基于生态系统服务与生态环境敏感性评价的生态安全格局构建研究

2022-11-24孙丽慧郝海广

环境科学研究 2022年11期

孙丽慧，刘浩，汪丁，郝海广

中国环境科学研究院，北京 100012

随着气候变化不断加剧和人类活动干扰不断增加，全球生态安全问题逐渐凸显[1]. 同时，人类对优质生态产品和优美生态环境的需求持续提升. 如何减缓经济发展和生态保护二者之间的矛盾是区域可持续发展面临的现实问题. 生态安全格局是为应对地区突出或特定生态环境问题，通过数学、遥感、格局分析等技术手段对区域内的各种自然和人文要素进行安排、设计、组合与布局，得到由点、线、面组成的多目标、多层次的空间配置方案和保护格局[2-3]. 构建并维持生态安全格局是维持生态系统系统结构功能完整性、保障区域生态系统服务可持续供给的重要手段[3-4]，也是形成国土空间开发保护总体格局的重要内容[5-6]. 生态安全格局构建方法目前逐渐由对生态系统格局和空间的简单分析转变为复杂生态过程的动态模拟[7]，在侧重点上更注重考虑生态系统过程及其与社会、经济等多种因素的耦合关联，在研究范畴上更强调从景观格局、生态过程、多目标需求等不同角度、不同尺度对国土空间进行生态安全的评价、分区与管理[8-11].

目前，确定生态源地、建立阻力面、判别生态廊道和节点的步骤已经成为生态安全格局构建的基本思路[12]. 生态源地作为生态安全格局构建的基础，完善其选取方式将为更加合理地构建景观生态安全格局奠定基础. 当前多数研究往往直接选取研究区内自然保护地或大面积的林草地、水体作为生态源，但该类方法忽略了相同地类的内部差异[3]，同时生态源地的面积选取阈值对不同空间尺度生态安全格局构建的适用性也有待讨论. 而生态退化问题与生态系统服务作为在自然和社会双重干扰下的集中反映，能够在本质上揭示人类福祉和生态系统的关系，基于其进行生态安全格局构建具有重要意义[1]. 其中生态系统服务是指人类从生态系统获得的所有惠益[13-15]，生态环境敏感性则指生态系统对区域内自然和人类活动干扰的敏感程度，集中反映了生态系统在干扰状态下引发生态环境问题可能性. 因此，通过生态系统服务和生态环境敏感性评估，科学确定需要重点保护的生态系统及其分布区域，是生态安全格局构建中选取生态源地的必然选择. 最小累积阻力(minimal cumulative resistance, MCR)模型[16]能较好地模拟地物景观在斑块水平上格局变化以及生态过程演变的相互作用关系，应用MCR模型提取生态源地、划定阻力面并判别廊道已成为生态安全格局研究的主流范式[17-20]. 省级行政区作为衔接和落实全国生态安全战略格局的最高行政级别，开展省域尺度的生态安全格局构建研究对市县级别的国土空间规划具有重要的指导作用，而目前基于MCR模型的生态安全格局构建区域主要为城市、流域等较小空间尺度的研究单元，大空间尺度的生态安全格局构建研究整体不足，研究成果难以为省域层面生态空间结构的调整与管控提供有力支撑.

我国生态脆弱区类型多、分布广，生态系统抗干扰能力较弱，生态系统退化明显，因此是生态安全格局研究亟需关注的重点区域. 宁夏回族自治区位于中国西部干旱、半干旱和农牧交界区，是我国西北部典型的生态脆弱区，区域生态环境敏感脆弱、人地矛盾突出，经济社会发展对资源开发依赖性较强，近年来区域人口的快速增长和工业化进程的快速推进深化了社会发展和资源环境的矛盾，造成了宁夏部分区域生态退化，严重威胁了区域生态安全和生态系统可持续性. 该文以典型脆弱区宁夏为研究对象，通过开展生态系统服务重要性和生态环境敏感性评价，识别宁夏生态安全重要区域，并结合已有自然保护地确定生态源地，利用土地类型因子、人类活动干扰因子和植被覆盖因子构建生态阻力面，最后利用MCR模型识别宁夏的潜在生态廊道，结合生态环境特点确定实际生态廊道，以生态廊道之间的交点以及生态廊道与累积阻力表面的脊线交点确定最终生态节点，构建符合宁夏生态系统健康和社会经济可持续发展需求的生态安全格局，以期为宁夏生态系统保护和国土空间规划提供科学依据和有力支撑.

