川西北长江黄河源区生态安全格局构建及优化

2023-07-29刘斯媛罗勇于慧王晓李梓涵董维

环境工程技术学报 2023年4期

关键词：源地阿坝州廊道

刘斯媛，罗勇*，于慧，王晓，李梓涵，董维

1.成都理工大学

2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所

3.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司

4.四川省国土科学技术研究院

生态文明建设不仅是发展理念的创新，更是一项十分紧迫的现实任务。在新形势下深入贯彻习近平生态文明思想，科学推动生态修复工作已成为实现人与自然和谐共生的必要路径之一，对实现可持续发展目标、建设美丽中国、构筑生态文明新格局具有重要的现实意义[1]。生态安全格局是国家生态安全的基础和载体。20 世纪以来，随着社会经济飞速发展和人口增加，自然资源短缺加剧，导致自然格局破坏、生态系统过程受阻、生态系统功能受损以及自然生态系统服务能力严重下降或丧失等一系列生态环境问题，是全球面临且需要解决的生态安全问题，亟须有效推进生态文明建设和生态安全格局构建与优化。

生态廊道是构建区域山水林田湖草沙完整生态系统的重要组成部分，是在生态环境中呈线性或带状布局、沟通连接空间分布上较为孤立和分散的生态单元的生态系统空间类型，能够满足物种的扩散、迁移和交换。通过识别源地，构建生态廊道、生态节点，科学合理构建生态安全格局，避免生境栖息地孤岛化，可有效促进动植物迁徙和生物多样性恢复。绿色廊道的思想最初用于公园绿地的规划[2]，发源于19 世纪末的美国，随着理论和实践的深入发展，逐渐从以景观功能为中心的林荫大道向聚焦区域生态系统功能的生态廊道转变，以建立区域、国家和洲际尺度的生态廊道[3]。国内的廊道相关研究可追溯到20 世纪末，以构建市县域生态廊道为研究重点，现阶段“源地-阻力面-廊道-节点”的方法已经成为构建生态网络、构筑生态安全格局的基本研究范式[4]。生态网络涉及到不同内容，如Ward 等[5]通过对河流廊道进行空间格局分析，建立了河流廊道的生态安全格局；李国煜[6]基于福州市的景观安全格局研究其生态用地的保护布局优化；谢莹[7]基于CLUE-S 模型和景观安全格局研究了重庆市渝北区土地利用情景模拟和优化配置；李芹[8]基于MCR 模型对赣南稀土矿区生态安全格局研究。研究方法上，识别生态廊道的方法包括重力模型、水文分析、最小累积阻力(MCR) 模型、电路理论等[9]。国内学者通常运用MCR 模型结合图论对斑块间的生态廊道进行辨识，并借助重力模型和网络连接度评价指标定量分析斑块间的作用强度和廊道网络连接度[10-11]，该方法常被用于大空间范围或城市绿地生态廊道的构建[12-13]。

长江黄河源区的水源涵养、生物多样性维护、气候调节等功能不可替代，是青藏高原生态屏障和“中华水塔”的重要组成部分[14]，是全球生物多样性最丰富的34 个热点地区之一，在全国生态安全格局中地位极其重要，肩负着维护国家生态安全的重任。四川省阿坝藏族羌族自治州（简称阿坝州）是长江黄河上游生态安全屏障的重要节点[14]，起着涵养大江大河水源和调节气候的作用[15]，横跨全国重要生态系统“三区四带”2 个重点区域：是黄河长江上游重要水源涵养地、补给地和国家重要湿地生态功能区，全球最大的高寒泥炭沼泽湿地之一[14]，是岷江主流及支流源头地带，是国家乃至世界生物多样性保护重要区域，在国家生态安全、西部地区可持续发展中具有重要的战略地位。生态安全在西部开发战略中具有极端重要性[16]。生态修复是推进生态文明建设的重要实施路径。受传统粗放型经济增长方式影响，阿坝州仍存在生态环境脆弱、栖息地破碎、生态系统服务功能低下等问题，生物多样性保护面临挑战，开展该区域生态网络构建和生态安全屏障保护修复迫在眉睫。

