河西走廊生態安全格局構建與優化研究

馬超, 陳英,,*, 張金龍, 謝保鵬, 張強

河西走廊生態安全格局構建與優化研究

馬超1, 陳英1,2,*, 張金龍3, 謝保鵬2, 張強4

1. 甘肅農業大學資源與環境學院, 蘭州 730070 2. 甘肅農業大學管理學院, 蘭州 730070 3. 中國科學院西北生態環境資源研究院遙感與地理信息科學研究室, 蘭州 730000 4. 甘肅省環境監測中心站生態室, 蘭州 730000

基于InVEST生境質量模型和最小阻力模型, 以張掖市為例, 開展河西走廊生態安全格局構建研究。全市劃分為適宜生態用地和適宜生產建設用地兩部分, 共識別生態源地5583 km2, 提取生態廊道1794 km、生態廊道潛在輻射通道485 km, 基本形成南部祁連山脈、中部黑河—七家嶺臺、北部合黎山—龍首山三縱框架的廊道格局, 得到生態核心節點22個、生態潛力節點15個。通過分析可得: 張掖市生態用地空間分布差異較大, 生態環境保護治理需要重點向肅南縣以外的其它四縣一區傾斜; 優先加強焉支山及周邊區域生態環境改良, 促使已形成的三縱格局廊道聚攏; 重點維護核心節點, 積極發展潛力節點, 加強相鄰省市合作, 整體推進全市生態環境治理與優化。從生態安全“點—線—面”角度進一步優化了以生態廊道為基礎的生態安全格局構建方法, 從應用角度細化了生態節點的重要作用, 對當地生態安全格局優化提出了相應策略。

生境質量; 生態安全格局構建; 生態廊道; 生態節點

0 前言

日益增強和空間上不斷擴大的人類活動劇烈改變著生態系統結構和功能, 削弱生態安全得以維持和提升的物理環境基礎[1], 使社會經濟發展增加了來自自然資源和生態環境的剛性約束[2]。面對生態安全的復雜性, 歷來學者對其內涵就已進行了廣泛研究, 其中生態安全格局的研究有助于生態安全問題從源頭上得到有效管控及改善。國際上對生態安全格局研究主要集中在按照保護嚴格程度, 劃分為最為嚴格到可持續利用等不同類型的保護地體系建設方面, 生態安全格局構建從早期的以生物多樣性保護為主, 逐步向自然生態系統與社會經濟耦合的相互協同格局的發展趨勢轉變[3]。Sutton-Grier等[4]通過自然環境和人類社會融合基礎設建設增加濱海生態系統的韌性, Karen[5]通過城區土地利用變化的趨勢預測, 研究城市化不斷擴張對生物多樣性的潛在作用。國內對于生態安全格局的研究主要圍繞生態源地識別與生態安全格局構建方面, 形成了以“源地識別－阻力面構建－廊道提取”的生態安全格局構建基本模式[6]。吳建生等[7]通過生態服務價值方法優化了源地提取方法, 張蕾等[8]利用中心度指標對生態廊道的重要性進行了多級分類研究, 師鵬飛等[9]探討了基本模式下省市級以下小區域生態安全格局構建, 楊彥昆等[10]通過連通度指數對阻力面構建方法進行了優化。

河西走廊是我國“一帶一路”倡議中絲綢之路經濟帶黃金要道, 深處大陸內部, 干旱少雨, 生態環境脆弱, 生態安全問題直接威脅“一帶一路”建設, 積極開展河西走廊生態安全相關研究, 有助于為絲綢之路經濟帶建設提供生態安全保障。張掖市位于河西走廊中部, 歷史悠久, 為古河西四郡之一, 南部為祁連山脈、中部為走廊平原、北部為沙漠戈壁, 黑河綠洲承載了當地主要的經濟發展。由于歷史原因, 張掖市南部祁連山生態環境破嚴重, 威脅河西走廊及國家西部生態安全。2017年中辦、國辦對此問題進行重點通報批評后, 張掖市開始了以祁連山國家公園為主的全面生態環境修復與整改治理, 并啟動實施祁連山國家公園和黑河生態帶、交通大林帶、城市綠化帶“一園三帶”生態示范工程, 全面突出了當地生態環境治理和生態安全建設重要性[11]。張掖市在自然環境、社會經濟領域是河西走廊的典型代表, 生態環境規劃與治理亦是河西走廊的先行區, 選作河西走廊生態安全格局構建研究試點優勢明顯。

