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Dynamic changes of landscape connectivity for ecological lands and distance thresholds in the middle reaches of the Heihe River, Northwest China.

黑河中游生态用地景观连接性动态变化及距离阈值


景观连接度描述了景观组分在景观格局、过程和功能上的有机联系.本文利用1986、2000和2011年土地覆被数据,基于图论方法,研究了黑河中游生态用地(林地、草地、湿地)景观连接性动态变化,并通过分析不同阈值下景观连接度值的变化揭示了研究区景观的适宜阈值.结果表明: 黑河中游1986—2011年对景观连接度产生重要作用的生态斑块面积呈减少趋势.湿地斑块面积2000—2011年减少幅度较大;草地斑块数量先减少后增加,面积变化不大,但是有斑块破碎化的趋势.不同阈值下景观连接度值的变化验证了距离阈值的正向作用.400~800 m是研究黑河中游物种扩散和生态流运行的适宜距离阈值.选择600 m作为距离阈值时,大〖JP2〗型斑块对区域总体景观连接水平影响最为显著,是区域生态系统稳定和健康的关键组成;小型生态斑块虽然占生态斑块总面积的比例不大,但对区域的生态安全格局的维持和改善有较大影响,亦需加强保护与管理.研究结果对干旱区生态系统管理具有重要的借鉴意义.

Landscape connectivity describes the organic connections of landscape components in terms of landscape pattern, process, and function. We used landcover data in 1986, 2000, and 2011, to study the changes of landscape connectivity for ecological lands (forest, grassland, and wetland) in the middle reaches of the Heihe River based on graph theory. The appropriate landscape threshold was determined by analyzing landscape connectivity changes for different thresholds. Our results indicated that the area of ecological patches, which strongly influenced landscape connectivity, decreased from 1986 to 2011 in our study area. For wetland patches, the area declined more significantly from 2000 to 2011. For grassland, the number of patches decreased and then increased. The area of grassland patches changed slightly, but some patches were fragmented. Distance thresholds had a positive relationship with landscape connectivity. 400 to 800 m was the appropriate distance threshold for the research on species dispersal and ecological flows in the middle reaches of the Heihe River. When 600 m was chosen as the distance threshold, the large patches exerted the most significant influence on regional landscape connectivity level, suggesting they played a key role in regional ecosystem stability and health. Although small ecological patches occupied a small proportion of the total area of ecological patches, it was still necessary to protect and manage these small patches given that they also influenced the maintenance and improvement of regional ecological security pattern. The research was of great importance for ecosystem management in arid areas.


