楊亮潔,王 晶,魏 偉,楊永春,郭澤呈

1 西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,蘭州 730070 2 蘭州大學資源環(huán)境學院,蘭州 730070

生態(tài)安全格局是景觀安全格局的一種,為區(qū)域提供綜合的生態(tài)系統(tǒng)服務[1],維護區(qū)域生態(tài)安全。近年來,生態(tài)環(huán)境破壞的嚴峻性及生態(tài)環(huán)境保護的重要性,越來越受到各界人士的廣泛關注,特別是沙化、荒漠化、水土流失嚴重、生態(tài)極其脆弱的西北內陸區(qū)[2]。黨的十八大報告中提出將生態(tài)安全格局作為三大戰(zhàn)略格局目標之一[3]?！笆濉币?guī)劃綱要中確立以保護修復荒漠化生態(tài)系統(tǒng),加快風沙源區(qū)的治理,遏制沙化擴展。在2017年的第十九次全國代表大會上,習總書記倡議以優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系,構建生態(tài)廊道和生物多樣性保護網絡等作為戰(zhàn)略發(fā)展目標[4]。因此,生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)安全格局構建具有重要現(xiàn)實意義,是當今社會可持續(xù)發(fā)展面臨的新主題之一,也是近年來的一個研究重點[5]。目前,基于生態(tài)安全格局以獲取、分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,已成為當下被廣泛接受和運用的生態(tài)環(huán)境評價方法之一[6]。

生態(tài)安全格局的研究起源于1915年美國學者曼寧[7]提出的自然資源和自然系統(tǒng)為基礎的土地分類思想。1950年歐美國家開始出現(xiàn)綠色廊道、緩沖區(qū)等一些生態(tài)安全格局中的名詞[8]。近年來,國外的研究擴展了生態(tài)安全問題,利用不同的視角關注人與自然之間的相互關系。Esbah[9]通過矩陣效應分析得到在城市化進程中,相鄰保護區(qū)間具有邊緣效應。Karen[10]通過城市土地覆被變化的空間顯示概率預測,探討人類城市化擴張對生物多樣性的影響。Hayward[11]利用最小成本路徑模擬物種的遷徙路徑。不同視角的研究豐富了生態(tài)安全格局理論內涵及構建方式。

國內對生態(tài)安全格局的研究起步較晚,20世紀80年代我國學者基于景觀生態(tài)學,以景觀格局空間異質性分析景觀生態(tài)穩(wěn)定性[12]。20世紀90年代[13]開始研究區(qū)域生態(tài)安全格局,以景觀安全格局為理論基礎構建區(qū)域安全格局,并借助環(huán)境遙感和地理信息等技術手段運用空間疊加、多指標綜合評估[14]等手段識別生態(tài)用地,研究范圍大到國土尺度[15]小到縣區(qū)城市[16- 18]范圍。當前國內研究主要是基于“源-匯”理論[19],應用最小累積阻力模型[20],生境質量評估等方法[21-22],構建區(qū)域保護體系。例如田雅楠[23]基于“源-匯”理論構建“點-線-面”三位一體的立體保護體系,張繼平、喬青等人[24]采用最小累積阻力模型模擬生態(tài)用地空間擴張過程,根據(jù)不同情境規(guī)劃生態(tài)用地；吳健生[25]采用景觀連通性分析、生境質量評估等方法提取重要斑塊構建深圳市安全格局,但是研究區(qū)多集中于東部及沿海地區(qū)經濟相對發(fā)達地區(qū),關于西部地區(qū)敏感脆弱的生態(tài)環(huán)境質量,基于景觀生態(tài)學視角從景觀連接度等方面的研究較少[26],同時缺乏時間序列上的演變分析。

