基于MCR模型的生態安全格局構建
——以阿克蘇市為例

趙 玉,張永福,卜 祥,李宇飛,錢琮暉

(1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830017；2.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830017)

隨著人口增加和城鎮化迅速發展，人類對自然資源的無序開發以及貪婪攫取，導致生態循環系統不平衡并且出現斷裂，人類面臨著土地資源浪費、生態系統退化和生物圈、大氣圈、巖石圈、水圈、人類圈不同程度的破壞。生態環境問題已經成為多個學術領域研究熱潮，在人類面臨全球性環境問題越來越多的趨勢下，生態安全就是其中最有全球性、復雜性、長期性代表的問題之一，是人類亟待解決的問題。

生態安全是指區域的生態環境條件和生態系統服務能力的健康情況以及完整性，在生態系統遭到破壞時，也可以支撐人類生產、生活活動、健康狀況不受其損害的狀態與能力，經濟健康發展和社會平衡協調不受威脅的生態安全系統[1]。為加強生態安全系統保障的時效性，生態安全格局研究成為生態保護的理論基礎。目前，生態安全格局已成為我國國土空間開發保護的三大戰略布局之一[2]，同時也是生態文明建設的重要組成部分。生態安全格局的形成是針對重要的生態保護對象，通過設計和構建生態安全保護網，形成對關鍵生態保護對象的網絡系統[3]，對生態環境質量提升有積極作用。學者們通過自然-經濟-社會框架[4]、GIS分析技術與多目標優化模型[5]、單因子生態安全格局[6]、“源-匯”理念[7]、壓力-狀態-響應模型(PSR)[8]、驅動力-壓力-狀態-影響-響應模型(DPSIR)[9]、生態足跡模型[10]、多因子綜合評價模型等進行生態安全格局的構建與優化研究。

生態安全格局的科學合理規劃是阿克蘇市生物多樣性、水源地涵養、水土保持、防風固沙以及可持續發展的基礎。各界學者針對生態環境、生態過程以及生態紅線等多角度、多目標、多類型進行生態安全格局的建立，結合自然環境和人類社會因素、格局演變、驅動力及評價體系，識別提取出關鍵的生態源地[11]。通過關鍵源地之間建立聯系，生成能量、物質、生物流通的生態廊道[12]，構建有利于自然環境和人類社會協調可持續發展的生態安全格局。生態安全格局目的在于保護生物種類多樣性、保持生態系統結構與生態過程完整性，從而通過多目標、多層次、多類型的角度建立空間生態網絡系統[13]。因此，筆者基于阿克蘇市現狀選取影響因子，建立阻力面，通過最小累積阻力模型構建生態廊道，實現研究區生態安全格局的構建，為阿克蘇市土地空間規劃提供參考價值。

1 資料與方法

1.1 研究區概況阿克蘇市處于阿克蘇地區中西部(39°28′57″～41°30′10″N，79°43′26″～82°00′38″E)，塔克拉瑪干沙漠西北部，天山南麓，阿克蘇河流域之上，是西北干旱地區典型的綠洲城市(圖1)，氣候干旱，水源缺乏。境內地勢西北高東南低，以沖積平原和沙漠為主，中部為沖積平原，西、南、東三面為沙漠，土壤質地受所處地理位置約束，呈現多鹽堿荒漠、沙地、戈壁灘，土地面積基數大且土壤質量等級在10～12，呈現出土壤質量低的特征。阿克蘇市包含7街道3鎮3鄉，總面積為13 585.12 km2(去除兵團)。人口主要集中分布在中部，以阿克蘇河流域、老大河、多浪河為中心，境內河流受地形影響大多由西北流向東南。阿克蘇市2021年人口約55.11萬，約占地區總人口的20.3%。市域內自然環境的脆弱性、人口的增加和工礦企業的發展導致生態用地面積處于下降趨勢，土地沙漠化、土壤鹽堿化、水土流失、沙塵暴等生態環境問題頻率增加。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數據來源該研究以阿克蘇市為研究對象，數據詳情如表1所示。

表1 數據來源及用途

1.3 研究方法該研究以 ENVI 5.1和 ArcGIS 10.7軟件為基礎進行數據的處理和分析以及圖件的制作。首先，根據研究區的自然和社會因素以及阿克蘇市數據的可獲取性，選取適用性最高的8個生態安全評價因子，運用GIS空間分析工具將選取的指標分為4級安全等級，利用柵格計算器獲取生態安全格局阻力面；其次，以識別生態空間以及生態環境質量高和敏感區域空間布局來提取生態源地，采用最小累積阻力(minimal cumulative resistance,MCR) 模型形成生態源地與其他生態源地之間能量流通的阻力等級，形成阻力面的基礎上建立源地之間的重要生態廊道；再次，分析廊道形成中的最薄弱的生態節點，對生態環境脆弱的生態節點進行保護；最后，分析研究區的主要生態廊道空間分布以及與研究區實際情況的結合，通過分析以及結合分析阿克蘇市的生態安全格局問題，提出生態安全格局優化方向。

