庄浪河流域生态保护重要性评价

Evaluation of the importance of ecological protection in the Zhuanglang River Basin

摘要

目的 识别庄浪河流域生态保护重要性的等级及其空间分布，为实现国土空间规划、生态保护和高质量发展提供依据。 方法 采用简化模型法与NPP定量指标法，完成流域生态系统综合服务功能重要性和生态环境综合敏感性评价，形成不同重要性等级分区。 结果 庄浪河流域生态保护极重要区占总面积的52.56%，集中分布在流域上游生态极重要区和流域下游生态极敏感区，区内土地利用类型以草地为主；生态系统综合服务功能以生物多样性和水土保持为主导；生态敏感性类型以极敏感为主，土地沙化是主要的生态问题。 结论 庄浪河流域的生态敏感性极高，生态综合服务功能极重要，土地利用类型与生态重要性、生态敏感性的空间分布基本一致；国土空间优化的主要方向为耕地、建设用地从生态保护极重要区有序退出；生态修复的重点在于避免土地利用引起的土地沙化和提高水源涵养能力。

Abstract

Objective This study aimed to determine the level of ecological protection importance in the Zhuanglang River Basin and its spatial distribution，laying a foundation for territorial spatial planning，ecological protection and high-quality development. Method The evaluation of the ecosystem's comprehensive service function and the ecological environment's comprehensive sensitivity in the watershed was conducted using the simplified model method and NPP quantitative index method，resulting in different levels of importance. Result The ecologically important areas in the Zhuanglang River Basin accounted for 52.56% of the total area,primarily concentrated in the upper reaches and lower reaches，which were ecologically important and sensitive areas，respectively.The predominant land use type in these areas was grassland.Biodiversity and soil and water conservation dominated the integrated ecosystem services，while ecological sensitivity was mainly categorized as extremely sensitive，with land desertification being the primary ecological problem. Conclusion In conclusion，the Zhuanglang River Basin exhibited extremely high ecological sensitivity and an important comprehensive ecological service function.The spatial distribution of land use types aligns with ecological importance and sensitivity.The spatial distribution of land use type was basically consistent with ecological importance and ecological sensitivity.Land space optimization should focus on the orderly withdrawal of cultivated and construction land from areas with crucial ecological protection.Ecological restoration efforts should prioritize preventing land desertification resulting from land use and enhancing water conservation capacity.

Graphical abstract

关键词

生态服务功能重要性评价 / 生态敏感性评价 / 生态保护重要性评价 / 庄浪河流域

Key words

evaluation of the importance of ecological service functions / ecosensitivity assessment / evaluation of the importance of ecological protection / Zhuanglang River Basin

Author summay

高敏，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

生态保护重要性评价是指某个地区在土壤侵蚀敏感性和生物多样性等多因子综合影响下对维持区域生态安全的重要程度^［1］，由生态服务功能重要性评价（生态重要性）和生态敏感性评价组成，生态服务功能越重要且生态越敏感的地区，生态保护重要性越强^［2］。生态保护重要性评价作为自然资源利用与国土空间规划的核心，旨在识别核心生态保护区，确保生态系统完整性、连通性^［3］，为国土现代化治理、生态修复及国土空间功能优化分区的相关研究提供重要依据^［4］。

国内外对生态保护重要性的评价也多有研究，国外学者 Costanza 等^［5］研究并开展了全球尺度的生态系统服务功能的价值评估，Mc Harg提出了生态敏感性分析模型^［6］，徐文华等^［7］选取水土流失、生物多样性及水源涵养3个指标，在国内首次开展了生态保护重要性评价研究。整体看来，该评价在尺度和地域的选择上，多基于省级^［8］、市级^［9-10］、县级^［11］或较小尺度的行政单元为主体进行研究，而以自然单元评价较少。在评价方法的选择上，主要有模型法、简化模型法、NPP定量指标法^［12］，李杰等^［13］采用InVEST模型计算各生态服务功能重要性指标。在生态保护指标体系的构建思路和采用的理论方法上，张仕超等^［14］基于DPSIRM模型构建山水林田湖草村健康评价指标体系；彭世良等^［15］根据地质公园景观资源系统评价原则与依据，采用权重赋值等方法，构建评价指标体系和模型；任永泰等^［16］利用综合指数与分级评价提出生态农业经济竞争力指数，并对其进行分级。生态保护重要性评价的结果多用于生态红线的划定^［17］，生态保护空间识别^［18］，生态安全格局构建^［19］，实现生态功能区划分^［20］，并为“三区三线”的划定奠定基础^［21］。