石羊河流域作為我國西北干旱區(qū)生態(tài)退化的典型區(qū)域之一,水土資源開發(fā)力度大、土地沙漠化、水資源短缺等問題使其生態(tài)極為脆弱[27],生態(tài)安全問題極為嚴重。因此,本文以石羊河流域作為典型樣區(qū),采用最小累積阻力模型,提取流域中重要的生態(tài)源地、生態(tài)廊道、緩沖區(qū)等,優(yōu)化配置節(jié)點、斑塊廊道等要素,構建石羊河流域生態(tài)安全格局,剖析2005—2015年石羊河流域生態(tài)安全格局的時空演化規(guī)律,進而設計石羊河流域生態(tài)空間結構優(yōu)化布局方案,以期為優(yōu)化石羊河流域生態(tài)空間結構、保障區(qū)域生態(tài)安全,促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊以東,黃河以西及祁連山脈以北的區(qū)域[28],經緯度范圍為101°22′—104°16′E,36°29′—39°27′N,深居大陸內部。氣候類型以溫帶大陸性干旱氣候為主,蒸發(fā)強烈,日照時間長,全年降水少且集中,水資源供需矛盾突出。地勢南高北低呈現(xiàn)由西南向東北傾斜的趨勢,南部主要為祁連山區(qū),屬于高寒半干旱濕潤區(qū),植被類型主要以旱生稀疏灌木、山地森林草原、灌叢草原等為主,其冰雪融水和大氣降水是石羊河流域用水的主要來源；中部為平原灌溉區(qū),是人類居住和發(fā)展的主要聚集地；北部為低山丘陵區(qū),有大片荒漠區(qū),靠近沙源地,年降水量小于150 mm,屬于溫暖干旱區(qū)。流域土地面積約為4.16×104km2(圖1),全流域包括3市8縣(區(qū)),具體包括金昌市的永昌縣及金川區(qū)全部,張掖市肅南裕固族自治縣和山丹縣的部分地區(qū),武威市的古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣及天祝縣部分地區(qū),流域總人口達231.45萬人,其中武威市人口占總人口的70%以上。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location of Shiyang River Basin

1.2 數(shù)據(jù)源與處理

本文所使用的數(shù)據(jù)包括2005年、2010年和2015年三期Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù),來源于美國地質調查局網站(http://earthexplorer.usgs.gov),空間分辨率為30 m,影像軌道號為13133、13233、13134、13234,影像中云量小于10%,滿足研究需求。用ENVI 5.3軟件對影像數(shù)據(jù)進行處理,將原始DN值轉為輻射亮度值,再進行大氣校正、幾何校正以及鑲嵌和裁剪。土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是用Landsat TM/OLI影像,在ArcGIS 10.2軟件中通過人工目視解譯與計算機自動解譯相結合提取土地利用類型,依據(jù)中國科學院《中國土地利用分類系統(tǒng)》的分類標準分為6大類。DEM數(shù)據(jù)來自地理數(shù)據(jù)空間云平臺(http://www.gscloud.cn),空間分辨率均為30×30m。河流和水系數(shù)據(jù)來源于石羊河流域信息系統(tǒng)專題數(shù)據(jù)集(http://westdc.westgis.ac.cn)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網中的《中國地面氣候資料年、月、日值數(shù)據(jù)集》(http://data.cma.cn),植被凈初級生產力(NPP)數(shù)據(jù)來自于MOD17A3產品(https://modis.gsfc.nasa.gov/),數(shù)據(jù)產品重采樣成30 m；地下水埋深觀測數(shù)據(jù)及站點數(shù)據(jù)來源于武威市水務局(http://www.gssl.gov.cn/)和民勤縣水務局(www.minqin.gansu.gov.cn/)；土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。

2 研究方法

2.1 區(qū)域生態(tài)安全格局構建

基于俞孔堅、周銳等[8,29]提出的生態(tài)安全格局構建方法,結合研究區(qū)生態(tài)安全格局綜合評價結果,識別區(qū)域生態(tài)安全格局的“源地”；采用最小累積阻力模型計算源地間的相對阻力,建立生態(tài)源地擴張阻力面,進而識別核心區(qū)、緩沖區(qū)、優(yōu)化治理區(qū)、廊道、潛在廊道、輻射廊道及生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點等其他生態(tài)安全格局組分,構建流域生態(tài)安全格局。

2.1.1生態(tài)源地識別

根據(jù)石羊河流域獨特的自然地理條件和生態(tài)環(huán)境特征,綜合考慮指標選取的重要性和數(shù)據(jù)的可獲取性等基本原則,從水資源、生物多樣性、土地沙漠化和水土保持4個方面選取11個指標,應用多種算法識別生態(tài)源地(表1)。

