景艷賓, 孫 旭, 劉 軍, 孫冬杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院， 呼和浩特 010010)

生態(tài)廊道是指在景觀生態(tài)中能串聯(lián)空間分布上較為孤立和分散的斑塊、呈線性或條帶狀分布的景觀類型[1]。構(gòu)建適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)廊道，能為物種提供遷移場所，促進自然界物質(zhì)、能量和基因的流動，有利于保護生物多樣性、維護區(qū)域生態(tài)安全[2]。保護生態(tài)環(huán)境、構(gòu)建生態(tài)廊道，提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)廊道構(gòu)建的研究大多與景觀生態(tài)學(xué)或者景觀生態(tài)規(guī)劃等方面相聯(lián)系。Knaapen[3]提出了最小累積阻力模型，進行景觀格局優(yōu)化的研究，國內(nèi)知名學(xué)者俞孔堅[4]將其理論延伸到生態(tài)規(guī)劃；Forman[5]提出了格局整體性優(yōu)化理論并進行景觀規(guī)劃。國內(nèi)對于生態(tài)廊道的研究也已取得了一定的成就，廊道的構(gòu)建研究尺度多以省域[6]、市域[7]、流域[8]等相對大范圍；研究理論主要以“斑塊—廊道—基質(zhì)”為基礎(chǔ)[9]。鄂托克旗是典型的大陸性干旱草原氣候，高原地帶，降水少，多種不利的自然條件干擾著景觀格局，生態(tài)環(huán)境脆弱性較為明顯。鄂托克旗以牧為主，礦業(yè)較為發(fā)達，為了滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，過度的礦產(chǎn)資源開采，致使全旗生態(tài)環(huán)境以及可利用的自然資源遭到不同程度的破壞。近年來，鄂托克旗景觀格局發(fā)生了極大改變，生態(tài)環(huán)境惡化程度加劇，影響了鄂托克旗的綠色經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展?？紤]到生態(tài)廊道在不同區(qū)域具有不同的特色，干旱草原荒漠區(qū)的研究也比較少，且研究多關(guān)注于大范圍尺度區(qū)域。因此，本文以干旱草原氣候區(qū)的鄂托克旗為研究對象，進行縣域生態(tài)廊道的構(gòu)建，利用生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價的綜合結(jié)果來確定生態(tài)源地，通過最小累積阻力模型和重力模型得出重要廊道體系，以期為鄂托克旗生態(tài)文明建設(shè)工作提供科學(xué)指導(dǎo)，并為旗縣范圍的生態(tài)廊道后續(xù)研究提供借鑒。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

鄂托克旗是鄂爾多斯高原的重要組成部分，處于106°41′—108°54′E，38°18′—40°11′N之間，全旗面積約20 368.60 km2，海拔在1 009～2 153 m之間。地勢分布情況為西北部高于東南部，西北部是桌子山山地，中北部為多爾奔溫都爾梁地，東南部更有毛烏素沙漠。鄂托克旗夏季短促炎熱，冬季漫長寒冷，常年盛行西北風(fēng)，雨量較少，蒸發(fā)量大，氣候干燥。平均氣溫6.4 ℃，年均降水量僅250 mm。黃河流經(jīng)境內(nèi)西北邊緣，境內(nèi)有都斯圖河、赤老圖河。鄂托克旗土壤地帶性顯著，東南部廣泛分布著栗鈣土，根據(jù)地形特征逐漸向西北部過渡，西北地區(qū)廣泛分布著灰漠土，土質(zhì)差[10]。鄂托克旗是一個以漢族為主的少數(shù)民族聚居的縣域，旗下轄有6個蘇木、鎮(zhèn)。2018年GDP為453.3億元，同比增長了7%。根據(jù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，第一產(chǎn)業(yè)增加值為8.95億元，同比增長2.1%；第二產(chǎn)業(yè)增加值為327.19億元，同比增長8.7%；第三產(chǎn)業(yè)增加值為112億元，同比增長2.7%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

主要數(shù)據(jù)包括：分辨率為30 m×30 m的2018年Landsat-TM影像；高程模型GDEM 30 m數(shù)據(jù)；坡度數(shù)據(jù)是利用ArcGIS 10.2中Spatial Analyst工具從高程數(shù)據(jù)中提取出來的；土地利用和土壤基質(zhì)等地理信息數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2018年鄂托克旗縣國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地的確定

