耦合功能分区的上海崇明岛生态安全格局构建

王 敏 宋昊洋

（1.同济大学建筑与城市规划学院景观学系，上海 200092；2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室水绿生态智能分实验中心，上海 200092；3.上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海 201499；4.自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心土地整理中心，上海 202155）

生态安全格局构建是保障生态系统服务可持续供给、提升公众福祉的关键手段。相关研究多从提升生态系统服务供给能力切入，却忽视了不同功能分区对于不同生态系统服务的预期需求效益与实际供给效益存在一定错位的问题。面向差异化发展目标，如何在分区层面梳理并明晰关键生态系统服务及其发展优先次序，对于合理配置生态资源、构建契合区域发展需求的生态安全格局具有重要的指引作用。基于此，研究选取上海市崇明岛为研究对象，基于5大功能分区发展指引构建生态系统服务重要性指数，识别生态源地；依据生态系统服务价值构建阻力面，在此基础上运用电路理论的连接度模型构建生态廊道、判别生态“夹点”和障碍点，探索耦合功能分区的生态安全格局构建路径。结果表明：（1）识别得到研究区的生态源地斑块共193个，总面积339.84 km2，约占研究区总面积的24.9%；生态廊道共374条，总长度为866.14 km；生态“夹点”共0.49 km2，障碍点共404个；（2）受功能发展导向和自然生态本底的双重影响，崇明岛生态安全格局的各类空间要素在不同分区内的分布特征和景观类型特征存在差异，西部、北部和东部地区以蓝绿空间为主，源地大块集中且廊道较为完整；中部、东部地区源地和廊道类型多样且破碎化程度较高，多聚集在居住地周边，障碍点和“夹点”分布集中；（3）生态空间管控方面，西部、北部和东部地区应侧重对核心生态空间和廊道进行保护和适度开发，而中部和南部地区应针对其多样化发展需求因地制宜，加强绿道体系建设，推进整体景观提升和综合环境整治。综上，选取上海崇明岛作为研究对象，探索功能分区差异性发展情景下的生态安全格局构建方法。研究提出生态系统服务重要性指数测算方法，在功能分区尺度下实现了社会和自然双重约束下的生态系统服务优先级评价，在多目标发展体系下综合供给和需求导向识别了优先保护区域；同时综合应用电路理论提取生态廊道，有效提取对景观连接性有重要影响的“夹点”区域和障碍点，判读重要生态修复区段，为后续空间管控的政策制定提供借鉴。

生态安全格局；生态系统服务；重要性指数；功能分区；电路理论；崇明岛

高速城镇化发展推动城市建成空间蔓延，生态环境面临巨大压力。如何保障区域生态安全，维持生态系统服务可持续供给，增进人类福祉，成为推动社会可持续发展的热点话题[1]。生态安全格局缘于景观生态学格局—过程耦合理论，由区域生态源地及沟通生态系统服务流动的生态廊道共同构成[2]。构建生态安全格局则是通过识别和保护对于生态系统具有重要意义的关键要素，包括斑块、廊道、节点等，维持景观结构的整体性，实现对特定生态功能的有效调控[3]。现有研究多基于生态红线划定[4]、土地利用优化[5]等视角，以空间量化、动态模拟等方法，在自然保护区[6]、重大工程地区[7]、高密度城区[8]和生态脆弱区[9]等领域积极开展理论辨析、生态空间识别及综合指标体系构建[10-13]等的讨论。基于对生态安全和生态系统服务关系认识的不断深入，现有相关研究多依托生态系统服务的供给增量研究进行生态安全格局的构建，并逐渐向以自然生态系统为主、耦合社会经济系统的方向发展[14-15]。

然而，现有研究和实践在促进生态系统服务的全域保护的同时，往往导向一种被动适应的、底线式的宏观生态系统管理，缺乏对于功能发展、公众需求的讨论和互动[11,16]。尤其是对源地的识别，多基于生态功能的单一量化和简单叠加，忽视了功能单元下生态系统服务重要性的差异。在功能分区下，上位规划决策面向社会经济本底和居民生活需求，对于不同生态功能发展具有差异化导向。而上述相关研究却极少基于分区主导功能对其进行精细化考量，导致生态系统服务预期需求目标和实际供给效益的错位[1,17]。因此，面对不同发展情景下生态系统服务重要性的差异，生态安全格局的构建亟待在分区尺度下引入社会经济因素，整合资源供给与公众需求[18]，匹配不同的生态功能导向目标，识别和审视生态系统服务保护优化的优先区域和差异性，为合理配置生态资源、提升生态系统服务应用价值和增进公众福祉探索重要的实践途径，体现出生态安全格局的地方性和人本性。

