面向空间保护规划的景观生态方法——生态安全格局
可持续发展
Sustainability
生态安全格局（ESPs）——由生态源地及其连通廊道构成的生态网络——提供了应对生态保护和修复挑战的可行的、基于自然的框架。ESPs植根于景观生态学理念，结合生态阈值和连通性，以保障生态系统完整性和景观可持续性。尽管ESP相关研究不断增加，尤其是在中国，但对于其生态机制、时空动态和溢出效应等方面的关注尚显不足。ESP核心科学概念和研究重点尚未得到充分阐释，制约了ESP的进一步发展及其在国际上的广泛认可。
近日，北京大学彭建团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Ecology & Evolution发表综述文章，系统梳理了ESP构建、优化和评估中亟需解决的关键科学议题，并提出了未来研究方向，以期推动其作为景观生态学方法在空间保护和修复规划中的更好应用。
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1.什么是生态安全
世界环境与发展委员会在其具有里程碑意义的报告《我们共同的未来》中指出“传统上以政治和军事对国家主权的威胁来理解的安全概念，必须扩展到包括环境压力日益增长的影响——在地方、国家、区域及全球范围内”。这种更广义的安全观促使生态安全逐渐发展成为应对全球安全和环境挑战的重要概念。生态安全的定义多种多样，但通常聚焦于维持生物多样性和生态系统功能，以确保从地方生态系统到全球生物群落各尺度的人类福祉所必需的生态系统服务。例如，Cherry（1995）将生态安全分为三类：以自然为中心、以人为中心和折衷型。生态安全的核心议题包括栖息地破碎化、生物多样性丧失、气候变化、环境污染、外来入侵物种和过度开发。随着时间推移，生态安全研究逐渐从技术工具转向评估模型，再到格局维度。
2.生态安全格局支撑空间保护规划
基于景观生态学和景观可持续科学的空间保护规划对于平衡生态保护和经济发展至关重要。空间规划需从增量规划走向存量规划，亟需整合空间连通性的新方法以推进保护研究和实践工作。ESPs是一种景观生态学的框架，利用源-汇理论以支持保护规划和生态修复。ESP方法关注景观要素的空间配置，识别关键生态区域（如核心栖息地、连通廊道），设计空间网络以增强连通性、防止栖息地破碎化以及减缓人为压力。在中国高水平保护和高质量发展的双重要求下，ESP已发展成为景观生态学的重要研究领域，并被纳入政府决策（图1），推动了近年来大量生态工程和相关学术成果的涌现。
▲图1 全球生态保护与修复、景观连通性优先事项，以及中国ESP相关政策
3.生态安全格局目标
需明确生态安全是为了什么，为了谁；景观格局的安全等级应如何界定和衡量；以及ESP如何满足多重目标和不同利益群体的要求。模糊的定义会掩盖ESP构建的生态学意义，难以体现不同生态保护目标及其和区域发展之间的复杂关系和相互作用。现有ESP研究的构建目标包括保护特定生态系统特征（如特定物种或生态系统服务），或综合生态系统特征（如物种群、生态系统服务组合和保护区系统）。而生态廊道则被构建用于增强景观连通性。需要进一步厘清多重目标与利益群体之间的权衡关系，并对保护目标进行优先排序。
4.生态安全格局相关概念
为更好地理解ESP在空间保护规划中的独特作用，需将其与景观生态学和空间规划中的相关概念加以区分，例如绿色基础设施、生态网络和可持续景观格局（图2）。这些概念彼此关联，但侧重点和应用范围存在差异。具体而言，可持续景观格局作为长期空间管理的概念，涵盖了其他三个概念。绿色基础设施是指通过战略性规划自然和半自然区域以提升生物多样性和生态系统服务，关注生态多功能性与利用性；而ESP则强调基于底线和连通性的生态保护与修复。与ESP最为相似的是生态网络，两者都关注景观连通性，然而，生态网络的内涵相对窄一些，主要聚焦于栖息地连通性以保护生物多样性；而ESP的范围更广，强调整体空间格局的稳定性与网络化、功能连通，以及生态空间的优化。本质上，ESP考虑整个景观——包括其结构、功能和服务。ESP论文数量变化和关键词共线网络如图3所示。
