黃河流域中段生態(tài)源地識別與生態(tài)廊道構(gòu)建

摘 要：【目的】以黃河流域中段為研究區(qū)，進(jìn)行生態(tài)源地識別和生態(tài)廊道構(gòu)建，為黃河流域中游地區(qū)的生態(tài)安全保護(hù)和生態(tài)安全規(guī)劃提供指導(dǎo)。【方法】采用形態(tài)空間格局分析法（MSPA）和景觀連通性分析識別生態(tài)源地，運(yùn)用最小累積阻力模型（MCR）提取潛在生態(tài)廊道，運(yùn)用重力模型方法識別出重要生態(tài)廊道?！窘Y(jié)果】基于MSPA與景觀連通性方法，共識別出19個(gè)生態(tài)源地；采用MCR 與重力模型，共識別出171條潛在生態(tài)廊道、20條重要生態(tài)廊道?！窘Y(jié)論】通過識別景觀連通性及有利于物種遷徙的途徑與區(qū)域，明確生態(tài)環(huán)境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)的方向，有助于從根本上改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，達(dá)到構(gòu)建生態(tài)廊道和完善區(qū)域生態(tài)安全格局的目的。

關(guān)鍵詞：生態(tài)廊道；生態(tài)源地；最小累積阻力模型；MSPA

中圖分類號：X321" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0106-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.020

Identification of Ecological Source and Construction of Ecological Corridor in the Middle Reaches of the Yellow River Basin

WANG Jingyi

（Chang'an University School of Land Engineering，Xi'an 710061，China）

Abstract：[Purposes] Taking the middle section of the Yellow River Basin as the study area to identify ecological sources and construct ecological corridors can provide guidance for ecological security protection and ecological security planning in the middle reaches of the Yellow River basin， which can promote the common prosperity and coordinated development of ecology and economy in this area. [Methods] In this paper， the ecological sources were identified by the morphological spatial pattern analysis （MSPA） and landscape connectivity analysis. The potential ecological corridors were extracted by the minimum cumulative resistance model （MCR）， and the important ecological corridors were identified by the gravity model. [Findings] Based on MSPA and landscape connectivity method， 19 ecological sources elsewhere were recognized. Using MCR and gravity model， 171 potential ecological corridors and 20 important ecological corridors were identified. [Conclusions] Through identifying the landscape connectivity and the ways and regions conducive to species migration， this study defines the direction of ecological environment protection and ecological restoration， which can provide guidance for ecological security protection and ecological security planning in the middle reaches of the Yellow River basin， fundamentally improve the structure and function of the regional ecosystem， and thus achieve the purpose of building ecological corridors and improving the regional ecological security pattern.

Keywords： ecological corridor ;ecological source ;minimum cumulative resistance model ; MSPA

0 引言

從國內(nèi)外自然保護(hù)地體系由單一保護(hù)地發(fā)展為如今的國家公園這一過程中可以發(fā)現(xiàn)，生態(tài)廊道構(gòu)建已經(jīng)成為 21 世紀(jì)重要的生態(tài)保護(hù)方式之一。21 世紀(jì)以來，全球生物多樣性下降、斑塊侵蝕、景觀連通性降低等問題日益嚴(yán)峻，生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的威脅，構(gòu)建生態(tài)廊道成為應(yīng)對這些問題的有效手段。生態(tài)廊道作為連接城市斑塊的線性要素，可以提高生物多樣性和景觀連通性，有效減緩和避免斑塊侵蝕，已經(jīng)成為解決生態(tài)問題和連接斑塊的不可或缺的橋梁。

