朱隴強,郭澤呈,肖 敏,秦夢謠,頡耀文

蘭州大學資源環(huán)境學院, 蘭州 730000

人類的生存和發(fā)展離不開賴以生存的自然環(huán)境,早期的歷史進程中,人對自然環(huán)境影響較小,人與自然能和諧相處,然而,隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學技術(shù)的進步,工業(yè)化水平不斷提高,城市化水平不斷加快,由此帶來的高強度土地開發(fā)使得人與自然生態(tài)環(huán)境的矛盾日趨加劇[1]。水土流失、土地荒漠化、土壤污染、草地、森林退化等一系列生態(tài)問題逐漸凸顯,直接或間接影響著區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展,構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局,識別生態(tài)組分已刻不容緩[2]。生態(tài)安全格局(Ecological Security Pattern,ESP)來源于景觀生態(tài)學的理論和方法,并在此基礎(chǔ)上進一步豐富和發(fā)展,它具體是指維系特定區(qū)域正常的生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)系統(tǒng)服務的持續(xù)供給等而劃定的某種潛在的生態(tài)系統(tǒng)空間格局[3]。

從20世紀70年代以來,景觀生態(tài)學的應用越來越廣泛,逐漸由理論研究向景觀格局與生態(tài)過程的關(guān)系研究發(fā)展,這極大促使傳統(tǒng)景觀生態(tài)規(guī)劃理論與方法的革新,為生態(tài)安全格局的發(fā)展提供了指導作用[4]。此后,作為溝通生態(tài)系統(tǒng)和景觀生態(tài)學發(fā)展的橋梁,生態(tài)安全格局逐漸成為國際生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點,Forman[5]提出了景觀格局的優(yōu)化可以引導生態(tài)的改善,并對景觀格局的優(yōu)化方法進行了總結(jié)；Seppelt等[6]為緩解環(huán)境污染,構(gòu)建流域范圍內(nèi)生態(tài)安全格局；Herrmann等[7]以系統(tǒng)工程學的理論和方法為指導,選擇五個生態(tài)約束指標,構(gòu)建出了鄉(xiāng)村土地利用的生態(tài)安全格局。不同的視角拓展了生態(tài)安全格局的研究方法與思路,豐富了生態(tài)安全格局研究的理論內(nèi)涵和構(gòu)建方式[8]。

國內(nèi)關(guān)于生態(tài)安全格局的研究起步較晚,但發(fā)展迅猛,取得了較多的成果。20世紀90年代,俞孔堅等在Forman的景觀格局理論上針對中國的實際首次提出生態(tài)安全格局的概念,并利用最小累積阻力模型識別生態(tài)安全格局,其提出的“確定生態(tài)源地”、“建立阻力面”、“判別安全格局”的三步驟已經(jīng)成為景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建的基本模式[9—10]。陳利頂?shù)萚11]基于景觀生態(tài)學也提出了“源”“匯”的概念和理論,從對比角度將景觀空間格局和生態(tài)過程聯(lián)系在一起。隨著研究的不斷深入,生態(tài)安全格局的理論越來越多地被國內(nèi)學者所認可并應用到相關(guān)研究中。從方法上來看,目前生態(tài)安全格局的研究已呈現(xiàn)出多樣化、豐富化的趨勢,已經(jīng)從簡單的定性方法發(fā)展為更復雜、更科學、更空間化的定量分析方法,主要包括最小累積阻力模型[12]、電路理論[13]、圖論[14]、綜合指標評價法[15]、生態(tài)適宜性分析[16]以及景觀格局指數(shù)分析[17]等。其中最小累積阻力模型能夠綜合各景觀單元之間的水平聯(lián)系,較好地反映生態(tài)斑塊、生態(tài)過程以及生態(tài)安全格局之間的有機聯(lián)系,因而被廣泛應用于生物多樣性保護、景觀連通度和景觀格局研究等方面[18—19]。雖然大量學者在生態(tài)安全格局方面進行了深入研究,但尺度多為省級尺度[20]、市級尺度[21]或區(qū)域尺度[22],并且多集中于東部[23]或經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)[24],對西北內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)縣域尺度的研究卻不多見。

