趙誠誠,潘竟虎

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

黃河流域及黃河所流經(jīng)地區(qū)在國家發(fā)展中具有極為重要的戰(zhàn)略地位[1],黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已被確定為重大國家戰(zhàn)略,而生態(tài)安全格局被認(rèn)為是國土空間開發(fā)保護(hù)的三大戰(zhàn)略格局之一[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求作為“社會—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境”系統(tǒng)的終端[3],對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求機制及內(nèi)容的研究是實現(xiàn)生態(tài)安全的重要環(huán)節(jié)[4—5],而生態(tài)廊道不僅僅提供物質(zhì)能量的流動空間,還起到聯(lián)系生態(tài)空間與人類社會空間的重要作用[6]。生態(tài)系統(tǒng)能夠提供給人類社會的物質(zhì)產(chǎn)品和生態(tài)服務(wù),與人類社會發(fā)展對于生態(tài)產(chǎn)品與服務(wù)的消耗需求,共同形成了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)與需求之間的動態(tài)平衡[7],同時也是推動經(jīng)濟(jì)社會和自然環(huán)境持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。

生態(tài)安全格局是生態(tài)系統(tǒng)整體的健康性、可持續(xù)性及其所提供的完善的生態(tài)功能[8—9]。國內(nèi)外對于生態(tài)系統(tǒng)安全格局的構(gòu)建目前已經(jīng)形成了相對完善的以“源地識別—阻力面構(gòu)建—廊道提取—判定安全格局”為基本框架的格局構(gòu)建模式開展研究[10],但對于生態(tài)安全格局動態(tài)變化因素考慮不足,較少關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)與人類社會發(fā)展需求之間的動態(tài)平衡。早期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究主要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)供需概念的界定與研究框架的完善,且更重視生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)[11]；近年來主要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需量化及空間化、供需平衡、供需空間分布等[12—14]。其中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需量化主要采用生態(tài)過程模擬、生態(tài)價值當(dāng)量法、土地利用估計、專家評估矩陣法、生態(tài)模型等方法[15—16]；供需平衡研究則多采用生態(tài)供需比、需求率、供需協(xié)調(diào)度等方法[17]。研究尺度也從街道、流域、山區(qū)、盆地等中小尺度擴(kuò)至國家、全球等尺度[18]。總體來看,已有研究多關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系靜態(tài)特征,較少關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時空格局及空間匹配關(guān)系演變；多關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合研究,對不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)注較少[19]；研究多偏好于東部沿海地區(qū),以及中部城市化發(fā)育完善的地區(qū),對生態(tài)環(huán)境脆弱的西部地區(qū)關(guān)注較少[20]。

黃河流域甘肅段是整個黃河流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)補給區(qū),承擔(dān)著重要的生態(tài)服務(wù)功能,向黃河流域下游提供水源涵養(yǎng)、土壤保持等服務(wù),甘肅段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系著黃河流域的生態(tài)安全。但從整體來看,黃河流域甘肅段自然環(huán)境嚴(yán)酷、生態(tài)區(qū)位敏感、社會經(jīng)濟(jì)相對落后,面臨全面脫貧和保護(hù)生態(tài)的雙重任務(wù)。近年來,隨著社會經(jīng)濟(jì)快速增長的同時,加劇了對資源的過度開發(fā)和對環(huán)境造成的破壞,使得該區(qū)域在近幾十年飽受生態(tài)系統(tǒng)功能退化、水資源不足、生態(tài)環(huán)境惡化之苦,如甘南高原濕地萎縮、草場超載、水源涵養(yǎng)功能弱化,蘭州—白銀沿黃地區(qū)水污染壓力大,隴東黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失劇烈等,嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)安全以及經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。

