利用OWA和電路模型優(yōu)化黃河流域甘肅段生態(tài)安全格局

潘竟虎，李 磊,2

（1. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070；2. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875）

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Ecosystem Services，ES）是指生態(tài)系統(tǒng)能夠持續(xù)提供給人類的各種產(chǎn)品與惠益，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的穩(wěn)定與各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)調(diào)是維系區(qū)域生態(tài)安全的基本保障[1]。生態(tài)安全格局則以景觀生態(tài)學(xué)的理論與方法為基礎(chǔ)，被認為是緩解生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展之間矛盾的重要空間途徑之一，也是確保區(qū)域生態(tài)安全、維護社會可持續(xù)獲取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基本前提[2-3]。人類對自然資源的不合理開發(fā)及利用日益加劇，導(dǎo)致了資源過度消耗，并引發(fā)越來越多的生態(tài)環(huán)境問題，直接影響區(qū)域景觀格局與可持續(xù)發(fā)展，以及全球化背景下的經(jīng)濟競爭與國家安全[2,4]。黃河流域是中華文明的主要發(fā)祥地，是中國重要的生態(tài)屏障[5]。目前，黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略。由于黃河流域不同地區(qū)生態(tài)本底狀況和社會經(jīng)濟發(fā)展水平差異較大，生態(tài)環(huán)境退化程度和治理修復(fù)也不盡相同，因此，識別流域整體以及流域內(nèi)對區(qū)域生態(tài)安全具有重要影響的斑塊和廊道，優(yōu)化生態(tài)空間，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，對于實現(xiàn)流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

生態(tài)安全格局的概念是伴隨著全球土地開發(fā)利用的快速轉(zhuǎn)變和生態(tài)環(huán)境的破壞背景下誕生的，20世紀80年代初期，生態(tài)安全成為國際生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點[6]。國際上圍繞生態(tài)安全格局研究主要關(guān)注于生物多樣性保護以及保護地體系的建立和保護類型的劃分[7]。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的發(fā)展，生態(tài)安全格局研究逐步轉(zhuǎn)向以自然生態(tài)系統(tǒng)為主，與社會經(jīng)濟耦合的相互協(xié)同格局的發(fā)展趨勢，學(xué)者們針對全球變化和人類活動擴張所造成的區(qū)域性生態(tài)問題，開展了生態(tài)系統(tǒng)功能及過程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估與權(quán)衡協(xié)同關(guān)系、自然與社會經(jīng)濟系統(tǒng)耦合構(gòu)建生態(tài)安全格局等研究[8-10]。20世紀90年代后期，國內(nèi)學(xué)者開始重視生態(tài)安全格局研究，相關(guān)研究成果層出不窮。研究尺度上，涵蓋全球、國家和區(qū)域尺度；研究區(qū)域上，既有行政單元，也有城區(qū)、流域和自然保護區(qū)等特定單元[11-13]；研究方法上，逐漸形成了“生態(tài)源識別—構(gòu)建阻力面—提取廊道”的區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)建研究范式，最小累積阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR）、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估、景觀生態(tài)指數(shù)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法等相繼被引入研究，用于阻力面構(gòu)建、生態(tài)源地識別、生態(tài)廊道劃分和生態(tài)節(jié)點提取[14-15]。近年來，耦合多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)逐漸成為生態(tài)安全格局研究的新方向。綜合來看，已有研究識別生態(tài)源地時多假定不同生態(tài)過程之間互不干擾，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)彼此間不存在權(quán)衡關(guān)系，據(jù)此構(gòu)建的生態(tài)安全格局可能會導(dǎo)致多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互競爭，破壞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的因果關(guān)系[16]。劃分生態(tài)廊道時多采用最小累積阻力模型，識別出的廊道往往忽視了生物的隨機游走性，且不能反映廊道的真實寬度。在生態(tài)節(jié)點識別時常常忽視了對阻礙生物間移動或交流的生態(tài)障礙點和生物遷徙過程中流經(jīng)地的可能性較高或極為頻繁的生態(tài)戰(zhàn)略點的識別。有序加權(quán)平均（Ordered Weighted Averaging，OWA）是與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺相結(jié)合，提供了一種識別保護干預(yù)區(qū)域時處理多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡的方法，已被證明可在決策過程中平衡多個沖突目標[17-18]。基于電路理論中電荷隨機游走特性與連接模型，可以輔助識別潛在生態(tài)路徑及生態(tài)廊道寬度，判別影響景觀連通性的障礙點[19]。

