基于生态安全与生态系统脆弱性的生态管理分区——以黄河流域为例

《Ecological Modelling》：Ecological management zoning based on ecological security and ecosystem vulnerability in the important ecological functional area—A case study in the Yellow River Basin

　　

梁荣平|魏伟|魏晓旭|谢斌斌|周君举|史伟

中国兰州西北师范大学地理与环境科学学院，730070

摘要

随着经济的快速发展和人类活动的增强，近年来生态环境受到了严重破坏。如何科学地管理受到威胁的生态环境具有重要意义。黄河流域（YRB）不仅是重要的生态安全屏障，也是中国人口活动和经济发展的重要区域。然而，存在许多环境问题，如生态退化、土地沙漠化和水污染。在YRB进行科学有效的生态分区管理显得极为紧迫。本文采用形态空间模式分析（MSPA）和新改良的遥感生态指数（nmRSEI）来提取生态源，并构建生态安全格局（ESP）。此外，从栖息地条件、生态系统结构和生态系统服务方面评估了YRB的生态系统脆弱性。根据生态系统脆弱性指数（EVI）和nmRSEI的结果，将该区域划分为四个生态管理区。研究结果表明，YRB的生态源面积为153,680平方公里，主要集中在东南部和上游地区。青海的生态源面积最大（36.53%），其次是甘肃（19.43%）和陕西（16.51%）。利用链接映射器识别出507条生态廊道，以及82个障碍点和142个生态瓶颈。这四个生态管理区的分布具有显著且分散的空间差异，共同构成了YRB的生态保护和管理体系。基于这四个管理区的目标及YRB的总体规划，构建了沿黄河的经济带和六个核心管理节点，并提出了综合管理措施。本研究提出的视角和研究框架为YRB的生态治理和高质量发展提供了科学依据，同时也可为全球其他类似流域的生态管理提供应用参考。

引言

近几十年来，随着城市化和经济的快速发展，大量生态用地转为建设用地，导致了许多生态和环境问题，包括生态质量下降、景观破碎化、生物多样性锐减以及生态环境脆弱性的增加（Fan等人，2022；Li等人，2022；Peng等人，2018）。这些问题不仅威胁自然生态系统的平衡，还使生产、生活和生态空间的空间结构失衡并引发冲突，从而限制了该地区的可持续发展，并影响了生态、经济和人类环境（Li等人，2021）。在中国，用于建设的土地面积显著增加，而耕地、林地、草地甚至水域面积却在减少（Deng等人，2020）。通过科学方法协调城市化与生态保护的关系至关重要，关键在于建立有效的方法论（Li等人，2022）。

生态安全格局（ESP）指的是景观内生态系统的潜在空间布局，由景观的关键组成部分及其空间方向和连通性构成（Jian等人，2018；Peng等人，2018）。在某些地区，这种格局对于保护或管理特定生态过程至关重要。构建ESP的主要框架包括通过建立抵抗面来识别生态源和提取生态廊道（Luo等人，2024）。构建ESP的基础是生态源，即具有高生态系统服务能力和高生态质量的中心区域（Li等人，2024）。确定生态源有两种主要方法：一种是直接选取关键生态要素，如湖泊、沼泽、森林和草地（Wang等人，2024）；另一种是基于生态敏感性、生态系统服务功能和景观连通性构建评估指标（Chen等人，2023）。然而，直接选择的方法忽略了斑块与周围环境之间的联系，且非常主观。这种指标评估方法在不同地区的普遍性较差，且与研究者对研究区域的熟悉程度密切相关（Li等人，2022）。

生态廊道可以连接孤立的生态系统，为生物交流和能量流动提供通道（Chen等人，2025）。提取方法包括最小累积阻力模型（Sun等人，2024）、电路理论（Huang等人，2023）和重力模型（Wu等人，2023）。特别是电路理论能够准确识别对物种迁移和交流至关重要的生态廊道，并根据当前强度对其重要性进行排序（Zhang等人，2025）。此外，模拟物种在自然环境中迁移难易程度的抵抗面对于建立生态安全格局非常重要（Li等人，2022；Guo等人，2025）。

