青海湖流域生态风险评价及生态功能分区研究

2023-10-07李惠梅李荣杰晏旭昇武非非高泽兵谭永忠

生态环境学报 2023年7期

李惠梅，李荣杰，晏旭昇，武非非，高泽兵*，谭永忠

1.青海民族大学政治与公共管理学院，青海西宁 810007；2.浙江大学公共管理学院，浙江杭州 310058

气候变化和人类活动对生态环境造成了压力，严重威胁着生态安全和人类福祉。国内通行生态红线和国家重点生态功能区以解决或缓解生态问题，用生态红线区构建生态安全格局（杨姗姗等，2016）、提出管控（陈利顶等，2016）或优化布局（杨天荣等，2017；李永格等，2019），将生态系统服务重要性和敏感性叠加（丁振民等，2019）来划分自然生态空间（熊善高等，2018；黄心怡等，2020）和识别生态保护优先区（苏冲等，2019；方莹等，2020），结合景观生态学理论和电力理论构建国土空间生态保护修复重点区域（王秀明等，2022）或对重要生态区进行管控（王浩等，2021），并逐渐考虑人类活动对生态安全功能区的影响，使生态安全屏障区远离城市核心发展区（Jin et al.，2021）。然而中国生态红线区和国家自然保护区大多位于贫困地区，保护规划往往因面临生态保护、经济发展和扶贫等多重挑战而受挫（Jin et al.，2020）或在生物多样性保护（Johnson et al.，2017）方面考虑发展不够（Jones et al.，2018），成效有限。因此，迫切需要通过生态系统服务的供需（景永才等，2018；张豆等，2019）和权衡（税伟等，2019）来优化生态安全格局，将地方发展与经济利益相结合来构建生态空间平衡发展机制以避免公共悲剧。

基于土地利用（曹玉红等，2019）和景观格局（张学斌等，2014；刘焱序等，2015；董玉红等，2017）评价生态风险（Cirone et al.，2000）的相关研究逐渐增多，但只关注生态实体的保护将难以构建持有效的决策支持以降低生态威胁，因此，将生态系统服务纳入生态风险评价逐渐成为研究趋势（刘世梁等，2017），既可以增加生态风险的时效性和高效性（康鹏等，2016），又可考察人类福祉等外部驱动因素对生态风险如何施加影响（Galic et al.，2012），还能通过划分优先区以提高管控效率（陈峰等，2019），对探索生态保护规划有重要的应用价值。保护规划旨在控制、减轻或消除生态风险（Villarreal-Rosas et al.，2020），而现有的保护规划方法往往低估了自然和人为压力源的影响，因此难以解决保护与发展目标之间的冲突。将保护规划转化为生态风险评估问题，关注自然和社会经济压力来制定保护区规划可以解决这一难题（Pan et al.，2022）。青海湖流域是全球气候变化重点响应区，青海湖作为旅游王牌景点吸引着众多游客，对流域造成了生态风险威胁。2022年6月国家批准建设青海湖国家公园，亟待通过生态风险划分功能区以协调经济发展与生态保护之间的矛盾。本研究旨在尝试缓解生态保护与发展的矛盾，以有助于推动青海湖国家公园建设，为自然保护地的生态功能区规划提供了新思路，也为区域可持续发展提供科学参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

青海湖流域地处青藏高原的东北隅（图1），是全球变化背景下生态敏感区和脆弱区，更是阻挡西部荒漠向东扩张的重要生态屏障。流域近似梭形，介于36°15′－38°20′N，97°50′－101°22′E，流域面积为29.7×103km2，海拔3144－5204 m，属于典型的高原大陆性气候。青海湖是中国最大的咸水湖泊，占流域面积14.7%，流域独特的高寒湿地生态系统是生物多样性保护的重要场所。2009－2016年青海湖景区的旅游收入与旅游人次直线式增长，年均复合增长率达到17.7%，旅游业成为区域的特色经济产业并增长迅速。单一的生态红线区划已不适应生态文明建设的需要，亟待兼顾保护与发展的功能区规划。

图1 研究区域图Figure 1 The location of the study area

1.2 数据来源

主要包括土地利用数据、气象数据、遥感数据产品、自然保护地数据、地形数据和土壤数据等（表1），游憩和保护资金数据来源于青海湖景区管理局和海北州自然资源管理部门，进行矢量化，在ArcGIS 10.2中建立数据库来存储和处理上述数据。