全 文 :黑河中游生态用地景观连接性动态变化及距离阈值
蒙吉军1  王晓东1  尤南山1∗  朱利凯2
( 1北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京 100871; 2USASILVIS Laboratory, Department of
Forest and Wildlife Ecology, University of Wisconsin⁃Madison, Wisconsin 53760, USA)
摘  要  景观连接度描述了景观组分在景观格局、过程和功能上的有机联系.本文利用 1986、
2000和 2011年土地覆被数据,基于图论方法,研究了黑河中游生态用地(林地、草地、湿地)
景观连接性动态变化,并通过分析不同阈值下景观连接度值的变化揭示了研究区景观的适宜
阈值.结果表明: 黑河中游 1986—2011年对景观连接度产生重要作用的生态斑块面积呈减少
趋势.湿地斑块面积 2000—2011 年减少幅度较大;草地斑块数量先减少后增加,面积变化不
大,但是有斑块破碎化的趋势.不同阈值下景观连接度值的变化验证了距离阈值的正向作用.
400~800 m是研究黑河中游物种扩散和生态流运行的适宜距离阈值.选择 600 m作为距离阈
值时,大型斑块对区域总体景观连接水平影响最为显著,是区域生态系统稳定和健康的关键组
成;小型生态斑块虽然占生态斑块总面积的比例不大,但对区域的生态安全格局的维持和改善
有较大影响,亦需加强保护与管理.研究结果对干旱区生态系统管理具有重要的借鉴意义.
关键词  生态用地; 景观连接度; 距离阈值; 生态安全; 黑河中游
本文由国家自然科学基金项目(41371097)资助  This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41371097) .
2015⁃10⁃30 Received, 2016⁃03⁃10 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: nanshany@ pku.edu.cn
Dynamic changes of landscape connectivity for ecological lands and distance thresholds in the
middle reaches of the Heihe River, Northwest China. MENG Ji⁃jun1, WANG Xiao⁃dong1, YOU
Nan⁃shan1∗, ZHU Li⁃kai2 ( 1Ministry of Education Laboratory for Earth Surface Processes, School of
Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2USASILVIS Labora⁃
tory, Department of Forest and Wildlife Ecology, University of Wisconsin⁃Madison, Wisconsin 53760,
USA) .
Abstract: Landscape connectivity describes the organic connections of landscape components in
terms of landscape pattern, process, and function. We used land⁃cover data in 1986, 2000, and
2011, to study the changes of landscape connectivity for ecological lands ( forest, grassland, and
wetland) in the middle reaches of the Heihe River based on graph theory. The appropriate land⁃
scape threshold was determined by analyzing landscape connectivity changes for different thresholds.
Our results indicated that the area of ecological patches, which strongly influenced landscape con⁃
nectivity, decreased from 1986 to 2011 in our study area. For wetland patches, the area declined
more significantly from 2000 to 2011. For grassland, the number of patches decreased and then in⁃
creased. The area of grassland patches changed slightly, but some patches were fragmented. Dis⁃
tance thresholds had a positive relationship with landscape connectivity. 400 to 800 m was the ap⁃
propriate distance threshold for the research on species dispersal and ecological flows in the middle
reaches of the Heihe River. When 600 m was chosen as the distance threshold, the large patches
exerted the most significant influence on regional landscape connectivity level, suggesting they
played a key role in regional ecosystem stability and health. Although small ecological patches occu⁃
pied a small proportion of the total area of ecological patches, it was still necessary to protect and
manage these small patches given that they also influenced the maintenance and improvement of re⁃
gional ecological security pattern. The research was of great importance for ecosystem management in
arid areas.
Key words: ecological land; landscape connectivity; distance threshold; ecological security; the
middle reaches of the Heihe River.
应 用 生 态 学 报  2016年 6月  第 27卷  第 6期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2016, 27(6): 1715-1726                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201606.015
    近年来,景观破碎化和生境面积萎缩已成为威
胁生物生存的全球性问题[1] .景观破碎化加剧是快
速城市化和工业化进程中面临的重要问题,其导致
的空间异质性使景观格局连接度下降,干扰了正常
的景观生态过程和生态调节能力[2],如景观连接度
下降和栖息地斑块隔离会干扰植物授粉、种子传播、
野生动物迁移和繁殖及其他生态过程[3],直接影响
区域生态安全状况.增加景观连接度是现代生物多
样性保护策略的关键部分,且是抵消栖息地破碎化
和促进物种在自然范围内迁移的最佳手段[4-6] .因
此,在现有土地制度难以大幅度恢复或增加生态用
地的背景下,尽可能重建景观组分的空间生态联系、
强化景观结构网络性建设,成为增强景观生态功能、
维持区域生态安全的必然选择[7] .
景观连接度( landscape connectivity)描述了景
观要素在景观功能和过程上的有机联系.这种联系
可能是生物群体间的物种流,也可能是景观要素间
直接的生态流和信息流[8] .景观连接度包括结构连
接度和功能连接度.早期的景观连接度研究关注景
观结构连接度、揭示景观组分之间的几何关系,具有
较强的主观性,而忽略了生物体在景观中的扩散行
为[9-10] .景观功能连接度揭示了物种扩散过程和生
态流的运行程度[11-12],反映了生物体在景观中扩散
和生存的能力[13](即生物体通过非栖息地的能力),
也揭示了景观促进或阻碍生境斑块间物种扩散和生
态流运行的程度.景观连通度的计算需要指定景观
中生境斑块连通的距离阈值(distance threshold) [13] .
当斑块间的距离大于阈值,认为斑块间不连通;当斑
块间的距离小于或等于阈值,则认为它们是连通的.
斑块是否连通与不同生态过程发生的尺度相关,如
生物的迁移扩散过程和生态流运行等.距离阈值反
映了区域景观功能连接的最小距离,可以理解为在
