川西北長江黃河源區生態安全格局構建及優化

劉斯媛，羅勇*，于慧，王曉，李梓涵，董維

1.成都理工大學

2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所

3.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司

4.四川省國土科學技術研究院

生態文明建設不僅是發展理念的創新，更是一項十分緊迫的現實任務。在新形勢下深入貫徹習近平生態文明思想，科學推動生態修復工作已成為實現人與自然和諧共生的必要路徑之一，對實現可持續發展目標、建設美麗中國、構筑生態文明新格局具有重要的現實意義[1]。生態安全格局是國家生態安全的基礎和載體。20 世紀以來，隨著社會經濟飛速發展和人口增加，自然資源短缺加劇，導致自然格局破壞、生態系統過程受阻、生態系統功能受損以及自然生態系統服務能力嚴重下降或喪失等一系列生態環境問題，是全球面臨且需要解決的生態安全問題，亟須有效推進生態文明建設和生態安全格局構建與優化。

生態廊道是構建區域山水林田湖草沙完整生態系統的重要組成部分，是在生態環境中呈線性或帶狀布局、溝通連接空間分布上較為孤立和分散的生態單元的生態系統空間類型，能夠滿足物種的擴散、遷移和交換。通過識別源地，構建生態廊道、生態節點，科學合理構建生態安全格局，避免生境棲息地孤島化，可有效促進動植物遷徙和生物多樣性恢復。綠色廊道的思想最初用于公園綠地的規劃[2]，發源于19 世紀末的美國，隨著理論和實踐的深入發展，逐漸從以景觀功能為中心的林蔭大道向聚焦區域生態系統功能的生態廊道轉變，以建立區域、國家和洲際尺度的生態廊道[3]。國內的廊道相關研究可追溯到20 世紀末，以構建市縣域生態廊道為研究重點，現階段“源地-阻力面-廊道-節點”的方法已經成為構建生態網絡、構筑生態安全格局的基本研究范式[4]。生態網絡涉及到不同內容，如Ward 等[5]通過對河流廊道進行空間格局分析，建立了河流廊道的生態安全格局；李國煜[6]基于福州市的景觀安全格局研究其生態用地的保護布局優化；謝瑩[7]基于CLUE-S 模型和景觀安全格局研究了重慶市渝北區土地利用情景模擬和優化配置；李芹[8]基于MCR 模型對贛南稀土礦區生態安全格局研究。研究方法上，識別生態廊道的方法包括重力模型、水文分析、最小累積阻力(MCR) 模型、電路理論等[9]。國內學者通常運用MCR 模型結合圖論對斑塊間的生態廊道進行辨識，并借助重力模型和網絡連接度評價指標定量分析斑塊間的作用強度和廊道網絡連接度[10-11]，該方法常被用于大空間范圍或城市綠地生態廊道的構建[12-13]。

長江黃河源區的水源涵養、生物多樣性維護、氣候調節等功能不可替代，是青藏高原生態屏障和“中華水塔”的重要組成部分[14]，是全球生物多樣性最豐富的34 個熱點地區之一，在全國生態安全格局中地位極其重要，肩負著維護國家生態安全的重任。四川省阿壩藏族羌族自治州（簡稱阿壩州）是長江黃河上游生態安全屏障的重要節點[14]，起著涵養大江大河水源和調節氣候的作用[15]，橫跨全國重要生態系統“三區四帶”2 個重點區域：是黃河長江上游重要水源涵養地、補給地和國家重要濕地生態功能區，全球最大的高寒泥炭沼澤濕地之一[14]，是岷江主流及支流源頭地帶，是國家乃至世界生物多樣性保護重要區域，在國家生態安全、西部地區可持續發展中具有重要的戰略地位。生態安全在西部開發戰略中具有極端重要性[16]。生態修復是推進生態文明建設的重要實施路徑。受傳統粗放型經濟增長方式影響，阿壩州仍存在生態環境脆弱、棲息地破碎、生態系統服務功能低下等問題，生物多樣性保護面臨挑戰，開展該區域生態網絡構建和生態安全屏障保護修復迫在眉睫。

筆者聚焦生態環境脆弱、地災頻發的川西北，以生物多樣性保護為出發點，結合MCR 模型、電路理論、圖論，規劃阿壩州生態廊道，實現區域生態安全網絡構建及優化，針對性地提出保護修復重點和途徑。

