Введение

В ландшафтной экологии ландшафтная связь, в широком смысле, "степень, в которой ландшафт облегчает или препятствует перемещению между ресурсными участками". Подключенность включает как структурную подключенность (физические устройства помех и/или пятен), так и функциональную подключенность (перемещение людей через контуры помех и/или между пятнами). Функциональная связь включает в себя фактическую связь (требует наблюдений за индивидуальными движениями) и потенциальную связь, при которой пути движения оцениваются с использованием данных истории жизни. Аналогичная, но иная концепция, предложенная Жаком Бодри, ландшафтная связь, относится к структурным связям между элементами пространственных структур ландшафта, которые касаются топологии ландшафтных особенностей, а не экологических процессов.

Определение

Концепция "связь ландшафта" была впервые введена доктором Грей Мерриам в 1984 году. Мерриам отметил, что движение между участками среды обитания не просто является функцией атрибутов организма, но и качеством ландшафтных элементов, через которые он должен двигаться. Чтобы подчеркнуть это фундаментальное взаимодействие в определении конкретного пути движения, Мерриам (1984) определил ландшафтную связь как "степень, в которой абсолютная изоляция предотвращается ландшафтными элементами, которые позволяют организмам перемещаться между участками среды обитания". Девять лет спустя, Мерриам и его коллеги пересмотрели определение на "степень, в которой ландшафт препятствует или облегчает перемещение между ресурсными участками. Хотя это определение, несомненно, стало наиболее принятым и цитируемым значением в научной литературе, многие авторы продолжали создавать свои собственные определения. В 1997 году они представили свою интерпретацию как "функциональные отношения между участками среды обитания, обусловленные пространственной зараженностью среды обитания и реакцией движения организмов на ландшафтную структуру", а в Ament et al. (2014) определил его как "степень, в которой региональные ландшафты, охватывающие различные типы природного, полуестественного и развитого земельного покрова, способствуют перемещению дикой природы и поддержанию экологических процессов". Таким образом, хотя за последние 30 лет было много определений ландшафтной связности, каждое новое описание подчеркивает как структурный, так и поведенческий элемент концепции ландшафтной связности. Физический компонент определяется пространственной и временной конфигурацией ландшафтных элементов (форма ландшафта, типы ландшафта и землепользования), а поведенческий компонент определяется поведенческими реакциями организмов и/или процессов на физическое расположение ландшафтных элементов. Развитие человечества в настоящее время изменяет более 50% ландшафта Земли, оставляя только отдельные участки естественных или полуестественных мест обитания для миллионов других видов, с которыми мы делим эту планету. Потеря естественной среды обитания и колебания ландшафтных моделей - одна из многих проблем в биогеографии и биологии сохранения. В мире меняются модели биоразнообразия и экосистемных функций, что приводит к потере связей и экологической целостности всей глобальной экологической сети. Потеря связи может влиять на людей, популяции и сообщества через взаимодействия внутри видов, между видами и между экосистемами. Эти взаимодействия влияют на экологические механизмы, такие как питательные вещества и энергетические потоки, отношения хищников с добычей, опыление, рассеяние семян, демографическое спасение, избегание инбридинга, колонизация незанятых мест обитания, изменение взаимодействия видов и распространение болезней. Соответственно, ландшафтная связь облегчает движение биотических процессов, таких как движение животных, размножение растений и генетический обмен, а также абиотические процессы, такие как движение воды, энергии и материалов внутри и между экосистемами. птиц и морских видов, и маршруты, по которым они следуют, обычно одинаковы из года в год. Эти обмены поддерживают генетическое и демографическое разнообразие среди популяций.

Движение помех

Непредсказуемое перемещение особей или популяций в новые места подходящей среды обитания вследствие нарушения окружающей среды. Крупные нарушения, такие как пожары, стихийные бедствия, развитие человечества и изменение климата, могут повлиять на качество и распределение мест обитания и потребовать перемещения видов в новые места подходящей среды обитания. Степень взаимосвязи ландшафтов определяет общий объем перемещения, происходящего внутри и между местными населением. Эта связь влияет на потоки генов, местную адаптацию, риск вымирания, вероятность колонизации и потенциал для организмов, чтобы двигаться и адаптироваться к изменению климата. В условиях убыли и фрагментации среды обитания, в результате чего естественные среды обитания все больше ухудшаются, размеры и изоляция оставшихся фрагментов среды обитания особенно важны для долгосрочного сохранения биоразнообразия.

Количественная оценка ландшафтных связей

Поскольку определение ландшафтной связности имеет как физическую, так и поведенческую составляющую, количественное определение ландшафтной связности, следовательно, является специфическим для организма, процесса и ландшафта. Следующий шаг - определить масштаб ландшафтной структуры, воспринимаемой организмом. Это определяется как масштаб, в котором вид реагирует на массив ландшафтных элементов, через его тонкий масштаб (зерно), и крупный масштаб (объем), поведение движения. Наконец, определяется, как вид реагирует на различные элементы ландшафта. Это включает в себя схему перемещения видов, основанную на поведенческих реакциях на риск гибели ландшафтных элементов, включая барьеры и границы среды обитания. Например, у мелких млекопитающих будет небольшой диапазон и короткие расстояния распространения, а у крупных будет более широкий диапазон и длинные расстояния распространения. Короче говоря, эта связь может помочь в масштабировании и построении ландшафтных сетей на основе размера тела млекопитающих. Для многих организмов, особенно морских беспозвоночных, масштаб связей (обычно в форме диспергирования личинок) определяется пассивным транспортом через океанские течения. Потенциал дисперсии в воде, как правило, значительно выше, чем в воздухе, из-за его более высокой плотности (и, следовательно, более высокой плавучести пропагул). Поэтому иногда можно количественно оценить потенциальную связь морских организмов с помощью моделей, основанных на процессе, таких как моделирование дисперсии личинок.