表1 生態(tài)安全格局源地識別的指標及方法

(1)降水侵蝕指數(shù) 降水侵蝕指數(shù)表征由降雨而導致土壤侵蝕的潛在能力,數(shù)值越高水土流失越嚴重。測度公式如下[30]：

(1)

式中,R是年降水侵蝕力,pi為各月平均降水量,p為年平均降水量。

(2)沙漠化指數(shù) 地表反照率(Albedo)的變化是影響陸地表面輻射特征的一個重要參量,反映沙漠化程度。植被指數(shù)(NDVI)反映地表植被覆蓋度的減少而沙漠化程度加劇。本研究借鑒曾永年[31]的Albedo-NDVI方法來表征沙漠化過程。計算公式如下：

(2)

(3)

Albedo=0.365ρBlue+0.130ρRed+0.373ρNIR+0.085ρSWIR1+0.072ρSWIR2-0.0018

(4)

式中,NDVI標為標準化處理后的植被指數(shù),Albedo標為標準化處理后的地表反照率,用遙感影像數(shù)據(jù)反演得到Albedo[32]和NDVI,其中ρBlue、ρRed、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為Blue、Red、NIR、SWIR1、SWIR2等波段的反射率；ki根據(jù)Albedo-NDVI反演模型中的斜率來確定的,i代表2005年、2010年和2015年。

(3)生物豐度指數(shù)物種 豐富程度可以表征生態(tài)系統(tǒng)的生產力與穩(wěn)定性,生物豐度指數(shù)越高說明生態(tài)恢復的能力越強。計算公式如下[33]:

f=(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域用地+0.11×耕地+0.04×建筑用地+0.01×未利用地)/區(qū)域面積

(5)

(4)土壤類型和土地利用類型分類 土壤類型和土地利用類型的分類主要參考中國科學院《中國土地利用分類系統(tǒng)》和《中國土壤分類系統(tǒng)》的標準以及魏偉的相關研究[34],根據(jù)土壤類型和土地利用類型對生態(tài)環(huán)境的相對重要性分為5種不同的安全水平用地(表2)：

表2 土壤類型和土地利用類型分類標準

(5)指標權重計算 依據(jù)各指標對生態(tài)環(huán)境的影響將其分為正向指標和負向指標,正向指標指生態(tài)環(huán)境質量越好其值越大,負向指標反之,采用極值法對各指標進行標準化[35]處理,并用熵權法[36]計算各指標權重(表3)。

表3 各指標權重

(6)生態(tài)源地的提取 生態(tài)源地是指維護區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展必須加以保護的區(qū)域,由各生態(tài)過程對生態(tài)系統(tǒng)功能所發(fā)揮作用的不同而確定。根據(jù)各指標權重計算4個子系統(tǒng)的安全水平指數(shù),采用自然斷點法(Natural Breaks)將各單一景觀過程的生態(tài)安全格局重分類為高度安全水平、較高安全水平、中度安全水平、較低安全水平和低度安全水平5個等級,將4個子系統(tǒng)的高度安全水平區(qū)疊加作為石羊河流域的生態(tài)保護源地。

2.1.2最小累積阻力面的構建

(1)基本阻力面 人類活動和植被對生態(tài)系統(tǒng)具有顯著的影響,人類活動的強度越大,生態(tài)過程的空間移動性的阻力就越大,植被指數(shù)越高,生態(tài)價值越高,生態(tài)過程的阻力也就越小。本文用建筑用地指數(shù)(IBI)[37]和歸一化植被指數(shù)(NDVI)表征人類活動強度大小和植被生態(tài)價值的兩個阻力因素,構建基本阻力面。

建筑物指數(shù)：

(6)

式中,ρG、ρR、ρNIR、ρMIR分別為Green、Red、NIR、MIR等波段的反射率。

將建筑物指數(shù)(IBI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)等權重綜合疊加得到基本阻力面,利用自然斷點法將基本阻力面劃分為1到5級,1級阻力值最小,5級阻力值最大。

(2) 最小累積阻力面 依據(jù)源地和基本阻力面,基于ArcGIS 10.2 軟件中的Cost-Distance 模塊,采用最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)生成最小累積阻力面,基本公式[38]如下：

(7)

式中,f是未知的正函數(shù),用來反映空間中的任意一點的最小阻力和到源地的距離和景觀基面特征的一個正相關關系,Dij是物種從源j到空間某景觀基面i空間距離,Ri是景觀i對某物種運動的阻力系數(shù)。