基于此,本文以甘肅省中部半干旱區(qū)縣級行政單位——臨洮縣為例,在借鑒相關(guān)研究方法的基礎(chǔ)上[25],以臨洮縣生態(tài)保護紅線劃定方案為參考,基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估與水土流失敏感性評價選取生態(tài)源地,利用最小累積阻力模型構(gòu)建阻力面,識別各生態(tài)組分,以期為干旱半干旱區(qū)縣域尺度生態(tài)安全格局構(gòu)建提供相關(guān)參考,為臨洮縣生態(tài)與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展及國土空間規(guī)劃提供重要指導。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

臨洮縣地處甘肅省中部,定西市西部(圖1),青藏高原與黃土高原的交界地帶。位于隴西黃土丘陵溝壑區(qū)西緣,洮河下游,屬甘肅省中部重點旱作農(nóng)業(yè)區(qū),是黃河上游的重要生態(tài)屏障,全縣生態(tài)環(huán)境良好、山水特色鮮明。位于103°29′—104°19′E,35°03′—135°57′N之間,地勢起伏較大,南北狹長,整個地勢由東南向西北傾斜,溝道多伸向洮河。境內(nèi)有西秦嶺余脈南屏山和祁連山余脈馬銜山,以黃土地貌為主,形成了高山、丘陵、溝壑、梁峁、河谷、平川縱橫交錯的地形[26]。臨洮縣深居內(nèi)陸,全縣屬大陸性季風氣候,年平均氣溫7.2 ℃,日較差在11 ℃以上,年較差達28 ℃,年降水量在317—760 mm之間,降水量分配不均,空間分布差異明顯,多集中在7、8、9三個月,占年降水量的57%,年蒸發(fā)量2278.4 mm,為降水量的2—4倍,干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)威脅很大。作為區(qū)域性生態(tài)安全格局構(gòu)建與生態(tài)文明建設(shè)的先行示范區(qū),落實生態(tài)安全思想,立足發(fā)展實際,構(gòu)建區(qū)域性生態(tài)安全格局,為國土空間保護、開發(fā)、利用、修復夯實基礎(chǔ),實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展尤為重要。

圖1 研究區(qū)概況圖

1.2 數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

本文中的影像數(shù)據(jù)(Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)產(chǎn)品)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(https://www.usgs.gov/),空間分辨率為30 m,經(jīng)過裁剪、拼接等預處理步驟,通過Band Math計算NDVI；數(shù)字高程模型(DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率30 m,主要用于提取坡度等地形因子的計算；NPP數(shù)據(jù)來源于MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品(https://modis.gsfc.nasa.gov/),數(shù)據(jù)重采樣成30 m；土壤數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn/),數(shù)據(jù)重采樣成30 m；降水等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于臨洮縣自然資源局,其中包括行政邊界、河流水系、交通道路等；土地利用數(shù)據(jù)來源于臨洮縣土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)集,全縣共有188870個斑塊,參考現(xiàn)行國家標準《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)、《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(TD/T1055—2019)對該數(shù)據(jù)進行整理分類后參與運算。

2 研究方法

2.1 源地的識別

生態(tài)源地是區(qū)域生境質(zhì)量最高的生態(tài)斑塊,是維系區(qū)域生態(tài)安全的基本保障區(qū)域,具有良好的生態(tài)穩(wěn)定性和擴展性[27]。目前的研究中生態(tài)源地識別方法主要有定性和定量兩種。定性的方法通常是根據(jù)研究區(qū)的自然環(huán)境條件,直接選取自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)或大面積林場等區(qū)域作為生態(tài)源地[28],該方法忽略了區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境的空間分布特點以及源地自身的生態(tài)環(huán)境狀況。定量的方法通常是基于遙感生態(tài)指數(shù)、生態(tài)適宜性評價等生態(tài)評估,在GIS技術(shù)的支持下進行各評價要素的空間疊加得出生態(tài)源地[15—16]。定量方法中較為普遍的為基于《國土空間雙評價技術(shù)指南》[29]及《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》[30]中生態(tài)用地重要性評價方法,劃定生態(tài)源地,該方法綜合考慮了研究區(qū)內(nèi)環(huán)境條件及本身地理條件的影響,較好地反映了生態(tài)系統(tǒng)的總體效益?；诖?本文參考《臨洮縣生態(tài)保護紅線劃定方案》和《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》,基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能和水土流失敏感性評價結(jié)果,同時考慮臨洮縣的自然資源稟賦和生態(tài)實際,在生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價中考慮生物多樣性、土壤保持、水源涵養(yǎng)三種功能[31],并將單一生態(tài)系統(tǒng)服務功能極重要、水土流失敏感性不敏感的區(qū)域進行疊加,剔除面積小于0.1 km2斑塊[2]后得到研究區(qū)生態(tài)源地,避免了單要素疊加評價方法的缺陷。此外,考慮研究區(qū)土地現(xiàn)狀和經(jīng)濟因素,將土地利用類型為建設(shè)用地的部分提取后同樣剔除面積小于0.1 km2的斑塊作為城鎮(zhèn)源地。

