⑴ 怎樣識別景觀組分
景觀生態戰略點識別方法
地理學報，1998, Vol.53, Supplement: 12-18 俞孔堅
(摘自博士論文: Security Patterns in Landscape Planning with a Case Study in South China. Doctoral Thesis, Graate School of Design, Harvard University, MA. USA. 1995, 有較大改動)
摘要：景觀中的某些點對控制水平生態過程有關鍵性的作用，占踞這些景觀戰略點，將給生態過程帶來先手、空間聯系及高效的優勢。設想物種在景觀中的水平運動是一個克服某種阻力而進行的競爭性過程，本文討論了如何根據景觀阻力表面特徵來判別景觀生態戰略點的方法。文章論述了三種類型的景觀阻力表面：島嶼型、網路型和高原型。相應於各種阻力表面類型，得出五種景觀戰略點的空間位置：鞍部戰略點，交匯處戰略點，中央戰略點，邊緣戰略點和角落戰略點。文章還通過一個案例來舉例說明景觀戰略點識別方法論。GIS技術對本研究有很大的支持作用。
關鍵詞：空間分析，景觀生態，景觀格局，景觀規劃
1.引言
1。1 問題：戰略點
如何判別景觀中的某些關鍵性點，通過控制這些點而異常有效地控制或促進某種生態過程，如物種的空間運動，火災和蟲災的漫延，養份及污染物的流動等等?這些關鍵性的點叫景觀戰略點(Strategic Points, Forman 1995, Yu 1995a-c 1996). 通過景觀戰略點的判別和改變及管理將異常有效地維護和控制某種生態過程。
根據起源之不同，可分為兩類景觀生態戰略點：一類是資源型的戰略點，另一類是結構型的戰略點。 資源型的戰略點直接取決與地段的資源屬性，如某一地段的地質、土壤，水文、熱力，營養條件及人類活動決定生物多樣性及物種的稀有性，從而決定該地段在生物保護中的戰略意義。本文將論述後一類景觀生態戰略點。其戰略性取決於該點在景觀整體格局中的地位和其對水平生態過程的影響。
許多學者都注意到在某些關鍵地段設生物保護斑塊對整體生物保護和形成景觀基礎結構(Landscape Infrastructure)有重要意義(Frankel and Soule 1981;Harris 1984; Forman 1990; Erwin 1991). 在異相景觀中，有的景觀戰略點是顯而易見的，如一個盆地的進出水口，廊道的斷裂處(Merriam 1984; Forman and Godron 1986),一個具有"跳板"(Stepping Stone)作用的殘遺斑塊，河道網路上的匯合口及河谷與山脊之交接處(Harris, 1984, p141-165). Hardt和Forman (1989)的觀察顯示，在露天礦的生態恢復過程中，林緣的凹邊部位比其它地段更易被林木所優先佔據。位於景觀中央的森林斑塊比位於其它地段的森林斑塊更易成為鳥類的棲息地(Liu et al 1994).一個聯絡島嶼的"陸橋"會比其它地段有更多的生物種類。這些都是可以根據經驗識別的景觀生態戰略點。
但景觀生態戰略點，有時並不能直接觀察到，它們往往是潛在的，這類潛在的戰略點的判別依賴於對生態過程動態的理解和模擬。關於景觀生態戰略點判別的方法論，到目前為止很少有人討論過，只是最近才被少數學者所注意(Forman 1995, pp310-317; Yu 1995a-c, 1996a)。相關的研究有Knaapen等人用最小累積阻力(MCR)來分析景觀斑塊的隔離程度。根據MCR表面來確定生物保護斑塊的引入部位。觀戰略點是景觀生態安全格局(Security Patterns, SPs) (Yu 1995a-c, 1996a-b)的一個重要成分。游戲理論和游戲防禦戰略(Von Neumann and Morgenstem 1947；Luce and Raiffa 1957)，為判別景觀安全格局提供了評價原則。有學者認為圍棋及類似的棋類游戲會有助於景觀戰略點的討論(Forman 與Yu 的討論,見Forman 1995 p.316)。圍棋是黑白雙方通過競爭空間戰略點而控制棋盤的較量(Boorman 1969)，要想獲得最有效地控制棋盤，每一棋子都必須落在關鍵的位置上，這些位置的戰略性遵從三條原則(圖1)：
