耦合生态服务功能和景观形态结构的湖北省生态安全格局构建

Construction of ecological security pattern based on coupling ecosystem services and landscape morphology in Hubei Province

摘要

全球气候变化加剧与人类活动强度提升导致区域生态安全面临重大挑战，科学构建生态安全格局成为区域生态安全与可持续发展的关键.本文以湖北省为研究区域，基于“识别生态源地—建立景观阻力面—构建生态廊道”的逻辑框架构建了湖北省生态安全格局，实现景观形态结构与生态服务功能的协同优化.结果表明： 1） 湖北省生态系统服务功能整体呈现“两增两降”的演变趋势，2000—2020年产水量和土壤保持量分别增长55.08%、23.60%，碳储量减少335.29万t，生境质量指数略有下降，空间格局呈“西高东低中部过渡”态势. 2） 叠加形态空间格局分析核心区与生态系统服务功能高值区并经最小面积阈值法修正，识别出68个生态源地，面积达25 049.13 km²，分布较为合理. 3） 基于自然与社会因子构建复合生态阻力面，识别出170条生态廊道、107个生态夹点和264个生态障碍点，鄂西北和鄂中地区生态连通性高，江汉平原及武汉都市圈连通相对薄弱.本研究可进一步丰富区域生态安全识别与评估方法体系，为湖北省生态廊道修建、景观规划与国土空间优化布局提供决策参考.

Abstract

Intensified global climate change and increased human activities pose significant challenges to regional ecological security. Scientifically constructing an ecological security pattern has become key to ensuring regional ecological security and sustainable development. Taking Hubei Province as the study area， an ecological security pattern was constructed based on the logical framework of “identifying ecological sources-establishing a landscape resistance surface-extracting ecological corridors”， achieving the synergistic optimization of landscape morphological structure and ecological service functions. The results are shown as follows： 1） The ecosystem service functions in Hubei Province overall exhibited an evolution trend of “two increases and two decreases” from 2000 to 2020. Water yield and soil conservation increased by 55.08% and 23.60%， respectively， while carbon storage decreased by 3.352 9×10⁶ t tons， and the habitat quality index slightly declined. The spatial pattern showed a “high in the west， low in the east， transitional in the center” distribution. 2） By overlaying MSPA core areas with high-value areas of ecosystem service functions and applying a minimum area threshold correction， 68 ecological sources were identified， covering an area of 25 049.13 km²， demonstrating a relatively rational distribution. 3） Based on a composite ecological resistance surface constructed from natural and social factors， 170 ecological corridors， 107 ecological pinch points， and 264 ecological barrier points were identified. Ecological connectivity is high in northwestern and central Hubei， while it is relatively weak in the Jianghan Plain and the Wuhan Metropolitan Area. This study can further enrich the methodological system for regional ecological security identification and assessment， providing decision-making references for the construction of ecological corridors， landscape planning， and optimization of territorial spatial layout in Hubei Province.

Graphical abstract

关键词

生态服务功能 / MSPA / 生态安全格局 / 湖北省

Key words

ecosystem service functions / MSPA / ecological security pattern / Hubei Province

气候变化与人类活动双重驱动下，区域生态安全面临着前所未有的挑战.构建生态安全格局，统筹生态修复与空间治理，是提升生态系统稳定性与服务功能、实现可持续发展的关键路径^［1］.国外生态安全格局研究主要聚焦生态保护制度和方法构建，如20世纪末的“集中与分散相结合”“不可替代格局”的景观模式和景观功能流等为生态安全格局奠定了理论基础^［2］；在方法上，系统动力学、综合优化等方法被应用到生态安全评估及动态优化上^［3］，也有学者指出生态廊道对生物多样性保护、生态系统恢复具有重要作用.国内自引入生态安全格局概念后^［4］，不断强调生态系统服务与城市生态基础设施的整合对区域生态安全的作用，也有从土地利用适宜性、生态系统服务等角度探索生态安全格局差异化优化策略，提出“源地—廊道—汇”模式作为生态安全格局构建的主线^［5-7］.在生态源地确定上，学者运用多种创新方法开展研究，包括结合景观格局指数和生态系统服务和权衡的综合评估模型（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs，InVEST）测算生态系统服务功能识别生态源地^［8-10］，叠加生态系统服务、形态空间格局分析凸显生态源地的景观连通性，或者直接以生境质量较高的自然保护区等作为生态源地^［11-12］.生态廊道的数量和分布对生态安全格局的形成具有决定性作用，最小累计阻力模型、重力模型被广泛应用在生态廊道的提取上^［13］，也有学者利用电路理论识别关键廊道、障碍区优化生态安全格局^［14-16］.近年来学者基于生态安全格局修复框架，提出了“诊断—修复—管控”新模式，丰富了生态安全格局优化的理论与实践体系^［17-18］.本文以湖北省为研究区，耦合InVEST模型与形态空间格局分析（morphological spatial pattern analysis，MSPA）方法识别生态源地，构建综合阻力面并提取生态廊道，据此构建湖北省生态安全格局，以期为区域生态安全空间优化、提升生态系统稳定性和承载力等提供科学依据.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区域概况

湖北省位于中国中部偏南、长江中游，地理坐标为29°05′~33°20′N，108°21′~116°07′E，是长江经济带的重要节点，总面积18.59万km²，辖13个地级行政区、3个直管市和1个林区.全省地势西高东低，西部多山，东部以江汉平原为主，地貌总体呈东西条带状分布.为体现湖北省地势差异特征，本文基于30 m分辨率的数字高程模型SRTM DEM数据，采用自然断点法进行高程分级，将全省划分为五级高程区，以反映“东低西高、山地丘陵广布”的总体地貌格局.属亚热带季风气候，四季分明，降水丰富，年均降水量约1 200 mm，主要集中于5—9月.研究区水系发达，长江及汉江横贯全境，湖泊众多，素有“千湖之省”之称（图1）.但人类活动给自然资源和生态环境带来了一定的压力，存在生态廊道建设薄弱、湖泊湿地萎缩、水生态受损、水土流失治理难度加大、森林结构有待优化、矿山生态破坏欠账较多等问题.

