黄河下游城市林地生态网络构建与分析——以济南市为例

王琦王晨张立国郭晗

(1.山东建筑大学 测绘地理信息学院，山东 济南250101；2.山东省国土测绘院，山东 济南250013)

0 引言

近年来，国家战略强调了黄河流域在我国经济社会发展和生态安全方面的重要地位，其可构成我国主要的生态屏障。 济南作为黄河流域的特大城市，其高质量、快速发展势必与城市生态环境相互制约。 因此，科学准确地分析、评估济南市生态网络现状，并以此作为未来城市发展规划的依据，对建设生态文明济南以及黄河流域城市群生态保护与高质量发展具有积极意义。

林地是城市维持生态文明发展的重要可再生资源之一，也是陆地生态系统的重要组成部分，对于城市的可持续发展、维护生态平衡、促进生物多样性具有重要意义[1-3]。 保护林地资源是保护生态环境的本质途径之一，同时与城市可持续经济发展具有密切的联系。 中国自改革开放以来，在利用自然资源和发展经济方面均取得了巨大成功。 在保护生态环境与发展经济之间寻求微妙的平衡点，是新时代中国与国际社会普遍关注的重要课题。

城市生态网络是城市生态安全格局研究的重要方法，目前国内外已有很多相关研究。 何建华等[1]以武汉市湿地为研究对象，从生态网络视角客观分析了武汉市生态格局。 陈南南等[2]通过构建秦岭(陕西段)山地生态网络，比较了其内部斑块，识别了重要生态廊道。 张晓琳等[3]对长江中下游平原的金坛区进行生态网络识别与优化，并提出差异化生态网络修复策略。 此外，也有研究者从景观视角出发，构建由斑块、廊道和基质所组成的林地生态网络[4-5]；利用景观指数反映景观在结构组成与空间配置方面的特征[6-7]；通过生态网络反应景观功能连通性特征，增强格局分析的准确性、科学性[8]。其中，形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis， MSPA)模型是提取研究区域生态源地的有效方法[9-10]；最小累计阻力(Minimum Cumulative Resistance， MCR)模型可以计算生态源地到其他各点的最小累计阻力值，通过设立阻力参数构建最小阻力面；重力模型则可以优化生态廊道的提取[11-15]。 目前，MSPA 方法与MCR 模型相结合进行生态网络构建的方法已经较为成熟，但从区域生态研究的角度，目前还缺乏对如济南等黄河流域下游重要城市的林地资源生态网络构建分析、生态保护红线合理性评价、生态保护区分级评价等相关研究。

文章以济南市林地资源为研究对象，基于10 m分辨率土地利用数据，利用MSPA 模型识别提取林地生态源地，然后对地形坡度、高程以及地物景观类型赋值建立综合阻力面，借助MCR 模型建立济南市林地资源生态网络，并通过重力模型提取重要生态廊道。 在此基础上，从景观结构组成、生态源地分布、生态阻力分布、生态网络配置等方面分析、评价济南市林地生态格局，并提出济南市林地资源保护和空间优化配置策略。

1 研究区域与研究资料

1.1 研究区域

济南市位于山东省中西部，有“泉城”美称，是山东省省会、环渤海地区南翼的中心城市，其地理位置图如图1 所示。 所用地图审图号为鲁SG(2021)013 号。 同时，济南市是山东省政治、经济、文化、科技、教育和金融中心及重要的交通枢纽。 济南市地形可分为北部临黄带，中部山前平原带，南部丘陵山区带。 济南市气候为暖温带半湿润大陆性季风气候，气候类型为温带季风气候，特征为春季舒爽、降雨量低；夏季气候炎热、降雨丰富；秋季气温、湿度适宜；冬季平均气温≥0 ℃[16]。 此外，济南市正处于新旧动能转换的关键时期，林地资源作为济南市维持可持续发展的重要战略资源，对于其生态环境保护与高质量发展至关重要。