1.3.1生態安全評價指標選擇。根據阿克蘇市自然環境的特殊性和社會經濟狀況選取8個因子作為生態安全評價指標，其中高程、坡度、道路、土壤侵蝕、居民點是生態干擾因子，與生態安全程度成反比;土地覆蓋類型、植被覆蓋度、水體是生態屬性因子,與生態安全程度成正比。依據表2將各因子指標劃分4級，等級程度越低，生態屬性因子形成的自然環境越有利，抵抗生態干擾因子能力越強，生態安全水平越高[7]。

1.3.2空間主成分分析(SPCA)。通過ArcGIS Principal Components工具，將8個生態安全評價指標對應的柵格數據進行主成分分析，得到對應的空間載荷圖和各主成分的累計貢獻率。根據生態安全綜合指數計算公式(1)，結合主成分載荷矩陣，計算SPCA 得到的前 6 個主成分的方差貢獻率，得到各評價因子的權重，并在 ArcGIS 平臺中進行空間加權計算，得到阿克蘇市生態源地的擴張過程阻力面。

(1)

式中，E為第i個評價單元的生態安全綜合指數;Pij為第i個單元的第j個指標的歸一化值;Wj為各指標的權重。

1.3.3生態安全格局構建。最小累積阻力(MCR)模型能夠較好地反映源、距離和景觀格局之間變化與其生態過程演變間的耦合關系，計算源地之間能量流通的一種趨勢。通過最小累積阻力模型可以確定源地向外擴展阻力。具體表達式如下：

(2)

式中，MCR為最小累積阻力值，即生態源地到某點的最小累積阻力；Dij為源地j到景觀單元i的空間距離；Ri為景觀單元i對物質能力運動的阻力系數；fmin為最小累積阻力與生態過程的正相關函數。

(1)生態源地提取。“源”指物種維持或擴散的原點，具有向自身集聚或向周圍擴散的能力[21]。生態環境敏感、生態系統服務價值高、最大限度利用自然資源的面積斑塊是選取生態源地的基礎，維護源地的生境質量對區域的生態安全意義重大。該研究源地提取生態環境質量高、生態環境敏感的地區，把自然保護區、生態保護紅線、河流、林地等生態環境質量高和生態環境敏感的區域作為源地，根據源地的空間位置分布以及區域內的數量分布，把面積小且零散圖斑刪除，圖斑面積小但集中相鄰的進行合并，最終保留集中面積大的斑塊。

表2 研究區生態安全指標與等級劃分

(2)阻力面構建。生態源地在向外擴展中遇到的累積阻力程度不一，物質能量的流通受到不同景觀單元的阻礙，構建的阻力面是克服阻力障礙前提下擴散最小成本路徑[22]。8個安全評價指標經過重采樣達到柵格數據的一致性，根據自然斷裂點得到每個指標的生態安全等級，通過柵格計算器得到生態阻力面。

(3)生態廊道提取。生態廊道是連通源地斑塊間物質能量和物種遷徙流通的通道[23]，根據研究區的實際情況，提取出主要且符合現狀土地利用的生態廊道。通過ArcGIS 軟件成本路徑的計算就可以得到生態源地之間的廊道。通過疊加分析，把重復的廊道與路徑剔除，就可以得到重要生態廊道和潛在連通生態廊道的空間分布位置。

(4)生態節點提取。生態節點是最小成本路徑形成過程中最薄弱的一環[24]，對其進行重點保護對整個生態廊道網絡系統的整體性、連續性、協調性和生態功能的充分發揮具有重要作用。該研究提取的一類生態節點是生態廊道和阻力脊線的交點[14]，二類生態節點是每條生態廊道之間的交點，要加強保護以其提高生態廊道的連通性。

2 結果與分析

2.1 生態安全評價運用SPCA對生態安全指標進行空間降維后，得到各個安全評價指標的載荷矩陣、特征值及貢獻率。從表3可以看出，前 6 個主成分指標已經很好地體現阿克蘇市生態安全情況及主成分的累計貢獻率是 96.256 8%。經分析(表4)，第1和第5主成分中土地覆蓋類型載荷分值較高，分別為 0.625 49和0.534 66，表明土地覆蓋類型是生態安全的基礎；第 2 主成分中道路指標載荷分值較高(0.590 00)，距水體的距離在第 3 主成分中載荷分值較高(0.739 20)，表明水體是生態安全的重要因素；第 4 主成分中高程和水體載荷分值都較高，分別為0.660 54和0.581 67；第 6主成分中植被覆蓋度載荷分值較高(0.678 86)，說明植被覆蓋因子對生態安全有較大影響。8個安全評價指標中，土地覆蓋類型、道路、水體、高程和植被覆蓋度對研究區的生態安全影響非常顯著；坡度、居民點和土壤侵蝕對生態安全的影響較小，阿克蘇市大部分區域處于沙漠之中，坡度變化小，土壤主要以沙質土壤為主，在西北干旱綠洲城市中，水體資源的分布極大影響著植被分布和人類活動空間。

