人与自然和谐共生的现代化是当今时代的主题。国家十四五规划纲要进一步强调, 完善生态安全屏障体系, 构建自然保护地体系, 包括构筑生物多样性保护网络, 提升生态系统质量和稳定性。生态网络是指在一种开放系统中利用廊道使景观中各部分相互连接, 形成空间和结构上紧密联系的网络体系^[1], 它能够将湿地、农田、林地以及草地等生态系统在空间中有机联系起来。生态网络是景观生态学研究的热点问题, 也是耦合景观结构、生态过程和功能的重要途径, 其对于保护生物多样性、维持生态平衡、增加景观连接度具有重要意义^[2]。因此, 如何在景观尺度上构建并优化生态网络, 既是景观生态学研究的前沿议题, 又是保障生态安全、建设美丽中国的现实需求。

由多个生态节点、生态廊道等组成的网络状景观格局分析多以“生态安全格局”概念出现在研究中^[3—5]。其中, “源地识别-确定阻力面-获取廊道”已经成为生态网络构建的基本框架^[6]。在生态源地的识别上多采用直接叠加辨别法^[7], 主要指标基于生态敏感性^[8]、生态系统服务重要性^[9]或重要性-敏感性结合^[10]。由于此类指标的叠加往往忽视了斑块在景观中的连接性作用, 形态学空间格局分析(MSPA)方法被引入到生态源地识别指标中^[11]。MSPA将斑块或者廊道单独提取出来, 从像元的层面上识别出研究区内重要的生境斑块和廊道等对景观连通性起重要作用的区域, 进而可以辨识出对维持连通性具有重要意义的景观类型, 增加了生态源地和生态廊道选取的科学性^[12]。在廊道的构建中较为常见的方法是最小耗费距离方法^[13]、图论方法^[14]与电路理论^[15], 此类方法地图成果形式表达好, 并且可以快速地指出生态流的最优路径, 在区域生态安全格局的描绘中具有方法优势^[16—17]。近年来, 以生态网络识别为主要手段的生态安全格局构建研究已在我国不同区域开展^[2], 景观生态网络构建与优化研究已经存在丰富的研究视角并积累了大量的研究成果。但是, 目前大多数研究仅关注现状景观格局特征下的生态廊道潜在连接方式, 并在此基础上利用景观格局指数^[18]、景观连通性指数^[19]等指标从空间上测度生态网络连通程度。对如何优化网络结构并对比网络优化效应的研究较少。通过情景分析手段预测提升生态网络整体连通性的景观格局优化位置, 并结合“网络构建成本”及“生境连通效果”指标对不同情景优化效应进行分析对比, 将为保障区域生态安全的国土空间优化提供重要定位支持。

中国干旱区分布面积广大, 蕴藏着丰富的生物资源。然而, 近年来由于人类对自然资源的过度开发及不合理的利用方式, 导致干旱区草地退化、生物多样性减少、水土流失、土地荒漠化等生态问题频发, 干旱区人地矛盾更加突出^[20]。内蒙古巴彦淖尔市位于黄河几字湾顶端, 山、水、林、田、湖、草、沙等多种生态要素齐备, 同时也面临着干旱区经济发展与生态保护的矛盾, 城市化、开矿、围栏养殖、草地退化使得生境斑块破碎, 生态系统连通性差。以增加巴彦淖尔市及其周边区域生态系统连通性为基本目标, 本研究通过加生态“踏脚石”、清除生态障碍点、保护生态夹点3种情景设置, 识别优化生态网络连通性的关键位置, 解决不同生态系统要素在空间联系中存在的生态节点不足、廊道不通、生态流流量不强问题, 即“不足、不通、不强”问题, 促进生态网络中生态要素和功能更有效的流通, 进一步提升山、水、林、田、湖、草、沙系统协调及稳定性。并通过源地数量、廊道数量、廊道总长度、阻力面平均值、生态网络连通度指数等指标对3种情景下生态网络连通性提升的效果与网络构建成本进行比较并从中选取最优方案, 从而为黄河几字湾顶端生态网络构建提供方法依据, 为更好的筑牢北方生态安全屏障提供空间布局指引。