1 研究區概況

阿壩州位于四川省西北部（100°31'E～104°27' E，30°35'N～34°19'N），北接青海、甘肅省，東與綿陽、德陽、成都市相連，南部與雅安市接壤，西部與甘孜藏族自治州為鄰（圖1），總面積84 242 km2，約占四川省總面積的17%。該地位于青藏高原的東北—東南緣，屬于橫斷山脈的一部分，整體處于青藏高原與成都平原之間[17]，是我國一、二級臺階的過渡地帶。阿壩州地貌以高原和山地為主體，高原區約占全州總面積的58%，山地面積約占42%，區內整體地勢由松潘縣至紅原南側分水嶺向北逐漸降低。阿壩州是長江和黃河上游最重要的水源地之一，是黃河在四川省唯一的流經地，長江上游的重要支流之一岷江也發源于此[18]。

圖1 研究區行政區劃及高程Fig.1 Administrative division and elevation of the study area

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

DEM、Landsat8 數據來源于地理空間數據云平臺（https://www.gscloud.cn/#page1），地質災害點數據、行政邊界、水系數據來源于阿壩州自然資源局。歸一化植被指數（NDVI）和土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（ https://www.resdc.cn/）。所有數據坐標統一為2000 國家大地坐標系。

植被覆蓋度由NDVI 計算得到。在ArcGIS 軟件的核密度工具中輸入地災點數據計算得到地質災害易發性。

生物多樣性維護功能重要性在生態系統、物種和遺傳資源3 個層次進行評價。在生態系統層次，將需要優先保護的森林、灌叢、草地、濕地、荒漠、內陸濕地生態系統評定為生物多樣性維護極重要區，其他需保護的生態系統評定為生物多樣性維護重要區。在物種層次，以具有重要保護價值的物種為保護目標，將國家重點保護野生動植物和列入世界自然保護聯盟（IUCN）紅色名錄中的極危、瀕危物種的集中分布區，極小種群野生動植物的主要分布區評定為生物多樣性維護極重要區，將省級重點保護物種等其他具有重要保護價值物種的集中分布區評定為生物多樣性維護重要區。在遺傳資源層次，將重要的野生農作物、水產、畜牧種質資源的主要天然分布區評定為生物多樣性維護極重要區[19]。

2.2 源地識別

構建生態安全格局在改善生態環境問題、維護區域生態安全中起著重要作用；關鍵生態源地是構成生態安全格局的基礎，其識別意義在于提取對維護區域生態安全具有關鍵作用的生態用地，是區域生態安全格局的關鍵地段精準識別的基礎，也是后續廊道與節點識別的前提[20]。目前，關于生態源地識別的方法大致分為2 種：1）以面積較大的林地、水域等地段[21-22]或一些自然風景名勝區等區域[23]作為生態源地；2）通過構建生物多樣性、生態敏感性[24]以及生態系統服務重要性[25-26]等多維度的指標體系綜合評估斑塊重要性以識別源地。

阿壩州屬于高原地區，區內自然保護區眾多，對維護生態安全和生物系統服務價值有重要作用。本文采用直接識別與間接識別相結合的方法，將自然保護地疊加生物多樣性維護重要性柵格，進行閾值調整，最終選取全域面積大于30 km2的斑塊作為生態源地。

2.3 阻力面構建

構建生態阻力面的關鍵是確定生態阻力值，在物種的信息流傳遞和空間遷徙的過程中，地形、人類活動以及土地覆被是主要影響因素[27]。阿壩州屬于川西北山地向高原過渡地帶，是我國構造運動上升最強烈的區域之一。其特殊的地質構造決定了復雜的自然特征，從而造就了多樣的地質災害。同時，研究區植物資源豐富。參考已有研究[4,9]構建生態源地擴張阻力因子體系，設置阻力值，各評價因子阻力評價結果如圖2 所示，采用層次分析法（AHP）確定權重（表1），加權疊加計算擴張耗費的阻力，研究區全域綜合累計阻力值如圖3 所示。

表1 生態源地擴張阻力因子賦值及權重Table 1 Assignment and weighting of ecological source expansion resistance factors

圖2 阻力面因子評價Fig.2 Evaluation diagram of resistance surface factors

圖3 綜合累計阻力值評價Fig.3 Evaluation of comprehensive cumulative resistance value

2.4 生態廊道及節點識別

2.4.1 生態廊道提取

最小成分路徑（LCP）用于計算各源地間物種遷徙經過阻力值不同的區域需要克服的累積阻力值。將生態源地與評價的阻力面導入Linkage Mapper 工具，創建最小成本通道的映射。計算物種遷徙流動的最小成本路徑，生成最小成本距離（LCD）通道，即生態廊道[28]。

