基于“活力-組織力-恢復力-貢獻力”框架的甘肅省黃河流域生態安全格局構建

［關鍵詞］“活力-組織力-恢復力-貢獻力”框架；生態安全格局；黃河流域；甘肅省

［摘要］甘肅省黃河流域位于黃河流域的上游，是我國重要的生態安全屏障。構建生態安全格局有助于保護和恢復區域生物多樣性，維護生態系統結構和過程的完整性，最終實現對區域生態環境的持續改善。基于“活力-組織力-恢復力-貢獻力”框架開展甘肅省黃河流域生態系統健康和生態安全評價，識別生態源地和生態廊道，并構建甘肅省黃河流域生態安全格局。結果表明：①甘肅省黃河流域較健康和亞健康狀態的面積較大，健康狀態的面積最??；②生態安全狀況總體呈現“北低南高”的分布特征，以較低安全和中度安全為主，較高安全和高度安全面積較?。虎圩R別出的生態源地共30塊、總面積為8807.99km2，生態廊道51條、總長度為3155.83km；④基于生態系統健康和生態系統安全評價結果，以及生態源地、生態廊道識別結果，構建了甘肅省黃河流域“四屏七區多組團”的生態安全格局。

［中圖分類號］X321[文獻標識碼]ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.07.015

［引用格式］吳翠霞，頡繼珍，包瓊，等.基于“活力-組織力-恢復力-貢獻力”框架的甘肅省黃河流域生態安全格局構建[J].中國水土保持，2024（7）：53-58.

生態安全格局是以保持生物流的正常運動、維持生物的多樣性水平及生態系統健康的可持續發展為目標而構建的生態保護區域，是景觀中的潛在空間格局，也是國土空間開發戰略格局的重要組成部分[1-2]。合理構建生態安全格局可以為保障生態系統穩定、提升生態環境可持續性提供有效的方案[3]。國外對生態安全格局的研究最早源于20世紀50年代的歐美國家，主要以生物多樣性保護為目的，之后，學者們主要圍繞生態網絡和綠色基礎設施等方面開展生態安全格局研究[4-5]。國內學者從20世紀90年代開始對生態安全格局的構建和優化進行了相關研究[6]。在研究尺度方面，俞孔堅等[7]在國家尺度上初步構建了基于江河源區水源涵養、洪水調蓄、沙化防治、水土保持和生物多樣性保護5種生態過程的生態安全格局，還有很多學者在省域［8］、城市群［9］、市域[10]和縣區[11]尺度上構建了生態安全格局。在研究方法方面，主要包括基于PSR模型[12]、生態系統供需關系[13]、生態風險評估[14]、生態保護紅線和生態網絡[15]、生態系統服務重要性和生態敏感性[16]、遺傳算法和圖論法[17]、源-匯理論[18]等生態安全格局構建方法。

甘肅省黃河流域位于黃河流域的上游，是我國重要的生態安全屏障。趙誠誠等[19]從生態系統供給與需求角度提出了該區域“兩帶三區”的生態安全格局分塊優化模式；許靜等[20]基于形態學空間格局分析（MSPA）方法，融合生境質量評估和生態系統服務功能的空間分布，識別生態源地，并構建了該區域的生態安全格局。然而，目前甘肅省黃河流域的生態安全格局構建并未充分考慮生態系統健康狀況和生態系統服務功能。因此，筆者基于“活力-組織力-恢復力-貢獻力”框架，將生態系統服務和生態系統健康納入評價體系，對甘肅省黃河流域生態安全狀況進行評價，并依據評價結果識別生態源地，利用LapperMapper工具識別生態廊道，最終構建甘肅省黃河流域生態安全格局，以期為甘肅省黃河流域的生態保護和修復工作提供理論支撐。

