基于電路理論的高原山地縣域生態網絡構建

摘要

鑒于高原山地的特殊地理環境及社會經濟條件的限制，高原山地區域目前面臨著城市快速擴張、生態保護壓力大等挑戰。以高原山地地區的云南省鎮沅彝族哈尼族拉祜族自治縣為例，結合生態系統服務功能重要性評估和形態學空間格局分析，從功能性和結構性2個方面綜合確定生態源地，并利用電路理論原理構建生態廊道，進一步識別生態夾點和生態障礙點，構建生態網絡，最后根據各鄉鎮發展現狀提出針對性建議。結果表明：鎮沅縣擁有生態源地21個，形成生態廊道38條，共識別出夾點區域23.31 km2以及障礙點區域40.00 km2。生態源地及廊道多分布在鎮沅縣西部，而東部存在明顯的斷層現象。最后基于各鄉鎮發展現狀條件與發展愿景，綜合構建了鎮沅縣“四區、一軸、六脈、多廊道、多節點”的生態網絡體系，并提出各鄉鎮未來發展重點及方向。

Abstract

In view of the special geographical environment and socio-economic conditions of the plateau mountainous area， the plateau mountainous area is currently facing challenges such as rapid urban expansion and high pressure on ecological protection. Taking Zhenyuan Yi and Hani and Lahu Autonomous County of Yunnan Province in the plateau mountainous area as a case study， this study integrates ecosystem service importance assessment with morphological spatial pattern analysis to comprehensively identify ecological sources from both functional and structural perspectives， and construct ecological corridors using circuit theory. Furthermore， identify ecological pinch points and ecological obstacle points， build an ecological network， and finally put forward targeted suggestions based on the development status of each township. The results show that Zhenyuan County contains 21 ecological sources and 38 ecological corridors. A total of 23.31 km2 of the pinch area and 40.00 km2 of the obstacle area are identified. The ecological sources and corridors are mostly distributed in the west of Zhenyuan County， while there are obvious faults in the east. Finally， based on the development status and development vision of each township， the ecological network system of' four districts， one axis， multiple corridors and multiple nodes' in Zhenyuan County was comprehensively constructed， and the future development focus and direction of each township were proposed.

文章亮點

1）從功能和結構2個角度構建生態網絡，基于生態系統服務功能重要性評價和形態學空間格局分析法綜合選取生態源地；2）運用電路理論模型提取生態廊道，更加全面考慮景觀結構的完整性和連通性，避免人為選擇的主觀性。

關鍵詞

生態網絡；生態系統服務功能；電路理論；MSPA；高原山地；鄉村振興

Keywords

Ecological network; Ecosystem service function; Circuit theory; MSPA; Plateau mountains; Rural vitalization

生態安全是國家安全最重要的部分，也是人類社會可持續發展和民生改善的基本要素[1]。中國作為一個多山國家，山地、高原和丘陵約占國土面積的69%，盆地占19%，平原占12%[2]。因此，維護高原山地區域的生態安全對于提升我國生態安全水平具有重要意義。但近年來，隨著我國人口的快速增長和城市化的不斷推進，城市空間占據更多的自然空間，從而導致自然景觀不斷地消失和破碎化[3]。同時，高原山地生態系統因其中存在較大的地形高差，受重力作用的影響，穩定性較差，抵抗外界干擾的能力弱，當環境問題對其產生影響時，山地生態系統的結構和功能難以恢復原狀[4]。這容易引發一系列的生態環境問題。

