国土空间生态修复是我国新时期推进生态文明建设的重要举措^[1]。新时期的国土空间生态修复本质上是景观尺度的生态保护修复^[2], 强调整体性、系统性、综合性^[3—4], 强调生态保护修复与社会经济发展的耦合^[5]。源于景观生态学的生态安全格局为国土空间生态修复提供理论和实践指导^[6—7], 成为协调经济发展与生态保护之间矛盾的重要途径^[8]。生态安全格局是一种通过选择生态源地和生态廊道将生态过程与功能联系起来^[9], 以维持区域生态安全的空间配置方案^[10], 目前已经形成“生态源地识别-阻力面创建-生态廊道提取”的基本研究范式^[11]。

生态安全格局作为一种管理手段, 在行政等级尺度上的研究较多^[12]。目前生态安全格局的研究尺度在不同行政等级上都有涉及, 如县级^[13—15]、市级^[16—17]、城市群^[18]等。但其研究视角多为单一尺度, 忽视了不同尺度上生态安全格局构建存在空间结构错位脱节的问题。究其原因, 主要是不同尺度上生态系统服务供需差异造成的。不同尺度下的景观格局和过程对生态安全格局构建提出了不同的需求^[19]。生态源地作为维持区域生态安全的关键斑块^[20], 在不同行政等级尺度上考虑到不同区域范围的生态系统服务供需, 得到的范围不会完全重合。此外, 由于不同行政等级的生态源地存在差异, 继而在构建生态廊道过程中这种差异会被延续。这导致生态源地割裂、生境破碎化、廊道冗余, 以至于相关的管理措施和工程措施难以落实。因此, 本研究提出一种整合不同行政等级尺度构建生态安全格局的技术框架, 这可为解决不同行政等级尺度下生态安全格局空间结构错位的问题提供一种技术思路, 对于各级政府如何更加科学合理的落实生态安全战略具有重要的现实意义。

本文所选案例地区——伊犁哈萨克自治州, 位于中国西北边境, 地处伊犁河流域, 是丝绸之路经济带核心区, 也是中国17个优先保护的生物多样性关键地区之一, 其所辖的昭苏县是我国首批全域旅游示范区和生态文明建设示范县, 拥有天然的生态屏障和丰富的珍稀野生动植物资源。近年来, 伊犁哈萨克自治州大力发展旅游业, 这也使得经济发展与生态保护之间的冲突不断增强。因此, 伊犁哈萨克自治州积极开展国土空间生态修复项目，而多数生态修复工程项目需要跨县域联合开展。本研究在州级和县级两级尺度下构建生态安全格局, 并与单一尺度下生态安全格局的构建进行比较。研究结果可为伊犁河谷地区协调经济发展与生态保护之间的关系、优化国土空间格局提供建议, 并为其他地区解决不同尺度下生态安全格局构建的问题提供思路和参考。

1 研究框架

不同尺度下的生态安全格局空间结构不同。根据生态安全格局的理念, 生态安全格局是满足区域社会经济发展需求的最小生态用地^[8]。单一尺度下的生态系统服务可能难以维持更高或更低尺度下的需求^[21]。此外, 不同尺度上的需求和生态系统服务是互动的, 不同尺度上的需求会促进不同行政等级管理部门采取相应生态保护修复措施提供生态系统服务^[22]。而不同尺度下空间结构的错位脱节会导致生态保护修复管理和工程措施难以实施。因此, 尺度整合视角下构建生态安全格局能够在满足不同尺度的需求的同时, 也利于开展生态保护修复工作。

