EN中文

自然资源学报 >

2022 , Vol. 37 >Issue 10: 2736 - 2749

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20221018

其他研究论文

基于栅格尺度的生态安全评价及生态修复——以酒泉市肃州区为例

  • 王梓洋 , 1, 2 ,
  • 石培基 , 1, 2 ,
  • 张学斌 1, 2 ,
  • 姚礼堂 1, 2 ,
  • 童华丽 1, 2
展开
  • 1.西北师范大学地理与环境科学学院,兰州 730070
  • 2.甘肃省土地利用与综合整治工程研究中心,兰州 730070
石培基（1961- ）,男,甘肃临洮人,硕士,教授,博士生导师,研究方向为城市与区域发展研究。E-mail:

王梓洋（1996- ）,男,甘肃庆阳人,博士研究生,研究方向为城市与区域发展研究。E-mail:

收稿日期: 2021-08-23

  修回日期: 2022-01-12

  网络出版日期: 2022-12-28

基金资助

国家自然科学基金项目(41771130)

国家自然科学基金项目(42101276)

国家自然科学基金项目(42161043)

甘肃省科技计划项目(20JR5RA529)

收起

Grid-scale-based ecological security assessment and ecological restoration:A case study of Suzhou district, Jiuquan

  • WANG Zi-yang , 1, 2 ,
  • SHI Pei-ji , 1, 2 ,
  • ZHANG Xue-bin 1, 2 ,
  • YAO Li-tang 1, 2 ,
  • TONG Hua-li 1, 2
Expand
  • 1. College of Geographic and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
  • 2. Gansu Engineering Research Center of Land Utilization and Comprehension Consolidation, Lanzhou 730070, China

Received date: 2021-08-23

  Revised date: 2022-01-12

  Online published: 2022-12-28

Fold

摘要

以节约优先、保护优先和自然恢复的方针为导向,基于栅格尺度评价生态安全状态,并开展国土空间生态修复分区,有助于实施精准修复、降低生态修复成本以及增加生态修复效益。本文以酒泉市肃州区为例,从环境基底和人类干扰的视角遴选评价因子,采用空间主成分分析法（SPCA）基于栅格尺度对生态安全进行评价,并将宏观尺度的生态保护红线和永久基本农田保护等现实约束条件与栅格尺度的生态安全评价结果相结合,实现精准的生态修复分区。结果表明：研究区整体生态安全水平偏低,中度安全水平及以下的面积为1391.65 km2,占研究区总面积的71.35%,生态安全格局总体呈中部高、四周低的特征。肃州区国土空间生态修复分区共划分出5个类型区,其中生态恢复区面积最大,占研究区总面积的46.17%。生态控制、生态保育、生态提升和生态整治四个类型区在乡村分布最多,说明肃州区乡村生态修复的复杂度、难度和重要程度更高。本文运用新的生态修复分区研究思路,以期丰富国土空间生态保护修复规划理论与方法。

关键词： 生态安全评价; 空间主成分; 生态修复; 酒泉市肃州区

本文引用格式

王梓洋 , 石培基 , 张学斌 , 姚礼堂 , 童华丽 . 基于栅格尺度的生态安全评价及生态修复——以酒泉市肃州区为例[J]. 自然资源学报, 2022 , 37(10) : 2736 -2749 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20221018

Abstract

Guided by the principles of conservation priority, protection priority and natural restoration, the ecological security status is evaluated based on the grid scale, and the ecological restoration zoning of land space is carried out, which is conducive to the implementation of precise restoration, reducing the cost of ecological restoration and increasing the benefits of ecological restoration. Taking Suzhou district of Jiuquan city as an example, this paper selects evaluation factors from the perspective of environmental base and human interference, and uses spatial principal component analysis (SPCA) to evaluate ecological security based on grid scale. The realistic constraints such as macro-scale ecological protection red line and permanent basic farmland protection are combined with grid-scale ecological security assessment results to realize accurate ecological restoration zoning. The results show that the overall ecological security level of the study area is relatively low, and the area of moderate security level and below is 1391.65 km2, accounting for 71.35% of the total area of the study area, the overall ecological security pattern is characterized by high in the middle and low in the surrounding area. The territorial space ecological restoration zone of Suzhou is divided into 5 types of zones, of which the ecological restoration zone is the largest area, accounting for 46.17% of the total area of the study area. The four types of ecological control, ecological conservation, ecological improvement and ecological management are most distributed in rural areas, indicating that the complexity, difficulty and importance of rural ecological restoration in Suzhou are higher. This paper uses the new research ideas of ecological restoration zoning, in order to enrich the theory and method of ecological protection and restoration planning in territorial space.

Key words： ecological safety assessment; spatial principal components; ecological restoration; Suzhou district