景观阻力表面上,为满足指定生态斑块与其他生态
斑块连接需求而向外搜索的可达范围.不同的生态
过程是在不同的尺度下发生的,因此连接距离也是
不同的,即便是特定的物种扩散或生态流运行过程,
在不同的地域和环境条件下,距离阈值也会发生变
化.确定研究区适宜距离阈值有利于识别关键生态
斑块、发现景观连接薄弱区,可为景观生态安全格局
构建和区域生态系统稳定研究提供可靠依据.
近年来,国内外学者运用基于图论的景观连接
度模型研究景观连接度的状态、变化以及与它相关
的生态过程[14-15] .图论是量化网络连接度和流量的
重要方法,由一系列节点和连接它们的链接组成.图
通过直观和可视化的方式表示区域和自然系统的网
络特性,为跨尺度分析以及景观动态的直接表示提
供框架[16] .基于图论的景观连接度模型用节点表示
栖息地斑块,用链接表示特定物种迁移的可能性或
斑块之间传递生态流的可能性[15] .由于景观连接度
模型通过一系列指数定量分析每一栖息地斑块对维
持景观连接度的贡献程度,它不仅能描述栖息地斑
块之间的结构连接度状况,而且综合考虑物种的扩
散迁移能力和景观结构对物种的影响(即功能连接
度),所以在模拟景观网络和分析连接度及种群持
续性方面极为有效.一些研究根据节点间欧式几何
距离计算景观连接度指数,进而探讨斑块间连通程
度[17];同时,有学者基于生物体扩散能力,研究景观
连接度对鸟类[18]、哺乳动物与啮齿类动物[19]、植物
授粉与种子传播[20]、基因流[21]的影响,在此基础
上,不同景观连接度的适用性得到讨论. 2007 年,
Saura等[14]提出了评价景观连接度指数适用性的 13
条标准,并对常用指数和可能性连通度指数(proba⁃
bility of connectivity,PC)进行对比分析,发现只有
PC满足 13条标准.2011年,Baranyi等[22]运用 13个
基于图论的常用景观格局指数识别加泰罗尼亚苍鹰
栖息地重要斑块,发现整体连接度指数( integral in⁃
dex of connectivity,IIC)、PC 和中介度( betweenness
centrality,BC)对评价斑块在景观格局中的连通重要
性效果最佳.刘常富等[13]和陈杰等[23]基于 IIC、PC
和景观中各斑块的重要性分别对沈阳和巩义城市森
林景观连接度的距离阈值进行研究.梁国付等[24]采
用景观连接度指数研究巩义市山区林地景观在不同
距离阈值下连接度的变化,并定量分析了道路对林
地景观连接度的影响.另外,随着景观连接度模型研
究的深入,出现了如美国俄勒冈州立大学森林科学
系在 ArcGIS基础上开发的 Fragstats[25]、西班牙莱里
达大学开发的 Conefor Sensinode 2.6等计算软件[26] .
目前,景观连接度模型在生物多样性保护(自然保
护区规划、生物栖息地保护、生物多样性保护)中得
到了较为成功的应用[27-28] .
景观功能连接度的分析过程通常是针对某一特
定物种,或者是研究区的优势生态过程,在距离阈值
上依据物种活动的可达范围设定不同值.但目前国
内对物种扩散属性研究不足,同时流域尺度上的景
观连接度研究较少.因此,本文基于图论和生境可利
用性的观点,采用斑块间的链接数(number of links,
NL)、组分数(number of components,NC)、种类相合
概率(class coincidence probability,CCP)、IIC、PC 以
6171 应  用  生  态  学  报                                      27卷
及斑块重要性指数,对黑河中游生态用地景观连接
性及距离阈值进行研究,揭示不同距离阈值下景观
连接度和斑块重要性的变化规律,最后识别出研究
区的适宜距离阈值,旨在为干旱区生态系统管理提
供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况与数据来源
黑河流域自莺落峡至正义峡之间为中游(图
1),流程 185 km,介于 38°08′— 39°57′ N、97°20′—
102°12′ E之间,行政上包括甘肃省张掖市的山丹、
民乐、甘州、临泽、高台以及肃南明花区等,总面积
1.7×104 km2 .地处河西走廊中段,属于温带大陆性干
旱气候,年降水量 104 ~ 328 mm,年蒸发量 1639 ~
2341 mm.地势南高北低、东高西低,其中部为绿洲、
戈壁相间分布的走廊平原.黑河中游地理位置和生
态环境独特,湖泊、湿地众多,为我国候鸟三大迁徙
途径西部路线的终端地带,是黑鹳(Ciconia nigr)、
草原雕(Aquila nipalensis)、金雕(Aquila chrysaetos)、
暗腹血鸡 ( Tetraogallus himalayensis)、天鹅 ( Cyg⁃
nus)、白琵鹭(Platalea leucorodia)等多种珍稀鸟类
停留越冬繁衍的栖息地.生物资源种类繁多,野生动
物共有 270多种,其中,雪豹、野驴、藏马、熊等 55 种
属国家一、二类保护动物.黑河中游是整个黑河流域
社会、经济和生态的关键区域,集中了全流域 80%
的绿洲、91%的人口、95%的耕地和 80%的 GDP [29] .
其生态安全对河西走廊乃至下游地区生态环境良性
循环、维护黑河流域生态安全与经济社会可持续发
展、阻断京津地区西路沙尘等具有重要作用.但是,
多年来剧烈的人类活动导致生态环境恶化[30]、土地
盐碱化[31]、沙漠化[32]、景观破碎化[33]等问题日益突
出,区域生态安全面临较大威胁,是我国乃至全球生
态环境十分脆弱的地区之一[34] .
本文所用的 1986和 2000年土地利用数据来源
于中国科学院“八五”项目[35],解译精度均为 93%;
2011年土地利用数据源于中国科学院寒区旱区研
究所科学数据中心,解译精度大于 90%,符合解译
精度要求.3 期数据将研究区土地利用类型划分为
耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地 6 类,
分辨率为 30 m×30 m.基础地理信息数据(包括行政
区划、道路、居民点、河湖水系、灌溉渠道等)来源于
中国科学院寒区旱区科学数据中心的“数字黑河”
项目[36] .数字高程模型(DEM)数据来源于美国马里
兰大学全球土地覆被数据库,分辨率为 30 m×30 m.
图 1  研究区位置
Fig.1  Location of study area.
1􀆰 2  研究方法
基于生境可利用性的观点,选取黑河中游林地、
草地和湿地斑块作为自然生态用地,以整个研究区作
为环境背景,对黑河中游生态用地进行景观连接度动
态分析,筛选出适合黑河中游连接度研究的距离阈
值,在此基础上评价黑河中游景观生态安全格局.
1􀆰 2􀆰 1距离阈值设定  距离阈值的设定首先需要考
虑物种扩散范围,野生动植物迁徙扩散范围大多在
百米级别[37],鸟类的平均搜索范围在 30~32000 m,
一些中小型哺乳动物和两栖爬行动物的平均扩散范
围在 50 ~ 1000 m[13] .初步研究显示,当距离阈值达
到 1200 m,组分数开始平缓地减小并逐渐趋近于 1;
当距离阈值变为 12000 m,组分数等于 1;此后随着
距离阈值的增大,景观组分值不再发生变化.综合以
上两个因素,在进行 1986、2000和 2011 年景观连接
度研究时设定了 50、100、200、400、800 和 1200 m共
6个阈值;为深入研究大于 1200 m 范围的阈值,对
景观连接度的细微影响,拓宽阈值范围,设定 50、
100、200、400、600、800、1000、1200、2000、3000、5000、
8000和 12000 m共 13个距离阈值,对 2011年景观连
接度进行单独分析.分别计算各距离阈值下生态用地
景观连接度指标值,以反映不同距离阈值影响景观连
接度变化的规律,在此基础上进行景观阈值筛选.
1􀆰 2􀆰 2景观连接度指标  1)斑块间的链接数(NL),
指每两个斑块相连关系的数量.任意两个斑块之间
距离小于距离阈值,则认为它们是相连接的,产生链
接数.
2)组分数(NC),指由功能或结构上相互连接
的斑块组成的整体.不同景观组分之间是彼此孤立
的,不存在生态过程的联系.最大组分特指斑块数量
最多的组分,相应的最大组分面积指斑块数量最多
组分的面积.
71716期                      蒙吉军等: 黑河中游生态用地景观连接性动态变化及距离阈值           
3)景观相合概率(LCP),通过研究连接斑块区
域集来反映景观的连续性程度,其景观生态学意义
是反映待研究景观组分在整体研究区中的连贯性,
计算公式如下:
LCP =∑
NC
i = 1
(C i / AL) 2 (1)
式中:Ci 为这些景观组分的面积之和;AL 为研究区域
的总面积.LCP =1时,表示这些景观组分面积与研究
区面积相等,即研究区内所有景观同属一个类型.
4)种类相合概率(CCP),指生境内两个随机选
择的斑块属于同一组分的概率;或者可以认为生境
中随机存在的两种动物通过现有的斑块和链接能发
现对方的概率,其公式如下:
CCP =∑
NC
i = 1
(C i / AC) 2 (2)
式中:C i 为组分 i 的面积(属于组分 i 的所有斑块面
积之和);AC 为生态用地总面积.
5)中介度(BC),指某个斑块处于其他斑块对之
间的频度,是通过网络中某个点的最短路径与所有
节点间(不包括该点)最短路径的数量比.BC为一个
相对指标,其数值的大小反映了景观中特定斑块
(点)在生态流传递过程中的重要程度,而该斑块的
缺失将造成网络结构的分裂和景观破碎化,因此网
络分组结构的分割点多具有较高的中介度[38] .计算
公式如下:
BCk =∑