鑒于此,本文選取能夠代表黃河流域甘肅段主要生態(tài)矛盾的水源涵養(yǎng)量、固碳釋氧量、土壤保持量和生境質(zhì)量4項指標(biāo),利用指標(biāo)重要性法提取生態(tài)源地,結(jié)合土地利用程度、人口密度和地均GDP識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求空間格局,最后利用MCR(minimum cumulative resistance,最小累積阻力)模型提取源地之間、源地與高需求區(qū)之間的生態(tài)廊道,進(jìn)而識別和構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局,以期為建立流域生態(tài)綜合治理機制,推進(jìn)流域保護(hù)、治理與高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域甘肅段位于100°—108.5°E,33°—37.5°N(圖1),地處黃河上游,黃土高原西側(cè),總面積14.3×104km2,占黃河流域總面積的17.65%。屬溫帶大陸性氣候,區(qū)域年均降水量400 mm,年平均氣溫7℃。行政區(qū)劃上包括蘭州、白銀、天水、武威、定西、平?jīng)觥c陽、甘南和臨夏等9市(州)60個縣(區(qū))；2018年末總?cè)丝?830.29萬人,占甘肅省總?cè)丝诘?9%；GDP為5769.55億元,占全省GDP總量的70%。黃河流域甘肅段不僅是甘肅省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,同時也是黃河上游重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),但由于該地區(qū)常年干旱少雨,水資源分布不均,風(fēng)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境敏感、脆弱,水土流失等生態(tài)環(huán)境問題突出。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/data.aspx),空間分辨率為1 km。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)取自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的GDEMV2數(shù)據(jù),空間分辨率30 m。歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)使用MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1,來源于NASA(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)網(wǎng)站,空間分辨率為250 m。植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)采用美國蒙大拿大學(xué)森林學(xué)院工作組(http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD17/MOD17A3/Y2015/)提供的MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品,空間分辨率為1 km。地表年均蒸散發(fā)數(shù)據(jù)及年均降水量數(shù)據(jù)來自于氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。夜間燈光數(shù)據(jù)采用NPP-VIIRS數(shù)據(jù),來源于NOAA夜間燈光數(shù)據(jù)中心(https://ngdc.noaa.gov/eog/download.html),空間分辨率為500 m。單位面積人口、地區(qū)生產(chǎn)總值空間柵格數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,空間分辨率為1 km。為便于統(tǒng)計分析,將以上各類空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為1 km。

1.3 研究方法

1.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)測算

結(jié)合已有的研究[21—22]和黃河流域甘肅段的實際情況,根據(jù)目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中常用的“千年生態(tài)系統(tǒng)評估”理論中有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)所對應(yīng)的類型,以及謝高地等[23—24]提取主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型理論為指導(dǎo),針對黃河流域甘肅段水資源不足、水土流失嚴(yán)重、人口壓力大、生態(tài)環(huán)境脆弱的現(xiàn)實情況,選取水源涵養(yǎng)量、固碳釋氧量、土壤保持量和生境質(zhì)量4項指標(biāo)作為評價流域提供給人類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

(1)水源涵養(yǎng)量

采用水量平衡方程,將研究區(qū)年降水量和用于植物蒸騰作用以及其他消耗的水量做差,即可得到研究區(qū)單位面積不同生態(tài)系統(tǒng)類型下的水源涵養(yǎng)量TQ(m3)[22],公式如下：

(1)

式中,i表示研究區(qū)第i類生態(tài)系統(tǒng)類型,j為生態(tài)系統(tǒng)類型總數(shù),Pi表示研究區(qū)降水總量(mm),Ri表示通過ArcGIS軟件的水文分析模塊,利用DEM計算得出的地表徑流量(mm),ETi表示地表蒸散發(fā)量(mm),Ai表示第i類生態(tài)系統(tǒng)的面積(km2)。

(2)固碳釋氧量

根據(jù)前人研究[25],綠色植物光合作用每生產(chǎn)出1 g干物質(zhì)就能固定并吸收空氣中1.63 g的CO2,然后釋放在空氣中1.2 g的O2,根據(jù)這一理論計算研究區(qū)內(nèi)的綠色植物固碳釋氧量Ca,公式為：

(2)

式中,Ca為植被固碳釋氧量(g/m2),NPP為植被凈初級生產(chǎn)力。

(3)土壤保持量

目前應(yīng)用最廣泛的土壤保持量計算方法是通過修正土壤流失方程(RUSLE)計算土壤保持量Ac(t/hm2)。由于篇幅所限,具體的計算過程參考文獻(xiàn)[26—27]：

Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)

(3)

式中,Ap為潛在土壤侵蝕量(t/hm2),Ar為實際土壤侵蝕量(t/hm2),R為根據(jù)降水?dāng)?shù)據(jù)計算得出的研究區(qū)降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2),K為不同土壤類型下的可侵蝕性因子(t MJ-1mm-1),L、S分別為根據(jù)高程數(shù)據(jù)計算出的坡長、坡度因子,C為土壤覆被與人為管理因子,P為水土保持措施實施因子。

(4)生境質(zhì)量

用于評估區(qū)域生境質(zhì)量常用的方法是InVEST (Integrate Valuation of Ecosystem Service and Tradeoffs Tool) 模型的Habitat Quality模塊。本文基于研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù),利用ArcGIS分別提取不同類型的土地利用數(shù)據(jù),除作為系統(tǒng)生境的耕地、草地、林地、水體外,其余均為非生境?？紤]到人類活動強度對生境的影響,本文綜合選取公路、鐵路、建設(shè)用地、人類活動強度4個因素作為生境威脅源,其中,用夜間燈光的強弱來反映人類社會活動強度指標(biāo)。參考模型的使用和前人研究[28],具體的評估參數(shù)如表1所示。

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求測算

以人類社會在經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中希望從自然生態(tài)環(huán)境中獲得的產(chǎn)品或服務(wù)的支持量為計算依據(jù)[29],結(jié)合研究區(qū)的實際情況和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的可獲得性,選取土地利用程度、人口密度和地均GDP 3項指標(biāo)來綜合反映研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量。

表1 生境質(zhì)量評估參數(shù)

(1)土地利用程度

人類活動對于生態(tài)系統(tǒng)中土地資源開發(fā)利用最主要的消耗是耕地和建設(shè)用地,同時由于土地屬于特殊資源以及其具有開發(fā)利用的不可逆性等特點,通過研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地占比來反映人類社會對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的消耗,占比越大表明消耗越高。

(2)人口密度

人口密度在某種程度上可以反映對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求量。采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心公布的分辨率為1 km的全國人口分布柵格數(shù)據(jù),人口密度數(shù)值越大,表明該區(qū)域?qū)τ讷@得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量也越大。

(3)地均GDP

地均GDP反映人類社會對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)品的利用效率。采用分辨率為1 km的全國單位面積GDP空間分布柵格數(shù)據(jù),地均GDP越高,則說明該單位面積土地產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值越高,經(jīng)濟(jì)實力強,對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量也就相應(yīng)越高。

為了消除少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好地區(qū)和人口較為集中地區(qū)由于人口密度和地均GDP與其他地區(qū)的明顯差異,分別將人口密度數(shù)據(jù)和地均GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行取對數(shù)處理,縮小與土地利用程度的差異,減小數(shù)據(jù)自身的波動。計算式為[25]：

X=xi1×lgxi2×lgxi3

(4)

式中,X代表流域段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量,xi1、xi2、xi3分別表示土地利用程度、人口密度和地均GDP。

1.3.3基于供需視角的生態(tài)安全格局構(gòu)建

(1)生態(tài)源地識別

傳統(tǒng)方法常以研究區(qū)內(nèi)的自然保護(hù)區(qū)、林地等自然生態(tài)系統(tǒng)較好的區(qū)域作為生態(tài)源地,過于主觀、片面,生態(tài)安全的內(nèi)涵要求源地應(yīng)能維護(hù)現(xiàn)有景觀過程的完整性,保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性并防止生態(tài)系統(tǒng)退化帶來的各種生態(tài)問題。因此,源地應(yīng)提供重要的生態(tài)服務(wù)功能且生境質(zhì)量較高。本文在定量評估研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)能力的基礎(chǔ)上,識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)的重要區(qū)域,將其作為源地識別的有效方法。分別在每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布上選取前20%區(qū)域,取并集作為服務(wù)供應(yīng)的重要區(qū)域,在選取出的指標(biāo)前20%區(qū)域中去除非生態(tài)功能用地[30],即可得到流域段內(nèi)的重要生態(tài)源地,其余斑塊為一般生態(tài)用地。

