黑河尾閭天然綠洲生態保護目標識別

關鍵詞：河流生態廊道；生態源地；保護目標；黑河尾閭

0引言

干旱半干旱地區約占全球土地總面積的40%。西北干旱地區是我國典型的生態脆弱區。隨著氣候變化和人類活動的增加，西北干旱地區生態系統普遍退化，荒漠化、湖泊干涸、植被退化等生態環境問題突出，嚴重威脅區域生態安全與可持續發展。黑河是我國第二大內陸河，發源于祁連山北麓，流經河西走廊，干流全長928km。其中：鶯落峽以上為黑河上游，地勢高峻，氣候寒冷，徑流主要在此區域形成；鶯落峽至正義峽為黑河中游，地勢平坦，光熱充足，綠洲戈壁斷續分布：正義峽以下為黑河下游，地勢開闊，氣候干燥，綠洲被戈壁沙漠圍繞。黑河流域是典型的資源型缺水流域，水資源供需矛盾長期存在。黑河下游地區水資源的主要補給來源是正義峽來水，隨著經濟社會的發展，中游地區對水資源的需求不斷增加，正義峽年徑流量逐漸減小，水資源緊缺導致黑河下游地區用水緊張，并引發一系列生態環境問題，例如居延海干涸、植被枯死、沙塵暴頻發等。中國高度重視黑河流域生態問題，實施《黑河流域近期治理規劃》和黑河“97”分水方案后，黑河保護治理取得明顯成效，有力支撐了當地生態建設和經濟社會發展。但是，目前黑河下游生態系統尚未恢復至《黑河流域近期治理規劃》確定的目標即20世紀80年代中期水平，其主要原因是沒有提出細化的生態保護對象。因此，明確黑河尾間天然綠洲保護目標及范圍，對于黑河流域水資源精準配置和黑河尾閭生態修復具有重要理論和現實意義。

河流生態廊道是指為實現水系和生態流的聯通，將河流及河流兩岸分布的植被帶和與其有關的生態元素聯系在一起，包括河道、河漫灘及邊緣過渡帶，以及河流水系連接的湖泊、水庫、河渠等。河流生態廊道的提取方法分為直接提取法和間接提取法兩類，直接提取法通過野外調查、地理信息系統數據、國家和地區的規劃識別河流生態廊道，間接提取法基于生態源地識別一生態阻力面構建一河流生態廊道提取的框架識別河流生態廊道。Peng等以云南省為研究區，通過生態系統服務功能識別生態源地，利用電路理論模擬景觀的生態過程，通過計算“電阻”或“電流”，識別生態廊道和關鍵生態節點，為生態廊道空間范圍劃分、生態節點位置確定、生態安全格局構建提供了新途徑。干旱內陸河流域生態環境脆弱，生態系統微小的變化也會對流域生態安全產生重大影響。Wei等以艾比湖流域為研究區，考慮景觀連通性，基于Google Earth Engine平臺和形態學空間格局分析一最小累積阻力（MSPA-MCR）模型，構建了包括20個生態源地、190條生態廊道、129個生態節點等要素的生態安全格局。目前采用間接提取法構建黑河流域生態安全格局的研究集中在黑河上中游，Li等采用形態學空間格局分析（MSPA）法、熵權法和電路理論，基于不同土地利用／覆蓋變化情景構建了河西走廊地區生態安全格局并評估了其動態變化情況：Pan等采用MSPA法、最小累積阻力模型（MCR）和電路理論綜合識別了討賴河流域生態網絡。

本研究基于河流生態廊道理論，以黑河狼心山以下流域為研究區，將河流及其周邊環境視為整體，采用形態學空間格局分析法，結合斑塊面積、景觀連通性指數識別核心生態源地，通過賦值法、空間主成分分析（SPCA）法構建生態阻力面，基于景觀生態學中的源匯理論通過最小累積阻力模型進行研究區生態功能分區，確定黑河尾閭天然綠洲保護范圍，以期為黑河下游生態修復和生態水量配置提供參考。

