甘肃黑河流域生态网络构建与优化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00107

摘要/Abstract

摘要：

生态网络识别与优化是保障区域生态安全格局、开展国土空间生态保护修复的重要研究手段。对于生态脆弱的内陆河流域而言，生态网络优化对保障区域生态安全和促进生态系统良性循环具有重要意义。本研究基于生态系统服务和电路理论构建了黑河流域甘肃段的生态网络，并对区域的现存问题以及保护重点提出相应的策略。结果表明：（1）识别出重要生态源地10个，面积为17 649.16 km²，占源地总面积的90.11%，主要分布在南部祁连山区和中下游绿洲区。识别出一般生态源地51个，面积为1 936.83 km²，占源地总面积的9.89%，主要分布在重要源地辐射的草地区域；（2）提取出一级生态廊道27条，总长度为204.86 km，主要分布在流域山地-绿洲过渡地带。提取出二级生态廊道105条，总长度为1 260.68 km，是区域生态网络骨架的主要组成。分别识别出生态夹点和障碍点103、31个，总面积分别为28.48、87.39 km²，主要分布在祁连山西段以及沙化严重的荒漠区；（3）流域的低供给-高需求区域占流域总面积8.2%，主要分布在荒漠-绿洲过渡带，对其保护和优化能够一定程度上减小生态网络的退化风险。

关键词: 生态网络, 电路理论, 生态系统服务, 黑河流域

Abstract:

Ecological network identification and optimization is an important research method to ensure regional ecological security pattern and carry out territorial ecological protection and restoration. Especially for the ecologically fragile inland river basin， the optimization of ecological network is of great significance to ensure regional ecological security and promote the virtuous cycle of ecosystem. Based on the ecosystem services and circuits theory， this study constructs the ecological network of Gansu section of Heihe River Basin， and puts forward the corresponding strategies for the existing problems and protection of the region. The results indicate that：（1） 10 important ecological source areas were identified with an area of 17 649.16 km²， accounting for 90.11% of the total area of the source area， mainly distributed in the southern Qilian Mountain area and the middle and lower reaches of the oasis area. 51 common ecological sources were identified， with an area of 1 936.83 km²， accounting for 9.89% of the total area of the source， mainly distributed in the radiating grassland area of the important source. （2） Twenty-seven first-level ecological corridors were extracted， with a total length of 204.86 km， mainly distributed in the transition zone between mountain and oasis in the basin. There are 105 secondary ecological corridors with a total length of 1 260.68 km， which are the main components of the framework of regional ecological network. 103 and 31 ecological pinch points and barriers were identified by consensus， with a total area of 28.48 km² and 87.39 km²， respectively， mainly distributed in the western Qilian Mountains and the desert area with serious desertification. （3） The low supply and high demand of the basin account for 8.2% of the total area of the basin， which is mainly distributed in the desert oasis transition zone， and its protection and optimization can reduce the degradation risk of the ecological network to a certain extent.

Key words: ecological network, circuit theory, ecosystem services, Heihe River Basin

中图分类号:

Q148

许澳康, 吉天琪, 石晶. 甘肃黑河流域生态网络构建与优化[J]. 中国沙漠, 2025, 45(2): 61-70.

Aokang Xu, Tianqi Ji, Jing Shi. Construction and optimization of ecological network of the Heihe River Basin （Gansu section）[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(2): 61-70.

图/表 8

图1 研究区概况

Fig.1 Overview of the study area

表1 数据来源及相关说明

Table 1 Specific data sources and related descriptions

数据类别	数据格式	数据来源
土地利用	栅格，30 m×30 m	中国科学院资源环境科学数据中心（http://wwwresdc.cn）
DEM	栅格，30 m×30 m	中国科学院资源环境科学数据中心（http://wwwresdc.cn）
人口密度	栅格，1 000 m×1 000 m	中国科学院资源环境科学数据中心（http://wwwresdc.cn）
GDP	栅格，1 000 m×1 000 m	中国科学院资源环境科学数据中心（http://wwwresdc.cn）
土壤属性	栅格，1 000 m×1 000 m	世界土壤数据库(HWSD)中国土壤数据集
NDVI	栅格，250 m×250 m	美国地质调查局(USGS)
气温、降水	栅格，1 000 m×1 000 m	中国气象科学数据共享平台(http://data.cma.cn/)
雪盖因子数据	栅格，1 000 m×1 000 m	国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http://wwwncdc.accn/portal/)
社会经济统计数据	表格统计	《中国统计年鉴》《甘肃发展年鉴》《甘肃农村年鉴》《甘肃省水资源公报》《张掖市年鉴》

