區域尺度生態保護紅線分區研究：以我國西北地區為例

許 靜，吳鑫悅，李文龍

（1. 蘭州財經大學農林經濟管理學院西部資源環境與區域發展研究中心，甘肅 蘭州 730101；2. 蘭州財經大學經濟學院，甘肅 蘭州 730101；3. 蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020）

西北地區深居中國西北部內陸，在黃土高原–黃河中上游以西，昆侖山–阿爾金山–祁連山–秦嶺以北，包括新疆、青海、甘肅、陜西、寧夏五省(區)，約占全國總面積的1/3。西北地區自古以來就是保障國家安全的重要屏護，具有重要的戰略地位。西北地區經濟發展落后、人均收入較低，加快發展仍然是該區當前和今后一個時期的緊迫任務。然而，西北地區生態環境極為脆弱，生境條件相對惡劣[1]。特殊的生態現狀和生態區位，決定了西北地區承擔國家生態安全屏障的關鍵使命，必須在確保生態安全的前提下，實現產業布局調整和經濟增長方式轉型。

作為生態環境問題催生的新興領域，生態保護紅線不僅可以對潛在重大生態問題起到警示作用，還可以為區域生態安全與狀態穩定起到保障作用。生態保護紅線作為維護生態安全、推進生態文明的保障線以及促進地區經濟高質量發展、建設美麗中國的起點線，也已成為我國政府著力推行的關鍵舉措。2015 年，原環境保護部在《生態保護紅線劃定指南》(以下簡稱《指南》)草案中明確生態保護紅線是管控與保障生態安全的基本指導線，即在具有重要生態服務功能的，生態環境脆弱、敏感的區域依法劃定的空間界線；2017 年在正式印發的《指南》中進一步闡述了生態保護紅線是具有水源涵養、生物多樣性維持等重要生態服務功能，以及存在水土流失、土地“三化”等生態環境敏感脆弱性，必須加以嚴格管控的區域。與此同時，國內學者也從各自的研究領域出發，開始對生態保護紅線進行深入細致的研究，生態保護紅線的內涵不斷豐富和發展[2-4]，已由最初的生態系統保護或生態安全維護拓展到生態系統結構和功能健康穩定等方面，更加注重生態保護紅線的內在機理與外在形式的表征[5-8]。

在生態保護紅線分區研究與實踐方面，盡管國內外沒有明確的生態保護紅線分區的相關提法，但其實質已經體現在自然保護區建設、生物多樣性保育、生態系統恢復以及土地利用規劃等方面的研究中，與生態保護紅線的內涵和本質相互印證，如美國的國家公園[9]、歐盟的生態基礎設施[10]、沿海國家的海岸建設退縮帶[11]等。在我國，早期的生態保護紅線分區是直接將自然保護區、風景名勝區和歷史文化區等納入保護區范圍[12-13]。隨著空間信息技術、空間統計方法的迅猛發展，以地理信息系統(Geographic Information System, GIS)支持為主要手段的空間區劃方法已成為主流，且多以生態系統服務功能、生態環境敏感性的差異作為生態保護紅線分區依據[14-16]。此外，也有研究基于生態網絡思想[17]、最小累積阻力模型[18]、壓力狀態響應模型[19-20]等對生態保護紅線分區進行了探索和實踐。雖目前的生態保護紅線分區方法有較大發展，但仍存在以下問題亟待改善：第一，生態環境問題具有典型的尺度性和區域差異性。多數研究忽略了生態系統特征、生態系統結構完整性及生態風險在生態系統健康穩定與生態安全維護中的重要作用；第二，區域尺度上的研究可以協調各行政區在生態保護空間劃分上存在的差異和矛盾，解決相鄰地理單元在分區中出現的無法銜接、空間沖突等問題[21-22]，避免生境破 碎 化。然 而，多 數 研 究 以 省[5,23-24]、市[8,12, 25]為 空間范圍，在區域尺度上的研究非常有限。

綜上，本研究以生態保護紅線理論為基礎，優化分區指標體系和劃分方法，在生態系統服務功能、生態環境敏感性評估的基礎上，充分考慮區域生態脆弱性和生態風險的空間分異，對西北地區進行生態保護紅線分區。研究旨在完善生態保護紅線理論，以及為各級政府國土空間管理、規劃實踐提供理論依據和有益參考。

