宁绍平原绿地生态网络时空格局与优化研究

金爱博，张诗阳，王向荣

(北京林业大学园林学院，北京 100083)

在快速城镇化的影响下，城乡土地利用方式的剧烈变化导致生境斑块的破碎化和岛屿化，从而严重削弱了区域生态系统的服务能力，阻断了生物迁徙廊道，不利于城乡环境的可持续发展[1]。绿地生态网络是指以自然植被为主并按照特定规律而连接的生态空间，主要由林地、草地和水体等构成[2]。构建绿地生态网络被认为是解决高城镇化地区生境斑块破碎化问题的有效办法，通过将点状、面状的破碎生境进行有效的连接，形成完整、连续的景观和生物栖息地网络，以提高生物多样性和生态系统服务效率[3]。同时，绿地生态网络还能够在一定程度上控制城市蔓延，对城乡及其环境的保护与发展具有重要意义[3-4]。

绿色生态网络的相关研究与应用已经在国际、国家、区域、城市及场地5种层次上展开[5]，其中，国内研究的主要对象包括城市[6]、城市群和都市圈[7]、自然流域[8]等范畴。依据“源-汇”理论，绿地生态网络分析通常包含生态源地筛选、生态阻力面模拟、生态廊道识别与评估等内容。在研究方法上，生态源地筛选多采用生态用地扩展[9]、生态系统服务价值评估[2]和景观斑块连通性分析[10]等方法；生态阻力面模拟有最小累积阻力模型[6,8]、生境质量评价[11]等常见途径；而在生态廊道识别与评估方面，则主要采用重力模型[7]、电流理论[12]、图论模型[13]和水文辐射道提取[14]等方法。在绿地生态网络优化方面，现有研究多结合现状条件、规划方案等内容，通过保护与补充生态源地、规划生态踏脚石、修复断裂点等方式增加网络覆盖度[6]。总体而言，当前绿地生态网络研究多以各级行政区为对象，较少关注以自然要素为边界的具有独特地理格局特征的地理单元。同时，优化方法大多依赖研究者经验，在源地、廊道等生态空间选择上较为主观，存在一定的片面性。近年来，有学者通过对研究区域不同时期的生态空间进行横向比较，结合退化生态源地的可逆性原理提出优化建议[15]，这一思路具有较强的可实施性，应结合各类区域加以深入探讨。

因此，该研究以具有典型“山地-平原-海洋”格局特征且有着较高城镇化水平的宁绍平原为对象，通过对比1990、2000、2010和2020年4个时期区域的生态源地、生态阻力面和生态廊道变化，剖析各时期绿地生态网络时空格局特征。最终，依据生态源地可逆性特点和现状用地条件，通过恢复和增加重要生态源地、优化绿地生态网络、规划生态踏脚石以及修复生态障碍点4类递进手段，为宁绍平原绿地生态网络的优化提供参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

宁绍平原是浙江省东北部一片较为独立的滨海平原，其北面为杭州湾，西临钱塘江，南侧、东侧被浙闽丘陵包围，呈现南高北低的台阶式格局，高密度的河网水系则是平原最为典型的景观特征[16]。宁绍平原人居历史悠久，南宋后随着人口重心的南移成为重要的“鱼米之乡”，同时也是目前中国经济最发达、人口最密集以及城镇开发程度较快的地区之一[17]。研究范围以区县行政边界进行划分，包括宁波、绍兴以及杭州市域的部分区域，涵盖南部具有重要生态价值的山地丘陵和北部海岸线，总面积约为11 392 km2(图1)。

图1 研究区范围

1.2 数据来源及预处理

研究数据主要来源包括:(1)GLC_FCS30产品(https:∥data.casearth.cn)提供的1990、2000、2010和2020年4个时期30 m分辨率土地利用覆被数据；(2)中国科学院地理空间数据云(https:∥www.gscloud.cn/)提供的GDTM 30 m分辨率DEM高程数据；(3)根据Bigemap矢量路网数据下载的行政边界、公路、铁路、水系等数据。基于ArcGIS 10.2平台，采用WGS_1984_UTM_Zone_51N坐标系投影，分别对1990、2000、2010和2020年编号为E120N30和E120N35的土地利用覆被数据进行镶嵌和提取，并将其划分为耕地、林地、灌丛、草地、湿地、水体、人造地表和裸地8类地表类型。