1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况

巴彦淖尔市位于内蒙古西部, 在40°13′—42°28′N, 105°12′—109°53′E之间, 东接包头, 西连阿拉善盟、乌海市, 南隔黄河与鄂尔多斯市相望, 北与蒙古国接壤, 总面积6.4万km²。市域内河流、平原、草原、湖泊、山脉、森林、沙漠等多种生态要素齐备。形成“一山两原、一河多湖、东林西沙”的生态空间格局, 其中“一山”指横贯东西的阴山山脉, “两原”指阴山南麓的河套平原和北麓的乌拉特草原；“一河多湖”指巴彦淖尔市黄河干支流以及包括乌梁素海在内的众多湖泊；“东林西沙”指巴彦淖尔东部乌拉山自然保护区和西部乌兰布和沙漠、巴音温都尔沙漠。巴彦淖尔市是我国“两屏三带”生态安全战略格局中“北方防沙带”的重要组成部分, 是有效阻止乌兰布和沙漠向东侵蚀, 阻隔乌兰布和沙漠和库布其沙漠连通的“重要关口”。其生态空间中乌拉山东起包头市昆都仑河, 乌兰布和以及巴音温都尔沙漠跨至阿拉善盟左旗。因此为了保障生态空间和功能的完整性以及巴彦淖尔市生态网络构建的科学性, 同时为了体现巴彦淖尔市生态网络优化与周围区域的整体关系, 本研究增加包头市、阿拉善盟左旗作为研究区(图 1)。

1.2 数据说明及来源

本研究计算过程中使用的数据及其来源、分辨率具体见表 1。其中栅格数据经过最邻近法重采样统一为1km。

2 研究方法

本研究依据“源地识别-确定阻力面-获取廊道”的生态网络构建范式, 首先通过5种生态系统服务重要区、MSPA景观中的核心区及桥接区、自然保护区选取生态源地；然后通过土地利用类型、高程、坡度、距离道路距离、夜间灯光等自然、人为因素设置阻力面, 基于选取的生态源地和设置的阻力面利用最小耗费距离法识别生态廊道, 构建现有的生态网络；最后在现有生态网络基础上通过增加生态踏脚石、清除生态障碍点、保护生态夹点3种情景设置进行生态网络优化。具体框架如图 2所示。

2.1 生态源地提取

作为确保区域生态安全的关键地块及生态网络格局的重要组成部分, 生态源地应当保持生态系统服务的可持续性、防止生态系统退化带来的各种生态问题以及维护现有景观的完整性^[5], 本研究鉴于巴彦淖尔市多种生态要素齐备且为我国“北方防沙带”“大兴安岭-阴山-贺兰山水源涵养及生物多样性保护屏障”重要节点, 同时生态环境脆弱, 面临较高的水土流失和土壤荒漠化危险的生态空间特点选择了生境质量、水源涵养、土壤保持、防风固沙、碳固定5种典型的生态系统服务进行评价。通过生态系统服务重要性高值区与生态空间核心区与桥接区, 提取高生态系统服务重要性且高景观斑块连通性的区域。同时叠加重要自然保护区作为生态源地。

2.1.1 重要区识别

生态系统服务重要性评价主要针对区域的特定生态环境状况, 分析生态系统服务的地域分异规律, 明确各种生态系统服务的重要区域, 筛选出具有重要生态价值的关键斑块加以保护^[21]。考虑到5种重要的生态系统服务在生物多样性、水土保持、气候调节等方面的不可替代性, 本研究在叠加图层过程中赋予这5种生态系统服务同样的权重。并且将各种服务进行归一化操作后叠加(图 3), 根据自然断点法划分为5个等级从1到5级分别代表从低到高的综合服务的重要水平, 当综合生态系统服务等级大于3时, 意味着这些区域的生态质量高于平均水平^[22]。因此, 取综合生态系统服务等级中的4级和5级作为生态系统服务的重要区(图 4)。

