王 云,潘竟虎

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

在推進(jìn)現(xiàn)代化的過(guò)程中,生態(tài)安全問(wèn)題日益突出,已成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。黨的“十九大”將生態(tài)文明建設(shè)提升為“千年大計(jì)”,提出要“實(shí)施重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程,優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系,構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護(hù)網(wǎng)絡(luò),提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性”。廣義的生態(tài)安全強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的健康、完整性和可持續(xù)性是自身安全的關(guān)鍵[2]；狹義的生態(tài)安全則強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)向人類(lèi)提供完善的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2]。構(gòu)建生態(tài)安全格局是維持生態(tài)系統(tǒng)正常發(fā)揮服務(wù)功能、保障生態(tài)安全、調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境矛盾的有效措施。生態(tài)安全格局是通過(guò)排除干擾以及空間格局規(guī)劃和管理,保護(hù)重要生態(tài)功能區(qū),發(fā)揮區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境本底優(yōu)勢(shì),整合區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的健康、完整性以及生態(tài)過(guò)程穩(wěn)定性的空間格局[3]。生態(tài)安全格局由區(qū)域中的重要生態(tài)源地及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)溝通的生態(tài)廊道共同構(gòu)成[4],生態(tài)安全格局的構(gòu)建就是以保障生態(tài)系統(tǒng)功能及服務(wù)充分發(fā)揮為目的,通過(guò)將區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)、斑塊、廊道、網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵要素優(yōu)化配置,最大程度減少人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響的規(guī)劃設(shè)計(jì)活動(dòng)[5]。

國(guó)外對(duì)生態(tài)安全格局的研究始于20世紀(jì)90年代末,學(xué)者嘗試以景觀生態(tài)學(xué)視角研究生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程,提出了生態(tài)安全格局(ecological security pattern)的概念,如Yu[6]認(rèn)為生態(tài)安全格局是指對(duì)景觀內(nèi)生態(tài)過(guò)程有較好支撐作用的景觀特定構(gòu)型和有少數(shù)具有生態(tài)意義的景觀要素。國(guó)外的生態(tài)安全格局建設(shè)多以生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Ecological Network)或綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Green Infrastructure)的形式出現(xiàn),而在國(guó)內(nèi),城市增長(zhǎng)邊界與生態(tài)控制線(xiàn)是生態(tài)安全格局研究的熱點(diǎn)[7]。從研究?jī)?nèi)容上看,涉及景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建[5]、土地利用生態(tài)安全格局優(yōu)化[8]、城市生態(tài)安全格局規(guī)劃[9]、區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建[10]等；從研究尺度看,市域[11]、省域[12]、區(qū)域[13]、全國(guó)[14]等尺度都有涉及；從研究對(duì)象上看,生態(tài)敏感區(qū)域備受關(guān)注,如快速城市化區(qū)域[15]、干旱區(qū)[16]、濕地[17]、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)等[18]；從研究方法看,主要利用景觀格局指數(shù)、多準(zhǔn)則數(shù)量?jī)?yōu)化法、情景分析法等開(kāi)展研究。綜合來(lái)看,目前生態(tài)安全格局構(gòu)建研究廣泛采取了“選取生態(tài)源地-最小累計(jì)阻力模型建立阻力面-構(gòu)建生態(tài)安全格局”的方法框架,在選取源地時(shí),大多直接提取自然類(lèi)景區(qū)、大面積的水體和林地等重要生態(tài)用地作為源地,或者多指標(biāo)下對(duì)斑塊重要性分級(jí)疊加后進(jìn)行評(píng)估[19],較少有根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量識(shí)別源地的案例。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)向人類(lèi)提供惠益的方式,是生態(tài)安全的前提條件,除此之外,核算服務(wù)價(jià)值量還可用來(lái)衡量人類(lèi)福利,減少人類(lèi)因短期經(jīng)濟(jì)利益破壞生態(tài)系統(tǒng)的行為,從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全。國(guó)內(nèi)至今尚無(wú)統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估體系,大多數(shù)學(xué)者選擇謝高地[19]在Costanza[20]研究基礎(chǔ)上構(gòu)建的適用于中國(guó)的當(dāng)量因子法,該方法直接基于各土地利用類(lèi)型下的單位面積生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量因子進(jìn)行核算,雖簡(jiǎn)便易算,但實(shí)際上,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨著生態(tài)系統(tǒng)外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而變化,即具有“空間性”而不是“靜態(tài)式”[21]：各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量變化率存在差異,若把各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類(lèi)社會(huì)提供的福祉視為同樣重要,會(huì)導(dǎo)致價(jià)值損失較快的服務(wù)類(lèi)型得不到足夠的重視；各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也不是單獨(dú)發(fā)揮作用,而是相互交織在一起,受空間集聚性的影響[15]。因此,迫切需要構(gòu)建優(yōu)先指數(shù)反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失程度,利用GIS時(shí)空分析手段的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行空間制圖等方法對(duì)當(dāng)量因子法進(jìn)行調(diào)整。