图1 研究区位置图

1.2 数据来源

采用的数据包含济南市土地利用数据和数字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)数据。 其中，济南市土地利用数据来源于清华大学数据中心(http:/ /data.ess.tsinghua.edu.cn/)，分辨率为10 m。按照清华大学数据中心标准将土地划分为耕地、林地、草地、灌木林地、湿地、水体、不透水地表、裸地，土地利用分布如图2 所示。 所用地图审图号为鲁SG(2021)013 号。 DEM 数据来源于地理空间数据云平台(http:/ /www.gscloud.cn/)，分辨率为30 m。基于DEM 数据，利用地理信息系统软件ArcGIS 坡度分析进一步计算坡度数据以构建生态阻力面。

图2 济南市土地利用分布图

2 研究方法

2.1 基于MSPA 模型的林地景观形态类型识别

MSPA 起初设计为用于林地资源的景观格局研究，利用形态学分析加强景观之间的结构连通，是精确识别林地资源的关键途径[17]。 利用ArcGIS 对济南市分辨率为10 m 的土地利用数据进行二值化重分类，将林地设置为MSPA 的前景数据，并将其余各类用地设置为MSPA 的背景数据。 利用图像对象与形状描述软件工具Guidos Toolbox 进一步识别MSPA 景观形态类型(见表1)。

表1 MSPA 的林地景观形态类型及生态学含义表

2.2 基于景观连通性的林地重要生态源地识别

景观连通性是评判研究区域内生态与景观斑块联系强弱的重要指标，是客观反映不同生态源地生物迁徙难度的关键途径，对于识别重要生态源地具有积极意义[14]。 采用可能连通性指数(Probability of Connectivity，PC)和可能连通性指数变化量(the delta values for the Probability of Connectivity，dPC)[18-19]识别重要生态源地。

可能连通性指数PC 由式(1)表示为

式中n为斑块总数，个；ai、aj分别为斑块i、j的面积，km2；pij为生物在斑块i、j间扩散的最大概率；AL为研究对象的景观总面积，km2。 利用景观指数数据输入软件Conefor＿Inputs＿10 设置斑块间的距离阈值为2 000，其连通概率为50%。

可能连通性指数变化量dPC 由式(2)表示为

式中PC 和PC′分别为连通性计算结果和去除某要素之后的连通性计算结果，dPC 为去除要素的重要性程度。

2.3 耦合多因子的林地景观阻力面构建

景观阻力表示生物在不同景观单元间迁徙的难度，其可以反映斑块的环境抵抗力，判断景观斑块重要程度[20]。 由此建立的综合阻力面可以由空间角度表示研究区域内景观格局的相互作用，并作为确定景观斑块间的最短、最优路径的基础[21]。 文章从林地资源的分布特征出发，选定地形坡度、高程以及景观类型作为基准进行阻力赋值(见表2 ～4)，并分别构建阻力面(如图3 所示)。

图3 阻力面构建图

表2 地物景观类型阻力赋值表

林地作为研究对象，其生态适宜性最高，因此地物景观类型阻力值最低。 湿地、草地、灌木林地景观类型对于林地影响阻力较低。 耕地由于非自然形成景观类型对于林地的阻力稍高，同时水体作为天然屏障对于林地的阻力略高。 裸地与不透水地表被人类行为干扰，生态适宜性极低，景观类型阻力极高。由于林地多分布于丘陵与山地地区，综合地形坡度和高程，分析地形地势变化，设定平原地区阻力值最高；高程＞400 m，坡度＞35°阻力最小。 因此，设定地形坡度，高程以及景观类型对应权重分别为0.3、0.3、0.4，进行加权求和建立综合景观阻力面。

表3 高程阻力赋值表

表4 地形坡度阻力赋值表

2.4 基于MCR 模型的林地生态网络构建

生态网络是由一系列自然保护区及其连接体组成的系统，能够将破碎的景观重新连接为一个综合整体，维护生态环境稳定性[22-23]。 借助MCR 模型，联合综合阻力面，可以计算出不同斑块之间的最小累积阻力，从而借助ArcGIS 建立斑块间的最低成本路径，凭借最低成本路径可建立研究区域内的生态网络。

