干旱绿洲区生态安全格局研究——以喀什地区为例

何浩天，姜云璐，曹月娥，贺忠发，赵 敏，许仲林

(1.新疆大学地理与遥感科学学院，乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046；3.上海师范大学环境与地理科学学院，上海 200234)

【研究意义】干旱绿洲区面临着经济社会发展和生态环境保护的双重压力，这对区域内的人地关系协调和可持续发展提出了巨大挑战[1-3]。构建生态安全格局的意义在于识别、修复与保护由各类生态空间要素组成的生态网络，保护其脆弱性、减少人类活动的干扰、提高要素间的连通性，实现对生态过程的有效维护与提升，从而保障生态功能的充分发挥以及生态价值与生态安全的实现。【前人研究进展】随着生态文明建设的持续推进，区域生态安全受到极大关注，生态安全相关研究深入发展[4-5]。生态学者从动植物种群、生境、景观、生物多样性、生态网络等多角度进行生态安全分析；地理学者注重土地利用结构与土地覆被的时空变化以及生态安全和人地关系的耦合协调等研究[6-11]。生态安全格局的各类关键性生态要素是从景观生态学引入的，源于“源-汇”理论和“基质-斑块-廊道”结构的“源地-廊道”提取分析已成为生态网络与生态安全格局构建的基本模式[12-16]。目前，基本形成了“生态源地-生态阻力面-生态廊道-生态节点、生态断裂点-生态网络-安全格局构建”的分析思路，但存在具体研究方法和尺度以及具体细节上的差异[15-17]。例如，在生态源地识别方面，早期学者直接选取生态环境质量较好的自然保护区、风景名胜区、大型河湖湿地等生态质量优异的区域作为生态源地，当前多数学者主要考虑生境质量差异、生态脆弱性、敏感性、景观连通性以及形态学等对生态源地质量与空间差异进行量化分析[12-17]。在生态阻力面构建方面，根据不同研究对象，主要形成了考虑特定生物迁徙而构建的阻力面和基于生态功能性的交流与互动而构建的扩散阻力面，二者在因子权重和阻力赋值上虽有数值大小的差异，但并无本质区别。多数研究在阻力因子选择与权重确定时，以代表性强的土地利用类型为主要选择因子，再增加海拔、坡度、温度、降水等辅助性因子，以及进行人类活动强度、夜间灯光数据等方面的阻力修正；阻力赋值时呈现人类活动越强、阻力值越大，生态制约性越强、阻力赋值越大的规律[15,18]。在生态廊道分析方面，运用最小累积阻力(MCR)模型识别出源地间最小成本路径，其考虑源地、距离和景观介面3个特征因素。与传统的单一距离模型相比，最小累积阻力模型更加考虑阻力成本的差异，可以反映物种运动的潜在路径[12-15,18]。基于景观指数、重力模型、生态网络分析等方法可以对生态廊道重要性以及廊道闭合度、连接度水平进行分析评价[12-13,15,19]。作为生态安全格局重要环节的生态节点和生态断裂点，是出于对生态安全关键节点和障碍点的识别与保护[15,19]。在分析方法中，In VEST模型、形态学空间格局分析(MSPA)模型、电路理论、景观连接度、最小累积阻力模型(MCR)、PSR模型、重力模型、图谱理论等广泛运用于生态安全格局分析的相关环节；在研究尺度上，国家、区域、流域、省、市、县等不同尺度都有涉及；在研究细节上，有侧重于生态源地科学提取与对比分析，有不同阻力面的构建与修正分析，也有基于不同技术方法的生态廊道的提取与宽度分析，还有生态网络优化分析与安全格局构建等研究[15-19]。【本研究切入点】目前，鲜有对干旱绿洲区生态安全格局的研究，尤其缺乏系统、全面的的对干旱绿洲区生态源地、生态廊道、生态断裂点等生态要素进行系统、全面的分析，并在此基础上形成生态安全保护格局。【拟解决的关键问题】本研究以新疆喀什地区为例，综合形态学空间格局(MSPA)与景观连接度(dPC)来对干旱绿洲区生态源地进行识别与分析；在构建生态阻力面的基础上，识别潜在生态廊道并进行重要性评价与生态网络分析；最后，综合各级各类生态要素和绿洲发展现状，提出喀什地区永续发展的安全格局，以期为喀什地区构建安全高效的生态安全格局提供建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