整合州级和县级两级尺度构建生态安全格局, 以维持生态系统的完整性和管理实施的可操作性为原则。伊犁河谷地区作为西北干旱区的湿岛, 水资源充沛、森林覆盖度高、生物多样性丰富, 具有较好的食物生产、水源涵养、美学景观等生态系统服务能力。由于生态系统服务是生态系统提供的满足人类需求和发展的产品和服务, 是重要的资源与环境基础^[23], 所以本研究采用生态系统服务评价确定生态源地。同时, 为了满足自身以及上级行政区的需求, 本研究将县级以及州级识别的生态源地取并集作为尺度整合视角下县级的生态源地。对于跨县级行政区的生态源地整体作为县级生态源地以保留生态系统的完整性, 避免生态源地因为行政边界而被割裂。考虑到伊犁河谷地区自然本底和经济发展特点, 伊犁河谷地处独特的山盆系统, 山地崎岖寒冷不适宜生态流动, 而人类的社会经济活动也主要集中于平原地带, 这两种因素都易形成阻力。因此, 综合自然和社会经济因素构建阻力面更适合伊犁河谷地区。本文拟从自然因素和社会经济因素2个方面选取7个指标构建综合阻力面。由于识别的生态源地可能跨县级行政区, 所以县级的阻力面可能无法满足提取生态廊道的需要。所以生态廊道应在州级阻力面下提取。最终, 基于整合州、县两级尺度下确定的生态源地和州级尺度的阻力面, 运用电路理论模型识别生态廊道, 最终构建尺度整合视角下的生态安全格局(图 1)。

2 研究区概况

伊犁河谷地区(80°16′—84°95′E、42°26′—44°84′N)位于新疆西北角, 总面积约为55778.47 km², 北、东、南三面环山, 山系之间为喀什河谷地、伊犁—巩乃斯谷地、特克斯—昭苏盆地, 总体呈“三山两谷夹一盆”的地理格局(图 2)。行政区划主要包括伊犁哈萨克自治州和兵团第四师。伊犁哈萨克自治州直属所辖的行政区包括8县3市, 其中由于奎屯市为伊犁河谷地区以外的一块“飞地”, 因而本研究不予考虑。昭苏县(80°16′—81°86′E、42°26′—43°40′N)位于伊犁河谷西南部, 总面积10488.97 km², 为中亚内陆腹地的一个群山环抱的高位山间盆地, 北部为乌孙山、南部是天山山脉, 特克斯河从中部盆地穿过, 西与哈萨克斯坦接壤, 南邻阿克苏地区, 东接特克斯县, 北依察布查尔锡伯自治县。昭苏县地方管辖的区域包括12个乡镇(场), 第四师的74团、75团、76团、77团以插花的方式分布于昭苏县境内。

3 数据与方法 3.1 数据来源

本研究涉及数据包括土地利用数据、数字高程模型数据、气象数据、NPP、土壤数据和社会经济统计数据(表 1)。为了便于处理, 本研究将所有数据统一成30m分辨率的栅格单元。考虑到生态系统的完整性, 伊犁州和昭苏县的数据均包含其行政区划范围内的兵团土地。

3.2 研究方法 3.2.1 生态源地识别

本研究通过生态系统服务确定生态源地。参照相关研究^{[16, 24]}, 结合伊犁河谷实际情况, 按照千年生态系统服务评估(MA)的分类方式, 从供给、调节和文化服务3个方面选择食物生产、生境质量、碳固持、水源涵养、水土保持、美学景观6项重要的生态系统服务(表 2)。

将综合生态系统服务最高的区域作为生态源地。具体而言, 对各个生态系统服务归一化处理, 以消除维度影响。然后对6项生态系统服务等权叠加, 并利用分位数分级的方法对其划分成“高”、“较高”、“中等”、“较低”、“低”5个等级。将“高”等级的斑块初筛为生态源地备选区。然后根据斑块数量与面积确定斑块的阈值范围, 剔除面积较小的斑块, 其余的作为生态源地。

3.2.2 阻力面构建

综合考虑自然因素和社会经济因素, 选取景观类型、高程、坡度、距河流距离、距城镇用地距离、距农村居民点距离、距其他建设用地距离7个指标构建阻力面(表 3)。阻力值的划分参考相关研究^[27—29], 各因子权重采用层次分析法(AHP)计算并通过一致性检验。最终通过加权求和法得到综合阻力面。

