基于生態紅線劃定的祁連山生態保護性開發研究

李永格,李宗省,*,馮 起,衛 偉,楊 靜,呂越敏,桂 娟,袁瑞豐,張百娟

1 中國科學院西北生態環境資源研究院(籌),內陸河流域生態水文重點實驗室/甘肅省水文水資源工程技術中心,蘭州 730000 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 4 青海省剛察縣氣象局,海北藏族自治州 812300

祁連山橫亙于我國西北干旱半干旱荒漠地區,是河西地區三大內陸河重要的水源涵養地,也是黃河和青海湖的重要水源補給區,更是我國生物多樣性保護的優先區域[1]。受全球氣候變化和人類活動的影響,祁連山地區的冰川處于物質虧損狀態,普遍退縮減薄[2-3],水源涵養功能減弱,植被嚴重退化,生物多樣性減少,水土流失等諸多問題加劇[4-6],進而影響到祁連山地區的生態系統穩定,制約周邊地區社會經濟的可持續發展,祁連山生態環境的保護和修復成為亟待分析和解決的問題。

劃定生態紅線是加快生態文明制度建設的重點內容,對于維護自然生態系統服務持續穩定發揮,保障國家和區域生態安全具有關鍵作用,是遏制生態環境退化形勢的迫切需要和有效手段[7]。2017年7月20日,我國環保部和發改委最新印發《生態保護紅線劃定指南(http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgt/201707/t20170728_418679.htm)》對生態紅線劃定提出指導借鑒,并指出“生態紅線是在生態空間范圍內具有特殊重要生態功能,必須強制性嚴格保護的區域,以保障和維護國家生態安全的底線和生命線,通常包括生態功能重要區域和生態環境敏感脆弱區域”。雖然國外沒有生態紅線的概念,但在生態脆弱性/敏感性[8-9]、自然保護區、國家公園建設管理方面做的大量工作可為中國生態紅線劃定研究提供參考[10-11]。如世界自然保護聯盟(IUCN)推動的全球自然保護地建設[12]、美國國家公園建設[13]、歐盟自然保護區網絡(Natura 2000)[14-15]、澳大利亞大堡礁海洋公園對保護地的分區規劃建設[16]。

目前,我國生態紅線劃定的研究已經取得了大量的研究成果,但我國對生態紅線劃定并沒有統一的方法,相關研究大多是依據國家出臺的生態紅線劃定政策,劃定空間生態紅線[17]。由于生態問題具有尺度和區域差異,不同地區在生態紅線劃定時,都充分體現本區域生態環境的指標,國內學者已從不同空間尺度上進行了生態紅線劃定研究,如鄂州市[17]、重慶涪陵區義和鎮[18]、四川省汶川縣[19]、湖南省[20]等省市區的研究；不同地域上,前人從渤海的海洋環境災害危險性[21],呼倫貝爾草原的土地沙化敏感性和防風固沙敏感性[22],喀斯特地區的水土流失和石漠化敏感性[23],深圳市大鵬新區的環境質量、生態功能保障和資源利用[24]等方面,開展生態保護紅線的劃定。上述生態紅線劃定研究成果中,主要借鑒生態安全、生態承載力、生態系統服務功能等方面的理論,從生態功能重要性、生態環境敏感性、生態適宜性等方面構建生態紅線評價指標體系,生態環境敏感性評價中較多涉及土地沙化、水土流失、石漠化敏感性等方面,紅線劃定過程中缺乏關于凍融侵蝕敏感性評價,本文將凍融侵蝕敏感性作為生態敏感性評價因子。