1 研究區及數據

1.1 研究區概況

張掖市(東經90°20′—102°12′, 北緯37°28′—39°57′)位于青藏高原和蒙古高原交匯的河西走廊中部, 地勢南高北低, 自古就是絲綢之路商賈重鎮和咽喉要道。包括甘州區、臨澤縣、高臺縣、山丹縣、民樂縣、肅南裕固族自治縣(簡稱: 肅南縣)一區五縣, 全市總面積38600 km2, 2018年末全市常住人口123.38萬人, 城鎮化率47.55%。該市氣候以冷溫帶干旱和祁連山高寒帶半干旱半濕潤氣候為主, 夏短冬長, 干旱少雨, 降水分布不均, 晝夜溫差大。境內祁連山水源涵養區、黑河綠洲、荒漠戈壁三大生態系統交錯銜接, 地貌景觀豐富, 但荒漠戈壁覆蓋面積較大, 生態環境整體脆弱。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本文所涉及的數據及來源情況見表1。

2.2 研究方法

2.2.1 生態源地識別

“源－匯”理論指出, 生態源一般是由受保護的物種、自然棲息地構成, 具有豐富的生物多樣性[12], 而生境質量可以很好的反映生物多樣性, 故本文采取由美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)與世界自然基金會(WWF)聯合開發的用于評估生態系統服務功能量及其經濟價值、支持生態系統管理和決策的InVEST模型中的生境質量模塊識別研究區生態源地。

表1 本文數據情況介紹及來源

在InVEST中, 計算生境質量指數前要計算生境退化度, 計算過程公式如下:

式中:為土地利用/覆被類型中柵格的生境退化度;為威脅因子個數;為威脅柵格圖上的一組柵格;ω為威脅因子權重;r為柵格的威脅因子值;i為生境類型柵格與的距離函數, 包括線性距離衰減函數和指數距離衰減函數;β為威脅因子可達性;S為生境類型對威脅因子的敏感性。

計算生境質量指數為:

式中:Q為土地利用/覆被類型中柵格的生境質量指數;H為土地利用/覆被類型的生境適宜性, 相對生境適宜性得分值為0—1;D為土地利用/覆被類型中柵格的生境退化度;為半飽和常數, 取最大退化度的一半;為歸一化常量, 是模型默認參數。

威脅因子最大影響距離及其權重、生境類型對威脅因子的敏感性是模型中涉及的主要參數, InVEST模型(3.2.0版本)使用手冊及同類相關文獻[13–14]是各參數的設置主要參考依據, 專家打分法進行賦值輔助, 具體參數見表2和表3。

2.2.2 阻力面建立

阻力面的建立是生態安全格局構建的核心內容。本文基于前人研究經驗[14–18], 從研究區域的實際情況出發, 遵循數據的可獲得性、可操作性及系統性等原則, 選取生境質量指數、植被覆蓋度、土地利用類型、海拔、坡度、距離道路的距離六項指標作為阻力因子, 對各個阻力因子由小到大分級賦值為1、2、3、4、5級, 表示生態源地擴張的阻力逐漸增大。在此基礎之上, 利用綜合指數法, 加權得到源地擴張的綜合阻力值, 計算公式如下:

式中:為六個阻力因子的綜合阻力值;為阻力因子的權重;為阻力因子的阻力值。其中通過層次分析法獲得, 相關賦值打分請教了中國科學院西北生態環境資源研究院眾多專家學者, 計算結果與專家進行多次溝通反饋, 確定六項阻力因子權重, 詳見表4。

