城市扩张|生境质量|生态安全格局|城市化|InVEST模型|MCR模型|可持续发展目标|干旱地区
a. 背景
快速城市化极大地改变了城市生态空间和区域生境的功能，威胁着区域生态安全和景观可持续性。了解城市扩张对栖息地质量的影响对生态安全具有重要意义。然而，对干旱荒漠区生境质量和生态安全格局的研究有限。
b. 方法
针对研究空白，构建并优化了黄河流域“几”字弯的生态安全格局。为了实现这一目标，从生态系统服务和权衡综合评估（InVEST）模型获得的高生境质量区域被用作“来源”，并从最小累积阻力（MCR）模型中确定了生态廊道。同时，本研究综合了土地利用、自然、社会和经济因素，监测和评估了城市扩张对“几”字弯生境质量的影响。
c. 结果
结果表明：（1）“几”字弯城市扩张和生态用地更加分散，城市扩张由边缘扩张型向外围型转变;（2）2000—2020年，城市扩张率由25.95%提高到97.58%，与良好生境质量变化率呈负相关;（3）最终确定了45条重要生态廊道、140条二级生态廊道和44个生态节点，形成了“两屏三廊七区”的生态空间格局。
d. 意义
我们的分析框架为构建“几”字弯生态安全格局和在区域范围内选择“源地”提供了有价值的工具。它可以应用于干旱地区可持续发展的其他景观和地理环境。
本研究首次尝试利用InVEST模型生成当前生境质量分布图，综合考虑自然、社会、人为等多种影响因素，筛选出高HQ为生态源地的区域。综上所述，中国北方干旱半干旱区缺乏量化的空间结构成分辨识和生态格局规划，存在以下关键问题亟待解决;现有研究更多地考虑了源地选择的共性，而较少考虑不同景观之间的相互作用。此外，在构建生态阻力面时，影响因子相对单一。
因此，本文尝试通过InVEST模型的HQ模块分析“几”字弯的生境条件，提取出更适合生物生境的核心斑块。我们使用生境质量高的区域作为“源地”区域来进行MCR模拟。主要目的是：（1）探索“几”字弯的时空特征;（2）构建和评价“几”字弯生态安全格局。
景观扩张指数 （LEI） 用于量化城市景观扩展的规模和类型，并确定城市扩张类型的空间格局分布。
b.InVEST模型
InVEST模型是为评估生态系统服务及其经济价值而开发的，以支持生态系统管理和决策。模型的人居质量模块表示了研究区域内的总部和每种土地利用的退化程度、各种生境类型的范围以及生物多样性威胁因素。该单元的结果反映了人类活动对环境的影响（即，人类活动越强，生境质量越低，生境退化程度越高）。首先，结合每种生境类型对威胁因素的敏感性和外部威胁强度，计算不同生境类型的总体威胁水平。之后，计算了不同栖息地类型的总体威胁水平。土地利用类型对威胁越敏感，土地利用类型的生境退化程度就越大。采用Jenks Break方法将生境退化分为重度退化、高度退化、中度退化、轻度退化和无退化5类。
c.MCR 模型
基于“源-汇”理论的最小累积阻力模型（MCR）由于其灵活性而被广泛用于评估生态安全景观。“源地”和阻力表面的选择是构建MCR模型的关键，代表了物种通过不同的景观单元从源地到达目的地所需的总阻力。首先，对InVEST模型识别的高HQ区域进行矢量化，采用滑动窗算法得到高HQ区域，将滑动窗口尺寸设置在1–10 km范围内，间隔为1 km;可以发现，与高HQ相比，6 km的滑动窗口尺寸是最合适的，进一步用于获取11个“源地”。其次，考虑“几”字弯当地生态环境，选取高程、坡度、植被覆盖度、土地利用、水土流失程度、不透水面距离、水、道路8个阻力因素，构建生态抗性面;使用Jenks Break方法将不同的阻力因子分为五个级别。第三，我们参考了最新研究，以确定每个阻力因子的权重（Dai 等人，2021 年），用于计算阻力面。然后，利用 ArcGIS 中的成本-距离和成本路径工具构建了自然保护区之间的最小成本路径。在消除重复路径的基础上，根据生态源地和阻力面结果构建生态廊道。最后，结合实际要素和生态廊道的空间分布结果，构建和优化生态安全格局。
表1：阻力系数和分类标准
a. 研究区域
“几”字弯途经甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西五省。本研究选取了呼和浩特-包头-鄂尔多斯-榆林（HBOY）城市群和宁夏黄河沿岸、巴彦淖尔、乌海等11个城市（图1）。
图1：研究区域，a. 几字弯;b. 中国;c. 黄河流域。
b. 研究结果
图 2：土地利用变化。a-c：2000-2020年LUCC的时空特征。d. 2000-2010年土地利用类型的交叉转换特征;e：2010-2020年土地利用类型的交叉转换特征。