表2 生态系统服务评估

Table 2 Ecosystem services assessment

类型	理论依据	计算公式	变量释义
食物供给	以归一化植被指数对农牧业产值空间化处理，农业产值以栅格NDVI值与耕地NDVI值的比分配，牧业产值以栅格NDVI值与草地NDVI值的比分配，水产品产值以栅格NDVI值与水域NDVI值的比分配，以表征各栅格的食物供给能^[28-29]	$G i = G s u m × N D V I i N D V I s u m$	$G i$ 为栅格i分配的粮食、肉类、奶类和水产品的产量； $G s u m$ 为流域粮食、肉类、奶类和水产品的产量； $N D V I i$ 为栅格x的归一化植被指数； $N D V I s u m$ 为流域耕地、草地和水域的 $N D V I$ 之和
碳固存	运用InVEST模型中的Carbon模块计算，土地利用类型碳密度系数根据Alam等^[30]和陈光水等^[31]的研究方法进行修正	$C s u m = ∑ i = 1 n (C i - a b o v e + C i - b e l o w +$ $C i - s o i l + C i - d e a d) × A i$	i为土地利用类型数量； $C s u m$ 为生态系统碳储量总和；C_i_-above，C_i_-below，C_i_-soil和C_i_-dead分别是第i类土地利用中地上、地下、土壤和死亡有机碳密度（单位：t·hm^-2）;A_i 为第i类土地利用类型的面积
防风固沙	通过植被的固沙量进行计算，裸土条件下的潜在风蚀量与植被覆盖条件下的实际风蚀量的差值^[32]	$S L s v = S L s - S L v$ $S L = Q y / y$	$S L s v$ 为潜在防风固沙量（kg·m^-2）； $S L s$ 为潜在土壤风蚀量（kg·m^-2）； $S L v$ 为实际土壤风蚀量（kg·m^-2）；SL为土壤风蚀模数（kg·m^-2）；y为地块长度； $Q y$ 为地块长度y处的沙通量（kg·m^-1）
产水	运用InVEST模型中的产水模块计算，即栅格的年降水量减去年实际蒸散量^[29,33]	$W x j = 1 - A E T x j P x × P x$	$W x j$ 为第j类土地利用、栅格x的产水量； $A E T x j$ 为第j类土地利用、栅格x的年实际蒸散量； $P x$ 为栅格x的年降水量

表2 生态系统服务评估

Table 2 Ecosystem services assessment

类型	理论依据	计算公式	变量释义
食物供给	以归一化植被指数对农牧业产值空间化处理，农业产值以栅格NDVI值与耕地NDVI值的比分配，牧业产值以栅格NDVI值与草地NDVI值的比分配，水产品产值以栅格NDVI值与水域NDVI值的比分配，以表征各栅格的食物供给能^[28-29]	$G i = G s u m × N D V I i N D V I s u m$	$G i$ 为栅格i分配的粮食、肉类、奶类和水产品的产量； $G s u m$ 为流域粮食、肉类、奶类和水产品的产量； $N D V I i$ 为栅格x的归一化植被指数； $N D V I s u m$ 为流域耕地、草地和水域的 $N D V I$ 之和
碳固存	运用InVEST模型中的Carbon模块计算，土地利用类型碳密度系数根据Alam等^[30]和陈光水等^[31]的研究方法进行修正	$C s u m = ∑ i = 1 n (C i - a b o v e + C i - b e l o w +$ $C i - s o i l + C i - d e a d) × A i$	i为土地利用类型数量； $C s u m$ 为生态系统碳储量总和；C_i_-above，C_i_-below，C_i_-soil和C_i_-dead分别是第i类土地利用中地上、地下、土壤和死亡有机碳密度（单位：t·hm^-2）;A_i 为第i类土地利用类型的面积
防风固沙	通过植被的固沙量进行计算，裸土条件下的潜在风蚀量与植被覆盖条件下的实际风蚀量的差值^[32]	$S L s v = S L s - S L v$ $S L = Q y / y$	$S L s v$ 为潜在防风固沙量（kg·m^-2）； $S L s$ 为潜在土壤风蚀量（kg·m^-2）； $S L v$ 为实际土壤风蚀量（kg·m^-2）；SL为土壤风蚀模数（kg·m^-2）；y为地块长度； $Q y$ 为地块长度y处的沙通量（kg·m^-1）
产水	运用InVEST模型中的产水模块计算，即栅格的年降水量减去年实际蒸散量^[29,33]	$W x j = 1 - A E T x j P x × P x$	$W x j$ 为第j类土地利用、栅格x的产水量； $A E T x j$ 为第j类土地利用、栅格x的年实际蒸散量； $P x$ 为栅格x的年降水量