地處黑河中游的甘州區(qū)是中國(guó)西北地區(qū)的重要生態(tài)屏障。隨著人口的增加和城市化進(jìn)程的加快,以祁連山生態(tài)破壞為代表的生態(tài)問(wèn)題日益受到關(guān)注。本文以甘州區(qū)為對(duì)象,采用當(dāng)量因子法估算其2000、2005、2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的靜態(tài)價(jià)值；以各生態(tài)服務(wù)類(lèi)型價(jià)值多年變化率構(gòu)建優(yōu)先指數(shù),以空間聚集程度構(gòu)建空間豐富度指數(shù),對(duì)2010年甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)。利用重構(gòu)后的結(jié)果進(jìn)行生態(tài)源地和生態(tài)廊道識(shí)別,構(gòu)建不同安全水平下的生態(tài)安全格局,為區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

張掖市甘州區(qū)地處甘肅省河西走廊腹地,位于38°32′—39°24′N(xiāo),100°6′—100°52′E之間(圖1)。其地北部以合黎山、龍首山為界與內(nèi)蒙古相隔,中部為由南向北傾斜的張掖盆地,南部與祁連山相倚,境內(nèi)黑河貫穿,形成張掖綠洲。屬溫帶大陸性氣候,全年平均日照時(shí)數(shù)2931—3085 h之間,無(wú)霜期138d,年平均降水量113—312 mm,蒸發(fā)量2047 mm,光照充足,主要耕作土壤為綠洲灌淤土,屬于典型的干旱內(nèi)陸河流域地區(qū)。全區(qū)總面積3686 km2,總?cè)丝?1.79萬(wàn)(2017年),是張掖市的經(jīng)濟(jì)、文化、政治中心。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的2000、2005、2010年社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《甘肅農(nóng)村年鑒》；水源地保護(hù)區(qū)分布圖(1∶25萬(wàn))和甘州區(qū)旅游景點(diǎn)重要性分布圖(1∶25萬(wàn))取自甘肅省張掖市人民政府門(mén)戶(hù)網(wǎng)站(http://www.zhangye.gov.cn/)；數(shù)字高程模型(分辨率為90 m)、土壤柵格圖(1∶100萬(wàn))獲取自土地覆被數(shù)據(jù)庫(kù)(http://glcf.umd.edu/date/srtm)和聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織網(wǎng)站(http://www.fao.org/)。2000、2005、2010年土地利用數(shù)據(jù)由當(dāng)年7—8月環(huán)境衛(wèi)星的CCD影像(空間分辨率為30 m)解譯而來(lái)。結(jié)合甘州區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際情況,根據(jù)土地的用途、利用方式和覆蓋特征等因素作為土地利用的分類(lèi)依據(jù),一級(jí)分為草地、耕地、林地、水域、沼澤、未利用地、建設(shè)用地7類(lèi),二級(jí)分為18 類(lèi)。研究中按二級(jí)地類(lèi)統(tǒng)計(jì),一級(jí)地類(lèi)匯總。遵循先宏觀后微觀、先整體后局部、先大類(lèi)后小類(lèi)、先易后難的解譯順序,采用多要素、分主次和逐步判別的人工解譯,實(shí)地驗(yàn)證綜合判讀精度在85%以上,Kappa系數(shù)0.72。其中,未利用地二級(jí)地類(lèi)包括裸巖石礫地、裸土、沙地3種類(lèi)型。由于建設(shè)用地對(duì)生態(tài)功能貢獻(xiàn)很小,將其提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值設(shè)為0,其余6類(lèi)土地利用類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值當(dāng)量”[20]中的草地、農(nóng)田、森林、水體、濕地以及荒漠6種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價(jià)值估算

千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(MA)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為11種服務(wù)功能,本文采用謝高地等[20]提出的適合中國(guó)實(shí)際的基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,該標(biāo)準(zhǔn)已被國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛采用,并在各種尺度、不同區(qū)域進(jìn)行了修正。由于甘州區(qū)擁有除海洋以外的幾乎所有地貌類(lèi)型,又是張掖市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈,故本文將所有9項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入測(cè)算,以求全面反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的各項(xiàng)價(jià)值。為與現(xiàn)行土地利用分類(lèi)銜接,并探討包含戈壁、沙地等備受爭(zhēng)議的未利用地類(lèi)型的生態(tài)功能,本文仍以各年份甘州區(qū)土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。最終,本文兼顧生態(tài)與社會(huì)成分,選取了氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護(hù)、廢物處理、生物多樣性維持、食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、休閑娛樂(lè)等9種重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),估算其靜態(tài)價(jià)值。

