基于MCR模型的内蒙古鄂托克旗生态廊道构建

景艳宾, 孙 旭, 刘 军, 孙冬杰

(内蒙古农业大学 沙漠治理学院， 呼和浩特 010010)

生态廊道是指在景观生态中能串联空间分布上较为孤立和分散的斑块、呈线性或条带状分布的景观类型[1]。构建适当的生态廊道，能为物种提供迁移场所，促进自然界物质、能量和基因的流动，有利于保护生物多样性、维护区域生态安全[2]。保护生态环境、构建生态廊道，提升生态系统质量和稳定性尤为重要。国内外学者对生态廊道构建的研究大多与景观生态学或者景观生态规划等方面相联系。Knaapen[3]提出了最小累积阻力模型，进行景观格局优化的研究，国内知名学者俞孔坚[4]将其理论延伸到生态规划；Forman[5]提出了格局整体性优化理论并进行景观规划。国内对于生态廊道的研究也已取得了一定的成就，廊道的构建研究尺度多以省域[6]、市域[7]、流域[8]等相对大范围；研究理论主要以“斑块—廊道—基质”为基础[9]。鄂托克旗是典型的大陆性干旱草原气候，高原地带，降水少，多种不利的自然条件干扰着景观格局，生态环境脆弱性较为明显。鄂托克旗以牧为主，矿业较为发达，为了满足经济发展的需要，过度的矿产资源开采，致使全旗生态环境以及可利用的自然资源遭到不同程度的破坏。近年来，鄂托克旗景观格局发生了极大改变，生态环境恶化程度加剧，影响了鄂托克旗的绿色经济可持续发展。考虑到生态廊道在不同区域具有不同的特色，干旱草原荒漠区的研究也比较少，且研究多关注于大范围尺度区域。因此，本文以干旱草原气候区的鄂托克旗为研究对象，进行县域生态廊道的构建，利用生态敏感性和生态系统服务价值评价的综合结果来确定生态源地，通过最小累积阻力模型和重力模型得出重要廊道体系，以期为鄂托克旗生态文明建设工作提供科学指导，并为旗县范围的生态廊道后续研究提供借鉴。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

鄂托克旗是鄂尔多斯高原的重要组成部分，处于106°41′—108°54′E，38°18′—40°11′N之间，全旗面积约20 368.60 km2，海拔在1 009～2 153 m之间。地势分布情况为西北部高于东南部，西北部是桌子山山地，中北部为多尔奔温都尔梁地，东南部更有毛乌素沙漠。鄂托克旗夏季短促炎热，冬季漫长寒冷，常年盛行西北风，雨量较少，蒸发量大，气候干燥。平均气温6.4 ℃，年均降水量仅250 mm。黄河流经境内西北边缘，境内有都斯图河、赤老图河。鄂托克旗土壤地带性显著，东南部广泛分布着栗钙土，根据地形特征逐渐向西北部过渡，西北地区广泛分布着灰漠土，土质差[10]。鄂托克旗是一个以汉族为主的少数民族聚居的县域，旗下辖有6个苏木、镇。2018年GDP为453.3亿元，同比增长了7%。根据产业结构来看，第一产业增加值为8.95亿元，同比增长2.1%；第二产业增加值为327.19亿元，同比增长8.7%；第三产业增加值为112亿元，同比增长2.7%。

1.2 数据来源

主要数据包括：分辨率为30 m×30 m的2018年Landsat-TM影像；高程模型GDEM 30 m数据；坡度数据是利用ArcGIS 10.2中Spatial Analyst工具从高程数据中提取出来的；土地利用和土壤基质等地理信息数据和现场调研数据，社会经济数据来源于2018年鄂托克旗县国民经济统计资料。

2 研究方法

2.1 生态源地的确定

生态源地是指具有重要生态服务功能、能够维持生态系统完整性的生态斑块[11]。生态源地维持景观生态系统结构和功能稳定性，其生态效益向周边环境扩散。本研究从生态敏感性和生态系统服务价值重要性两方面进行定量分析，提取出具有一定面积的生态重要性区域作为该研究区的生态源地。

2.2 生态敏感性分析

生态敏感性指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的响应程度，表征发生区域生态环境问题的难易程度和概率大小[12]。在自然状态下，各种生态过程维持着一种相对稳定的耦合关系，保证着生态系统的相对稳定，而当外界干扰超过一定限度时，这种耦合关系将被打破，将使某些生态过程失衡，导致严重的生态问题。敏感性高的区域，生态系统容易受损，应该是生态环境保护和恢复建设的重点，也是生产生活的受限或禁止的地区。