1研究區概況

甘肅省黃河流域地處東經100°48′～108°45′、北緯33°06′～37°21′，區域面積約14.59萬km2，占黃河流域面積的18.35%，占甘肅省國土面積的34.30%。干流流經甘南藏族自治州、臨夏回族自治州、蘭州市和白銀市，長913km，占黃河全長的16.71%；支流流經定西、天水、平涼、慶陽和武威5個市（見圖1）。甘肅省黃河流域屬溫帶大陸性氣候區，共有4個氣候分區：隴南北部暖溫帶濕潤區、甘南高寒濕潤區、隴中北部冷溫帶半干旱區和隴中南部冷溫帶半濕潤區。甘肅省黃河流域年均降水量400mm，年均氣溫7℃，土壤肥沃但抗蝕性較弱，植被稀疏，植被類型豐富多樣，包括灌叢、森林、溫帶荒漠、溫帶草原等。甘肅省黃河流域多年平均自產地表水資源量125.2億m3，人口和生產總值均占甘肅省的80%以上，是甘肅省政治、經濟、文化發展的核心區。

2研究方法與數據來源

2.1數據來源

本研究使用的數據主要包括2020年研究區土地利用、氣溫、降水、太陽輻射、DEM、植被指數、人口密度數據，以及道路、河流、湖泊、市縣界、甘肅省黃河流域范圍等矢量數據。土地利用數據來源于GoogleEarthEngine平臺30m分辨率的CLCD（ChinaLandCoverDataset）數據集（http：//www.zenodo.org）；氣溫數據來源于國家青藏高原科學數據中心提供的“中國1km分辨率逐月平均氣溫數據集（1901—2022）”；降水數據來源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據中心提供的“1901—2022年中國1km分辨率逐月降水量數據集”；太陽輻射數據來源于哥白尼氣候變化服務中心提供的ERA5-Land數據；DEM數據來源于地理空間數據云數據平臺；植被指數數據來源于國家青藏高原科學數據中心提供的“中國區域250m歸一化植被指數數據集（2000—2022）”；人口密度數據來源于WorldPop數據集（https：//www.worldpop.org）；道路、河流、湖泊、市縣界矢量數據來源于國土變更調查數據庫；甘肅省黃河流域范圍來源于《甘肅省國土空間生態修復規劃（2021—2035年）》。全部數據通過裁剪、投影、重采樣和單位換算等處理后，統一分辨率和坐標系。

2.2研究方法

2.2.1生態系統健康評價

生態系統健康指生態系統能夠維持自身組織結構穩定，并在壓力狀態下能自我恢復[21]。利用活力（Vigor，V）、組織力（Organization，O）、恢復力（Resilience，R）構建生態系統健康指數，計算公式為

IEH=IV+IO+IR/3（1）

式中：IEH為生態系統健康指數；IV為生態系統活力指數；IO為生態系統組織力指數；IR為生態系統恢復力指數。計算得到的生態系統健康指數依據自然斷點法分為病態、不健康、亞健康、較健康和健康5個等級。

2.2.1.1活力

凈初級生產力（NetPrimaryProductivity，NPP）指在單位時間、單位面積內綠色植物所積累的有機物數量[22]。利用改進的光能利用率模型（Carnegie-Ames-StanfordApproach，CASA）測算凈初級生產力，以表征柵格尺度上的生態系統活力。CASA模型通過植物所能吸收的光合有效輻射和實際光能利用率來測算凈初級生產力，計算方法參照文獻[23]。

2.2.1.2組織力

生態系統組織力是指生態系統各要素之間的相互作用，通常用來表達生態系統的穩定性。本研究選擇景觀異質性和景觀連通性來表征生態系統組織力[24]。其中，景觀異質性指標選取3個：修正的辛普森多樣性指數、面積加權平均分維數、香農多樣性指數；景觀連通性分為整體景觀連通性和重要景觀連通性，整體景觀連通性指標選取蔓延度和分離度，重要景觀連通性指標選取分離度和連接度指數。應用Fragstats軟件進行計算，得到柵格尺度上的生態系統組織力指數IO。

2.2.1.3恢復力

恢復力是生態系統的基本屬性，是生態系統受到有限強度擾動后具有的恢復到平衡點，并保持穩定性結構和原狀態的一種能力，也是吸收干擾與自我重組的能力[25]。本研究參照PENGetal.[26]的研究結果，確定每一種土地利用類型的恢復力指數，并利用歸一化植被指數進行修正，計算公式為

