基于綠色基礎設施評價方法的生態網絡識別與構建
——以大連市旅順口區為例

裴 倩，王 利，杜 鵬，崔曉琪，焦雅楠

（遼寧師范大學 地理科學學院，遼寧 大連 116029）

0 引言

城市生態網絡空間的識別及構建對改善城市綠地破碎化、穩定生態系統、加強生態斑塊間聯系具有重要的意義。在快速城市化背景下，城市土地資源的高強度利用和開發導致生物棲息地被瓜分，物種生存幾率降低及遷移困難［1-4］，造成區域生態環境惡化、生態服務功能下降，嚴重影響到區域景觀格局的可持續發展。因此，保護和修復生態環境、優化生態安全屏障體系、提升生態承載力、改善城市居住環境是城市生態文明建設亟需解決的問題［5，6］。十九大報告提出：要加大生態系統保護力度，優化生態安全屏障體系，構建生態廊道和生物多樣性保護網絡，提升生態系統質量和穩定性。基于此，識別與構建區域生態網絡空間，減少城市綠地碎片化，形成連續的生態空間，保護生物多樣性，改善區域生境質量，對推動城市生態文明建設具有重要意義。

生態網絡（Ecological Network）源于1878 年美國學者Olmstead設計的連接公園間的綠道網絡。生態網絡由生態源地、生態廊道和生態節點組成［7，8］，是一個具有物質、能量和信息自組織、自反饋、自修復特征的復合型網絡，探討景觀類型、種群和個體在不同尺度的過程。生態網絡旨在連接破碎生境斑塊，提高景觀連接度，促進生物多樣性保護［9］，其合理的關鍵在于生態源地和生態廊道［10］。綠色基礎設施評價方法（Green Infrastructure Assessment，GIA），強調通過自然和人工手段將點、線、面狀的自然生態基礎要素連接為功能完整的生態網絡體系，以實現生態可持續發展目標［11］。GIA最早應用于馬里蘭綠圖規劃，并在自然資源保護、生物多樣性保護、城市增長邊界劃定、城市濕地營造路徑研究等方面得到廣泛應用［12-16］，能快速識別生態核心區域，對生態特性進行分等級劃定［17］。

國內外關于生態網絡識別與構建的研究主要集中于生態源地和生態廊道的識別與構建方面。生態源地識別多采用直接劃分法［18］、因素綜合評價法［19］、景觀格局分析法［20］、粒子反推法與主成分分析法［21］等方法，基于生境質量和面積、生物多樣性、生態系統空間結構等識別確定具有生態功能的生境斑塊［22］，而忽略了生態脆弱性及生態受損待修復的生境斑塊。最小累積阻力模型科學合理，被廣泛應用于生態廊道構建［23-26］。基于不同生境斑塊間的距離與阻力，采用最小累積阻力模型，綜合考慮地形、地貌、環境和人為等因素，定量表征與模擬研究區存在的潛在生態廊道。但最小累積阻力模型識別的是陸域生態廊道，缺少水資源間的連通，即缺乏對于水域生態廊道的提取。鑒于此，本文以大連市旅順口區為例，基于GIA方法識別構建區域生態網絡，并結合水土侵蝕模型、生物多樣性指數、生態重要性指數等識別生態建設空間，提取水陸兩域重要生態廊道，提出生態網絡構建方案。本文試圖回答以下問題：①旅順口區潛在的陸域生態廊道和水域生態廊道有哪些？②如何科學確定潛在生態廊道的重要性程度？③如何優化構建生態網絡以更好地保留生態空間？研究結果可為旅順口區未來生態網絡建設提供優化方案，為區域規劃和城市總體規劃提供有效補充，進而為需要進行生態修護和具有生態孤島的區域提供理論依據和實踐參考。