1研究區概況與數據來源

1.1研究區概況

研究區為黑河流域狼心山以下區域，南北跨度約170km，東西寬約80km，面積約1.4萬km2。研究區高程為714～1320m。研究區行政區劃隸屬于內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗，東鄰內蒙古自治區阿拉善右旗，西靠甘肅省肅北縣，南連甘肅省金塔縣和玉門市，北接蒙古人民共和國。研究區屬于溫帶大陸性氣候區，年平均氣溫為8.3℃，年均降水量為37mm，多年平均潛在蒸散發能力為1471.8mm，屬于極端干旱地區。

1.2數據來源

土地利用類型數據來源于武漢大學空間分辨率為30m的CLCD全國土地利用分類數據，地下水埋深數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所，河流水系數據來源于黃河勘測規劃設計研究院有限公司2005年8月版黑河流域地圖，降水量數據來源于中國氣象數據網提供的額濟納旗氣象站數據，歸一化植被指數（NDVI）數據來源于美國國家航空航天局空間分辨率為250m的MODIS數據，數字高程模型（DEM）數據來源于中國科學院地理空間數據云提供的空間分辨率為30m的數據。

2研究方法

首先通過形態學空間格局分析法識別核心區，結合斑塊面積、景觀連通性指數識別核心生態源地；其次以地下水埋深、距河流距離、降水量、土地利用類型、NDVI、坡度、DEM為阻力因子，通過賦值法和空間主成分分析方法構建生態阻力面：最后基于最小累積阻力模型進行生態功能分區，并結合研究區水系識別河流生態廊道保護范圍。

2.1核心生態源地識別

1）形態學空間格局分析法。形態學空間格局分析法最早由Matheron等提出后，由Vogt等引入景觀生態學領域。MSPA法是一種基于圖形學原理的圖像處理方法，它能夠對柵格圖像的空間格局進行識別，從而在像元層面精確識別出景觀結構，降低人為選擇的主觀性。這種方法最早應用于分析森林破碎化程度，隨后應用于景觀連通性研究、綠色基礎設施評估、生態網絡構建等。

首先在ArcMap10.2軟件中采用重分類工具對研究區2020年土地利用類型數據進行分類，將林地、草地、水域作為MSPA分析的前景數據賦值為2，將耕地、建設用地、未利用地作為背景數據賦值為1；然后應用Guidos軟件，采用八鄰域算法，識別出7種不同的景觀類型，分別為核心區、橋接區、環道區、邊緣區、孤島、支線、孔隙；最后在ArcMap10.2軟件中將柵格數據轉換為矢量數據。

結合Guidos Toolbox手冊和研究區實際情況，得到7種景觀類型含義，其中：核心區指前景像元中面積較大、生境質量較好的斑塊，對生態恢復具有重要意義，可以作為潛在生態源地：橋接區指連接不同核心區的斑塊，呈狹長形，對景觀連接具有重要意義，可以作為連接生態源地的廊道：環道區指連接核心區的廊道，是同一核心區內部的通道：邊緣區指核心區與外界非潛在生態源地之間的過渡區域，是核心區的外部邊緣；孤島指與其他斑塊不連接的孤立、破碎、面積較小的斑塊，斑塊之間的連接度較低，內部物質、能量交流和傳遞的可能性較小；支線指只有一端與邊緣區或橋接區、環道區、孔隙相連的斑塊；孔隙指核心區與內部非潛在生態源地之間的過渡區域．是核心區的內部邊緣。

邊緣寬度（Edge Width）是在MSPA分析時定義的除核心區以外的其他景觀類型的寬度，單位是像元，實際距離是邊緣寬度乘以像元大小。邊緣效應是指在圖形分析時，因人為改變邊緣寬度而導致的分析結果的變化。在進行MSPA分析時，設置不同的邊緣寬度會對結果產生較大影響。為比較不同邊緣寬度參數設置對斑塊內部及斑塊之間連接度的影響，篩選出適宜的邊緣寬度參數，本研究選取1、2、3共3種邊緣寬度，分別對應30、60、90m的實際距離，對前景進行對比分析。

2）景觀連通性指數。通過景觀連通性指數計算合適的距離閾值后，根據斑塊重要性識別出更為重要且數量適宜的核心生態源地，以提高篩選質量。采用可能連通性指數評價景觀連通性水平。可能連通性指數能夠準確反映核心區斑塊的連接狀況，用于評估景觀中各斑塊之間的連通性水平，是衡量景觀格局與功能的重要指標，計算公式為

