基于最小累積阻力模型的生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化
——以四川省美姑縣為例

周吾珍，劉仕川，鄭曉莉

（1.四川省國土科學技術(shù)研究院（四川省衛(wèi)星應用技術(shù)中心），四川 成都 610045；2.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756）

0 引言

生態(tài)安全是指生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康性的整體水平，對確保國民身體健康、支撐和保障國家經(jīng)濟社會發(fā)展至關(guān)重要[1-2]。生態(tài)安全格局是維護區(qū)域生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)，是人類社會發(fā)展進程中維持綠色、健康與可持續(xù)發(fā)展道路的強有力手段[3]。隨著全球生態(tài)問題日益凸顯，生態(tài)安全格局已得到了生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[4-7]。強化生態(tài)安全格局研究和分析，能夠啟示人類社會加強保護生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理性，并對生態(tài)系統(tǒng)的功能完整性進行有效改善，對強化地區(qū)生態(tài)格局保障和維護地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定及健康具有重要意義[8]。

近年來，生態(tài)安全格局的構(gòu)建策略得到了廣泛關(guān)注，經(jīng)過有關(guān)學者的大量研究，其發(fā)展日益成熟。集成“源地識別”“阻力面構(gòu)建”“廊道提取”3 個基本要素的研究框架，已逐漸成為生態(tài)安全格局構(gòu)建工作遵循的基本模式[9-10]。首先，生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ)核心要素是生態(tài)源地[11-14]，本質(zhì)上是特定的生態(tài)環(huán)境斑塊，對所在區(qū)域的生態(tài)安全具有重要價值，同時對周邊區(qū)域具有顯著的生態(tài)輻射效應。一般而言，源地識別方法包括以自然保護區(qū)及風景名勝區(qū)為代表的區(qū)域選取方法和基于評價生態(tài)重要性的定量指標提取方法。然后，生態(tài)安全格局分析的另一個關(guān)鍵要素是阻力面構(gòu)建，基于地類賦值方式的阻力面構(gòu)建方法較通用。最后，核心程序是生態(tài)廊道提取，廊道提取模型主要包括“源-匯”模型[15]、電路模型[16]和最小累積阻力（minimum cumulative resistance，MCR）模型[17-19]。目前，最通用、最佳效果的生態(tài)廊道提取方法是MCR 模型，MCR 模型可歸于景觀格局優(yōu)化模型的范疇。

生態(tài)安全格局理論研究表明：生物及其群體遷徙擴散時，在跨越不同異質(zhì)生態(tài)景觀的動態(tài)過程中，其地理空間運動及棲息地維護活動都會受到景觀阻力的約束和掣肘；生物需要克服這些阻力才能完成相應的行動目標，需要找到遷徙運動的最優(yōu)通道；該通道為最小累積阻力值的行進路線，反映了一種潛在可達路徑趨勢[20]。與其他方法相比，MCR 模型不是簡單地基于非景觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的垂直關(guān)系建模，而是在建模過程中整合了景觀單元之間的水平關(guān)系。因此，MCR 模型具有顯著的優(yōu)勢，能充分體現(xiàn)生態(tài)安全格局的內(nèi)核機理，并在優(yōu)化工作方面具備強健的適應性和良好的可擴展性。

另外，中國西南山區(qū)地形地勢復雜，生態(tài)生物多樣性豐富，是中國重要的生態(tài)屏障區(qū)，非常適合生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律研究。該區(qū)域環(huán)境復雜、生態(tài)脆弱、災害頻發(fā)，加之當前全球性氣候變化問題嚴峻，人類經(jīng)濟活動容易在該區(qū)域引發(fā)突出的生態(tài)環(huán)境問題[21-22]。因此，以中國西南山區(qū)四川省美姑縣為研究區(qū)的生態(tài)安全格局構(gòu)建研究具有一定的價值。

本研究遵循“識別源地、構(gòu)建阻力面、提取廊道”的生態(tài)安全格局構(gòu)建模式。基于以下兩種方法識別生態(tài)源地：直接提取典型類型區(qū)域（如國家自然保護區(qū)、濕地區(qū)域、較大型河流區(qū)域）并將其作為生態(tài)源地；綜合考慮生態(tài)環(huán)境敏感程度因子和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要度因子并進行定量建模，提取生態(tài)源地?；谘芯繀^(qū)阻力面建模和MCR 模型，開展生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化分析，為中國西南山區(qū)的生態(tài)安全保護和生態(tài)安全規(guī)劃提供指導，可作為促進該區(qū)域生態(tài)和經(jīng)濟共同繁榮與協(xié)同發(fā)展的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