表3 主成分的特征值及其貢獻率

表4 主成分載荷矩陣

首先利用 ArcGIS 對各個生態安全指標進行空間加權計算，得到阿克蘇市生態安全綜合指數及其空間分布圖，其次進行重分類得到研究區生態安全等級分布圖(圖2)，最后根據該研究評價結果的統計數據可知，高度安全區域面積479.34 km2，占市域面積的3.53%，高度安全區域面積占比小，主要分布在依干其鄉、托普魯克鄉、庫木巴什鄉和拜什吐格曼鄉，都分布在阿克蘇河流域之上；中度安全區域面積1 822.20 km2，占市域面積的13.41%，面積占比較小，主要分布在阿克蘇流域區、空太里克流域區以及阿克蘇市東側；較低度安全區域面積2 351.97 km2，占市域面積的17.31%，面積占比較大，大面積分布在阿克蘇市中部；低度安全區域面積8 931.61 km2，占市域面積的65.75%，面積占比最大，分布在阿克蘇市南部，以沙漠為主。由此可見，研究區生態安全水平較低。

圖2 研究區生態安全評價指標等級分布Fig.2 The distribution of ecological safety evaluation indicators in the study area

高度生態安全水平區面積占比最小且分散，主要分布在阿克蘇河流域。低度生態安全水平區主要在阿克蘇市南部，處于塔克拉瑪干沙漠的北部，此區域受到水資源的制約和自身地理環境的特殊性，生態環境惡劣，動植物以及人類活動罕見，以沙地為主，導致沙塵暴天氣以及沙漠化侵蝕現象嚴重。綜上，研究區整體生態安全水平低，高度安全水平面積小、低度安全水平區面積大且集中，限制區域的生態可持續發展。

2.2 生態安全格局構建

2.2.1生態源地識別。研究選取面積大于0.1 km2的湖泊，主要分布在阿依庫勒鎮東側環皇宮湖帶，以艾西曼湖、黃宮湖、薩依艾日克湖、卡維艾希曼湖的環湖帶為主；面積大于0.3 km2河流斑塊，主要分布在阿克蘇河流域、老大河、臺蘭河流域；面積集中連片大于0.3 km2林地斑塊，主要分布在阿克蘇市東側，且部分林地以劃入生態保護紅線范圍內；3條生態保護紅線包括塔里木河流域土地沙化防控與生物多樣性維護生態保護區(面積359.22 km2)、和田河防風固沙生態保護紅線區(面積16.78 km2)、天山水源涵養與生物多樣性維護生態保護區(面積4.71 km2)；7處古跡遺址，主要分布在阿依庫勒鎮、依干其鄉和南部沙漠入口處，雖面積較小卻是保護的重點對象。疊加統計可得生態源地的總面積為1 440.06 km2，占阿克蘇市總面積的10.60%，生態源地占比小。生態源地空間分布上主要位于研究區東側且以灌木林地為主，其余分布在阿克蘇河流域，分布零散不均且以水體為主(圖3)。阿克蘇市中部以灌溉農業為主，土質疏松、降雨較多，是水土流失以及土地鹽堿化的嚴重區。阿克蘇市南部處于沙漠邊緣，降水量小、水源缺乏、地勢低平、無自然屏障，是土壤荒漠化區。

圖3 重要生態源地Fig.3 Important ecological sources

2.2.2生態阻力面建立。將生態安全阻力面作為基礎面積，通過計算成本距離得到生態源地的生態安全格局阻力程度大小的空間分布趨勢(圖4)。經過ArcGIS軟件的處理，可以統計得到阿克蘇市生態安全評價結果(圖5)，低阻力區面積3 640.70 km2，占市域面積的26.80%，主要分布在空太里克東側、阿克蘇市中部、依干其鄉、托普魯克鄉、庫木巴什鄉;中阻力區面積1 819.92 km2，占市域面積的13.40%，面積較小，分布在阿克蘇市北部、托普魯克鄉和庫木巴什鄉中部；較高阻力區面積834.43 km2，占市域面積的6.14%，主要分布在阿依庫勒鎮中部與空臺里克中部；高阻力區面積7 290.07 km2，占市域面積的53.66%，分布在阿依庫勒鎮西部和阿克蘇市南部。