確定合適的距離閾值是準確計算PC的前提。若距離閾值設置較小，會低估研究區內斑塊之間的連通性，導致斑塊破碎化加劇，生態負效應顯著；若距離閾值設置較大，會高估研究區內斑塊之間的連通性，導致同組分斑塊較多．占比較大，景觀組成結構不符合實際，低估生態負效應。選擇距離梯度法，在500～5000m每500m取一個值作為距離閾值，根據組分數（NC）和整體連通性指數（HC）的變化趨勢確定合適的距離閾值。NC是指在功能或者結構上相互連接的斑塊組成的整體，不同景觀組分之間不連通、相互獨立。HC表示斑塊間的景觀連接度，值為0～1，當HC為0時表示各個斑塊之間不連通，當HC值為1時表示整個景觀全部連通，計算公式為

2.2生態阻力面構建

1）賦值法。本研究選擇地下水埋深、距河流距離、降水量、NDVI、土地利用類型、坡度、DEM作為阻力因子，采用賦值法確定各阻力因子的阻力值。

干旱區植被生長對地下水埋深有很強的依賴性，地下水時空變化直接影響綠洲的可持續發展。通過ArcMap10.2軟件中克里金插值法分析工具對地下水埋深數據進行插值，得到研究區地下水埋深柵格數據。結合研究區主要植物例如胡楊、檉柳等生長的適宜地下水位，將地下水埋深為2.5～3.0m的阻力值賦為1，2.0～2.5m、3.0～3.5m的阻力值賦為2，0.5～2.0m的阻力值賦為3，大于3.5m的阻力值賦為4，小于0.5m的阻力值賦為5。

水資源是限制干旱內陸河流域生態用地的主要因素，距離河流水系近的地方通常具有較好的生態條件。本研究利用ArcMap10.2軟件中歐氏距離分析工具生成研究區距河流距離柵格數據。將距河流距離小于500m、500～1000m、1000～1500m、1500～2000m、大于2000m的阻力值分別賦為1、2、3、4、5。

研究區水資源主要來源于降水和正義峽來水，將年降水量大于42.5mm、37.5～42.5mm、32.5～37.5mm、27.5～32.5mm、小于27.5mm的阻力值分別賦為1、2、3、4、5。

不同土地利用類型會對生態源地之間物質能量流動和信息交流產生不同程度的阻力。本研究對土地利用類型賦值如下：水域阻力最小，賦為1：草地和林地阻力適中，賦為2；耕地阻力值賦為3；未利用地阻力值賦為4；建設用地受人為干擾大，阻力最大，賦為5。

NDVI是衡量植被覆蓋的標準化方法，能有效反映地表的穩定程度。當NDVI較大時，代表植被覆蓋度高；當NDVI較小時，代表植被較少或沒有植被。NDVI大于0.5的阻力值賦為1，NDVI為0.4～0.5的阻力值賦為2，NDVI為0.3～0.4的阻力值賦為3，NDVI為0.2～0.3的阻力值賦為4．NDVI小于0.2的阻力值賦為5。

地形地貌影響區域植被景觀，坡度小于5°的阻力值賦為1，坡度為5°～10°的阻力值賦為2，坡度為10°～15°的阻力值賦為3，坡度為15°～20°的阻力值賦為4，坡度大于20°的阻力值賦為5。

高程影響物種的活動范圍，DEM小于850m的阻力值賦為1，DEM為850～950m的阻力值賦為2，DEM為950～1050m的阻力值賦為3，DEM為1050～1150m的阻力值賦為4，DEM大于1150m的阻力值賦為5。

2）空間主成分分析。空間主成分分析（SPCA）是在地理信息系統（GIS）技術的支持下，通過主成分分析法（PCA）將阻力因子的影響分配到相應的主成分上，實現對高維變量的最佳綜合與簡化，其基本操作單元是二維空間中的柵格，而不是傳統的一維數據。將通過SPCA分析得到的各主成分的貢獻率作為載荷較大的阻力因子的權重，確定地下水埋深、距河流距離、降水量、土地利用類型、NDVI、坡度、DEM的權重，采用ArcMap10.2軟件中柵格計算器對主成分進行加權求和，得到研究區綜合阻力面。

