基于MSPA和電路理論的昌都市生態安全格局構建

陳寶霖 翟云夢

摘 要：【目的】在生態文明建設背景下，基于城鎮化構建昌都市區域生態安全格局，有利于促進區域生態與經濟協調發展，保障區域生態系統穩定，推進國土空間戰略發展。【方法】通過MSPA和電路理論，分別識別昌都市生態源地、生態廊道和生態節點，并構建昌都市生態安全格局。【結果】昌都市共識別20處生態源地，44條生態廊道，其中關鍵生態廊道為16條，一般生態廊道為28條。共提取13處生態夾點和14處生態障礙點。其中生態源地主要分布在中北部與東部，生態廊道沿著金沙江、瀾滄江流向分布，而生態夾點與生態障礙點集中分布在生態廊道路徑周圍。【結論】通過構建昌都市生態安全格局，對其開展生態修復分區，包括生態涵養區、生態修復區和生態提升區，并結合實際分別對其提出相應的修復措施。研究結果為今后國土空間修復、城市生態安全格局構建提供一定的參考和理論支撐。

關鍵詞：昌都市；生態安全格局；電路理論；MSPA

中圖分類號：X321? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0105-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.021

Construction of Ecological Security Pattern in Qamdo City Based on MSPA and Circuit Theory

CHEN Baolin ZHAI Yunmeng

（School of Land Engineering， Chang 'an University， Xi 'an 710054， China）

Abstract：[Purposes] Under the background of ecological civilization construction， the construction of regional ecological security pattern based on urbanization in Qamdu City is conducive to promoting the coordinated development of regional ecology and economy， ensuring the stability of regional ecosystem， and promoting the strategic development of territorial space. [Methods] B ased on MSPA and circuit theory， the ecological source area， ecological corridor and ecological node of Qamdu City were identified respectively， and the ecological security pattern of Qamdu City was constructed. [Findings] There are 20 ecological sources and 44 ecological corridors in Qamdu City， of which 16 are key ecological corridors and 28 are general ecological corridors， and 13 ecological spots and 14 ecological obstacles are extracted. The ecological source areas are mainly distributed in the northern and eastern parts of the corridor， the ecological corridor flows along the Jinsha River and Lancang River， and the ecological pinch points and ecological obstacle points are concentrated around the corridor path. [Conclusions] By constructing the ecological security pattern of Qamdu City， ecological restoration zones were carried out， including ecological conservation area， ecological restoration area and ecological improvement area， and corresponding restoration measures were proposed based on the actual situation. The research results provide some reference and theoretical support for the future restoration of national space and the construction of urban ecological security pattern.

Keywords： Qamdo City; ecological security pattern; circuit theory; MSPA

0 引言

當前，在我國城市快速擴張的背景下，人地關系緊張的矛盾和人與自然和諧共處的問題亟待解決，對此，自然資源部辦公廳印發的《市級國土空間總體規劃編制指南 （試行）》中指出，構建“連續、完整、系統的生態安全格局”是保障生態系統穩定、促進社會經濟健康發展的重要途徑。

生態安全格局最早起源于20世紀80年代，涉及的學科包括景觀生態學、地理學和生態系統評價等，俞孔堅［1］在優化Forman的景觀利用格局理論的基礎上，結合生物多樣性保護的觀點，提出了“生態源地識別—阻力面建立—生態廊道構建”的生態安全格局體系，之后在不斷地發展和演變過程中逐步融入生態夾點、生態障礙點及生態斷裂點等內容。從研究方法上看，早期識別提取生態源地時，多數學者采用選取研究區自然保護區等重點區域、生態系統服務價值評價、形態學空間格局分析（MSPA）及基于InVEST模型的生境質量評價等方法。在阻力面的構建上采用最小成本路徑（MCR）模型［2］、電路理論［3］及重力模型等。其中電路理論基于電荷游走的特性，能夠較為有效地展現生物在景觀空間內遷徙、擴展的可能性，從而識別出更具說服力的生態夾點和障礙點［3］。

