生态系统服务(Ecosystem Services, ES)是指生态系统及所属物种提供的支撑和维持人类生存福祉必不可少的条件和过程^[1—3], 包括供给服务、调节服务、支持服务和文化服务^[4]。随着城镇化进程的推进, 高强度的人类活动和社会经济发展引起土地利用的急剧变化, 自然空间受到逐步扩张的建设用地挤压, 导致生态风险问题频发、生态系统服务能力严重退化, 严重威胁区域生态安全和经济可持续发展^[5]。为了应对日益严峻的生态风险, 在快速城市化地区土地稀缺与资金有限的双重制约下, 平衡生态系统服务和改善人民福祉、准确掌握宏观尺度中区域绿色空间的服务特征、将生态网络建设纳入城市规划构建高效的生态安全格局, 对于缓解生态保护与经济发展之间的突出矛盾至关重要。

生态安全格局对保护和恢复区域生物多样性、维持生态系统结构和过程的完整性及改善区域生态环境具有显著意义^[6—8]。目前, 总体上除少量研究基于格局—过程构建生态安全格局外^[9], 其研究已基本形成“源地识别-廊道构建-格局优化”的范式。其中源地识别是构建区域生态安全格局的基础^[10], 其范围的确定对于后续构建生态网络、合理布局绿地空间和提高城乡居民福祉具有重要意义。近年来, 国内外针对生态安全格局源地识别的研究主要包括以下三种模式：1)根据现有保护空间或土地利用现状直接识别^[11—12]；2)基于形态空间格局分析并结合斑块功能评价进行选择^[13—14]；3)构建生态系统服务重要性、生态敏感性或生态稳定性的多角度综合评价指标体系^[15—19]。

然而, 大多数基于生态系统服务评估的生境斑块识别研究都注重从空间格局和结构的角度对固定环境因子参数进行模型计算^[20—21], 而忽略了不同区域间主导生态系统服务类型的差异。这些传统的生态系统服务评估方法未能将快速城市化地区的突出生态风险问题与人类福祉联系起来^[22], 导致生态系统服务评估结果在区域生态安全格局规划中的实际应用缺乏指导。此外, 大多数生态系统服务空间规划与制图的研究主要集中于鲜有水域的大面积陆域空间^[23], 陆地ESs的评估公式和模型的应用已相对成熟^[24—27], 但不能反映区域水生生态系统的特定生态价值。实际上, 水生生态系统在ESs评估中起着举足轻重的作用^[28—29]。忽视水空间提供的ESs将影响整体评价结果的分析, 从而影响最终的生态安全格局构建结果^[30]。

长江三角洲是中国城市发展最活跃、人口最密集、水乡环境极具特色的区域之一。其中长三角生态绿色一体化发展示范区作为长三角一体化国家战略走生态优先绿色发展路线的先行实践区域, 区位条件优越、乡镇经济发达、水乡风貌明显、自然文化资源丰富, 但在快速城市化的进程中面临水陆生态空间破碎、自然资源短缺和生态供给不足而制约经济社会发展的困境。因此, 本文以长三角生态绿色一体化发展示范区为例, 分为陆域、水域两个层面构建水-陆耦合生态系统服务综合评价体系, 将极重要的高供给斑块确定为生态源地；利用MCR(Minimum Cumulative Resistance)模型提取生态廊道, 根据电路理论识别生态夹点和障碍点等关键空间节点；根据景观连通性优化生态安全格局, 并提出国土空间生态修复对策建议, 以期为生态文明建设背景下的长三角区域精细化增长提供理论及实证依据, 也为对我国其他滨水地区及都市圈周边区域的生态安全格局构建提供借鉴(图 1)。