目前，“識別生態(tài)源地-構(gòu)建阻力面-構(gòu)建廊道-重要廊道識別”的方法，已成為國內(nèi)外學(xué)者構(gòu)建生態(tài)安全格局的基本模式，該方法在提高生態(tài)連通性方面也取得了一定成效。其中，識別生態(tài)源地是進(jìn)行廊道構(gòu)建的基礎(chǔ)。在以往的研究中，生態(tài)源地的選取標(biāo)準(zhǔn)相對單一，導(dǎo)致構(gòu)建的生態(tài)廊道完整性降低。因此本研究采用形態(tài)空間格局分析法（Morphological Spatial Pattern Analysis ， MSPA）和景觀連通性來進(jìn)行生態(tài)源地的綜合分析和選?。?］?；诘仡愘x值方式的阻力面構(gòu)建方法較通用。廊道提取模型主要包括“源-匯”模型、電路模型和最小累積阻力（Minimum Cumulative Resistance，MCR）模型。目前，最通用、最佳效果的生態(tài)廊道提取方法是MCR模型，該模型通過計(jì)算不同景觀和土地利用類型的生態(tài)源物種所產(chǎn)生的成本，用以模擬最小累積阻力路徑，從而構(gòu)建生態(tài)廊道［2］。其可以綜合考慮研究區(qū)域的地形、地貌、環(huán)境、人為干擾等因素，具有數(shù)據(jù)量小、可視化清晰的優(yōu)點(diǎn)。重力模型通過構(gòu)建生態(tài)源地之間的相互作用矩陣來計(jì)算其強(qiáng)度，從而定量表征潛在廊道的重要性和有效性。可將其與 MCR 模型結(jié)合使用，在區(qū)域潛在生態(tài)廊道的基礎(chǔ)上篩選重要性較高的生態(tài)廊道。

黃河中游地區(qū)環(huán)境復(fù)雜、生態(tài)脆弱，加之當(dāng)前全球性氣候變化問題嚴(yán)峻，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)容易在該區(qū)域引發(fā)突出的生態(tài)環(huán)境問題。因此，以黃河中游地區(qū)為研究區(qū)的生態(tài)源地識別和生態(tài)廊道構(gòu)建研究具有一定的價(jià)值。可為黃河流域中游地區(qū)的生態(tài)安全保護(hù)和生態(tài)安全規(guī)劃提供指導(dǎo)，為促進(jìn)該區(qū)域生態(tài)和經(jīng)濟(jì)共同繁榮與協(xié)同發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

黃河流域包括中國西北地區(qū)的黃土高原和內(nèi)蒙古的華北平原，以及中國西北地區(qū)和華北地區(qū)的平原。黃土高原上溝壑縱橫，丘陵溝壑區(qū)海拔多在1 000～1 500 m。研究區(qū)從流域上可劃分為河口鎮(zhèn)-龍門段、龍門-三門峽段兩個(gè)流域段。涉及的?。▍^(qū)、市）有內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、山西省、河南省、甘肅省和寧夏回族自治區(qū)等。區(qū)域總面積約為30萬 km2，占黃河流域面積的38%。黃河中游地勢高，河谷多呈“V”形，兩岸山嶺陡峭。黃土堆積物深厚，黃土覆蓋最為廣泛，加之盲目開荒放牧及連續(xù)降水，使得該區(qū)域土壤侵蝕嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境十分敏感。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.2.1 土地利用類型數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)集來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn），精度為30 m，包括6個(gè)一級分類和24個(gè)二級分類，數(shù)據(jù)精度經(jīng)驗(yàn)證符合研究需求。

1.2.2 植被覆蓋數(shù)據(jù)。植被覆蓋度數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所數(shù)字山地與遙感應(yīng)用中心，利用像元二分法模型得到2020年的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，空間精度為250 m，數(shù)據(jù)精度經(jīng)驗(yàn)證符合研究需求。

