服务高效导向下泰山区域山水林田湖草生命共同体生态网络构建研究

肖华斌

张慧莹

郭妍馨

王 玥

2020年5月颁布的《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021─2035年)》明确指出：生态系统功能质量问题突出、生态系统保护和修复系统性不足等是我国生态保护与修复工作存在的主要问题[1]。山水林田湖草生命共同体理念的提出正是应对生态系统保护和修复系统性不足等问题的解决途径，阐明了自然要素不是孤立存在的，而是具有普遍联系的，要利用系统性思维统筹考虑全域自然生态要素及要素间生态关系[2]，与景观生态学中强调统筹考虑“格局-过程-功能”关系也是一致的。泰山区域山水林田湖草生态保护修复工程作为国家第二批山水林田湖草生态保护修复工程试点，是黄河重点生态区生态保护和修复重大工程的重要组织部分，同时也是黄河下游重要的生态功能区和华北平原的重要生态屏障。目前的生态修复实践工程往往只从单一的目标出发，破损山体治理、受污河流修复、本土植被培育和土地整治修复等没有从“生命共同体”理念的整体视角实施整体保护、系统修复和综合治理，陷入“多要素简单叠加”的生态困境[3]，造成提升生态系统服务能力和效率的综合目标并未真正实现。相关研究表明，生境破碎化干扰物种的生存空间、阻碍生态要素间生态过程[4-5]，增加景观斑块连接度和生境斑块间的生态廊道可以有效保护生态过程和提高生物多样性[6-7]，构建完善的生态网络成为实现生态结构系统、生态过程完整及生态功能稳定，提升生态系统服务的重要途径。

1 服务高效导向下山水林田湖草生命共同体生态网络构建途径

1.1 生态网络内涵与构建方法

生态网络是指基于景观生态学原理，以保护生物的多样性及景观的完整性为目的，在开敞空间内利用多种线性生态空间将景观中的资源斑块进行有机的连接，保障生态系统内部物质循环、能量流动和信息传递，以维持和保护其生态、社会、经济、文化、审美等多种功能的网络结构体系[8]。“斑块-廊道-基底”模式、源-汇理论，以及岛屿生物地理学理论等是构建生态网络的理论基础。在自然保护区、物种栖息地、湿地、绿洲、城市绿地等生态功能区，生态网络作为生态空间保护的重要结构，成为生态空间管控的重要依据[9-13]。

生态网络主要通过“源地识别-廊道优化-节点选取”的途径来构建，其构建方法和计算模型多借鉴其他学科和领域，以形态学、图论、数学模型、智能算法应用较多(表1)[14-19]。

表1 生态网络构建方法与模型

1.2 服务高效导向下生态网络构建途径

本研究基于景观生态学“格局-过程-功能”研究框架，转变以往研究中仅强调单一构建目标，综合生态结构系统性、生态过程完整性、生态功能稳定性3个目标导向，在生态风险评价基础上，耦合“源地识别-廊道优化-节点选取-网络构建”构建途径和构建方法，实现生态网络生态系统服务的高效性，以期为实施整体保护、系统修复和综合治理，提供空间引导(图1)。首先，选取表征景观破碎度的景观格局指数构建生态风险评价体系，对区域进行生态风险评价。第二，在形态学空间格局分析法(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)分析生态结构基础上，测算生态系统服务能力，识别与优化重要生态源地。第三，基于生态过程模拟的最小累积阻力模型(Minimum Cumulative Resistance Model，MCR)和重力模型，识别与优化生态廊道和生态节点。最后，在生态网络构建基础上，提出区域生态空间结构，管控和引导区域国土空间规划。

图1 生态服务高效性导向下山水林田湖草生命共同体生态网络构建途径

2 泰山区域山水林田湖草生命共同体基本概况

2.1 泰山区域概况

泰山区域山水林田湖草生命共同体(以下简称“泰山区域”)位于山东省西部沿黄地区，总面积约13 578.81km2，行政区包括济南市域大部和泰安市域全部，占山东省陆地面积约8.6%。泰山区域西沿黄河，东至泰山山脉中部，大汶河、小清河分别位于泰山山脉南、北两侧，是黄河下游重要生态功能区，也是华北平原重要的生态屏障(图2)。泰山区域根据生态本底特征划分为泰山生态区、大汶河-东平湖生态区和小清河生态区3个生态区，主要存在矿山采空塌陷、水污染严重、水资源开发率高、植被退化、生物多样性降低、土地利用不合理等生态环境问题。