图 3：a.城市扩张的空间分布格局;b.2000-2020年不透水表面的标准差椭圆;c.不同城市扩张模式的比例。（IS 是不透水表面）。
图 4：生境退化程度。a. 2000年;b. 2010年;2020年;d. 严重退化地区的样本
图 5：生境退化程度和生境质量的定量变化
图 6：生境质量的时空格局
c）区域生态安全格局构建与优化
图 7：生态空间识别结果。a. 生态廊道;b. 生态安全格局。
a.城市扩张对生境的异质性影响
城市扩张对黄河流域“几”字弯地区总部影响的显著性水平为：边远型>边扩张型>填充型。要加大核心生态保护区保护力度，提高土地利用效率。鼓励集约化开发，控制建设用地需求，减少边远型扩张。城市建设用地在三维空间上的开发是未来发展的主导趋势。在发挥中心城市引领作用的同时，发展基于填充式的建设模式势在必行，提高资源配置效率，促进城市可持续发展。
b.城市生态安全格局优化
从增加生态源地、提高生态廊道连通性等方面优化生态安全景观。生态安全格局的构建有三个基本组成部分：源地识别、阻力面构建和廊道识别。生态源地是维护大都市生态安全的景观斑块。它们是构成生态网络结构和功能并提供高质量生态系统服务的重要而稳定的节点。生态节点的空间调整可以为荒漠绿洲典型生态脆弱区的生态安全网络提供稳定性。实施黄土高原沙化区山、水、林、田、湖、草修复工程等措施，可能有利于增加生态源地。要结合地貌、土壤、气候和技术条件，科学选择和培育人工造林树种。既要保护“两道屏障”中具有生态调节功能的森林和湿地，又要保护生物多样性，避免生态破坏。生态廊道被视为连接这些生态源地的桥梁，它们可以促进物种迁徙等生态流动，以保持周围景观的完整性。一方面，可以实施保护河流自然岸线、改善河流两岸湿地生态系统、在河流交汇的适宜区域修建防护林带、因地制宜建设黄河沿岸森林公园等措施。此外，还可以沿着黄河建设自然生态廊道，使人、河流、城市和谐统一。另一方面，可以通过增加人工生态廊道沿线的生态绿化建设来实现。
图 8：生态安全格局构建
c.局限性和未来展望
在数据来源方面，土地利用数据将不透水面定义为建设用地，没有对其进行详细分类。在未来的研究中，可以根据高分辨率遥感图像进行人工判断，也可以结合机器学习进行训练和分类。
在生态安全网络建设过程中，只考虑了源地的具体朝向和廊道的相对位置，而没有考虑廊道的宽度（图8）。但是，从生态学的角度来看，生态廊道应该具有现实意义和宽度。廊道的宽度代表了廊道两端生态源连接的强度。相比之下，廊道太窄而无法满足生物运动的基本需求，廊道太宽，需要更多的土地并增加与土地所有者的冲突。未来的研究应通过分析景观的结构和功能，考虑廊道宽度对土地利用结构和生态景观格局分布的影响，提高生态安全格局的稳定性和可持续性。
生态阻力面的设置基于土地利用类型。高度碎片化的城市景观和土地利用方式的多样性，必然会掩盖同一土地利用类型下不同土地利用方式对生态阻力的影响。很难真实地反映生态抗性的空间分异。
我们的研究仅基于历史土地利用数据分析了当前的生态安全格局，后续研究可以结合相应的发展场景（如SSP、RCPs）更好地模拟和预测未来的生态趋势。
本文从土地利用变化和生境质量的角度评估了城市扩张的生态影响，同时构建了黄河流域“几”字弯的生态安全格局。具体而言，该研究应用InVEST模型提取生境质量高的区域作为“源地”，并将源地与MCR模型相结合以识别生态廊道。
结果表明，从2000年到2020年，城市扩张率从25.95%提高到97.58%。“几”字弯的城市扩张由边缘扩张型向外围型转变。生态用地变得更加碎片化。此外，城市扩张率与良好生境质量的变化率呈负相关。由于黄土高原经济快速发展和严重荒漠化，东北和南部地区生境退化严重，生境质量差占42.94%。生境质量高区主要分布在黄河以北的生态管理区。构建“两屏三廊七区”生态安全格局，由45条重要生态廊道、140条二级生态廊道、44个生态节点组成。这种生态安全格局为“几”字弯的国土空间规划提供了空间指导。
“几”字弯独特的地理位置是生态脆弱地区的典型代表。研究“几”字弯生态安全格局适用于世界上其他生态脆弱城市，有利于构建生态安全格局。本研究提高了对城市扩张对生境的异质性影响的认识，为干旱半干旱地区的可持续发展安全格局提供了参考。更重要的是，随着生态安全问题的趋同和生态保护理念在全球化进程中的相互渗透，未来不同国家、不同领域、不同关注的生态安全格局相关概念终将从交叉走向融合。
