黄河流域中段生态源地识别与生态廊道构建

摘 要：【目的】以黄河流域中段为研究区，进行生态源地识别和生态廊道构建，为黄河流域中游地区的生态安全保护和生态安全规划提供指导。【方法】采用形态空间格局分析法（MSPA）和景观连通性分析识别生态源地，运用最小累积阻力模型（MCR）提取潜在生态廊道，运用重力模型方法识别出重要生态廊道。【结果】基于MSPA与景观连通性方法，共识别出19个生态源地；采用MCR 与重力模型，共识别出171条潜在生态廊道、20条重要生态廊道。【结论】通过识别景观连通性及有利于物种迁徙的途径与区域，明确生态环境保护及生态修复的方向，有助于从根本上改善区域生态系统结构和功能，达到构建生态廊道和完善区域生态安全格局的目的。

关键词：生态廊道；生态源地；最小累积阻力模型；MSPA

中图分类号：X321" " "文献标志码：A" " "文章编号：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

从国内外自然保护地体系由单一保护地发展为如今的国家公园这一过程中可以发现，生态廊道构建已经成为 21 世纪重要的生态保护方式之一。21 世纪以来，全球生物多样性下降、斑块侵蚀、景观连通性降低等问题日益严峻，生态系统面临严重的威胁，构建生态廊道成为应对这些问题的有效手段。生态廊道作为连接城市斑块的线性要素，可以提高生物多样性和景观连通性，有效减缓和避免斑块侵蚀，已经成为解决生态问题和连接斑块的不可或缺的桥梁。

目前，“识别生态源地-构建阻力面-构建廊道-重要廊道识别”的方法，已成为国内外学者构建生态安全格局的基本模式，该方法在提高生态连通性方面也取得了一定成效。其中，识别生态源地是进行廊道构建的基础。在以往的研究中，生态源地的选取标准相对单一，导致构建的生态廊道完整性降低。因此本研究采用形态空间格局分析法（Morphological Spatial Pattern Analysis ， MSPA）和景观连通性来进行生态源地的综合分析和选取［1］。基于地类赋值方式的阻力面构建方法较通用。廊道提取模型主要包括“源-汇”模型、电路模型和最小累积阻力（Minimum Cumulative Resistance，MCR）模型。目前，最通用、最佳效果的生态廊道提取方法是MCR模型，该模型通过计算不同景观和土地利用类型的生态源物种所产生的成本，用以模拟最小累积阻力路径，从而构建生态廊道［2］。其可以综合考虑研究区域的地形、地貌、环境、人为干扰等因素，具有数据量小、可视化清晰的优点。重力模型通过构建生态源地之间的相互作用矩阵来计算其强度，从而定量表征潜在廊道的重要性和有效性。可将其与 MCR 模型结合使用，在区域潜在生态廊道的基础上筛选重要性较高的生态廊道。

黄河中游地区环境复杂、生态脆弱，加之当前全球性气候变化问题严峻，人类经济活动容易在该区域引发突出的生态环境问题。因此，以黄河中游地区为研究区的生态源地识别和生态廊道构建研究具有一定的价值。可为黄河流域中游地区的生态安全保护和生态安全规划提供指导，为促进该区域生态和经济共同繁荣与协同发展提供参考依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

黄河流域包括中国西北地区的黄土高原和内蒙古的华北平原，以及中国西北地区和华北地区的平原。黄土高原上沟壑纵横，丘陵沟壑区海拔多在1 000～1 500 m。研究区从流域上可划分为河口镇-龙门段、龙门-三门峡段两个流域段。涉及的省（区、市）有内蒙古自治区、陕西省、山西省、河南省、甘肃省和宁夏回族自治区等。区域总面积约为30万 km2，占黄河流域面积的38%。黄河中游地势高，河谷多呈“V”形，两岸山岭陡峭。黄土堆积物深厚，黄土覆盖最为广泛，加之盲目开荒放牧及连续降水，使得该区域土壤侵蚀严重，生态环境十分敏感。

1.2 数据来源及预处理

1.2.1 土地利用类型数据。土地利用数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn），精度为30 m，包括6个一级分类和24个二级分类，数据精度经验证符合研究需求。

1.2.2 植被覆盖数据。植被覆盖度数据来源于中国科学院成都山地灾害与环境研究所数字山地与遥感应用中心，利用像元二分法模型得到2020年的植被覆盖度数据，空间精度为250 m，数据精度经验证符合研究需求。