表3 不同生境类型威胁源数据

Table 3 Threat source data for different habitat types

威胁源	权重	敏感水平				最大威胁距离	衰减类型
威胁源	权重	耕地	林地	草地	水域	最大威胁距离	衰减类型
建设用地	1.0	0.50	0.70	0.65	0.70	8	指数
公路	0.8	0.30	0.20	0.35	0.40	5	指数
铁路	0.6	0.25	0.20	0.35	0.45	3	指数
未利用地	0.3	0.25	0.30	0.40	0.20	3	线性
耕地	0.2	0.20	0.40	0.45	0.50	1	线性

图2 生态系统服务重要等级划分的空间分布

Fig.2 Spatial distribution of ecosystem service importance classification

图3 生态源地和阻力面的空间分布

Fig.3 Spatial distribution of ecological sources and resistance surface

图4 生态廊道、生态夹点和障碍点的空间分布

Fig.4 Spatial distribution of ecological corridors， ecological pinch points and barriers

图5 生态系统服务供需的空间分布注：L-L（低供给低需求）；L-H（低供给高需求）；H-L（高供给低需求）；H-H（高供给高需求）

Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service supply and demand

参考文献 53

1	Lewis S， Maslin M.Defining the Anthropocene［J］.Nature，2015，519：171-180.
2	Lei K， Pan H Y， Lin C Y.A landscape approach towards ecological restoration and sustainable development of mining areas［J］.Ecological Engineering，2016，90：320-325.
3	董毓伊，冯秀丽，黄俊杰，等.国土空间生态保护修复重点区域识别研究：以宁波市为例［J］.中国土地科学，2023，37（6）：96-105.
4	张学渊，魏伟，周亮，等.西北干旱区生态脆弱性时空演变分析［J］.生态学报，2021，41（12）：4707-4719.
5	岳笑，张良侠，周德成，等.干旱-半干旱典型生态脆弱区生态脆弱性时空演变及驱动因子分析［J］.环境生态学，2023，5（6）：1-9.
6	Shuai N， Hu Y C， Gao M W，et al.Construction and optimization of ecological networks in karst regions based on multi-scale nesting：a case study in Guangxi Hechi，China［J］.Ecological Informatics，2023，74：101963.
7	Pan J H， Liang J， Zhao C C.Identification and optimization of ecological security pattern in arid inland basin based on ordered weighted average and ant colony algorithm：a case study of Shule River Basin，NW China［J］.Ecological Indicators，2023，154：110588.
8	Montis A D， Ganciu A， Cabras M，et al.Comparative ecological network analysis：an application to Italy［J］.Land Use Policy，2019，81：714-724.
9	彭建，赵会娟，刘焱序，等.区域生态安全格局构建研究进展与展望［J］.地理研究，2017，36（3）：407-419.
10	蒙吉军，燕群，向芸芸.鄂尔多斯土地利用生态安全格局优化及方案评价［J］.中国沙漠，2014，34（2）：590-596.
11	韩阳媚，王锦，于世涛，等.塞罕坝地区生态网络构建及优化［J］.干旱区资源与环境，2023，37（5）：112-121.
12	刘秀萍，李新宇，李延明，等.快速城市化地区生态网络构建与优化：以北京市大兴区为例［J］.生态学报，2023，43（20）：8321-8331.
13	于强，岳德鹏，张启斌，等.磴口县景观格局演变特征及生态网络构建［J］.中国沙漠，2017，37（3）：601-609.
14	王梦頔，刘家明，朱鹤，等.基于连通性与敏感性的山岳型景区生态安全格局构建：以山西省云丘山为例［J］.中国生态旅游，2021，11（2）：266-282.
15	徐文彬，尹海伟，孔繁花.基于生态安全格局的南京都市区生态控制边界划定［J］.生态学报，2017，37（12）：4019-4028.
16	Zhou G J， Huan Y Z， Wang L Q，et al.Linking ecosystem services and circuit theory to identify priority conservation and restoration areas from an ecological network perspective［J］.Science of The Total Environment，2023，873：162261.
17	彭建，李慧蕾，刘焱序，等.雄安新区生态安全格局识别与优化策略［J］.地理学报，2018，73（4）：701-710.
18	Gao M W， Hu Y C， Bai Y P.Construction of ecological security pattern in national land space from the perspective of the community of life in mountain，water，forest，field，lake and grass：a case study in Guangxi Hechi，China［J］.Ecological Indicators，2022，139：108867.
19	Peng J， Zhao H， Liu Y.Urban ecological corridors construction：a review［J］.Acta Ecologica Sinica，2016，37（1）：23-30.
20	倪庆琳，丁忠义，侯湖平，等.基于电路理论的生态格局识别与保护研究：以宁武县为例［J］.干旱区资源与环境，2019，33（5）：67-73.
21	荣月静，严岩，王辰星，等.基于生态系统服务供需的雄安新区生态网络构建与优化［J］.生态学报，2020，40（20）：7197-7206.
22	Jia Q Q， Jiao L M， Lian X H，et al.Linking supply-demand balance of ecosystem services to identify ecological security patterns in urban agglomerations［J］.Sustainable Cities and Society，2023，92：1-13.
23	Wang J， Zhai T L， Lin Y F，et al.Spatial imbalance and changes in supply and demand of ecosystem services in China［J］.Science of the Total Environment，2019，657：781-791
24	Tan J， Peng L， Wu W，et al.Mapping the evolution patterns of urbanization，ecosystem service supply-demand，and human well-being：a tree-like landscape perspective［J］.Ecological Indicators，2023，154：110591.