1 研究区概况

宁夏地处西北内陆、黄河上中游地区，是黄土高原、蒙古高原和青藏高原交汇地带(104°17'E~107°39'E、35°14'N~39°23'N)，地势南高北低，由西南向东北倾斜，地貌特征丰富多样，拥有山地、平原、沙漠等3种地貌类型. 该研究区属温带大陆性干旱、半干旱气候，年均降水量为150～600 mm，年均蒸发量在1 500 mm以上，拥有草地、农田、林地、湿地等多种生态系统类型，其中草地和农田生态系统占宁夏土地总面积的60%以上，空间上呈现出“草地-农田”为主导的分布特征(见图1). 宁夏处于荒漠和草原过渡地带，西、北、东三面被沙漠和沙地包围，区域内土壤盐渍化、沙漠化等生态环境问题突出.

图 1 宁夏生态系统的空间分布Fig.1 Spatial distribution of ecosystems in Ningxia

2 研究方法与研究数据

2.1 研究方法

2.1.1生态系统服务与生态环境敏感性评价

生态源地是指对区域生态安全有重要意义或具有辐射功能的生境斑块[16]. 该研究将生态系统服务重要区域和生态环境敏感区域作为识别生态源地的基础，参照已有研究中防风固沙、水源涵养、水土保持、生物多样性维护等生态系统服务[21-24]以及水土流失、土地沙化生态系统敏感性评估方法(见表1)，并根据《宁夏生态保护红线划定技术指南》(环办生态〔2017〕48号)计算得出宁夏生态系统服务极重要区和生态环境极敏感区. 在此基础上，将评估结果与自然保护地进行空间叠加，叠加结果作为宁夏生态源地范围.为消除细碎斑块对生态安全格局构建过程的影响，在ArcGIS 10.2软件中对细碎图斑进行了聚合处理，最终获得生态源地.

2.1.2最小累积阻力模型

MCR模型指物种在从“源”到目的地运动过程中所需耗费代价的模型[16]，被广泛应用于城市土地演变过程模拟和景观安全格局构建的相关研究，其计算公式：

式中，MCR表示最小累积阻力值，Dij表示物种从源j到地物景观i的空间距离，Ri表示地物景观i对某物种运动的阻力值，表示景观i与源j之间穿越所有单元的距离和阻力的累积，fmin表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系.

表 1 生态系统服务与生态环境敏感性评价方法Table 1 Evaluation of ecosystem services and ecosystem sensitivity

2.1.3生态阻力面构建

阻力面是生态源地向外扩张过程中所遇到的阻力合集[25]. 基于宁夏实际情况，选取土地利用类型、与道路的距离、与居民点的距离和植被覆盖4个因子构建综合阻力面(见图2)，阻力系数越大表明生态用地扩张阻力越大，耗费成本越高，依据因素重要程度比较法确定各阻力因子权重，构建生态源地阻力评价体系(见表2).

图 2 宁夏生态源地扩张各阻力因子值分布Fig.2 The distribution of each resistance factors for ecological source expansion in Ningxia

2.1.4生态廊道和生态节点识别

生态廊道是生态安全格局中各景观组分的连接通道和隔离通道，也是物种扩散和流动的主要通道，具有生态防护和维持景观连通性的重要功能[26]. 基于MCR模型构建生态廊道，分别以各生态源地(n)为源点，以剩余生态源地(n−1)为目标点集，对应输出各生态源地(n)的成本距离栅格、成本回溯链接栅格. 利用生态源地和综合阻力面通过ArcGIS 10.2软件的Cost Distance模块计算得到成本面上每个像元到最近源地的最小累积阻力距离表面，在此基础上，利用Cost Path工具计算生态源地相互之间的最小成本路径以生成潜在生态廊道，再根据生态源地分布以及廊道连通性和重要性筛选最终的实际生态廊道.

生态节点是源地间相互联系具有重要意义的节点，在生态源地的连通中充当垫脚石的作用，同时也是生态功能最薄弱的点. 提取生态廊道之间的汇聚点以及生态廊道与累积阻力表面的脊线交点作为生态节点[19].

表 2 宁夏生态源地扩张阻力因子权重、分级及阻力值Table 2 Weighting, classification and value of resistance factors for ecological source expansion in Ningxia

2.2 数据来源及处理

研究数据主要包括土地利用、净初级生产力(NPP)、归一化植被指数(NDVI)、气象、地形、交通和居民点等多源数据，数据时间为2020年. 土地利用数据来源于中科院资源环境科学与数据中心数据平台(http://www.resdc.cn)；NDVI数据来源于NASA(http://modis.gsfc.nasa.gov/data)，空间分辨率为250 m，数据通过MRT进行拼接、投影转换，再通过最大合成法(MVC)得到NDVI月度最大值；NPP通过CASA模型计算而得；气象数据包括宁夏以及周边气象站的太阳辐射、降水量、温度等数据，来源于中国气象科学数据网站(http://data.cma.cn)；地形数据为GDEMDEM 30 m分辨率数字高程数据，来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)；现状交通和居民点来源于国家基础地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc).

