自然資源整合視角下泰山區域生態網絡構建研究*

肖華斌 張慧瑩 劉 瑩 況苑霖 XIAO Huabin, ZHANG Huiying, LIU Ying, KUANG Yuanlin

2015年9月，中共中央、國務院印發《生態文明體制改革總體方案》，要求樹立山水林田湖是一個生命共同體的理念，按照生態系統的整體性、系統性及其內在規律，統籌考慮自然生態各要素、山上山下、地上地下、陸地海洋以及流域上下游，進行整體保護、系統修復、綜合治理，增強生態系統循環能力，維護生態平衡。為貫徹落實開展山水林田湖草生態保護的部署要求，財政部、原國土資源部、原環境保護部聯合印發了《關于推進山水林田湖生態保護修復工作的通知》，分三批次開展山水林田湖草生態保護修復工程試點。通過對山水林田湖草生命共同體實施生態保護修復工程，提升區域生態系統服務功能和整體環境質量。中共中央、國務院《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》和《關于在國土空間規劃中統籌劃定落實三條控制線的指導意見》等相關文件的出臺，標志著國土空間規劃中以“雙評價”為基礎的底線管控和全域自然要素的統籌管理制度已經建立[1-2]。山水林田湖草生命共同體理念的提出，將空間規劃中的自然資源內涵從傳統的空間系統擴展到生態系統，并強調其內在的有機聯系和相互作用。厘清自然資源內在聯系和作用，就需要理解自然要素間物質循環、能量流動、信息傳遞的生態過程，才能確保山水林田湖草生態保護修復工程的順利開展。如何在國土空間規劃中，將山水林田湖草生態保護修復目標與全域全類型自然資源要素統籌管理相結合，推進落實生命共同體理念中的整體性、系統性、協同性和關聯性的要求，是國土空間規劃中面臨的重要問題。

1 自然資源整合視角下區域生態網絡構建途徑

景觀生態安全格局（Security pattern，SP）是20世紀90年代后期以景觀生態學理論和方法為基礎，基于景觀過程和格局的關系，通過景觀過程的分析和模擬，來判別對這些過程的健康與安全具有關鍵意義的景觀格局。景觀生態安全格局把景觀過程（包括區域水文循環、災害過程擴散、物種空間運動以及城市蔓延擴張等）作為通過克服空間阻力來實現景觀控制和覆蓋的過程。要有效地實現控制和覆蓋，必須具備有戰略意義的關鍵性的景觀元素、空間位置和聯系。這種由關鍵性元素、戰略位置和聯系所形成的格局就是景觀生態安全格局，對維護和控制生態過程或其他水平過程具有重要的意義[3-4]。同時，某些生態過程的景觀安全格局也可有效控制突發性災害，如洪水安全格局、地質災害安全格局等。通過確定自然生態過程的一系列閾限和安全層次，提出維護與控制生態過程的關鍵性的時空量序格局。生態安全格局理論由于其具有主動、空間聯系和高效的生態戰略優勢，被廣泛地應用于國土空間規劃、綠色基礎設施構建以及生態保護修復工程中[5-8]。目前識別景觀生態安全格局比較成熟的方法是通過構建生態過程的最小阻力面（Minimum cumulative resistance，MCR） 實 現 景 觀控制，分析景觀斑塊的分離程度并作為景觀格局優化的依據。基于垂直過程的疊加分析方法和基于水平過程的空間分析方法構建生態安全格局，并采用形態學空間格局分析法（Morphological spatial pattern analysis，MSPA）識別潛在的生態廊道。MSPA是基于數學形態學原理對柵格圖像進行度量、識別和分割的一種圖像處理方法[9-10]。該方法強調研究內容的結構性連接，在進行生態源地與生態廊道的選取時，能夠減少傳統方法中依據面積較大、生態系統服務價值較高選取核心斑塊的主觀性判斷，增加源地和生態廊道選取的科學性[11-13]。生態網絡構建是保障生態過程、維護生態安全、提升生態系統服務的有效途徑，生態網絡為自然要素及生境斑塊間生態過程的有效調控提供了重要的空間結構，構成系統、完整的生態空間格局，實現生態服務價值的提高和生物多樣性的保護[14-15]。

在厘清山水林田湖草自然要素內在關系和生態過程的基礎上，整合生態保護修復目標與生態保護紅線劃定途徑，選取適宜的單因子/要素進行水平過程空間分析，得到單因子/要素生態安全格局，然后進行垂直疊加，獲取綜合生態安全格局。在此基礎上，基于MSPAS識別潛在的重要生態廊道，構建山水林田湖草區域生態網絡（見圖1）。

