全 文 ：基于空间主成分和最小累积阻力模型的
内陆河景观生态安全评价与格局优化
———以张掖市甘州区为例∗
潘竟虎∗∗　 刘　 晓
（西北师范大学地理与环境科学学院， 兰州 ７３００７０）
摘　 要　 以干旱内陆河主要生态环境问题为出发点，利用景观生态学方法、空间主成分分析
和 ＧＩＳ技术，获取甘州区生态安全格局的分布状况．选取海拔、坡度、自然和文化景观保护区、
土壤类型、土壤侵蚀量、植被覆盖度、距道路距离、距工业用地距离、距居民点距离以及距水体
距离等 １０个要素作为约束条件，并采用景观最小累积阻力模型构建生态廊道和生态节点来
优化生态功能网络的结构及功能．结果表明： 甘州区生态安全综合状况一般，以中等安全水平
为主，面积为 １３１８．７ ｋｍ２，占研究区总面积的 ３６．７％．低度安全水平的区域主要位于研究区北
部，占研究区总面积的 １９．９％．构建了由 ６条生态廊道、１４个生态节点、１个较大的生态源区和
若干个小面积源区组成的点、线、面交织的区域生态网络格局，将有效改善研究区的生态安全
水平．
关键词　 景观生态安全格局； 空间主成分； 最小累积阻力； 生态网络； 甘州区
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）１０－３１２６－１１　 中图分类号　 Ｆ３０１； Ｘ１７１　 文献标识码　 Ａ
Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ａｒｉｄ ｉｎｌａｎｄ ａｒｅａ： Ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ
ｏｆ Ｇａｎｚｈｏｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｚｈａｎｇｙｅ Ｃｉｔｙ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ． ＰＡＮ Ｊｉｎｇ⁃ｈｕ， ＬＩＵ Ｘｉａｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ
Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０， Ｃｈｉｎａ） ．
⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（１０）： ３１２６－３１３６．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｌａｎｄ ｒｉｖｅｒ ｉｎ ａｒｉｄ ａｒｅａ， ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｃｏ⁃
ｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ Ｇａｎｚｈｏｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｅｃｏｌｏｇｙ，
ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ （ ＳＰＣＡ） ａｎｄ ＧＩＳ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ． Ｔｅｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ａｌｔｉｔｕｄｅ，
ｓｌｏｐｅ， ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ， ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒａｇｅ， ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｒｏａｄ， ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ （ＭＣＲ） ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ， ｔｈｅ ｅｃｏ⁃
ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｒｒｉｄｏｒ ａｎｄ ｎｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｕｎｃ⁃
ｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ａｒｅａ ｗａｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ． Ａｒｅａ ｏｆ ｍｏｄｅｒａｔｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｗａｓ １３１８．７ ｋｍ２， ｂｅｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ａｎｄ
ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ ｆｏｒ ３６．７％ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａ． Ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ
ｔｈｅ ｎｏｒｔｈｅｒｎ ｐａｒｔ ａｎｄ ａｃｃｏｕｎｔｅｄ ｆｏｒ １９．９％ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ． Ｗｉｔｈ ｐｏｉｎｔｓ， ｌｉｎｅｓ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｂｅｉｎｇ
ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ， ａ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｓｉｘ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｒ⁃