1 研究方法

1.1 二級生態保護紅線分區體系

從空間尺度上分析生態保護紅線分區的影響要素，生態脆弱性的影響尺度較大，生態系統服務功能、生態環境敏感性和生態風險水平的影響尺度次之。并且，生態脆弱性表現得相對穩定，在很大程度上決定著西北地區生態系統特征空間分異格局。由此，本研究在充分考慮西北地區生態脆弱性特征、生態系統服務功能、生態環境敏感性以及生態風險空間分異的基礎上，通過建立二級分區體系對西北地區進行生態保護紅線分區。首先進行區域生態脆弱性評價與分區，然后以《指南》為依據，開展西北地區生態系統服務功能評估、生態環境敏感性評估和區域生態風險評估。其中，將每一項要素屬性與特征進行等級評定，并根據每一項要素在決定生態系統結構和功能健康、安全、穩定中的作用測算權重，綜合評定后納入生態保護紅線劃分范圍。各要素在柵格單元尺度上進行分區后，通過空間聚類方法向上一級合并，最終形成生態保護紅線空間疊加圖。

1.2 生態保護紅線分區指標體系

一級區表達生態保護紅線分區的宏觀背景，即生態脆弱性的自然屬性差異，主要指地帶尺度上的溫度、降水與植被覆蓋度等宏觀影響因素；二級區表達生態保護紅線分區的直接影響要素，即生態系統服務功能、生態環境敏感性與區域生態風險的空間分異。在選擇分區指標時考慮其獨立性與顯著性，并建立生態保護紅線分區指標體系(表1)。

表1 西北地區生態保護紅線分區指標體系Table 1 Zoning index system for ecological conservation redline zoning in northwest China

1.3 指標評估與分區方法

1.3.1生態脆弱性評估方法

結合西北地區基本生態特征以及指標間的可操作性、可比性與精煉性，選取年均降水量、年均溫度[26-27]和植被覆蓋度[28-29]作為表征區域生態脆弱性的關鍵指標，以分析西北地區生態脆弱性的空間分異規律。基于2015年氣象數據與植被覆蓋數據，對各指標進行單因子評估，歸一化并綜合單因子評估結果，得到生態脆弱性綜合評估結果，并利用ArcGIS 10.2軟件的重分類工具，完成西北地區生態脆弱性一級分區方案。

1.3.2生態系統服務功能和生態環境敏感性評估方法

依據《指南》，對生態系統服務功能(水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維持)以及生態環境敏感性(水土流失、土地沙化)進行評估。鑒于西北地區生態系統所承擔的上述各項服務功能的重要性，以及各類生態環境的敏感性有所差異，在進行綜合評價時需要考慮各項功能的權重。熵權法基于熱力學原理，因具有客觀性強、適用多指標綜合決策等優點而被廣泛用于區域生態綜合評估[30]。本研究采用熵權法對各項生態系統服務功能以及各類生態環境敏感性進行賦權，具體方法參見文獻[31]。

1.3.3生態風險評估方法

景觀生態風險指數是衡量外界干擾下生態系統動態變化的一系列景觀格局參數，如景觀破碎度、分離度、損失度等[32]?；谌珖恋刭Y源分類系統和西北地區土地利用現狀，將景觀類型劃分為8類，即耕地、森林、草地、灌木、濕地、水體、建設用地和裸地。采用等間距系統采樣法，以10 km ×10 km 的正方形樣地對景觀損失度指數空間化，共劃分風險小區29 274個。在GIS支持下，建立西北地區景觀格局矢量圖，利用空間分析方法探討西北地區生態風險指數空間分異，具體內涵與計算方法如下：

景觀破碎度指數(Ci)：表征在一定時段內，景觀由單一均勻的連續整體轉變為復雜異質的斑塊鑲嵌體，即景觀整體或部分的破碎化程度。隨著破碎度增加，景觀內部穩定性和生態系統穩定性都會降低。

式中：ni為景觀類型i的斑塊數；Ai為景觀類型i的總面積。

景觀分離度指數(Ni)：表征景觀中各類景觀要素的分離程度。值越高，表明各要素在空間分布上越分散，景觀結構越復雜，破碎化程度越高。

式中：ni為景觀類型i的斑塊數；Ai為景觀類型i的總面積；A為景觀總面積；li為景觀類型i的距離指數。

景觀優勢度指數(Di)：表征斑塊在景觀中的主導地位，反映斑塊對景觀格局及其動態的影響程度，優勢度越小則景觀多樣性越大。

式中：Qi為斑塊i出現的樣方占比；Mi為斑塊i的數量占比；Li為斑塊i的面積占比。

景觀干擾度指數(Si)：表征景觀受到外界干擾，特別是人類活動的影響程度。

式中：Ci為景觀破碎度指數，Ni為景觀分離度指數，Di為景觀優勢度指數，a、b、c為各景觀指數的權重。

景觀脆弱度指數(Fi)：表征受到外界干擾后生態系統的損失程度，與群落演替階段有關。處于演替初級階段、群落結構簡單的生態系統脆弱度較高，專家咨詢并歸一化。耕地、森林、草地、灌木、濕地、水體、建設用地和裸地的景觀脆弱度指數賦值，分別為0.111、0.056、0.119、0.103、0.194、0.167、0.028和0.222。