2 研究方法

2.1 绿地生态网络分析

2.1.1重要生态源地筛选

形态学空间模式分析法(MSPA)可以根据土地利用数据，将土地数据中林地、灌丛、草地、湿地和水体作为前景，将耕地、人造地表和裸地作为背景，选择八邻域法分析景观格局，其中，核心区即为生态源地[18]。为了进一步增加生态源地的合理性，通过分析基于物种扩散概率得出的景观连通性，从空间角度设置阈值，筛选出重要的生态源地。其中，常用的可能连通性〔PC，CP，式(1)〕和斑块重要性〔dPC，CdP，式(2)〕计算公式[19]为

(1)

(2)

2.1.2生境质量评价与生态阻力面构建

InVEST生境质量模型是基于土地利用类型和生物多样性威胁的综合评估的可靠方法，适用于提升快速城市化区域生态阻力分析的准确性[20]，Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化程度，可将其转化为生境质量(Qxj)，其计算公式[21]为

(3)

(4)

式(3)～(4)中，R为威胁因子个数；y为威胁因子r的所有栅格单元；Yr为威胁因子的栅格数；Wr为威胁因子r的权重；ry为栅格y威胁因子值；βx为威胁因子对栅格x的可达性；Sjr为土地利用类型j对威胁因子r的敏感程度；Hj为土地利用类型j的生境适宜度；z=2.5，k取值为0.5[20]。威胁影响(irxy)随距离变化的表达式为

(5)

(6)

式(5)～(6)中，dxy为栅格x与栅格y间的距离；drmax为威胁因子r的最大威胁距离。参考InVEST使用手册[20]关于生境适宜性、生境威胁因子相关设定要求，结合已有研究参数设定经验和宁绍平原生物多样性特征[22-26]，将各类用地中物种生存能力较高的林地、灌丛、草地、湿地的生境适宜度定为1，将部分生物难以跨越的水体生境适宜度定为0.7，将缺乏植被覆盖但受人类活动影响较小的裸地生境适宜度定为0.6，将生物多样性较低的耕地生境适宜度设定为0.3，将受人类活动影响较深的人造地表的生境适宜度设定为0。同时，选择易威胁周边土地生境的人造地表、裸地和耕地作为威胁因子。对比3项威胁因子，宁绍平原大规模且快速蔓延的人造地表导致生境退化范围最广，且对附近生境的破坏较为严重，其次是裸地、耕地。因此，结合类似区域研究经验[25]，分别设定其最大威胁距离、权重和类型(表1)，并通过对比不同土地利用类型的特征，设定各生境类型对生态威胁因子的敏感度(表2)。

表1 威胁因子及其威胁强度

表2 土地利用类型对生境威胁因子敏感度

最小累积阻力模型(MCR)法是用于计算空间中生物移动阻力的广泛方法，多用于提取、构建区域生态廊道[27]。基于MCR模型，利用层次分析法确定生境质量、土地利用类型、高程和坡度4个因子的权重值[28]，将其加权叠加得到宁绍平原生态综合阻力面(表3)，其计算公式[29]为

表3 阻力面权重及因子阻力值

(7)

式(7)中，f为阻力函数，表示空间中某一点的最小阻力与其到所有源地的距离和景观基面特征的正相关关系；Dij为第j个斑块到第i个斑块的距离；Ri为第i个斑块自身扩展的阻力系数；min是取j至i阻力值中最小值。

2.1.3绿地生态网络识别与评价

基于电路理论，借助Linkage Mapper可以直观展示廊道宽度、重要程度和断裂点等信息，为生态廊道规划提供一定的宽度与范围参考[30]。通过Ciruitscape软件多对一模式(all-to-one)识别重要生态斑块[31]，设置10 km为加权成本距离[12]，计算代表生态廊道效率的电流密度。

