基于MSPA和电路理论的昌都市生态安全格局构建

陈宝霖 翟云梦

摘 要：【目的】在生态文明建设背景下，基于城镇化构建昌都市区域生态安全格局，有利于促进区域生态与经济协调发展，保障区域生态系统稳定，推进国土空间战略发展。【方法】通过MSPA和电路理论，分别识别昌都市生态源地、生态廊道和生态节点，并构建昌都市生态安全格局。【结果】昌都市共识别20处生态源地，44条生态廊道，其中关键生态廊道为16条，一般生态廊道为28条。共提取13处生态夹点和14处生态障碍点。其中生态源地主要分布在中北部与东部，生态廊道沿着金沙江、澜沧江流向分布，而生态夹点与生态障碍点集中分布在生态廊道路径周围。【结论】通过构建昌都市生态安全格局，对其开展生态修复分区，包括生态涵养区、生态修复区和生态提升区，并结合实际分别对其提出相应的修复措施。研究结果为今后国土空间修复、城市生态安全格局构建提供一定的参考和理论支撑。

关键词：昌都市；生态安全格局；电路理论；MSPA

中图分类号：X321     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）06-0105-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.021

Construction of Ecological Security Pattern in Qamdo City Based on MSPA and Circuit Theory

CHEN Baolin ZHAI Yunmeng

（School of Land Engineering， Chang 'an University， Xi 'an 710054， China）

Abstract：[Purposes] Under the background of ecological civilization construction， the construction of regional ecological security pattern based on urbanization in Qamdu City is conducive to promoting the coordinated development of regional ecology and economy， ensuring the stability of regional ecosystem， and promoting the strategic development of territorial space. [Methods] B ased on MSPA and circuit theory， the ecological source area， ecological corridor and ecological node of Qamdu City were identified respectively， and the ecological security pattern of Qamdu City was constructed. [Findings] There are 20 ecological sources and 44 ecological corridors in Qamdu City， of which 16 are key ecological corridors and 28 are general ecological corridors， and 13 ecological spots and 14 ecological obstacles are extracted. The ecological source areas are mainly distributed in the northern and eastern parts of the corridor， the ecological corridor flows along the Jinsha River and Lancang River， and the ecological pinch points and ecological obstacle points are concentrated around the corridor path. [Conclusions] By constructing the ecological security pattern of Qamdu City， ecological restoration zones were carried out， including ecological conservation area， ecological restoration area and ecological improvement area， and corresponding restoration measures were proposed based on the actual situation. The research results provide some reference and theoretical support for the future restoration of national space and the construction of urban ecological security pattern.

Keywords： Qamdo City; ecological security pattern; circuit theory; MSPA

0 引言

當前，在我国城市快速扩张的背景下，人地关系紧张的矛盾和人与自然和谐共处的问题亟待解决，对此，自然资源部办公厅印发的《市级国土空间总体规划编制指南 （试行）》中指出，构建“连续、完整、系统的生态安全格局”是保障生态系统稳定、促进社会经济健康发展的重要途径。

生态安全格局最早起源于20世紀80年代，涉及的学科包括景观生态学、地理学和生态系统评价等，俞孔坚［1］在优化Forman的景观利用格局理论的基础上，结合生物多样性保护的观点，提出了“生态源地识别—阻力面建立—生态廊道构建”的生态安全格局体系，之后在不断地发展和演变过程中逐步融入生态夹点、生态障碍点及生态断裂点等内容。从研究方法上看，早期识别提取生态源地时，多数学者采用选取研究区自然保护区等重点区域、生态系统服务价值评价、形态学空间格局分析（MSPA）及基于InVEST模型的生境质量评价等方法。在阻力面的构建上采用最小成本路径（MCR）模型［2］、电路理论［3］及重力模型等。其中电路理论基于电荷游走的特性，能够较为有效地展现生物在景观空间内迁徙、扩展的可能性，从而识别出更具说服力的生态夹点和障碍点［3］。