近年來，黃河流域甘肅段面臨著生態(tài)系統(tǒng)功能退化、水資源不足、生態(tài)環(huán)境惡化等突出問題，嚴重威脅區(qū)域生態(tài)安全以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。本文以黃河流域甘肅段為研究區(qū)，基于研究區(qū)生態(tài)本底特征和基本生態(tài)問題選取糧食生產(chǎn)、產(chǎn)水量、碳固定、土壤保持和生境質(zhì)量5項指標來評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，引入有序加權(quán)平均方法來識別生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)先保護區(qū)，并以多種情景中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度最高的優(yōu)先保護區(qū)作為生態(tài)源地，在此基礎(chǔ)上，通過最小累計阻力模型和電路模型（Circuit Model）構(gòu)建了生態(tài)安全格局，綜合考慮不同行政區(qū)和地形區(qū)兩種空間分析單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征，進而設(shè)計研究區(qū)生態(tài)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局方案，以期為研究區(qū)生態(tài)保護、修復(fù)和促進黃河流域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域甘肅段是黃河上游重要的水源補給區(qū)，是青藏高原、黃土高原、內(nèi)蒙古高原三大高原和青藏高寒區(qū)、西北干旱區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)域的匯合處，范圍介于100°58′～108°77′E，33°07～37°48′N。地勢呈西高東低走勢，平均海拔2 195 m，由西向東依次包含了甘南高原、隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)和隴東黃土高原區(qū)。西南部甘南高原地處青藏高原東北部。年降水量90～800 mm，不同區(qū)域降水量的空間差異較大，氣候類型受地形制約自西向東依次為甘南高寒濕潤區(qū)、隴中南部冷溫帶半濕潤區(qū)和隴中北部冷溫帶半干旱區(qū)。區(qū)內(nèi)高寒草地、濕地、森林生態(tài)系統(tǒng)為該區(qū)提供了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，承擔重要的水源補給功能，是中國重要的生態(tài)功能區(qū)。同時，該區(qū)目前面臨多種生態(tài)環(huán)境問題，隴中、隴東黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，是中國水土流失最為嚴重的地區(qū)，也是黃河最主要的泥沙來源地。流域總?cè)丝谶_2 006.55萬人（2019年），占甘肅省人口的72.1%。面積14.59萬km2，占甘肅省總面積的34.2%，行政上包括甘肅省的9個市、州（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

土地利用數(shù)據(jù)解譯自2019年6－9月的Landsat 8 OLI遙感影像，空間分辨率為30 m，由美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站下載（https://earthexplorer.usgs.gov/），經(jīng)幾何校正后以計算機監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法進行解譯。經(jīng)高分辨率影像結(jié)合實地驗證，解譯精度為87.13%。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）獲取，柵格大小為90 m。氣象數(shù)據(jù)獲取自于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http://data.cma.cn/），為了保證精度，除研究區(qū)外，也獲取了周邊氣象站點的數(shù)據(jù)，包括年值和月值降水和太陽輻射數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)取自寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.casnw.net/portal/）的中國土壤數(shù)據(jù)集(v1.1)。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）來源于美國國家航空航天局NASA（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/）提供的MOD13Q1產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m。蒸散發(fā)數(shù)據(jù)亦取自NASA，為MOD16產(chǎn)品，空間分辨率500 m。研究區(qū)路網(wǎng)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)點數(shù)據(jù)來源于1∶400萬全國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《甘肅省發(fā)展年鑒2019》，研究區(qū)范圍取自水利部黃河水利委員會公布的黃河流域范圍圖（http://www.yrcc.gov.cn/hhyl/lydt/），經(jīng)數(shù)字矢量化與甘肅省行政區(qū)邊界裁剪得到。

研究區(qū)降水、輻射受地形起伏影響較大，因此，本文通過Anusplin4.3軟件引入DEM協(xié)變量進行插值，以減小地形起伏對插值結(jié)果的影響，最后得到空間分辨率為90 m的2019年各月和年平均降水柵格圖以及太陽輻射柵格圖。研究所用的MOD13Q1和MOD16產(chǎn)品均運用MRT工具進行鑲嵌和重投影，以最大值合成法合成NDVI數(shù)據(jù)，將2019年的46期蒸散發(fā)數(shù)據(jù)和潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)合成年值數(shù)據(jù)。路網(wǎng)以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)點矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格后重分類，最終統(tǒng)一分辨率為90 m。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