网络闭合指数(α指数)、网络连接度指数(β指数)和网络连通率指数(γ指数)可反映生态网络中源地与廊道的连接关系、复杂程度及相关效益。指数与廊道连通性呈正相关，计算公式[32]为

(8)

(9)

(10)

式(8)～(10)中，L为生态廊道数；V为生态节点数。

2.2 绿地生态网络优化路径

由于生境斑块并非不可逆地消逝[13]，因此，纵向比较4个时期重要生态源地的位置和数量，筛选同一阈值下曾存在过的重要生态源地，综合考虑其重要性和现状，作为可恢复的重要生态源地。相关研究表明，0.1 km2以上的绿地具有生态功能多元和景观风貌提升的双重特性[33]；同时，分析当前绿地生态网络未能覆盖的区域，参考已有研究方法[34]，发现在研究区域内0.1 km2尺度以下的斑块数量随面积阈值的减小而快速增加。因此，选择现状自然条件较好且大于0.1 km2的生境斑块作为补充的重要生态源地，以提升绿地生态网络覆盖度。然后，基于电路理论分析与验证优化后绿地生态网络，提出优化后各级廊道的布局，并以其为基础结合区域现状条件规划具有重要桥接作用的生态踏脚石节点，并筛选出需要开展生态修复的主要障碍点。

3 宁绍平原绿地生态网络分析结果

30年间宁绍平原土地利用类型最大的变化来源于人造地表的扩张，共计增长2 526.41 km2，增幅达到537.11%。人造地表的快速蔓延表现为以平原上各级城市为中心，呈现织网成面的总体态势，导致平原区、滨海区以及南部低山区域耕地和自然植被的大量减少和破碎化(图2)。

图2 4个时期宁绍平原各类用地变化

3.1 重要生态源地

比较分析4个时期宁绍平原景观格局和重要的生态源地变化(图3～4，表4)。区域内生态核心区和重要生态源地面积30年间分别减少753.88和863.34 km2，数量分别增加5 281和12个，说明快速的城镇化发展使区域重要的生态空间严重萎缩，并趋于破碎化。其中，1990—2000年是区域生态核心区面积和完整性下降最为剧烈的10年，而后的20年虽然面积上有所回升，但破碎化并未得到有效缓解。重要生态源地的变化更加直观地反映了上述问题，近20年重要生态源地在规模和连通性上一直呈下降趋势，这说明部分重要生态源地由于难以与其他生态空间连接而走向孤岛化，丧失了其作为生态源地的功能，而另一部分大型生态源地则被切割成更小的斑块，降低了区域对生物栖息地规模与多样性的承载能力。同时，研究结果也在一定程度上反映了近年来的生态修复工作大多以局部新增的方式开展，这种非体系化的局部修复方式并未从根本上缓解城镇化造成的原有重要生态源地萎缩，难以支撑更为健康的区域生态功能。

表4 4个时期宁绍平原生态核心区景观格局变化

图3 4个时期宁绍平原景观格局变化

在空间分布方面，1990年重要生态源地主要分布于杭州湾沿岸和南侧低山丘陵北麓的平原边缘地带，平原上的主要孤丘、水体等内部生态核心区未能发挥生态源地的作用。在平原西部，2000和2010年句余山和余姚江升级成为区域重要生态源地，但在2020年由于连通性下降又丧失了这一功能。而在平原东部，2020年曹娥江沿岸连续生态源地的形成带动了绍兴东侧孤丘群生态源地作用的发挥。这说明主干河流的生态连通作用对于平原上主要生态核心区源地作用的发挥极其关键，同时，由于河流沿岸通常是城镇化最为剧烈的地区，导致其生态条件和连续状态的不稳定性。