昌都市地处藏川滇青4省区接合部，被誉为西藏的“东大门”，是藏中经济圈和成渝经济圈重点结合部位，同时也是三江并流的聚集区和西藏第二大林区，蕴含着极为丰富的有色金属矿产资源，对横断山区以及青藏高原的水土保持、水源涵养等方面具有重要的作用。近年来，由于经济发展的需求，城镇化带来的人地关系紧张、矿产资源的无序开采和工业污染物的随意排放，极大程度上影响了当地的生态健康稳定。基于此，本研究通过MSPA提取生态源地，借助电路理论构建生态阻力面、识别生态廊道，并通过识别提取生态夹点、生态障碍点来构建昌都市生态安全格局，以期为国土空间治理，城市生态安全修复提供理论依据和决策参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

昌都市（28°5′N～32°6′N，93°6′E～99°2′E）位于西藏自治区，地处横断山脉东北部、三江（金沙江、澜沧江以及怒江）流域中部，是我国川藏公路和滇藏公路的必经之地。昌都市辖1个市辖区、10个县，人口共计为76万人，全市面积为10.98万km?。该区域位于我国第一、第二阶梯，属高原亚温带湿润气候，平均海拔为3 600 m。由于地势较为复杂，多山地丘陵，自西北部向东南部气候逐渐湿润温和。全区主要地类为草地，人均面积为10.4 hm2，但草地质量较差，西北部存在大面积裸地、冰川和永久积雪等不宜利用地，矿产资源和药用植物资源较为丰富，被誉为“藏医药的故乡”（如图1所示）。

1.2 数据来源

本研究所使用的数据均来自国内线上公开数据。其中，昌都市行政区划数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：∕∕www.resdc.cn）；土地利用数据来源于GlobeLand30全球地理信息公共产品（http：//www.globallandcover.com/）；高程模型（DEM）数据来源于来自地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn）；道路交通数据源于Open Street Map 平台（http：∕∕www.openstreetmap.org）；河流数据源于地球大数据科学工程（https：//data.casearth.cn/）；归一化植被指数（NDVI）数据源于国家科技资源共享服务平台（http：//www.nesdc.org.cn/）。本研究涉及相关数据全部采用设置栅90 m的格空间分辨率和WGS 1984 UTM投影坐标。

2 研究内容与方法

2.1 生态源地识别

生态源地是研究区域内生境质量较高的景观斑块，对于促进区域生态系统健康稳定、维持生物多样性具有重要意义。昌都市景观格局中占比较大的地类包括林地和草地，而草地大多数质量较差。林地资源能够有效提升生物多样性、促进物种交流。本研究采用MSPA方法，结合景观连通性评价，以2020年昌都市土地利用覆被数据为基础，将林地作为前景值，其他地类作为背景值来提取生态源地。基于MSPA获取核心区斑块，并通过景观斑块连通性指数（PC）和斑块重要性（dPC）开展连通性评价［4］，最终选择dPC值最高的20个景观斑块作为生态源地。其计算公式如式（1）至式（3）。

2.2 生态阻力面构建

物种在空间格局进行交流、迁徙和扩散等活动时往往会受到外界土地利用类型、地形、人类活动等要素的影响和干扰［5］。本研究在借鉴以往研究的基础上，结合昌都市自然经济状况，选择土地利用类型、NDVI、DEM、距河流距离和距道路距离数据作为阻力因子，依据层次分析法（AHP）和专家打分法确定各个阻力因子权重［6］，通过Arcgis 10.6的栅格计算器叠加构成综合生态阻力面，具体阻力因子及权重赋值见表1。

2.3 生态廊道提取

生态廊道在整个景观空间格局是各个物种之间进行信息交流、能量流动的重要渠道。其能够更好地促进各个生态源地之间开展联系，对于维持整个区域生态系统的健康稳定、促进各个景观斑块之间的联系及保障景观格局连通性等方面具有较大的作用。电路理论中，电荷的随机游走特性能够较好地展现生物在受到阻力时所产生的迁徙、移动方向和路径，两者相结合能够较好地评价最小成本路径，具体原理如图2所示［7］。本研究基于电路理论来提取生态廊道，通过电流密度来识别廊道，即电流密度越强的区域，其生物移动、迁徙所受到的阻力越小，生态阻力值越低［8］。