(1)先手原則，即通過某點的控制獲得局部控制的主動權。
(2)空間聯系原則，即通過某點的控制使我方取得整體空間優勢。
(3) 高效原則，即通過某點的控制使我方用最少的棋子獲得最大的棋盤控制。
圖1中國圍棋的基本空間戰略
Figure 1 The strategies of Go game
在一定的假設條件下，這些原則同樣可適於景觀生態戰略點的認識和判別。如生物的空間運動可視作是對景觀的競爭性控制過程來討論，實質上是一種"游戲"(game)過程 (Sigmund 1993)。生物能否成功地控制景觀，取決於如何平衡空間擴散和維持兩個方面。維持意味著生物個體必須依賴於既有的種群和群落生存，而擴散則意味著生物個體離開種群和群落生境向外部擴展。個體離開既存棲息地越遠，其冒得風險就越大，但其對物種整體控制景觀的潛在貢獻就越大。在空間某些點上，當物種擴展所帶來的潛在報嘗達到最大，而個體為之所擔的風險達到盡可能小的時候，這些空間位置就是戰略點。這可以理解為是對搏弈論中的最小極大值原理（Minimax Theorem，von Neumann and Morgenstern 1947; Luce and Raiffa 1957)在空間控制戰略中的具體解釋。從功能上講，這些戰略點對促進和阻礙生態過程有關鍵性作用。如何尋找這些景觀戰略點呢?圍棋戰略和理論地理學的表面分析模型能給我們一些啟示。
1。2 水平控制過程與理論地理學表面模型
本文關於景觀生態戰略點的識別討論基於對過程的如下假設：
(1)景觀中的水平生態過程是一種對景觀的競爭性控制過程。
(2)某種過程必須通過克服景觀阻力來實現對景觀的控制。
實際生態過程中，這兩個假設基本上可以滿足。如植物往往需要克服景觀阻力達到對某地段的覆蓋，災害性昆蟲的水平運動，動物穿越景觀，仍至於人口的空間遷移，都帶有對空間的競爭性控制和克服空間阻力的特性(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).有許多模型被用來描述這些水平運動過程，包括引力模型，潛能模型，擴散模型，隨機模型等等(詳細的綜述見：Olsson 1965; Bartlett 1975; Sklar and Costanza 1990; Chou and Liebhold 1995).
生態過程對景觀的覆蓋和控制的可能性及動態，可用阻力或其相對概念來表述如可達性(Accessibility, 如Arentze et al 1994)，可穿越性(Permeatibility，如Boone and Hunter 1996),費用距離(Costdistance，如ESRI 1991)，最小積累阻力(Mminimum Cumulative Resistance, MCR, Knaapen, Scheffer and Harms 1992; Yu 1995a-b),景觀阻力(Landscape Resistance, Forman and Godron 1986; Forman 1995),以及隔離程度(Isolation, MacArthur and Wilson1967; Simberloff and Wilson 1969). 所有這些阻力度量實際上都是距離概念的變型或延伸，在圍棋棋盤中，阻力被理想化為距離，即棋盤方格網。在島嶼生態學中，類似的理想化距離用來描述空間隔離(MacArthur and Wilson 1967)。而在陸地景觀中，阻力不只是幾何學意義上的距離，基面特性也有重要作用(Forman, 1995)。這些阻力量度都可以通過潛在表面(Potential Surface)或趨勢表面(Trend Surface)形象地表達出來(Warntz 1966；Chorley and Haggett 1968) 。
