针对不同保护目标的多尺度生态源识别与优化框架

《Landscape and Urban Planning》：A multi-scale identification and optimization framework of ecological sources for different conservation objectives

　　黄玉婷|严文涛|沃尔夫冈·温德|肖思力
中国上海同济大学建筑与城市规划学院城市规划系

摘要
具有高生态系统服务供给能力且具备良好景观连通性的生态源，对于有效的生态保护至关重要，而这些特征会因保护目标与尺度不同而有所差异。本研究将长江三角洲地区划分为三个尺度：更大范围的三角洲区域、都市区以及地级市。通过整合生态系统服务供给、功能连通性与结构连通性，比较了两种保护目标下生态源的空间分布、尺度可转移性及灵活性——即综合重要性导向与高价值区域覆盖导向。研究结果表明，以高价值区域覆盖为导向的生态源需要更大的面积，且其土地利用复杂性也高于以综合重要性为导向的生态源。这些差异显著受尺度和面积影响，在较小尺度及中小型生态源中更为明显。在各种保护目标与尺度下，那些具有高功能优先级的大型生态空间（如林地、草地和水体）往往是各生态源的重叠部分。这表明，在整合多种保护目标的保护策略中，应优先考虑大型生态源，因为它们在更大尺度上更具适用性。以高价值区域覆盖为导向的生态源具备更好的尺度可转移性。不过，在都市区的调节作用下，这两种类型的生态源都能实现有效的跨尺度生态过程连通性。灵活的保护措施应重点关注缓冲带、生态源之间的碎片化区域以及生态源内部的空隙。此外，鉴于生态源往往跨越多个行政区域，因此需要在规划范围之外的更广阔空间尺度上进行协调的跨区域保护。本研究通过比较不同保护目标与尺度下的生态源，旨在优化城市聚落内的多尺度、多目标、协同化的灵活生态保护规划，从而提升区域与城市的生态安全。

引言
气候变化与人类活动的加剧导致了生态空间的丧失、破碎化及孤立现象日益严重（Almond等人，2021；IPCC，2022；Molné等人，2023）。 Consequently，全球超过一半的生态系统服务正面临严重的退化风险，这对人类福祉构成了巨大威胁（Horváth等人，2019；千年生态系统评估，2005）。近期的生态保护研究表明，准确识别空间上的保护优先区域对于缓解这些生态风险极为有效（Almond等人，2021；Donati等人，2022；Donati等人，2025；IPCC，2022；Molné等人，2023）。这些被称作生态源的生态空间保护优先区域，是景观中承担重要生态功能的核心区域（Gao等人，2024）。最初，保护生态源的主要目标是通过改善物种栖息地来保护生物多样性（Gilbert等人，1998；Hagen等人，2012）。随着时间推移，这一目标逐渐扩展为增强生态空间的多功能连通性，以保障生态系统服务的供给（Chen等人，2024；Daily等人，2009；Longo等人，2021）。