崇明岛是上海市核心的生态空间。在世界级生态岛的发展定位下，崇明区依托“三区两带两片”的空间结构，大力推进“生态+”战略，重点引导农业、旅游、创新等多功能导向。基于此，以探索如何将分区级功能性发展指引与生态安全格局构建相结合为切入点，研究以崇明岛为例，基于对全域和不同功能分区差异化发展诉求的讨论，明晰崇明岛不同功能分区的关键生态系统服务，综合应用定性与定量方法识别生态源地，并依据电路理论提取生态廊道，判断生态“夹点”和生态障碍点，构建耦合功能分区的蓝绿空间生态安全格局，为崇明岛合理配置生态资源，在多目标体系下最大化发挥生态价值提供一定借鉴。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究对象与功能分区

以上海市崇明区崇明岛为研究对象，全岛面积约为1 361.11 km2，东西长80 km，南北宽13～18 km。作为上海市最核心的生态空间，崇明岛具有极为优质的生态本底，是全球鸟类的重要栖息地，水体、滩涂、森林和耕地资源丰富，并呈现出横向分层的特质。

总的来看，崇明岛形成了“南镇中村北田园，东西湿地北林湖”的特色资源空间，各区自然条件有所差异，旅游、农业等功能产业的发展需求也各不相同。《上海市崇明区总体规划暨土地利用总体规划（2016 - 2040）》将崇明岛空间结构划分为“三区两带”，明确了三大空间片区和两条空间带的功能发展内涵。其中，崇东片区在重点保护东滩鸟类栖息地的同时，适度发展健康疗养、生态教育等功能；崇西片区在保护东风西沙水源地的同时，发展生态旅游、文化创意等功能；崇北片区依托东平森林公园、北湖和农场，发展森林度假、生态农业等功能；崇中乡村野趣带集中建设特色农业带；崇南城镇开发区则推动建设集约活力的滨江城镇空间，促进人居环境建设优化。基于上述解读，研究将崇明岛划分为5个功能分区（图1），分别为崇东生态保育区、崇西生态旅游区、崇北农业旅游区、崇中特色农业区、崇南城镇开发区，生态保育、产业发展、人居环境优化等多个发展目标在5大分区中各有侧重。

图1 研究区域与功能分区Fig. 1 Study area and functional zoning

1.2 数据来源

本研究使用的数据有：（1）基础地理数据，主要包括行政边界图、道路交通图、旅游景区、公园绿地分布和永久基本农田保护区图，均来自上海崇明区相关部门；（2）土地利用分类图、Landsat8 OLI_TIRS影像数据和高程数据，统一为50 m×50 m分辨率，来自地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）；（3）年降雨量侵蚀力栅格数据，来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)；（4）年潜在蒸散量栅格数据、植被净初级生产力（NPP）数据、归一化植被指数（NDVI）数据，来源于美国国家航空航天局（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）MODIS数据集，均经过MRT格式转换、投影转换和重采样统一为50 m×50 m分辨率；（5）土壤质地数据，来源于寒区旱区科学数据中心（http://westdc.westgis.ac.cn/）中国土壤数据集；（6）相关社会经济数据，来源于崇明区2021年统计年鉴。

2 研究方法

“源地识别—阻力面建立—廊道构建”是生态安全格局研究的一般范式[19]。生态源地可基于生态系统服务供给能力、重要性等的考虑进行单项直接识别或综合指标评价[3,20]；阻力面的建立则多结合土地利用类型赋值得到；生态廊道可采用最小累积阻力模型[21]、电路理论[22]等方法提取。其中，基于电路理论的连接度模型利用电阻距离代替成本距离，能有效衡量异质性景观的功能连接性，在廊道重要性识别研究中具有明显优势[23]。

基于此，研究创新性耦合功能分区发展目标提出生态系统服务重要性测算方法，基于重要性指标识别生态源地，并依据不同用地类型的生态系统服务功能值构建阻力面，结合电路理论模型构建生态廊道、提取生态“夹点”和生态障碍点，形成研究区最终点线面结合的生态安全格局。