昌都市地處藏川滇青4省區接合部，被譽為西藏的“東大門”，是藏中經濟圈和成渝經濟圈重點結合部位，同時也是三江并流的聚集區和西藏第二大林區，蘊含著極為豐富的有色金屬礦產資源，對橫斷山區以及青藏高原的水土保持、水源涵養等方面具有重要的作用。近年來，由于經濟發展的需求，城鎮化帶來的人地關系緊張、礦產資源的無序開采和工業污染物的隨意排放，極大程度上影響了當地的生態健康穩定。基于此，本研究通過MSPA提取生態源地，借助電路理論構建生態阻力面、識別生態廊道，并通過識別提取生態夾點、生態障礙點來構建昌都市生態安全格局，以期為國土空間治理，城市生態安全修復提供理論依據和決策參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

昌都市（28°5′N～32°6′N，93°6′E～99°2′E）位于西藏自治區，地處橫斷山脈東北部、三江（金沙江、瀾滄江以及怒江）流域中部，是我國川藏公路和滇藏公路的必經之地。昌都市轄1個市轄區、10個縣，人口共計為76萬人，全市面積為10.98萬km?。該區域位于我國第一、第二階梯，屬高原亞溫帶濕潤氣候，平均海拔為3 600 m。由于地勢較為復雜，多山地丘陵，自西北部向東南部氣候逐漸濕潤溫和。全區主要地類為草地，人均面積為10.4 hm2，但草地質量較差，西北部存在大面積裸地、冰川和永久積雪等不宜利用地，礦產資源和藥用植物資源較為豐富，被譽為“藏醫藥的故鄉”（如圖1所示）。

1.2 數據來源

本研究所使用的數據均來自國內線上公開數據。其中，昌都市行政區劃數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：∕∕www.resdc.cn）；土地利用數據來源于GlobeLand30全球地理信息公共產品（http：//www.globallandcover.com/）；高程模型（DEM）數據來源于來自地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn）；道路交通數據源于Open Street Map 平臺（http：∕∕www.openstreetmap.org）；河流數據源于地球大數據科學工程（https：//data.casearth.cn/）；歸一化植被指數（NDVI）數據源于國家科技資源共享服務平臺（http：//www.nesdc.org.cn/）。本研究涉及相關數據全部采用設置柵90 m的格空間分辨率和WGS 1984 UTM投影坐標。

2 研究內容與方法

2.1 生態源地識別

生態源地是研究區域內生境質量較高的景觀斑塊，對于促進區域生態系統健康穩定、維持生物多樣性具有重要意義。昌都市景觀格局中占比較大的地類包括林地和草地，而草地大多數質量較差。林地資源能夠有效提升生物多樣性、促進物種交流。本研究采用MSPA方法，結合景觀連通性評價，以2020年昌都市土地利用覆被數據為基礎，將林地作為前景值，其他地類作為背景值來提取生態源地。基于MSPA獲取核心區斑塊，并通過景觀斑塊連通性指數（PC）和斑塊重要性（dPC）開展連通性評價［4］，最終選擇dPC值最高的20個景觀斑塊作為生態源地。其計算公式如式（1）至式（3）。

2.2 生態阻力面構建

物種在空間格局進行交流、遷徙和擴散等活動時往往會受到外界土地利用類型、地形、人類活動等要素的影響和干擾［5］。本研究在借鑒以往研究的基礎上，結合昌都市自然經濟狀況，選擇土地利用類型、NDVI、DEM、距河流距離和距道路距離數據作為阻力因子，依據層次分析法（AHP）和專家打分法確定各個阻力因子權重［6］，通過Arcgis 10.6的柵格計算器疊加構成綜合生態阻力面，具體阻力因子及權重賦值見表1。

2.3 生態廊道提取

生態廊道在整個景觀空間格局是各個物種之間進行信息交流、能量流動的重要渠道。其能夠更好地促進各個生態源地之間開展聯系，對于維持整個區域生態系統的健康穩定、促進各個景觀斑塊之間的聯系及保障景觀格局連通性等方面具有較大的作用。電路理論中，電荷的隨機游走特性能夠較好地展現生物在受到阻力時所產生的遷徙、移動方向和路徑，兩者相結合能夠較好地評價最小成本路徑，具體原理如圖2所示［7］。本研究基于電路理論來提取生態廊道，通過電流密度來識別廊道，即電流密度越強的區域，其生物移動、遷徙所受到的阻力越小，生態阻力值越低［8］。

