基于绿色基础设施评价方法的生态网络识别与构建——以大连市旅顺口区为例

裴 倩，王 利，杜 鹏，崔晓琪，焦雅楠

（辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029）

0 引言

城市生态网络空间的识别及构建对改善城市绿地破碎化、稳定生态系统、加强生态斑块间联系具有重要的意义。在快速城市化背景下，城市土地资源的高强度利用和开发导致生物栖息地被瓜分，物种生存几率降低及迁移困难［1-4］，造成区域生态环境恶化、生态服务功能下降，严重影响到区域景观格局的可持续发展。因此，保护和修复生态环境、优化生态安全屏障体系、提升生态承载力、改善城市居住环境是城市生态文明建设亟需解决的问题［5，6］。十九大报告提出：要加大生态系统保护力度，优化生态安全屏障体系，构建生态廊道和生物多样性保护网络，提升生态系统质量和稳定性。基于此，识别与构建区域生态网络空间，减少城市绿地碎片化，形成连续的生态空间，保护生物多样性，改善区域生境质量，对推动城市生态文明建设具有重要意义。

生态网络（Ecological Network）源于1878 年美国学者Olmstead设计的连接公园间的绿道网络。生态网络由生态源地、生态廊道和生态节点组成［7，8］，是一个具有物质、能量和信息自组织、自反馈、自修复特征的复合型网络，探讨景观类型、种群和个体在不同尺度的过程。生态网络旨在连接破碎生境斑块，提高景观连接度，促进生物多样性保护［9］，其合理的关键在于生态源地和生态廊道［10］。绿色基础设施评价方法（Green Infrastructure Assessment，GIA），强调通过自然和人工手段将点、线、面状的自然生态基础要素连接为功能完整的生态网络体系，以实现生态可持续发展目标［11］。GIA最早应用于马里兰绿图规划，并在自然资源保护、生物多样性保护、城市增长边界划定、城市湿地营造路径研究等方面得到广泛应用［12-16］，能快速识别生态核心区域，对生态特性进行分等级划定［17］。

国内外关于生态网络识别与构建的研究主要集中于生态源地和生态廊道的识别与构建方面。生态源地识别多采用直接划分法［18］、因素综合评价法［19］、景观格局分析法［20］、粒子反推法与主成分分析法［21］等方法，基于生境质量和面积、生物多样性、生态系统空间结构等识别确定具有生态功能的生境斑块［22］，而忽略了生态脆弱性及生态受损待修复的生境斑块。最小累积阻力模型科学合理，被广泛应用于生态廊道构建［23-26］。基于不同生境斑块间的距离与阻力，采用最小累积阻力模型，综合考虑地形、地貌、环境和人为等因素，定量表征与模拟研究区存在的潜在生态廊道。但最小累积阻力模型识别的是陆域生态廊道，缺少水资源间的连通，即缺乏对于水域生态廊道的提取。鉴于此，本文以大连市旅顺口区为例，基于GIA方法识别构建区域生态网络，并结合水土侵蚀模型、生物多样性指数、生态重要性指数等识别生态建设空间，提取水陆两域重要生态廊道，提出生态网络构建方案。本文试图回答以下问题：①旅顺口区潜在的陆域生态廊道和水域生态廊道有哪些？②如何科学确定潜在生态廊道的重要性程度？③如何优化构建生态网络以更好地保留生态空间？研究结果可为旅顺口区未来生态网络建设提供优化方案，为区域规划和城市总体规划提供有效补充，进而为需要进行生态修护和具有生态孤岛的区域提供理论依据和实践参考。

1 研究区概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

旅顺口区隶属辽宁省大连市，位于辽东半岛最南端，东邻黄海，西濒渤海，南与山东半岛隔海相望，东北部与甘井子区接壤。旅顺口区陆地南北长约26.1km，东西长约31.2km，总面积506.8km2，海岸线长169.7km。该区具有北温带季风气候特征，四季分明，冬夏长、春秋短，日光充足，雨量适中，兼有大陆和海洋性气候双重特点，空气湿润温和，降水比较集中。该区位于中纬度温带大陆东海，地势东北高西南低，多山地少平原；区域生境质量好，有大小山丘292 座，蕴含丰富的生物资源，拥有辽宁蛇岛—老铁山国家级自然保护区，森林覆盖率53.1%，有国家重点保护的珍稀鸟类，如丹顶鹤、大天鹅、鸳鸯、白尾海雕等。旅顺口区作为我国重要的生物多样性保护区域、大连市近郊区和“后花园”，其生态保护意义尤为重要。2021 年4 月，大连市政府发布《构建国土空间开发保护新格局推动大连高质量发展报告》，强调统筹划定生态保护红线，确保生态红线的科学性和完整性，开展蛇岛“生态海岛”保护等生物多样性维护修复。

