Zeng, W., Tang, H., Liang, X.*, Hu, Z., Yang, Z., Guan, Q., 2023. Using ecological security pattern to identify priority protected areas: A case study in the Wuhan Metropolitan Area, China. Ecological Indicators 148, 110121.
作者简介：
曾文：博士，教授，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院。研究方向：空间计算智能、地理网络模型及优化算法、城市管线网地理信息系统、交通地理信息系统、智慧城市和数字市政。
唐欢：硕士，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院。研究方向：景观生态研究。
梁迅（通讯作者）：博士，教授，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院。研究方向：地理时空动态模拟和城市规划。（联系方式：liangxun@cug.edu.cn）
扈震：博士，副教授，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院。研究方向：空间计算智能、城市网络模型应用、城市管网地理信息系统、智慧城市GIS应用。
杨之江：博士，讲师，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院。研究方向：空间计算智能、城市网络模型应用、城市管网地理信息系统。
关庆锋：博士，教授，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院。研究方向：时空大数据、空间计算智能、空间感知与计算、高性能地理空间计算。
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摘要
保护区在缓解生态危机方面发挥着关键作用。目前，优先保护区（PPA）侧重于生物保护，很少有研究考虑了斑块之间的连通性。同时，也缺少研究从生态安全格局（ESP）和保护区有效性两个维度制定未来的保护措施。为了填补这一空白，本次研究考虑使用ESP来确定满足未来保护目标的区域。我们以武汉城市圈为研究区域，构建了一个基于优先保护区去制定保护发展规划的框架。该框架构建了一套完整的方法体系，重点从景观连通性出发构建评价指标体系。然后进行保护区有效性的评价，以及优先保护区的选取。研究结果表明，现有保护区中存在5个孤立保护区。同时，我们识别出的优先保护区的总面积为9328.91km2，具备较高的连通性和生态价值。由于优先保护区的被保护率较低，优先保护区不是PA的主要保护目标，因此我们将优先保护区作为未来保护区的新增区域。根据我们的规划，在未来的保护工作中不同类别的优先保护区将实现不同的作用。我们的框架侧重于实现可持续保护，制定新的环境保护和土地规划措施，用以平衡生态保护和城市发展。该框架可以提供关键信息去支持2030年可持续发展愿景的实现。
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引言
人类活动导致的全球变化导致了生物多样性丧失、土地退化和气候变化，随之而来的生态服务和资源的减少给人类带来了挑战。保护区(PA)是全球公认的解决这一问题的战略，可以减轻日益增加的人类压力，减少栖息地损失，并保持物种的可持续性。《欧盟2030年生物多样性战略》指出，到2030年，至少有30%的陆地区域需要受到保护，保护目标的增加意味着保护范围的扩大，因此在资源有限的情况下确定优先保护区域是首要的问题，因此我们的首要问题是确定优先保护区域。
在以往的研究中，大部分的优先保护区是用于保护生物的多样性，特别对研究区域的濒危物种和重点物种实施保护措施。但是从生物多样性出发没有考虑人类对环境的需求，因此有研究增加了社会层面的考虑，综合多个生态系统服务因子确定优先区域。目前一些研究确定的PPA包含着人类影响较大的区域,不能很好地控制城市的扩张和生态保护。更重要的是，该战略也提出需要建立一个连贯的自然网络的建议，高水平的景观连通性被视为人类气候变化下物种适应的关键。部分研究也提出丧失栖息地之间的连通性将造成更大的损失，因此我们考虑将景观连通性纳入优先保护区的规划中。生态安全格局(ESP)可以利用其独特的空间布局，有效协调经济发展和生态保护两个过程，更好地识别出区域生态服务、安全和可持续性外的优先领域，可通过识别区域生态安全格局、有效抑制城市无限扩张、修复受损土地结构、保护生物多样性等方式有效控制特定生态过程。因此，考虑到欧盟2030战略中对未来PAs的规划，ESP依靠“源头识别-阻力面建设-廊道提取”的构建范式，不仅能识别具备高生态价值的优先保护区域，廊道也能在增加景观连通性的同时控制城市扩张，最终能提供一个高水平的连通网络，给保护区的范围扩大提供了一个良好的发展机会。
