服務高效導向下泰山區域山水林田湖草生命共同體生態網絡構建研究

肖華斌

張慧瑩

郭妍馨

王 玥

2020年5月頒布的《全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃(2021─2035年)》明確指出：生態系統功能質量問題突出、生態系統保護和修復系統性不足等是我國生態保護與修復工作存在的主要問題[1]。山水林田湖草生命共同體理念的提出正是應對生態系統保護和修復系統性不足等問題的解決途徑，闡明了自然要素不是孤立存在的，而是具有普遍聯系的，要利用系統性思維統籌考慮全域自然生態要素及要素間生態關系[2]，與景觀生態學中強調統籌考慮“格局-過程-功能”關系也是一致的。泰山區域山水林田湖草生態保護修復工程作為國家第二批山水林田湖草生態保護修復工程試點，是黃河重點生態區生態保護和修復重大工程的重要組織部分，同時也是黃河下游重要的生態功能區和華北平原的重要生態屏障。目前的生態修復實踐工程往往只從單一的目標出發，破損山體治理、受污河流修復、本土植被培育和土地整治修復等沒有從“生命共同體”理念的整體視角實施整體保護、系統修復和綜合治理，陷入“多要素簡單疊加”的生態困境[3]，造成提升生態系統服務能力和效率的綜合目標并未真正實現。相關研究表明，生境破碎化干擾物種的生存空間、阻礙生態要素間生態過程[4-5]，增加景觀斑塊連接度和生境斑塊間的生態廊道可以有效保護生態過程和提高生物多樣性[6-7]，構建完善的生態網絡成為實現生態結構系統、生態過程完整及生態功能穩定，提升生態系統服務的重要途徑。

1 服務高效導向下山水林田湖草生命共同體生態網絡構建途徑

1.1 生態網絡內涵與構建方法

生態網絡是指基于景觀生態學原理，以保護生物的多樣性及景觀的完整性為目的，在開敞空間內利用多種線性生態空間將景觀中的資源斑塊進行有機的連接，保障生態系統內部物質循環、能量流動和信息傳遞，以維持和保護其生態、社會、經濟、文化、審美等多種功能的網絡結構體系[8]。“斑塊-廊道-基底”模式、源-匯理論，以及島嶼生物地理學理論等是構建生態網絡的理論基礎。在自然保護區、物種棲息地、濕地、綠洲、城市綠地等生態功能區，生態網絡作為生態空間保護的重要結構，成為生態空間管控的重要依據[9-13]。

生態網絡主要通過“源地識別-廊道優化-節點選取”的途徑來構建，其構建方法和計算模型多借鑒其他學科和領域，以形態學、圖論、數學模型、智能算法應用較多(表1)[14-19]。

表1 生態網絡構建方法與模型

1.2 服務高效導向下生態網絡構建途徑

本研究基于景觀生態學“格局-過程-功能”研究框架，轉變以往研究中僅強調單一構建目標，綜合生態結構系統性、生態過程完整性、生態功能穩定性3個目標導向，在生態風險評價基礎上，耦合“源地識別-廊道優化-節點選取-網絡構建”構建途徑和構建方法，實現生態網絡生態系統服務的高效性，以期為實施整體保護、系統修復和綜合治理，提供空間引導(圖1)。首先，選取表征景觀破碎度的景觀格局指數構建生態風險評價體系，對區域進行生態風險評價。第二，在形態學空間格局分析法(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)分析生態結構基礎上，測算生態系統服務能力，識別與優化重要生態源地。第三，基于生態過程模擬的最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance Model，MCR)和重力模型，識別與優化生態廊道和生態節點。最后，在生態網絡構建基礎上，提出區域生態空間結構，管控和引導區域國土空間規劃。

圖1 生態服務高效性導向下山水林田湖草生命共同體生態網絡構建途徑

2 泰山區域山水林田湖草生命共同體基本概況

2.1 泰山區域概況

泰山區域山水林田湖草生命共同體(以下簡稱“泰山區域”)位于山東省西部沿黃地區，總面積約13 578.81km2，行政區包括濟南市域大部和泰安市域全部，占山東省陸地面積約8.6%。泰山區域西沿黃河，東至泰山山脈中部，大汶河、小清河分別位于泰山山脈南、北兩側，是黃河下游重要生態功能區，也是華北平原重要的生態屏障(圖2)。泰山區域根據生態本底特征劃分為泰山生態區、大汶河-東平湖生態區和小清河生態區3個生態區，主要存在礦山采空塌陷、水污染嚴重、水資源開發率高、植被退化、生物多樣性降低、土地利用不合理等生態環境問題。