美姑縣地處橫斷山脈與四川盆地邊緣交匯地帶，位于四川省涼山彝族自治州東北部。縣域內(nèi)總的地形地貌為中山山原窄谷地貌類型，以中山山體為主，地勢北高南低、東高西低，由東北向西南傾斜。境內(nèi)溪河密布，主要分屬金沙江和岷江兩大水系，大小河流共計159 條。其中，美姑河與瓦候河流域面積大于500 km2。

美姑縣地處東南季風與西南季風的交匯過渡地帶，具有顯著的多樣性氣候，植被分布也呈現(xiàn)逐漸過渡的變化性（由東南偏濕氣候的長綠闊葉林類型向西南偏干氣候的林木類型變化過渡）。林地面積共141 185.14 hm2，占土地面積的57.29%，森林覆蓋率約36.54%?；盍⒛拘罘e為9 086 671 m3。草地總面積為75 297 hm2，耕地總面積為35 294.16 hm2。據(jù)不完全統(tǒng)計，美姑縣擁有森林原生喬木50 科、65 屬、150 余種，牧草79 科、232 屬、347 種，野生藥材103 種。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究的實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。本研究將柵格數(shù)據(jù)的空間分辨率均重采樣為10 m，統(tǒng)一投影到2000 國家大地坐標系；將矢量面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，并通過反距離加權(quán)插值算法（inverse distance weight，IDW）對目標區(qū)內(nèi)年均降水量、年均氣溫進行空間插值。

表1 實驗數(shù)據(jù)及獲取來源

2 研究方法

本文的生態(tài)安全格局構(gòu)建方法主要包括生態(tài)源地識別、阻力面構(gòu)建、最小累積阻力計算三部分。其中，第一、二部分為生態(tài)安全格局構(gòu)建提供生態(tài)源地和阻力面數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；第三部分基于前兩部分的數(shù)據(jù)結(jié)果進行綜合計算，分析研究區(qū)內(nèi)生態(tài)用地的景觀連通性。三者有機結(jié)合，共同形成一套完整的區(qū)域生態(tài)安全格局分析方法。

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地本質(zhì)上是指區(qū)域內(nèi)特定的生態(tài)環(huán)境斑塊，對所在區(qū)域的生態(tài)安全具有重要價值，同時對周邊區(qū)域具有顯著的生態(tài)輻射效應，具有較強的生態(tài)功能。生態(tài)源地作為地區(qū)內(nèi)生物集群遷徙的起始點，其內(nèi)生物種群向外擴散的同時也能吸引物種內(nèi)聚，它是指示地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性和服務性的有效信號。因此，生態(tài)源地的空間位置分布，對于保障地區(qū)的生態(tài)安全、確保地區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)完整及推動綠色可持續(xù)發(fā)展意義重大。本研究主要通過兩種理論方法開展生態(tài)源地提?。褐苯犹崛易匀槐Ｗo區(qū)、濕地區(qū)域、較大規(guī)模的河流區(qū)域并將其作為生態(tài)源地；采用生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要程度因子與生態(tài)環(huán)境的敏感度因子，綜合考量目標區(qū)的生態(tài)供給能力和人類需求度，實現(xiàn)研究區(qū)的生態(tài)源地空間域提取。

具體地，本研究通過兩種方法識別源地并進行對比研究。

（1）根據(jù)研究區(qū)的區(qū)域特征選取森林生態(tài)類型（主要為喬木林地）為生態(tài)源地類型的區(qū)域，并借鑒領(lǐng)域內(nèi)已有的研究方法[11-14]，篩選大于 1 hm2與大于5 km2的喬木林地斑塊進行優(yōu)化，進而完成生態(tài)源地空間面積與分布的識別。該方法被稱為方法A。

（2）通過集成生態(tài)系統(tǒng)的服務功能指標與環(huán)境敏感因子進行建模，挖掘生態(tài)源地空間域分布，參照生態(tài)紅線劃定指南識別生態(tài)源地。該方法被稱為方法B。

