楚 智,徐長春,2,*,羅映雪,孫 琪
1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046
當前我國正經歷著經濟社會高速發展帶來的環境危機,習近平主席提出中國必須從“先發展,后治理”向“生態文明”轉變,發展應尊重生態環境承載力,力求在全國范圍內進行協調統籌維持社會福利的關鍵要素——能源和資源[1-2]。中國是第一個制定關于生態環境保護國家政策的主要經濟體,要求政府在土地利用規劃中建立環境、社會和經濟評估,即生態保護紅線政策[3]。生態保護紅線區域是在土地利用規劃中建立環境安全評估標準的一種嘗試,被定義為“保證和維護生態安全和功能以及生物多樣性所需的最低生態面積”[1,4]。生態保護紅線區域范圍內具有特殊重要生態功能、是必須進行強制性嚴格保護的區域,同時也是保障和維護國家生態安全的底線和生命線。劃定生態保護紅線并實行永久保護,對維護國家和地區國土生態安全、促進經濟社會可持續發展和推進生態文明建設具有十分重要的現實意義[5-9]。但由于劃定主體不同、對紅線區的認識不同,加之同級行政區范圍差異大,評價數據精度、時效性不一致,造成跨行政區的紅線分布存在明顯的不連續、空白或邊界錯亂現象,割裂了山脈、河流、濕地、植被等自然地理要素的空間完整性,難以形成生態保護紅線全國“一張圖”[10]。為此,應打破行政區域界線,開展流域整體的生態保護紅線區域劃定,并在此基礎上進行地區銜接,明確行政職能范圍。
生態系統服務的概念自提出以來[11],便引起了學術界的廣泛關注。隨著生態系統服務價值的理論和分類體系的逐漸完善,因其直觀的貨幣化評估特點而得到了更加廣泛的應用[12-15],以生態系統服務價值評估為基礎的政策效益研究成為其發展趨勢[16-20]。Bai等[3]提出了一種跨科學-政策的生態系統服務框架建立生態保護紅線區域,分析表明生態保護紅線政策對上海市的環境服務戰略規劃可以減少環境質量和發展之間的矛盾;肖甜甜[21]基于生態系統服務評價建立圍填海區域景觀生態保護紅線劃分方法;劉軍會等[10]依據《生態保護紅線劃定指南》[22],再結合京津冀地區生態系統現狀,選取了部分指標建立評價指標和評價模型,開展生態系統服務重要性和生態敏感性評價并建立生態保護紅線區域;徐夢佳等[9]構建生態資產及其價值評估指標體系評價了山東省東營市生態保護紅線區域的生態效益。由此可見,如何建立科學的評價模型劃分生態保護紅線保護區域并綜合評估生態保護紅線政策的生態效益是一個熱點問題。
塔里木河流域是我國最大的內陸河流域,對我國干旱內陸區經濟發展和生態文明建設起著舉足輕重的作用。為緩解發展與環境的矛盾,推進生態文明建設進程,塔里木河流域管理局與陳亞寧團隊合作開展“塔里木河流域生態需水量及重要生態工程研究”。依據前人成果[23-28],在綜合考慮塔里木河流域生態需水狀況和干流綠色帶的基礎上,陳亞寧[29]確定塔里木河流域平原區天然植被現狀分布區域(總面積47771 km2)為生態紅線的保護范圍,包括自然綠洲、荒漠和綠洲荒漠過渡帶的天然植被。然而,該劃定方法主要依據流域下游平原區自然植被現狀,并未考慮到中上游等地生態系統完整性,也忽視了土壤、海拔、氣候、NPP等因子帶來的生態系統服務功能的差異性。
本研究以《生態保護紅線劃定指南》為依據,綜合考慮塔里木河流域生態功能極重要區和生態環境極敏感區,并加入湖泊冰川等禁止開發區域劃定生態保護紅線,通過紅線區生態服務功能靜態評估,以及生態保護政策在研究區未來土地利用變化情景中的動態效益分析,旨在為塔里木河流域的未來土地利用規劃和發展方式提供思路。
塔里木河流域(71°39′—93°45′E,34°20′—43°39′N)位于新疆維吾爾自治區南部,總面積1.028×106km2,是我國最大的內陸河流域(圖1)。塔里木河全長2179 km,由葉爾羌河、和田河、阿克蘇河匯合而成,主要補給水源為高山冰雪融水[30]。受區域地形地貌影響,流域內降水稀少,蒸發強烈,形成了典型的大陸性干旱氣候[24]。多年平均降水量17.4—42.8 mm,多年平均氣溫10.6—11.5℃[31-33]。土地利用類型以未利用地和草地為主。