采用當(dāng)量因子法對(duì)2000、2005、2010年甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價(jià)值進(jìn)行估算,并初步分析各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率及影響變化率的原因。從《甘肅農(nóng)村年鑒》中獲取2000、2005、2010年糧食作物種植面積(hm2)及糧食作物總產(chǎn)值(元)數(shù)據(jù),得到各年份單位面積糧食作物的產(chǎn)值(元/hm2)。依據(jù)謝高地等[20]的研究,把1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子定義為當(dāng)年單位面積農(nóng)田糧食產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7,即單位農(nóng)田自然糧食經(jīng)濟(jì)價(jià)值,再根據(jù)“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”,得到研究區(qū)各年各土地利用類(lèi)型9項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值系數(shù)表。

為驗(yàn)證生態(tài)服務(wù)價(jià)值隨時(shí)間的變化對(duì)于生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù)的依賴(lài)程度,將各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)分別上調(diào)50%,計(jì)算出敏感指數(shù)(CS)。若CS>1,則生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)相對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(VC)是富有彈性的；若CS<1,ESV 則被認(rèn)為是缺乏彈性的,比值越大,表明生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值指數(shù)的準(zhǔn)確性越關(guān)鍵。計(jì)算公式為[22]：

(1)

式中,ESVi、ESVj為調(diào)整前后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；VCik、VCjk分別為第k類(lèi)土地利用類(lèi)型調(diào)整前后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。

由2000、2005、2010年甘州區(qū)土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各土地利用類(lèi)型面積,與研究區(qū)生態(tài)價(jià)值系數(shù)表對(duì)應(yīng),計(jì)算出單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,進(jìn)而得到甘州區(qū)各年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值。公式為：

ESV=∑Ak×VCk

(2)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價(jià)值(元)；Ak為第k類(lèi)土地利用類(lèi)型面積(hm2)；VCk為生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元 hm-2a-1)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動(dòng)態(tài)價(jià)值重構(gòu)

以上基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的估算方法僅僅是一種靜態(tài)的評(píng)估方法,忽略了生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的特征,不能很好地反映各生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型服務(wù)價(jià)值變化率、空間集聚程度等的差異。價(jià)值動(dòng)態(tài)重構(gòu)是考慮到生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性,用服務(wù)價(jià)值多年平均變化率來(lái)衡量各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)先順序,用各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)鍵表征指標(biāo)來(lái)量化其空間聚集程度,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價(jià)值進(jìn)行校正的一種方法。為對(duì)服務(wù)價(jià)值損失速度快的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型進(jìn)行針對(duì)性的保護(hù),同時(shí)考慮到空間集聚程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮的影響,本文以2010年為例,對(duì)甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價(jià)值估算結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)[15]。

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先指數(shù)構(gòu)建

生態(tài)系統(tǒng)功能的退化直接威脅著研究區(qū)生態(tài)安全和居民的健康,因此對(duì)退化速度較快的生態(tài)系統(tǒng)功能應(yīng)予以足夠的重視[16]。用每項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的多年平均變化率來(lái)表示對(duì)該項(xiàng)服務(wù)進(jìn)行針對(duì)性保護(hù)的迫切程度,服務(wù)價(jià)值損失越多的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型優(yōu)先級(jí)別越高。為保證進(jìn)行重構(gòu)時(shí)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量不變,對(duì)上文計(jì)算得到的多年平均變化率進(jìn)行平均值為1的轉(zhuǎn)換,將結(jié)果作為優(yōu)先指數(shù)對(duì)2010年甘州區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行校正。公式為[15]：

(3)

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間豐富度指數(shù)構(gòu)建

考慮到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度不同,為最大限度保留數(shù)據(jù)信息,本文將研究區(qū)等精度劃分為500 m×500 m的網(wǎng)格,以每一個(gè)網(wǎng)格為基本單位計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間豐富度。參考吳健生等的研究[23],將各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型關(guān)鍵指標(biāo)量化,具體見(jiàn)表1。