在此背景下，許多學者[5～6]提出構建生態網絡，識別生態保護區域，從而破解當前城市發展所遇到的難題。生態網絡作為一種多尺度的結構體系，是對以林地、草地、濕地、水體、未利用地等國土生態空間為主要對象的空間布局的規劃[7]，其核心理念在于將分散的棲息地斑塊相互連接形成一個綜合性的生境網絡，從而優化網絡空間布局，增強生態系統的服務功能。隨著生態網絡研究的發展，生態網絡的構建模型日趨成熟，形成了“源地識別-廊道構建-生態節點搭建”的基本范式。起初，相關研究多選擇自然保護區、風景名勝區所在地，或生物多樣性較高的林地作為生態源地[8]。為了降低主觀性對于生態源地識別造成的影響，部分研究開始運用形態學空間格局分析法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）[9]、構建綜合評價指標體系法[10]和粒度反推法[11]等選取核心生態源地。不同的自然基質可為人類提供不同種類的效益和資源，因此相關研究將生態系統服務功能評價和形態學空間格局分析法相結合，從功能和結構兩大角度綜合選取核心生態源地[12]。廊道構建是生態網絡規劃中最關鍵的步驟，方法多樣，如最小累積阻力模型[13]、電路理論模型[14]以及斑塊重力模型[15]。近年來電路理論被廣泛應用于生態網絡構建，通常結合生態夾點和生態障礙點的識別，綜合構建生態網絡。

鎮沅彝族哈尼族拉祜族自治縣（以下簡稱“鎮沅縣”）地處云南省西南部，是典型的高原山地區域，地質環境復雜多樣，具有自然資源約束明顯、生態環境敏感的特征[16]。縣域受縱向兩大山系切割，形成六大河流縱向延伸、城鎮布局縱向拓展的地理空間格局。生物多樣性和水土保持是其重要的生態系統服務功能。境內有云南哀牢山國家級自然保護區，是云南省哀牢山-無量山山地生態屏障的重要組成部分。然而，由于鎮沅縣城鎮化水平較低以及產業結構不完善，部分高原山地區域的生態系統服務功能退化較為嚴重。因此，本研究選取鎮沅縣為研究區，綜合運用生態系統服務功能重要性評價和形態學空間格局分析法識別生態源地，利用電路理論構建生態廊道，識別生態夾點及障礙點，從而全面構建生態網絡，并將生態網絡構建延伸至鄉鎮層面，為鎮沅縣生態網絡構建及生態安全保護提供決策依據與科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

云南省普洱市鎮沅縣（100°21′～101°31′E，23°24′～24°22′N）地處哀牢山和無量山之間，中心城區為恩樂鎮，全縣總面積4 147.58 km2。其中，山地面積占比97.7%，縣域平均海拔1 376 m。鎮沅縣分屬于紅河、瀾滄江兩大水系，哀牢山和無量山縱貫縣域南北，與六大河流相間，構成鎮沅縣“五谷五嶺”的地貌特征（圖1）。普洱市水務局公開信息顯示，鎮沅縣生態基礎良好，自然資源豐富，有瀾滄江、恩樂河等534條河流，境內有云南哀牢山國家級自然保護區、云南普洱小黑江省級森林公園、大寺箐森林自然公園、淀坑河水庫森林自然公園、灣河水庫森林自然公園以及山神丫口森林自然公園等，總保護面積達" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 169.18 km2。截至2022年，全縣地區生產總值（GDP）達938 278萬元，全縣以工農業為主，常住人口17.22萬人，鎮沅縣下轄4個區，下設21個街道和22個鎮。近年來，城鎮的快速發展和持續推進的鄉村建設導致生態空間減少，部分地區生態功能退化。

1.2 研究方法

1.2.1數據來源

本次研究采用多個數據集，具體數據來源如表1所示。

1.2.2 生態源地選取

本研究從功能源地和結構源地2個角度選取縣域內具有重要生態保育價值的區域作為生態源地，涵蓋林地、草地、水域等多種土地利用類型。

從功能角度出發，本研究基于生態系統服務功能重要性評價來選取源地。就大中尺度區域研究而言，凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP）定量評價法在生態系統服務功能的評價方面更具有實用性[17]。鎮沅縣是典型的高原山地區域，水土流失問題嚴重。同時，作為云南哀牢山國家級自然保護區的所在地，該地區物種豐富多樣。因此本研究參照《生態保護紅線劃定技術指南》（環發〔2015〕56號），采用NPP定量評價方法作為指標選取依據[18]，選取水土保持、水源涵養、生物多樣性保護3類指標對生態系統服務功能進行評價[19～20]，并運用自然間斷法對評價結果進行分級賦值。在評價過程中賦予水源涵養、水土保持、生物多樣性保護功能相同的權重，最后將其疊加處理[12]，選取功能核心生態源地（表2）。

