肖華斌

張慧瑩

郭妍馨

王 玥

2020年5月頒布的《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程總體規(guī)劃(2021─2035年)》明確指出：生態(tài)系統(tǒng)功能質(zhì)量問題突出、生態(tài)系統(tǒng)保護和修復系統(tǒng)性不足等是我國生態(tài)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(tài)系統(tǒng)保護和修復系統(tǒng)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(lián)系的，要利用系統(tǒng)性思維統(tǒng)籌考慮全域自然生態(tài)要素及要素間生態(tài)關系[2]，與景觀生態(tài)學中強調(diào)統(tǒng)籌考慮“格局-過程-功能”關系也是一致的。泰山區(qū)域山水林田湖草生態(tài)保護修復工程作為國家第二批山水林田湖草生態(tài)保護修復工程試點，是黃河重點生態(tài)區(qū)生態(tài)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(tài)功能區(qū)和華北平原的重要生態(tài)屏障。目前的生態(tài)修復實踐工程往往只從單一的目標出發(fā)，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(tǒng)修復和綜合治理，陷入“多要素簡單疊加”的生態(tài)困境[3]，造成提升生態(tài)系統(tǒng)服務能力和效率的綜合目標并未真正實現(xiàn)。相關研究表明，生境破碎化干擾物種的生存空間、阻礙生態(tài)要素間生態(tài)過程[4-5]，增加景觀斑塊連接度和生境斑塊間的生態(tài)廊道可以有效保護生態(tài)過程和提高生物多樣性[6-7]，構建完善的生態(tài)網(wǎng)絡成為實現(xiàn)生態(tài)結構系統(tǒng)、生態(tài)過程完整及生態(tài)功能穩(wěn)定，提升生態(tài)系統(tǒng)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(tài)網(wǎng)絡構建途徑

1.1 生態(tài)網(wǎng)絡內(nèi)涵與構建方法

生態(tài)網(wǎng)絡是指基于景觀生態(tài)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(nèi)利用多種線性生態(tài)空間將景觀中的資源斑塊進行有機的連接，保障生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞，以維持和保護其生態(tài)、社會、經(jīng)濟、文化、審美等多種功能的網(wǎng)絡結構體系[8]?！鞍邏K-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(tài)網(wǎng)絡的理論基礎。在自然保護區(qū)、物種棲息地、濕地、綠洲、城市綠地等生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)網(wǎng)絡作為生態(tài)空間保護的重要結構，成為生態(tài)空間管控的重要依據(jù)[9-13]。

生態(tài)網(wǎng)絡主要通過“源地識別-廊道優(yōu)化-節(jié)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(tài)學、圖論、數(shù)學模型、智能算法應用較多(表1)[14-19]。

表1 生態(tài)網(wǎng)絡構建方法與模型

1.2 服務高效導向下生態(tài)網(wǎng)絡構建途徑

本研究基于景觀生態(tài)學“格局-過程-功能”研究框架，轉(zhuǎn)變以往研究中僅強調(diào)單一構建目標，綜合生態(tài)結構系統(tǒng)性、生態(tài)過程完整性、生態(tài)功能穩(wěn)定性3個目標導向，在生態(tài)風險評價基礎上，耦合“源地識別-廊道優(yōu)化-節(jié)點選取-網(wǎng)絡構建”構建途徑和構建方法，實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡生態(tài)系統(tǒng)服務的高效性，以期為實施整體保護、系統(tǒng)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(shù)構建生態(tài)風險評價體系，對區(qū)域進行生態(tài)風險評價。第二，在形態(tài)學空間格局分析法(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)分析生態(tài)結構基礎上，測算生態(tài)系統(tǒng)服務能力，識別與優(yōu)化重要生態(tài)源地。第三，基于生態(tài)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(yōu)化生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點。最后，在生態(tài)網(wǎng)絡構建基礎上，提出區(qū)域生態(tài)空間結構，管控和引導區(qū)域國土空間規(guī)劃。