图2 泰山区域山水林田湖草生命共同体区位

2.2 泰山区域土地利用概况

选取2019年5月11日的Landsat 8 OLI_TIRS30m数字卫星影像作为数据源。基于ENVI软件平台，用高分辨率(15m)的单波段影像与低分辨率(30m)的多光谱影像进行波段融合，得到15m分辨率的卫星影像图，将遥感影像解译为林地、水体、草地、耕地及建设用地5种土地用地类型。结合30m的DEM数字高程数据和相关实勘资料，得到泰山区域土地利用现状(表2，图3)。

表2 泰山区域山水林田湖草生命共同体土地利用现状统计

图3 泰山区域山水林田湖草生命共同体地利用现状

2.3 泰山区域生态修复试点工程概况

泰山区域山水林田湖草生态保护修复工程共规划了地质环境、土地整治、水环境、生物多样性和监管能力建设五大类工程[20]，目前已开展项目主要分为规划评估类和工程实践类2种类型。规划评估类项目主要是对重要的生态功能区进行生态功能评估，如泰山山脉、南部山区、大汶河、东平湖的生态评估。工程实践类项目主要根据各生态区内生态环境问题，进行生态修复工程，如宁阳县采煤塌陷地治理工程、泰山山脉南北两侧紧邻的丘陵以及泰山区域南边的低矮丘陵破损山体修复、汶河国家湿地公园建设、东平湖老湖镇生态防护林建设[21]。

3 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态风险评价

3.1 基于景观格局指数的生态风险评价体系构建

选取表征景观破碎度的景观格局指数构建泰山区域生态风险评价体系，以泰山区域林地、水体、草地、耕地4类生态功能土地利用类型斑块进行景观格局生态风险评价。为保证区内空间同质性、区间异质性，采用3km×3km的生态风险评价单元作为分析样本，剔除面积小于1.8km2的破碎地块，共1 570个分析单元。为保证不同重要度指数的贡献度，运用主成分分析法计算格局指数权重，选取对生态风险影响较大的主成分因子，完成泰山区域生态风险评价与生态风险特征分析。采用SPSSAU对Fragstats软件计算得到的斑块类型格局指数进行负向指标正向化、数据归一化及主成分分析，分析共提取出3个主成分，根据各主成分贡献率占比确定3个主成分的分析权重，分别为77.19%、13.82%、8.99%。提取各主成分载荷系数值大于0.4的指数分析项进行风险分析，构建斑块类型尺度下泰山区域生态风险评价模型(ERI)，公式如下[22]：

式中，ERI为各风险小区单元生态风险值；E1、E2、E3分别为主成分1、2、3权重值；Fn为各指数分析项载荷绝对值；Ln为第n个指数分析项的归一化值。

3.2 泰山区域生态风险评价

将生态风险指数值赋予到泰山区域各风险单元的中心点上，通过克里金插值分析法，对1 570个带有风险评估结果的点进行可视化分析，采用自然段点法将结果划分为生态风险极高、生态风险高、生态风险较高、生态风险中等、生态风险较低、生态风险低6个风险等级(图4)。结合泰山区域自然本底和生态风险评价，发现：1)泰山山脉、大汶河-东平湖区域的东西向形成生态风险低值区隔离带，可以看出泰山山脉、大汶河和东平湖是泰山区域内景观连接度高、破碎度低的区域；2)生态风险高值区主要位于沿黄城市边缘区、泰山山脉西南侧以及大汶河流域南侧，与泰山区域山水林田湖草生态保护修复工程试点分布具有高低一致性。

图4 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态风险评价

4 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态源地识别

4.1 基于MSPA分析的生态源地识别

基于Guidos Toolbox平台，将泰山区域林地、草地、水体3种用地类型作为MSPA分析的前景要素(值为2)，耕地、建设用地作为背景要素(值为1)，采用八邻域分析方法进行MSPA分析，得到泰山区域MSPA景观类型。核心区是重要的生态功能区，研究对连续性较强但因数据较为精细而发生断裂的核心区进行修正，将泰山山脉范围内间距小于1km且坡度较缓、无人类影响要素(如道路、居住区等)的2个核心区合成一个核心区。据岛屿生物地理学原理，选取面积较大的25个核心区作为下一步景观连通性分析的基础数据。

