基于最小阻力模型的西雙版納州生態安全格局構建與優化

摘 要：以西雙版納州為研究區，基于生態敏感性和熱點來分析識別生態源地，通過MCR最小累積阻力模型提取生態廊道，在此基礎上識別生態節點，構建起西雙版納州生態安全網絡格局。研究結果表明：①西雙版納州重要生態源地共21個。②生態廊道有59條，生態廊道格局呈現西南密、東北疏的分布特征，構成了“四縱四橫”的西雙版納生態廊道網絡。③在生態廊道的基礎上生成11個生態節點，生態源地、生態緩沖區及生態廊道共同構成了西雙版納州區域景觀生態安全格局。④在當前構建的生態網絡的基礎上，進一步優化生態空間結構，提出“一環廊帶四組團，五縱四橫多節點”空間布局，提高網絡的連接度。

關鍵詞：生態敏感性；MCR最小累積阻力模型；生態網絡構建；西雙版納州

中圖分類號：X826 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-08

0 引言

熱帶雨林是物種多樣性最豐富的陸地生態系統[1]，其本身具有較高的生態敏感性。隨著城鎮邊界的無序擴張，熱帶雨林面積逐漸萎縮，原生生態系統面臨嚴峻挑戰，并逐漸威脅全球生態狀況，如何保護熱帶雨林生態格局、維護生物多樣性、改善區域生態功能成為廣泛關注的問題[2]。2016年我國發布“全國熱帶雨林保護規劃”，劃定熱帶雨林紅線70萬hm2。2023年7月“全國生態環境保護大會”召開，重申了熱帶雨林的生態意義，應實行嚴格保護。因此，識別熱帶雨林區域內關鍵的保護地與棲息地，構建生態安全格局具有重要意義。

生態安全格局是基于某一尺度的景觀格局、過程特征及兩者相互作用，識別并構建的可持續景觀，滿足生物多樣性與人類福祉的需求[3]。學界關于景觀生態安全格局的研究方法已經從最初的定性研究、單一變量研究逐步發展成依托遙感處理軟件與數學模型等手段開展定量分析、動態演變、綜合評價等研究[4，5]。自俞孔堅提出基于源地—廊道的生物保護格局方法以來[6]，應用“識別生態源地—建立景觀阻力面—判別景觀生態安全格局”三個步驟已經是景觀生態安全格局構建的成熟模式[7，8]。生態源地識別可分為直接識別與綜合評價兩類[9]。直接識別一般是用保護區數據，選擇大的景觀斑塊作為生態源地；綜合評價識別常用的方法有生態敏感性評價、適宜性評價、生態系統服務價值評價[10]等，再通過數據疊加來識別重要生態源地[11-14]，因此更具科學性。生態廊道的識別方法主要有疊加法[12，13]、最小累積阻力模型（MCR）[15，16]、電路理論[17，18]等。其中，MCR能夠較好地體現斑塊屬性，反映景觀格局與生態過程之間的關系，被更多應用[19，20]。

本文以西雙版納州作為研究區域，基于景觀安全格局和生態網絡理論，借助ArcGIS、ENVI和Fragstats等軟件，通過MCR最小累積阻力模型構建西雙版納州完善、科學的生態安全網絡體系，科學全面地分析西雙版納州景觀生態安全格局，最后提出生態安全保護的相關對策和建議，以期為西雙版納州景觀生態安全規劃和生態保護政策措施的制定提供參考，為當下城市化發展背景下西雙版納熱帶雨林景觀生態安全格局研究提供實際意義。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

西雙版納州地處云南省西南部，是中國西南邊境與中南半島國家的交界，經緯度范圍21°10′～22°40′、99°55′～105°50′。全州總面積19124.5 km2[21]，轄景洪市、勐臘縣、勐海縣三地。西雙版納州擁有中國唯一的熱帶雨林自然保護區，熱帶生態系統保存完整，具有良好的生態基底，是國家級生態示范區。 作為“全球多樣性熱點區域”之一，西雙版納州河網密布，地形多樣，生物資源豐富，是天然的熱帶植物資源基因庫和重要研究基地。作為“北回歸線上僅存綠洲”，西雙版納提供了大量的生態系統服務，是重要的生態戰略點[22]，其生態安全格局的穩定具有關鍵作用。

