河西走廊生态安全格局构建与优化研究

马超, 陈英,,*, 张金龙, 谢保鹏, 张强

河西走廊生态安全格局构建与优化研究

马超1, 陈英1,2,*, 张金龙3, 谢保鹏2, 张强4

1. 甘肃农业大学资源与环境学院, 兰州 730070 2. 甘肃农业大学管理学院, 兰州 730070 3. 中国科学院西北生态环境资源研究院遥感与地理信息科学研究室, 兰州 730000 4. 甘肃省环境监测中心站生态室, 兰州 730000

基于InVEST生境质量模型和最小阻力模型, 以张掖市为例, 开展河西走廊生态安全格局构建研究。全市划分为适宜生态用地和适宜生产建设用地两部分, 共识别生态源地5583 km2, 提取生态廊道1794 km、生态廊道潜在辐射通道485 km, 基本形成南部祁连山脉、中部黑河—七家岭台、北部合黎山—龙首山三纵框架的廊道格局, 得到生态核心节点22个、生态潜力节点15个。通过分析可得: 张掖市生态用地空间分布差异较大, 生态环境保护治理需要重点向肃南县以外的其它四县一区倾斜; 优先加强焉支山及周边区域生态环境改良, 促使已形成的三纵格局廊道聚拢; 重点维护核心节点, 积极发展潜力节点, 加强相邻省市合作, 整体推进全市生态环境治理与优化。从生态安全“点—线—面”角度进一步优化了以生态廊道为基础的生态安全格局构建方法, 从应用角度细化了生态节点的重要作用, 对当地生态安全格局优化提出了相应策略。

生境质量; 生态安全格局构建; 生态廊道; 生态节点

0 前言

日益增强和空间上不断扩大的人类活动剧烈改变着生态系统结构和功能, 削弱生态安全得以维持和提升的物理环境基础[1], 使社会经济发展增加了来自自然资源和生态环境的刚性约束[2]。面对生态安全的复杂性, 历来学者对其内涵就已进行了广泛研究, 其中生态安全格局的研究有助于生态安全问题从源头上得到有效管控及改善。国际上对生态安全格局研究主要集中在按照保护严格程度, 划分为最为严格到可持续利用等不同类型的保护地体系建设方面, 生态安全格局构建从早期的以生物多样性保护为主, 逐步向自然生态系统与社会经济耦合的相互协同格局的发展趋势转变[3]。Sutton-Grier等[4]通过自然环境和人类社会融合基础设建设增加滨海生态系统的韧性, Karen[5]通过城区土地利用变化的趋势预测, 研究城市化不断扩张对生物多样性的潜在作用。国内对于生态安全格局的研究主要围绕生态源地识别与生态安全格局构建方面, 形成了以“源地识别－阻力面构建－廊道提取”的生态安全格局构建基本模式[6]。吴建生等[7]通过生态服务价值方法优化了源地提取方法, 张蕾等[8]利用中心度指标对生态廊道的重要性进行了多级分类研究, 师鹏飞等[9]探讨了基本模式下省市级以下小区域生态安全格局构建, 杨彦昆等[10]通过连通度指数对阻力面构建方法进行了优化。

河西走廊是我国“一带一路”倡议中丝绸之路经济带黄金要道, 深处大陆内部, 干旱少雨, 生态环境脆弱, 生态安全问题直接威胁“一带一路”建设, 积极开展河西走廊生态安全相关研究, 有助于为丝绸之路经济带建设提供生态安全保障。张掖市位于河西走廊中部, 历史悠久, 为古河西四郡之一, 南部为祁连山脉、中部为走廊平原、北部为沙漠戈壁, 黑河绿洲承载了当地主要的经济发展。由于历史原因, 张掖市南部祁连山生态环境破严重, 威胁河西走廊及国家西部生态安全。2017年中办、国办对此问题进行重点通报批评后, 张掖市开始了以祁连山国家公园为主的全面生态环境修复与整改治理, 并启动实施祁连山国家公园和黑河生态带、交通大林带、城市绿化带“一园三带”生态示范工程, 全面突出了当地生态环境治理和生态安全建设重要性[11]。张掖市在自然环境、社会经济领域是河西走廊的典型代表, 生态环境规划与治理亦是河西走廊的先行区, 选作河西走廊生态安全格局构建研究试点优势明显。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