長期以來,對于祁連山地區主要涉及植被覆蓋變化[25]、植被凈初級生產力[26]、水源涵養[27]、氣候變化[28]、冰川凍土變化[29]和生物多樣性[30]等方面的研究較為成熟,針對整個祁連山地區生態系統的綜合評價較少,缺少整體的可視化空間分析,考慮到祁連山地區的生態系統完整性和保護祁連山生態環境的急迫性,開展祁連山地區生態紅線劃定工作,對保障甘肅和青海生態環境安全、維護祁連山生態系統健康具有重要意義。本文以生態承載力為理論基礎,運用GIS技術和層次分析法,從生態彈性力、生態敏感性、社會經濟影響力方面,構建祁連山生態紅線評價指標體系,通過劃定生態紅線,從空間上進行分區,對祁連山生態環境敏感區、重要生態功能區進行保護, 并提出相應的管控對策,以期為祁連山生態環境保護和社會經濟健康發展提供有效參考。

1 研究區概況

圖1 研究區域Fig.1 Study area

祁連山(93.5°—103.4°E,35.5°—40°N)位于亞歐大陸中部,是青藏高原東北部最大的邊緣山系,東起烏鞘嶺,西至當金山口,北臨河西走廊,南接柴達木盆地(圖1)。祁連山橫跨甘肅和青海兩省(圖1),共涉及37個縣市,是青藏、內蒙古、黃土高原的分界線,在自然氣候分區上起著非常重要的作用[28]。祁連山脈位于季風區、非季風區和青藏高原區三大氣候區的交匯處,降水量呈自東向西的遞減趨勢,山區多于平原,年均降水量30—600 mm左右[31]。祁連山的中、東段屬大陸性半干旱高山草原氣候,西段屬大陸性干旱荒漠氣候[29]。祁連山地勢西北高,東南低,由多條西北—東南走向的平行山系組成,東西長約850 km,南北寬250—400 km[32],海拔為1951—5786 m左右,最高峰——團結峰高達5826.8 m,高聳的地勢使得多年凍土得以發育和保存,山區終年積雪并有現代冰川的分布,根據第二次中國冰川編目數據,祁連山共有冰川2683條,現有冰川面積(1597.81±70.30) km2,儲量約84.48 km3[3]。祁連山區河流多,以冰川融水補給為主,水系非常發育,圍繞祁連山中心地向四周呈輻射狀分布,主要包括河西內流水系、柴達木內流水系和黃河流域水系[3]。獨特的地理環境和氣候條件孕育了森林、草原、濕地、荒漠等生態系統。祁連山的區域性特征顯著,并且涉及市縣較多,為了便于分析,本文將101°E和98°E分別作為祁連山區東段、中段和西段的分界線[33]。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

生態紅線評價指標體系以生態承載力為理論基礎,并借鑒環保部最新生態保護紅線劃定技術指南、生態功能區劃[34]和中國主體功能區劃[35]中的方法和前人研究成果,結合研究區的自然地理條件和生態環境特征,并遵循指標體系構建應具代表性、易操作性、易獲性、綜合性和系統性原則,從生態彈性力、生態敏感性和社會經濟影響力3個方面來構建,權重由文獻調查、專家打分法和層次分析法[36]獲得,具體指標及其權重見表1。

表1 祁連山生態紅線評價因子權重表

CI：層次總排序的一致性指標,Consistency Index；RI：層次總排序的隨機一致性指標,Random Index；CR,層次總排序的隨機一致性比例,Consistency Ratio；CR=CI/RI=0.012785/0.5595= 0.02285<0.10,總層次排序的結果具有滿意的一致性[36]

生態彈性力指生態系統的可自我維持、自我調節及抵抗各種壓力與擾動的能力大小,主要反映生態系統對外界作用的調節和緩沖能力[37]。研究區的生態類型包括森林、草地、濕地、農田、荒漠等生態系統,不同生態類型的生態彈性力存在差異。生態彈性力主要由地形地貌、氣候、水文、土壤、植被狀況決定[38-40]。生態敏感性指生態系統對人類活動干擾和自然環境變化的敏感程度和反應程度,即發生區域生態環境問題的難易程度和可能性大小[41]。生態環境問題因時空而異,根據祁連山地區面臨的主要問題,本文從水土流失、土地沙化和凍融侵蝕敏感性3個方面來評價,凍融侵蝕敏感性主要選取氣溫年較差、年均降水量、坡度、坡向、植被覆蓋度、高程來進行評價[42-44]。人類活動是引起生態系統變化的重要因素,社會經濟發展對生態的影響有兩方面,一是人口增加和生活質量的提高,引起需求增加而產生的生態壓力[3],選取人口密度、游客人數,作為負向指標。二是科技進步和社會經濟發展對生態系統產生正面影響,人類社會逐漸提高生態環境修復治理能力和潛力,選取人均GDP、農村居民人均純收入、旅游收入等作為正向指標。

