基于RS和GIS的祁连山地区生态保护红线划定方法研究

赵晓冏，苏军德

(1.中国科学院大学，北京 100049； 2.中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730000；4.甘肃省有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100)

生态保护红线是在生态空间范围内具有特殊重要生态功能、必须强制性严格保护的区域，是保障和维护国家生态安全的底线和生命线，通常包括具有重要水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙、海岸生态稳定等功能的生态功能重要区域，以及水土流失、土地沙化、石漠化、盐渍化等生态环境敏感脆弱区域[1]。划定并严守生态保护红线是贯彻落实主体功能区制度、实施生态空间用途管制的重要举措，是提高生态产品供给能力和生态服务系统功能，构建国家生态安全格局的有效手段，是健全生态文明制度体系、推动绿色发展的有力保障。

“生态保护红线”这一概念是由国内学者提出的，他们分别在区域[2-4]、流域[5]、省域[6-8]、市域[9-12]、县域[13-16]等尺度上开展了探索性的研究，取得了一些成果。但是多数研究中的生态保护红线范围没有涵盖各级各类保护地，没有涵盖部分重要生态功能区和生态环境敏感区域，不符合“应划尽划、应保尽保”的原则，同时还存在未充分考虑已有保护地内的历史遗留问题而将城镇空间或已丧失生态功能的区域划入生态保护红线的现象，造成了划定后管理上的困难。为使生态保护红线政策更好地落地，要充分衔接地方各级各类规划，并经过相关专家学者的充分论证，确保划定的科学性。

祁连山地处青藏高原、内蒙古高原和黄土高原的交会处，位于石羊河、黑河、疏勒河三大内陆河流域源头，是青海、甘肃两省的天然分界线。祁连山分布有丰富的冰川、雪山、森林、草地和湿地资源，是我国高原生态安全屏障的重要组成部分，保障着全国特别是西北地区的生态安全，在维护整个河西陆地生态系统平衡及保障河西地区经济社会和谐发展中起着决定性的作用。近年来，受自然因素和人为因素的影响，祁连山地区冰川、雪线有所退缩，局部地区天然林草植被出现退化，水源涵养功能下降，土地荒漠化呈扩大趋势，生物多样性受到威胁。本研究以祁连山地区为研究对象，采用RS和GIS技术，开展研究区水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙四类生态系统服务功能重要性评价和水土流失、土地沙化两类生态环境敏感性评价，定量分析祁连山地区生态系统服务功能重要性和生态环境敏感性的空间分布特征，在此基础上经过划定范围校验，衔接全国第二次土地调查及变更数据、各类发展规划，将生态功能极重要区、生态环境极敏感区及各类保护地划入生态保护红线，研究结果有利于构建区域生态安全格局、健全生态文明制度体系、推动绿色发展。

1 研究区概况

祁连山位于青藏高原东北缘，地跨青海、甘肃两省，介于东经94°10′～103°04′、北纬35°50′～39°19′之间，东西长约1 000 km，南北宽约300 km。在地理位置上，北以河西走廊为界，西与阿尔金山相连，南以柴达木盆地、茶卡盆地为界，东南以黄河、东以拉脊山东段为界。本研究确定的甘肃祁连山生态保护红线划定研究范围涉及酒泉、张掖、金昌、武威和兰州5市的阿克塞、肃北(不含北部区块)、肃南(不含北部区块)、民乐、甘州、山丹、永昌、凉州、天祝、古浪、永登11县(区)和中农发山丹马场，所属区域行政区划国土面积11.07万km2。祁连山地区野生动物资源较为丰富，已查明分布、栖息有野生脊椎动物28目63科288种，其中鱼纲1目2科6种、爬行纲2目3科5种、两栖纲1目2科2种、鸟纲17目39科206种、哺乳纲7目17科69种。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源与处理

(1)土地利用数据。本研究所用到的土地利用数据是2016年Landsat 8影像解译数据，同时参考国土资源部门提供的第二次全国土地调查及变更数据。

(2)气象数据。气象数据由当地气象部门提供，时间尺度为2000—2016年，包括研究区各气象站点的编号、经纬度和海拔，以及降水量、气温、风速等，并通过ArcGIS的Kriging空间插值方法处理得到所需的气象栅格参数。