p( i、k、j) / p( i、j)( i ≠ j ≠ k) (3)
式中:i、j 为网络中任意不同的生态流(或廊道)的端
点;p( i,j)为点 i与点 j 之间最短路径的数目;p( i,k,
j)为点 i与点 j之间经过点 k 的最短路径数目.当网
络为权重网络时,其数值需增加权重参数.
6)整体连接性指数(IIC),计算公式如下:
IIC = (∑

i = 1


j = 1
ai·a j
1 + nlij
) / AL 2 (4)
式中:n为生态斑块的数量;ai 和 a j 分别为斑块 i 和
j 的面积;nlij为斑块 i 与斑块 j 间最短路径上的链接
数;AL 为研究区的总面积.0≤IIC≤1.IIC = 0,表示各
生境斑块之间不连接;IIC = 1,表示整个景观均可作
为生境斑块.
7)可能连接性指数(PC),反映斑块连接的总体
情况.计算公式如下:
PC = (∑

i = 1


j = 1
ai·a j·P∗ij ) / AL 2 (5)
式中:ai 和 a j 分别为斑块 i 和 j 的面积;P∗ij 为斑块 i
与斑块 j间最大扩散概率,即最大连接概率;AL为研
究区的总面积.0<PC<1,其值越接近于 1,说明景观
连接性越好.
8)改进型 BC指数,由于 BC仅仅考虑了通过特
定斑块的最短路径数,忽略了特定斑块的属性(如
面积)及其与其他斑块的距离.为了增加 BC 在评价
破碎景观中的现实生态意义,并使它与 IIC和 PC相
匹配,Bodin 等[39]提出了改进型 BC 指数———BC_
IIC和 BC_PC.由于 BC_IIC(BC_PC)与 IIC(PC)的
组成部分有着相同的统计单元和分析框架,有学者
也将 BC_IIC(BC_PC)称为 IIC(PC)的第 4 部分[40] .
计算公式如下:
BC_IICk =∑



aia j[1 / (1 + dij)]
( i,j ≠ k,且 ij ∈ nm∗) (6)
BC_PCk =∑



aia jp∗kij
( i,j ≠ k,且 ij ∈ nm∗) (7)
式中:ai 和 a j 分别为斑块 a 和 b 的面积;nm∗为点 i
与点 j之间经过点 k的最短(最大概率)路径;dij为 i
和 j之间的最短拓扑距离;p∗kij 为斑块 i 与斑块 j 间
最大连接概率.BC_IICk 和 BC_PCk 值越高,说明 k
作为其他斑块连接最佳路径(距离最短或最大概
率)的踏脚石作用越强,通过的生态流也越多.
NL、NC、LCP、IIC 、BC、BC_IIC 均基于二位连接
模型,即景观中的两个斑块只有连接或不连接两种
情况.两斑块间的距离小于或等于距离阈值,则认为
它们连接;大于距离阈值,则不连接. PC 和 BC_PC
是基于可能性连接模型,将斑块 i和斑块 j之间的连
接程度用最大扩散概率 P∗ij 表示,与斑块间距离存在
负相关关系.由于本文连接度重要值是在研究区范
围内讨论的,为了与二位连接模型计算结果具有可
比性,将斑块间距离等于距离阈值时斑块之间连通
的可能性设为 0.5[41-44] .
1􀆰 2􀆰 3重要斑块选取  重要斑块指对景观连通度的
维持和改善具有显著作用和贡献的栖息地斑块,对
保障生态流运行、提高生态安全水平具有重要意义.
景观连接度指数不仅能定量分析景观的连接程度,
还可揭示景观中每个斑块的相对重要性,连接度指
数不同,计算所得的斑块重要值也不同.dNL、dLCP、
dIIC和 dPC的通用公式如下:
dM=(M-Mrem) /M×100 (8)
式中:M为某一景观的连接度指数;Mrem为将某斑块
从该景观中剔除后,景观的连接度指数.dM 值越大,
表明这一斑块对该区域的景观连接程度影响越显著、
贡献程度高;反之,则影响程度越小、贡献程度低.
8171 应  用  生  态  学  报                                      27卷
根据对景观连接性贡献方式不同(斑块性质或
连接作用),dIICk 和 dPCk 可分为 3部分[45
-46]:
dIICk =dIICink+dIICfluk+dIICconk (9)
dPCk =dPCink+dPCfluk+dPCconk (10)
式中:dIICink / dPCink表示斑块 k 的自身属性(如面
积)对自身连接性的贡献,孤立斑块只有该值(式 4
和 5 中 i = j = k);dIICfluk / dPCfluk表示以自身属性
(如面积)为权重,从斑块 k(作为起点或者终点)出
发或者到达斑块 k 产生的最大生态流,这主要评价
斑块自身连接性的强弱(式 4 和 5 中,i = k 或者 j = k
且 i≠j);dPIIconk / dPCconk 表示斑块 k 作为踏脚石
对维持景观中其他斑块连接性的作用.这种作用依
赖于斑块在景观格局中所处的位置,高值意味着失
去斑块 k将减弱其他斑块间的连接性(式 4 和 5 中
i≠k且 j≠k).
1􀆰 2􀆰 4指标选取及处理  Baranyi等[22]认为,栖息地
景观连接性评价应主要从斑块本身的特性(面积或
者生境质量)、斑块能接收的最大生态流、斑块对其
他斑块连接性的作用 (踏脚石) 3 个方面出发.
dIICin、dIICflu、dIICcon 和 dPCin、dPCflu、dPCcon 能
够有效评价这 3 个方面.此外,dLCP、BC 及改进型
BC指数(BC_IIC 和 BC_PC)对景观结构和斑块位
置重要性的揭示则是对以上 3个方面的重要补充.
基于此,本研究选取 dIICin、dIICflu、dIIcon、dP⁃
Cin、dPCflu、dPCcon、dLCP、BC、BC_IIC 和 BC_PC 共
10个指标.将 dPCflu、dIICflu 和 dLCP 分为一组,用
于评价斑块接收生态流的能力;将 BC、dIICcon 和
dPCcon分为一组,用于评价斑块作为踏脚石的作
用;将 BC_IIC、dIICin、dIICflu 和 dIIcon 分为一组,运
用二位连接模型对斑块连接度进行评价;将 BC_
PC、dPCin、dPCflu和 dPCcon分为一组,运用可能性
连接模型对斑块连接度进行评价.
首先,分别提取 1986、2000、2011 年的林地、草
地和湿地斑块作为生态斑块;其次,利用 Conefor 2.6
计算每个生态斑块在距离阈值 50、100、200、400、
800、1200 m的各个景观连接度指标;再次,提取每
个指标排名前 50的斑块,再从每组中找出在每个指
标都排名前 50 的斑块;最后,将在这 4 组中出现频
率最高的斑块作为对研究区景观连接度产生影响的
生态重要斑块.
2  结果与分析
2􀆰 1  景观连接度及重要斑块识别
2􀆰 1􀆰 1 景观连接度   PC值可较好地反映景观斑块
表 1  黑河中游 1986、2000 和 2011 年不同距离阈值下生态
用地的可能连接性指数(PC)
Table 1  Probability of connectivity (PC) under different
distances of threshold on ecological land in the middle rea⁃
ches of the Heihe River in 1986, 2000 and 2011