景观连通性指数(Probability of Connectivity，PC)是表征斑块连通性的重要指标，某个斑块的移除会使景观结构发生改变，随之景观整体连通性发生变化，而变化量大小表明该斑块对景观整体连通性的重要程度。斑块连通重要性(dPC)指标具体计算公式为[23]：

式中，PC为该区域所有斑块存在时的可能连通性指数；PCremove为斑块i移除之后该区域的可能连通性指数。dPCi的值越高，说明斑块i对景观连通性越重要，也说明斑块i在景观中具有较明显的核心作用。

利用Conefor获取泰山区域25个核心区景观斑块的可能连通性指数(PC)和斑块连通重要性指标(dPC)。选取斑块重要性(dPC)大于0.4的15个核心区为生态源地(图5)，其余10个为重要核心区。通过统计计算，泰山区域生态源地总面积约1 714.79km2，占研究区域总面积12.63%，主要分布于泰山山脉、东平湖、徂徕山、莲花山等。

图5 基于MSPA分析的泰山区域生态源地识别

4.2 基于生态系统服务功能评价的生态源地识别

生态系统服务能力的测度主要通过生态系统服务价值评估实现，研究采用谢高地提出的生态系统服务价值当量因子法[24]，计算泰山区域各类用地的水文调节、水资源供给、生物多样性、土壤保持4种生态系统服务单位价值量。将4种生态系统服务单位价值量等权重叠加赋值，得到泰山区域综合单位生态系统服务价值量分级。水体、草地、林地、耕地的价值量分别为114.01、8.71、8.47和1.45元/hm2，水体的生态系统服务单位价值量最高。根据生态源地的重要性，增加大汶河、柴汶河、东平湖、雪野湖、东周水库为生态源地(图6)。

图6 基于生态系统服务评价的泰山区域生态源地识别

4.3 泰山区域生态源地优化

叠加基于MSPA分析识别的生态源地，并筛选高生态系统服务价值的用地，剔除具有廊道特征的生态空间(大汶河、柴汶河等作为生态廊道)，得到15个生态源地，面积约1 688.29km2，主要分布在泰山山脉、徂徕山、莲花山等林地和东平湖、东周水库等水体。以15个生态源地的几何中心点为圆心，根据生态源地面积大小，分别设置20和15km 2种半径作为源地缓冲的辐射距离，共得到生态源地服务范围8 847km2，占泰山区域总面积的65.15%。为提升泰山区域生态源地服务均衡性以及生态功能稳定性，增加生态源地服务范围至75%[25]，结合已有的省级自然保护区、国家森林公园、生态保护红线区和MSPA识别的重要核心区，优化增加4处生态源地，主要为水体和林地，共得到19个生态源地，总面积约1 725.70km，占研究区域总面积的12.70%(图7)。

图7 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态源地优化

5 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态廊道识别

5.1 基于MCR的潜在生态廊道识别

在确定土地利用类型阻力值的基础上，将各用地类型的生态系统服务价值量作为权重，修正土地利用类型阻力值，并结合高程、坡度、距公路距离、距水体距离共5个阻力因子构建生态阻力因子指标体系[26]，通过ArcGIS叠加分析得到泰山区域综合生态阻力值(图8)。生态阻力高值区主要分布在沿黄河济南市区、泰山山脉南侧；生态阻力低值区主要分布在泰山山脉、徂徕山、莲花山和大汶河、东平湖周围。将前面识别优化的19个生态源地几何中心作为源/汇点，基于源地生态阻力面计算每2个生态源地间的最小成本路径，通过剔除重复和经过同一斑块而造成冗余的潜在生态廊道，得到61条有效潜在生态廊道(图9)。

图8 泰山区域综合生态阻力值

图9 泰山区域潜在生态廊道识别

5.2 基于重力模型的生态廊道重要性识别

重力模型(Gravity Model)又称引力模型，用来分析和预测空间相互作用水平的数学方程。通过重力模型量化各生态源地间的相互吸引力水平，相互作用力越强，表明斑块间的潜在生态廊道越重要，生物在其间迁移的可能性越大，重力模型公式如下[27]：