1.2.3 地形數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/）30 m分辨率的ASTERGDEM數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)并基于ArcGIS10.2軟件經(jīng)過裁剪、柵格投影等處理，獲取高程、坡度及坡向等地形表征數(shù)據(jù)并進(jìn)行重分類。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地本質(zhì)上是指區(qū)域內(nèi)特定的生態(tài)環(huán)境斑塊，對所在區(qū)域的生態(tài)安全具有重要價(jià)值，同時(shí)對周邊區(qū)域具有顯著的生態(tài)輻射效應(yīng)，具有較強(qiáng)的生態(tài)功能。生態(tài)源地作為地區(qū)內(nèi)生物集群遷徙的起始點(diǎn)，其內(nèi)部生物種群向外擴(kuò)散的同時(shí)也能吸引物種內(nèi)聚，是指示地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性和服務(wù)性的有效信號。因此，生態(tài)源地的空間位置分布，對于保障地區(qū)的生態(tài)安全、確保地區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)完整及推動(dòng)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究主要通過運(yùn)用形態(tài)空間格局分析法（MSPA）初步提取生態(tài)源地，再利用景觀連通性進(jìn)一步篩選生態(tài)源地。

MSPA能夠識別目標(biāo)像元集與結(jié)構(gòu)要素之間的空間拓?fù)潢P(guān)系，并將目標(biāo)像元集分為核心、斑塊、孔隙、邊緣、橋接、環(huán)道和支線7種類型［3］，其生態(tài)學(xué)含義見表1。本研究在進(jìn)行MSPA分析時(shí)，將林地、草地、水域作為前景地類，耕地、園地、未利用地和建設(shè)用地設(shè)置為背景地類［4］，利用GTB3.0軟件對研究區(qū)域進(jìn)行分析，識別出核心區(qū)，篩選出面積大于10 000 hm2的地塊作為初步生態(tài)源地。

景觀連通性是指運(yùn)用景觀元素在空間結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，來測定景觀生態(tài)過程的一種指標(biāo)。運(yùn)用Conefor2.6軟件進(jìn)行景觀連通性分析，選擇PC（Probability of Connectivity，PC）指數(shù)作為篩選依據(jù)，保留PCgt;2的數(shù)據(jù)作為生態(tài)源地。

2.2 最小累積阻力面構(gòu)建

生態(tài)阻力面表征了不同生物集群在生態(tài)源地之間遷徙的難易程度，能夠直觀體現(xiàn)生物族群對生態(tài)擴(kuò)張過程的水平面域阻力耐受及抵抗程度。本研究參考前人研究及研究區(qū)實(shí)際狀況，選取土地利用、NDVI、高程、坡度、坡向作為阻力因子，對5個(gè)阻力因子劃分阻力等級，進(jìn)行重分類，并運(yùn)用層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)因子權(quán)重（見表2），按照生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能構(gòu)建基本生態(tài)阻力面。最小累積阻力值計(jì)算公式為式（1）。

式中：[Ri]是景觀單元i的阻力值；[Cij]是景觀單元i對應(yīng)的阻力因子j阻力值；[Wij]是景觀單元i對應(yīng)的阻力因子j權(quán)重值；n為阻力因子的總數(shù)［5］。

2.3 MCR模型構(gòu)建生態(tài)廊道

生態(tài)廊道代表著生態(tài)源地間生態(tài)信息的交流通道，是維持生態(tài)系統(tǒng)功能的有效途徑。實(shí)際中生態(tài)廊道往往同時(shí)服務(wù)于多個(gè)生態(tài)源地或者生態(tài)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)源地之間的生態(tài)交流、能量和信息傳遞，以此保持自身生態(tài)系統(tǒng)功能的最小規(guī)模要求，即維持

生物多樣性、涵養(yǎng)水土資源等［6］。最小累積阻力模型（MCR）可以計(jì)算出物種從生態(tài)源地出發(fā)到目標(biāo)區(qū)域經(jīng)過不同景觀類型所克服的最小阻力值［5］，是模擬生態(tài)廊道的常用方法之一。MCR計(jì)算公式為式（2）。

式中：MCR表示從生態(tài)源地j在空間中擴(kuò)散至某點(diǎn)的最小累積阻力值；f為反映MCR與變量[Dij]和[Ri]之間正比關(guān)系的函數(shù)；[Dij]表示生態(tài)源地從j至i所經(jīng)過的空間距離；[Ri]表示物種穿越某景觀表面i的阻力值［7］。