圖1 生態(tài)服務高效性導向下山水林田湖草生命共同體生態(tài)網(wǎng)絡構建途徑

2 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體基本概況

2.1 泰山區(qū)域概況

泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體(以下簡稱“泰山區(qū)域”)位于山東省西部沿黃地區(qū)，總面積約13 578.81km2，行政區(qū)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(qū)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(tài)功能區(qū)，也是華北平原重要的生態(tài)屏障(圖2)。泰山區(qū)域根據(jù)生態(tài)本底特征劃分為泰山生態(tài)區(qū)、大汶河-東平湖生態(tài)區(qū)和小清河生態(tài)區(qū)3個生態(tài)區(qū)，主要存在礦山采空塌陷、水污染嚴重、水資源開發(fā)率高、植被退化、生物多樣性降低、土地利用不合理等生態(tài)環(huán)境問題。

圖2 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體區(qū)位

2.2 泰山區(qū)域土地利用概況

選取2019年5月11日的Landsat 8 OLI_TIRS30m數(shù)字衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源?；贓NVI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(wèi)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(shù)字高程數(shù)據(jù)和相關實勘資料，得到泰山區(qū)域土地利用現(xiàn)狀(表2，圖3)。

表2 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計

圖3 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體地利用現(xiàn)狀

2.3 泰山區(qū)域生態(tài)修復試點工程概況

泰山區(qū)域山水林田湖草生態(tài)保護修復工程共規(guī)劃了地質(zhì)環(huán)境、土地整治、水環(huán)境、生物多樣性和監(jiān)管能力建設五大類工程[20]，目前已開展項目主要分為規(guī)劃評估類和工程實踐類2種類型。規(guī)劃評估類項目主要是對重要的生態(tài)功能區(qū)進行生態(tài)功能評估，如泰山山脈、南部山區(qū)、大汶河、東平湖的生態(tài)評估。工程實踐類項目主要根據(jù)各生態(tài)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境問題，進行生態(tài)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(qū)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(zhèn)生態(tài)防護林建設[21]。

3 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)風險評價

3.1 基于景觀格局指數(shù)的生態(tài)風險評價體系構建

選取表征景觀破碎度的景觀格局指數(shù)構建泰山區(qū)域生態(tài)風險評價體系，以泰山區(qū)域林地、水體、草地、耕地4類生態(tài)功能土地利用類型斑塊進行景觀格局生態(tài)風險評價。為保證區(qū)內(nèi)空間同質(zhì)性、區(qū)間異質(zhì)性，采用3km×3km的生態(tài)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(shù)的貢獻度，運用主成分分析法計算格局指數(shù)權重，選取對生態(tài)風險影響較大的主成分因子，完成泰山區(qū)域生態(tài)風險評價與生態(tài)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(shù)進行負向指標正向化、數(shù)據(jù)歸一化及主成分分析，分析共提取出3個主成分，根據(jù)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(shù)值大于0.4的指數(shù)分析項進行風險分析，構建斑塊類型尺度下泰山區(qū)域生態(tài)風險評價模型(ERI)，公式如下[22]：

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

3.2 泰山區(qū)域生態(tài)風險評價

將生態(tài)風險指數(shù)值賦予到泰山區(qū)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(tài)風險極高、生態(tài)風險高、生態(tài)風險較高、生態(tài)風險中等、生態(tài)風險較低、生態(tài)風險低6個風險等級(圖4)。結合泰山區(qū)域自然本底和生態(tài)風險評價，發(fā)現(xiàn)：1)泰山山脈、大汶河-東平湖區(qū)域的東西向形成生態(tài)風險低值區(qū)隔離帶，可以看出泰山山脈、大汶河和東平湖是泰山區(qū)域內(nèi)景觀連接度高、破碎度低的區(qū)域；2)生態(tài)風險高值區(qū)主要位于沿黃城市邊緣區(qū)、泰山山脈西南側以及大汶河流域南側，與泰山區(qū)域山水林田湖草生態(tài)保護修復工程試點分布具有高低一致性。

