天山北坡經(jīng)濟(jì)帶關(guān)鍵性生態(tài)空間評(píng)價(jià)

田 浩,劉 琳,張正勇,趙貴寧,寧 珊,康紫薇,王統(tǒng)霞

石河子大學(xué)理學(xué)院, 石河子 832000

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速推進(jìn),我國(guó)資源環(huán)境整體形勢(shì)日趨嚴(yán)峻,保障國(guó)家與區(qū)域生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的空間格局尚未形成[1]。因此當(dāng)前在區(qū)域發(fā)展和規(guī)劃中,要求強(qiáng)化主體功能定位,優(yōu)化國(guó)土空間開發(fā)格局,踐行“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)理念。關(guān)鍵性生態(tài)空間(Critical Ecological Space,以下簡(jiǎn)稱CES)是生態(tài)空間中對(duì)維系區(qū)域生態(tài)安全格局、保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有支撐作用的基礎(chǔ)性關(guān)鍵區(qū)域,其辨識(shí)和評(píng)價(jià)能夠?qū)?guó)土空間布局和生態(tài)格局優(yōu)化等具有理論和實(shí)踐指導(dǎo)性,為生態(tài)文明建設(shè)的“頂層設(shè)計(jì)”提供思路。

自Gause[2]首次提出“生態(tài)空間”這一概念后, Ian、McHarg將其內(nèi)涵由自然條件及生物行為的空間范圍擴(kuò)展至人類生態(tài)系統(tǒng),肖篤寧等又將維持景觀異質(zhì)性、景觀動(dòng)態(tài)以及土地安全等功能納入其內(nèi)涵[3-5]。在此基礎(chǔ)上先后出現(xiàn)了與CES相近的概念,如重點(diǎn)生態(tài)空間[6]、重要/點(diǎn)生態(tài)服務(wù)功能區(qū)[7-8]、生態(tài)保護(hù)紅線[9]等。這些概念或是局限于生態(tài)壞境服務(wù)功能辨識(shí),而忽略了特定時(shí)空尺度下生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與敏感性之間密不可分的關(guān)系[10-16];或是通過(guò)嚴(yán)格設(shè)定重要性與敏感性的管理邊界值而劃定的強(qiáng)制性基線、底線和上線[9],缺乏層次性和漸進(jìn)性,其指標(biāo)體系對(duì)于我國(guó)地域特征迥異的各類自然區(qū)劃也缺乏普適性和可操作性。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),在生態(tài)空間中存在著更加基礎(chǔ)、具有支撐區(qū)域生態(tài)安全的警示性空間,即CES,它既要求體現(xiàn)基礎(chǔ)生態(tài)服務(wù)功能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的支撐作用,也要求體現(xiàn)敏感性對(duì)生態(tài)穩(wěn)定性的保障性作用,從而突出其“關(guān)鍵性”的地位。因此,本文將“關(guān)鍵性生態(tài)空間”定義為：生態(tài)空間范圍內(nèi),對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、維持生態(tài)敏感性因子穩(wěn)定具有支撐和保障作用,維系生態(tài)安全格局、保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性空間。

西北干旱半干旱區(qū)約占全國(guó)土地面積的30%,但生態(tài)空間及關(guān)鍵性生態(tài)空間研究尚少見。天山北坡經(jīng)濟(jì)帶地處西北內(nèi)陸,具有典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境、氣候與地形特征,同時(shí)也是新疆城鎮(zhèn)分布最密集、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū),資源約束趨勢(shì),生態(tài)安全問(wèn)題突出。本文以天山北坡經(jīng)濟(jì)帶為研究區(qū),結(jié)合西部寒區(qū)旱區(qū)特征和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性保護(hù)重要性因子及水土流失、土地沙化、土地鹽漬化和土壤凍融敏感性因子構(gòu)建重要性、敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)以支撐CES的評(píng)價(jià),并結(jié)合城建、耕地用地規(guī)模分析土地利用生態(tài)安全沖突問(wèn)題。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于東經(jīng)84°46′—88°58′,北緯42°45′—46°8′之間,地處準(zhǔn)噶爾盆地南部,北鄰古爾班通古特沙漠,南至天山山區(qū)(圖1)。自北向南依次為沙漠→荒漠→綠洲區(qū)→山區(qū)。氣候類型為典型的溫帶大陸性氣候,氣溫年較差、日較差大。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱,自然植被以草地、灌木為主,林地主要以南部山區(qū)的常綠針葉林為主。土壤類型主要以灌淤土、棕鈣土、灰漠土、鹽土和風(fēng)沙土為主,中高山區(qū)廣布冰川和凍土。在氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響下,綠洲邊緣鹽漠化嚴(yán)重,冰川退縮顯著,脆弱敏感的生態(tài)環(huán)境制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 研究區(qū)土地利用/土地覆被類型及位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用的數(shù)據(jù)包括多源遙感數(shù)據(jù)(NDVI、NPP、影像數(shù)據(jù)等)、氣象和水文數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)(表1)。為提高土地利用數(shù)據(jù)解譯精度,采用Landsat 8 OLI 2-7波段融合8波段得到15m分辨率多光譜影像,借助eCognition 9.0,將研究區(qū)土地利用/覆被類型分為15類(圖1)。為提高氣象數(shù)據(jù)的空間插值精度,在研究區(qū)內(nèi)已有的9個(gè)氣象站點(diǎn)基礎(chǔ)上又增加了周邊7個(gè)站點(diǎn)(圖1)并進(jìn)行IDW插值。DEM數(shù)據(jù)用于提取坡度、坡向及地形起伏度。