1 研究区概况

长三角绿色生态一体化发展示范区(30°45′ 36″—31°17′ 24″ E, 120°21′ 36″—121°19′ 48″N)位于上海、江苏、浙江两省一市交汇点, 包括上海市青浦区、苏州市吴江区和嘉兴市嘉善县全域, 是长三角一体化国家战略的先手棋(图 2)。国土面积2413km², 地处太湖流域东南侧碟形洼地, 地势平坦, 湖荡密布, 水域面积438.2km², 占总面积比例达18.16%, 呈现典型的江南水乡地貌。围绕元荡-淀山湖、太湖等重要湖荡及太浦河、京杭运河等河流形成了密集的水乡镇村聚落, 自然及人文资源丰厚。

随着快速城镇化和改革开放的推进, 研究区建设用地逐渐侵占水域, 传统江南水网河湖空间灭失严重。中小城镇集群粗放的经济发展方式导致污染排放量增大, 场地内湿地生境退化、生态斑块破碎、景观连通性降低、防洪排涝形势严峻。这些生态问题成为制约研究区经济发展和国土空间生态安全的重要因素。

2 研究方法 2.1 数据来源

本研究使用的数据主要包括气象数据、生态系统类型数据、地表蒸散发数据、土壤数据、高程数据(DEM)、归一化植被指数(NDVI)、多年植被净初级生产力平均值(NPP)、研究区土地利用数据(LUCC)、研究区路网分布情况等(表 1)。所有的数据都是从公开的数据库中获得的, 对于原始分辨率不一致的数据源, 在随后的计算过程中统一重采样为30m×30m的分辨率。其中部分生物物质量数据在短期内变化不大且近年来没有更新, 因此使用了公开的最新年份数据(2015年)；而与社会经济相关的数据在该地区年际变化很大, 因此均采用2018年的最新数据。为减少由于水陆域指标选取、计算方法差异造成的影响, 便于后续耦合分析, 所有模型计算完成后都将通过自然断点法统一为5个评分等级。原始图像数据都在ArcGIS上进行投影校正和边界裁剪处理。

2.2 水-陆耦合生态系统服务评价体系

区域关键生态系统服务是指在特定环境和尺度下, 能发挥显著主导作用、对其他服务产生重大影响的生态系统服务类型^[24]。《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南(试行)》(以下简称“双评价”)中ESs重要性评价范围是针对国土空间内全部地域, 但其指标仅关注陆地ESs, 忽略了就全国范围而言占比较少的水生ESs。作为水源涵养极重要区^[31], 研究区具有江南水乡的突出地貌特征, 水域面积占示范区总面积的比例约为五分之一, 对于该地区生态安全格局具有重要影响, 故水生ESs影响不可忽略。本文将水生生态系统服务确定为区域关键生态系统服务, 在根据“双评价”进行陆域ESs评价的基础上, 叠加水生ESs评价, 通过构建水-陆耦合的综合评价体系, 分别评估陆域、水域生态系统服务重要性, 以提高重要生态空间识别的准确性。值得指出的是, 水域生态系统服务评价针对的是与水相关、依托水域产生、对水生生态系统存在潜在影响的生态系统服务类型^[32—33], 并非局限于研究区水域范围内, 同样涉及到了陆地区域。

2.2.1 陆域生态系统服务重要性评价

对照“双评价”给出的五项生态系统服务评价指标^[34], 由于研究区范围内无海岸线且较少受到风沙侵蚀, 与防风固沙、海岸防护两项服务关联不大, 故本研究结合研究区生态环境特点, 选取水源涵养、水土保持、生物多样性维护3项生态系统服务使用评价模型进行定量评估(表 2)。各项指标因子导入ArcGIS 10.7中按自然断点法分级后赋分值, 共极重要(9)、重要(7)、一般(5)、不重要(3)、极不重要(1)五个等级, 叠加后得到陆域生态系统服务重要性评价结果。

2.2.2 水域生态系统服务重要性评价

参考已有研究^[35—37]和联合国千年生态系统评估中的生态系统服务分类方案^[4], 本研究选择供给服务中的水源供给, 调节服务中的雨洪调蓄、水体净化, 支持服务中的生物多样性维护和文化服务中的文化景观资源、游憩潜力共6大类服务、13项水域生态供给评价指标因子构建水域生态系统服务重要性评价指标体系, 其中支持服务中的生境质量指标采用InVEST模型中的生物多样性模块^[38], 同样按自然断点法分成5个等级加权叠合(表 3)。基于相关领域专家问卷打分判断各因子的相对重要程度, 采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)得到各项服务的权重关系, 按权重叠加得到水域生态系统服务重要性评价结果。