1.2 数据来源表

本文选择2000—2020年作为研究时段，按5年为间隔开展研究，主要采用的数据见表1.其中土地利用、降水、土壤等数据用于计算生态系统服务功能，气温、数字高程模型DEM数据、道路、归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）等数据用于构建复合生态阻力面，所有数据都重采样为30 m分辨率.

2 生态安全格局构建方法

本文遵循“生态源地识别—景观阻力面构建—生态廊道提取—生态安全格局重构”的逻辑主线，结合《中华人民共和国国家生态环境标准》^［19］和湖北省实际，将生态系统服务功能界定为产水、固碳、土壤保持、生境质量4个方面并利用InVEST模型进行服务功能测算，耦合生态系统服务功能等级和景观形态空间格局分析提取核心生态源地，结合8类生态阻力因子构建复合生态阻力面，使用linkage mapper电路理论工具提取生态廊道，识别生态夹点和障碍点构建湖北省生态安全格局.

2.1 生态系统服务功能评价

InVEST模型是一个可以用于评估陆地、海洋、淡水三个生态系统的模型，具有生态系统服务定量评估和空间可视化分析双重功能，可以系统分析土地利用方式对生态系统服务功能的异质性作用机制.针对湖北省当前面临的生态环境破坏、水土流失较严重等问题，同时为实现长江大保护、双碳等战略目标，本文基于InVEST模型选择产水、固碳、土壤保持、生境质量4个功能指标，开展生态系统服务功能评价.各指标具体计算方法和相关参数如下.

2.1.1 产水量

产水量计算主要是遵循水循环的质量守恒定律而来，通过降水、植物蒸腾、地表蒸发、根系深度和土壤深度等参数计算产水量^［20］，采用InVEST模型中的产水量评估模块对产水服务进行量化，其计算公式如下：

Y(x)=\left(\mathrm{1}-\frac{E_{\mathrm{a}}(x)}{P(x)}\right)\times P(x)，（1）

\frac{E_{\mathrm{a}}(x)}{P(x)}=\mathrm{1}+\frac{E_{\mathrm{p}}(x)}{P(x)}-{\left[\mathrm{1}+{\left(\frac{E_{\mathrm{p}}(x)}{P(x)}\right)}^w\right]}^{\frac{\mathrm{1}}{w}}，（2）

E_{\mathrm{p}}(x)=K_{\mathrm{c}}(l_x)\times E_{\mathrm{0}}(x)，（3）

w(x)=Z\times \frac{S(x)}{P(x)}+\mathrm{1.25}，（4）

式中，Y（x）为每个单元栅格x的年产水量，E_{\mathrm{a}}(x)为每个单元栅格的年实际蒸散量，P（x）为每个单元栅格x的年降水量， E_{\mathrm{p}}(x)为潜在蒸散量，w(x)为自然气候—土壤性质的非物理参数，K_{\mathrm{c}}(l_x)表示栅格单元中特定土地利用的植物（植被）蒸散系数，它很大程度上取决于栅格单元中土地利用类型的植被性质，lx 表示植被类型， E_{\mathrm{0}}(x)表示栅格单元x的参考作物蒸散， S(x)表示植物可利用水含量，Z为经验常数，又称季节常数，能够代表区域降水分布及其他水文地质特征，各参数参考文献［21］进行设置.

2.1.2 碳储量

InVEST的碳储量模型，主要根据统计出的各种地类地上碳库（C_above）、地下碳库（C_below）、土壤碳库（C_soil）和死亡有机质碳库（C_dead）的平均碳密度，乘各土地利用类型面积得到生态系统四大碳库的碳储存量（C_total，t·hm^-2），其计算公式如下^［22］：

C_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}=C_{\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{o}\mathrm{v}\mathrm{e}}+C_{\mathrm{b}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{w}}+C_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}+C_{\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{d}}.（5）

2.1.3 土壤保持

土壤保持基于InVEST模型中的沙泥输送比例模块进行测算.该模块以水土流失方程为基础计算出土壤保持量，在计算过程中加入了栅格上游对泥沙和沉积物的拦截量，其计算公式如下：

S_x=R_x\times K_x\times L_x-R_x\times K_x\times L_x\times C_x\times P_x，

（6）

式中，S_x为栅格单元x的土壤保持量［t·hm^-2·a^-1］，R为降水侵蚀因子［MJ·mm·hm^-2·h^-1·a^-1］，K为土壤可侵蚀性因子［t·hm²·h·hm^-2·MJ^-1·mm^-1］.L、C、P分别为坡长—坡度因子、植被覆盖因子、土壤保持措施因子（无单位），参考文献［23］进行设置.

2.1.4 生境质量

生境质量基于InVEST模型中的生境质量模块进行测算，该模块以土地利用类型为胁迫因子，考虑各因子的敏感度和适宜性量化生态质量的时空分布特征，其计算公式如下：

Q_{xj}=H_j\left[\mathrm{1}-\left(\frac{D_{xj}^z}{D_{xj}^z+k^z}\right)\right]，（7）

式中，Q_xj 为栅格单元x地类j的生境质量，取值范围为［0，1］，越接近1，该区域生境质量越高；H_j 为地类j的生境的适宜性，D_xj 为栅格单元x地类j的生境胁迫水平，k为半饱和常数，通常取D_{xy}^z最大值的一半，设定为0.5^［24］，Z为归一化常量，设定为2.5^［25］.

