天山北坡经济带关键性生态空间评价

田 浩,刘 琳,张正勇,赵贵宁,宁 珊,康紫薇,王统霞

石河子大学理学院, 石河子 832000

随着工业化和城镇化快速推进,我国资源环境整体形势日趋严峻,保障国家与区域生态安全和社会经济协调发展的空间格局尚未形成[1]。因此当前在区域发展和规划中,要求强化主体功能定位,优化国土空间开发格局,践行“绿水青山就是金山银山”的科学理念。关键性生态空间(Critical Ecological Space,以下简称CES)是生态空间中对维系区域生态安全格局、保障社会经济可持续发展具有支撑作用的基础性关键区域,其辨识和评价能够对国土空间布局和生态格局优化等具有理论和实践指导性,为生态文明建设的“顶层设计”提供思路。

自Gause[2]首次提出“生态空间”这一概念后, Ian、McHarg将其内涵由自然条件及生物行为的空间范围扩展至人类生态系统,肖笃宁等又将维持景观异质性、景观动态以及土地安全等功能纳入其内涵[3-5]。在此基础上先后出现了与CES相近的概念,如重点生态空间[6]、重要/点生态服务功能区[7-8]、生态保护红线[9]等。这些概念或是局限于生态坏境服务功能辨识,而忽略了特定时空尺度下生态系统稳定性与敏感性之间密不可分的关系[10-16];或是通过严格设定重要性与敏感性的管理边界值而划定的强制性基线、底线和上线[9],缺乏层次性和渐进性,其指标体系对于我国地域特征迥异的各类自然区划也缺乏普适性和可操作性。通过比较发现,在生态空间中存在着更加基础、具有支撑区域生态安全的警示性空间,即CES,它既要求体现基础生态服务功能对生态系统的支撑作用,也要求体现敏感性对生态稳定性的保障性作用,从而突出其“关键性”的地位。因此,本文将“关键性生态空间”定义为：生态空间范围内,对实现生态系统服务功能、维持生态敏感性因子稳定具有支撑和保障作用,维系生态安全格局、保障社会经济可持续发展的基础性空间。

西北干旱半干旱区约占全国土地面积的30%,但生态空间及关键性生态空间研究尚少见。天山北坡经济带地处西北内陆,具有典型的干旱区生态环境、气候与地形特征,同时也是新疆城镇分布最密集、经济最发达的地区,资源约束趋势,生态安全问题突出。本文以天山北坡经济带为研究区,结合西部寒区旱区特征和环境风险,通过水源涵养、水土保持和生物多样性保护重要性因子及水土流失、土地沙化、土地盐渍化和土壤冻融敏感性因子构建重要性、敏感性评价指标以支撑CES的评价,并结合城建、耕地用地规模分析土地利用生态安全冲突问题。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

天山北坡经济带位于东经84°46′—88°58′,北纬42°45′—46°8′之间,地处准噶尔盆地南部,北邻古尔班通古特沙漠,南至天山山区(图1)。自北向南依次为沙漠→荒漠→绿洲区→山区。气候类型为典型的温带大陆性气候,气温年较差、日较差大。该区域生态环境脆弱,自然植被以草地、灌木为主,林地主要以南部山区的常绿针叶林为主。土壤类型主要以灌淤土、棕钙土、灰漠土、盐土和风沙土为主,中高山区广布冰川和冻土。在气候变化和人类活动双重影响下,绿洲边缘盐漠化严重,冰川退缩显著,脆弱敏感的生态环境制约着社会经济的可持续发展。

图1 研究区土地利用/土地覆被类型及位置示意图

1.2 数据来源

本研究采用的数据包括多源遥感数据(NDVI、NPP、影像数据等)、气象和水文数据、土壤数据和DEM数据(表1)。为提高土地利用数据解译精度,采用Landsat 8 OLI 2-7波段融合8波段得到15m分辨率多光谱影像,借助eCognition 9.0,将研究区土地利用/覆被类型分为15类(图1)。为提高气象数据的空间插值精度,在研究区内已有的9个气象站点基础上又增加了周边7个站点(图1)并进行IDW插值。DEM数据用于提取坡度、坡向及地形起伏度。