生態(tài)源地是指具有重要生態(tài)服務(wù)功能、能夠維持生態(tài)系統(tǒng)完整性的生態(tài)斑塊[11]。生態(tài)源地維持景觀生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性，其生態(tài)效益向周邊環(huán)境擴散。本研究從生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值重要性兩方面進行定量分析，提取出具有一定面積的生態(tài)重要性區(qū)域作為該研究區(qū)的生態(tài)源地。

2.2 生態(tài)敏感性分析

生態(tài)敏感性指生態(tài)系統(tǒng)對人類活動干擾和自然環(huán)境變化的響應(yīng)程度，表征發(fā)生區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和概率大小[12]。在自然狀態(tài)下，各種生態(tài)過程維持著一種相對穩(wěn)定的耦合關(guān)系，保證著生態(tài)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定，而當(dāng)外界干擾超過一定限度時，這種耦合關(guān)系將被打破，將使某些生態(tài)過程失衡，導(dǎo)致嚴重的生態(tài)問題。敏感性高的區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)容易受損，應(yīng)該是生態(tài)環(huán)境保護和恢復(fù)建設(shè)的重點，也是生產(chǎn)生活的受限或禁止的地區(qū)。

2.2.1 敏感性評價體系的建立 根據(jù)早期2002年制定的《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》[13]以及考慮研究區(qū)的實際生態(tài)情況，運用層次分析法來構(gòu)建敏感因子評價指標(biāo)體系，選取研究區(qū)典型生態(tài)特征坡度、高程、NDVI值、土地利用結(jié)構(gòu)(表1)以及土壤基質(zhì)等5個敏感因子作為指標(biāo)層，綜合敏感性評價作為目標(biāo)層進行分析。

表1 2018年鄂托克旗土地利用結(jié)構(gòu)

按照《城市規(guī)劃GIS技術(shù)應(yīng)用》[14]中的分級標(biāo)準(zhǔn)和參考楊姍姍[15]等的研究成果，將單個敏感性因子分為極敏感、高敏感、中敏感、輕敏感和非敏感5個等級，確立鄂托克旗生態(tài)敏感性評價指標(biāo)體系(見表2)。

表2 生態(tài)敏感性評價指標(biāo)體系

2.2.2 多因素加權(quán)疊加法 采用層次分析法(AHP)計算各因子的權(quán)重，建立層次結(jié)構(gòu)圖，兩兩比較單因子對生態(tài)環(huán)境的重要性，對各敏感性因子按照5分制進行打分。結(jié)果詳見表3。

表3 鄂托克旗敏感因子判斷矩陣及權(quán)重值

通過云算子軟件計算得出矩陣最大特征根λmax=5.2083，因為λmax>4，需要對矩陣進行一致性檢驗，一致性指標(biāo)CI=(λmax-n)/(n-1)，經(jīng)計算CI=0.052 1。通過查表可以得到矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)(RI)，RI值見表4。當(dāng)n=5，RI=1.12。再計算一致性比率CR=CI/RI，經(jīng)計算CR=0.052 1/1.12=0.046 5。所以當(dāng)CR<0.1時，矩陣一致性是可以接受的。再求出最大特征根對應(yīng)的特征向量，歸一化處理后得到單因子的重要性權(quán)重值W=[0.072 2，0.242 9，0.125 6，0.468 3，0.090 0]。

表4 判斷矩陣RI值

坡度的大小直接影響土壤侵蝕和沙漠化程度，對生態(tài)敏感性起決定性作用，坡度所占權(quán)重比率大一些；高程不同，所對應(yīng)的溫度、氣候、降水量以及土壤條件都有一定差異，本研究區(qū)桌子山高程略顯突兀，比重小一點比較合理；NDVI值不僅可以很好反映生態(tài)敏感性，還是生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的自然元素，也是易被污染的環(huán)境因子，鄂托克旗以草地為主；土地是人類活動的載體，用地利用類型不同表明人類對土地和生態(tài)環(huán)境的利用程度也不同，從而導(dǎo)致生態(tài)敏感性的差異，所占權(quán)重比率最大；地表物質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的不同，可以有效的反應(yīng)區(qū)域的敏感程度高低和決定土地利用的方式差異。

運用多因素加權(quán)求和模型(公式1)[16]，并采用自然斷裂法對疊加結(jié)果進行重分類，最終確定鄂托克旗各敏感性區(qū)域。

(1)