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估

(1)生物多樣性保護

生物多樣性保護是生態(tài)系統(tǒng)維持生態(tài)系統(tǒng)中物種、基因、生態(tài)系統(tǒng)多樣性發(fā)揮的作用,主要以生境參數(shù)作為評價指標[32]。本文在參考了李新等[25]的研究及《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》的基礎(chǔ)上結(jié)合臨洮縣生態(tài)環(huán)境狀況,選取生物多樣性保護服務能力指數(shù)來評價研究區(qū)生物多樣性保護功能。具體公式為：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)

式中,Sbio為生物多樣性保護服務能力參數(shù),NPPmean為研究區(qū)多年平均凈初級生產(chǎn)力,Fpre為降水參數(shù),由多年平均年降水量數(shù)據(jù)插值并歸一化獲得,Ftem為氣溫參數(shù),由多年平均年氣溫數(shù)據(jù)插值并歸一化獲得,Falt為海拔參數(shù),由研究區(qū)海拔進行歸一化獲得。將各因子統(tǒng)一成30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù),采用最大最小值法將數(shù)據(jù)歸一化到0—1之間,根據(jù)公式計算得到生物多樣性保護服務能力指數(shù)。

(2)土壤保持重要性

土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)與過程減少由水蝕所導致的土壤侵蝕的作用,主要與氣候、土壤、地形和植被有關(guān)[33]。本文采用修正的通用水土流失方程(USLE)測算研究區(qū)土壤保持量。計算公式為：

Ac=Ar-A

Ar=R×K×LS

A=R×K×LS×C×P

式中,Ac表示評價單元的土壤保持量,Ar為潛在侵蝕量,A為實際侵蝕量,R為降雨侵蝕力因子,K為土壤可蝕性因子,LS為坡度坡長因子,C為植被與管理因子,P為土壤保持措施因子。各因子的計算方法如下：

①降雨侵蝕力因子(R)用Wischmeier等[34]提出的降雨侵蝕力因子經(jīng)典估算方法,根據(jù)多年逐月平均降雨量計算：

式中,R為降雨侵蝕力因子,Pi為每月平均降雨量,P為年平均降雨量。

②土壤可蝕性因子(K)是指土壤遭受降雨、徑流侵蝕時的敏感度,是土壤抵抗降雨及徑流等產(chǎn)生的侵蝕能力的綜合體現(xiàn)[35],計算公式如下：

K=(-0.01383+0.51575KEPIC)×0.131

式中,KEPIC表示修正前的土壤可蝕性因子,K表示修正后的土壤可蝕性因子,mc、msilt、ms和orgC分別為粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm—0.05 mm)、砂粒(0.05 mm—2 mm)和有機碳的百分比含量(%)。

③坡長坡度因子(LS)采用陡坡LS算法對坡度進行分級,分別獲得L、S值,具體的計算公式如下：

式中,LS為坡度坡長因子,S為坡度因子,θ為坡度值,L為坡長因子,λ為坡長,m為坡長指數(shù)。

④覆蓋與管理因子(C)：覆蓋與管理因子C指的是在一定的植被覆蓋和管理措施條件下土壤流失量與其他條件相同時耕地上的土壤流失量之比,它與植被類型和覆蓋有直接的關(guān)系[33]。本研究參考蔡崇法等[36]的方法計算C值：