(2)阻力面構(gòu)建

參考前人關(guān)于生態(tài)阻力面構(gòu)建以及關(guān)于生態(tài)阻力系數(shù)的研究[10],本文對于基本生態(tài)阻力系數(shù)值的設(shè)定為：由于林地植被覆蓋程度高、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力強,則其生態(tài)阻力系數(shù)值也為最小值1；建設(shè)用地人類活動最強、對生態(tài)系統(tǒng)的流動阻力最大,則將其阻力系數(shù)賦值為最大值500；以此類推,分別設(shè)定不同土地利用類型的生態(tài)阻力系數(shù)為：耕地100,草地20,水體200,未利用地300。在設(shè)置不同土地利用類型阻力系數(shù)值的基礎(chǔ)上,通過NPP-VIIRS夜間燈光柵格數(shù)據(jù)對設(shè)定的研究區(qū)內(nèi)生態(tài)阻力面數(shù)值進(jìn)行修正,得到柵格i中的修正生態(tài)阻力系數(shù)Ri,計算式為：

(5)

式中,NLi為柵格i的原始夜間燈光指數(shù)數(shù)據(jù)值,NLa為柵格i所在土地利用類型a中的平均夜間燈光指數(shù)數(shù)據(jù)值,R為柵格i所在的景觀類型初始的阻力值。

(3)生態(tài)廊道提取

基于MCR模型進(jìn)行研究區(qū)生態(tài)廊道的識別和提取,計算生態(tài)系統(tǒng)中的能量、物質(zhì)、信息等服務(wù)從生態(tài)源地到生態(tài)需求地所要克服的累積阻力,而這一最小阻力值即為MCR模型的結(jié)果,也是在一定空間范圍內(nèi)找到的一條適合流動的最小阻力路徑。計算式為[31]：

(6)

式中,i、j分別表示兩個不同的生態(tài)源地,Dij為物種從j源地到i源地的空間距離,Ri表示不同土地利用方式下的景觀類型i對物種遷移和擴(kuò)散的生態(tài)阻力系數(shù),fmin為最小累積阻力與物質(zhì)遷移之間的函數(shù)關(guān)系。

通過分析流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)和需求的空間分布格局,綜合考量生態(tài)空間與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求空間的相互聯(lián)系和兩者在區(qū)域生態(tài)安全中的重要作用,耦合區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)和自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng),集中于生態(tài)供需視角下的源地識別與廊道提取,在高需求區(qū)的基礎(chǔ)上,有機連接自然生態(tài)源地和人類社會需求,促進(jìn)建立流域“生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—社會”耦合協(xié)調(diào)的正向反饋機制,推動生態(tài)供需平衡,保障區(qū)域生態(tài)安全。本文所采用的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technical flow chartNPP：凈初級生產(chǎn)力Net primary productivity；NDVI：歸一化植被指數(shù)Normalized difference vegetation index；DEM：數(shù)字高程模型Digital elevation model

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)

2018年黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布如圖3所示。生境質(zhì)量服務(wù)的平均值為0.90,最低值為0,最高值為1,林地和草地占生境質(zhì)量高值區(qū)域的93%,土地利用類型方面,生境質(zhì)量值依次為：林地>草地>耕地>水體>未利用地>建設(shè)用地。通過計算可得,土壤保持服務(wù)最大值為71699 t/hm2,而平均值僅為816.24 t/hm2,說明總體上土壤保持服務(wù)處于較低水平。從空間分布來看,高值區(qū)主要沿渭河沿線、太子山、興隆山、六盤山和甘南草原分布。水源涵養(yǎng)服務(wù)呈現(xiàn)出“南高北低”的空間分布特征,服務(wù)最大值為14.6×106m3,水源涵養(yǎng)高值區(qū)主要分布于研究區(qū)南部的甘南濕地,其次分布于中南部的草地和隴東地區(qū),主要受降水和地表蒸散發(fā)的影響,平均值為6.32×106m3,且表現(xiàn)出明顯的空間分布不均的格局。固碳釋氧服務(wù)整體上與研究區(qū)內(nèi)的林地、河流分布呈現(xiàn)空間一致性,研究區(qū)平均固碳釋氧量為1261 g/m2,林地固碳釋氧量最高為2474 g/m2,低值區(qū)主要分布于建設(shè)用地和未利用地。

