基于电路理论的南四湖流域生态安全格局构建与多情景模拟预测研究

《Journal for Nature Conservation》：Ecological security pattern and simulation prediction based on circuit theory: a case study of the Nansi Lake Basin in China

　　本研究针对快速土地利用/覆被变化(LULC)和工业化加速威胁区域生态稳定性的问题，以南四湖流域(NLB)为案例区，开展了生态安全格局(ESP)构建与模拟预测研究。研究人员通过集成栖息地重要性、生态系统功能和景观连通性的综合评价框架识别生态源地(ESAs)，基于最小累积阻力模型(MCR)和电路理论构建生态阻力表面(ERS)并识别生态廊道(ECs)，进而耦合灰色多目标优化(GMOP)与斑块生成土地利用模拟(PLUS)模型，模拟预测了2035年三种情景下的LULC变化，并优化了ESP。结果表明，生态保护情景(ECS)下生态用地比例显著增加，ESP更符合政策规划；生态源地和廊道受LULC类型分布影响，集中分布于研究区东部。该研究为类似区域ESP构建和生态保护提供了科学参考。

　　

在快速城市化与工业化浪潮的席卷下，中国的区域生态环境正经受着前所未有的考验。土地资源被不断挤压，生态空间持续萎缩，如何维系区域可持续发展所依赖的生态安全，已成为摆在管理者与研究者面前的严峻挑战。南四湖流域，作为中国北方最大的淡水湖和南水北调东线工程重要的调蓄枢纽，其生态地位的敏感性与重要性不言而喻。然而，该流域同样面临着人地矛盾突出、生态用地锐减的困境。在此背景下，从动态视角出发，科学构建生态安全格局，优化土地利用结构，对于提升生态系统服务功能、保障区域生态安全具有迫切的现实意义。近期发表于《Journal for Nature Conservation》的一项研究，由曲阜师范大学的刘迎春等人完成，他们以南四湖流域为研究对象，开展了一项融合多模型、多情景的生态安全格局构建与模拟预测研究，为区域生态保护与空间规划提供了新颖且系统的解决方案。

为了达成研究目标，作者团队综合运用了多种关键技术方法。首先，他们构建了一个包含栖息地重要性（通过InVEST模型评估栖息地质量）、生态系统功能（量化碳固存、土壤保持和产水量服务）和景观连通性（基于形态学空间格局分析MSPA和潜在连通性指数）的综合评价框架来识别生态源地。其次，基于最小累积阻力模型，综合考虑自然环境、社会经济和可达性等多维因子，构建了生态阻力表面，并创新性地结合电路理论来识别生态廊道以及关键的生态夹点（EPPs）和生态障碍点（EBPs）。最后，为了预测未来变化，研究耦合了灰色多目标优化模型与斑块生成土地利用模拟模型，设定了自然发展（BAU）、经济发展（EDS）和生态保护（ECS）三种情景，模拟了2035年南四湖流域的土地利用/覆被变化，并在此基础上预测了未来的生态安全格局。研究所用的土地利用/覆被数据来源于中国30米分辨率年度土地覆盖数据集，其他数据如DEM、气象、土壤、人口密度和GDP等来自公开数据库或统计年鉴。

4.1. 生态安全格局

4.1.1. 生态源地

研究结果显示，南四湖流域的平均栖息地质量值为0.22，其空间分布与土地利用/覆被类型显著相关。极高值区集中在南四湖水体以及东部的低山丘陵区（对应森林、草地和水体），而低值区则分布于人类活动频繁的城市建设区。生态系统功能的空间格局同样受到土地利用/覆被类型的影响，建设用地产水量高导致其生态系统功能等级相对较高。景观连通性高值区主要位于南四湖及山亭区等生态用地集中区域。通过加权叠加，最终识别出的生态源地空间上集中于南四湖区域和东部地区，主要由水体（65.03%）、森林（22.96%）和草地（12.01%）构成。