Year
距离阈值 Distance threshold (m)
50 100 200 400 800 1200
1986 0.0254 0.0314 0.0407 0.0506 0.0596 0.0649
2000 0.0187 0.0201 0.0241 0.0309 0.0405 0.0468
2011 0.0175 0.0203 0.0252 0.0307 0.0370 0.0414
表 2  黑河中游 2011年不同距离阈值下生态用地的景观连
接度指数
Table 2   Landscape connectivity indices under different
distances of threshold on ecological land in the middle rea⁃
ches of the Heihe River in 2011
距离阈值
Distance
threshold
(m)
斑块间
链接数
NL
组分数
NC
种类相合
概率
CCP
整体连接
性指数
IIC
可能连接
性指数
PC
50 1094 754 0.211 0.0117 0.0175
100 1373 651 0.223 0.0122 0.0203
200 1776 518 0.234 0.0124 0.0252
400 2386 346 0.466 0.0157 0.0307
600 2886 249 0.496 0.0162 0.0342
800 3390 182 0.508 0.0169 0.0370
1000 3890 142 0.680 0.0181 0.0393
1200 4382 112 0.685 0.0190 0.0414
2000 6678 51 0.885 0.0244 0.0477
3000 9914 17 0.915 0.0256 0.0531
5000 17944 5 0.993 0.0290 0.0596
8000 33352 2 0.998 0.0315 0.0648
12000 58962 1 1.000 0.0333 0.0686
连接的总体情况.从表 1可以看出,在概率值设置一
致时,1986—2011年,PC在不同的距离阈值下都有
递减趋势,表明斑块破碎化加剧,景观连接度不断降
低.另外,在同一时段,随着距离阈值的增大,物种扩
散和生态流运行范围越大,斑块间的连接越好,表明
距离阈值的正向作用.
    从表 2可以看出,2011 年景观连接性随着距离
阈值的增加发生有规律的变化.其中,NL 值随着距
离阈值增大而增加.这是由于距离阈值越大,斑块搜
索可达范围越广,任意两个斑块越容易建立链接,研
究区的 NL值也随之变大.NC 值随着距离阈值的增
加而减少,在距离阈值较小时,由于研究区生态斑块
间的链接数较少,建立连接较困难,存在大量孤立斑
块,景观中只有部分斑块间互相连接构成景观组分;
当距离阈值增加到 12000 m 时,景观中所有生态斑
块都能相互连接,同属于一个组分;由于距离阈值的
绝对正向作用,如果当距离阈值再增大时,虽然链接
数还会增加,但是 NC 值将不再发生变化.CCP 值随
91716期                      蒙吉军等: 黑河中游生态用地景观连接性动态变化及距离阈值           
着距离阈值的增大而增大,任意两个斑块属于同一
组分的可能性增大,当阈值为 12000 m时,因为所有
斑块属于同一组分,即任意两块斑块属于同一组分
的可能性为 1. IIC 和 PC 值随着距离阈值的增大而
增加,并不会因为研究区所有生态斑块属于同一组
分而停止增长,也验证了距离阈值的绝对正向推进
作用;各个距离阈值对应的 IIC、PC 绝对值均较小,
主要与区域内生态用地的面积及所占比例较小、研
究区地处干旱区特殊地理环境有直接关系.
当距离阈值达到 1200 m时,NC 和 CCP 的变化
越来越缓慢,而 IIC 和 PC 仍有较大变化.针对扩散
迁移范围达到千米级物种(如鸟类)的景观连接性
分析,相对于 NC和 CCP,IIC 和 PC 具有较大优势,
适用性更强.
2􀆰 1􀆰 2重要斑块识别   从表 3 可以看出,随着距离
阈值的增加,重要斑块数量并无明显的变化规律;但
距离阈值⩾200 m时,在特定的距离阈值下,1986—
2011年重要斑块的数量逐渐衰减.这反映了黑河中
游生境的退化,也说明≧200 m 的距离阈值更能表
达黑河中游景观连接度的时间变化规律.从空间分
布来看(图 2),重要斑块主要分布在研究区东部和
中部,主要由湿地和草地构成,湿地以线状河流为
主,草地斑块一般面积较大.由于林地面积小且分
散,多分布在面积较大的湿地或草地斑块周边.
    从图 2可以看出,1986年共筛选出重要斑块 24
块(湿地 9 块、草地 15 块),总面积 3614. 88 km2;
2000年共筛选出重要斑块 17块(湿地 11块、草地 6
块),总面积 3307.18 km2;2011 年共筛选出重要斑
块 20块(湿地、草地各 10块),总面积 3172.52 km2 .
1986—2000年重要斑块数量和面积减少,反映生态
重要斑块数量和质量都出现了一定衰退. 2000—
2011年重要斑块数量增加,但总面积下降,说明斑
块破碎化加剧,生态斑块连接性下降.1986 和 2000
年,不同阈值下重要斑块的数量相对稳定,2011 年
的变化相对较大,这也说明 1986 和 2000 年景观结
构比 2011年相对完整.1986—2011年重要斑块数量
和面积变化的总趋势是重要斑块面积不断萎缩,生
境质量下降.
由表 4可以看出,1986 年重要斑块中草地出现
频率最大,所占的面积比例也较大,在不同距离阈值
设定下,草地重要斑块发生了小幅波动,草地斑块对
景观连通性有明显作用.湿地斑块面积较小,但出现
频率较高,说明湿地斑块的存在对景观连通性具有
重要意义.2000年,在不同阈值条件下,湿地重要斑
块面积有所下降,但是频率有所提高,并且超过草
地,说明湿地重要斑块虽然出现了一定退化,但是对
景观连接性发挥了更为重要的作用.草地斑块虽然
频率下降了,但是面积有所提升,仍然对景观连接性
表 3  黑河中游 1986、2000和 2011年不同阈值下重要斑块数(个)
Table 3  Number of important patches in the middle reaches of the Heihe River in 1986, 2000 and 2011