表1 甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)鍵性指標(biāo)及其量化方法

(1)水源涵養(yǎng)。水源保護(hù)區(qū)和飲用水水源地被直接認(rèn)為是水源涵養(yǎng)功能被利用的極重要區(qū)域。根據(jù)《張掖市人民政府關(guān)于加強(qiáng)甘州區(qū)濱河集中式飲用水水源地保護(hù)的決定》公布的飲用水水源地保護(hù)區(qū)坐標(biāo)點(diǎn),在ArcGIS中劃出飲用水源保護(hù)區(qū)范圍。將水源地保護(hù)區(qū)、飲用保護(hù)區(qū)范圍賦值為1,其余地區(qū)賦值為0,制成等精度柵格圖。

(2)廢物處理。地表徑流能夠調(diào)節(jié)水質(zhì)、凈化污染。用ArcGIS中水文分析工具對(duì)精度為90 m的數(shù)字高程模型進(jìn)行處理。

(3)氣體調(diào)節(jié)與氣候調(diào)節(jié)。這兩項(xiàng)服務(wù)主要依賴(lài)碳固定過(guò)程,因此都以綜合碳儲(chǔ)量作為關(guān)鍵指標(biāo)。參考韓晉榕[24]整理的我國(guó)碳密度相關(guān)參數(shù),用InVEST模型的Carbon功能進(jìn)行計(jì)算。

(4)土壤形成與保護(hù)。本文采用修正后的土壤侵蝕方程RUSLE,裸地土壤侵蝕因子(RKLS)與有管理措施和植被覆蓋的土壤侵蝕量(USLE)的差,即為土壤保持力(RUSLE)。USLE=R×K×L×S×C×P,RKLS=R×K×L×S。R為降雨侵蝕力因子,由于研究區(qū)面積較小,降雨量差異不大,因此R取常數(shù)1；K為土壤可侵蝕因子；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

(5)生物多樣性保護(hù)。生境質(zhì)量影響著生物多樣性,而生物多樣性的損失會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[25]。參考吳季秋[26]的研究,借助InVEST模型的HabitatQuality功能進(jìn)行計(jì)算。

(6)糧食生產(chǎn)。本文中以土壤肥力表征生態(tài)建設(shè)成本。土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,生態(tài)成本建設(shè)所需成本越小。從中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取甘州區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù),并等精度制成柵格數(shù)據(jù)。

(7)原材料。森林為人類(lèi)提供生產(chǎn)生活所需要的原材料[27]。將土地利用類(lèi)型為林地的區(qū)域賦值為1,其他區(qū)域賦值為0,制成等精度柵格圖。

(8)娛樂(lè)文化。獲取甘州區(qū)內(nèi)郊野森林公園、大型城市公園、重要公共服務(wù)中心、重要文化活動(dòng)中心坐標(biāo)點(diǎn),分別賦值為1、0.7、0.5、0.3[15],通過(guò)ArcGIS的IDW插值生成旅游景點(diǎn)重要性分布圖。

量化完成后對(duì)結(jié)果進(jìn)行0—1標(biāo)準(zhǔn)化處理,值越大則各項(xiàng)服務(wù)空間豐富度越高。公式為：

(4)

完成上述過(guò)程后,將各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量按照其優(yōu)先指數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并結(jié)合研究區(qū)總面積,得到校正后的單位面積價(jià)值量。再根據(jù)空間聚集度對(duì)平均單位面積價(jià)值量進(jìn)行空間豐富度指數(shù)調(diào)整,得到重構(gòu)后的單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布。將各個(gè)圖層疊加,得到動(dòng)態(tài)重構(gòu)后的甘州區(qū)2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值[15]。公式為：

(5)

式中,A為研究區(qū)面積；ESV為重構(gòu)后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；ESVi為第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)值。

2.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

生態(tài)安全格局對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康、控制生態(tài)過(guò)程起著關(guān)鍵性作用[16]。本文在對(duì)甘州區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值重構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用景觀生態(tài)的源匯理論,利用冷熱點(diǎn)分析工具識(shí)別高、中、低三個(gè)安全等級(jí)的生態(tài)源地,結(jié)合最小積累阻力(MCR)模型,計(jì)算出各安全等級(jí)源地對(duì)應(yīng)的生態(tài)廊道,源地與廊道結(jié)合共構(gòu)建出3種安全水平的生態(tài)安全格局。

2.3.1生態(tài)源地識(shí)別

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越大的地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能越強(qiáng),因此選取生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高的地區(qū)作為生態(tài)源地。借助ArcGIS-Spatial Statistics中Getis-Ord Gi*工具對(duì)甘州區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行冷熱點(diǎn)分析,分別提取置信度為 99%、95%、90%熱點(diǎn)的區(qū)域作為低、中、高3個(gè)安全水平等級(jí)的生態(tài)源地備選區(qū)[15]。由于生態(tài)源地需要具備一定規(guī)模才能發(fā)揮作用[25],根據(jù)甘州區(qū)實(shí)際情況,將備選區(qū)剔去面積小于0.3 km2的斑塊作為生態(tài)源地。