25	韩子言，蒙吉军，邹易，等.1982-2017年黑河流域植被指数动态及其对气候变化与生态建设工程的响应［J］.中国沙漠，2023，43（3）：96-106.
26	Cheng G D， Li X， Zhao W Z，et al.Integrated study of the water-ecosystem-economy in the Heihe River Basin［J］.National Science Review，2014，1（3）：413-428.
27	黄俊达，黄金玲，陈超劲.以自然保护地为主体的广州市域生态网络构建［J］.应用生态学报，2024，35（1）：247-254.
28	Peng J， Hu X X， Qiu S J，et al.Multifunctional landscapes identification and associated development zoning in mountainous area［J］.Science of The Total Environment，2019，660：765-775.
29	杜可心，张福平，冯起，等.黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区［J］.中国沙漠，2023，43（2）：139-149.
30	Alam S A， Starr M， Clark B J F.Tree biomass and soil organic carbon densities across the Sudanese woodland savannah：a regional carbon sequestration study［J］.Journal of Arid Environments，2013，89：67-76.
31	陈光水，杨玉盛，刘乐中，等.森林地下碳分配（TBCA）研究进展［J］.亚热带资源与环境学报，2007，2（1）：34-42.
32	牛丽楠，邵全琴，宁佳，等.西部地区生态状况变化及生态系统服务权衡与协同［J］.地理学报，2022，77（1）：1-14.
33	李芳，张金龙，杨环.基于InVEST模型的黑河流域上游1990-2018年产水量模拟［J］.高原气象，2022，41（3）：698-707.
34	Lin Q， Mao J Y， Wu J S，et al.Ecological security pattern analysis based on InVEST and least-cost path model：a case study of Dongguan water village［J］.Sustainability，2016，8（2）：172.
35	Terrado M， Sabater S， Chaplin-Kramer B，et al.Model development for the assessment of terrestrial and aquatic habitat quality in conservation planning［J］.Science of the Total Environment，2016，540（1）：63-70.
36	李骞国，王录仓，石培基，等.基于生境质量的绿洲城镇增长边界划定：以黑河中游地区为例［J］.经济地理，2020，40（3）：92-101.
37	覃彬桂，林伊琳，赵俊三，等.基于InVEST模型和电路理论的昆明市国土空间生态修复关键区域识别［J］.中国环境科学，2023，43（2）：809-820.
38	黄孟冬，肖玉，秦克玉，等.1980-2018年浑善达克地区防风固沙服务时空变化及其驱动因素［J］.生态学报，2022，42（18）：7612-7629.
39	韩增林，刘澄浩，闫晓露，等.基于生态系统服务供需匹配与耦合协调的生态管理分区：以大连市为例［J］.生态学报，2021，41（22）：9064-9075.
40	Xiong X Y， Meng M.Regionalization and optimization strategy of ecological management in Xinjiang，China based on supply-demand relationship and spatial flow of ecosystem services［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2023，34：2237-2248.
41	岳文泽，侯丽，夏皓轩，等.基于生态系统服务供需平衡的宁夏固原生态修复分区与优化策略［J］.应用生态学报，2022，33（1）：149-158.
42	潘竟虎，王云.基于CVOR和电路理论的讨赖河流域生态安全评价及生态格局优化［J］.生态学报，2021，41（7）：2582-2595.
43	石晶，石培基，王梓洋，等.基于复杂网络理论和电路模型的酒泉市生态网络优化［J］.应用生态学报，2024，35（1）：237-246.
44	Xu A K， Hu M J， Shi J，et al.Construction and optimization of ecological network in inland river basin based on circuit theory，complex network and ecological sensitivity：a case study of Gansu section of Heihe River Basin［J］.Ecological Modelling，2024，488：110578.
45	金银丽，周冬梅，周凡，等.疏勒河流域生态安全网络构建及优化［J］.应用生态学报，2023，34（4）：1063-1072.
46	孙茂森，王让会，宁虎森.阿克苏河流域生态网络构建［J］.干旱区研究，2023，40（9）：1509-1516.
47	弓灏洁，常金生，杜雨阳.基于MCR和重力模型的县域生态网络构建［J］.测绘通报，2023（11）：23-29.
48	Gao G Y， Shen Q， Zhang Y，et al.Determining spatio-temporal variations of ecological water consumption by natural oases for sustainable water resources allocation in a hyper-arid endorheic basin［J］.Journal of Cleaner Production，2018，185：1-13.
49	康尔泗，李新，张济世，等.甘肃河西地区内陆河流域荒漠化的水资源问题［J］.冰川冻土，2004（6）：657-667.
50	Lina Z， Zhen Q， Erqi X.Improving the ecological network optimization with landscape connectivity：a case study of Neijiang City，Sichuan Province［J］.Environmental Science and Pollution Research International，2023，30（19）：54753-54769.
51	韩王亚，夏双双，周维，等.基于生态廊道识别的拉萨河流域生态安全格局构建［J］.生态学报，2023，43（21）：8948-8957.
52	Wang Y， Pan J H.Building ecological security patterns based on ecosystem services value reconstruction in an arid inland basin：a case study in Ganzhou District，NW China［J］.Journal of Cleaner Production，2019，241：118337.
53	Wu Y D， Han Z Y， Meng J J，et al.Circuit theory-based ecological security pattern could promote ecological protection in the Heihe River Basin of China［J］.Environmental Science and Pollution Research，2023，30：27340-27356.