Year
距离阈值 Distance threshold (m)
50 100 200 400 800 1200
1986 14(5-1、9-3) 15(5-1、10-3) 16(6-1、10-3) 17(7-1、10-3) 14(4-1、10-3) 16(7-1、9-3)
2000 13(8-1、5-3) 14(9-1、5-3) 13(7-1、6-3) 13(7-1、6-3) 10(5-1、5-3) 13(8-1、5-3)
2011 15(8-1、7-3) 16(9-1、7-3) 11(7-1、4-3) 13(7-1、6-3) 7(3-1、4-3) 10(5-1、5-3)
-1: 湿地 Wetland; -2: 林地 Forestland; -3: 草地 Grassland.
图 2  1986、2000和 2011年对景观连接度产生重要影响的斑块
Fig.2  Important patches affecting landscape connectivity in the middle reaches of Heihe River in 1986, 2000 and 2011.
Ⅰ: 湿地 Wetland; Ⅱ: 草地 Grassland.
0271 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 4  黑河中游 1986、2000和 2011年重要斑块的相关指标
Table 4  Related indices of important patches in the middle reaches of the Heihe River in 1986, 2000 and 2011

Year
距离阈值
Distance threshold
(m)
湿地 Wetland
频率
Frequency
面积
Area (km2)
面积比
Area ratio (%)
草地 Grassland
频率
Frequency
面积
Area (km2)
面积比
Area ratio (%)
1986 50 0.36 496.19 16.7 0.64 2470.86 83.3
100 0.33 496.19 15.3 0.67 2756.92 84.8
200 0.35 532.76 17.3 0.65 2538.99 83.8
400 0.41 587.22 18.8 0.59 2538.99 81.2
800 0.29 415.47 16.0 0.71 2538.99 84.0
1200 0.44 546.59 20.0 0.56 2182.99 80.0
2000 50 0.62 456.71 14.1 0.38 2772.60 85.9
100 0.64 462.30 14.3 0.36 2772.60 85.7
200 0.54 435.82 13.4 0.56 2814.40 86.6
400 0.54 435.84 13.4 0.56 2814.40 86.6
800 0.50 404.86 13.0 0.50 2718.30 87.0
1200 0.62 451.28 14.2 0.38 2718.30 85.8
2011 50 0.53 353.81 11.5 0.47 2719.01 88.5
100 0.56 375.62 12.1 0.44 2733.82 87.9
200 0.64 335.92 11.4 0.36 2613.83 88.6
400 0.54 323.91 10.9 0.46 2659.82 89.2
800 0.43 168.05 6.3 0.57 2553.51 93.8
1200 0.50 200.74 7.2 0.50 2585.46 92.8
发挥着基础性的作用.2011年,重要斑块中湿地斑块
和草地斑块在不同距离阈值下的面积都比 2000 年
减少,其中湿地面积的减少尤为明显.但是湿地斑块
频率没有明显下降,说明湿地对景观连接度贡献没
有下降.这主要是因为湿地斑块中线状的河流斑块
将众多的生态斑块串联起来,踏脚石作用明显.
2000—2011年河流水系未发生重大变化,但是块状
湿地(如沼泽、湖泊)出现了萎缩,直接导致了景观
连接度的下降.
2􀆰 2  景观连接度适宜距离阈值的选择
2􀆰 2􀆰 1距离阈值对连接斑块数量和面积的影响  任
意两块斑块之间的距离如果小于阈值,则产生链接
数,两斑块相互连接,能够产生物种扩散和生态流.
由于黑河中游的大型生态斑块分布相对集中,在阈
值较小的情况下大部分生态用地也处于连接状态
(图 3).例如,在 50 m 阈值下,有 1055 个生态斑块
连接,占全部生态斑块数的 61.3%,连接斑块的总面
积为 4411 km2,占生态斑块总面积的 92%.由于距离
阈值的绝对正向作用,随着距离阈值的增加,连接的
斑块数量和面积持续增加.在 200 m阈值下,有 1318
个斑块连接,占全部斑块数的 76.5%,连接斑块的总
面积为 4414.9 km2,占全部斑块总面积的 96.5%.随
着距离阈值继续增加,处于偏远位置的生态斑块不
断被连接,当阈值达到 5000 m时所有生态斑块完全
连接,即连接斑块数和面积均 100%.
    以上分析说明,黑河中游在不同阈值下大面积
的生态斑块都与相邻斑块存在景观功能上的连接,
即存在物质流和能量流的交换.在 50 m 阈值下,存
在部分没有与周边斑块建立景观功能连接的孤立斑
块,随着阈值的增加,连接斑块增多,在 5000 m阈值
下,所有的生态斑块都建立了景观功能连接.
2􀆰 2􀆰 2距离阈值对组分数、最大组分斑块数、最大组
分面积的影响  从图 4 可以看出,随着距离阈值的
增加,NC 呈递减趋势,直至减少为 1,而最大组分的
生态斑块数量和面积均呈逐渐增加的趋势.据此,可
将阈值划分为以下 4个区间:
图 3  黑河中游 2011年不同阈值下生态用地相互连接的斑
块数量(Ⅰ)和面积(Ⅱ)
Fig.3  Number (Ⅰ) and area (Ⅱ) of connected patches on
ecological land under different distances of thresholds in the
middle reaches of the Heihe River in 2011.
12716期                      蒙吉军等: 黑河中游生态用地景观连接性动态变化及距离阈值           
图 4  黑河中游的组分数、最大组分斑块数和最大组分面积
Fig.4  Number of components, the number and the area of the
patches in the largest component in the middle reaches of the
Heihe River.
    1)距离阈值为 50 ~ 400 m.NC 值由 754 快速降
至 346,最大组分斑块数由 230 增加到 535,最大组
分面积由 1520.65 km2增加至 3215.65 km2,其占全
部生态斑块的面积由 31.8%上升至 67􀆰 3%.此区间,
NC下降明显,最大组分斑块快速增加,最大组分斑
块面积变化剧烈,经历了骤降和骤增的过程.可见,
景观连接度在这一距离阈值区间内易受阈值变化的
影响,距离阈值靠近 200 m尤为明显.提高景观连接
度的最终目的是提高生态系统结构稳定性,从而为
景观生态流的运转提供良好的物质基础.如果景观