1.2 数据来源与说明

本文采用的数据包括降水数据、土壤数据、数字高程数据（DEM数据）、Landsat8 OLI-TIRS 数据、土地利用数据、水体数据等。其中：降水数据源于中国地面气候资料日值数据集（v3.0）；土壤数据的分辨率为1km×1km，基于世界土壤数据库（HWSD）的中国土壤 数 据 集（v1. 1）（https：//data. tpdc. ac. cn/zh -hans/）；DEM 数据和Landsat8 OLI-TIRS 数据分辨率为30m× 30m，来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/）；土地利用数据分辨率为27.50m×27.50m，源于Global land cover data（http：//data.ess.tsinghua.edu.cn/）。为方便数据的分析与管理，所有数据在ArcGIS 10.5 中经过栅格赋值到30m × 30m的栅格中，投影坐标系定义为WGS-1984-UTMZone-51N。

1.3 研究方法

旅顺口区有大型生态林地斑块，但斑块间连通不足，因此应提升生态景观的连通性；研究区因采矿、采挖海沙和滨海区域海水养殖造成生态破损，因此生态受损待修复能力较重要。最终本文通过旅顺口区生态脆弱性指数（Ecological Fragility Index）、生态重要性指数（Ecological Importance Index）和生态受损待修复指数（Awaiting Ecological Restoration Index）构建生态建设空间必要性指数，识别生态源地；构建旅顺口区陆生廊道阻力评价体系，并基于最小累积阻力模型获得陆生廊道累积阻力值。在此基础上，本文利用成本距离分析和成本路径分析得出最小累积成本路径，即陆生生态屏障间的生态廊道。依据地表径流漫流算法［27，28］，对比不同汇水面积以生成不同水系，确定汇水面积阈值，获得水生生态廊道。基于重力模型对生态廊道进行重要性提取，选择不冗余不叠置的廊道，利用连通评价指数（PC）进行生态廊道最优方案的构建。

生态建设空间必要性模型：生态建设空间必要性模型采用生态脆弱性指数（Refa）、生态重要性指数（Reia）和生态受损待修复指数（Raera）进行评价，具体见表1 所示。

表1 生态建设空间必要性模型Table 1 Spatial necessity model of ecological construction

生态脆弱性指数用于评价生态环境对外界干扰的敏感度和恢复力［29］，包括水土保持功能和土地利用类型。水土保持能力采用水土侵蚀模型RUSLE计算 获得［30，31］，即 利 用 降 水 侵 蚀 因 子［32］、土 壤 侵 蚀因子［33，34］、地形因子［35］和植被覆盖指数综合评价水土保持能力。该模型也是估量水土侵蚀量的重要方法，最后将其计算结果标准化为［0，1］。土地利用类型依据“Global land cover data”的分类方法将土地利用分为9 类，并依据杨建新［36］的观点，对各类地物类型进行赋值。生态脆弱性指数计算公式为：

生态重要性是评价生态系统功能的重要指标和依据，包括生物多样性重要性评价和水体生态重要性评价。本文运用InVEST 模型中的生境质量模型进行生物多样性评价。该模型基于威胁源对生态环境（生境）的负面影响，分析得出生境退化程度及生境质量。结合吴建生等［37］、陈妍等［38］和吴季 秋［39，40］的观点，依据《InVEST 模型操作指南》，确定威胁源权重及影响范围、生境适宜度、生境对威胁源的敏感性（表2）。定义土地利用类型为生境，人类活动的产物（耕地、农村居民点、城市居民点、工业用地和道路）为威胁源，结合各种生态威胁因子进行生物多样性分析和评价。以水体生态重要性评价模型为依据，对距水体的距离进行赋值（表1），生态重要性指数计算公式为：