(3)高程数据。高程数据(DEM)来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率为30 m，用以提取地形因子。

(4)植被数据。植被NPP数据来源于全国生态环境现状调查数据库，空间分辨率为250 m。2002—2016年NDVI数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。在ENVI 5.2软件中将16 d NDVI数据采用最大合成法合成为月NDVI数据，再将月NDVI数据合成为年最大NDVI数据。

(5)土壤数据。土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所的中国1∶100万土壤数据库，属性数据包括土壤表层黏粒、粉粒、有机质含量等。

(6)统计数据。各级各类保护地数据由相关主管部门提供。其他社会经济统计数据来源于2016年研究区各县(区)统计年鉴。

所用数据均转换成统一的2000国家大地坐标系，评价栅格单元统一为250 m×250 m。

2.2 研究方法

依据《生态保护红线划定技术指南》(环办生态〔2017〕48号)[1]，按照定性与定量相结合的原则，识别祁连山地区的重点类型和重要区域，通过科学评估，合理划定生态保护红线。

2.2.1 生态功能重要区和生态环境敏感区评估

本研究的生态功能重要区和生态环境敏感区评估属于定量评估，具体是根据祁连山地区生态环境特征、主导生态系统服务功能定位和主要生态问题，确定生态功能和生态环境敏感性类型，并结合数据条件，选取适宜的评估方法，开展生态功能重要性评估和生态环境敏感性评估，具体评估方法如下：

(1)生态功能重要区的确定。通过对生态系统服务功能进行重要性评价，将其中生态服务功能最重要的区域划分为生态保护红线区。具体包括水源涵养区、水土保持区、防风固沙区、生物多样性维护区，分别根据相应的模型方法[1,17-21]评估其重要性。

将计算得到的各类服务功能栅格图，在ArcGIS软件中运用栅格计算器，输入公式“Int(某一功能的栅格数据/某一功能栅格数据的最大值×100)”，得到归一化后的生态系统服务值栅格图。导出栅格数据属性表，属性表记录了每一个栅格像元的生态系统服务值，将服务值按从高到低的顺序排列，计算累加服务值。将累加服务值占生态系统服务总值比例的50%与80%所对应的栅格值，作为生态系统服务功能评估分级的分界点，利用ArcGIS软件的重分类工具，将生态系统服务功能重要性分为三级，即极重要、重要和一般重要。

(2)生态敏感区的确定。通过对生态系统敏感性的评价结果进行分级，将其中极敏感区划定为生态红线区。祁连山地区生态敏感区主要是土地沙化、水土流失敏感区，分别根据相应的评价模型[1,22]评估其敏感性。利用ArcGIS的重分类模块，结合专家知识，将生态环境敏感性评估结果分为三级，即一般敏感、敏感和极敏感。

2.2.2 校验划定范围

根据生态功能重要区和生态环境敏感区评估结果，通过GIS空间分析技术，将评估得到的生态功能极重要区和生态环境极敏感区进行叠加合并，并与祁连山地区的已有保护地(认为已有保护地均为生态功能重要区或敏感区)进行校验，采用空间叠加法构建祁连山地区生态保护红线划定范围的校验方法模型，则祁连山地区生态保护红线校验范围为

D=A∪B∪C

其中：A为祁连山地区生态功能极重要区；B为祁连山地区生态环境极敏感区；C为各类保护地。

各类保护地是指依法设立的各类(级)自然资源保护区域，以及其他禁止进行工业化城镇化开发、需要特殊保护的区域。祁连山地区各类保护地包括国家公园、自然保护区、风景名胜区、湿地公园、地质公园、森林公园、一级国家公益林、沙化土地封禁保护区及重要水源保护地等。通过校验方法模型将没有纳入保护地管理的重要生态功能区和生态环境敏感区一并划入生态保护红线范围。