生态系统脆弱性是指生态系统在面对外部干扰或压力时受到损害或结构功能丧失的敏感性（Qiu等人，2023）。生态系统脆弱性受生态系统结构和人为驱动过程的影响（Li等人，2024）。评估和监测生态系统脆弱性有助于实现区域的可持续发展。政府间气候变化专门委员会（IPCC）提出的暴露-敏感性-适应能力范式是目前最广泛使用的研究框架（Battamo等人，2022）。此外，研究人员提出了许多基于暴露-敏感性-适应能力范式的脆弱性评估方法，包括压力-敏感性-韧性框架（Yi等人，2023）以及基于压力-状态-响应模型构建的综合评估系统（Wu和Tang，2022）。然而，这些研究通常将外部干扰作为评估的直接指标，可能导致结果反映的是生态风险而非生态系统脆弱性（Kasthala等人，2024；Sun等人，2024）。

黄河流域（YRB）灌溉了全国15%的耕地，贡献了12%的粮食产量。YRB拥有全国60%以上的煤炭资源，并富含石油和天然气资源。该区域聚集了装备制造、化工和新材料等产业，形成了贡献约占该国GDP 25%的经济发展带（Wang等人，2025）。然而，由于地理限制、经济发展和人类活动，YRB出现了多种生态和环境问题，包括生态退化、土地沙化、土壤侵蚀和污染加剧（Zhang等人，2022）。因此，需要对YRB进行生态管理分区。

本文利用新改良的遥感生态指数（nmRSEI）和形态空间模式分析（MSPA）方法准确确定了生态源。nmRSEI方法可以更好地监测不同气候区的生态质量（Zhang等人，2024），这与YRB的气候条件相符。MSPA可以量化景观格局并揭示区域景观连通性，使生态源的识别更加客观（Liu等人，2023）。此外，可以根据对外部干扰的敏感性和韧性来评估YRB的生态系统脆弱性，这些因素由栖息地条件（Hc）和生态系统结构（Es）及生态系统功能（Ef）的动态变化决定（Kasthala等人，2024；Sun等人，2024）。因此，本研究使用Hc、Es和Ef构建了一个综合的生态系统脆弱性评估系统。

本研究旨在通过构建YRB的不同生态管理区来提供合理的生态管理措施和建议。主要内容包括两部分：（1）结合MSPA方法和nmRSEI结果选择栖息地质量良好的区域作为生态源，综合选取抵抗要素以构建抵抗面，并利用电路理论提取生态廊道、瓶颈点和障碍点；（2）基于nmRSEI和生态系统脆弱性指数（EVI）构建生态管理分区。

章节片段

研究区域

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山的北麓，流经9个省（自治区），最终注入东营市的海域。全长约为5464公里，是中国第二长的河流（图1）。YRB的面积为79.5 × 10^4平方公里，位于北纬32°至42°、东经95°至120°之间。它是中国的重大生态屏障和经济增长轴（Wang等人，2024），横跨四个

研究方法

从图2可以看出，本研究的方法框架由三个主要部分组成：（1）利用nmRSEI结果和MSPA方法识别生态源，选择七个社会和自然要素构建抵抗面，并应用电路理论提取生态廊道、障碍点和生态瓶颈点；（2）基于Hc、Es和Ef的子指标构建YRB EVI评估框架；（3）根据EVI和nmRSEI的结果

基于MSPA的生态源

通过MSPA分析，将2022年YRB的生态空间分为七类景观特征。从表4可以看出，核心区域的面积为273,192平方公里，占生态景观面积的53.28%，主要分布在流域的西南部，以草地为主。然而，在中部地区，核心区域较为分散，连通性较差。边缘区域占总面积的15.75%

生态管理分区的分布特征

本研究利用四象限模型，结合nmRSEI和EVI数据将YRB划分为四个生态管理区（图12，表5）。高质量-低脆弱性区为生态预防区，该区域生态质量良好，脆弱性低，受人类破坏较小，是重要的生态源；高质量-高脆弱性区为生态保护区，生态质量好但脆弱性高，需要重点保护

结论

基于nmRSEI和EVI方法，构建了YRB的生态管理分区，并将其划分为不同管理区。同时，将生态管理分区与ESP结合起来，提出了YRB的分区管理措施和建议。研究发现：（1）YRB的生态源面积为153,680平方公里，主要分布在上游和东南部地区；识别出507条生态廊道，142个生态瓶颈点，以及82个

CRediT作者贡献声明

梁荣平：撰写——初稿、方法论、数据整理。魏伟：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。魏晓旭：撰写——审稿与编辑、监督、形式分析。谢斌斌：撰写——审稿与编辑、方法论。周君举：撰写——审稿与编辑、监督。史伟：撰写——审稿与编辑、资金获取。