2.3.2生態(tài)廊道識(shí)別

生態(tài)廊道是生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)、物種遷移等的通道,可增強(qiáng)“源”間的聯(lián)系和防護(hù)功能。以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的倒數(shù)建立阻力面,價(jià)值越大,阻力越小。通過(guò)ArcGIS中cost distance功能獲得不同安全等級(jí)源地對(duì)應(yīng)的積累消耗距離表面,再借助空間分析中Hydrology工具對(duì)其進(jìn)行填洼、流向、匯流累積量處理,反復(fù)確定閾值,獲得源地間生態(tài)功能流運(yùn)行的最小消耗路徑。對(duì)所得柵格數(shù)據(jù)矢量化,輸出一條平滑的曲線(xiàn),即為生態(tài)廊道的空間位置[27]。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價(jià)值估算結(jié)果及分析

3.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價(jià)值估算

甘州區(qū)2000年、2005年、2010年單位農(nóng)田自然糧食經(jīng)濟(jì)價(jià)值分別為454.87、869.62、1555.15元/hm2,以此得到適用于研究區(qū)的生態(tài)價(jià)值系數(shù)表(以2010年為例,表2)。系數(shù)表與各土地利用類(lèi)型面積相乘,得到各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(圖2)。

表2 2010年甘州區(qū)各土地利用類(lèi)型單位面積生態(tài)價(jià)值系數(shù)/(元/hm2)

Table 2 Ecosystem service value(ESV)coefficients per unit area of different land-use and land-cover change types in the Ganzhou District in 2010

土地利用類(lèi)型Land use type草地Grassland耕地Cultivated Land林地Woodland水域Water area沼澤Swamp未利用地Unutilized land對(duì)應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型Corresponding ecosystem types草地Grassland農(nóng)田Farmland森林Forest水體Water body濕地Wetland荒漠Desert水源涵養(yǎng)Water conservation1244.12933.094976.4831693.9624104.8346.65廢物處理Waste treatment2037.252550.452037.2528272.6328272.6315.55氣體調(diào)節(jié)Gas regulation1244.12777.585443.030.002799.270.00氣候調(diào)節(jié)Climate regulation1399.641384.084198.91715.3726593.070.00土壤形成與保護(hù)Soil formation and erosion control3032.542270.526065.0915.552659.3131.10生物多樣性保護(hù)Biodiversity conservation1695.111104.165069.793872.323887.88528.75糧食生產(chǎn)Grain production466.551555.15155.52155.52466.5515.55原材料Raw material77.76155.524043.3915.55108.860.00娛樂(lè)文化Entertainment culture62.2115.551990.596749.358631.0815.55

圖2 2000、2005、2010年甘州區(qū)單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Fig.2 Ecosystem service values (ESVs) in the Ganzhou District in 2000,2005 and 2010

甘州區(qū)2000、2005、2010年的價(jià)值總量為10.54、20.17、36.22億元,價(jià)值總量持續(xù)增長(zhǎng)。就單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來(lái)看,土壤形成與保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高,約占當(dāng)年價(jià)值總量的22.9%；其次是廢物處理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,約占當(dāng)年價(jià)值總量的19.5%；水源涵養(yǎng)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)4項(xiàng)價(jià)值較相近；娛樂(lè)文化的價(jià)值量最低,約占當(dāng)年價(jià)值總量的1.3%。增長(zhǎng)量最多的單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)類(lèi)型是土壤形成與保護(hù),2000—2010年共增長(zhǎng)了5.85億元,約占所有服務(wù)類(lèi)型總增長(zhǎng)量的22.8%；其次是廢物處理,10年間增長(zhǎng)了5.02億元,約占總增長(zhǎng)量的19.4%；單項(xiàng)增長(zhǎng)量最少的是原材料和娛樂(lè)文化,分別增長(zhǎng)了0.48、0.34億元,共占總增長(zhǎng)量的3.2%。

對(duì)價(jià)值系數(shù)表進(jìn)行敏感性分析結(jié)果證明ESV相對(duì)于VC缺乏彈性(表3),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)果可靠。