从自然与半自然土地覆盖的更广泛视角来看，各类多功能生态空间（如林地、草地、水体、农业用地等）能够支撑多样的生态过程，对维持生态系统服务的全面供给起着关键作用（Cocco等人，2023）。一些研究强调以综合重要性为导向的保护目标，即优先保护那些具有高生物多样性、复杂生态过程及多样生态功能的生态系统空间（Chen等人，2024）。在这种保护目标下，研究人员通常通过综合加权指数来最大化生态源的总体生态效益（Zhang等人，2022b）。例如，Longo等人通过构建综合生态系统服务指数，识别出与农业功能（如作物供给和土壤保持）及调节功能（如碳储存、水资源保护、土壤保持和栖息地质量）相关的生态源（Longo等人，2021）；Yang等人则通过构建生态功能综合质量指数来识别此类生态源（Yang等人，2025）。综合加权指数方法因其整体性而受到广泛关注，但其仍存在主观权重分配问题以及平均效应的潜在风险（Li等人，2023；Shen等人，2023）。更重要的是，如果只专注于保护那些生态系统服务供给最丰富的生态源，可能会忽视那些虽不具备足够的功能多样性，但能支撑稀有或独特生态功能的空间单元（Pollock等人，2017）。为解决这一问题，一些研究者提出了以高价值区域覆盖为导向的保护目标，即优先保护那些具有不可替代生态功能或过程的生态系统空间（Lanzas等人，2019；Xu等人，2024）。在这种保护目标下，人们通常采用热点叠加法来表示生态系统服务的全面供给情况。例如，Xu等人将四种不同生态系统服务的热点区域整合为生态源（Xu等人，2024），而Chen等人则将生态源定义为包含多个生态系统服务热点的重叠区域（Chen等人，2023）。热点叠加法更有利于识别关键生态系统服务的核心区域，因此适合用于保护那些不可替代的生态功能。然而，这类方法可能会导致生态源的分布变得零散，从而增加协调保护的难度。此外，由于其对热点边界的高度敏感性，也可能降低结果的稳定性（Huang等人，2021）。总体而言，以综合重要性为导向与以高价值区域覆盖为导向的保护目标在保护优先级上存在显著差异，这些差异可能导致所识别出的生态源在数量、空间分布及生态要素构成方面出现不一致性（Pollock等人，2017）。尽管如此，目前的研究在解决不同保护目标下生态源的不一致性问题，以及如何将这些不一致性科学地纳入生态空间管理策略方面仍显不足。

大量证据表明，多功能生态空间中的生态系统服务供给与景观连通性密切相关，即景观在促进生物与物质迁移方面的能力（Mitchell等人，2013）。功能连通性指的是景观支撑物种迁徙以及物质与能量流动的能力，它通过维持生态过程的连续性，直接影响生态系统服务的供给（Brooks，2003；Chen和Fu，1996；Liu等人，2022）。那些生态环境条件良好且受人类干扰较小的生态源，通常具有较高的功能连通性（Chen和Fu，1996），因而也能维持更高的生态系统服务供给水平（Schreiber和Karl-Friedrich，1988）。现有研究通常通过构建与生态源主要功能相关的综合加权指数来评估功能连通性（Chen等人，2024；Shen等人，2023）。常见的指标包括反映生态系统健康的正向指标，如栖息地质量与气候适宜性（Hou等人，2021；Qian等人，2023），以及反映社会经济干扰的负向指标，如土地开发强度与夜间光照强度（Cao等人，2024；Xiao等人，2020）。然而，当涉及多种生态系统服务时，即便采用综合指标体系，也可能无法完全捕捉到支撑生态系统服务供给的各类生态过程，从而导致难以准确反映实际的功能连通性（Butler等人，2022；Pashanejad等人，2024）。结构连通性则指的是各个生态斑块之间的空间联系（Godet和Clauzel，2021；González，2023）。作为功能连通性的物理基础（Chen和Fu，1996），结构连通性间接影响着生态系统服务的供给。它取决于生态源的规模、形状及空间分布状况（Liu等人，2022；Xu等人，2024）。用于优化生态源结构连通性的常见方法包括景观格局指数（Lookingbill和Minor，2017）、形态空间格局分析（MSPA）（Guo等人，2025）以及图论方法（Clauzel等人，2024；Liu等人，2022）。然而，仅依靠结构连通性并不足以确保有效的生态系统服务供给。即便生态空间在结构上是相连的，由于不同物种及生态系统服务类型之间的流动条件存在差异，功能连通性仍可能受限（Lookingbill和Minor，2017）。因此，识别那些兼具高生态系统服务供给能力与高功能连通性的生态源，并进一步优化其结构连通性，才能更有效地提升生态系统服务的整体供给水平。

生态过程与人类活动共同推动着生态空间结构与功能的形成、维持与变化，而这些机制在不同尺度上存在差异（Meacham等人，2022；Opdam等人，2006；Oshan等人，2022；Yan等人，2021）。因此，生态源的识别与连通性优化结果很难在不同尺度之间保持一致性，尤其是在不同的保护目标之下，这就增加了保护成效的不确定性。所以，明确保护目标对生态源的影响是否具有尺度依赖性，以及不同保护目标下的尺度效应是否存在差异，对于改进生态保护实践至关重要。此外，有实证研究表明，尽管这些生态源具有较高的生态系统服务供给能力与良好的景观连通性，但它们依然面临着诸多实际的保护挑战（Li等人，2024；Men和Pan，2023）。众多小型且孤立的生态源可能会降低保护效率（Cui等人，2022；Li等人，2023c）。而且，在生态源与人类活动区域之间的过渡地带，实施理想的保护策略仍然面临困难，这类区域亟需对灵活的保护策略进行深入探索（Xiong等人，2024；Yuan等人，2023）。