3）最小累積阻力（MCR）模型。最小累積阻力（MCR）模型將核心生態源地之間的距離概化為正相關的函數關系，計算公式為

利用ArcMap10.2軟件中的成本距離工具，將核心生態源地作為要素源數據，綜合阻力面作為成本柵格數據，得到最小累積阻力面。

2.3河流生態廊道生態保護目標識別

鑒于黑河干流天然植被的生態重要性、不可替代性、易擾動性、脆弱性和復雜性等，以生態過程與景觀格局相互作用理論為基礎，利用ArcMap10.2軟件中1/4標準方差分類方法對最小累積阻力面進行分類，根據累積阻力中斷值確定臨界值，并結合研究區實際情況劃分生態功能區，最終將研究區劃分為生態核心區、生態緩沖區、生態過渡區和生態邊緣區。根據黑河流域生態功能分區結果，結合黑河流域實際，利用Arc-Map10.2軟件中歐氏距離工具、柵格轉面工具等，確定河流生態廊道保護范圍。

3結果與分析

3.1核心生態源地識別

1）核心區確定。核心區能為物種提供較大活動空間，在結構上適合作為棲息地。采用MSPA分析核心區時，不同邊緣寬度MSPA分析結果見圖1。核心區斑塊與橋接區斑塊對維持區域生態多樣性、促進物種交流具有重要意義。由表1可知，隨著邊緣寬度的增大，核心區占比減小，邊緣區、孤島占比增大，說明核心區斑塊破碎化較為嚴重，因此選擇邊緣寬度為1，對應實際距離為30m。

2）核心生態源地確定。生態源地是研究區內生境質量較好、對維持景觀連通性具有重要作用的環境集合。根據MSPA結果發現，核心區斑塊破碎化嚴重，考慮生態源地保護的可行性，選擇面積大于1km2的核心區斑塊作為潛在生態源地進行后續研究。

景觀連通性指數可以反映生物體在斑塊間運動的情況或生態過程，有助于識別生態源地。根據組分數（NC）和整體連通性指數（HC）在不同距離閾值的變化情況（見圖2）可以看出，HC隨著距離閾值的增大而增大，NC隨著距離閾值的增大而減小。說明隨著距離閾值的增大，研究區孤立的斑塊數量減少，斑塊之間更容易建立聯系，直至斑塊全部連通為一個整體。由圖2可見，距離閾值小于1500m時，NC顯著下降，HC增幅較大；距離閾值大于1500m時，NC、HC變化趨于平緩，斑塊聚集度較為穩定，因此確定最適宜的距離閾值為1500m。

根據以上分析結果，將距離閾值設定為1500m，連通概率設定為0.5。借助Conefor26軟件計算潛在生態源地單個斑塊的重要性值dPC，將dPC大于1的29個潛在生態源地作為核心生態源地，部分核心生態源地見圖3。最終確定的核心生態源地面積共294.47km2，占核心區面積的35.5%，主要分布在西河干流沿岸、東河干流狼心山至納林河進水閘段、額濟納綠洲區、東居延海和天鵝湖。各生態源地參數見表2。

3.2生態阻力面的構建

不同阻力因子會影響信息流、物質流、物種流等的擴散。生態阻力面綜合了影響信息流、物質流、物種流等運行的各種因素，能夠反映信息流、物質流、物種流等在不同核心生態源地之間遷移時需要克服的阻力。阻力值反映生態過程中景觀異質性對信息、物質和物種的影響，是阻力面構建的重要參數。本研究根據各阻力因子阻力值，利用ArcMap10.2軟件中重分類工具得到各個阻力因子的阻力面，見圖4。

主成分分析結果見表3，前4個主成分的累計貢獻率超過85%，也就是說前4個主成分已經能夠很好地反映研究區生態安全格局的組成。進一步分析各阻力因子的原始載荷矩陣，發現第1主成分在地下水埋深的載荷較大，第2主成分在距河流距離的載荷較大，第3主成分在降水量的載荷較大，第4主成分在土地利用類型的載荷較大，第5主成分在NDVI的載荷較大，第6主成分在坡度的載荷較大，第7主成分在DEM的載荷較大。