根據(jù)黃河流域甘肅段生態(tài)環(huán)境狀況及能夠提供的主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，文中選取糧食生產(chǎn)、產(chǎn)水量、碳固定、土壤保持和生境質(zhì)量5項指標來評估研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。黃河流域甘肅段糧食總產(chǎn)量占全省糧食產(chǎn)量的60%以上，黃土丘陵溝壑區(qū)是甘肅省乃至全國最為干旱的地區(qū)之一，又是全國乃至世界上水土流失最為劇烈的地區(qū)，甘南高原林草地面積廣大，生物多樣性豐富。

根據(jù)NDVI配比法測算食物供給狀況，即根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)不同行政區(qū)食物產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)分配給區(qū)域內(nèi)林地、草地和耕地柵格，以得到研究區(qū)食物供給柵格圖。選用生長季的NDVI數(shù)據(jù)用于計算，將糧食產(chǎn)量按照NDVI值分別分配給9個市州內(nèi)的林地、耕地、草地柵格，計算方法詳見參考文獻[20]。采用InVEST模型中的產(chǎn)水模塊計算黃河流域甘肅段的產(chǎn)水量[21]。以凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）表征碳固定功能，采用CASA模型估算NPP[22]。土壤保持量通過潛在土壤流失量減去實際土壤流失量來得到，采用修正后的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE）計算[23]。采用InVest模塊的生境質(zhì)量模塊評估生境狀況[24]。

2.2 基于OWA的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先保護區(qū)情景模擬

OWA模型最早由Yager提出[25]，是一種多準則決策模型，該模型對每個指標歸一化后的屬性值大小進行排序，并針對不同次序計算得到次序權(quán)重，最后進行加權(quán)組合。通過極差標準化的方法將5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標歸一化到0～1區(qū)間，按照均值對5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)降序排列得到位序權(quán)重w1～w5，分別為按歸一化后平均值降序排列的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)柵格圖層，進而計算其次序權(quán)重Vj，計算式詳見參考文獻[25]。

權(quán)衡度表示不同風(fēng)險系數(shù)條件下，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標大小分布的均衡程度，其數(shù)值越接近于1，表示各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布越均衡，在此前提下得到不同情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最均衡的情景，以此提取生態(tài)源地。對于不同情景的模擬結(jié)果，本文根據(jù)權(quán)衡度來決定哪種情景下作為生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)，進而得到生態(tài)源地，測算方法見參考文獻[16]。

2.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化

生態(tài)安全格局是以生態(tài)功能的重要程度進行分區(qū)，目前，生態(tài)安全格局的構(gòu)建逐漸形成了以下基本范式：生態(tài)源地識別-阻力面構(gòu)建-生態(tài)廊道識別-生態(tài)節(jié)點識別。本文通過OWA情景模擬識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度最高的區(qū)域，作為生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)，認定為生態(tài)源地；以生態(tài)源地為基準，通過緩沖區(qū)分析確定不同梯度的生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)。阻力的基本含義是指物種從源地出發(fā)到目的地所耗費的成本。本文以研究區(qū)生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)柵格圖層為基礎(chǔ)，利用Knaapen提出的最小累積阻力模型構(gòu)建基本阻力面，計算式見文獻[26]。生態(tài)廊道連接不同生態(tài)空間物種、信息流和能量流，在生態(tài)空間中呈帶狀分布，能夠滿足物種的擴散、遷移和交換。生態(tài)節(jié)點是生態(tài)過程流經(jīng)的重點區(qū)域，一般位于生態(tài)廊道中，對區(qū)域生態(tài)源地的連通具有重要意義，是生態(tài)保護的重點對象。電路模型由McRae等提出[27]，其理論中的連接模型與隨機游走相結(jié)合能較好地評估最小成本路徑，電流密度則能夠較好識別出戰(zhàn)略點區(qū)域，因此本文采用Linkage Mapper軟件基于生態(tài)阻力面和生態(tài)源地計算生成廊道和識別生態(tài)節(jié)點。計算方法詳見參考文獻[28]。本研究的技術(shù)路線如圖2所示，通過本研究，形成以生態(tài)源地為核心、以不同梯度的生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)為基準框架、以生態(tài)廊道戰(zhàn)略點為軸的黃河流域甘肅段生態(tài)安全格局，并進行生態(tài)空間的優(yōu)化。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局