2.4 生态夹点和生态障碍点提取

生态夹点是生态源地之间开展物种迁徙、信息交流最为活跃的区域，对于整个景观生态系统的稳定具有积极意义。本研究在参考相关文献的基础上，运用Pinchpoint Mapper工具，选择“all to one”模式［9］识别生态夹点，并基于自然断点法将其分为5级，从5级到1级电流密度逐渐增强，提取最高级电流密度区作为生态夹点。生态障碍点是阻碍生物开展信息、物质交流的区域，运用Barrier Mapper工具，结合研究现状和相关文献［10-11］，将最小搜索半径设置为90 m，最大搜索半径为360 m，依照90 m步长，采取窗口移动法搜索生态障碍点，得出累积电流恢复值示意图作为生态障碍点选取依据。然后根据自然断点法将电流密度值分为5级，从5级到1级电流密度逐渐增强，选取最高级电流密度区域作为生态障碍点。

3 结果和分析

3.1 生态源地识别

根据MSPA方法和Conefor2.6 软件分析，昌都市共识别核心区面积为8 909 km?，占研究区面积的8.2%，并通过连通性评价，最终选择dPC值最高的20个景观斑块作为生态源地（如图3所示）。从数量特征上看，昌都市共提取20处生态源地斑块，其中最大斑块面积为895 km?，最小斑块面积为70 km?，共计面积为6 294 km?。从空间分布上看，生态源地主要分布在昌都市中北部和东部，具体分布在中北部的卡若区、类乌齐县和东部的贡觉县、芒康县和江达县；西部分布较少，主要分布在边坝县。

3.2 阻力面构建

基于表1计算得出的各阻力因子指标绘制相应的阻力面，并依照权重通过栅格计算器构建综合阻力面（如图4所示）。结果显示，昌都市整体生态阻力较高，平均生态阻力为3.92，并且空间分布上差异较大，整体上呈现西北高、东南低和中部低、四周高的趋势。具体上看，昌都市高阻力值区域主要分布在西北部的丁青县、类乌齐县和东北部的江达县和贡觉县；低阻力值区域主要分布在中部的卡若区、察雅县和东南部的芒康县和左贡县。

3.3 生态廊道提取

通过ArcGIS的Linkage Mapper Toolkit插件，提取昌都市生态廊道，并借助成本加权距离（CWD）与最小成本路径长度（LCPL）比值来反映生态源地之间的流通性，结合属性表比值结果划分关键生态廊道和一般生态廊道（如图5所示）。从数量特征上看，昌都市最终共识别出44条生态廊道，最长生态廊道为348.66 km，最短生态廊道为0.25 km，其中关键生态廊道共16条，一般生态廊道为28条。从空间分布上看，昌都市关键生态廊道主要分布在东部江达县和贡觉县，整体分布较为密集，长度适中，与周边生态源地紧密相连；一般生态廊道主要分布在西部边坝县、洛隆县、丁青县、八宿县及察雅县。

3.4 生态安全格局构建

运用Pinchpoint Mapper工具，昌都市共提取13处生态夹点，总面积为206.8 km?，其中最大夹点斑块面积为65.9 km?，最小夹点斑块面积为1.1 km?。从空间分布上看，生态夹点主要分布在东部靠近边界处的江达县和贡觉县，并沿着一般生态廊道与周边生态源地交相分布；其他生态夹点零星散落在昌都市西部、中部，但都基本沿着一般生态廊道轨迹分布。运用Barrier Mapper工具，昌都市共提取14处生态障碍点，总面积为471.6 km?，其中最大障碍点斑块面积为104.2 km?，最小障碍点斑块面积为10.1 km?。从空间分布上看，生态障碍点主要分布在中东部地区，包括江达县、卡若区及察雅县，其主要沿着关键生态廊道轨迹分布，并处于中部与东部生态源地之间（如图6所示）。

4 讨论

通过构建生态安全格局，不仅能够统筹规划区域自然资源，保障生态系统健康稳定，维持和提升景观空间格局稳定性和连通性，同时还可以促进经济与生态相互促进、统一协调，从而达到生态效益、经济效益和社会效益三者的统一。通过MSPA与电路理论识别昌都市生态源地、生态廊道及生态节点，构建生态安全格局，从宏观角度对该区域未来经济发展、生态保护提供指导，能够极大地提升社会、自然资源的利用效率。