2.4.2 生態節點識別

夾點又稱瓶頸點，是生態廊道中電流密度較高的區域，反映物種在棲息地間交流時通過該區域的具有較高可能性或者沒有其他替代路徑。本研究基于電路理論進行連接性建模以識別生態節點。Linkage Mapper 工具箱中的Pinchpoint Mapper 工具可在已創建廊道的基礎上，通過調用Circuitscape 程序，將電路理論和運動生態學通過電荷的隨機游走特性結合在一起[29]，生成可用來識別廊道中的夾點地區的累計電流密度圖[30]。文章采用“all-to-one”即多對一模式進行運算，提取高值為夾點。

障礙點是指生物在生境斑塊間運動受到阻礙的區域，移除這些區域可增加生態重要空間連通的可能性。Linkage Mapper 工具箱中的Barrier Mapper工具在已生成生態廊道基礎上，搜索影響生態廊道連通質量的障礙物。其算法原理是移動窗口搜索法，將用源地間最小耗費距離值替換搜索窗口中心像元數值，輸出單位最小費用距離改善值，該值即表示移除障礙點后連通性的改善狀況[31-33]。源地間連通性可在修復高值區域即障礙點后得到改善。

3 結果與分析

3.1 生態安全格局

共識別出18 處生態源地，面積為28 553.83 km2，占研究區總面積的33.90%，其中，最大的源地面積為8 507.97 km2，位于金川、理縣、小金、汶川4 縣，包括大熊貓國家公園、巴布納森林公園、米亞羅自然保護區、夢筆山森林公園、梭磨河森林公園、竹廠溝自然保護區；最小的源地面積為55.94 km2，位于汶川縣西部。生態源地在南部和北部集中分布、斑塊大，東西地區零散式分布。阿壩州各縣域生態源地面積如表2 所示。其中，若爾蓋縣生態源地面積達5 301.42 km2，所占比例為18.57%。若爾蓋濕地及貢杠嶺、喀哈爾喬等國家級自然保護區共同構成若爾蓋縣生態源地。

表2 各縣生態源地面積Table 2 Ecological source area of each county

基于Linkage Mapper 工具共提取生態廊道39 條，形成阿壩州生物遷徙網絡，如圖4 所示。其中廊道長度最長為87.34 km，最短為2.75 km，整體呈中西部區域廊道長、東部廊道短的空間格局。

圖4 生態廊道評價Fig.4 Evaluation of ecological corridors

生態踏腳石系統是景觀生態學中的概念，是指位于大型生態斑塊之間，由小型斑塊構成生物做短暫棲息和遷移的通道[34]。踏腳石斑塊不同于大型的開敞斑塊，其具備的生態功能較弱，但可以作為生物遷徙的休憩驛站。廊道交匯處一般比廊道其他區域有更高的物種豐富度，通常起到中繼點的作用。馬爾康市松崗保護區是周圍5 個大型源地的重要生物遷徙流通的樞紐，可作為小斑塊形態的生態踏腳石，能夠增加生態安全網絡的閉合性和完整性，防止生態孤島的出現。東部區域部分位于龍門山斷裂帶及松潘—較場地震帶，雖然人為活動少，但自然災害頻發，因此生態廊道集中于中部零碎斑塊分布的地區，熱務溝和三奧雪山的較破碎生態源地可作為連接黑水縣的雅克夏、達古冰川自然保護區與東部連片的大熊貓國家森林公園的生態踏腳石。

設置加權成本距離30 km 作為廊道寬度，在多對一模式的電流圖中，提取高密度電流區域為夾點，共35 個（圖5）。搜索影響生態廊道連通的障礙物，得到已有廊道未改進得分較高的區域，在整個廊道中起著集散中轉的作用，共提取障礙點26 個（圖6），均位于廊道上阻力值高的地區。