图4 4个时期宁绍平原重要生态源地变化

3.2 生境质量与生态阻力面

近30年来，区域生境质量总体严重下降(图5)。尤其是近20年以各城市为中心的城镇化扩张，导致平原内大量以塘浦圩田为典型特征的中等级质量生境转变为较差和差等级质量。平原上生境质量较差的区域自西而东以萧山—绍兴、慈溪—余姚和宁波3个区域分布规模最大。钱塘江沿岸生境质量曾在2000和2010年短暂上升为较高等级，至2020年又回落到中等级质量生境，说明钱塘江沿岸地区仍然处在快速的动态变化之中。区域高质量生境主要分布于南部山地丘陵和平原中的各个孤丘地区。进一步结合宁绍平原生态阻力面变化(图6)开展分析，1990年宁绍平原生态阻力依托“山地—山前平原—滨海平原—海岸”格局呈现自高而低的4个清晰梯度。经历30年的发展，以中心城区为核心的高阻力辐射圈层结构打破了原有的梯度阻力格局，导致平原地区生物流动能力较大程度地降低。

图5 4个时期宁绍平原生境质量变化

图6 4个时期宁绍平原生态阻力变化

3.3 绿地生态网络分析

基于电路理论开展4个时期宁绍平原生态廊道分析(图7，表5～6)。(1)1990年宁绍平原生态廊道较少且分布不均，平原西部重要生态廊道分布较为集中，南北向连接着朝平原延伸的南部丘陵带和北部沿海区域。1990年平原的另外2条重要生态廊道则分别是连接甬江和南部山体的姚江东段廊道和萧山地区连接“钱塘江—浦阳江”交汇口和赵家岭山的廊道。(2)2000年区域生态廊道分布均衡性得到提升。得益于平原东部句余山转变为重要的生态源地，依托其形成连接南北的多条生态廊道，弥补了姚江河谷和慈溪地区廊道空白。在中部上虞和余姚东部地区，依托水系形成连接滨海生境和南部兰芎山、牛头山的生态廊道。在平原西部，由于沿杭州湾生态源地的减弱和绍兴市城镇建设的扩张，绍兴地区重要生态廊道向两侧转移形成了依托杭甬运河和曹娥江的“人字形”生态廊道。此外，这一时期宁波奉化地区、北仑区的生态廊道也得到发展。(3)2010年平原生态廊道总体格局与2000年基本一致，廊道规模虽有所下降，但α、β、γ指数得到提升，达到4个时期较好的绿地生态网络结构。句余山以南姚江河谷的生态廊道规模得到进一步扩大，但往北与沿海区域间的生态连接大幅减弱，说明这一时期慈溪地区快速城镇化破坏了原有的廊道结构。(4)2020年生态廊道多聚集在靠近低山丘陵的南部山前平原。曹娥江与南部山区间在绍兴中心城区东侧新增一条强度较大的廊道，宁波南部、奉化地区、萧山南部各生态源地之间的廊道也得到进一步发展。与之相反，平原北部总体廊道情况在2020年下降严重，除曹娥江和上虞地区连接山海区域的两条廊道外，其余原有廊道全部丧失，说明近10年来城镇化造成滨海平原区域生态格局的恶化。

表5 4个时期宁绍平原重要生态廊道变化

图7 4个时期宁绍平原生态廊道变化

总体来看，快速城镇化给宁绍平原的生态廊道格局带来了较大的不稳定性。自1990年开始，经过20年的发展，平原生态廊道布局逐渐均衡、优化。近10年来，依托绍兴、宁波中心城区以及萧山地区的生态修复工作初见成效，实现了平原南部山前平原生态廊道的优化，但北侧滨海平原的生态格局并未得到足够重视。此外，结合各时期生态廊道分布可以发现，对于以河网水系为特色的宁绍平原而言，平原中各主干水系对于廊道的形成以及诸如句余山等重要生态源地的恢复具有极其重要的作用，同时，塘浦圩田这种独特的地域景观形式对于廊道规模的保持也具有重要价值。

表6 4个时期宁绍平原绿地生态网络结构相关指数变化

4 宁绍平原绿地生态网络优化策略

通过对比分析1990、2000、2010和2020年4个时期区域生态网络，在区域大规模城镇化建设背景下，通过恢复和增加重要生态源地、规划生态踏脚石及待修复的生态障碍点，从而促进更为均衡、结构更为稳定的绿地生态网络结构变得尤为重要，以提升区域整体生态功能的稳定与韧性，支撑城乡及其环境的可持续发展。