式中：i為評價因子編號，對應(yīng)高程、坡度、NDVI值、土壤基質(zhì)和土地利用5個評價因子；n為評價因子總數(shù)；S為綜合敏感性評價值；Wi為第i個評價因子的權(quán)重值；Ai為第i個評價因子的生態(tài)敏感值(從1，3，5，7，9中賦值)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)涵蓋人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有收益，是測度生態(tài)系統(tǒng)健康程度的關(guān)鍵指標(biāo)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能角度出發(fā)，選取生物多樣性、土壤保持、固碳釋氧、水源涵養(yǎng) 4項功能指標(biāo)，對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行定量評價，通過歸一化處理與疊加分析評價綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

在Costanza、謝高地等[17]的研究成果的基礎(chǔ)上，并結(jié)合鄂托克旗的土地利用數(shù)據(jù)成果與實際情況的調(diào)研，采用2017年土地利用二級分類系統(tǒng)，通過李曉賽[18]當(dāng)量因子調(diào)整和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)修正的成果，得出鄂托克旗單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)表(表5)。

表5 鄂托克旗單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)

2.4 生態(tài)廊道的構(gòu)建

各個生態(tài)源地之間是通過生態(tài)廊道進行連接的，生態(tài)廊道內(nèi)進行能量、物質(zhì)流動和信息的傳遞，能夠大大減輕景觀破碎化帶來的危害。

2.4.1 生態(tài)廊道模型構(gòu)建 本研究采用最小累積阻力模型(MCR)和最小成本路徑的方法，對研究區(qū)進行生態(tài)廊道的研究。最小累積阻力指以生態(tài)源地為中心到達目標(biāo)地，克服不同阻力景觀所需做的功。根據(jù)最小累積阻力模型計算公式[19]，可計算生態(tài)源地與目標(biāo)地的最小累積阻力距離，確定潛在的生態(tài)廊道。

(2)

式中：MCR為最小累計阻力值；Dij為從生態(tài)源點j到空間單元i的距離；Ri為空間單元i的阻力系數(shù)。

通過參考相關(guān)文獻和研究成果[20]，從土地利用現(xiàn)狀中選取林地、耕地、其他水域、草地、河流、園地、未利用地和建設(shè)用地8種景觀地類，再加上道路緩沖區(qū)作為阻力因子，構(gòu)建阻力評價體系(表6)。阻力取值越高表示生物遷徙過程中受到的阻力越大。

表6 生態(tài)源地與目標(biāo)地阻力因子賦值

運用重力模型[21]計算各生態(tài)源地之間相互作用矩陣，定量評價各源地間的相互作用程度，從而能夠更為科學(xué)地判斷區(qū)域內(nèi)廊道的相對重要程度關(guān)系，重力模型計算公式為：

(3)

式中：Gab為生態(tài)源地a與b之間的相互作用程度；Na和Nb分別是兩源地的權(quán)重值；Dab是a與b之間潛在廊道阻力的標(biāo)準(zhǔn)化值；Pa為源地a的阻力值；Sa為源地a的面積；Lab為源地a與b之間廊道的累積阻力值；Lmax為研究區(qū)中所有廊道累積阻力最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)敏感性評價

在ArcGIS軟件環(huán)境下，根據(jù)公式1進行疊加分析，生成綜合生態(tài)敏感性分布圖(圖1)。鄂托克旗綜合生態(tài)敏感性評價分值介于1.25～8.74之間，將該指數(shù)區(qū)間分值利用自然斷點法劃分5個等級，然后重分類，并分級賦值(表7)。

圖1 鄂托克旗生態(tài)綜合敏感性分布

表7 鄂托克旗生態(tài)敏感性空間面積分布估算

鄂托克旗生態(tài)敏感性程度較強。極度敏感區(qū)域占全旗面積的31.06%，面積達到了632 648.72 hm2；高度敏感區(qū)域占全旗面積的16.25%，面積為330 989.75 hm2；非敏感區(qū)域僅僅占全旗面積的2.17%，面積為44 199.86 hm2。

由圖1可知，在旗的西北部呈現(xiàn)低—中—高—極敏感性遞增規(guī)律，由四周向蒙西鎮(zhèn)和棋盤井鎮(zhèn)交界處聚攏，高程、坡度以及用地類型導(dǎo)致了這種現(xiàn)象；西南部敏感程度較低，為輕度敏感性，因為耕地，坡度、高程均較低；東南部敏感程度為高、極度敏感性，是由于沙地引起的；東北和中部，是中度敏感性，植被類型為草地，地勢較平坦，壤質(zhì)土壤。

3.2 生態(tài)服務(wù)價值評價

根據(jù)公式(2)，利用自然斷點法將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值劃分為5個等級: -8 866～1 278元/hm2(極低值區(qū))，1 278.01～4 659元/hm2(低值區(qū))，4 659.01～5 891元/hm2(中值區(qū))，5 891.01～ 25 598元/hm2(高值區(qū))，25 598～145 958元/hm2(極高值區(qū))(圖2)。