2.1.3生態(tài)安全格局構建

生態(tài)安全格局是依據(jù)生態(tài)功能的重要程度和生態(tài)用地的價值劃分研究區(qū)[39],基于最小累積阻力面,運用自然斷點法將研究區(qū)的生態(tài)用地劃分為生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)優(yōu)化區(qū)和生態(tài)治理區(qū)5個等級。為保證區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,促進物質能量流動,在研究區(qū)內識別生態(tài)流向的高效通道和聯(lián)系路徑,本文利用ArcGIS軟件中水文分析工具[40],以最小累積阻力面為基礎,通過洼地填充、水流方向、水流聚集等工具,通過反復調試閾值確定匯流累積量的值,提取最小累積阻力面的谷線,識別出廊道、輻射廊道[41- 42]、潛在廊道。廊道和輻射廊道相輔相成,輻射廊道是以源為中心,向外輻射的所有低阻力谷線,輻射廊道越多說明生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。廊道與廊道之間,存在阻力值谷線但未識別出廊道為潛在生境廊道。生態(tài)功能節(jié)點是流域內生態(tài)資源豐富、生態(tài)系統(tǒng)服務價值高的節(jié)點,主要在最小耗費路徑的交叉處提取[43- 44],并將生態(tài)功能節(jié)點分為三個等級[25],促進物質能量流動從高級節(jié)點流向低級節(jié)點,保證區(qū)域內生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化組合。

2.2 石羊河流域生態(tài)空間結構優(yōu)化布局

依據(jù)石羊河流域生態(tài)安全格局的構建,識別主要生態(tài)安全格局組分并剖析其時空分布特征,依據(jù)研究區(qū)自然地理特征及當前土地利用現(xiàn)狀,參考楊天榮等[45]提出的“綠心廊道組團網絡式”生態(tài)空間結構優(yōu)化組合模式和郭榮朝[46]等提出的“廊道組團網絡化”的生態(tài)空間結構優(yōu)化組合模式,對石羊河流域生態(tài)安全格局進行空間優(yōu)化重組。

以識別出的生態(tài)源地為基地,依托地形地貌特征構筑生態(tài)安全防護帶,劃分石羊河流域生態(tài)功能分區(qū)；以主要河流水系、源間廊道、潛在廊道及輻射廊道,連通功能區(qū),構建區(qū)域生態(tài)廊道網絡體系；以不同安全級別生態(tài)源地景觀類型為生態(tài)基質,統(tǒng)籌主要綠洲區(qū),結合關鍵生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點,強化生態(tài)綠洲(綠心)保護建設。通過綠洲區(qū)、生態(tài)節(jié)點、廊道網絡等“點—線—面”生態(tài)空間結構要素的優(yōu)化重組,構建一個多層次、復合型“綠洲廊道組團網絡化”干旱內陸河流域生態(tài)空間結構體系。

3 結果與分析

3.1 石羊河流域生態(tài)安全格局

3.1.1生態(tài)源地識別

(1)水資源安全水平格局 石羊河流域水資源安全水平的評價結果顯示(圖2)：2005—2015年,石羊河流域水資源安全格局呈現(xiàn)河網密度越大、距離地表水源地越近安全性越高,空間上呈現(xiàn)以綠洲為高安全核心的圈層式的空間格局。高度和較高安全水平基本沿著河網分布；中度安全水平在河流緩沖區(qū)范圍內,離水源地近；而較低和低度安全水平區(qū)主要集中在中下游干旱荒漠、半荒漠區(qū)。水資源的波動變化主要集中在中下游較低和低度安全水平區(qū)。

圖2 安全水平時空格局Fig.2 Spatial and temporal pattern of safety level

(2)生物多樣性安全格局 2005—2015年,石羊河流域生物多樣性水平略有提高,高安全水平區(qū)大體上呈現(xiàn)以上游祁連山水源涵養(yǎng)和河網為“傘面和傘骨”,河流干流為傘柄的“傘狀”空間結構模式(圖2),較高安全水平區(qū)主要分布在4大綠洲區(qū)(武威的盆地綠洲區(qū)、金川及河西堡綠洲、昌寧綠洲、民勤綠洲),低水平區(qū)主要分布在荒漠區(qū)。2005—2010年石羊河上游東部地區(qū)較高安全水平的區(qū)域略有減少,下游綠洲區(qū)中度安全水平的面積增加。2015年中下游地區(qū)生物多樣性水平略有提高,多以小面積斑塊增長,破碎度高。

