自然資源整合視角下泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(wù)院印發(fā)《生態(tài)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(tài)系統(tǒng)的整體性、系統(tǒng)性及其內(nèi)在規(guī)律，統(tǒng)籌考慮自然生態(tài)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(tǒng)修復、綜合治理，增強生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)能力，維護生態(tài)平衡。為貫徹落實開展山水林田湖草生態(tài)保護的部署要求，財政部、原國土資源部、原環(huán)境保護部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進山水林田湖生態(tài)保護修復工作的通知》，分三批次開展山水林田湖草生態(tài)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(tài)保護修復工程，提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和整體環(huán)境質(zhì)量。中共中央、國務(wù)院《關(guān)于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施的若干意見》和《關(guān)于在國土空間規(guī)劃中統(tǒng)籌劃定落實三條控制線的指導意見》等相關(guān)文件的出臺，標志著國土空間規(guī)劃中以“雙評價”為基礎(chǔ)的底線管控和全域自然要素的統(tǒng)籌管理制度已經(jīng)建立[1-2]。山水林田湖草生命共同體理念的提出，將空間規(guī)劃中的自然資源內(nèi)涵從傳統(tǒng)的空間系統(tǒng)擴展到生態(tài)系統(tǒng)，并強調(diào)其內(nèi)在的有機聯(lián)系和相互作用。厘清自然資源內(nèi)在聯(lián)系和作用，就需要理解自然要素間物質(zhì)循環(huán)、能量流動、信息傳遞的生態(tài)過程，才能確保山水林田湖草生態(tài)保護修復工程的順利開展。如何在國土空間規(guī)劃中，將山水林田湖草生態(tài)保護修復目標與全域全類型自然資源要素統(tǒng)籌管理相結(jié)合，推進落實生命共同體理念中的整體性、系統(tǒng)性、協(xié)同性和關(guān)聯(lián)性的要求，是國土空間規(guī)劃中面臨的重要問題。

1 自然資源整合視角下區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建途徑

景觀生態(tài)安全格局（Security pattern，SP）是20世紀90年代后期以景觀生態(tài)學理論和方法為基礎(chǔ)，基于景觀過程和格局的關(guān)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(guān)鍵意義的景觀格局。景觀生態(tài)安全格局把景觀過程（包括區(qū)域水文循環(huán)、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(xiàn)景觀控制和覆蓋的過程。要有效地實現(xiàn)控制和覆蓋，必須具備有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵性的景觀元素、空間位置和聯(lián)系。這種由關(guān)鍵性元素、戰(zhàn)略位置和聯(lián)系所形成的格局就是景觀生態(tài)安全格局，對維護和控制生態(tài)過程或其他水平過程具有重要的意義[3-4]。同時，某些生態(tài)過程的景觀安全格局也可有效控制突發(fā)性災害，如洪水安全格局、地質(zhì)災害安全格局等。通過確定自然生態(tài)過程的一系列閾限和安全層次，提出維護與控制生態(tài)過程的關(guān)鍵性的時空量序格局。生態(tài)安全格局理論由于其具有主動、空間聯(lián)系和高效的生態(tài)戰(zhàn)略優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于國土空間規(guī)劃、綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建以及生態(tài)保護修復工程中[5-8]。目前識別景觀生態(tài)安全格局比較成熟的方法是通過構(gòu)建生態(tài)過程的最小阻力面（Minimum cumulative resistance，MCR） 實 現(xiàn) 景 觀控制，分析景觀斑塊的分離程度并作為景觀格局優(yōu)化的依據(jù)。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(gòu)建生態(tài)安全格局，并采用形態(tài)學空間格局分析法（Morphological spatial pattern analysis，MSPA）識別潛在的生態(tài)廊道。MSPA是基于數(shù)學形態(tài)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(diào)研究內(nèi)容的結(jié)構(gòu)性連接，在進行生態(tài)源地與生態(tài)廊道的選取時，能夠減少傳統(tǒng)方法中依據(jù)面積較大、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高選取核心斑塊的主觀性判斷，增加源地和生態(tài)廊道選取的科學性[11-13]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是保障生態(tài)過程、維護生態(tài)安全、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效途徑，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)為自然要素及生境斑塊間生態(tài)過程的有效調(diào)控提供了重要的空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)成系統(tǒng)、完整的生態(tài)空間格局，實現(xiàn)生態(tài)服務(wù)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(nèi)在關(guān)系和生態(tài)過程的基礎(chǔ)上，整合生態(tài)保護修復目標與生態(tài)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(tài)安全格局，然后進行垂直疊加，獲取綜合生態(tài)安全格局。在此基礎(chǔ)上，基于MSPAS識別潛在的重要生態(tài)廊道，構(gòu)建山水林田湖草區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。