2.2.3 生態廊道識別

生態廊道作為物種遷徙的綠色通道, 對傳遞物質、交流信息具有重要作用, 是生態安全格局中的重要組成部分。生態廊道的識別方法有斑塊重力模型、最小累積阻力模型、綜合評價指標體系等。其中, 最小累積阻力模型在數據需求和結果可視化中優勢明顯, 被廣泛應用于生態安全格局構建研究中。

最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance, MCR)最早由Knaapen等[19]于1992年提出, 其原理是指物種從源地開始流動, 通過具有不同阻力值的道路斑塊所耗費的阻力總值, 反映物種擴散的潛在可能性和趨勢[20], 把源物質向四周擴散過程中克服最小阻力代價通道作為生態源地之間的生態廊道。計算公式如下:

表2 威脅因子屬性

表3 不同生境類型對不同威脅因子的敏感性

表4 阻力因子及權重

式中:為最小累積阻力值;D為物種從源到空間某景觀目的地的運動距離;為景觀目的地對某物種的運動阻力。

2.2.4 生態節點確定

生態節點是指景觀基質中對于生物的擴散或移動過程起到關鍵作用的位置[21]。本文在以往學者的研究基礎上[20], 將生態節點根據來源劃分為生態核心節點和生態潛力節點, 采用生態廊道的相交點作為生態核心節點, 生態廊道潛在輻射通道的交點作為生態潛力節點, 即處于生態擴張流動最頻繁和最困難的地段。生態節點的建立與細分有利于保障現有的生態流和促使生態流突破阻力進一步發展, 在生態環境保護規劃和工程建設中具有現實指導意義。

2.2.5 生態安全分區

本文采取閾值法, 利用生態源地擴張和人類主要活動區擴張的最小累計阻力差值, 獲得不同的空間范圍, 實現生態安全分區, 為管控人類活動對生態源地的干擾做數據支撐。

3 結果與分析

3.1 源地識別

基于InVEST模型生境質量模塊, 計算并分級張掖市2018年生境質量指數[13], 詳見表5。由圖1可得, 張掖市2018年生境質量呈現“南高北低”的分布態勢, 且以低生境質量為主, 其他生境質量所占比重較為均衡。其中, 高等級生境質量主要分布在肅南縣中部與東部、山丹縣中部、民樂縣南部和東部, 占總面積的16.49%, 這些地區主要是祁連山國家公園腹地和焉支山森林公園, 土地類型以林地、草地為主; 較高等生境質量主要分布在肅南縣中上部、西部和東部邊界區, 以及山丹縣北部、山丹縣和民樂縣交接區, 占總面積的15.76%; 肅南西部和北部少數區域為中等生境質量, 面積占比為16.87%; 較低等生境質量集中于民樂縣、甘州區、臨澤縣、高臺縣的中部, 占總面積的15.47%, 土地類型以耕地為主; 低等生境質量分布于高臺縣、臨澤縣、甘州區的北部, 以及肅南縣西北部, 占總面積的35.41%, 土地類型以戈壁、沙地、裸巖為主。

表5 張掖市各級生境質量面積占比

圖1 張掖市生境質量自然分割五級分布圖

Figure 1 Five level distribution map of the natural segmentation of habitat quality in Zhangye City

選取高等級生境質量中斑塊面積不小于2 km2的區域, 作為生態源地。選取城鎮用地、農村居民用地、其它建設用地中斑塊面積不小于1 km2的區域作為生態源地擴張的最直接障礙——城鎮源地。從圖2可知, 張掖市生態源地面積為5583 km2, 肅南縣境內生態源地面積4791 km2, 占總生態源地面積的85.81%, 主要分布在該縣中部與東部; 城鎮源地面積為311 km2, 呈零星狀分布于該市的中部, 主要為河西走廊平原地區。