1 研究區概況、數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

旅順口區隸屬遼寧省大連市，位于遼東半島最南端，東鄰黃海，西瀕渤海，南與山東半島隔海相望，東北部與甘井子區接壤。旅順口區陸地南北長約26.1km，東西長約31.2km，總面積506.8km2，海岸線長169.7km。該區具有北溫帶季風氣候特征，四季分明，冬夏長、春秋短，日光充足，雨量適中，兼有大陸和海洋性氣候雙重特點，空氣濕潤溫和，降水比較集中。該區位于中緯度溫帶大陸東海，地勢東北高西南低，多山地少平原；區域生境質量好，有大小山丘292 座，蘊含豐富的生物資源，擁有遼寧蛇島—老鐵山國家級自然保護區，森林覆蓋率53.1%，有國家重點保護的珍稀鳥類，如丹頂鶴、大天鵝、鴛鴦、白尾海雕等。旅順口區作為我國重要的生物多樣性保護區域、大連市近郊區和“后花園”，其生態保護意義尤為重要。2021 年4 月，大連市政府發布《構建國土空間開發保護新格局推動大連高質量發展報告》，強調統籌劃定生態保護紅線，確保生態紅線的科學性和完整性，開展蛇島“生態海島”保護等生物多樣性維護修復。

1.2 數據來源與說明

本文采用的數據包括降水數據、土壤數據、數字高程數據（DEM數據）、Landsat8 OLI-TIRS 數據、土地利用數據、水體數據等。其中：降水數據源于中國地面氣候資料日值數據集（v3.0）；土壤數據的分辨率為1km×1km，基于世界土壤數據庫（HWSD）的中國土壤 數 據 集（v1. 1）（https：//data. tpdc. ac. cn/zh -hans/）；DEM 數據和Landsat8 OLI-TIRS 數據分辨率為30m× 30m，來源于地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/）；土地利用數據分辨率為27.50m×27.50m，源于Global land cover data（http：//data.ess.tsinghua.edu.cn/）。為方便數據的分析與管理，所有數據在ArcGIS 10.5 中經過柵格賦值到30m × 30m的柵格中，投影坐標系定義為WGS-1984-UTMZone-51N。

1.3 研究方法

旅順口區有大型生態林地斑塊，但斑塊間連通不足，因此應提升生態景觀的連通性；研究區因采礦、采挖海沙和濱海區域海水養殖造成生態破損，因此生態受損待修復能力較重要。最終本文通過旅順口區生態脆弱性指數（Ecological Fragility Index）、生態重要性指數（Ecological Importance Index）和生態受損待修復指數（Awaiting Ecological Restoration Index）構建生態建設空間必要性指數，識別生態源地；構建旅順口區陸生廊道阻力評價體系，并基于最小累積阻力模型獲得陸生廊道累積阻力值。在此基礎上，本文利用成本距離分析和成本路徑分析得出最小累積成本路徑，即陸生生態屏障間的生態廊道。依據地表徑流漫流算法［27，28］，對比不同匯水面積以生成不同水系，確定匯水面積閾值，獲得水生生態廊道。基于重力模型對生態廊道進行重要性提取，選擇不冗余不疊置的廊道，利用連通評價指數（PC）進行生態廊道最優方案的構建。

生態建設空間必要性模型：生態建設空間必要性模型采用生態脆弱性指數（Refa）、生態重要性指數（Reia）和生態受損待修復指數（Raera）進行評價，具體見表1 所示。

表1 生態建設空間必要性模型Table 1 Spatial necessity model of ecological construction

生態脆弱性指數用于評價生態環境對外界干擾的敏感度和恢復力［29］，包括水土保持功能和土地利用類型。水土保持能力采用水土侵蝕模型RUSLE計算 獲得［30，31］，即 利 用 降 水 侵 蝕 因 子［32］、土 壤 侵 蝕因子［33，34］、地形因子［35］和植被覆蓋指數綜合評價水土保持能力。該模型也是估量水土侵蝕量的重要方法，最后將其計算結果標準化為［0，1］。土地利用類型依據“Global land cover data”的分類方法將土地利用分為9 類，并依據楊建新［36］的觀點，對各類地物類型進行賦值。生態脆弱性指數計算公式為：

生態重要性是評價生態系統功能的重要指標和依據，包括生物多樣性重要性評價和水體生態重要性評價。本文運用InVEST 模型中的生境質量模型進行生物多樣性評價。該模型基于威脅源對生態環境（生境）的負面影響，分析得出生境退化程度及生境質量。結合吳建生等［37］、陳妍等［38］和吳季 秋［39，40］的觀點，依據《InVEST 模型操作指南》，確定威脅源權重及影響范圍、生境適宜度、生境對威脅源的敏感性（表2）。定義土地利用類型為生境，人類活動的產物（耕地、農村居民點、城市居民點、工業用地和道路）為威脅源，結合各種生態威脅因子進行生物多樣性分析和評價。以水體生態重要性評價模型為依據，對距水體的距離進行賦值（表1），生態重要性指數計算公式為：