圖4 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)風險評價

4 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)源地識別

4.1 基于MSPA分析的生態(tài)源地識別

基于Guidos Toolbox平臺，將泰山區(qū)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(qū)域MSPA景觀類型。核心區(qū)是重要的生態(tài)功能區(qū)，研究對連續(xù)性較強但因數(shù)據(jù)較為精細而發(fā)生斷裂的核心區(qū)進行修正，將泰山山脈范圍內(nèi)間距小于1km且坡度較緩、無人類影響要素(如道路、居住區(qū)等)的2個核心區(qū)合成一個核心區(qū)。據(jù)島嶼生物地理學原理，選取面積較大的25個核心區(qū)作為下一步景觀連通性分析的基礎數(shù)據(jù)。

景觀連通性指數(shù)(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(fā)生改變，隨之景觀整體連通性發(fā)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(qū)域所有斑塊存在時的可能連通性指數(shù)；PCremove為斑塊i移除之后該區(qū)域的可能連通性指數(shù)。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(qū)域25個核心區(qū)景觀斑塊的可能連通性指數(shù)(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(qū)為生態(tài)源地(圖5)，其余10個為重要核心區(qū)。通過統(tǒng)計計算，泰山區(qū)域生態(tài)源地總面積約1 714.79km2，占研究區(qū)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(qū)域生態(tài)源地識別

4.2 基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價的生態(tài)源地識別

生態(tài)系統(tǒng)服務能力的測度主要通過生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估實現(xiàn)，研究采用謝高地提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子法[24]，計算泰山區(qū)域各類用地的水文調(diào)節(jié)、水資源供給、生物多樣性、土壤保持4種生態(tài)系統(tǒng)服務單位價值量。將4種生態(tài)系統(tǒng)服務單位價值量等權重疊加賦值，得到泰山區(qū)域綜合單位生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務單位價值量最高。根據(jù)生態(tài)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(tài)源地(圖6)。

圖6 基于生態(tài)系統(tǒng)服務評價的泰山區(qū)域生態(tài)源地識別

4.3 泰山區(qū)域生態(tài)源地優(yōu)化

疊加基于MSPA分析識別的生態(tài)源地，并篩選高生態(tài)系統(tǒng)服務價值的用地，剔除具有廊道特征的生態(tài)空間(大汶河、柴汶河等作為生態(tài)廊道)，得到15個生態(tài)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(tài)源地的幾何中心點為圓心，根據(jù)生態(tài)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(tài)源地服務范圍8 847km2，占泰山區(qū)域總面積的65.15%。為提升泰山區(qū)域生態(tài)源地服務均衡性以及生態(tài)功能穩(wěn)定性，增加生態(tài)源地服務范圍至75%[25]，結合已有的省級自然保護區(qū)、國家森林公園、生態(tài)保護紅線區(qū)和MSPA識別的重要核心區(qū)，優(yōu)化增加4處生態(tài)源地，主要為水體和林地，共得到19個生態(tài)源地，總面積約1 725.70km，占研究區(qū)域總面積的12.70%(圖7)。

圖7 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)源地優(yōu)化

5 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)廊道識別

5.1 基于MCR的潛在生態(tài)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(tài)系統(tǒng)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(tài)阻力因子指標體系[26]，通過ArcGIS疊加分析得到泰山區(qū)域綜合生態(tài)阻力值(圖8)。生態(tài)阻力高值區(qū)主要分布在沿黃河濟南市區(qū)、泰山山脈南側；生態(tài)阻力低值區(qū)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(yōu)化的19個生態(tài)源地幾何中心作為源/匯點，基于源地生態(tài)阻力面計算每2個生態(tài)源地間的最小成本路徑，通過剔除重復和經(jīng)過同一斑塊而造成冗余的潛在生態(tài)廊道，得到61條有效潛在生態(tài)廊道(圖9)。

圖8 泰山區(qū)域綜合生態(tài)阻力值

圖9 泰山區(qū)域潛在生態(tài)廊道識別

5.2 基于重力模型的生態(tài)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(shù)學方程。通過重力模型量化各生態(tài)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(tài)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(qū)內(nèi)所有廊道累積阻力最大值。