圖5 生態夾點評價Fig.5 Evaluation of ecological corridors and ecological pinch points

圖6 障礙點評價Fig.6 Evaluation of obstacle points

3.2 關鍵生態區域功能格局優化

3.2.1 生態源地分級

生態源地是區域內動植物重要的棲息地和遷徙流動區，是自然界的物質流、信息流和能量流的核心部位，從生態學的理論分析，通常情況下，斑塊面積較大的生態源區有利于生物生存、繁衍生息，文章所選取的阿壩州生態源地主要為國家級及省級自然保護區，包括九寨溝國家級自然保護區、若爾蓋濕地國家級自然保護區、小金四姑娘山國家級自然保護區、米亞羅自然保護區、阿壩曼則塘濕地自然保護區等[35]。這些生態源地承擔著維護生態系統穩定性、生物多樣性保護的重要功能，是維護生態安全的核心區域。位于數個大型生態源地之間分布破碎且面積小的生態源地，承擔的主要是物種臨時棲息和流通遷徙樞紐功能。因此，將阿壩州全域生態源地按照面積大小、所承擔的生態功能以及戰略區位分為核心生態源地、中樞生態源地以及一般生態源地3 種（圖7）。核心生態源地是斑塊面積大且分布緊湊的生態源地；中樞生態源地是物種在多個生態源地之間遷徙流通的棲息地，增強連通性和緊密性，保護該類生態源地，有益于物種交替演化，是全州生態安全網絡的關鍵部位[36]。一般生態源地位于邊緣區域且零散分布，破碎化程度較高。

圖7 生態廊道和生態節點分級Fig.7 Grading of ecological corridors and ecological nodes

3.2.2 生態廊道分級

生態廊道是位于低阻力帶的自然界物種遷徙和信息生態流通道，優化生態廊道是提升阿壩州生態廊道的閉合性和完整性，強化生態服務功能的重要方式[37-38]。通過電路理論模擬生態廊道，結果如圖7 所示。生態廊道的空間區位具有差異，其保護建設的重要性和承擔的生態服務功能也有所不同，依據生態源地劃分規則，將生態廊道分為3 級：戰略區位特殊或面積較大的核心生態源間的低阻力道為一級生態廊道，加大保護建設一級生態廊道力度，有助于促進增強核心生態源之間的物種遷徙流通；中樞生態源地和核心生態源地以及中樞生態源地之間的生態廊道為二級生態廊道，作為大斑塊與小斑塊源地間的流通樞紐；連通位置孤立且面積小的一般生態源地為三級生態廊道。

3.2.3 生態節點分級

生態節點是生態源地之間物種的障礙點和轉折樞紐點。保護建設生態節點，能夠提高生物的空間流通性，提升生態功能，促進生態系統網絡內的持續健康發展。將生態節點劃分為2 類：1）位于一級生態廊道和高阻力廊道的交匯處是一級生態節點，強化該類節點建設，有助于維護生物多樣性、涵養水源功能；2）位于二三級生態廊道的是二級生態節點，加強該類節點生態建設，保障并提高阿壩州生態安全性。

3.3 結果驗證及生態安全格局優化

3.3.1 結果驗證

將重要的源地、廊道、節點與土地利用數據疊加分析，結果如圖8 所示。從點位的驗證結果來看，一級生態節點均位于旱地、喬木林地、灌木林地、天然牧草地、沼澤草地5 種土地類型上。其中，1 號節點位于旱地，2～6 號位于喬木林地，7、8 號節點處于灌木林地，9～14 號節點位于天然牧草地，15～17 號節點的土地利用類型為沼澤草地。核心生態源地和一級生態廊道分布于林地、草地、濕地、園地。評價結果具有可靠性。

圖8 生態節點結果驗證Fig.8 Validation of ecological nodes result

3.3.2 生態安全格局優化

基于源地、生態廊道、生態節點的評價結果，依據《四川省生物多樣性保護優先區域規劃（2018—2030年）》，針對阿壩州生態安全格局提出“兩區、兩帶、三廊”的布局優化，如圖9 所示。“兩區”指岷山—橫斷山北段生物多樣性保護優先區域和羌塘—三江源生物多樣性保護優先區域。羌塘—三江源地區的保護區集中分布于阿壩縣，是長江上游最重要的水源地和水源涵養地，應加強水源地的保護與生態修復，提升區內自然保護區管護能力；岷山—橫斷山地區包括岷山區域、邛崍山區域和若爾蓋濕地，其中岷山區域屬于東部盆地向西部山區過渡地帶，區內保護對象敏感度和瀕危度較高，若爾蓋、松潘、茂縣所處的岷山區域是岷江的發源地和四川省重要的水源涵養地，應加強大熊貓棲息地生態廊道建設，連通關鍵破碎源地，保障物種基因交流。邛崍山區域包括汶川、理縣、小金3 縣，區內珍稀野生動物眾多，應加強金絲猴、四川梅花鹿等珍稀野生動物的保護，并強化其賴以生存的森林生態系統功能。若爾蓋濕地分布于若爾蓋、紅原、阿壩3 縣，是黃河上游最重要的水源地和水源涵養地，應加強對高原泥炭沼澤濕地的保護，維護隼形目鳥類、黑頸鶴賴以生存的濕地生態系統，實施濕地生態修復，提升濕地水源涵養功能。“兩帶”指岷江和大渡河。河流作為發展的自然本底，城鎮多沿河岸兩側建設分布，應加強生態緩沖帶建設，嚴控城鎮開發強度及科學合理規劃城鎮開發邊界。“三廊”指生態廊道的主干方向及延伸，是源地連通性的橋梁，推動生物遷徙演化和自然信息流通，保障生態安全網絡的完整性。縱向和橫向生態廊道交錯連接，形成穩定的網絡格局，對提升區域生態連通性具有重要意義[39]。