1.2.3 地形数据。地形数据下载于地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn/）30 m分辨率的ASTERGDEM数据，利用该数据并基于ArcGIS10.2软件经过裁剪、栅格投影等处理，获取高程、坡度及坡向等地形表征数据并进行重分类。

2 研究方法

2.1 生态源地识别

生态源地本质上是指区域内特定的生态环境斑块，对所在区域的生态安全具有重要价值，同时对周边区域具有显著的生态辐射效应，具有较强的生态功能。生态源地作为地区内生物集群迁徙的起始点，其内部生物种群向外扩散的同时也能吸引物种内聚，是指示地区生态系统功能稳定性和服务性的有效信号。因此，生态源地的空间位置分布，对于保障地区的生态安全、确保地区生态结构完整及推动绿色可持续发展具有重要意义。本研究主要通过运用形态空间格局分析法（MSPA）初步提取生态源地，再利用景观连通性进一步筛选生态源地。

MSPA能够识别目标像元集与结构要素之间的空间拓扑关系，并将目标像元集分为核心、斑块、孔隙、边缘、桥接、环道和支线7种类型［3］，其生态学含义见表1。本研究在进行MSPA分析时，将林地、草地、水域作为前景地类，耕地、园地、未利用地和建设用地设置为背景地类［4］，利用GTB3.0软件对研究区域进行分析，识别出核心区，筛选出面积大于10 000 hm2的地块作为初步生态源地。

景观连通性是指运用景观元素在空间结构上的联系，来测定景观生态过程的一种指标。运用Conefor2.6软件进行景观连通性分析，选择PC（Probability of Connectivity，PC）指数作为筛选依据，保留PCgt;2的数据作为生态源地。

2.2 最小累积阻力面构建

生态阻力面表征了不同生物集群在生态源地之间迁徙的难易程度，能够直观体现生物族群对生态扩张过程的水平面域阻力耐受及抵抗程度。本研究参考前人研究及研究区实际状况，选取土地利用、NDVI、高程、坡度、坡向作为阻力因子，对5个阻力因子划分阻力等级，进行重分类，并运用层次分析法确定各项指标因子权重（见表2），按照生态系统服务功能构建基本生态阻力面。最小累积阻力值计算公式为式（1）。

式中：[Ri]是景观单元i的阻力值；[Cij]是景观单元i对应的阻力因子j阻力值；[Wij]是景观单元i对应的阻力因子j权重值；n为阻力因子的总数［5］。

2.3 MCR模型构建生态廊道

生态廊道代表着生态源地间生态信息的交流通道，是维持生态系统功能的有效途径。实际中生态廊道往往同时服务于多个生态源地或者生态节点，实现源地之间的生态交流、能量和信息传递，以此保持自身生态系统功能的最小规模要求，即维持

生物多样性、涵养水土资源等［6］。最小累积阻力模型（MCR）可以计算出物种从生态源地出发到目标区域经过不同景观类型所克服的最小阻力值［5］，是模拟生态廊道的常用方法之一。MCR计算公式为式（2）。

式中：MCR表示从生态源地j在空间中扩散至某点的最小累积阻力值；f为反映MCR与变量[Dij]和[Ri]之间正比关系的函数；[Dij]表示生态源地从j至i所经过的空间距离；[Ri]表示物种穿越某景观表面i的阻力值［7］。

2.4 重力模型提取重要生态廊道

重力模型用于定量评价生态源地之间相互作用力的大小，作用力越大代表廊道越重要，根据这一模型可以评价廊道的相对重要性［8］。本研究借助重力模型从潜在生态廊道中提取出重要生态廊道。该模型计算公式为式（3）。

式中：[Gij]是核心斑块i和j之间的相互作用力，该值大小体现了生态源地之间潜在生态廊道的重要程度，[Ni、Nj]是两斑块的权重值，[Dij]是i和j两斑块间潜在廊道阻力的标准化值，[Pi]为斑块i阻力值，[Si]是斑块i的面积，[Lij]是斑块i和j之间廊道的累计阻力值，[Lmax]是研究区中所有廊道累计阻力的最大值［9］。

计算得到[Gij]矩阵并选取[Gij]gt;10 000的潜在生态廊道作为重要生态廊道，最终获取20条重要生态廊道。

3 结果分析

3.1 生态源地识别结果分析

基于MSPA和景观连通性识别的19处生态源地主要由林地和草地构成。从行政区划来看，甘肃省共6处，主要分布在定西市、平凉市和庆阳市；陕西省共6处，主要分布在宝鸡市和榆林市；内蒙古自治区共3处，主要分布在鄂尔多斯市；山西省共3处，主要分布在忻州市和运城市；河南省共1处，主要分布在三门峡市。从空间分布来看，生态源地主要位于西部和东部黄河沿岸林地和草地密集区域，生态调节能力较强，生态源地较多。中部由于城市较多且远离黄河，林地草地并不密集，城市化水平也较高，因此没有生态源地。具体地理空间位置分布如图1所示。