表1 數(shù)據(jù)說(shuō)明及來(lái)源

1.3 研究方法

1.3.1關(guān)鍵性生態(tài)空間辨識(shí)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

研究區(qū)由于其深居內(nèi)陸的地理區(qū)位、典型溫帶大陸性干旱氣候、山盆地貌格局、河流眾多、冰川凍土廣泛發(fā)育,垂直和水平地帶性植被分布、特殊的生物區(qū)系和生態(tài)過(guò)程等諸多自然特征,成為溫帶干旱區(qū)山地-農(nóng)田-荒漠景觀生態(tài)格局的典型代表。因此由CES定義出發(fā),充分考慮區(qū)域特征和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),將其評(píng)價(jià)體系構(gòu)造為生態(tài)服務(wù)功能重要性和生態(tài)敏感性兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)(圖2),前者主要考慮水源涵養(yǎng)、水土保持及生物多樣性保護(hù)功能;鑒于南部高寒區(qū)廣泛分布的凍土,敏感性評(píng)價(jià)除選取干旱區(qū)普遍適用的水土流失、土地沙化和鹽漬化因子外,新引入了土壤凍融敏感性因子,可為廣大干旱、半干旱區(qū)域不同地形地貌條件下生態(tài)環(huán)境的CES評(píng)價(jià)提供普適性指標(biāo)體系。

圖2 關(guān)鍵性生態(tài)空間(CES)辨識(shí)評(píng)價(jià)體系

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[6-8，17]。結(jié)合地形、土壤、氣候、植被等因子進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法如下：

(1)水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)[9]

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(1)

式中,WR為水源涵養(yǎng)功能指數(shù),NPPmean為多年生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力平均值(g/cm),Fsic為土壤滲流因子,Fpre為多年平均降水量(mm),Fslo為坡度(°)。

(2)水土保持功能重要性評(píng)價(jià)[9]

Spro=NPPmean×(1-k)×(1-Fslo)

(2)

k=(-0.01383+0.51575KEPIC)×0.1317

(3)

(4)

式中,Spro為水土保持功能指數(shù),k為土壤可蝕性因子,KEPIC為修正前的土壤可蝕性因子,mc、msilt、ms、orgC為粘粒、粉粒、砂粒、有機(jī)碳百分比含量(%)。

(3)生物多樣性保護(hù)功能重要性評(píng)價(jià)[9]

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×Falt

(5)

式中,Sbio為生物多樣性保護(hù)功能指數(shù),Ftem為平均氣溫(℃),Falt為海拔(m)。

(4)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)分級(jí)[9]

Int[Ai/Amax]

(6)

式中,Ai為第i個(gè)柵格值,Amax為柵格最大值。

將以上結(jié)果統(tǒng)一處理為250m×250m柵格數(shù)據(jù),并運(yùn)用(6)式進(jìn)行歸一化處理,得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能值,將累加值占總值比例的15%、30%、60%、95%對(duì)應(yīng)的柵格值作為分類界線,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性分為5級(jí)(表2)。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)分級(jí)

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)方法

生態(tài)系統(tǒng)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)反應(yīng)的敏感程度,用來(lái)反映產(chǎn)生生態(tài)失衡與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的可能性大小[10-16]?？陀^選取符合本區(qū)自然環(huán)境特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的敏感因子進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

