基于MCR模型的內蒙古鄂托克旗生態廊道構建

景艷賓, 孫 旭, 劉 軍, 孫冬杰

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院， 呼和浩特 010010)

生態廊道是指在景觀生態中能串聯空間分布上較為孤立和分散的斑塊、呈線性或條帶狀分布的景觀類型[1]。構建適當的生態廊道，能為物種提供遷移場所，促進自然界物質、能量和基因的流動，有利于保護生物多樣性、維護區域生態安全[2]。保護生態環境、構建生態廊道，提升生態系統質量和穩定性尤為重要。國內外學者對生態廊道構建的研究大多與景觀生態學或者景觀生態規劃等方面相聯系。Knaapen[3]提出了最小累積阻力模型，進行景觀格局優化的研究，國內知名學者俞孔堅[4]將其理論延伸到生態規劃；Forman[5]提出了格局整體性優化理論并進行景觀規劃。國內對于生態廊道的研究也已取得了一定的成就，廊道的構建研究尺度多以省域[6]、市域[7]、流域[8]等相對大范圍；研究理論主要以“斑塊—廊道—基質”為基礎[9]。鄂托克旗是典型的大陸性干旱草原氣候，高原地帶，降水少，多種不利的自然條件干擾著景觀格局，生態環境脆弱性較為明顯。鄂托克旗以牧為主，礦業較為發達，為了滿足經濟發展的需要，過度的礦產資源開采，致使全旗生態環境以及可利用的自然資源遭到不同程度的破壞。近年來，鄂托克旗景觀格局發生了極大改變，生態環境惡化程度加劇，影響了鄂托克旗的綠色經濟可持續發展。考慮到生態廊道在不同區域具有不同的特色，干旱草原荒漠區的研究也比較少，且研究多關注于大范圍尺度區域。因此，本文以干旱草原氣候區的鄂托克旗為研究對象，進行縣域生態廊道的構建，利用生態敏感性和生態系統服務價值評價的綜合結果來確定生態源地，通過最小累積阻力模型和重力模型得出重要廊道體系，以期為鄂托克旗生態文明建設工作提供科學指導，并為旗縣范圍的生態廊道后續研究提供借鑒。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

鄂托克旗是鄂爾多斯高原的重要組成部分，處于106°41′—108°54′E，38°18′—40°11′N之間，全旗面積約20 368.60 km2，海拔在1 009～2 153 m之間。地勢分布情況為西北部高于東南部，西北部是桌子山山地，中北部為多爾奔溫都爾梁地，東南部更有毛烏素沙漠。鄂托克旗夏季短促炎熱，冬季漫長寒冷，常年盛行西北風，雨量較少，蒸發量大，氣候干燥。平均氣溫6.4 ℃，年均降水量僅250 mm。黃河流經境內西北邊緣，境內有都斯圖河、赤老圖河。鄂托克旗土壤地帶性顯著，東南部廣泛分布著栗鈣土，根據地形特征逐漸向西北部過渡，西北地區廣泛分布著灰漠土，土質差[10]。鄂托克旗是一個以漢族為主的少數民族聚居的縣域，旗下轄有6個蘇木、鎮。2018年GDP為453.3億元，同比增長了7%。根據產業結構來看，第一產業增加值為8.95億元，同比增長2.1%；第二產業增加值為327.19億元，同比增長8.7%；第三產業增加值為112億元，同比增長2.7%。

1.2 數據來源

主要數據包括：分辨率為30 m×30 m的2018年Landsat-TM影像；高程模型GDEM 30 m數據；坡度數據是利用ArcGIS 10.2中Spatial Analyst工具從高程數據中提取出來的；土地利用和土壤基質等地理信息數據和現場調研數據，社會經濟數據來源于2018年鄂托克旗縣國民經濟統計資料。

2 研究方法

2.1 生態源地的確定

生態源地是指具有重要生態服務功能、能夠維持生態系統完整性的生態斑塊[11]。生態源地維持景觀生態系統結構和功能穩定性，其生態效益向周邊環境擴散。本研究從生態敏感性和生態系統服務價值重要性兩方面進行定量分析，提取出具有一定面積的生態重要性區域作為該研究區的生態源地。

2.2 生態敏感性分析

生態敏感性指生態系統對人類活動干擾和自然環境變化的響應程度，表征發生區域生態環境問題的難易程度和概率大小[12]。在自然狀態下，各種生態過程維持著一種相對穩定的耦合關系，保證著生態系統的相對穩定，而當外界干擾超過一定限度時，這種耦合關系將被打破，將使某些生態過程失衡，導致嚴重的生態問題。敏感性高的區域，生態系統容易受損，應該是生態環境保護和恢復建設的重點，也是生產生活的受限或禁止的地區。