3.2.3 生态廊道提取

生态廊道是生态系统中物质、能源和信息交流的重要路径, 对于维持生态过程具有重要意义^[30]。本研究通过电路理论模型识别生态廊道, 并根据累积阻力阈值确定廊道范围^[31]。

4 结果与分析 4.1 尺度整合下的生态源地

食物生产高值区主要集中在昭苏县中部盆地, 特克斯河两侧, 这里有大片连续的耕地(图 3)。生境质量方面, 昭苏县平均生境质量指数为0.53, 整体生境质量较好。生境质量高值区主要集中在昭苏县北部和南部林地和草地, 中部的耕地生境质量值较低。碳固持方面, 昭苏县2018年单位面积碳储量为16.16 t/hm², 最大地区达到36.74 t/hm²。整体而言, 昭苏县碳固持能力高值区分布范围较大, 低值区主要集中于南部山区, 主要是冰川和未利用地。水源涵养功能高值区主要分布在山前林地, 其次是草地。水土保持功能的空间格局与水源涵养功能较为类似。美学景观高值区主要集中在南部天山山脉冰川和中部特克斯河附近, 低值区集中在中部的耕地和建设用地。

县级尺度下昭苏县生态斑块总数为4271个, 总面积为2075.94km²。随着生态斑块的面积阈值从3 km²增加到30 km², 面积小于阈值的生态斑块数量从4207个增加到4259个, 这些生态斑块的总面积从302.02km²增加到754.32km²(图 4)。在9km²阈值处时, 生态斑块数为4242个, 占99.32%, 面积为484.03km², 占23.32%。也就是说, 大多数生态斑块的面积不到9km², 但这些斑块的面积比例很小, 可以消除。同样, 在9km²阈值处时, 伊犁州生态斑块数为37778个, 占比99.73%, 面积为2614.31km², 占比23.47%(图 4)。因此, 将生态源地斑块的面积阈值设定为9km²。两级尺度下, 生态源地重叠部分面积达1586.04 km²。

县级尺度下, 昭苏县生态源地斑块数为29个, 面积最小为10.00km², 面积最大为266.82km²。而州级尺度下, 落在昭苏县境内的生态源地斑块数为24个, 面积最小、最大的斑块面积分别为9.67km²、652.06km²。将县级、州级不同尺度下的生态源地取并集, 识别昭苏县生态源地斑块数为24个。其中, 生态源地斑块面积最小为9.67km², 面积最大为652.40km²。这表明尺度整合可以减少零散的生态源地斑块(图 5)。整合县级和州级双尺度, 昭苏县生态源地24个, 面积2504.47km², 落入昭苏县境内的面积2215.87km², 占昭苏县总面积21.13%。从空间上看, 生态源地主要分布于中部盆地以及北部、南部山区, 土地利用类型主要为耕地、草地和林地。这里人类活动干扰少, 生态系统服务强。在相邻行政区空间范围中, 昭苏县存在连绵的跨行政区的生态源地。这些生态源地斑块蔓延至东部的特克斯县、北部的察布查尔锡伯自治县, 主要是连续分布的林地和草地。

4.2 阻力面与生态廊道

通过7类阻力因子, 构建综合阻力面(图 6)。由于自然阻力因子与社会经济阻力因子之间的空间分异差别较大, 两者相互补充能更准确地反映生态过程所受的阻碍程度。伊犁河谷的高程和坡度在南北两个谷地和盆地都较低。由于这样的地形特点, 人类活动的干扰也集中于此。但是, 由于伊犁河谷地广人稀, 各类建设用地的干扰范围之间存在着间隙, 而间隙间的阻力值较小, 给生态过程流动提供可能。各类因子叠加后, 喀什河谷地和伊犁—巩乃斯谷地的高阻值区明显多于特克斯—昭苏盆地, 这是由于喀什河谷地、伊犁—巩乃斯谷地社会经济活动更密集。