理論地理學家和區域科學家W. Warntz (1966,1967)等人在哈佛大學所做的大量關於表面一般特性和空間分析的研究，有助於對景觀生態戰略點識別方法的探討。Warntz 用"峰"(Peaks)、"陷"(pits),"關"(Passes) 和"鞍"(Pales) (1966, 1967)等點的特徵，和"脊線"(Ridges),"谷線"(Courses)等線的特徵來分析趨勢表面，類似於地形的分析，進一步認識過程之動態格局?quot;峰"是指表面的局部最大值,流動從此分散，"陷"是指表面的局部最小值，流動向此合聚。"脊線"是連接兩"峰"的分流線，"谷線"則是連接兩"陷"的合流線。"關"是指的脊線上之最小值，"鞍"則是谷線上之最大值。這對根據景觀生態過程阻力表面來識別戰略點有啟發意義。
本文將探討如何根據景觀阻力表面特性來判別景觀生態戰略點。而用啟發於圍棋戰略的三項原則來評價這些戰略點。論文將著重討論控制物種水平運動過程的戰略點，但方法論適用於其他水平運動和生態流戰略點的判別。案例研究只作為對方法論的說明，實際應用還待進一步實地驗證。
2�方法
判別景觀生態戰略點的過程分為四步，其中第一～三步的內容在以往研究中有較多的討論，本文將著重第四步的討論：
第一步，確定景觀生態過程。本文討論的生態過程是物種的空間運動，至於如何選擇關鍵物種作為保護對象，許多學者都有探討(如Frankel and Soule 1981; Amstel et al 1988; Selm 1988)。 其他水平生態過程可包括風，水，營養元素的流動，干擾(如火災，蟲災)的擴散。
第二步，確定生態過程之源：方法之一是根據具體物種來將其棲息地作為源(見Selm 1988).方法之二是選擇現存景觀元素，小至一棵大樹，大到國家公園，作為生態過程之源(見Harris 1987; Noss and Harris 1986; Noss 1991)
第三步，以生態過程之源為原點，計算景觀阻力，得出景觀阻力表面。典型的阻力表面將類似於地形表面，由峰、谷、鞍、脊等所構成，它反映生態過程之動態。對不同的生態過程，可有完全不同的阻力表面。阻力表面受空間距離，地表特徵因素的影響，也取決於過程本身的擴散能力。
第四步，根據阻力表面識別影響生態過程之戰略點。根據阻力表面的形態特徵，可以分為三個類型：島嶼型，網路型和高原型(圖2-4)。相應的存在多種生態戰略點：
圖2、島嶼阻力面及鞍部戰略點
Figure 2. An archipelago-type resistance surface and strategic points at saddle points
圖3、網路型阻力面及交匯處戰略點
Figure 3. A network-type resistance surface and strategic points at intersections
圖4、高原型阻力面和中央，邊緣及角落戰略點
Figure 4. Plateau-type resistance surface and strategic points at the center, edges and corners
(1)島嶼型(Archipelago)阻力表面與鞍部景觀戰略點
在島嶼型阻力表面中，低阻力的生態源散布於高阻力的景觀基質中，這在現代人工干擾的景觀中極為常見，如殘遺森林斑塊散布於農田景觀之中。阻力等值線以各源為中心同心圓式地往外擴展。在各源為中心的等值阻力線相切的部位，形成鞍，它們是阻力表面上的最小極大值(Minimax)，或平衡點。當生態過程擴散能力超過一定程度時，這些最小極大值點便成為聯系不同源之間的關鍵點，即戰略點。在這些點引入生物斑塊將極有效地促進和維護生態過程的健康與安全，使景觀整體結構優化。這些點的戰略意義在於其促進孤立源之間的空間聯系和達到景觀控制的高效性(圖2)。
(2)網路(Network)型阻力表面和交匯處的景觀戰略點
在網路型阻力表面中，低阻力的部位是線性的並縱橫交錯而形成網路。這種阻力表面所反映的景觀包括枝狀河流系統，農田防護林系統。除此之外，在其它類型景觀的阻力表面上，也存在著由低阻力區域所構成的潛在廊道網路。正如地形表面中的山谷河流體系，在分枝點或交匯點上，生態過程合聚或分流，因而這些點是控制生態流的戰略點。其戰略意義就在於控制空間聯系和有效地控制景觀中的生態流。根據分流部位和等極的不同，交匯處的景觀戰略點，可形成一個多層次的等級體系。如圖3所示，點a1,控制多個生態源之間的流動，因而最為重要；點a2，a3則次之，因為它們控制一個源與其它鄰近源之間的流動。點a4和a5則只控制多條廊道之一，因而戰略性最小。在這些景觀戰略點引入生態保護區，有可能極大地提高整體景觀基礎設施的連續性和完整性。