黃河流域甘肅段單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局如圖3所示。從不同行政區(qū)糧食產(chǎn)量來看，糧食主產(chǎn)區(qū)主要在天水市、平?jīng)鍪小⒍ㄎ魇泻团R夏州，耕地類型以旱地為主（圖3a）。產(chǎn)水量高的地區(qū)主要分布在東部慶陽市、平?jīng)鍪泻透誓现荩胁侩]中黃土丘陵區(qū)產(chǎn)水量較低（圖3b）。碳固定功能方面，整個甘南高原以及隴東子午嶺林具有較高的固碳能力（圖3c）。土壤保持較好的地區(qū)均在區(qū)域內(nèi)西南部，隴中和隴東地區(qū)植被覆蓋低，溝壑縱橫，土壤保持量較低，水土流失嚴重（圖3d）。生境質(zhì)量高的地區(qū)主要是子午嶺林區(qū)以及天水市、定西市所轄秦巴山地和甘南地區(qū)，隴中的白銀市和蘭州市建設(shè)用地多，人類活動強度高，生境質(zhì)量較低（圖3e）。通過ArcGIS的分區(qū)統(tǒng)計功能得到不同行政區(qū)5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的均值，可以看出天水、甘南以及武威祁連山地區(qū)由于植被覆蓋狀況較好，因此土壤保持量（Soil Conservation，SC）和碳固定（Carbon Fixation，CF）以及生態(tài)質(zhì)量（Habitat Quality，HQ）這3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均較高。糧食產(chǎn)量（Grain Production，GP）高的地區(qū)主要是天水、平?jīng)龊投ㄎ鳎瑧c陽地區(qū)產(chǎn)水（Water Yield，WY）功能較好。

從研究區(qū)土地利用狀況來看，耕地、林地和草地構(gòu)成了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的本底基質(zhì)，因此，本文主要分析上述3種土地利用類型之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的變化。通過柵格統(tǒng)計的方法對5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行統(tǒng)計，得到每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在上述3種土地利用類型的均值，以極差標準化的方式進行去量綱處理歸一化到0～1之間。表1顯示，耕地的糧食產(chǎn)量最高，林地其次，草地最低；產(chǎn)水功能方面，林地、草地的產(chǎn)水功能優(yōu)于耕地；林地的碳固定功能最好，耕地和草地功能相當；從土壤保持功能來說，林草地的土壤保持功能優(yōu)于耕地，但對研究區(qū)來說，整體土壤保持度較低；對于生境質(zhì)量來說，從耕地到草地再到林地呈階梯狀上升分布；總體而言，林草地的產(chǎn)水量、碳固定、土壤保持以及生境質(zhì)量均具有優(yōu)勢，而耕地的糧食供給功能顯著。

表1 不同用地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)歸一化均值Table 1 Normalized mean value of ecosystem services for different land use classifications

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間往往存在此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和同增同減的協(xié)同關(guān)系。參考余玉洋等[29]的研究，隨機選取研究區(qū)內(nèi)10 000個點，將5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的歸一化數(shù)值賦值到隨機點的屬性表當中。分別以黃河流域甘肅段三大自然區(qū)域尺度和全域尺度，計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)系數(shù)。其中，相關(guān)系數(shù)r＞0表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間為協(xié)同關(guān)系，r＜0表示權(quán)衡關(guān)系。如表2所示，碳固定（CF）與產(chǎn)水量（WY）在不同區(qū)域尺度下呈現(xiàn)出不同的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，在甘南高原為權(quán)衡關(guān)系，在隴東和隴中黃土高原區(qū)和整個研究區(qū)域尺度均為協(xié)同關(guān)系，并且隨著不同區(qū)域平均植被覆蓋度的提升，碳固定功能與產(chǎn)水功能之間的關(guān)系由權(quán)衡變?yōu)閰f(xié)同，這說明在植被覆蓋較低的地區(qū)，對于產(chǎn)水功能的依賴性較強，植被覆蓋度較高的地區(qū)則對產(chǎn)水功能的依賴性較低。對于碳固定和糧食產(chǎn)量之間的關(guān)系而言，研究區(qū)三大自然區(qū)域以及整個研究區(qū)均呈現(xiàn)出協(xié)同關(guān)系，其中，由于隴東、隴中地區(qū)為研究區(qū)糧食主產(chǎn)區(qū)，糧食產(chǎn)量與碳固定之間的相關(guān)系數(shù)分別高達0.752和0.822。此外，碳固定與生境質(zhì)量在整個研究區(qū)呈現(xiàn)出明顯的協(xié)同關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.516。土壤保持（SC）與碳固定（NPP）在甘南高原為微弱的權(quán)衡關(guān)系，而在整個研究區(qū)和隴中、隴東黃土高原均為協(xié)同關(guān)系。產(chǎn)水量與生境質(zhì)量為協(xié)同關(guān)系，產(chǎn)水通過影響植被覆蓋進而間接影響生境質(zhì)量。生境質(zhì)量、土壤保持與糧食產(chǎn)量之間均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)關(guān)系Table 2 Ecosystem services correlation

