(Harris, 1984, p141-165). Hardt和Forman (1989)的观察显示，在露天矿的生态恢复过程中，林缘的凹边部位比其它地段更易被林木所优先占据。位于景观中央的森林斑块比位于其它地段的森林斑块更易成为鸟类的栖息地(Liu et al 1994).一个联络岛屿的"陆桥"会比其它地段有更多的生物种类。这些都是可以根据经验识别的景观生态战略点。
但景观生态战略点，有时并不能直接观察到，它们往往是潜在的，这类潜在的战略点的判别依赖于对生态过程动态的理解和模拟。关于景观生态战略点判别的方法论，到目前为止很少有人讨论过，只是最近才被少数学者所注意(Forman 1995, pp310-317; Yu 1995a-c, 1996a)。相关的研究有Knaapen等人用最小累积阻力(MCR)来分析景观斑块的隔离程度。根据MCR表面来确定生物保护斑块的引入部位。观战略点是景观生态安全格局(Security Patterns, SPs) (Yu 1995a-c, 1996a-b)的一个重要成分。游戏理论和游戏防御战略(Von Neumann and Morgenstem 1947；Luce and Raiffa 1957)，为判别景观安全格局提供了评价原则。有学者认为围棋及类似的棋类游戏会有助于景观战略点的讨论(Forman 与Yu 的讨论,见Forman 1995 p.316)。围棋是黑白双方通过竞争空间战略点而控制棋盘的较量(Boorman 1969)，要想获得最有效地控制棋盘，每一棋子都必须落在关键的位置上，这些位置的战略性遵从三条原则(图1)：
(1)先手原则，即通过某点的控制获得局部控制的主动权。
(2)空间联系原则，即通过某点的控制使我方取得整体空间优势。
(3) 高效原则，即通过某点的控制使我方用最少的棋子获得最大的棋盘控制。
图1中国围棋的基本空间战略
Figure 1 The strategies of Go game
在一定的假设条件下，这些原则同样可适于景观生态战略点的认识和判别。如生物的空间运动可视作是对景观的竞争性控制过程来讨论，实质上是一种"游戏"(game)过程 (Sigmund 1993)。生物能否成功地控制景观，取决于如何平衡空间扩散和维持两个方面。维持意味着生物个体必须依赖于既有的种群和群落生存，而扩散则意味着生物个体离开种群和群落生境向外部扩展。个体离开既存栖息地越远，其冒得风险就越大，但其对物种整体控制景观的潜在贡献就越大。在空间某些点上，当物种扩展所带来的潜在报尝达到最大，而个体为之所担的风险达到尽可能小的时候，这些空间位置就是战略点。这可以理解为是对搏弈论中的最小极大值原理（Minimax Theorem，von Neumann and Morgenstern 1947; Luce and Raiffa 1957)在空间控制战略中的具体解释。从功能上讲，这些战略点对促进和阻碍生态过程有关键性作用。如何寻找这些景观战略点呢?围棋战略和理论地理学的表面分析模型能给我们一些启示。
1。2 水平控制过程与理论地理学表面模型
本文关于景观生态战略点的识别讨论基于对过程的如下假设：
(1)景观中的水平生态过程是一种对景观的竞争性控制过程。
(2)某种过程必须通过克服景观阻力来实现对景观的控制。
实际生态过程中，这两个假设基本上可以满足。如植物往往需要克服景观阻力达到对某地段的覆盖，灾害性昆虫的水平运动，动物穿越景观，仍至于人口的空间迁移，都带有对空间的竞争性控制和克服空间阻力的特性(Johnson 1988; Frelich et al 1993; Mack 1995; Liebhold et al 1992; Yu et al 1996; Williamson 1993; Boone and Hunter, 1996; Simberloff and Wilson 1969; Tobler 1981; Bracken 1991).有许多模型被用来描述这些水平运动过程，包括引力模型，潜能模型，扩散模型，随机模型等等(详细的综述见：Olsson 1965; Bartlett 1975; Sklar and Costanza 1990; Chou and Liebhold 1995).
生态过程对景观的覆盖和控制的可能性及动态，可用阻力或其相对概念来表述如可达性(Accessibility, 如Arentze et al 1994)，可穿越性(Permeatibility，如Boone and Hunter 1996),费用距离(Costdistance，如ESRI 1991)，最小积累阻力(Mminimum Cumulative Resistance, MCR, Knaapen, Scheffer and Harms 1992; Yu 1995a-b),景观阻力(Landscape Resistance, Forman and Godron 1986; Forman 1995),以及隔离程度(Isolation, MacArthur and Wilson1967; Simberloff and Wilson 1969). 所有这些阻力度量实际上都是距离概念的变型或延伸，在围棋棋盘中，阻力被理想化为距离，即棋盘方格网。在岛屿生态学中，类似的理想化距离用来描述空间隔离(MacArthur and Wilson 1967)。而在陆地景观中，阻力不只是几何学意义上的距离，基面特性也有重要作用(Forman, 1995)。这些阻力量度都可以通过潜在表面(Potential Surface)或趋势表面(Trend Surface)形象地表达出来(Warntz 1966；Chorley and Haggett 1968) 。
理论地理学家和区域科学家W. Warntz (1966,1967)等人在哈佛大学所做的大量关于表面一般特性和空间分析的研究，有助于对景观生态战略点识别方法的探讨。Warntz 用"峰"(Peaks)、"陷"(pits),"关"(Passes) 和"鞍"(Pales) (1966, 1967)等点的特征，和"脊线"(Ridges),"谷线"(Courses)等线的特征来分析趋势表面，类似于地形的分析，进一步认识过程之动态格局?quot;峰"是指表面的局部最大值,流动从此分散，"陷"是指表面的局部最小值，流动向此合聚。"脊线"是连接两"峰"的分流线，"谷线"则是连接两"陷"的合流线。"关"是指的脊线上之最小值，"鞍"则是谷线上之最大值。这对根据景观生态过程阻力表面来识别战略点有启发意义。
本文将探讨如何根据景观阻力表面特性来判别景观生态战略点。而用启发于围棋战略的三项原则来评价这些战略点。论文将着重讨论控制物种水平运动过程的战略点，但方法论适用于其他水平运动和生态流战略点的判别。案例研究只作为对方法论的说明，实际应用还待进一步实地验证。
2方法
判别景观生态战略点的过程分为四步，其中第一～三步的内容在以往研究中有较多的讨论，本文将着重第四步的讨论：
第一步，确定景观生态过程。本文讨论的生态过程是物种的空间运动，至于如何选择关键物种作为保护对象，许多学者都有探讨(如Frankel and Soule 1981; Amstel et al 1988; Selm 1988)。 其他水平生态过程可包括风，水，营养元素的流动，干扰(如火灾，虫灾)的扩散。
第二步，确定生态过程之源：方法之一是根据具体物种来将其栖息地作为源(见Selm 1988).方法之二是选择现存景观元素，小至一棵大树，大到国家公园，作为生态过程之源(见Harris 1987; Noss and Harris 1986; Noss 1991)
第三步，以生态过程之源为原点，计算景观阻力，得出景观阻力表面。典型的阻力表面将类似于地形表面，由峰、谷、鞍、脊等所构成，它反映生态过程之动态。对不同的生态过程，可有完全不同的阻力表面。阻力表面受空间距离，地表特征因素的影响，也取决于过程本身的扩散能力。
第四步，根据阻力表面识别影响生态过程之战略点。根据阻力表面的形态特征，可以分为三个类型：岛屿型，网络型和高原型(图2-4)。相应的存在多种生态战略点：
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