(1)水土流失敏感性評(píng)價(jià)[9]

(7)

(8)

式中,SSi為水土流失敏感性指數(shù),Ri為由(8)式計(jì)算的降雨侵蝕力,Pi為月降雨量(mm),Ki為土壤質(zhì)地因子,LSi為地形起伏度(m),Ci為植被覆蓋度。

Ki通過(guò)將不同質(zhì)地的土壤根據(jù)抗侵蝕能力排序并分類賦值,如表3所示：

表3 水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(2)土地沙化敏感性評(píng)價(jià)[9]

(9)

(10)

式中,Di為土地沙化敏感性指數(shù),Wi為起沙天數(shù)(d),Ii為干燥度指數(shù)。

Ki通過(guò)不同土壤質(zhì)地因子具備的抗風(fēng)蝕能力進(jìn)行分級(jí)賦值得到,如表4所示：

表4 土地沙化敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(3)土地鹽漬化敏感性評(píng)價(jià)[9]

(11)

式中,Si為土地鹽漬化敏感性指數(shù),Ii為地區(qū)蒸發(fā)量/降雨量,Mi為地下水礦化度(g/L),Di為地下水埋深(m)。

評(píng)價(jià)因子的權(quán)重如表5所示：

表5 土地鹽漬化敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(4)土壤凍融敏感性評(píng)價(jià)[18]

(12)

式中,F為土壤凍融敏感性指數(shù),Wi為各單因子指數(shù)的權(quán)重,Ii為單因子標(biāo)準(zhǔn)化的值,n為評(píng)價(jià)因子的數(shù)量。

土壤凍融敏感性F越大,土壤凍融敏感性越強(qiáng)[18-19]。本文選取氣溫年較差、坡度、坡向、植被覆蓋度、年降水量、高程6個(gè)因子。其中溫度是影響凍融侵蝕的首要因子,低溫環(huán)境下壤中溫度周期性的變化才有可能形成凍融作用,溫差越大凍融作用越明顯,凍融侵蝕越強(qiáng)。坡度、坡向和高程也是重要的地形因素,坡度影響著凍融侵蝕的方向、距離和侵蝕量,坡向決定了凍土接受太陽(yáng)輻射總量和強(qiáng)度。植被覆蓋對(duì)凍融侵蝕作用有著明顯的削弱作用,植被根系一方面能夠穩(wěn)固土壤結(jié)構(gòu),另一方面能夠吸收多余水分使得土壤含水量無(wú)法存在長(zhǎng)時(shí)間飽和狀態(tài)從而緩解凍融作用。降雨量直接影響土壤含水量,進(jìn)而影響凍融過(guò)程,降水量增大時(shí),壤間水分增多,遇低溫凍結(jié)時(shí)體積膨脹更大,侵蝕強(qiáng)度也隨之增大。將以上6個(gè)因子使用AHP層次分析法確定權(quán)重,如表6所示。

表6 土壤凍融敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將新引入的凍融敏感性的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級(jí)賦值：0—0.13賦值為1;0.13—0.25賦值為3;0.25—0.4賦值為5;0.4—0.55賦值為7;大于0.55賦值為9。

(5)生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)分級(jí)

綜合以上敏感性指標(biāo),將生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)分為5級(jí)。具體分級(jí)見表7：

表7 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)分級(jí)

1.3.4關(guān)鍵性生態(tài)空間辨識(shí)方法

根據(jù)各單因子評(píng)價(jià)模型計(jì)算出的單因子生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和生態(tài)系統(tǒng)敏感性僅能反映出某一方面對(duì)于研究區(qū)生態(tài)空間的作用。若要根據(jù)以上7個(gè)因子綜合辨識(shí)研究區(qū)的CES范圍,就需要對(duì)每個(gè)重要性、敏感性因子進(jìn)行賦值,并通過(guò)疊加分析,計(jì)算生態(tài)空間綜合指數(shù)EL,進(jìn)而為辨識(shí)該區(qū)的CES作基礎(chǔ)。公式如下：

EL=Max(WR,Spro,Sbio,SSi,Di,F,Si)[9]

(13)