3.3 不同情景下的生態(tài)優(yōu)先保護區(qū)

以2019年5項生態(tài)服務(wù)指標為基礎(chǔ)，通過設(shè)置7個不同等級的風(fēng)險系數(shù)，獲得每個場景下的位序權(quán)重（表3）。從w1～w5，低風(fēng)險下的位序權(quán)重算子逐漸降低，高風(fēng)險下的位序權(quán)重則逐漸升高；風(fēng)險系數(shù)從0.001～1 000，低水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)位序權(quán)重不斷升高，反之高水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)位序權(quán)重不斷降低。以表3所示的位序權(quán)重算子為基礎(chǔ)計算7個場景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。從不同情景的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布狀況來看，從情景1到情景7，即模擬生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從極樂觀到極悲觀的過程，模擬結(jié)果為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)由高向低聚集，其中高值區(qū)主要分布于甘南高原和天水南部以及子午嶺林區(qū)，低值區(qū)主要位于隴中的白銀、蘭州。從情景1到情景7的演變過程可以視為研究區(qū)生態(tài)由一種較好的狀態(tài)向極端惡劣狀態(tài)演變的過程，變化過程的重點地區(qū)即為生態(tài)較為敏感的地區(qū)。

表3 不同風(fēng)險情景下的位序權(quán)重算子Table 3 Bit-order weight operators under different risk scenarios

以各情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)歸一化后數(shù)值前25%的區(qū)域作為不同情景下的優(yōu)先保護區(qū)，中間25%作為一般生態(tài)功能區(qū)，最后50%作為其他區(qū)域，得到不同情境下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布狀況和生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)（圖4）。從典型情景1、4、7可以看出，在不同情景下，生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)的空間分布差異顯著，在由極樂觀到極悲觀的演變過程中，樂觀的情景相比于悲觀的情景，生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)與其他區(qū)域更為集中；而悲觀的情景下，生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)與其他區(qū)域則更加分散。從分布地區(qū)來看，祁連山、甘南高原、六盤山地區(qū)在不同情景下都屬于生態(tài)保護的優(yōu)先區(qū)，而變化較大的地區(qū)為子午嶺林區(qū)以及甘南的部分區(qū)域。同時，在不同情景的演變過程中，隴中中南部的生態(tài)保護優(yōu)先區(qū)范圍在不斷擴大，而此區(qū)域是黃河流域甘肅段人口的主要聚居區(qū)，反映出當生態(tài)環(huán)境趨于惡化時，生態(tài)優(yōu)先保護區(qū)會逐步從森林草原景觀向耕地和居民地等人類活動劇烈的景觀類型空間演變。