2.2.1 敏感性評價體系的建立 根據早期2002年制定的《生態功能區劃暫行規程》[13]以及考慮研究區的實際生態情況，運用層次分析法來構建敏感因子評價指標體系，選取研究區典型生態特征坡度、高程、NDVI值、土地利用結構(表1)以及土壤基質等5個敏感因子作為指標層，綜合敏感性評價作為目標層進行分析。

表1 2018年鄂托克旗土地利用結構

按照《城市規劃GIS技術應用》[14]中的分級標準和參考楊姍姍[15]等的研究成果，將單個敏感性因子分為極敏感、高敏感、中敏感、輕敏感和非敏感5個等級，確立鄂托克旗生態敏感性評價指標體系(見表2)。

表2 生態敏感性評價指標體系

2.2.2 多因素加權疊加法 采用層次分析法(AHP)計算各因子的權重，建立層次結構圖，兩兩比較單因子對生態環境的重要性，對各敏感性因子按照5分制進行打分。結果詳見表3。

表3 鄂托克旗敏感因子判斷矩陣及權重值

通過云算子軟件計算得出矩陣最大特征根λmax=5.2083，因為λmax>4，需要對矩陣進行一致性檢驗，一致性指標CI=(λmax-n)/(n-1)，經計算CI=0.052 1。通過查表可以得到矩陣的平均隨機一致性指標(RI)，RI值見表4。當n=5，RI=1.12。再計算一致性比率CR=CI/RI，經計算CR=0.052 1/1.12=0.046 5。所以當CR<0.1時，矩陣一致性是可以接受的。再求出最大特征根對應的特征向量，歸一化處理后得到單因子的重要性權重值W=[0.072 2，0.242 9，0.125 6，0.468 3，0.090 0]。

表4 判斷矩陣RI值

坡度的大小直接影響土壤侵蝕和沙漠化程度，對生態敏感性起決定性作用，坡度所占權重比率大一些；高程不同，所對應的溫度、氣候、降水量以及土壤條件都有一定差異，本研究區桌子山高程略顯突兀，比重小一點比較合理；NDVI值不僅可以很好反映生態敏感性，還是生態系統不可或缺的自然元素，也是易被污染的環境因子，鄂托克旗以草地為主；土地是人類活動的載體，用地利用類型不同表明人類對土地和生態環境的利用程度也不同，從而導致生態敏感性的差異，所占權重比率最大；地表物質結構類型的不同，可以有效的反應區域的敏感程度高低和決定土地利用的方式差異。

運用多因素加權求和模型(公式1)[16]，并采用自然斷裂法對疊加結果進行重分類，最終確定鄂托克旗各敏感性區域。

(1)

式中：i為評價因子編號，對應高程、坡度、NDVI值、土壤基質和土地利用5個評價因子；n為評價因子總數；S為綜合敏感性評價值；Wi為第i個評價因子的權重值；Ai為第i個評價因子的生態敏感值(從1，3，5，7，9中賦值)。

2.3 生態系統服務價值計算

生態系統服務涵蓋人類直接或間接從生態系統得到的所有收益，是測度生態系統健康程度的關鍵指標。從生態系統服務功能角度出發，選取生物多樣性、土壤保持、固碳釋氧、水源涵養 4項功能指標，對研究區生態系統服務功能進行定量評價，通過歸一化處理與疊加分析評價綜合生態系統服務功能。

在Costanza、謝高地等[17]的研究成果的基礎上，并結合鄂托克旗的土地利用數據成果與實際情況的調研，采用2017年土地利用二級分類系統，通過李曉賽[18]當量因子調整和生態系統服務價值系數修正的成果，得出鄂托克旗單位面積生態系統服務價值系數表(表5)。

表5 鄂托克旗單位面積生態系統服務價值系數

2.4 生態廊道的構建

各個生態源地之間是通過生態廊道進行連接的，生態廊道內進行能量、物質流動和信息的傳遞，能夠大大減輕景觀破碎化帶來的危害。

2.4.1 生態廊道模型構建 本研究采用最小累積阻力模型(MCR)和最小成本路徑的方法，對研究區進行生態廊道的研究。最小累積阻力指以生態源地為中心到達目標地，克服不同阻力景觀所需做的功。根據最小累積阻力模型計算公式[19]，可計算生態源地與目標地的最小累積阻力距離，確定潛在的生態廊道。

(2)

式中：MCR為最小累計阻力值；Dij為從生態源點j到空間單元i的距離；Ri為空間單元i的阻力系數。

通過參考相關文獻和研究成果[20]，從土地利用現狀中選取林地、耕地、其他水域、草地、河流、園地、未利用地和建設用地8種景觀地類，再加上道路緩沖區作為阻力因子，構建阻力評價體系(表6)。阻力取值越高表示生物遷徙過程中受到的阻力越大。

