县域生态网络构建与优化研究——以河北省曲周县为例

武子豪 张金懿 帕茹克·吾斯曼江 郝晋珉*

(1.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193；2. 自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193)

在我国城镇化发展过程中，土地利用类型不断分化和产生，土地利用方式人工性逐渐增强，人地矛盾频生。在党的十九大报告中提出“构建生态廊道和生物多样性保护网络”；十九届五中全会进一步提出“实施生物多样性保护重大工程”。保护生物多样性、实现社会经济可持续发展的重要举措之一就是生态网络的构建。

生态网络是区域中生态系统相互联系的一类客观存在的生态空间实体，其通过建立离散、孤立的区域在结构功能上的相互联系，维持生物多样性和景观完整性，使生态系统要素更加协调与稳定。景观生态学家俞孔坚将Knaapen等提出的最小成本距离模型进行改良引进国内，开发成为十分普遍的生态网络提取方法，提取过程由源地寻找、阻力面构建、廊道提取三大部分组成。生态源地或直接选取大型湿地、林地与河流、科研保护区、自然保护区等自然条件较好、生态重要性较高的区域，或通过形态学空间格局分析、生态系统服务能力测算等量化分析选取。阻力面差异在于阻力因素的不同，构建因素大致可以分为三类：第一类是自然因素，主要包括高程、坡度等；第二类为社会经济因素，表现为区域与铁路距离、与其他道路距离、与煤矿区距离等；第三类为综合因素，即经过自然与社会经济过程形成的土地利用/覆盖类型、景观类型，目前阻力面构建还可通过夜间灯光数据进行修正，或采用多种阻力赋值方案进行对比研究，使阻力面更加综合客观。自1995年Forman等将斑块-廊道-基质理论引入空间格局与生态系统分析，生态廊道概念由此被拓展应用至生态网络领域。该理论一般通过最小累计阻力模型提取潜在生态廊道，利用重力模型、连通性重要指数等确定重要生态廊道，也有研究根据廊道所占生态红线区域面积的比重来确定重要生态廊道。目前，基于电路理论的生态廊道分析也较为热门，这类方法与最小累计阻力模型的区别在于将阻力成本转换为电阻来进行分析，低电阻通道就是生态廊道。在网络评价方面更多地开始进行量化分析，如景观指数、关联长度指数、网络结构指数等。已有生态网络研究较多关注生态系统服务的供给，而公众对于服务的需求缺乏有效测算，同时生态格局的效费成本较高导致生态格局构建可行性差。

有关生态网络构建的研究中县域网络研究较少，在生态网络构建过程中，大范围研究区域的生态网络廊道跨度极大，更多地起上级管控作用，但越来越多的生态保护工程涉及生态廊道建设等生态网络相关内容，比如构建河流廊道等，在县域识别生态网络能够更好地指导网络建设。因此，本研究拟基于土地利用数据分析构建曲周县生态网络，以较小范围的县域为研究对象，探索增加生态网络构建现实可行性的措施，并结合曲周县土地利用总体规划等提出生态结构规划布局，以期为华北平原生态网络的建设与优化提供依据。

1 研究设计

1.1 研究区概况

曲周县位于河北省南部(图1)，隶属于邯郸市，行政区划包括6镇4乡，地理坐标系为114°50′22.3″E～115°13′27.4″E，36°35′43″N～36°57′N。全县总面积667.0 km，属华北暖温带，年平均气温13.0 ℃，年均降雨量 534.9 mm，地势南高北低，属于华北平原，境内的河流有支漳河、滏阳河、老沙河三条河流。曲周县历史上是旱涝盐碱多重危害区域，严重的土壤盐碱化导致土地无法进行耕种，农民生活苦不堪言。该县1973年后采取中国农业大学师生开创和研发的一系列盐碱地治理措施，土地盐碱化问题得到根本改善。然而，作为生态较为脆弱的区域，曲周县更需要注重区域之间的连通性来维持生态系统的稳定。