3.4 生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化

生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化過程見圖5。根據(jù)式（9）進行7種情景下的權(quán)衡度計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，情景1～7，其權(quán)衡度分別為0、0.009、0.709、0.874、0.650和0.631，情景4中權(quán)衡度最高（0.935），因此將情景4中的優(yōu)先保護區(qū)作為生態(tài)源地。利用ArcGIS軟件進行重分類、柵格轉(zhuǎn)面等操作，提取5 km2以上的斑塊作為黃河流域甘肅段的生態(tài)源地[30]（圖5a），最終得到生態(tài)源地數(shù)量為169塊，總面積27 460.56 km2，占黃河流域甘肅段總面積的19.1%。從生態(tài)源地的空間分布來看，集中于研究區(qū)南部地區(qū)；從景觀組分來看，生態(tài)源地土地利用類型以林地、草地、耕地為主，其中林地占比58.8%，草地占比32.5%，耕地占比8.4%；從不同行政區(qū)域的生態(tài)源地分布狀況來看，甘南、慶陽、天水、定西4市的生態(tài)源地面積均超過4 500 km2，從生態(tài)源地數(shù)量來看，慶陽境內(nèi)源地數(shù)量為71塊，甘南48塊，平?jīng)?2塊，數(shù)量較多。

將5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等權(quán)疊加并取倒數(shù)，以取倒數(shù)后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)阻力面，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)越高的區(qū)域，其阻力值越小，阻力較高的區(qū)域主要分布在隴中北部地區(qū)（圖5a）。利用最小累積阻力模型識別出生態(tài)廊道及其基本走向，然后通過電路模型識別生態(tài)廊道的空間范圍。研究區(qū)共識別出生態(tài)廊道441條，長度6 774.9 km，其中廊道長度大于30 km共60條。由于生態(tài)源地的分布比較零散，造成生態(tài)廊道彼此連通，呈網(wǎng)狀分布（圖5a）。生態(tài)廊道分布較為密集的區(qū)域為慶陽市和甘南州，其廊道數(shù)量和長度分別達到了180、118條和1 434.5、1731.5 km。通過計算出的生態(tài)廊道電流密度識別出生態(tài)節(jié)點49個。根據(jù)識別結(jié)果（圖5b）可以看出，生態(tài)節(jié)點均勻分布在整個研究區(qū)。

以生態(tài)源地為基礎(chǔ)，經(jīng)多次嘗試，設(shè)置半徑為5 km進行緩沖區(qū)分析，得到生態(tài)緩沖區(qū)。研究區(qū)其余區(qū)域以情景4中綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為基礎(chǔ)，根據(jù)自然斷點法分為3類，分別為生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)優(yōu)化區(qū)和生態(tài)治理區(qū)（圖5c），使類別之間的差別最大化，據(jù)此得到黃河流域甘肅段不同層級的生態(tài)保護分區(qū)。其中，核心區(qū)（源地）、緩沖區(qū)、過渡區(qū)、優(yōu)化區(qū)和治理區(qū)的面積分別占研究區(qū)總面積的19.2%、22.2%、25.1%、24.6%、8.9%，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)識別出的生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點，共同構(gòu)成黃河流域甘肅段生態(tài)安全格局（圖5c）。生態(tài)源地是支撐流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的核心區(qū)域，生態(tài)緩沖區(qū)則是生態(tài)源地邊緣保護生態(tài)源地，限制人類活動的重要屏障，可視為“后備生態(tài)源地”；生態(tài)優(yōu)化區(qū)需要協(xié)調(diào)經(jīng)濟社會活動與生態(tài)保護間的平衡，生態(tài)治理區(qū)則須因地制宜地開展生態(tài)修復(fù)工作。綜合來看，研究區(qū)內(nèi)生態(tài)優(yōu)化治理區(qū)域面積大，生態(tài)脆弱，有必要對研究區(qū)進行生態(tài)安全空間優(yōu)化布局，設(shè)立不同層級的生態(tài)保護屏障，增強防護作用，提高流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

借鑒郭榮朝等[31]提出的“廊道組團網(wǎng)絡(luò)化”生態(tài)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合模式，以及楊天榮等[32]在關(guān)中地區(qū)的研究實例，結(jié)合黃河流域甘肅段生態(tài)環(huán)境實際，以生態(tài)安全格局構(gòu)建為基礎(chǔ)，依據(jù)空間相互作用、互利共生和協(xié)調(diào)進化原則，將生態(tài)源地、源間廊道、生態(tài)節(jié)點等生態(tài)功能區(qū)，以及研究區(qū)不同級別生態(tài)用地等空間結(jié)構(gòu)要素優(yōu)化重組，形成多層次、復(fù)合型流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)。依據(jù)前文對黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征的分析，以及生態(tài)安全格局中生態(tài)源地、廊道和節(jié)點的空間分布特征，對研究區(qū)內(nèi)各要素優(yōu)化重組，提出構(gòu)建以“四軸、六區(qū)、多中心”為架構(gòu)的黃河流域甘肅段生態(tài)安全空間布局優(yōu)化體系（圖5d），以期形成功能化、網(wǎng)絡(luò)化的區(qū)域生態(tài)空間優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