从空间生态格局上看，目前昌都市生态源地分布不均匀，大多数地区缺乏为生物提供栖息、生存的高质量生态环境。其中昌都市西北部和东南部大面积区域为裸地和冰川与永久积雪，这些地类占有面积大，开采难度大，可利用程度小。而除去生态源地所在区域为林地外，剩余大部分区域为质量较为低下的草地。由于昌都市海拔较高，地势起伏较为严重，极易受到外界环境的影响，而经济发展的需求也导致交通、居住产业基础设施等建筑用地面积不断扩大， 这些都在不断地改变原有地貌。同时矿产资源的开采、生活污水的排放，进一步扩大其周边影响范围，致使生物多样性降低的风险大大增加，生态安全进一步受到威胁。

从生态修复分区上看，结合昌都市生态安全格局发现，大致可以分为三个生态修复区，分别是生态涵养区、生态修复区和生态提升区。其中，生态涵养区包括昌都市东部沿金沙江分布的江达县、贡觉县和芒康县。该区涵盖绝大多数生态夹点和大部分的生态源地，主要地类为林地和草地，整体生境质量较高，通过一般生态廊道将生态源地相互连接起来，能够保障动植物迁徙、交流等活动的正常运行。该区的生态修复措施应该集中扩大和保护现有生态源地，在此基础上根据金沙江流动方向新增生态源地或扩大现有生态源地面积。针对生态夹点区域，结合实际状况制定生态保护相关政策，包括防止植被乱砍滥伐、维护森林资源、种植原始林木、扩大生态效益林面积、改善水土流失等。生态修复区主要以澜沧江为轴心，包括中部类乌齐县、卡若区及察雅县。该区除沿澜沧江河流分布外，其他区域生态阻力值较高，整体生境质量分布不均，致使该区虽涵盖大面积生态源地和多条关键生态廊道，但生态障碍点也分布在通往生态涵养区的关键生态廊道周围，即该区存在较大的安全隐患。相关修复措施應集中整治生态障碍点区域，改善过度放牧导致的草场退化、草地质量下降等现象。通过定时定点放牧政策逐步改善草地生态环境，扩大草场面积，逐步将周边裸地转变为草地，提升现有草地质量。确保生物通过关键生态廊道开展生物交流、信息传递等活动时不受阻碍，加强生态修复区与生态涵养区之间的景观连通度。生态提升区主要包括西北部和西南部诸县，包括边坝县、洛隆县、丁青县、八宿县及左贡县。该区以怒江为轴心，四周除边坝县、洛隆县涵盖部分草地，其他均为裸地、冰川和永久积雪，其开采难度大，生态稳定性差，极易影响周边草地。该区的生态修复措施主要是集中整治裸地、保护现有草地，通过封育围栏、人工种草、退牧还草等措施保护草原生态系统，逐步恢复和提升生态系统水源涵养、水土保持能力。加大草原生态保护工程建设力度，实施高寒草地修复工程、天然草地改良及补水工程，有效遏制草场退化，强化鼠荒地、沙化草地、石砾草地、毒害草地和虫害生物防治。

5 结论

本研究以西藏昌都市为研究区，借助MSPA和电路理论，构建昌都市生态安全格局主要结论如下。

①昌都市共识别出20处生态源地，共计面积为6 294 km?，占总面积5.7%，集中分布在昌都市中北部和东部，分别沿着澜沧江和金沙江从北向南分布。

②昌都市共提取44条生态廊道，其中关键生态廊道共16条，一般生态廊道为28条，其中关键生态廊道分布在金沙江和澜沧江之间，数量多，长度短；一般生态廊道分布在怒江与金沙江之间，数量少，长度大。

③昌都市共提取13处生态夹点和14处生态障碍点，与生态源地、生态廊道共同构成生态安全格局。综合考虑将其划分为生态涵养区、生态修复区以及生态提升区，并分别给出了不同的修复建议。

参考文献：

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