从生态源地分类到生态保护：构建中国黄河流域时空生态安全格局

《Ecological Frontiers》：From ecological source classification to conservation: constructing a spatial-temporal ecological security pattern for the Yellow River Basin, China

　　

摘要

流域生态安全格局（ESP）的构建越来越受到重视，对于保护区域生态过程具有重要意义。然而，在流域层面加强ESP的分类、管理和保护的重要性仍研究不足。本研究以黄河流域为例，从生态源地分类的视角出发，基于自然断点法、电路理论和随机游走理论构建了一个ESP。结果表明：（i）ESP发生了积极变化，表现为生态源区总面积显著增加，一级源区占比稳步上升，生态廊道的数量和面积明显减少；（ii）生态窄点主要分布在建成区附近、缓坡、山间平地和水域附近，屏障点主要集中在城市和乡村建成区以及耕地上；（iii）在"一核-五区-多点"格局下的优先保护区域识别及相应响应策略突破了行政边界限制，清晰地反映了生态源地分类的重要性。总之，空间分区管理可以为生态文明建设时代的生态保护与高质量发展提供科学依据。

引言

河流流域是生态功能和水文过程的连续体[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，能够在区域尺度上协调生态保护与经济增长，尤其是在生态文明建设背景下[6]，[7]。流域空间范围广阔，通常包括上、中、下游。关键生态功能及其在维持区域生态安全中的作用沿上、中、下游有所变化。以往关于河流流域的研究大多集中在人与自然的和谐共存方面[8]。然而，包括黑河流域和珠江三角洲在内的不同流域生态系统日益面临生态系统脆弱、水资源短缺、洪水威胁和区域发展不平衡等问题[9]，[10]，[11]。这些问题严重退化基本生态系统服务，从而对当地社会经济可持续发展和生态安全构成重大威胁。生态安全格局（ESP）是指为维持空间生态安全而制定的配置方案[12]，[13]，[14]，包括生态源区、生态廊道、窄点和屏障点。当前研究存在两个关键问题：（i）如何建立多目标ESP？（ii）如何基于空间分类对整个河流进行管控和管理？

ESP的概念源于城市增长边界和生态网络。20世纪60年代，西方国家提出了城市增长边界的概念以防止城市蔓延[15]。20世纪80年代，生态网络概念出现[16]，指的是由生态廊道、节点和缓冲区组成的网络景观，是对人类活动造成的景观破碎化和栖息地丧失的回应[17]。20世纪90年代，研究人员开始关注生态系统服务及其可持续发展，引入了ESP的概念；该方法利用由点、线、面构成的生态网络结构来优化系统元素的配置并确保生态系统的稳定性[18]，[19]。随后，越来越多的学者开展了ESP相关研究，聚焦于生态系统服务价值[20]，[21]、乡村生态安全[22]、城市生态安全[7]、景观格局优化[13]、生态敏感性[23]以及生态红线[24]。这些研究涉及多个空间尺度，如国家、省、城市群、城市和县级。逐渐地，这一研究体系不断完善，形成了"生态源地-生态阻力面-生态廊道"的ESP构建框架基本模式。

生态源地识别涉及提取对维持区域和流域生态安全至关重要的生态意义土地。这一过程是建立生态安全框架的首要步骤，支撑所有后续分析维度。生态源地的质量特征显著影响流域的发展轨迹和演化速度。从根本上说，生态源地的空间界定和详细分级分类不仅是结构优化，更深深植根于景观生态学和社会-生态系统理论。流域的空间异质性决定了不同生态源地在提供关键生态系统服务（如水源涵养、土壤保持和生物多样性维护）方面具有不同的能力。因此，详细的分类和有针对性的空间规划在理论上对于精确匹配多样化的生态系统服务流与特定区域需求至关重要。通过优化空间结构，我们可以有效地维护和增强这些关键服务，这直接支撑了区域的高质量社会经济发展。快速的经济社会发展加剧了土地利用冲突，使实施分区、分层、差异化精准管控的环境管理制度成为推进生态环境治理现代化的关键措施[25]。因此，建立有效的区域生态环境管理制度对于实现生态实质性改善和达成社会-经济-生态系统综合目标至关重要。黄河流域跨越九个省，面积辽阔，在保护、修复、恢复和增强的优先事项上表现出显著的区域差异。无论侧重于具体的生态保护还是高质量发展，生态源地的完整性始终是流域范围内实现协同保护和可持续发展的根本基础。然而，已发表的研究主要集中在省级和市级的生态源地分类上。在整合跨省级边界的生态源地、构建全流域生态安全框架以及基于上述框架制定空间定制化保护政策方面仍存在显著空白。

