0 引言
生态网络是以景观生态学为基础，利用土地资源发挥生态效应，反映生态要素组合规律和功能结构的潜在空间格局［8］。目前，生态网络构建已经形成了生态源地识别-阻力面构建-生态廊道提取的基本模式［9］。生态源地是维持生态系统稳定的核心斑块，可通过空间形态格局分析［10-11］、景观连通性分析［12-13］及生态敏感性评价［14-15］等方法识别。但是，根据区域特征利用生态系统服务综合识别源地的研究还较少，这种方法能够更好描述区域的多功能性、复杂的结构性以及空间相关性［16］。阻力面是对物种空间迁徙难度的评估模拟［17］，常根据土地利用类型确定阻力大小，并结合夜间灯光等地理空间要素进行修正。然而，这种方法往往忽视土地类型间的压力效应及不同生境类型对威胁源的敏感性，缺乏对生态系统完整性和内部变异性的综合考虑，利用生境质量构建阻力面能很好地解决以上问题［18］。生态廊道是物种扩散迁移、信息传递和能量流动的线状景观［19］。目前，提取生态廊道常用方法主要有最小累积阻力模型、电路理论等。其中电路理论基于随机游走假说对生物迁移的路径进行模拟，不仅能够更好地反映物种迁移的随机性，还能为生态网络优化确定优先保护的重点［20］。内陆河流域由于受自然环境以及社会经济发展的综合影响，荒漠化、绿洲消退等问题难以解决，对其进行大面积的修复也不现实。因此，从内陆河流域的修复难度角度出发，利用电路理论构建生态网络明显优于其他方法，能够更好识别异质空间环境中影响生态网络连通性的关键区域。
黑河流域位于中国西北干旱区，是重要的生态安全屏障。21世纪以来，《黑河流域近期治理规划》的实施有效遏制了生态系统的恶化趋势，为改善流域生态环境奠定了坚实基础［25］。但流域的生态环境现状距离人与自然和谐共生的高质量现代化流域还具有一定差距。此外，流域荒漠化、水资源短缺等生态问题仍是现阶段的治理难题。因此，本文基于电路理论对黑河流域人地矛盾较为突出的甘肃段构建生态网络，并为生态网络优化提供对应策略，以期为黑河流域甘肃段的生态环境保护和生态问题治理提供科学依据。
1 研究区概况与数据来源
1.1 研究区
黑河位于河西走廊中部，发源于祁连山脉北麓，流经青海、甘肃、内蒙古，最后汇入内蒙古居延海。地势南高北低，莺落峡和正义峡将黑河分为上、中、下游。流域气候干燥，降水量77%蒸发，23%转化为地表水和地下水资源，且分布不均。干流全长约821 km，流域面积14.3万 km2；河流总流量约2.51×1011 m3，以降水补给为主。上游为青藏高原东北部的祁连山地，海拔2 600~4 500 m，属温带大陆性气候，多年平均降水量约350 mm，为黑河流域的产流区，植被以灌木和草地为主；干流区水位落差大，蕴含丰富的水能资源；土地利用以农牧活动为主。中游为河西走廊平原，沿途流经甘肃山丹、民乐、甘州区、临泽、高台、肃南等区县，地势较为平坦，多年平均降水量约140 mm，为黑河流域的耗水区，且内部空间异质性较大；绿洲分布较集中，土地利用类型以耕地和城市用地为主。下游流经额济纳地区，沿途多为戈壁和沙漠地区。本文研究区为黑河流域甘肃段（图1）。
图1
1.2 数据来源
本文采用的数据包括空间数据、自然资源数据和社会经济数据等（表1），将所有栅格数据重采样为500 m×500 m，投影坐标统一为WGS_1984_Albers。
表1 数据来源及相关说明
Table 1
| 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》 |
2 研究方法
2.1 生态源地识别