2.2 生态源地选取

2.2.1 基于MSPA的生态源地识别

MSPA方法侧重景观内部单元的空间配置特征，在识别关键生态斑块与连接通道方面具有显著优势，广泛适用于生态系统结构优化与生物多样性保护研究.本文采用MPSA方法^［26］，将土地利用数据分为6类，从生物多样性视角出发，将生物多样性较好的林地、草地、水域作为前景，将耕地、建设用地、未利用地作为背景要素.再将前景划分为核心区、孤岛、孔隙、边缘区、桥接区、环道和支线这7类景观格局结构，通过guidostoolbox 3.0工具，得到湖北省不同年份的7类景观空间分布，为后期筛选生态源地提供参考.

2.2.2 基于生态系统服务功能重要性的生态源地识别

在前述分别计算产水、固碳、土壤保持、生境质量4个功能指标后，采用极值法分别进行归一化处理.等权加和获取生态系统服务功能综合指数后结合自然断点法划分为高水平、较高水平、中等水平、较低水平和低水平5个等级，定量表征生态系统服务功能的空间差异.等级越高表示生态系统服务重要性程度越高.

2.2.3 生态源地的确定

耦合生态服务功能重要性程度较高、高水平区域与MSPA识别的核心区域进行空间叠加分析，识别出具有生态系统服务价值高和生态结构完整的区域.为进一步去除破碎图斑的影响，采用最小面积阈值法，并选取0~100 km²范围内生态源地斑块数进行稳定性变化分析，选取突变点作为生态源地斑块最小面积阈值.本文经对2000—2020年5个年份数据进行分析，将50 km²作为阈值，能够有效识别出对区域生态环境具有显著贡献的生态源地（图2）.

2.3 综合阻力面构建

生态廊道构建中，阻力面被视为量化生物种群迁移所受阻力的等效界面，是科学规划与设计生态廊道的基础^［11］.综合考虑湖北省的实际情况并结合前人研究成果，选取土地利用类型、NDVI、坡度、高程、降水量、生境质量、人口密度以及距道路距离8个主要阻力因子.其中，坡度与高程的增加显著提高了物种迁移的阻力，NDVI值的下降则反映出植被覆盖的退化，进而加剧了生态阻力.降水量的减少对物种迁移也同样构成较大阻力.土地利用类型对生态阻力值大小产生较大影响，对于陆生物种来说，建设用地受到强烈人为活动干扰使得阻力值最高，水域对陆生物种具有阻隔作用.生境质量下降直接导致生态阻力增加，体现为生境质量值越低，阻力面越大.距道路距离与人口密度成为评估人类活动对生态阻力影响的关键指标，距道路越近，人类活动的潜在干扰程度越高，从而增加了阻力值.人口密度越大，阻力值亦随之增大.将各阻力因子划分5个等级并赋值，对生物迁移阻力进行全面评估，阻力值的大小反映了物种穿越该区域的难易程度，即阻力值越大，物种穿越能力越低.各阻力因子的权重采用逼近理想解排序法结合熵权法确定（表2）.

2.4 生态廊道构建

廊道是生态系统之间生态流和能量流迁移、交流的潜在通道.在构建综合阻力面后，基于电路理论识别生态廊道，相较于传统的最小成本路径识别方法，更加注重考虑物种的流动性，提高生态廊道识别的准确性^［27］.借助ArcGIS中linkage mapper电路理论工具集中的linkage pathways tool构建生态廊道，linkage priority识别生态廊道的重要性等级，pinchpoint mapper识别生态夹点，barrier mapper识别生态障碍区，最终构建由生态廊道、生态夹点与生态障碍点组成的生态网络.具体研究过程中，本文采用电路理论模型计算电流密度，并利用自然断点法对电流密度值进行分级^［28］.结合廊道的重要性和空间分布特征，将其划分为一般廊道、重要廊道和关键廊道三类.其中：一般廊道为电流密度处于低水平（小于0.5）的连通通道，这类廊道在整体格局中起到一般性辅助作用，若受到干扰，生态网络的整体连通性影响较小；重要廊道为电流密度处于中等水平（0.5~0.8）的通道，具有维持区域性物种迁移与基因交流的重要功能；关键廊道为电流密度较高（大于0.8）的廊道，是维系区域生态网络完整性和稳定性的核心通道，具有较强的不可替代性.以连接度模型对所有生境斑块间的电流流动进行综合模拟与分析，绘制累积电流分布图，将电流密度分为5个等级，选取最高等级的电流密度作为研究区域内生态夹点，有效促进区域内景观生态系统结构的优化与提升.

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能时空演变特征

生态系统服务功能评价中，产水量、碳储量、土壤保持量和生境质量大体上均呈现西高东低中次的格局，时间上呈现“两增两降”趋势，演变趋势与土地利用结构变化、人类活动强度密切相关.

湖北省产水量呈现出逐年上升的趋势（图3a），2000—2020年湖北省产水量从1 115.76亿m³提升至1 730.32亿m³，增长幅度达55.08%，这主要受自然与政策双重驱动.一方面，降水量总体增加、林草覆盖提升增强了涵养能力；另一方面，退耕还林、湿地修复和水利治理等生态工程有效改善了水文条件，使 InVEST 模型反映出的产水功能显著增强.空间上呈现出西多东少的分布趋势，高值区集中分布于鄂西及鄂西北山地，东部地区产水能力相对较弱，主要是鄂西地处山地丘陵，以林草地为主，人口密度相对较低，水源涵养能力强，利于水源径流产生.2000—2020年期间，产水量以提升区为主导，提升区面积约为128 208.79 km²，占比达到64.43%；不变区面积为69 518.96 km²，占比为34.94%，主要在鄂西北北部、江汉平原中部等地；降低区仅占0.63%，表明全省水资源管理呈现出显著的成效.