3.2 阻力面的建立

3.2.1 綜合阻力值

利用式(3)計算張掖市生態源地擴張和人類主要活動區擴張加權綜合阻力值。由圖3可得, 生態源地擴張阻力增加方向和城鎮源地擴張阻力增加方向正好相反, 符合實際情況。

3.2.2 最小累積阻力面

基于生態源地數據、城鎮源地數據及綜合阻力值數據, 利用ArcGIS10.2中的Cost Distance工具, 分別計算生態源地擴張最小累計阻力面和城鎮源地擴張最小累計阻力面。由圖4可知, 生態擴張最小累計阻力低值區主要分布在肅南縣中部和東部, 以及高臺縣、臨澤縣中部和甘州區中西部, 凸顯了范圍內祁連山國家公園和黑河濕地國家級自然保護區在當地生態價值的重要性; 城鎮擴張最小累計阻力低值區主要分布在全市中部, 即河西走廊平原區, 高值區主要分布在全市南部和北部山地, 說明山地地形對全市城鎮擴張有明顯抑制作用。

圖2 張掖市生態源地和城鎮源地分布

Figure 2 Ecological Source and Urban Source of Zhangye City

圖3 源地擴張綜合阻力面

Figure 3 Comprehensive resistance to Source Expansion

圖4 源地擴張最小累計阻力面

Figure 4 MCR surface for Source Expansion

3.3 生態安全分區

利用生態源地擴張最小累計阻力面和城鎮源地擴張最小累計阻力面進行差值處理, 獲得生態源地—城鎮源地擴張累計阻力差值面, 值大于0的部分作為適宜生態用地, 值小于0的部分作為適宜生產建設用地。通過計算可得, 張掖市適宜生態用地和適宜生產建設用地分別占全市總面積為44.09%、55.91%, 適宜生態用地相對較少, 反映出張掖市整體生態屬性不顯著。

全市五縣一區適宜生態用地面積和占各縣區總土地面積百分比如表6所示。反映出張掖市適宜生態用地分布明顯不均, 集中分布在肅南縣, 且每個縣適宜生態用地占全縣國土面積的比重差異較大。

3.4 生態廊道

生態廊道作為物種在兩源地間的流動通道[22–23], 為不同物種在不同源地間互相交流提供了可能, 一般認為在一定的范圍內廊道越多就越有利于促進物種之間的信息交流[24]。借鑒ArcGIS10.2中水文分析方法, 對生態源地擴張最小阻力數據進行洼地填充、計算匯流累積量, 經過不同閾值的多次嘗試, 取閾值大于50000的匯流累積量作為研究區生態廊道, 共計約1794 km, 超過200 km的連續不間斷廊道有兩條, 全部位于肅南縣祁連山區域, 大部分在100 km之內; 在閾值大于5000的匯流累積量中獲得生態廊道潛在輻射通道, 共計約485 km。全市生態廊道空間位置如圖9所示, 基本形成了南部祁連山脈廊道、中部黑河—七家嶺臺廊道、北部合黎山—龍首山廊道三縱框架的格局, 其中祁連山脈廊道規模最大、連通性最好, 黑河—七家嶺臺廊道規模次之、連通性差, 合黎山—龍首山廊道規模最小、連通性最差, 且隨著河西走廊在山丹縣東部束緊, 三條廊道有向焉支山聚攏之勢。

表6 張掖市各縣區適宜生態用地統計

3.5 生態節點

基于已獲取的生態廊道和生態廊道潛在輻射通道, 直接提取22個生態核心節點, 作為不同廊道間生物信息流動的最重要條件基礎重點保護; 提取15個生態潛力節點, 作為優化現有生態廊道網絡的關鍵點位和生態恢復和改善的重點建設區域。按照表2中城鎮因素對生態源地最遠威脅距離8 km計算, 經過統計分析可得有17個生態核心點和12個生態潛力點在威脅距離之內, 分別占總核心節點和總潛力節點的77%、80%, 反映出張掖市生態環境治理與改善工作困難較大。通過分析圖9生態節點空間分布情況可知: 一、以黑河為主的生態廊道在甘州區東部(10號生態潛力節點處)和北部(7號生態潛力節點處)出現中斷, 原因主要是河道兩邊濕地面積過少導致, 應加強此區域的濕地恢復與保護; 二、黑河—七家嶺臺廊道在山丹縣、民樂縣和甘州區的交界處(11號生態潛力節點處)有明顯的中斷區域, 主要原因為該區域戈壁面積較大、植被覆蓋較低, 應加強此區域的生態造林規模; 三、1、2、3、4、9、13、18、21號共8個生態核心節點和3、5、8、14號共4個生態潛力節點位于市界沿線, 占總生態節點數的32.43%, 說明張掖市生態環境保護與治理需要跨地區和相鄰省市積極合作。