2.2.1 敏感性评价体系的建立 根据早期2002年制定的《生态功能区划暂行规程》[13]以及考虑研究区的实际生态情况，运用层次分析法来构建敏感因子评价指标体系，选取研究区典型生态特征坡度、高程、NDVI值、土地利用结构(表1)以及土壤基质等5个敏感因子作为指标层，综合敏感性评价作为目标层进行分析。

表1 2018年鄂托克旗土地利用结构

按照《城市规划GIS技术应用》[14]中的分级标准和参考杨姗姗[15]等的研究成果，将单个敏感性因子分为极敏感、高敏感、中敏感、轻敏感和非敏感5个等级，确立鄂托克旗生态敏感性评价指标体系(见表2)。

表2 生态敏感性评价指标体系

2.2.2 多因素加权叠加法 采用层次分析法(AHP)计算各因子的权重，建立层次结构图，两两比较单因子对生态环境的重要性，对各敏感性因子按照5分制进行打分。结果详见表3。

表3 鄂托克旗敏感因子判断矩阵及权重值

通过云算子软件计算得出矩阵最大特征根λmax=5.2083，因为λmax>4，需要对矩阵进行一致性检验，一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)，经计算CI=0.052 1。通过查表可以得到矩阵的平均随机一致性指标(RI)，RI值见表4。当n=5，RI=1.12。再计算一致性比率CR=CI/RI，经计算CR=0.052 1/1.12=0.046 5。所以当CR<0.1时，矩阵一致性是可以接受的。再求出最大特征根对应的特征向量，归一化处理后得到单因子的重要性权重值W=[0.072 2，0.242 9，0.125 6，0.468 3，0.090 0]。

表4 判断矩阵RI值

坡度的大小直接影响土壤侵蚀和沙漠化程度，对生态敏感性起决定性作用，坡度所占权重比率大一些；高程不同，所对应的温度、气候、降水量以及土壤条件都有一定差异，本研究区桌子山高程略显突兀，比重小一点比较合理；NDVI值不仅可以很好反映生态敏感性，还是生态系统不可或缺的自然元素，也是易被污染的环境因子，鄂托克旗以草地为主；土地是人类活动的载体，用地利用类型不同表明人类对土地和生态环境的利用程度也不同，从而导致生态敏感性的差异，所占权重比率最大；地表物质结构类型的不同，可以有效的反应区域的敏感程度高低和决定土地利用的方式差异。

运用多因素加权求和模型(公式1)[16]，并采用自然断裂法对叠加结果进行重分类，最终确定鄂托克旗各敏感性区域。

(1)

式中：i为评价因子编号，对应高程、坡度、NDVI值、土壤基质和土地利用5个评价因子；n为评价因子总数；S为综合敏感性评价值；Wi为第i个评价因子的权重值；Ai为第i个评价因子的生态敏感值(从1，3，5，7，9中赋值)。

2.3 生态系统服务价值计算

生态系统服务涵盖人类直接或间接从生态系统得到的所有收益，是测度生态系统健康程度的关键指标。从生态系统服务功能角度出发，选取生物多样性、土壤保持、固碳释氧、水源涵养 4项功能指标，对研究区生态系统服务功能进行定量评价，通过归一化处理与叠加分析评价综合生态系统服务功能。

在Costanza、谢高地等[17]的研究成果的基础上，并结合鄂托克旗的土地利用数据成果与实际情况的调研，采用2017年土地利用二级分类系统，通过李晓赛[18]当量因子调整和生态系统服务价值系数修正的成果，得出鄂托克旗单位面积生态系统服务价值系数表(表5)。

表5 鄂托克旗单位面积生态系统服务价值系数

2.4 生态廊道的构建

各个生态源地之间是通过生态廊道进行连接的，生态廊道内进行能量、物质流动和信息的传递，能够大大减轻景观破碎化带来的危害。

2.4.1 生态廊道模型构建 本研究采用最小累积阻力模型(MCR)和最小成本路径的方法，对研究区进行生态廊道的研究。最小累积阻力指以生态源地为中心到达目标地，克服不同阻力景观所需做的功。根据最小累积阻力模型计算公式[19]，可计算生态源地与目标地的最小累积阻力距离，确定潜在的生态廊道。

(2)

式中：MCR为最小累计阻力值；Dij为从生态源点j到空间单元i的距离；Ri为空间单元i的阻力系数。

通过参考相关文献和研究成果[20]，从土地利用现状中选取林地、耕地、其他水域、草地、河流、园地、未利用地和建设用地8种景观地类，再加上道路缓冲区作为阻力因子，构建阻力评价体系(表6)。阻力取值越高表示生物迁徙过程中受到的阻力越大。