表2 威脅數據Table 2 Threat data

按照《關于在黃海實施海洋生態紅線制度的意見》中對旅順口區實施生態紅線區生態保護與整治修復的要求，亟需對旅順口區內因采礦、采挖海沙和濱海區域海水養殖造成的生態進行受損修復，提升生態應急能力，落實海洋生態紅線保護責任。依據研究區概況，本文選擇因采礦造成的生態待修復區域、自然岸線因改造為圈養區和鹽田造成的生態待修復這兩個指標進行研究。以生態受損待修復評價模型為依據，對距礦區、自然岸線待修復區域的距離進行賦值（表1）。

綜上，生態建設空間必要性模型采用極大值模型集成生態脆弱性區域、生態重要性區域和生態受損待修復區域。計算公式為：

最小累積阻力模型［41，42］：本文基于生態建設空間識別過程中計算獲得的各個柵格單元相關影響程度較高的影響因子，結合相關研究成果，依據影響因子的影響程度確定權重，構建旅順口區阻力評價體系（表3）。

表3 旅順口區阻力評價體系Table 3 Resistance evaluation system of Lüshunkou District

依據該體系將各阻力因子標準化處理后得出阻力值，將各阻力因子按公式（4）進行加權求和，從而獲得生態建設空間擴張的阻力面，用于最小累積成本路徑的計算。

式中：MCR 為最小累計阻力值；fmin用于計算柵格內不同阻力值的最小值；Dij為單元格j 到i 的距離；Ri為阻力權重。

基于重力模型的生態廊道重要性模型：生態建設空間的源（Sources）與目標（Targets）間的作用強度可以表征潛在生態廊道的重要性。大型的生態建設空間與生境質量較好的廊道有利于減少物種遷移過程的阻力，提升遷移幸存率。因此，本文基于重力模型構建生態建設空間作用強度矩陣［43］，定量評價生態源地間的作用強度，判定生態廊道的相對重要性，提取潛在的重要的生態廊道，剔除冗余生態廊道，獲得研究區的最終規劃生態廊道。重力模型計算公式為：

式中：Gab為生態斑塊a 與b 間的作用力；Na和Nb分別為a 與b 生態斑塊的權重值；Dab為a 與b 生態斑塊的潛在廊道阻力標準化值；Pa為生態斑塊a的阻力值；Sa為生態斑塊a 的面積；Lab為生態斑塊a 與b 間的廊道累積阻力；Lmax為生態廊道阻力的極大值。

基于連通指數模型（PC）的生態源地選擇［36］：本文通過連通指數（Probability of Connectivity，PC）呈現斑塊源與目標之間的空間聯系，計算各生態建設空間對生態網絡構建的影響及其貢獻值，用來評價各生態建設空間在生態網絡中的重要性［44］。計算公式為：

2 結果及分析

2.1 生態建設空間識別分析

本文依據生態建設空間必要性模型，識別旅順口區生態建設空間。通過對研究區各柵格單元的降水侵蝕因子、土壤侵蝕因子、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋因子的運算得出研究區的水土侵蝕量，結合土地利用類型評價指標量化結果得出生態脆弱性指數（圖1A），生物多樣性較高的區域主要分布在水域和林地，對比水體生態重要性指數生成生態重要性指數（圖1B），生態受損待修復指數為距離采礦待修復區域、自然岸線因改造區域距離計算所得（圖1C）。

圖1 旅順口區生態建設空間評價過程Figure 1 Spatial evaluation process of ecological construction in Lüshunkou District

基于標準化的生態指數，計算各柵格單元的生態空間建設必要性指數。按照生態建設空間重要性，運用自然間斷點法對生態建設空間分為不適宜、一般重要、較重要、極重要4 個等級（圖2），較好呈現出生態系統建設用地以林地和水域為主的空間分布特征。如：旅順口區南部的老鐵山、團山、西雞冠山，北部的平山等林地和鳳河、北大河等重要水域，生態建設空間必要性高，受人類干擾小，多為極重要和較重要的生態源地分布區；中心城區及周圍零散區域人類活動較多，多為不適宜生態建設空間分布，城鎮因有耕地和豐富的水資源，多為較重要和一般重要生態建設空間區；東南部生態建設空間分布較少，受到人類活動影響較大。