2.2.3 基于耦合度模型的水-陆生态系统服务评价

耦合是指两个或多个系统通过相互作用相互影响。耦合度表示系统之间相互作用的程度^[39], 已被广泛用于研究城市化与生态系统服务之间的关系^[40—41]。在本研究中, 为了更好地根据生态系统服务重要性评估结果反映陆域和水域生态系统之间的相互作用程度, 构建了一个水-陆生态系统服务耦合模型, 得到水-陆生态系统服务综合评价结果。其具体公式是：

(1)

式中, C代表水-陆生态系统服务耦合度(0≤C≤1), U₁和U₂分别为是标准化后的水域和陆域生态系统服务重要性评价指数(0≤U₁≤1, 0≤U₂≤1)。当耦合度在0.8—1之间时, 水-陆生态系统服务高度耦合, 即该空间单元内水域和陆域均能提供高值生态系统服务, 实现良性共振耦合。

2.3 构建生态安全格局 2.3.1 生态源地识别

生态源地是生态安全格局的核心组成部分, 可为人类提供高质、多样和持续的生态系统服务^[42]。根据水-陆耦合生态系统服务综合评价结果, 选取耦合度大于0.8、水域与陆域ESs均高供给的斑块作为优先保护的重要生境斑块, 对生境斑块进行最小面积阈值筛选, 得到最终的生态源地范围。由于生境斑块需具备一定规模和连续空间才能对生态安全格局和生物迁徙流通产生影响, 故参考前人研究成果^[42]和岛屿生物地理学理论^[43], 通过斑块最小面积阈值和所保留物种的丰富度进行估算来确定源地最小面积阈值, 将面积小于阈值的零碎斑块剔除。

2.3.2 源地优先级评价

基于Conefor软件和过往研究^[44—45], 通过对比100—2000m共11组距离阈值, 最终选取800m为最佳迁徙阈值, 连通概率设为0.5, 选择景观相和概率指数(LCP)、可能连通性指数(PC)等指数对源地进行优先级评价。相关指数的计算公式参见Conefor 2.6.2用户指导手册。

2.3.3 生态廊道构建

识别得到生态源地后, 通过生成阻力面进行廊道构建。由于研究区最高海拔不超过50m, 地形高程等因素对结果造成的影响可忽略不计, 故将土地利用类型、生境质量、夜间灯光指数三要素赋予不同的阻力值按权重叠加后形成综合阻力面。基于MCR理论, 模拟物种穿越不同景观基面的过程, 其原理如下：

(2)

式中, MCR为最小累积阻力值, D_ij表示物种从生态源j到景观单元i的空间距离, R_i则表示景观单元i对于物种迁移的阻力系数。研究主要依据该模型构建生态阻力面, 作为获取廊道的基础, 再依托ArcGIS 10.7平台和Linkage Mapper 3.0插件计算最小费用路径, 得到生态廊道的空间分布位置。

2.3.4 生态节点提取

本研究选取生态夹点与生态障碍点两种廊道中不可替代的关键生态节点进行提取。基于电路理论和Circuitscape 4.0软件, 模拟源地间的电流强度分布^[46]。生态夹点为其中电流值较大区域, 对廊道连通性具有关键作用, 其退化和损失将造成整条廊道断裂^[47], 应优先保护；生态障碍点通过计算清除障碍点后电流恢复值的大小来识别^[46], 是指物种在源地间迁徙运动时受到阻碍、被移除后可增加源地间连通性的区域, 应重点修复。