表6 生态源地与目标地阻力因子赋值

运用重力模型[21]计算各生态源地之间相互作用矩阵，定量评价各源地间的相互作用程度，从而能够更为科学地判断区域内廊道的相对重要程度关系，重力模型计算公式为：

(3)

式中：Gab为生态源地a与b之间的相互作用程度；Na和Nb分别是两源地的权重值；Dab是a与b之间潜在廊道阻力的标准化值；Pa为源地a的阻力值；Sa为源地a的面积；Lab为源地a与b之间廊道的累积阻力值；Lmax为研究区中所有廊道累积阻力最大值。

3 结果与分析

3.1 生态敏感性评价

在ArcGIS软件环境下，根据公式1进行叠加分析，生成综合生态敏感性分布图(图1)。鄂托克旗综合生态敏感性评价分值介于1.25～8.74之间，将该指数区间分值利用自然断点法划分5个等级，然后重分类，并分级赋值(表7)。

图1 鄂托克旗生态综合敏感性分布

表7 鄂托克旗生态敏感性空间面积分布估算

鄂托克旗生态敏感性程度较强。极度敏感区域占全旗面积的31.06%，面积达到了632 648.72 hm2；高度敏感区域占全旗面积的16.25%，面积为330 989.75 hm2；非敏感区域仅仅占全旗面积的2.17%，面积为44 199.86 hm2。

由图1可知，在旗的西北部呈现低—中—高—极敏感性递增规律，由四周向蒙西镇和棋盘井镇交界处聚拢，高程、坡度以及用地类型导致了这种现象；西南部敏感程度较低，为轻度敏感性，因为耕地，坡度、高程均较低；东南部敏感程度为高、极度敏感性，是由于沙地引起的；东北和中部，是中度敏感性，植被类型为草地，地势较平坦，壤质土壤。

3.2 生态服务价值评价

根据公式(2)，利用自然断点法将生态系统服务价值划分为5个等级: -8 866～1 278元/hm2(极低值区)，1 278.01～4 659元/hm2(低值区)，4 659.01～5 891元/hm2(中值区)，5 891.01～ 25 598元/hm2(高值区)，25 598～145 958元/hm2(极高值区)(图2)。

图2 鄂托克旗生态系统服务价值分布

鄂托克旗总体状况较差，绝大部分地区处于中低值区(表8)。低、中值区面积达19 425.53 km2，占比重的95.37%；部分地区处于负值状态，这是因为建设用地的生态系统服务价值是负向的；仅有少部分地区生态系统服务价值极高，面积为6 518 hm2，占比0.32%。

表8 鄂托克旗生态服务价值评价分级

全旗生态服务价值总体较低。高值区于东西两侧零散分布，乌兰镇周边地区高于外部地区，耕作区高于其他未利用地区，沿河地带高于周边其他地区。高值区域集中分布在乌兰镇和阿尔巴斯苏木，主要是因为这些地方是林地和水域的集中分布区域，这两种单位面积生态系统服务价值较高，且分布集中。低值区和极低值区，包括许多建设用地和废弃或停产的工矿用地，提供的生态系统服务价值较少或者不提供，还会带来负面影响。

3.3 生态源地的确定

对生态敏感性评价和生态系统服务价值的结果分别进行赋值(表9)，利用ArcGIS 10.2软件中的空间分析功能进行等权叠加统计，得到鄂托克旗生态重要性等级分布图(图3)。

表9 鄂托克旗生态重要性等级划分

生态重要性等级越高，需要进行保护的迫切度越强，Ⅰ级和Ⅱ级为暂不需要保护的地区，Ⅴ级为优先保护地区。

生态源地的总面积为13 468.65 hm2，零散分布于鄂托克旗(如图3所示)。从Ⅴ级区域中通过相邻斑块合并，并根据面积大小，提取出15个大型斑块作为生态源地，并以此为源点构建鄂托克旗生态廊道。源地主要分布在西北部的棋盘井镇和蒙西镇交界处的矿区，东部零散分布于林地和水域附近。

图3 鄂托克旗生态重要性等级及源点分布

3.4 生态廊道的分析

根据对阻力因子分别赋值，将各阻力因子的矢量数据转换为30 m×30 m的栅格数据，再使用镶嵌至新栅格工具将各阻力因子的栅格图层叠加生成阻力成本面(图4)。

图4 生态廊道阻力成本面分布

把阻力成本面作为MCR模型的成本数据，利用生态源地和阻力成本面计算每个像元到成本面上最近源地的最小累积阻力成本距离，从而生成研究区潜在生态廊道。通过公式(4)，计算得到15个生态源地斑块间的相互作用矩阵(表10)。重力模型结果反映出潜在廊道对生态系统的重要性，进而得到鄂托克旗重要廊道分布图(图5)。