4.1 恢复和增加重要生态源地

通过对比4个时期宁绍平原重要生态源地与生态阻力，根据生态源地退化的可逆性特点，结合实地情况，选择句余山、余姚江(宁波段)、奉化周边虎头山-雨施山丘陵斑块、杭州湾东段沿岸作为建议恢复和提升的4个重要生态源地。此外，从改善绿地生态网络整体结构角度出发，通过筛选景观格局分析中核心区斑块的面积与空间分布规律，综合考虑当前区域用地现状和区域景观特征，筛选生境条件较好的湿地、湖泊以及地势较高的林地斑块作为建议补充生态源地，包括湘湖风景区、央茶湖、驼峰山和洋泾畈等共计21处(图8)。

图8 宁绍平原生态源地优化结果

4.2 绿地生态网络优化与验证

以优化后的重要生态源地格局为基础，分析得到以人工和自然水系为主要结构的生态廊道132条(图9)。在空间分布上，重要生态廊道主要穿越平原区域，而次要生态廊道则普遍分布于宁绍平原南侧山地丘陵间。优化后的主要廊道依托朝阳河、北排江和韩家江等主干水系，长度共计769.12 km；次要廊道依托王家尖—靠溪岭—杨梅桥水库、龙会山—后头山—塔山、大东山—复船山等丘陵林地以及沿海岸线区域共计216.68 km。优化后生态网络的α、β和γ指数分别为0.87、2.64和0.92，廊道电流密度平均值为0.001 28，相较于2020年显著提升。更加均衡、多样的绿地生态网络使得生态流回路增加，提高了区域生态安全的稳定性。

图9 宁绍平原生态网络优化结果

4.3 生态踏脚石规划

桥接区对生物迁移和景观连通具有重要意义，而生态廊道的交点则是影响绿地生态网络连通性的关键区域[35]。因此，筛除已建成城镇及农田，选择绿地生态网络中生态廊道的交汇点和跨越生态廊道的桥接区作为生态踏脚石规划结果。结合用地现状，优先选择水网放大区及湿地、城市大型公园绿地等具备一定生态基础的区域，筛选出如东泊、镜湖湿地公园、大南江和马鞍山等90处生态踏脚石(图10)。

图10 宁绍平原生态踏脚石规划

4.4 生态障碍点修复

大型人工廊道会导致生物被困在孤立的栖息地内，阻碍生物的迁徙与移动，使其很难与外界环境进行物质交换，在跨越各类大型道路途中的死亡风险很高[35]。基于Linkage Mapper的Barrier Mapper工具设置50 m的探测半径对源地间生态廊道进行障碍点分析，再筛选现状高速公路、铁路、城市主要道路与优化后网络的交点，将其作为有待修复的生态障碍点，共计252处(图11)。对于生态障碍点，建议在建设中结合场地及周边实际环境，因地制宜地采用涵洞、生态桥等生态通道类型或对重点道路区域采用高架、下穿等方式，以保障生物流动过程和物质交换过程的连续性。

图11 宁绍平原待修复生态障碍点

5 讨论

(1)南北向的台阶式地理格局和密集的自然、人工水网是宁绍平原生态格局的基础。该研究揭示了近30年来，以各级城市为中心的快速城镇化发展导致区域南部山麓丘陵、中部山前平原和北部滨海平原的生态空间都呈现大规模减少和破碎化状况，并且，近年来城镇化进程仍然在动态地影响着区域生态格局。因此，依托地理格局特征和现状河湖水系、林地，通过恢复与规划生态源地、廊道和节点的方式形成绿地生态网络，以调节大规模城镇化建设与生态环境保护的关系，对于维持健康、稳定的区域生态格局具有较强的可实施性和重要意义。在国土空间规划的背景下，基于现状条件构建的绿地生态网络体系能够为区域生态红线的划定提供精细化参考，并控制、引导未来城乡建设范围。同时，由于自身景观类型的多样性，因而绿地生态网络也可以为区域山水林田湖草沙的系统性修复提供基础框架，实现生物多样性和生态系统服务多功能性的提升。

