基于GIS的金昌市生态功能区划分及发展对策

赵万奎，张晓庆，陈智平，程小云，雒剑波

（甘肃省林业调查规划院，甘肃 兰州 730020）

生态功能区划是根据环境要素、生态环境敏感性与生态服务功能空间分异规律而进行的地理空间分区。生态功能区划反映出生态系统的空间异质性，是区域生态规划和可持续发展规划的前提和基础[1-5]，对区域资源开发利用、生态环境建设、生态安全屏障等都具有重要的意义[6]。随着地理信息系统的快速发展及在林业和生态建设中的广泛应用，生态功能区划将更精确、科学和合理，通过对土地利用现状和资源环境要素等空间数据的加权叠加分析，可进一步增强生态功能区划的科学性、目的性和现实性[7]。许多学者在生态功能区划理论、生态功能区划实证研究等方面做了大量工作，为生态功能分区相关研究提供了参考。例如，许月卿等[6]根据张家口市地形地貌、土地利用类型、生态环境要素等数据，应用GIS技术，采用自上而下的方法划分了全市土地生态功能分区；许心倩[8]对泰安市的生态环境现状、生态环境敏感性、生态系统服务功能的重要性的相似性和差异性等进行评价，并形成一系列相同比例尺的评价图，尔后利用GIS软件采用空间叠置法、相关分析法等方法，按生态功能区划的等级体系，对区域进行生态功能区划研究；赵振芳等[9]对全国生态功能区发展现状及可持续发展面临的问题做了探讨。

金昌市是“丝绸之路经济带”和河西走廊的重要节点城市，属于工业城市，自然生态环境基础脆弱，生态区位非常重要。但长期以来，由于特定的自然环境和人类不合理的开发利用，土地荒漠化和沙化、土地污染等生态问题日益突出，区域社会经济难以实现可持续发展，人居生态环境也在持续恶化[10]。截止目前，学者们对金昌市生态功能分区方面的相关研究相对较少，已有研究也仅是人为定性的将金昌市划分为北部风沙前沿沙区、东西河半农半牧区、南部祁连山生态工程建设区、市区园林化建设区4个生态建设区[11]，并没有采用定量的方法进行分析研究。为此，综合考虑该区域的自然环境条件，在对土壤侵蚀敏感性、水源涵养重要性的空间分布特征进行分析的基础上，采用定性与定量相结合的方法，对该区域的土地生态功能区进行划分，为区域生态环境管理与规划、生态环境建设提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省金昌市，地理位置为101°04'-102°43' E，37°47'-39°00' N，地处甘肃省河西走廊东段，祁连山北麓，阿拉善台地南缘，全境东西长144.78 km，南北宽134.6 km。海拔1 500～4 442 m，地貌以山地、平原为主，从北至南依次为北部荒漠平原、绿洲平原、中部剥蚀山地和南部山地，由东到西依次为戈壁、绿洲和大漠。由于地形复杂，境内地域性气候差异明显，从西南到东北，海拔逐渐降低，降水减少，光照逐渐增强，气温升高[12]。年平均气温9.3 ℃，年均降水量141～352 mm，年均蒸发量2 000 mm左右，无霜期98～144d，属大陆性温带干旱气候[13]。金昌市境内植被种类具有明显的地带性分布规律，依据2017年林地变更数据统计，全市现有林地面积达到24.03万hm2，森林覆盖率24.25%，森林蓄积量131.45万m3。

1.2 研究方法

本研究通过土壤侵蚀敏感性差异评价区域生态环境敏感性，水源涵养重要性差异评价生态服务功能。在地理信息系统软件ArcGIS环境下对空间数据的地类、坡度、植被覆盖度、降水量、地貌等属性因子进行了预处理。通过地貌、土壤、植被等单因子属性的叠加生成新的属性，并按照一定的评价指标分级，分别生成土壤侵蚀敏感性、水源涵养重要性图层；然后对所得到的图层在ArcGIS软件下利用多层面叠加的功能，以主导因素区划界线为底图模板，叠置其他非主导因素区划界线，得到生态功能分区图[14]。

1.2.1 数据来源

以遥感数据为主要数据源，辅以地形坡度、植被覆盖度、土地利用、降水等相关资料对研究区域进行分析。遥感影像采用林业部门提供的时相为2017年7月份的资源3号、高分2号卫星影像数据。根据金昌市的DEM数据提取坡度值，降水量采用金昌气象部门监测的多年平均值，区域行政界线、土地利用类型、地貌类型、植被覆盖度从林业部门调查的2017年林地变更矢量数据中提取。使用ArcGIS和Erdas软件对以上数据进行处理。