圖3 黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services supply in Gansu section of the Yellow River Basin

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求

綜合研究區(qū)各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求指標(biāo)來看,土地利用程度最低的未利用地生態(tài)需求最低,其面積為3087 km2,占整個研究區(qū)總面積的2.1%；耕地面積為4.07×104km2,占整個研究區(qū)總面積的28.6%,在流域內(nèi)分布較為分散,同時由于受到人類活動干擾較大,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求也相應(yīng)較高；建設(shè)用地需求最高,面積為3300 km2,占研究區(qū)面積的2.3%,主要分布于各個縣(區(qū))的建成區(qū)。人口密度和地均GDP表現(xiàn)出相似的空間分布特征,人口密度最高值為42327人/km2,地均GDP最高值為68781萬元/km2,兩者均位于蘭州市城關(guān)區(qū)；但同時研究區(qū)內(nèi)還存在著3496 km2的區(qū)域人口密度為0人/km2,結(jié)合生態(tài)需求空間格局,該區(qū)域的生態(tài)需求值為最低值0,生態(tài)需求最高值為22.15,基本與研究區(qū)內(nèi)的人口、建成區(qū)空間分布一致(圖4)。

圖4 黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求空間分布Fig.4 Spatial patterns of ecosystem services demand in Gansu section of the Yellow River Basin

整體來看,黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求空間分布格局呈現(xiàn)出“高低值聚集”的特征,高值聚集區(qū)有兩大片,其一是沿黃河分布的蘭州市區(qū)及蘭州新區(qū)-白銀區(qū)一線高需求區(qū),其二是沿渭河一線分布的定西市、天水市和平?jīng)鍪胁糠謪^(qū)域,上述地區(qū)由于人口密度大,土地利用程度高,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平好,相對來說生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求也相應(yīng)較高。而在甘南州、臨夏州和天祝縣、景泰縣等部分區(qū)域,由于人口分布相對稀疏,土地利用程度不高,經(jīng)濟(jì)發(fā)展以農(nóng)牧業(yè)為主,缺少對資源消耗較大的重工業(yè)企業(yè),所以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求呈現(xiàn)低值聚集分布的格局。

圖5 黃河流域甘肅段生態(tài)源地空間分布 Fig.5 Spatial distribution of ecological sources in Gansu section of the Yellow River Basin

2.3 重要生態(tài)源地

從黃河流域甘肅段生態(tài)源地的總體空間分布來看(圖5),生態(tài)源地集中分布于研究區(qū)南部和東南部區(qū)域,主要包括黃河首曲、尕海、洮河、太子山、興隆山、六盤山等6個自然保護(hù)區(qū)所轄區(qū)域,以及西北部祁連山自然保護(hù)區(qū)的部分區(qū)域。研究區(qū)生態(tài)源地總面積約4.59×104km2,占研究區(qū)總面積的32.2%。從土地利用類型來看,生態(tài)源地主要為林地和草地,林地雖然僅占了研究區(qū)總面積的12.5%,但在生態(tài)源地中屬于林地的面積占比為58.5%,這說明林地在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)支持和調(diào)節(jié)等方面有著突出貢獻(xiàn)。