ｒｉｄｏｒ， １４ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｎｏｄｅｓ， ａ ｌａｒｇｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｏｕｒｃｅ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ａ ｐｌｕｒａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｍａｌｌ ａｒｅａ ｓｏｕｒｃｅ ｒｅ⁃
ｇｉｏｎ， ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐａｔｔｅｒｎ； ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｍｉｎｉｍｕｍ
ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ； ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ； Ｇａｎｚｈｏｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ．
∗国家自然科学基金项目（４１３６１０４０，４１２７１１８４）和甘肃省高校基本科研业务费项目（２０１４⁃６３）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｐａｎｊｈ＿ｎｗｎｕ＠ ｎｗｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１５⁃０１⁃０４收稿，２０１５⁃０６⁃０８接受．
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 １０月　 第 ２６卷　 第 １０期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｏｃｔ． ２０１５， ２６（１０）： ３１２６－３１３６
　 　 迄今为止，国内外学者对生态安全尚无普遍认
可的定义．广义的生态安全是包括自然生态安全、经
济生态安全和社会生态安全在内的复合人工生态安
全系统；狭义的生态安全仅是生态系统健康和完整
性的整体反映［１］ ．生态安全评价是对一定时间、空间
范围内生态安全水平的定性、定量描述［２］ ．生态安
全、生态安全评价和区域生态安全格局这三者之间
关系密切：生态安全评价反映了区域生态安全状况，
同时为区域生态安全格局提供依据；区域生态安全
格局构建则借助人类的主动干预来促进生态系统各
要素的优化配置，最终改善和提高区域生态安全状
况．学者们对生态安全进行了深入研究［３－７］，从研究
对象看，包括土地、城市、绿洲、森林、草原、湿地等生
态系统；从研究尺度看，从短期到长期的时间尺度以
及从地方到区域的空间尺度均有涉及；从研究内容
看，涵盖生态安全定义的扩展、环境变化与安全的案
例研究和综合性研究．生态安全评价方法主要有生
态模型法、数学模型法、景观生态模型法和数字地面
模型法［８－１０］；评价指标体系往往采用多因子综合评
价模型，如压力⁃状态⁃响应（ ＰＳＲ）模型、驱动力⁃状
态⁃响应（ＤＳＲ）模型、驱动力⁃压力⁃状态⁃暴露⁃影响⁃
响应（ＤＰＳＥＥＡ）模型、驱动力⁃压力⁃状态⁃影响⁃响应
（ＤＰＳＩＲ）模型［１１］ ．综合来看，层次分析法和综合指
数法等虽被广泛采用，但在权重确定上主观性很大；
物元、投影寻踪等方法的计算过程较为复杂，且不利
于识别出主要的风险因子；生态足迹法中进出口的
数据较难获取，均衡因子的标准也存在很大分歧，使
得评价结果与实际情况存在一定误差；而 ＰＳＲ 等概
念模型均以行政区为评价单元，评价结果难以反映
区域生态安全的空间差异，更难以体现生态安全的
空间邻近影响关系．区域生态安全受到诸多因素的
综合影响，而且影响因素之间也存在着不同程度的
相关性，若直接进行多准则判断会存在问题，利用空
间主成分分析（ ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，
ＳＰＣＡ）方法，通过正交旋转变换，去除影响因素的相
关性或冗余度，便于识别出关键风险因子，明确各主
成分的生态含义；同时，ＳＰＣＡ 自动挖掘因子权重，
避免了多准则判断权重不合理的缺陷，进一步揭示
区域生态安全的内在机制；此外，各影响因素和计算
结果均可落实到空间的每一个点（栅格）上，可视化
效果极好．
生态安全通过优化景观生态格局来实现，而生
态安全格局部分或全部破坏的景观改变将导致生态
状况急剧恶化，建立安全的生态格局则可以使全局
或局部景观中的生态过程在物质、能量上达到高
效［１２］ ．就区域生态安全格局的构建方法而言，可概
括为数量优化方法 （最优化技术法、系统动力模
型）、空间优化方法（基于生态学理论的景观格局优
化模型、元胞自动机）和综合优化法（ＣＬＵＥ⁃Ｓ 模型、
遗传算法、多智能体） ［２，１３］ ．最小累积阻力（ｍｉｎｉｍｕｍ
ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＭＣＲ）模型可归于景观格局优
化模型的范畴，依据生态安全格局理论，在生物扩散
穿越异质景观的生态过程中，生物的空间运动、栖息
地的维护均需要克服一定的景观阻力来完成，累积
阻力最小的通道即为最适宜的通道，它反映了一种
潜在可达［１４］ ．ＭＣＲ模型的优势在于它综合考虑了景
观单元间的水平联系，而非景观单元内部的垂直过
程，因此，能够较好地反映生态安全格局的内在有机
联系，在生态安全格局优化方面具有良好的适用性
和扩展性［１５］ ．
干旱区内陆河流域是我国生态环境极为脆弱的
区域，生态系统对气候变化和人类活动的影响十分
敏感．随着流域社会经济的快速发展，人类活动干扰
的频度和强度增加，流域生态系统的脆弱性和易变
性不断加剧，给流域生态安全带来了巨大隐患．张掖
市甘州区地处河西走廊三大内陆河之一的黑河中
游，是甘肃省重要的商品粮生产基地，但水资源十分
有限，植被覆盖率低，土地荒漠化和土壤盐渍化等问
题突出［１６－１７］，生态风险较高．基于以上原因，本文构
建了适合研究区的生态环境综合评价指标体系和模
型方法，选取海拔、坡度、植被覆盖度等 １０个因子作
为生态约束条件，对甘州区生态安全格局进行评价；
借助景观最小累积阻力模型，获得景观流运行的最
低谷作为生态廊道，辨识节点，藉此构建生态功能网
络系统，提升开放空间系统的生态价值，优化景观格
局，为研究区生态安全的保障和可持续发展提供科
学参考．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