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)級(jí)以次要區(qū)域?yàn)橹?面積占比67%,均分布在植被稀疏的南部高山區(qū)及北部荒漠/沙漠區(qū);而較重要、重要和極重要區(qū)域共占20.9%,主要集中在南部山前草原及中部農(nóng)墾區(qū),可見生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與植被分布關(guān)系緊密。從重要與極重要區(qū)域面積占比來(lái)看(圖3,圖4),該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能整體較弱,主要體現(xiàn)在水源涵養(yǎng)功能和生物多樣性保護(hù)功能兩方面,為主導(dǎo)因子,而水土保持功能相對(duì)較弱。

圖3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)

圖4 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)功能重要性評(píng)價(jià)

全區(qū)水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護(hù)功能的各等級(jí)空間分布范圍較為接近,與NPPmean顯著正相關(guān)。南部山前草原及中部農(nóng)墾區(qū)良好的植被能夠截留、吸收和蓄滲水源,對(duì)促進(jìn)區(qū)域水分的良性循環(huán)有重要作用,良好生境也豐富了動(dòng)植物資源種類和數(shù)量,因此水源涵養(yǎng)功能評(píng)級(jí)為重要以上的區(qū)域主要集中在此,面積占比12.9%,對(duì)于保護(hù)本區(qū)水資源安全有重要作用。同時(shí),重要等級(jí)以上的生物多樣性保護(hù)功能區(qū)域占比13.2%,基本涵蓋了研究區(qū)各類自然保護(hù)區(qū),如天池森林自然保護(hù)區(qū)、瑪納斯河流域濕地自然保護(hù)區(qū)等,是保護(hù)生物多樣性的核心區(qū)域。

水土保持功能的次要等級(jí)區(qū)域占比達(dá)81.4%,說(shuō)明研究區(qū)水土保持功能較弱。較重要和重要等級(jí)區(qū)域僅占7.2%,主要以“東南→西北”走向的條帶狀分布在山區(qū)及河流流域所屬的中下游平原農(nóng)墾區(qū)。該地區(qū)地形平坦,Fslo較低;土壤質(zhì)地多為壤土、砂質(zhì)粘土和壤質(zhì)砂土等,其mc、msilt較高,因此該地區(qū)土壤保水能力強(qiáng)且不易流失。同時(shí),NPPmean與植被分布密度聯(lián)系密切,良好的植被覆蓋可減少地表徑流流失、穩(wěn)固土壤?？梢娝帘３止δ苁鼙緟^(qū)地形、河流分布及植被覆蓋影響顯著。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)

研究區(qū)不同地貌區(qū)敏感性類型不同,山區(qū)以水土流失和土壤凍融侵蝕為主,而土地沙化多發(fā)于北部荒漠戈壁區(qū),土地鹽漬化敏感性較高的區(qū)域則主要分布在綠洲灌區(qū)和山前過(guò)渡帶(圖5、圖6)。全區(qū)中度敏感性區(qū)域面積占比55%,主要分布于綠洲墾區(qū)和綠洲山前過(guò)渡區(qū)。敏感和極敏感區(qū)面積占比37.7%,分布于高山區(qū)、荒漠戈壁區(qū)和低山與綠洲過(guò)渡區(qū)。全區(qū)生態(tài)敏感性主要體現(xiàn)為土地沙化和鹽漬化,其次是水土流失,而土壤凍融區(qū)域小,對(duì)于全區(qū)的敏感性影響最低。

圖5 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果

圖6 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)

研究區(qū)南部山區(qū)土層較薄,LSi與Ri較高,因此南部山區(qū)水土流失敏感性高,其中中度敏感以上區(qū)域面積占比18%。而北部為山前盆地,又發(fā)育著面積廣闊的綠洲,河流經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)灌溉的多級(jí)分流,徑流量大幅減少,因而綠洲區(qū)及荒漠戈壁區(qū)發(fā)生水土流失的情況較少,敏感性等級(jí)以輕度為主,占75.3%。

土地沙化的中度敏感性及以上區(qū)域主要分布在西北部戈壁灘、沙漠-綠洲過(guò)渡區(qū),多有典型的風(fēng)蝕雅丹地貌。敏感以上等級(jí)的區(qū)域面積占比24%,主要原因在于該區(qū)地勢(shì)開闊平坦,常見5級(jí)以上大風(fēng),Ii多高于13,Wi多高于15,土壤質(zhì)地多為壤質(zhì)沙土、粉砂、粉砂壤土等,抗風(fēng)蝕能力弱,植被稀疏、地表裸露,故沙化敏感性較高。