2.2.3 生态保护红线边界确定

以最新的高分遥感影像和全国第二次土地调查及变更数据为底图，利用ArcGIS 软件将生态功能极重要、生态环境极敏感区进行图斑聚合处理，将相近图斑聚合为相对完整连片的大块图斑，然后扣除面积小于1 km2的独立细小图斑，最后利用研究区全国第二次土地调查及变更数据，剔除建设用地和集中连片农田，将面积较小的村庄、农田等地块予以保留，具体技术流程详见文献[16]。同时，将生态保护红线划定与祁连山地区各类规划、区划空间边界及土地利用现状相衔接，综合分析开发建设与生态保护的关系，结合经济社会发展实际，合理确定开发与保护边界，提高生态保护红线划定的合理性和可行性。在红线划定过程中，尊重历史和现实，将无相应生态功能的区域调整出生态保护红线区，最后形成边界清晰、生态系统相对完整和易于管理的生态保护红线范围。

3 结果与分析

3.1 生态功能重要性分析

通过对祁连山地区水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性维护功能进行重要性评价，将极重要区进行空间叠加，得到祁连山地区生态功能极重要区面积约为6 449.35 km2，占祁连山地区国土面积的5.83%，主要分布在阿克塞县当金山以西，肃南县中东部，民乐县、山丹县中南部，山丹马场，天祝县，以及永登县西北部。

其中，祁连山地区水源涵养功能极重要区面积约为4 319.63 km2，占祁连山地区国土面积的3.90%，主要分布在肃南县中东部的杨哥、大都麻、大泉沟、马营、铧尖等乡镇，民乐县南部的南丰、顺化等乡镇，山丹县南部的大马营镇、山丹马场，以及天祝县境内的毛藏寺、抓喜秀龙、炭山岭等乡镇。这些地区多位于祁连山国家级自然保护区的缓冲区和核心区内，多分布有雪山、冰川，需要进行严格保护。祁连山地区生物多样性维护功能极重要区面积约为5 637.44 km2，占祁连山地区国土面积的5.09%，主要分布在肃南县中东部的马蹄、大都麻、东城子、马营、东滩、铧尖等乡镇，民乐县中南部的三堡、民联、顺化、永固、南丰等乡镇，山丹县中南部的霍城镇、大马营镇、山丹马场，天祝县的旦马、祁连、毛藏寺、抓喜秀龙、天堂等乡镇，以及永登县西北部的赛拉隆、东坪等乡镇。这些区域多位于祁连山国家级自然保护区的缓冲区和实验区内，天然植被丰富、种类多样，对于维护区域生物多样性至关重要。祁连山地区防风固沙功能极重要区面积约为2 184.88 km2，占祁连山地区国土面积的1.97%，主要分布在阿克塞县境内的当金山一带、苏干湖一带。这些区域多为荒漠戈壁，地表植被稀疏，受人类活动干扰较小，对防止区域土地沙漠化起着重要作用。祁连山地区水土保持功能极重要区面积约为490.44 km2，占祁连山地区国土面积的0.44%，主要分布在古浪县西南部的古丰、十八里堡等乡镇，天祝县东部的西大滩镇，山丹县中部的大马营等乡镇，以及阿克塞县境内的当金山一带。这些区域大多植被稀疏、沟壑纵横，需要严格保护，免受人类活动干扰。

3.2 生态敏感性分析

通过对祁连山地区土地沙化、水土流失敏感性进行评价，将极敏感区进行空间叠加，得到祁连山地区生态极敏感区面积约为3 824.98 km2，占祁连山地区国土面积的3.46%，主要分布在肃南县西部、永登县南部、古浪县南部，以及阿克塞县境内的阿尔金山一带。

其中，祁连山地区水土流失极敏感区面积约为2 214.13 km2，占祁连山地区国土面积的2.00%，主要分布在祁连山地区肃南县中西部的祁青、红湾寺等乡镇，以及天祝县西部的旦马、祁连等乡镇。这些区域受人类活动扰动，极易引起水土流失，需要加强保护。祁连山地区土地沙化极敏感区面积约为1 613.25 km2，占祁连山地区国土面积的1.46%，主要分布在肃南县西部的祁青镇、甘州区北部的平山湖、肃北县北部的党城湾镇，以及阿克塞县境内。这些区域地表植被稀疏，地表受到扰动后，极易引起土地沙化，需严格保护。