笔者聚焦生态环境脆弱、地灾频发的川西北，以生物多样性保护为出发点，结合MCR 模型、电路理论、图论，规划阿坝州生态廊道，实现区域生态安全网络构建及优化，针对性地提出保护修复重点和途径。

1 研究区概况

阿坝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、甘肃省，东与绵阳、德阳、成都市相连，南部与雅安市接壤，西部与甘孜藏族自治州为邻（图1），总面积84 242 km2，约占四川省总面积的17%。该地位于青藏高原的东北—东南缘，属于横断山脉的一部分，整体处于青藏高原与成都平原之间[17]，是我国一、二级台阶的过渡地带。阿坝州地貌以高原和山地为主体，高原区约占全州总面积的58%，山地面积约占42%，区内整体地势由松潘县至红原南侧分水岭向北逐渐降低。阿坝州是长江和黄河上游最重要的水源地之一，是黄河在四川省唯一的流经地，长江上游的重要支流之一岷江也发源于此[18]。

图1 研究区行政区划及高程Fig.1 Administrative division and elevation of the study area

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

DEM、Landsat8 数据来源于地理空间数据云平台（https://www.gscloud.cn/#page1），地质灾害点数据、行政边界、水系数据来源于阿坝州自然资源局。归一化植被指数（NDVI）和土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（ https://www.resdc.cn/）。所有数据坐标统一为2000 国家大地坐标系。

植被覆盖度由NDVI 计算得到。在ArcGIS 软件的核密度工具中输入地灾点数据计算得到地质灾害易发性。

生物多样性维护功能重要性在生态系统、物种和遗传资源3 个层次进行评价。在生态系统层次，将需要优先保护的森林、灌丛、草地、湿地、荒漠、内陆湿地生态系统评定为生物多样性维护极重要区，其他需保护的生态系统评定为生物多样性维护重要区。在物种层次，以具有重要保护价值的物种为保护目标，将国家重点保护野生动植物和列入世界自然保护联盟（IUCN）红色名录中的极危、濒危物种的集中分布区，极小种群野生动植物的主要分布区评定为生物多样性维护极重要区，将省级重点保护物种等其他具有重要保护价值物种的集中分布区评定为生物多样性维护重要区。在遗传资源层次，将重要的野生农作物、水产、畜牧种质资源的主要天然分布区评定为生物多样性维护极重要区[19]。

2.2 源地识别

构建生态安全格局在改善生态环境问题、维护区域生态安全中起着重要作用；关键生态源地是构成生态安全格局的基础，其识别意义在于提取对维护区域生态安全具有关键作用的生态用地，是区域生态安全格局的关键地段精准识别的基础，也是后续廊道与节点识别的前提[20]。目前，关于生态源地识别的方法大致分为2 种：1）以面积较大的林地、水域等地段[21-22]或一些自然风景名胜区等区域[23]作为生态源地；2）通过构建生物多样性、生态敏感性[24]以及生态系统服务重要性[25-26]等多维度的指标体系综合评估斑块重要性以识别源地。

阿坝州属于高原地区，区内自然保护区众多，对维护生态安全和生物系统服务价值有重要作用。本文采用直接识别与间接识别相结合的方法，将自然保护地叠加生物多样性维护重要性栅格，进行阈值调整，最终选取全域面积大于30 km2的斑块作为生态源地。

2.3 阻力面构建

构建生态阻力面的关键是确定生态阻力值，在物种的信息流传递和空间迁徙的过程中，地形、人类活动以及土地覆被是主要影响因素[27]。阿坝州属于川西北山地向高原过渡地带，是我国构造运动上升最强烈的区域之一。其特殊的地质构造决定了复杂的自然特征，从而造就了多样的地质灾害。同时，研究区植物资源丰富。参考已有研究[4,9]构建生态源地扩张阻力因子体系，设置阻力值，各评价因子阻力评价结果如图2 所示，采用层次分析法（AHP）确定权重（表1），加权叠加计算扩张耗费的阻力，研究区全域综合累计阻力值如图3 所示。

表1 生态源地扩张阻力因子赋值及权重Table 1 Assignment and weighting of ecological source expansion resistance factors