土地鹽漬化是干旱、半干旱地區(qū)普遍的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,其造成的土地退化是綠洲發(fā)展的重要威脅。研究區(qū)鹽漬化敏感性等級(jí)在空間上呈現(xiàn)高山低—綠洲高—荒漠戈壁低的格局,且中度鹽漬化敏感等級(jí)以上的區(qū)域面積占比高達(dá)67.7%。敏感等級(jí)較高的區(qū)域,其Mi與Di的敏感度均較高,即地下水埋深較淺,地下水礦化度較高。高山區(qū)與荒漠區(qū)雖然礦化度高,但該地區(qū)地下水一般埋藏較深,敏感性相對(duì)較低。

土壤凍融是高寒區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害,其引起的凍脹和融沉?xí)?duì)耕地、草場(chǎng)以及公路等工程構(gòu)筑物造成嚴(yán)重危害[20]。土壤凍融敏感性是考慮到研究區(qū)具備高海拔山區(qū)這一自然環(huán)境特征而新引入的評(píng)價(jià)因子。本區(qū)敏感和極敏感區(qū)域面積占比不足5%,主要分布在南部天山高山區(qū)的2700m以上的凍土地帶。該區(qū)域雖然降水較少,但是低溫使得表面蒸發(fā)速率變低,土壤在長(zhǎng)期低溫環(huán)境下使得其中的水分能夠處于飽和狀態(tài),水分凝結(jié)從而形成凍土。而集中在中低山區(qū)分布的輕中度敏感區(qū)域,主要是地形降水造成高含水率土壤在低溫環(huán)境下所形成的季節(jié)性凍土。

2.3 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶關(guān)鍵性生態(tài)空間范圍辨識(shí)

為綜合體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的警示作用,將綜合評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行歸并,完成CES的分類和范圍劃定(表8、圖7),對(duì)區(qū)域綜合可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

圖7 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶CES辨識(shí)結(jié)果

表8 天山北坡經(jīng)濟(jì)帶CES辨識(shí)結(jié)果

底線型生態(tài)空間是維持現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)功能最基本、不可突破的最低限度或臨界區(qū)域,一旦破壞會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能不可恢復(fù)的極嚴(yán)重后果。它在生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著極為重要的生態(tài)服務(wù)功能,同時(shí)也是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中極為敏感脆弱的部分。這類空間主要分布于南部山區(qū),發(fā)源于天山冰川的河流是中下游綠洲平原的生命線,而山區(qū)本身的動(dòng)植物以及冰川等資源同樣具備不可替代的生態(tài)服務(wù)功能。危機(jī)型生態(tài)空間是其本身較為敏感或具備重要生態(tài)服務(wù)功能的空間,若受到過(guò)多的人為干預(yù),則容易導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能的失調(diào)。因此將危機(jī)型和底線型生態(tài)空間均劃為本區(qū)的關(guān)鍵性生態(tài)空間,總面積為45318km2,占比52.8%。相比較底線型生態(tài)空間,危機(jī)型生態(tài)空間的空間上更鄰近于人類活動(dòng)區(qū)域且面積占比最大,以土地鹽漬化和土地沙化敏感性以及生物多樣性保護(hù)功能占主導(dǎo)因素,較為廣泛地分布在古爾班通古特沙漠南緣以及主要河流上游和下游。宜開發(fā)型生態(tài)空間主要集中于東南部山前區(qū),而緩沖型生態(tài)空間呈現(xiàn)出東多西少、南多北少,東南完整、西北較破碎的格局。相比危機(jī)型與底線型的空間,緩沖型生態(tài)空間環(huán)境承載力較好,在干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、宜開發(fā)型生態(tài)空間較少的情況下,可作為相對(duì)高效的土地利用空間。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1土地利用生態(tài)安全沖突分析

辨識(shí)CES的目的在于生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展下的適度開發(fā),增進(jìn)人類福祉[21,22]。研究區(qū)為新疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域,需要進(jìn)一步發(fā)展并作為增長(zhǎng)極向外輻射,這一進(jìn)程必然伴隨土地利用的調(diào)整和轉(zhuǎn)化。本研究的生態(tài)安全沖突主要體現(xiàn)為人類活動(dòng)對(duì)關(guān)鍵性生態(tài)空間的占用、改造和利用,因此重點(diǎn)關(guān)注各人工地類。將2015年土地利用數(shù)據(jù)中的居住地、工業(yè)用地、采礦場(chǎng)、交通用地和各類城市綠地并入城建用地,旱地、水田、園地合并為耕地,分別與CES辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行疊加分析,分析人工地類對(duì)各級(jí)生態(tài)空間的占用情況(表9、圖8)。