式中,vfc表示植被覆蓋度,vfc=(NDVI-NDVImin)∕(NDVImax-NDVImin)

⑤水土保持措施因子(P)：水土保持措施因子P指的是采取一系列耕作措施條件下土壤流失量和順坡種植土壤流失的比值[35],取值范圍在0—1之間,0代表沒有發(fā)生土壤流失,而1則指的是土壤流失最為嚴重。本文中,結(jié)合臨洮縣水土保持現(xiàn)狀以及實地調(diào)研的植被覆蓋狀況,對建設(shè)用地、水域、耕地、林地、園地和未利用地的P值分別賦為 0、0、0.5、0.8、0.8和1。

(3)水源涵養(yǎng)重要性

水資源是影響干旱與半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要因素,水源涵養(yǎng)功能也是該區(qū)許多生態(tài)過程服務的基礎(chǔ)。本文中水源涵養(yǎng)功能利用水量平衡方程計算：

式中,Qwr為水源涵養(yǎng)量,Pi為產(chǎn)流降雨量,Ri為地表徑流量,ETi為蒸散發(fā)量,Ai為i類生態(tài)系統(tǒng)的面積,i為第i類生態(tài)系統(tǒng)類型,n為生態(tài)系統(tǒng)類型總數(shù),本文n為7。

2.1.2水土流失敏感性評價

根據(jù)土壤侵蝕發(fā)生的動力條件,水土流失類型主要有水力侵蝕和風力侵蝕,研究區(qū)土壤侵蝕以水力侵蝕為主。因此,本研究中水土流失敏感性評價主要針對水力侵蝕：

式中,SSi為i空間單元水土流失敏感性指數(shù),評估因子包括降雨侵蝕力R,土壤可蝕性K,坡長坡度因子LS,植被覆蓋與管理因子C。各因子的具體算法及定義見生態(tài)系統(tǒng)服務功能計算中的土壤保持功能。

2.2 建立阻力面和賦值

本研究在生態(tài)安全格局構(gòu)建中,主要利用最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)建立阻力面。MCR模型由Knaapen等[37]于1992年提出,廣泛應用于生態(tài)安全格局研究中。其計算公式如下：

式中,MCR為最小累積阻力值,Dij為物種從源j到景觀單元i的空間距離,Ri為景觀單元i的阻力值,fmin表示最小累積阻力與生態(tài)過程的正相關(guān)關(guān)系。

結(jié)合臨洮縣的實際情況和數(shù)據(jù)可獲取性,以及參考楊姍姍[38]的研究成果,對MCR模型進行適當?shù)母倪M和參數(shù)調(diào)整,其計算公式如下：

MCR差值=MCR生態(tài)源地-MCR城鎮(zhèn)源地

式中,MCR生態(tài)源地指生態(tài)源地擴張最小累積阻力面,MCR城鎮(zhèn)源地指城鎮(zhèn)源地擴張最小累積阻力面,MCR差值指生態(tài)源地擴張最小累積阻力減去城鎮(zhèn)源地擴張最小累積阻力的差值。

不同的地理條件和社會經(jīng)濟作用對生態(tài)源地擴張和城鎮(zhèn)源地擴張具有不同的影響。參照臨洮縣生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,依據(jù)不同目標,選擇與生態(tài)源地和城鎮(zhèn)源地擴張過程相關(guān)程度高的影響因子創(chuàng)建阻力面。將各評價因子的原始數(shù)據(jù)標準化后參考相關(guān)研究[2,4,38—39]采用層次分析法確定其權(quán)重(表1、表2)。最后將各評價因子進行加權(quán)求和計算,從而得到生態(tài)源地擴張過程和城鎮(zhèn)源地擴張過程阻力面。