(3)水土保持安全格局 2005—2015年,石羊河流域水土保持安全格局基本穩(wěn)定,水土保持安全水平低,水土流失嚴重(圖2)?？臻g上呈現(xiàn)西南方的祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)為高水平區(qū),其余地區(qū)大多均為低安全水平區(qū)。

(4)土地沙漠化格局 石羊河流域干旱荒漠區(qū)面積大,土地沙化嚴重,尤其是下游地區(qū)的民勤縣東部和西部毗鄰我國第四大沙漠——騰格里沙漠,北邊緊挨著我國第三的沙漠——巴丹吉林沙漠,土地沙化十分嚴重,荒漠化面積占到總面積的80%以上[47]。2005—2015年,石羊河流域土地沙化趨勢減弱,高度安全水平區(qū)的面積增加(圖2)。2005—2010年,上游和中游高度安全水平區(qū)面積增加,2015年,下游綠洲區(qū)高和較高安全水平區(qū)面積增加,流域東部的低水平區(qū)向較低安全水平區(qū)轉移較明顯,流域土地沙漠化狀況整體呈現(xiàn)好轉趨勢。

(5)綜合生態(tài)源地的時空特征 源地一般為生境質量較高的區(qū)域,對生態(tài)環(huán)境具有正向推動的作用[48],是物種維持和擴散的起始點和生態(tài)保護的底線?；趯κ蚝恿饔蛩Y源、生物多樣性、荒漠化以及水土保持安全水平的評價結果,識別出生態(tài)源地分布,如圖3 所示。2005—2015年,石羊河流域生態(tài)源地面積整體增加,生境質量好轉。生態(tài)源地主要分布在上游祁連山區(qū)和中下游綠洲區(qū)。上游祁連山區(qū)為水源涵養(yǎng)區(qū)是石羊河流域生態(tài)安全的基本區(qū)域,是城市化發(fā)展與資源環(huán)境開發(fā)建設的生態(tài)底線,必須嚴格禁止開發(fā)建設活動。2005—2010年,研究區(qū)南部的生態(tài)源地減少,包括天然植被退化的區(qū)域,中部地區(qū)的生態(tài)源地增加,這與中游地區(qū)的紅崖山水庫的蓄水調蓄有關,2010年源地面積占研究區(qū)面積14.7%。2015年,研究區(qū)的生態(tài)源地增加較明顯,占區(qū)域面積19.8%,生態(tài)環(huán)境質量恢復顯著。

圖3 生態(tài)源地時空分布Fig.3 Spatial and temporal distribution of ecological sources

3.1.2阻力面時空變化特征

圖4 阻力面年際變化圖Fig.4 Interannual variation diagram of resistance surface

(1)基本阻力面年際變化 生態(tài)源地擴張最小累積阻力面年際變化顯示(圖4)：2005—2015年,石羊河流域基本阻力面高值區(qū)面積呈現(xiàn)先增加后減少的勢態(tài),總體呈減少趨勢,生態(tài)環(huán)境質量總體好轉,生態(tài)質量好轉的區(qū)域占總變化面積的59%(增加的區(qū)域表示高阻力值區(qū)轉向低阻力值區(qū),是生態(tài)質量轉好的區(qū)域,反之,減少的區(qū)域是生態(tài)質量下降區(qū))。前5年減少區(qū)面積所占比重較大,生態(tài)環(huán)境質量惡化,惡化部分主要集中在上游以及下游綠洲區(qū),后5年研究區(qū)內高阻力值區(qū)向低阻力值區(qū)轉換明顯,上游以及中下游綠洲區(qū)生態(tài)環(huán)境質量趨向好轉,說明生態(tài)治理周期長并存在一定的滯后期。