IRi=NDVIiNDVIj×IRj（2）

式中：IRi為像元i的恢復力指數；IRj為地類j的恢復力指數；NDVIi為像元i的歸一化植被指數；NDVIj為地類j的歸一化植被指數平均值。

2.2.2貢獻力

生態系統服務指為了滿足自身需求而通過生態系統的結構、過程和功能得到的生命支持產品和服務，是人類賴以生存和發展的基礎。本研究通過測算生態系統服務價值當量來表征生態系統貢獻力[27]。將獲取的土地利用數據重新分類為農田、森林、草地、濕地、水域、荒漠、雪/冰及不透水面8種土地利用類型，參照謝高地等[28]的研究結果，確定甘肅省黃河流域單位面積生態系統服務價值當量。

2.2.3生態安全評價

利用“活力-組織力-恢復力-貢獻力”框架構建生態安全評價指標體系，計算公式為

IES=IEH×S（3）

式中：IES為生態安全指數；S為甘肅省黃河流域生態系統服務價值當量。

2.2.4生態安全格局構建

1）生態源地識別。生態源地是指生態系統為人類提供服務、產品的源地，是生態安全格局構建的基礎[29]。本研究將計算得到的生態安全指數采用自然斷點法進行分級，共分為低度安全、較低安全、中度安全、較高安全和高度安全5個等級，將高度安全和較高安全區域確定為生態源地備選區。參照前人研究結果，并經過多次嘗試篩選，將生態源地備選區中面積大于30km2的斑塊確定為生態源地。

2）阻力面建立。阻力面是指物種在生態源地之間遷移過程中受到的空間阻力[30]。本研究選取高程、坡度、路網密度、水網密度、土地利用、距水體距離、歸一化植被指數、人口密度8個指標來確定阻力面。結合甘肅省黃河流域實際情況，利用自然斷點法把每個指標分為5個等級，分別賦值為1、3、5、7、9，見表1。利用ArcGIS軟件中的柵格計算器將賦值后的8個圖層相加（因8個指標的阻力程度相同，故8個指標的權重相等）后得到甘肅省黃河流域阻力面。

3）生態廊道構建。生態廊道是物種在生態源地之間遷移的重要通道，對生態過程的實現有重要的作用。本研究利用LinkageMapper中的LinkagePathways-BuildNetworkandMapLinkages工具，基于最小成本路徑構建甘肅省黃河流域生態廊道。利用LinkageMapper中的BarrierMapper工具識別出甘肅省黃河流域的生態廊道障礙區（即改善區），并采用自然斷點法分為極重要改善區、重要改善區和一般改善區。

3結果與分析

3.1甘肅省黃河流域生態系統健康評價

甘肅省黃河流域生態系統健康狀態空間分布見圖2。經統計，甘肅省黃河流域中較健康狀態面積最大，達50277.5km2，占甘肅省黃河流域面積的34.46%，主要分布在甘肅省黃河流域南部的甘南藏族自治州、天水市、平涼市和慶陽市。亞健康狀態的面積次之，共36213.1km2，占比24.82%，主要分布在甘肅省黃河流域中部的定西市、慶陽市中部及平涼市北部。不健康狀態的面積為22650.5km2，占比15.53%，主要分布在慶陽市北部、白銀市南部、蘭州市西北和西南部。病態的面積為21242.3km2，占比14.56%，主要分布在白銀市、武威市和蘭州市中部和北部。健康狀態的面積最小，為15505.4km2，占比10.63%，主要分布在甘南藏族自治州、臨夏回族自治州，以及武威市的天祝藏族自治縣、平涼市南部和慶陽市東部。