表1 数据来源及数据库Table 1 Data sources and databases

1.3 研究思路

本研究遵循压力源-暴露-端点的框架（图2）来评估生态风险。压力源包括自然压力源（气候变化）和人为压力源（城镇化、农业畜牧业和旅游等），受体对压力源的暴露是根据其空间上的接近程度来评估的，生态系统服务作为评估端点（Pan et al.，2022）。对生态系统服务提供很重要的地区对生态退化很敏感，更容易受到生态风险的影响，本文通过压力源对生态系统服务的重要性和敏感性，评估生态风险并分级以制定保护规划，将生态风险水平最高的地区将被划为保护区域以减轻人类对自然的影响，而生态风险水平最低的区域可被开发。

图2 青海湖流域生态风险及分区技术路线图Figure 2 Technological roadmap of zoning

1.4 研究方法

1.4.1 生态系统服务重要性评价

根据生态环境部和国家发展改革委共同制定的《生态保护红线划定指南》（环办生态，[2017]48），采用模型评价和NPP定量指标评价，参考专家意见选取流域最重要的水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性4种生态系统服务功能评价了重要性，通过自然断点法将4种生态系统服务功能进行分类和等权叠加，得到生态系统服务重要性结果。

水源涵养服务采用综合蓄水法来估算水源涵养服务能力（税伟等，2019）。计算公式如下：

式中：

Swr——生态系统水源涵养服务能力指数；

Vnpp——多年植被净初级生产力平均值（g·m-2·a-1）；

Fsic——土壤渗流因子；

Fpre——多年平均降水量因子；

Fslo——坡度因子。

水土保持采用修正后的通用土壤损失方程（RUSLE）（Liu et al.，2011；Liu et al.，2020）进行模拟计算。计算公式如下：

式中：

Spro——水土保持服务能力指数；

Vnpp——多年植被净初级生产力平均值（g·m-2·a-1）；

Fslo——坡度因子；

K——土壤可蚀性因子（t·hm2·h·hm-2·MJ·mm-1）。

防风固沙以防风固沙量（潜在风蚀量与实际风蚀量的差值）作为生态系统防风固沙功能的评估指标。计算公式如下（环办生态，[2017]48）：

式中：

Sws——防风固沙服务能力指数；

Vnpp——多年植被净初级生产力平均值（g·m-2·a-1）；

K——土壤可蚀性因子（t·hm2·h·hm-2·MJ·mm-1）；

Fq——多年平均气候侵蚀力；

u——2 m高处的月平均风速；

u1、u2——在Z1、Z2高度处的风速；

Metp——月潜在蒸发量（mm）；

Pi——月降水量（mm）；

D——当月天数；

ti——月平均气温；

Ri——月平均相对湿度（%）；

D——地表粗糙度因子；

θ——坡度（弧度）。

生物多样性的丧失将大大削弱生态系统的服务功能（Porras et al.，2016），本文选择了净初级生产力（NPP）、年平均降水量、年平均气温和海拔高度评价生物多样性保护功能的重要性。公式如下：

式中：

Sbio——生物多样性维护服务能力指数；

Vnpp——多年植被净初级生产力平均值；

Fpre——多年平均降水量；

Ftem——多年平均气温；

Falt——海拔因子。

1.4.2 生态环境敏感性评价

生态敏感性反映了生态失衡和生态问题的概率（Li et al.，2014）以保护最敏感区域。本文参考相关评价并结合流域敏感性（陈晓琴，2012）研究，选取植被覆盖度、高程、坡度、土地利用类型及土壤侵蚀强度等5类指标作为评价因子（表2），基于层次分析法确定权重，对上述5类因子敏感性赋值加权运算，并使用自然断点法划分为低敏感、轻度敏感、一般敏感、较高敏感和高敏感5个等级，获得生态环境敏感性评价结果。

表2 青海湖流域生态环境敏感性评价因子及权重Table 2 Evaluation Factors and Weights of Eco-environmental Sensitivity in Qinghai Lake Basin

1.4.3 生态风险评价

本文基于PSR理论框架选用了11个指标，其中，压力指标4个，状态指标3个，响应指标4个，系统地对流域的生态风险状况进行了定量描述。流域生态环境最主要的驱动因素是人类活动和气候变化（韩艳莉，2021），选用了对国家公园建设较为关注的旅游和气候变化作为压力指标；植被覆盖程度和生态系统服务是生态系统健康的基础，敏感性是生态系统脆弱性和弹性的体现，共同反映系统状态指标。流域实施自然保护区建设投入了大量的资金进行生态恢复、修复和治理，代表响应指标。用层次分析法和专家咨询打分，最终确定生态风险评价指标因子及权重（表3），对评价结果进行自然间断点分级法聚类分析，将风险级别划分为5个等级对应安全状况。综合风险值越大，则生态风险就越大，反之则越小。

表3 青海湖流域生态风险评价指标及权重Table 3 Evaluation index and weight of ecological risk in Qinghai Lake Basin

