黃河流域中段生態源地識別與生態廊道構建

摘 要：【目的】以黃河流域中段為研究區，進行生態源地識別和生態廊道構建，為黃河流域中游地區的生態安全保護和生態安全規劃提供指導。【方法】采用形態空間格局分析法（MSPA）和景觀連通性分析識別生態源地，運用最小累積阻力模型（MCR）提取潛在生態廊道，運用重力模型方法識別出重要生態廊道。【結果】基于MSPA與景觀連通性方法，共識別出19個生態源地；采用MCR 與重力模型，共識別出171條潛在生態廊道、20條重要生態廊道。【結論】通過識別景觀連通性及有利于物種遷徙的途徑與區域，明確生態環境保護及生態修復的方向，有助于從根本上改善區域生態系統結構和功能，達到構建生態廊道和完善區域生態安全格局的目的。

關鍵詞：生態廊道；生態源地；最小累積阻力模型；MSPA

中圖分類號：X321" " "文獻標志碼：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

從國內外自然保護地體系由單一保護地發展為如今的國家公園這一過程中可以發現，生態廊道構建已經成為 21 世紀重要的生態保護方式之一。21 世紀以來，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峻，生態系統面臨嚴重的威脅，構建生態廊道成為應對這些問題的有效手段。生態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，已經成為解決生態問題和連接斑塊的不可或缺的橋梁。

目前，“識別生態源地-構建阻力面-構建廊道-重要廊道識別”的方法，已成為國內外學者構建生態安全格局的基本模式，該方法在提高生態連通性方面也取得了一定成效。其中，識別生態源地是進行廊道構建的基礎。在以往的研究中，生態源地的選取標準相對單一，導致構建的生態廊道完整性降低。因此本研究采用形態空間格局分析法（Morphological Spatial Pattern Analysis ， MSPA）和景觀連通性來進行生態源地的綜合分析和選取［1］。基于地類賦值方式的阻力面構建方法較通用。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、最佳效果的生態廊道提取方法是MCR模型，該模型通過計算不同景觀和土地利用類型的生態源物種所產生的成本，用以模擬最小累積阻力路徑，從而構建生態廊道［2］。其可以綜合考慮研究區域的地形、地貌、環境、人為干擾等因素，具有數據量小、可視化清晰的優點。重力模型通過構建生態源地之間的相互作用矩陣來計算其強度，從而定量表征潛在廊道的重要性和有效性。可將其與 MCR 模型結合使用，在區域潛在生態廊道的基礎上篩選重要性較高的生態廊道。

黃河中游地區環境復雜、生態脆弱，加之當前全球性氣候變化問題嚴峻，人類經濟活動容易在該區域引發突出的生態環境問題。因此，以黃河中游地區為研究區的生態源地識別和生態廊道構建研究具有一定的價值。可為黃河流域中游地區的生態安全保護和生態安全規劃提供指導，為促進該區域生態和經濟共同繁榮與協同發展提供參考依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

黃河流域包括中國西北地區的黃土高原和內蒙古的華北平原，以及中國西北地區和華北地區的平原。黃土高原上溝壑縱橫，丘陵溝壑區海拔多在1 000～1 500 m。研究區從流域上可劃分為河口鎮-龍門段、龍門-三門峽段兩個流域段。涉及的省（區、市）有內蒙古自治區、陜西省、山西省、河南省、甘肅省和寧夏回族自治區等。區域總面積約為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降水，使得該區域土壤侵蝕嚴重，生態環境十分敏感。

1.2 數據來源及預處理

1.2.1 土地利用類型數據。土地利用數據集來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn），精度為30 m，包括6個一級分類和24個二級分類，數據精度經驗證符合研究需求。

1.2.2 植被覆蓋數據。植被覆蓋度數據來源于中國科學院成都山地災害與環境研究所數字山地與遙感應用中心，利用像元二分法模型得到2020年的植被覆蓋度數據，空間精度為250 m，數據精度經驗證符合研究需求。