生态安全是区域生态系统完整性和健康的整体水平反映。目前干旱区面临的生态环境问题日益严峻,不合理的人类活动导致湿地减少、草地沙化、生态服务能力降低,生态问题日益突出[1],如2021年3月中国遭遇近10年来强度最强、范围最广的沙尘暴,受影响人口达6417万人,使生态安全问题更加受到各界关注。恶劣的生态环境已无法满足人们对美好环境的需求[2],对人类社会经济的可持续发展以及国家生态安全保障体系构成威胁[3,4]。2021年5月,江苏省自然资源厅发布全国首个《县级国土空间生态保护和修复规划编制指南》,说明县级国土空间生态保护和修复规划已经开始被重视,相对于东部地区,西部地区生态保护修复规划仍在摸索阶段,在经济并不发达的西部干旱半干旱区如何实现低成本修复、低成本维护、可持续利用和发展成为重要课题,而生态修复分区作为生态修复规划的重要组成部分,研究区域生态修复分区可丰富生态修复规划理论与方法。因此,本文科学辨别区域生态安全程度,有针对性地保护修复生态空间,对提升脆弱的干旱区生态环境具有重要意义。
生态安全评价是指以一定的标准对特定的时间、空间范围内生态安全水平进行定性或定量评价,评价结果可为划分生态修复分区提供依据。生态安全评价的关键在于建立科学合理的评价标准和指标体系,国内外相关学者对此展开了深度研究,从研究对象看,热点区包括城市地域、流域、湿地、工矿开采区和自然保护区等生态安全控制区,而对农牧交错带和沙漠绿洲等生态脆弱且对全球气候变化具有极强响应地带的生态安全评价仍有待深入。从研究尺度看,在省级、城市群、市级等不同空间尺度均有涉及。生态安全评价方法主要有综合指数法、层次分析法、物元模型法、TOPSIS法、生态模型评价法等研究方法[5⇓-7]。生态安全评价指标体系的构建大多以PSR（压力—状态—响应）、DPSIR（驱动力—压力—状态—影响—响应）、PSR-EES（社会—经济—环境）、DPSEEA（驱动力—压力—状态—暴露—影响—响应）等多因子综合评价模型为主[8⇓-10]。目前结合空间分析的生态安全评价研究略显薄弱,空间主成分分析可除去指标间的量纲差异筛选出关键因子,且因子权重能自动获得,可降低因子权重确定时的主观性。同时可将各因子及评价结果显示在空间的每个栅格上,能真实反映每个栅格生态安全的优劣程度,解决了以行政区为评价单元的约束性,且准确反映区域生态安全的空间分布状态和空间邻近影响关系,利于提出针对性的生态调控措施。
目前生态修复受到越来越多的重视,重点生态功能区保护与修复工程、草地退化生态修复工程等在中国、美国、巴西、南非等国家均取得一定成效[11]。针对生态修复的研究也正处于积极探索当中[12],如生态影响或响应研究、生态修复策略研究[13,14]。在国土空间规划的推动下,国土空间生态修复分区研究成为热点,修复分区方法主要通过构建生态安全格局、基于生态系统服务供需关系和建立综合指标体系来完成,且多以行政区为分区单元,使得生态修复分区结果不准确,本文可将生态修复分区精确到每个栅格上,对精准修复和降低修复成本具有重要作用。酒泉市肃州区是“一带一路”经济带的重要黄金通道城市,地处河西走廊西端,区域东部被巴丹吉林沙漠包围,是风沙危害的重灾区。是国家“两屏三带”生态安全战略格局中北方防沙带的重点地带,是国家级重点生态功能区祁连山冰川与水源涵养生态功能区的重点区域,生态功能和地位极其重要。同时,生态环境本底敏感脆弱,资源环境承载力较低,随着资源开发和城市发展,人类活动对生态环境的干扰明显加强,生态环境面临的压力随之增大。因此,本文以肃州区为研究区,选取海拔、坡度等9个生态安全评价因子构建指标体系,采用空间主成分分析法（SPCA）对肃州区生态安全进行评价,并提出肃州区生态修复策略和国土空间开发保护建议,为提升干旱区生态环境质量及国土空间生态保护修复提供有益借鉴。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

酒泉市肃州区位于祁连山北麓,河西走廊中西部（39°21'~40°00'N,98°10'~99°22'E,图1）,在青藏高原与蒙古高原交汇处,是甘肃、青海、新疆和内蒙古切合点上的次区域中心,是酒泉市政治、经济、文化中心,是古丝绸之路上重要的历史文化名城。肃州区地势西南高东北低,平均海拨1765 m,地貌属于大西北典型的戈壁绿州地貌,气候为典型大陆性气候。根据第三次土地调查肃州区土地总面积为3351.74 km2。肃州区多年平均径流量为6.98亿 m3,全年地下水补给量为8.52亿 m3,总排泄量为8.5亿 m3。2019年肃州区地区生产总值达到191.06亿元。全区辖14镇1乡,2020年常住人口达45.56万人。
图1 研究区概况

Fig. 1 Overview of the study area

1.2 数据来源

本文土地覆被数据来自酒泉市自然资源局提供的国土资源三次调查数据（2019年）,参考前人研究成果,并参照《土地利用现状分类标准》（GB/T21010–2015）将用地类型合并为水域、林地、草地、耕地、建设用地和未利用地共六类。土壤侵蚀、NDVI数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（ http://www.resdc.cn）。生态保护红线、永久基本农田和城市开发边界由肃州区自然资源局提供。DEM数据采用30 m空间分辨率的GDEMV2数字高程数据,来自地理空间数据云平台（ http://www.gscloud.cn）。坡度利用ArcGIS的slope工具从DEM数据中提取。居民点、工业用地、水体、道路均从土地利用数据中提取得到。

1.3 研究方法

1.3.1 生态安全评价指标选择

研究区南部祁连山脉有现代冰川分布,冰雪融水是研究区地表水主要来源,因此高海拔地区深刻影响区域生态安全,然而随着全球变暖,高海拔地区生态环境变得脆弱敏感。坡度反映出地形因素对土壤侵蚀过程及滑坡、崩塌等自然灾害有潜在影响,使得坡度越大,区域生态安全水平越低。植被覆盖度能够直观反映地表植被分布的程度,植被覆盖度越大,植被分布越紧密,生态安全程度越高[15]。土地覆被类型是区域生态格局的重要影响因素,水域和林地的生态系统服务价值最高,生态安全水平最高[16];建设用地由于受人类干扰因素最大,使得其生态安全等级最低。土壤侵蚀量反映区域土壤水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀的程度,侵蚀程度越大,区域生态安全水平越低。干旱区生态系统服务价值普遍偏低,主要归于水资源匮乏,水源具有改善维持生境的生态系统服务功能,距水源越近,生态安全等级越高,越有利于生态源的扩展。人类活动对绿洲型城市的可持续发展具有双面作用,既是绿洲生态系统的维护者,又是绿洲生态系统的胁迫者。由于离居民点、工业用地和道路越近,人类活动越频繁,自然资源开发强度越大,造成生态环境退化比人工生态保育的强度要大[17]。因此距离城乡居民点、工业用地、道路越近的区域,生态安全水平越低。综上所述,针对研究区实际生态现状、数据的可获取性以及参考相关文献[17⇓⇓⇓⇓⇓-23],从环境基底和人类干扰的视角选取环境层面的海拔、坡度、植被覆盖度、土地覆被类型、土壤侵蚀量和距水体距离6个环境因子,以及人类社会层面的距居民点、距工业用地和距道路距离3个人类干扰因子来构建研究区生态安全评价指标体系（表1）,这与Wei等[18]对同类地区生态安全评价因子选取相似。
表1 肃州区生态安全评价因子及等级划分