表3 敏感性分析結(jié)果

從2000年、2005年、2010年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率(圖3)中可發(fā)現(xiàn),每項(xiàng)服務(wù)價(jià)值量都在穩(wěn)步上升。從2000—2005年價(jià)值量增長(zhǎng)率來(lái)看,雖然娛樂(lè)文化增長(zhǎng)量?jī)H為0.13億元,但增長(zhǎng)率最大；其次是水源涵養(yǎng),增長(zhǎng)率為92.62%；最小的服務(wù)類(lèi)型是原材料,增長(zhǎng)率為90%；其余六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型中增長(zhǎng)率相差較小,均在90.41%—91.89%之間。2005—2010年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型增長(zhǎng)率總體略有下降,增長(zhǎng)最慢的是生物多樣性,增長(zhǎng)率為78.78%；增長(zhǎng)最快的服務(wù)類(lèi)型是娛樂(lè)文化,增長(zhǎng)率為80.77%。多年平均變化率較穩(wěn)定,除娛樂(lè)文化為26.15%外,其余均維持在24.5%左右。

圖3 2000、2005、2010年甘州區(qū)單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率及變化量Fig.3 Change rate and amount of ecosystem service values (ESVs) in the Ganzhou District in 2000,2005 and 2010

3.1.2靜態(tài)價(jià)值量估算結(jié)果分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化與土地利用和土地覆被變化息息相關(guān)[12],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低的土地利用類(lèi)型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高的土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換會(huì)引起總價(jià)值量的變化。本文對(duì)2000—2010年甘州區(qū)土地利用類(lèi)型建立轉(zhuǎn)移矩陣(表4),分析土地利用類(lèi)型變化對(duì)甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量的影響。

從甘州區(qū)2000—2010年土地利用面積轉(zhuǎn)移狀況來(lái)看,研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移總面積為4480.93 hm2,占甘州區(qū)總面積的1%。從2000年各土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)出情況來(lái)看,最顯著的是未利用地的轉(zhuǎn)出,共轉(zhuǎn)出2283 hm2,占轉(zhuǎn)移總面積的50.9%,其中1091.93 hm2轉(zhuǎn)移為耕地,占該土地類(lèi)型總轉(zhuǎn)出面積的48.7%,564.43 hm2轉(zhuǎn)為草地,411.60 hm2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,分別占該類(lèi)型總轉(zhuǎn)出面積的25%、18%。其次是耕地,共轉(zhuǎn)出1143.09 hm2,其中83.4%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。草地的轉(zhuǎn)出面積也較多,為892.34 hm2,其中90.4%轉(zhuǎn)為耕地。林地、水域轉(zhuǎn)出面積較少,分別為122.40、40.1 hm2。建設(shè)用地、沼澤幾乎無(wú)轉(zhuǎn)出。從轉(zhuǎn)入2010年的土地利用類(lèi)型組成來(lái)看,共有2028.28 hm2轉(zhuǎn)為耕地,占當(dāng)年耕地總面積的2%,其中54%來(lái)自未利用地,40%來(lái)自草地；另外1378.24 hm2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,占當(dāng)年建設(shè)用地總面積的9%,其中69%來(lái)自耕地,30%來(lái)自未利用地；還有626.55 hm2轉(zhuǎn)為草地；林地、水域、未利用地、沼澤調(diào)入面積較少。

表4 甘州區(qū)2000—2010年土地利用面積轉(zhuǎn)移

根據(jù)以上分析,2000—2010年間甘州區(qū)土地轉(zhuǎn)移較少,這與當(dāng)?shù)卣畤?yán)格管控建設(shè)用地面積、保護(hù)耕地與濕地、適度開(kāi)發(fā)未利用地的政策有關(guān)。由于生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高的土地利用類(lèi)型(林地、耕地、濕地)保護(hù)較好,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模較小,甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量逐步上升且多年變化率平穩(wěn)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動(dòng)態(tài)價(jià)值重構(gòu)

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先指數(shù)

由甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先指數(shù)計(jì)算結(jié)果(表5)可知,優(yōu)先指數(shù)最高的是娛樂(lè)文化,其余各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率相差較小,均在0.98—1.01之間。

表5 甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先指數(shù)

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值重構(gòu)

從空間重構(gòu)后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分布(圖4)來(lái)看,甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量為1438.21—390993元/hm2,價(jià)值服務(wù)量較高的地區(qū)面積較小。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布來(lái)看,高價(jià)值區(qū)主要集中在黑河干流、黑河濕地保護(hù)區(qū)、集中式飲用水源地區(qū)等區(qū)域,這些地區(qū)水資源相對(duì)豐富,開(kāi)發(fā)力度較小,生態(tài)適應(yīng)性較高；中值地區(qū)分布在平山湖鄉(xiāng)東大山自然保護(hù)區(qū)、小河鄉(xiāng)、沙井鎮(zhèn)、明永鄉(xiāng)、烏江鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要集中在人口密集的中部綠洲區(qū),該區(qū)域自然條件優(yōu)越,土壤肥沃,農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),但由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,土地利用粗放、土地退化、水資源供不應(yīng)求等生態(tài)問(wèn)題頻發(fā)；甘州區(qū)平山湖鄉(xiāng)、南部安陽(yáng)灘和石崗墩灘的公用地均為低值區(qū),此部分區(qū)域多為戈壁荒灘,土地經(jīng)濟(jì)密度低。