“四軸”主要指以研究區(qū)自然生態(tài)廊道進行劃分得到關(guān)鍵生態(tài)廊道，包括祁連山-六盤山-子午嶺生態(tài)廊道、臨夏-蘭州-定西沿黃干流生態(tài)廊道、太子山-西秦嶺-關(guān)山生態(tài)廊道和大夏河-洮河-尕海生態(tài)廊道，依據(jù)生態(tài)狀況的差異，關(guān)鍵廊道將黃河流域甘肅段劃分為不同生態(tài)功能區(qū)。

“六區(qū)”包括隴中北部生態(tài)治理區(qū)、隴中生態(tài)保育過渡帶、祁連山-海東-甘南-西秦嶺森林生態(tài)帶、甘南草原生態(tài)區(qū)、隴東水土保持區(qū)和隴東黃土塬生態(tài)防護帶。其中，隴中北部生態(tài)治理區(qū)內(nèi)部除祁連山東側(cè)以外，生態(tài)用地多屬于生態(tài)治理區(qū)和生態(tài)優(yōu)化區(qū)范圍內(nèi)，區(qū)內(nèi)水土流失嚴重，植被覆蓋狀況不容樂觀，水資源短缺，此區(qū)域的治理應(yīng)該以水土保持和構(gòu)建生態(tài)防護區(qū)為主，生態(tài)治理區(qū)主要防止生態(tài)環(huán)境惡化，生態(tài)優(yōu)化區(qū)則主抓生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能恢復(fù)。隴中生態(tài)過渡帶是研究區(qū)重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，土地類型多為耕地，生態(tài)治理應(yīng)主要以提高耕地產(chǎn)能，防止土地退化為主。祁連山-海東-甘南-西秦嶺森林生態(tài)帶是黃河流域甘肅段主要的生態(tài)源地，土地類型以林地為主，應(yīng)注重水源涵養(yǎng)、碳固定和生物多樣性維持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。甘南草原生態(tài)區(qū)土地類型以草地為主生態(tài)治理應(yīng)該以防止草地退化和提高水源涵養(yǎng)功能為主。隴東水土保持區(qū)水土流失嚴重，同時面臨土地荒漠化的風(fēng)險，生態(tài)治理的重點應(yīng)以水土保持和提高植被覆蓋為主。隴東黃土塬生態(tài)防護帶生態(tài)用地主要屬于生態(tài)核心區(qū)和緩沖區(qū)，區(qū)域內(nèi)子午嶺林區(qū)是隴東地區(qū)主要的生態(tài)源地，區(qū)域生態(tài)發(fā)展應(yīng)以自然生態(tài)廊道為連接軸，逐步促進生態(tài)源地的相互連接，進而形成大片生態(tài)源地。

“多中心”即以生態(tài)節(jié)點和研究區(qū)內(nèi)中心城市節(jié)點為主的生態(tài)綠心，具體是以發(fā)展蘭州市為核心，以臨夏、白銀、定西、甘南、天水和平?jīng)觥c陽為副中心的城市生態(tài)發(fā)展組團，通過自然生態(tài)廊道相互串聯(lián)，促進城市內(nèi)部綠色低碳、生態(tài)宜居。同時，要加強對諸如自然生態(tài)節(jié)點的生態(tài)治理與環(huán)境保護力度，特別是甘南州和慶陽市，由于生態(tài)源地分布比較分散，生態(tài)節(jié)點密度大，需要加強區(qū)域生態(tài)保護與治理力度，促進生態(tài)源地連片，維護區(qū)域生態(tài)安全。