(2)生態(tài)用地的年際變化 石羊河流域生態(tài)用地明顯增加,生態(tài)質量變好的面積占總面積的近47%,生態(tài)環(huán)境質量明顯趨于好轉,特別是2005—2015年中下游綠洲區(qū)生態(tài)環(huán)境質量好轉趨勢明顯(表4、圖5、圖6)。2005—2010年,生態(tài)用地略有減少,生態(tài)環(huán)境質量略有下降,生態(tài)環(huán)境質量轉好的區(qū)域占總變化面積比重較小(約23%),主要在民勤縣西北和東南部。2010—2015年環(huán)境質量轉好的區(qū)域占總變化面積比重上升(約37%),主要分布于上游地區(qū)和下游綠洲區(qū)。

表4 5種生態(tài)功能區(qū)各階段轉換路徑及比重/‰

圖5 生態(tài)用地年際變化圖Fig.5 Interannual variation of ecological land use

3.1.3綜合生態(tài)安全格局構建

在阻力面建立的基礎上,分別識別不同安全水平區(qū)、源間廊道、潛在廊道、輻射廊道、生態(tài)功能節(jié)點,并對其進行疊置組合,構建了石羊河流域生態(tài)安全格局(圖6)。

整體上,2005—2015年,石羊河流域生態(tài)用地增加,生態(tài)質量逐漸好轉,生態(tài)安全格局網絡體系趨于復雜完善。 2005年生態(tài)安全格局中識別出36個戰(zhàn)略點,包括一級節(jié)點5個,二級節(jié)點6個,三級節(jié)點25個,21條潛在廊道,23條廊道和眾多枝狀的輻射廊道,生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點主要分布在廊道交匯處,生態(tài)廊道貫穿了整個石羊河流域,2005年的生態(tài)廊道主要從南到北有四條主線連接南北主要“源”地,中間的一條主線沿著石羊河干流分布,潛在生態(tài)廊道橫向連接縱向廊道,部分縱向廊道連接小部分源地與廊道相交,總體生態(tài)安全網絡格局簡單。2010年生態(tài)安全格局有36個生態(tài)節(jié)點其中一級節(jié)點5個,二級節(jié)點9個,三級節(jié)點22個,42條生態(tài)廊道和22條潛在廊道,與2005年相比,廊道增多,源與源之間的連通性和網絡聯(lián)系更強,2005年的一些潛在廊道在2010年發(fā)展成為廊道,流域上游地區(qū)橫向和縱向的廊道相互交錯,加強了區(qū)域之間的聯(lián)系。2015年提取了35個生態(tài)節(jié)點,5個一級節(jié)點,11個二級節(jié)點和19個三級節(jié)點,47條廊道和16條潛在廊道,廊道的主線依然沿著石羊河干流及各支流分布,源地面積增加,生態(tài)廊道數(shù)量增加,在流域的東部和西部部分地區(qū)之間的潛在廊道發(fā)展為廊道。2005—2010年,潛在廊道主要集中在石羊河上游和中游過渡的地區(qū),是水土保持的重點區(qū)域,因此,該地區(qū)保持原有廊道的同時著重發(fā)展?jié)撛诶鹊?2010—2015年,廊道明顯增加,生態(tài)安全格局網絡體系趨向復雜完善,生態(tài)緩沖區(qū)向外圍進一步擴張,生態(tài)環(huán)境質量逐漸好轉。

圖6 石羊河流域生態(tài)安全格局時空演化Fig.6 Comprehensive ecological security pattern changes in Spatial and temporal

縣區(qū)尺度上(表5),生態(tài)核心區(qū)波動變化大致呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢；生態(tài)緩沖區(qū)除民勤縣和金昌市外,其余縣區(qū)基本呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；生態(tài)過渡區(qū)除民勤縣、武威市和天?？h略有所減少外,其余區(qū)域都有一定程度的增加；除了肅南縣和天?？h大部分位于生態(tài)核心區(qū)和緩沖區(qū)外,其余縣區(qū)的優(yōu)化區(qū)和治理區(qū)的面積都有所增加。民勤縣位于石羊河下游綠洲區(qū)域,人類活動聚集,靠近沙漠源區(qū),生態(tài)安全具有不穩(wěn)定性,2005—2015年,民勤生態(tài)核心區(qū)略有增加,生態(tài)緩沖區(qū)從2005年的占民勤總面積的25.85%下降到2015年的15.06%,沙漠治理區(qū)的面積呈現(xiàn)增加趨勢,民勤縣依然是石羊河流域生態(tài)安全問題的重點關注區(qū)。