圖4 2010年甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及價(jià)值空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of ecosystem services and their values in the Ganzhou District, 2010a.飲用水源地；b.年平均徑流量;c.綜合碳儲(chǔ)量；d.土壤保持力；e.生境質(zhì)量；f.土壤有機(jī)質(zhì)含量；g.森林面積比例；h.旅游文化中心分級(jí)；i.服務(wù)價(jià)值量/(元/hm2)

甘州區(qū)位于干旱內(nèi)陸,水資源非常寶貴,不僅集中于綠洲區(qū)的人類(lèi)生產(chǎn)生活需水量較大,位于荒漠區(qū)的植被也需要地下水補(bǔ)給生存,生產(chǎn)生活用水、生態(tài)用水矛盾突出。其次受水資源、地形影響,甘州區(qū)土地利用空間分布差異較大,綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)、人口密度大,荒灘戈壁區(qū)環(huán)境惡劣、人口較少,為滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求,人類(lèi)不合理灌溉農(nóng)田、盲目開(kāi)荒,極大地破壞了生態(tài)環(huán)境,生態(tài)環(huán)境脆弱性加劇。這也說(shuō)明甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值雖然逐年升高,但整體生態(tài)環(huán)境一般,生態(tài)彈性差。

3.3 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的區(qū)域生態(tài)安全格局

圖5 甘州區(qū)生態(tài)源地備選區(qū) Fig.5 Alternative areas of ecological sources in the Ganzhou District

將冷熱點(diǎn)識(shí)別重構(gòu)后得2010年甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布結(jié)果,按置信程度提取高、中、低3個(gè)安全水平生態(tài)源地備選區(qū),面積除去小于0.3 km2的斑塊后,得到3個(gè)安全水平的生態(tài)源地(圖5)。再通過(guò)MCR模型得到對(duì)應(yīng)生態(tài)廊道,構(gòu)建出3個(gè)安全水平的甘州區(qū)生態(tài)安全格局(圖6)。

從甘州區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果中可看出,甘州區(qū)生態(tài)源地斑塊數(shù)量較多,但斑塊破碎程度高,且空間分布不均,多集中于中部,北部和南部?jī)H有零星分布。甘州區(qū)低安全水平生態(tài)安全格局中源地斑塊有18塊,總面積約為155.75 km2,占研究區(qū)總面積的4.2%。源地對(duì)應(yīng)黑河干流、濕地保護(hù)區(qū)、水源地保護(hù)區(qū)、祁連山-東大山天然林資源保護(hù)區(qū),是需要嚴(yán)格管控的基礎(chǔ)性生態(tài)用地,也是保障甘州區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)正常發(fā)揮作用的關(guān)鍵性格局。中安全水平生態(tài)安全格局中生態(tài)源地斑塊有14塊,面積約為191.25 km2,約占研究區(qū)總面積的5.2%,在低安全生態(tài)源地基礎(chǔ)上,源地面積增加35.5 km2,斑塊數(shù)略有減少,黑河干流周?chē)邏K面積增大,整合度提高。高安全水平生態(tài)安全格局中生態(tài)源地斑塊有17塊,總面積約為224.5 km2,占該區(qū)總面積的6.1%,與中安全水平格局相比,源地面積擴(kuò)大33.25 km2,說(shuō)明生態(tài)源地整合度逐步增加,對(duì)抗生態(tài)脅迫的抵抗能力和恢復(fù)力有所提高。生態(tài)廊道分為兩部分,一部分主要沿河流展開(kāi),連通性較好,另一部分向生態(tài)阻力較高的北部灘延伸。

圖6 甘州區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果Fig.6 Ecological security pattern of the three levels in the Ganzhou District