Table 1 Ecological security evaluation factors and classification of Suzhou district

评价因子 1级（高度） 2级（较高） 3级（中度） 4级（较低） 5级（低度） 参考文献
高程/m <1400 1400~1700 1700~2000 2000~2300 >2300 [17,18,22]
坡度/(°) <5 5~10 10~20 20~30 >30 [17]
植被覆盖度 >0.6 0.45~0.6 0.3~0.45 0.15~0.3 <0.15 [17,18,20]
土地覆被类型 水域、林地 草地 耕地 未利用地 建设用地 [17,19,22]
土壤侵蚀 微度水力侵蚀
微度风力侵蚀
轻度水力侵蚀
轻度风力侵蚀
轻度冻融侵蚀		 中度水力侵蚀
中度风力侵蚀
强度风力侵蚀
极强度风力侵蚀		 剧烈风力侵蚀 [17,20]
距水体距离/m <100 100~500 500~1000 1000~1500 >1500 [19⇓-21]
距居民点距离/m >1500 1500~1000 1000~500 500~100 <100 [19,20]
距工业用地距离/m >2000 2000~1500 1500~1000 1000~500 <500 [17,19,20]
距道路距离/m >1500 1500~1000 1000~500 500~100 <100 [18,20,23]

1.3.2 空间主成分分析

本文采用30 m×30 m的栅格数据运用空间主成分分析法进行区域生态安全评价,其可将评价结果落实到区域内任一栅格单元上,可直观反映研究区任一点上的生态安全程度。根据相关文献的经验以及研究区实际情况,利用自然断点法将各因子生态安全程度分级为1~5级,分别代表高度、较高、中度、较低、低度安全等级（图2）,等级越低,生态环境越敏感,生态安全水平越低。空间主成分分析法是在ArcGIS技术的支持下,可以将每个变量对应一个矩阵,通过SPCA方法将相关的空间变量对因变量的影响程度分配到相应的主成分因子上,原有主成分分析结果直观地拓展到二维空间,空间可视化效果良好。本文运用ArcGIS软件的principal components工具,得到具有统计学意义的主成分（累积贡献率超过85%）,以及每个主成分所对应的空间载荷图和各主成分的累积贡献率。
图2 肃州区各评价因子的安全等级分布

Fig. 2 Distribution of safety levels of each evaluation factor in Suzhou district

1.3.3 生态安全指数计算

根据生态安全综合指数计算公式,结合主成分载荷矩阵,计算SPCA分析得到的前5个主成分的方差贡献率,将生态安全综合指数定义为多个主成分的加权和,而权重用每个主成分所对应的方差贡献率来表示。公式为[18]：
E S I = ∑ j = 1 m P i j w j
式中：ESI为第 i个评价单元（栅格）的生态安全指数; P i j为第 i个单元的第 j个指标; w j为各指标的权重。

1.3.4 生态修复分区研究技术方法

通过基于栅格尺度的生态安全评价,掌握区域内每个30 m×30 m地块的生态安全程度,识别影响生态安全的主要因素,以及识别出区域重点保育空间、优化提升空间和重点整治空间,再以其生态安全问题为导向,并结合肃州区国土空间实际情况将生态修复类型划分为生态保育区、提升区、控制区、恢复区和整治区五类（图3）,可最大程度对空间内每个栅格匹配适当的生态修复措施,解决了以往以行政区为分区单元的约束性,有利于针对性地实施生态修复工程项目。具体分区依据如下,根据酒泉市自然资源部门划定的生态保护红线和永久基本农田两条控制线,以及从酒泉市国土资源三次调查数据中提取出湿地公园和风景名胜区,该类区域的生态保护和修复有政府决策的强制性,因此将其划分为生态控制区。通过生态安全评价识别的生态高度安全区,生态基底优良,应作为生态保育区进行自然恢复,以提高其生态系统的稳定性。而生态较高安全区和中度安全区一般分布于生态高度安全区的外围,生态安全性相对较差,划分为生态提升区,作为屏障以保护生态源和生态核心区。生态恢复区由较低安全区和低度安全区构成,以荒漠戈壁草地为主,自然生态基底较差,生态修复活动以挖掘生态潜力,防风固沙遏制生态退化为导向。生态整治区主要是在城镇村用地范围内对城市生态系统进行修复,以及对乡村宅基地等建设用地进行整治并恢复其生态功能,以达到人类社会经济活动与生态环境之间的协调可持续发展。
图3 生态修复分区研究的技术体系

Fig. 3 Technical system of ecological restoration research

2 结果分析

2.1 肃州区生态安全评价

通过空间主成分分析法对生态安全评价因子降维处理,得到9个主成分的信息载荷。由表2可知,前5个主成分的累积贡献率是85.37%,说明前5个主成分可以反映研究区的生态安全状况。对各主成分在原始因子上的载荷进行比较,前5个主成分在植被覆盖度、距道路距离、土地覆被类型、距水体距离和土壤侵蚀 5个因子上的载荷较大,说明植被覆盖、距道路距离、土地覆被、距水体距离和土壤侵蚀相对于其他因子对研究区生态安全有更显著的影响。研究区内沙地、裸岩、石砾地、盐碱地等面积占总面积的47.3%,导致植被覆盖度低,植被覆盖度可间接反映区域内的生物多样性,从而影响区域生态安全状况。距道路距离在第2主成分中载荷较高,说明人类活动对研究区生态安全有重要影响,道路建设不仅对植被直接造成破坏,也使区域生态景观破碎度增大[24],不利于区域生态环境的完整,同时社会连通度也增加,进一步增加人类活动对生态环境的扰动[25]。土地覆被类型是自然环境演变和人类活动共同作用的结果,与地表植被生长、土地开发建设等密切相关,对区域生态安全影响程度显著。水资源是干旱区生态环境的重要影响因素,流域地表径流及其与之密切联系的地下水资源是区域经济发展和生态环境平衡的纽带,研究区是典型的干旱内陆河地区,气候干旱,水资源稀缺,生态环境敏感脆弱,加之绿洲农业区人类灌溉不合理地用水,地下水位逐渐下降,靠地下水补给生存的荒漠植被开始衰退。土壤侵蚀一般分为水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀,而研究区境内不仅有河流引起的水力侵蚀,冰川引起的冻融侵蚀,其更是与被称为“世界风库”的玉门、瓜州等市县接壤,风力侵蚀不容忽视。因此植被覆盖、距道路距离、土地覆被、距水体距离和土壤侵蚀作为影响研究区生态安全的主要因素,与研究区实际情况相符。
表2 主成分载荷矩阵