表2 威胁数据Table 2 Threat data

按照《关于在黄海实施海洋生态红线制度的意见》中对旅顺口区实施生态红线区生态保护与整治修复的要求，亟需对旅顺口区内因采矿、采挖海沙和滨海区域海水养殖造成的生态进行受损修复，提升生态应急能力，落实海洋生态红线保护责任。依据研究区概况，本文选择因采矿造成的生态待修复区域、自然岸线因改造为圈养区和盐田造成的生态待修复这两个指标进行研究。以生态受损待修复评价模型为依据，对距矿区、自然岸线待修复区域的距离进行赋值（表1）。

综上，生态建设空间必要性模型采用极大值模型集成生态脆弱性区域、生态重要性区域和生态受损待修复区域。计算公式为：

最小累积阻力模型［41，42］：本文基于生态建设空间识别过程中计算获得的各个栅格单元相关影响程度较高的影响因子，结合相关研究成果，依据影响因子的影响程度确定权重，构建旅顺口区阻力评价体系（表3）。

表3 旅顺口区阻力评价体系Table 3 Resistance evaluation system of Lüshunkou District

依据该体系将各阻力因子标准化处理后得出阻力值，将各阻力因子按公式（4）进行加权求和，从而获得生态建设空间扩张的阻力面，用于最小累积成本路径的计算。

式中：MCR 为最小累计阻力值；fmin用于计算栅格内不同阻力值的最小值；Dij为单元格j 到i 的距离；Ri为阻力权重。

基于重力模型的生态廊道重要性模型：生态建设空间的源（Sources）与目标（Targets）间的作用强度可以表征潜在生态廊道的重要性。大型的生态建设空间与生境质量较好的廊道有利于减少物种迁移过程的阻力，提升迁移幸存率。因此，本文基于重力模型构建生态建设空间作用强度矩阵［43］，定量评价生态源地间的作用强度，判定生态廊道的相对重要性，提取潜在的重要的生态廊道，剔除冗余生态廊道，获得研究区的最终规划生态廊道。重力模型计算公式为：

式中：Gab为生态斑块a 与b 间的作用力；Na和Nb分别为a 与b 生态斑块的权重值；Dab为a 与b 生态斑块的潜在廊道阻力标准化值；Pa为生态斑块a的阻力值；Sa为生态斑块a 的面积；Lab为生态斑块a 与b 间的廊道累积阻力；Lmax为生态廊道阻力的极大值。

基于连通指数模型（PC）的生态源地选择［36］：本文通过连通指数（Probability of Connectivity，PC）呈现斑块源与目标之间的空间联系，计算各生态建设空间对生态网络构建的影响及其贡献值，用来评价各生态建设空间在生态网络中的重要性［44］。计算公式为：

2 结果及分析

2.1 生态建设空间识别分析

本文依据生态建设空间必要性模型，识别旅顺口区生态建设空间。通过对研究区各栅格单元的降水侵蚀因子、土壤侵蚀因子、坡长因子、坡度因子、植被覆盖因子的运算得出研究区的水土侵蚀量，结合土地利用类型评价指标量化结果得出生态脆弱性指数（图1A），生物多样性较高的区域主要分布在水域和林地，对比水体生态重要性指数生成生态重要性指数（图1B），生态受损待修复指数为距离采矿待修复区域、自然岸线因改造区域距离计算所得（图1C）。

图1 旅顺口区生态建设空间评价过程Figure 1 Spatial evaluation process of ecological construction in Lüshunkou District

基于标准化的生态指数，计算各栅格单元的生态空间建设必要性指数。按照生态建设空间重要性，运用自然间断点法对生态建设空间分为不适宜、一般重要、较重要、极重要4 个等级（图2），较好呈现出生态系统建设用地以林地和水域为主的空间分布特征。如：旅顺口区南部的老铁山、团山、西鸡冠山，北部的平山等林地和凤河、北大河等重要水域，生态建设空间必要性高，受人类干扰小，多为极重要和较重要的生态源地分布区；中心城区及周围零散区域人类活动较多，多为不适宜生态建设空间分布，城镇因有耕地和丰富的水资源，多为较重要和一般重要生态建设空间区；东南部生态建设空间分布较少，受到人类活动影响较大。

