基于最小阻力模型的西双版纳州生态安全格局构建与优化

摘 要：以西双版纳州为研究区，基于生态敏感性和热点来分析识别生态源地，通过MCR最小累积阻力模型提取生态廊道，在此基础上识别生态节点，构建起西双版纳州生态安全网络格局。研究结果表明：①西双版纳州重要生态源地共21个。②生态廊道有59条，生态廊道格局呈现西南密、东北疏的分布特征，构成了“四纵四横”的西双版纳生态廊道网络。③在生态廊道的基础上生成11个生态节点，生态源地、生态缓冲区及生态廊道共同构成了西双版纳州区域景观生态安全格局。④在当前构建的生态网络的基础上，进一步优化生态空间结构，提出“一环廊带四组团，五纵四横多节点”空间布局，提高网络的连接度。

关键词：生态敏感性；MCR最小累积阻力模型；生态网络构建；西双版纳州

中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）04-00-08

0 引言

热带雨林是物种多样性最丰富的陆地生态系统[1]，其本身具有较高的生态敏感性。随着城镇边界的无序扩张，热带雨林面积逐渐萎缩，原生生态系统面临严峻挑战，并逐渐威胁全球生态状况，如何保护热带雨林生态格局、维护生物多样性、改善区域生态功能成为广泛关注的问题[2]。2016年我国发布“全国热带雨林保护规划”，划定热带雨林红线70万hm2。2023年7月“全国生态环境保护大会”召开，重申了热带雨林的生态意义，应实行严格保护。因此，识别热带雨林区域内关键的保护地与栖息地，构建生态安全格局具有重要意义。

生态安全格局是基于某一尺度的景观格局、过程特征及两者相互作用，识别并构建的可持续景观，满足生物多样性与人类福祉的需求[3]。学界关于景观生态安全格局的研究方法已经从最初的定性研究、单一变量研究逐步发展成依托遥感处理软件与数学模型等手段开展定量分析、动态演变、综合评价等研究[4，5]。自俞孔坚提出基于源地—廊道的生物保护格局方法以来[6]，应用“识别生态源地—建立景观阻力面—判别景观生态安全格局”三个步骤已经是景观生态安全格局构建的成熟模式[7，8]。生态源地识别可分为直接识别与综合评价两类[9]。直接识别一般是用保护区数据，选择大的景观斑块作为生态源地；综合评价识别常用的方法有生态敏感性评价、适宜性评价、生态系统服务价值评价[10]等，再通过数据叠加来识别重要生态源地[11-14]，因此更具科学性。生态廊道的识别方法主要有叠加法[12，13]、最小累积阻力模型（MCR）[15，16]、电路理论[17，18]等。其中，MCR能够较好地体现斑块属性，反映景观格局与生态过程之间的关系，被更多应用[19，20]。

本文以西双版纳州作为研究区域，基于景观安全格局和生态网络理论，借助ArcGIS、ENVI和Fragstats等软件，通过MCR最小累积阻力模型构建西双版纳州完善、科学的生态安全网络体系，科学全面地分析西双版纳州景观生态安全格局，最后提出生态安全保护的相关对策和建议，以期为西双版纳州景观生态安全规划和生态保护政策措施的制定提供参考，为当下城市化发展背景下西双版纳热带雨林景观生态安全格局研究提供实际意义。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

西双版纳州地处云南省西南部，是中国西南边境与中南半岛国家的交界，经纬度范围21°10′～22°40′、99°55′～105°50′。全州总面积19124.5 km2[21]，辖景洪市、勐腊县、勐海县三地。西双版纳州拥有中国唯一的热带雨林自然保护区，热带生态系统保存完整，具有良好的生态基底，是国家级生态示范区。 作为“全球多样性热点区域”之一，西双版纳州河网密布，地形多样，生物资源丰富，是天然的热带植物资源基因库和重要研究基地。作为“北回归线上仅存绿洲”，西双版纳提供了大量的生态系统服务，是重要的生态战略点[22]，其生态安全格局的稳定具有关键作用。