1.2 數據來源與處理

本文采用數據主要包括西雙版納州2000年、2010年和2020年三期土地利用柵格數據、遙感影像數據、植被覆蓋度（FVC）數據等，具體來源見表1。部分數據需要進行預處理，植被覆蓋度使用ENVI 5.3對遙感影像進行波段運算得到；中老鐵路數據依據國家鐵路局官網線路圖，通過柵格轉線和地理位置處理等操作進行矢量化。因數據來自于多個網站，在格式和坐標系上有所不同，為方便模型運算，需要進行統一，考慮各柵格像元的圖層匹配程度，將空間數據分辨率統一調整為 30 m×30 m，地理坐標系為 WGS_1984，并為西雙版納州景觀格局分析、生態網絡構建建立基礎數據庫。

2 研究方法

2.1 生態源地提取

生態源地是景觀生態格局的重要組成部分，不僅對景觀格局中的生態過程起到正向促進作用，還能推動源地與源地間生態流與信息流的循環[23]。研究構建基于多評價因子的生態敏感性評價指標體系，并進一步對敏感區進行熱點分析，將高敏感性熱點區域將作為生態源地。考慮到以亞洲象為代表的野生動物活動空間一般依托10 km2以上的生態區域[ 24]，因此將面積＜10 km2的備選源地剔除，最終得到空間連續性較高、規模較大的生態源地。最后再與自然保護區、山地河流等自然生態界面比較和修正。

2.1.1 生態敏感性評價

生態敏感性一般是指外界對區域生態安全干擾和破壞的難易程度，用于判別區域生態系統安全、穩定情況[25]。本文參考以往研究以及《西雙版納州“十四五”林業和草原保護發展規劃（2021—2025年）》《云南省生物多樣性保護戰略行動計劃西雙版納實施方案》等規劃文本，選取高程、坡度、植被覆蓋度、土地利用、距河流的距離、距保護區的距離等6個評價因子，構建生態敏感性評價指標體系（表2）[26]。敏感性等級依據各個指標的實際情況，在各個因子加權分析后按照低到高分值劃分為5個等級：低敏感、較低敏感、中敏感、較高敏感和高敏感[27]。因子權重根據專家評價和層次分析法確定 ，研究于2022年3月向云南省院校、規劃設計院等行業內相關規劃專家共20人發放問卷，對評價因子進行兩兩比較分析，根據因子的相對重要程度打分，并Yaahp軟件構建評價模型計算因子權重。最終依據各指標因子的權重，在ArcGIS中進行柵格數據加權疊加分析。

2.1.2 熱點分析

熱點分析是一種空間聚類方法，利用ArcGIS分析工具里的Getis-Ord Gi*工具，來判斷生態敏感性區域中的高值和低值，通過可視化的方式直觀展現區域內高值在空間上的聚類位置，該方法可以有效得到空間連續性較高、規模較大的重要生態源地[28] 。

2.2 阻力面構建

構建阻力面是提取生態廊道的基礎，面對不同的阻力值，物種在斑塊或景觀單元之間流動所受到的阻力也不同，阻力值越大，物種擴散的難度也越大[29]。本研究以土地利用類型作為基礎阻力因子，考慮人類活動對景觀的影響，疊加距河流距離、距鐵路距離、距高速公路距離，共計4項因子。每個因子的阻力值范圍統一設定為1～5，1代表最小阻力值，表示物種間流通的阻力最小；5代表最大阻力值，表示物種間流通的難度最大[30，31]（表3）。與敏感性因子權重的確定流程一致，阻力因子權重的確定同樣通過專家打分和層次分析得出，得到土地利用類型為0.42、距河流的距離為0.12、距高速公路的距離為0.21、距鐵路的距離為0.24。

阻力面構建具體步驟如下：利用重分類工具分別對4個因子阻力值進行等級劃分，以得到4個因子的阻力柵格圖像，再通過柵格計算器加權疊加各類因子，獲得綜合阻力面。計算公式為：

式中：P—各個評價單元值的總和；n—選取因子的個數；Wi—第i個阻力因子的權重；Sij—第i個因子中第j級別的阻力值。

2.3 生態廊道提取

生態廊道是源地斑塊間相互連接溝通的線狀或帶狀景觀空間，是源地之間阻力最小、最容易聯系的通道，承載著物質、能量的流動，能確保區域景觀的整體性與連通性，是區域生態安全網絡構建的重要內容之一[32，33]。生態廊道體現為源地之間受到最小阻力的距離，并依據源地的重要性可分為潛在廊道和關鍵廊道。潛在生態廊道由MCR模型（minimum cumulative resistance）構建，具體公式如下[34]：