2.4 生態夾點和生態障礙點提取

生態夾點是生態源地之間開展物種遷徙、信息交流最為活躍的區域，對于整個景觀生態系統的穩定具有積極意義。本研究在參考相關文獻的基礎上，運用Pinchpoint Mapper工具，選擇“all to one”模式［9］識別生態夾點，并基于自然斷點法將其分為5級，從5級到1級電流密度逐漸增強，提取最高級電流密度區作為生態夾點。生態障礙點是阻礙生物開展信息、物質交流的區域，運用Barrier Mapper工具，結合研究現狀和相關文獻［10-11］，將最小搜索半徑設置為90 m，最大搜索半徑為360 m，依照90 m步長，采取窗口移動法搜索生態障礙點，得出累積電流恢復值示意圖作為生態障礙點選取依據。然后根據自然斷點法將電流密度值分為5級，從5級到1級電流密度逐漸增強，選取最高級電流密度區域作為生態障礙點。

3 結果和分析

3.1 生態源地識別

根據MSPA方法和Conefor2.6 軟件分析，昌都市共識別核心區面積為8 909 km?，占研究區面積的8.2%，并通過連通性評價，最終選擇dPC值最高的20個景觀斑塊作為生態源地（如圖3所示）。從數量特征上看，昌都市共提取20處生態源地斑塊，其中最大斑塊面積為895 km?，最小斑塊面積為70 km?，共計面積為6 294 km?。從空間分布上看，生態源地主要分布在昌都市中北部和東部，具體分布在中北部的卡若區、類烏齊縣和東部的貢覺縣、芒康縣和江達縣；西部分布較少，主要分布在邊壩縣。

3.2 阻力面構建

基于表1計算得出的各阻力因子指標繪制相應的阻力面，并依照權重通過柵格計算器構建綜合阻力面（如圖4所示）。結果顯示，昌都市整體生態阻力較高，平均生態阻力為3.92，并且空間分布上差異較大，整體上呈現西北高、東南低和中部低、四周高的趨勢。具體上看，昌都市高阻力值區域主要分布在西北部的丁青縣、類烏齊縣和東北部的江達縣和貢覺縣；低阻力值區域主要分布在中部的卡若區、察雅縣和東南部的芒康縣和左貢縣。

3.3 生態廊道提取

通過ArcGIS的Linkage Mapper Toolkit插件，提取昌都市生態廊道，并借助成本加權距離（CWD）與最小成本路徑長度（LCPL）比值來反映生態源地之間的流通性，結合屬性表比值結果劃分關鍵生態廊道和一般生態廊道（如圖5所示）。從數量特征上看，昌都市最終共識別出44條生態廊道，最長生態廊道為348.66 km，最短生態廊道為0.25 km，其中關鍵生態廊道共16條，一般生態廊道為28條。從空間分布上看，昌都市關鍵生態廊道主要分布在東部江達縣和貢覺縣，整體分布較為密集，長度適中，與周邊生態源地緊密相連；一般生態廊道主要分布在西部邊壩縣、洛隆縣、丁青縣、八宿縣及察雅縣。

3.4 生態安全格局構建

運用Pinchpoint Mapper工具，昌都市共提取13處生態夾點，總面積為206.8 km?，其中最大夾點斑塊面積為65.9 km?，最小夾點斑塊面積為1.1 km?。從空間分布上看，生態夾點主要分布在東部靠近邊界處的江達縣和貢覺縣，并沿著一般生態廊道與周邊生態源地交相分布；其他生態夾點零星散落在昌都市西部、中部，但都基本沿著一般生態廊道軌跡分布。運用Barrier Mapper工具，昌都市共提取14處生態障礙點，總面積為471.6 km?，其中最大障礙點斑塊面積為104.2 km?，最小障礙點斑塊面積為10.1 km?。從空間分布上看，生態障礙點主要分布在中東部地區，包括江達縣、卡若區及察雅縣，其主要沿著關鍵生態廊道軌跡分布，并處于中部與東部生態源地之間（如圖6所示）。

4 討論

通過構建生態安全格局，不僅能夠統籌規劃區域自然資源，保障生態系統健康穩定，維持和提升景觀空間格局穩定性和連通性，同時還可以促進經濟與生態相互促進、統一協調，從而達到生態效益、經濟效益和社會效益三者的統一。通過MSPA與電路理論識別昌都市生態源地、生態廊道及生態節點，構建生態安全格局，從宏觀角度對該區域未來經濟發展、生態保護提供指導，能夠極大地提升社會、自然資源的利用效率。