本研究旨在回答以下问题：（1）在以综合重要性为导向与以高价值区域覆盖为导向的保护目标下，生态源存在哪些差异？（2）这些差异是否具有尺度效应？（3）这些发现对在多种保护目标与尺度下保护生态源有何启示？为此，我们针对不同的保护目标，尤其是综合重要性导向与高价值区域覆盖导向，构建了一个多尺度的生态源识别与优化框架。该框架整合了生态系统服务供给与功能连通性，用于在三个尺度上评估功能优先级——即整个长江三角洲区域、都市区以及地级市。随后，根据功能优先级与灵活性评估的结果，分析了初始生态源及其灵活保护区域的空间分布情况。最后，通过优化初始生态源的结构连通性，确定了最终的生态源范围。本研究通过整合多种保护目标，为生态空间规划与治理提供了新的思路。

研究区域
我们的研究焦点是长江三角洲地区，该地区被划分为三个尺度：更大的三角洲区域（即整个研究范围）、都市区（包括杭州、湖州、嘉兴、绍兴、衢州和黄山这六座城市，统称为杭州都市区）以及地级市，即杭州市（图1）。长江三角洲地区位于东中国沿海地区与内陆地区的交界处，其地理坐标为东经114.56°至124.25°，北纬26.57°至35.67°。

方法
图2展示了针对不同保护目标的多尺度生态源识别与优化框架。首先，通过整合生态系统服务供给与功能连通性，评估在综合重要性导向与高价值区域覆盖导向的保护目标下的功能优先级。功能优先级评估在三个尺度上展开——即更大的三角洲区域、都市区以及地级市，随后在每个尺度上识别出初始的生态源。

生态系统服务的空间分布
图中展示了八种生态系统服务的空间分布情况。那些在栖息地质量、高温调节、碳封存及土壤保持方面具有高价值的区域，主要集中在西部山区（如安徽南部、浙江西部、浙江南部以及安徽西部的大别山地区）、河流湖泊及其沿岸区域，以及南部海岸线附近的湿地与岛屿。这些区域的特点是降水量充足、植被茂密。

不同保护目标下生态源的空间一致性及其尺度变化
与以往仅聚焦于单一保护目标或单一尺度的研究不同（Guo等人，2025；Yin等人，2025），本研究提出的框架采用了多目标、多尺度且注重实践的方法来识别与优化生态源。在长江三角洲地区、杭州都市区及杭州市的案例研究中，发现以综合重要性为导向识别的生态源与以高价值区域覆盖为导向识别的生态源在空间范围与分布、单个生态源的面积以及生态过程之间的相互关系等方面存在显著差异，且这种差异具有明显的尺度效应。

结论
保护生态源是缓解生态空间破碎化及生态系统服务退化等生态风险的有效策略。本研究通过整合功能优先级与结构连通性，构建了一个针对不同保护目标的多尺度生态源识别与优化框架。在综合重要性导向与高价值区域覆盖导向的保护目标下，生态源在空间分布、尺度可转移性及灵活性方面存在差异。

致谢
作者贡献说明
黄玉婷：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、资源获取、方法设计、数据收集、形式分析、数据整理、概念构思。
严文涛：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督指导、资源获取、项目管理、方法设计、资金筹集、概念构思。
沃尔夫冈·温德：撰写——审稿与编辑、监督指导、资金筹集。苏丽晓：写作——审阅与编辑、指导工作、利益冲突声明。作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。致谢：本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF1307000）、中国国家自然科学基金（52178048、52278071）、上海市科学技术委员会科学基金（22DZ1207800）以及安徽省高校优秀科研创新团队计划（2022AH010021）的支持。