2.2 數據來源

氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn),包括祁連山及周邊地區,1981—2016年共74個氣象臺站的月降水量、月平均溫度、日降水量、日照時數、日平均溫度、日平均風速等數據。降水侵蝕力采用Arnoldus降雨侵蝕力簡易算法[45]求得。

MODIS NDVI 數據采用NASA(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)提供的MOD13A1級植被指數產品,空間分辨率為500 m,時間分辨率為16 d,選取時間為2016年8月份。使用MRT(MODIS Reprojection Tools)軟件將數據批處理進行合成并提取NDVI數據,并由NDVI計算得到植被覆蓋度[46]。

DEM 數據來自于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn),分辨率為30 m×30 m,并由DEM數據通過ArcGIS計算地形起伏度、坡度、坡向和河網密度[47]。

2010年土地利用數據與土地利用數據分類方法[48]、1983—1995年青藏高原凍土數據[49]和冰川數據來源于“寒區旱區科學數據中心”和“黑河計劃數據管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。冰川數據采用最新中國第二次冰川編目數據,該編目數據始于2006年末,2011年完成,反映的是2005—2006年的冰川狀況[50]。

1990年土壤質地和1980s土壤有機質含量數據是該地區所對應土壤類型下的平均值,其來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據共享平臺(http://www.geodata.cn)。

社會經濟數據：年末常住人口、農村居民人均純收入、人均GDP、縣區面積是通過2016年甘肅省統計年鑒、2016年青海省統計年鑒、2016年各市/州/縣統計年鑒獲得。游客人次和旅游收入是通過2015年各市/州/縣的國民經濟和社會發展統計公報獲得,公報上的旅游數據是由各縣旅游局提供。

2.3 評價方法

本研究利用ArcGIS的空間疊置法,采用行政單元和柵格單元相結合的辦法,使以1 km×1 km柵格單元作為各評價指標的數據載體,投影Transverse Mercator,投影坐標為WGS_1984_UTM_Zone_46N,地理坐標系統為GCS_WGS_1984,自然數據主要采用空間差值法,社會經濟數據以縣級行政單元為載體,然后矢量轉柵格,并利用研究邊界進行裁剪。采用層次分析法確定權重,需要通過專家打分法和查閱相關文獻,根據指標相對重要性,構造判斷矩陣[36]。利用極差變換法對評價指標數據進行標準化處理,以消除指標間的量綱影響,各評價指標對生態環境的影響有正負效應之分,對負向指標通過進行正向化處理[51]。采用加權求和多指標運算,代入模型

式中,E為生態紅線評價結果值,Qi為第i個評價指標的權重,Pi為第i個評價指標的分值,n為評價指標的數目。

在ArcMap中利用地圖代數進行運算,按照自下而上的順序依次計算生態彈性力、生態敏感性和社會經濟影響力指標層結果。運用GIS的空間分析技術,對生態彈性力、生態敏感性和社會經濟影響力進行疊加分析,根據疊加結果將研究區劃分為生態紅線區、生態黃線區和生態綠線區。