图1 2020年曲周县土地利用图Fig.1 Land use map of Quzhou County in 2020

1.2 数据来源

本研究所用到的基础数据主要包括曲周县2020年土地利用数据、DEM数据、曲周县城乡总体规划文本数据。

曲周县2020年土地利用数据来源于第三次全国国土调查；DEM数据从地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)中获取，数据分辨率为30 m×30 m，从ASTER GDEM数据库中下载。曲周县城乡总体规划文本数据来自于曲周县人民政府，获取到的主要规划文本为《曲周县城乡总体规划(2013—2030)》、《曲周县城乡总体规划(2013—2030)说明书》、《曲周县土地利用总体规划(2010—2020年)修改方案》。

1.3 研究方法

1

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3

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1

基于MSPA确定核心区斑块

形态学空间格局分析方法是由Vogt等和Soille等以膨胀、腐蚀、开闭运算等原理为基础提出的一种栅格图像处理分类方法，简称为MSPA。在MSPA方法中，前景要素是对景观连通性具有较大贡献的自然要素，背景要素为前景要素以外的其他要素，经过图像处理可将区域分为七类景观(表1)。MSPA方法区别于仅从斑块面积来选取生态源地或是提取单个斑块和廊道来进行连接性分析的传统识别方法，其将各个斑块看作整体来评定景观连通性，有效解决了传统方法主观性干扰较大问题。本研究选择园地、林地、草地、水域为前景，选择耕地、建设用地和未利用地为背景，基于Guidos软件执行MSPA。

表1 基于MSPA的景观类型及生态学含义
Table 1 Landscape type and ecological implication based on MSPA

景观类型Landscape type生态学含义Ecological implication核心区 Core通常为前景像元中较大的生境斑块,可为物种提供栖息地,对生物多样性的保护具有重要意义孤岛 Islet不包含任何核心区的小面积区域,通常为彼此不相连的孤立、破碎的小斑块,连接度较低环道 Loop同一核心区内部连通的廊道,用于核心区内部物种迁移桥接 Bridge不同核心区连通的廊道,对于物种在生境斑块间的迁移具有重要意义孔隙 Perforation核心区的内部边缘,核心区和内部非生境景观之间的过渡区域边缘区 Edge核心区的外部边缘,核心区和外部斑块的过渡区域,具有边缘效应支线 Branch从边界(边缘区或孔隙)或连接部分(桥接或环道)发出,且只有一端与边界或连接部分相连

1

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3

.

2

基于景观连通性提取生态源地

选择可能连通性指数(PC)评定景观连通性，同时由此计算出去除某块斑块前后景观连通性的变化量即可能连通性指数变化量(dPC)，衡量该斑块对景观连通性的贡献，用于提取生态源地，计算公式如下：

(1)

(2)

式中:

n

为斑块总数，块；

a

和

a

分别为斑块

i

、

j

的面积，m；

A

为总面积，为物种在斑块

i

、

j

之间移动的最大概率；PC′为去除该斑块后的可能连通性指数值。

设置合适的距离阈值对于连通性评价至关重要，通常参考相关研究背景以及结合生态过程来确定。参考熊春妮等有关景观连通性评价的分析，结合本研究区状况，使用Conefor2.6软件时，斑块连通距离定为2.0 km，连通概率定为0.5，从面积前15的核心区斑块中得到数值大于4的9块斑块作为生态源地。

1

.

3

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3

基于MCR模型提取生态廊道

根据曲周县实际情况，选择的阻力因素有土地利用类型因素、坡度因素和高程因素，参考相关文献对多种阻力因子展开分级与赋值(表2)。在土地利用类型阻力赋值上，陆地生物在林地和草地中迁移的阻力较小，分别赋值为1和20，而同种情况下建设用地和未利用地受到较大的人为干扰，对于物种迁移所造成的影响往往尤为明显，将其分别赋值为500和400；另外高程与坡度的影响程度相近，海拔、坡度越高，区域对应的阻力值越大，利用自然间断点分级法对其分级赋值；最终根据层次分析法确定各阻力因子的权重。同时设置了建设阻力面，以曲周县县城中心和各个镇的住宅聚集区作为辐射源点进行距离辐射，由于县城中心的开发程度一定是高于各个镇的开发程度，因此建设开发困难度也会较高，于是分两类赋值(表3)。

表2 曲周县生态网络构建的阻力因子及其权重与阻力值
Table 2 Resistance factors and their weight and resistance value in
ecological network construction of Quzhou County