基于对生态过程和景观格局之间联系的理解，ESP可以识别出改善景观连通性和控制某些生态过程的重要区域。ESP的第一步是识别出生态源地，生态源地是对生态系统整体健康、生态过程和功能具有关键作用的生态斑块，由于保护区对生态具有较强的正向效应，部分研究选择将保护区数据直接作为生态源地，但是为了减少生态源地选取的主观性，大部分的研究根据研究区的实际情况构建综合评价指标体系来选取生态源地，选取生态系统服务、景观连通性或者生态敏感性等指标，由于景观的破碎性也会考虑生态斑块之间的连通性。下一步则是根据生态阻力面提取生态廊道，生态阻力面是基于土地覆盖物的价值分配，除此之外，也会根据研究区条件利用石漠化因子和夜间光照强度数据来修正阻力面。生态廊道是重要的景观要素，连接了离散的生态源区，保持了生态过程的完整性和稳定性，大多研究利用最小成本路径识别生态廊道，但是这种方法忽略了物种随机游走的特性，因此部分研究利用电路理论模拟物种的行为特征识别廊道。
要想成功地实现保护目标，除了关注保护区的覆盖面积外，也要确保保护区的有效性。高效的保护区能一定程度上恢复生态活力，但是在某些地方建立保护区会导致景观退化和气候变化，从而改变物种的生存范围，并且部分保护区中存在的非法开发活动也破坏了生态条件，这些情况使得有些保护区不再有意义。
然而，现有的大部分研究只考虑了生态系统服务和生物多样性等指标，很少有研究将景观连通性纳入评价体系，因此我们考虑使用ESP来获取高连通的优先生态保护区。同样地，也很少有研究从保护区的保护区效力和ESP两个方面，综合讨论未来生态保护的发展方向。由于欧盟生物多样性2030战略中提出了高连通网络的重要性，因此，本研究综合考虑研究区的生态现状和景观连通性，并评估了现有保护区的有效性，从而确定符合未来保护发展的优先区域。我们将制定一套完整的方法体系，为未来保护政策的制定提供一定的建议和依据。
本研究以武汉都市圈为研究区域，为了满足未来的保护要求，我们尝试构建出一个综合的框架，能在有限的资源下，评价现存的保护区状况，确定生态的分布格局和重点区域，获取不同等级的有限保护区。结合保护区有效性的定量分析，制定出匹配未来发展愿景的保护计划。
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研究方法
本次研究主要分为四个部分：
（1）武汉城市圈生态资源的计算和评价
将景观连通性作为重要生态指标，结合生态系统服务和生物多样性构建出完整的生态评价指标体系。基于武汉城市圈有限的生态资源，使用MSPA、InVEST和热点分析等方法，计算各项生态评价结果，从空间结构的角度衡量景观之间的连通度，并可视化表达出不同生态服务功能对环境的贡献程度。
（2）建立生态安全格局
依据生态安全格局中“源头识别-阻力面建设-廊道提取”的普遍构建范式，从多个生态评价结果出发，识别出具备高生态价值的生态源地，并结合MCR (Minimum Cumulative Resistance) 模型和电路理论获取武汉城市圈的生态廊道，并筛选出廊道中物种迁移的频发地区作为关键区，从而获取武汉城市圈的生态安全格局。
（3）现有保护区的有效性评价
通过计算保护区之间的连通性，以及在不同生态因子中的表现情况，综合评价武汉城市圈现存保护区的保护效力。基于有效性结果划分保护区等级，进一步分析不同保护区在未来发展中维持环境的能力以及存在的必要性，以及制定不同等级保护区的具体发展规划。
（4）制定未来保护区发展规划
在武汉城市圈有限的生态资源下，通过叠加分析各项生态指标，综合生态安全格局的空间分布，识别出武汉城市圈的优先保护区，能在提供生态服务和物种保护的同时，具备较高的景观连通性。考虑将最终的优先保护区划分出不同的优先级，再结合现有保护区有效性评价，能制定匹配未来发展需求的保护计划。
图 1 研究框架和技术方法
主要研究方法如下：
（1）计算景观连通性
形态学景观格局分析（MSPA）通过对二值栅格图像进行侵蚀、膨胀和锚定等形态学运算，将初始影像分类为九个互斥类别，由于其需要的数据量小、分析结果可视化，常用于测量、识别和划分栅格图像的空间格局。本次研究中将林地、水体和草地作为研究前景，经MSPA计算后得到了7个互斥类别（核心区、孤岛、孔隙、边缘区、连接桥、环岛和支线），其中核心区为大型的自然斑块，具有较高的连通性，在Conefor2.6软件中计算核心区的连接性积分指数（IIC）和连接性概率（PC），设置距离阈值为1000m和连通概率为0.5。
其中，n是生态斑块的总数，ai是斑块i的面积，nlij是斑块i和j之间最短路径的连接数，pij是斑块i和j之间所有路径的最大乘积概率，AL是总景观面积。根据IIC和PC值计算出每个斑块dPC和dIIC值。通过dPC和dIIC值可以判断每个斑块在景观格局中的重要性，当移除或者破坏这个斑块时，整体景观连通性发生的改变。
（2）计算生态系统服务
