基于最小累積阻力模型的生態安全格局構建與優化
——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研究院（四川省衛星應用技術中心），四川 成都 610045；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756）

0 引言

生態安全是指生態系統完整性和健康性的整體水平，對確保國民身體健康、支撐和保障國家經濟社會發展至關重要[1-2]。生態安全格局是維護區域生態安全的重要基礎，是人類社會發展進程中維持綠色、健康與可持續發展道路的強有力手段[3]。隨著全球生態問題日益凸顯，生態安全格局已得到了生態系統研究領域的廣泛關注[4-7]。強化生態安全格局研究和分析，能夠啟示人類社會加強保護生態系統的結構合理性，并對生態系統的功能完整性進行有效改善，對強化地區生態格局保障和維護地區生態穩定及健康具有重要意義[8]。

近年來，生態安全格局的構建策略得到了廣泛關注，經過有關學者的大量研究，其發展日益成熟。集成“源地識別”“阻力面構建”“廊道提取”3 個基本要素的研究框架，已逐漸成為生態安全格局構建工作遵循的基本模式[9-10]。首先，生態安全格局構建的基礎核心要素是生態源地[11-14]，本質上是特定的生態環境斑塊，對所在區域的生態安全具有重要價值，同時對周邊區域具有顯著的生態輻射效應。一般而言，源地識別方法包括以自然保護區及風景名勝區為代表的區域選取方法和基于評價生態重要性的定量指標提取方法。然后，生態安全格局分析的另一個關鍵要素是阻力面構建，基于地類賦值方式的阻力面構建方法較通用。最后，核心程序是生態廊道提取，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、最佳效果的生態廊道提取方法是MCR 模型，MCR 模型可歸于景觀格局優化模型的范疇。

生態安全格局理論研究表明：生物及其群體遷徙擴散時，在跨越不同異質生態景觀的動態過程中，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構內部的垂直關系建模，而是在建模過程中整合了景觀單元之間的水平關系。因此，MCR 模型具有顯著的優勢，能充分體現生態安全格局的內核機理，并在優化工作方面具備強健的適應性和良好的可擴展性。

另外，中國西南山區地形地勢復雜，生態生物多樣性豐富，是中國重要的生態屏障區，非常適合生態系統演變規律研究。該區域環境復雜、生態脆弱、災害頻發，加之當前全球性氣候變化問題嚴峻，人類經濟活動容易在該區域引發突出的生態環境問題[21-22]。因此，以中國西南山區四川省美姑縣為研究區的生態安全格局構建研究具有一定的價值。

本研究遵循“識別源地、構建阻力面、提取廊道”的生態安全格局構建模式。基于以下兩種方法識別生態源地：直接提取典型類型區域（如國家自然保護區、濕地區域、較大型河流區域）并將其作為生態源地；綜合考慮生態環境敏感程度因子和生態系統服務功能重要度因子并進行定量建模，提取生態源地。基于研究區阻力面建模和MCR 模型，開展生態安全格局構建與優化分析，為中國西南山區的生態安全保護和生態安全規劃提供指導，可作為促進該區域生態和經濟共同繁榮與協同發展的參考依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

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%。活立木蓄積為9 086 671 m3。草地總面積為75 297 hm2，耕地總面積為35 294.16 hm2。據不完全統計，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 數據來源及預處理

本研究的實驗數據如表1 所示。本研究將柵格數據的空間分辨率均重采樣為10 m，統一投影到2000 國家大地坐標系；將矢量面狀數據轉為柵格數據，并通過反距離加權插值算法（inverse distance weight，IDW）對目標區內年均降水量、年均氣溫進行空間插值。

表1 實驗數據及獲取來源

2 研究方法

本文的生態安全格局構建方法主要包括生態源地識別、阻力面構建、最小累積阻力計算三部分。其中，第一、二部分為生態安全格局構建提供生態源地和阻力面數據基礎；第三部分基于前兩部分的數據結果進行綜合計算，分析研究區內生態用地的景觀連通性。三者有機結合，共同形成一套完整的區域生態安全格局分析方法。

2.1 生態源地識別

生態源地本質上是指區域內特定的生態環境斑塊，對所在區域的生態安全具有重要價值，同時對周邊區域具有顯著的生態輻射效應，具有較強的生態功能。生態源地作為地區內生物集群遷徙的起始點，其內生物種群向外擴散的同時也能吸引物種內聚，它是指示地區生態系統功能穩定性和服務性的有效信號。因此，生態源地的空間位置分布，對于保障地區的生態安全、確保地區生態結構完整及推動綠色可持續發展意義重大。本研究主要通過兩種理論方法開展生態源地提取：直接提取國家自然保護區、濕地區域、較大規模的河流區域并將其作為生態源地；采用生態系統服務功能的重要程度因子與生態環境的敏感度因子，綜合考量目標區的生態供給能力和人類需求度，實現研究區的生態源地空間域提取。