阻力因子Resistance factor权重系数Weight coefficient类型或分级Type/Classification阻力值Resistance value土地利用类型Land use type0.6耕地 Cropland200园地 Garden plot130林地 Forest 1草地 Grassland 20建设用地 Construction area500未利用地 Unused land400水域 Water area100坡度Slope0.2(0,2] 1(2,8] 50(8,15]150(15,25]400(25,68]500高程Altitude0.2(0,27] 1(27,30] 80(30,33]160(33,36]240(36,39]320(39,44]400(44,92]500

表3 曲周县生态网络构建的建设阻力
Table 3 Construction resistance of ecological network construction in Quzhou County

阻力因子Resistance factor分级Classification阻力值Resistance value建设成本Construction cost镇缓冲区Town buffer县中心缓冲区Buffer in county center(0,300]500(300,1 000]300(1 000,2 000]200(2 000,3 000]100(3 000,6 000] 1(0,1 000]500(1 000,2 000]400(2 000,3 000]300(3 000,5 000]200

Knaapen等于1992年提出的最小累积阻力模型多关注景观要素扩散的水平过程，是构建生态网络最常用的一种模型，具体公式如下：

(3)

式中：MCR为最小累计阻力值；f为一个反映阻力与空间距离和景观类型的单调递增正相关函数；

D

为从景观单元

j

扩散到目标景观单元

i

的距离；

R

为物种在景观类型

i

中扩散受到的阻力；

n

和

m

分别为源景观单元与景观类型的数量。

基于综合阻力面并应用最小累计阻力模型识别传统生态廊道，基于建设阻力面识别易建生态廊道，删除或合并重复的廊道后共得到12条生态廊道，最终得到曲周县潜在生态廊道分布。

1

.

3

.

4

基于重力模型进行廊道分级

运用重力模型得到生态源地之间的相互作用矩阵(表4)，矩阵数值越大则相互作用力就越大，廊道有效性和斑块重要性就越高，以此进行廊道分级。计算公式如下：

表4 基于重力模型构建的斑块间相互作用矩阵
Table 4 Interaction matrix based on gravity model

斑块号Patch number1234567891062.2227.162.530.991.130.260.230.35202.560.330.130.150.030.030.04302.390.860.950.170.150.23408.586.800.320.240.395032.630.120.090.14600.130.110.17704.551.69803.2090

注：灰色背景为>1的斑块间相互作用力。
Note： Gray background represents the interaction force between patches is more than 1.

(4)

式中：

G

为斑块

i

与斑块

j

间的相互作用力；

P

、

P

为斑块

i

、

j

区域范围内的平均阻力值；

S

、

S

为斑块

i

、

j

的面积，m；

L

为斑块

i

与斑块

j

所连接累积的阻力值；

L

为全部廊道中最大累计阻力值。网络结构指数可以定量分析生态网络的连接性和复杂性，通常采用

α

、

β

、

γ

等网络结构指数进行定量分析。

α

指数(又称环通度)是指网络中现有节点所能构成的环路状况，描述可能出现的环路程度，

β

指数(又称线点率)是指网络中单个节点所连接的平均廊道数量，

γ

指数(又称连接度)表征现有廊道数量的饱和度，反映网络连接度，各类指数计算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：

l

为廊道数，在生态网络中一般为生态廊道数量；

v

为节点数，一般表现为生态源地或踏脚石的数量；

I

为生态网络中最大可能连接的生态廊道数。

2 结果与分析

2.1 曲周县生态源地识别

2

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1

.

1

基于MSPA的景观分析

利用MSPA方法获得研究区景观格局(图2)可知：核心区主要为曲周县中部和东北部的大面积林地，其余部分多是分布在道路河流两旁的小面积绿地，破碎化程度严重。从核心区总量来看(表5)，核心区面积仅占前景景观总面积的14.75%，为8.19 hm，表明曲周县生态基础薄弱，有待提升。桥接区作为潜在生态廊道的重要组成部分，对于物种迁移具有重要意义，其总面积为5.38 hm，曲周县的桥接区面积处于较高水平，土地利用类型大都是公路河流周边的带状前景要素类型，说明曲周县带状绿地较多，对于物种的迁徙扩散有一定帮助，同时也造成了组团式绿地较少，从而核心区较少。