4 討 論

如何協(xié)調(diào)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的競爭關(guān)系，構(gòu)建均衡提升區(qū)域內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的生態(tài)安全格局，是目前加強區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)亟待解決的問題[16]。針對目前生態(tài)安全格局構(gòu)建中生態(tài)源地識別多假定不同生態(tài)過程之間互不干擾，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)彼此之間不存在權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系的缺陷，本文引入OWA-GIS模型，通過位序權(quán)重的不同組合，提供了7種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護方案，使得提取出的優(yōu)先保護區(qū)具備生態(tài)源地的核心性和全面性，從而達到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護效率高、配置均衡的目標。相較于直接利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)疊加方法得到的生態(tài)源地，更加客觀且直觀。引入電路模型不但確定了生態(tài)廊道的空間范圍，而且還能識別出廊道中影響生態(tài)源地連接度的重要景觀要素生態(tài)節(jié)點。基于生態(tài)安全格局組分優(yōu)化重組構(gòu)建的“四軸、六區(qū)、多中心”多層次、復(fù)合型、網(wǎng)絡(luò)化生態(tài)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局方案，可為實施黃河流域甘肅段差別化的生態(tài)保護、修復(fù)政策，提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載力，促進山水林草田系統(tǒng)治理，保證社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展提供科學(xué)參考。

以下問題需要進一步深入研究，首先，OWA多準則決策模型閾值的確定、位序權(quán)重計算方法的選擇等有待深入驗證。其次，本研究在生態(tài)安全格局優(yōu)化時僅考慮了自然因素，忽略了社會經(jīng)濟因素，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的也可能選取得不夠全面。此外，文中采用NDVI配比法對糧食產(chǎn)量進行評估，由于存在同一行政區(qū)相同用地類型糧食產(chǎn)量差異較大的問題，使得估算結(jié)果不可避免地存在誤差，但上述誤差不會對結(jié)果造成重要影響。

黃河流域甘肅段地理位置獨特，不同地區(qū)的區(qū)域生態(tài)問題也各不相同，因此需要開展差別化的生態(tài)治理工作。在堅持生態(tài)優(yōu)良、生產(chǎn)低碳、生活宜居綠色導(dǎo)向的原則下，實行山水林田湖草綜合治理。甘南州、臨夏州、定西市、武威市天祝縣等列入國家主體功能區(qū)規(guī)劃中的禁止和限制開發(fā)區(qū)，應(yīng)嚴格落實“生態(tài)紅線”、退耕退牧還草、生態(tài)移民等政策。平?jīng)觥c陽、天水等黃土丘陵溝壑區(qū)，要把生態(tài)保護和水土保持綜合治理緊密結(jié)合。蘭州、白銀等黃河干流產(chǎn)業(yè)和人口集聚區(qū)則應(yīng)加大沿河生態(tài)修復(fù)力度，大力推動綠色產(chǎn)業(yè)、循環(huán)產(chǎn)業(yè)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié) 論

本研究在評估2019年黃河流域甘肅段食物供給、碳固定、產(chǎn)水量、土壤保持及生境質(zhì)量等5種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量的基礎(chǔ)上，引入有序加權(quán)平均（Ordered Weighted Averaging，OWA）多準則決策模型識別出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度最高的優(yōu)先保護區(qū)，利用最小累積阻力模型識別出生態(tài)廊道，引入電路模型識別生態(tài)廊道的空間范圍，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局。主要結(jié)論如下：

1）研究區(qū)碳固定與產(chǎn)水量在甘南高原為權(quán)衡關(guān)系，在隴東和隴中黃土高原區(qū)和整個研究區(qū)域尺度均為協(xié)同關(guān)系。碳固定與糧食產(chǎn)量、碳固定與生境質(zhì)量在整個研究區(qū)均呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系。土壤保持與碳固定在甘南高原為微弱的權(quán)衡關(guān)系，在整個研究區(qū)為協(xié)同關(guān)系。產(chǎn)水量與生境質(zhì)量為協(xié)同關(guān)系，生境質(zhì)量、土壤保持與糧食產(chǎn)量之間均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。

2）基于OWA模擬出7個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先保護區(qū)情景，選定權(quán)衡度最高情境中的優(yōu)先保護區(qū)為最終優(yōu)先保護區(qū)。

3）研究區(qū)生態(tài)源地斑塊169塊，面積27 460.56 km2。生態(tài)廊道441條，長度6 774.9 km。通過計算出的生態(tài)廊道電流密度識別出生態(tài)節(jié)點49個。

4）提出構(gòu)建“四軸、六區(qū)、多中心”的黃河流域甘肅段生態(tài)安全空間布局優(yōu)化體系，形成功能化、網(wǎng)絡(luò)化的區(qū)域生態(tài)空間優(yōu)化結(jié)構(gòu)。