武汉城市圈具备丰富的水资源和生物资源，近年来由于城市化发展迅速，长期的建设活动导致森林资源减少和水土流失，对生态环境和物种生存都造成了严重威胁。而生态资源的减少则会对人类福祉和社会可持续发展造成影响。根据这些环境特征，我们选择生境质量、碳存储、水源涵养和土壤保持作为评价因子，由于这四个因子使用，从植被-水-土壤-生物环境4个方面解释研究区生态系统服务现状。
生境质量：生境质量为生态系统为个体和种群持久性提供适当条件的能力，受到人类活动和土地利用变化的干扰。将城市、农村居民地、水田、裸地、旱地、铁路和公路作为威胁源，利用InVEST中的Habitat Quality模块估算研究区生境质量：
其中，Qxj是不同土地类型的栖息地质量值，k是半包合常数，Hj是土地利用类型j的栖息地适宜性，Dij是土地类型的威胁级别。
土壤保持：使用修订后的通用土壤流失方程(RUSLE)进行计算：
其中，A是年平均土壤侵蚀量，R是降雨侵蚀力系数，K是土壤可蚀性系数，LS是地形因子，C是植被覆盖度和管理因子，P是水土保持因子。
碳存储：通过增加和去除大气中的二氧化碳，可以达到调节气候的作用。计算不同土地利用情况下的碳存储量有助于支持相关部门的决策。利用InVEST中的Carbon Storage and Sequestration模块对碳存储量进行估算：
其中，Ci表示土地利用类型i的总碳密度，Ci-above为土地利用类型i地上植被的碳密度；Ci-below为土地利用类型i地下活根的碳密度；Ci-soil为土地利用类型i土壤中的碳密度；Ci-dead为土地利用类型i植被枯落物的碳密度；Ctotal表示碳储总量；Si代表土地利用类型i的总面积。
水源涵养：通过计算不同土地类型的产水量，再减去对应的地表径流水量，可以用于描述研究区调节径流、维持生态的能力。利用InVEST中的Annual Water Yield模块对产水量进行估算：
其中，Y(x)是研究区域每个网格单元x的年产量，AET(x)研究区域每个网格单元x的年蒸散量，P(x)研究区域每个网格单元x的年降水量。
（3）识别生态廊道及其关键区域
选取海拔、坡度、土地类型、距离道路的距离和建设用地等五个指标，构建了综合阻力指标体系，计算得到生态阻力面。基于生态阻力面，使用最小累积阻力模型（MCR）识别生态廊道。
根据电路理论的原理，当若干数量的电子随机游走时则会产生若干条电路，累积电流值可用于确定生态廊道的重要性，越高的电流密度值越表明物种通过的可能性越高，对景观的连通性也具有重大的影响。因此在ArcGIS中使用“Linkage Mapper”工具箱获取5000m的生态廊道，选取累计电流密度前10%的区域作为生态廊道的关键区域。
（4）保护区有效性评价
世界保护区数据(WDPA)提供了全球PAs的矢量边界数据，但是对于研究尺度较小的武汉城市圈来说，WDPA提供的PAs数据不完整，因此使用国家基础地理信息数据库中的PAs数据来补充武汉城市圈的PAs分布。
本次研究在Conefor2.6软件中计算核心区的连接性积分指数（IIC）和连接性概率（PC），设置距离阈值为2500m和连通概率为0.5，等权相加dIIC和dPC的值得到每个保护区的景观连通值（Cpa）。以往的研究从生态服务和物种分布的角度来衡量保护区的有效性，在本次研究中我们引用Bai的研究中的PPP (percentage of overlap of PAs with priorities) 参数定量评价保护区在不同生态条件下的重叠百分比，用于评价生态系统服务和生物多样性被保护的情况。最终，综合不同评价指标的计算结果，本次研究中保护区有效性的计算公式如下：
其中，E是每个保护区的有效性值。C是每个保护区的景观连通值，由Cpa归一化得到。PES为生态系统服务的热值区域在保护区中的面积占比，PCB为生物多样性的热值区域在保护区中的面积占比。
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生态安全格局
武汉城市圈的生态安全格局由22个源地和51条廊道组成，廊道总长2172.70 km，平均长度42.6km，其中最长的廊道为158.85km，连接了武汉城市圈南部和北部的两个生态源地(图2a)。在生态廊道基础上，利用电路理论计算源地之间的累计电流值，电流最大值是0.13，最低值是0。电路理论识别出的廊道总面积是8493.16 km2，占研究区面积的14.63%(图2b)。从图中可以看见，廊道的宽度是不定的，会受到阻力值的影响，高阻力值集中分布的地区人类活动强度大，会对生态空间造成挤压和干扰，使得廊道的宽度变窄，而比较宽的廊道则表示物种的移动空间较大，受到的限制较小。
图 2 生态安全格局.（a）生态源和廊道的空间分布，（b）电流密度值的空间分布
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保护区有效性