甘州区位于甘肃省西北部的河西走廊腹地
（３８°３２′—３９°２４′ Ｎ，１００°６′—１００°５２′ Ｅ，图 １）．南部
倚靠祁连山，中部为广阔平原，北部是位于甘肃与内
蒙古交界处的合黎、龙首二山．境内地势平坦，平均
海拔 １４７４ ｍ，我国第二大内陆河黑河从本区贯穿而
过，形成了河西三大农牧绿洲之一．境内生态问题突
出，南部山区水土流失频发，中部绿洲植被退化和耕
地盐碱化，北部土地荒漠化．属温带大陆性气候，年
７２１３１０期　 　 　 潘竟虎等： 基于空间主成分和最小累积阻力模型的内陆河景观生态安全评价与格局优化———以张掖市甘州区为例
图 １　 研究区位置
Ｆｉｇ．１　 Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ．
平均降水量 １１３ ｍｍ，蒸发量 ２０４７ ｍｍ，日照时数
３０８５ ｈ，无霜期 １３８ ｄ，具有日照时间长、昼夜温差大
的特点．甘州区是张掖市经济、文化中心，也是典型
的绿洲灌溉农业区．全区面积 ４２４０ ｋｍ２，总人口
５０􀆰 ７４万（２０１０年）．
１􀆰 ２　 数据资料
本文数据源包括甘州区 １ ∶ ５万地形图、１ ∶ ５万
行政边界图、１ ∶ １０ 万土壤类型图、１ ∶ １０ 万土壤侵
蚀量图、１ ∶ １０万自然和文化景观保护区图、１ ∶ ５ 万
道路、水系分布图等，数据获取自甘州区国土资源
局、统计局、水利局、数字黑河网站 （ ｈｔｔｐ： ／ ／ ｈｅｉｈｅ．
ｗｅｓｔｇｉｓ．ａｃ． ｃｎ ／ ）、寒区旱区科学数据中心 （ ｈｔｔｐ： ／ ／
ｗｅｓｔｄｃ．ｗｅｓｔｇｉｓ．ａｃ．ｃｎ ／ ）等．数字高程模型（ＤＥＭ）来自
全球 ９０ ｍ分辨率土地覆被数据库（ｈｔｔｐ： ／ ／ ｇｌｃｆ．ｕｍｄ．
ｅｄｕ ／ ｄａｔａ ／ ｓｒｔｍ ／ ） ．土地利用数据由 ２０１０ 年 ７—８ 月
的环境卫星 ＨＪ 的 ＣＣＤ 影像（空间分辨率 ３０ ｍ）解
译获得，采用基于对象的目标识别和支持向量机分
类，最小制图单元 ６ 个像元．验证时抽取 ２％的图斑
实地评价，建立混淆矩阵，综合分类精度 ８８％，Ｋａｐ⁃
ｐａ系数为 ０．８１７，各土地类型的分类精度均在 ８５％
以上，完全能够满足研究区生态环境研究的需要．所
有的空间数据经高斯⁃克吕格投影处理后转换到相
同的 １９８０西安坐标系．
１􀆰 ３　 生态安全评价指标的量化分级
结合研究区实际情况和数据资料的全面性、可
获取性，筛选涵盖地貌、地质和植被等自然要素的因
子：海拔、坡度、自然和文化景观保护区、土壤类型、
土壤侵蚀量、植被覆盖度、距水体距离，以及涵盖人
类活动影响的因子：距道路距离、距工业用地距离、
距居民点距离，将这 １０个要素作为研究区生态安全
的约束因子，以反映区域生态安全的不同特征属性．
生态安全评价指标体系是基于研究区的生态安全问
题出发而构建的，本文采用基于栅格运算的区域生
态安全评价，其最大优势是评价值可落实到空间任
一点（栅格）上，易于找出研究区域中任一点上的生
态安全程度，但不足之处是数据量巨大，如本文中的
１０个因子空间化后的存储空间即达到数百兆字节；
此外，许多因子，尤其是社会经济因子，往往以行政
区为统计单元，难以空间化，不得不舍弃．
研究区南部祁连山区比北部荒漠和中部绿洲的
风力侵蚀更为强烈，地形（海拔和坡度）可以用于刻
画地表的粗糙程度，反映风力侵蚀强烈的程度，影响
区域生态安全．自然与人文保护区及缓冲区内的景
观生态得到了较好的保护和恢复，制定了合理的区
域景观生态规划，保障了区域生态功能的稳定与服
务功能的持续性，往往成为脆弱生态区遏制生态退
化的屏障，对生态安全格局的恢复起着重要作用．土
壤类型（土壤质地和土壤有机质含量）对地表生物
物理特征产生重要影响，土壤侵蚀的状况则反映区
域土壤水力侵蚀的强弱．水资源是干旱区生态用地
的主要限制条件，距离水源近的地方往往具有较优
良的生态条件，但在干旱区县域尺度上降水变化往
往较小，而且降水的时间十分短暂，因此在宏观评价
中，地形和离河流的距离被当作是间接反映土壤水
分含量的指标．植被覆盖能更有效地反映荒漠化地
表的稳定程度．道路、工业用地和城乡居民点是典型
的人类活动场所，人类活动对干旱区景观的可持续
利用具有双重功能，生态保育的强度随离工业用地
和居民点的距离增大而减弱．由于离道路越近，交通
越便利，自然资源开发的强度越大，土地退化比交通
条件恶劣地方的强度要大．因此，不同类型的距离可
以作为空间活动生态风险强度的指标．
在各个因子的分级中，使用相关文献［２，１５］的统
计和经验标准，并结合研究区实际情况制定各因子
生态安全分级标准（表 １），界定各约束因子的安全
等级（图 ２）：１～ ４ 级分别代表高度、中等、较低和低
度安全水平．值越大，生态环境越脆弱，抵抗外界干
扰能力越小，安全水平越低．根据各评价指标特征，
采用两种分级方法：１）参照有关文件并结合聚类分
析方法分级；２）参照相关文献分级．采用第 １ 种方法
分级的指标有海拔、坡度和土壤侵蚀量，依据《生态
功能区划技术暂行规程》 ［１８］以及土壤侵蚀分类分级
标准（ＳＬ１９０—９６） ［１９］确定，其余指标参照相关文献
８２１３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
的分级标准确定，具体见表 １．
利用 ＤＥＭ提取海拔、坡度，研究区海拔在 １４０８～
３６２４ ｍ，坡度在 ０～５２°．提取国家 Ａ 级景区并做 ３００
ｍ 缓冲区，景区多属于生态用地，故将其划分为
１级安全区；国家级重点文物保护区做１００ ｍ缓冲
表 １　 甘州区生态安全约束因子与等级划分
Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉ⁃
ｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａｎｚｈｏｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ
约束因子
Ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｆａｃｔｏｒ
单位
Ｕｎｉｔ
分级标准
来源
Ｇｒａｄｉｎｇ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
安全等级
Ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ｌｅｖｅｌ
划分标准
Ｇｒａｄｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉａ
海拔 Ａｌｔｉｔｕｄｅ ｍ ［１８， ２０］ １ ＜１６００
２ １６００～１８００
３ １８００～２０００
４ ＞２０００
坡度 Ｓｌｏｐｅ ° ［１８， ２０］ １ ＜７
２ ７～１５
３ １５～２５
４ ＞２５
自然和文化景观保护
区
－ ［２１］ １ Ａ 级景区 ３００ ｍ
缓冲区
Ｎａｔｕｒａｌ ａｎｄ ｃｕｌｔｕｒａｌ
ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ａｒｅａ
４ 国家级重点文物
保护 １００ ｍ 缓冲
区
土壤类型
Ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ
－ ［２０］ １ 草甸土、潮土、灌
漠土
２ 灰褐土、栗钙土、
林灌草甸土、黑毡
土３ 棕钙土、灰钙土、
灰漠土
４ 灰棕漠土、龟裂
土、风沙土、盐土
土壤侵蚀量 ｔ·ｋｍ－２ ［１９，２２］ １ ＜２５００
Ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ·ａ－１ ２ ２５００～５０００
３ ５０００～１００００
４ ＞１００００
植被覆盖度 ％ ［２３］ １ ＞０．６５
Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒａｇｅ ２ ０．５～０．６５
３ ０．３５～０．５
４ ＜０．３５
距道路距离 ｍ ［２４］ １ ＞１５００
Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ２ １０００～１５００
ｔｈｅ ｒｏａｄ ３ ５００～１０００
４ ＜５００
距工业用地距离 ｍ ［２４］ １ ＞１５００
Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ２ １０００～１５００
ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｌａｎｄ ３ ５００～１０００
４ ＜５００
距居民点距离 ｍ ［２４－２５］ １ ＞１５００
Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ２ １０００～１５００
ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｌａｎｄ ３ ５００～１０００
４ ＜５００
距水体距离 ｍ ［２６］ １ ＜５００
Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ２ ５００～１０００
ｗａｔｅｒ ａｒｅａ ３ １０００～１５００
４ ＞１５００
图 ２　 甘州区各因子的安全等级分布
Ｆｉｇ．２　 Ｓａｆｅｔｙ ｇｒａｄｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｇａｎｚｈｏｕ
Ｄｉｓｔｒｉｃｔ．
Ａ： 海拔 Ａｌｔｉｔｕｄｅ； Ｂ：坡度 Ｓｌｏｐｅ； Ｃ： 自然和文化景观保护区 Ｎａｔｕｒａｌ
ａｎｄ ｃｕｌｔｕｒａｌ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅａ； Ｄ： 土壤类型 Ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ； Ｅ： 土壤
侵蚀量 Ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ； Ｆ：植被覆盖度 Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒａｇｅ； Ｇ：距
道路距离 Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｏａｄ； Ｈ： 距工业用地距离 Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ
ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｌａｎｄ； Ｉ： 距居民点距离 Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｌａｎｄ； Ｊ： 距
水体距离 Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｗａｔｅｒ ａｒｅａ．
９２１３１０期　 　 　 潘竟虎等： 基于空间主成分和最小累积阻力模型的内陆河景观生态安全评价与格局优化———以张掖市甘州区为例
区，划为 ４ 级安全区．利用归一化植被指数（ｎｏｒｍａ⁃
ｌｉｚｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ，ＮＤＶＩ）作为反映研
究区生态环境与资源状态的指标，它可以敏感地反
映出植被的生长情况、生产力水平、地表植被的茂密
程度，一定程度上能够代表地表植被覆盖变化情况．
在 ＥＮＶＩ软件中利用研究区环境卫星影像计算出
ＮＤＶＩ，然后计算植被覆盖度．道路、工业用地、居民
点、水体均从研究区土地利用数据中提取，并依据表
１的等级范围做缓冲区分析，得到距道路距离、距工
业用地距离、距居民点距离以及距水体距离．
１􀆰 ４　 空间主成分分析
主成分分析法（ＰＣＡ）是多元统计分析中降维
的一种常见方法，通过将初始空间坐标轴旋转，将彼
此相关的多变量空间数据，转化成为少数几个不相
关的综合指标，实现了对高维变量的最佳综合与简
化，并可客观地确定每个指标的权重．空间主成分分
析（ＳＰＣＡ）则是在地理信息系统（ＧＩＳ）技术的支持
下，把各空间变量对应一个矩阵后，通过 ＰＣＡ 将相
关的空间变量对因变量的影响程度分配到相应的主
成分因子上，其基本操作单元是二维空间中的栅格，
而不是传统的一维数据．传统 ＰＣＡ 方法中每个变量
是一个向量，常规的统计分析软件都可以实现，而空
间数据主成分分析的每个空间变量则对应一个矩
阵，常规统计分析软件显然无法操作．本文运用 Ａｒｃ⁃
ＧＩＳ软件的 ＳＰＣＡ 分析功能，根据各生态约束因子
的生态安全综合指数计算研究区的生态安全综合指
数，进行区域生态安全评价．生态安全综合指数定义
为 ｍ个主成分的加权和，而权重用每个主成分所对
应的方差贡献率来表示．公式为［２７］：
ＥＳＩ ＝∑
ｍ
ｊ ＝ １