(1) 生境质量

生境质量是指基于生存资源可获得性, 生境为个体和种群的持续生存和发展提供适宜条件的能力, 对于生物多样性的维系有着重要作用。生境质量取决于一个生境对人类土地利用和这些土地利用强度的可接近性。本文采用InVEST模型中的Habitat Quality模块, 依据土地利用数据构建生态威胁源以及生境类型对威胁源的敏感性数据(本研究的威胁源及敏感性数据通过参考廖珍梅、徐建英等的研究^[23—24], 结合研究区实际情况确定)形成生境质量地图。计算公式如下：

(1)

(2)

式中, Q_xj为土地利用类型j中的栅格x的生境质量; D_xj为土地利用类型j中栅格x的总威胁水平; K和Z为比例因子; H_j为土地利用类型j的生境适宜度; R为胁迫因子; Y_r为胁迫因子r所占的栅格数; W_r为威胁因子权重, 值在0—1之间; r_y为栅格y的胁迫因子值; i_rxy为栅格y的胁迫因子值ry对栅格x的胁迫水平; β_x为栅格x的可达性水平; S_jr为生境类型j对胁迫因子r的敏感性。

(2) 水源涵养

利用InVEST模型中的Water Yield模块计算研究区域产水量, 计算公式如下：

(3)

式中, Y(x)为研究区每个栅格单元x的年产水量(mm); AET(x)为栅格单元x的年实际蒸散量(mm); P(x)为栅格单元x的年降水量(mm)。获得产水量之后再用地形指数、土壤饱和导水率和流速系数对产水量进行修正获得水源涵养量^[25]。

(3) 土壤保持

本文采用修正通用水土流失方程(RUSLE)的水土保持服务模型评价^[26], 计算公式如下：

(4)

式中, A表示年平均土壤保持量(t hm^-2a^-1); R表示降雨侵蚀因子(MJmmt^-1hm²a); K为土壤可蚀性因子(thMJ^-1mm^-1); LS表示地形因子(坡长、坡度); C为植被覆盖与作物管理因子; P为水土保持因子。

(4) 防风固沙

本文采用修正风蚀方程来计算防风固沙量^[27], 公式如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中, S_R为防风固沙量(kg/m²); S_l为潜在侵蚀量(kg/m²); S_P为实际风蚀量(kg/m²); Q_l为潜在风沙转移量(kg/m); Q_lmax为潜在风沙最大转移量(kg/m); Q_p为实际风沙转移量(kg/m); Q_pmax实际风沙最大转移量(kg/m); z为最大风蚀出现距离(m)本次计算取100m；WF表示气象因子(kg/m); EF表示土壤可侵蚀程度; SCF表示土壤结皮因子; K′表示土壤粗糙度因子; COG表示综合植被因子。

(5) 碳固定

NPP是指在单位面积、单位时间内植物所固定的有机物总量, 是地表碳循环的主要组成部分, 也是判定生态系统碳源及碳汇和调节生态过程的主要因子^[24]。本研究碳固定服务用MODIS NPP予以指代^[22]。

然后将上述5种数据分别进行标准化处理^[28], 公式如下：

(12)

式中, X_i为指标i的实测值; X_max为指标i的最大值; X_min为指标i的最小值; K_i为指标i经标准化后的指标值。

2.1.2 连通区识别

MSPA方法强调结构性连接, 仅依赖于土地利用数据, 将其重新分类后提取森林、灌木、草地这3种自然生态要素作为前景, 其他土地利用类型作为背景。将数据转换为二值栅格文件, 然后基于Guidos软件, 对数据进行MSPA分析, 得到互不重叠的七类景观^[29—30]并对分析结果进行统计(表 2)。最后, 提取出对维持连通性具有重要意义的核心区和桥接区景观作为源地识别的另一重要图层。