圖1 塔里木河流域Fig.1 Tarim River Basin
遙感數據:2001—2015年歸一化植被指數(NDVI)、植被凈初級生產力(NPP)和蒸散發數據(ET),分別來源于美國國家航空航天局NASA提供的MOD13Q1、MOD17A3和MOD16A3數據(http://reverb.echo.nasa.gov),空間分辨率分別為250 m、1 km、1 km。經過剔除異常值、重投影、掩膜和重采樣等預處理,得到塔里木河流域2001—2015年的逐年、逐月影像。
氣象數據:降水、氣溫、風速和大風日數等數據以及各個氣象站點數據,來源于國家氣象信息中心的中國地面氣候資料數據集(https://data.cma.cn/),并采用ANUSPLIN插值方法并裁剪得到塔里木河流域的1 km氣象數據柵格圖。
社會經濟數據:1995年、2005年、2010年、2015年4期公路、鐵路、河流、湖泊、人口、GDP和全國30 m土地利用等數據,來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)。利用ArcGIS軟件分析功能獲取到250 m分辨率柵格數據圖。
其他數據:土壤數據來源于中國科學院南京土壤研究所的中國1∶100萬土壤數據庫,數字高程模型(DEM)來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)。地下水數據來源于國家科技資源共享服務平臺(http://www.cnern.org.cn/)。為統一塔里木河流域地區的評價尺度,研究中所用數據均采用WGS_1984_Albers投影,空間分辨率統一為250 m。
2.2.1生態保護紅線確定方法
根據《生態保護紅線劃定指南》[22](環辦生態[2017]48號),考慮到數據的可獲取性和研究區適用性,用定量指標法(表1)對流域生態功能的重要性和生態環境敏感性進行了評估并對評估結果進行了分級賦值(表2)。根據歸一化后的生態系統服務重要性、生態敏感性評價柵格圖將流域分為三大類:極重要(極敏感)、重要(敏感)和一般重要(一般敏感),最后,選取生態功能極重要和生態環境極敏感區域納入生態保護紅線區域。

表1 生態保護紅線劃定的計算方法Table 1 Calculation method for red line delineation of ecological protection