從空間生態格局上看，目前昌都市生態源地分布不均勻，大多數地區缺乏為生物提供棲息、生存的高質量生態環境。其中昌都市西北部和東南部大面積區域為裸地和冰川與永久積雪，這些地類占有面積大，開采難度大，可利用程度小。而除去生態源地所在區域為林地外，剩余大部分區域為質量較為低下的草地。由于昌都市海拔較高，地勢起伏較為嚴重，極易受到外界環境的影響，而經濟發展的需求也導致交通、居住產業基礎設施等建筑用地面積不斷擴大， 這些都在不斷地改變原有地貌。同時礦產資源的開采、生活污水的排放，進一步擴大其周邊影響范圍，致使生物多樣性降低的風險大大增加，生態安全進一步受到威脅。

從生態修復分區上看，結合昌都市生態安全格局發現，大致可以分為三個生態修復區，分別是生態涵養區、生態修復區和生態提升區。其中，生態涵養區包括昌都市東部沿金沙江分布的江達縣、貢覺縣和芒康縣。該區涵蓋絕大多數生態夾點和大部分的生態源地，主要地類為林地和草地，整體生境質量較高，通過一般生態廊道將生態源地相互連接起來，能夠保障動植物遷徙、交流等活動的正常運行。該區的生態修復措施應該集中擴大和保護現有生態源地，在此基礎上根據金沙江流動方向新增生態源地或擴大現有生態源地面積。針對生態夾點區域，結合實際狀況制定生態保護相關政策，包括防止植被亂砍濫伐、維護森林資源、種植原始林木、擴大生態效益林面積、改善水土流失等。生態修復區主要以瀾滄江為軸心，包括中部類烏齊縣、卡若區及察雅縣。該區除沿瀾滄江河流分布外，其他區域生態阻力值較高，整體生境質量分布不均，致使該區雖涵蓋大面積生態源地和多條關鍵生態廊道，但生態障礙點也分布在通往生態涵養區的關鍵生態廊道周圍，即該區存在較大的安全隱患。相關修復措施應集中整治生態障礙點區域，改善過度放牧導致的草場退化、草地質量下降等現象。通過定時定點放牧政策逐步改善草地生態環境，擴大草場面積，逐步將周邊裸地轉變為草地，提升現有草地質量。確保生物通過關鍵生態廊道開展生物交流、信息傳遞等活動時不受阻礙，加強生態修復區與生態涵養區之間的景觀連通度。生態提升區主要包括西北部和西南部諸縣，包括邊壩縣、洛隆縣、丁青縣、八宿縣及左貢縣。該區以怒江為軸心，四周除邊壩縣、洛隆縣涵蓋部分草地，其他均為裸地、冰川和永久積雪，其開采難度大，生態穩定性差，極易影響周邊草地。該區的生態修復措施主要是集中整治裸地、保護現有草地，通過封育圍欄、人工種草、退牧還草等措施保護草原生態系統，逐步恢復和提升生態系統水源涵養、水土保持能力。加大草原生態保護工程建設力度，實施高寒草地修復工程、天然草地改良及補水工程，有效遏制草場退化，強化鼠荒地、沙化草地、石礫草地、毒害草地和蟲害生物防治。

5 結論

本研究以西藏昌都市為研究區，借助MSPA和電路理論，構建昌都市生態安全格局主要結論如下。

①昌都市共識別出20處生態源地，共計面積為6 294 km?，占總面積5.7%，集中分布在昌都市中北部和東部，分別沿著瀾滄江和金沙江從北向南分布。

②昌都市共提取44條生態廊道，其中關鍵生態廊道共16條，一般生態廊道為28條，其中關鍵生態廊道分布在金沙江和瀾滄江之間，數量多，長度短；一般生態廊道分布在怒江與金沙江之間，數量少，長度大。

③昌都市共提取13處生態夾點和14處生態障礙點，與生態源地、生態廊道共同構成生態安全格局。綜合考慮將其劃分為生態涵養區、生態修復區以及生態提升區，并分別給出了不同的修復建議。

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