4 討論

本文基于InVEST生境質量模型和最小阻力模型, 從生態安全分區、廊道提取、節點分類等主要過程, 對河西走廊張掖市進行生態安全格局綜合構建。以往學者在生態源地的確定中一般直接采用自然保護區、天然林地、大面積水源地, 或者經過計算得到的生態服務價值較高的區域等方法, 利用基于InVEST生境質量模型獲取生態源地的方法較少使用。生態源地有很好的生物多樣性, 生境質量能很好的反映生物多樣性, 故本文采取此方法進行生態源地提取。在生態節點的研究中, 以往學者一般只是點提取與統計描述, 進一步的深入討論較少, 而在實際生態保護工程建設中, 一般都是從關鍵“點”出發, 以點帶面開展區域生態保護工程建設, 故本文對生態關鍵節點在應用方向上進行細分研究具有較高實際應用價值。

圖5 張掖市生態安全格局構建空間分布圖

Figure 5 Spatial distribution map of ecological security pattern in Zhangye City

張掖市2018年的生境質量呈現“南高北低”的分布態勢, 生態源地主要集中在南部祁連山地區的肅南縣, 適宜生態用地主要分布在肅南縣和山丹縣, 五縣一區的生態顯著性差異較大, 應該促進各縣區生態建設均衡發展。通過對比生態源地擴張和城鎮源地擴張最小累計阻力面中阻力值的分布情況, 可以反應出在生態源地規模相較城鎮源地規模明顯占優勢的情況下, 生態擴張難度仍舊比城鎮擴張難度大, 說明在全市生態保護工作中, 不僅要積極加強生態環境恢復與改良建設, 更要強調城鎮空間擴張管制的必要性。

生態安全分區形成了比較獨立和完整的適宜生態用地和適宜生產建設用地區域, 產生了鮮明的“生態空間—生產/生活空間”對抗均衡交接線, 可作為生態紅線劃定的一種方法探索。提取的“三縱”生態廊道, 為劃分的生態安全分區提煉出內在發展的主要“脈絡”, 形成全市生態環境保護建設的“骨架”系統?；谏鷳B廊道提取生態關鍵節點及對節點進行細分研究, 發現以生態廊道為主的生態安全格局現狀中所隱含的生態建設關鍵區域和方向, 為地方生態安全規劃與實施提供具體參考依據。

本文在“源地”選取方法和生態節點的細分上進行適度優化研究, 從實際規劃應用角度, 提出全市“三縱”生態廊道格局向山丹縣焉支山聚攏的趨勢判斷, 重點分析了基于生態核心節點和潛力節點的全市生態安全格局優化建設方向, 具體討論了生態安全“點—線—面”之間的關系。限于數據獲取的客觀原因, 本研究未能取得當地的生態紅線數據及其它官方生態環境保護規劃數據, 無法進行生態安全格局構建的進一步細化, 尤其是在生態安全分區中缺乏國土綜合規劃數據, 不能與實際緊密結合進行詳細分區, 望今后具備相關條件后持續研究完善。

5 結論

本文基于InVEST生境質量模型和最小阻力模型, 根據“源地識別—構建阻力面—提取生態廊道”的基本思路, 對張掖市進行生態安全格局構建研究, 得出以下幾個結論:

(1)張掖市2018年高生境質量區、生態源地和適宜生態用地集中分布在肅南縣, 該縣位于祁連山腹地, 是祁連山國家公園重點建設區域。為實現全市生態安全格局整體改善和優化, 避免該地區生態保護由于國家公園建設出現縣域之間極端不平衡現象, 當地生態保護規劃及政策應該逐步向其它縣區傾斜。

(2)張掖市基本形成了南部祁連山脈、中部黑河—七家嶺臺、北部合黎山—龍首山三縱框架的生態廊道格局, 三條生態廊道有向山丹縣焉支山聚攏的勢態, 應重點加強焉支山區域生態保護建設力度, 推進中牧山丹馬場的退耕還草工作, 打通拓寬焉支山到祁連山脈之間的生態廊道。

(3)張掖市77%的生態核心節點和80%的生態潛力節點距離城鎮源地較近, 反映出全市生態保護工作壓力不小; 32.43%的生態節點位于市界附近, 全市生態環境保護與治理需要跨地區和相鄰省市積極合作。

(4)全市生態潛力節點大部分位于國家公園和自然保護區之外, 所在區域是提升和優化全市生態安全格局的關鍵位置, 張掖市今后的生態環境工作重點應逐步向15個生態潛力節點傾斜, 結合實際加強該區域退耕還林、植樹造林等生態工程建設, 形成“重點維護核心節點, 積極發展潛力節點, 促進生態廊道加長加密, 提高區域生態安全整體水平”的全市生態環境優化改良綜合思路。

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Construction and optimization of ecological security pattern in Hexi Corridor

MA Chao1, CHEN Ying1,2,*, ZHANG Jinlong3, XIE Baopeng2, ZHANG Qiang4

1. College of Resources and Environment, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China 2. School of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China 3. Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information Sciences, Northwest Institute of Eco-Environmental Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 4. Gansu Province Ecological Room of Environmental Monitoring Center Station, Lanzhou 730000, China

Based on the habitat quality module of integrated valuation of ecosystem services and trade-offs and the minimum cumulative resistance model, taking Zhangye City as an example, a study on the construction of ecological security pattern in the Hexi Corridor was carried out. The city is divided into two parts, which are suitable ecological land and suitable constructed land. A total of 5583 km2 of ecological source has been identified, 1794 km of ecological corridors and 485 km of potential ecological corridors have been extracted, basically forming the corridor pattern of the three-vertical frame of the southern Qilian Mountains, the central Heihe-Qijialing terrace, and the northern Heli Mountain-Longshou Mountain, which has 22 ecological core nodes and 15 ecological potential nodes. Through analysis, it can be concluded that the spatial distribution of ecological land in Zhangye City is quite different, and ecological environmental protection management needs to focus on the other four counties and one district outside Sunan County; priority should be given to the improvement of the ecological environment in Yanzhi mountain and its surrounding areas, so as to promote the gathering of the three vertical corridors; focus on maintaining core nodes, actively develop potential nodes, strengthen cooperation between neighboring provinces and cities, and promote the overall governance and optimization of the city's ecological environment. From the perspective of ecological security "point-line-plane", the ecological security pattern construction method based on ecological corridors is further optimized, the important role of ecological nodes is refined from the application perspective, and corresponding strategies are proposed for the optimization of local ecologicalsecurity pattern.

habitat quality; construction of ecological security pattern; ecological corridor; ecological node

馬超, 陳英, 張金龍, 等. 河西走廊生態安全格局構建與優化研究[J]. 生態科學, 2023, 42(1): 206–214.

MA Chao, CHEN Ying, ZHANG Jinlong, et al. Construction and optimization of ecological security pattern in Hexi Corridor[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 206–214.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.024

S157.2

A

1008-8873(2023)01-206-09

2020-11-25;

2021-01-10

國家自然科學基金(71563001)

馬超(1990—), 男, 碩士, 從事生態安全及遙感應用研究, E-mail: 1186963659@qq.com

陳英(1969—), 男, 博士, 教授, 主要從事土地資源管理研究, E-mail: heny@gsau.edu.cn