生态源地为具有重要生态系统服务功能的关键生态区域，在促进生态过程、维持生态系统完整性和提供高质量的生态系统服务中起着至关重要的作用［10］。因此，可以通过评估生态系统服务的重要性来识别生态源地。黑河流域为典型的山地-荒漠-绿洲复合生态系统，不同地段的生态系统服务功能存在差异［26］。流域上游发源于祁连山北麓，具有良好的水源涵养功能；中游为绿洲农耕区，是流域的主要粮食产区；下游荒漠化问题突出，是防沙治沙的重点区域。此外，流域各段的植被覆盖度的差异显著，这也说明其碳固存能力存在显著差异。因此，本研究基于流域特征选取食物供给、产水、碳固存和防风固沙4项生态系统服务进行评价（表2）。并采用自然断点法对生态系统服务重要性进行划分，共分为不重要区、轻度重要区、中度重要区、高度重要区和极度重要区。最后将高度重要区和极度重要区等权叠加得到流域的生态源地。由于生态源地的区域位置与功能属性存在差异，不同源地对于生态网络的权重也不同［27］。本文运用Centrality Mapper计算各源地的电流中心度，并根据源地的中心度将其划分为重要源地和一般源地，以便更好地分析各源地对维护生态网络稳定的重要性。
表2 生态系统服务评估
Table 2
| 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] | ||
| 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 | i为土地利用类型数量； | |
| 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] | ||
| 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] |
2.2 阻力面构建
式中：Qxj 为栅格单元x的土地利用类型j的生境质量；Hj 为土地利用类型j的生境适宜性；Dxj 为土地利用类型j中栅格单元x的生境退化度；k为半饱和常数；z为归一化常数。
表3 不同生境类型威胁源数据
Table 3
| 威胁源 | 权重 | 敏感水平 | 最大威胁 距离 | 衰减 类型 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 耕地 | 林地 | 草地 | 水域 | ||||
| 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 |
2.3 生态廊道和关键点提取
生态廊道是物种扩散迁移、信息传递和能量流动的媒介，对维持物质流动和改善景观连通性具有重要作用［19］。电路理论一般将生态阻力值作为电路阻力值、生态流作为随机游走电流，使物理量具有生态学意义。廊道的提取运用Linkage Mapper工具，根据源地间最小累积阻力值判断最佳生态廊道。累积电流值越小，物种迁徙的拥挤度越低。为了更精确地对生态廊道保护和修复，本研究根据累积电流将生态廊道划分为一级廊道和二级廊道。
生态夹点是生态要素流动过程中途径概率高的关键节点，该区域退化或损失极有可能破坏生态源地之间的连通性，其也是生态保护的优先区域。生态夹点通过Pinchpoint Mapper工具进行提取。障碍点是物种迁移过程中受阻的区域，即高阻力值区域［37］，通过Barrier Mapper工具识别。
2.4 生态系统服务供需
本研究在4项生态系统服务评价的基础上进一步探究流域的生态系统服务供给，以促进区域生态要素的高效循环，提升生态系统提供服务的效能。将生态系统服务评估结果进行归一化处理和等权重叠加［38］，得到流域的生态系统服务综合供给值。
式中：ESDi 为1 km网格i的生态系统服务需求指数；POPi 、GDPi 分别为1 km网格i人口密度和人均GDP；LDIi 为网格i土地利用强度指数；Pi 为第i级土地利用强度；Qi 为第i级土地利用强度所占面积百分比；n为土地利用强度分级指数。
对生态系统服务供需量进行z-score标准化，以标准化后的需求量为X轴、供给量为Y轴构建二维坐标系，构成（x，y）坐标点。按坐标点1~4象限分布情况划分4类供需匹配类型，即低供给-低需求（x<0，y<0）、低供给-高需求（x>0，y<0）、高供给-低需求（x<0，y>0）、高供给-高需求（x>0，y>0）［41］。