式中：MCR—最小累積阻力值；f—最小累積阻力和生態過程的正相關關系；Dij—物種從源j到景觀單元i的空間距離；Ri—景觀單元i對物種流動的阻力值；n、m—源地與景觀單元的數量。

2.4 生態節點識別

生態節點和生態源地、廊道同屬于生態網絡的關鍵要素。由于生態廊道是相對脆弱，生態節點往往成為其關鍵支撐。因而選取生態廊道上阻力最小、結構較為穩定的位置，即2條及以上生態廊道之間的交點，作為動物遷徙、能量傳遞的暫歇點和中轉站，以起到“腳踏石”和“橋接”的作用。

3 結果分析

3.1 生態敏感性評價

分析西雙版納州敏感性因子，得到敏感性因子的空間分布圖（圖1～圖3），并將上述6類敏感性因子進行疊加分析，獲得西雙版納州生態敏感性綜合等級分布圖和面積表（圖4，表4）。西雙版納州生態敏感性以中等敏感、較高敏感為主，面積分別為5525.49 km2和5256.92 km2，分別占西雙版納州總面積的28.95%和27.55%。低敏感和較低敏感的分布面積分別為1387.78 km2和3898.19 km2，分別占西雙版納州總面積的7.27%和20.43%。從空間分布來看，敏感性高值集中分布于森林密度大、植被覆蓋度高的林地山區，低值區主要集中在環瀾滄江流域的河谷地帶以及土地平緩、人類開發建設較為密集的壩區城鎮。西雙版納州綜合生態敏感性相對較高，生態保護的壓力較大，在區域開發建設時要控制好開發力度，避免生態遭到破壞。

3.2 重要生態源地提取

基于生態敏感性分析進行Getis-Ord Gi*熱點分析工具（圖5），提取置信度＞90%的熱點區域并進一步刪除面積＜10 km2的斑塊，得到重要生態源地（圖6）。生態源地面積為4138.24 km2，占西雙版納州總面積的21.69%。其中，面積＞100 km2的源地斑塊共5個，總面積為3554.57 km2，占西雙版納州總面積的85.90%。從空間上看，生態源地的范圍集中于州內國家級自然保護區內。其中，景洪市所占生態源地面積為36.33%，勐海縣所占生態源地面積為15.37%，勐臘縣所占生態源地面積48.31%。從構成地類來看，西雙版納州89.71%的生態源地由林地組成，林地生態源地主要分布在北部和西南部，即景洪市和勐臘縣等區域，這些地方植被覆蓋好、物種豐富、人為干擾較少、具有良好的生態基礎。其次是草地（5.30%）和耕地（3.49%）。水域生態源地主要分布在瀾滄江水域沿岸，豐富的淡水資源為物種繁衍提供了良好了的生存條件。

3.3 阻力面分析

疊加4個阻力因子，通過ArcGIS柵格計算器加權計算阻力要素，獲得西雙版納州生態源地的綜合阻力面（圖7）。從空間位置來看，綜合阻力值較低的地方主要是景洪市北部的勐養鎮、大渡崗鄉和勐旺鄉與勐臘縣的南部的勐滿鎮、磨憨鎮和勐臘鎮，阻力值較高的地方是中老鐵路、州內高速公路這兩個重要交通沿線區域，以及景洪市、勐海縣壩區和其他開發建設較為密集的城鎮。

3.4 生態廊道提取

基于21個生態源地與綜合阻力面，按照源-匯之間的流動關系，使用MCR模型、成本距離工具計算，生成了230條生態廊道，其中，關鍵廊道有22條，總長度793.95 km。潛在廊道保留根據源地之間兩兩連線的最短值，剔除重復路徑，最終獲得潛在廊道37條，總長度1382.76 km（圖8）。