整體上,受研究區(qū)地形及生態(tài)源地等分布特征影響,廊道多呈西南-東北走向分布,研究區(qū)內生態(tài)優(yōu)化區(qū)和治理區(qū)面積大,生態(tài)脆弱。因此,有必要對流域進行生態(tài)空間優(yōu)化布局,設立防護帶,增強防護作用,提高生態(tài)環(huán)境質量。

3.2 石羊河流域生態(tài)空間結構優(yōu)化布局設計

依據(jù)石羊河流域生態(tài)安全本底特征的分析及相關政策導向,對石羊河流域各要素優(yōu)化重組。通過以中下游的綠洲源地為生態(tài)綠心,其他用地為基質要素,以主要源地間的生態(tài)低阻力區(qū)為廊道,介于綠洲區(qū)與沙漠區(qū)的地帶為生態(tài)防護帶,以生態(tài)防護帶外的區(qū)域為主要治理區(qū),以祁連山北麓地區(qū)為水土保持防護帶,防護帶以南為水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū),最終形成綠心點綴基質的三大綠洲區(qū),環(huán)繞綠洲區(qū)的生態(tài)防護帶,連接各功能分區(qū)的五大主要廊道,構建以“二帶區(qū)、三綠洲、五廊道、多中心”為核心的“綠洲廊道功能區(qū)”的復合型生態(tài)空間結構優(yōu)化體系(圖7)。

表5 各縣區(qū)生態(tài)安全水平面積比/%

圖7 生態(tài)空間結構優(yōu)化布局設計圖 Fig.7 Design drawing of optimized layout of ecological space structure

(1)構筑生態(tài)安全防護帶,強化“兩區(qū)”生態(tài)環(huán)境質量

為保證三大綠洲區(qū)的有序發(fā)展,防止風沙的進一步吞噬,因而在介于沙漠區(qū)和綠洲區(qū)極度脆弱地區(qū)構建防護帶,防止沙化入侵。祁連山北麓生態(tài)防護帶位于祁連山區(qū)與綠洲區(qū)的過渡地帶,該地區(qū)具有保持水土的重要意義。以民勤縣下游沙漠區(qū)為主的治理優(yōu)化區(qū)和祁連山水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū),是生態(tài)優(yōu)化布局中的兩個重要區(qū)域。南部的水源涵養(yǎng)區(qū)是整個石羊河的水源地,維持綠洲區(qū)正常發(fā)展的保障,應加強封育保護,保證水源涵養(yǎng)。優(yōu)化治理區(qū)以沙漠為主,生境質量最差,是綠洲區(qū)發(fā)展的最大威脅,采用生態(tài)措施固定沙源,實施節(jié)水灌溉措施,種植沙漠植被進一步提高植被蓋度。

(2)統(tǒng)籌“三綠洲”間關系,構筑廊道網絡

基于民勤綠洲、昌寧綠洲和走廊盆地綠洲三大主要綠洲區(qū),以西大河、東大河、石羊大河以及古浪河等為軸線,形成主要自然生態(tài)廊道,通過五大廊道增加各綠洲區(qū)之間的連通性,更加利于綠洲的發(fā)展,兩者相輔相成共同促進石羊河流域生態(tài)環(huán)境發(fā)展,構筑更加完善的生態(tài)安全格局網絡體系。加強生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點、水源地的保護力度,維護重要生態(tài)區(qū)域,推動能量流、生態(tài)流和物種之間擴散。進一步涵養(yǎng)水源、維護生物多樣性,優(yōu)化調節(jié)綠洲區(qū)的人地關系。

(3)積極響應政府規(guī)劃,優(yōu)化生態(tài)空間結構

2007年《石羊河流域重點治理規(guī)劃》的總體布局中提出,上游地區(qū)需加強封育保護,繼續(xù)建設祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū),中下游地區(qū)強化節(jié)水,進行灌區(qū)節(jié)水改造,建設綠洲防護林體系?！妒蚝恿饔蛏鷳B(tài)環(huán)境綜合治理規(guī)劃》中預計在2050年建成祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)、走廊盆地綠洲功能區(qū)、北部荒漠與綠洲交互功能區(qū)和荒漠區(qū)。本文立足相關政策及規(guī)劃,以空間形式重構空間邊界,從空間視角實現(xiàn)空間治理,對流域內空間結構進行科學合理的劃分,推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