圖2 泰山區域山水林田湖草生命共同體區位

2.2 泰山區域土地利用概況

選取2019年5月11日的Landsat 8 OLI_TIRS30m數字衛星影像作為數據源。基于ENVI軟件平臺，用高分辨率(15m)的單波段影像與低分辨率(30m)的多光譜影像進行波段融合，得到15m分辨率的衛星影像圖，將遙感影像解譯為林地、水體、草地、耕地及建設用地5種土地用地類型。結合30m的DEM數字高程數據和相關實勘資料，得到泰山區域土地利用現狀(表2，圖3)。

表2 泰山區域山水林田湖草生命共同體土地利用現狀統計

圖3 泰山區域山水林田湖草生命共同體地利用現狀

2.3 泰山區域生態修復試點工程概況

泰山區域山水林田湖草生態保護修復工程共規劃了地質環境、土地整治、水環境、生物多樣性和監管能力建設五大類工程[20]，目前已開展項目主要分為規劃評估類和工程實踐類2種類型。規劃評估類項目主要是對重要的生態功能區進行生態功能評估，如泰山山脈、南部山區、大汶河、東平湖的生態評估。工程實踐類項目主要根據各生態區內生態環境問題，進行生態修復工程，如寧陽縣采煤塌陷地治理工程、泰山山脈南北兩側緊鄰的丘陵以及泰山區域南邊的低矮丘陵破損山體修復、汶河國家濕地公園建設、東平湖老湖鎮生態防護林建設[21]。

3 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態風險評價

3.1 基于景觀格局指數的生態風險評價體系構建

選取表征景觀破碎度的景觀格局指數構建泰山區域生態風險評價體系，以泰山區域林地、水體、草地、耕地4類生態功能土地利用類型斑塊進行景觀格局生態風險評價。為保證區內空間同質性、區間異質性，采用3km×3km的生態風險評價單元作為分析樣本，剔除面積小于1.8km2的破碎地塊，共1 570個分析單元。為保證不同重要度指數的貢獻度，運用主成分分析法計算格局指數權重，選取對生態風險影響較大的主成分因子，完成泰山區域生態風險評價與生態風險特征分析。采用SPSSAU對Fragstats軟件計算得到的斑塊類型格局指數進行負向指標正向化、數據歸一化及主成分分析，分析共提取出3個主成分，根據各主成分貢獻率占比確定3個主成分的分析權重，分別為77.19%、13.82%、8.99%。提取各主成分載荷系數值大于0.4的指數分析項進行風險分析，構建斑塊類型尺度下泰山區域生態風險評價模型(ERI)，公式如下[22]：

式中，ERI為各風險小區單元生態風險值；E1、E2、E3分別為主成分1、2、3權重值；Fn為各指數分析項載荷絕對值；Ln為第n個指數分析項的歸一化值。

3.2 泰山區域生態風險評價

將生態風險指數值賦予到泰山區域各風險單元的中心點上，通過克里金插值分析法，對1 570個帶有風險評估結果的點進行可視化分析，采用自然段點法將結果劃分為生態風險極高、生態風險高、生態風險較高、生態風險中等、生態風險較低、生態風險低6個風險等級(圖4)。結合泰山區域自然本底和生態風險評價，發現：1)泰山山脈、大汶河-東平湖區域的東西向形成生態風險低值區隔離帶，可以看出泰山山脈、大汶河和東平湖是泰山區域內景觀連接度高、破碎度低的區域；2)生態風險高值區主要位于沿黃城市邊緣區、泰山山脈西南側以及大汶河流域南側，與泰山區域山水林田湖草生態保護修復工程試點分布具有高低一致性。

圖4 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態風險評價

4 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態源地識別

4.1 基于MSPA分析的生態源地識別

基于Guidos Toolbox平臺，將泰山區域林地、草地、水體3種用地類型作為MSPA分析的前景要素(值為2)，耕地、建設用地作為背景要素(值為1)，采用八鄰域分析方法進行MSPA分析，得到泰山區域MSPA景觀類型。核心區是重要的生態功能區，研究對連續性較強但因數據較為精細而發生斷裂的核心區進行修正，將泰山山脈范圍內間距小于1km且坡度較緩、無人類影響要素(如道路、居住區等)的2個核心區合成一個核心區。據島嶼生物地理學原理，選取面積較大的25個核心區作為下一步景觀連通性分析的基礎數據。