2.2 阻力面構(gòu)建

生態(tài)阻力面是生態(tài)安全格局構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，表征了不同生物集群在生態(tài)源地之間遷徙的難易程度，能夠直觀體現(xiàn)生物族群對生態(tài)擴張過程的水平面域阻力耐受及抵抗程度。阻力面是景觀要素的地理位置、方向及其對源地擴散的阻力系數(shù)，本文借鑒已有的研究[13，23]，選取土地利用、地形地貌（高程、坡度），按照生態(tài)系統(tǒng)服務功能構(gòu)建基本生態(tài)阻力面。各影響因子的阻力系數(shù)和權(quán)重如表2 所示。

表2 阻力系數(shù)及權(quán)重設(shè)置

2.3 最小累計阻力計算

本研究基于MCR 模型建模目標區(qū)域的生態(tài)用地景觀連通性，并據(jù)此研究土地規(guī)劃治理對景觀連通性的影響力。將阻力面柵格數(shù)據(jù)與生態(tài)源地矢量斑塊數(shù)據(jù)作為ArcGIS 軟件cost distance 模塊的輸入圖層，估計目標區(qū)域各柵格單元至生態(tài)源地的最小累積阻力值。阻力值越小，該柵格單元的生態(tài)貫通性越強；反之亦然。MCR 模型依據(jù)公式（1）進行建模計算。

式中：dMCR為最小累計阻力值；Dij為生物族群從景觀柵格單元i到達生態(tài)源地j的空間域距離，作為單個柵格單元的阻力值權(quán)重系數(shù)；Ri為空間域柵格單元i對生物族群遷移運動的單元阻力值；f為最小累計阻力和生態(tài)運動過程的正向相關(guān)性。

3 結(jié)果分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

3.1.1 土地利用現(xiàn)狀分析

研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果顯示：研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀以喬木林地為主，面積約1 150.98 km2，占區(qū)域總面積45.76%；其次為旱地，面積約419.96 km2，占比為16.70%；天然牧草地面積位居第三位，面積約415.23 km2，占比為16.51%；水澆地、商服用地及城鎮(zhèn)村道路面積較小。

3.1.2 地形地貌分析

本研究對收集的研究區(qū)地形數(shù)據(jù)（高程數(shù)據(jù)和地形坡度）進行分析，研究區(qū)為高山峽谷地貌，地處青藏高原東南部的橫斷山脈與四川盆地西南邊緣交匯地帶，地勢由北向南傾斜。

3.2 生態(tài)源地分析

本文使用方法A 進行生態(tài)源地識別。首先，參考已有的研究方法，直接提取目標區(qū)域內(nèi)的地物類別現(xiàn)狀分布和國家自然保護區(qū)、濕地綠地公園等區(qū)域的地理空間分布。然后，綜合以上提取結(jié)果，選取現(xiàn)狀林地集中連片的極重要生態(tài)區(qū)并將其作為核心型生態(tài)源地，基于大于1 hm2林地斑塊面積尺度進行優(yōu)化（簡記為方法A-1），基于大于5 km2林地斑塊面積尺度進行優(yōu)化（簡記為方法A-2），分別實現(xiàn)生態(tài)源地識別。圖1 為現(xiàn)狀生態(tài)源地分布圖，其總面積達 1 150 km2。兩種方法優(yōu)化后的生態(tài)源地分別為 1 118 km2及591 km2，生態(tài)源地主要以林地為主，分布在北部地區(qū)及南部地區(qū)零散區(qū)域，總體呈現(xiàn)由北向南遞減的趨勢，如圖2 所示。

圖1 現(xiàn)狀生態(tài)源地

圖2 優(yōu)化后的生態(tài)源地

另一方面，本研究基于方法B 開展了生態(tài)源地提取工作，集成用以評估生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要程度的定量指標和評估環(huán)境敏感度的定量因子，進行定量評估建模，據(jù)此提取生態(tài)源地圖斑。源地圖斑提取結(jié)果如圖3 所示，經(jīng)統(tǒng)計，識別的生態(tài)源地面積達776 km2，以林地為主。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性評估生態(tài)源地