Показатели подключения

Хотя подключение - это интуитивно понятное понятие, нет единого последовательно используемого показателя подключения. Теории связи включают рассмотрение как бинарных представлений связи через "коридоры" и "связи", так и непрерывных представлений связи, которые включают бинарное состояние как подмножество. Структурные метрики связи основаны на физических свойствах ландшафтов, которые включают в себя идею пятен (размер, количество пятен, среднее расстояние друг от друга) и относительные нарушения (человеческие структуры, такие как дороги, разделение, использование городской / сельскохозяйственной земли, население). Показатели потенциальной связности основаны на ландшафтной структуре, а также на некоторых основных сведениях о способности рассеивания изучаемого организма, таких как среднее расстояние рассеивания или ядро рассеивания. Фактические (также называемые реализованными или функциональными) показатели подключения измеряются на основе фактических движений людей вдоль и через контуры подключения, в том числе между патчами (где они существуют). При этом учитывается фактическое количество особей, родившихся в разных местах, их репродуктивные показатели и смертность во время рассеивания. Некоторые авторы делают дальнейшее различие, основываясь на количестве особей, которые не только рассеиваются между сайтами, но и выживают, чтобы размножаться.

Структуры данных

Подключение обычно можно описать как график или сеть, т.е. набор узлов (возможно, представляющих отдельные популяции или места отбора образцов), соединенных краями (описывающими наличие или силу подключения). В зависимости от типа описываемой связи это может варьироваться от простого ненаправленного и не взвешенного графа (с краями, возможно, представляющими присутствие или отсутствие общих видов), до направленного, взвешенного, слоевого или временного графа (с краями, возможно, представляющими потоки индивидуумов во времени). Представление подключения в виде графика часто полезно как для визуализации данных, так и для анализа. Например, алгоритмы теории графов часто используются для определения центральных популяций, которые поддерживают связь (центральность между ними), или кластеров популяций с сильной внутриконнективацией и слабой межконнективацией (оптимизация модульности). Существуют различные структуры данных для хранения и обработки графических данных. Особое внимание следует уделить массивным представлениям, часто называемым матрицами связности для двухмерных массивов (как обычно в случае с графами без временной изменчивости). Например, средневременная потенциальная связь между набором популяций может быть представлена как матрица, при этом каждый элемент дает способность рассеиваться от популяции к популяции. Многие экологические модели полагаются на это матричное представление. Например, матричный продукт может представлять вероятность рассеивания от популяции к популяции по ступеням рассеивания, а в сочетании с другими демографическими процессами собственные значения могут представлять скорость роста метапопуляции.

Программное обеспечение

Как правило, "естественная" форма связности как экологическое свойство, воспринимаемое организмами, моделируется как непрерывная поверхность проницаемости, которая является следствием нарушения. Это может быть достигнуто большинством географических информационных систем (ГИС), способных моделировать в сетевом / растровом формате. Критическим компонентом этой формы моделирования является признание того, что связь и нарушение воспринимаются и реагируют по-разному различными организмами и экологическими процессами. Это разнообразие ответов является одной из самых сложных частей попытки представить связь в пространственном моделировании. Как правило, наиболее точные модели связности относятся к отдельным видам/процессам и разрабатываются на основе информации о видах/процессах. Существует мало, и часто нет никаких доказательств того, что пространственные модели, включая описанные здесь, могут представлять связь для многих видов или процессов, которые занимают многие природные ландшафты. Модели, основанные на возмущениях, используются в качестве основы для бинарных представлений связей в виде путей/коридоров/связей через пейзажи, описанные ниже.

Схема

Circuitscape - это программа с открытым исходным кодом, которая использует теорию цепей для прогнозирования связи в гетерогенных ландшафтах для индивидуального движения, потока генов и планирования сохранения. Теория цепей предлагает несколько преимуществ по сравнению с общими аналитическими моделями связности, включая теоретическую основу в теории случайного хождения и способность оценивать вклад нескольких путей дисперсии. Пейзажи представлены как проводящие поверхности, с низким сопротивлением, присвоенным средам обитания, которые наиболее проницаемы для движения или лучше всего способствуют потоку генов, и высоким сопротивлением, присвоенным средам обитания с плохим дисперсией или барьерам для движения. Эффективные сопротивления, плотность тока и напряжение, рассчитанные по ландшафтам, могут быть связаны с экологическими процессами, такими как индивидуальное движение и потоки генов.

Грапхаб

Graphab - это программное приложение, предназначенное для моделирования ландшафтных сетей. Он состоит из четырех основных модулей: составление графов, включая загрузку первоначальных ландшафтных данных и идентификацию участков и ссылок; вычисление показателей подключения из графа; связь между графом и экзогенными набором точечных данных; визуальный и картографический интерфейс. Graphab работает на любом компьютере, поддерживающем Java 1.6 или более поздний (PC под Linux, Windows, Mac). Он распространяется бесплатно для некоммерческого использования.