(3)高原(Plateau)型阻力表面和中央，邊緣及角落戰略點
高原型阻力表面的特徵是一個高阻力的區域被低阻力的周邊所包圍，典型的景觀是森林片狀擇伐所形成的景觀，森林包圍下的農田或是自然景觀中受干擾過的斑塊。周圍低阻力的殘遺景觀成為生物向中心高阻力區擴散的源。如果生物的擴散能力很大，以致於能克服阻力表面的最大累積值，則景觀戰略點位於高阻力高原之中央，因為占據這些中央部位能最大限度地為生物控制景觀的過程提供先手，空間聯系及高效的優勢，而生物個體所冒的風險則在可承受的范圍之內。如果生物的擴散能力不足以一次性地克服景觀阻力，如曠野尺度超出樹木種子的最大傳播能力，則景觀戰略點位於高原的邊緣，特別是角落，這可以形象地用圍棋戰略來形容。 有限的實際野外觀察為上述中央、邊緣和角落景觀戰略點的存在提供了有力的支持(如Portnoy and Willson 1993; Addicott et al 1987; Pearson 1993; Forman 1995 p.106-109)。
盡管上述各類景觀戰略點的空間位置有所不同，但其本質上都是共同的，即它們為生態過程競爭和占據景觀提供先手，空間聯系及高效的優勢。因而在這些位置上進行的景觀改變會給景觀生態過程帶來異常強烈的沖擊。
3�判別景觀生態戰略點：一個案例研究
案例是廣東省丹霞山風景名勝區和國家地質保護區，研究范圍面積約300平方公里，由典型的丹霞地形構成，河谷縱橫。自然植被大多已被破壞，但有一些殘遺的南亞熱帶季雨林斑塊散布於全區各地. 研究在以往中山大學和北京大學的大量基礎工作上進行(陳傳康等1990)。GIS數據用25×25平方米柵格存儲，基本數據層包括地形、植被、水系、農田和其它人工景觀元素。下列的運算將應用GIS的多種功能包括疊加，費用距離，匯水表面等，並結合片斷程序，具體計算過程見Yu(1995a)。
(1)生態過程
本案例所考慮的生態過程是多種生物的擴散和保存，目的是最有效地保護該地區的鄉土生物多樣性。為此研究選擇了三個組群的動物作為對象，它們具有廣泛的代表性。，包括：中型哺乳動物(限於靈貓科和鹿科)；雉科和兩棲類(限於蛙科)。
(2 )源
對中型動物和雉雞類來說，其空間擴散過程之源是殘遺的亞熱帶季雨林斑塊，本區內共有大小不等的7個斑塊(圖5-8)，而對兩棲類來說，空間擴散之源是河流及谷地(圖9)
圖5、根據中型哺乳動物阻力面所識別的鞍部戰略點
Figure 5。 Strategic points at the saddle points on the resistance surface for medium-sized mammals
圖6、根據雉雞類阻力面所識別的鞍部戰略點
Figure 6. Strategic points at the saddle points on the resistance surface for pheasants
圖7、中型哺乳動動物阻力面中網路型低阻力分布及交匯處戰略點
Figure 7. Strategic points at the intersections of the lower resistance network for medium-sized mammals
圖8、雉雞類阻力面中網路型低阻力分布及交匯處戰略點
Figure 8. Strategic points at the intersections of the lower resistance network for pheasants
圖9、兩棲類阻力面及低阻力網路交匯處戰略點和高原型阻力面的角落戰略點
Figure 9. Strategic points at the intersections of the lower resistance network and strategic points at the corners of resistance plateau for pheasants
(3)阻力表面
本研究採用最小累積阻力模型來計算景觀阻力表面(見Knaapen et al 1992; Yu 1995c)。公式如下：MCR = fMin∑(Dij×Ri) (i=1,2,3...n, j-1,2,3,...m)