黄河流域是中国重要的生态屏障和经济区，面临生态环境差、水资源短缺、生态系统脆弱和高质量发展不足等问题[26]。现有关于黄河流域等大型复杂流域的ESP研究仍面临三个局限性。首先，大多数研究要么关注省或市等地方行政单元[27]，[28]，要么仅提供整体流域表征。它们缺乏对整个区域内生态源地内在异质性的系统层级分析，导致一刀切的保护策略无法满足差异化管理的需要[12]。其次，这些方法主要依赖静态分析或最小累积阻力模型，难以模拟物种沿多个潜在路径的随机扩散过程，导致生态源地识别的准确性有限。最后，现有框架往往止步于识别，未能将ESP组分识别结果与清晰的、空间显性的分区管理框架相结合，削弱了其在直接支持跨行政协同治理方面的实用价值。鉴于这些局限性，本研究提供了以下创新：（i）在方法上，本研究将多路径分析（MSPA）与景观连通性评估相结合，实现全流域生态源地的客观量化分级。通过将电路理论与随机游走理论相结合，克服了传统最小累积阻力模型只能识别单一路径的局限性。该方法更真实地模拟了物种扩散，并识别出共享关键区域和屏障点的多条路径。（ii）在框架方面，本研究突破了传统的"识别即终点"模式，提出了名为"生态源地分类-综合阻力面-生态廊道和关键点识别-'一核-五区-多点'分区管理"的渐进式框架。将空间分析结果转化为可操作的空间治理单元，以优化生态系统服务的配置，从而为平衡生态安全与区域高质量发展提供了坚实的理论基础和实践基础。

章节摘要

研究区域

黄河流域位于东经96°至119°、北纬32°至42°之间，总面积为79.50×10?公顷。涵盖中国九个省（自治区），分别为青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东（图1）。值得注意的是，该流域生态脆弱，面临生物多样性减少、生态系统退化和环境不稳定等问题。此外，黄河流域不同地理区域的优先事项也存在差异

景观类型变化分析

基于MSPA的七种景观类型的面积、比例和空间分布如表4和图2所示。总体而言，过去20年间，核心区始终保持最大面积，其比例逐年增加，连通区域主要集中在黄河中上游。穿孔区的比例有所增加；然而，由于其本身占比较小，总体面积变化仍然很小。面积

生态源地分类与管理的重要性

随着社会发展，土地利用冲突日益严重。实施具有区域针对性的精准管控环境管理制度对于改善和现代化生态环境治理至关重要。建立高效的环境区域管控体系可以为生态环境的根本改善和"社会-经济-生态"目标的初步实现提供强有力支撑

结论

流域区域的生态环境复杂且脆弱，分类保护措施对区域生态安全具有重要影响。因此，本研究从生态源地分类的视角提出了一个流域区域ESP构建框架。研究发现：

• (i)
  研究揭示了2000年至2020年黄河流域生态源地的演化特征：先增后减，总体

CRediT作者贡献声明

孙宝迪： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，资金获取，概念化。陈昭辉： 撰写——初稿，方法论，调查，形式分析，数据整理。吉航喜： 撰写——初稿，软件，资源。程道新： 软件，资源，调查。颜雨溪： 软件，资源。唐经超： 撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到国家自然科学基金支持[32301382]。

Baodi Sun|Zhaohui Chen|Hangxi Ji|Daoxin Cheng|Yuxi Yan|Jingchao Tang