圖2 旅順口區生態建設空間Figure 2 Ecological construction space of Lüshunkou District

基于生態建設空間必要性指數，將指數值的相鄰斑塊進行聚類識別，避免出現生態建設空間破碎化問題。通過統計分析識別可知，研究區生態建設空間的生態空間斑塊為219 個，將各生態斑塊面積累積，得到研究區生態建設空間面積186.38km2，占研究區總面積的45.98%。其中：面積小于1km2的斑塊數為206 個，面積11.69km2，占生態空間總面積的6.23%；面積大于1km2的斑塊數為13 個，面積174.69km2，占生態空間總面積的93.77%。面積較大的斑塊主要分布在蛇山—老鐵山國家級自然保護區和東雞冠山等山區。結合旅順口區的動植物種類與生態空間分布特征，參考相關生物廊道寬度的研究成果［36］，并經過多次試驗對比，得出生態源地斑塊的生態空間建設必要性閾值為0.99，識別確定生態建設空間斑塊13 個。

2.2 生態廊道的識別與構建

基于最小累積阻力模型構建生態阻力面，分別以各生態建設空間內為源與目標識別潛在陸生生態廊道，共86 條（圖3A）。初步生成的潛在陸域生態廊道中，重復、冗余廊道較多，且交叉嚴重。如斑塊2 與斑塊6 間、斑塊8 與12 間的廊道交叉嚴重，亟需構建新的廊道。但通過最小累積阻力模型構建的生態廊道空間分布不均勻，且缺少了水生生態廊道，為此需構建水生生態廊道，對比提取適宜的廊道。本文基于ArcGIS的地表徑流漫流算法，對比0.90km2、2.25km2、4. 50km2的匯水面積，得出匯水面積為2.25km2，即匯水淹沒柵格數為2500 個時，水生生態廊道能較好地連通各生態建設空間（圖3B）。最后對陸生和水生生態廊道進行調整和完善，選取不構成重疊且更好連通的生態廊道共26 條（圖3C）。該結果對旅順口區的生態網絡構建與優化起到支撐和幫助作用，在后續的生態規劃中應嚴格保護。綜上所述，旅順口區生態網絡分布較廣，但南北連貫不足。如斑塊11 與斑塊3 之間只有臺山今岡公園、思奇園與博弈公園，通過構建陸域生態廊道可以將有間隔的生態節點連貫起來，一定程度上提高了生態廊道的連通性。因此，加強對生態節點的保護是未來研究與應用的重點。

圖3 旅順口區生態廊道構建Figure 3 Construction of ecological corridor in Lüshunkou District

2.3 生態網絡分級及區域特征

本文基于重力模型計算了13 個生態建設空間的相互作用強度（表4），并依據關系強弱來推斷生態廊道的重要性。計算得出，斑塊1 和6 間相互作用最強，斑塊2 和斑塊5、斑塊6 和斑塊7、斑塊6 和斑塊10 間強度次之。作用強度大的生態建設空間距離較近、斑塊面積適中、生境質量和生態阻力小。最終本文選取相互作用強度> 0.7 的17 條陸域生態廊道為重要陸域生態廊道。由于受到人為因素的影響較小，因此將孤立的生態建設空間連接成閉合的生態結構，從而維持生態結構的有效性，提高物種、物質和能量的流通效率。由表4 可知，關聯最強的斑塊1 和斑塊6 間，物種遷移時遇到的阻力小，對于區域生態保護較有利，因此，亟需加強生態源地間廊道的保護。對于作用強度較大的斑塊10 與斑塊1、斑塊10 與斑塊6 間，物質與能量在廊道遷移與擴散時需要克服的阻力較小，產生交流與交換的可能性較大，通過構建1 號、16 號生態廊道，可以增大物種與能量交流的可能性。而對于相互作用值較小的斑塊，如斑塊11 與斑塊3 間距離較遠、連通性差，故構建生態廊道時所需成本也會高。為此，加強對生態節點和生態源地的保護，提高連通性，維護生態功能的穩定性至關重要。

表4 旅順口區生態空間斑塊間的相互作用矩陣Table 4 Interaction matrix between ecological spatial patches in Lüshunkou District