2.4 重力模型提取重要生態(tài)廊道

重力模型用于定量評價(jià)生態(tài)源地之間相互作用力的大小，作用力越大代表廊道越重要，根據(jù)這一模型可以評價(jià)廊道的相對重要性［8］。本研究借助重力模型從潛在生態(tài)廊道中提取出重要生態(tài)廊道。該模型計(jì)算公式為式（3）。

式中：[Gij]是核心斑塊i和j之間的相互作用力，該值大小體現(xiàn)了生態(tài)源地之間潛在生態(tài)廊道的重要程度，[Ni、Nj]是兩斑塊的權(quán)重值，[Dij]是i和j兩斑塊間潛在廊道阻力的標(biāo)準(zhǔn)化值，[Pi]為斑塊i阻力值，[Si]是斑塊i的面積，[Lij]是斑塊i和j之間廊道的累計(jì)阻力值，[Lmax]是研究區(qū)中所有廊道累計(jì)阻力的最大值［9］。

計(jì)算得到[Gij]矩陣并選取[Gij]gt;10 000的潛在生態(tài)廊道作為重要生態(tài)廊道，最終獲取20條重要生態(tài)廊道。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)源地識別結(jié)果分析

基于MSPA和景觀連通性識別的19處生態(tài)源地主要由林地和草地構(gòu)成。從行政區(qū)劃來看，甘肅省共6處，主要分布在定西市、平?jīng)鍪泻蛻c陽市；陜西省共6處，主要分布在寶雞市和榆林市；內(nèi)蒙古自治區(qū)共3處，主要分布在鄂爾多斯市；山西省共3處，主要分布在忻州市和運(yùn)城市；河南省共1處，主要分布在三門峽市。從空間分布來看，生態(tài)源地主要位于西部和東部黃河沿岸林地和草地密集區(qū)域，生態(tài)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，生態(tài)源地較多。中部由于城市較多且遠(yuǎn)離黃河，林地草地并不密集，城市化水平也較高，因此沒有生態(tài)源地。具體地理空間位置分布如圖1所示。

3.2 生態(tài)阻力面分析

本研究基于土地利用、NDVI、高程、坡度、坡向5個(gè)影響因子，將各個(gè)因子進(jìn)行加權(quán)疊加分析構(gòu)建黃河流域中段阻力面，最終生成的生態(tài)阻力面如圖2所示?？梢钥闯?，阻力值較低的區(qū)域相對集中，且彼此之間有一定的聯(lián)系，呈現(xiàn)出“西南高、東南低”的趨勢。其中，高阻力區(qū)域主要集中在西南部，包括甘肅省東南部和陜西省南部秦嶺地區(qū)。這部分地區(qū)海拔較高且土地類型主要為林地，應(yīng)該著重關(guān)注該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，避免因人類活動(dòng)造成生態(tài)環(huán)境破壞，從而對生態(tài)廊道造成影響，阻礙物種遷徙。

3.3 生態(tài)廊道構(gòu)建結(jié)果與分析

生態(tài)廊道作為物種可利用的條帶狀生態(tài)用地，可實(shí)現(xiàn)促進(jìn)物種基因交流、實(shí)現(xiàn)生境連接和保護(hù)生物多樣性等重要作用。生態(tài)廊道的構(gòu)建運(yùn)用了ArcGIS進(jìn)行分析，以生態(tài)阻力面為基礎(chǔ)計(jì)算阻力值，構(gòu)建生態(tài)源點(diǎn)后計(jì)算出每一個(gè)點(diǎn)到其他點(diǎn)的最小累積阻力路徑，得到所有結(jié)果后合并所有路徑，將其作為潛在生態(tài)廊道，本研究最終得到171條潛在生態(tài)廊道，如圖3所示。

由于大多數(shù)潛在生態(tài)廊道的路徑方向大致相似，距離也較為接近，因此在潛在生態(tài)廊道的基礎(chǔ)上運(yùn)用重力模型對潛在生態(tài)廊道進(jìn)行分析及評價(jià)，分析兩兩生態(tài)源地之間相互作用力，得到20條[Gij]大于10 000的重要生態(tài)廊道，生態(tài)廊道之間互相連接了15個(gè)生態(tài)源點(diǎn)，構(gòu)成黃河流域中段重要生態(tài)廊道，如圖4所示。