表2 生態服務功能重要性和生態環境敏感性分級賦值Table 2 Classification of importance and sensitivity of ecological service function
在綜合考慮生態功能極重要區域和生態環境極敏感區域的基礎上,剔除耕地和建筑用地,并加入湖泊、永久冰川區域等國家禁止開發區域作為生態保護紅線區域。為精確確定生態保護紅線邊界,利用ArcGIS中的聚合工具將鄰近的圖斑聚合為相對完整連片的大塊圖斑,并將面積小于1 km2的獨立圖斑扣除,降低斑塊破碎化程度,形成邊界清晰、便于管理、生態完整性較好的生態保護紅線區。
2.2.2未來土地利用情景模擬
為定量地分析生態保護紅線政策在塔里木河流域經濟社會發展中的生態效益,選取FLUS模型模擬未來不同情景下的土地利用變化。
通過建立logistic回歸模型來確定各種LUCC類型(響應變量)與LUCC變化驅動因素(解釋變量)之間的關系,篩選出對LUCC變化影響顯著的因素作為模型模擬的驅動因子:坡度、坡向、高程、氣溫、降水、GDP、人口、到河流距離、到鐵路距離、到公路距離、到城市距離、到湖泊距離。將塔里木河流域2005年和2010年土地利用數據作為模擬數據(依據前人研究[34]將土地利用類型的鄰域因子參數設定為0.5、0.1、0.2、0.1、1、0.3),2015年土地利用數據作為驗證數據,得到FLUS模型在塔里木河流域土地利用變化模擬中的Kappa系數為0.9637,精度較高,可以滿足未來LUCC模擬要求。
2.2.3生態系統服務價值
參考謝高地等[35]制定的單位面積生態系統服務價值當量表,并根據塔里木河流域具體情況對其進行修正以后進行計算。計算公式為:
ESV=∑Ai×VCi
式中,ESV為生態系統服務價值總量;Ai為研究區第i類土地利用景觀的面積;VCi為第i類土地利用景觀的單位價值系數,即修正后的單位面積生態系統服務價值。為了保證生態系統服務價值當量表在塔里木河流域的適用性,選取NPP、降水和土壤保持調節的時空動態因子,結合生態系統服務價值基礎當量表,構建適用于研究區的生態系統服務時空動態變化價值當量表。
2.2.4景觀生態風險指數
景觀格局和景觀配置狀況往往能反映出該地生態系統的質量優劣,及調節生態風險損失的能力。景觀格局指數是反映地區生態系統結構組成及空間配置的定量指標。本文選取景觀指數建立生態風險指數模型[36],公式如下:
LLIi=LSIi×Fi
LSIi=aLFIi+bLNIi+cLDIi
式中,ERIk為第k個單元的生態景觀風險指數,Aki為k單元內i類景觀的面積,Ak為k單元內景觀總面積,LLIi為i類景觀損失度指數,LSIi為景觀結構指數,Fi為脆弱度指數,LFIi為破碎度指數,LNIi為分離度指數,LDIi為優勢度指數。a、b、c為計算景觀結構指數LSIi的指標權重,參考前人研究[36-37],分別賦值0.5,0.3和0.2;6種用地類型脆弱度指數Fi分別賦值0.2381、0.1429、0.1905、0.0952、0.0476、0.2857。
2.2.5雙變量空間自相關
空間自相關分析能夠檢驗具有空間位置的要素屬性值與相鄰空間點上的屬性值是否具有關聯性,包括全局空間自相關和局部空間自相關[37-38]。本文用全局Moran′sI指數來分析區域總體的空間關聯和空間差異程度;用雙變量局部空間自相關LISA來檢測局部地區是否存在顯著的生態系統服務價值和生態風險耦合的高高、高低、低低和低高集聚區。為直觀顯示二者關系分布情況,采用2 km×2 km格網對研究區進行空間采樣分析。
塔里木河流域生態保護紅線劃定結果如圖2所示,面積為133721 km2,占流域總面積的13.01%,主要分布在塔里木盆地東北部地區、河流邊緣綠洲、巴音布魯克草原,以及永久冰川和湖泊等地區。根據主導功能,塔里木河流域的生態保護紅線區域主要包括水土涵養、水土保持、防風固沙和維護生物多樣性四大生態功能極重要區以及土地沙化極敏感區。其中,土地沙化極敏感區和維護生物多樣性極重要區所占比例最高,分別占生態保護紅線總面積的60.21%和30.59%。

圖2 生態服務功能區、環境敏感區和生態保護紅線區劃定結果Fig.2 Results of delineation of ecological service functional area,environmentally sensitive area and ecological protection red line area
凈植被初級生產力(NPP)是估算地區生態系統支持服務和可持續發展能力的重要指標。經計算,生態保護紅線保護區范圍內的植被NPP多年平均總量為2.233×107g C,占研究區總量的40.81%,平均值為10.44 g C m2a-1,比紅線之外的研究區植被NPP平均值2.26 g C m2a-1高3.61倍。作為塔里木河流域最重要、最需要嚴格管控的生態空間,生態保護紅線區域提供了流域內46.62%的生物多樣性維護功能、36.10%的水土保持功能、56.00%的防風固沙功能和57.22%的水源涵養功能,劃定結果符合“以較小面積獲取較大服務”原則。
與國內其他區域[3,9-10]劃定生態保護紅線范圍相比,本研究劃定面積占比最小,卻得到生態系統服務價值和功能更加突出,代表性更強的結果;與塔里木河流域其他方法[29]劃定的生態保護紅線范圍相比,本研究劃定范圍更加全面,綜合考慮了流域生態系統極重要區域和生態環境極敏感區域,注重生態系統整體,涵蓋流域上、中、下游,而非僅僅保護流域下游平原區天然植被,對地區生態可持續發展研究具有重要的科學意義。
為進一步分析和比較生態保護紅線政策對塔里木河流域生態環境質量效益,首先計算當前生態保護紅線區域的ESV,及其在流域當中所占的比重(表3)。由表3可知,生態保護紅線區域以13.01%的面積提供了全流域44.55%的生態系統服務價值,除水文調節功能之外的其他生態服務功能貢獻值均超過了50%,生態保護紅線的劃定對于維持塔里木河流域自然資源與環境質量、促進地區生態可持續發展具有重要意義。