喀什地区位于新疆西南部，是典型大陆性干旱气候区。区域内包含多个地理单元，海拔落差巨大，达7500 m左右，地势由西南向东北倾斜，西天山南脉横卧北部，帕米尔高原耸立西部，南部是喀喇昆仑山，东部紧邻塔克拉玛干大沙漠，造就了多样的地理面貌和差异巨大的生态空间(图1)。大洋水气难以到达，导致喀什地区干旱炎热，年均降水量56～253 mm，而蒸发量最高可达2000 mm[20-21]。区域内高山冰雪融水主要发育了叶尔羌河、喀什噶尔河两大水系，流域地表水总资源量为1.20×1010m3，为绿洲形成与开发创造了条件，是喀什地区的主要水源保障[21]。近500万人口聚居于绿洲区内，对脆弱的生态环境造成巨大的现实压力，干旱区生态景观的集聚与分散性较为突出。

审图号：新S(2021)11117号(底图无修改)

1.2 数据来源

本研究采用的主要数据有：①2018年喀什地区土地利用类型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/)，数据精度为30 m×30 m，随后将土地类型分为建设用地、林草地、耕地、水体、未利用地等5类土地类型；②喀什地区数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)(分辨率30 m)来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，用于生态阻力面构建的坡度和起伏度分析；③多年平均降水量数据来源于国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn/),用于生态阻力面构建；④喀什地区道路数据来源于Open Street Map(https://www.openstreetmap.org)，用于生态断裂点的识别与分析；⑤边界数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(https://www.webmap.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 基于形态学空间格局分析法的生态源地识别 形态学空间格局分析(MSPA，Morphological spatial pattern analysis)方法是一种可区分景观类型的图像处理方法，其借助于IDL语言开发的Guidos Toolbox(Graphical User Interface for the Description of image Objects and their Shapes)进行栅格数据的空间识别、分割和度量，将二值化的栅格数据进行腐蚀、膨胀、开运算、闭运算等数学处理，最终生成互不重叠的7类景观类型(表1)[22-24]。本研究选取生态功能较好的林草地、水体(含冰川)作为前景数据，其他土地利用类型为背景数据，在Guidos Toolbox分析软件中采用八邻域分析方法，对数据进行分析，得到7种类型的景观，把其中生态意义突出的核心区作为本研究生态源地的选择范围[12,19]。

表1 景观类型及生态学意义

1.3.2 基于景观连接度的生态源地分析 景观连接度(Landscape connectivity)是指物质流在源地斑块之间的交流程度，可以作为评价生态过程的指标[7,12,19]。通过景观连接度可以很好的反映生态源地间的交流程度和密切关系。目前，常用的景观连接度指数有景观相合概率(Landscape coincidence probability, LCP)、整体连通性指数(Integral index of connectivity, IIC)、可能连通性指数(Probability index of connectivity, PC)、斑块重要值(dI)等[25-27]，本文通过景观连接度分析进行生态源地重要性分级，具体采用conefor软件对筛选出的生态源地进行景观连接度分析[18-19]。

(1)

(2)

(3)

1.3.3 基于最小累积阻力模型的生态廊道识别 由于地理差异的客观性，导致浅层地表景观基质的差异性，也直接导致物种迁徙或生态源地间的交流与扩散产生因景观异质性和空间距离的阻力成本[15-19]。而生态廊道的构建对连通生态源地、促进生物交流与维护生态功能具有重要作用[28]。最小累积阻力模型(MCR，Minimal cumulative resistance model)不同于普通的欧式距离成本的地方是其考虑了不同景观单元的阻力系数来计算成本，在景观结构基础上结合了基质对生物体运动的阻力，形象地描绘出景观潜在连接度和物种扩散的最佳路径[15-19]。本研究参考已有研究选取土地利用类型、坡度、地形起伏度以及多年平均降水进行阻力赋值和权重划分(表2)，通过叠加分析构建综合生态阻力面[12-13,18]。将生态阻力面作为各源地间生态廊道分析的成本栅格数据，运用GIS的成本距离产生不同源地的成本阻力面，运用成本路径分析产生各生态源地到其他目标源地的生态廊道，最终通过冗余性分析剔除重复路径后识别出区域内的潜在生态廊道，为生态源地间的交流互动提供可靠且低成本的路径选择[15-19]。

表2 生态阻力面赋值及权重

(4)

式中，MCR为最小累积阻力值；fmin是指最小累积阻力与距离和阻力值之间的未知正函数；Dij是栅格i到生态源地j的距离，Ri是栅格i的阻力值[18-19]。

图2 单因子生态阻力面

1.3.4 基于重力模型的生态廊道重要性分析 源于万有引力定律的重力模型广泛应用于同类事物任意两者之间的相互作用强度分析，其与两者的质量和距离相关。生态源地间的相互作用强度可以反映源地间生态廊道对交流互动的促进程度，因此可以借助重力模型(Gravity model)定量评价核心生态源地间的相互作用强度，从而判别生态廊道的重要程度，并对生态廊道进行重要性等级划分[18-19]。