3 結果與分析

3.1 生態彈性力評價

生態彈性力評價結果(圖2)顯示,祁連山地區生態彈性力指數從西北向東南呈現逐漸上升的趨勢,較低值出現在祁連山西部,較高值出現在祁連山中東部地區,表明祁連山東部地區的生態系統比西部穩定。整個祁連山的冰川覆蓋地區,生態彈性力指數也較小,這與高海拔、氣溫低,植被覆蓋率低,土壤有機質含量少有關。一般情況下,影響生態彈性力的主要因素是植被和降水。祁連山的中、東段屬于大陸性半干旱高山草原氣候,西段屬大陸性干旱荒漠氣候,降水量呈自東向西減少趨勢[29]。祁連山東部降水多濕度較大,西部降水少氣候干燥,東部較西部具有相對充沛水量,植被覆蓋率高,喬木林、灌木林、高寒草甸、草本沼澤廣布,生態系統類型豐富多樣,生態系統自我調節和恢復能力較強,生態彈性力也較高,西部地區受氣候影響,裸地、沙漠/沙地廣布,植被稀疏,生態彈性力低。

圖2 祁連山生態彈性力評價Fig.2 Ecosystem resilience evaluation of Qilian Mountains

3.2 生態敏感性評價

從水土流失、土地沙化、凍融侵蝕3個方面對生態敏感性進行評價。水土流失高度敏感區主要分布在祁連山西段和除冰川以外的大部分高山地區、這些地區大多是各個河流的中上游,處于冰川末端,凍融侵蝕強烈、地形起伏變化大,受山地降水和季風降水的影響較強烈,植被覆蓋率較低,且以裸地和零星分布的高寒草原為主,易發生水土流失,同時,甘肅省境內靠近河西走廊一側,也存在不同程度的水土流失(圖3)。土地沙化高度敏感區,主要分布在天峻縣以西,這些地區降水少,氣候干燥,蒸發強,且干燥度指數大于6,植被覆蓋度低于30%,又毗鄰庫姆塔格沙漠和柴達木沙漠,在人類不合理開發利用的情況下,極易加劇土地沙化(圖3)。凍融侵蝕高度敏感區主要分布在祁連山的西北部,且集中于海拔3600 m及以上區域,最高敏感區分布在海拔4500 m及以上區域,這些地區海拔高、氣溫年較差大、坡度陡、以陽坡為主、植被蓋度較低,增加了凍融侵蝕發生強度(圖3)。通過疊加分析,水土流失、土地沙化和凍融侵蝕三種現象在地域上重合,導致肅北縣、阿克塞縣、肅南縣、海西州轄區北部、天峻縣西北部成為生態高度敏感區,祁連山冰川主體部分都在生態最敏感地區,多年凍土處于生態較敏感地區,國家級鹽池灣保護區的核心區是最敏感區域,青海省祁連山自然保護區和甘肅省國家級祁連山自然保護區都位于此。

圖3 祁連山生態敏感性評價Fig.3 Ecological sensitivity evaluation of Qilian Mountains

3.3 社會經濟影響力評價

祁連山地區的社會經濟影響力評價結果見圖4。社會經濟影響力值越大,表明生態系統受到的壓力越??；值越小,表明生態系統受到的壓力越大。社會經濟影響力最大值主要分布在祁連山西段的肅北縣、阿克塞縣、海西自轄區(大柴旦)和中段的肅南縣(不包括北部區塊),人口密度為1—15人/km2,第一產業所占GDP的比重相對較低為3%—15%,第二產業所占GDP比重高達60%以上,除肅南縣以外,這些氣候干旱、植被稀疏的地區,人口稀少、對土地的依存度較小,社會經濟影響力的值較高,肅南縣(不包括北部區塊)是國家重點生態功能區,該地以高寒草甸和高寒荒漠景觀為主,近些年來,草原生態環境問題凸顯,政府已安排、部署生態環境的保護、監察、修復和治理工作。社會經濟影響力最小值區,主要位于祁連山東側,西寧市及周邊縣區的較高密度人口對農牧產品的需求量增大,人們大量開墾荒地,土地資源緊張,易形成潛在的水土流失和土地沙化,對農業生態環境造成巨大威脅。在祁連山中部地區,以海北州祁連縣、剛察縣,海西州天峻縣為代表,人口密度也低于10人/km2,是祁連山冰川與水源涵養生態功能區主體部分,社會經濟影響力處于中等水平,這些地區第一產業占GDP比重高達20%—30%,單一化的農業結構加劇了資源環境和人類需求的矛盾,經濟相對落后和科技水平較低,制約其對生態環境的保護和改善。