圖9 研究區生態格局Fig.9 Ecological pattern of the study area

3.4 討論

本研究以川西北長江黃河源區的阿壩州為例，基于MCR 模型和電路理論構建了區域生態安全網絡并對重要性進行分級，探索生物多樣性保護背景下生態安全格局的構建和優化。通過選取多個評價因子運用加權疊加，削弱單個因子的片面性。將生物流抽象為電流，運用MCR 模型和電路理論，有效構建阿壩州生態網絡，并提出相應的管理措施對阿壩州及其中的重點生態單元修復和區域規劃建設具有較強的實踐意義。但受數據精細程度影響，小尺度的水系分布和道路因素被忽略，這會在一定程度上影響廊道構建的結果，今后的工作中將注重結合小尺度上的精細道路水系對較大尺度生態廊道構建的評估。

依據研究探索的結果，對阿壩州生態保護提出如下建議：1）推進國家公園建設，創新國家公園的管理機制，完善生態保護和自然資源利用的管控措施/要求，實施道路優化，恢復擴大熊貓棲息地。2）堅持生態保護優先，科學管控，推動生態旅游產業發展，打造大熊貓生態旅游目的地、大九寨世界遺產旅游目的地[40]，以環境友好型產業代替資源粗放式開發產業。3）規劃實施精準工程，堅持“一區一策”，在岷江流域、大渡河流域，篩選典型生態退化區域，開展植被恢復，精準提升森林質量，按照林水結合思路，鞏固提升水土保持、生物多樣性維護功能；推動阿壩州北部的沙化草場的治理，實施禁牧休牧輪牧，保護草原生態系統生物多樣性。4）針對水土流失嚴重、土地沙化等問題，以鄉鎮或流域為單元，自然修復與人工修復相結合，對區域生態進行綜合治理，恢復生態系統功能，增加優質生態產品供給和價值轉化[41]；5）扎實推進森林保育工作，落實森林管護責任，建設防火通道，防治病蟲害。6）重點實施河流廊道建設，連通干流、支流，解決流域水生態隔離的問題。7）優化保護區空間布局，通過生態廊道，連接分布集中的瀕危動植物棲息地，增強瀕危動植物棲息地物質流通、信息交流能力，科學優化自然保護地分布格局，加強管理評估，建設信息化平臺，實現常態化、動態化、網絡化管理。通過“點、線、面”相結合，立體式、系統性、全方位開展阿壩州生態安全保護工作。

4 結論

（1）聚焦位于青藏高原的東北—東南緣的藏族羌族聚居區阿壩州，在較大尺度上構建生態安全網絡并提出布局優化。共識別出18 處生態源地，面積為28 553.83 km2，占研究區總面積的33.90%，南部和北部集中分布，東西部零散式分布。

（2）提取生態廊道39 條，生態節點61 個，其中夾點35 個，障礙點26 個，整體呈現中西部區域廊道長、東部廊道短的空間格局。

（3）對源地、廊道和節點的重要性分級，提取核心生態源地8 處，起樞紐功能的中樞生態源地4 處，一般生態源地6 處；一級生態廊道9 條，二級生態廊道22 條，三級生態廊道8 條；一級生態節點17 個，二級生態節點44 個。

（4）提出“兩區、兩帶、三廊”的格局優化體系，未來可通過改善物種遷徙通道，建設森林防火通道，連通河流廊道，對流域生態進行綜合治理，提升區域旅游業發展質量，維護黃河源區和橫斷山脈的高原生態安全格局。