随着阻力阈值的增加, 昭苏县生态安全格局面积的比例相应增加(图 7)。参照相关研究^[32], 结合伊犁河谷地区地广人稀的自然本底特点, 考虑到地方经济发展需求, 假设生态用地占比不超过区域总面积的30%, 选取2000阈值确定廊道的空间范围。共识别出51条生态廊道, 其中有1条廊道位于昭苏县行政区划外不予考虑, 确定昭苏县境内共50条生态廊道。生态廊道总长度200.17km, 平均长度4.00km, 廊道长度在0.04—16.97km之间。生态廊道所覆盖的土地利用类型以草地、耕地和林地为主。

4.3 生态安全格局

本研究将昭苏县行政边界包含或相交的24个生态源地斑块和50条生态廊道组成不同尺度整合视角下昭苏县生态安全格局(图 8)。整体来看, 昭苏县中部盆地和北部乌孙山生态网络密集。昭苏盆地位于《新疆生态功能区划》中的昭苏盆地—特克斯谷地草原牧业生态功能区, 它是西部天山草原牧业、针叶林水源涵养及河谷绿洲农业的核心功能区, 为区域提供重要的生态系统服务。而乌孙山珍稀物种丰富, 拥有各种野生动植物最原始的基因库。此外, 乌孙山和天山西北部的生态廊道密度大, 表明乌孙山、天山与其周围的生态源地连通性好。而天山东南部生态网络稀疏, 与其他区域连通性差, 生态网络有待完善。具体而言, 除了完全位于昭苏县境内的生态源地斑块, 17个生态源地斑块与特克斯县相交, 主要是连续的林地和特克斯河。1个生态斑块与察布查尔锡伯自治县相交, 是位于乌孙山的连续林地, 虽然该生态斑块大面积位于察布查尔锡伯自治县, 但其有3条生态廊道与县域内其他生态源地斑块相通。这说明该生态斑块与县域其他生态斑块间联系密切。此外, 48条生态廊道完全位于昭苏县县域内, 2条生态廊道经过察布查尔锡伯自治县。

对比不同尺度下的生态安全格局(图 9), 州级尺度下生态源地主要分布于喀什河谷地和伊犁—巩乃斯谷地的东部、特克斯—昭苏盆地, 喀什河谷地和伊犁—巩乃斯谷地西部由于社会经济活动剧烈, 生态源地较少。这表明, 喀什河谷地和伊犁—巩乃斯谷地东部和特克斯—昭苏盆地对整个伊犁河谷的生态安全贡献很大。这也使得昭苏县与伊犁河谷其他区域, 尤其是喀什河谷地和伊犁—巩乃斯谷地西部的生态交流密切。

4.4 生态保护修复策略

建议昭苏县以生态安全格局为基础, 识别重要的生态保护修复区域。生态源地具有较强的生态系统服务能力, 为区域生态安全发挥着举足轻重的作用。而生态廊道作为沟通生态源地间物种、能量与信息传递的生态要素, 以提高景观连通性。因此, 生态源地是重要的生态保护区域, 而生态廊道由于易受干扰是重要的生态修复区域。此外, 公路、铁路等各种线性公共设施与生态源地和生态廊道交汇的区域会割裂生态源地和生态廊道, 影响生态要素流通, 是重要的生态修复节点, 建议及时建设一些人工绿道和緑楔等加以修复。对于跨区域的生态源地, 应与特克斯县和察布查尔锡伯自治县积极协调, 妥善处理好跨区域生态源地斑块保护与生态廊道建设维护。