生態(tài)安全格局是立足于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)現(xiàn)狀提出的規(guī)劃策略,在建設(shè)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有較高的參考價(jià)值?；谝陨戏治?甘州區(qū)在構(gòu)建良好的生態(tài)安全格局時(shí),應(yīng)因地制宜,結(jié)合土地利用類(lèi)型進(jìn)行生態(tài)改善,北部及南部植被稀疏區(qū)域應(yīng)注意加強(qiáng)防護(hù)林建設(shè),在不破壞生態(tài)的前提下,合理開(kāi)發(fā)利用荒地,建設(shè)生態(tài)廊道將其與生態(tài)源地連接起來(lái),提高區(qū)域整體連接度和生態(tài)源地銜接性；在中部綠洲區(qū)等高安全區(qū)應(yīng)遵循嚴(yán)格保護(hù)耕地和基本農(nóng)田的原則,以環(huán)境承載力為基礎(chǔ),提高水土資源利用效率,加大生態(tài)斑塊建設(shè),提高生態(tài)安全穩(wěn)定性,逐步建立起“南養(yǎng)水源,中綠耕地,北抵風(fēng)沙”的生態(tài)安全格局。

4 討論

生態(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)提供了食物、淡水及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料等多種人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的產(chǎn)品,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化甚至喪失不僅影響人類(lèi)的安全與健康,更關(guān)乎區(qū)域甚至全球的生態(tài)安全。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化可為判斷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng)弱提供依據(jù)。本文利用當(dāng)量因子法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算,同時(shí)考慮到生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性,以?xún)?yōu)先指數(shù)和空間豐富度指數(shù)對(duì)靜態(tài)估算結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)：由2000—2010年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化率可了解11年來(lái)每項(xiàng)服務(wù)的損失或增加程度,從而判斷該項(xiàng)服務(wù)在進(jìn)行生態(tài)建設(shè)時(shí)的優(yōu)先程度；對(duì)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行柵格疊加,計(jì)算其空間聚集程度,打破將各服務(wù)在同一種土地利用類(lèi)型中一視同仁的局限。經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)后的服務(wù)價(jià)值量反映了區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)功能強(qiáng)弱的空間差異性,以此識(shí)別生態(tài)源地,構(gòu)建的生態(tài)安全格局在空間上更為精準(zhǔn)。甘州區(qū)地處河西走廊的“蜂腰”地帶,黑河流域中游,生態(tài)地位十分重要。生態(tài)安全體系構(gòu)建要圍繞祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)、綠洲農(nóng)田防護(hù)林區(qū)、城市景觀林區(qū)、濕地保護(hù)區(qū)及荒漠生態(tài)區(qū)5大生態(tài)屏障開(kāi)展,提升森林、濕地、綠洲和荒漠四大生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值。將祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)、黑河濕地自然保護(hù)區(qū)作為生態(tài)安全屏障體系建設(shè)的中心線(xiàn),按照“南北封育、中間改造、周邊退耕”的空間布局,建立生態(tài)廊道,將祁連山林區(qū)、黑河濕地、綠洲農(nóng)田防護(hù)林區(qū)、沙生植被4大分區(qū)有機(jī)聯(lián)系,形成多層次、有序化生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的安全格局。

本研究與常規(guī)干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)安全格局研究的最大不同之處就在于改進(jìn)了利用當(dāng)量因子法估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的傳統(tǒng)方法,以重構(gòu)后具有動(dòng)態(tài)性、空間性、直觀性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,選擇服務(wù)功能強(qiáng)大的生態(tài)源地及連通性良好的生態(tài)廊道,共同構(gòu)成一個(gè)連續(xù)完整的生態(tài)安全屏障體系,為干旱內(nèi)陸河流域城市開(kāi)發(fā)和規(guī)劃生態(tài)環(huán)境布局提供了參考。甘州區(qū)位于黑河流域中游,濕地面積較大,濕地具有調(diào)節(jié)徑流、維護(hù)生態(tài)安全、調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)生物多樣性、降解污染等諸多功能。濕地種類(lèi)較多,但受限于數(shù)據(jù)源分辨率和分類(lèi)精度的影響,文中將河流等永久性濕地及池塘、水庫(kù)等人工濕地劃為“中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”中的水域生態(tài)系統(tǒng),僅選取沼澤濕地作為濕地生態(tài)系統(tǒng),實(shí)際上略為低估了濕地生態(tài)系統(tǒng)在甘州區(qū)生態(tài)安全中發(fā)揮的作用。受數(shù)據(jù)可獲取性和技術(shù)限制,一些重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)難以空間化。娛樂(lè)文化服務(wù)計(jì)算中文化中心重要性賦值、生態(tài)源地識(shí)別中安全等級(jí)識(shí)別的賦值等存在一定的主觀性。此外,本文參考相關(guān)研究成果確定了生態(tài)廊道空間分布,對(duì)于關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)等其他組分的研究較淺。廊道寬度直接影響其生態(tài)功能的發(fā)揮,如何確定最佳的生態(tài)廊道寬度,也是下一步需要重點(diǎn)研究的方向。