Dij代表物種離開源j和經過景觀i的擴散距離，Ri則是景觀i的阻力，MCR是物種由源j擴散到空間某點的最小累積阻力。 函數 f未知，但反映MCR與變數(Dij×Ri)之間的正比關系。每一種景觀對物種擴散的阻力Ri由景觀的基面特性和物種本身的擴散能力決定。對中型哺乳動來說，植被和坡度是主要因素。對林中雉雞類來說，植被類型則是主要因素。決定景觀對兩棲類擴散阻力的主要因素則是水文條件，而在本案例研究中，水文條件又受海拔因素決定。根據有關文獻(如Forman and Godron 1986; Selman and Doar 1991，劉承釗等 1962；汪松等 1962)。對各類景觀對三個群組的動物帶來的阻力分別進行等級分類。原則上，景觀的植被組成如果與原生植被越相近，則對所有動物的擴散阻力越小。地形越平緩，越有利於中型動物的空間擴散，而對雉類來說，地形則沒有多大影響。相對而言，海拔越低，水文條件越好，則越有利於兩棲類的擴散。計算結果得到三個阻力表面，分別適用於三個動物群組，這些表面表達了對應動物群組對景觀控制的潛在可能性和動態，是進行景觀生態戰略點識別的基本依據(詳見Yu, 1995a)。
(4)根據阻力表面識別戰略點
中型動物類和雉類的阻力表面以島嶼型為主，但潛在的低阻力區域形成枝狀網路，聯絡各相鄰生態源和從各源向外輻射(圖7-8)。兩棲類的阻力表面則以網路為主，但也存在著由河谷低阻力區包圍高燥地帶的高阻力區而形成的高原型阻力表面(圖9)。技術上講，三類阻力表面的景觀戰略點都可以根據本文方法論一節中所述的加以識別。
a.鞍部戰略點：圖5-6是根據中型哺乳動物和雉類阻力表面得到的鞍部戰略點，它們是相鄰源即殘遺南亞熱帶季雨林斑塊生態勢力圈(Ecological Influence Sphere)的相切點，是連接相鄰源之間的潛在跳板。
b.交匯處戰略點：對兩棲類來說，河流谷地系統構成低阻力網路，支流支谷的交匯處形成戰略點。在中型哺乳動物及雉類阻力表面上，低阻力網路也存在於各生態源之間或由源向外輻射，相應地，交匯處景觀戰略點便可根據篇首所談的方法來識別。圖7-9是一些典型的交匯處戰略點。
c.邊緣和角落戰略點：除網路型外，圖9中也存在著一些高原型阻力表面。考慮到兩棲類克服阻力的擴散能力極有限，本文只把一些角落點定義為戰略點(如河谷之凹岸)。只作為舉例說明，預設戰略點所在的凹岸弧線直徑不超過75米(見圖9)。
將所有上述各類景觀戰略點匯總疊加，可以得到總的景觀生態戰略點分布格局，這對景觀生態保護有極其重要的意義，它們也是生態敏感和低閥值部位(俞孔堅，1991)。通過對這些景觀戰略點的景觀保護或改變，可以最有效地提高景觀生態系統結構和功能的完整性並使人類為保護生態系統所付出的經濟代價降低到最小。
4。討論
設想景觀生態的水平過程是一個克服某種阻力的空間競爭和控制過程，該過程應遵從最大的擴散和最小的化費與風險這一基本原則。景觀生態戰略點就是空間中的這種最小極大值點，或平衡點，在這些點的景觀改變活動將會對生態過程帶來異常的沖擊。景觀阻力表面表達生態過程式控制制和覆蓋的可能性和動態。阻力表面的空間分布可表現為島嶼型，網路型和高原型，相應地有鞍部戰略點，交匯處戰略點，中央戰略點，邊緣及角落戰 略點。戰略點具有多層次的等級特徵。本研究從中國圍棋戰略格局中得到一些啟發，圍棋戰略的三條基本原則包括先手，空間聯系和高效性。但生態過程並非理想化的黑白競爭及棋盤控制，所以研究並沒有直接用圍棋過程來模擬生態過程，而只將圍棋戰略作為類比來說明方法論，對此作以下兩點說明：
第一，生態過程所競爭的"棋盤"不是簡單的方格網，而是復雜的非線性的阻力表面，這種阻力表面所表達的生態源之間的關系不是單一地反映在空間距離上，而是距離及景觀基面特徵的綜合反映。
第二，圍棋中的黑白棋子本身是沒有意義的，即沒有權重和等級，而生態過程中作為"棋子"的棲息地斑塊(源)本身是有結構和功能的，其本身的形狀大小和層次結構將影響其與相鄰源之間的關系，關於這一點本文沒有討論而只討論了在不考慮源本身屬性前提下，景觀生態之戰略點。本文的案例研究只作為對方法論的舉例說明。由於實地觀察資料有限，所判別的景觀生態戰略點尚不宜作為實際景觀管理和改造之用，但可作為進一步實地調查之思維模式。