2 泰山區(qū)域山水林田湖草自然要素識別

泰山區(qū)域作為我國第二批山水林田湖草生態(tài)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(qū)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(qū)，南部和北部為丘陵、平原（見圖2）。泰山區(qū)域山水林田湖草生態(tài)保護修復工程根據(jù)修復任務(wù)不同分成了泰山生態(tài)區(qū)、大汶河—東平湖生態(tài)區(qū)、小清河生態(tài)區(qū)3個生態(tài)修復區(qū)域。通過遙感影像解譯并結(jié)合土地利用現(xiàn)狀（數(shù)據(jù)主要來源于30 m×30 m的LANDSAT8遙感影像、30 m×30 m的DEM高程數(shù)據(jù)），可以得到泰山區(qū)域的山水林田湖草自然要素面積數(shù)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(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建途徑

圖2 泰山區(qū)域山水林田湖草生態(tài)保護修復工程區(qū)位圖

3 泰山區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建

根據(jù)泰山區(qū)域生態(tài)保護修復目標和國土空間規(guī)劃中生態(tài)保護紅線劃定要求，以景觀生態(tài)安全格局理論為指導，構(gòu)建泰山區(qū)域水源涵養(yǎng)、地質(zhì)災害防護和生物多樣性保護生態(tài)安全格局，通過空間疊加和運算構(gòu)成泰山區(qū)域綜合生態(tài)安全格局。

表1 泰山區(qū)域山水林田湖草要素面積及分布情況表

圖3 泰山區(qū)域山水林田湖草自然要素分布圖

圖4 泰山區(qū)域水源涵養(yǎng)安全格局

3.1 水源涵養(yǎng)安全格局

泰山區(qū)域中大汶河—東平湖生態(tài)區(qū)和小清河生態(tài)區(qū)的生態(tài)修復重點涉及水生態(tài)環(huán)境和泉域滲透帶保護，水源涵養(yǎng)是提升水生態(tài)環(huán)境和保護泉域滲漏帶的關(guān)鍵因子。水源涵養(yǎng)安全格局是保障區(qū)域正常的生產(chǎn)、生活用水，并能維持區(qū)域水源涵養(yǎng)不被破壞、污染的關(guān)鍵格局。本文識別了泰山區(qū)域重要區(qū)域河湖水系、濕地分布、飲用水源區(qū)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。基于ArcGIS對不同等級的水資源和濕地進行緩沖分析，構(gòu)建不同安全水平的水源涵養(yǎng)安全格局（見圖4，表2）。

3.2 地質(zhì)災害防護安全格局

對地質(zhì)災害防護安全格局的分析，應(yīng)首先建立在區(qū)域地質(zhì)災害敏感性分析基礎(chǔ)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(zhì)災害要素的空間分布，確定地質(zhì)災害源；然后通過對各地質(zhì)災害類型的誘因和災害易發(fā)區(qū)內(nèi)土地利用格局的分析，確定對地質(zhì)災害防護起關(guān)鍵作用的區(qū)域和空間聯(lián)系[16]。地質(zhì)災害源的識別分析方法，就是通過對區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征及地質(zhì)災害形成機制的研究，確定影響地質(zhì)災害發(fā)生的主要因子的評價指標。泰山區(qū)域地質(zhì)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(zhì)災害要素。基于ArcGIS對高程和坡度的分級運算，得到地質(zhì)災害的敏感性分布，通過疊加各類地質(zhì)災害因子，識別地質(zhì)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(gòu)建通常通過最小阻力模型為代表的水平生態(tài)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(qū)（源周圍的低阻力區(qū)域）、廊道和輻射道（連接多個源的低阻力通道）和戰(zhàn)略點（對生物過程具有關(guān)鍵意義的節(jié)點）等景觀元素構(gòu)成。本文選取白鸛（Ciconia）和雕鸮（Bubo）作為指示物種，并依據(jù)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(nèi)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(jù)各類用地對白鸛運動的相對阻力大小，賦予相應(yīng)的阻力值來構(gòu)建阻力面。基于MCR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(gòu)建白鸛保護安全格局。雕鸮在泰山區(qū)域為留鳥，宜采用適宜性分析法構(gòu)建雕鸮保護安全格局。林地是鸮類主要的棲息地類型，根據(jù)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(qū)，構(gòu)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(qū)域生物多樣性保護安全格局（見圖6）。

圖5 泰山區(qū)域地質(zhì)災害防護安全格局

圖6 泰山區(qū)域生物多樣性保護安全格局

圖7 泰山區(qū)域綜合生態(tài)安全格局

3.4 泰山區(qū)域綜合生態(tài)安全格局

綜合以上水源涵養(yǎng)安全格局、地質(zhì)災害防護安全格局和生物多樣性保護安全格局，進行等權(quán)重空間疊加，得到不同安全水平的泰山區(qū)域綜合生態(tài)安全格局。低安全格局是保障生態(tài)功能的最低要求，是建設(shè)用地不可突破的生態(tài)底線，是生態(tài)保護修復任務(wù)的重點區(qū)域；中安全格局是保障生態(tài)過程不受干擾的緩沖區(qū)域，是生態(tài)保護修復任務(wù)與生態(tài)工程建設(shè)相互協(xié)調(diào)的區(qū)域；高安全格局是各生態(tài)要素實現(xiàn)生態(tài)功能充分發(fā)揮的理想狀態(tài)，是生態(tài)保護修復任務(wù)與人類活動緊密聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)的重要區(qū)域（見圖7，表5）。