近年来，社会各界高度重视黄河流域生态保护和经济社会发展，推动流域生态保护和高质量发展已然是未来研究的主要发展方向^［22］。庄浪河作为黄河上游的一级支流，是黄河流域重要的生态安全屏障，是古丝绸之路的重要驿站。最近数十年以来，由于气候变化及人类活动的影响，流域内草地、林地大面积退化，土地沙化等问题持续发生，流域生态环境越来越脆弱^［23-24］。目前对该流域的研究多集中在水资源利用^［25］、上下游水沙变化^［26］及降水和土地利用变化对径流的影响^［21］等方面，缺乏针对生态保护和高质量发展的生态功能区划及生态重要性等方面的研究。因此，本文以庄浪河流域为研究区，在地理信息系统（GIS，geographic information system） 技术支撑下，参照“双评价”建立分析指标体系，采用简化模型法和NPP定量指标法探究该流域生态保护重要性，并将评价结果与土地利用类型叠加对比分析，识别存在的主要问题、潜在风险等，为庄浪河流域生态治理保护及黄河流域高质量发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

庄浪河流域位于甘肃省西部兰州以上黄河中游左岸，属黄河上游一级支流，流经天祝藏族自治县中的3个乡镇，过华藏寺界碑流经永登县中的8个乡镇，至西固区河口镇注入黄河（图1）。流域北宽南窄，长度约为179 km，面积约为4007 km²，属于湿带半干旱大陆性气候，年平均气温5.9 ℃，降雨量由北向南逐渐降低，蒸发量由北向南逐渐增加。庄浪河流域径流主要来自上游的天祝藏族自治县，该区为草原牧区，多种植高寒作物，地貌多样，降雨丰沛，植被良好，拥有祁连山国家级自然保护区，重点保护水源涵养林及珍稀动物，在流域内发挥了重要的生态系统服务功能^［27］。下游的永登县则为流域主要的农业产区，工业建设也比较发达，该区武胜驿以下大部分地区遍布黄土丘陵，植被大量破坏，水土流失严重，产沙量大，为河道主要泥沙来源区。

1.2 数据和方法

1.2.1 研究数据及其预处理

归一化植被指数（NDVI）、数字高程模型（DEM）数据来自地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn），用以获取研究区坡度、坡长、海拔因子、植被覆盖度等参数；多年平均降水量、风速数据（2016~2020年）来源于中国气象科学数据网（data.cma.cn），通过ArcGIS软件插值求得年均降雨、降雨侵蚀力、起风沙天数等参数；多年平均蒸散发（2000~2020年）来自MODIS ET数据插值求得；多年平均干燥度数据（1991~2020）来自中国科学院成都山地灾害与环境研究所数字山地与遥感应用中心侵蚀地貌过程与生态过程研究团队；土壤数据来源于全球土壤属性数据库（HWSD），用于计算土壤可蚀性因子以及不同土壤质地百分比含量；NPP数据集来源于中国科学院资源环境数据云平台（https：//www.resdc.cn）；2020年土地利用数据来自地理国情监测云平台（https：//www.dsac.cn），用于对比生态保护重要性评价，识别潜在生态问题。以上数据经过拼接、裁剪、投影变换和重采样、重分类等预处理，统一转换成栅格数据，统一空间坐标系，并重采样至30 ｍ×30 ｍ分辨率的栅格。