3 结果分析 3.1 水-陆耦合生态系统服务综合评价结果 3.1.1 陆域生态系统服务评价

利用GIS将单因子生态系统服务重要性地图按权重叠置, 得到陆域生态系统服务重要性评价结果如图 3所示, 极重要(9)的生态斑块面积为34.31km², 占研究区总面积的1.42%。其高值区集中于研究区东南部, 斑块破碎化严重, 且基本分布于近郊区域；低值区则集中在各城区内部和大面积水域周边。其中, 水土保持服务以太浦河为界, 呈现出西北高东南低的格局；水源涵养服务高值区分布在城市近郊, 蒸散发量和地表径流量均较低, 能留存相对最多的水量；生物多样性服务高值区主要位于吴江区南部和嘉善、青浦交界处, 低值区则包括水域和城区范围, 这两种下垫面情况下NPP因子为空值, 将在水域生态系统服务评价中进行补充。

3.1.2 水域生态系统服务评价

水域生态系统服务评价的空间分布结果如图 4所示, 极重要(9)的生态斑块面积为272.50km², 占研究区总面积的11.29%。相比陆域生境斑块, 水域斑块更加完整聚集, 与研究区面积较大的湖荡空间分布高度吻合。其高值区均集中在太湖、元荡-淀山湖两大区域, 以及嘉善县和青浦区交界处的长白荡片区、吴江区西南部的太湖周边区域；低值区则与建设用地范围相似, 高供给水域生态系统服务斑块的空间格局较为分散。其中, 供给服务主要受太浦河-长白荡、太湖庙港两个饮用水水源地影响；调节服务与水域斑块面积存在较强关联, 场地东南部发破碎斑块则重要性较低；支持服务中淀山湖片区发挥主要生境作用, 而低值区则包括绝大部分耕地和建设用地；文化服务高值区则反映了历史遗迹、传统镇村、历史水路等水乡文化景观资源丰富的区域。

3.1.3 水陆耦合度结果

综合陆域、水域ES重要性评价结果, 得到水-陆耦合生态系统服务综合供给的空间分布地图(图 5)。水-陆耦合模型中具有高耦合度的重要生境斑块(0.8≤C≤1)面积达243.87km², 占研究区总面积的10.11%。其高值区主要集中于太湖、元荡-淀山湖的大片水域以及中部的小型湖荡, 低值区则主要是城镇建设用地。

3.2 生态安全格局构建 3.2.1 生态源地

如图 6所示, 通过改变该区域的最小面积阈值, 保留物种占比与源地占研究区面积比例随最小面积阈值的增大而下降。在0—1.5km²的范围内, 斑块面积占研究区总面积的比例维持于14.77%—9.54%之间, 而斑块数量在阈值为0—1km²时快速下降, 在1km²之后下降曲线逐渐平缓。在筛选面积为1km²时, 斑块物种丰富度能保留原有全部斑块的87.97%以上。故设定斑块最小面积阈值为1km², 得到研究区生态源地分布格局。

研究共识别41个生态源地, 面积达206.79km², 占研究区总面积的8.57%(图 7)。土地类型上, 陆域、水域源地面积分别占研究区总面积的0.76%和7.81%, 水陆面积差距悬殊。分布位置上, 形成了太湖、元荡-淀山湖、长漾-北麻漾、金泽镇长白荡湖区、同里镇湖区五大空间组团, 集中在吴江区和青浦区境内, 整体呈现“西北多东南少”的空间分布特征。

基于景观连通性分析结果, 根据斑块重要性(dPC)对生态源地进行分级, dPC＞20.0作为一级源地, 5.0＜dPC≤20.0作为二级源地, 2.0＜dPC≤5.0和dPC≤2.0的则分别作为三、四级源地。由图 7所示, 一级源地主要包括太湖和元荡-淀山湖两大区域；二级源地共6个斑块, 均在单项生态系统服务上有较大贡献, 但斑块较为破碎；三、四级源地零散分布在研究区内, 主要集中在吴江区南部高新区西侧、吴江区最北部以及三个县级行政区交界处(表 4)。

3.2.2 生态廊道

总结前人研究^[48—49]和场地现状, 综合阻力面的阻力因子设置和构建结果如表 5、图 8所示。高阻力值聚集区集中于5处集中城镇建设用地, 数值由内向外逐渐降低, 面积较大；低阻力聚集区则主要为面积较大的连片水域和占地面积极小的林地、草地。