3 结果
3.1 生态系统服务的空间格局
食物供给、碳固存、防风固沙和产水的重要性等级基本呈由南向北降低（图2）。对于内陆河流域而言，水资源短缺是区域发展的限制性因素。最重要的产水的高度重要区和极度重要区的面积为6 655 km2，占总面积的12.09%，主要分布在肃南裕固族自治县东段的祁连山区。该区域植被覆盖以林地为主，具有较强的水源涵养能力。食物供给服务能力较强的区域主要分布在南部祁连山水资源较为丰富的区域以及中游绿洲区域。碳固存和防风固沙服务的空间分布与流域的植被分布存在着密切联系，其高度重要区和极度重要区以林地、草地和耕地为主。
图2
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
3.2 生态源地识别
根据生态源地的中心度将源地划分为重要源地和一般源地，其中识别出重要源地10个，总面积为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（图3）。识别出一般源地51个，面积为1 936.83 km2，占源地总面积的9.89%，多呈破碎化分布，主要在重要源地辐射的草地区域。对比分析发现，重要源地不仅斑块面积大，而且其内部生态系统类型多样。尤其是57号生态源地，是流域面积最大且自然资源丰富的区域，也具有水源涵养的重要功能，对维系流域生态安全具有重要作用。
图3
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
3.3 阻力面构建
3.4 夹点、障碍点与生态廊道提取
在研究区共提取出132条生态廊道，总长度为1 465.54 km（图4）。其空间分布存在显著差异，西南部廊道密集；北部最少，且主要沿河流分布。为了更精确地对生态廊道保护和修复，本研究根据累积电流将生态廊道划分为一级廊道和二级廊道。分别提取出一级廊道、二级廊道27、105条，对应的总长度分别为204.86、1 260.68 km。一级廊道主要是连通短距离范围内不同生态源地的路径，其具有较好的物种迁移和能量流动的功能，主要分布在流域山地-绿洲过渡地带。二级廊道是区域生态网络骨架的主要组成，但由于流域较为恶劣的生态环境的影响，其连通性受到一定程度的破坏。因此，对于二级廊道的保护和修复的重要性等级要高于一级廊道。
图4
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
3.5 生态系统服务供需
黑河流域甘肃段的生态系统服务供需具有明显的空间差异（图5）。供给较高的区域主要在南部祁连山以及中部和北部的绿洲区。由于绿洲区的人口较为聚集，这些区域对生态资源的需求量也较高。尤其是甘州区、肃州区和嘉峪关市，其人口占流域总人口的75%以上，对于生态系统服务的需求较高。对流域生态系统服务供需匹配类型分析可知，L-L、H-L和H-H区域分别占流域面积的46.26%、27.92%和17.62%，说明流域大部分地区的生态系统服务供需基本实现空间匹配。但也存在供需空间失衡现象，L-H区域占流域总面积8.2%，主要分布在荒漠-绿洲过渡带，土地利用类型以未利用地为主，生态系统服务供给较低，说明人类活动对这些区域的生态系统可持续发展具有较大的外部压力。
图5
图5
生态系统服务供需的空间分布
Fig.5
Spatial distribution of ecosystem service supply and demand
4 讨论
4.1 生态网络修复与优化