图2 阻力面因子评价Fig.2 Evaluation diagram of resistance surface factors

图3 综合累计阻力值评价Fig.3 Evaluation of comprehensive cumulative resistance value

2.4 生态廊道及节点识别

2.4.1 生态廊道提取

最小成分路径（LCP）用于计算各源地间物种迁徙经过阻力值不同的区域需要克服的累积阻力值。将生态源地与评价的阻力面导入Linkage Mapper 工具，创建最小成本通道的映射。计算物种迁徙流动的最小成本路径，生成最小成本距离（LCD）通道，即生态廊道[28]。

2.4.2 生态节点识别

夹点又称瓶颈点，是生态廊道中电流密度较高的区域，反映物种在栖息地间交流时通过该区域的具有较高可能性或者没有其他替代路径。本研究基于电路理论进行连接性建模以识别生态节点。Linkage Mapper 工具箱中的Pinchpoint Mapper 工具可在已创建廊道的基础上，通过调用Circuitscape 程序，将电路理论和运动生态学通过电荷的随机游走特性结合在一起[29]，生成可用来识别廊道中的夹点地区的累计电流密度图[30]。文章采用“all-to-one”即多对一模式进行运算，提取高值为夹点。

障碍点是指生物在生境斑块间运动受到阻碍的区域，移除这些区域可增加生态重要空间连通的可能性。Linkage Mapper 工具箱中的Barrier Mapper工具在已生成生态廊道基础上，搜索影响生态廊道连通质量的障碍物。其算法原理是移动窗口搜索法，将用源地间最小耗费距离值替换搜索窗口中心像元数值，输出单位最小费用距离改善值，该值即表示移除障碍点后连通性的改善状况[31-33]。源地间连通性可在修复高值区域即障碍点后得到改善。

3 结果与分析

3.1 生态安全格局

共识别出18 处生态源地，面积为28 553.83 km2，占研究区总面积的33.90%，其中，最大的源地面积为8 507.97 km2，位于金川、理县、小金、汶川4 县，包括大熊猫国家公园、巴布纳森林公园、米亚罗自然保护区、梦笔山森林公园、梭磨河森林公园、竹厂沟自然保护区；最小的源地面积为55.94 km2，位于汶川县西部。生态源地在南部和北部集中分布、斑块大，东西地区零散式分布。阿坝州各县域生态源地面积如表2 所示。其中，若尔盖县生态源地面积达5 301.42 km2，所占比例为18.57%。若尔盖湿地及贡杠岭、喀哈尔乔等国家级自然保护区共同构成若尔盖县生态源地。

表2 各县生态源地面积Table 2 Ecological source area of each county

基于Linkage Mapper 工具共提取生态廊道39 条，形成阿坝州生物迁徙网络，如图4 所示。其中廊道长度最长为87.34 km，最短为2.75 km，整体呈中西部区域廊道长、东部廊道短的空间格局。

图4 生态廊道评价Fig.4 Evaluation of ecological corridors

生态踏脚石系统是景观生态学中的概念，是指位于大型生态斑块之间，由小型斑块构成生物做短暂栖息和迁移的通道[34]。踏脚石斑块不同于大型的开敞斑块，其具备的生态功能较弱，但可以作为生物迁徙的休憩驿站。廊道交汇处一般比廊道其他区域有更高的物种丰富度，通常起到中继点的作用。马尔康市松岗保护区是周围5 个大型源地的重要生物迁徙流通的枢纽，可作为小斑块形态的生态踏脚石，能够增加生态安全网络的闭合性和完整性，防止生态孤岛的出现。东部区域部分位于龙门山断裂带及松潘—较场地震带，虽然人为活动少，但自然灾害频发，因此生态廊道集中于中部零碎斑块分布的地区，热务沟和三奥雪山的较破碎生态源地可作为连接黑水县的雅克夏、达古冰川自然保护区与东部连片的大熊猫国家森林公园的生态踏脚石。