[1]	雷军, 程新平, 薛春, 刘红梅, 赵玉红, 肖明敏. 黑河流域中游北部荒漠区植物群落特征与稳定性[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 187-194.
[2]	周德良, 杨明霞, 苏靖雅, 白玉. 流域生态系统服务价值评估研究进展[J]. 中国沙漠, 2024, 44(4): 149-164.
[3]	张卫红, 谢家丽, 刘志鹏, 胡洁, 马媛, 赵鸿雁, 周伟. 2000—2020年宁夏生态系统服务价值变化[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 157-167.
[4]	韩子言, 蒙吉军, 邹易, 朱利凯. 1982—2017年黑河流域植被指数动态及其对气候变化与生态建设工程的响应[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 96-106.
[5]	杜可心, 张福平, 冯起, 魏永芬, 杨嘉炜. 黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 139-149.
[6]	徐绮阳, 王永瑜, 杨燕燕. 基于优化模型的甘肃省生态系统服务价值时空评估[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 53-64.
[7]	刘红梅, 王海兵, 李宽, 刘茜雅, 任余艳, 张彦东. 毛乌素沙地库伦生态经济圈结构、效益及农牧民行为[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 48-57.
[8]	王生棠, 盖迎春, 王少昆, 张晓龙, 杨映. 黑河流域植物物种多样性对土地利用变化的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 221-232.
[9]	吴翠霞, 冯永忠, 赵浩, 包琼, 雷元奇, 冯洁. 基于土地利用变化的甘肃省黄河流域生态系统服务价值研究[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 304-316.
[10]	罗晶, 黄晓霞, 程宏, 蒋宁, 莫旭昱, 王琇瑜. 浑善达克沙地景观结构变化对生态系统服务的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 99-109.
[11]	乔碩, 王海兵, 左合君, 刘茜雅, 吴月茹. 毛乌素沙地绿洲化过程中生态服务价值及生态网络格局演变[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 118-126.
[12]	邵梅, 马立鹏, 王新源, 车雪华, 王芳, 逯军峰, 罗万银. 2004－2014年河西走廊荒漠化草地生态系统服务价值估算[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 63-73.
[13]	张耀文, 张勃, 姚荣鹏, 王立兵. 2000—2020年渭河流域植被覆盖度及产水量时空变化[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 223-233.
[14]	雷燕慧, 丁国栋, 李梓萌, 迟文峰, 高广磊, 赵媛媛. 京津风沙源治理工程区土地利用/覆盖变化及生态系统服务价值响应[J]. 中国沙漠, 2021, 41(6): 29-40.
[15]	杨洁, 谢保鹏, 张德罡. 黄河流域生态系统服务权衡协同关系时空异质性[J]. 中国沙漠, 2021, 41(6): 78-87.