研究共提取得到89条生态廊道, 总长586.35km。其中Linkage Mapper识别出的活跃廊道共69条, 长度225.33km；非活跃廊道共20条, 长度361.02km。总体而言, 廊道主要依托水乡地区原有的丰富水网体系, 分布均匀呈网状结构, 基本覆盖研究区全域。

3.2.3 关键生态节点

借助Circuitscape 4.0软件对已提取构建的廊道进行分析, 得到通过研究区每个栅格像元的累积电流值(图 8)。提取得到生态夹点共44处, 总面积约为1.57km², 分布情况如表 6所示。其空间位置主要分布于研究区中部, 在太浦河沿线呈线段状分布, 其余点状关键斑块大部分位于吴江区北部同里镇湖泊群之间的廊道上, 少部分零星分布于吴江区南部长漾湖泊群之间和两区一县交界处长白荡湖泊群之间。

提取生态障碍点共47处, 面积约37.53km²(表 7)。其主要分布于场地中部和南部, 其中吴江区的最南端和嘉善县的最南端由于源地斑块间隔距离较远, 产生了面积庞大的条状障碍点, 其余点状障碍斑块集中在两区一县交界的长白荡和汾湖湖区。

3.2.4 生态安全格局保护优先级

如图 8所示, 将生态源地、生态廊道和生态节点识别的结果整合后对其进行空间优先级划分, 得到研究区生态安全格局。其中源地根据景观连通性分为四级；廊道综合考虑长度、位置和连接源地重要程度分为核心、重要、一般三级；生态节点则分为生态夹点和生态障碍点两类, 使决策者充分了解研究区在未来国土空间规划中的保护优先级。

4 讨论 4.1 水-陆耦合评价的可行性

与水有关的环境服务的定量评估传统上侧重于与人类直接用水有关的效益^[50]。在这种观点下, 植被覆盖率高的陆地自然空间被认为是主要的产水者和节水者, 如森林和草地, 它们通过拦截和蒸腾作用实现水的供应和调节^[51—52]。相比之下, 在计算中往往忽略了已经产生和维持的原始水空间和水生生态系统的生态作用^[53]。因此, 有必要制定具体指标将水生生态系统的直接和间接贡献纳入生态系统服务评估框架。

目前, 大多数现有的评估框架很少平等地考虑水域和陆域生态系统服务评估, 而是将水生生态系统服务作为陆生评估的一部分。他们的典型方法包括使用产水量或水平衡模型来表示与水直接相关的生态系统服务^[54—55], 通过专家打分来评价不同土地利用类型的生态系统服务^[56], 以及从联合国千年生态系统评估的分类框架中选择指标(如粮食安全、水的补充和生物多样性保护)^[57]。但在本研究中, 水生生态系统服务有一个单独的评价指标体系, 通过绘制与水有关或对水生生态系统有潜在影响的环境指标, 如与湿地的距离、洪水淹没范围和不透水表面的面积来表征。为保证识别出的源地能够提供重要的全域生态系统服务, 水域、陆域各自的评价结果并非简单的空间叠加, 而是通过耦合度模型结合, 使得识别结果能囊括水陆两域ESs供给能力均较强的区域。

从评价结果来看, 将研究区规划中划定的重要湖荡蓝线与研究识别所得源地叠加后太湖、元荡-淀山湖、汾湖等76座湖荡区基本都位于生态源地范围内, 空间重合率达到81.12%。这一高重合率为水-陆耦合评价框架的合理性提供了依据^[58—59]。此外, 识别结果还包括重要湖荡周边的湿地、林地及近郊或靠近水源的耕地。在农田资源充足而林地、草地极为有限的情况下, 对照研究区规划中提出的需在2035年前将森林覆盖率由8.6%提升至12%的预期目标, 陆域生态斑块可作为示范区郊野绿地、森林公园等生态用地的选址参考。