张掖市(东经90°20′—102°12′, 北纬37°28′—39°57′)位于青藏高原和蒙古高原交汇的河西走廊中部, 地势南高北低, 自古就是丝绸之路商贾重镇和咽喉要道。包括甘州区、临泽县、高台县、山丹县、民乐县、肃南裕固族自治县(简称: 肃南县)一区五县, 全市总面积38600 km2, 2018年末全市常住人口123.38万人, 城镇化率47.55%。该市气候以冷温带干旱和祁连山高寒带半干旱半湿润气候为主, 夏短冬长, 干旱少雨, 降水分布不均, 昼夜温差大。境内祁连山水源涵养区、黑河绿洲、荒漠戈壁三大生态系统交错衔接, 地貌景观丰富, 但荒漠戈壁覆盖面积较大, 生态环境整体脆弱。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

本文所涉及的数据及来源情况见表1。

2.2 研究方法

2.2.1 生态源地识别

“源－汇”理论指出, 生态源一般是由受保护的物种、自然栖息地构成, 具有丰富的生物多样性[12], 而生境质量可以很好的反映生物多样性, 故本文采取由美国斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)与世界自然基金会(WWF)联合开发的用于评估生态系统服务功能量及其经济价值、支持生态系统管理和决策的InVEST模型中的生境质量模块识别研究区生态源地。

表1 本文数据情况介绍及来源

在InVEST中, 计算生境质量指数前要计算生境退化度, 计算过程公式如下:

式中:为土地利用/覆被类型中栅格的生境退化度;为威胁因子个数;为威胁栅格图上的一组栅格;ω为威胁因子权重;r为栅格的威胁因子值;i为生境类型栅格与的距离函数, 包括线性距离衰减函数和指数距离衰减函数;β为威胁因子可达性;S为生境类型对威胁因子的敏感性。

计算生境质量指数为:

式中:Q为土地利用/覆被类型中栅格的生境质量指数;H为土地利用/覆被类型的生境适宜性, 相对生境适宜性得分值为0—1;D为土地利用/覆被类型中栅格的生境退化度;为半饱和常数, 取最大退化度的一半;为归一化常量, 是模型默认参数。

威胁因子最大影响距离及其权重、生境类型对威胁因子的敏感性是模型中涉及的主要参数, InVEST模型(3.2.0版本)使用手册及同类相关文献[13–14]是各参数的设置主要参考依据, 专家打分法进行赋值辅助, 具体参数见表2和表3。

2.2.2 阻力面建立

阻力面的建立是生态安全格局构建的核心内容。本文基于前人研究经验[14–18], 从研究区域的实际情况出发, 遵循数据的可获得性、可操作性及系统性等原则, 选取生境质量指数、植被覆盖度、土地利用类型、海拔、坡度、距离道路的距离六项指标作为阻力因子, 对各个阻力因子由小到大分级赋值为1、2、3、4、5级, 表示生态源地扩张的阻力逐渐增大。在此基础之上, 利用综合指数法, 加权得到源地扩张的综合阻力值, 计算公式如下:

式中:为六个阻力因子的综合阻力值;为阻力因子的权重;为阻力因子的阻力值。其中通过层次分析法获得, 相关赋值打分请教了中国科学院西北生态环境资源研究院众多专家学者, 计算结果与专家进行多次沟通反馈, 确定六项阻力因子权重, 详见表4。

2.2.3 生态廊道识别

生态廊道作为物种迁徙的绿色通道, 对传递物质、交流信息具有重要作用, 是生态安全格局中的重要组成部分。生态廊道的识别方法有斑块重力模型、最小累积阻力模型、综合评价指标体系等。其中, 最小累积阻力模型在数据需求和结果可视化中优势明显, 被广泛应用于生态安全格局构建研究中。

最小累积阻力模型(minimum cumulative resistance, MCR)最早由Knaapen等[19]于1992年提出, 其原理是指物种从源地开始流动, 通过具有不同阻力值的道路斑块所耗费的阻力总值, 反映物种扩散的潜在可能性和趋势[20], 把源物质向四周扩散过程中克服最小阻力代价通道作为生态源地之间的生态廊道。计算公式如下:

表2 威胁因子属性

表3 不同生境类型对不同威胁因子的敏感性

表4 阻力因子及权重

式中:为最小累积阻力值;D为物种从源到空间某景观目的地的运动距离;为景观目的地对某物种的运动阻力。

2.2.4 生态节点确定

生态节点是指景观基质中对于生物的扩散或移动过程起到关键作用的位置[21]。本文在以往学者的研究基础上[20], 将生态节点根据来源划分为生态核心节点和生态潜力节点, 采用生态廊道的相交点作为生态核心节点, 生态廊道潜在辐射通道的交点作为生态潜力节点, 即处于生态扩张流动最频繁和最困难的地段。生态节点的建立与细分有利于保障现有的生态流和促使生态流突破阻力进一步发展, 在生态环境保护规划和工程建设中具有现实指导意义。

2.2.5 生态安全分区

本文采取阈值法, 利用生态源地扩张和人类主要活动区扩张的最小累计阻力差值, 获得不同的空间范围, 实现生态安全分区, 为管控人类活动对生态源地的干扰做数据支撑。

3 结果与分析

3.1 源地识别

基于InVEST模型生境质量模块, 计算并分级张掖市2018年生境质量指数[13], 详见表5。由图1可得, 张掖市2018年生境质量呈现“南高北低”的分布态势, 且以低生境质量为主, 其他生境质量所占比重较为均衡。其中, 高等级生境质量主要分布在肃南县中部与东部、山丹县中部、民乐县南部和东部, 占总面积的16.49%, 这些地区主要是祁连山国家公园腹地和焉支山森林公园, 土地类型以林地、草地为主; 较高等生境质量主要分布在肃南县中上部、西部和东部边界区, 以及山丹县北部、山丹县和民乐县交接区, 占总面积的15.76%; 肃南西部和北部少数区域为中等生境质量, 面积占比为16.87%; 较低等生境质量集中于民乐县、甘州区、临泽县、高台县的中部, 占总面积的15.47%, 土地类型以耕地为主; 低等生境质量分布于高台县、临泽县、甘州区的北部, 以及肃南县西北部, 占总面积的35.41%, 土地类型以戈壁、沙地、裸岩为主。

表5 张掖市各级生境质量面积占比

图1 张掖市生境质量自然分割五级分布图

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

选取高等级生境质量中斑块面积不小于2 km2的区域, 作为生态源地。选取城镇用地、农村居民用地、其它建设用地中斑块面积不小于1 km2的区域作为生态源地扩张的最直接障碍——城镇源地。从图2可知, 张掖市生态源地面积为5583 km², 肃南县境内生态源地面积4791 km², 占总生态源地面积的85.81%, 主要分布在该县中部与东部; 城镇源地面积为311 km², 呈零星状分布于该市的中部, 主要为河西走廊平原地区。

3.2 阻力面的建立

3.2.1 综合阻力值

利用式(3)计算张掖市生态源地扩张和人类主要活动区扩张加权综合阻力值。由图3可得, 生态源地扩张阻力增加方向和城镇源地扩张阻力增加方向正好相反, 符合实际情况。

3.2.2 最小累积阻力面

基于生态源地数据、城镇源地数据及综合阻力值数据, 利用ArcGIS10.2中的Cost Distance工具, 分别计算生态源地扩张最小累计阻力面和城镇源地扩张最小累计阻力面。由图4可知, 生态扩张最小累计阻力低值区主要分布在肃南县中部和东部, 以及高台县、临泽县中部和甘州区中西部, 凸显了范围内祁连山国家公园和黑河湿地国家级自然保护区在当地生态价值的重要性; 城镇扩张最小累计阻力低值区主要分布在全市中部, 即河西走廊平原区, 高值区主要分布在全市南部和北部山地, 说明山地地形对全市城镇扩张有明显抑制作用。