表3 2015年生態保護紅線區域各生態功能區生態系統服務功能價值/億元Table 3 Ecosystem service value of each ecological function zone in the red line of ecological Protection in 2015
從研究區各生態功能分區來看,各功能區類型ESV的比例大小依次為冰川湖泊>土地沙化>生物多樣性>水源涵養>水土保持>防風固沙。由于冰川湖泊的單位面積價值當量遠遠高于其他土地利用類型,因此占據最大比重;防風固沙極重要區的生態系統服務價值較低,是由塔里木河流域的地域環境特殊性決定的,流域內防風固沙能力較強的林地數量少,且均為干旱區植被,各項生態系統服務功能較低,不論是在NPP貢獻還是應對風沙的能力都顯著弱于國內平均水平,因此比重最小。
從生態系統服務價值結構功能來看,單項ESV比例大小依次為調節服務>供給服務>支持服務>文化服務。冰川湖泊在生態系統服務價值中的貢獻主要集中在水資源供給和水文調節,占生態保護紅線區域總價值的52.28%,由此可見在干旱區尤其是塔里木河流域,保護水體資源極為重要,對整個區域的可持續發展和生態環境質量提高都有重要意義。
3.3.1歷史變化與情景設定
在當前用地情景(S1)基礎上對未來不同土地利用情景(S2、S3)做出目標設定(表4),采用FLUS模型模擬并得到結果(圖3)。由不同年份土地利用面積(表5)可知,從1995—2015年塔里木河流域的土地利用變化趨勢:耕地和建筑用地不斷增加,林地先增加后減少,草地逐漸退化,水體起伏不定,未利用地不斷減少。其中,1995—2005年間流域林地保護和恢復效果明顯,水體面積也增加了4.48%,生態環境質量有顯著的改善。總體而言,近20年人類活動使得耕地和建筑用地面積分別增加了66.24%和59.80%,由此帶來草地持續退化,林地也在2005年之后不斷減少,雖然未利用地的開發對流域生態恢復起到一定的作用,但退耕還林還草,嚴守生態保護紅線的政策亟需落實。

表4 不同土地利用情景設定Table 4 Different land use scenarios

表5 不同年份土地利用面積/km2Table 5 Land use area in different years

圖3 不同土地發展情景下的土地利用空間格局Fig.3 Spatial pattern of land use in different scenariosS1:情景1 Scenario 1;S2:情景2 Scenario 2;S3:情景3 Scenario 3
3.3.2土地利用模擬結果對比分析
由表6可見,與S1相比,S2受社會經濟的發展影響,耕地面積增加33.50%,建筑用地增加34.55%,而草地面積的減少雖然對地區生態環境質量產生不利影響,但水體面積的增加使得塔里木河流域整體的生態系統服務價值并未產生較大變化。

表6 不同土地發展情景下生態系統服務價值/億元Table 6 Ecosystem service value under different land development scenarios
與S2不同,S3在綜合考慮生態保護紅線政策和退耕還林還草的目標下,尋求可持續發展的新方向。重點實施了退耕還林還草,保護河流濕地和未利用地的治理,生態保護紅線區域的劃定也使得流域內部穩定性大大提高。林地、草地和水體面積分別增加了10.80%、11.11%和17.02%,流域內總體生態系統服務價值提升了11.96%,土地空間格局得到進一步優化,生態系統調節能力顯著增強,環境質量得到改善。
3.3.3生態景觀格局指數分析
由表7可知,景觀破碎度大小依次為建筑用地>林地>水體>耕地>草地>未利用地,建筑用地和林地面積較小且分布較為分散,破碎度指數較高;與之相反,耕地、草地和未利用地面積較大且集中,呈面狀分布,破碎度指數較低;而水體雖然面積較大,但除了湖泊河流,占比最多的冰川分布在高海拔山區,地塊數量多,單個地塊面積小,因此水體的景觀破碎度也相對較小。從不同情景來看,林地和草地的景觀破碎度從大到小依次為S2>S1>S3,水體的景觀破碎度從大到小依次為S1>S2>S3,表明在S3情境下,對塔里木河流域的環境質量和系統服務能力提高較顯著的生態系統最為穩定,生態風險最低。景觀分離度指數與景觀破碎度指數有相同的特征,而由于三種情景下的土地利用分布格局并未有巨大的改變,景觀優勢度指數差距較小。對地區生態系統服務功能貢獻較大的林地、草地和水體均在S3的狀態下的景觀結構指數最小,說明其林地、草地和水體生態系統受到干擾的損失程度最 低,即在S3情境下塔里木河流域生態系統更加穩定,生態風險抗干擾能力最強。