3 结果与分析

3.1 生态系统服务与生态环境敏感性评估

宁夏防风固沙极重要区面积为10 108.44 km2，占研究区总面积的19.45%，主要分布在盐池县、同心县、灵武市、红寺堡区以及中卫市腾格里沙漠边缘等区域；生物多样性维护极重要区面积为1 974.91 km2，占研究区总面积的3.61%，主要分布在哈巴湖、贺兰山、六盘山及沙坡头等自然保护区内；水土保持极重要区面积为2 968.72 km2，占研究区总面积的5.71%，主要分布在泾源县、彭阳县、原州区、隆德县、西吉县及海原县；水源涵养功能极重要区面积为1 930.92 km2，占研究区总面积的3.72%，主要分布在贺兰山、六盘山、罗山等自然保护区内(见图3和表3). 上述地区植被丰富，水源充足，多属于宁夏重要的自然保护区，因此是保护生态系统功能、维持生物多样性的重点区域.

宁夏水土流失极敏感区面积为6 267.55 km2，占研究区总面积的12.15%，主要分布在宁夏贺兰山区、宁夏东南部，包括海原县、沙坡头区、同心县、原州区、彭阳县、泾源县、隆德县等区县；土地沙化极敏感区面积为1 152.09 km2，占研究区总面积的2.25%，主要分布在惠农区、沙坡头区、平罗县、灵武市、兴庆区、盐池县等区县(见图4和表4). 上述区域风蚀和水蚀等土地侵蚀严重，自然灾害频发，水资源较为匮乏，对外界干扰比较敏感，生态环境较为脆弱.

3.2 生态源地、生态廊道和生态节点

宁夏生态源地面积为16 300.00 km2，占研究区总面积的31.61%(见图5)，主要分布在宁夏西北部的贺兰山、东部的哈巴湖、黄河以东至与陕西交界的黄土高原水土保持区、南部六盘山地区等. 这些区域具有防风固沙、水土保持、生物多样性维护等重要的生态系统服务功能，但同时生态环境脆弱，易受到人类活动的干扰.

以累积阻力表面为基础，利用自然断点法进行分级[27]，得到宁夏生态安全缓冲区(见图6). 高水平生态安全区(低阻力区)面积为35 257.62 km2，占研究区总面积的67.93%，包括生态源地及其外围，大部分地区是山区林草地，对这些区域应加强生态保护，禁止损害生态系统功能的开发建设活动，维持生态系统稳定. 考虑到该区域还有一定数量的耕地，分布范围比较广，应发展节水农业，加强水土保持生态建设. 中水平生态安全区(中阻力区)面积为11 896.01 km2，占研究区总面积的22.92%，是重要的生态缓冲区，其生态系统物质、能量、信息交流频繁，是潜在的生态源，应作为限制开发区. 低水平生态安全区(高阻力区)面积为4 746.37 km2，占研究区总面积的9.15%，大部分是人类活动比较强烈的建设用地、耕地等，应作为适宜开发区，同时注重造林绿化等以提高其生态环境承载力.

表 4 宁夏生态环境敏感性评价结果Table 4 Results of the eco-environmental sensitivity evaluation in Ningxia

图 4 宁夏生态环境敏感性评价结果Fig.4 Results of the ecosystem sensitivity evaluation in Ningxia

表 3 宁夏生态系统服务重要性评价结果Table 3 Results of the ecosystem services evaluation in Ningxia

图 3 宁夏生态系统服务重要性评价结果Fig.3 Results of the ecosystem services evaluation in Ningxia

识别生态廊道64条，总长约835.51 km，生态节点12个(见图7). 生态廊道空间上呈现零散分布的现象，其中中部地区分布较为密集，北部和南部相对稀疏. 总体来看，由于北部和南部生态源地集中，各生态源地之间距离较近，各源地之间物质、能量、信息流动仅需要耗费较小的成本；而宁夏中部水土流失比较严重，导致生态源地破碎化严重，因此生态廊道比较密集. 与生态源地相似，生态节点也呈现中部密集、南北两端稀疏的空间分布特征.