(5)

式中，Gab是生态源地a、b间的相互作用强度，Na和Nb分别是两斑块的权重值，Dab是 斑块a和b间潜在廊道阻力的标准化值，Pa为斑块a的阻力值，Pb为斑块b的阻力值，Sa是斑块a的面积，Sb是斑块b的面积，Lmax是研究区中所有廊道阻力的最大值，Lab是斑块a到b之间生态廊道的累积阻力值[18-19]。根据相互作用强度分析可以定量评价生态廊道的重要性。

1.3.5 生态网络分析 在图谱理论的基础上，采用网络闭合度指数(α指数)、线点率指数(β指数)与网络连接度指数(γ指数)对潜在生态廊道连接生态源地的水平进行定量评价，以衡量其连通水平[12,29]。生态网络指数计算公式如下。

(6)

(7)

(8)

式中，L为潜在生态廊道数，v为生态源地连通数，Lmax为最大可能连接数。网络闭合度指数与生态源地间路径扩散有关，α指数越高，则生态源地间可以选择的扩散路径就越多，反之则相反；当扩散路径数目多时，不仅可以降低被干扰破坏后的影响程度，也能增加源地间的交流频率与效率。β指数可以简单刻画生态网络的结构类型，结构类型影响生态网络的安全性也会产生相应的保护策略。当β指数值小于1时，形成的生态网络结构类型为树状结构，安全性最低，应加强树状结构核心“干”部的保护以及增加廊道数量以增强“枝”部的连通性；当β指数值为1时，该生态网络的结构类型为单一回路结构，安全性次之，应在保护现有回路结构的基础上增加廊道选择；当β指数值大于1时，形成复杂的网状结构，安全性最高，应在加强保护的前提下适当提高连通效率和廊道质量。γ指数代表网络中所有源地被连接的程度，程度越高安全水平越高[29-30]。

1.3.6 生态断裂点的识别 交通道路对生态要素的干扰与破坏导致生态功能受阻，因此产生了重要的生态断裂，进而对区域生态安全产生巨大影响。因此，对生态断裂点的识别与修复是对生态源地完整性与廊道畅通性的保障[31-32]。通过道路与源地、廊道的相交关系确定道路对生态要素的干扰与破坏，相交点即为生态断裂点[32]。

我国高铁走出国家的形势虽然良好，有着很大的潜力，但一些挑战是不可避免的，激烈的竞争、国际形势、未知的不利因素都是阻碍高铁发展的重要因素。

2 结果与分析

2.1 生态源地的识别与确定

通过MSPA对前景数据的分析，识别出生态斑块51 970个，总面积达38 422.7526 km2，占喀什地区总面积的30.99%；从空间分布来看，生态斑块主要分布于南部山区和北部绿洲平原区外围，形成2个明显的因地理差异所致的分区。7类景观类型中核心区面积占比最高，达到94.46%(表3)。其中，面积大于20 km2的62个斑块占核心区面积的91.08%，占前景面积和喀什地区的比例也高达86.03%和29.39%；平均斑块面积达到533.17 km2，说明其对研究区生态源地具有很好的代表性；而面积小于20 km2的8571个斑块仅占核心区面积的8.92%，平均斑块面积仅为3.78 km2，说明绝大部分生态斑块破碎化严重。最终将面积大于20 km2的62个斑块作为生态源地以加强对核心区的保护。

表3 景观类型分类统计

对生态源地进行景观连接度分析，结果显示景观连接度具有明显的等级差异性，据此将生态源地分为4类，形成生态源地的相对重要性等级(表4)。其中，选择dPC≥1的16块生态源地作为核心生态源地。整体来看，随着连接度的降低，其分布向核心区外围扩散，平均斑块面积变小，破碎度增大。

表4 生态源地连接度分级

如图3所示，核心区、生态源地与核心生态源地在空间分布上有明显的规律性，形成源地分布格局中的“两区”。其中北部平原区形成典型的分散格局，呈大分散-小集聚的分布特征，大分散即斑块整体破碎散布，小集聚即面积较大且连接度高的斑块集中分布于沿河(叶尔羌河、喀什噶尔河)两岸；南部山区形成与山地相结合的集中分布格局，主要由山区林草地和永久性冰川组成。南部山区的生态屏障作用形成了叶尔羌河流域重要的水源区和涵养区，为下游绿洲的形成与发展提供了水源保障，是喀什地区全境的生态保障核心源，因其在生态安全中的突出重要性，将其设置为重点保护的“一源”。