根據圖8所示，西雙版納州生態廊道格局呈現西南密、東北疏的分布特征。在空間尺度上，廊道網絡在勐海縣、景洪市分布密集，而在勐臘縣分布則較稀疏，以生態廊道的長度計算，其中勐海縣內廊道長度673.46 km，占總長度的30.94%；景洪市廊道長度971.29 km，占總長度的44.62%。而如果以廊道長度和其所在的縣（市）域面積比值作為廊道密度，勐海縣、景洪市、勐臘縣的廊道密度分別為12.54%、14.15%以及7.74%。廊道密度大的區域多由于該地具有更多數量的源地，而這些源地都位于海拔較高的山地，面積較小、數量較多，并且與相鄰的源地距離較近，因此有更加密集的廊道結構。而其他處于海拔較低、坡度較緩地帶的源地，面積更大，數量較少，與其他源地間隔相對較遠，因此生態廊道網絡稀疏。總體來說，由于天然山體的存在，西側的生態環境受到更少人為干擾，總體質量更好，因此源地數量更多、廊道網絡復雜，對于生態系統的支持作用也更加完整。東側由于更多的平原，人為活動影響大，例如高速、鐵路均位于該區域，廊道結構較簡單，對于生態系統的支持仍需完善。

22條關鍵廊道和37條潛在廊道共同構成了“四縱四橫”的西雙版納生態廊道網絡。橫縱交錯、相互連接，構成了穩定的生態網絡結構，對整個西雙版納州的生態格局支撐與連通具有重要意義。“四縱四橫”的生態廊道中，勐侖、勐養、勐臘、尚勇、曼稿5個國家級自然保護區（片區）是多條廊道匯集的核心區域，具有重要的生態價值。

3.5 生態節點識別

在整個的生態網絡中（22條關鍵廊道和37條潛在廊道），共計有11個生態節點（圖8）。生態節點作為廊道的支撐和中轉，其分布特征與廊道類似，都呈現出西密東疏的空間結構。由于西雙版納的西側屬于高海拔山地，地勢變化劇烈，生態阻力較大，所以廊道長度短而密度大。源地的位置、生態阻力因素以及廊道的薄弱特性，是生態節點分布特征的重要影響因子。生態節點在勐海縣分布最多，達到了7個，景洪市有4個生態節點，而勐臘縣由于生態源地數量少，廊道長度較長且兩兩之間的交叉較少，因此并沒有生態節點設置，但由于廊道的脆弱性，未來的生態規劃中應當注重節點的設置，防止因為阻力的增大而導致廊道斷裂。

3.6 生態空間結構優化

根據ArcGIS模型生成的景觀生態點（節點）、線（廊道）、面（源地）格局，輔以對西雙版納地區本底自然生境狀況的分析，進一步提出研究區域內生態安全網絡的結構優化策略，在原結構的基礎上通過規劃增加廊道、節點，最終形成完善的“一環廊帶四組團，五縱四橫多節點”布局（圖9）。

3.6.1 完善廊道，構建“五縱四橫”網絡

使用ArcGIS解析西雙版納州源地得到了“四縱四橫”的生態廊道格局，但仍然存在廊道密度較低的區域，因此為了整體生態網絡的穩定，需要構建更加完善的廊道布局。

縱向廊道優化構建：由西至東，依次增加：①嘎灑鎮南路山-勐龍鎮飛龍山附近（新增生態節點）；②西雙版納國家級保護區勐侖片區-西雙版納國家級保護區尚勇片區；③西雙版納國家級保護區勐養片區-西雙版納國家級保護區勐臘片區；④勐旺鄉清水河及崩咚山-西雙版納易武州級自然保護區。由此，深化并延長了原來的縱向廊道格局，使生態網絡的穩定性得到加強，并在原來“四縱”格局上擴張成為“五縱”格局，打通了勐養、勐侖、尚勇3個自然保護片區，使得生態網絡的連通性得到完善。

橫向廊道優化構建：由北至南，依次連接

①西雙版納國家級保護區勐侖片區-西雙版納易武州級自然保護區；②景哈鄉勐松西山-西雙版納國家級保護區勐臘片區。原本的橫向廊道對于東西兩側的連通性較低，受到G213高速公路等阻力因素的影響，多止于第三條縱線（景洪市）便不再向東連通。因此需要依托現有的自然地理環境，對橫向廊道進行延伸，以滿足整個西雙版納生態網絡東西方向上的生態流動需求。以“五縱四橫”的生態廊道網絡作為依托，西雙版納州5個國家級自然保護區片區，將被有效連接，形成生態整體，呈環狀弓形分布，將其余的生態源地和節點以屏障的形式圍合在環帶之內，起到了保護作用。