圖2 鄂托克旗生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分布

鄂托克旗總體狀況較差，絕大部分地區(qū)處于中低值區(qū)(表8)。低、中值區(qū)面積達19 425.53 km2，占比重的95.37%；部分地區(qū)處于負值狀態(tài)，這是因為建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是負向的；僅有少部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值極高，面積為6 518 hm2，占比0.32%。

表8 鄂托克旗生態(tài)服務(wù)價值評價分級

全旗生態(tài)服務(wù)價值總體較低。高值區(qū)于東西兩側(cè)零散分布，烏蘭鎮(zhèn)周邊地區(qū)高于外部地區(qū)，耕作區(qū)高于其他未利用地區(qū)，沿河地帶高于周邊其他地區(qū)。高值區(qū)域集中分布在烏蘭鎮(zhèn)和阿爾巴斯蘇木，主要是因為這些地方是林地和水域的集中分布區(qū)域，這兩種單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較高，且分布集中。低值區(qū)和極低值區(qū)，包括許多建設(shè)用地和廢棄或停產(chǎn)的工礦用地，提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較少或者不提供，還會帶來負面影響。

3.3 生態(tài)源地的確定

對生態(tài)敏感性評價和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的結(jié)果分別進行賦值(表9)，利用ArcGIS 10.2軟件中的空間分析功能進行等權(quán)疊加統(tǒng)計，得到鄂托克旗生態(tài)重要性等級分布圖(圖3)。

表9 鄂托克旗生態(tài)重要性等級劃分

生態(tài)重要性等級越高，需要進行保護的迫切度越強，Ⅰ級和Ⅱ級為暫不需要保護的地區(qū)，Ⅴ級為優(yōu)先保護地區(qū)。

生態(tài)源地的總面積為13 468.65 hm2，零散分布于鄂托克旗(如圖3所示)。從Ⅴ級區(qū)域中通過相鄰斑塊合并，并根據(jù)面積大小，提取出15個大型斑塊作為生態(tài)源地，并以此為源點構(gòu)建鄂托克旗生態(tài)廊道。源地主要分布在西北部的棋盤井鎮(zhèn)和蒙西鎮(zhèn)交界處的礦區(qū)，東部零散分布于林地和水域附近。

圖3 鄂托克旗生態(tài)重要性等級及源點分布

3.4 生態(tài)廊道的分析

根據(jù)對阻力因子分別賦值，將各阻力因子的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，再使用鑲嵌至新柵格工具將各阻力因子的柵格圖層疊加生成阻力成本面(圖4)。

圖4 生態(tài)廊道阻力成本面分布

把阻力成本面作為MCR模型的成本數(shù)據(jù)，利用生態(tài)源地和阻力成本面計算每個像元到成本面上最近源地的最小累積阻力成本距離，從而生成研究區(qū)潛在生態(tài)廊道。通過公式(4)，計算得到15個生態(tài)源地斑塊間的相互作用矩陣(表10)。重力模型結(jié)果反映出潛在廊道對生態(tài)系統(tǒng)的重要性，進而得到鄂托克旗重要廊道分布圖(圖5)。

圖5 鄂托克旗重要生態(tài)廊道分布

表10 基于重力模型的源地間相互作用矩陣

15，14和13三個生態(tài)源地之間重力值最大，相互關(guān)系最為強烈，源地之間物質(zhì)能量的交流和傳播更為簡單，生態(tài)廊道建成的必要性最大，須加強這些源地的保護工作，避免遭到破壞；源地12與源地5和源地6的重力值較大，對于源地12加以保護，保證源地中轉(zhuǎn)樞紐作用的發(fā)揮；源地1，4，7，8，9與其他源地之間的關(guān)聯(lián)性較為弱，物質(zhì)能量的交流和傳播稍為困難，但是由于源地5和10位于它們的周圍，生態(tài)廊道的構(gòu)建以源地5和10為中心，就能夠連接起鄂托克旗所有的遷徙路徑。

整體來看，鄂托克旗生態(tài)源地主要呈現(xiàn)東西兩側(cè)，布隆嘎查和察汗淖爾嘎查源地起到了溝通東西物質(zhì)能量交流的橋梁作用，為保證研究區(qū)生態(tài)源地的整體連通性，加強對這兩片源地的保護顯得特別重要，保護好這些源地有利于研究區(qū)東西區(qū)域之間的物種遷移，對研究區(qū)整體生態(tài)廊道的構(gòu)建具有重要意義。