湖北省碳储量呈现出逐年递减趋势（图3b），从2000年的22 134.71万t递减至2020年21 799.42万t，这与耕林地转为建设用地导致植被覆盖率下降、碳汇能力减弱有关；空间上表现为西部高值区集中、东部逐渐削弱的态势.但近20年来碳储量总体稳定，不变区占比达95.65%，变化波动不明显，降低区集中在江汉平原，这与人类活动较为频繁导致碳储量受到较大影响有关.

湖北省土壤保持总量自2005年以来逐年上升（图3c），整体呈现“U”型态势，增长率为23.60%；空间上呈现“西高东低”的格局，西部山区植被覆盖良好，具备较强水土保持能力，同时退耕还林、水土综合整治等生态修复政策取得很好的成效，等级提升区占比达21.70%.但值得注意的是，尽管十堰市自然条件良好，土壤保持量却呈现降低态势，这可能与该区域不合理土地利用、地形地貌条件等有关.后续应借助“南水北调”水源涵养区等机遇采取针对性措施加强生态系统保护修复.

湖北省生境质量整体呈现降低趋势（图3d），以中高等级生境质量为主，但低质量占比在2000—2015年有上升趋势，2015年以后略有回落.空间上呈现周边高中部低的趋势，高质量区域主要分布在鄂西南武陵山区与鄂西北大巴山地带，而武汉城市圈及沿江地带生境胁迫程度较高，存在生态退化现象.尽管2015年以来生境质量明显改善，但仍需加强生态系统保护修复.

3.2 生态源地识别与空间格局

MSPA分类统计结果（表3，图4）显示，基于前景要素确定的核心区面积占比最大，近20年来变化稳定，处于90%左右，这是潜在的生态源地，对维持生态系统良性健康稳定具有重要作用.其次是孔隙区和边缘区，两者面积占比分别为5.00%和3.80%左右.支线区占比相对较低，约为0.34%，一定程度反映研究区内部连通性还有待提高.环道区作为研究区内生物迁移的重要通道，面积占比与支线区相似.桥接区作为生态网络中连接不同板块间的廊道区域，面积占比仅为0.08%左右，孤岛作为独立于其他类型的斑块，面积占比最低，约为0.03%.20年间各景观类型面积变化不大，表明湖北省各景观类型具有一定的稳定性.从空间尺度看，核心区多分布在四大生态屏障区内，鄂中也有少量分布，但大部分是以背景要素为主，其余景观类型占比较少，空间分布不明显，整体呈现出“周边核心、中部平庸”的格局.可能的原因是采用林地、草地、水域等自然因素较高的地类作为前景，而它们主要分布在四周.中部江汉平原多为耕地、建设用地等，人类活动较为频繁有关，但近20年来江汉平原核心区面积增加较为明显.各种景观结构类型不仅揭示了生态系统复杂多样、不同生态单元之间相互转型，这既为潜在生态源地的选取提供了参考，也有助于未来生态修复规划与生物多样性保护，促进生态系统可持续发展.

生态系统服务功能重要性等级结果显示，湖北省生态系统服务等级分布空间上整体较为稳定，呈现西优东次中弱的空间格局.较高及以上等级的区域主要分布于鄂西北、鄂西南、鄂东北、鄂东南地区，如神农架林区、三峡库区等，这些地区土地利用类型以林草地为主，地形呈现山地、丘陵，人类活动少，自然条件良好，有效地维护了生态系统的完整性与稳定性.而鄂中、鄂中南、鄂东北部分地区主要是以耕地、建设用地为主，对自然环境的影响较大，生态系统服务功能等级处于中等及以下水平.

将MSPA识别出的核心区（图4）和生态系统服务功能较高以上等级图斑（图5）进行空间叠加分析，识别出具有生态系统服务价值高、生态结构完整的区域作为潜在生态源地.由于叠加后存在细碎图斑，导致生态源地斑块数量较多且呈破碎化，不利于后续生态安全格局的构建，因此需要对较小图斑进行剔除.引入最小面积阈值法确定50 km²作为阈值，降低了图斑破碎度，也能够有效识别出对区域生态环境具有显著贡献的生态源地（图6）.

湖北省共提取生态源地68个，总面积达25 049.13 km²，主要分布在鄂西地区.这些区域以山地和丘陵为主，林地覆盖率高，降水充沛，人类活动干扰较少，同时拥有多个国家级自然保护区和生态功能区，生态保护修复力度较大，因而生态源地较为密集，生态网络完整.鄂东南、鄂东北也有一定数量的生态源地，但空间上以点状或带状分布为主.江汉平原基本没有生态源地.为加强生态保护与推动绿色发展，湖北省划定了四大生态修复屏障区，这些区域生态本底良好，是省域生态安全格局的关键支撑带.经对比分析可知，本研究识别的生态源地与上述四大生态屏障区高度重合，体现出良好的政策响应性与空间契合度.同时，生态源地识别融合生态系统服务功能重要性与景观格局结构特征，兼顾了生态功能重要性与景观结构完整性，符合生态安全格局构建的理论基础与实践需求.

3.3 综合阻力面与空间格局

在获取8个阻力因子指标数据并按阻力值进行标准化后，经综合加权求和得到综合阻力值，采用自然断点法划分为5个等级，构建湖北省综合生态阻力面（图7）.从图中可以看出湖北省阻力面整体呈现出以武汉市为核心的高值集聚区，并向周边梯度递减的特征.大部分研究区生态阻力值处于中等至较低水平，反映出这些区域的生态环境质量较好，自然生态系统保存相对完整，受人类活动干扰较小.尤其是鄂西的恩施、神农架等区域，这些地区由于地形复杂，坡度较大，海拔较高，土地利用以林草地为主，生态系统的自我调节能力较强，生态阻力较低，生态环境较为稳定.生态阻力高值区主要集中在社会经济活跃、人类活动密集的区域，尤其是武汉市及其周边地区.这些区域由于城市化进程较快，以耕地和建设用地为主，自然生态系统受到较大程度的干扰和破坏.高强度的人类活动不仅改变了地表覆盖，还显著影响了物种迁移和生态过程的连续性，导致生态阻力值显著升高.