圖4 研究區阻力等級Fig.4 Resistance level of the study area

圖5 研究區生態安全等級分布Fig.5 Distribution of ecological security levels in the study area

2.2.3生態廊道、節點提取。利用最小累積阻力模型和成本距離建立生態源地之間的最小成本路徑，經過空間疊加分析后去除重復路徑，確定阿克蘇市生態廊道43條，總長度785.73 km(圖6)。生態廊道主要分布在阿克蘇市中部(依干其鄉、托普魯克鄉、拜什吐格曼鄉、庫木巴什鄉、喀拉塔勒鎮)，主要是依靠阿克蘇河、老大河以及阿依庫勒鎮東側的環湖帶，中部生態節點較多、生態連通性較好，有利于形成網絡化的生態安全格局。阿克蘇市東側區域生態廊道總共12條，主要是臺蘭河、東側的林帶和生態紅線為中心的區域，其中部分的生態敏感區為輔。東側也是干旱區生物棲息地，受人類活動影響小，生物遷徙通道較順暢。阿克蘇市南部只有1條生態廊道，是和田河防風固沙生態保護紅線區和百萬畝荒漠造林項目的實施構建形成一條防風固沙的生態保護廊道，阿克蘇市南部以單一的沙漠地貌為主，降水量小、植被稀疏、風沙大，是阿克蘇市面臨的最脆弱敏感區，生態治理以控制阿克蘇河老流域發展區為主，綠色生態建設向南擴展為主。

通過生態廊道和阻力脊線的交點以及每條生態廊道之間的交點，提取出生態節點18個(圖6)。阿克蘇市生態節點數量少，空間分布不均勻，生態節點的分布呈現北部多于南部且以河流和居民點附近為主。對于生態節點處生態環境的脆弱性要進行因地制宜的保護，在生態安全格局的構件中有重要意義，為研究區生態網絡格局的形成提供參考，保護生態安全格局的連通性。

圖6 研究區生態安全格局Fig.6 Ecological security pattern in the study area

3 結論與討論

3.1 結論該研究采用 MCR 模型、GIS 空間分析等方法，構建阿克蘇市生態安全格局，主要結論如下：

(1)阿克蘇市生態源地面積為1 440.06 km2，占阿克蘇市總面積的10.60%，主要分布在阿克蘇市中部流域區和東部林地分布區。

(2)阿克蘇市生態安全水平低，主要原因是阿克蘇市南部深入沙漠內腹，沙漠化面積占市域面積的62.11%。高度安全區域面積為479.34 km2，占市域面積的3.53%；中度安全區域面積為1 822.20 km2，占市域面積的13.41%；較低度安全區域面積為2 351.97 km2，占市域面積的17.31%；低度安全區域面積為8 931.61 km2，占市域面積的65.75%；較低度與低度安全區域分布在阿克蘇市最西側和南部，土地利用類型以水體、草地和林地資源為主。

(3)基于MCR模型識別阿克蘇市主要生態廊道43條，總長度785.73 km。中部生態廊道明顯多于南部和東側，提取生態節點18個，生態節點的分布呈現北部多于南部，與水資源以及土地利用類型緊密相關。

3.2 討論該研究運用最小累積阻力(MCR) 模型構建阿克蘇市生態安全格局并進行分析，在選取研究區生態安全評價指標時未實現經濟因子的空間分布且指標選取不夠全面，由于采礦區面積小且部分位于沙漠地區，因此采礦區的活動范圍空間分布未加入指標體系；阿克蘇市中心景觀單元分散、公園數量少規模小且不集中、國家級生態保護公園濕地保護區少，由于生態斑塊數量少而無法形成較好的連通性廊道，部分生態廊道被建設用地分割，環繞中心城區的生態廊道較多，阿克蘇市東西向跨度大且景觀單元變化明顯，導致東西方向廊道連通性低，缺乏物質能量之間的流通。阿克蘇市西北呈現生態源面積小且分散，東部呈現連片且分布不均，南部分布面積最小且沙化面積大，面臨沙漠化侵蝕的生態環境問題。因此，阿克蘇市受所處的地理位置因素的影響，生態安全水平低，且需要更進一步加強生態源地的保護及源地面積以及數量的增加，增加生態廊道和生態節點的數量和質量，提升阿克蘇市的生態安全水平。

此生態格局對阿克蘇市現有自然資源分布、生態源地的可持續、生產、生活、生態空間的維持都有較好的防護、與自然資源的空間分布比較協調統一，且納入已有的各類生態廊道。為了提升阿克蘇市東部與南部的生態環境服務質量、生態廊道整體的連通性，建議重點建設和田河防風固沙生態廊道和塔里木河流域土地沙化防控與生物多樣性維護生態廊道提升源地間的連通度，這2處也是生態環境極度敏感區域，通過東部和南部增加生態源地的數量和質量來提高生態安全水平，遏制向北挺進的沙漠化侵蝕、土壤沙化，為阿克蘇市的生產生活空間提供保障。