2.1 生态系统服务重要性指标计算

基于对崇明岛不同分区功能导向的分析，研究选取食物生产服务、水源涵养服务、热环境调节服务、大气调节服务、雨洪调节服务、生物多样性维持服务、休闲游憩服务7项生态系统服务进行评估，测算方法见表1。各项生态系统服务计算后统一采用Max-Min标准化方法进行归一化处理后，获得第i项生态系统服务在第j个像元的生态系统服务功能性指数

表1 各项生态系统服务的测算方法Tab. 1 Calculation methods of various ecosystem services

在不同分区内，为区分生态系统服务的重要程度，研究依据对崇明岛发展需求的分析，引入第i项生态系统服务在第k个功能分区的生态系统服务权重i=1，2…7）。结合上述对于各区功能发展导向的讨论，研究选择结合专家打分和AHP层次分析法分别对不同分区内生态系统服务进行两两重要性比较，通过建立矩阵运算求得各项权重，判断多目标体系下各分区内生态系统服务的相对重要程度（表2）。

表2 各项生态系统服务权重设定Tab. 2 Weight setting of ecosystem services

表2 各项生态系统服务权重设定Tab. 2 Weight setting of ecosystem services

水质净化 0.143 0.219 0.057 0.029 0.014热环境调节 0.081 0.071 0.134 0.152 0.214大气调节 0.092 0.114 0.114 0.121 0.138雨洪调节 0.085 0.029 0.057 0.145 0.148支持服务 生物多样性维持 0.357 0.257 0.257 0.14 0.086文化服务 休闲游憩 0.171 0.243 0.229 0.127 0.343崇南城镇开发区South district供给服务 食物生产 0.071 0.067 0.152 0.286 0.057服务类型Service type崇东生态保育区Eastern district崇西生态旅游区Western district崇北农业旅游区North district崇中特色农业区Central district调节服务

基于表2，研究可获得第j个像元的综合生态系统服务重要性IESj，计算公式（1）：

2.2 生态源地识别

生态源地是对区域生态安全具有重要意义并担负着重要辐射功能的生境斑块[35]。本文基于生态系统服务需求视角，选取综合生态系统服务重要性指标值处于前25%的斑块作为生态源地。同时参考相关研究[27]，将各项生态系统服务重要性指标值处于前10%的斑块也划定为生态源地，以避免忽略对单项生态系统服务具有突出贡献的生境斑块。

此外，考虑到面积小的斑块辐射功能较弱，对区域整体的生态安全格局影响较小。研究进一步对碎小斑块进行处理[36]。结合各区域生态空间差异化特征，分别对东、西、北部分区和中、南部分区两种空间特征分别进行斑块累计面积占比与数量累计占比的讨论。由图2看出，当生态源地斑块面积分别大于0.15 km2和0.05 km2时，斑块数量占比趋于稳定，且其累计面积占比均达到70%以上，能有效代表生态源地的整体格局。因此，明确生态源地最小面积阈值在崇东生态保育区、崇西生态旅游区、崇北农业旅游区和崇中特色农业区、崇南城镇开发区分别为0.15 km2和0.05 km2，并将其他面积小但分布集中的斑块进行合并处理。

图2 生态源地斑块面积累计占比和数量累加占比Fig. 2 Cumulative proportion of patch area and quantity in ecological source area

2.3 阻力面构建

阻力面是指不同生态要素之间进行物质交换、能量传输过程在穿越空间时需要克服的阻力。景观空间阻力值的大小与其生态系统服务能力高低密切相关，生态系统服务能力越高，物质、能量流动所遇到的阻力也就越小[27,37]。因此，研究计算各个土地覆盖类型单位面积的生态系统服务价值[38-39]来进行阻力面的构建，将其进行归一化处理，以其反表面（1减本身）确定阻力值，并基于Linkage Mapper工具箱的数据需求进行进一步阈值调整，得出阻力值分别为耕地90、林地55、湿地1、河流湖泊18、绿地68、未利用地97、建设用地101。同时，基于国土政策对基本农田的严格保护，生态廊道不穿越永久基本农田保护区。

2.4 基于电路理论的生态廊道、夹点和障碍点的提取

生态廊道是指生态网络中对物质、能量与信息具有重要连通作用，并为动物迁徙提供重要通道的带状区域。研究利用ArcGIS软件中的Linkage Mapper工具箱模拟生态廊道，基于电荷随机游走特性识别生态廊道[40]。

生态“夹点”是廊道中电流密度较大的区域，其生物迁移概率大但也受周围干扰较大，代表了影响整个生态空间连通度的“瓶颈”地区。因而关注保护生态“夹点”并对周边区域进行修复，对维持整个网络的连接性非常重要。研究利用Linkage Mapper工具箱中的Pinchpoint Mapper识别生态“夹点”，通过调用电路理论模型计算斑块间电流密度，并按照自然断点法将电流密度分为5个等级，将电流密度最高的区域视为全区的生态“夹点”[29]。