1.2.2 研究方法

利用ArcGIS水文分析功能确定流域范围；在对庄浪河流域生态空间划分综合分析的基础上，参考《甘肃省“十四五”生态环境保护规划》、《甘肃省黄河流域生态保护和高质量发展规划》中的任务与定位，以《生态保护红线划定指南》、《资源环境承载能力及国土空间开发适应性评价》中的生态评价指标为依据，针对其典型生态服务功能（水源涵养、水土保持、生物多样性维护）和主要生态问题（水土流失、沙化敏感性）构建评价指标体系，形成庄浪河流域生态保护重要性空间分区。评价方法和参数如表1所示。

1.2.3 分级标准

生态系统服务功能重要性分析指标体系与方法，参照“双评价”中的计算公式模型，在地理信息系统软件的基础上，计算得到水源涵养量、水土保持、生物多样性的生态系统服务功能栅格图，并进行归一化处理，按大小进行降序排列计算累加服务值（表2）。

生态敏感性分析指标体系与方法，根据“双评价”中的评定等级，对降水侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度、地表植被覆盖度、干燥度、起风沙天数和土壤质地等单因子进行分级，形成庄浪河流域水土流失敏感性（表3）以及沙化敏感性等级（表4）；利用ArcGIS的重分类模块，对生态敏感性评估结果进行分级赋值（表5）。

1.2.4 综合评价

生态系统综合服务功能重要性评价，对各服务功能重要性评价采用镶嵌至新栅格，在运算符中选择MAXIMUM，得到生态系统服务功能重要性等级，计算公式为：

ESI= Max（TQ_，A_，S）

式中：ESI为生态系统服务功能重要性等级，TQ，A，S分别为水源涵养、水土保持和生物多样性功能重要性等级。

生态环境综合敏感性评价，对各敏感性评价采用镶嵌至新栅格，在运算符中选择MAXIMUM，进行生态环境综合敏感性评价，计算公式为：

ES=Max（SS_，D）

式中：ES_{代表生态环境综合敏感性评价结果，SS代表水土流失敏感性评价结果，D代表沙化敏感性评价结果。}

生态保护重要性评价，利用 ArcGIS 软件，将流域生态系统综合服务功能重要性和生态环境综合敏感性的最高评估等级进行空间叠加分析，最终形成庄浪河流域的生态保护重要性空间分区。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务功能重要性评价

水源涵养、水土保持、生物多样性维护是庄浪河流域重要的生态系统功能。通过图2可以看出，水源涵养功能以较重要为主，极重要区分布在流域的西北林地地区，该区降雨量大，蒸散量小，一般重要区分布在流域下游；水土保持功能以一般重要为主，极重要区主要分布在地形起伏度较大区域；生物多样性维护功能以较重要为主，极重要区集中分布在流域上游，水源涵养林及珍稀动物保护区位于其中。

将上述3个结果叠加后，可以得出庄浪河流域生态系统服务功能重要性类型以较重要为主（图2、表6），面积约为1 132.71 km²，占流域总面积的28.27%，集中分布在流域中下游部分乡镇，所承担生态功能稍弱。其次为极重要区，面积约为1 129.78 km²，占流域总面积的28.20%，主要分布在抓喜秀龙镇、打柴沟镇、华藏寺镇、武胜驿镇和龙泉寺镇，区域内地形起伏度大、坡度高，分布有林、灌、草等多种自然生态系统类型，在生物多样性及水土保持功能中均体现出高度的重要性。一般重要区主要分布在流域下游，约占流域总面积的8.95%，该区域蒸散量大，地势平坦，植被覆盖度低，水源涵养、水土保持及生物多样性功能差。研究表明（表6），庄浪河流域生态系统服务功能以生物多样性维持和水土保持为主导，二者极重要区和高度重要区面积总和分别占流域总面积的29.36%和25.46%，水源涵养功能次之。