從結構視角出發，結合MSPA和景觀連通性選取生態源地。MSPA是基于形態學原理創建的一種圖像處理方法，相較于其他方法能夠準確地識別各元素之間的空間關系。本研究將土地利用類型分為林地、草地、水域、耕地、建設用地和未利用地6種景觀類型，并將林地、水域作為前景，其余用地作為背景，通過MSPA分析工具識別出研究區互不重疊的7種空間格局，包括核心區、橋接區、環道、支線、邊緣、穿孔和孤島，從而確定研究區核心區。景觀連通性是評判該區域的物種是否能順利實現信息交流和遷移的重要決定因子[21]。運用軟件Conefor 2.6分析可能連通性指數dPC，綜合核心區面積大小，從而得到研究區結構核心生態源地。最終將同時具有功能核心和結構核心的區域作為鎮沅縣的核心生態源區。

1.2.3 生態廊道構建

科學構建生態綜合阻力面是構建生態廊道的關鍵。參考相關研究[22～24]，結合鎮沅縣具體情況，從自然和人為2個因素出發，篩選出生態系統服務功能重要性評價、土地利用、建設用地密度等8項指標作為綜合阻力面的構成因素，同時將景觀阻力值劃分為5個等級，得到綜合阻力因子評價體系。其中，對于研究區生態系統服務功能重要性評價，利用自然斷點法將其分為01～05五個等級，等級越高阻力值越小。同時，鎮沅縣內水系發達，因此在構建生態廊道時需考慮水系對動物遷徙，特別是對陸生動物遷徙的阻力[25]。結合研究區實際情況，運用層次分析法[26～27]，對相關阻力因子進行權重賦值（表3）。研究通過8階判斷矩陣計算得到CI值為0.000，且查表獲取RI值為1.410，因此計算得到CR值為0.000（小于0.1），這代表本次研究判斷矩陣滿足一致性檢驗，計算所得權重具有一致性。

基于電路理論，應用Linkage Mapper 2.0.0軟件，利用電子的隨機流動來模擬生態的流動過程，預測物種遷徙和擴散的概率，通過計算最低累積電阻值構建鎮沅縣生態廊道。

1.2.4 生態節點識別

研究區生態節點包含生態夾點和生態障礙點。其中，生態夾點指電流高度密集的區域，該斑塊的退化或者損失極有可能降低區域生境的連通性，常作為優先保護的棲息地區域。生態障礙點指阻礙物種在棲息斑塊之間移動的地方，通過改善障礙點環境，可以顯著提高生態源地之間的連通性。研究利用Point Mapper及Barrier Mapper插件得到生態夾點及障礙點位置，并結合廊道構建以及障礙點的空間分布構建生態網絡結構。

2 結果與分析

2.1 鎮沅縣生態源地綜合識別

2.1.1 生態系統服務功能重要性評價

根據相關模型計算與評估，采用自然斷點法將重要性評價結果劃分為5個等級，1～5級代表重要性從低到高，分別為一般保護區、較重要區、重點關注區、重要區以及極重要區（圖2）。研究將極重要區識別為生態源地。

在生態系統服務功能重要性評價中，從面積上來看，5級和4級區域的面積占了全縣面積的67.53%，鎮沅縣的生態系統服務功能整體較強；從空間分布上來看，綜合生態系統服務功能的極重要區主要分布在無量山脈及其支脈、哀牢山脈等高海拔地區，這些地區的土地利用類型以林地為主。研究發現，生態系統服務功能重要性區域的面積占比、分布都與生物多樣性保護功能重要性區域的保持一致，這表明鎮沅縣的生物多樣性功能是鎮沅縣生態系統服務功能的主導，而水源涵養和水土保持的主導能力較弱。從整體看，鎮沅縣綜合生態系統服務功能重要性評價呈現出高低交錯的空間分布格局。