表1 数据说明及来源

1.3 研究方法

1.3.1关键性生态空间辨识评价体系的构建

研究区由于其深居内陆的地理区位、典型温带大陆性干旱气候、山盆地貌格局、河流众多、冰川冻土广泛发育,垂直和水平地带性植被分布、特殊的生物区系和生态过程等诸多自然特征,成为温带干旱区山地-农田-荒漠景观生态格局的典型代表。因此由CES定义出发,充分考虑区域特征和环境风险,将其评价体系构造为生态服务功能重要性和生态敏感性两个二级指标(图2),前者主要考虑水源涵养、水土保持及生物多样性保护功能;鉴于南部高寒区广泛分布的冻土,敏感性评价除选取干旱区普遍适用的水土流失、土地沙化和盐渍化因子外,新引入了土壤冻融敏感性因子,可为广大干旱、半干旱区域不同地形地貌条件下生态环境的CES评价提供普适性指标体系。

图2 关键性生态空间(CES)辨识评价体系

1.3.2生态系统服务功能重要性评价方法

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[6-8，17]。结合地形、土壤、气候、植被等因子进行定量评价的方法如下：

(1)水源涵养功能重要性评价[9]

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(1)

式中,WR为水源涵养功能指数,NPPmean为多年生态系统净初级生产力平均值(g/cm),Fsic为土壤渗流因子,Fpre为多年平均降水量(mm),Fslo为坡度(°)。

(2)水土保持功能重要性评价[9]

Spro=NPPmean×(1-k)×(1-Fslo)

(2)

k=(-0.01383+0.51575KEPIC)×0.1317

(3)

(4)

式中,Spro为水土保持功能指数,k为土壤可蚀性因子,KEPIC为修正前的土壤可蚀性因子,mc、msilt、ms、orgC为粘粒、粉粒、砂粒、有机碳百分比含量(%)。

(3)生物多样性保护功能重要性评价[9]

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×Falt

(5)

式中,Sbio为生物多样性保护功能指数,Ftem为平均气温(℃),Falt为海拔(m)。

(4)生态系统服务功能重要性评价分级[9]

Int[Ai/Amax]

(6)

式中,Ai为第i个栅格值,Amax为栅格最大值。

将以上结果统一处理为250m×250m栅格数据,并运用(6)式进行归一化处理,得到生态系统服务功能值,将累加值占总值比例的15%、30%、60%、95%对应的栅格值作为分类界线,将生态系统服务功能重要性分为5级(表2)。

表2 生态系统服务功能重要性评价分级

1.3.3生态系统敏感性评价方法

生态系统敏感性是指生态系统对人类活动反应的敏感程度,用来反映产生生态失衡与生态环境问题的可能性大小[10-16]。客观选取符合本区自然环境特征及生态风险的敏感因子进行定量评价。

(1)水土流失敏感性评价[9]

(7)

(8)

式中,SSi为水土流失敏感性指数,Ri为由(8)式计算的降雨侵蚀力,Pi为月降雨量(mm),Ki为土壤质地因子,LSi为地形起伏度(m),Ci为植被覆盖度。

Ki通过将不同质地的土壤根据抗侵蚀能力排序并分类赋值,如表3所示：

表3 水土流失敏感性评价指标体系

(2)土地沙化敏感性评价[9]

(9)

(10)

式中,Di为土地沙化敏感性指数,Wi为起沙天数(d),Ii为干燥度指数。

Ki通过不同土壤质地因子具备的抗风蚀能力进行分级赋值得到,如表4所示：

表4 土地沙化敏感性评价指标体系

(3)土地盐渍化敏感性评价[9]

(11)