景觀連通性指數(Probability of Connectivity，PC)是表征斑塊連通性的重要指標，某個斑塊的移除會使景觀結構發生改變，隨之景觀整體連通性發生變化，而變化量大小表明該斑塊對景觀整體連通性的重要程度。斑塊連通重要性(dPC)指標具體計算公式為[23]：

式中，PC為該區域所有斑塊存在時的可能連通性指數；PCremove為斑塊i移除之后該區域的可能連通性指數。dPCi的值越高，說明斑塊i對景觀連通性越重要，也說明斑塊i在景觀中具有較明顯的核心作用。

利用Conefor獲取泰山區域25個核心區景觀斑塊的可能連通性指數(PC)和斑塊連通重要性指標(dPC)。選取斑塊重要性(dPC)大于0.4的15個核心區為生態源地(圖5)，其余10個為重要核心區。通過統計計算，泰山區域生態源地總面積約1 714.79km2，占研究區域總面積12.63%，主要分布于泰山山脈、東平湖、徂徠山、蓮花山等。

圖5 基于MSPA分析的泰山區域生態源地識別

4.2 基于生態系統服務功能評價的生態源地識別

生態系統服務能力的測度主要通過生態系統服務價值評估實現，研究采用謝高地提出的生態系統服務價值當量因子法[24]，計算泰山區域各類用地的水文調節、水資源供給、生物多樣性、土壤保持4種生態系統服務單位價值量。將4種生態系統服務單位價值量等權重疊加賦值，得到泰山區域綜合單位生態系統服務價值量分級。水體、草地、林地、耕地的價值量分別為114.01、8.71、8.47和1.45元/hm2，水體的生態系統服務單位價值量最高。根據生態源地的重要性，增加大汶河、柴汶河、東平湖、雪野湖、東周水庫為生態源地(圖6)。

圖6 基于生態系統服務評價的泰山區域生態源地識別

4.3 泰山區域生態源地優化

疊加基于MSPA分析識別的生態源地，并篩選高生態系統服務價值的用地，剔除具有廊道特征的生態空間(大汶河、柴汶河等作為生態廊道)，得到15個生態源地，面積約1 688.29km2，主要分布在泰山山脈、徂徠山、蓮花山等林地和東平湖、東周水庫等水體。以15個生態源地的幾何中心點為圓心，根據生態源地面積大小，分別設置20和15km 2種半徑作為源地緩沖的輻射距離，共得到生態源地服務范圍8 847km2，占泰山區域總面積的65.15%。為提升泰山區域生態源地服務均衡性以及生態功能穩定性，增加生態源地服務范圍至75%[25]，結合已有的省級自然保護區、國家森林公園、生態保護紅線區和MSPA識別的重要核心區，優化增加4處生態源地，主要為水體和林地，共得到19個生態源地，總面積約1 725.70km，占研究區域總面積的12.70%(圖7)。

圖7 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態源地優化

5 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態廊道識別

5.1 基于MCR的潛在生態廊道識別

在確定土地利用類型阻力值的基礎上，將各用地類型的生態系統服務價值量作為權重，修正土地利用類型阻力值，并結合高程、坡度、距公路距離、距水體距離共5個阻力因子構建生態阻力因子指標體系[26]，通過ArcGIS疊加分析得到泰山區域綜合生態阻力值(圖8)。生態阻力高值區主要分布在沿黃河濟南市區、泰山山脈南側；生態阻力低值區主要分布在泰山山脈、徂徠山、蓮花山和大汶河、東平湖周圍。將前面識別優化的19個生態源地幾何中心作為源/匯點，基于源地生態阻力面計算每2個生態源地間的最小成本路徑，通過剔除重復和經過同一斑塊而造成冗余的潛在生態廊道，得到61條有效潛在生態廊道(圖9)。

圖8 泰山區域綜合生態阻力值

圖9 泰山區域潛在生態廊道識別

5.2 基于重力模型的生態廊道重要性識別

重力模型(Gravity Model)又稱引力模型，用來分析和預測空間相互作用水平的數學方程。通過重力模型量化各生態源地間的相互吸引力水平，相互作用力越強，表明斑塊間的潛在生態廊道越重要，生物在其間遷移的可能性越大，重力模型公式如下[27]：