Table 2 Principal component loading matrix

评价因子 主成分
1 2 3 4 5 6 7 8 9
高程 0.00681 0.01656 0.10137 0.18699 0.03845 -0.30744 0.45093 0.36913 0.72031
坡度 0.07426 -0.01155 0.03377 0.05763 -0.06735 -0.13049 0.47406 0.55982 -0.65590
植被覆盖度 0.58667 0.41982 0.19854 0.00681 -0.30400 -0.20990 -0.51808 0.07426 0.17235
土地覆被类型 0.19854 0.53067 0.74236 -0.14651 -0.29555 0.10857 0.03149 -0.07914 0.00244
土壤侵蚀 0.41982 0.21883 -0.06485 0.21917 0.59717 0.58593 0.08887 0.11704 0.04583
距水体距离 0.17235 0.07974 0.18872 0.56858 0.32227 -0.57410 -0.09075 -0.34873 -0.20433
距居民点距离 -0.51808 0.08199 0.28584 0.16855 0.25069 0.03266 -0.53448 0.51487 -0.00967
距工业用地距离 -0.20990 0.43596 -0.14150 -0.50072 0.50371 -0.31905 0.14473 -0.08103 -0.04432
距道路距离 -0.30400 0.65109 -0.45426 0.39898 -0.31447 0.09634 0.07959 -0.05864 -0.01361
贡献率/% 43.11 16.51 11.16 8.22 6.37 5.73 3.92 3.35 2.63
累计贡献率/% 43.11 59.62 70.78 79.00 85.37 91.10 95.02 98.37 100.00
将空间主成分分析得到的各评价因子方差贡献率作为权重,利用地图代数工具分别对前5个主成分进行加权求和,获得研究区每个栅格上的生态安全综合指数及空间分布。利用自然断点法分为5个等级,得到酒泉市生态安全等级分布（图4）。研究区低度安全和较低安全的区域面积分别为1055.30 km2和642.40 km2（表3）,分别占总面积的31.48%和19.17%,以荒漠草地生态系统为主。中度安全的区域面积为693.95 km2,占总面积的20.70%,以耕地和草地生态系统为主。研究区生态安全等级处于中度及以下的区域面积占总面积的比例达71.35%,高度安全和较高安全的区域面积分别为405.81 km2和554.28 km2,以耕地、湿地和林地生态系统为主,但仅占研究区总面积的12.11%和16.54%,说明研究区整体生态安全水平偏低。研究区生态安全的空间分布极度不均衡,中部地区的生态安全程度最高,包括泉湖、铧尖、总寨、上坝镇以及银达镇和三墩镇的南部地区,主要由于该地区处于北大河和洪水坝河流域,地势平坦且灌溉设施覆盖度高,使区域内生态安全程度明显高于周围地区。东部地区主要包括清水、下河清、金佛寺、黄泥堡和三墩镇,其生态安全程度明显较低,主要由于该区毗邻巴丹吉林沙漠,有多达1247.30 km2的戈壁荒漠和沙化土地,且中部地区用水量较大,使得祁连山冰雪融水在此区域断流,因而缺水造成区域生态系统脆弱。西部地区处于祁连山北麓,生态安全程度也相对较低,以低山残丘、砂石质戈壁倾斜平原和洪积滩地为主要地貌,且物理风化作用剧烈,植被覆盖度较低,区域生态系统敏感脆弱。整体而言,肃州区生态系统脆弱,生态安全程度高的区域周边生态环境均处于低水平,区域生态安全格局总体呈中部高、四周低的特征,这种不平衡的生态安全空间分布格局不利于区域内动物流、植物流、养分流以及遗传基因的扩散,对区域生态和人类社会可持续发展带来较大阻力。
图4 肃州区生态安全评价等级分布

Fig. 4 Distribution of ecological safety assessment grades in Suzhou district

表3 肃州区生态安全等级各分区的土地覆被类型面积

Table 3 The area of each land cover type in the ecological security grade zoning in Suzhou district (km2)

生态安全等级分区 耕地 林地 草地 水体 建设用地 未利用地 总计
高度安全区 261.69 21.53 35.75 49.61 33.74 3.49 405.81
较高安全区 296.93 67.97 58.67 32.03 75.60 23.08 554.28
中度安全区 210.52 125.33 168.55 30.96 57.86 100.73 693.95
较低安全区 62.68 71.96 224.84 22.98 42.03 217.91 642.40
低度安全区 3.68 3.50 603.29 4.69 31.74 408.40 1055.30