图2 张掖市生态源地和城镇源地分布

Figure 2 Ecological Source and Urban Source of Zhangye City

图3 源地扩张综合阻力面

Figure 3 Comprehensive resistance to Source Expansion

图4 源地扩张最小累计阻力面

Figure 4 MCR surface for Source Expansion

3.3 生态安全分区

利用生态源地扩张最小累计阻力面和城镇源地扩张最小累计阻力面进行差值处理, 获得生态源地—城镇源地扩张累计阻力差值面, 值大于0的部分作为适宜生态用地, 值小于0的部分作为适宜生产建设用地。通过计算可得, 张掖市适宜生态用地和适宜生产建设用地分别占全市总面积为44.09%、55.91%, 适宜生态用地相对较少, 反映出张掖市整体生态属性不显著。

全市五县一区适宜生态用地面积和占各县区总土地面积百分比如表6所示。反映出张掖市适宜生态用地分布明显不均, 集中分布在肃南县, 且每个县适宜生态用地占全县国土面积的比重差异较大。

3.4 生态廊道

生态廊道作为物种在两源地间的流动通道[22–23], 为不同物种在不同源地间互相交流提供了可能, 一般认为在一定的范围内廊道越多就越有利于促进物种之间的信息交流[24]。借鉴ArcGIS10.2中水文分析方法, 对生态源地扩张最小阻力数据进行洼地填充、计算汇流累积量, 经过不同阈值的多次尝试, 取阈值大于50000的汇流累积量作为研究区生态廊道, 共计约1794 km, 超过200 km的连续不间断廊道有两条, 全部位于肃南县祁连山区域, 大部分在100 km之内; 在阈值大于5000的汇流累积量中获得生态廊道潜在辐射通道, 共计约485 km。全市生态廊道空间位置如图9所示, 基本形成了南部祁连山脉廊道、中部黑河—七家岭台廊道、北部合黎山—龙首山廊道三纵框架的格局, 其中祁连山脉廊道规模最大、连通性最好, 黑河—七家岭台廊道规模次之、连通性差, 合黎山—龙首山廊道规模最小、连通性最差, 且随着河西走廊在山丹县东部束紧, 三条廊道有向焉支山聚拢之势。

表6 张掖市各县区适宜生态用地统计

3.5 生态节点

基于已获取的生态廊道和生态廊道潜在辐射通道, 直接提取22个生态核心节点, 作为不同廊道间生物信息流动的最重要条件基础重点保护; 提取15个生态潜力节点, 作为优化现有生态廊道网络的关键点位和生态恢复和改善的重点建设区域。按照表2中城镇因素对生态源地最远威胁距离8 km计算, 经过统计分析可得有17个生态核心点和12个生态潜力点在威胁距离之内, 分别占总核心节点和总潜力节点的77%、80%, 反映出张掖市生态环境治理与改善工作困难较大。通过分析图9生态节点空间分布情况可知: 一、以黑河为主的生态廊道在甘州区东部(10号生态潜力节点处)和北部(7号生态潜力节点处)出现中断, 原因主要是河道两边湿地面积过少导致, 应加强此区域的湿地恢复与保护; 二、黑河—七家岭台廊道在山丹县、民乐县和甘州区的交界处(11号生态潜力节点处)有明显的中断区域, 主要原因为该区域戈壁面积较大、植被覆盖较低, 应加强此区域的生态造林规模; 三、1、2、3、4、9、13、18、21号共8个生态核心节点和3、5、8、14号共4个生态潜力节点位于市界沿线, 占总生态节点数的32.43%, 说明张掖市生态环境保护与治理需要跨地区和相邻省市积极合作。

4 讨论

本文基于InVEST生境质量模型和最小阻力模型, 从生态安全分区、廊道提取、节点分类等主要过程, 对河西走廊张掖市进行生态安全格局综合构建。以往学者在生态源地的确定中一般直接采用自然保护区、天然林地、大面积水源地, 或者经过计算得到的生态服务价值较高的区域等方法, 利用基于InVEST生境质量模型获取生态源地的方法较少使用。生态源地有很好的生物多样性, 生境质量能很好的反映生物多样性, 故本文采取此方法进行生态源地提取。在生态节点的研究中, 以往学者一般只是点提取与统计描述, 进一步的深入讨论较少, 而在实际生态保护工程建设中, 一般都是从关键“点”出发, 以点带面开展区域生态保护工程建设, 故本文对生态关键节点在应用方向上进行细分研究具有较高实际应用价值。