图2 旅顺口区生态建设空间Figure 2 Ecological construction space of Lüshunkou District

基于生态建设空间必要性指数，将指数值的相邻斑块进行聚类识别，避免出现生态建设空间破碎化问题。通过统计分析识别可知，研究区生态建设空间的生态空间斑块为219 个，将各生态斑块面积累积，得到研究区生态建设空间面积186.38km2，占研究区总面积的45.98%。其中：面积小于1km2的斑块数为206 个，面积11.69km2，占生态空间总面积的6.23%；面积大于1km2的斑块数为13 个，面积174.69km2，占生态空间总面积的93.77%。面积较大的斑块主要分布在蛇山—老铁山国家级自然保护区和东鸡冠山等山区。结合旅顺口区的动植物种类与生态空间分布特征，参考相关生物廊道宽度的研究成果［36］，并经过多次试验对比，得出生态源地斑块的生态空间建设必要性阈值为0.99，识别确定生态建设空间斑块13 个。

2.2 生态廊道的识别与构建

基于最小累积阻力模型构建生态阻力面，分别以各生态建设空间内为源与目标识别潜在陆生生态廊道，共86 条（图3A）。初步生成的潜在陆域生态廊道中，重复、冗余廊道较多，且交叉严重。如斑块2 与斑块6 间、斑块8 与12 间的廊道交叉严重，亟需构建新的廊道。但通过最小累积阻力模型构建的生态廊道空间分布不均匀，且缺少了水生生态廊道，为此需构建水生生态廊道，对比提取适宜的廊道。本文基于ArcGIS的地表径流漫流算法，对比0.90km2、2.25km2、4. 50km2的汇水面积，得出汇水面积为2.25km2，即汇水淹没栅格数为2500 个时，水生生态廊道能较好地连通各生态建设空间（图3B）。最后对陆生和水生生态廊道进行调整和完善，选取不构成重叠且更好连通的生态廊道共26 条（图3C）。该结果对旅顺口区的生态网络构建与优化起到支撑和帮助作用，在后续的生态规划中应严格保护。综上所述，旅顺口区生态网络分布较广，但南北连贯不足。如斑块11 与斑块3 之间只有台山今冈公园、思奇园与博弈公园，通过构建陆域生态廊道可以将有间隔的生态节点连贯起来，一定程度上提高了生态廊道的连通性。因此，加强对生态节点的保护是未来研究与应用的重点。

图3 旅顺口区生态廊道构建Figure 3 Construction of ecological corridor in Lüshunkou District

2.3 生态网络分级及区域特征

本文基于重力模型计算了13 个生态建设空间的相互作用强度（表4），并依据关系强弱来推断生态廊道的重要性。计算得出，斑块1 和6 间相互作用最强，斑块2 和斑块5、斑块6 和斑块7、斑块6 和斑块10 间强度次之。作用强度大的生态建设空间距离较近、斑块面积适中、生境质量和生态阻力小。最终本文选取相互作用强度> 0.7 的17 条陆域生态廊道为重要陆域生态廊道。由于受到人为因素的影响较小，因此将孤立的生态建设空间连接成闭合的生态结构，从而维持生态结构的有效性，提高物种、物质和能量的流通效率。由表4 可知，关联最强的斑块1 和斑块6 间，物种迁移时遇到的阻力小，对于区域生态保护较有利，因此，亟需加强生态源地间廊道的保护。对于作用强度较大的斑块10 与斑块1、斑块10 与斑块6 间，物质与能量在廊道迁移与扩散时需要克服的阻力较小，产生交流与交换的可能性较大，通过构建1 号、16 号生态廊道，可以增大物种与能量交流的可能性。而对于相互作用值较小的斑块，如斑块11 与斑块3 间距离较远、连通性差，故构建生态廊道时所需成本也会高。为此，加强对生态节点和生态源地的保护，提高连通性，维护生态功能的稳定性至关重要。

表4 旅顺口区生态空间斑块间的相互作用矩阵Table 4 Interaction matrix between ecological spatial patches in Lüshunkou District