表1 生態(tài)源地擴張阻力因子分級及權(quán)重

表2 城鎮(zhèn)源地擴張阻力因子分級及權(quán)重

2.3 生態(tài)組分的識別

2.3.1生態(tài)廊道的提取

生態(tài)廊道是生物物質(zhì)能量流動的主要通道,對生態(tài)功能及生態(tài)過程的維持具有重要的連通和穩(wěn)定作用[40]。本文借助ArcGIS的距離分析工具,以任一生態(tài)源地為目標源地,其余的n-1(n為生態(tài)源地的個數(shù))個生態(tài)源地為目標集群,利用最小路徑算法計算出距離任一生態(tài)源地最近的生態(tài)源地,并重復以上步驟,直至所有生態(tài)源地的最短路徑都被識別出來,為方便管理和制圖,矢量化出所有的生態(tài)廊道。

2.3.2輻射通道的識別

生態(tài)輻射通道是除生態(tài)廊道以外的另一條物種擴張的低阻力谷線,作為生態(tài)廊道的補充,對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要的促進意義[41]。本文運用ArcGIS水文分析分水嶺提取方法,提取最小累積阻力值的下凹谷線作為生態(tài)輻射通道,然后將柵格谷線矢量化并剔除重復路徑,從而得到研究區(qū)輻射通道的空間位置。

2.3.3生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點的識別

生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點是生態(tài)功能最薄弱的點,也是生態(tài)要素流動、生態(tài)源地的關(guān)鍵作用點,一般在生態(tài)源地的連通中充當踏腳石的作用[42]。本文中生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點表現(xiàn)為最小耗費路徑的匯聚點和累積阻力表面的脊線與生態(tài)廊道的交點。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估結(jié)果

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估方法,得到臨洮縣生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估結(jié)果(圖2)。研究區(qū)生物多樣性保護各重要性級別呈現(xiàn)出一定的聚集分布,由北向南重要性程度明顯增強,呈現(xiàn)明顯的層次分區(qū),極重要區(qū)域主要分布在臨洮縣南部,面積為456.56 km2,占全縣總面積的16.02%,該區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況優(yōu)良,洮河濕地公園、南屏山生態(tài)旅游區(qū)均位于該區(qū)。土壤保持功能極重要區(qū)域的面積為439.06 km2,占總面積的15.41%,從空間分布來看,除在南屏山聚集分布以外,在馬銜山以及紅旗鄉(xiāng)的北部也有明顯聚集分布。水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)域面積為406.62 km2,占總面積的14.26%,集中分布于馬銜山一帶,該區(qū)屬東北部飲水工程水源地,海拔較高,人類活動相對較少,且植被覆蓋度較大,是臨洮縣最重要的水源涵養(yǎng)基地。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估結(jié)果

3.2 水土流失敏感性評價

根據(jù)水土流失敏感性評價方法,計算得到臨洮縣水土流失敏感性分布圖(圖3)。由圖3可得,臨洮縣水土流失極敏感區(qū)面積為419.48 km2,占總面積的14.72%,主要分布于北部山地的紅旗鄉(xiāng)和中鋪鎮(zhèn),該區(qū)氣候條件較差,農(nóng)業(yè)狀況不佳,水土流失嚴重。不敏感區(qū)的面積為415.62 km2,占總面積的14.59%,主要分布于沿洮河的川坪農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和馬銜山、南屏山植被覆蓋較高的區(qū)域,這些區(qū)域環(huán)境狀況較好,水土資源有較大優(yōu)勢,是臨洮縣生態(tài)優(yōu)先發(fā)展的重要區(qū)域。

圖3 水土流失敏感性分布圖

3.3 源地選取結(jié)果

將生態(tài)系統(tǒng)服務功能極重要區(qū)域以及水土流失不敏感區(qū)進行同等權(quán)重加權(quán)疊加得到臨洮縣生態(tài)源地。此外,考慮建設(shè)用地面積大小及分布情況得到臨洮縣城鎮(zhèn)源地分布圖(圖4)。由圖4可知生態(tài)源地面積為243.79 km2,占全縣總面積的8.55%,空間分布較為零散,主要分布在南屏山林區(qū)、馬銜山蘭州軍馬場、太石鎮(zhèn)的水源保護區(qū)以及沿洮河的河谷農(nóng)業(yè)區(qū),這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能較高,水土流失不敏感,是臨洮縣生態(tài)狀況較好的林地、草地所在區(qū)域。城鎮(zhèn)源地的面積為78.13 km2,占全縣總面積的2.74%,集中分布在臨洮縣城、高速、國道沿線以及中鋪工業(yè)園區(qū)。