2 结果与分析

2.1 流域生态系统服务重要性

青海湖流域不同的生态系统服务功能有着不同的空间格局（图3），生物多样性高值区主要分布在流域的草地和林地及灌木林地区，占流域总面积的43.6%，东南部地区生物多样性保护得分高于西北部地区（图3a）。水源涵养高值区分布在青海湖的北部地区和流域的东南部（图3b），包括天峻和刚察的高寒草甸草地生态系统、共和的草地和农田生态系统。水土保持服务较高的主要集中在青海湖北部的重要林区（图3c），分布相对分散，高值区和较高值区总共不到0.6%，反映出流域整体水土保持功能较弱，要防止风蚀、雨水侵蚀及冻融导致的水土流失。防风固沙较高的地方主要分布在林区（图3d），流域分布较少，面积占流域总面积不到8%。

图3 青海湖流域防风固沙、水源涵养、水土保持、生物多样性生态系统服务重要性Figure 3 The importance of ecosystem services,importance (windbreak and sand fixation,water conservation,soil and water conservation,biodiversity) in the Qinghai Lake Basin

生态系统服务重要性具有异质性的空间格局（见图4），重要性分化明显。山林和高寒草地覆盖度高的生态区重要性较高，环湖地区、高海拔地区和城镇扩张明显地区较低，其他区域呈一定破碎状分布。根据自然断裂法，由低到高将重要性的评价结果分为弱重要、一般重要、中等重要、次重要和最重要的水平（表4）。经统计，高值区集中在青海湖东部，主要包括刚察县和天峻县的一些林地和高覆盖草地生态系统，面积为2.41×103km²，占流域国土面积的8.18%。次重要区主要集中在青海湖北部、流域中部地区的温性草原生态系统和高寒草甸生态系统，面积为6.61×103km²，占流域总面积的22.4%。重要性较低值分布在天峻的山地生态系统部分，面积为9.77×103km²，占流域总面积的32.2%。总体上，除去水体和湖泊，重要性地区占比不高。

表4 青海湖流域生态系统服务重要性分区面积比例Table 4 The zoning area and proportion ratio of ecosystem services’s importance in the Qinghai Lake Basin

图4 青海湖流域生态系统服务重要性空间格局Figure 4 Spatial pattern of ecosystem services,importance in Qinghai Lake Basin

2.2 流域生态敏感性

植被能有效防止流域水土流失和土地沙漠化的威胁，参照相关研究（Jin et al.，2020；Jin et al.，2021；王浩等，2021；陈晓琴，2012）运用土地利用、植被覆盖度和土壤侵蚀、坡度等敏感性加权评价得到生态敏感性评估结果（如图5）。用自然断点法将生态敏感性分成低敏感、较低敏感、一般敏感、较高敏感和高敏感（表5）5级。流域敏感性总体上不高，空间上差异性明显。较不敏感和低敏感区域分布较广，达到流域面积的近90%，高度敏感区只占流域面积的8%左右。低值区主要是青海湖及一些沼泽水体和冰川、雪山等生态系统，面积约7.28×103km2，占流域总面积的24.7%。高值区面积约2.49×103km2，占流域总面积的8.44%，集中在青海湖东部的包括尕海、沙岛湾、海晏湾、耳海一带的沙地，湖北湖滨滩地、荒地及布哈河口鸟岛一带，环湖地区和天峻的西北阳康曲与希尔区一带的高山顶部、工矿用地等人类活动较频繁的区域，刚察县的东北部的大通山脊一带，布哈河中下游的山前冲积阶地、湖滨平原及丘陵前沿地带如青海湖四周山麓以下的滩地，倒淌河以北的滩地等。是植被覆盖度低，对沙漠感染极敏感，易产生沙漠化或是人类活动和影响较大的地区。

表5 青海湖流域生态敏感性分级Table 5 Grading of ecological sensitivity in Qinghai Lake Watershed

图5 青海湖流域生态系统敏感性Figure 5 Sensitivity of ecosystems in the Qinghai Lake Basin

2.3 流域生态风险及生态功能分区

流域生态系统服务的风险空间分布格局两极分化明显，在流域中部地区较高（图6）。利用自然断点法对流域的生态风险分为5级，分别为低风险、较低风险、中等风险、较高风险和高风险（见表6）。低风险区面积为12.7×103km2，占流域面积的43.1%，主要是流域的水体（包括青海湖、流域北部的高山、冰川和湖泊）及草地覆盖区；高风险面积为7.77×103km2，占流域面积的26.4%，集中在环青海湖地区及刚察县城。整个研究期内，生态风险呈环状从青海湖向周边扩张，反映出人类活动可能是生态风险扩张的主要原因。