1.2 数据来源与处理

本文采用数据主要包括西双版纳州2000年、2010年和2020年三期土地利用栅格数据、遥感影像数据、植被覆盖度（FVC）数据等，具体来源见表1。部分数据需要进行预处理，植被覆盖度使用ENVI 5.3对遥感影像进行波段运算得到；中老铁路数据依据国家铁路局官网线路图，通过栅格转线和地理位置处理等操作进行矢量化。因数据来自于多个网站，在格式和坐标系上有所不同，为方便模型运算，需要进行统一，考虑各栅格像元的图层匹配程度，将空间数据分辨率统一调整为 30 m×30 m，地理坐标系为 WGS_1984，并为西双版纳州景观格局分析、生态网络构建建立基础数据库。

2 研究方法

2.1 生态源地提取

生态源地是景观生态格局的重要组成部分，不仅对景观格局中的生态过程起到正向促进作用，还能推动源地与源地间生态流与信息流的循环[23]。研究构建基于多评价因子的生态敏感性评价指标体系，并进一步对敏感区进行热点分析，将高敏感性热点区域将作为生态源地。考虑到以亚洲象为代表的野生动物活动空间一般依托10 km2以上的生态区域[ 24]，因此将面积＜10 km2的备选源地剔除，最终得到空间连续性较高、规模较大的生态源地。最后再与自然保护区、山地河流等自然生态界面比较和修正。

2.1.1 生态敏感性评价

生态敏感性一般是指外界对区域生态安全干扰和破坏的难易程度，用于判别区域生态系统安全、稳定情况[25]。本文参考以往研究以及《西双版纳州“十四五”林业和草原保护发展规划（2021—2025年）》《云南省生物多样性保护战略行动计划西双版纳实施方案》等规划文本，选取高程、坡度、植被覆盖度、土地利用、距河流的距离、距保护区的距离等6个评价因子，构建生态敏感性评价指标体系（表2）[26]。敏感性等级依据各个指标的实际情况，在各个因子加权分析后按照低到高分值划分为5个等级：低敏感、较低敏感、中敏感、较高敏感和高敏感[27]。因子权重根据专家评价和层次分析法确定 ，研究于2022年3月向云南省院校、规划设计院等行业内相关规划专家共20人发放问卷，对评价因子进行两两比较分析，根据因子的相对重要程度打分，并Yaahp软件构建评价模型计算因子权重。最终依据各指标因子的权重，在ArcGIS中进行栅格数据加权叠加分析。

2.1.2 热点分析

热点分析是一种空间聚类方法，利用ArcGIS分析工具里的Getis-Ord Gi*工具，来判断生态敏感性区域中的高值和低值，通过可视化的方式直观展现区域内高值在空间上的聚类位置，该方法可以有效得到空间连续性较高、规模较大的重要生态源地[28] 。

2.2 阻力面构建

构建阻力面是提取生态廊道的基础，面对不同的阻力值，物种在斑块或景观单元之间流动所受到的阻力也不同，阻力值越大，物种扩散的难度也越大[29]。本研究以土地利用类型作为基础阻力因子，考虑人类活动对景观的影响，叠加距河流距离、距铁路距离、距高速公路距离，共计4项因子。每个因子的阻力值范围统一设定为1～5，1代表最小阻力值，表示物种间流通的阻力最小；5代表最大阻力值，表示物种间流通的难度最大[30，31]（表3）。与敏感性因子权重的确定流程一致，阻力因子权重的确定同样通过专家打分和层次分析得出，得到土地利用类型为0.42、距河流的距离为0.12、距高速公路的距离为0.21、距铁路的距离为0.24。

阻力面构建具体步骤如下：利用重分类工具分别对4个因子阻力值进行等级划分，以得到4个因子的阻力栅格图像，再通过栅格计算器加权叠加各类因子，获得综合阻力面。计算公式为：

式中：P—各个评价单元值的总和；n—选取因子的个数；Wi—第i个阻力因子的权重；Sij—第i个因子中第j级别的阻力值。

2.3 生态廊道提取

生态廊道是源地斑块间相互连接沟通的线状或带状景观空间，是源地之间阻力最小、最容易联系的通道，承载着物质、能量的流动，能确保区域景观的整体性与连通性，是区域生态安全网络构建的重要内容之一[32，33]。生态廊道体现为源地之间受到最小阻力的距离，并依据源地的重要性可分为潜在廊道和关键廊道。潜在生态廊道由MCR模型（minimum cumulative resistance）构建，具体公式如下[34]：