圖4 臨洮縣源地分布圖

3.4 綜合阻力面的建立

根據(jù)擴張阻力面的計算方法,得到臨洮縣生態(tài)擴張綜合阻力面以及城鎮(zhèn)擴張綜合阻力面(圖5)。臨洮縣生態(tài)擴張阻力值在1.549和48.06之間,總體呈現(xiàn)出高低阻力值交錯分散分布,部分地區(qū)也有一定的聚集性。生態(tài)狀況優(yōu)良的地區(qū)阻力值較低,建設(shè)用地阻力值較高,原因在于人類活動較大,對生態(tài)環(huán)境影響較大。中東部山地地區(qū)阻力值明顯增高,這些地區(qū)本身自然環(huán)境狀況較差,不利于生態(tài)擴張。臨洮縣城鎮(zhèn)擴張阻力值介于1.603到45.46之間,城鎮(zhèn)擴張阻力與生態(tài)擴張阻力大體是相反的,在南屏山林區(qū)、馬銜山蘭州軍馬場以及紅旗鄉(xiāng)地質(zhì)保護區(qū)阻力值均較大,而在縣城、中鋪工業(yè)園等地,城鎮(zhèn)擴張阻力值明顯較低,這些地區(qū)交通便利,利于人類活動,故城鎮(zhèn)擴張阻力低。

圖5 源地綜合擴張阻力面

3.5 最小累積阻力面

以生態(tài)源地和城鎮(zhèn)源地為源數(shù)據(jù),生態(tài)源地擴張綜合阻力面和城鎮(zhèn)源地擴張綜合阻力面作為耗費距離數(shù)據(jù),分別計算生態(tài)源地擴張最小累積阻力值和城鎮(zhèn)源地擴張最小累積阻力值并用二者做差得到最小累積阻力差值面(圖6)。臨洮縣生態(tài)源地擴張最小累積阻力值介于0到155446之間,整體呈現(xiàn)北高南低的趨勢,在中鋪鎮(zhèn)和辛店鎮(zhèn)呈現(xiàn)聚集分布,在連兒灣鄉(xiāng)、漫洼鄉(xiāng)、站灘鄉(xiāng)和峽口鄉(xiāng)呈現(xiàn)帶狀分布。城鎮(zhèn)源地擴張最小累積阻力值介于0到192051之間,在蘭州軍馬場、紅旗鄉(xiāng)以及南屏山呈現(xiàn)高值聚集分布,在縣城、公路沿線呈現(xiàn)明顯低值聚集分布。實際上,最小累積值不單單是空間上的阻力數(shù)值,也反映了源地對生境的選擇性和景觀對物種的干擾程度。臨洮縣最小累積阻力差值介于-192051到147412之間,高值區(qū)主要分布在中鋪鎮(zhèn)和辛店鎮(zhèn),低值區(qū)主要分布在馬銜山蘭州軍馬場、紅旗鄉(xiāng)以及南屏鎮(zhèn)一帶。

圖6 最小累積阻力面

3.6 臨洮縣生態(tài)安全格局

以累積阻力差值表面為基礎(chǔ),在參考前人研究的基礎(chǔ)上[27]利用自然間斷法進行分級,得到臨洮縣生態(tài)安全格局緩沖區(qū),此外,將識別的各生態(tài)組分(生態(tài)廊道、輻射通道、生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點)進行疊加顯示,得到臨洮縣生態(tài)安全格局分布圖(圖7)。由圖7可得,臨洮縣高水平生態(tài)安全區(qū)面積為362.77 km2,占總面積的12.71%,主要分布于馬銜山水源涵養(yǎng)區(qū)、南屏山林區(qū)、太石鎮(zhèn)的水資源保護區(qū)、洮河國家自然保護區(qū)以及紫云山地質(zhì)公園保護區(qū)和紅旗的古遺址保護區(qū)。較高水平生態(tài)安全區(qū)的面積為1364.83 km2,占總面積的47.81%,是面積最大的區(qū)域,呈現(xiàn)明顯的圍繞高水平生態(tài)安全區(qū)分布,大多分布于南部的衙下集、玉井、窯店、康家集以及龍門等鄉(xiāng)鎮(zhèn),降水資料顯示,臨洮縣南部降雨量較北部明顯增多,因此南部生態(tài)狀況要好于北部。中水平生態(tài)安全區(qū)的面積為928.21 km2,占總面積的32.51%,與較高水平生態(tài)安全區(qū)相反,主要分布于臨洮縣的北部、東部。低水平生態(tài)安全區(qū)的面積為199.02 km2,占總面積的6.97%,呈現(xiàn)明顯塊狀分布,主要分布在中鋪鎮(zhèn)、辛店鎮(zhèn),在東部的漫洼、連兒灣、站灘等鄉(xiāng)鎮(zhèn)也有零散分布。