式中，Gij為斑塊i與j斑塊之間的相互吸引力；Ni與Nj分別為斑塊i與斑塊j的權重值；Dij為斑塊i與斑塊j之間潛在廊道阻力的標準化值；Pi和Pj分別為斑塊i和斑塊j的阻力值；Si和Sj分別為斑塊i和斑塊j的面積；Lij為斑塊i與斑塊j之間潛在廊道的累積阻力值；Lmax為研究區內所有廊道累積阻力最大值。

基于重力模型構建泰山區域19個生態源地間的相互作用矩陣，定量評價源地間聯系強度，并選取作用強度較高的生態廊道為重要生態廊道。

5.3 泰山區域生態廊道優化

現狀河流生態廊道是區域物質能量聯系和物種遷移的重要通道，應在基于MCR模型識別的潛在生態廊道的基礎上，補充優化河流生態廊道。根據河流的寬度、長度以及流量判斷重要的河流生態廊道，確定大汶河及其重要支流柴汶河、瀛汶河、小清河以及玉符河5條河流廊道為重要生態廊道。將潛在生態廊道、現狀生態廊道整合疊加，刪除重復冗余廊道，得到共計65條生態廊道，其中20條重要生態廊道，45條一般生態廊道(圖10)。

圖10 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態廊道優化

6 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態網絡構建

6.1 泰山區域生態網絡構建

生態節點在生態網絡中起著連接鄰近生態源地、為生物的空間運動提供休息地的作用，增加踏腳石可以減少生物的移動距離，有利于保護物種的遷移過程，提高生態網絡連接度。在識別泰山區域生態廊道交叉點和轉折點的基礎上，刪除位于生態源地和距離較近的生態節點，共得到19個生態節點，主要分布在大汶河流域和泰山周圍區域(圖11)。

圖11 泰山區域山水林田湖草生命共同體生態網絡構建

泰山區域生態源地總面積約為1 725.70km，占研究區域總面積的12.70%，主要分布于泰山生態區內的泰山山脈、徂徠山、蓮花山等植被覆蓋率較高的山體以及大汶河-東平湖生態區的東平湖、大汶河流域；生態廊道共計65條，總面積約96.89km2，占研究區域總面積的0.71%，其中重要生態廊道20條，主要分布于泰山生態區內的環泰山區域內；重要生態節點共計15個，主要分布于大汶河-東平湖生態區內大汶河流域內。選取廊道網絡結構分析中常用的網絡閉合度指數(α指數)、網絡連接度指數(β指數)和網絡連通率指數(γ指數)，評價生態網絡連接程度[28]。通過計算泰山區域生態網絡的α指數、β指數和γ指數，分別為1.39、3.37和1.25，表明生態網絡連接水平較高，空間結構得到優化，有利于生態效益的發揮。

6.2 泰山區域生態修復策略

在構建泰山區域生態網絡的基礎上，將生態源地、生態廊道、生態節點與《山東省生態保護紅線規劃(2016─2020年)》中的劃定的Ⅰ、Ⅱ類紅線區對比分析，進一步優化與完善生態保護紅線區分級劃定與保護策略。結合泰山區域生態網絡構建與生態保護修復任務，系統分析山水林田湖草生命共同體自然要素間的聯系，提出“山”“水湖”“林草”“田”生態要素的生態保護與修復模式。山──“保育+修復”模式、水湖──“多要素綜合治理”模式、林草──“規?；Ｓ蹦Ｊ?、田──“多途徑土地整治”模式，通過主動地生態營建提升區域生態系統服務能力。

7 結語

習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上的講話中明確提出：黃河流域生態保護和高質量發展的主要目標任務就是要堅持山水林田湖草綜合治理、系統治理、源頭治理，統籌推進各項工作，加強協同配合，推動黃河流域高質量發展[29]。

本文在黃河流域生態保護和高質量發展訴求下，以生態系統服務高效統籌下的結構系統、過程完整、功能穩定為目標，系統地對泰山區域生態風險進行了定量評價，通過整合低生態風險區與高生態服務區，基于MSPA識別了泰山區域19個的重要生態源地，并在MCR和重力模型的支持下識別了泰山區域20條的重要生態廊道和15個重要生態節點。后續研究應在泰山區域生態網絡空間構建基礎上，在區域國土空間規劃中強調生態底線思維，結合生態保護與生態修復目標，統籌推進區域內礦山修復、水環境治理、土地整治等生態保護修復工程。

注：文中圖片均由作者繪制。