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

2 研究方法

2.1 生態源地識別

生態源地本質上是指區域內特定的生態環境斑塊，對所在區域的生態安全具有重要價值，同時對周邊區域具有顯著的生態輻射效應，具有較強的生態功能。生態源地作為地區內生物集群遷徙的起始點，其內部生物種群向外擴散的同時也能吸引物種內聚，是指示地區生態系統功能穩定性和服務性的有效信號。因此，生態源地的空間位置分布，對于保障地區的生態安全、確保地區生態結構完整及推動綠色可持續發展具有重要意義。本研究主要通過運用形態空間格局分析法（MSPA）初步提取生態源地，再利用景觀連通性進一步篩選生態源地。

MSPA能夠識別目標像元集與結構要素之間的空間拓撲關系，并將目標像元集分為核心、斑塊、孔隙、邊緣、橋接、環道和支線7種類型［3］，其生態學含義見表1。本研究在進行MSPA分析時，將林地、草地、水域作為前景地類，耕地、園地、未利用地和建設用地設置為背景地類［4］，利用GTB3.0軟件對研究區域進行分析，識別出核心區，篩選出面積大于10 000 hm2的地塊作為初步生態源地。

景觀連通性是指運用景觀元素在空間結構上的聯系，來測定景觀生態過程的一種指標。運用Conefor2.6軟件進行景觀連通性分析，選擇PC（Probability of Connectivity，PC）指數作為篩選依據，保留PCgt;2的數據作為生態源地。

2.2 最小累積阻力面構建

生態阻力面表征了不同生物集群在生態源地之間遷徙的難易程度，能夠直觀體現生物族群對生態擴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實際狀況，選取土地利用、NDVI、高程、坡度、坡向作為阻力因子，對5個阻力因子劃分阻力等級，進行重分類，并運用層次分析法確定各項指標因子權重（見表2），按照生態系統服務功能構建基本生態阻力面。最小累積阻力值計算公式為式（1）。

式中：[Ri]是景觀單元i的阻力值；[Cij]是景觀單元i對應的阻力因子j阻力值；[Wij]是景觀單元i對應的阻力因子j權重值；n為阻力因子的總數［5］。

2.3 MCR模型構建生態廊道

生態廊道代表著生態源地間生態信息的交流通道，是維持生態系統功能的有效途徑。實際中生態廊道往往同時服務于多個生態源地或者生態節點，實現源地之間的生態交流、能量和信息傳遞，以此保持自身生態系統功能的最小規模要求，即維持

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

式中：MCR表示從生態源地j在空間中擴散至某點的最小累積阻力值；f為反映MCR與變量[Dij]和[Ri]之間正比關系的函數；[Dij]表示生態源地從j至i所經過的空間距離；[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廊道

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

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

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

3 結果分析

3.1 生態源地識別結果分析

基于MSPA和景觀連通性識別的19處生態源地主要由林地和草地構成。從行政區劃來看，甘肅省共6處，主要分布在定西市、平涼市和慶陽市；陜西省共6處，主要分布在寶雞市和榆林市；內蒙古自治區共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，生態源地主要位于西部和東部黃河沿岸林地和草地密集區域，生態調節能力較強，生態源地較多。中部由于城市較多且遠離黃河，林地草地并不密集，城市化水平也較高，因此沒有生態源地。具體地理空間位置分布如圖1所示。

3.2 生態阻力面分析

本研究基于土地利用、NDVI、高程、坡度、坡向5個影響因子，將各個因子進行加權疊加分析構建黃河流域中段阻力面，最終生成的生態阻力面如圖2所示。可以看出，阻力值較低的區域相對集中，且彼此之間有一定的聯系，呈現出“西南高、東南低”的趨勢。其中，高阻力區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。這部分地區海拔較高且土地類型主要為林地，應該著重關注該區域的生態環境保護，避免因人類活動造成生態環境破壞，從而對生態廊道造成影響，阻礙物種遷徙。

3.3 生態廊道構建結果與分析

生態廊道作為物種可利用的條帶狀生態用地，可實現促進物種基因交流、實現生境連接和保護生物多樣性等重要作用。生態廊道的構建運用了ArcGIS進行分析，以生態阻力面為基礎計算阻力值，構建生態源點后計算出每一個點到其他點的最小累積阻力路徑，得到所有結果后合并所有路徑，將其作為潛在生態廊道，本研究最終得到171條潛在生態廊道，如圖3所示。