景觀損失度指數(Ri)：表征生態系統在受到外界干擾后，其自然屬性的損失程度。

式中：Si為景觀干擾度指數，Fi為景觀脆弱度指數。

生態風險指數(ERIi)：式中：Ri為景觀i的損失度指數，Aki和Ak分別為風險小區k中景觀類型i的面積與風險小區k的總面積。經查閱文獻與專家咨詢后，破碎度、優勢度和分離度分別賦予0.6、0.1和0.3的權重[33]。

1.3.4生態保護紅線分區方法

在分區過程中，基于“自下而上”的定量合并與“自上而下”的空間系統劃分相結合的思想，指導各指標向高一級合并，以提高分區的科學性和準確性。在空間聚類時，采用歐式距離衡量各因子或指標間的相似度，運用K 均值聚類法進行生態保護紅線分區定量。K 均值聚類的主旨思想是迭代。在確定分類類別后，首先選定初始聚類中心，按最小距離法將數值分配到中心，然后計算新的變量中心，循環上述步驟，直到中心不再改變，則聚類完成[34]。各指標進行初步分區后需進行邊界綜合調整，將一級區分區界線作為約束條件，指導修正二級區分區界線，即由生態脆弱性分區界線約束，指導識別生態系統狀態分區界線。此外，結合“就高不就低”的原則綜合考慮，合并處理零碎斑塊，將其劃入相應級別的分區。

參考《生態保護紅線劃定指南》，本研究中所使用數據主要來源于中國氣象科學數據共享服務網、國家生態系統觀測研究服務系統網、全國生態狀況遙感調查評估成果、全國生態環境調查1∶100萬土壤數據庫、地理空間數據云網站等。

2 研究結果

2.1 生態保護紅線一級分區

依據生態脆弱性評估結果，西北地區可分為6個生態保護紅線一級分區(圖1)，生態脆弱性由高至低分別為A 區、B區、C區、D區、E區、F區。

A 區：青海中–西部至新疆南–西部寒帶中溫帶干旱低植被覆蓋區。該區面積69.6萬km2，占西北地區總面積的24.5%，平均海拔在6個一級分區中最高，為4 131 m，人口密度和GDP密度在6個一級分區中均為最低，分別為2.8人·km?2和10.7萬元·km?2。

B區：塔里木–準噶爾–柴達木–河西走廊–寧夏北部中溫帶暖溫帶干旱極干旱低植被覆蓋區。該區面積在6個一級分區中最大，為128.96萬km2，占西北地區總面積的45.3%，平均海拔為1 291 m，人口密度為18.9人·km?2，GDP密度為75.4萬元·km?2。

C區：天山阿爾泰山中溫帶亞干旱較高植被覆蓋區，位于新疆北部邊緣地帶。該區面積19.5萬km2，占西北地區總面積的6.9%，平均海拔為1 572 m，人口密度為42.4人·km?2，GDP密度為266.2萬元·km?2。

D區：青海東–南部至寧夏南部陜西北部高原溫帶中溫帶亞濕潤中植被覆蓋區。該區面積45.0萬km2，占西北地區總面積的15.8%，平均海拔為3 315 m，人口密度為51.9人·km?2，GDP密度為153.4萬元·km?2。

E區：伊犁平原東部中溫帶亞干旱高植被覆蓋區。該區面積0.73萬km2，僅占西北地區總面積的0.3%，平均海拔為1 692 m，人口密度為39.4人·km?2，GDP密度為95.2萬元·km?2。

F區：陜西中–南部至甘肅東–南部暖溫帶北亞熱帶濕潤高植被覆蓋區。該區面積20.4萬km2，占西北地區總面積的7.2%，平均海拔為1 267 m，人口密度和GDP 密度均在6個一級分區中最高，分別為203.4人·km?2和777.7萬元·km?2。

2.2 生態保護紅線二級分區

由熵權法測算的水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性維持的權重分別為0.610、0.130、0.030和0.230；水土流失和土地沙化敏感性的權重分別為0.516和0.484。以西北地區生態脆弱性空間分異為基礎劃分生態保護紅線一級區(圖1)，綜合西北地區的生態功能重要性(圖2)、生態環境敏感性(圖3)與區域生態風險(圖4)等級的劃分結果，并以此為依據劃分50個生態保護紅線二級分區(圖5)，各區代碼、名稱及特征值如表2所列。

圖1 西北地區生態保護紅線一級分區圖Figure 1 First level zoning of the ecological conservation redline in northwest China

圖2 西北地區生態系統服務功能等級空間分異圖Figure 2 Spatial differentiation of ecosystem services in northwest China

圖3 西北地區生態敏感性等級空間分異圖Figure 3 Spatial differentiation of ecological sensitivity in northwest China