2.2 阻力面

阻力面设置是廊道准确识别的关键。本文考虑土地利用类型、高程、坡度、与道路的距离设立阻力面。具体比例和赋值见表 3^[31—32]。

基于数据精度, 城市土地覆被分类体系不可能无限细分, 因此有必要选取能够定量表征不同空间单元生态阻力差异的指数, 修正基于土地覆被类型赋值的生态阻力面^[3]。夜间灯光数据可以较好地表征城市化水平、经济状况、人口密度、能源消耗等人类活动因子, 是人类活动强度的良好体现。为了进一步区分在相同土地利用类型下, 不同的人为干扰程度, 本文使用夜间灯光指数对阻力面进行修正, 公式如下：

(13)

式中, R′为修正后的阻力值；NLI_i为像素i的一般夜光NLI_a为土地类型a的平均夜光；R为景观类型a的基本阻力值。

2.3 生态廊道提取和生态战略点识别

廊道作为保障生态源地之间能量和物质流动的通道, 是促进物质流、生态流、生态过程连通, 实现区域生态系统服务功能完整性的关键生态用地。本研究采用最小成本加权方法(最小累积阻力方法), 通过ArcGIS 10.3 Linkage Mapper插件中的Linkage Pathways Tool绘制最小成本路径(LCPs)。最小成本加权计算方法计算公式如下：

(14)

式中, NLCC_AB连接源地A和B的标准化最小成本廊道；CWD_A为搜索窗口到源地A的成本加权距离, CWD_B为到搜索窗口到源地B的成本加权距离；LCD_AB表示连接源地A和B的理想(最小成本)路径的累积成本加权距离。

生态战略点, 被认作是在生态过程中起有效控制作用或促进作用的关键点, 是对于生态源地间相互联系具有关键作用的节点, 也是易受外界干扰的生态脆弱点, 通过保护和修复这些节点, 能够有效维护或提升生态系统过程, 对生态系统演替、干扰、恢复等具有重要意义^[33—34]。本研究对障碍点和夹点两类战略点进行识别。

障碍点指物种在生境斑块间运动受到阻碍的区域^[35]。本研究利用Linkage Mapper Toolkit工具中的Barrier Mapper模块设定1500m的搜索半径, 采用移动窗口法搜索“障碍点”。取改善系数高值前15%的区域为主要障碍区域。

夹点又称瓶颈点, 是生态廊道中电流密度较高的区域, 表明物种或生态流在源地间运动通过该区域的可能性比较高或者没有其他可以选择的替代路径是区域生态保护的优先区^[36]。本研究利用Linkage Mapper Toolkit工具中的Pinchpoint Mapper模块选择Pairwise模式进行计算。相邻关键生态源地间夹点区域仅为相邻两个源地间廊道的“瓶颈”, 对维持整个景观的连接性没有任何意义^[37], 故本文将对影响整个研究区景观连通性的夹点区域即raster centrality进行夹点识别。

2.4 生态网络优化情景设置

景观连通性是指景观对生态流的便利或阻碍程度, 是衡量景观生态过程的重要指标。维持良好的连通性是保护生物多样性和维持生态系统稳定性与整体性的关键因素之一^[38]。通过改善阻力面, 修复及保护生态节点的方法提高景观连通性操作简便且可快速实现生态网络优化目的。另外, 战略点的斑块面积一般相对较小、生态维护成本较低, 更容易落地保护与修复措施。因此, 本研究通过3种情景设置从阻力面、障碍点及夹点出发解决生态网络的不足、不通、不强问题(表 4)。为了更好的比较3种情景下生态网络优化效果, 3种情景设定下需修复及保护的区域面积一致。