ｐｉｊｗ ｊ （１）
式中：ＥＳＩ为第 ｉ 个评价单元（本文为栅格）的生态
安全指数；ｐｉｊ为第 ｉ 个单元的第 ｊ 个指标；ｗ ｊ为各指
标的权重， ｗ ｊ ＝ Ｆ ｊ ／∑
ｍ
ｊ ＝ １
Ｆ ｊ ，Ｆ ｊ为公因子方差．
１􀆰 ５　 景观生态安全格局的构建
ＭＣＲ模型的公式为［２８］：
ＭＣＲ ＝ ｆｍｉｎ∑
ｉ ＝ ｍ
ｊ ＝ ｎ
（ＤｉｊＲ ｉ） （２）
式中：ＭＣＲ是从源 ｊ 扩散到空间某点的最小累积阻
力；ｆ是反映 ＭＣＲ 与变量（Ｄｉｊ ×Ｒ ｉ）之间正比关系的
函数；Ｄｉｊ是目标单元从源 ｊ 扩散到空间某点穿过景
观 ｉ的距离；Ｒ ｉ是景观表面 ｉ对景观流向某个方向扩
散的阻力．
景观中某些潜在的空间格局，由一些关键性的
点、线、局部（面）或其空间组合所构成，其中，最关
键的过程在于如何确定扩展源和阻力系数．
１􀆰 ５􀆰 １ “源”的确定　 根据景观生态学的“源⁃汇”理
论，源景观具有空间扩展性、连续性，应依据格局优
化所针对的生态过程决定生态系统功能发挥的作用
不同而确定．源地一般生境质量较高，对于研究的生
态过程起到了正向推动作用．本文根据生境斑块面
积大小、空间分布状况、生物多样性相对丰富度以及
生态环境质量优良程度等［２９］，提取重要生态用地为
“源”，确定 Ａ 级自然类景区、土地利用类型稳定且
面积大于 ４×１０４ ｍ２的林地（均为天然林区和人工林
场）和水体作为生态源．
１􀆰 ５􀆰 ２阻力面的建立　 用 ＳＰＣＡ 分析后获得的生态
安全评价要素作为阻力因素，通过 ＡｒｃＧＩＳ 中 Ａｒｃ⁃
Ｔｏｏｌｂｏｘ的 Ｃｏｓｔ Ｄｉｓｔａｎｃｅ 工具，获取研究区景观累积
耗费距离表面．随着从“源”向外的扩展，阻力值越来
越大，说明越外围，“源”克服的阻力越大．将景观累
积耗费距离表面按自然断裂法进行判别分析和类型
划分，划为 ５ 个等级：低阻力、较低阻力、中等阻力、
较高阻力、高阻力．
１􀆰 ５􀆰 ３廊道的判别　 廊道是景观中与两侧基质有显
著区别的狭带状地，它一方面作为障碍物隔开景观
的不同部分；另一方面是作为通道将景观中不同部
分连接起来，有利于物种在“源”间及基质间的流
动，其结构特征对一个景观的生态过程有强烈影响．
生态廊道一般由植被、水体等生态要素构成，具有维
持物种多样性、保持水土、防风固沙、涵养水源等功
能．在 ＭＣＲ阻力面上，廊道就是相邻两“源”之间的
阻力低谷和最容易联系的低阻力通道［３０］ ．借鉴 ＧＩＳ
的水文分析方法，利用水文学工具以累积耗费距离
表面为基础，结合研究区的实际情况，对洼地填充、
计算无洼地的水流方向，汇流累积量．通过反复设定
阈值，确定汇流累积量的值为 ２０００，提取大于 ２０００
的值，然后矢量化，对矢量化得到的线条进行平滑处
理，即得到景观功能流运行的最小耗费路径，从而确
定了生态廊道的空间位置．
１􀆰 ５􀆰 ４生态节点的判别　 生态节点一般位于生态廊
道上生态功能最薄弱处，即最小路径与最大路径的
交点或最小路径的汇集处，它将零散的斑块连接起
来，并对生态流的运行起关键作用［３１］ ．其生态地位
关键，外界的干扰会对其产生较大影响．部分节点起
着基石作用，对维护生态系统的稳定性和整体性影
响较大．结合研究区的环境与地形特点，提取最小耗
０３１３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 ２　 主成分的特征值及其贡献率
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
主成分
Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
特征值
Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ
贡献率
Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｒａｔｅｓ（％）
累计贡献率
Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ
ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｒａｔｅ （％）
１ １．７７４１ ７６．６ ７６．６
２ ０．７８０８ １０．３ ８６．９
３ ０．４０６６ ４．８ ９１．７
４ ０．２８６９ ２．４ ９４．１
５ ０．２６３８ １．７ ９５．７
６ ０．１９７５ １．５ ９７．２
７ ０．１４８７ １．０ ９８．３
８ ０．１２１２ ０．８ ９９．０
９ ０．１０９４ ０．７ ９９．７
１０ ０．０００８ ０．３ １００
费路径的汇集点作为景观生态节点．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 甘州区综合生态安全格局
经过主成分变换后，甘州区生态安全综合指数的
每一个主成分包含原 １０个变量的信息载荷．从表 ２可
以看出，前 ４ 个主成分因子的累计贡献率已达
９４􀆰 １％，也就是说前 ４项主成分已经能够很好地反映
研究区生态安全格局的组成．图 ３显示了前 ４个主成
分在每一个空间单元（栅格）上得分的空间分布．
　 　 进一步分析各主成分（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ＰＣ）
在原始指标上的载荷（表 ３）发现：第一主成分在自
然和文化景观保护区与距水体距离上的载荷较大，
图 ３　 前 ４个主成分载荷空间分布
Ｆｉｇ．３ 　 Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ４ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
ｌｏａｄ．
ＰＣ： 主成分 Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．
可概括为水资源因子；第二主成分在距居民点距离
上的载荷较大，概括为居住因子；第三主成分的主要
贡献因子是海拔与土壤类型，可概括为地形环境因
子；距道路距离是第四主成分的主要贡献因子．综合
考虑各个主成分的主要贡献因子，水资源因子、居住
表 ３　 主成分载荷矩阵
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｌｏａｄ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
约束因子
Ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｆａｃｔｏｒ
ＰＣ１ ＰＣ２ ＰＣ３ ＰＣ４ ＰＣ５ ＰＣ６ ＰＣ７ ＰＣ８ ＰＣ９ ＰＣ１０
海拔 Ａｌｔｉｔｕｄｅ ０．２８０ －０．２９８ －０．６０８ ０．１４３ ０．２９８ －０．３３４ ０．２００ ０．４２３ －０．１５２ ０．０１１
坡度 Ｓｌｏｐｅ ０．１５９ －０．０３９ －０．２０８ ０．０１３ ０．０４２ －０．０３９ ０．１５０ －０．２４８ ０．９０２ ０．１６８
自然和文化景观保护区
Ｎａｔｕｒａｌ ａｎｄ ｃｕｌｔｕｒａｌ ｌａｎｄ⁃
ｓｃａｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅａ
０．４０９ ０．０８７ －０．０１５ －０．０４７ －０．０３５ ０．０７５ －０．０８９ －０．０２８ ０．１０７ －０．８９２
土壤类型 Ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ ０．３８４ －０．３４５ ０．６８４ ０．２８６ ０．３１６ －０．２４３ ０．１１５ －０．０８４ －０．０１０ ０．０７３
土壤侵蚀量 Ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ
ａｍｏｕｎｔ
０．１８６ ０．０３８ －０．３１９ ０．０６６ ０．２１６ －０．０２１ －０．０９３ －０．８２５ －０．３４２ ０．０７５
植被覆盖度 Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ
ｃｏｖｅｒａｇｅ
０．３６３ －０．２８４ －０．０３０ －０．３２３ ０．０８６ ０．３１５ －０．６９９ ０．１５３ ０．０４３ ０．２４９
距 道 路 距 离 Ｄｉｓｔａｎｃｅ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｏａｄ
０．１７４ ０．１０４ ０．０９５ －０．６９７ －０．２１６ －０．６３４ ０．０６１ －０．０６７ －０．０５３ ０．０７０
距工业用地距离 Ｄｉｓ⁃
ｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｌａｎｄ
０．１６８ ０．１２３ ０．０６４ －０．４５９ ０．３９２ ０．５１１ ０．５５７ ０．０５３ －０．０９１ ０．０７１
距居民点距离 Ｄｉｓｔａｎｃｅ
ｆｒｏｍ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｌａｎｄ
０．２７７ ０．８２１ ０．０４３ ０．２１２ ０．２６２ －０．１２７ －０．２０１ ０．２００ ０．０２９ ０．１９１
距 水 体 距 离 Ｄｉｓｔａｎｃｅ
ｆｒｏｍ ｗａｔｅｒ ａｒｅａ
０．５３０ ０．０３１ －０．０４２ ０．２１２ －０．６９７ ０．２０９ ０．２５５ ０．０１９ －０．１４４ ０．２３７
ＰＣ： 主成分 Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．
１３１３１０期　 　 　 潘竟虎等： 基于空间主成分和最小累积阻力模型的内陆河景观生态安全评价与格局优化———以张掖市甘州区为例
因子、地形因子、交通因子等 ４个因子是影响研究区
生态安全格局的主要因素，这与研究区的实际也是
相符的．对于干旱内陆河区域而言，水资源无疑是生
态环境首位的影响因素，流域地表径流及其与之密
切联系的地下水资源是维系中下游经济发展和生态
环境平衡的纽带．研究区所处的黑河中游是典型的
干旱内陆河地区，气候干旱，水资源稀缺，生态环境
敏感脆弱，加之绿洲农业区人类灌溉不合理地用水，
地下水位逐渐下降，靠地下水补给生存的荒漠植被
开始衰退．研究区深居西北内陆，除了水资源，地形
也是影响该区生态安全的重要因素，海拔通过温度
影响生态，决定生物群落的组成．受地形和水热分布
的影响，研究区水土资源分布极为不平衡，在一定程
度上决定了土地类型结构和土地利用结构，与水资
源共同影响研究区的生态安全状况．除自然资源条
件外，人类活动也是影响干旱区内陆河流域的重要
因素．生态体系的极度脆弱性使其对水土资源开发
响应强烈，人类盲目开荒，超载过牧，对资源的利用
方式不合理，效益不高，这种掠夺式的开发给研究区
生态坏境带来极大破坏．距离居民点距离较近的区
域，直接受到人类各种活动的影响，人口聚集造成环
境压力巨大［２７］，质量有所下降．交通干线穿越的区
域，一方面植被遭到破坏，造成当地生态环境的不完
整，影响生物多样性格局；另一方面人类在交通干线
的两边种草植树，成为连接生态源地与零碎斑块之
间的生态廊道，提高了生态网络的流通性．
ＳＰＣＡ分析得到的各因子的方差贡献率作为权
重，采用式 ３对前 ４个主成分进行加权求和，从而获
得甘州区每个栅格上的生态安全综合指数及其空间
分布．利用 ｒｅｃｌａｓｓｉｆｙ工具重分类，将研究区生态安全
格局分为 ４个等级，得到甘州区生态安全等级分布
图（图 ４），其分布状况代表了甘州区生态安全的空
间格局．从图 ４ 与不同生态安全等级所占面积百分
比不难看出，研究区生态安全水平不均衡，整体生态
环境质量一般，系统服务功能遭到一定程度破坏，生
态环境已有退化，生态结构有所变化，抵抗外界干扰
能力与自我恢复能力较差，生态问题显著，生态灾害
时有发生．中等安全水平的区域面积为 １３１８􀆰 ７０
ｋｍ２，占研究区总面积的 ３６．７％；其次是高度安全水
平的区域，面积为 ８９２．９５ ｋｍ２，占 ２４．８％；处于较低
和低度安全水平的区域面积分别为 ６７０． ０９ 与
７１３􀆰 ８０ ｋｍ２，所占百分比为 １８．６％和 １９．９％．
从生态安全的空间分布来看，低度安全水平的
区域主要位于北部平山湖乡和安阳滩与石岗墩滩的
公用地，多为戈壁与沙地，植被稀疏，水资源缺乏，生
态环境恶劣，属于生态敏感、脆弱区，生态恢复与重
建很困难．较低安全水平的区域以裸岩石砾地和稀
疏植被为主，可安排防护林建设，通过治理成为人工
速生林和封育型草地，构建生态廊道，将此区域与生
态源区连接，提高生态安全水平．高度安全水平的区
域位于黑河流域西北部和东南部，是绿洲灌溉农业
区，耕地分布较多，地势平坦，植被覆盖度高，可通过
因地制宜地确定农业用地中合理的田、林、草地比
例，网格化农田，提升农业水资源利用效益，扩大生
态安全稳定性．
２􀆰 ２　 甘州区景观格局阻力
从甘州区景观格局累积阻力、生态节点和廊道