對于干旱內陸河而言，水資源是對生態環境影響最大的因素，流域地表徑流及與其密切聯系的地下水資源是維系下游經濟社會發展和生態環境平衡的紐帶。研究區所處黑河下游是典型的內陸干旱區，氣候干旱，水資源稀缺，水資源的主要補給來源是正義峽來水和降水。受地形和水熱分布影響，研究區水土資源分布極不平衡，在一定程度上決定了土地分布格局，與水資源共同影響研究區的生態安全。研究區生態環境脆弱，加之中游灌溉用水增多，地下水水位逐漸下降，靠地下水補給生存的荒漠植被逐漸衰退。研究區位于西北內陸，除了水資源，坡度、高程也是影響該地區生態安全的重要因素，決定著生物群落的組成。

將通過SPCA分析得到的各主成分的貢獻率作為載荷較大的阻力因子的權重，確定地下水埋深、距河流距離、降水量、土地利用類型、NDVI、坡度、DEM權重分別為0.3693、0.2317、0.1632、0.0921、0.0720、0.0382、0.0335，最終得到研究區綜合阻力面，見圖5。綜合阻力面在東河、西河兩岸以及額濟納旗綠洲區阻力值較小，隨著距東河、西河距離的增加，阻力值增大，最終得到核心生態源地的最小累積阻力面，見圖6。

3.3生態保護目標識別

將研究區劃分為生態核心區、生態緩沖區、生態過渡區和生態邊緣區，見圖7。生態核心區面積1562.634km2，占研究區總面積的11.19%。生態核心區分布于西河干流、東河干流、額濟納綠洲、東居延海，是目前生態環境良好、需要受到重點保護的區域。生態緩沖區面積1472.55km2，占研究區總面積的10.54%。生態緩沖區分布在生態核心區周圍，若對生態緩沖區進行開發，可能會破壞生態核心區。生態過渡區面積3013.134km2，占研究區總面積的21.57%。生態過渡區主要位于綠洲與荒漠過渡地區，這一區域阻力值較大，人類對生態過渡區的影響較小，這一區域生態環境易退化，因此要限制開墾荒地等破壞生態環境的活動。生態邊緣區面積7921.188km2，占研究區總面積的56.70%。生態邊緣區主要是研究區中的沙漠、戈壁地區，是所有生態功能區中阻力值最大的區域，人類對生態邊緣區的影響小，這一區域物種擴散比較困難。加強對生態邊緣區的管控，可以防止這一區域進一步擴張。根據黑河流域生態功能分區結果，結合黑河流域實際，確定河流生態廊道功能區范圍（寬度）見表4。

4結論

為識別黑河尾閭河流生態廊道保護目標，首先，采用MSPA方法、景觀連通性指數、斑塊面積識別黑河尾閭核心生態源地；然后，將地下水埋深、距河流距離、降水量、土地利用類型、NDVI、坡度、DEM數據作為阻力因子，通過賦值法得到各阻力因子的阻力面，通過空間主成分分析法得到綜合阻力面，并采用最小累積阻力模型得到最小累積阻力面：最后，利用1/4標準方差分類方法進行研究區生態功能分區，結合研究區水系識別河流生態廊道保護范圍。

通過MSPA方法、斑塊面積、景觀連通性指數識別核心生態源地。邊緣寬度為1，通過NC和HC的變化確定合適的距離閾值為1500m。最終確定的核心生態源地面積為294.47km2，占核心區面積的35.5%，主要分布在西河干流沿岸、東河干流狼心山至納林河進水閘段、額濟納綠洲、東居延海和天鵝湖。

主成分分析結果表明地下水埋深、距河流距離、降水量、土地利用類型對研究區影響較大，阻力面在東河、西河兩岸以及額濟納綠洲阻力值較小，隨著距東河、西河距離的增加，阻力值增大。

劃分生態核心區面積1562.634km2、生態緩沖區面積1472.55km2．生態過渡區面積3013.134km2、生態邊緣區面積7921.188km2。確定河流生態廊道生態核心區范圍為東河干流狼心山至納林河進水閘2.21km內、二道河8.10km內、三道河0.63km內、四道河3.27km內、五道河7.16km內、六道河7.48km內、七道河12.28km內、昂茨河4.53km內、西河干流狼心山至萊茨格敖包9.82km內。