表5 曲周县不同景观类型面积
Table 5 Area of each landscape type in Quzhou County

景观类型Landscape type面积/hm2Area占前景景观比例/%Proportion of foregroundlandscape占总体景观比例/%Proportion oftotal area核心区 Core8.1914.751.21孤岛 Islet20.6437.183.05孔隙 Perforation0.090.160.01边缘区 Edge11.7821.221.74环道 Loop1.442.590.21桥接 Bridge5.389.700.80支线 Branch8.0014.411.18

图2 曲周县基于MSPA的景观类型图Fig.2 MSPA-based landscape type map in Quzhou County

曲周县边缘区面积为11.78 hm，孔隙面积为0.09 hm，边缘区面积处于七类景观面积的第二位并远大于孔隙面积，说明曲周县不同生境斑块间的干扰能够得到很好的缓冲，有利于异质种群的存在；但孔隙的缺少又在一定程度上影响斑块内部物种的生存，易受外部因素所造成的相关干扰。孤岛在七类景观中面积最大，为20.64 hm，能够起到踏脚石的作用，与核心区类似呈现破碎条带状分布。

2

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1

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2

生态源地连通性与区位

根据核心区dPC值排序提取得到曲周县生态源地分布图(图3)，可知：dPC值较大的4号、3号和6号斑块由林地和少部分水域构成，表明林地对生态连通性的贡献较大；从组团方面来看，生态源地围绕曲周镇形成闭环并且dPC值都处于前列，组团区域内斑块聚集性较强、重要性较高，有利于曲周县中部生态系统的稳定。dPC值较小的东北部小范围组团绿地同样需要重视和加强保护，从而使整体景观连通性得到有效提高。总体来看，生态源地在整个研究区中分布不均匀，中部分布集中且斑块重要性高，而北部生态源地稀少，南部甚至没有生态源地存在，需要加强南部东西方向的连通性以及整个区域南北方向的连通性。在加强连通性时，由于研究区域内分布有许多碎小的核心区斑块，所以踏脚石的构建是有必要并且较为简单的，尤其对于南部的碎小核心区来说，一部分可以扩建为生态源地，一部分可以成为踏脚石斑块。

由图3可见生态源地位于曲周镇、第四疃镇和河南疃镇，不考虑乡镇边界，生态源地服务还能辐射到槐桥乡和白寨镇，可知缺乏生态源地服务的乡镇有大河道乡、南里岳乡、安寨镇、侯村镇和依庄乡，将来可以在以上区域扩建大面积林地以此新增生态源地，从而使生态源地分布均匀，弥补短板后将大幅提高整体景观连通性。一般来说生态源地会远离城市中心，而曲周县生态源地分布却有所不同，大部分位于县中心及乡镇中心附近，与社会经济中心紧密联系，主要原因是曲周县的林地大多属于人工种植，用于经济营收，这就使林地、园地等不能远离社会经济中心太远，由此也决定了生态源地的分布。

1.2 研究方法 对照组予以盐酸拉贝洛尔(江苏迪赛诺制药有限公司，批准文号：国药准字H32026120)治疗，即取100 mg的盐酸拉贝洛尔加入500 ml浓度为5%的葡萄糖溶液中行静脉滴注，1次/d，以7 d为1个疗程。观察组则予以复方丹参注射液(正大青春宝药业有限公司，批准文号：国药准字Z33020177)联合盐酸拉贝洛尔治疗。其中盐酸拉贝洛尔治疗方式与对照组一致，另取16 ml的复方丹参注射液加入500 ml浓度为5%的葡萄糖溶液中行静脉滴注，1次/d，以7 d为1个疗程。

图3 生态源地分布图Fig.3 Spatial distribution of ecological sources

2.2 曲周县生态网络构建

2

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2

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1

曲周县阻力面构建

根据表2和表3阻力赋值结果，在ArcGIS中分别赋值重分类得到土地利用类型阻力面、高程阻力面以及地形坡度阻力面(图4(a)、(b)和(c))，将该3类阻力面加权叠加形成景观类型综合阻力面(图5)。综合阻力最高的区域位于县镇建设用地处，大部分区域阻力为中等水平，同时设置了建设阻力面(图4(d))，表征建设实施困难度。