2.2 生态修复分区与策略

2.2.1 生态修复分区

根据本文提出的生态修复分区研究技术方法,将肃州区生态保护红线、永久基本农田、湿地公园和风景名胜区四类图斑利用ArcGIS中的Union工具合并为生态控制区,以及将城镇村用地图斑合并为生态整治区。在生态安全评价等级图的基础上利用ArcGIS中的Erase工具先将生态控制区和生态整治区擦除,再将剩余生态安全等级图依据生态修复分区研究技术方法划分为生态保育区、提升区和恢复区,最终利用Union工具将5个生态修复类型区合并获得肃州区生态修复分区（图5）,研究结果与研究区生态修复实际需求基本相符。其中生态控制区面积共689.30 km2,占研究区总面积的20.57%,主要分布在人类活动密集的中部地区,这与将永久基本农田划分为生态控制区关系密切。生态保育区面积共206.70 km2,占总面积的6.17%,以林草地、湿地生态系统为主,主要分布在北大河、洪水坝河流域以及中心城区周围,对水源涵养、水土保持以及保障城市生态安全具有重要作用。生态提升区面积为767.80 km2,占总面积的22.91%,主要分布在生态控制区和生态保育区的外围,该区域将是研究区绿洲重要的生态安全屏障。生态恢复区面积最大,共1547.50 km2,占总面积的46.17%,该区域以沙漠、戈壁荒漠生态系统为主,生态环境敏感脆弱,是防风固沙、遏制生态退化的重要区域。生态整治区是由城镇用地和乡村居民点构成,面积共140.40 km2,乡村居民点零星散点分布,总体呈“北多南少”的分布格局。
图5 肃州区生态修复分区

Fig. 5 Zoning of ecological restoration in Suzhou district

2.2.2 生态修复提升策略

生态系统修复过程中,极大地受制于水资源空间分配的影响。受水资源丰度的胁迫,研究区自西向东、自北向南生态系统修复的难度越来越大。进一步从地形因子考虑,随着海拔高度的增加,因温度、无霜期、风速的变化,生态胁迫性因素不断增多,使得研究区西部的祁连山成为典型的生态脆弱敏感区,生态修复难度较大,但与接壤沙漠的东部地区相比生态修复难度较小,而中部地区在水资源、气候、地形等因素上占有较大优势,生态修复难度最小。因此在综合考虑水资源丰度、生物多样性变化、气候变化和生态修复成本等条件,需实施不同方式和力度的人工支持与引导措施。
根据研究结果,生态控制区是保障区域生态和粮食安全的重要区域,其91.30%的国土空间为永久基本农田,需禁止开发建设,并实施国土综合整治工程,限制开发地下水资源,发展节水农业,开展绿洲生态特色观光农业[26]。同时,生态控制区部分属于祁连山国家公园,应作为生态保护修复的重点区域,通过人工造林、封山育林来提高水源涵养和生态产品供给能力。生态保育区是以北大河、洪水坝河流域为主的生态核心区,对肃州区生态安全稳定极为重要,应采取生态空间圈层控制,禁止在保育区及周围5 km以内建设开发,实施生态移民、封育保护,减少人为因素对生态环境的干扰。生态提升区是生态控制和保育区的外围屏障,也是防止荒漠蚕食绿洲边缘区的绿色屏障,需加强周边沙化治理,控制风沙侵蚀,通过防护林、绿色廊道建设和重点风沙口治理来提升防风固土能力。生态恢复区主要是风沙荒漠区,生态修复难度较大,应适度利用有限的水资源进行造林治沙,对于重要生态功能区周边采取沙障压沙的措施,重点加强沙化草场的生态修复工程,以及实施休牧禁牧、沙化土地封禁工程。同时,相关研究表明沙漠、戈壁光伏产业对干旱区防沙治沙具有显著生态功能[27],应发挥区域优势,积极在生态恢复区发展光伏产业,提高生态脆弱敏感区的生态和经济效益。生态整治区是由城镇和乡村居住地构成。城镇居住地应着重老旧小区改造提升,改善城镇绿地生态系统功能和人居环境质量。乡村居住地应推进低效建设用地整治以及整合零星分散的宅基地,以150 m2人均居民点用地标准得出肃州区可整理9.11 km2居民点用地,可建设新型农村社区来缩减农村居民点用地规模,使乡村生产、生态空间有效增加。

2.2.3 国土空间开发保护建议

中央“十四五”规划建议提出要逐步形成城市化地区、农产品主产区、生态功能区三大空间格局,本文在生态安全评价和生态修复分区研究的基础上,对城镇、农业和生态空间对应的中心城区、乡村和国有土地三个不同区域的国土空间开发保护提出适当的建议（表4、图6）。
表4 肃州区中心城区、乡村和国有土地各生态修复区面积

Table 4 Area of ecological restoration zones in central urban areas, rural areas and state-owned land

生态修复分区 中心城区
/km2		 占中心城区总面积比/% 乡村/km2 占乡村总面积比/% 国有土地
/km2		 占国有土地总面积比/% 各分区主要土地利用类型 占分区面积比/%
生态控制区 0.52 0.46 562.29 42.13 126.41 6.64 耕地 83.15
生态保育区 9.03 8.01 164.95 12.36 32.75 1.72 林草地、水域 74.30
生态提升区 19.20 17.03 390.45 29.26 358.11 18.80 耕地、林草地 70.03
生态恢复区 35.54 31.53 155.68 11.67 1356.28 71.22 戈壁荒漠 89.73
生态整治区 48.44 42.97 61.19 4.59 30.80 1.62 建设用地 93.16
图6 肃州区中心城区、乡村和国有土地生态修复分区

Fig. 6 Zoning for ecological restoration of central urban areas, villages and state-owned land