图5 张掖市生态安全格局构建空间分布图

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

张掖市2018年的生境质量呈现“南高北低”的分布态势, 生态源地主要集中在南部祁连山地区的肃南县, 适宜生态用地主要分布在肃南县和山丹县, 五县一区的生态显著性差异较大, 应该促进各县区生态建设均衡发展。通过对比生态源地扩张和城镇源地扩张最小累计阻力面中阻力值的分布情况, 可以反应出在生态源地规模相较城镇源地规模明显占优势的情况下, 生态扩张难度仍旧比城镇扩张难度大, 说明在全市生态保护工作中, 不仅要积极加强生态环境恢复与改良建设, 更要强调城镇空间扩张管制的必要性。

生态安全分区形成了比较独立和完整的适宜生态用地和适宜生产建设用地区域, 产生了鲜明的“生态空间—生产/生活空间”对抗均衡交接线, 可作为生态红线划定的一种方法探索。提取的“三纵”生态廊道, 为划分的生态安全分区提炼出内在发展的主要“脉络”, 形成全市生态环境保护建设的“骨架”系统。基于生态廊道提取生态关键节点及对节点进行细分研究, 发现以生态廊道为主的生态安全格局现状中所隐含的生态建设关键区域和方向, 为地方生态安全规划与实施提供具体参考依据。

本文在“源地”选取方法和生态节点的细分上进行适度优化研究, 从实际规划应用角度, 提出全市“三纵”生态廊道格局向山丹县焉支山聚拢的趋势判断, 重点分析了基于生态核心节点和潜力节点的全市生态安全格局优化建设方向, 具体讨论了生态安全“点—线—面”之间的关系。限于数据获取的客观原因, 本研究未能取得当地的生态红线数据及其它官方生态环境保护规划数据, 无法进行生态安全格局构建的进一步细化, 尤其是在生态安全分区中缺乏国土综合规划数据, 不能与实际紧密结合进行详细分区, 望今后具备相关条件后持续研究完善。

5 结论

本文基于InVEST生境质量模型和最小阻力模型, 根据“源地识别—构建阻力面—提取生态廊道”的基本思路, 对张掖市进行生态安全格局构建研究, 得出以下几个结论:

(1)张掖市2018年高生境质量区、生态源地和适宜生态用地集中分布在肃南县, 该县位于祁连山腹地, 是祁连山国家公园重点建设区域。为实现全市生态安全格局整体改善和优化, 避免该地区生态保护由于国家公园建设出现县域之间极端不平衡现象, 当地生态保护规划及政策应该逐步向其它县区倾斜。

(2)张掖市基本形成了南部祁连山脉、中部黑河—七家岭台、北部合黎山—龙首山三纵框架的生态廊道格局, 三条生态廊道有向山丹县焉支山聚拢的势态, 应重点加强焉支山区域生态保护建设力度, 推进中牧山丹马场的退耕还草工作, 打通拓宽焉支山到祁连山脉之间的生态廊道。

(3)张掖市77%的生态核心节点和80%的生态潜力节点距离城镇源地较近, 反映出全市生态保护工作压力不小; 32.43%的生态节点位于市界附近, 全市生态环境保护与治理需要跨地区和相邻省市积极合作。

(4)全市生态潜力节点大部分位于国家公园和自然保护区之外, 所在区域是提升和优化全市生态安全格局的关键位置, 张掖市今后的生态环境工作重点应逐步向15个生态潜力节点倾斜, 结合实际加强该区域退耕还林、植树造林等生态工程建设, 形成“重点维护核心节点, 积极发展潜力节点, 促进生态廊道加长加密, 提高区域生态安全整体水平”的全市生态环境优化改良综合思路。

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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

马超, 陈英, 张金龙, 等. 河西走廊生态安全格局构建与优化研究[J]. 生态科学, 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

国家自然科学基金(71563001)

马超(1990—), 男, 硕士, 从事生态安全及遥感应用研究, E-mail: 1186963659@qq.com

陈英(1969—), 男, 博士, 教授, 主要从事土地资源管理研究, E-mail: heny@gsau.edu.cn