圖7 臨洮縣生態(tài)安全格局

高水平生態(tài)安全區(qū)往往受政策影響或本身自然地理條件的優(yōu)勢,生態(tài)環(huán)境狀況好,生態(tài)安全水平高,因此,應采取合理的生態(tài)布局,強化綠水青山就是金山銀山意識,積極恢復和保護天然草地、森林等資源,做好水源、水源涵養(yǎng)林的保護工作。較高水平生態(tài)安全區(qū)分布面積廣,現(xiàn)耕地多,涉及范圍大,應大力植樹造林,防風固沙,對現(xiàn)有的耕地和建設(shè)用地布局進行重點優(yōu)化,發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),加強水土保持生態(tài)建設(shè)。中水平生態(tài)安全區(qū)海拔較高,常年干旱少雨,植被覆蓋度較低,生態(tài)狀況較差,應采取封坡禁牧、退耕還林還草等措施,加快林草植被恢復和生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境改善。低水平生態(tài)安全區(qū)氣候條件較差、農(nóng)業(yè)狀況不佳,土壤侵蝕和水土流失嚴重,應采取嚴格的生態(tài)控制,封山禁牧,退耕還林還草,保護生態(tài)環(huán)境。

生態(tài)廊道是生態(tài)源地間相互連通的紐帶和橋梁,對保障該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整性和功能的充分發(fā)揮意義重大,本文共識別出234條總長493.56 km生態(tài)廊道,從空間格局來看,最長的一條是北起紅旗鄉(xiāng)南至新添鎮(zhèn)的沿洮河分布的生態(tài)廊道,其次沿馬銜山北部也有一條較長生態(tài)廊道。輻射通道呈現(xiàn)向外輻射發(fā)散狀,本文共識別出185條輻射通道,總長為551.26 km,從空間分布來看,臨洮縣輻射通道南部的密集程度要大于北部,西部要大于東部。生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點是生物遷徙的踏腳石,也是源地間相互聯(lián)系的重要節(jié)點。本文共識別出74個生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點,洮河沿線的節(jié)點分布較為集中,和輻射通道相似,南部的節(jié)點數(shù)量明顯高于北部。生態(tài)廊道、輻射通道以及生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點是生態(tài)安全格局不可缺少的組分,這些組分結(jié)合生態(tài)安全格局緩沖區(qū),共同組成臨洮縣生態(tài)安全格局,這種生態(tài)安全格局對臨洮縣的生態(tài)安全具有潛在決定作用,也將為臨洮縣國土空間總體規(guī)劃和城市用地合理布局提供科學參考。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文中縣域生態(tài)安全格局的構(gòu)建拓展了生態(tài)安全格局研究多以大城市為研究對象的局限,提出了一個適用于中微尺度區(qū)域的生態(tài)安全格局研究方法,為縣域生態(tài)安全格局研究提供參考,也有利于科學合理的引導臨洮縣城市開發(fā)建設(shè),貫徹綠水青山就是金山銀山的理念,實現(xiàn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。在生態(tài)源地的選取方面,基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性評估和生態(tài)敏感性評價識別源地,避免了單要素疊加評價方法的缺陷,具有一定的創(chuàng)新性。與直接選取林地等固定斑塊作為源地方法相比,該方法綜合考慮了研究區(qū)內(nèi)環(huán)境條件及本身地理條件的影響,較好地反映了生態(tài)系統(tǒng)的總體效益。其次,文章中識別的生態(tài)源地主要是森林和灌叢,科學性進一步提高,并且識別出的生態(tài)源地與臨洮縣重點生態(tài)功能區(qū)基本重合,即源地表現(xiàn)為研究區(qū)生態(tài)狀況最好的部分。此外,在各指標的選取中考慮了地形地貌、水文氣象、土質(zhì)植被、生態(tài)資源等多種要素,評價結(jié)果具有較好的全面性。