图4 曲周县阻力面构建Fig.4 Construction of resistance surface in Quzhou County

图5 曲周县综合阻力面Fig.5 Composite resistance surface in Quzhou County

2

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2

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2

生态廊道提取

基于MCR模型提取两类生态廊道(图6)，传统生态廊道的数量较少，结构较为简单，许多源地之间没有直通廊道，而是通过其他的源地作为中介进行连接。究其原因首先是源地数量本身较少，这与不断的城市扩张与环境恶化有关；其次是源地多位于县城周边的人工种植园林地等人类活动较强的区域，而这些区域会起到阻隔作用导致源地之间无法直接相连，随着城市化的发展，如不加以保护现存生态廊道容易受到城市扩张影响乃至消失。从廊道分布来看，廊道覆盖到了全部的生态源地并直接或间接地将它们联系起来，从任意一个源地都可以到达其他源地，但由于曲周县林草等用地分布的空间差异，生态源地以及后续形成的廊道都存在分布不均的问题。

图6 传统与易建生态廊道对比图Fig.6 Comparison of traditional ecological corridors and ecological corridors easy to build

两类生态廊道对比可以发现在东北组团和中部组团之间部分廊道形状类似，但中部组团中源地4和源地9之间的两类廊道差异较大，传统生态廊道更接近于源地之间的距离最短路径，而易建生态廊道显得更为曲折，即便建设较长的易建生态廊道，依然比绝对距离较短的传统生态廊道更容易开发。两类廊道对比得出如下结论，首先部分传统生态廊道存在建设成本高可行性低的问题，比如源地4和源地9之间的传统生态廊道直接穿过了县城中心，在后续建设保护中可能出现建设成本高、地类转换审批难等问题，导致建设开发困难，需要对廊道进行可行性修正。其次组团聚集的建设用地会对廊道的走向产生影响，如果源地之间建设用地较少，则连接廊道会更趋向于绝对距离最短的路径，同时由此也可以大致预测考虑建设可行性后传统阻力面生成的廊道走向，构建具有较高建设可行性的生态廊道。

2.3 构建可行性分析

根据建设阻力面得到斑块间的最小累计建设阻力(表6)，用来展示斑块连接的建设难易程度。斑块间建设阻力最高的12组，其中11组与斑块8、9相关，充分说明斑块8、9与其他斑块相连时需克服的建设阻力过大。从建设阻力面可以看出，阻力过大的主要原因就是斑块8、9和其他斑块被县城中心分隔，要跨越县城中心与其他斑块相连必然导致建设阻力高。对比表4与表6的数值可以看出，相互作用力较高的斑块之间建设阻力较低，原因是与斑块的区位有关，同时由于建设阻力与土地利用类型相关，而相互作用力也与土地利用类型相关。由此可以表明建设阻力在一定程度上与相互作用力成反比关系，因此通过相互作用力来选择重要生态廊道具有建设可行性。

表6 斑块间的累计建设阻力
Table 6 Cumulative construction resistance between patches

斑块号Patch number1234567891031 240294 7981 130 9691 510 1591 557 3801 356 4231 707 0242 047 72620264 0571 101 3061 480 4971 527 7171 326 7601 677 3612 018 064301 159 1851 538 3761 585 5971 384 6391 735 2402 075 94340382 191429 4111 123 7791 456 7641 793 99450114 0001 451 2941 784 2782 121 509601 498 5141 831 4992 168 72970350 601691 30480363 02490

注：灰色背景为建设阻力最高的12组斑块。
Note： The gray background represents the twelve groups of patches with the highest construction resistance.