表7 不同土地發展情景下各土地利用類型景觀格局指數Table 7 Landscape pattern index of different land use types under different land development scenarios
景觀損失度在一定程度上可以反映某個生態系統類型的遭受風險時的損失程度,損失度越大,其抵抗風險的能力越弱。從圖4中可以看出,S3情景下,整體的景觀損失度較小,尤其是林地、草地、水體的景觀損失度均顯著低于S1和S2。生態系統內部較穩定,擁有較高的抵抗風險能力,生態系統結構配置最優。

圖4 不同土地發展情景下各土地利用類型景觀損失指數 Fig.4 Landscape loss index of different land use types under different land development scenarios
3.3.4生態服務價值與生態風險耦合分析
采用雙變量自相關模型,分析塔里木河流域生態系統服務價值和生態風險指數的空間關聯特征。結果表明,S1、S2、S3的全局Moran′ sI指數(P=0.05)分別為0.202、0.222、0.186,說明生態系統服務與生態風險之間存在一定的正向空間關聯性。為了更加直觀地反映生態系統服務價值和生態風險指數之間的相關關系,得到局部空間自相關LISA分析結果如圖5所示,二者局部關聯性顯著區域主要分布在塔里木盆地邊緣綠洲,以及草地和耕地分布較為集中地區,分為高價值-高風險(HH)、高價值-低風險(HL)、低價值-高風險(LH)、低價值-低風險(LL)和不顯著(NS)五種模式。

圖5 不同土地發展情景下單位面積生態系統服務價值與生態風險指數空間耦合分布圖Fig.5 Spatial coupling distribution diagram of ecosystem service value per unit area and ecological risk index under different land development scenarios
高價值-高風險區(HH):指單位面積生態系統服務價值高,并且生態風險等級高的區域。主要分布在塔里木盆地的北部邊緣受人類活動影響較為強烈的綠洲地區,以及永久冰川和湖泊。綠洲地區的林地(天然的和人工的)分布較為分散,雖然生態系統服務價值較高,但同樣面臨著土壤鹽堿化以及過墾過牧帶來的一系列環境問題,易向未利用地轉變;高生態系統服務價值的永久冰川和水體分布范圍廣,但地塊小,數量多,抵抗生態風險的能力較低。
高價值-低風險區(HL):指單位面積生態系統服務價值高,但是生態風險等級低的區域。主要分布在塔里木盆地綠洲外部邊緣和高海拔的草地,這些區域生態系統類型單一,斑塊面積大,有較高的整體穩定性,受人為活動影響相對較小,不易遭到生態脅迫因素的侵擾。
低價值-高風險區(LH):指單位面積生態系統服務價值低,但是生態風險等級高的區域。塔里木河流域盆地北部邊緣的LH區域主要是耕地,分布在HH區域周圍,是HH區域高風險的延伸,但生態系統服務價值較低,正是因為LH區域的保護使得中心地區有較高的生態系統服務能力;塔里木盆地南部邊緣的LH區域由于生態系統服務價值較低,抵抗風險能力較差,容易受到風沙、鹽漬化、土地沙化的影響,向未利用地轉化,潛在生態風險較高。
低價值-低風險區(LL):指單位面積生態系統服務價值低,并且生態風險等級低的區域。圖中并未出現顯著的LL地區。
不顯著區(NS):指單位面積生態系統服務價值與生態風險指數集聚關系不顯著的區域。占研究區總面積的69.20%—70.87%,主要是成片分布的未利用地和草地,生態系統服務價值和生態風險指數分布都較為平均,不存在明顯的高值和低值中心。