的空间分布（图 ５）和不同阻力等级所占面积百分比
可以看出，研究区生态扩展的较低阻力区面积最大，
图 ４　 甘州区生态安全格局
Ｆｉｇ．４　 Ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ Ｇａｎｚｈｏｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ．
图 ５　 甘州区景观格局累积阻力、生态节点和廊道的空间
分布
Ｆｉｇ．５　 Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｒｅ⁃
ｓｉｓｔａｎｃｅ， ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｎｏｄｅｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｉｄｏｒ ｏｆ Ｇａｎｚｈｏｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ．
２３１３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
为 １０７２．２６ ｋｍ２，占甘州区总面积的 ２９．８％，主要绕
城关镇及东大山呈半环状分布，安阳乡东南也有分
布．低阻力区主要分布在城关镇及其以北的沙井镇、
乌江镇、靖安乡、三闸镇，东面的碱滩镇兰新铁路与
３１２国道周边，黑河干流与东大山也是低阻力区；此
区内的土地利用类型以耕地、林地和水体为主，多属
于生态源地．中阻力区分布在较低阻力区的外围，占
总面积的 ２５．４％，主要分布在平山湖乡、西洞乡、安
阳滩、石岗滩以及花寨乡，土地利用类型主要是戈壁
沙漠、裸岩石砾地与荒滩．较高阻力区呈条带状分布
于平山湖乡，占 １１．１％．高阻力区分布于平山湖乡的
最北端，约占总面积的 １１．０％．
借助 ＭＣＲ模型分别生成每个生态源地斑块与
其他生态源地斑块之间的最小累积耗费距离，并将
这些路径叠加，构成甘州区潜在的生态廊道（图 ５）．
通过将甘州区景观格局累积阻力栅格图与土地利用
图和基础地理信息底图相叠加，将现有生态廊道与
潜在生态廊道进行对比，发现研究区内现有生态廊
道的布局存在以下问题：１）从全区整体来看，生态
廊道以道路和河流廊道为主，其宽度普遍较小，达不
到物种所要求的廊道宽度，对物种的影响效应难以
显现．２）由于甘州区特殊的山地⁃绿洲⁃荒漠地形特
征以及城市建设的需要，中部平原地区的居民点、道
路和河流廊道的集中度较高，致使大型生境斑块数
量减少，斑块的破碎程度严重，增大了平原地区景观
的阻力．经 ２００９—２０１０ 年 ９ 次实地调查，其廊道自
身内部结构、宽度以及植被质量均较差，从物种的迁
徙和维持生物多样性的角度来看，廊道之间的连通
性相对薄弱，而南部和东北部山区，虽然自然禀赋良
好，具有较高的生态适宜度，生境斑块面积较大，但
分布不均匀，尤其是北部地区内的生态斑块数量总
体匮乏，斑块之间连接度低，廊道连通性差．３）在祁
连山浅山区与洪冲积扇交界的生态敏感区，生态斑
块极为缺乏，破碎度也较高，山地与平原之间缺乏衔
接．综上，甘州区内生态斑块在数量、面积和分布上
都存在不同程度的生态问题，斑块之间的连接差，生
态廊道连通性低，生态流难以进入生态功能减弱、抵
御外来干扰的能力和生态服务功能脆弱的生态薄弱
区．生态物种在生态源地之间的成本距离增大，继而
降低了景观连接度，需要进行景观格局生态网络的
优化．
生态廊道和斑块共同构成景观生态功能网络，
对网络中生态流迁移和扩散的效率会产生重要影
响．研究区的生态廊道主要沿黑河流域与林地分布，
生态节点位于黑河流域、连霍高速公路、２２７ 国道、
３１２国道、兰新铁路、山丹河、酥油口河、东大山周边．
通过最小耗费距离求得最小路径而获得的生态廊道
复杂破碎，冗余的廊道过多，生态源地和主要交通干
线在空间上衔接性不高，没有将生态功能薄弱的区
域与生态源区联结形成有效的网络覆盖．生态节点
分布凌乱，无法区分每个生态节点的重要程度，整体
生态系统稳定性差．
２􀆰 ３　 甘州区景观格局优化
２􀆰 ３􀆰 １生态廊道的构建　 提升现有生态廊道的连通
性、增加廊道的数量、强化廊道建设规模是优化生态
廊道的重要途径，藉此可提升研究区生态廊道的完
整性和闭合性，增大其生态服务功能．从生态安全的
角度来说，连接度高的廊道比连接度低的廊道生态
系统更稳定，所以廊道越多越好．对于存在较大生态
功能阻力的廊道，应通过加强对其自身生态建设改
善周边生境质量，降低景观的生态功能阻力，更有效
地提升生态网络的整体生态价值［３１］ ．根据模拟的潜
在生态廊道，本文提出甘州区生态廊道规划总体布
局为“两带、三横、三纵”的井字形空间格局（图 ６）．
其中，“两带”以北部的防护林体系、生态公益林和
东大山青海云杉天然林以及洪冲积平原⁃山区⁃绿洲
交界处的绿带生态廊道建设为主体．“三横、三纵”是
以黑河流域、大片林地、酥油口河为主要生态轴线，
通过沿河绿化带等线性元素建立的 ６ 条生态廊道．
具体又可分为一级廊道、二级廊道和三级廊道：一级
廊道是研究区域内主要的生态廊道，一条沿黑河流
域向东北扩展，连接平山湖蒙古族乡生态安全格局
较低和低区域，贯穿兰新铁路、连霍高速公路、３１２
国道；另一条以位于碱滩镇的落叶阔叶林为中心向
南北辐射，北接山丹河，南连酥油口河，贯穿兰新铁
路、３１２ 国道和 ２２７ 国道，连结 ４ 个生态节点，形成
一级生态廊道．二级廊道呈东西向分布，一条连接研
究区主要的林地、黑河、山丹河，延伸到东大山；另一
条在城关镇以北，连接碱滩镇的落叶阔叶林、兰新铁
路、连霍高速公路、３１２ 国道，与两条一级廊道有两
个交点．两条三级生态廊道分布于研究区的南部和
西南部，其所在的区域景观格局以稀疏植被和耕地
为主，一条贯穿大野口河连接祁连山北部的常绿针
叶林与酥油口河，另一条从常绿针叶林延伸到西洞
乡南部的黑河流域．两条二级廊道与两条三级生态
廊道穿过研究区内最大面积的生态源地将其他分散
分布的面积较小的生态源地联结起来，使研究区生
态网络具有良好的连通性，形成连续的体系结构，从
３３１３１０期　 　 　 潘竟虎等： 基于空间主成分和最小累积阻力模型的内陆河景观生态安全评价与格局优化———以张掖市甘州区为例
而促进景观流的运输．
从廊道生态建设的角度，又可分为道路型、河流
型和绿带型生态廊道 ３种建设模式．１）道路型廊道．
在甘州区研究区主要选取兰新高铁、Ｇ３０ 高速公路、
国道 ３１２线、国道 ２２７线、省道 ２１３线及重要的县道