具體地，本研究通過兩種方法識別源地并進行對比研究。

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

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

2.2 阻力面構建

生態阻力面是生態安全格局構建的關鍵環節之一，表征了不同生物集群在生態源地之間遷徙的難易程度，能夠直觀體現生物族群對生態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，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），按照生態系統服務功能構建基本生態阻力面。各影響因子的阻力系數和權重如表2 所示。

表2 阻力系數及權重設置

2.3 最小累計阻力計算

本研究基于MCR 模型建模目標區域的生態用地景觀連通性，并據此研究土地規劃治理對景觀連通性的影響力。將阻力面柵格數據與生態源地矢量斑塊數據作為ArcGIS 軟件cost distance 模塊的輸入圖層，估計目標區域各柵格單元至生態源地的最小累積阻力值。阻力值越小，該柵格單元的生態貫通性越強；反之亦然。MCR 模型依據公式（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到達生態源地j的空間域距離，作為單個柵格單元的阻力值權重系數；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運動過程的正向相關性。

3 結果分析

3.1 基礎數據分析

3.1.1 土地利用現狀分析

研究區的土地利用現狀數據統計分析結果顯示：研究區土地利用現狀以喬木林地為主，面積約1 150.98 km2，占區域總面積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地形數據（高程數據和地形坡度）進行分析，研究區為高山峽谷地貌，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 生態源地分析

本文使用方法A 進行生態源地識別。首先，參考已有的研究方法，直接提取目標區域內的地物類別現狀分布和國家自然保護區、濕地綠地公園等區域的地理空間分布。然后，綜合以上提取結果，選取現狀林地集中連片的極重要生態區并將其作為核心型生態源地，基于大于1 hm2林地斑塊面積尺度進行優化（簡記為方法A-1），基于大于5 km2林地斑塊面積尺度進行優化（簡記為方法A-2），分別實現生態源地識別。圖1 為現狀生態源地分布圖，其總面積達 1 150 km2。兩種方法優化后的生態源地分別為 1 118 km2及591 km2，生態源地主要以林地為主，分布在北部地區及南部地區零散區域，總體呈現由北向南遞減的趨勢，如圖2 所示。

圖1 現狀生態源地

圖2 優化后的生態源地

另一方面，本研究基于方法B 開展了生態源地提取工作，集成用以評估生態系統服務功能重要程度的定量指標和評估環境敏感度的定量因子，進行定量評估建模，據此提取生態源地圖斑。源地圖斑提取結果如圖3 所示，經統計，識別的生態源地面積達776 km2，以林地為主。

圖3 生態系統服務功能重要性評估生態源地

3.3 生態阻力面分析

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建生態阻力面。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組合，構建了加權生態阻力面，最終生成的生態阻力面結果如圖4 所示。值得注意的是，土地利用阻力面更多體現人類活動的影響，綜合加權阻力面構建則疊加地形要素的影響。

圖4 阻力面構建

3.4 生態安全格局分析

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

圖5 源地現狀及優化后生態安全格局

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

（2）基于加權阻力面構建的生態安全格局中，非生態用地較成片連貫，但部分區域與高海拔地區的現狀符合度不高，潛在生態用地部分區域也較零散。

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

圖6 基于生態系統服務的生態安全格局構架

本文對不同方法構建的生態安全格局進行對比分析。源地優化后構建的生態安全格局潛在生態用地較連貫。基于加權阻力面構建的生態安全格局潛在非生態用地較連貫，但高海拔區域與脆弱生態系統現狀不符，部分區域不符合生態系統的保護要求。

4 結語

本研究基于中國西南山區生態環境的現實特點，以四川省美姑縣為研究區，識別其生態源地并構建阻力面，利用MCR 模型開展生態安全格局構建和優化分析研究。

（1）生態源地北部較連貫，南部較零散、破碎化較嚴重，面積優化后的成片連貫性較好。基于生態系統服務功能及敏感性提取的生態源地，成片連貫性最好。

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

（3）基于現狀土地利用阻力面識別的生態用地及非生態用地，北部較連貫，南部較零散，符合區域保護現狀；基于綜合加權阻力面識別的生態用地及非生態用地相對較連貫，但高海拔部分區域與生態系統保護要求不符，需要繼續加以優化。

本研究旨在揭示西南山區生態格局規律探索工作思路，為地區的生態安全工作提供幫助性指導，對該區域的生態經濟協同發展提供參考依據。