4.1.2. 生态廊道

构建的生态阻力表面显示，自然环境因子（合计权重0.60）是阻力的主要来源，其中土地利用/覆被类型单独贡献了0.2960的权重。高阻力值主要分布在人口密集的建设用地，低阻力值与生态源地的分布高度吻合。基于电路理论，研究共识别出连接30个生态源地的63条生态廊道，总长度1132.92公里。廊道分布以东部的泗水县、邹城市和滕州市最为密集，西部地区仅有6条廊道，这表明东部地区的生态连通性更高。

4.1.3. 生态安全格局优化

研究在“源地-廊道”基础框架上，进一步识别出29个生态夹点和19个生态障碍点，形成了“生态源地-生态廊道-关键节点”的优化生态安全格局。根据生态源地的地理分布，将其划分为南四湖区、东部区和北部区三个区域，各区之间的廊道走向与源地位置密切相关。连接南四湖区与东部区的6条廊道被确定为重点生态廊道。这些关键区域被视为生态保护和修复的优先区。

4.1.4. 管控分区与规划建议

基于优化后的生态安全格局，南四湖流域被划分为核心区、缓冲区、过渡区、优化区和治理区五个管控分区，并针对每个分区提出了相应的管理措施，如核心区实施严格保护，缓冲区建设防护林带，过渡区发展农田防护林体系等。

4.2. 土地利用/覆被变化

对2000-2020年土地利用/覆被变化的分析表明，耕地和草地面积持续减少，而建设用地和森林面积呈增加趋势，其中草地在2010-2020年间减少了40.65%。模拟至2035年，三种情景下土地利用/覆被结构排序未变，但变化趋势各异。在生态保护情景下，森林和草地面积显著增加（分别增长36.95%和46.86%），而自然发展情景下耕地减少、建设用地扩张的趋势延续，经济发展情景下建设用地的扩张最为剧烈。

4.3. 生态安全格局预测

基于2035年土地利用/覆被模拟结果，对未来生态安全格局的预测表明，生态保护情景下的平均栖息地质量（0.2344）、生态系统功能（0.2645）和景观连通性（1.6032）均优于自然发展情景和经济发展情景，说明该情景下的生态用地增加和结构优化有效改善了生态环境。生态源地的空间分布在三种情景下相对稳定，但经济发展情景下巨野县的生态源地消失。生态夹点和障碍点仍密集分布于东部地区。生态廊道的数量在生态源地数量相同的情况下，表现为经济发展情景 > 自然发展情景 > 生态保护情景，反映出生态保护情景下景观连通性改善，物种迁移成本降低。

5. 讨论与6. 结论

该研究的核心贡献在于构建了一个集成了多方法、并连接生态评估与空间规划及政策情景的动态生态安全格局框架。通过从栖息地重要性、生态系统功能和景观连通性三个维度综合识别生态源地，构建多因子生态阻力表面，结合最小累积阻力模型与电路理论识别廊道和关键节点，并运用GMOP-PLUS模型预测不同政策情景下的未来生态安全格局，本研究为南四湖流域的生态保护提供了一个更全面、更具前瞻性的视角。研究结论强调，南四湖流域的土地利用/覆被变化主要表现为建设用地对耕地的侵占，协调城市扩张与生态安全是当前面临的主要问题。生态保护情景下的模拟结果与《南四湖流域生态保护修复专项规划（2021-2035）》的目标相契合，表明通过优化土地利用结构可以有效提升区域生态安全水平。研究所提出的“源地-廊道-关键节点”优化模式、管控分区方案以及多情景动态预测方法，不仅为南四湖流域的生态保护与空间规划提供了直接的科学依据和决策支持，也为其他面临类似土地利用冲突和生态保护压力的区域提供了可借鉴的理论框架和实践范例。尽管在权重赋值、廊道宽度阈值确定等方面存在局限，但该研究无疑在推动生态安全格局研究从静态描述向动态模拟、从单一生态要素考量向多目标协同优化迈进方面，迈出了坚实的一步。