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

5.3 泰山區(qū)域生態(tài)廊道優(yōu)化

現(xiàn)狀河流生態(tài)廊道是區(qū)域物質(zhì)能量聯(lián)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(tài)廊道的基礎上，補充優(yōu)化河流生態(tài)廊道。根據(jù)河流的寬度、長度以及流量判斷重要的河流生態(tài)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(tài)廊道。將潛在生態(tài)廊道、現(xiàn)狀生態(tài)廊道整合疊加，刪除重復冗余廊道，得到共計65條生態(tài)廊道，其中20條重要生態(tài)廊道，45條一般生態(tài)廊道(圖10)。

圖10 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)廊道優(yōu)化

6 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)網(wǎng)絡構建

6.1 泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡構建

生態(tài)節(jié)點在生態(tài)網(wǎng)絡中起著連接鄰近生態(tài)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(tài)網(wǎng)絡連接度。在識別泰山區(qū)域生態(tài)廊道交叉點和轉(zhuǎn)折點的基礎上，刪除位于生態(tài)源地和距離較近的生態(tài)節(jié)點，共得到19個生態(tài)節(jié)點，主要分布在大汶河流域和泰山周圍區(qū)域(圖11)。

圖11 泰山區(qū)域山水林田湖草生命共同體生態(tài)網(wǎng)絡構建

泰山區(qū)域生態(tài)源地總面積約為1 725.70km，占研究區(qū)域總面積的12.70%，主要分布于泰山生態(tài)區(qū)內(nèi)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(tài)區(qū)的東平湖、大汶河流域；生態(tài)廊道共計65條，總面積約96.89km2，占研究區(qū)域總面積的0.71%，其中重要生態(tài)廊道20條，主要分布于泰山生態(tài)區(qū)內(nèi)的環(huán)泰山區(qū)域內(nèi)；重要生態(tài)節(jié)點共計15個，主要分布于大汶河-東平湖生態(tài)區(qū)內(nèi)大汶河流域內(nèi)。選取廊道網(wǎng)絡結構分析中常用的網(wǎng)絡閉合度指數(shù)(α指數(shù))、網(wǎng)絡連接度指數(shù)(β指數(shù))和網(wǎng)絡連通率指數(shù)(γ指數(shù))，評價生態(tài)網(wǎng)絡連接程度[28]。通過計算泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡的α指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù)，分別為1.39、3.37和1.25，表明生態(tài)網(wǎng)絡連接水平較高，空間結構得到優(yōu)化，有利于生態(tài)效益的發(fā)揮。

6.2 泰山區(qū)域生態(tài)修復策略

在構建泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡的基礎上，將生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點與《山東省生態(tài)保護紅線規(guī)劃(2016─2020年)》中的劃定的Ⅰ、Ⅱ類紅線區(qū)對比分析，進一步優(yōu)化與完善生態(tài)保護紅線區(qū)分級劃定與保護策略。結合泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡構建與生態(tài)保護修復任務，系統(tǒng)分析山水林田湖草生命共同體自然要素間的聯(lián)系，提出“山”“水湖”“林草”“田”生態(tài)要素的生態(tài)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(guī)?；Ｓ蹦Ｊ?、田──“多途徑土地整治”模式，通過主動地生態(tài)營建提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務能力。

7 結語

習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上的講話中明確提出：黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)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(tǒng)治理、源頭治理，統(tǒng)籌推進各項工作，加強協(xié)同配合，推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展[29]。

本文在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展訴求下，以生態(tài)系統(tǒng)服務高效統(tǒng)籌下的結構系統(tǒng)、過程完整、功能穩(wěn)定為目標，系統(tǒng)地對泰山區(qū)域生態(tài)風險進行了定量評價，通過整合低生態(tài)風險區(qū)與高生態(tài)服務區(qū)，基于MSPA識別了泰山區(qū)域19個的重要生態(tài)源地，并在MCR和重力模型的支持下識別了泰山區(qū)域20條的重要生態(tài)廊道和15個重要生態(tài)節(jié)點。后續(xù)研究應在泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡空間構建基礎上，在區(qū)域國土空間規(guī)劃中強調(diào)生態(tài)底線思維，結合生態(tài)保護與生態(tài)修復目標，統(tǒng)籌推進區(qū)域內(nèi)礦山修復、水環(huán)境治理、土地整治等生態(tài)保護修復工程。

注：文中圖片均由作者繪制。