2.4 生態(tài)阻力面構(gòu)建及生態(tài)廊道提取

2.4.1生態(tài)阻力面

夜間燈光亮度值能在一定程度上很好地反映地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口、產(chǎn)業(yè)等發(fā)展水平,由圖6可知,研究區(qū)內(nèi)夜間燈光亮度最大值位于蘭州市城關(guān)區(qū),這也與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和城市化程度最高一致,其他各縣區(qū)的中心城區(qū)城市化水平較高,所以亮度也較周圍地區(qū)高,并逐漸向四周擴(kuò)散?；谘芯繀^(qū)夜間燈光亮度值,對設(shè)定的基本生態(tài)阻力系數(shù)值利用公式(5)進(jìn)行修正,結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?研究區(qū)生態(tài)阻力系數(shù)空間分布也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,經(jīng)修正后的阻力值最大為34161.3,平均值為58.86。高值分布于各個城區(qū)的中心區(qū)域,且生態(tài)阻力系數(shù)高值表現(xiàn)出沿流域內(nèi)主要交通線和人口聚集區(qū)分布的形態(tài)特征；而大部分阻力值較低的區(qū)域表現(xiàn)為與燈光數(shù)據(jù)的一致性,主要位于農(nóng)村地區(qū)和人口分布較少的區(qū)域。

圖6 黃河流域甘肅段夜間燈光值和修正生態(tài)阻力系數(shù)Fig.6 Spatial distribution of DN value and revised resistance surface in Gansu section of the Yellow River Basin

2.4.2生態(tài)廊道

圖7 黃河流域甘肅段生態(tài)安全格局 Fig.7 Ecological security pattern in Gansu section of the Yellow River Basin

本文利用ArcGIS軟件的空間分析工具,將各生態(tài)源地幾何中心點(共計13個點)作為起始點,以剩余的其他12個點為目標(biāo)點集群,依次對每個點進(jìn)行分析,利用MCR模型計算最小成本路徑,并基于最小阻力計算結(jié)果對黃河流域甘肅段的生態(tài)廊道進(jìn)行提取?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求空間格局,利用ArcGIS中的提取分析工具,對流域內(nèi)的生態(tài)需求空間格局進(jìn)行多次閾值提取,得到一條鏈接各主要生態(tài)需求區(qū)的平滑曲線為生態(tài)需求廊道,如圖7所示。

黃河流域甘肅段源間生態(tài)廊道共11條,總長度1390.79 km,整體格局上形成了東西向與南北向的兩大主要廊道軸線,同時中部分別向興隆山和洮河源地之間有南北向的延伸。需求廊道共13條,總長度1517.51 km,整體格局上主要的需求中心點分布于白銀區(qū)、蘭州新區(qū)、城關(guān)區(qū)、安定區(qū)、秦州區(qū)、崆峒區(qū)和西峰區(qū)等研究區(qū)內(nèi)幾大主要城市建成區(qū),廊道將高需求點進(jìn)行了有效的連接。通過分析生態(tài)廊道和需求廊道的空間分布,即流域內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流動通道與社會發(fā)展能量需求之間的空間聯(lián)系,進(jìn)而能夠合理地建設(shè)生態(tài)源地,拓寬源地的服務(wù)空間范圍。

2.5 生態(tài)安全格局構(gòu)建

綜合前文黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的供應(yīng)、需求空間分布格局的現(xiàn)實狀況,以及存在供需空間不匹配的實際問題,結(jié)合甘肅省政府編制的《甘肅省主體功能區(qū)規(guī)劃》中對于“三屏四區(qū)”生態(tài)功能區(qū)的劃分,以修復(fù)生態(tài)、保護(hù)環(huán)境、提供生態(tài)產(chǎn)品供應(yīng)作為重要生態(tài)源地的發(fā)展指導(dǎo)理論,結(jié)合地形地貌特征,劃分出隴中人口產(chǎn)業(yè)生態(tài)需求區(qū)、甘南水源補給生態(tài)供給區(qū)和隴東黃土丘陵溝壑水土保持生態(tài)需求—供給區(qū)。以生態(tài)廊道作為生態(tài)系統(tǒng)生物種、物質(zhì)、能量、信息等在兩個相鄰生態(tài)源地之間的遷移和擴(kuò)散的通道,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高需求區(qū)的集合中心點為起始點,以剩余的13個點為目標(biāo)點集群,以沿線道路、居民點為框架,得到生態(tài)需求廊道。以沿黃河流向分列南北的洮河—大通河和黃河最大支流渭河作為生態(tài)供給區(qū)與生態(tài)需求區(qū)之間的核心“動脈”,加強生態(tài)建設(shè)。據(jù)此,本文提出了“兩帶—三區(qū)”的研究區(qū)生態(tài)安全格局分塊優(yōu)化模式,如圖8所示。