设置加权成本距离30 km 作为廊道宽度，在多对一模式的电流图中，提取高密度电流区域为夹点，共35 个（图5）。搜索影响生态廊道连通的障碍物，得到已有廊道未改进得分较高的区域，在整个廊道中起着集散中转的作用，共提取障碍点26 个（图6），均位于廊道上阻力值高的地区。

图5 生态夹点评价Fig.5 Evaluation of ecological corridors and ecological pinch points

图6 障碍点评价Fig.6 Evaluation of obstacle points

3.2 关键生态区域功能格局优化

3.2.1 生态源地分级

生态源地是区域内动植物重要的栖息地和迁徙流动区，是自然界的物质流、信息流和能量流的核心部位，从生态学的理论分析，通常情况下，斑块面积较大的生态源区有利于生物生存、繁衍生息，文章所选取的阿坝州生态源地主要为国家级及省级自然保护区，包括九寨沟国家级自然保护区、若尔盖湿地国家级自然保护区、小金四姑娘山国家级自然保护区、米亚罗自然保护区、阿坝曼则塘湿地自然保护区等[35]。这些生态源地承担着维护生态系统稳定性、生物多样性保护的重要功能，是维护生态安全的核心区域。位于数个大型生态源地之间分布破碎且面积小的生态源地，承担的主要是物种临时栖息和流通迁徙枢纽功能。因此，将阿坝州全域生态源地按照面积大小、所承担的生态功能以及战略区位分为核心生态源地、中枢生态源地以及一般生态源地3 种（图7）。核心生态源地是斑块面积大且分布紧凑的生态源地；中枢生态源地是物种在多个生态源地之间迁徙流通的栖息地，增强连通性和紧密性，保护该类生态源地，有益于物种交替演化，是全州生态安全网络的关键部位[36]。一般生态源地位于边缘区域且零散分布，破碎化程度较高。

图7 生态廊道和生态节点分级Fig.7 Grading of ecological corridors and ecological nodes

3.2.2 生态廊道分级

生态廊道是位于低阻力带的自然界物种迁徙和信息生态流通道，优化生态廊道是提升阿坝州生态廊道的闭合性和完整性，强化生态服务功能的重要方式[37-38]。通过电路理论模拟生态廊道，结果如图7 所示。生态廊道的空间区位具有差异，其保护建设的重要性和承担的生态服务功能也有所不同，依据生态源地划分规则，将生态廊道分为3 级：战略区位特殊或面积较大的核心生态源间的低阻力道为一级生态廊道，加大保护建设一级生态廊道力度，有助于促进增强核心生态源之间的物种迁徙流通；中枢生态源地和核心生态源地以及中枢生态源地之间的生态廊道为二级生态廊道，作为大斑块与小斑块源地间的流通枢纽；连通位置孤立且面积小的一般生态源地为三级生态廊道。

3.2.3 生态节点分级

生态节点是生态源地之间物种的障碍点和转折枢纽点。保护建设生态节点，能够提高生物的空间流通性，提升生态功能，促进生态系统网络内的持续健康发展。将生态节点划分为2 类：1）位于一级生态廊道和高阻力廊道的交汇处是一级生态节点，强化该类节点建设，有助于维护生物多样性、涵养水源功能；2）位于二三级生态廊道的是二级生态节点，加强该类节点生态建设，保障并提高阿坝州生态安全性。

3.3 结果验证及生态安全格局优化

3.3.1 结果验证

将重要的源地、廊道、节点与土地利用数据叠加分析，结果如图8 所示。从点位的验证结果来看，一级生态节点均位于旱地、乔木林地、灌木林地、天然牧草地、沼泽草地5 种土地类型上。其中，1 号节点位于旱地，2～6 号位于乔木林地，7、8 号节点处于灌木林地，9～14 号节点位于天然牧草地，15～17 号节点的土地利用类型为沼泽草地。核心生态源地和一级生态廊道分布于林地、草地、湿地、园地。评价结果具有可靠性。