最小阻力模型由式(3)表示为

式中MCR 为生态源地到其他各点的最小累计阻力值；fmin为Dij与Ri的函数关系；Dij为生态源地i与j的空间距离，km；Ri为通过景观时的综合阻力系数。

2.5 基于重力模型的林地重要生态廊道识别

重力模型原用于处理地理空间中城市系统的相互作用关系。 有学者[15，24]将其引入到生态网络中用于识别提取重要生态廊道。 利用重力模型对MCR 构建的生态网络进行重要性判别，客观反映不同林地景观之间的生态作用力，科学体现各个林地斑块之间的联系强度。 重力模型由式(4)表示为

式中Gij为林地核心斑块i与j之间的相互作用力；Mi、Mj分别为斑块i、j的权重；D2ij为斑块i与j间的潜在廊道联系阻力值；Si、Sj分别为斑块i、j的面积，km2；Lij为斑块i与j进行联系的景观阻力值；Lmax为研究区域内廊道阻力的极大值。

3 结果与分析

3.1 林地生态景观格局分析

利用MSPA 模型对济南市林地景观形态进行分析，识别出核心区、孤岛、孔隙、边缘、环道、桥接、支线与背景(如图4 所示)，并对各类型进行了统计(见表5)。 济南市林地景观中核心区分布最广泛，面积占比达46.35%；边缘和孤岛规模较大，占比分别为18.14%和12.52%；支线与桥街区的面积占比较少；环道与孔隙分布极少。 由此可知，济南市林地边界高度繁杂，分布集中但形态破碎，内部存在大量缺口，对外部影响抵抗力较弱，且各个林地景观斑块之间的连通性较低，对于生物迁徙、能量流通易产生消极影响。

图4 济南市基于MSAP 林地景观类型图

表5 基于MSPA 的林地景观类型面积表

济南市林地资源总体上较为丰富，集中分布于中南部山地地区，在西南与东南地区景观分布规模较大，在北部平原地区零星分布。 济南市林地分布高度集中，分布极不均衡。

3.2 林地生态源地分析

借助可能连通性指数变化量(dPC)提取重要核心区及其矢量数据；依据核心区面积对其进行排列，并根据均匀分布的原则，选取其中dPC 最大的8 个核心区斑块即可覆盖济南市的中南、中西南与东南部3 大核心区。 核心区景观连通性重要程度排序见表6(编码采用Conefor2.6 提取的节点Node)。

根据表6 可知，选取的林地重要核心区斑块(生态源地)的总面积为190.99 km2，其分布较为集中(如图5 所示)，但单个生态源地的面积较小，与济南市林地资源分布相吻合，体现了济南市林地资源分布高度集中但斑块极其破碎的特点。

表6 核心区景观连通性重要程度排序表

图5 林地生态源地分布图

3.3 林地生态阻力分析

由图3 中的地物景观类型、高程以及地形坡度各自的阻力面，可以得出由地物景观所造成的阻力主要集中在济南市中西部与东南部的不透水地表；北部地区以耕地为主，阻力值中等；中南与东南、中西南地区以林地为主，因此阻力值极低。 由高程和地形坡度引起的阻力主要集中在北方与西部的平原地区，而在中南部与东部的山地丘陵地区阻力极低。叠加上述3 个阻力面得到综合阻力面(如图6 所示)。 由图6 分析可知，济南市北部与西部地区的阻力值极高，东南区域阻力分布复杂；在东南部分(莱芜区)中东部阻力值较高，东南角阻力较低；中南与东部地区的阻力值极低。 说明济南市的地物景观类型与地形地势等自然要素高度统一，总体规划与自然条件吻合度较高。