(1) 增加“踏脚石”, 在重要的生态源地之间合理配置点状生态斑块, 起到“踏脚石”的作用, 有益于压缩斑块之间的距离构成廊道, 增强生态系统的连通性。解决生态节点“不足”问题。此情景将通过选定研究区西部乌拉特后旗适合草地修复区域, 对裸地或低密度草地进行修复, 条带状草地修复区域将起到生态“踏脚石”的作用。

(2) 清除障碍点, 修复生态廊道中确定的障碍点, 有助于改善廊道质量, 清除物种迁移及生态流流通阻碍, 解决“不通”问题。此情景中将对障碍点具体分析, 对道路、居民区、沙地等不同类型通过不同的方法进行清除或改善, 源地和廊道数量均不发生改变。

(3) 保护夹点, 夹点作为廊道中电流密度较大的区域, 承载了较高的景观连通功能; 并且, 夹点的形成往往是由于周边地区的阻力值较大, 廊道在夹点地区被压缩在了相对狭窄的范围内^[33]。因此, 夹点在承担重要连通功能的同时, 往往亦面临较高的生态退化风险。所以夹点的保护至关重要。因此本情景模拟了夹点不注重保护发生生态退化情况下未来生态网络的状况, 反推夹点保护对保障廊道质量, 解决廊道流量“不强”问题的重要意义。

然后通过廊道长度对生态网络进行成本评估, 利用生态网络连通度指数：网络闭合度指数α、线点率指数β、网络连接度指数γ, 对生态网络连通度变化进行分析, 该方法广泛用于单个指标计算区域整体生态网络连接度^[39]。α指数反映网络出现回路的程度, 值越大说明该网络的物质循环和流通越流畅；β指数反映每节点对应的连线数, β＜1说明网络结构为树状形态, β=1说明网络是单一回路的结构, β＞1表明网络连接复杂, 每个节点对应的连接线较多；γ指数则反映网络中所有节点的连接程度, γ值越大表明节点连接程度越高。各指数的计算公式如下^[40]:

(15)

(16)

(17)

式中, l为廊道数; v为节点数。生态节点指生态空间中连接两个相邻生态源, 并对景观生态过程起到关键性作用的地段^[41]。本研究中生态节点选取廊道交点。

3 结果 3.1 生态源地

研究结果表明生境质量、土壤保持、水源涵养、固碳释氧4种生态系统服务的高值区相对集中, 主要位研究区东部, 中部阴山区域, 以及西部贺兰山区域(图 3)。

防风固沙服务的重要区与上述4种服务的分布有较大差异, 高值区主要集中在景观类型中的耕地和草地, 由于森林和灌木的潜在风蚀量和实际风蚀量都较低, 所以根据模型法计算出的防风固沙值较低, 但不能忽视山地以及防护林对风沙的阻挡作用(图 3)。综上, 高生态系统服务重要性区域主要位于阿拉善盟左旗西部, 巴彦淖尔市中部和东部, 包头市(图 4)。

基于MSPA方法得到的景观结构性连接结果(图 5)。核心区主要围绕研究区自然林草格局, 研究区南部河套平原地区城镇开发面积大、生态斑块面积小且分布零散, 连通性差。研究区西部和北部景观类型多为荒漠草原或荒漠, 为背景区。本文将核心区、桥接区进行提取, 作为连通区。与提取出的生态系统服务重要区进行叠加提取值为2的部分作为生态源地, 即既连通又重要的区域, 面积为37268km²。由于生态源地须具有一定面积才能使核心区不受外界干扰^[42], 结合研究区生态源地斑块面积递减梯度大且分布集中的特征, 本研究基于1000km²的阈值, 剔除破碎斑块后, 共筛选出生态源地5个, 总面积30688km², 占研究区总面积的17.82%。总体上, 生态源地占研究区的总面积的比例小, 且50%位于巴彦淖尔市境内。