表6 生態源地與目標地阻力因子賦值

運用重力模型[21]計算各生態源地之間相互作用矩陣，定量評價各源地間的相互作用程度，從而能夠更為科學地判斷區域內廊道的相對重要程度關系，重力模型計算公式為：

(3)

式中：Gab為生態源地a與b之間的相互作用程度；Na和Nb分別是兩源地的權重值；Dab是a與b之間潛在廊道阻力的標準化值；Pa為源地a的阻力值；Sa為源地a的面積；Lab為源地a與b之間廊道的累積阻力值；Lmax為研究區中所有廊道累積阻力最大值。

3 結果與分析

3.1 生態敏感性評價

在ArcGIS軟件環境下，根據公式1進行疊加分析，生成綜合生態敏感性分布圖(圖1)。鄂托克旗綜合生態敏感性評價分值介于1.25～8.74之間，將該指數區間分值利用自然斷點法劃分5個等級，然后重分類，并分級賦值(表7)。

圖1 鄂托克旗生態綜合敏感性分布

表7 鄂托克旗生態敏感性空間面積分布估算

鄂托克旗生態敏感性程度較強。極度敏感區域占全旗面積的31.06%，面積達到了632 648.72 hm2；高度敏感區域占全旗面積的16.25%，面積為330 989.75 hm2；非敏感區域僅僅占全旗面積的2.17%，面積為44 199.86 hm2。

由圖1可知，在旗的西北部呈現低—中—高—極敏感性遞增規律，由四周向蒙西鎮和棋盤井鎮交界處聚攏，高程、坡度以及用地類型導致了這種現象；西南部敏感程度較低，為輕度敏感性，因為耕地，坡度、高程均較低；東南部敏感程度為高、極度敏感性，是由于沙地引起的；東北和中部，是中度敏感性，植被類型為草地，地勢較平坦，壤質土壤。

3.2 生態服務價值評價

根據公式(2)，利用自然斷點法將生態系統服務價值劃分為5個等級: -8 866～1 278元/hm2(極低值區)，1 278.01～4 659元/hm2(低值區)，4 659.01～5 891元/hm2(中值區)，5 891.01～ 25 598元/hm2(高值區)，25 598～145 958元/hm2(極高值區)(圖2)。

圖2 鄂托克旗生態系統服務價值分布

鄂托克旗總體狀況較差，絕大部分地區處于中低值區(表8)。低、中值區面積達19 425.53 km2，占比重的95.37%；部分地區處于負值狀態，這是因為建設用地的生態系統服務價值是負向的；僅有少部分地區生態系統服務價值極高，面積為6 518 hm2，占比0.32%。

表8 鄂托克旗生態服務價值評價分級

全旗生態服務價值總體較低。高值區于東西兩側零散分布，烏蘭鎮周邊地區高于外部地區，耕作區高于其他未利用地區，沿河地帶高于周邊其他地區。高值區域集中分布在烏蘭鎮和阿爾巴斯蘇木，主要是因為這些地方是林地和水域的集中分布區域，這兩種單位面積生態系統服務價值較高，且分布集中。低值區和極低值區，包括許多建設用地和廢棄或停產的工礦用地，提供的生態系統服務價值較少或者不提供，還會帶來負面影響。

3.3 生態源地的確定

對生態敏感性評價和生態系統服務價值的結果分別進行賦值(表9)，利用ArcGIS 10.2軟件中的空間分析功能進行等權疊加統計，得到鄂托克旗生態重要性等級分布圖(圖3)。

表9 鄂托克旗生態重要性等級劃分

生態重要性等級越高，需要進行保護的迫切度越強，Ⅰ級和Ⅱ級為暫不需要保護的地區，Ⅴ級為優先保護地區。

生態源地的總面積為13 468.65 hm2，零散分布于鄂托克旗(如圖3所示)。從Ⅴ級區域中通過相鄰斑塊合并，并根據面積大小，提取出15個大型斑塊作為生態源地，并以此為源點構建鄂托克旗生態廊道。源地主要分布在西北部的棋盤井鎮和蒙西鎮交界處的礦區，東部零散分布于林地和水域附近。

圖3 鄂托克旗生態重要性等級及源點分布

3.4 生態廊道的分析

根據對阻力因子分別賦值，將各阻力因子的矢量數據轉換為30 m×30 m的柵格數據，再使用鑲嵌至新柵格工具將各阻力因子的柵格圖層疊加生成阻力成本面(圖4)。

圖4 生態廊道阻力成本面分布

把阻力成本面作為MCR模型的成本數據，利用生態源地和阻力成本面計算每個像元到成本面上最近源地的最小累積阻力成本距離，從而生成研究區潛在生態廊道。通過公式(4)，計算得到15個生態源地斑塊間的相互作用矩陣(表10)。重力模型結果反映出潛在廊道對生態系統的重要性，進而得到鄂托克旗重要廊道分布圖(圖5)。