图8 生态节点结果验证Fig.8 Validation of ecological nodes result

3.3.2 生态安全格局优化

基于源地、生态廊道、生态节点的评价结果，依据《四川省生物多样性保护优先区域规划（2018—2030年）》，针对阿坝州生态安全格局提出“两区、两带、三廊”的布局优化，如图9 所示。“两区”指岷山—横断山北段生物多样性保护优先区域和羌塘—三江源生物多样性保护优先区域。羌塘—三江源地区的保护区集中分布于阿坝县，是长江上游最重要的水源地和水源涵养地，应加强水源地的保护与生态修复，提升区内自然保护区管护能力；岷山—横断山地区包括岷山区域、邛崃山区域和若尔盖湿地，其中岷山区域属于东部盆地向西部山区过渡地带，区内保护对象敏感度和濒危度较高，若尔盖、松潘、茂县所处的岷山区域是岷江的发源地和四川省重要的水源涵养地，应加强大熊猫栖息地生态廊道建设，连通关键破碎源地，保障物种基因交流。邛崃山区域包括汶川、理县、小金3 县，区内珍稀野生动物众多，应加强金丝猴、四川梅花鹿等珍稀野生动物的保护，并强化其赖以生存的森林生态系统功能。若尔盖湿地分布于若尔盖、红原、阿坝3 县，是黄河上游最重要的水源地和水源涵养地，应加强对高原泥炭沼泽湿地的保护，维护隼形目鸟类、黑颈鹤赖以生存的湿地生态系统，实施湿地生态修复，提升湿地水源涵养功能。“两带”指岷江和大渡河。河流作为发展的自然本底，城镇多沿河岸两侧建设分布，应加强生态缓冲带建设，严控城镇开发强度及科学合理规划城镇开发边界。“三廊”指生态廊道的主干方向及延伸，是源地连通性的桥梁，推动生物迁徙演化和自然信息流通，保障生态安全网络的完整性。纵向和横向生态廊道交错连接，形成稳定的网络格局，对提升区域生态连通性具有重要意义[39]。

图9 研究区生态格局Fig.9 Ecological pattern of the study area

3.4 讨论

本研究以川西北长江黄河源区的阿坝州为例，基于MCR 模型和电路理论构建了区域生态安全网络并对重要性进行分级，探索生物多样性保护背景下生态安全格局的构建和优化。通过选取多个评价因子运用加权叠加，削弱单个因子的片面性。将生物流抽象为电流，运用MCR 模型和电路理论，有效构建阿坝州生态网络，并提出相应的管理措施对阿坝州及其中的重点生态单元修复和区域规划建设具有较强的实践意义。但受数据精细程度影响，小尺度的水系分布和道路因素被忽略，这会在一定程度上影响廊道构建的结果，今后的工作中将注重结合小尺度上的精细道路水系对较大尺度生态廊道构建的评估。

依据研究探索的结果，对阿坝州生态保护提出如下建议：1）推进国家公园建设，创新国家公园的管理机制，完善生态保护和自然资源利用的管控措施/要求，实施道路优化，恢复扩大熊猫栖息地。2）坚持生态保护优先，科学管控，推动生态旅游产业发展，打造大熊猫生态旅游目的地、大九寨世界遗产旅游目的地[40]，以环境友好型产业代替资源粗放式开发产业。3）规划实施精准工程，坚持“一区一策”，在岷江流域、大渡河流域，筛选典型生态退化区域，开展植被恢复，精准提升森林质量，按照林水结合思路，巩固提升水土保持、生物多样性维护功能；推动阿坝州北部的沙化草场的治理，实施禁牧休牧轮牧，保护草原生态系统生物多样性。4）针对水土流失严重、土地沙化等问题，以乡镇或流域为单元，自然修复与人工修复相结合，对区域生态进行综合治理，恢复生态系统功能，增加优质生态产品供给和价值转化[41]；5）扎实推进森林保育工作，落实森林管护责任，建设防火通道，防治病虫害。6）重点实施河流廊道建设，连通干流、支流，解决流域水生态隔离的问题。7）优化保护区空间布局，通过生态廊道，连接分布集中的濒危动植物栖息地，增强濒危动植物栖息地物质流通、信息交流能力，科学优化自然保护地分布格局，加强管理评估，建设信息化平台，实现常态化、动态化、网络化管理。通过“点、线、面”相结合，立体式、系统性、全方位开展阿坝州生态安全保护工作。