图6 济南市林地生态综合阻力面图

3.4 林地生态网络分析

利用MCR 模型与济南市综合阻力面建立了济南市林地生态结构网络，是由提取出49 条生态廊道组成的(如图7 所示)。 图7 表明了济南市生态格局与生态过程流在济南市综合阻力面上所受到的阻力值强弱。 由于林地生态源地分布高度集中，生态廊道分布也极不均匀，高度集中于中南与中西南地区，但廊道结构相对合理，利于进行生物交流和提高林地的环境抵抗力。 东部生态廊道单一，生态抵抗力较弱，生态系统易破碎。 如维持济南市生态可持续发展需加强东部廊道的建设，减少人类经济生产活动的干扰，减轻廊道的生态压力，必要时可在东部阻力值较低区域建立新的林地景观生态源地，缓解单一廊道的负担，提高东部廊道的生态连通性。

图7 济南市林地生态网络图

3.5 重要生态廊道分析

借助重力模型判断不同林地斑块之间的联系性强弱，并以此作为评判廊道连通研究区域内林地斑块的重要指标，然后提取出济南市的重要林地生态廊道。 斑块间作用程度的阈值设置为＞1.5(见表7)，共选取出10 条重要廊道(如图8 所示)。 结果显示，提取的重点廊道与济南市战略规划以及林地斑块分布相吻合。

表7 生态廊道间相互作用程度表

图8 济南市林地生态网络分级图

济南市重要林地斑块分布在中西南部分，斑块间联系密切，能量流动与生物交流也较强。 地处历城区的0 号斑块与历城区、章丘区的2 号斑块相互连通性最优，相互之间作用程度达15.639 5。 地处历城区与长清区的8、9 号斑块次之，相互间作用程度为12.274 2。 第一组斑块分布于中南部山区，作为济南市重要生态保护区，森林资源丰富，物类充足，具有良好的生态调节功能[25]。 第二组斑块在济南中西南部丘陵地区，借助跨域历城区、章丘区、莱芜区的6 号斑块与第一组斑块建立联系，建立起中南与中西南的生物迁移、能量流通链条。

长清区与历城区间斑块相互作用能力强，使得济南市中西南部分林地生态斑块具有良好的连通功能。 莱芜区斑块分布于济南市东南角山地，由于周围地形平缓，建有城市，易受人类活动影响，与其他廊道的相互作用力较弱。 因此，维持济南市东部林地生态源地的可持续发展，促进生物交流与能量流动需要对莱芜区的生态廊道加强维护，以便山地生物进行迁徙；减少对于东部山地资源的开发，并加强其周围林地景观核心区的管理维护，提高其dPC，降低人类经济开发活动对莱芜区斑块的集中影响。

4 结论

通过上述研究可知:

(1) 济南市森林资源丰富，总面积1 938.57 km2，其中核心区面积占比为46.35%。 森林资源集中分布于中南山地地区，在西南与东南地区分布规模相对较大，在北部平原地区分布稀少，空间格局极不均衡。林地景观边缘破碎，内部空洞多，且单个生态源地的面积较小，连通性平均水平较低，不利于生物栖息、迁徙和能量流动。

(2) 济南市的地物景观类型与地形地势等自然要素高度统一，城市总体规划与自然条件吻合度较高，济南市林地生态网络与其市战略规划以及林地斑块分布相吻合，总体质量较高。 但是生态廊道呈聚集分布，主要集中于中南与中西南地区，东部廊道单一，连通程度高度不平衡，整体结构相对简单，不利于生物交流和提高林地的生态环境抵抗力，生态系统易破碎。

(3) 济南应加强对莱芜区林地资源生态源地的保护，注重维护周围林地景观核心区，适当减少人类活动的影响并建立东部生态网络。 对于中南与中西南地区，应降低林地景观的破碎化，填补内部空洞，在北部和西部适当建立一定规模的林地资源生态源地，加强生物交流，促进济南市林地资源均衡分布。