圖4 西北地區生態風險等級空間分異圖Figure 4 Spatial differentiation of ecological risk in northwest China

表2 西北地區生態保護紅線分區名稱及特征值Table 2 Names and characteristic valuesfor ecological conservation redline zoning in northwest China

續表2Table 2(Continued)

圖5 西北地區生態保護紅線分區圖Figure 5 Ecological conservation redline zoning in northwest China

3 討論

3.1 西北地區生態保護紅線分區結果

西北地區生態脆弱性高等級區面積較大，約占總面積的70%，主要分布在新疆大部，青海北部、中部，甘肅北部、西部和寧夏北部、中部(圖1，A 區和B區)；生態脆弱性中等級區面積約占總面積的22%，主要分布在新疆北部邊緣區、青海東部、南部，甘肅中部，寧夏南部，陜西北部(圖1，C區和D區)；生態脆弱性低等級區面積僅占總面積的8%，主要分布在伊犁平原東部，甘肅東部、南部以及陜西南部(圖1，E 區和F區)。

西北地區生態系統服務功能等級呈現由東南向西北逐漸遞減的趨勢。高值區(6、7級區)主要分布在陜西南部及陜西、甘肅交界地帶，僅占西北地區總面積的9%；中值區(3、4、5級區)主要分布在青海大部、甘肅南部、新疆北部等地區，占總面積的43%；低值區主要分布在新疆塔克拉瑪干沙漠、青海柴達木沙漠地區，占總面積的48%(圖2)。

西北地區生態環境敏感性高值區(6、7級區)集中在新疆東部和西南部邊緣區、甘肅和青海交界處以及青海西南部，占總面積的22%；中值區(3、4、5級區)主要分布在甘肅中部、青海大部、寧夏、新疆中部，占總面積的63%；低值區(1、2級區)分布在陜西北部、中部地區，新疆北部、中部以及南部邊緣地帶，占總面積的15%(圖3)。

西北地區生態風險高值區(6、7級區)主要分布在新疆北部、南部和東部地區，甘肅西北部地區以及青海西北部地區，占總面積的35%；中值區(3、4、5 級區)主要分布在新疆西北部、陜西北部、青海大部、寧夏和甘肅中部，占總面積的38%；低值區(1、2級區)集中分布在陜西中部、南部地區以及甘肅南部地區，占西北地區總面積的27%(圖4)。

3.2 二級綜合分區體系的優越性

首先，二級生態保護紅線分區體系不僅能夠反映西北地區生態脆弱性的空間分異規律，體現生態脆弱性與生態功能重要性、生態環境敏感性及生態風險間的關系，而且能夠從不同的空間尺度上更全面系統地闡釋生態系統特征、結構、功能及狀態；其次，本研究將區域生態風險評估納入生態保護紅線分區體系中，并通過引入權重充分考慮生態系統服務功能、生態環境敏感性、區域生態風險中各單項指標在決定生態系統狀態中的相對重要性，改進和完善了生態保護紅線分區指標體系和技術方法，使其能夠更客觀地表征關鍵生態屬性的空間分異規律；再次，區域尺度上的生態保護紅線分區可以協調各相鄰行政區在保護區分區中的空間沖突和矛盾，解決由行政邊界導致的地理單元在生態保護區劃分中出現的隔離問題，保證生態系統的結構完整性和連通性；最后，在3S技術支持下，基于“自下而上”的定量合并與“自上而下”的空間系統劃分相結合的思想，采用多維聚類、分區分級等定性定量相結合的方法，將柵格尺度的分區數據定量綜合到基本分區單元，極大地提高了分區界線的準確性。

4 結論

本研究依據國家在生態保護紅線方面的宏觀政策要求和技術指導，充分考慮西北地區最顯著的生態環境特征(生態脆弱性結合生態系統服務功能、生態環境敏感性與區域生態風險等要素的空間分異特征)，構建了多尺度、多要素的生態保護紅線二級分區體系并進行了分區，進一步體現了西北地區生態系統特征的空間分異，為西北地區生態保護紅線分區優化提供了定量參考。研究結果表明，西北地區可分為6個一級分區，生態脆弱性由高至低面積占比分別為24.5%、45.3%、6.9%、15.8%、0.3%和7.2%。在一級分區約束下，基于生態系統服務功能、生態環境敏感性和區域生態風險決定的生態系統狀態，將西北地區進一步劃分為50個生態保護紅線二級分區。

由于生態保護紅線的本質是一條空間界線，且生態學單元具有很強的尺度效應，不同尺度的數據、規律無法建立起有效的對應關系，會導致指導性不足或偏差等問題。后續研究應在不同空間格局上，全面構建以生態保護紅線為空間界線的，以數值型紅線為指導標準的多尺度立體式綜合紅線體系，全面保障和維護生態系統安全。