生态障碍点是指阻碍生物扩散移动的景观，移除这些区域会显著增加生态连通性［34］。研究利用Linkage Mapper工具箱中的Barrier Mapper识别生态障碍点，采用移动窗口法，参考相关研究[40]选择100 m作为搜索半径，将整个移动搜索窗口内改进得分的百分比来表征障碍点对于生态景观连通性的影响强弱，并将其按照自然断点法分为5个等级，位于赋值最高区间的区域即为障碍点[29]。

3 结果分析

3.1 生态源地分布

研究共识别上海崇明岛生态源地斑块193个，总面积339.84 km2，约占研究区总面积的24.9%。大块的源地斑块主要分布在崇明岛东、西部湿地和北部林地，但存在较大面积草地因其关键生态系统服务在分区内的重要性较低，并未归入源地。崇中特色农业区、崇南城镇开发区分布的源地面积较小且呈现大分散、小集中的特征，多散布在居住地区周边生境质量较好的区域（图3），反映了城镇建设地区作为人们的主要活动空间，对生态系统文化服务和调节服务的发展需求较高，其中的河湖水面和绿地空间成为优化人居环境、维护生态安全的重要区域。

图3 生态源地的空间分布Fig. 3 Spatial distribution of ecological sources

3.2 生态安全格局构建

崇明岛生态廊道分布广泛，研究共识别得到374条廊道，总长度866.14 km，多为东西横向分布延伸（图4）。按照自然断点法将廊道阻力值分为3类，得到低阻力值的廊道160条，其景观类型以林地、草地为主，该类廊道阻力小，对源地连接起重要作用，需要重点保护。中阻力值的廊道有155条，多分布在崇中特色农业区，主要是由于廊道穿越的林地、草地等低阻力区破碎化或廊道迁移距离过长等。阻力极大的廊道59条，多分布在高密度城镇周边区域和耕地区域，该类廊道穿越的生态空间阻力值高、破碎化程度高，连接生态源地、促进生态过程实现的作用较弱。

图4 生态廊道的空间分布Fig. 4 Spatial distribution of ecological corridors

研究基于电路理论计算廊道上各点的电流密度，获得生态“夹点”和生态障碍点（图5）。生态廊道的电流强度由黄至紫逐渐变大，紫色区域为生态“夹点”。崇明岛生态“夹点”总面积约为0.49 km2，主要分布在崇明岛中段的环岛绿道，虽然较为连续，但受周边高阻力景观压迫而受限在较窄的区域内，亟待重点保护。生态障碍点共404个，总面积为8.36 km2，主要分布在受人类活动影响较大的崇中特色农业区和崇南城镇开发区（图6）。

图5 生态廊道电流密度和生态“夹点”的空间分布Fig. 5 Spatial distribution of current density of ecological corridors and “pinch-points”

图6 生态障碍点的空间分布Fig. 6 Spatial distribution of ecological barriers

3.3 生态安全空间管控

结合生态资源本底和功能发展导向，综合生态源地、生态廊道、生态“夹点”和生态障碍点，得到生态安全格局。综观崇明岛生态安全格局，由于受生态资源本底和功能发展需求的共同影响，各功能分区的生态安全格局构成要素在空间分布和景观类型上存在差异（表3）。崇西生态旅游区、崇北农业旅游区北部、崇东生态保育区生态资源优越，是发展世界级生态岛、大力推进自然保育和生态旅游的重要战略区。这些分区受人类活动干扰较小，生态源地呈现大块集中的特征，且以蓝绿空间为主，生态廊道较长且对源地连接起重要作用。而崇中特色农业区以耕地、生产林为主，景观空间被小片分割，生态系统服务需求向人居环境优化和粮食生产双侧倾向，因此，生境源地多小块聚集在居住地周边，廊道短且密，障碍点和“夹点”分布集中。崇南城镇开发区建设用地发展集约，对于生活环境的高需求使得源地集中于城镇空间及其周边，廊道多沿林带绿道分布，且受周围人类活动影响较大，障碍点和“夹点”较多。

表3 生态源地、廊道、“夹点”和障碍点的数量分布特征Tab. 3 The quantitative distribution characteristics of ecological sources, corridors, “pinch points” and barriers