黑河流域作为山水林田湖草沙一体化保护和修复工程的重点治理单元，要系统治理、综合治理和源头治理以发挥区域本底优势［42］。重要源地是流域的重要核心功能区，对维系流域生态系统的稳定至关重要。《阿拉善盟黑河流域水生态环境保护“十四五”规划》强调要有效推动流域绿色发展转型及高质量发展，合理确定发展布局，逐步优化空间布局。流域上游重要源地具有较高的生态综合服务，要着重保护其冰川-森林-草甸复合生态系统以提高水源涵养及水土保持功能，并纳入流域生态保护红线的划定范围，严格控制生态空间圈层［43］。中下游重要源地多为绿洲区，要合理调控人类的生产经营活动和资源开发，优化流域水资源配置［44］。此外，L-H区域与生态网络空间叠合显示，L-H区域主要分布在绿洲边缘。直至目前，绿洲边缘区仍为内陆河流域生态保护的重点。基于可持续发展角度主要从以下两个方面对绿洲边缘区进行生态管理与修复。①预防荒漠对绿洲边缘的侵蚀，强化绿洲边缘防护林体系建设，并以农田防护林、绿色通道建设和风沙口治理为重点；构建固、护、封、阻相结合的荒漠化、沙化综合防控体系，遏制风沙蔓延和侵蚀势头。②合理利用水资源及减少人类活动干扰，实施节水优先发展战略，完善节水农业体系建设，适当压减绿洲边缘传统耕地面积；也可加大再生水循环利用以缓解水资源短缺对绿洲边缘生态环境造成的压力。一般源地多为流域生境质量较好的草地区域，虽破碎化程度较高，但对于生态网络的连通性具有重要的垫脚作用［45］。尤其是祁连山西段源地破碎化严重的区域，要实行封山育林育草，保障区域景观的完整性。对于绿洲边缘的小块源地，要退耕还草，保证其生态功能的正常发挥。在能够保障一般源地功能的基础上，还可以通过种植沙生植被等延伸源地的辐射范围，使其逐渐向重要源地发展。
生态廊道是连通生态源地物质流、能量流的纽带，不同廊道抗破坏的弹性有所差异，对其优化的优先级也不同。分析发现，一级廊道具有较好的物种迁移和能量流动的功能，应以保护为主、改善为辅［46］。二级廊道受连通距离和区域环境的综合影响，易被破坏阻碍源地间的连通。因此，对于二级廊道的修复和优化是提升黑河流域生态网络安全的有效措施。要设立生态廊道缓冲区以提升其抗外部干扰的能力［47］，疏通夹点和清除障碍点以促进廊道内部流通。然而，在自然环境和人类活动的综合作用下生态夹点和障碍点的形成原因也不尽相同，只有制定针对性策略才能有效改善生态网络的连通性。在流域西南部祁连山地，过度放牧、湿地缩小、鼠害、毒草危害等问题以及参差起伏的地貌都可能是导致区域夹点、障碍点密集的原因。为提高生态廊道质量，要实施有效的生态补偿机制，退牧还草，保护现有冰川、湿地，提升区域的水源涵养能力。绿洲区夹点、障碍点多由耕地、交通线路以及城镇扩建等影响而形成，对于耕地类夹点、障碍点，要退耕还草；对于交通线路阻挡形成的阻碍，可采用高架、下穿等方式保障物种流通；城市建设对于廊道的阻挡是不可逆的，可以结合实际情况拓宽廊道或新建连接廊道。北部金塔县域的夹点、障碍点多为荒漠、戈壁，虽然该区域廊道对于整个流域连通性具有重要作用，但对其疏通、清除需根据成本及治理难度综合分析。对于小面积的夹点、障碍点可以铺设草方格截留水分，种植固沙植被；对于面积大、阻力高的区域，不建议盲目复绿，应根据区域环境状况抑制沙化，减缓对绿洲的侵蚀［42］。
值得注意的是，水资源配置与社会经济发展是流域发展的主要矛盾，能否协调好两者的关系是流域生态网络稳定的关键［48］。对于流域水资源禀赋不足，要积极推进水资源集约节约利用，合理规划用水标准，全面落实“四水四定”，有效控制生产生活用水总量，构建科学高效的水资源安全保障体系。对于流域水资源分配格局的差异，不仅要统筹协调流域上、中、下游水资源分配，以确保自然景观带的稳定平衡，还要根据绿洲区的社会经济发展、用水需求和水资源现状，细化完善干支流水资源分配，尤其要防止盲目扩大农业用水。总之，内陆河流域水资源问题的优化是长期、系统、复杂的过程，要坚持节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力的治水思路，平衡水资源-土地资源-社会经济-生态环境之间的相互关系［49］，构建人与自然和谐的山水林田湖草沙生命共同体。
4.2 生态网络评价