3.3 生态安全格局构建与优化

通过将识别得到的生态源地、生态节点、生态廊道等组分叠加组合，依托宁夏主要山脉和水系等自然本底，在现有生态安全格局的基础上，提出“一廊三屏四区多节点”宁夏生态安全格局优化策略(见图7).其中生态源地主要为北部贺兰山防风固沙生态屏障、中部罗山干旱带绿色生态屏障、南部六盘山水土保持和水源涵养生态屏障，也包含西部腾格里沙漠边缘防风固沙区、东部毛乌素沙漠防风固沙区、中部干旱半干旱带水土流失区、东南黄土高原丘陵水土保持区等区域；生态廊道主要包含黄河岸线等生态源地之间通过生境连接、信息交流的生态扩散与防护通道；节点主要是指生态廊道的交汇点以及物种从不利生境扩散至适宜生境所需克服的最大阻力，是生态保护的关键环节.

图 5 宁夏生态源地的空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecological sources in Ningxia

图 6 宁夏生态安全缓冲区的空间分布Fig.6 Spatial distribution of ecological security buffer zone in Ningxia

图 7 宁夏生态安全格局示意Fig.7 Ecological security pattern in Ningxia

宁夏兼具生态资源丰富和生态环境脆弱的特点，建议进一步完善生态保护空间网络，通过优化自然保护地和生态保护红线等措施，将生态源地、生态廊道、生态节点和高水平生态安全区(低阻力区)进行严格保护，突出黄河流域以及贺兰山、六盘山、罗山等三座主要山脉在宁夏生态安全格局中的核心地位. 中水平生态安全区应作为未来生态系统优先保护区加以限制开发，高水平阻力区应避免城镇扩张等阻力因素破坏自然生态系统. 对于具体生态空间和生态系统，应针对地区突出环境问题和生态本底特征，采取相对应的措施加大生态保护修复力度，筑牢区域生态安全屏障，其中贺兰山生态屏障应继续实施矿山地质环境整治，推进复垦复绿进度，恢复区域生态环境，推进区域绿色空间向南延伸；六盘山生态屏障和罗山生态屏障应加强区域植被自然恢复，实现生态屏障内部及外部延展，贯通区域生态廊道，提升生态系统稳定性和生态系统服务功能；针对东部和西部防风固沙区，应加强水土流失和土地沙化管控，扩大生态源地和连通性；针对黄河岸线生态廊道，应落实黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略，统筹人口、资源与土地的关系，实行最严格的水生态保护和水污染防治制度，提升沿黄生态经济带的环境承载力，促进宁夏境内黄河流域经济社会发展与水资源承载能力相协调，形成水陆统筹的沿黄流域绿色生态廊道；宁夏中部的生态廊道和节点对于保障生态系统连通性和稳定性具有极为重要的作用，应在资源开发过程中对其加强保护，提升各生态源地间的物质、能量、信息等重要组分流动通畅，维持其合适的密度.

4 讨论

生态系统服务重要性和生态环境敏感性评估作为识别重要生态空间的主要方式，能够考虑生态系统功能与过程对于自然环境变化与人类活动的响应，以及生态系统自身空间组织结构的演变，已有学者以此为基础开展了区域生态安全格局构建研究[28]，但实证研究仍需进一步丰富和检验，生态系统服务和生态环境敏感性在生态安全管理的应用仍需加强. 该研究辨析了生态系统服务、生态环境敏感性与生态安全的关系，确定将生态系统服务和生态环境敏感性作为生态安全格局构建的科学基础，基于生态系统服务重要性评估、生态环境敏感性评价以及自然保护地的结果识别了生态源地，关注了人类对生态系统服务的需求以及生态系统本身结构、功能与过程特点，评价结果符合宁夏生态系统本身的整体性和区域生态保护的系统性，反映了宁夏生态安全格局的空间分布，该研究是对现有生态安全格局构建中生态源地选择方式的补充和完善，并为构建区域生态安全格局提供了新的思路和方法. 另外，目前关于生态格局构建的研究区域主要为流域等地理单元或市县级的空间尺度，而针对省域尺度的生态安全格局研究相对较少，该研究是在省级空间尺度下对生态安全格局构建应用中的探索，将对我国西北地区其他生态脆弱区生态安全格局构建和生态系统管理提供参考.

但仍需注意到，随着区域生态环境变化和社会经济的发展，生态系统相关要素处于动态变化中，在将来的研究中应在区域生态背景的基础上重点考虑人类社会经济发展对生态系统服务的需求，从生态系统服务供需关系、自然生态系统与社会经济系统间耦合关系[29]和生态过程演变角度建立技术路线，采取多模型、多方法、多技术集成开展研究，进而完善生态安全格局研究. 同时，由于生态系统服务功能的形成依赖于一定的空间和时间尺度上的生态系统结构与过程，因此在实际应用中也要考虑不同尺度生态系统服务的指标选择以及重要性划分方式，使得安全格局构建结果能够被不同空间尺度的利益方接受和应用[30].