图5 鄂托克旗重要生态廊道分布

表10 基于重力模型的源地间相互作用矩阵

15，14和13三个生态源地之间重力值最大，相互关系最为强烈，源地之间物质能量的交流和传播更为简单，生态廊道建成的必要性最大，须加强这些源地的保护工作，避免遭到破坏；源地12与源地5和源地6的重力值较大，对于源地12加以保护，保证源地中转枢纽作用的发挥；源地1，4，7，8，9与其他源地之间的关联性较为弱，物质能量的交流和传播稍为困难，但是由于源地5和10位于它们的周围，生态廊道的构建以源地5和10为中心，就能够连接起鄂托克旗所有的迁徙路径。

整体来看，鄂托克旗生态源地主要呈现东西两侧，布隆嘎查和察汗淖尔嘎查源地起到了沟通东西物质能量交流的桥梁作用，为保证研究区生态源地的整体连通性，加强对这两片源地的保护显得特别重要，保护好这些源地有利于研究区东西区域之间的物种迁移，对研究区整体生态廊道的构建具有重要意义。

本研究鄂托克旗生态源地一共15处，源地15-13-14之间的相互作用最大；源地5-2-12-6之间的关联度次之，12-3-14和14-5-10之间的生态廊道的构建最为重要，保护好这两条廊道有利于研究区东西区域之间的贯穿，对研究区整体生态廊道的构建具有重要意义。生态源地12，5，13，3，10的保护必须加强，且生态源地5和3尤为重要，是连接东西的必经之地。为了合理有效的建成生态廊道，减少廊道建设的成本，最终构建了鄂托克旗包括4条重要廊道和4条一般廊道在内的生态廊道体系(图5) ，总长1 524 km，其中重要廊道为4条，分别为15-13-14，5-2-12-6，12-3-14，14-5-10，共721 km。一般廊道分别为14-11，7-15-4，8-10-9-5和11-5-9-10，共803 km。对于源地5与3，在未来规划建设时需要重点把控，同时在建成之后也需要采取严格的措施进行保护。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

当前关于干旱区草原县域生态敏感性分析研究较少，本研究采用的层次分析法确定的权重，主观性太强，且研究选取的评价指标体系不尽全面，与甘琳等人[22]研究相比，缺少城市扩张和服务等评价因子。生态服务价值分析，只考虑18 a的具体情况，和吴海珍等[23]研究相比，生态服务价值可信度较低，应该求取多年均值。与前期研究成果[24]相比，本研究以生态敏感性和生态系统服务价值综合结果定量的确定出生态源地，在方法上避免了主观干扰，再结合鄂托克旗乡镇级矢量数据，准确指出生态源地的所在位置，对于保护和管理更加具有针对性。在构建阻力成本面时并没有对特定物种进行针对性的景观阻力赋值，生成的廊道路径可能不适合部分生物种群。此外，在生态廊道的规划设计中，不仅要考虑廊道的长度和宽度，还要注意廊道内的土地利用类型是否满足国土部门的相关规定，这就给施工建设带来了不确定性，缺少相关研究，下一阶段，本研究会加大对鄂托克旗生物资料、国土部门相关规定等资料收集和分析，进一步深入对廊道建设合理性研究。本文初步对鄂托克旗生态廊道体系进行构建，对生态文明建设具有一定的指导意义。为了更好地提升县域生态系统的质量和稳定性，生态廊道在未来实际建设中可行性较大。

4.2 结 论

(1) 鄂托克旗生态敏感性较高，全旗敏感程度呈现为中度以上敏感性，极度敏感区分布在东南部和西北部，占全旗面积比重41.31%；鄂托克旗生态系统服务价值总体状况较差，绝大部分地区处于中低值区，占全旗面积95.37%。

(2) 生态源地的面积为13 468.65 hm2，生态源地零散分布在鄂托克旗旗的东西两侧，西北部分布于棋盘井镇的环境优良的矿区，东部零散分布于林地和水域附近。

(3) 最终构建起包括4条重要廊道和4条一般廊道的生态廊道体系，生态廊道与生态源地大致构成了一个环形闭合区域。重要廊道为4条，分别为15-13-14，5-2-12-6，12-3-14，14-5-10，共共721 km。一般廊道分别为14-11，7-15-4，8-10-9-5和11-5-9-10，共803 km。

(4) 综合全区核心型生态源地、生态廊道以及生态建设规划的空间布局，考虑自然本底特征，对于布隆嘎查和察汗淖尔嘎查源地，在未来规划建设时需要重点把控，同时在建成之后也需要采取严格的措施进行保护。