生态网络的构建与优化是推动流域生态文明建设及区域可持续发展的有效方法［50］。在生态网络的构建过程中，确保识别的生态源地、生态廊道和生态节点的科学性与准确性至关重要［51］。本研究根据黑河流域甘肃段的环境特征选取食物供给、产水、碳固存和防风固沙4项生态系统服务进行生态源地识别。与已有研究结果对比发现［52-53］，本研究识别出的生态源地范围较大。流域南部的祁连山区4种生态系统服务均较高，而流域中部的绿洲区则食物供给和防风固沙服务较高。对于中国内陆河流域而言，绿洲区也是其重要的生态功能区，对维系流域生态系统的稳定发挥着重要作用。因此，本研究也将绿洲区纳入到源地中，这也与内陆河流域实际生态景观的权重相符。此外，本研究基于电路理论，根据源地间最小累积阻力值提取出最佳生态廊道。提取的廊道总体分布也与生态承载力高、生态敏感性低的区域相匹配。而且该方法能够结合随机游走假说充分考虑生物迁移过程中对迁移路径随机选择的可能性，这也更符合物种迁移的实际情况。综上，本研究构建的生态网络具有科学性，能够为维护流域生态安全提供参考。
本研究在生态网络构建的基础上，依据生态源地的中心度将其划分为重要源地和一般源地，定量分析源地对保持网络连通的重要性。重要源地承载着流域重要的生态系统服务功能，对流域的生态安全具有至关重要的作用。一般源地多呈破碎化分布，对于生态网络的连通性具有重要的垫脚作用。本研究还根据累积电流将生态廊道划分为一级廊道和二级廊道，其中一级廊道距离短且流通性较好，二级廊道则距离较长且流通性较差。根据廊道的等级可以对问题突出的二级廊道进行优先修复，对于一级廊道要秉持保护优先的原则。总之，将生态源地和廊道进行等级划分，能够快速有效地识别优先保护和修复区域，一定程度上规避了对环境退化问题的盲目治理，进而节省了对区域生态环境治理的投入成本。此外，对生态网络中生态系统中L-H区域进行识别并加以保护，可在一定程度上减小生态网络的退化风险。
4.3 不足与展望
本研究基于电路理论对黑河流域甘肃段的生态网络进行构建和优化，对提升流域生态网络稳定性和改善生态环境具有重要意义，但仍存在一些不足。虽然电路理论能够根据阻力面的变化识别具有一定范围的廊道，但本研究并未探究适合黑河流域物种迁移的廊道宽度，后续研究可结合流域实况及主要物种迁移路线进一步研究；阻力面通过生境质量构建能够反映地类间的压力效应及不同生境类型对威胁源的敏感性，但采用单一指标构建的阻力面可能存在局限性，后续研究可综合多角度构建以提高模型精度。此外，生态网络优化是一个动态过程，还应结合时间维度进行综合分析。
5 结论
生态网络的构建与优化对提高区域生态系统稳定性具有重要作用。本研究基于电路理论构建了黑河流域甘肃段生态空间网络，并对生态源地和廊道提出对应的保护和修复措施。
共识别出生态源地61个，总面积为19 586 km2，呈南多北少的空间布局。其中重要源地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。一般源地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。
共提取出生态廊道132条，总长度为1 465.54 km，在流域上游祁连山西段分布较密集。其中一级廊道27条，总长度为204.86 km，主要分布在流域山地-绿洲过渡地带。二级廊道105条，总长度为1 260.68 km，是区域生态网络骨架的主要组成。
共识别出生态夹点103个，总面积为28.48 km2，主要分布在祁连山西段以及较长距离的廊道上。
共提取出障碍点31个，总面积为87.39 km2，主要分布在祁连山西段以及沙化严重的荒漠区。
L-L、H-L和H-H区域分别占流域面积的46.26%、27.92%和17.62%，说明流域大部分地区的生态系统服务供需基本实现空间匹配。但也存在供需空间失衡现象，L-H区域占流域总面积8.2%，主要分布在荒漠-绿洲过渡带。
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