5 讨论

不同尺度下生态安全格局空间幅度的错位与主体结构的脱节导致生态安全格局难以落实。空间幅度的错位造成生态源地的割裂, 主体结构的脱节造成生态系统内在机制不畅。一方面, 这影响生态安全格局的系统性, 不利于发挥其作用；另一方面, 也影响生态安全格局路径优化的合理性^[33]。而造成这种问题的原因是因为不同等级的区域范围内生态系统服务供需不均衡。此外, 从构建方法的角度来看, 由于生态斑块在不同等级行政区上重要性等级的不同也会导致生态源地选择有所差异。本研究通过整合不同尺度的生态源地及生态廊道构建昭苏县生态安全格局, 旨在解决不同行政等级尺度下的生态安全格局构建出现的空间结构错位脱节问题。

参考相关研究^[12], 采用生态源地斑块数、平均斑块面积、最大斑块面积、生态廊道数量、生态廊道平均长度5个指标, 将整合不同尺度下的生态安全格局与单一尺度下生态安全格局的构建进行比较(表 4)。经对比分析, 在昭苏县县级尺度下通过开展生态系统服务功能评价得到的生态源地数量比伊犁州尺度下多5个, 但平均斑块面积和最大斑块面积分别要小49.22km²和385.24km²。而整合州、县两级尺度后, 昭苏县共确定生态源地24个, 平均斑块面积104.35km², 最大斑块面积652.40km²。整合不同尺度的生态源地斑块数量更少, 面积更大。这是由于州级尺度的生态源地与县级尺度的生态源地合并导致的。此外, 在昭苏县县级尺度下运用电路理论模型共确定生态廊道60条, 平均长度5.30km。而伊犁州州级尺度下生态廊道比县级更精简, 落在昭苏县的生态廊道56条, 平均长度5.19km。整合这两级尺度共构建生态廊道50条, 比州级的少了6条, 平均长度比州级的少了1.19km, 数量和长度都减少了, 这说明该方法避免了不同尺度下生态廊道的冗余。由此可见, 整合视角下构建昭苏县生态安全格局能显著改善生境破碎化, 提高景观连通性。

整合不同尺度下的生态安全格局构建比单一尺度下在生态源地的识别和生态廊道的提取上都具有优势(表 5)。此外, 在具体实践管理中, 尺度整合视角下的生态安全格局构建能更好的落地实施。县级及以上行政区划等级的生态需求最终都要落在县级的建设管理上。同时, 也避免了生态源地保护的割裂和生态廊道建设的冗余。

6 结论

通过整合伊犁州州级和昭苏县县级两级行政区划尺度, 构建昭苏县生态安全格局。并探讨了不同行政等级下昭苏县生态安全格局变化情况, 及其与整合不同尺度视角下昭苏县生态安全格局的对比。本研究通过食物生产、生境质量、碳固持、水源涵养、水土保持、美学景观6项重要的生态系统服务评价, 在两级行政区划整合视角下, 共确定了24个生态源地斑块, 并通过电路理论模型识别了50条生态廊道。与单一尺度下生态安全格局构建相比, 尺度整合视角下生态安全格局构建可以避免区域间生态源地的不连续, 并且能够更有效的确定生态廊道, 避免生态廊道冗余。本研究在一定程度上揭示尺度差异下生态安全格局的变化, 并寻求构建多行政区划尺度下最优生态安全格局的途径。

不同行政区划等级下的生态安全格局构建存在差异。本研究以生态系统服务评价确定生态源地, 构建综合阻力面并采用电路理论模型识别生态廊道, 整合县级和州级两级尺度构建昭苏县生态安全格局。但仍然存在一些不足。首先, 本研究仅考虑了生态系统服务供给的尺度变化, 而不同等级的行政区域内和区域间的生态需求也不相同, 但由于数据获取原因本文并未考虑生态系统服务的需求侧, 这将是后续改进和完善的研究方向。此外, 本研究仅仅关注行政区划尺度的变化, 能否将自然边界尺度纳入研究也值得考虑。