2 泰山區域山水林田湖草自然要素識別

泰山區域作為我國第二批山水林田湖草生態保護修復工程試點，其范圍包括泰安市全域與濟南市大部分區域，總面積約為13 500 km2，占山東省陸地面積約8.6%。地勢中部高，南北低，中部為山區，南部和北部為丘陵、平原（見圖2）。泰山區域山水林田湖草生態保護修復工程根據修復任務不同分成了泰山生態區、大汶河—東平湖生態區、小清河生態區3個生態修復區域。通過遙感影像解譯并結合土地利用現狀（數據主要來源于30 m×30 m的LANDSAT8遙感影像、30 m×30 m的DEM高程數據），可以得到泰山區域的山水林田湖草自然要素面積數量和空間分布（見圖3，表1）。

圖1 自然資源整合視角下山水林田湖草區域生態網絡構建途徑

圖2 泰山區域山水林田湖草生態保護修復工程區位圖

3 泰山區域生態安全格局構建

根據泰山區域生態保護修復目標和國土空間規劃中生態保護紅線劃定要求，以景觀生態安全格局理論為指導，構建泰山區域水源涵養、地質災害防護和生物多樣性保護生態安全格局，通過空間疊加和運算構成泰山區域綜合生態安全格局。

表1 泰山區域山水林田湖草要素面積及分布情況表

圖3 泰山區域山水林田湖草自然要素分布圖

圖4 泰山區域水源涵養安全格局

3.1 水源涵養安全格局

泰山區域中大汶河—東平湖生態區和小清河生態區的生態修復重點涉及水生態環境和泉域滲透帶保護，水源涵養是提升水生態環境和保護泉域滲漏帶的關鍵因子。水源涵養安全格局是保障區域正常的生產、生活用水，并能維持區域水源涵養不被破壞、污染的關鍵格局。本文識別了泰山區域重要區域河湖水系、濕地分布、飲用水源區等的水資源要素以及洪泛平原、自然河流、湖泊及其沿岸濕地、灘涂等用地類型?；贏rcGIS對不同等級的水資源和濕地進行緩沖分析，構建不同安全水平的水源涵養安全格局（見圖4，表2）。

3.2 地質災害防護安全格局

對地質災害防護安全格局的分析，應首先建立在區域地質災害敏感性分析基礎上，疊加地震帶、滑坡、滑塌、崩塌、地面沉降和地裂縫等多種地質災害要素的空間分布，確定地質災害源；然后通過對各地質災害類型的誘因和災害易發區內土地利用格局的分析，確定對地質災害防護起關鍵作用的區域和空間聯系[16]。地質災害源的識別分析方法，就是通過對區域生態環境特征及地質災害形成機制的研究，確定影響地質災害發生的主要因子的評價指標。泰山區域地質災害因子主要包括地震帶、滑坡、滑塌、崩塌、地面沉降和地裂縫等多種地質災害要素?；贏rcGIS對高程和坡度的分級運算，得到地質災害的敏感性分布，通過疊加各類地質災害因子，識別地質災害源的空間分布（見圖5，表3）。

3.3 生物多樣性保護安全格局

生物多樣性保護安全格局構建通常通過最小阻力模型為代表的水平生態過程分析模擬指示物種在空間運動中所需要克服的最小阻力，生物過程的安全格局一般由源（核心棲息地）、緩沖區（源周圍的低阻力區域）、廊道和輻射道（連接多個源的低阻力通道）和戰略點（對生物過程具有關鍵意義的節點）等景觀元素構成。本文選取白鸛（Ciconia）和雕鸮（Bubo）作為指示物種，并依據指示物種的生境需求，確定源（見表4）。研究選取適宜白鸛棲息、繁殖的生境類型為源地（面積較大的水體及其200 m內的林地和草地），選擇影響白鸛生存條件的土地利用類型為阻力因子，依據各類用地對白鸛運動的相對阻力大小，賦予相應的阻力值來構建阻力面?；贛CR模型，運用ArcGIS計算成本距離，模擬不同土地利用類型對白鸛從源地向外擴散過程中的阻力大小，構建白鸛保護安全格局。雕鸮在泰山區域為留鳥，宜采用適宜性分析法構建雕鸮保護安全格局。林地是鸮類主要的棲息地類型，根據其生活習性，選擇海拔高于500 m的林地為物種保護的核心斑塊。雕鸮活動范圍較廣，土地利用類型對其影響較小，在源地周圍劃定適宜的緩沖區，構建雕鸮保護安全格局。對白鸛保護安全格局和雕鸮保護安全格局進行空間疊加，得到不同安全水平的泰山區域生物多樣性保護安全格局（見圖6）。

圖5 泰山區域地質災害防護安全格局

圖6 泰山區域生物多樣性保護安全格局

圖7 泰山區域綜合生態安全格局

3.4 泰山區域綜合生態安全格局

綜合以上水源涵養安全格局、地質災害防護安全格局和生物多樣性保護安全格局，進行等權重空間疊加，得到不同安全水平的泰山區域綜合生態安全格局。低安全格局是保障生態功能的最低要求，是建設用地不可突破的生態底線，是生態保護修復任務的重點區域；中安全格局是保障生態過程不受干擾的緩沖區域，是生態保護修復任務與生態工程建設相互協調的區域；高安全格局是各生態要素實現生態功能充分發揮的理想狀態，是生態保護修復任務與人類活動緊密聯系、相互協調的重要區域（見圖7，表5）。