需要說明的是生態(tài)安全格局研究是一個長期性、復雜性的過程,本文的研究重點為臨洮縣行政級別內(nèi)的生態(tài)安全格局,并未考慮研究區(qū)這一小尺度生態(tài)安全格局對區(qū)域、黃河流域乃至全國更大空間尺度生態(tài)安全格局的支撐作用,因此,探討小尺度研究區(qū)生態(tài)安全格局對更大空間尺度的影響研究仍有待進一步加強。其次,源地的選取中將面積小于0.1 km2斑塊統(tǒng)一進行剔除,未充分考慮小面積但生態(tài)系統(tǒng)服務功能較高的區(qū)域,然而,根據(jù)地理學相似性定律,不同事物間都是相互聯(lián)系的,相鄰事物的關(guān)聯(lián)會更緊密,統(tǒng)一剔除的區(qū)域難免具有起連通性作用的關(guān)鍵斑塊,因此,對研究區(qū)生態(tài)安全格局的結(jié)果也具有一定影響。此外,本研究中的生態(tài)廊道、輻射通道為線狀要素,是對其位置的識別,缺乏對生態(tài)廊道、輻射通道寬度的探究,不同寬度的廊道可直接影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能,各類生物物種對廊道的利用與需求寬度也不盡相同,如何確定研究區(qū)最佳的生態(tài)廊道寬度,使其產(chǎn)生最大的生態(tài)效益是后續(xù)研究的一個重點方向。

4.2 結(jié)論

本文選擇西北內(nèi)陸半干旱區(qū)黃土高原縣級行政單位為研究對象,定量評估了生態(tài)系統(tǒng)服務功能并進行了水土流失敏感性評價,基于MCR模型構(gòu)建了臨洮縣生態(tài)安全格局,得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)定量評價結(jié)果,臨洮縣生物多樣性保護極重要區(qū)域面積為456.56 km2,占全縣總面積的16.02%,水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域面積為406.62 km2,占總面積的14.26%,土壤保持極重要區(qū)域的面積為439.06 km2,占總面積的15.41%,水土流失不敏感區(qū)的面積為415.62 km2,占總面積的14.59%?；诖吮疚墓沧R別出生態(tài)源地面積為243.79 km2,占全縣總面積的8.55%,生態(tài)源地空間分布較為零散,主要分布在南屏山林區(qū)、馬銜山蘭州軍馬場、太石鎮(zhèn)的水源保護區(qū)以及沿洮河的河谷農(nóng)業(yè)區(qū)。此外,考慮土地用途和經(jīng)濟情況識別出城鎮(zhèn)源地面積為78.13 km2,占全縣總面積的2.74%,集中分布在臨洮縣城、高速、國道沿線以及中鋪工業(yè)園區(qū)。

(2)基于MCR模型構(gòu)建出臨洮縣生態(tài)安全最小累計阻力面,并得到臨洮縣生態(tài)安全格局緩沖區(qū),其中高水平生態(tài)安全區(qū)面積為362.77 km2,占總面積的12.71%,較高水平生態(tài)安全區(qū)的面積為1364.83 km2,占總面積的47.81%,中水平生態(tài)安全區(qū)的面積為928.21 km2,占總面積的32.51%,低水平生態(tài)安全區(qū)的面積為199.02 km2,占總面積的6.97%,不同的生態(tài)安全區(qū)應采取不同的措施共同保障臨洮縣生態(tài)安全。

(3)臨洮縣生態(tài)安全格局組分除緩沖區(qū)以外還包括234條總長493.56 km生態(tài)廊道,185條總長為551.26 km的輻射通道,以及74個生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點。