3.4 生态廊道构建与空间格局

生态廊道作为生态安全格局的关键组成部分，扮演着连接各景观单元、形成隔离与通道的双重角色，是物种迁移与扩散的主要途径，对生态防护效能、景观连通性等方面具有重要影响.本研究在构建综合生态阻力面后，基于linkage mapper电路理论工具，共提170条生态廊道，总长度为6 533.54 km，实现了生态源地的有效连接，形成了生态网络回路（图6）.最长的生态廊道位于恩施州至咸宁市区域，达296.95 km.生态廊道的数量、长度及分布特征受生态源地格局与阻力面异质性共同影响.短廊道多分布于源地密集、阻力较低的鄂西区域，迁移路径通畅，连接效率高，斑块连通性较强.而长廊道主要作为生态流通的过渡通道，分布于源地稀疏、阻力较大的中东部区域，用以跨越生态隔离区实现过程连通.生态廊道连通性整体呈现西强东弱中连通的特征，“两横三纵”的横纵空间格局分异特征明显.

经对生态廊道的中心性分析并划分等级，根据连通性、生态连接的重要性将廊道分为一般廊道、重要廊道、关键廊道.从图6可以看出，一般廊道99条，总长度为4 414.14 km.重要廊道38条，总长度为1 814.74 km.关键廊道33条，总长度为304.66 km.生态廊道分级呈现显著的层次性特征，反映了研究区生态廊道在功能重要性和空间连通性上的梯度差异.从空间分布上看，关键廊道主要分布在随州市东北部、荆门市与襄阳市交界处、宜昌市与恩施州两地交界处以及咸宁市境内.这些区域的廊道具有较高的中心度和良好的生态连通性，是连接重要生态源地的核心通道，对维持区域生态安全格局具有关键作用.重要廊道主要分布在襄阳市西南部、黄冈市北部以及咸宁市与恩施州的连接区域.这些区域的廊道生态连通性较强，主要承担着湖北省内周边区域的生态连接功能，是生态网络的重要组成部分.一般廊道分布最为广泛，主要集中在湖北省西北部的十堰市、中部的天门市和仙桃市，以及东部的黄石市和黄冈市.一般廊道虽中心性较低、生态连通性有限，但其作为支撑区域生态流动的基础结构，具备重要生态功能，亟需通过修复与管理措施增强其稳定性与持续性.

3.5 生态节点识别与空间格局

生态夹点是生态景观中对于生物种群迁徙与扩散具有显著影响的关键地域，合理识别生态关键节点，能够有效促进景观生态系统结构的优化与整体功能的提升.本研究引入电路理论中的连接度模型精准识别生态夹点，借鉴前人研究将“CWDcutofdistance”参数设置为5 000 m^［29］，对所有生境斑块间的电流流动进行综合模拟，绘制“all-to-one”模式下的累积电流密度分布图，并结合自然断点法将其划分为五个等级，选取最高等级的电流密度作为研究区的生态“夹点”（图6）.研究区共识别出107个生态夹点，整体呈“西多东少”的分布格局，宜昌—神农架段、十堰—襄阳段、襄阳—荆门段、宜昌—荆门段等鄂西地区的生态夹点分布较为密集，黄冈—黄石段、咸宁—黄石段、武汉—黄石段等鄂东地区比较少.西部地区由于地形复杂、气候多变，往往孕育了丰富的生物多样性，生态源地面积较大且源地之间距离短流通性好，但生态系统有一定脆弱性，生态夹点的数量相对较多.而东部地区由于地势平坦、耕地较多，生态廊道较长，流通性相对较差，生态夹点分布较少.从各生态廊道等级来看，关键廊道的生态夹点有28个，重要廊道的生态夹点有37个，一般廊道的生态夹点有42个.生态夹点与廊道数量、等级有一定的关系.生态夹点多分布于生态流通性较优区域，作为物种迁徙的“瓶颈”，其保护成效直接影响廊道功能，生态保护修复实践中需优先对生态夹点密集区建立保护区并分段管控，以提升生态系统的连通性.

3.6 生态障碍点识别与空间格局

生态障碍点是物种在生境斑块间运动受到阻碍的区域，移除这些区域可增加生态源地间的连通性，属于生态修复优先区.本研究引入电路理论中的连接度模型，对生态源地进行连接建模，模拟生态过程中的电流流动，结合生态廊道数据，探测不同区域的阻力变化，计算其对廊道连通性的改进分数.设定最小探测半径1 000 m、最大探测半径3 000 m及步长为1 000 m，识别出对廊道连通性影响显著的障碍点区域，即优先修复的关键节点（图6）.结果显示，研究区一般廊道上的生态障碍点数量最多，达到187个，远高于关键廊道的15个和重要廊道的62个.空间上主要集中于鄂中和鄂东及鄂西北地区呈现大面积密集分布，造成的主要原因包括： 1） 生态源地的空间集聚效应，生态源地密度较高的区域通常具备更短的生态廊道和更优的生态连通性，从而有效抑制生态障碍点的生成；2） 区域自然地理条件与生态环境质量的差异性显著塑造了障碍点的分布格局，地形复杂、生态脆弱性较高的区域更易形成障碍点； 3） 人类活动强度的空间异质性进一步强化了这一格局，例如城市化扩张、农业开发及基础设施建设等高强度人为干扰，不仅加剧了生态廊道的破碎化与隔离效应，还直接提升了生态障碍点的数量.值得注意的是，生态障碍点作为物种迁徙的关键阻力点，多分布于生态廊道中段，导致生态流连续性面临严重干扰，进一步放大了生态系统的脆弱性.为维护区域生态系统的连通性和稳定性，针对障碍点所在区域实施退耕还林、生态修复工程等措施，可有效减少生态障碍点对廊道连通性的负面影响，增强生态廊道的整体连通性和生态功能.