连接度易受到连接距离的影响而发生大幅变化,说
明这一距离阈值区间不宜用来描述景观连接状况,
不宜作为适宜距离阈值.
2)距离阈值为 400 ~ 800 m.NC 值从 346 减至
182,最大组分斑块数由 535 块增加到 640 块,最大
组分面积从 3215.65 km2增长至 3310.53 km2,最大
组分的面积占全部生态斑块总面积比例从 67􀆰 3%
提高到 69.3%.此区间,NC 值继续减少,但是幅度趋
缓,最大组分斑块数和最大组分斑块面积变化较小.
说明在此距离阈值区间,景观连接度较为稳定,受阈
值变化影响小,有利于开展研究区景观连接度分析.
3)距离阈值为 800 ~ 1200 m.NC 值由 182 下降
到 112,最大组分数斑块由 640块增加到 1270块,最
大组分面积由 3310.53 km2增加到 3913.26 km2 .此阈
值区间,虽然 NC 值变化率相对较小,但最大组分斑
块数变化较大,说明最大组分易受距离阈值变化的
影响,其内部稳定性较差.由于景观组分本身就是区
域景观的组成部分,其内部的不稳定必然会影响景
观结构完整性和景观连接度的连续性,不利于开展
景观格局和过程的研究.
4)距离阈值为>1200 m.组分数平缓地减少到
1,最大组分中的斑块数也稳定地增加到 1722 个,即
全部生态斑块同属于一个组分且互相连接.因此,如
果选择此区间作为研究景观连接度的距离阈值,相
当于研究区内所有生态斑块都能相互连接,即全部
生态斑块都能够作为生态栖息地.这与研究区的生
态环境状况不符.
通过分析发现,在 400~800 m阈值范围内适宜
研究黑河中游景观连接度.
2􀆰 2􀆰 3距离阈值对 NC 组分数下连接斑块分布的影
响  景观中孤立斑块或是斑块数较少的组分难以与
其他组分进行物质、能量、信息交流,抗风险能力较
差,成为景观格局的薄弱之处.由于距离阈值越小,
组分数越多,更能清晰地显示连接斑块的分布和有
效发现孤立斑块,因此,在 50 ~ 2000 m 阈值下选择
斑块数大于 10的组分数分析连接斑块分布(图 5).
当距离阈值为 50、100、200、400、600、800 m时,生态
斑块数大于 10的组分数分别为 12(856个斑块)、15
(946 个斑块)、14 ( 1060 个斑块)、11 ( 1225 个斑
块)、6(1353个斑块)、5(1428个斑块);距离阈值从
50 m增加到 100 m,斑块数大于 10的组分呈上升趋
势,连接斑块数增加,均存在大量的孤立斑块,这表
明在 50~100 m距离阈值内更适于寻找斑块间的连
接关系;随着距离阈值的逐渐增加,不断有孤立斑块
产生连接,在 800 m时大部分斑块处于连接状态;当
距离阈值为 1200、2000、3000、5000、8000、12000 m
时,研究区连接组分数分别为 6、5、2、3、1、1、1,虽然
部分组分在空间分布上仍存在分异,但面积比重极
小,对景观连接度的影响也不大,基本趋于全部连
接.因此,从连接斑块的分布寻找斑块连接性关系的
适宜距离阈值应在 50~800 m.
2􀆰 2􀆰 4距离阈值对斑块重要值的影响  研究区面积
最大的 3块生态斑块(斑块编码:1062、1234、1412)
的面积与其他生态斑块相差较大,且 dIIC和 dPC值
均在15以上,均属于重要生态斑块.为了更直观地
2271 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 5  黑河中游不同距离阈值对斑块数大于 10的组分分布的影响
Fig.5  Influence of different distances of thresholds on components with patch number more than 10 in the middle reaches of the Heihe
River.
Ⅰ: 连接斑块 Connected patches; Ⅱ: 孤立斑块 Isolated patches.
揭示斑块重要性分布,默认为任何阈值范围都能很
好地反映 3块生态斑块的重要性.在此基础上统计
其他生态斑块.结果发现,大型生态斑块在不同距离
阈值条件下的重要值均较高,且能够有效识别,说明
它们对研究区景观连接度的贡献较大,是维持区域
生态系统稳定的物质基础;小型生态斑块由于面积
较小、数量众多,其重要性的发现较为困难,因此需
要通过对不同阈值条件下斑块重要值分布进行分
析,发现位置优越、生境质量好的关键小型斑块,是
提高研究区景观连接度的关键节点.
dIIC值在距离阈值 400 ~ 2000 m 范围内,小型
斑块和大型斑块重要值都能突出体现,特别是在
400~600 m,部分小型斑块重要值表现突出,可以作
为识别景观关键节点的有效依据. dPC 值在距离阈
值 100 ~ 1200 m 时,小型斑块和大型斑块重要值均
能较好体现,特别是在距离阈值 100~600 m,部分小
型斑块重要值表现突出,能够为景观格局关键节点
的识别提供参考.当距离阈值超过 2000 m 后,仅大
型斑块的重要性得以体现,难以发现小型斑块的重
要性.因此,综合 dIIC 和 dPC 在不同阈值条件下的
分布情况,筛选出 400 ~ 1200 m 作为反映关键斑块
重要性的适宜距离阈值范围.
2􀆰 2􀆰 5距离阈值确定  通过分析不同距离阈值下连
接斑块数量和面积变化、NC 的响应、连接斑块的分
布以及单个斑块的重要值分布,判别黑河中游景观
连接度研究的适宜距离阈值.在 400 ~ 800 m 阈值范
围内,黑河中游景观连接度变化幅度不大,相对稳
定,且能真实反映黑河中游景观连接度的时间变化
规律;在 100~800 m阈值范围能够识别连接斑块和
孤立斑块的分布,有利于发现景观连接度的薄弱环
节;在 400 ~ 1200 m 阈值范围能较好地反映关键斑
块的重要值分布,发现位置优越、生境质量好的关键
小型斑块.综上所述,400~800 m阈值范围是研究区
进行景观连接度研究、景观生态安全格局优化、生态
环境建设的适宜阈值范围.
2􀆰 3  生态斑块规模对景观连接度的影响
参照相关研究[27,47],按照面积将生态用地斑块
分为小型斑块( <1 km2)、中型斑块(1 ~ 5 km2)、大
中型斑块(5~10 km2)和大型斑块( >10 km2).从表
5看出,研究区以小型斑块最多(占 81.1%),但面积
仅占 6.4%;大型斑块数量只占 5.8%,但面积却达
77.5%.说明大、小生态斑块分布极不均匀,景观格局
由少量的大型斑块和大量的小型斑块构成.
2􀆰 3􀆰 1大型斑块对景观连接度的影响  对距离阈值
600 m下 dIIC和 dPC 进行统计,分别筛选出影响区
域景观总体连接度水平和可能连接度水平的前 10
个斑块信息.从面积角度来看,dIIC 值和 dPC 值前
10位中编号为 272和 322 的生态斑块面积较小,其
他生态斑块均为大中型斑块.表明影响区域总体景
观连接水平的斑块类型为大型斑块,它们是区域生
32716期                      蒙吉军等: 黑河中游生态用地景观连接性动态变化及距离阈值           
表 5  黑河中游生态用地的斑块类型
Table 5  Types of patches of ecological lands in the middle
reaches of the Heihe River
斑块类型
Patch type
斑块数
Patch number
数量
Number