圖5 鄂托克旗重要生態廊道分布

表10 基于重力模型的源地間相互作用矩陣

15，14和13三個生態源地之間重力值最大，相互關系最為強烈，源地之間物質能量的交流和傳播更為簡單，生態廊道建成的必要性最大，須加強這些源地的保護工作，避免遭到破壞；源地12與源地5和源地6的重力值較大，對于源地12加以保護，保證源地中轉樞紐作用的發揮；源地1，4，7，8，9與其他源地之間的關聯性較為弱，物質能量的交流和傳播稍為困難，但是由于源地5和10位于它們的周圍，生態廊道的構建以源地5和10為中心，就能夠連接起鄂托克旗所有的遷徙路徑。

整體來看，鄂托克旗生態源地主要呈現東西兩側，布隆嘎查和察汗淖爾嘎查源地起到了溝通東西物質能量交流的橋梁作用，為保證研究區生態源地的整體連通性，加強對這兩片源地的保護顯得特別重要，保護好這些源地有利于研究區東西區域之間的物種遷移，對研究區整體生態廊道的構建具有重要意義。

本研究鄂托克旗生態源地一共15處，源地15-13-14之間的相互作用最大；源地5-2-12-6之間的關聯度次之，12-3-14和14-5-10之間的生態廊道的構建最為重要，保護好這兩條廊道有利于研究區東西區域之間的貫穿，對研究區整體生態廊道的構建具有重要意義。生態源地12，5，13，3，10的保護必須加強，且生態源地5和3尤為重要，是連接東西的必經之地。為了合理有效的建成生態廊道，減少廊道建設的成本，最終構建了鄂托克旗包括4條重要廊道和4條一般廊道在內的生態廊道體系(圖5) ，總長1 524 km，其中重要廊道為4條，分別為15-13-14，5-2-12-6，12-3-14，14-5-10，共721 km。一般廊道分別為14-11，7-15-4，8-10-9-5和11-5-9-10，共803 km。對于源地5與3，在未來規劃建設時需要重點把控，同時在建成之后也需要采取嚴格的措施進行保護。

4 討論與結論

4.1 討 論

當前關于干旱區草原縣域生態敏感性分析研究較少，本研究采用的層次分析法確定的權重，主觀性太強，且研究選取的評價指標體系不盡全面，與甘琳等人[22]研究相比，缺少城市擴張和服務等評價因子。生態服務價值分析，只考慮18 a的具體情況，和吳海珍等[23]研究相比，生態服務價值可信度較低，應該求取多年均值。與前期研究成果[24]相比，本研究以生態敏感性和生態系統服務價值綜合結果定量的確定出生態源地，在方法上避免了主觀干擾，再結合鄂托克旗鄉鎮級矢量數據，準確指出生態源地的所在位置，對于保護和管理更加具有針對性。在構建阻力成本面時并沒有對特定物種進行針對性的景觀阻力賦值，生成的廊道路徑可能不適合部分生物種群。此外，在生態廊道的規劃設計中，不僅要考慮廊道的長度和寬度，還要注意廊道內的土地利用類型是否滿足國土部門的相關規定，這就給施工建設帶來了不確定性，缺少相關研究，下一階段，本研究會加大對鄂托克旗生物資料、國土部門相關規定等資料收集和分析，進一步深入對廊道建設合理性研究。本文初步對鄂托克旗生態廊道體系進行構建，對生態文明建設具有一定的指導意義。為了更好地提升縣域生態系統的質量和穩定性，生態廊道在未來實際建設中可行性較大。

4.2 結 論

(1) 鄂托克旗生態敏感性較高，全旗敏感程度呈現為中度以上敏感性，極度敏感區分布在東南部和西北部，占全旗面積比重41.31%；鄂托克旗生態系統服務價值總體狀況較差，絕大部分地區處于中低值區，占全旗面積95.37%。

(2) 生態源地的面積為13 468.65 hm2，生態源地零散分布在鄂托克旗旗的東西兩側，西北部分布于棋盤井鎮的環境優良的礦區，東部零散分布于林地和水域附近。

(3) 最終構建起包括4條重要廊道和4條一般廊道的生態廊道體系，生態廊道與生態源地大致構成了一個環形閉合區域。重要廊道為4條，分別為15-13-14，5-2-12-6，12-3-14，14-5-10，共共721 km。一般廊道分別為14-11，7-15-4，8-10-9-5和11-5-9-10，共803 km。

(4) 綜合全區核心型生態源地、生態廊道以及生態建設規劃的空間布局，考慮自然本底特征，對于布隆嘎查和察汗淖爾嘎查源地，在未來規劃建設時需要重點把控，同時在建成之后也需要采取嚴格的措施進行保護。