式中,Si为土地盐渍化敏感性指数,Ii为地区蒸发量/降雨量,Mi为地下水矿化度(g/L),Di为地下水埋深(m)。

评价因子的权重如表5所示：

表5 土地盐渍化敏感性评价指标体系

(4)土壤冻融敏感性评价[18]

(12)

式中,F为土壤冻融敏感性指数,Wi为各单因子指数的权重,Ii为单因子标准化的值,n为评价因子的数量。

土壤冻融敏感性F越大,土壤冻融敏感性越强[18-19]。本文选取气温年较差、坡度、坡向、植被覆盖度、年降水量、高程6个因子。其中温度是影响冻融侵蚀的首要因子,低温环境下壤中温度周期性的变化才有可能形成冻融作用,温差越大冻融作用越明显,冻融侵蚀越强。坡度、坡向和高程也是重要的地形因素,坡度影响着冻融侵蚀的方向、距离和侵蚀量,坡向决定了冻土接受太阳辐射总量和强度。植被覆盖对冻融侵蚀作用有着明显的削弱作用,植被根系一方面能够稳固土壤结构,另一方面能够吸收多余水分使得土壤含水量无法存在长时间饱和状态从而缓解冻融作用。降雨量直接影响土壤含水量,进而影响冻融过程,降水量增大时,壤间水分增多,遇低温冻结时体积膨胀更大,侵蚀强度也随之增大。将以上6个因子使用AHP层次分析法确定权重,如表6所示。

表6 土壤冻融敏感性评价指标体系

将新引入的冻融敏感性的计算结果进行分级赋值：0—0.13赋值为1;0.13—0.25赋值为3;0.25—0.4赋值为5;0.4—0.55赋值为7;大于0.55赋值为9。

(5)生态系统敏感性评价分级

综合以上敏感性指标,将生态系统敏感性评价分为5级。具体分级见表7：

表7 生态系统服务功能重要性评价分级

1.3.4关键性生态空间辨识方法

根据各单因子评价模型计算出的单因子生态系统服务功能重要性和生态系统敏感性仅能反映出某一方面对于研究区生态空间的作用。若要根据以上7个因子综合辨识研究区的CES范围,就需要对每个重要性、敏感性因子进行赋值,并通过叠加分析,计算生态空间综合指数EL,进而为辨识该区的CES作基础。公式如下：

EL=Max(WR,Spro,Sbio,SSi,Di,F,Si)[9]

(13)

2 结果分析

2.1 生态系统服务功能重要性评价

研究区生态系统服务功能重要性评级以次要区域为主,面积占比67%,均分布在植被稀疏的南部高山区及北部荒漠/沙漠区;而较重要、重要和极重要区域共占20.9%,主要集中在南部山前草原及中部农垦区,可见生态系统服务功能与植被分布关系紧密。从重要与极重要区域面积占比来看(图3,图4),该区生态系统服务功能整体较弱,主要体现在水源涵养功能和生物多样性保护功能两方面,为主导因子,而水土保持功能相对较弱。

图3 天山北坡经济带生态系统服务功能重要性评价

图4 天山北坡经济带生态系统功能重要性评价

全区水源涵养与生物多样性保护功能的各等级空间分布范围较为接近,与NPPmean显著正相关。南部山前草原及中部农垦区良好的植被能够截留、吸收和蓄渗水源,对促进区域水分的良性循环有重要作用,良好生境也丰富了动植物资源种类和数量,因此水源涵养功能评级为重要以上的区域主要集中在此,面积占比12.9%,对于保护本区水资源安全有重要作用。同时,重要等级以上的生物多样性保护功能区域占比13.2%,基本涵盖了研究区各类自然保护区,如天池森林自然保护区、玛纳斯河流域湿地自然保护区等,是保护生物多样性的核心区域。