3.6.2 豐富節點，集聚“四大生態組團”

以生態廊道踏腳石的形式，在新構建的廊道交點處設置節點，以維持規劃廊道的穩定性。新增4個生態節點位都位于勐臘縣，原本該縣并無生態節點布局。這三個新增節點分別為：①關累鎮梭羅河。新增西雙版納國家級保護區勐侖片區—尚勇片區廊道與新增景哈鄉勐松西山—勐臘片區廊道的交點；②關累鎮南遠河。新增西雙版納國家級保護區勐侖片區—尚勇片區廊道與原有關累鎮南臘河—勐臘片區廊道的交點；③易武鄉磨者河。西雙版納國家級保護區勐侖片區—西雙版納易武州級自然保護區廊道和勐養片區—勐臘片區廊道的交點。這3個生態節點處于較大面積的自然保護區源地之間，生物流、能量流較大，可以有效支撐廊道的生態服務能力。優化后的生態節點共計為14個，勐海縣7個，景洪市4個，勐臘縣

3個，結合景觀生態基底和阻力情況來看，分布較為合理，格局較為完整。以現有的5大自然保護區為基礎，結合廊道和節點的分布，劃分為4個生態組團。布龍—曼稿自然保護區組團、納板河—勐養自然保護區組團、勐侖自然保護區大組團、勐臘—尚勇自然保護區組團。每個組團以國家級自然保護區為中心，以廊道連通多個生態源地和節點，形成較為完整的生態系統。將4個子組團，通過“五縱四橫”廊道連接成了一個層次豐富、結構復雜、復合度高的生態安全空間新格局，促進了西雙版納地區豐富物種資源和良好生態景觀的改善和發展。

4 結論

（1）西雙版納州生態源地識別的面積為4138.24 km2，占西雙版納州總面積的21.69%。生態源地聚集性相對較高，與國家級自然保護區的空間范圍總體上較為吻合。具體集中在兩大片區：一是位于景洪市中北部山區和勐海縣的北部、東南部的自然保護區；二是位于勐臘縣中部、南部的自然保護區。

（2）從構建的綜合阻力面來看，綜合阻力值較低的地方主要是景洪市北部的勐養鎮、大渡崗鄉和勐旺鄉與勐臘縣南部的勐滿鎮、磨憨鎮和勐臘鎮，阻力值較高的地方是中老鐵路、州內高速公路這兩個重要交通沿線區域，以及景洪市、勐海縣壩區和其他開發建設較為密集的城鎮。

（3）基于21個生態源地與綜合阻力面，使用MCR模型、成本距離工具計算，生成了230條生態廊道，其中，關鍵廊道有22條，總長度793.95 km。剔除重復廊道后最終獲得潛在廊道37條，總長度1382.76 km，生態廊道格局呈現西南密、東北疏的分布特征，構成了“四縱四橫”的西雙版納生態廊道網絡。

（4）在生成廊道和新增廊道的基礎上劃定11個生態節點，其分布特征與廊道類似，都呈現出西密東疏的空間結構。生態源地、生態緩沖區及生態廊道共同構成了西雙版納州區域景觀生態安全格局。

5 討論

（1）西雙版納州內較大面積的原始熱帶雨林被橡膠、茶等經濟作物替代，演化為“綠色荒漠”，威脅景觀生態安全[35]，但當前并圖件資料可供參考，因此未納入本研究的評價中；未來將利用圖像識別技術對遙感圖像進行橡膠林的自動提取，從而更全面地評價西雙版納州景觀生態安全水平。

（2）景觀生態安全格局的構建是漫長的過程，構建思路需具有全面性與前瞻性；由于社會經濟因素難以落實到地理空間上，因此在構建生態安全網絡格局中較少考慮社會經濟方面的因素，導致西雙版納州景觀生態安全格局網絡依賴自然廊道而缺乏人工廊道，結構相對單一。

（3）文章依托景觀生態學理論進行網絡構建，但如何將理論優化應用到實踐中，還需要開展大量實地調研和專家咨詢工作，理論聯系實際，確保生態網絡構建具有前瞻性。

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