面向生态安全格局的异质性特征，研究将生态源地根据景观空间类型分为核心生态水面、核心生态湿地、核心生态林地、核心生态农田4种；并将生态廊道根据电流密度提取出的“夹点”和障碍点划定为生态保护廊道和生态修复战略点，实施针对性保护和修复策略；其他则为生态游憩廊道，承担主要的景观连通功能；并尝试性在不同分区内提出相应主导的生态安全空间管控策略[41]。其中，崇明岛西部、北部和东部地区的核心生态空间呈面状大块集中，其生态安全格局较为完整，应顺应崇明自然保育的首要生态安全目标，对其天然林、河流湖泊和湿地滩涂进行重点保护和维护，部分区域进行适度开发，维护其良好的生态功能和景观连通性。中部地区和南部地区的核心生态空间类型多样且破碎化程度较高，人类活动的需求强度较大，应针对其发展需求因地制宜，推进整体景观提升和综合环境整治，保护区域农业、林业资源；而廊道受周围低生态价值景观空间的干扰较大，应通过建设和保护多级绿道体系增强其总体景观连通性（图7）。

图7 生态安全格局空间管控Fig. 7 Spatial regulation of ecological security pattern

4 结论与讨论

生态安全格局的构建目标不仅限于保护区域的自然生态过程，还应满足人类对生态系统服务的需求。本文在功能分区尺度下，从生态系统服务的发展需求视角切入，引入生态系统服务重要性指数识别生态源地，基于生态系统服务价值构建阻力面，采用电路理论提取生态廊道、“夹点”和障碍点，实现了功能分区与崇明岛生态安全格局构建的有效耦合。研究显示：崇明岛生态安全格局由193块源地、374条生态廊道、若干“夹点”和障碍点构成，空间布局涉及水面、湿地、林地和部分耕地和建设用地等，不同功能分区的分布特征和类型特征均存在差异，体现了功能发展导向对于生态安全格局的局地性影响。总体来说，崇明岛西部、北部和东部地区的生态安全格局较为完整，建议集中进行源地和廊道保护；而中部地区和东部地区的生态源地类型多样且破碎化程度较高，廊道受人类活动影响较大，应重点实施相应的连通性和修复性措施。

研究基于生态系统服务重要性指数的构建，在功能分区尺度下进行生态系统服务重要性的空间分异评价，识别需要优先保护的重要生态空间；探讨在多目标发展体系下，生态系统服务的安全优先级在不同区域不仅受生态资源本底优劣的影响，也有受到功能发展和公众福祉影响的可能。功能区作为资源开发、环境污染和生态退化的主要载体，也是实行生态安全保护、促进可持续发展的基本管理组织空间，在生态安全格局构建过程中兼顾整体性和差异性原则，具有较强的实践可行性和现实意义。基于上海崇明岛的研究结果表明，生态安全格局的构建不应只注重供给侧的增量发展，而应综合供给和需求两侧导向实现多发展情景下生态安全准则的讨论，以合理配置有限的生态资源，帮助决策制定者确定优先保护区域，并制定具针对性的风险管控策略。面对复杂的地理区域，对生态过程有控制意义的战略性组分应是动态的、多尺度的，未来相关研究可以将情景模拟和多尺度评估整合到生态系统服务视角下的生态安全构建框架中，进而实现在不同尺度下对于生态安全格局的动态评价和精细化调控。

在构建生态安全格局过程中，本研究综合应用电路理论提取生态廊道。电路理论的连接度模型认为物种对所穿越的景观缺少预知，不一定会选择最优路径，而是有多条路径可以选择。该模型基于随机游走理论定义物种的运动行为，充分考虑了生态廊道的冗余度，有助于提升城市韧性水平。同时，在异质性景观中通过电流密度计算，可以有效识别对景观连接性有重要影响的景观要素和“夹点”地区，并且“夹点”的位置不受廊道宽度的影响[22]，在廊道重要性识别研究中也具有明显优势。在后续研究中，将进一步基于实地观察和试验数据优化相关参数（如景观阻力值）的设置，并面向建成环境，加强对于道路及其他建设因素等对生态安全格局构建影响的讨论，综合引入生态“夹点”、生态障碍点、生态断裂点等空间要素。同时，研究在整合各区生态系统服务功能时，仅考虑评价对象本身的特性，较少考虑与周边区域的辐射影响关系，也未对不同生态系统服务之间的权衡协同关系进行深入讨论[42]，未来也有待针对其内在耦合关联机制展开研究。