利用ArcGIS 的Conefor2.6 插件计算13 个生态源地和26 条生态廊道的生态重要性评价，将生态重要性评价指数与相互作用强度按照自然断点法分为3 级，得到旅顺口区生态网络分布图（图4）。其中：Ⅰ级生态源地和生态廊道为生态网络的核心区，主要为生态建设空间面积大且集中的斑块，生态重要性高，对于维护生态资源多源性、景观连通性和完整性具有重要作用，是不可逾越的生态底线；Ⅱ级生态源地和生态廊道为生态网络的次核心区，主要为分布细长、生境质量不高的斑块，具有维护生态网络有效性的作用，需限制开发建设；Ⅲ级生态源地和生态廊道受人类影响较大、面积小，与其他生态源地相隔较远，处于建设用地与生态空间的过渡带，保障生态网络处于最优状态。

图4 旅顺口区生态网络重要性及分布Figure 4 Importance and distribution of ecological network in Lüshunkou District

3 结论与讨论

3.1 结论

本文基于GIA方法，结合水土保持功能、土地利用类型、降水侵蚀因子、土壤侵蚀因子、地形因子、植被覆盖指数和人类活动产物等评价指标进行了生态脆弱性指数、生态重要性指数和生态受损待修复指数评价，以识别生态建设空间，分析旅顺口区生态建设空间数量、质量及特征。采用最小累积阻力模型构建潜在陆域生态廊道，依据水文分析构建水域生态廊道，分析生态廊道的数量及特征；根据重力模型计算生态建设空间之间的相互作用强度，分析生态廊道的重要性，提取重要生态廊道的合理阈值；引入Conefor2.6 插件，利用连通性评价指数，定量分析提取的生态建设空间和生态廊道的重要性，提出区域生态环境与社会可持续发展的最优生态网络。主要结论如下：①构建的生态建设空间斑块共有219 个，其中，面积大于1km2的生态建设空间斑块有13 个，面积174.69km2，占生态空间总面积的93.77%；13处生态源地为生态建设空间必要性高、受人类干扰小，多为极重要和较重要的生态源地分布区，主要分布于研究区南部山区和西北部山地等，东北部和南部沿海依托耕地和丰富的水资源形成小面积的生态建设空间。②初步生成的潜在陆域生态廊道中，重复、冗余廊道较多且交叉严重；生态网络分布较广，但南北连贯不足，因距离较远而导致生态建设空间之间的交流较弱；通过最小累积阻力模型构建的生态廊道空间分布不均匀，且缺少了水域生态廊道。③拟构建出86 条潜在陆生生态廊道，其中选取相互作用强度>0.7 的陆域生态廊道为重要陆域生态廊道，共17 条。当汇水面积为2.25km2，即汇水淹没栅格数为2500 个，水生生态廊道能较好地连通各生态建设空间。最后对陆生生态廊道和水域生态廊道进行调整和完善，选取更好连通生态建设空间且不构成重叠的生态廊道共26 条，主要集中在中部区域，能更好地将孤立的生态建设空间连接成闭合的生态结构，维持生态结构的有效性，提高物种、物质和能量的流通效率。④通过连通性评价13 个生态建设空间和26 条生态廊道的重要性，按照自然断点法将其各分为3 级，提出优先考虑对Ⅰ级生态源地和生态廊道进行保护和建设。Ⅰ级生态源地和生态廊道为生态网络的核心区，主要位于旅顺口区西南部，以林地、耕地和水域为主，有利于物种迁移。在未来的研究与应用中，要加强对生态节点的保护，将有间隔的生态节点连贯起来，从而减少生态廊道连通不足的问题。

3.2 讨论

GIA方法以“源地—廊道”为组合构建生态网络，较“斑块—廊道—基底”理论更快捷有效，强调对点、线、面状自然要素运用自然和人工手段连接为系统的生态网络，可减少公共资源的消耗。本文基于GIA方法构建了识别生态源地的指标体系，采用最小阻力模型与重力模型相结合的方式识别生态廊道，最终基于连通指数对生态网络进行优化，可为不同区域的生态网络构建和优化提供指导和参考。对于生态源地的识别，本文增加了生态脆弱性和生态受损待修复的现实情况，为生态资源的恢复提供可行，让生态源地的识别变得更全面，对传统的定性指标进行拓展。面对生态廊道的识别，较多学者构建的生态廊道为陆域生态廊道，而本文运用地表径流漫流算法，通过对比对不同汇水面积生成的不同水系，确定汇水面积阈值，构建水生生态廊道，使水域生物的繁殖和迁移变为可能。