3.7 生态安全格局优化建议

为进一步开展差别化生态安全格局优化，本文对生态安全各要素进行空间聚类，分为生态屏障区、生态保育区、生态控制区.生态屏障区面积占比13.17%，呈面状和点状分布，生态质量等级较高，有大量的生物迁徙廊道与能量传输的关键节点，在区域生态安全维护中具有不可替代的枢纽作用.生态保育区面积占比68.70%，以面状分布在生态源地周边为主，主要分布在江汉平原湿地和农业生态修复区域，生态阻力面较低，生态质量等级中等，在生态系统完整性维持与功能修复过程中发挥梯度缓冲效应.生态控制区面积占比18.14%，以江汉平原为中心向外进行扩散分布，生态质量等级较低，生态阻力面较高，生态障碍点较多，亟需通过空间管控实现人地关系优化调控.

因此，依托湖北省生态服务功能本底质量与生态结构空间异质性，耦合分区保护目标与修复需求，建立多尺度层级化的生态修复空间体系成为生态系统服务功能提升、国土空间治理效能协同的关键.针对生态源地主要分布在西部高海拔林草地分布区，中部空缺，东部较少且破碎的现象，东部应该以修复为主，中部可以适当采取退耕还林还草，逐步恢复生态源地的连通性和生态功能，特别对于水域附近的土地应进行优先生态修复，以改善水域生态环境，提升区域整体生态质量.生态廊道在空间上呈现出西短中长东边缘的空间分布，鄂西段廊道建议强化红线管控与生态修复提供生态连通性，鄂中平原廊道优先进行绿色基建设施建设，建设生态桥梁，特别是十堰—咸宁横跨江汉平原的长廊道区要重点保护，而鄂东边缘廊道可以采用优化土地利用，提升植被覆盖，构建完整的区域生态系统网络.同时建议制定跨区域生态补偿机制，推动上下游地区在生态保护与经济发展中的协同合作.对于生态节点，生态夹点区以保护为主，生态障碍点以修复为主，特别是十堰—襄阳等地.此类地区以耕地为主，地势较平坦，在不占用永久基本农田的前提下，可以适当采用退耕还林、生态修复相应措施.

湖北省生态修复空间管控需紧扣“西优东劣中平”的生态基底特征，实施差异化分区治理.鄂西以鄂西南武陵山区中的生态屏障区为核心，结合生物多样性保护修复政策，建立相应的生物多样性保护区.严格保护高海拔天然林生态系统，在海拔800米以上区域建立禁止开发红线，并推行“生态护林员+智慧监测”体系，布设生物多样性红外监测网络.当地可以采用发展林药复合经营等生态相关产业，确保碳汇能力提升及相应的生态保护修复.鄂中针对江汉平原生态保育区，重点建设农业类型的生态安全格局，推行“田水路林村”系统整治，实施沟渠生态化改造、建设生态相应缓冲带，建立“稻渔共生—湿地净化”循环体系.将地区中30%以上的永久基本农田纳入生态农田管理.东部以生态控制区为主，针对幕阜山—江汉平原过渡带的生态脆弱性，实行建设用地减量置换机制.针对黄石市、鄂州市等工矿聚集区开展“矿山修复+光伏利用”立体治理，沿长江岸线生态韧性走廊，植入海绵城市技术，建设人工湿地净化节点.全域统筹层面，建立“生态账户”交易平台，将森林覆盖率、生物多样性等指标量化为可交易积分，实施鄂西—江汉平原横向生态补偿，构建空天地一体化监测网络.运用合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）技术实时预警地灾风险，采用西部生态封育保育、中部功能提质增效、东部系统修复重构为主的差异化导向的国土空间治理体系，同步生态修复工程与绿色产业转型协同驱动机制，全面提升湖北省全域生态系统服务功能和长江中游复合生态系统安全屏障.

4 结论与讨论

4.1 主要结论

本文以湖北省为研究区，耦合生态服务功能和MSPA分析法，基于“识别生态源地—建立景观阻力面—构建生态廊道”的逻辑框架构建了湖北省生态安全格局，主要结论如下.

1） 研究区生态系统服务功能重要性评价结果表明，20年来的产水量和土壤保持服务功能提升明显，生境质量整体稳定，碳储量服务功能存在下降趋势.4大功能空间上呈现“西高东低中次”的格局.生态系统服务功能综合等级以中高级为主，较高以上等级占比约52%.

2） 研究耦合生态系统服务功能较高以上等级图斑和MSPA识别出的核心区，经最小面积阈值修正识别68处生态源地，总面积达25 049.13 km²；引入电路理论模型提取生态廊道170条、生态夹点107个和生态障碍点264个，空间分布整体呈现西多东少、中部高密度集聚的特征，这为今后开展生态系统保护修复提供了精准的空间指引.

3） 研究采用了生态系统服务功能评价与景观形态结构相结合的方法，具有较强的理论基础和实践价值.但在威胁源划分及阻力值设定、生态节点阈值参数设置等方面存在主观性，后续研究可以进一步优化生态源地识别方法，整合生态数据、结合区域特征和生态过程，以完善关键参数的设置，提升生态安全格局构建的科学性与适用性.