a.核心区; b.生态源地; c.核心生态源地。

通过对生态功能突出的土地利用类型进行前景分析、核心区面积筛选和景观连接度分析，可以发现：①喀什地区生态斑块较多，占喀什地区总面积的30.99%，说明喀什地区有较好的生态基础。②生态斑块的面积对比悬殊。按面积大小筛选出的62块生态斑块占地区总面积的29.39%；剩余51 908个生态斑块仅占喀什地区总面积的1.6%，说明喀什地区生态斑块破碎性严重，北部平原区尤为突出。③生态源地间的景观连接度差别突出，具有明显的等级性，将最高等级连接度的生态源地确定为核心生态源地加以保护。

2.2 潜在生态廊道的构建与评价

通过构建的生态阻力面可以发现(图4)，喀什地区的阻力高值区集中分布于各绿洲城市区。次级阻力区有两大分区，其一，大面积分布于绿洲城市区外围；其二，零星分布于南部山区海拔高、坡度大的区域。

图4 综合生态阻力面

在生态阻力面构建的基础上对16个核心生态源地进行GIS廊道分析，构建出66条总长度为5693.356 km的潜在生态廊道(图5)。可以发现，生态廊道具有明显的分布特点，形成南北2个差异性廊道集中区；中间少量廊道使其南北相接，形成2条东西并行的连接带。北部生态廊道多为源间廊道，说明北部平原区的源地破碎性强，源地间的廊道连接至关重要；南部山区廊道很大比例在生态源地内，即生态源地本身的廊道性功能较为突出。基于重力模型对表征廊道重要性的相互作用强度进行分析(表5，图5)，根据重力值大小划分为极重要、重要和一般生态廊道，又将一般生态廊道中连接南北2个地理单元的廊道设置为中转生态廊道并加强保护，最终共识别出5条极重要生态廊道、13条重要生态廊道以及3条南北贯通的中转生态廊道，其余45条为一般生态廊道，并根据重要性分级结果进行差异化保护(表6)。

表5 基于重力模型的斑块间的相互作用矩阵

表6 生态廊道重要性分级与统计

图5 生态源地与生态廊道等级分布

2.3 生态断裂点与廊道构建的生态网络分析

对研究区16块核心生态源地以及所构建的66条潜在生态廊道进行生态网络分析，对潜在生态廊道的闭合度和连接度水平进行衡量，从而评价生态廊道的连通意义。从表7可以看出，随着廊道级别的降低与累积数量的增加，源地间的连通路径增多，α指数的增加，表明源地间的交流效率提高，可以有效降低被干扰后的影响程度。β指数由最初小于1增长到4.13，表明区域源地间的连通由最初安全性最低的树状结构扩展为单一回路，最终发展为安全性最高的复杂网络结构，可以反映出随着廊道数量的增多，廊道网络的安全性在提升。γ指数可以表示区域生态源地被连接的程度，数值的增加表示连接程度提升，代表着安全性的提升，这与β指数的分析结果相一致。总体来看，由于极重要生态廊道的数量有限，源地间的连通效率与连接程度均较低，随着低等级廊道的加入，源地的连通效率与程度有明显提升，最终形成复杂的网络安全结构。高等级廊道数量有限，很难满足区域生态安全的需要，而全部的66条廊道具有很好的生态网络结构。因此，在廊道保护中应尽可能的扩大保护范围。

表7 生态网络指数统计

2.4 格局构建与建议

基于生态保护的全局性要求，根据本研究分析结果，综合生态源地、廊道保护与断裂点修复等各安全要素，在考虑绿洲城市区安全的基础上，提出喀什地区“一源、一廊、两区、两带、三核、三轴”的生态安全格局[33](图6)。