作为道路廊道建设的重点，通过增加道路两旁的绿
带宽度，来降低道路对生态过程的干扰，确保生物物
种迁移和生态流的运动，提升不同生态源地间生态
廊道的连通，尤其是强化绿洲、荒漠、平原和山区生
态源地的连接度．２）河流型廊道．甘州区境域河网较
多，自古有“戈壁水乡”的美誉，构建河流廊道具有
较好的生态基础．成功构建河流生态廊道的关键是
大力开展河道、沟渠疏浚工程，加强河流廊道的生态
修复，优化河岸绿色植被，尤其是恢复重建黑河干流
湿地，进行滨水绿化建设，适当拓宽两岸绿化带的宽
度．在酥油口河、大野口河、山丹河 ３ 条主要河流水
系和水源保护地，应加强水环境保护与建设，减少人
类活动干扰；针对区内 ２６条季节性河流重塑河道生
态系统，丰富物种多样性，提高系统的自我调节和修
复能力．３）绿带型廊道．根据甘州区荒漠⁃绿洲生态系
统的特点，强化绿洲、山区、荒漠、洪冲积扇交界处的
绿地建设，加快建设、完善东大山森林公园、黑河湿
地公园、黑河森林公园、九龙江林场、红沙窝林场、西
城驿林场等大型绿地，构成绿洲周边的绿带廊道，加
强山区、荒漠、洪冲积扇和绿洲之间生态廊道的有机
联系．
２􀆰 ３􀆰 ２生态节点的建立　 生态节点是生态耗费路径
和最小路径的交汇处，也是生态功能最薄弱处．结合
研究区的景观特征，将源地间的生态廊道紧密联系
起来，把主要生态节点作为生态战略点加强建设，形
图 ６　 甘州区生态网络
Ｆｉｇ．６　 Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ Ｇａｎｚｈｏｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ．
成研究区生态网络（图 ６），从而有力改善景观生态
系统结构功能的完整性．甘州区共 １４ 个生态节点，
包括 ８个一级生态节点、６ 个二级生态节点．一级生
态节点位于一级生态廊道或大面积生态源地内，在
研究区生态网络中处于战略地位；二级生态节点位
于二、三级生态廊道或离生态源地较远，一般在两个
一级生态节点中间，是研究区生态网络中的关键点．
将 ８个一级生态节点和 ６个二级生态节点进行重点
保护和建设，以此对周围较脆弱的景观形成辐射
影响．
２􀆰 ３􀆰 ３生态源地的确立　 生态源地能够为物种提供
良好生境，维护现有景观的完整性，保证生态系统服
务的可持续性．研究区最大的生态源地是以乌江镇
和靖安乡的两个一级生态节点为中心向四周呈圆形
辐射的绿洲，此区内是研究区主要的林地所在地，黑
河、山丹河也穿过此区，几条主要的交通干线都贯穿
而过．东大山所处的生态源区也是面积较大的源区，
本区内有大片林地分布，包含一个一级生态节点和
一条二级生态廊道．其他的生态源地都是以主要的
林地、河流向外辐射形成的．研究区的“源”之间缺少
源间联结，辐射道几乎不存在，生态安全格局比较脆
弱．本文利用生态廊道和生态节点将生态源地和主
要交通干线连结在一起，对生态廊道和生态节点的
重要程度分级明确，提升了生态网络的连通度．生态
网络结构越复杂，连通度越高，景观生态功能流运行
越畅通，能够直接渗透到阻力较高的区域，加强其生
态安全水平．甘州区未来应以维护生态安全、保持自
然生态系统的完整和功能为目的，重点做好黑河水
资源保护、黑河湿地保护、祁连山⁃东大山天然林资
源保护工程，有效保护和建设好重要生态网络，进一
步实施退耕还林、退牧还草、防护林建设和中南部水
土保持流域治理，实现“南保水土，北御风沙，中建
绿洲”的生态安全格局．
３　 讨　 　 论
ＳＰＣＡ具有客观性强、减少数据冗余、突出主要
信息的优势，而建立在“景观流”和“源⁃汇”理论基
础上的 ＭＣＲ模型，具有图论清晰、运算简便快速、结
果直观形象等优点，通过 ＡｒｃＧＩＳ将二者结合用于景
观生态安全评估和格局优化，可使复杂的大尺度景
观分析的实际操作成为可能，实现了定性与定量的
深入研究．通过本文研究发现，影响甘州区生态安全
的主要因素是水资源、地形、交通和人类活动，生态
安全格局影响因素和空间分布也与实际情况相符．
４３１３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
甘州区生态安全综合状况一般，中等安全水平类型
所占比例最高，其次是高度安全水平类型．景观格局
阻力的分布基本与生态安全格局的分布一致，生态
水平越安全，阻力越小．
利用 ＭＣＲ模型构建了甘州区潜在的生态廊道，
与现有生态廊道对比发现，存在廊道连通性低、规模
和服务范围小、景观破碎度高、生态斑块少等诸多问
题，尚未形成良好的生态网络．进而运用 ＧＩＳ 空间分
析技术，模拟了生态流运行态势，得到生态廊道和生
态节点的空间格局，提出了景观格局优化的总体方
案，即以黑河干流、大片林地、酥油口河为主要生态
轴线，通过沿河绿化带等线性元素建立“井”字状生
态廊道，将生态源区、生态功能薄弱的生态节点通过
生态廊道连接，三者共同构成点、线、面相互交织的
生态网络格局，从而将山地、绿洲、洪冲积平原和荒
漠生态系统有效地结合在一起，拓展生态源区的服
务功能，有力改善景观格局，维护生态系统的稳定性
和整体性．研究结果可为干旱内陆河流域景观生态
建设和生态规划提供参考．
本文与常规区域生态安全评价和景观优化的最
大不同之处是将因子和结果均落实到空间的每一个
“点”上，从而大大提高了结果的可视化与实用性，
但也不可避免地带来了一些问题．首先，景观生态安
全格局的影响因素众多，受技术和数据获取的限制，
许多因素（特别是社会经济因素）因难以空间化，不
得不舍弃．其次，多源空间数据的分辨率不同，可能
引起结果的偏差．此外，尽管 ＭＣＲ 模拟构建潜在的
生态格局具有较好的参考价值，也符合当地实际，但
其背后所依据的生态原理和过程，尚需要进一步深
入探讨，其中也难免存在主观判断因素．多因素的综
合影响、多源空间数据的有效融合、多情景下的生态
优化预案、多模型结合的生态学解释等“四多”问
题，应是下一步研究的重点方向，但并不影响本文结
论的参考意义．
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作者简介　 潘竟虎，男，１９７４ 年生，博士，副教授． 主要从事
生态遥感研究和空间分析研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｐａｎｊｈ＿ｎｗｎｕ＠ ｎｗｎｕ．
ｅｄｕ．ｃｎ
责任编辑　 杨　 弘
６３１３ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