武汉都市圈保护区的数量为36个，面积为3703.01 km2，占研究区面积的6.38%。将36个pa按照有效性值分为4个等级(图3a)。结果表明一级保护区有11个，主要分布在黄冈、黄石、咸宁和孝感，大约占保护区的50.53%。一级保护区（Level1）在连通性、生态服务和生物多样性上都有较高的值，具备较高有效性，需要制定严格的保护措施。二级保护区有7个，大约占保护区的21.81%，分布在黄冈、黄石和孝感。二级保护区（Level2）只在两个评价指标上表现良好。三级保护区（Level3）有13个，大约占保护区的27.06%，分布在武汉、鄂州、咸宁和黄冈，三级保护区只在一个评价指标上表现良好。四级保护区（Level4）有5个保护区，分布在武汉、咸宁和孝感，这部分的保护区连通性低，缺少保护物种生存或者维持生态服务的功能，在未来的发展中可以考虑剔除这部分保护区。
图 3 现存保护区有效性评估结果.（a）保护区的分布，（b）不同等级保护区的土地利用类型面积，（c）不同等级保护区的高程分布，（d）参数敏感性分析结果
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识别优先保护区
参考ESP中选取生态源地的方法，统计景观连通性和热点分析结果叠加次数。从经济效益的角度出发，重叠次数等于1的区域面积大，只在单一指标具备较高的值，并且从空间分布上看，该区域分布于城市附近，容易受到人类活动的干扰，将其作为保护区不仅保护成本大，在环境改善上具备局限性。因此将叠加次数大于2的区域作为优先保护区域的来源之一(图4a)，这部分区域可以在改善景观碎片化的同时，保护物种生存并提供生态服务。
在生态保护中，保护景观之间的连通性能获得更大的保护收益，《欧盟生物多样性2030战略》提出要构建高度连通的保护网络，因此有必要加大对高度连通区域的保护力度。ESP中的廊道能维持生态过程的发生，打破行政区域界限，构建一个具备协调保护能力的生态网络。其中的高值区域则是物种迁移的高频区域，因此我们选取累计电流强度值的前10%作为优先保护区的来源之一(图4b)。
综合以上两个数据，根据生态条件进行优先级划分，最终得到的优先保护区的总面积为9328.91km2(图4c)。Tier1作为一级保护区，面积为3749.87km2，其中有10.01%的区域被保护。Tier1有79.12%的区域属于ESP中的生态源地，是维持生态系统完整，促进生态过程发生的关键斑块，具备较高的连通性和生态价值。Tier2作为二级保护区，有8.72%的区域被保护。从高程分布图来看(图5b)，tier1和tier2的高程分布在250m附近，处于武汉城市圈的高海拔地区，人类活动对生态环境的影响较小。该地区林地资源丰富，有利于提供较高的生态系统服务，以及适宜的物种栖息地。但是现有保护区的高程位于-25-150m之间(图3c)，导致了保护区在优先保护区中的覆盖率低，因此tier1和tier2可以弥补高海拔保护区的空缺。将廊道的高值区域作为三级保护区（Tier3），只有5.93%的区域被保护，tier3集中分布于低海拔地区。
图 4 （a）景观连通性、生态系统服务和生物多样性的重叠数量，（b）累积电流强度值的前10%，（c）不同等级优先保护区的空间分布
图 5 （a）不同等级优先保护区的土地利用类型面积，（b）不同等级优先保护区的高程分布
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结论和讨论
面对国内外对生态保护和绿色可持续发展的要求，本次研究提供了一个完整的框架，可以从现有保护区的有效性和优先保护区两个方面提出实现未来保护目标的发展计划。首先，根据现存保护区有效性计算结果，保护区被划分为Level1-Level4四个等级，为了实现利益最大化，我们可以移除掉5个孤立保护区，将投入到这类保护区的资金等进行重新分配，重点在Level1-Level3中实施生态保护和恢复。其次，我们发现优先保护区不是保护区的主要保护目标，Tier1-Tier3的保护率均低于11%。因此我们根据不同等级的优先保护区制定了发展规划，由于Tier1和Tier2具有较明显的层次结构，我们可以将Tier1作为后续保护区规划的核心区域，采取严格的管控措施，将Tier2作为核心保护区的缓冲区，减少外部活动对核心区的破坏，将Tier3作为生态中的“踏脚石”来保持栖息地连通，并增加保护区网络的可达性。
我们的研究成果一定程度上也支持了SDG11和SDG15的实现，框架中提出的ESP可以有效地促进SDG11，能够在控制城市负面影响的同时实现环境之间的紧密联系，最终实现城市的可持续发展。并且我们提出的优先保护区对于实现SDG15至关重要，它提供了一个合适的场所用于保护和管理不同的生态资源。在这次研究中，该框架将为社会提供更丰富的决策数据，更好地支持区域发展规划以及土地恢复相关政策的制定。
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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