4.2 讨论

本研究通过耦合生态系统服务功能与景观形态结构构建湖北省生态安全格局，为区域生态保护与国土空间优化提供了科学支撑.然而，模型假设与数据精度仍限制了结果的精确性.MSPA 对土地利用分类的敏感性较高，不同分类体系和空间分辨率可能造成源地识别偏差.InVEST 模型参数多依据通用推荐值设定，缺乏对湖北地区气候与植被条件的本地化校准，或导致产水量和生境质量评估误差.

在生态廊道识别中，电流密度阈值与阻力赋值尚无统一标准，模型主观性可能影响连通性分析的稳定性.研究仍以静态时序数据为主，对未来生态格局演变缺乏预测性刻画.未来应结合高分辨率监测与动态模拟模型，提升格局分析的精度与时效性.

与城市尺度研究相比，本研究在省域尺度实现了生态功能与景观结构的协同识别，但跨区域对比仍有限.后续可在长江中游区域开展联动分析，以揭示生态系统服务响应差异，为流域生态安全格局协同构建提供参考.

参考文献

[1] 侯鹏， 高吉喜， 陈妍， 等. 中国生态保护政策发展历程及其演进特征［J］. 生态学报， 2021， 41（4）： 1656-1667.

[2] HOU P， GAO J X， CHEN Y， et al. Development process and characteristics of China’s ecological protection policy［J］. Acta Ecologica Sinica， 2021， 41（4）： 1656-1667. （Ch）.

[3] GODRON M. Patches and structural components for a landscape ecology［J］. BioScience， 1981， 31（10）： 733-740.

[4] MAKOWSKI D， HENDRIX E M T， VAN ITTERSUM M K， et al. A framework to study nearly optimal solutions of linear programming models developed for agricultural land use exploration［J］. Ecological Modelling， 2000， 131（1）： 65-77.

[5] 俞孔坚. 生物保护的景观生态安全格局［J］. 生态学报， 1999， 19（1）： 8-15.

[6] YU K J. Landscape ecological security patterns in biological conservation［J］. Acta Ecologica Sinica， 1999， 19（1）： 8-15.（Ch）.

[7] 梁坤宇， 金晓斌， 张晓琳， 等. 耦合生态系统服务供需的生态安全格局构建： 以苏南地区为例［J］. 生态学报， 2024， 44（9）： 3880-3896.

[8] LIANG K Y， JIN X B， ZHANG X L， et al. Construction of ecological security patterns coupling supply and demand of ecosystem services： a case study of southern Jiangsu Province［J］. Acta Ecologica Sinica， 2024， 44（9）： 3880-3896. （Ch）.

[9] 魏家星， 张昱镇， 连紫璇， 等. 基于生态供需空间的区域生态安全格局构建研究： 以苏南城市群为例［J］. 长江流域资源与环境， 2022， 31（2）： 387-397.

[10] WEI J X， ZHANG Y Z， LIAN Z X， et al. Research on regional ecological security pattern construction based on ecological supply and demand space： a case study of southern Jiangsu urban agglomeration［J］. Resources and Environment in the Yangtze Basin， 2022， 31（2）： 387-397. （Ch）.

[11] 杨金礼， 吴洋洋， 李思亮， 等. 雄安新区“三生空间”耦合协调评估及生态安全格局优化［J］. 生态环境学报， 2024， 33（11）： 1816-1826.

[12] YANG J L， WU Y Y， LI S L， et al. Assessing the coupling and coordination of production-living-ecological spaces in Xiong’an New Area： towards an optimized ecological security pattern［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2024， 33（11）： 1816-1826. （Ch）.

[13] 李媛媛， 尹珂. 重庆市中心城区碳储存服务评估： InVEST模型和ARIES模型对比分析［J］. 生态学报， 2025， 45（4）： 1575-1587.

[14] LI Y Y， YIN K. Evaluation of carbon storage service in central urban area of Chongqing： comparison between results from the InVEST model and ARIES model［J］. Acta Ecologica Sinica， 2025， 45（4）： 1575-1587. （Ch）.

[15] REN Y X， ZHANG L Y， LI X， et al. Spatiotemporal variations and driving mechanisms of carbon storage in Central Asia： insights from the PLUS-InVEST models and machine learning［J/OL］. Journal of Environmental Management， 2025， 389［2025-12-14］.

[16] LIU H D， ZHANG G Q， LI T Q， et al. Importance of ecosystem services and ecological security patterns on Hainan Island， China［J/OL］. Frontiers in Environmental Science， 2024， 12［2025-12-14］.

[17] YANG X W， WEI G Y， LIANG C Z， et al. Construction of ecological security pattern based on ecosystem service evaluation and minimal cumulative resistance model： a case study of Hefei City， China［J］. Environment， Development and Sustainability， 2024， 26（4）： 10681-10700.

[18] 冯琳， 雷国平. 基于生态安全格局的东北典型黑土区生态保护红线划定与优化［J］. 自然资源学报， 2024， 39（2）： 426-445.

[19] FENG L， LEI G P. Research on the delineation and optimization of ecological protection redline based on the perspective of ecological security pattern in typical black soil areas of Northeast China［J］. Journal of Natural Resources， 2024， 39（2）： 426-445. （Ch）.

[20] 冯琰玮， 甄江红， 田桐羽. 基于生态安全格局的国土空间保护修复优化： 以内蒙古呼包鄂地区为例［J］. 自然资源学报， 2022， 37（11）： 2915-2929.

[21] FENG Y W， ZHEN J H， TIAN T Y. Optimization of land protection and restoration based on ecological security pattern： a case study of Hohhot-Baotou-Ordos region in Inner Mongolia［J］. Journal of Natural Resources， 2022， 37（11）： 2915-2929. （Ch）.

[22] LI J H， WANG Y， SHI G， et al. Ecological security pattern construction using landscape ecological quality： a case study of Yanchi County， northern China［J］. Journal of Arid Land， 2025， 17（1）： 19-42.