3.2甘肅省黃河流域生態安全評價

甘肅省黃河流域生態安全狀態空間分布見圖3。整體來看，甘肅省黃河流域生態安全指數空間分布呈“北低南高”。經統計，甘肅省黃河流域中較低安全區域面積最大，為55787.4km2，占甘肅省黃河流域面積的38.24%，主要分布在除皋蘭縣外的蘭州市、白銀市南部、定西市和慶陽市北部，這些地區位于隴東黃土高原，土地利用類型以耕地為主，其次為草地，生態系統恢復力和組織力低。其次是中度安全區域，面積為53232.4km2，占比為36.49%，主要分布在武威市天?？h、甘南藏族自治州、慶陽市南部，零星分布在定西市、平涼市和臨夏回族自治州。低度安全區域面積為20207.3km2，占比13.85%，主要分布在蘭州市、白銀市和武威市古浪縣。高度安全區域面積為11988.7km2，占比8.22%，主要分布在慶陽市東南部、平涼市南部。較高安全區域面積最小，為4673.0km2，占比3.20%，零星分布在甘南藏族自治州、臨夏回族自治州、平涼市和慶陽市。

3.3甘肅省黃河流域生態安全格局

3.3.1生態源地

甘肅省黃河流域共有生態源地30塊，總面積為8807.99km2，占甘肅省黃河流域面積的6.04%（見圖4），主要分布在慶陽市東部、平涼市南部、天水市東南部、甘南藏族自治州東北部、臨夏回族自治州南部及蘭州市的永登縣和榆中縣。生態源地斑塊平均面積為293.60km2，其中最大的面積為2623.77km2，最小的面積僅為32.30km2。生態源地與自然保護地范圍重合面積為3213.64km2，占生態源地面積的36.49%，其中生態源地與甘肅子午嶺省級自然保護區、麥積國家森林公園、關山蓮花臺國家級風景名勝區的重疊面積分別為956.23、361.87、136.72km2；生態源地與生態紅線范圍重合面積為5779.82km2，占生態源地面積的65.62%。

3.3.2生態廊道

基于高程、坡度、路網密度、水網密度、土地利用、距水體距離、歸一化植被指數、人口密度8個指標構建甘肅省黃河流域阻力面，阻力值范圍為22～56，空間分布呈蘭州市區低、蘭州市區周邊高、邊緣環狀地區低的“低-高-低”圈層結構特征。識別出的生態廊道共51條，總長度為3155.83km，平均長度為61.88km，其中最長的為204.10km，最短的為11.12km。從空間分布情況來看，生態廊道主要分布在甘肅省黃河流域中部，且總體呈“上長下短”的形態，主要原因是生態源地集中分布在甘肅省黃河流域中部，且呈上疏下密的狀態（見圖5）。

3.3.3生態安全格局

甘肅省黃河流域的改善區面積為27425.57km2，其中一般改善區、重要改善區、極重要改善區面積分別為6889.13、10068.38、10468.06km2，分別占改善區面積的25.12%、36.71%、38.17%。基于生態安全評價結果、生態源地和生態廊道識別結果和改善區識別結果，提出甘肅省黃河流域“四屏七區多組團”的生態安全格局（見圖6）。

1）“四屏”指子午嶺生態屏障、秦嶺生態屏障、太子山-蓮花山生態屏障、洮河生態屏障?！八钠痢狈植荚谏鷳B源地集中區，是維護甘肅省黃河流域生態安全和可持續發展底線的區域，土地利用類型主要為對生態系統服務貢獻值較大、生態系統健康指數較高的林地。此區域應加強生態保護保育力度，強化日常巡查管理，及時發現存在的問題并采取相應的修復措施，將可能破壞生態安全的一切活動扼殺在搖籃里。