1.2.2 区划原则

结合自然资源保护和可持续发展的思想，以景观生态学理论为指导，借鉴李晓兵、王传辉等相关研究成果[15-24]，主要遵循以下区划原则：1)主导因素分异的原则；2)区域尺度相关的原则；3)区域共轭性原则；4)坚持区位相似并保持一定行政区完整性原则；5)综合性原则。在进行生态功能分区时，合理区划各生态功能区范围及面积，既不能过大，也不能太小，同时也要跟甘肃省、全国主体功能区相衔接。

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀敏感性评价

金昌市土壤侵蚀敏感性评价采用土壤侵蚀方程进行评价，土壤侵蚀受地形地貌、降水、植被及土壤质地等因素影响，考虑到当地实际及数据的易获取性，区域土壤侵蚀的敏感性选择坡度、植被覆盖度、年降水量3个因素来评价。坡度、植被覆盖度等因子的分级标准主要是结合当地实际情况，并参考相关学者论文进行分级[14]。因子权重主要根据各因子对土壤侵蚀敏感性影响的重要性确定。分级与赋值标准如表1所列。

表 1 土壤侵蚀敏感性影响分级Table 1 Classification of soil erosion sensitivity

通过实测与资料收集，选择典型的点进行赋值，再利用土壤侵蚀敏感性指数计算公式，计算出空间单位单元土壤侵蚀敏感性指数。综合评价计算公式如下[25]：

式中：SSj为j空间单元土壤侵蚀敏感性指数，Si为i因素敏感性等级值，i为第i个评价因子。按照表1的分级标准，应用ArcGIS对土壤坡度、植被覆盖度、降水量分级赋值，得到单个因子相对土壤侵蚀敏感性的分布图；再将上述3个单因子分布图进行叠加和空间合成，得到敏感性指数；确定各空间单元的敏感度级别，最终生成金昌市土壤侵蚀敏感性评价图(图1)。

2.2 水源涵养重要性评价

根据金昌市特征，考虑评价指标的数据的可获取性，选择地貌、年降水量、地表覆盖度状况作为评价指标。年降水量指标数据来源于气象部门监测的数据，植被覆盖度是将所提取的土地利用类型图按照表的分级标准进行分类并赋值(表2)，金昌市的地貌类型分为平原和山地，山地根据海拔高度分为中山和低山。年降水量、植被覆盖度的分级标准与土壤侵蚀敏感性评价中的一致。分别生成年降水量、地貌、植被覆盖度对水源涵养重要性影响等级分布图。

利用ArcGIS中的空间分析叠加功能，将金昌市上述3个单因子分布图进行叠加，利用加权综合指数公式：

式中：CCj为j空间单元水源涵养重要性指数，Ci为i因素重要性等级值，i为第i个评价因子。计算出空间单元的水源涵养重要性综合指数，然后根据表中的分级标准得到金昌市水源涵养重要性评价图(图2)。

2.3 生态功能区划分

将土壤侵蚀敏感性、水源涵养重要性分级图叠加，同时结合研究区域的土地利用类型、行政界线等方面因素，得到生态功能分区图。金昌市的土地划分为5个生态功能区：西南部山区林草水源涵养生态屏障区(Ⅰ)、走廊绿洲循环经济生态发展区(Ⅱ)、中部浅山丘陵旱生植被恢复区(Ⅲ)、北部戈壁生态建设区(Ⅳ)、北部戈壁生态保护区(Ⅴ) (图3)。

图 1 金昌市土壤侵蚀敏感性评价图Figure 1 Evaluation map of soil erosion sensitivity in Jinchang City

表 2 水源涵养重要性评价指标及分级标准Table 2 Evaluation index and classification standard of importance of water conservation

2.4 各生态功能区特点及发展对策

2.4.1 Ⅰ-西南部山区林草水源涵养生态屏障区

该区包括永昌县的东大河自然保护站、大黄山保护站以及花草滩林场的大部分地区，总面积166 300.7 hm2，占全市土地总面积的22.11%。该区为金昌市主要的林草植被覆盖区，尤其是祁连山东大河保护站分布有天然森林、高山草甸，植被覆盖率达75%，不仅是内陆地区重要的生态安全屏障，而且是金昌市重要的水源涵养区，生态地位非常重要[26]。

该区的发展重点是在严格保护好现有林草植被的基础上，采取自然和人工修复相结合的措施，提高森林质量，增强森林生态系统的水源涵养能力和生态系统的稳定性；针对草地退化问题，实施草地的休牧、禁牧。该区内的东大河保护站所管护的大部分林草资源已划入祁连山国家公园，今后要按国家公园建设的有关要求实行更加严格的保护和管理。

图 2 金昌市水源涵养重要性评价图Figure 2 Evaluation map of importance of water conservation in Jinchang City