2.1.2 形態學空間格局分析

將鎮沅縣2020年土地利用數據導入Guidos中識別出7種空間格局。前景要素林地、水域的面積為3 250.18 km2，約占研究區總面積的78.34%，這說明鎮沅縣生態基礎良好。選擇面積大于15 km2的核心區，篩選得到28個斑塊進行景觀連通性分析。最終確定斑塊面積大于15 km2且dPC值不小于1的26個核心區。基于dPC指數將26個核心區斑塊分為5個等級，1至5級代表連通性由低到高。景觀連通性為5級的斑塊面積為375.88 km2，占整個研究區面積的9.06%。這些高連通性區域主要分布在研究區中部，即無量山山脈所在地，對縣域整體的景觀連通性發揮著至關重要的作用（圖3）。

2.1.3 生態源地的綜合提取

等權疊加生態系統服務功能重要性評價和形態學空間格局分析2項評價結果，得出鎮沅縣生態源地重要性綜合評價結果。利用ArcGIS軟件中的自然斷點法，將結果分為1～5級，選取5級和4級作為鎮沅縣生態源地（圖4）。研究結果表明：鎮沅縣共有生態源地21個，總面積1 291.82 km2，占全縣面積的31.15%。這些生態源地大體呈條帶狀，從南到北貫穿鎮沅縣，涵蓋了無量山、哀牢山等山脈，振太河、恩樂江、者干河流域，以及云南哀牢山國家級自然保護區、大寺箐森林自然公園、山神丫口森林自然公園、淀坑河水庫森林自然公園、灣河水庫森林自然公園和普洱小黑江省級森林公園，絕大部分土地利用類型為林地。

鎮沅縣9個鄉鎮均有生態源地分布，其中，勐大鎮、振太鎮、恩樂鎮和者東鎮所涉及的生態源地數量較多。勐大鎮的生態源地的面積最大，達到322.74 km2，占生態源地總面積的24.98%，其中的無量山山脈和生物多樣性極重要區的林地有很高的覆蓋度，植被茂密，是眾多野生動物的棲息地。因此，推動勐大鎮的綠色可持續發展有助于提升鎮沅縣整體的生物多樣性。恩樂鎮、者東鎮的生態源地占比均超過10%。相比之下，和平鎮的生態源地面積最小，僅占比4.02%。由于長期的礦產資源開發活動，該鎮的生態源地分布破碎化，無法形成大片且穩定的核心生態源地。因此，在鄉級生態網絡構建中，應重點關注對破碎化生態源地的修復工作，以提升其連續性和穩定性，從而更有效地保護鎮沅縣的生態環境。

2.2 鎮沅縣生態廊道構建

基于鎮沅縣生態源地空間分布情況，結合篩選的8個生態阻力因子，構建生態綜合阻力面（圖5）。研究區生態阻力值空間異質性顯著，高阻力值地區基本集中在城鎮建設密集地帶，特別是鎮沅縣東部的礦產能源開發區。低阻力值地區主要分布在林地覆蓋區，包括云南哀牢山國家級自然保護區和多個森林公園，這些地區生態環境良好，有利于野生生物活動與遷徙。總的來說，鎮沅縣的生態阻力格局阻礙了東西向的物種遷徙和交流，在后續網絡構建中需加強東西向生態源地之間的聯系。

基于電路理論構建生態廊道，鎮沅縣共有38條生態廊道，總長度293.57 km（圖6）。生態廊道在空間分布中呈現“西密東疏”的特征。研究區西部生態源地分布密集，面積較小，生態源地之間相互作用力強，因而該區域的生態廊道較短，應注意保護周邊的林地，為物種遷徙和交流提供良好的生態環境。研究區東部的生態廊道主要用于連接東部的云南哀牢山國家級自然保護區和中部的省級森林公園，但部分廊道經過建成區和礦產資源開發區，易受外界干擾而發生斷裂，后期規劃應優先選擇在生態廊道易斷裂處恢復本土植物群落，并建立動態監測體系，構建生態踏腳石，從而提升生態廊道的穩定性。