表6 青海湖流域生态风险分级Table 6 Grading of ecological risks in the Qinghai Lake Basin

图6 青海湖流域生态系统服务的生态风险Figure 6 Risks of ecosystem services in the Qinghai Lake Basin

整合生态风险及重要性结果，将流域划分为生态红线区、优先开发区、生态开发区和保护－开发过渡区等4个功能区（图7）。生态红线区是最重要区和极高风险区的整合，对生态系统服务的提供非常重要，但同时也面临着生物多样性丧失和沙漠化及水土流失的高风险。主要包括重要水源涵养区，大面积退化或有退化迹象的草原草甸、湿地、破碎化的普氏原羚栖息地和需要退耕还林/还草区域，均被纳入生态红线区实施最严格保护，以最大程度保持区域生态系统的原真性和完整性。

图7 青海湖流域游憩利用的生态功能分区Figure 7 Zoning of ecological functions for recreational utilization in Qinghai Lake Basin

优先开发区是生态系统服务轻微或中等重要区和低风险区的整合，该区域自然压力源的风险较低，是未来国家公园运营过程中生态旅游发展区。生态开发区是对自然和经济发展压力都具有高风险的区域和生态系统服务比较重要区域的叠加，包括当地牧民的传统生活区域，是未来国家公园内生态畜牧业发展的重点区域。保护－发展过渡区是剩余区域，为未来的保护和发展留下空间以提高保护规划的弹性。

3 讨论

Tan et al.（2023）国家对重点生态功能区严格的生态保护政策取得了显著成效，显著地降低了生态风险水平。本文将易受生态风险影响（如旅游影响的环湖和易受风沙侵蚀的地区）和对生态系统服务重要的区域设为生态红线区进行优先生态修复和保护，最大限度的减少了人类活动对自然生态系统及其服务的负面影响，并持续完善生态补偿机制以充分实现生态系统服务功能的维护，体现出了生态保护优先的理念。同时设优先开发区和生态开发区以保障“区域发展”的原则，保护－发展过渡区为未来留出充足的生态缓冲空间，允许在保护和发展目标之间进行权衡，充分考虑人类的利益和发展需求可以缓解地区发展与生态保护之间的矛盾，使功能区规划得以保护野生动物的栖息地以及人类从自然中获得的福祉（Perrodin et al.，2011）。

功能区划是国家公园用来管理各利益相关方之间关系和协调人类活动生态保护传统的一种空间组织机制（Wang et al.，2023）。国家公园通过分区管理来缓解保护与利用和发展之间的冲突（Wu et al.，2017）。国家公园兼具保护和利用功能，在实现社会生态取舍的过程中具有不可替代的地位。中国保护区和国家公园面临的实际问题是，初期地方政府希望通过划定尽可能大的区域来获得中央生态保护补贴，随着经济社会水平发展使保护区内原住民和社区消费规模不断扩大，原有的生态保护规划无法满足人类活动不断增加的需求，致使保护区与人类活动之间的冲突不断（邱胜荣等，2022），对于许多发展中国家进一步促进可持续发展目标中可持续消费和生产的目标非常重要。完全禁止人类活动的生态保护并不总是最好的保护策略（Feng et al.，2021），国家公园的功能区划不仅要考虑物种和生态系统的保护，还要考虑居民的生产利用现状和社会发展的需要（Liu，2022），采用功能分区优化合理消除冲突对于解决国家公园内生态保护和人类活动冲突尤为关键。生态红线区既维护了生物多样性和生态系统的生态保护第一性，又运用传统生态文化资源发展生态旅游，兼顾了国家公园另一主要功能——社区发展目标的实现。生态开发区可以结合其自然资源优势，通过社区提供自然教育、科研、生态体验等优质的生态产品价值转化，实现绿水青山向金山银山的转化让原住民获益，加深对生物多样性保护的积极性，实现区域人与自然的和谐共生。优先开发区内可以通过社区打造现代化牧场基地、优质牧草基地、牦牛藏羊养殖基地，发展休闲畜牧业+旅游，通过绿色发展道路促进社区的发展，从而为高寒地区可持续发展对策提供新范式（Xue et al.，2023）。

本文基于NPP核算生态系统服务重要性时，对湿地、河流等重要生态类型的NPP是0，可能和基于土地利用数据的保护规划结果有偏差。受指标可获取性限制，对流域尤为重要的文化服务功能未能全面评估，今后还须探索。通过关键生态功能和主要风险压力源，因地制宜的提出了各区的保护和发展策略，体现了“生态保护优先，高质量发展”的目标，比传统的生态红线规划更适合指导保护空间布局。