式中：MCR—最小累积阻力值；f—最小累积阻力和生态过程的正相关关系；Dij—物种从源j到景观单元i的空间距离；Ri—景观单元i对物种流动的阻力值；n、m—源地与景观单元的数量。

2.4 生态节点识别

生态节点和生态源地、廊道同属于生态网络的关键要素。由于生态廊道是相对脆弱，生态节点往往成为其关键支撑。因而选取生态廊道上阻力最小、结构较为稳定的位置，即2条及以上生态廊道之间的交点，作为动物迁徙、能量传递的暂歇点和中转站，以起到“脚踏石”和“桥接”的作用。

3 结果分析

3.1 生态敏感性评价

分析西双版纳州敏感性因子，得到敏感性因子的空间分布图（图1～图3），并将上述6类敏感性因子进行叠加分析，获得西双版纳州生态敏感性综合等级分布图和面积表（图4，表4）。西双版纳州生态敏感性以中等敏感、较高敏感为主，面积分别为5525.49 km2和5256.92 km2，分别占西双版纳州总面积的28.95%和27.55%。低敏感和较低敏感的分布面积分别为1387.78 km2和3898.19 km2，分别占西双版纳州总面积的7.27%和20.43%。从空间分布来看，敏感性高值集中分布于森林密度大、植被覆盖度高的林地山区，低值区主要集中在环澜沧江流域的河谷地带以及土地平缓、人类开发建设较为密集的坝区城镇。西双版纳州综合生态敏感性相对较高，生态保护的压力较大，在区域开发建设时要控制好开发力度，避免生态遭到破坏。

3.2 重要生态源地提取

基于生态敏感性分析进行Getis-Ord Gi*热点分析工具（图5），提取置信度＞90%的热点区域并进一步删除面积＜10 km2的斑块，得到重要生态源地（图6）。生态源地面积为4138.24 km2，占西双版纳州总面积的21.69%。其中，面积＞100 km2的源地斑块共5个，总面积为3554.57 km2，占西双版纳州总面积的85.90%。从空间上看，生态源地的范围集中于州内国家级自然保护区内。其中，景洪市所占生态源地面积为36.33%，勐海县所占生态源地面积为15.37%，勐腊县所占生态源地面积48.31%。从构成地类来看，西双版纳州89.71%的生态源地由林地组成，林地生态源地主要分布在北部和西南部，即景洪市和勐腊县等区域，这些地方植被覆盖好、物种丰富、人为干扰较少、具有良好的生态基础。其次是草地（5.30%）和耕地（3.49%）。水域生态源地主要分布在澜沧江水域沿岸，丰富的淡水资源为物种繁衍提供了良好了的生存条件。

3.3 阻力面分析

叠加4个阻力因子，通过ArcGIS栅格计算器加权计算阻力要素，获得西双版纳州生态源地的综合阻力面（图7）。从空间位置来看，综合阻力值较低的地方主要是景洪市北部的勐养镇、大渡岗乡和勐旺乡与勐腊县的南部的勐满镇、磨憨镇和勐腊镇，阻力值较高的地方是中老铁路、州内高速公路这两个重要交通沿线区域，以及景洪市、勐海县坝区和其他开发建设较为密集的城镇。

3.4 生态廊道提取

基于21个生态源地与综合阻力面，按照源-汇之间的流动关系，使用MCR模型、成本距离工具计算，生成了230条生态廊道，其中，关键廊道有22条，总长度793.95 km。潜在廊道保留根据源地之间两两连线的最短值，剔除重复路径，最终获得潜在廊道37条，总长度1382.76 km（图8）。