在鄉鎮層面，由于振太鎮的生態源地分布較為破碎化，其生態廊道的長度最長，達到了77.86 km；且有多段公路穿越振太鎮的多數廊道，嚴重影響了廊道的連續性，從而增大了物種遷徙的阻力。因擁有廣泛的生態源地分布，勐大鎮的生態廊道的長度也達到了58.32 km。而田壩鄉和古城鎮由于其生態源地整體連通性較好，并無生態廊道分布。

2.3 鎮沅縣生態節點識別

基于電路理論模擬生物流在異質景觀中遷移運動的過程，電流密度越大的區域即為生態夾點[28]（圖7）。通過依次對生態廊道輸入電流計算各廊道電流，重復輸入使得所有源地接地，最后疊加得到累積電流，累加值較高的區域即為生態夾點。研究區累積電流區面積為850.73 km2，基于空間統計得出鎮沅縣生態網絡平均電流強度為0.013 2，最高強度達到0.248 2，這表明廊道生境質量分布不均，需要提升廊道的整體建設水平。采用自然斷點法將研究區累積電流分為5級，5級區域作為生態夾點。鎮沅縣生態夾點區域面積為23.31 km2，占據研究區累計電流區的2.74%及縣域總面積的0.56%。生態夾點主要分布在鎮沅縣西部，即振太鎮、勐大鎮和恩樂鎮等林區覆蓋范圍較廣的區域，且其土地利用類型主要為林地和草地。生態夾點對于提升景觀整體銜接度十分重要，未來生態網絡建設要將生態夾點建設作為重點，對其進行嚴格界定和控制。

采用移動窗口搜索法，分別以200 m、300 m、400 m為搜索半徑提取生態障礙點。通過自然斷點法將電流流域阻力值分為5級，將阻力值大于2.064的區域提取為生態障礙點。障礙點總面積為40.00 km2，占研究區總面積的0.96%（圖7）。大部分生態障礙點位于生態源地的邊緣或者生態廊道內部。根據遙感影像圖進一步對照分析，這些生態障礙點大多位于建設用地和道路上，其中部分分布在鎮沅縣的礦產資源開發區內。隨著障礙點阻力值的不斷增加，生態廊道在未來可能面臨著被直接切斷的風險。因此，生態障礙點應作為后續修復的重點對象，通過改善和恢復障礙點的生態環境，優化生態源地之間的連通性。

2.4 縣域尺度生態網絡構建

研究根據鎮沅縣生態系統服務功能重要性評價、生態源地的位置和數量，結合生態廊道的分布以及鎮沅縣“五谷五嶺”的地貌特征，構建“四區、一軸、六脈、多廊道、多節點”的生態網絡結構（圖8）。

鎮沅縣的無量山和哀牢山林地分布廣泛，是維持生物多樣性的重要源地，生境質量高，生態阻力低，適合生物棲息，可作為生物多樣性功能保持區。西部的瀾滄江流域和中部的紅河流域，因其水源涵養功能和水土保持功能的評價值較高，可作為鎮沅縣水土保持功能區。此區域應建立長效嚴格的生態源地保護機制，防止水土流失。“一軸”是連接鎮沅縣東部和西部的重要通道，串聯了研究區內多數生態源地及生態夾點，也是連接哀牢山和無量山的重要廊道，對于筑牢鎮沅縣生態安全屏障具有重要意義。“一軸”建設應限制廊道沿線的開發建設活動強度，設置一定寬度的建設緩沖區，保證廊道的連通性。“六脈”包括研究區內六大河流廊道，包括瀾滄江、恩樂江、者干河、勐統河、按板河和振太河，六大河流作為連接著生態源地和支流水系的生態廊道，擔負著水源安全、魚類生物多樣性保育等生態服務功能。“多廊道”和“多節點”指篩選構建的生態廊道和累積電流值高的生態踏腳石，它們作為提高生態廊道連通性的關鍵節點，是縣域生態網絡建設的優先目標。