3.3 生態(tài)阻力面分析

本研究分別基于地形坡度、高程及土地利用分布情況單一要素構(gòu)建生態(tài)阻力面。此外，還集成以上三種單一要素并開展綜合分析，將三種要素進行加權(quán)組合，構(gòu)建了加權(quán)生態(tài)阻力面，最終生成的生態(tài)阻力面結(jié)果如圖4 所示。值得注意的是，土地利用阻力面更多體現(xiàn)人類活動的影響，綜合加權(quán)阻力面構(gòu)建則疊加地形要素的影響。

圖4 阻力面構(gòu)建

3.4 生態(tài)安全格局分析

基于現(xiàn)狀生態(tài)源地及方法A-1 和方法A-2 獲取的生態(tài)源地識別結(jié)果，本文分別從土地利用阻力面和加權(quán)阻力面兩個角度，構(gòu)建了生態(tài)安全格局，如圖5 所示。在圖5 中，藍色線條為河流廊道，純綠色斑塊為現(xiàn)狀源地，黃綠色斑塊為潛在生態(tài)用地，品紅色斑塊為非生態(tài)用地。

圖5 源地現(xiàn)狀及優(yōu)化后生態(tài)安全格局

（1）基于土地利用阻力面構(gòu)建的生態(tài)安全格局中，潛在生態(tài)用地反映區(qū)域以林地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局，但南部區(qū)域生態(tài)用地較零散且不連貫，非生態(tài)用地零散分布其中，區(qū)域廊道以河流廊道為主，道路廊道次之。

（2）基于加權(quán)阻力面構(gòu)建的生態(tài)安全格局中，非生態(tài)用地較成片連貫，但部分區(qū)域與高海拔地區(qū)的現(xiàn)狀符合度不高，潛在生態(tài)用地部分區(qū)域也較零散。

本研究對基于方法B 提取的生態(tài)源地進行疊加保護區(qū)處理，生態(tài)源地的面積較連貫。在此基礎(chǔ)上，基于土地利用阻力面和加權(quán)阻力面分別構(gòu)建了生態(tài)安全格局，生態(tài)安全格局構(gòu)建如圖6 所示，潛在生態(tài)用地及非生態(tài)用地較連貫。

圖6 基于生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)安全格局構(gòu)架

本文對不同方法構(gòu)建的生態(tài)安全格局進行對比分析。源地優(yōu)化后構(gòu)建的生態(tài)安全格局潛在生態(tài)用地較連貫?；诩訖?quán)阻力面構(gòu)建的生態(tài)安全格局潛在非生態(tài)用地較連貫，但高海拔區(qū)域與脆弱生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀不符，部分區(qū)域不符合生態(tài)系統(tǒng)的保護要求。

4 結(jié)語

本研究基于中國西南山區(qū)生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)實特點，以四川省美姑縣為研究區(qū)，識別其生態(tài)源地并構(gòu)建阻力面，利用MCR 模型開展生態(tài)安全格局構(gòu)建和優(yōu)化分析研究。

（1）生態(tài)源地北部較連貫，南部較零散、破碎化較嚴重，面積優(yōu)化后的成片連貫性較好?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務功能及敏感性提取的生態(tài)源地，成片連貫性最好。

（2）基于土地利用現(xiàn)狀構(gòu)建的阻力面更能體現(xiàn)人類活動的影響，綜合加權(quán)阻力面構(gòu)建則疊加地形要素的影響。此外，區(qū)域廊道多以河流廊道為主、道路廊道次之；區(qū)域水系眾多，是生態(tài)廊道最重要組成部分。

（3）基于現(xiàn)狀土地利用阻力面識別的生態(tài)用地及非生態(tài)用地，北部較連貫，南部較零散，符合區(qū)域保護現(xiàn)狀；基于綜合加權(quán)阻力面識別的生態(tài)用地及非生態(tài)用地相對較連貫，但高海拔部分區(qū)域與生態(tài)系統(tǒng)保護要求不符，需要繼續(xù)加以優(yōu)化。

本研究旨在揭示西南山區(qū)生態(tài)格局規(guī)律探索工作思路，為地區(qū)的生態(tài)安全工作提供幫助性指導，對該區(qū)域的生態(tài)經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展提供參考依據(jù)。