中心城区是研究区主要的城市空间,作为甘肃省重点开发区域,未来城市化地区势必会继续扩展,难免会侵占生态空间。根据研究结果,城市空间应向南部生态安全水平较低的生态恢复区扩展,使建成区南部边缘地区提升为人工生态空间。建成区东北部为生态保育区,生态基底较好,城市空间应停止向此区域扩展。同时统筹布局城市内外生态系统,以北大河为生态廊道,打造多节点湿地生态系统,通过线性绿地空间串联成网[28],形成人工蓝带绿网体系。
研究结果发现,生态控制、生态保育、生态提升和生态整治四区面积的81.57%、79.8%、50.85%和43.58%分布在乡村地区,说明乡村是研究区生态修复的重点地区。而干旱区乡村一般分布于绿洲区,水资源稀缺,且有人类活动的干扰,生态环境敏感脆弱,使得生态修复的难度较大,因此需推行绿色节水的发展方式,实施生态移民以降低乡村居住地破碎度,加强农用地综合整治,使其分散变集中、零碎变连片。同时,肃州区北部乡村分布较多,也是人口的主要集聚区,需实施乡村人居环境治理,保护和恢复乡村自然山水田林,推进农用地和低效建设用地整治以及历史遗留损毁土地复垦。而研究区南部乡村分布较少,且生态基底薄弱,需增强乡村耕地、牧草地的生态功能,通过改善农田及周边生境,并降低化肥农药使用,提升其生态系统的生物多样性。
国有土地主要由国有农场、林场、草场和沙场等构成,是主要的生态功能区,其中生态提升和恢复区面积共1714.39 km2,占国有土地总面积的90.02%,说明国有土地的生态禀赋条件相对较差,需实施生态修复的工程量较大。且对于干旱区山地—绿洲—荒漠复合生态系统而言,水资源是生态发展的基础。因此国有土地生态修复需以水而定、量水而行,在满足绿洲水资源需求的情况下,合理分配水资源用于荒漠戈壁生态系统的恢复,且应以自然恢复为主,人工修复为辅。同时,国有农林草场应合理发展生态经济,增加收益反哺生态,守住生态安全边界,以防巴丹吉林沙漠对中部绿洲区的侵蚀。

3 结论与讨论

3.1 结论

从环境基底和人类干扰的视角,选取9种生态安全评价因子,利用空间主成分分析法评价酒泉市肃州区生态安全状况。在评价基础上,提出可将生态修复分区精确到每个栅格上,对实现生态效益最大化与区域可持续发展有重要作用的一种生态修复分区方法。结果表明,研究区生态安全等级处于中度及以下的区域占总面积的71.35%,表明研究区整体生态安全水平偏低。从镇域尺度上看,清水、下河清、金佛寺、银达、三墩和东洞6镇的生态安全水平较低,其处于低水平生态安全区的面积达1333.34 km2,占6镇土地总面积的58.89%,占研究区总面积的39.78%。从生态安全程度空间分布看,研究区整体呈“中部高四周低”的特点,并得出“提升中部生态品质,环中部建生态屏障”的生态建设布局。同时,将宏观尺度的生态保护红线、永久基本农田保护等现实约束条件与栅格尺度的生态安全评价结果利用ArcGIS工具相结合,共划分生态控制、生态保育、生态提升、生态恢复和生态整治5个生态修复分区类型,各分区面积分别为689.30 km2、206.70 km2、767.86 km2、1547.50 km2和140.40 km2,其中生态恢复区占比高达46.17%。根据研究结果认为中心城区应以生态整治为主,乡村生态修复的复杂度、难度和重要程度更高,需大力实施乡村生态保护与修复重大工程。国有土地的90.03%是生态提升和修复区,达1714.39 km2,应以自然恢复为主,人工修复为辅。本文提出肃州区生态修复策略和国土空间开发保护建议,以期为提升区域生态环境质量及优化国土空间格局提供有益借鉴。

3.2 讨论

人类活动维持和生态系统服务保持“双赢”是实现“碳中和”目标的重要途径。基于环境基底和人类干扰的视角,遴选多种评价因子来综合反映生态环境本底的稳定性以及人类干扰的强度。同时,利用空间主成分分析法,在栅格尺度上反映研究区生态安全状况和划分生态修复分区,并提出生态修复和国土空间开发保护建议。本文与以往区域生态安全评价和生态修复分区的最大不同之处是将结果均落实到空间的每一个栅格上,改变了以往研究中以行政区为研究单元的局限性,使划分小尺度生态修复分区的实际操作成为可能,实现了此领域定性与定量的深入研究,提高了结果的可视化与实用性。研究结果发现影响研究区生态安全的主要因素是植被覆盖度、土地利用、土壤侵蚀度、交通以及人类活动的影响,这与前人研究结果基本一致[29]。其中植被覆盖度影响程度最高,而前人研究表示,干旱区植被覆盖度的高低主要取决于水资源的丰富程度[30],说明水资源是研究区生态环境安全首位影响因素,这与干旱区其他地区的现状相符。同时,人类活动对生态安全的影响程度也很高,人类对所在地的生态景观较易造成破坏,导致景观的复杂性增大,景观斑块的形状更趋复杂与不规则,生态景观之间的连通性降低,对区域生态保护修复造成不利因素,这与干旱区类似研究成果一致[31,32]。
研究结果表明肃州区整体生态安全水平偏低且空间分布不均,生态安全程度总体呈“中部高四周低”的特点,主要由于中部为水资源相对丰富的绿洲区,而四周多以戈壁荒漠生态系统为主。肃州区90%以上的人口和95%以上的社会财富集中在绿洲地区,使得中部绿洲区成为受沙漠侵蚀和人类活动干扰的主要区域。切断荒漠化的扩散途径能有效降低其扩散对绿洲的危害[33,34],虽然实施了一些治理措施,取得了较为积极的成效,但肃州区国土面积的66.43%仍为戈壁荒漠化土地,如何抵抗沙漠入侵保护绿洲是亟待解决的问题。而水资源是维持绿洲地区经济社会发展和生态安全的基础,因此需保护修复北大河、洪水坝河等流域,统筹协调水资源分配,发展戈壁节水绿色农业以及观光农业,缓解中部绿洲的承载压力,使绿洲有余力自然恢复生态。同时,通过生态安全评价结果,判断生态系统安全程度,对区域每个地块进行合理的划分,精准地实施生态修复工程。肃州区以1.2%的国土面积承载了酒泉市43.16%的人口（“七普”数据）,在生态保护优先的情况下应继续增加城镇用地规模来安置生态移民,并实施城镇新增建设用地规模与转移人口市民化挂钩制度,统筹以肃州区为产业经济发展龙头和重点开发区,高效集聚全市经济和人口。肃州区未来需发展以人为核心的新型城镇化和城市生态修复,引导乡村实施撤并搬迁,集聚提升、生态修复等举措,使得干旱区人类活动的地区能够成为人工生态空间,同时严守生态保护红线、永久基本农田、城市开发边界等三条控制线,对全区生态绿带、绿心加大生态治理力度,使山体、河流、绿化带、湖泊与永久基本农田等生态资源共同形成区域生态品质的基石,推动生态功能与城乡发展融合,实现干旱区人类与自然的和谐共生。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
王伟军, 赵雪雁, 张明军, 等. 西北干旱区内陆河流域公众的水资源感知及节水意向: 以甘肃省河西走廊地区为例. 中国人口·资源与环境, 2019, 29(11): 148-157.