斑块面积
Patch area
面积
Area
(km2)

小型斑块
Small patch
1397 81.1 305.66 6.4
中型斑块
Medium patch
251 14.6 514.13 11.3
大中型斑块
Large and medium patch
32 1.9 228.83 4.8
大型斑块
Large patch
42 2.4 3705.18 77.5
表 6  小型斑块对景观连接度的影响
Table 6  Effects of small patches on landscape connectivity
斑块类型
Patch type
组分数
NC
最大组分
斑块数
Patch number
of the
maximum
component
最大组分
斑块面积
Patch area
of the
maximum
component
(km2)
整体连接
性指数
IIC
可能连接
性指数
PC
保留小型斑块
Retain small patches
249 616 3294.90 0.0162 0.0343
去除小型斑块
Remove small patches
62 109 3122.65 0.0141 0.0271
态系统稳定和健康的关键组分.因此,在景观格局调
整与建设中,必须保持大型生态斑块的规模和稳定.
2􀆰 3􀆰 2小型斑块对景观连接度的影响  通过对比在
600 m阈值下保留和去掉小型斑块后 NC 值、IIC 值
和 PC值的变化可以看出(表 6),当失去小型生态
斑块后,研究区的景观指标值均下降,其中 NC 值由
249降为 62,最大组分斑块数由 154 下降为 109,面
积也有所下降, IIC 和 PC 分别下降了 13. 0%和
21.0%.小型斑块、中型斑块、中大型斑块和大型斑块
对 NL贡献率依次为 69.3%、18.3%、4.1%和 18.3%,
小型斑块贡献了研究区大部分的链接数.由此说明
小型生态斑块虽然所占面积不大,但对提高研究区
景观连接度和维护区域生态系统稳定却有较大的
作用.
3  讨    论
景观连接度作为衡量景观要素结构和功能上连
通程度的指标,较好体现了生态安全格局的评判标
准.本研究基于景观连接度原理,利用 GIS 的空间分
析功能和相关统计工具,对研究区 1986、2000 和
2011年生态重要斑块动态变化进行分析,并对 2011
年现状景观生态格局进行距离研究,在适宜阈值下
研究了不同规模斑块对研究区景观连接的贡献,为
景观生态安全格局的评价提供了新思路.
基于图论的景观连接度模型对图中要素参数赋
予特定的生态意义,与整合到 FRAGSTATS 中的景
观结构连通度指标相比,更突出景观功能连接度,能
更好地反映物种迁徙扩散过程与景观格局之间的相
互关联.景观连接度依赖于距离阈值,适宜距离阈值
下的景观连接度分析有助于寻找景观连接的薄弱环
节、识别重要小型斑块,为流域生态安全格局构建提
供理论指导.本研究表明,适宜距离阈值由区域主要
生态过程和区域景观格局共同决定,能反映区域景
观连接度水平;但适宜距离阈值与生态过程、景观格
局相互作用机制并不明确,有待进一步研究.
景观连接度能够有效评价生态流和景观可利用
性.本研究基于景观功能连接度对长时间序列生态
重要斑块变化和景观格局进行探讨,由于相关研究
较少,相关指标选取时参考依据相对薄弱,实际效果
有待验证.生态重要斑块评价时,忽略了斑块的质量
变化和景观类型转换的评价.在适宜距离阈值研究
中,较多采用经验识别.因此,在今后研究中要加强
景观连接度的数理研究,突出相关指标的实证分析.
4  结    论
1986—2011年间,重要生态斑块连接度呈下降
趋势,重要生态斑块数量出现先减少后增加的趋势,
重要斑块中湿地面积大幅下降,草地变化幅度不大,
重要斑块面积呈下降趋势.主要原因是随着人口数
量的增加和经济的快速发展,人类活动的强度和范
围日益增加,对生态环境的干扰愈加强烈,加剧了生
态斑块的破碎化,斑块间的连接性减小或阻断,廊道
逐渐消失.
通过分析不同阈值条件对斑块数量和面积、组
分数指标、组分连接斑块分布、斑块重要值分布的影
响,识别出 400~800 m是研究区进行景观生态安全
评价、景观格局优化和生态环境建设的适宜阈值范
围.该距离阈值区间与黑河中游主要生态过程发生
尺度相对一致,生态连接度较为稳定,能清晰地显示
连接斑块的分布和有效发现孤立斑块,发现位置优
越、生境质量好的重要小型斑块.选择 600 m 阈值分
析发现,大型斑块影响区域总体景观连接水平,是区
域生态系统稳定和健康的关键组分和物质基础.小
型生态斑块虽然面积比例较小,但因其数量众多,对
局部地段的生态平衡及区域内生态过程的连通也起
着重要作用.加之其维护成本相对较低,布局方式灵
4271 应  用  生  态  学  报                                      27卷
活,通过对其控制可有效维护或控制生态系统的生
态过程,对生态系统的演替、干扰、恢复等具有战略
意义.
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作者简介  蒙吉军,男,1971年生,博士,副教授.主要从事生
态系统管理、土地利用变化的生态环境效应研究,发表论文
100余篇. E⁃mail: jijunm@ pku.edu.cn
责任编辑  杨  弘
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