研究結合生態網絡構建與各鄉鎮發展現狀，提出各鄉鎮相應的生態發展措施（表4）。根據生態網絡的分布特點，勐大鎮因生態源地及廊道數量眾多，具有重要的生態保育功能，其未來應加大對生態源地和廊道的保護力度；振太鎮的生態源地分布較為破碎化，該鎮應重點關注生態踏腳石的建設，提升生態廊道的穩定性和增強其抗干擾能力；按板鎮、古城鎮和田壩鄉也需加強對生態源地的保護，增加生態廊道數量以提高連通性；恩樂鎮作為鎮沅縣的縣城所在地，應重點保護其東部的大片生態源地，同時應防止城區建設范圍無序擴張對生態源地造成破壞；九甲鎮、者東鎮以及和平鎮作為鎮沅縣礦產能源開發區，應以生態修復為主導策略，減少礦產資源開發對哀牢山生態源地帶來的影響。以鄉鎮建設為出發點，明確各鄉鎮在生態網絡構建方面的重點目標，將生態網絡建設納入鄉鎮規劃，是貫徹落實縣域生態網絡建設的關鍵所在。

3 結論

本研究以生態基礎良好的鎮沅縣作為評價對象，從功能和結構2個角度，基于生態系統服務功能重要性評價和MSPA分析綜合選取生態源地，同時結合電路理論模型提取生態廊道并識別重要生態節點，綜合構建鎮沅縣生態網絡，最后根據各鄉鎮的特色定位明確其發展重點，促進各鄉鎮的協同發展。得出結論如下：

1）鎮沅縣的生態系統服務功能極重要區和重要區面積占了全縣面積的67.53%，極重要區主要分布在無量山脈及其支脈、哀牢山脈等高海拔地區，土地利用類型以林地為主。

2）由MSPA分析可知，前景要素面積為3 250.18 km2，

占研究區總面積的78.34%，表明鎮沅縣生態基礎良好。位于研究區中部的高連通性區域是無量山山脈所在地，對縣域整體的景觀連通性發揮著至關重要的作用。

3）通過生態系統服務功能重要性評價和MSPA分析，共識別出21個生態源地，總面積1291.82 km2。生態源地主要涵蓋林地、水域等用地類型，包含無量山和哀牢山兩大山脈。運用電路理論模型，研究區共提取38條生態廊道，總長度293.57 km，廊道呈現出“西密東疏”的分布格局；識別出23.31 km2的生態夾點區域以及40.00 km2的生態障礙點區域，主要分布于振太鎮和恩樂鎮。夾點區域的土地利用類型以林地和草地為主，障礙點的主要土地利用類型為建設用地。

4）考慮到鎮沅縣作為高原山地區域中發展相對滯后的地區，依據其現實情況和規劃需求，構建“四區、一軸、六脈、多廊道、多節點”的縣域生態網絡結構，并結合各鄉鎮發展規劃，將生態網絡建設從縣域傳導至鄉鎮。

相較于僅從MSPA的角度篩選生態源地的方法，本研究將生態系統服務功能評價與MSPA分析相結合，綜合評估水土保持、水源涵養和生物多樣性保護3項生態系統服務功能，從功能和結構2個角度對生態源地進行綜合選取，提高了生態源地選取的全面性。同時運用電路理論模型提取生態廊道，更加全面地考慮景觀結構的完整性和連通性，避免了人為選擇的主觀性。此外，本研究還在生態網絡構建中考慮到茶葉等特色產業在鎮沅縣的經濟和生態價值，建議鎮沅縣未來通過量化茶葉等特色產品的供給功能，合理規劃相關種植園的面積和分布，避免過度開發導致其他生態服務功能的衰退，促進生態保護與經濟發展的協同發展。

本研究僅從縣域層面構建生態網絡結構，仍存在局限性。生態網絡作為復雜且動態平衡的系統，與周邊地區的生態交流過程十分頻繁。為了加強區域層面生態源地之間的聯系與溝通，并推動生態系統的保護工作，未來研究應當結合更大尺度的城鎮群，綜合構建多尺度生態網絡，推動實現國土空間的可持續發展目標。

注：圖片均為作者自繪，底圖審圖號為GS（2024）0650。

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