[WANG W J, ZHAO X Y, ZHANG M J, et al. Public perception of water resources and water-saving intention in arid inland river basins of Northwestern China. China population,resources and environment, 2019, 29(11): 148-157.]

[2]
LI Z T, LI M, XIA B C. Spatio-temporal dynamics of ecological security pattern of the Pearl River Delta Urban Agglomeration based on LUCC simulation. Ecological Indicators, 2020, 114: 319, Doi: 10.1016/j.ecolind.2020.106319.

DOI

[3]
温璐, 宋洁, 张慧超, 等. 近30年乌兰布和沙漠生态系统服务价值评估. 干旱区资源与环境, 2020, 34(12): 57-64.

[WEN L, SONG J, ZHANG H C, et al. Dynamics of ecosystem service value in Ulan Buh Desert from 1990 to 2018. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2020, 34(12): 57-64.]

[4]
CHENG Y B, ZHAN H B, YANG W B, et al. An ecohydrological perspective of reconstructed vegetation in the semi-arid region in drought seasons. Agricultural Water Management, 2020, 243: 106488, Doi: 10.1016/j.agwat.2020.106488.

DOI

[5]
LIU Y, HU Y C, HU Y M, et al. Water quality characteristics and assessment of Yongding New River by improved comprehensive water quality identification index based on game theory. Journal of Environmental Sciences, 2021, 104: 40-52.

DOI

[6]
李子君, 王硕, 马良, 等. 基于熵权物元模型的沂蒙山区土地生态安全动态变化及其影响因素研究. 土壤通报, 2021, 52(2): 425-433.

[LI Z J, WANG S, MA L, et al. Evaluation of land ecological security and influencing factors in Yimeng Mountain Area based on entropy weight Matter Element Model. Chinese Journal of Soil Science, 2021, 52(2): 425-433.]

[7]
ZHANG L, ZHANG X B, YUAN S G, et al. Economic, social, and ecological impact evaluation of traffic network in Beijing-Tianjin-Hebei Urban Agglomeration based on the entropy weight TOPSIS method. Sustainability, 2021, 13(4): 1862, Doi: 10.3390/SU13041862.

DOI

[8]
徐烨, 杨帆, 颜昌宙. 基于景观格局分析的雄安城市湿地生态健康评价. 生态学报, 2020, 40(20): 7132-7142.

[XU Y, YANG F, YAN C Z. Ecological health assessment of urban wetland in Xiong'an based on landscape pattern. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40(20): 7132-7142.]

[9]
MOSAFFAIE J, SALEHPOUR J A, TABATABAEI M R, et al. Trend assessment of the watershed health based on DPSIR framework. Land Use Policy, 2021, 100: 104911, Doi: 10.1016/j.landusepol.2020.104911.

DOI

[10]
JORDAN H, DUNT D, DUNN L, et al. Evaluating the actions towards environmental health using DPSEEA and Program Logic. Environmental Health, 2008, 8(1): 11-23.

DOI

[11]
LI Y M, GORNISH E S. General attributes and practice of ecological restoration in Arizona and California, U.S.A., revealed by restoration stakeholder surveys. Restoration Ecology, 2020, 28(5): 13221, Doi: 10.1111/rec.13221.

DOI

[12]
LIAO C R, LI H D, LV G P, et al. Can ecological restoration improve soil properties and plant growth in valley-slope sand dunes on Southern Tibetan Plateau?. Physical Geography, 2021, 42(2): 143-159.

DOI

[13]
NAGEL R, DURKA W, BOSSDORF O, et al. Rapid evolution in native plants cultivated for ecological restoration: Not a general pattern. Plant Biology, 2018, 21(3): 551-558.

DOI

[14]
YAN M F, WANG L, HAO C Z, et al. Effects of ecological restoration on soil organic carbon in post-mining lands. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(5): 1838-1845.

[15]
CARMEN I O R, CAROS A E M, ALBERTO M D, et al. Urban vegetation cover correlates with environmental variables in a desert city: Insights of mitigation measures to climate change. Urban Ecosystems, 2020, 23(7): 1191-1207.

DOI

[16]
管青春, 郝晋珉, 石雪洁, 等. 中国生态用地及生态系统服务价值变化研究. 自然资源学报, 2018, 33(2): 195-207.

[GUAN Q C, HAO J M, SHI X J, et al. Study on the changes of ecological land and ecosystem service value in China. Journal of Natural Resources, 2018, 33(2): 195-207.]

[17]
洪步庭, 任平. 基于最小累积阻力模型的农村居民点用地生态适宜性评价: 以都江堰市为例. 长江流域资源与环境, 2019, 28(6): 1386-1396.

[HONG B T, REN P. Assessment of ecological suitability for rural residential land based on minimum cumulative resistance model: A case study in Dujiangyan city. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2019, 28(6): 1386-1396.]

[18]
WEI S M, PAN J H, LIU X. Landscape ecological safety assessment and landscape pattern optimization in arid inland river basin: Take Ganzhou district as an example. Human and Ecological Risk Assessment: An International Journal, 2020, 26(3): 782-806.

DOI

[19]
李青圃, 张正栋, 万露文, 等. 基于景观生态风险评价的宁江流域景观格局优化. 地理学报, 2019, 74(7): 1420-1437.

DOI

[LI Q P, ZHANG Z D, WAN L W, et al. Landscape pattern optimization in Ningjiang River Basin based on landscape ecological risk assessment. Acta Geographica Sinica, 2019, 74(7): 1420-1437.]