4 結論與討論

本文運用距離分析、疊加分析和地統(tǒng)計分析等空間分析方法,利用最小累積阻力模型(MCR)構建2005—2015年石羊河流域生態(tài)安全格局,分析生態(tài)安全水平時空特征,并提出優(yōu)化方案。主要結論有：

(1)通過沙漠化、水資源安全、水土保持安全和生物多樣性安全性評價,識別生態(tài)安全水平高區(qū)作為生態(tài)源地,2005、2010、2015年生態(tài)源地區(qū)分別占總區(qū)域的16.7%、14.7%、19.8%；主要分布在祁連山生態(tài)保護區(qū),該區(qū)域應嚴格禁止開發(fā)建設活動并加強生態(tài)保護；2005—2015年,生態(tài)源地呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢,石羊河流域生態(tài)恢復明顯。

(2)基于MCR模型將研究區(qū)劃分為生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)優(yōu)化區(qū)和生態(tài)治理區(qū)5種不同安全水平區(qū),生態(tài)安全水平由低向高安全水平轉化的面積占總轉換面積的47%,生態(tài)環(huán)境質量好轉。2005—2015年,石羊河流域生態(tài)安全格局網絡體系更加完趨于復雜、完善。2005年,識別出36個戰(zhàn)略點,21條潛在廊道,23條廊道和眾多枝狀的輻射通道,2010年,識別出36個生態(tài)節(jié)點42條生態(tài)廊道和22條潛在廊道,源與源之間的連通性和網絡聯(lián)系加強,2015年識別出35個生態(tài)節(jié)點,47條廊道和16條潛在廊道,廊道的主線依然沿著石羊河干流及各支流分布,源地面積增加,生態(tài)廊道數(shù)量增加,在流域的東部和西部部分地區(qū)之間的潛在廊道發(fā)展為廊道,流域生態(tài)安全格局網絡穩(wěn)定性提升。

(4)基于生態(tài)安全格局組分的優(yōu)化重組,提出構建以“二帶區(qū)、三綠洲、五廊道、多中心”為核心的“綠洲廊道功能區(qū)”的復合型生態(tài)空間結構優(yōu)化體系,加快推進石羊河流域形成多層次、復合型生態(tài)空間格局體系,加強生態(tài)脆弱的石羊河流域的生態(tài)環(huán)境保護與恢復。

通過構建區(qū)域生態(tài)安全格局,進而優(yōu)化干旱內陸河生態(tài)空間結構,有助于緩解生態(tài)脆弱的干旱內陸河流域社會經濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的矛盾,促進該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與社會經濟持續(xù)協(xié)調發(fā)展。本文依據(jù)研究區(qū)氣候和生態(tài)環(huán)境特征,選取水資源、水土保持、生物多樣性和沙漠化4個子系統(tǒng)綜合評價干旱內陸河流域的生態(tài)安全水平,能夠更為客觀的表征研究區(qū)的生態(tài)安全水平。生態(tài)源地的識別采用了多子系統(tǒng)疊加的方法,綜合考慮了生物、沙漠、水土和水資源各個方面的因素,通過各單一格局分別提取源地的方式具有針對性,從而區(qū)別于直接將林地或自然保護區(qū)作為生態(tài)源地,或基于多種生態(tài)過程分析后將生境質量高的地區(qū)作為生態(tài)源地的方法。需要說明的是本文中NPP是通過數(shù)據(jù)重采樣獲得,在分辨率上可能會對沙漠化格局的結果產生一定的影響,今后對指標的選擇及處理需要進一步的完善,使其結果的科學性和準確性更高,其次論文在構建生態(tài)安全格局缺乏對社會經濟方面的考慮,在優(yōu)化格局設計中只考慮自然生態(tài)廊道,沒有考慮人工廊道的構建,使得生態(tài)安全格局網絡結構簡單,相互聯(lián)通水平較低,在今后的研究中會將社會經濟要素及自然廊道和人工廊道有機結合進行深入的研究,使得石羊河流域生態(tài)安全格局構建及優(yōu)化設計更加合理。