圖8 黃河流域甘肅段生態(tài)安全格局優(yōu)化Fig.8 Optimization of ecological security pattern in Gansu section of the Yellow River Basin

“兩帶”分別指：洮河—大通河水源涵養(yǎng)保護(hù)帶；渭河沿線生態(tài)建設(shè)帶。

(1)沿黃河流向分列南北的洮河—大通河連線的生態(tài)水源保護(hù)帶,主要沿洮河經(jīng)渭源縣南部、臨洮縣西部區(qū)域,至臨夏州永靖縣匯入黃河,以及與黃河北側(cè)經(jīng)天?？h、永登縣于蘭州市匯入黃河的大通河流域。在滿足黃河上游水源保護(hù)的同時,要確保沿岸生態(tài)用水需求。

(2)沿黃河支流渭河分布的渭河沿線生態(tài)建設(shè)帶,聚集了研究區(qū)內(nèi)大量的人口,人類活動頻繁。該建設(shè)帶內(nèi)以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)為主,同時也是黃河流域甘肅段重要生態(tài)源地與主要需求區(qū)域的分界線,措施上應(yīng)減少人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動,保護(hù)河流濕地,建設(shè)濱河綠化帶,保證黃河整體上的水量流入和突出黃河流域?qū)τ趨^(qū)域環(huán)境和生態(tài)調(diào)節(jié)中的主要作用。

“三區(qū)”分別指：甘南水源補給生態(tài)供給區(qū),隴中人口產(chǎn)業(yè)生態(tài)需求區(qū)和隴東黃土丘陵溝壑水土保持生態(tài)需求—供給區(qū)。

(1)甘南水源補給生態(tài)供給區(qū)是黃河重要的水源補給區(qū)，總面積33031.24 km2,總?cè)丝?54.1萬人。該區(qū)域分布有大面積的沼澤濕地,形成了黃河上游重要的水資源補給區(qū),在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需方面屬典型的高供應(yīng)低需求區(qū)。應(yīng)堅持生態(tài)優(yōu)先,加強草原草場綜合治理措施和重點區(qū)段沙漠化防治,增強洮河上游水源涵養(yǎng)能力,逐步控制草場逐年退化,引導(dǎo)超載人口有序轉(zhuǎn)移。

(2)隴中人口產(chǎn)業(yè)生態(tài)需求區(qū)總面積約76795.7 km2,該區(qū)域人口密度大,人口總數(shù)約占研究區(qū)總?cè)丝诘?7.53%。建設(shè)用地占比最大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求方面以高需求為主；在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)方面,僅在興隆山、馬銜山區(qū)域提供少量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)。應(yīng)合理構(gòu)建人口分布與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)需求,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的動態(tài)平衡。

(3)隴東黃土丘陵溝壑水土保持生態(tài)需求—供給區(qū)面積約32722.56 km2。該區(qū)主要位于黃土高原,水土流失嚴(yán)重。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)方面,土壤保持服務(wù)平均值僅為243.24 t/hm2,遠(yuǎn)低于研究區(qū)其他區(qū)域的平均值。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求方面,主要的需求區(qū)與人口空間分布較為一致。措施上首先須堅持“防治結(jié)合、保護(hù)優(yōu)先”的水土保持方針,加大退耕還林還草力度,大力培育現(xiàn)代農(nóng)業(yè),加快改善人居環(huán)境。

在進(jìn)行各個功能區(qū)建設(shè)過程中,應(yīng)著重考慮各個區(qū)劃的主體功能,避免在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中出現(xiàn)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)與需求的空間不匹配進(jìn)一步擴(kuò)大的風(fēng)險。同時在城市化發(fā)展進(jìn)程中,要注意擴(kuò)張的“紅線禁止”區(qū)域,避免對生態(tài)源地及自然保護(hù)區(qū)的侵占,加大對于供應(yīng)和需求廊道的合理保護(hù)和開發(fā)建設(shè),以改善研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在供需空間上存在的不匹配問題和提高流域本身生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能。