圖6 不同土地發展情景下基于生態系統服務價值與生態風險指數局部自相關LISA頻次圖Fig.6 LISA frequency chart of local autocorrelation based on ecosystem service value and ecological risk index under different land development scenarios
由圖6可知,與S1相比,S2情境下生態系統服務價值高值面積略微減少,高生態風險區域增加了5.23%,但生態系統服務價值基本穩定,受生態脅迫因素影響的風險提升;S3情境下生態系統服務價值高值面積增加了5.95%,HL區域面積增加了6.37%,整體生態系統服務價值大幅度增加,受生態脅迫因素影響的風險顯著降低。對塔里木河流域生態系統功能最為重要的HH和大部分HL地區都在生態保護紅線區域劃定范圍,說明退耕還林還草、保護重點生態功能區域的生態保護紅線政策能夠為塔里木河流域的生態系統穩定和“既要金山銀山,又要綠水青山”的可持續發展提供方向和理論支持。
(1)劃定生態保護紅線區域總面積133721 km2,占流域總面積的13.01%,其中土地沙化極敏感區和維護生物多樣性極重要區的面積所占比例最高,分別為60.21%和30.59%。生態保護紅線區域的NPP占研究區總量的40.81%,植被NPP平均值比紅線之外的研究區平均值高3.61倍,并提供了流域內46.62%的生物多樣性維護功能、36.10%的水土保持功能、56.00%的防風固沙功能和57.22%的水源涵養功能,劃定結果符合“以較小面積獲取較大服務”原則。
(2)生態保護紅線區域提供了全流域44.55%的生態系統服務價值,除水文調節功能之外的其他生態服務功能貢獻值均超過了50%,對于維持塔里木河流域自然資源與環境質量具有重要意義。從生態系統服務價值結構功能來看,調節服務和供給服務是生態保護紅線區域的最主要功能;從生態功能分區來看,冰川湖泊提供了生態保護紅線保護區52.28%的生態系統服務價值,對研究區生態系統服務功能起到至關重要的作用。
(3)通過對不同發展目標下的生態景觀格局情景的比較,發現實施了退耕還林還草、保護重點生態功能區域的生態保護紅線政策情景后,2030年林地、草地和水體面積分別增加了10.88%、11.11%和17.02%,生態系統服務價值比2015年增加了11.96%,且生態系統服務價值高值面積增加了5.95%,HL區域面積增加了6.37%,地區生態系統內部穩定,擁有較高的抵抗風險能力,生態系統結構配置最優。生態系統服務與生態風險之間存在一定的正向空間關聯性。對塔里木河流域生態系統功能最為重要的高價值-高風險區和大部分高價值-低風險區都在生態保護紅線區域劃定范圍,也在一定程度上證明了生態保護紅線區域劃定的科學性和重要性。
生態保護紅線政策對塔里木河流域生態環境質量提升和降低風險,實現可持續發展具有重要的指導意義。但是,鑒于技術等原因,模擬評價過程仍存在需要進一步完善提高的地方:一是,在圖斑聚合為相對完整連片的大塊圖斑時剔除了一些生態系統服務功能較高的細碎獨立斑塊,雖然降低了斑塊破碎化程度,但對生態保護紅線的劃定結果可能會產生一定影響;二是,模擬的未來土地發展時間較近(2030年),在短期內部分用地類型發生顯著變化的概率較低,特別是研究區內面積占比最大的未利用地,治理和開發難度高,流域整體空間格局難以在短時間內發生顯著變化,導致ESV增長緩慢,這對生態保護紅線政策實施的生態效益評價也會產生一定影響;三是,對于劃定結果合理性的研究還應該經過實地勘察,并聽取有關部門和相關領域專家的意見以及當地群眾的需求[10]。對生態保護紅線政策實施的效益評價不應只局限于環境質量和生態系統穩定性而忽視了社會經濟發展,如何實現經濟-生態的共贏應該是未來研究的重中之重。