图 3 金昌市生态功能分区图Figure 3 Partition map of Eco-functional areas of Jinchang City

2.4.2 Ⅱ-走廊绿洲循环经济生态发展区

该区包括永昌县红山窑镇、城关镇、六坝乡、水源镇和朱王堡镇南部的喇叭泉林场，以及金川区的金昌市区、八一农场、宁远镇、双湾镇和黑水墩林场，总面积270 966.5 hm2，占全市土地总面积的36.03%。该功能区是工农业生产和人们活动的集中地，也是绿洲灌溉区。建设重点是控制污染物排放，加强生态工业园区建设，发展生态经济产业，将种植业与养殖业相结合，减少农村面源污染；完善农田灌溉水利设施，发展节水、高效及集约型可持续草地农业和特色农业，建设农业生态示范区，促进农业资源的可持续利用；发挥土地资源丰富的优势，重点加强农田防护林更新换代和改造，提高森林植被覆盖率，扩大林业资源，继续维持比较脆弱的生态系统。

2.4.3 Ⅲ-中部浅山丘陵旱生植被恢复区

该区包括永昌县境内朱王堡镇北部、水源镇北部以及金川区的区公共用地、宁远堡镇地区，总面积165 109.41 hm2，占全市土地总面积的21.96%。该区内有大面积的荒漠灌丛植被，属于国家重点公益林区，应该要加大封禁保护；对一些沙化土地要实施退耕还牧，加快栽培草地建设，改良退化草地，轮封轮牧，播种针茅、羊草等抗旱优质牧草，恢复退化草地；同时结合人工林场、草地建设，营造耐旱耐寒灌木林带，缓解土壤荒漠化问题。

2.4.4 Ⅳ-北部戈壁生态建设区

该区包括金川区的西滩一(二、三)分站、绿色长廊站、贾滩分站等地区，总面积89 059.17 hm2，占全市土地总面积的11.84%。该地区属干旱荒漠区，以沙地和戈壁地貌为主，植被稀少，风沙严重，土壤盐碱化严重。该区是金昌市区和整个区域的北部生态屏障之一，承载着防风阻沙、保护农田和城市生态安全的重要功能。建设重点是通过在沙漠边缘区实行封滩育林育草，提高林草覆盖度，控制沙漠南移，同时在绿洲外围地带营造乔、灌、草相结合的防风固沙林带，增强绿洲生态系统的稳定性。

2.4.5 Ⅴ-北部戈壁生态保护区

该区在金昌市的最北部，芨芨泉省级自然保护区处于该区，总面积60 572.09 hm2，占全市土地总面积的8.05%。该区灌草植被相对较好，也是金川区国家级公益林分布区。因此该区的重点是实行封滩育林育草，保护好现有沙生植被，提高林草覆盖度，控制沙漠南移。

3 讨论与结论

地形地貌、降水、植被及土壤质地等是影响土壤侵蚀敏感性的主要因子。由于地形地貌和土壤质地随着季节变化基本不会变化，但是降水因子与植被因子随季节变化明显，为了更加准确地计算土壤侵蚀程度，李大龙等[25]在计算土壤侵蚀程度时，选取降水、土壤、坡度以及植被覆盖4个因子作为土壤侵蚀敏感性评价指标，同时考虑了降水影响因子的时间变化情况。本研究在进行金昌土壤侵蚀敏感性侵蚀时，结合区域的实际，选取坡度、植被覆盖度、降水量3个因子，因区域降水量少，且相对集中在夏秋季，因此选取年均降水量。生态服务功能重要性一般从区域生物多样性、水源涵养重要性等方面进行综合评价，因金昌市的生物多样性与水源涵养重要性区域基本吻合，且该2个评价指标出现重复现象，因此，本研究仅选择水源涵养重要性进行生态服务功能重要性评价。

本研究在对金昌市土壤侵蚀敏感性、水源涵养重要性的空间分异数据进行定量叠加分析的基础上，结合该区域的土地利用类型、行政界线等定性分析，提出了全市的生态功能区划方案，并根据各区特点，提出了相应的发展对策。通过研究，将金昌市的土地划分为5个生态功能区，分别为西南部山区林草水源涵养生态屏障区(Ⅰ)、走廊绿洲循环经济生态发展区(Ⅱ)、中部浅山丘陵旱生植被恢复区(Ⅲ)、北部戈壁生态建设区(Ⅳ)、北部戈壁生态保护区(Ⅴ)，其中Ⅰ区、Ⅲ区、Ⅴ区为林草植被较好的区域，也是金昌市国家级公益林重点分布区，生态建设重点以保护现有林草植被为主；Ⅱ区、Ⅳ区为工、农、牧交错分布区，是走廊绿洲区，也是未来生态建设的主战场。由于金昌市年降水量少，水资源是制约生态环境建设的关键因素。因此，生态建设中要充分考虑水资源平衡，树种选择上，尽量选择耐旱的树种，在发展循环经济和生态农业的基础上，在绿洲边缘地区营造乔、灌、草相结合的防风固沙林，增强绿洲系统的稳定性，扩大林草面积，实现区域的可持续发展。生态功能区的划定将为区域生态保护与生态建设提供重要的参考依据。