根据全球保护区数据, 乌拉特梭梭林-蒙古野驴国家级自然保护区、哈腾套海国家级自然保护区, 均处于荒漠草原地区, 综合生态系统服务等级低、连通性差, 但是存在很多宝贵的野生动物和基因资源对生物多样性保护具有重要意义为国家级自然保护区, 生态源地中需要增加这两个保护区。另外除了提供生态系统服务的地表植被等绿色生态空间, 水体等蓝色生态空间也是城市生态空间的重要组成部分^[43]。巴彦淖尔市乌梁素海流域是关系到黄河中下游水生态安全的“重要节点”, 流域内众多的河流、湿地、湖泊为野生生物提供了生存和繁衍的家园, 是黄河流域生物多样性保护的“重要地区”和国际候鸟迁徙的“重要通道”。但乌梁素海流域是我国三大灌区之一, 农业和城市化发展水平高道路密集, 不符合生态源地的选取要求且阻力值较高。因此需增加对缓解黄河凌汛压力, 有效净化水质, 增加区域生物多样性, 提升社会服务功能具有重要作用的主要沿黄湿地(磴口县奈伦湖国家湿地公园片区、五原县黄河湿地水禽自然保护区片区、临河区黄河国家湿地公园片区、乌拉特前旗乌梁素海入黄河河口湿地片区4个片区), 和对促进生物多样性保护、河湖连通具有重要作用的湖泊海子(包括乌梁素海、冬青湖、大碱湖、永明海子、河桶湖、大卜洞海子、牧羊海)作为生态源地。综上所述, 共计选取了24块生态源地, 共计58337km², 占研究区总面积的33.88%(图 6)。

3.2 生态廊道和战略点

生态源地呈现不均匀的空间分布, 研究区东部、南部的生态源地密度较高, 连接生态源地的生态廊道具有与生态源相似的分布趋势(图 6)。在现状生态网络格局中共有44条生态廊道, 长度介于1—234.06km之间廊道总长度为2428.513km, 研究区东部地区源地面积大且分布相隔距离较小, 因此廊道较为密集且长度较短, 为质量较高的物种迁移廊道, 有利于林草湖要素的连通。研究区西部, 廊道少且距离长, 主要涉及4条廊道, 部分廊道重合, 规划过程中应进行则优考虑选取。西部廊道对防止乌兰布和沙漠东移, 以及促进黄河古河道的恢复起着至关重要的作用。研究区南部即阴山以南乌梁素海流域, 廊道丰富, 多为河湖连通网络有利于水田湖要素的连通。流域北部(阴山脚下)受城市建成区扩张、山区部分生态用地被占用、部分湖泊面积过小影响, 有些源地之间虽然有潜在的相互连接的趋势, 但并未模拟出完整的生态廊道。研究区北部主要有一条廊道, 连接乌拉特梭梭林-蒙古野驴国家级自然保护区和阴山, 途经乌拉特草原, 是重要的物种(移动)迁移廊道, 有利于林草山要素的连通。

生态障碍点的识别结果如图 7所示, 由蓝到红代表着改善区域的重要性, 红色代表亟需改善的区域就是生态障碍点。本研究共识别生态障碍点39处, 面积为211km²。障碍点大部分位于生态廊道的范围生境内。现状用地类型为农田、建设用地、裸地等, 此类用地的共同点就是下垫面硬化程度较高, 对生境质量的连通性有一定的割裂行为。本研究障碍点多出现与道路交汇处。

生态夹点的识别结果如图 8所示。夹点作为高累积电流区是区域生态保护的优先区。为增进后续情景优化效果比较的科学性, 本研究筛选前20%的电流密度高值区作为夹点。共识别出生态夹点41处, 面积为211km²(同障碍点面积)。夹点主要分布在乌梁素海流域说明人类活动密集区域需要更多关注对生态廊道的保护。乌梁素海流域廊道中夹点多由水域、草地和林地组成, 该区域生态廊道耕地占比高。因此, 需高度重视该区域生态夹点的保护, 防止人类活动导致的生态退化。