2.2 生态敏感性评价

庄浪河流域的2个生态敏感性指标评价结果如图3所示，水土流失和土地沙化分布趋势大体一致。水土流失及沙化敏感性都以高度敏感为主，主要分布在流域东北部；极敏感区集中分布在流域下游；轻度敏感区分布在流域西北部。

在生态敏感性综合评价中，生态敏感类型以高度敏感为主（图3、表7），面积约为1 651.53 km²，占流域总面积的41.22%。极敏感区面积约为1 105.69 km²，占流域总面积的27.59%，集中分布在流域下游的部分乡镇，该区人类活动强，土地利用类型以草地、耕地为主，土壤质地以砂壤土、粉砂壤土为主，易受侵蚀，且降雨量小，气候干燥。轻度敏感区分布在流域西北部的抓喜秀龙镇和打柴沟镇，该区部分土壤为粘壤土，植被覆盖度高，地形起伏度大。研究表明（表7），沙化极敏感区和高度敏感区面积占流域总面积的62.38%，对生态敏感性综合评价结果起到主导作用。

2.3 生态保护重要性评价修正结果与分析

根据分级标准，生态系统服务功能分为5个等级，生态敏感性分为4个等级，不存在一般敏感性，综合生态系统服务功能与生态敏感性评价结果，生态保护重要性评价划分为中等重要、高度重要、极重要3个等级，不存在一般重要和较重要，如图4、表8所示。由图可知，庄浪河流域生态保护重要性评价以极重要区为主，涵盖生态系统服务功能极重要区和生态极敏感区，面积约为2 106.04 km²，占流域总面积的52.56%；流域上游的生态保护极重要区包括甘肃祁连山自然保护区、滨河森林公园、重要湿地和重要物种等，主要分布在抓喜秀龙镇和打柴沟镇，区内降雨充沛，海拔、地形起伏度大，用地类型以草地、林地、耕地为主，生态系统综合服务功能为极重要区；流域下游的生态保护极重要区集中分布在柳树乡、大同镇、龙泉寺镇、红城镇、苦水镇和河口镇，用地类型以草地、耕地、未利用地为主，该区水土流失、土地沙化现象严重，生态环境受到较大影响。生态保护高度重要区面积约为1 638.29 km²，占流域总面积的24.95%，主要分布在流域中部，生态系统服务功能为中等重要区，生态敏感性为高度敏感区，综合评定为生态保护高度重要区。生态保护中等重要区零星分布在流域上游部分乡镇，面积约为262.67 km²，占流域总面积的6.56%，该区生态系统服务功能为较重要，生态敏感性为一般敏感。

2.4 生态评价结果和土地利用类型统计分析

由图5可知，在生态保护极重要区内，土地利用类型以草地（54.95%）为主，其次为林地（20.98%）和耕地（19.03%）；在生态保护高度重要区内，土地利用方式以草地（53.97%）为主，其次为耕地（29.47%）和林地（13.47%）；在生态保护中等重要区内，土地利用类型仍然以草地（40.52%）为主，其次为林地（34.07%）和耕地（21.85%）。上述结果表明，在生态保护极重要区内，应有选择地划定一定面积给予重点保护和限制开发建设；提升生态极重要区内的森林生态系统功能，加强天然林保护及退化林修复，保障流域生态系统安全；流域中下游区域黄土丘陵沟壑密布，土地沙化严重，用水量需求较大，未来建议提高该区耕地种植效率，积极发展节水技术，建设节水型生态植被需求^［28］，减少因耕作、水资源利用不当引发的生态极敏感区被破坏的问题。强化高度重要区、中等重要区的生态保护建设，高效利用草地资源并因地制宜的开展分类规划保护，综合治理区内退化草原和沙化草原，提升流域生态环境质量；在不破坏生态环境的前提下，合理规划农业、工业用地，并以特色文化为基础，打造生态健康的旅游新业态^［29］。