根据图8所示，西双版纳州生态廊道格局呈现西南密、东北疏的分布特征。在空间尺度上，廊道网络在勐海县、景洪市分布密集，而在勐腊县分布则较稀疏，以生态廊道的长度计算，其中勐海县内廊道长度673.46 km，占总长度的30.94%；景洪市廊道长度971.29 km，占总长度的44.62%。而如果以廊道长度和其所在的县（市）域面积比值作为廊道密度，勐海县、景洪市、勐腊县的廊道密度分别为12.54%、14.15%以及7.74%。廊道密度大的区域多由于该地具有更多数量的源地，而这些源地都位于海拔较高的山地，面积较小、数量较多，并且与相邻的源地距离较近，因此有更加密集的廊道结构。而其他处于海拔较低、坡度较缓地带的源地，面积更大，数量较少，与其他源地间隔相对较远，因此生态廊道网络稀疏。总体来说，由于天然山体的存在，西侧的生态环境受到更少人为干扰，总体质量更好，因此源地数量更多、廊道网络复杂，对于生态系统的支持作用也更加完整。东侧由于更多的平原，人为活动影响大，例如高速、铁路均位于该区域，廊道结构较简单，对于生态系统的支持仍需完善。

22条关键廊道和37条潜在廊道共同构成了“四纵四横”的西双版纳生态廊道网络。横纵交错、相互连接，构成了稳定的生态网络结构，对整个西双版纳州的生态格局支撑与连通具有重要意义。“四纵四横”的生态廊道中，勐仑、勐养、勐腊、尚勇、曼稿5个国家级自然保护区（片区）是多条廊道汇集的核心区域，具有重要的生态价值。

3.5 生态节点识别

在整个的生态网络中（22条关键廊道和37条潜在廊道），共计有11个生态节点（图8）。生态节点作为廊道的支撑和中转，其分布特征与廊道类似，都呈现出西密东疏的空间结构。由于西双版纳的西侧属于高海拔山地，地势变化剧烈，生态阻力较大，所以廊道长度短而密度大。源地的位置、生态阻力因素以及廊道的薄弱特性，是生态节点分布特征的重要影响因子。生态节点在勐海县分布最多，达到了7个，景洪市有4个生态节点，而勐腊县由于生态源地数量少，廊道长度较长且两两之间的交叉较少，因此并没有生态节点设置，但由于廊道的脆弱性，未来的生态规划中应当注重节点的设置，防止因为阻力的增大而导致廊道断裂。

3.6 生态空间结构优化

根据ArcGIS模型生成的景观生态点（节点）、线（廊道）、面（源地）格局，辅以对西双版纳地区本底自然生境状况的分析，进一步提出研究区域内生态安全网络的结构优化策略，在原结构的基础上通过规划增加廊道、节点，最终形成完善的“一环廊带四组团，五纵四横多节点”布局（图9）。

3.6.1 完善廊道，构建“五纵四横”网络

使用ArcGIS解析西双版纳州源地得到了“四纵四横”的生态廊道格局，但仍然存在廊道密度较低的区域，因此为了整体生态网络的稳定，需要构建更加完善的廊道布局。

纵向廊道优化构建：由西至东，依次增加：①嘎洒镇南路山-勐龙镇飞龙山附近（新增生态节点）；②西双版纳国家级保护区勐仑片区-西双版纳国家级保护区尚勇片区；③西双版纳国家级保护区勐养片区-西双版纳国家级保护区勐腊片区；④勐旺乡清水河及崩咚山-西双版纳易武州级自然保护区。由此，深化并延长了原来的纵向廊道格局，使生态网络的稳定性得到加强，并在原来“四纵”格局上扩张成为“五纵”格局，打通了勐养、勐仑、尚勇3个自然保护片区，使得生态网络的连通性得到完善。

横向廊道优化构建：由北至南，依次连接

①西双版纳国家级保护区勐仑片区-西双版纳易武州级自然保护区；②景哈乡勐松西山-西双版纳国家级保护区勐腊片区。原本的横向廊道对于东西两侧的连通性较低，受到G213高速公路等阻力因素的影响，多止于第三条纵线（景洪市）便不再向东连通。因此需要依托现有的自然地理环境，对横向廊道进行延伸，以满足整个西双版纳生态网络东西方向上的生态流动需求。以“五纵四横”的生态廊道网络作为依托，西双版纳州5个国家级自然保护区片区，将被有效连接，形成生态整体，呈环状弓形分布，将其余的生态源地和节点以屏障的形式围合在环带之内，起到了保护作用。