表2 水源涵養(yǎng)安全格局建構(gòu)標準

表3 地質(zhì)災害防護安全格局建構(gòu)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(qū)域生態(tài)安全格局面積及占比

4 泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

4.1 潛在重要生態(tài)廊道識別

4.1.1 生態(tài)源地選取

形態(tài)學空間格局分析法應(yīng)用的關(guān)鍵在于對生態(tài)要素與非生態(tài)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(shè)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(tài)要素劃分成7種景觀類型：核心區(qū)（Core）、孤 島（Islet）、邊 緣（Edge）、穿 孔（Perforation）、連接橋（Bridge）、環(huán)（Loop）、分支（Branch）（見圖8）。根據(jù)島嶼生物地理學原理，在MSPA分析結(jié)果中，面積較大且景觀連接度較高的核心區(qū)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(qū)為重要核心區(qū)[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(qū)的景觀連接度指數(shù)（PC），利用自然段點法將景觀連接度指數(shù)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(qū)確定為最終的生態(tài)源地，共計34個。

4.1.2 生態(tài)廊道提取與重要性分析

生態(tài)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(shè)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(quán)重賦值來構(gòu)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(tài)阻力面的源地與目標源地間的潛在生態(tài)廊道。重要生態(tài)廊道選取依據(jù)多個源地與目標源地重合的潛在生態(tài)廊道與MSPA分析的具有廊道功能的橋接區(qū)、環(huán)、分支進行確定（見圖8）。由于泰山斑塊面積與生境質(zhì)量較高，重要生態(tài)廊道在研究區(qū)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(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

基于泰山區(qū)域的綜合生態(tài)安全格局和MSPA識別的潛在生態(tài)廊道，規(guī)劃泰山區(qū)域“一核三心，一軸一帶多節(jié)點”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖10）。“一核”為以山、林為主的泰山生態(tài)核心區(qū)，是泰山區(qū)域規(guī)模最大、生態(tài)價值最高的生態(tài)空間，用以涵養(yǎng)水源、維持關(guān)鍵物種的生存等生態(tài)功能；“三心”分別為東平湖濕地生態(tài)綠心、徂徠山生態(tài)綠心和蓮花山生態(tài)綠心，東平湖是研究區(qū)域最大的湖泊，也是山東省第二大淡水湖，提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，徂徠山和蓮花山是研究區(qū)域面積較大、斑塊較為完整的獨立山體，生態(tài)要素類型多樣，在區(qū)域中發(fā)揮著重要的生態(tài)功能；“一軸”是大汶河生態(tài)軸，東西向貫穿泰山區(qū)域南部，實現(xiàn)了生態(tài)斑塊間信息流、能量流、物質(zhì)流的東西向傳遞；“一帶”是連接核心區(qū)間生態(tài)過程的潛在生態(tài)廊道，基于核心區(qū)之間的山林地、河流、農(nóng)田構(gòu)建起生態(tài)聯(lián)系；“多節(jié)點”是生態(tài)價值較核心區(qū)低、可作為生態(tài)過程踏腳石的一般核心區(qū)，能夠加強研究區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系。

圖8 泰山區(qū)域MSPA要素分析

圖9 泰山區(qū)域重要生態(tài)廊道識別

圖10 泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表6 生態(tài)阻力值及權(quán)重

5 結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)橐远嘁貥?gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升為導向的保護修復。泰山區(qū)域是華北平原重要的生態(tài)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(nèi)在關(guān)系和生態(tài)過程，通過結(jié)合生態(tài)修復目標與生態(tài)保護紅線劃定需求，構(gòu)建了不同安全水平的水源涵養(yǎng)、地質(zhì)災害防護、生物多樣性保護以及綜合生態(tài)安全格局。基于形態(tài)學空間格局分析法識別重要潛在生態(tài)廊道，構(gòu)建泰山區(qū)域的“一核三心，一軸一帶多節(jié)點”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。泰山區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是國土空間中的重要結(jié)構(gòu)性要素，不僅為生態(tài)過程提供空間支持和生態(tài)服務(wù)功能，還是維護區(qū)域生態(tài)安全和提升環(huán)泰山城市群人居環(huán)境質(zhì)量的前提和保障。在構(gòu)建完善的泰山區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對性地識別生態(tài)敏感性高的生態(tài)受損空間，重點考慮山上山下、地上地下等不同生態(tài)單元的相互影響，實現(xiàn)系統(tǒng)修復和協(xié)同修復的目標。在生態(tài)修復基礎(chǔ)上，通過復合營建的方式探索供給高質(zhì)量的生態(tài)產(chǎn)品，實現(xiàn)從自然資源向自然資產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，打造泰山區(qū)域“山青、水綠、林郁、田沃、湖美”的山水林田湖草生命共同體。