2.4 生态网络优化

通过前文分析得知曲周县南部的生态源地服务匮乏，因此找寻南部一些较为聚集的核心区斑块，将其合并为面积较大的核心区斑块作为新增生态源地共3块。踏脚石斑块是生物在迁徙、觅食等活动过程中进行休息、中转的生态斑块，一般设定在距离较远的源地之间，作为生态源地的补充，故称为二级生态源地。研究区中部斑块2、3与斑块4之间廊道绝对距离过长，本次优化新增一个踏脚石斑块在该廊道中心处，并将生态源地以外面积前15的核心区斑块作为踏脚石共5块。基于综合景观阻力面通过最小累计阻力模型得到优化后的生态廊道，根据斑块间相互作用矩阵，提取斑块作用力大于3的廊道作为重要廊道共7条，将连接生态源地的生态廊道分类为重点建设廊道共15条，将其余8条生态廊道分类为规划廊道。依据《曲周县城乡总体规划(2013—2030)》可知，滏阳河、支漳河塔寺桥连接渠上游1 000 m、下游500 m、河岸两侧纵深100 m内为严格保护区，所以提取河流水面和干渠的中心线，以此做100 m缓冲区生成曲周县水系廊道共5条来保护水源。生态节点对于生态网络结构优化十分重要，研究提取生态廊道的交点作为生态节点共27个，区域内存在省道、环道、乡道会对景观进行割裂，提取这三类道路与生态廊道的交点作为生态间断点共12个，在生态间断点之上可以新增天桥或在其下建造地下通道，在将来建造高等级道路时也要考虑到动物迁徙问题而采取一定措施。经过以上优化，得到生态网络优化图(图7)。

图7 曲周县生态网络优化图Fig.7 Ecological network after optimization in Quzhou County

2.5 生态网络结构优化前后评价分析

优化后生态网络的

α

指数为0.48，

β

指数为1.76，

γ

指数为0.67。经过优化生态网络的

α

指数由0.31提升到0.48，网络畅通度得到明显提升，

β

指数从1.33增加到1.76，说明优化后的网络单个节点所连接的廊道更多，由此生态网络信息流动和能量交换更加高效稳定，现状网络的

γ

指数为 0.57，通过优化提升到0.67，网络连接度得到一定提升。

最终基于曲周县城乡总体规划与优化后的生态网络，提出曲周县“两轴、三区、四廊、多点”的生态结构规划布局(图8)。

图8 曲周县生态结构规划图Fig.8 Ecological structure planning map in Quzhou County

3 讨 论

本研究结合MSPA与MCR模型构建曲周县生态网络，并得到曲周县生态结构规划布局，MSPA通过景观连通性贡献选取生态源地能够减少主观性带来的干扰，MCR模型作为生态网络构建研究中十分普遍的廊道提取方法，能够提取网络结构中的最优路径并确定空间位置，将二者结合已是一个成熟的生态网络构建方法。生态保护工程的内容在生态文明提出后逐渐开始包括生态廊道等生态网络要素的构建，然而以往研究在生态网络识别范围与构建成本方面对生态网络的工程建设考虑较少，这可能会使后期建设工程实施困难。本研究选择县域范围进行生态网络构建，并结合建设成本面探索增加生态网络建设可行性的措施。

县域生态网络的构建能够更好地指导生态保护工程的建设，但与此同时小的县域生态网络也存在着行政界线的限制，在未来研究中可以对比以县域和省域为研究范围分别得到的同一区域的生态网络，进一步了解行政界线对生态网络构建的影响，找到更合适的生态区域范围。

本研究探索增加生态网络构建可行性的措施时发现高建设可行性的廊道会避开组团聚集的建设用地，因此在生态廊道建设优化时应尽量避免穿过中心城区，同时通过相互作用力选择重要生态廊道具有可行性，高相互作用力的生态廊道具有高建设可行性。本研究建设阻力面只定性表示出建设阻力及经济成本，且优化结果未将建设阻力融入传统阻力面，未来研究需要构建更加完善的指标体系，由此可直接得到优化后具有高建设可行性的生态网络。

4 结 论

本研究主要结论如下：

1)曲周县生态源地分布不均匀，生态基础薄弱，中部分布集中且重要性高，而南北部生态源地稀少，需要加强南部东西方向的连通性以及整个区域南北方向的连通性；

2)区域内生态廊道数量较少，结构简单且靠近县城中心，易受人类活动干扰，对比传统与易建生态廊道可以看出，传统生态廊道存在成本高建设可行性低的问题。

3)新增生态源地、增补踏脚石斑块满足各个区域生态服务需求，划分出重要廊道、重点建设廊道与规划廊道，同时构建水系廊道5条。

本研究结果可以提升水源保护效果、构建曲周县自然景观体系，为优化曲周县生态本底，增加曲周县生态网络的连通性与稳定性，保护物种迁移提升生物多样性提供科学依据。