水土保持功能的次要等级区域占比达81.4%,说明研究区水土保持功能较弱。较重要和重要等级区域仅占7.2%,主要以“东南→西北”走向的条带状分布在山区及河流流域所属的中下游平原农垦区。该地区地形平坦,Fslo较低;土壤质地多为壤土、砂质粘土和壤质砂土等,其mc、msilt较高,因此该地区土壤保水能力强且不易流失。同时,NPPmean与植被分布密度联系密切,良好的植被覆盖可减少地表径流流失、稳固土壤。可见水土保持功能受本区地形、河流分布及植被覆盖影响显著。

2.2 生态系统敏感性评价

研究区不同地貌区敏感性类型不同,山区以水土流失和土壤冻融侵蚀为主,而土地沙化多发于北部荒漠戈壁区,土地盐渍化敏感性较高的区域则主要分布在绿洲灌区和山前过渡带(图5、图6)。全区中度敏感性区域面积占比55%,主要分布于绿洲垦区和绿洲山前过渡区。敏感和极敏感区面积占比37.7%,分布于高山区、荒漠戈壁区和低山与绿洲过渡区。全区生态敏感性主要体现为土地沙化和盐渍化,其次是水土流失,而土壤冻融区域小,对于全区的敏感性影响最低。

图5 天山北坡经济带生态系统敏感性评价结果

图6 天山北坡经济带生态系统敏感性评价

研究区南部山区土层较薄,LSi与Ri较高,因此南部山区水土流失敏感性高,其中中度敏感以上区域面积占比18%。而北部为山前盆地,又发育着面积广阔的绿洲,河流经过农业灌溉的多级分流,径流量大幅减少,因而绿洲区及荒漠戈壁区发生水土流失的情况较少,敏感性等级以轻度为主,占75.3%。

土地沙化的中度敏感性及以上区域主要分布在西北部戈壁滩、沙漠-绿洲过渡区,多有典型的风蚀雅丹地貌。敏感以上等级的区域面积占比24%,主要原因在于该区地势开阔平坦,常见5级以上大风,Ii多高于13,Wi多高于15,土壤质地多为壤质沙土、粉砂、粉砂壤土等,抗风蚀能力弱,植被稀疏、地表裸露,故沙化敏感性较高。

土地盐渍化是干旱、半干旱地区普遍的环境地质问题,其造成的土地退化是绿洲发展的重要威胁。研究区盐渍化敏感性等级在空间上呈现高山低—绿洲高—荒漠戈壁低的格局,且中度盐渍化敏感等级以上的区域面积占比高达67.7%。敏感等级较高的区域,其Mi与Di的敏感度均较高,即地下水埋深较浅,地下水矿化度较高。高山区与荒漠区虽然矿化度高,但该地区地下水一般埋藏较深,敏感性相对较低。

土壤冻融是高寒区常见的地质灾害,其引起的冻胀和融沉会对耕地、草场以及公路等工程构筑物造成严重危害[20]。土壤冻融敏感性是考虑到研究区具备高海拔山区这一自然环境特征而新引入的评价因子。本区敏感和极敏感区域面积占比不足5%,主要分布在南部天山高山区的2700m以上的冻土地带。该区域虽然降水较少,但是低温使得表面蒸发速率变低,土壤在长期低温环境下使得其中的水分能够处于饱和状态,水分凝结从而形成冻土。而集中在中低山区分布的轻中度敏感区域,主要是地形降水造成高含水率土壤在低温环境下所形成的季节性冻土。

2.3 天山北坡经济带关键性生态空间范围辨识

为综合体现生态系统服务功能重要性和生态系统敏感性评价对生态风险的警示作用,将综合评价等级进行归并,完成CES的分类和范围划定(表8、图7),对区域综合可持续发展提供科学依据。