2）“七區”可分為4種類型，即保護保育區、生態修復區、生態控制區和生態提升區，具體是指西北部保護保育區、興隆山保護保育區、中部沿黃走廊生態修復區、隴中黃土高原生態控制區、隴東黃土高原生態控制區、隴東黃土高原生態提升區、甘南高原地區黃河上游生態提升區。其中：①保護保育區主要分布在祁連山國家公園、甘肅連城國家級自然保護區和甘肅興隆山國家級自然保護區，生態系統健康指數較高，土地利用類型以林地和草地為主。此區域一方面需要通過封山育林等措施，減少人類活動，加強天然林的保護保育，以充分發揮林地的生態系統服務功能；另一方面需要提高部分殘次林的質量，以提高生態系統服務價值。②生態提升區主要分布在甘南高原地區黃河上游和隴東黃土高原。甘南高原地區黃河上游生態提升區以草地為主，因草原沙化、退化等，故草原生物數量減少，草原生產能力和生態系統服務價值下降，需要加強生態保護，控制草原超載放牧和過度放牧，減少人類對草地資源的破壞；對退化嚴重的草原，結合基于自然的解決方案（NBS）進行人工干預，進而提高草地的生態系統服務功能。隴東黃土高原生態提升區的土地利用類型為耕地和草地，因實施了甘肅東部百萬畝（1畝=666.67m2）土地整治重大工程項目，故大部分耕地為梯田。此區域的主要問題是水土流失嚴重，地質災害發生頻繁，需要開展以小流域綜合整治、固溝保塬等措施為主的水土保持工程，以遏制水土流失的發生，提升區域生態系統服務功能。③生態控制區土地利用類型以草地為主，生態系統健康指數較低，生態安全處于較低安全，此區域需要強化生態保育和生態建設，把重點放在水土流失治理上。④生態修復區主要位于中部沿黃走廊。此區域處于蘭白都市經濟圈，人口密集，經濟發展速度較快，生態安全指數低，需要優化產業結構，協調生態系統供需關系，加強人為水土流失防治和水土保持監督管理工作。

3）“多組團”指極重要改善區和重要改善區，位于生態安全格局中的生態廊道上。此區域需要加強生態修復和保護，確保生態廊道連通生態源地，更好地為物種和基因交流提供服務。

4結束語

作為我國重要的生態安全屏障，甘肅省黃河流域的生態安全對黃河流域生態保護和高質量發展十分重要。構建生態安全格局有助于保護和恢復區域生物多樣性，維護生態系統結構和過程的完整性，最終實現對區域生態環境的持續改善。本研究基于“活力-組織力-恢復力-貢獻力”框架開展甘肅省黃河流域生態系統健康和生態安全評價，識別生態源地和生態廊道，并構建了甘肅省黃河流域生態安全格局。甘肅省黃河流域較健康和亞健康狀態的面積較大，分別占甘肅省黃河流域面積的34.46%和24.82%，不健康和病態狀態的面積分別占甘肅省黃河流域面積的15.53%和14.56%，健康狀態的面積最小，占比為10.63%。生態安全狀況空間上總體呈現“北低南高”的分布特征，以較低安全和中度安全為主，其面積分別占甘肅省黃河流域面積的38.24%和36.49%，低度安全、較高安全和高度安全的面積占比分別為13.85%、3.20%和8.22%。識別出的生態源地共30塊，總面積為8807.99km2；生態廊道51條，總長度為3155.83km。基于生態安全評價結果，以及生態源地、生態廊道識別結果，構建了甘肅省黃河流域“四屏七區多組團”的生態安全格局，包含子午嶺生態屏障、秦嶺生態屏障等4個生態屏障區，可分為保護保育區、生態修復區、生態控制區和生態提升區4個種類7個區域，以及位于生態廊道極重要改善區和重要改善區的多個組團。

本研究中識別出的生態源地與許靜等[20]的研究結果高度重合，生態廊道部分重合。本研究一方面將生態系統服務價值作為貢獻力納入了生態安全評價體系，另一方面考慮了景觀連通性和景觀異質性，識別出的生態源地和生態廊道更加符合區域實際情況。構建的甘肅省黃河流域生態安全格局可為科學開展區域生態保護和修復工作、提升區域生態環境質量、維護區域生態系統安全提供理論支撐。然而，本研究仍存在一定的局限性，一是僅采用2020年的基礎數據來表征甘肅省黃河流域的當前狀態，缺乏對生態系統健康狀態、生態安全狀態等變化趨勢的綜合研究；二是由于數據獲取難度較高，本研究在生態廊道識別時沒有將圍欄等阻斷物納入阻力因子，因此生態廊道的識別準確度有待提高，未來還需要更加深入的研究。

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收稿日期：2023-12-20

基金項目：甘肅省自然資源廳科技創新項目（202242）

第一作者：吳翠霞（1989—），女，甘肅靖遠人，工程師，碩士，主要從事國土綜合整治和生態修復工作。

E-mail：sxaucuixiawu@163.com

（責任編輯李佳星）