利用ArcGIS 的Conefor2.6 插件計算13 個生態源地和26 條生態廊道的生態重要性評價，將生態重要性評價指數與相互作用強度按照自然斷點法分為3 級，得到旅順口區生態網絡分布圖（圖4）。其中：Ⅰ級生態源地和生態廊道為生態網絡的核心區，主要為生態建設空間面積大且集中的斑塊，生態重要性高，對于維護生態資源多源性、景觀連通性和完整性具有重要作用，是不可逾越的生態底線；Ⅱ級生態源地和生態廊道為生態網絡的次核心區，主要為分布細長、生境質量不高的斑塊，具有維護生態網絡有效性的作用，需限制開發建設；Ⅲ級生態源地和生態廊道受人類影響較大、面積小，與其他生態源地相隔較遠，處于建設用地與生態空間的過渡帶，保障生態網絡處于最優狀態。

圖4 旅順口區生態網絡重要性及分布Figure 4 Importance and distribution of ecological network in Lüshunkou District

3 結論與討論

3.1 結論

本文基于GIA方法，結合水土保持功能、土地利用類型、降水侵蝕因子、土壤侵蝕因子、地形因子、植被覆蓋指數和人類活動產物等評價指標進行了生態脆弱性指數、生態重要性指數和生態受損待修復指數評價，以識別生態建設空間，分析旅順口區生態建設空間數量、質量及特征。采用最小累積阻力模型構建潛在陸域生態廊道，依據水文分析構建水域生態廊道，分析生態廊道的數量及特征；根據重力模型計算生態建設空間之間的相互作用強度，分析生態廊道的重要性，提取重要生態廊道的合理閾值；引入Conefor2.6 插件，利用連通性評價指數，定量分析提取的生態建設空間和生態廊道的重要性，提出區域生態環境與社會可持續發展的最優生態網絡。主要結論如下：①構建的生態建設空間斑塊共有219 個，其中，面積大于1km2的生態建設空間斑塊有13 個，面積174.69km2，占生態空間總面積的93.77%；13處生態源地為生態建設空間必要性高、受人類干擾小，多為極重要和較重要的生態源地分布區，主要分布于研究區南部山區和西北部山地等，東北部和南部沿海依托耕地和豐富的水資源形成小面積的生態建設空間。②初步生成的潛在陸域生態廊道中，重復、冗余廊道較多且交叉嚴重；生態網絡分布較廣，但南北連貫不足，因距離較遠而導致生態建設空間之間的交流較弱；通過最小累積阻力模型構建的生態廊道空間分布不均勻，且缺少了水域生態廊道。③擬構建出86 條潛在陸生生態廊道，其中選取相互作用強度>0.7 的陸域生態廊道為重要陸域生態廊道，共17 條。當匯水面積為2.25km2，即匯水淹沒柵格數為2500 個，水生生態廊道能較好地連通各生態建設空間。最后對陸生生態廊道和水域生態廊道進行調整和完善，選取更好連通生態建設空間且不構成重疊的生態廊道共26 條，主要集中在中部區域，能更好地將孤立的生態建設空間連接成閉合的生態結構，維持生態結構的有效性，提高物種、物質和能量的流通效率。④通過連通性評價13 個生態建設空間和26 條生態廊道的重要性，按照自然斷點法將其各分為3 級，提出優先考慮對Ⅰ級生態源地和生態廊道進行保護和建設。Ⅰ級生態源地和生態廊道為生態網絡的核心區，主要位于旅順口區西南部，以林地、耕地和水域為主，有利于物種遷移。在未來的研究與應用中，要加強對生態節點的保護，將有間隔的生態節點連貫起來，從而減少生態廊道連通不足的問題。

3.2 討論

GIA方法以“源地—廊道”為組合構建生態網絡，較“斑塊—廊道—基底”理論更快捷有效，強調對點、線、面狀自然要素運用自然和人工手段連接為系統的生態網絡，可減少公共資源的消耗。本文基于GIA方法構建了識別生態源地的指標體系，采用最小阻力模型與重力模型相結合的方式識別生態廊道，最終基于連通指數對生態網絡進行優化，可為不同區域的生態網絡構建和優化提供指導和參考。對于生態源地的識別，本文增加了生態脆弱性和生態受損待修復的現實情況，為生態資源的恢復提供可行，讓生態源地的識別變得更全面，對傳統的定性指標進行拓展。面對生態廊道的識別，較多學者構建的生態廊道為陸域生態廊道，而本文運用地表徑流漫流算法，通過對比對不同匯水面積生成的不同水系，確定匯水面積閾值，構建水生生態廊道，使水域生物的繁殖和遷移變為可能。