3.3 情景优化

在情景一中, 将划定的四块条带状修复区由裸地转化为草地, 增加“生态踏脚石”共计211 km²(图 9)。划定区域周围有高密度草地的分布, 且所选区域不涉及道路和城市, 修复成本较低。此情景下最小成本路径的数量增加到了45条, 廊道总长度增加到2487.183km, 增加了58.67km。平均阻力值降低到118.836, 降低了0.002。该情景下网络闭合度指数0.148、线点率指数1.25、网络连接度指数0.441, 由于新增廊道与其他廊道联系性差, 且廊道所处地区生态环境恶劣与现有生态网络格局相比网络连通度并没有提高。但此新增廊道有利于全域网络的构建。且四块带状修复区与哈腾套海及贺兰山之间的连接廊道共同形成沙漠锁边带, 对防止西部沙漠东侵具有重要意义。

在情景二中, 障碍点的面积为211 km², 主要分布在北部廊道和西部廊道(图 9)。改善和修复障碍点提升生态连通性是情景2背后的主要理论基础。研究区障碍点出现的原因主要为廊道途径道路和沙地。一般通过架桥、通隧道、人工造林、封沙育林、草方格沙障等形式清除障碍点。此情景下最小成本路径数量增加两条, 廊道总长度增加到2633.022, 增加了240.509km, 平均阻力值降低了0.036到118.802。网络闭合指数此情景增加0.007至0.308。线点率指数增加0.016至1.533说明区域网络已经超越树状结构向方格状发展, 结构比较完善, 廊道连通性较好。网络连接度指数提高了0.005至0.548, 生态节点连接度略有增加但仍相对较低。

在情景三中, 强调对现有夹点生态环境的保护(图 9)。通过模拟未来关键生态夹点退化情景来反推生态夹点保护对生态网络优化的重要意义。在夹点退化情景下, 廊道数量增加至48条, 由于对生态夹点的绕行, 廊道长度增加至2581.767km, 廊道中耕地比重进一步增加, 生态廊道构建成本急剧增加, 平均阻力值增加0.11至118.948。网络闭合度、线点率指数、网络连接度指数较现有网络格局分别降低了0.029、0.156、0.063, 变动幅度较情景二大, 生态网络连通度降低明显。应加强通过河湖连通与生物多样性保护工程、农田面源及城镇点源污染治理工程、乌梁素海湖体水环境保护与修复工程进行水域生态夹点保护。

3种情景在现有生态网络条件下, 通过修复或保护相同面积、不同位置生态网络区域, 进行生态网络优化, 经比较3种情景中, 情景三对生态网络连通保护作用最为明显, 且夹点保护下的生态廊道的数量和长度与现有格局保持一致, 较情景一二, 生态网络优化成本低, 规划和应用性强。

4 讨论与结论 4.1 讨论

本研究在生态网络构建过程利用生态系统服务重要性和形态学空间分析法叠加自然保护区选取生态源地, 综合考虑土地利用类型、高程、坡度、与道路的距离设立阻力面；利用最小耗费距离方法识别生态廊道。在生态源地选取中本研究既考虑了生态系统自身的功能属性, 又考虑了斑块内部的连通性, 同时考虑了面积阈值以及区域需要保留的生态总价值及生态用地面积的比例具有科学性。