[23] 李明慧， 周启刚， 孟浩斌， 等. 基于最小累积阻力模型的三峡库区重庆段生态安全格局构建［J］. 长江流域资源与环境， 2021， 30（8）： 1916-1926.

[24] LI M H， ZHOU Q G， MENG H B， et al. Ecological security layout planning of Chongqing section in the Three Gorges Reservoir area based on the model of minimum cumulative coefficient［J］. Resources and Environment in the Yangtze Basin， 2021， 30（8）： 1916-1926. （Ch）.

[25] 富丽， 彭双云， 龚陆平， 等. 喀斯特地区生态安全格局构建与演变分析［J］. 水土保持学报， 2025， 39（2）： 218-229.

[26] FU L， PENG S Y， GONG L P， et al. Analysis of the construction and evolution of ecological security patterns in karst areas［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2025， 39（2）： 218-229. （Ch）.

[27] LIU P X， LIU Y， LI T N， et al. Identification and trend analysis of ecological security pattern in Mudanjiang City based on MSPA-MCR-PLUS model［J］. Sustainability， 2024， 16（22）： 9690–9690.

[28] 王晓峰， 朱梦娜， 张欣蓉， 等. 基于“源地-阻力-廊道”的三江源区生态安全格局构建［J］. 生态学报， 2024， 44（11）： 4609-4623.

[29] WANG X F， ZHU M N， ZHANG X R， et al. Ecological security pattern construction of the Three River Source region based on source-resistance-corridor［J］. Acta Ecologica Sinica， 2024， 44（11）： 4609-4623. （Ch）.

[30] 生态环境部. HJ 1173-2021 全国生态状况调查评估技术规范： 生态系统服务功能评估 ［S］. 北京： 中国环境科学出版社， 2021.

[31] Ministry of Ecology and Environment of the PRC. HJ 1173-2021 Technical specification for investigation and assessment of national ecological status： ecosystem services assessment ［S］. Beijing： China Environmental Science Press， 2021.（Ch）.

[32] 齐麟， 许东， 朱琪， 等. 基于GeoSOS-FLUS平台的东北森林屏障带生态格局优化［J］. 生态学杂志， 2021， 40（11）： 3448-3462.

[33] QI L， XU D， ZHU Q， et al. Ecological pattern optimization of forest barrier belt in northeast China based on Geo SOS-FLUS［J］. Chinese Journal of Ecology， 2021， 40（11）： 3448-3462. （Ch）.

[34] 潘韬， 吴绍洪， 戴尔阜， 等. 基于InVEST模型的三江源区生态系统水源供给服务时空变化［J］. 应用生态学报， 2013， 24（1）： 183-189.

[35] PAN T， WU S H， DAI E F， et al. Spatiotemporal variation of water source supply service in Three Rivers Source area of China based on InVEST model［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2013， 24（1）： 183-189. （Ch）.

[36] 王卓尧， 任宇飞， 姜群鸥， 等. 基于InVEST模型云南省生态系统服务功能综合评估［J］. 北京林业大学学报， 2024， 46（11）： 103-112.

[37] WANG Z Y， REN Y F， JIANG Q O， et al. Comprehensive evaluation of ecosystem service functions in Yunnan Province of southwestern China based on InVEST model［J］. Journal of Beijing Forestry University， 2024， 46（11）： 103-112. （Ch）.

[38] 闻亮. 基于InVEST模型的三江源生态系统土壤保持功能评估［D］. 北京： 首都师范大学， 2012.

[39] WEN L. Evaluation of soil conservation function of Sanjiangyuan ecosystem based on InVEST model［D］. Beijing： Capital Normal University， 2012. （Ch）.

[40] 李亚楠， 多玲花， 张明. 基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用格局与生境质量时空演变及预测： 以江西省南昌市为例［J］. 水土保持研究， 2022， 29（2）： 345-354.

[41] LI Y N， DUO L H， ZHANG M. Evolution and prediction of land use pattern and habitat quality based on CA-Markov and InVEST model： a case study of Nanchang City in Jiangxi Province［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2022， 29（2）： 345-354. （Ch）.

[42] 张亮， 张驰， 孙佩. 基于InVEST模型的湖北省生境质量变化浅析［J］. 资源环境与工程， 2025， 39（4）： 466-474.

[43] ZHANG L， ZHANG C， SUN P. Analysis of habitat quality changes in Hubei Province based on InVEST model［J］. Resources Environment & Engineering， 2025， 39（4）： 466-474. （Ch）.

[44] LI X D， TAO H Y， WANG J， et al. Integrated evaluation of the ecological security pattern in central Beijing using InVEST， MSPA， and multifactor indices［J/OL］. Land， 2025， 14（1）［2025-12-14］.

[45] 朱捷缘， 徐望朋， 边金云， 等. 基于Linkage Mapper模型的汉江生态城生态廊道构建与修复策略研究［J］. 水利规划与设计， 2024（12）： 25-30；59.

[46] ZHU J Y， XU W P， BIAN J Y， et al. Research on the construction and restoration strategy of ecological corridor in Hanjiang eco-city based on linkage mapper model［J］. Water Resources Planning and Design， 2024（12）： 25-30；59. （Ch）.

[47] 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.

[48] PENG J， ZHAO H J， LIU Y X， et al. Research progress and prospect on regional ecological security pattern construction［J］. Geographical Research， 2017， 36（3）： 407-419. （Ch）.

[49] WU S Y， ZHAO C， YANG L， et al. Spatial and temporal evolution analysis of ecological security pattern in Hubei Province based on ecosystem service supply and demand analysis［J/OL］. Ecological Indicators， 2024， 162［2025-12-14］.

基金资助

国家自然科学基金项目(42171061)