表2 水源涵養安全格局建構標準

表3 地質災害防護安全格局建構標準

表4 指示物種特征及生境條件

表5 不同安全水平的泰山區域生態安全格局面積及占比

4 泰山區域生態網絡構建

4.1 潛在重要生態廊道識別

4.1.1 生態源地選取

形態學空間格局分析法應用的關鍵在于對生態要素與非生態要素的劃分。本文將林地、草地、水體作為MSPA分析的前景要素（值為2），建設用地、耕地作為背景要素（值為1），利用GuidosToolbox 2.8分析軟件將生態要素劃分成7種景觀類型：核心區（Core）、孤 島（Islet）、邊 緣（Edge）、穿 孔（Perforation）、連接橋（Bridge）、環（Loop）、分支（Branch）（見圖8）。根據島嶼生物地理學原理，在MSPA分析結果中，面積較大且景觀連接度較高的核心區可作為物種棲息地，對生物多樣性的保護具有重要意義。本文首先選取面積（S）≥3 km2的核心區為重要核心區[17]，共計80個；其次運用景觀連通性分析軟件Conefor Sensinode2.2計算80個重要核心區的景觀連接度指數（PC），利用自然段點法將景觀連接度指數分為8個重要程度等級；最后，按連接度重要程度由高到低排序，將前6個等級（PC≥0.2）的重要核心區確定為最終的生態源地，共計34個。

4.1.2 生態廊道提取與重要性分析

生態廊道的提取常用最小累積阻力模型計算源地與目標源地間的最小耗費距離來決定。生物在不同源地斑塊間運動需要克服景觀阻力，阻力面設置能夠確定最小阻力路徑。選取土地利用類型、高程、坡度3種阻力因子，對阻力因子進行權重賦值來構建阻力面（見表6）。采用ArcGIS的成本距離與成本路徑來計算基于生態阻力面的源地與目標源地間的潛在生態廊道。重要生態廊道選取依據多個源地與目標源地重合的潛在生態廊道與MSPA分析的具有廊道功能的橋接區、環、分支進行確定（見圖8）。由于泰山斑塊面積與生境質量較高，重要生態廊道在研究區域主要沿南北向分布于源地間的山林地、草地和耕地（見圖9）。

4.2 泰山區域生態網絡構建

基于泰山區域的綜合生態安全格局和MSPA識別的潛在生態廊道，規劃泰山區域“一核三心，一軸一帶多節點”的生態網絡結構（見圖10）?！耙缓恕睘橐陨健⒘譃橹鞯奶┥缴鷳B核心區，是泰山區域規模最大、生態價值最高的生態空間，用以涵養水源、維持關鍵物種的生存等生態功能；“三心”分別為東平湖濕地生態綠心、徂徠山生態綠心和蓮花山生態綠心，東平湖是研究區域最大的湖泊，也是山東省第二大淡水湖，提供多種生態系統服務類型，徂徠山和蓮花山是研究區域面積較大、斑塊較為完整的獨立山體，生態要素類型多樣，在區域中發揮著重要的生態功能；“一軸”是大汶河生態軸，東西向貫穿泰山區域南部，實現了生態斑塊間信息流、能量流、物質流的東西向傳遞；“一帶”是連接核心區間生態過程的潛在生態廊道，基于核心區之間的山林地、河流、農田構建起生態聯系；“多節點”是生態價值較核心區低、可作為生態過程踏腳石的一般核心區，能夠加強研究區域生態網絡結構間的聯系。

圖8 泰山區域MSPA要素分析

圖9 泰山區域重要生態廊道識別

圖10 泰山區域生態網絡結構圖

表6 生態阻力值及權重

5 結語

山水林田湖草生命共同體的核心就是從過去的單一要素保護修復轉變為以多要素構成的生態系統服務功能提升為導向的保護修復。泰山區域是華北平原重要的生態屏障，本文從自然資源整合和自然演進的視角，探討山水林田湖草生命共同體內在關系和生態過程，通過結合生態修復目標與生態保護紅線劃定需求，構建了不同安全水平的水源涵養、地質災害防護、生物多樣性保護以及綜合生態安全格局?；谛螒B學空間格局分析法識別重要潛在生態廊道，構建泰山區域的“一核三心，一軸一帶多節點”的生態網絡結構。泰山區域的生態網絡結構是國土空間中的重要結構性要素，不僅為生態過程提供空間支持和生態服務功能，還是維護區域生態安全和提升環泰山城市群人居環境質量的前提和保障。在構建完善的泰山區域生態網絡結構基礎上，針對性地識別生態敏感性高的生態受損空間，重點考慮山上山下、地上地下等不同生態單元的相互影響，實現系統修復和協同修復的目標。在生態修復基礎上，通過復合營建的方式探索供給高質量的生態產品，實現從自然資源向自然資產的轉變，打造泰山區域“山青、水綠、林郁、田沃、湖美”的山水林田湖草生命共同體。