景观连通性是景观保护生物多样性和保持城市生态系统的可持续性和完整性的关键。巴彦淖尔市景观生态功能空间强度分布极不平衡, 需要通过提升景观连通性加强区域内各生态系统之间相互的联系。为了在景观尺度上优化巴彦淖尔市及周边区域的生态空间, 夯实不同生态系统“山、水、林、田、湖、草、沙”的稳定性, 本研究提出的面向连通性提升的旱区城市生态网络优化方案。考虑到多数研究仅从单一角度进行生态网络优化, 如单从生态用地扩张的角度构建区域生态安全格局或单从修复及保护生态战略点角度进行生态网络的优化^[44—45]。本研究以生态网络构成要素为切入点, 进行了3种网络优化情景的模拟与分析。另外本研究通过八项指标综合衡量3种情景的“构建成本”“连通效果”比较出最适合研究区规划目标的情景, 旨在提供生态安全格局优化的一种方法参考, 即生态网络优化不仅需要加强区域景观的连通性, 而且需要确保城市土地利用转化的低成本。

草地是中国干旱区主要的植被类型, 不仅能够支持较高的生产力, 还能发挥较强的生态系统服务功能。本研究3种情景设置中, 均涉及草地的保护与修复, 因此旱区生态网络的优化草地发挥着至关重要的作用。在草地的修复和人工建植的过程中除了选取的面积外, 工程的规划、草种的选择、林草的分配结构, 均影响网络优化的成本。同时巴彦淖尔市乌梁素海流域河湖连通网络的构架和优化亦十分重要, 该区廊道密集, 识别的生态战略点也主要集中于此。在情景优化效果对比中强调构建成本, 然而, 当前流域生态修复和重建项目多数侧重于高维护、高成本的工程, 且极大依赖于外部的资源和资金投入。因此如何利用好基于自然的解决方案(Nature-based Solutions, NbS)探索以自然修复为主、人工修复为辅的低成本治理；鼓励并包容多方利益相关者参与治理在多目标需求权衡中取得平衡, 是今后生态网络优化探索社会-生态系统耦合关系的重点和难点。

本研究虽设置了3种生态网络优化情景识别出了巴彦淖尔市生态修复及保护的重点区域, 并以生态廊道长度作为成本指标, 生态网络连通度指数作为连通效果指标, 对3种生态网络优化情景进行对比分析。但生态网络优化“成本”和“效果”评价指标较为单一。之后的研究将在基于“优化生态-生产范式”的生态网络优化原则下进行更加细化的成本考量和效果评估^[20]。同时基于自然的解决方案理念, 在乌梁素海流域山水林田湖草生态保护修复试点工程基础上继续探究巴彦淖尔市如何最大程度利用自然做工原理减少工程技术手段的人工强干预修复保护生态障碍点及生态夹点, 实现生态网络优化效益的最大化。

4.2 结论

构建生态网络是增加生态系统连通性的有力途径。本研究通过增加生态节点改善阻力面的3种情景设置手段, 识别优化生态网络连通性的关键位置, 结果表明：

(1) 巴彦淖尔市及周围区域的生态网络格局由24个生态源地、44条廊道、39个障碍点和41个生态障碍点组成, 基于生态系统服务重要性和连通性叠加识别的生态源地50%位于巴彦淖尔市境内, 巴彦淖尔市生态网络的优化对周围区域存在重要影响。研究区生态源地和生态网络分布不均匀, 东部和南部密集, 广阔的西部和北部地区源地廊道稀少, 生态网络面临着不足、不通、不强问题, 亟待优化。

(2) 通过增加生态“踏脚石”、清除障碍点、保护3种情景设置, 分别解决“不足”“不通”“不强”问题, 然后通过源地数量、廊道数量、廊道总长度、阻力面平均值、网络闭合度指数、线点率指数、网络连接度指数7项指标对3种情景进行评价。经综合评定得：在修复或保护区域面积相同的情况下, 进行生态夹点保护效益最大, 对生态网络连通度的影响最明显。但情景一中新增廊道对蒙古野驴的迁移和活动以及生物多样性保护, 阻止西部沙漠东移都具有重要意义, 也应注重研究区西部荒漠及荒漠草原地区生态网络建设与规划, 促进生态网络的全域覆盖。研究结果对区域生态安全格局构建提供了方法支撑, 为筑牢北疆万里绿色长城提供了区域国土空间优化方案指引。