圖8 土地利用(城建用地、耕地)生態(tài)安全沖突

表9 土地利用生態(tài)安全沖突區(qū)

城建用地有55%分布在宜開發(fā)—緩沖型生態(tài)空間上,且主要分布在緩沖型生態(tài)空間中,分布在宜開發(fā)型生態(tài)空間中的比例僅占4%。45%的城建用地占用關(guān)鍵性生態(tài)空間,主要分布在危機(jī)型生態(tài)空間中?？臻g上,阜康市、五家渠市、烏魯木齊市南部、昌吉市、呼圖壁縣、瑪納斯縣南部、石河子市、克拉瑪依市的獨(dú)山子區(qū)絕大部分地區(qū)位于宜開發(fā)—緩沖型生態(tài)空間。而烏魯木齊市北部、沙灣縣、奎屯市、烏蘇市、克拉瑪依市大部分城建區(qū)主要分布于危機(jī)型生態(tài)空間,少部分分布在底線型生態(tài)空間中。相對(duì)城建用地,耕地占用沖突性更加嚴(yán)重。約43.5%的耕地處于宜開發(fā)—緩沖型生態(tài)空間中,主要分布在瑪納斯河流域、奎屯河流域、塔西河流域和呼圖壁河流域以及天山南麓等地區(qū)。而56.5%的耕地都分布在關(guān)鍵性生態(tài)空間中,其中沙灣縣、烏蘇市的大部分耕地都處于危機(jī)型、底線型生態(tài)空間中,很有可能對(duì)于周邊的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅,進(jìn)而加劇鹽漬化、沙漠化的進(jìn)程。

本文結(jié)果與部分以我國(guó)東部、南方地區(qū)為研究區(qū)的學(xué)者所得出的城建用地、耕地主要分布于宜開發(fā)型生態(tài)空間不同,本區(qū)有超過(guò)半數(shù)的城建用地和近半的耕地位于危機(jī)型和底線型生態(tài)空間,存在很大的生態(tài)安全沖突,從而極有可能帶來(lái)不同程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)的持續(xù)累積,使得環(huán)境因素對(duì)于今后區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的制約作用更顯著,同時(shí)也反映了綠洲生態(tài)系統(tǒng)目前及今后普遍面臨的生態(tài)安全問(wèn)題。因此,本文認(rèn)為在加大植被保護(hù)的同時(shí),積極推進(jìn)土地鹽漬化監(jiān)測(cè)、防控和治理工程,并可結(jié)合研究干旱區(qū)綠洲城市發(fā)展的各項(xiàng)指標(biāo),分析區(qū)域及城鎮(zhèn)發(fā)展空間規(guī)劃與不同等級(jí)生態(tài)空間的銜接問(wèn)題,探討底線型的強(qiáng)制保護(hù)、嚴(yán)格管控,危機(jī)型退牧還草、生態(tài)恢復(fù),緩沖型合理利用、適度開發(fā)的方法等,進(jìn)而研究西北干旱區(qū)城市發(fā)展與CES開發(fā)的關(guān)系,開展更深入的綜合研究,以尋求緩解甚至解決人工用地的生態(tài)安全沖突問(wèn)題。