3.3 生态保护红线划定结果

将生态功能极重要区、生态极敏感区、各类保护地叠加，扣除相互重叠区域面积，通过与2016年度全国第二次土地调查与变更数据衔接校验，先将国家公园核心区、生态修复区和自然保护区核心区外的永久基本农田全部调出红线区，再将国家公园核心区、生态修复区和自然保护区核心区、缓冲区外的现有建制镇和连片分布的村庄、耕地、园地全部调出红线区，之后经过咨询相关专家学者，将甘肃祁连山国家级自然保护区、甘肃盐池湾国家级自然保护区未划入祁连山国家公园实验区的部分区域调出红线区，最终确定祁连山地区生态保护红线区总面积为44 401.38 km2，占祁连山地区国土总面积的40.11%。生态服务功能极重要区面积5 304.35 km2，占祁连山地区国土总面积的4.79%；生态环境极敏感区面积4 305.83 km2，占祁连山地区国土面积的3.89%；各类保护地面积42 536.52 km2(不含重叠部分的面积为41 189.03 km2)，占祁连山地区红线面积的95.80%。生态保护红线主要围绕祁连山自然保护区分布(详见图1)，具体包括祁连山国家公园、祁连山和盐池湾国家级自然保护区、湿地及湿地公园、地质公园、饮用水源保护区、水源涵养区、防风固沙区、水土流失敏感区。生态保护红线类型以水源涵养为主，分属祁连山北麓中东部山地针叶林水源涵养红线和阿尔金山-西祁连山地水源涵养-防风固沙红线。

图1 祁连山地区生态保护红线分布

3.4 红线内土地利用状况分析

对祁连山地区生态保护红线范围内2016年土地利用/覆盖类型进行分析发现：其他草地面积占比最高，为27.73%；其次为天然牧草地，占比为26.40%；之后是裸地，占比为22.36%；还有灌木林地和有林地，占比分别为7.79%、5.16%。其中，林地主要分布在肃南县、民乐县南部、天祝县，草地主要分布在肃南县、肃北县、天祝县和民乐县，裸地主要分布在阿克塞县和肃北县北部区域，这几类用地合计占红线区总面积的89.44%。

4 讨 论

本研究最初是将已有的各类保护地全部划入了生态保护红线范围内，但是在实地核查并征求地方政府与相关领域专家学者意见后发现，祁连山国家级自然保护区和盐池湾国家级自然保护区的部分实验区在自然保护区划定之初由于技术手段等不完备、保护条件落后，误将部分城镇居民点、不具备或已丧失生态功能的区域等划入了保护区内，因此在此次红线划定过程中，将这些区域全部调出了红线范围，实现了重要生态空间协调保护和历史遗留问题的统一。

本研究中采用的数据是基于中低分辨率的遥感数据，空间分辨率统一为250 m，导致生态功能重要性和敏感性评估结果精度受到影响；同时斑块聚合、独立细小斑块扣除等操作也会误将城镇居民点、建设用地等划入红线范围，造成城镇空间和生态空间的相互交织，不利于重要生态空间保护。此外，划定结果还需要在红线勘界定标过程中对边界进一步优化调整，以提高划定结果的可操作性。

5 结 论

(1)通过生态功能评价得知，祁连山地区生态功能极重要区面积约为6 449.35 km2，占祁连山地区国土面积的5.83%，主要分布在阿克塞当金山以西，肃南县中东部，民乐县、山丹县中南部，山丹马场，天祝县，以及永登县西北部；祁连山地区生态极敏感区面积约为3 824.98 km2，占祁连山地区国土面积的3.46%，主要分布在肃南县西部、永登县南部、古浪县南部，以及阿克塞县境内的阿尔金山一带。

(2)利用RS和GIS技术划定的祁连山地区生态保护红线区域面积为44 401.38 km2，占祁连山地区国土总面积的40.11%。生态保护红线区呈东南—西北连片状分布，涵盖了祁连山地区生态功能极重要区、生态环境极敏感区，以及各级各类保护地。生态保护红线类型以水源涵养为主，分属祁连山北麓中东部山地针叶林水源涵养红线和阿尔金山-西祁连山地水源涵养-防风固沙红线。

(3)生态保护红线范围内的草地、林地面积分别占到研究区总面积的54.13%、12.95%，主要分布在肃南县、民乐县、天祝县、肃北县境内1 900 m海拔以上的区域。