3.4 生態紅線劃定

對祁連山地區的生態彈性力、生態敏感性和社會經濟影響力評價結果進行疊加分析,綜合評價結果見圖5。綜合評價指數值在3.7—8.6之間,按照GIS的自然斷裂法將其劃分為3個級別：3.7—5.3為生態紅線區,面積61549 km2,占研究區總面積的32%；5.3—6.2為生態黃線區,面積為77469 km2,占研究區總面積的40%；6.2—8.6為生態綠線區,面積為53201 km2,占研究區總面積的28%。

3.4.1生態紅線區及開發建議

生態紅線區主要位于祁連山中段托來山以南、西南段、東段的青海湖及區內所有冰川分布地區。生態紅線區中所占面積較大區域是海西州自轄區(大柴旦)、德令哈,處于“低穩定、高敏感、低壓力”狀態,海西州自轄區屬于內陸高原荒漠氣候,年均降水量50—100 mm,荒漠廣布,植被覆蓋度低于20%,生態彈性力低,區內有冰川和凍土分布,且以季節凍土為主,存在一定強度的凍融侵蝕,人類不合理的采礦和開墾,導致草地進一步退化、沙化。目前,該區人口較少,除采礦開發外,其他社會經濟活動對生態環境的壓力較小,且該區位于柴達木盆地,礦產資源豐富,應以點開發,以面保護,發展循環經濟為主。德令哈境內的哈拉湖周邊冰川和凍土廣布,植被覆蓋度低于35%,地形起伏大,生態環境敏感性較強,其人口密度高于大柴旦,對生態環境也會造成不可忽視的負面影響。

甘肅祁連山自然保護區肅南縣境內的西側,處于“中等穩定、較高敏感和低壓”狀態,年均降水量100—400 mm,植被覆蓋度低于50%,林地和草地交錯分布,生態系統處于中等穩定狀態。該區冰川分布集中,生態環境高度脆弱,且盛行西風,靠近沙源地,易加速土地沙化現象,并且位于祁連山自然保護區,但存在一定比例的農牧業人口,生態環境易遭到人為破壞,應適度引導生態移民,減輕壓力。

在上述的生態紅線區中,祁連山冰川分布地區是最重要的紅線區,生態環境高度脆弱,也是西部干旱區最重要的重要水源補給區,應實行最嚴格管控,禁止祁連山冰川的末端及周邊進行大規模人類開發建設活動,已經開發建設的冰川探險旅游項目,應在保護冰川、旅游環境治理、廢棄物管理和污染控制的基礎上,加強環境監測,保持適度保護性旅游開發,其他紅線區應根據政府的相關政策和要求進行調整。

3.4.2生態黃線區及開發建議

生態黃線區是祁連山分布面積最廣的區域,主要集中在祁連山西段、青海湖周邊、湟水谷地的中游,烏鞘嶺南部,以肅北縣、阿克塞縣為代表,基本分布在生態紅線的周邊。生態黃線區主要處于“中穩定、中敏感,中壓力”狀態,在維護生態系統穩定和農產品供給中發揮著重要作用,關系到較大范圍的生態安全,其級別僅次于生態紅線區,大部分屬部分農產品的主產區,小部分屬于國家重點生態功能區,以修復治理生態環境和提供部分農產品為主,允許適度開發能源和礦產資源。

西寧市的湟中縣、大通縣、海東市的互助縣及周邊屬生態黃線區,處于“高穩定、中敏感和高壓力”狀態,年均降水量350—400 mm,植被覆蓋度高于40%,生態彈性力指數較大,動植物資源豐富。該區地處湟水中游盆地,存在潛在土壤鹽漬化現象,也屬農牧交錯帶,生態環境脆弱,較高的人口壓力使得大量開墾荒地,易造成水土流失。由于該區屬于青海省重點開發區,在開發過程中,應注重水土保持和土壤鹽漬化的改良,保持必要的耕地和綠色生態空間,積極調整產業結構,提高服務產品和工業品的質量,以實現區域可持續發展。城市建設易擠占耕地和生態用地,影響城市生態系統安全,城市開發邊界應介于生態保護紅線與現有建設用地邊界線之間,提高現有建設用地利用效率、優化城市空間布局[52]。