(2)宁绍平原作为一个相对独特的地理单元，包含了绍兴、宁波以及杭州市域的部分区域。因此，应以区域生态系统的整体健康为目标，建立跨市、跨区县的生态保护与修复工作机制，开展体系化的治理工作。首先，应以保护优先、自然恢复理念为引领，重点保证区域各类生态源地的规模和质量。一方面，着重恢复、扩大钱塘江与杭州湾沿岸、南部低山丘陵等边缘地带以及各主干自然河流周边的生态源地规模；另一方面，将该研究提出的25个平原内部生态源地纳入核心生态空间保护范畴，严格控制人类活动对生态源地的干扰，结合实际情况针对生态源地周边对其有不良影响的现状用地属性进行调整，并依托各类源地的区位、规模和环境特征，针对性地开展不同生境的修复工作。其次，整体性的修复、连通平原中以自然河流、人工运河和线性林地为结构的各级生态廊道，保障南北向山海间廊道与东西向城市间廊道的多样性和完整性，并依据廊道重要性划定缓冲区范围，控制廊道周边的土地建设强度和建设类型，优先保障连续的生态空间。最后，控制各生态踏脚石节点周边建设强度，降低人类活动对其生境质量的干扰，并在未来进一步建设和存量更新中均衡保留一定规模的自然场所，作为预留生态节点。同时，将生态障碍点的修复纳入区域交通等基础设施廊道的更新建设工作中，减少人工建设对动物迁徙和生态流动过程连续性的影响。

(3)研究尚存在一些不足。区域生态源地斑块规模、生态廊道加权成本距离等阈值的选择是生态网络构建的关键。该研究参考前人研究结果，并根据宁绍平原所处地区的地理、生态特征进行修正，但未考虑各项阈值随着时空演进而发生的变化。而在不同类型用地中实际的生物多样性、生物量和生境质量等因素受人类影响的程度也会存在一定差异，其阈值的选择是否具有相应的特殊性，在未来仍需依托相关研究作进一步探讨。在区域绿地生态网络的优化过程中，该研究采用生境恢复的可逆性与人工实地筛选相结合方法，仍然具有一定的误差和主观性，同时筛选效率较低。因此，在未来研究中如何在保证可实施性的前提下，借助人工智能等方式实现网络规划的精准性和高效性，是未来绿地生态网络优化研究的重要方向。此外，区域生态空间不仅具有重要的生态价值，同时也是地域文化景观的重要组成部分，具有重要的历史与文化价值。因此，在未来的绿地生态网络规划中，也应综合考虑区域的遗产廊道、文化区和遗产点等内容，以构建更具自然价值与文化特征的国土空间。

6 结论

基于MSPA方法、MCR模型以及电路理论等技术手段，对比分析了1990、2000、2010和2020年4个时期宁绍平原生态源地、生态阻力面和生态廊道的变化，探析各时期绿地生态网络时空格局，并依据生态源地可逆性特点和区域现状用地条件提出绿地生态网络的优化建议。研究结果表明，30年来城镇化建设使得宁绍平原重要生态源地规模下降20%，生态空间呈现显著的破碎化特征。以各城市为中心的高阻力辐射圈层结构打破了原有的梯度阻力格局，较大地降低了平原整体的生物流动能力。因此，平原绿地生态网络结构呈现出较强的波动性和脆弱性，当前，平原西部、东部大面积区域生态廊道缺失。基于此，提出恢复句余山、余姚江(宁波段)、奉化周边“虎头山-雨施山”丘陵斑块和杭州湾东段沿岸4处重要生态源地，新增河湖水系型、丘陵林地型和沿海岸线型等21处重要生态源地；规划生态廊道132条，总长985.8 km，并筛选得到重要生态踏脚石90处和待修复生态障碍点252处。优化后生态网络的α、β和γ指数分别为0.87、2.64和0.92，廊道电流密度平均值为0.001 28，相较于2020年显著提升。以具有独特地理格局特征和地域景观特色的完整地理单元为对象，开展绿地生态网络分析与优化研究，对区域生物多样性和区域生态环境的保护以及实现城乡与其环境间的协同可持续发展具有重要意义。