3.2 生态阻力面分析

本研究基于土地利用、NDVI、高程、坡度、坡向5个影响因子，将各个因子进行加权叠加分析构建黄河流域中段阻力面，最终生成的生态阻力面如图2所示。可以看出，阻力值较低的区域相对集中，且彼此之间有一定的联系，呈现出“西南高、东南低”的趋势。其中，高阻力区域主要集中在西南部，包括甘肃省东南部和陕西省南部秦岭地区。这部分地区海拔较高且土地类型主要为林地，应该着重关注该区域的生态环境保护，避免因人类活动造成生态环境破坏，从而对生态廊道造成影响，阻碍物种迁徙。

3.3 生态廊道构建结果与分析

生态廊道作为物种可利用的条带状生态用地，可实现促进物种基因交流、实现生境连接和保护生物多样性等重要作用。生态廊道的构建运用了ArcGIS进行分析，以生态阻力面为基础计算阻力值，构建生态源点后计算出每一个点到其他点的最小累积阻力路径，得到所有结果后合并所有路径，将其作为潜在生态廊道，本研究最终得到171条潜在生态廊道，如图3所示。

由于大多数潜在生态廊道的路径方向大致相似，距离也较为接近，因此在潜在生态廊道的基础上运用重力模型对潜在生态廊道进行分析及评价，分析两两生态源地之间相互作用力，得到20条[Gij]大于10 000的重要生态廊道，生态廊道之间互相连接了15个生态源点，构成黄河流域中段重要生态廊道，如图4所示。

分析结果表明，15个生态源地共构成了2组相互作用力较强的区块，分别为以源地1～7构成的区块一，源地14～18构成的区块二，这表明物种在这两个区块有更大的迁徙的可能性，同时区块内各源地之间物质和能量的交流和传递更加简单。同时，在区块一中，1～7这7个源地有很强的相互作用力，使得生态廊道也更加密集，因此，应重点加强对区块一部分廊道的保护，避免因人类活动造成影响甚至是破坏，影响物种的迁徙和交流。

从整体空间分布来看，陕西省西北部与甘肃省西南部生态廊道分布较为密集，廊道质量较高，物种迁徙阻力较低，利于生态信息的流动。陕西省西北部多为草地和未利用地，海拔较低，人类活动迹象少，利于物种迁徙。甘肃省东南部多为林地和草地，海拔较高，高海拔限制了人类的活动对生态的冲击，但也一定程度上阻碍了远距离物种的迁徙和自然生态信息的传递。研究区中部地区是城市化区域，几乎没有生态源地，廊道分布也较为稀少，因此也很大程度上阻碍了物种的迁徙。从廊道的密集程度来看，城市化程度高、人类活动密集、海拔高的地域生成生态廊道的概率较低，地势平缓且人类活动较少的区域易生成生态廊道［6］。

4 结语

本研究综合使用MSPA法和景观连通性筛选生态源地，使用MCR模型和重力模型构建生态廊道，不仅可以提升生态系统功能性和连通性，减轻生态环境破碎化带来的影响，还可以以此为基础构建出更加完整的生态区域模式，有效促进该区域可持续发展。黄河流域中段生态源地共19处，总面积约为61 5903.48 hm2，潜在生态廊道171条，重要生态廊道20条。生态廊道的构建立足于对生态系统的总体保护，通过识别景观连通性及有利于物种迁徙的途径与区域，明确生态环境保护及生态修复的方向。

本研究区生态廊道也存在许多不足的地方，例如区块一和区块二内部联系紧密，但两个区块之间的源地相互作用力并不是很强，这就使两个区块之间物种迁徙的难度增加，不利于物种信息交流与物质交换。因此，在生态环境保护及生态修复过程中，不仅应该重视生态源地联系紧密的区块的保护，还应加强两个区块之间生态廊道的构建。以提升森林质量为基础，对廊道周边森林辅以保育、优化森林结构、禁止乱砍滥伐和封山育林等措施，从根本上提高区域生态系统结构和功能，从而达到构建生态廊道和完善区域生态安全格局的目的。

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收稿日期：2023-11-17

作者简介：王静怡（1999—），女，硕士生，研究方向：土地资源管理。