DOI

[20]
黄木易, 岳文泽, 冯少茹, 等. 基于MCR模型的大别山核心区生态安全格局异质性及优化. 自然资源学报, 2019, 34(4): 771-784.

[HUANG M Y, YUE W Z, FENG S R, et al. Analysis of spatial heterogeneity of ecological security based on MCR model and ecological pattern optimization in the Yuexi county of the Dabie Mountain Area. Journal of Natural Resources, 2019, 34(4): 771-784.]

DOI

[21]
陶卓霖, 喻忠磊, 王砾, 等. 基于空间区位条件的城市扩展生态阻力面模型及应用. 地理研究, 2018, 37(1): 199-208.

DOI

[TAO Z L, YU Z L, WANG L, et al. The urban expansion ecological resistance surface model incorporated with spatial locational conditions and its application. Geographical Research, 2018, 37(1): 199-208.]

DOI

[22]
杨天荣, 匡文慧, 刘卫东, 等. 基于生态安全格局的关中城市群生态空间结构优化布局. 地理研究, 2017, 36(3): 441-452.

DOI

[YANG T R, KUANG W H, LIU W D, et al. Optimizing the layout of eco-spatial structure in Guanzhong Urban Agglomeration based on the ecological security pattern. Geographical Research, 2017, 36(3): 441-452.]

DOI

[23]
李航鹤, 马腾辉, 王坤, 等. 基于最小累积阻力模型(MCR)和空间主成分分析法(SPCA)的沛县北部生态安全格局构建研究. 生态与农村环境学报, 2020, 36(8): 1036-1045.

[LI H H, MA T H, WANG K, et al. Construction of ecological security pattern in Northern Peixian based on MCR and SPCA. Journal of Ecology and Rural Environment, 2020, 36(8): 1036-1045.]

[24]
杨新军, 石育中, 王子侨. 道路建设对秦岭山区社会—生态系统的影响: 一个社区恢复力的视角. 地理学报, 2015, 70(8): 1313-1326.

DOI

[YANG X J, WANG Y Z, WANG Z Q. Exploring the impacts of road construction on a local social-ecological system in Qinling mountainous area: A resilience perspective. Acta Geographica Sinica, 2015, 70(8): 1313-1326.]

DOI

[25]
FENG D R, YANG C  FU M C, et al. Do anthropogenic factors affect the improvement of vegetation cover in resource-based region?. Journal of Cleaner Production, 2020, 271: 122705, Doi: 10.1016/j.jclepro.2020.122705.

DOI

[26]
RADMEHR R, GHORBANI M, ZIAEI A N. Quantifying and managing the water-energy-food nexus in dry regions food insecurity: New methods and evidence. Agricultural Water Management, 2021, 245: 106588, Doi: 10.1016/j.agwat.2020.106588.

DOI

[27]
常兆丰, 刘世增, 王祺, 等. 沙漠、戈壁光伏产业防沙治沙的生态功能: 以甘肃河西走廊为例. 生态经济, 2018, 34(8):199-208.

[CHANG Z F, LIU S Z, WANG Q, et al. Ecological function of PV industry for sand control in desert and gobi: A case study of Hexi Corridor, Gansu. Ecological Economy, 2018, 34(8): 199-208.]

[28]
宫清华, 张虹鸥, 叶玉瑶, 等. 人地系统耦合框架下国土空间生态修复规划策略: 以粤港澳大湾区为例. 地理研究, 2020, 39(9): 2176-2188.

DOI

[GONG Q H, ZHANG H O, YE Y Y, et al. Planning strategy of land and space ecological restoration under the framework of man-land system coupling: Take the GuangdongHong Kong-Macao Greater Bay Area as an example. Geographical Research, 2020, 39(9): 2176-2188.]

[29]
LIU C J, ZHANG F, CARL J V, et al. Spatio-temporal variation of oasis landscape pattern in arid area: Human or natural driving?. Ecological Indicators, 2021, 125: 170495, Doi: 10.1016/j.ecolind.2021.107495.

DOI

[30]
段义忠, 王佳豪, 王驰, 等. 未来气候变化下西北干旱区4种扁桃亚属植物潜在适生区分析. 生态学杂志, 2020, 39(7): 2193-2204.

[DUAN Y Z, WANG J H, WANG C, et al. Analysis on the potential suitable areas of four species of the subgen Amygdalus in arid Northwest China under future climate change. Chinese Journal of Ecology, 2020, 39(7): 2193-2204.]

[31]
吴文婕, 石培基, 胡巍. 基于土地利用/覆被变化的绿洲城市土地生态风险综合评价: 以甘州区为例. 干旱区研究, 2012, 29(1): 122-128.

[WU W J, SHI P J, HU W. Study on land ecological risk in oasis city based on LUCC: A case study in the Ganzhou district. Arid Zone Research, 2012, 29(1): 122-128.]

[32]
蒙吉军, 江颂, 拉巴卓玛, 等. 基于景观格局的黑河中游土地利用冲突时空分析. 地理科学, 2020, 40(9): 1553-1562.

DOI

[MENG J J, JIANG S, LA B Z M, et al. The spatial and temporal analysis of land use conflict in the middle reaches of the Heihe River based on landscape pattern. Scientia Geographica Sinica, 2020, 40(9): 1553-1562.]

DOI

[33]
张学渊, 魏伟, 颉斌斌, 等. 西北干旱区生态承载力监测及安全格局构建. 自然资源学报, 2019, 34(11): 2389-2402.

[ZHANG X Y, WEI W, XIE B B, et al. Ecological carrying capacity monitoring and security pattern construction in arid areas of Northwest China. Journal of Natural Resources, 2019, 34(11): 2389-2402.]

DOI

[34]
HUI Y, YANG Z P, XU X L. Ecological corridors analysis based on MSPA and MCR Model: A case study of the Tomur World Natural Heritage Region. Sustainability, 2020, 12(3): 0959, Doi: 10.1016/j.jnc.2018.02.004.

DOI

Options
文章导航

/

〈 〉