图7 天山北坡经济带CES辨识结果

表8 天山北坡经济带CES辨识结果

底线型生态空间是维持现有生态系统功能最基本、不可突破的最低限度或临界区域,一旦破坏会导致生态系统功能不可恢复的极严重后果。它在生态环境中发挥着极为重要的生态服务功能,同时也是区域生态系统中极为敏感脆弱的部分。这类空间主要分布于南部山区,发源于天山冰川的河流是中下游绿洲平原的生命线,而山区本身的动植物以及冰川等资源同样具备不可替代的生态服务功能。危机型生态空间是其本身较为敏感或具备重要生态服务功能的空间,若受到过多的人为干预,则容易导致生态系统功能的失调。因此将危机型和底线型生态空间均划为本区的关键性生态空间,总面积为45318km2,占比52.8%。相比较底线型生态空间,危机型生态空间的空间上更邻近于人类活动区域且面积占比最大,以土地盐渍化和土地沙化敏感性以及生物多样性保护功能占主导因素,较为广泛地分布在古尔班通古特沙漠南缘以及主要河流上游和下游。宜开发型生态空间主要集中于东南部山前区,而缓冲型生态空间呈现出东多西少、南多北少,东南完整、西北较破碎的格局。相比危机型与底线型的空间,缓冲型生态空间环境承载力较好,在干旱区生态环境脆弱、宜开发型生态空间较少的情况下,可作为相对高效的土地利用空间。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1土地利用生态安全冲突分析

辨识CES的目的在于生态环境可持续发展下的适度开发,增进人类福祉[21,22]。研究区为新疆经济最发达的区域,需要进一步发展并作为增长极向外辐射,这一进程必然伴随土地利用的调整和转化。本研究的生态安全冲突主要体现为人类活动对关键性生态空间的占用、改造和利用,因此重点关注各人工地类。将2015年土地利用数据中的居住地、工业用地、采矿场、交通用地和各类城市绿地并入城建用地,旱地、水田、园地合并为耕地,分别与CES辨识结果进行叠加分析,分析人工地类对各级生态空间的占用情况(表9、图8)。

图8 土地利用(城建用地、耕地)生态安全冲突

表9 土地利用生态安全冲突区

城建用地有55%分布在宜开发—缓冲型生态空间上,且主要分布在缓冲型生态空间中,分布在宜开发型生态空间中的比例仅占4%。45%的城建用地占用关键性生态空间,主要分布在危机型生态空间中。空间上,阜康市、五家渠市、乌鲁木齐市南部、昌吉市、呼图壁县、玛纳斯县南部、石河子市、克拉玛依市的独山子区绝大部分地区位于宜开发—缓冲型生态空间。而乌鲁木齐市北部、沙湾县、奎屯市、乌苏市、克拉玛依市大部分城建区主要分布于危机型生态空间,少部分分布在底线型生态空间中。相对城建用地,耕地占用冲突性更加严重。约43.5%的耕地处于宜开发—缓冲型生态空间中,主要分布在玛纳斯河流域、奎屯河流域、塔西河流域和呼图壁河流域以及天山南麓等地区。而56.5%的耕地都分布在关键性生态空间中,其中沙湾县、乌苏市的大部分耕地都处于危机型、底线型生态空间中,很有可能对于周边的生态环境构成潜在威胁,进而加剧盐渍化、沙漠化的进程。

本文结果与部分以我国东部、南方地区为研究区的学者所得出的城建用地、耕地主要分布于宜开发型生态空间不同,本区有超过半数的城建用地和近半的耕地位于危机型和底线型生态空间,存在很大的生态安全冲突,从而极有可能带来不同程度的生态风险。这种风险的持续累积,使得环境因素对于今后区域可持续发展的制约作用更显著,同时也反映了绿洲生态系统目前及今后普遍面临的生态安全问题。因此,本文认为在加大植被保护的同时,积极推进土地盐渍化监测、防控和治理工程,并可结合研究干旱区绿洲城市发展的各项指标,分析区域及城镇发展空间规划与不同等级生态空间的衔接问题,探讨底线型的强制保护、严格管控,危机型退牧还草、生态恢复,缓冲型合理利用、适度开发的方法等,进而研究西北干旱区城市发展与CES开发的关系,开展更深入的综合研究,以寻求缓解甚至解决人工用地的生态安全冲突问题。