3.4.3生態綠線區及開發建議

生態綠線區處于“高穩定、低敏感、低壓力”狀態,主要分布在疏勒南山以東地區,以剛察縣、祁連縣、門源縣、天峻縣、海晏縣、肅南縣為代表,人口密度在10人/km2左右,植被覆蓋度高于50%,以森林、草地、濕地生態系統為主,生態承載力高,生態環境功能較強,是國家生態保護的戰略要地,綠線區主要位于國家級重點生態功能區,是祁連山冰川與水源涵養生態功能區的主體部分,也是河西內陸河流域的生態屏障,祁連山地區的國家森林公園、自然保護區多數位于綠線區,動植物資源豐富。目前局部地區不合理開采,導致草原退化嚴重,生態環境惡化。該區應以生態修復、保護環境、提供生態產品為主,以農牧產品、工業品、服務產品為輔,通過政府征求多方意見和建議,統一合理規劃,因地制宜地發展以生態環境保護為主的相關產業,分區連片對旅游區進行統一規劃,包括藏族、裕固族、蒙古族、哈薩克族等民族文化,開展各具民族特色的體驗式生態旅游,構建民族文化生態旅游區,將地方宗教文化與自然旅游資源、鄉村與城市旅游相結合,形成組團式開發模式[53],在保護自然環境同時,也保護地方文化景觀。

4 結論與討論

通過對研究區的綜合評價分級,劃定了生態紅、黃、綠線區,分別占研究區面積的32%、40%、28%。生態紅線區主要位于祁連山的西南段,托來山以南、東部的青海湖及區內所有冰川分布地區,其中,祁連山冰川分布區是最重要的紅線區,占紅線區的2.5%,其生態環境高度脆弱,也是西部干旱區最重要的水資源來源地,應實行最嚴格的管控,禁止祁連山冰川的末端及周邊進行大規模人類開發建設活動；生態黃線區是祁連山分布面積最廣的區域,以修復生態環境和提供部分農產品為主,在當地資源環境可承載范圍內,可允許適度開發能源和礦產資源；生態綠線區主要位于國家級祁連山冰川與水源涵養重點生態功能區的主體部分,應以生態修復、保護環境、提供生態產品為主,將地方宗教文化與自然旅游資源、鄉村與城市旅游相結合,形成組團式開發模式,開展各具民族特色的生態旅游,在保護自然景觀的同時,保護必要的文化景觀。

祁連山生態紅線區占研究區面積的32%,這相對于其他地區(渤海[21]、呼倫貝爾草原[22]、鄂州市[54]、貴安新區[55]、淄博[56]等)劃定的生態紅線區的面積比例18%—31%稍高,而且祁連山生態綠線區是生態系統較穩定的區域,生態環境功能較高,屬限制開發區,與上述其他地區的研究存在差異,是其生態戰略地位重要所致,祁連山地區主體部分既是國家級祁連山冰川與水源涵養重點生態功能區,也是眾多國家級自然保護區的核心區所在地,如祁連山國家級自然保護區、鹽池灣國家級自然保護區、連城國家級自然保護區等。本文也存在不足之處,生態紅線劃定方面沒有考慮完整的行政區劃,而是以整個祁連山地區為邊界,某種程度上忽視了祁連山周邊地區的邊緣效應。但在綜合評價中,考慮到人類活動的能動性,紅線劃定過程中將凍融侵蝕敏感性作為生態敏感性評價的因子,以期為高寒區生態紅線劃定提供參考。

致謝：感謝國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據共享平臺(http://www.geodata.cn)和寒區旱區科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)提供的數據支撐,感謝中共甘肅省委黨校經濟社會發展研究所溫煜華老師幫助指導。