式中，Gij为斑块i与j斑块之间的相互吸引力；Ni与Nj分别为斑块i与斑块j的权重值；Dij为斑块i与斑块j之间潜在廊道阻力的标准化值；Pi和Pj分别为斑块i和斑块j的阻力值；Si和Sj分别为斑块i和斑块j的面积；Lij为斑块i与斑块j之间潜在廊道的累积阻力值；Lmax为研究区内所有廊道累积阻力最大值。

基于重力模型构建泰山区域19个生态源地间的相互作用矩阵，定量评价源地间联系强度，并选取作用强度较高的生态廊道为重要生态廊道。

5.3 泰山区域生态廊道优化

现状河流生态廊道是区域物质能量联系和物种迁移的重要通道，应在基于MCR模型识别的潜在生态廊道的基础上，补充优化河流生态廊道。根据河流的宽度、长度以及流量判断重要的河流生态廊道，确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条河流廊道为重要生态廊道。将潜在生态廊道、现状生态廊道整合叠加，删除重复冗余廊道，得到共计65条生态廊道，其中20条重要生态廊道，45条一般生态廊道(图10)。

图10 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态廊道优化

6 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态网络构建

6.1 泰山区域生态网络构建

生态节点在生态网络中起着连接邻近生态源地、为生物的空间运动提供休息地的作用，增加踏脚石可以减少生物的移动距离，有利于保护物种的迁移过程，提高生态网络连接度。在识别泰山区域生态廊道交叉点和转折点的基础上，删除位于生态源地和距离较近的生态节点，共得到19个生态节点，主要分布在大汶河流域和泰山周围区域(图11)。

图11 泰山区域山水林田湖草生命共同体生态网络构建

泰山区域生态源地总面积约为1 725.70km，占研究区域总面积的12.70%，主要分布于泰山生态区内的泰山山脉、徂徕山、莲花山等植被覆盖率较高的山体以及大汶河-东平湖生态区的东平湖、大汶河流域；生态廊道共计65条，总面积约96.89km2，占研究区域总面积的0.71%，其中重要生态廊道20条，主要分布于泰山生态区内的环泰山区域内；重要生态节点共计15个，主要分布于大汶河-东平湖生态区内大汶河流域内。选取廊道网络结构分析中常用的网络闭合度指数(α指数)、网络连接度指数(β指数)和网络连通率指数(γ指数)，评价生态网络连接程度[28]。通过计算泰山区域生态网络的α指数、β指数和γ指数，分别为1.39、3.37和1.25，表明生态网络连接水平较高，空间结构得到优化，有利于生态效益的发挥。

6.2 泰山区域生态修复策略

在构建泰山区域生态网络的基础上，将生态源地、生态廊道、生态节点与《山东省生态保护红线规划(2016─2020年)》中的划定的Ⅰ、Ⅱ类红线区对比分析，进一步优化与完善生态保护红线区分级划定与保护策略。结合泰山区域生态网络构建与生态保护修复任务，系统分析山水林田湖草生命共同体自然要素间的联系，提出“山”“水湖”“林草”“田”生态要素的生态保护与修复模式。山──“保育+修复”模式、水湖──“多要素综合治理”模式、林草──“规模化保育”模式、田──“多途径土地整治”模式，通过主动地生态营建提升区域生态系统服务能力。

7 结语

习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话中明确提出：黄河流域生态保护和高质量发展的主要目标任务就是要坚持山水林田湖草综合治理、系统治理、源头治理，统筹推进各项工作，加强协同配合，推动黄河流域高质量发展[29]。

本文在黄河流域生态保护和高质量发展诉求下，以生态系统服务高效统筹下的结构系统、过程完整、功能稳定为目标，系统地对泰山区域生态风险进行了定量评价，通过整合低生态风险区与高生态服务区，基于MSPA识别了泰山区域19个的重要生态源地，并在MCR和重力模型的支持下识别了泰山区域20条的重要生态廊道和15个重要生态节点。后续研究应在泰山区域生态网络空间构建基础上，在区域国土空间规划中强调生态底线思维，结合生态保护与生态修复目标，统筹推进区域内矿山修复、水环境治理、土地整治等生态保护修复工程。

注：文中图片均由作者绘制。