本研究鄂托克旗生態(tài)源地一共15處，源地15-13-14之間的相互作用最大；源地5-2-12-6之間的關(guān)聯(lián)度次之，12-3-14和14-5-10之間的生態(tài)廊道的構(gòu)建最為重要，保護好這兩條廊道有利于研究區(qū)東西區(qū)域之間的貫穿，對研究區(qū)整體生態(tài)廊道的構(gòu)建具有重要意義。生態(tài)源地12，5，13，3，10的保護必須加強，且生態(tài)源地5和3尤為重要，是連接?xùn)|西的必經(jīng)之地。為了合理有效的建成生態(tài)廊道，減少廊道建設(shè)的成本，最終構(gòu)建了鄂托克旗包括4條重要廊道和4條一般廊道在內(nèi)的生態(tài)廊道體系(圖5) ，總長1 524 km，其中重要廊道為4條，分別為15-13-14，5-2-12-6，12-3-14，14-5-10，共721 km。一般廊道分別為14-11，7-15-4，8-10-9-5和11-5-9-10，共803 km。對于源地5與3，在未來規(guī)劃建設(shè)時需要重點把控，同時在建成之后也需要采取嚴格的措施進行保護。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

當(dāng)前關(guān)于干旱區(qū)草原縣域生態(tài)敏感性分析研究較少，本研究采用的層次分析法確定的權(quán)重，主觀性太強，且研究選取的評價指標(biāo)體系不盡全面，與甘琳等人[22]研究相比，缺少城市擴張和服務(wù)等評價因子。生態(tài)服務(wù)價值分析，只考慮18 a的具體情況，和吳海珍等[23]研究相比，生態(tài)服務(wù)價值可信度較低，應(yīng)該求取多年均值。與前期研究成果[24]相比，本研究以生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值綜合結(jié)果定量的確定出生態(tài)源地，在方法上避免了主觀干擾，再結(jié)合鄂托克旗鄉(xiāng)鎮(zhèn)級矢量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確指出生態(tài)源地的所在位置，對于保護和管理更加具有針對性。在構(gòu)建阻力成本面時并沒有對特定物種進行針對性的景觀阻力賦值，生成的廊道路徑可能不適合部分生物種群。此外，在生態(tài)廊道的規(guī)劃設(shè)計中，不僅要考慮廊道的長度和寬度，還要注意廊道內(nèi)的土地利用類型是否滿足國土部門的相關(guān)規(guī)定，這就給施工建設(shè)帶來了不確定性，缺少相關(guān)研究，下一階段，本研究會加大對鄂托克旗生物資料、國土部門相關(guān)規(guī)定等資料收集和分析，進一步深入對廊道建設(shè)合理性研究。本文初步對鄂托克旗生態(tài)廊道體系進行構(gòu)建，對生態(tài)文明建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。為了更好地提升縣域生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，生態(tài)廊道在未來實際建設(shè)中可行性較大。

4.2 結(jié) 論

(1) 鄂托克旗生態(tài)敏感性較高，全旗敏感程度呈現(xiàn)為中度以上敏感性，極度敏感區(qū)分布在東南部和西北部，占全旗面積比重41.31%；鄂托克旗生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總體狀況較差，絕大部分地區(qū)處于中低值區(qū)，占全旗面積95.37%。

(2) 生態(tài)源地的面積為13 468.65 hm2，生態(tài)源地零散分布在鄂托克旗旗的東西兩側(cè)，西北部分布于棋盤井鎮(zhèn)的環(huán)境優(yōu)良的礦區(qū)，東部零散分布于林地和水域附近。

(3) 最終構(gòu)建起包括4條重要廊道和4條一般廊道的生態(tài)廊道體系，生態(tài)廊道與生態(tài)源地大致構(gòu)成了一個環(huán)形閉合區(qū)域。重要廊道為4條，分別為15-13-14，5-2-12-6，12-3-14，14-5-10，共共721 km。一般廊道分別為14-11，7-15-4，8-10-9-5和11-5-9-10，共803 km。

(4) 綜合全區(qū)核心型生態(tài)源地、生態(tài)廊道以及生態(tài)建設(shè)規(guī)劃的空間布局，考慮自然本底特征，對于布隆嘎查和察汗淖爾嘎查源地，在未來規(guī)劃建設(shè)時需要重點把控，同時在建成之后也需要采取嚴格的措施進行保護。