▲图2 ESP相关概念及其关联
▲图3 ESP论文数量变化和关键词共线网络
5.生态安全格局关键研究议题
尽管相关研究不断增多，但诸多关键科学问题仍未得到有效解答，亟需引起重视。例如，构建有效ESP面临的主要挑战是什么？如何优化ESP以提升其效率？ESP能带来哪些生态效益？为回答这些问题，我们结合文献计量分析与专家共识，提出了ESP七大关键议题（图4）。
▲图4 ESPs关键研究议题及其关联
（1）格局-过程耦合
已有ESP模型主要关注景观格局，但简化了复杂生态过程，忽视了景观格局与生态过程之间的相互作用。需要进一步加深对景观格局和生态过程关系的理解。例如，为了建立更清晰的格局-过程关系，Turker等(2018)利用全球哺乳动物移动轨迹数据和线性混合效应模型，探索了哺乳动物移动和人类足迹、植被绿度、体重和食性等变量之间的关联。在此基础上，Brennan等(2022)基于上述格局-过程关系构建了阻力面，并量化全球保护区之间的功能连通性，空间化哺乳动物移动概率。然而，在耦合关系表征中纳入非线性、多因素交互以及时间滞后效应等仍存在挑战。
（2）范围阈值量化
范围阈值包括面积阈值和过程阈值。面积阈值关注面积规模，过程阈值关注社会-生态要素或功能流动的中断。部分生态保护修复优先事项提出面积阈值（例如30×30生物多样性保护目标），但ESPs的地理范围尚不明晰。物种最小面积需求、生态系统服务保护代表性、栖息地退化阈值等是量化ESPs面积阈值的重要标准。量化方法包括分段线性回归、广义加性模型拟合非线性曲线拐点等。生态廊道边界是典型的过程阈值，可以通过空间连续小波变换来识别阻力面的突变点，此外还有蚁群算法和电路模型。然而，生态空间的质量要比数量更重要，需要将基于面积和基于位置的保护整合在一起。
（3）景观连通增强
尽管栖息地破碎化的影响具有双面性，但广泛共识是栖息地丧失对生物多样性和生态过程是有害的，大量研究表明景观连通利大于弊。然而，景观连通性如何影响生物多样性和生态系统服务？如何有效提升连通性？踏脚石需要面积多大、相隔多远？小面积保护修复的生态效益如何？将结构和功能连通性纳入空间保护规划越来越受到重视。生态廊道应作为生态源地、保护区的补充而不是替代。现有研究多关注大面积保护修复，基于生态战略点的小面积努力常被忽视。未来亟需发展新方法和新指标来量化景观连通性，并进行模型验证。此外，需综合评估踏脚石、障碍点和夹点的成本效益以确定最佳生态修复组合方案。
（4）时空动态建模
过去、现在和未来均可构建ESP，然而应以哪一期为准，以及如何优化ESP以动态适应全球变化尚且存在挑战。ESPs构建通常基于特定时间点的景观格局，然而部分生态斑块仅短暂存在，因此连通性随时间发生变化。时空连通网络和气候连通网络是适应全球环境变化的新方法。具体而言，时空连通网络考虑空间连通和时间共存概率，而传统纯空间连通性可能低估动态景观下的实际连通性，进而高估物种灭绝风险。气候连通网络可以识别具有单调变化的气候梯度和最小累积人为干扰路径，以连接当前气候与未来气候类似物。关键挑战仍然是如何将多期ESPs整合到长期保护规划、动态适应和早期生态安全预警中。
（5）跨尺度分析
不同尺度的国土空间都需要保障生态安全，同一地点在不同尺度上的角色不一致。需要阐明ESP优化如何随空间尺度变化，如何在不同尺度之间协同ESPs，以及如何跨尺度整合。当前ESPs主要在行政区划或流域尺度构建，粒度和幅度均影响ESP优化。区域ESP会破坏自然连续性和区域间流动性，而跨区域方法则可能忽视局部生态需求，因此亟需分层、多尺度方法来减少两者之间的权衡。未来还需关注不同尺度下保护责任平等性的提升。
（6）本地成效评估