图6 生态安全格局

“一源”，主要指喀什地区生态源，即南部的昆仑山生态源地集中区，它是喀什地区绿洲的水源供给与涵养区，为绿洲地区提供安全可靠的水源保障和生态屏障。“一廊”是指叶尔羌河生态安全廊道，其保障绿洲生产生活的同时，也起着沟通南北生态安全的核心廊道作用，区域内的其他生态廊道大多与叶尔羌河生态安全廊道联系紧密。“两区”是指生态源地的两个集中分布区，北部为沙漠平原生态源地破碎区，南部为山地生态源地集中区。分别呈现出南北两区的生态与安全现状差异，北部平原区绿洲广布、人口聚集、产业集聚，导致北部生态源地破碎分散；南部山区地势高、坡度大、生态原始、人口稀少，形成了喀什地区的生态屏障。“两带”即指连接南北“两区”左右并行的两条中转廊道带，偏西的生态连接带以叶尔羌河为纽带，偏东的生态连接带则以提孜那普河和库克牙河为纽带。“三核”指北部绿洲地带的城市群核心，以喀什-疏附-疏勒、莎车-泽普-叶城、巴楚-图木舒克为“三核心”的绿洲城市核。“三核”的安全是绿洲生态安全的目标与要求，核心在于“一源”对绿洲区的保障，关键在于城市核心区外围的农田及其防护网、林草带的生态防护带。“三轴”指连接“三核”形成的北部、东部、西部的“三角状”轴线。主要由交通道路两侧的绿色防护带、沿线的灌溉绿洲、北部喀什噶尔河和西部叶尔羌河沿河带等构成。在轴线的外围则是生态环境恶劣的沙漠地带，尤其莎车-泽普-叶城到巴楚-图木舒克一线直接东临我国最大的流动沙漠—塔克拉玛干沙漠，面临巨大的防风固沙压力。轴线区也是交通线路密集区，形成了生态断裂点的集中分布区，对其修复是生态安全的重要方面。

生态安全格局的构建理清了区域生态安全的重点与核心，为区域生态安全保护指出了优先级，针对不同的生态要素实施不同的生态保护措施。在生态安全格局保护中建议采取“一源”>“两区”>“一廊”>“三核”>“三轴”>“两带”的优先顺序，运用统筹协调、因地制宜、实事求是的原则开展生态安全保护与修复工程。

3 讨 论

生态要素的识别与研究为区域生态安全格局的构建提供了坚实基础，为区域生态安全保护提供了重要参考。本研究在确定生态源地时进行了多重选择，首先把生境质量基础好的林草地、水域作为潜在源地分析对象，采用MSPA分析方法识别出生态作用明显的核心区作为生态源地，在此基础上通过景观连接度评价对生态源地进行重要性分级，可为源地精准化保护提供依据。通过这种方法确定生态源地，一方面避免了生态源地选择的主观性，另一方面，为生态源地保护提供了分级依据，进而可为精准保护提供指导。在生态源地分布规律上，研究区生态源地分布具有干旱区的显著特点，与东部季风区的研究案例相比，干旱区的生态源地分布较为集中且更具有亲山水性[12,29,35]。

相关研究表明，MSPA分析对研究尺度较为敏感，随着栅格尺度的增大会导致较小景观要素的消失和面积的减少，不同研究尺度会产生不同的研究结果[12,24]。本研究选择可获取数据的最小尺度，以期最大程度识别出研究区的生态源地，未进行尺度选择方面的深入研究，应做进一步研究和分析。在基础阻力面构建方面，参考已有研究[34]，本研究选择了代表性强的土地利用类型、坡度、地形起伏度和多年平均降水等因子，缺乏对其他要素的考虑[33,35]，后续研究中应深入探讨各类阻力要素及其赋值与权重分配。

在进行潜在生态廊道构建时，进行廊道重要性评价和连通度分析，提供了廊道的分级依据并确保了构建的可靠性。不同于已有研究的单纯重要性评价和网络指数分析[18,28]，本研究把重要性评价与连通性分析进行统一，确保了廊道构建的有效性。但是廊道的宽度和廊道的生物学意义没有进行实践性探索，将是后续深化研究的方向。从生态断裂点分布来看，本文与相关研究中均体现出人类活动对生态格局安全的断裂作用，集中表现为人类活动越密集的区域生态安全格局破坏越明显，这也为生态安全格局保护提供了反向思路[17-18]。最后，综合各级各类生态要素的安全格局构建可为研究区生态安全保护提供安全、高效、可持续的等级保护体系，虽有一定的主观性，但是保护顺序优先级的确定可为实践提供可操作性指导。

4 结 论

本研究采用MSPA分析法对干旱绿洲区的林草、水域景观进行形态学分析，识别出生态意义明显的核心区，并基于景观连通的重要性对生态源地进行确定与分级；在构建综合阻力面的基础上，为生态源地的扩散识别了潜在生态廊道，并进行重要性评价与连通性衡量；同时进行生态断裂点的识别并在此基础上综合各类生态要素，形成喀什地区生态安全格局及建议。

(1)研究区生态斑块分布集中但破碎、生态源地较少连通性较差、生态断裂点较多且集中于人类活动密集的绿洲区，通过生态廊道的构建、生态网络的连通和断裂点的修复可以很好的提高连通度和安全性。

(2)构建“一源、一廊、两区、两带、三核、三轴”的生态安全格局，并结合干旱区实际和区域生态安全的重点提出保护的优先顺序，可为区域生态安全保护提供科学参考。