3 討論

已有研究在構(gòu)建生態(tài)安全格局時,往往聚焦于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高供應(yīng)區(qū),或者強調(diào)保護(hù)生態(tài)源地,但對于生態(tài)供應(yīng)差而生態(tài)需求高的地區(qū)關(guān)注不夠[32—33]。本文研究發(fā)現(xiàn),黃河流域甘肅段存在嚴(yán)重的人口經(jīng)濟(jì)與生態(tài)資源空間不匹配的問題,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需呈現(xiàn)南部的甘南、臨夏州生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)高、需求低,隴中、隴東地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)低、需求高的空間格局。在區(qū)域生態(tài)規(guī)劃中,除了要加強區(qū)域重要生態(tài)空間如興隆山-馬銜山、黃河濕地、連城林區(qū)、子午嶺、六盤山等的保護(hù)力度外,更重要的應(yīng)當(dāng)是緩解區(qū)域生態(tài)稀缺問題,逐步改善生態(tài)空間與生活空間、生產(chǎn)空間的沖突現(xiàn)狀。黃河流域“生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—社會”耦合系統(tǒng)中,存在交互作用和復(fù)雜機制,這些最終都可歸結(jié)為供需關(guān)系,因此,流域可持續(xù)發(fā)展的實質(zhì)也就是滿足生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡,構(gòu)建生態(tài)安全格局。黃河流域甘肅段除人口經(jīng)濟(jì)與生態(tài)資源空間不匹配外,還存在貧困區(qū)與生態(tài)脆弱區(qū)高度重合的問題,如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要的供應(yīng)方甘南和臨夏州,由于很難分享隴中和隴東受益方從流域生態(tài)服務(wù)中取得的惠益,導(dǎo)致流域生態(tài)不斷惡化,進(jìn)一步限制了生態(tài)服務(wù)受益方可持續(xù)發(fā)展。

本文在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的計算中,受限于數(shù)據(jù)獲取困難,舍棄了一些重要但精度難以達(dá)到要求的指標(biāo),如文化服務(wù)中,計算文化服務(wù)所必需的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)難以空間化和量化,不得不進(jìn)行舍棄。另外,部分區(qū)域計算出的建設(shè)用地水源涵養(yǎng)量較高,這可能是由于不透水面的降雨入滲較低、洪峰流量大所致,須在后續(xù)研究中深入分析。20%區(qū)域作為服務(wù)供應(yīng)的重要區(qū)域存在一定的主觀性。期望今后在獲得高精度地理空間數(shù)據(jù)的情況下,能夠開展更為細(xì)致深入的研究。此外,基于流域內(nèi)部物質(zhì)、能量流動的生態(tài)供需評估研究也是下一步關(guān)注的重點。

4 結(jié)論

本文評估了黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)、需求的空間分布格局,識別研究區(qū)內(nèi)重要生態(tài)源地,基于MCR模型提取研究區(qū)生態(tài)廊道,構(gòu)建生態(tài)安全格局并提出優(yōu)化措施。研究結(jié)果表明：

(1)黃河流域甘肅段生態(tài)源地總面積約4.59×104km2,集中分布于南部和東南部區(qū)域,生態(tài)源地中林地占比為58.5%。

(2)黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)與需求空間錯位明顯,高服務(wù)區(qū)域與高需求區(qū)域呈現(xiàn)出以渭河流域為分界線的明顯特征。

(3)黃河流域甘肅段源間生態(tài)廊道共11條,總長度1390.79 km,形成了東西向與南北向的兩大主要廊道軸線,需求廊道共13條,總長度1517.51 km。在分析了研究區(qū)供需匹配視角的生態(tài)系統(tǒng)安全格局基礎(chǔ)上,提出了“兩帶—三區(qū)”的生態(tài)系統(tǒng)格局優(yōu)化建議。