4.2 国土空间生态修复建议

在本研究中, 我们考虑对不同等级的源地实施不同的保护与修复策略, 各等级的具体修复模式如图 9所示。一级源地包括太湖和元荡-淀山湖两大风景区, 具有较高的娱乐和净水服务能力, 对研究区生态系统服务供给具有决定性影响。应禁止任何对生态环境有危害的开发建设活动, 立足当地文化景观遗产建立示范区“生态绿心”。二级源地是生态修复的主要空间, 它不仅提供重要的个体ES, 也是城市空间与一级源地间的过渡区域。对于这些位置分布关键的生态空间, 有必要通过实施生态恢复、河流连通性加强和农村自然环境改善措施, 提高斑块的完整性, 扩大栖息地规模。三、四级源地斑块规模相对较小, 分布广泛, 可以在区域范围内组装并整合成更大的斑块。这些斑块将在远期规划中将被用作连接示范区大型保护区和重要生态枢纽的关键地点, 建立郊区绿地和湿地公园。

在上海大都市圈、长江中下游平原这样的快速城市化地区, 自然空间的治理需要根据优先次序制定详细的策略, 以应对复杂多样的生态风险。我们的研究成果可以为未来城市生态网络规划中优化自然资源管理和环境保护的决策提供空间参考指导。

4.3 研究不足与展望

生态系统服务的量化计算和生态安全格局构建的过程受到区域尺度、数据采集精度等方面的很大制约, 因此本研究的评价体系建设和关键生态源筛选技术在精确性上存在局限性, 如何获取以及利用当下各类智能技术支持下所提取的多源数据将是未来定量研究值得关注的问题之一。此外, 本研究依赖过去某个时期的区域数据切片进行静态分析, 对于动态变化情况下形态学导向的生态安全格局与关键空间的识别构建还未有涉及。后续研究可从以下方面展开：1)基于多源数据探索水域生态系统服务定量评估方法, 形成适用场地范围更广、服务类型更全面的生态系统服务综合评价模型；2)结合供给与需求的协调关系探讨不同生态系统服务之间协同或权衡的相关性对特定尺度区域生态空间识别造成的影响^[60]；3)在国土空间规划和长三角生态绿色一体化建设的相关背景下, 进一步结合中远期土地政策, 对自然发展、经济发展、环境友好等情景下土地利用的变化进行动态预测。

5 结论

在长三角一体化国家战略发展背景下, 本文以长三角绿色生态一体化发展示范区为例, 进行基于水-陆耦合生态系统服务的生态安全格局构建研究, 获得以下结论：

1) 研究从陆域、水域两个层面构建水-陆耦合的生态系统服务综合评价体系, 通过量化计算得到陆域重要生境斑块34.31km², 多为近郊或靠近水域的耕地, 可为区域森林覆盖面积提升和研究区公园绿地选址提供经济合理的选择；得到水域重要生境斑块272.50km², 与示范区规划蓝线重合率高达81.12%, 为江南水乡空间的存续提供了较为可靠的理论依据。

2) 将高水-陆耦合度的斑块通过最小面积阈值筛选为生态源地, 共得到源地41个, 总面积206.79km², 占全域面积的8.57%, 总体呈现“西北多东南少”的格局。改善了以往研究聚焦陆域环境的局限性, 使区域国土空间生态源地的识别方法更完整全面。

3) 基于MCR模型和电路理论提取得到89条生态廊道和91个生态节点, 优化了研究区生态安全格局。生态廊道总长586.35km, 分布均匀呈网状结构；生态节点总面积39.1km², 占研究区总面积1.62%, 包括生态夹点44处, 面积约1.57km², 障碍点47处, 面积约37.53km², 集中于吴江区。针对生态系统服务综合评价结果、区域生态安全格局构建结果提出国土空间生态修复对策建议, 根据景观连通性分级结果对4级源地进行生态保护与修复, 并绘制修复模式图, 对我国其他快速城市化地区的国土空间合理布局、自然资源优化配置具备一定的实践意义。