3.1.2CES適宜性分析

CES的辨識(shí)及評(píng)價(jià)大致可分為自然生態(tài)學(xué)流派和城市生態(tài)學(xué)流派,前者多以沙漠、濕地等生態(tài)脆弱或具備重要服務(wù)功能的自然區(qū)為研究對(duì)象,以保障生物棲息環(huán)境為目的,結(jié)合一種或幾種生態(tài)服務(wù)功能來(lái)研究生態(tài)環(huán)境基本的穩(wěn)定性和物種多樣性來(lái)確定關(guān)鍵性空間范圍[23-26];后者主要研究方向?yàn)槌鞘锌臻g格局的優(yōu)化、景觀網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、生態(tài)空間規(guī)模劃定、生態(tài)安全規(guī)劃等[27-32],多結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等綜合指標(biāo)體系,對(duì)城市規(guī)劃和土地利用等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或研究普遍選取了水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性保護(hù)功能等進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)重要性評(píng)價(jià),敏感性評(píng)價(jià)則主要選取水土流失因子,而其他敏感性因子多針對(duì)區(qū)域特征而引入[9-16,27-32]。為了提升CES評(píng)價(jià)的可操作性和普適性,在明確CES內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,其評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建應(yīng)充分考慮區(qū)域自然環(huán)境特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)類型,盡量全面覆蓋主要的環(huán)境服務(wù)功能和敏感因子,以提高評(píng)價(jià)模型的適宜性。如針對(duì)重要的湖泊、河流,可引入洪水調(diào)蓄功能重要性,多發(fā)滑坡和泥石流等災(zāi)害的山區(qū)則使用地質(zhì)災(zāi)害敏感性因子;在物種繁多、氣候濕潤(rùn)的南方地區(qū),則可突出生物多樣性保護(hù)功能;而在富含石灰?guī)r且多雨的區(qū)域,可引入石漠化敏感性[9,27-33];在大型礦區(qū)則應(yīng)考慮地面沉降、礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)等問(wèn)題。我國(guó)是世界第三凍土大國(guó),多年凍土面積約215萬(wàn)km2,青藏高原、東北北部和中西部高山高原區(qū)廣泛分布多年凍土和季節(jié)性凍土[34],因此這些地區(qū)需要考慮土地凍融因子,基于此,本文在評(píng)價(jià)體系中也引入了這一因子。此外在CES評(píng)價(jià)時(shí)注意模型的適用條件、因子權(quán)重賦值和閾值設(shè)定時(shí)考慮區(qū)域差異,并與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相結(jié)合。如本研究中所需計(jì)算因子,其本身具備顯著的地域差異性,如：我國(guó)西北地區(qū)的干燥度指數(shù)整體上要比東南地區(qū)高;東部季風(fēng)區(qū)年降水量高于非季風(fēng)區(qū);而干旱區(qū)的地下水礦化度和地下水埋深則普遍高/深于濕潤(rùn)區(qū)等,以上眾多因子的閾值均參考生態(tài)保護(hù)紅線標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行了適當(dāng)細(xì)化和調(diào)整,才得到具有等級(jí)差異和空間過(guò)渡的可信評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2 結(jié)論

本文依據(jù)西北干旱區(qū)特殊的地理環(huán)境特征,分別從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和生態(tài)系統(tǒng)敏感性兩方面綜合分析并辨識(shí)了天山北坡經(jīng)濟(jì)帶關(guān)鍵性生態(tài)空間：

(1)研究區(qū)關(guān)鍵性生態(tài)空間由底線型與危機(jī)型生態(tài)空間構(gòu)成,總面積為45318km2,占比52.8%。其中底線型生態(tài)空間面積為7845km2,占研究區(qū)總面積的9.1%;危機(jī)型生態(tài)空間面積為37473km2,占比43.7%。

(2)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的高低與植被緊密關(guān)聯(lián),服務(wù)功能重要性評(píng)級(jí)以次要區(qū)域?yàn)橹?面積占比67%;較重要、重要和極重要區(qū)域共占20.9%。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性整體較弱,主導(dǎo)因子為水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)功能。

(3)研究區(qū)不同地貌區(qū)敏感性類型不同,山區(qū)以水土流失和土地凍融侵蝕為主,而土地沙化多發(fā)于北部荒漠戈壁區(qū),土地鹽漬化則主要發(fā)生在綠洲灌區(qū)和山前過(guò)渡帶。本區(qū)中度敏感區(qū)面積占比55%,敏感和極敏感區(qū)面積占比37.7%。全區(qū)生態(tài)敏感性以中度敏感為主,主要體現(xiàn)為土地沙化和鹽漬化敏感性。

(4)研究區(qū)有45%的城建用地與56.5%的耕地占用關(guān)鍵性生態(tài)空間,存在著較為嚴(yán)重的土地利用生態(tài)安全沖突,從而極有可能給區(qū)域帶來(lái)不同程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),使得環(huán)境因素對(duì)于今后地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的制約作用更顯著。

本研究所需數(shù)據(jù)種類較多、精度各異且時(shí)間跨度大,收集難度較大。因此提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度和豐度,能夠更好的支撐生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和敏感性因子的評(píng)價(jià),提高CES辨識(shí)的準(zhǔn)確度,進(jìn)而擴(kuò)充研究的深度和廣度。