ESP实施成效的证据仍然有限，有必要理解如何度量有效性以明确ESP的本地成效。虽然格局构建时的预期成效较易评估，但格局实施后的实际成效较难评估。ESPs有效性包括生态系统服务、生物多样性和景观连通性等方面，多情景对比和反事实匹配是量化本地成效的有效方法。物种行为监测是评估生态廊道有效性的重要途径。有效性评估依赖于ESPs实施后的长期监测，但目前这方面仍然不足。
（7）溢出效应评估
除了本地成效，ESP建立和管理可能也会对周围生态系统产生影响，因此有必要评估ESPs是否会产生积极或消极的溢出效应，以及什么因素影响溢出效应。现有溢出效应研究主要关注保护区。溢出效应量化可以通过建立ESPs缓冲区和外围控制区，比较ESPs建立前后缓冲区和控制区的生态系统服务、人类压力和生物多样性等差异。其影响因素包括斑块大小、形状、建立时间、管理方式和要素类型。未来研究应关注溢出效应如何随到ESPs距离发生变化，生态源地、廊道和战略点的溢出效应是否存在普适规律，以及如何最小化消极溢出效应。
6.关键研究议题之间的关联
ESPs七大议题之间存在紧密的相互联系（图4）。对于ESP构建，空间格局和生态过程耦合阐明构建机制，为识别生态源地、廊道和战略点提供基础。合理的范围阈值决定了景观连通性，面积阈值和过程阈值分别影响结构连通性和功能连通性。对于ESP优化，其侧重时空动态格局和空间尺度整合。对于ESP评估，本地成效和溢出效应相互作用。总体而言，构建是基础，优化是对其进一步完善，进而通过评估来检验构建和优化的结果，并将结果反馈到构建过程中，从而形成动态循环系统。ESP现有研究关注生态源地、廊道和战略点的识别，未来需更加关注形成机制、优化原则和成效评估。
7.总结
ESPs已成为景观生态学领域的重要空间规划工具，广泛应用于空间保护和修复规划。尽管目前主要应用于中国，但ESP框架在全球范围内均可使用，包括发展中国家以及北美和欧洲等发达国家，其基本概念和原则具有普适性。通过整合生态阈值和被动适应，ESP方法为解决景观破碎化和土地利用冲突提供了空间解决方案。然而，ESP核心科学议题仍需要进一步明确，以有效支持空间保护规划、实现景观可持续性。本文提出的重点研究议题并非决定性的，旨在激发更广泛的讨论、启发新的方法、阐明未来方向，以推动ESP理论认知和实践应用，为全球科学家、自然保护者、管理者和政策制定者提供决策参考。
本文参考文献
Brennan, A. et al. (2022) Functional connectivity of the world’s protected areas. Science 376, 1101-1104
Cherry, W.A. (1995) What is ecological security. Peace Res. 27, 87-89
Tucker, M.A. et al. (2018) Moving in the Anthropocene: global reductions in terrestrial mammalian movements. Science 359, 466-469
论文作者介绍
彭建
教授
彭建，北京大学城市与环境学院，教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授。主要从事景观格局与社会-生态过程耦合研究。现任国际景观生态学会中国分会理事长、中国生态学学会景观生态专业委员会主任委员、中国自然资源学会副理事长兼秘书长，Applied Geography共同主编，Progress in Physical Geography学科编辑，Landscape Ecology、Landscape and Urban Planning、Ecosystem Services、生态学报、经济地理、热带地理等期刊编委。
原标题：《北大彭建团队Trends in Ecology & Evolution综述 | 面向空间保护规划的景观生态方法——生态安全格局》