分析結(jié)果表明，15個(gè)生態(tài)源地共構(gòu)成了2組相互作用力較強(qiáng)的區(qū)塊，分別為以源地1～7構(gòu)成的區(qū)塊一，源地14～18構(gòu)成的區(qū)塊二，這表明物種在這兩個(gè)區(qū)塊有更大的遷徙的可能性，同時(shí)區(qū)塊內(nèi)各源地之間物質(zhì)和能量的交流和傳遞更加簡單。同時(shí)，在區(qū)塊一中，1～7這7個(gè)源地有很強(qiáng)的相互作用力，使得生態(tài)廊道也更加密集，因此，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對區(qū)塊一部分廊道的保護(hù)，避免因人類活動(dòng)造成影響甚至是破壞，影響物種的遷徙和交流。

從整體空間分布來看，陜西省西北部與甘肅省西南部生態(tài)廊道分布較為密集，廊道質(zhì)量較高，物種遷徙阻力較低，利于生態(tài)信息的流動(dòng)。陜西省西北部多為草地和未利用地，海拔較低，人類活動(dòng)跡象少，利于物種遷徙。甘肅省東南部多為林地和草地，海拔較高，高海拔限制了人類的活動(dòng)對生態(tài)的沖擊，但也一定程度上阻礙了遠(yuǎn)距離物種的遷徙和自然生態(tài)信息的傳遞。研究區(qū)中部地區(qū)是城市化區(qū)域，幾乎沒有生態(tài)源地，廊道分布也較為稀少，因此也很大程度上阻礙了物種的遷徙。從廊道的密集程度來看，城市化程度高、人類活動(dòng)密集、海拔高的地域生成生態(tài)廊道的概率較低，地勢平緩且人類活動(dòng)較少的區(qū)域易生成生態(tài)廊道［6］。

4 結(jié)語

本研究綜合使用MSPA法和景觀連通性篩選生態(tài)源地，使用MCR模型和重力模型構(gòu)建生態(tài)廊道，不僅可以提升生態(tài)系統(tǒng)功能性和連通性，減輕生態(tài)環(huán)境破碎化帶來的影響，還可以以此為基礎(chǔ)構(gòu)建出更加完整的生態(tài)區(qū)域模式，有效促進(jìn)該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。黃河流域中段生態(tài)源地共19處，總面積約為61 5903.48 hm2，潛在生態(tài)廊道171條，重要生態(tài)廊道20條。生態(tài)廊道的構(gòu)建立足于對生態(tài)系統(tǒng)的總體保護(hù)，通過識別景觀連通性及有利于物種遷徙的途徑與區(qū)域，明確生態(tài)環(huán)境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)的方向。

本研究區(qū)生態(tài)廊道也存在許多不足的地方，例如區(qū)塊一和區(qū)塊二內(nèi)部聯(lián)系緊密，但兩個(gè)區(qū)塊之間的源地相互作用力并不是很強(qiáng)，這就使兩個(gè)區(qū)塊之間物種遷徙的難度增加，不利于物種信息交流與物質(zhì)交換。因此，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)過程中，不僅應(yīng)該重視生態(tài)源地聯(lián)系緊密的區(qū)塊的保護(hù)，還應(yīng)加強(qiáng)兩個(gè)區(qū)塊之間生態(tài)廊道的構(gòu)建。以提升森林質(zhì)量為基礎(chǔ)，對廊道周邊森林輔以保育、優(yōu)化森林結(jié)構(gòu)、禁止亂砍濫伐和封山育林等措施，從根本上提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，從而達(dá)到構(gòu)建生態(tài)廊道和完善區(qū)域生態(tài)安全格局的目的。

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收稿日期：2023-11-17

作者簡介：王靜怡（1999—），女，碩士生，研究方向：土地資源管理。