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

分析結果表明，15個生態源地共構成了2組相互作用力較強的區塊，分別為以源地1～7構成的區塊一，源地14～18構成的區塊二，這表明物種在這兩個區塊有更大的遷徙的可能性，同時區塊內各源地之間物質和能量的交流和傳遞更加簡單。同時，在區塊一中，1～7這7個源地有很強的相互作用力，使得生態廊道也更加密集，因此，應重點加強對區塊一部分廊道的保護，避免因人類活動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廊道分布較為密集，廊道質量較高，物種遷徙阻力較低，利于生態信息的流動。陜西省西北部多為草地和未利用地，海拔較低，人類活動跡象少，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對生態的沖擊，但也一定程度上阻礙了遠距離物種的遷徙和自然生態信息的傳遞。研究區中部地區是城市化區域，幾乎沒有生態源地，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、人類活動密集、海拔高的地域生成生態廊道的概率較低，地勢平緩且人類活動較少的區域易生成生態廊道［6］。

4 結語

本研究綜合使用MSPA法和景觀連通性篩選生態源地，使用MCR模型和重力模型構建生態廊道，不僅可以提升生態系統功能性和連通性，減輕生態環境破碎化帶來的影響，還可以以此為基礎構建出更加完整的生態區域模式，有效促進該區域可持續發展。黃河流域中段生態源地共19處，總面積約為61 5903.48 hm2，潛在生態廊道171條，重要生態廊道20條。生態廊道的構建立足于對生態系統的總體保護，通過識別景觀連通性及有利于物種遷徙的途徑與區域，明確生態環境保護及生態修復的方向。

本研究區生態廊道也存在許多不足的地方，例如區塊一和區塊二內部聯系緊密，但兩個區塊之間的源地相互作用力并不是很強，這就使兩個區塊之間物種遷徙的難度增加，不利于物種信息交流與物質交換。因此，在生態環境保護及生態修復過程中，不僅應該重視生態源地聯系緊密的區塊的保護，還應加強兩個區塊之間生態廊道的構建。以提升森林質量為基礎，對廊道周邊森林輔以保育、優化森林結構、禁止亂砍濫伐和封山育林等措施，從根本上提高區域生態系統結構和功能，從而達到構建生態廊道和完善區域生態安全格局的目的。

參考文獻：

［1］寧琦，朱梓銘，覃盟琳，等.基于MSPA和電路理論的南寧市國土空間生態網絡優化研究［J］.廣西大學學報（自然科學版），2021，46（2）：306-318.

［2］楊志廣，蔣志云，郭程軒，等.基于形態空間格局分析和最小累積阻力模型的廣州市生態網絡構建［J］.應用生態學報，2018，29（10）：3367-3376.

［3］成文青，陶宇，吳未，等.基于MSPA-連接度-空間句法的生態保護空間及優先級識別：以蘇錫常地區為例［J］.生態學報，2020，40（5）：1789-1798.

［4］武子豪，張金懿，帕茹克·吾斯曼江，等.縣域生態網絡構建與優化研究：以河北省曲周縣為例［J］.中國農業大學學報，2022，27（7）：221-234.

［5］徐威杰，陳晨，張哲，等.基于重要生態節點獨流減河流域生態廊道構建［J］.環境科學研究，2018，31（5）：805-813.

［6］吳靜，黎仁杰，程朋根.城市生態源地識別與生態廊道構建［J］.測繪科學，2022，47（4）：175-180.

［7］漢瑞英，趙志平，肖能文，等.基于最小累積阻力差值模型的北京市生態安全格局構建［J］.水土保持通報，2022，42（3）：95-102.

［8］黃河，余坤勇，高雅玲，等.基于MSPA的福州綠色基礎設施網絡構建［J］.中國園林，2019，35（11）：70-75.

［9］艾婧文，余坤勇，黃茹鮮，等.風電項目對潛在生態廊道的影響：基于MSPA-MCR模型［J］.生態學報，2023，43（9）：3665-3676.

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。