从图6可知，在林地、草地、水域、未利用土地中，各生态保护重要区以极重要区为主，其次为重要区；在耕地、建设用地中，以重要区为主，极重要区次之。由此，在土地利用结构和国土空间格局优化方面，宜稳定林地、草地的分布格局；在自然修复的基础上调整未利用土地的分布，根据其生态功能和生态敏感性的特征，分别向耕地（坡度低、有效土层适宜耕作）、建设用地（地势平坦、紧邻建设空间）和生态用地（生态服务功能突出、生态敏感性强）发展；逐步有序退出极重要区的耕地和建设用地，缓解生态保护与非生态利用之间的冲突；今后在进一步优化土地利用格局的基础上，重点需要协调土地的多功能利用，充分发挥土地的生态功能；为生态文明流域建设提供保障。

3 讨论

生态重要性和敏感性分析有利于科学地划定生态空间格局，为国土空间规划中的综合整治和生态修复提供参考^［30］。生态保护重要性评价由于研究区性质、评价方法、指标体系构建不同，其单因子的分级赋值、生态保护重要程度也不同。李晖等^［1］以三江并流区的核心部分怒江流域中段为研究区，综合土壤侵蚀敏感性和生物多样性，得出生态保护重要程度与生物多样性基本一致，以高度重要地区为主，无极敏感区。牛晓楠等^［7］选取7个指标构建福建省生态保护重要性评价指标体系，并按自然断点法及区域特征进行分等定级，得出生态保护以极重要区为主，区内土地利用类型以林地为主，水域次之。本文主要针对水土保持功能、水源涵养功能、生物多样性维护功能、水土流失敏感性、沙化敏感性6个单因子进行叠加分析，参考“双评价”中的评定等级，形成黄河支流庄浪河流域的生态重要性、生态敏感性评价。

从生态保护重要性评价结果来看，该流域以极重要区为主，区内草地分布最多，其次为林地和耕地；生态极重要区主要位于天祝县内，生态极敏感区集中分布在永登县内，这与韦军^［31］对黄河流域甘肃段“三生”空间分布特征进行探究的结果基本一致。崔宁等^［21］探究发现，高原湖泊达里湖流域生态极敏感区的土地覆盖类型主要为林地、耕地及草地；本研究生态极敏感区以草地、耕地为主。南锡康等^［9］研究发现，在评估生物多样性等级时，NPP定量指标法的使用具有一定约束性，因此本文基于NPP并结合水源涵养林及珍稀动物保护区完成评价，更准确地识别流域生物多样性丰富区。

4 结论

本文以庄浪河流域为研究主体，采用简化模型法与NPP定量指标法开展生态系统服务功能重要性评价和生态敏感性评价，识别生态保护极重要区及其空间分布。

1） 庄浪河流域的生态敏感性极高，以土地沙化的敏感性为主；生态系统服务功能极重要，以生物多样性维护和水土保持为主；生态修复的重点在于避免土地利用引起的土地沙化和提高水源涵养能力。

2） 生态保护极重要区面积约占52.56%，集中分布在流域上游北部的抓喜秀龙镇、打柴沟镇及流域下游的柳树乡、大同镇、龙泉寺镇、红城镇、苦水镇和河口镇，高度重要区面积约占40.89%，主要分布在流域中部；为维护流域生态系统健康稳定，应积极促进生态保护极重要区和高度重要区森林、草地生态系统结构完整和功能稳定，加大对流域下游水土流失、土地沙化的综合治理力度。

3） 生态评价结果和土地利用类型统计分析发现，流域土地利用类型与生态重要性、生态敏感性的空间分布基本一致。在生态保护极重要区中，草地占比54.95%，林地占比20.98%，耕地及少量未利用地、建设用地、水域分布其中；在高度重要区内，土地利用方式以草地（53.97%）为主，耕地次之。国土空间优化的主要方向为耕地、建设用地从生态保护极重要区有序退出，坚持生态优先，绿色发展。

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基金资助

甘肃省国土空间规划前期专题研究项目(XZ-20190606)