3.1.2CES适宜性分析

CES的辨识及评价大致可分为自然生态学流派和城市生态学流派,前者多以沙漠、湿地等生态脆弱或具备重要服务功能的自然区为研究对象,以保障生物栖息环境为目的,结合一种或几种生态服务功能来研究生态环境基本的稳定性和物种多样性来确定关键性空间范围[23-26];后者主要研究方向为城市空间格局的优化、景观网络规划、生态空间规模划定、生态安全规划等[27-32],多结合社会经济发展等综合指标体系,对城市规划和土地利用等方面进行评价分析。

相关标准或研究普遍选取了水源涵养、水土保持、生物多样性保护功能等进行生态系统重要性评价,敏感性评价则主要选取水土流失因子,而其他敏感性因子多针对区域特征而引入[9-16,27-32]。为了提升CES评价的可操作性和普适性,在明确CES内涵的基础上,其评价体系的构建应充分考虑区域自然环境特征和生态风险类型,尽量全面覆盖主要的环境服务功能和敏感因子,以提高评价模型的适宜性。如针对重要的湖泊、河流,可引入洪水调蓄功能重要性,多发滑坡和泥石流等灾害的山区则使用地质灾害敏感性因子;在物种繁多、气候湿润的南方地区,则可突出生物多样性保护功能;而在富含石灰岩且多雨的区域,可引入石漠化敏感性[9,27-33];在大型矿区则应考虑地面沉降、矿区生态恢复等问题。我国是世界第三冻土大国,多年冻土面积约215万km2,青藏高原、东北北部和中西部高山高原区广泛分布多年冻土和季节性冻土[34],因此这些地区需要考虑土地冻融因子,基于此,本文在评价体系中也引入了这一因子。此外在CES评价时注意模型的适用条件、因子权重赋值和阈值设定时考虑区域差异,并与社会经济发展水平相结合。如本研究中所需计算因子,其本身具备显著的地域差异性,如：我国西北地区的干燥度指数整体上要比东南地区高;东部季风区年降水量高于非季风区;而干旱区的地下水矿化度和地下水埋深则普遍高/深于湿润区等,以上众多因子的阈值均参考生态保护红线标准并进行了适当细化和调整,才得到具有等级差异和空间过渡的可信评价结果。

3.2 结论

本文依据西北干旱区特殊的地理环境特征,分别从生态系统服务功能重要性和生态系统敏感性两方面综合分析并辨识了天山北坡经济带关键性生态空间：

(1)研究区关键性生态空间由底线型与危机型生态空间构成,总面积为45318km2,占比52.8%。其中底线型生态空间面积为7845km2,占研究区总面积的9.1%;危机型生态空间面积为37473km2,占比43.7%。

(2)研究区生态系统服务功能的高低与植被紧密关联,服务功能重要性评级以次要区域为主,面积占比67%;较重要、重要和极重要区域共占20.9%。区域生态系统服务功能重要性整体较弱,主导因子为水源涵养和生物多样性保护功能。

(3)研究区不同地貌区敏感性类型不同,山区以水土流失和土地冻融侵蚀为主,而土地沙化多发于北部荒漠戈壁区,土地盐渍化则主要发生在绿洲灌区和山前过渡带。本区中度敏感区面积占比55%,敏感和极敏感区面积占比37.7%。全区生态敏感性以中度敏感为主,主要体现为土地沙化和盐渍化敏感性。

(4)研究区有45%的城建用地与56.5%的耕地占用关键性生态空间,存在着较为严重的土地利用生态安全冲突,从而极有可能给区域带来不同程度的生态风险,使得环境因素对于今后地区可持续发展的制约作用更显著。

本研究所需数据种类较多、精度各异且时间跨度大,收集难度较大。因此提高基础数据精度和丰度,能够更好的支撑生态系统服务功能重要性和敏感性因子的评价,提高CES辨识的准确度,进而扩充研究的深度和广度。