3.6.2 丰富节点，集聚“四大生态组团”

以生态廊道踏脚石的形式，在新构建的廊道交点处设置节点，以维持规划廊道的稳定性。新增4个生态节点位都位于勐腊县，原本该县并无生态节点布局。这三个新增节点分别为：①关累镇梭罗河。新增西双版纳国家级保护区勐仑片区—尚勇片区廊道与新增景哈乡勐松西山—勐腊片区廊道的交点；②关累镇南远河。新增西双版纳国家级保护区勐仑片区—尚勇片区廊道与原有关累镇南腊河—勐腊片区廊道的交点；③易武乡磨者河。西双版纳国家级保护区勐仑片区—西双版纳易武州级自然保护区廊道和勐养片区—勐腊片区廊道的交点。这3个生态节点处于较大面积的自然保护区源地之间，生物流、能量流较大，可以有效支撑廊道的生态服务能力。优化后的生态节点共计为14个，勐海县7个，景洪市4个，勐腊县

3个，结合景观生态基底和阻力情况来看，分布较为合理，格局较为完整。以现有的5大自然保护区为基础，结合廊道和节点的分布，划分为4个生态组团。布龙—曼稿自然保护区组团、纳板河—勐养自然保护区组团、勐仑自然保护区大组团、勐腊—尚勇自然保护区组团。每个组团以国家级自然保护区为中心，以廊道连通多个生态源地和节点，形成较为完整的生态系统。将4个子组团，通过“五纵四横”廊道连接成了一个层次丰富、结构复杂、复合度高的生态安全空间新格局，促进了西双版纳地区丰富物种资源和良好生态景观的改善和发展。

4 结论

（1）西双版纳州生态源地识别的面积为4138.24 km2，占西双版纳州总面积的21.69%。生态源地聚集性相对较高，与国家级自然保护区的空间范围总体上较为吻合。具体集中在两大片区：一是位于景洪市中北部山区和勐海县的北部、东南部的自然保护区；二是位于勐腊县中部、南部的自然保护区。

（2）从构建的综合阻力面来看，综合阻力值较低的地方主要是景洪市北部的勐养镇、大渡岗乡和勐旺乡与勐腊县南部的勐满镇、磨憨镇和勐腊镇，阻力值较高的地方是中老铁路、州内高速公路这两个重要交通沿线区域，以及景洪市、勐海县坝区和其他开发建设较为密集的城镇。

（3）基于21个生态源地与综合阻力面，使用MCR模型、成本距离工具计算，生成了230条生态廊道，其中，关键廊道有22条，总长度793.95 km。剔除重复廊道后最终获得潜在廊道37条，总长度1382.76 km，生态廊道格局呈现西南密、东北疏的分布特征，构成了“四纵四横”的西双版纳生态廊道网络。

（4）在生成廊道和新增廊道的基础上划定11个生态节点，其分布特征与廊道类似，都呈现出西密东疏的空间结构。生态源地、生态缓冲区及生态廊道共同构成了西双版纳州区域景观生态安全格局。

5 讨论

（1）西双版纳州内较大面积的原始热带雨林被橡胶、茶等经济作物替代，演化为“绿色荒漠”，威胁景观生态安全[35]，但当前并图件资料可供参考，因此未纳入本研究的评价中；未来将利用图像识别技术对遥感图像进行橡胶林的自动提取，从而更全面地评价西双版纳州景观生态安全水平。

（2）景观生态安全格局的构建是漫长的过程，构建思路需具有全面性与前瞻性；由于社会经济因素难以落实到地理空间上，因此在构建生态安全网络格局中较少考虑社会经济方面的因素，导致西双版纳州景观生态安全格局网络依赖自然廊道而缺乏人工廊道，结构相对单一。

（3）文章依托景观生态学理论进行网络构建，但如何将理论优化应用到实践中，还需要开展大量实地调研和专家咨询工作，理论联系实际，确保生态网络构建具有前瞻性。

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