随着经济的迅速增长和城市化的快速推进, 人类对自然资源的需求急剧增加。然伴随着高强度的土地开发及利用方式的快速转变, 生态环境问题愈演愈烈^[1], 进而影响区域生态安全格局与可持续发展^[2—3]。合理开发利用生态资源、保护国土空间安全, 科学高效地转化土地利用方式, 已成为区域可持续发展的首要任务^[4—6]。生态安全格局作为指导城市有序扩张和土地结构优化的重要依据, 对确保生态系统结构完整、维护生态系统健康^[7—9]、以及持续提供生态系统资源与服务等都具有深刻意义^[10]。当前, “源地-阻力面-生态廊道”已成为生态安全格局研究的基本框架模式^{[3, 11]}, 而生态源地的科学识别作为生态安全格局构建的基础环节, 是保障区域生态安全的重要前提。

自生态安全格局研究以来, 国内外学者对生态源地的功能、意义等进行了深入探索, 并提出了众多的生态源地识别方法^[5]。依据对生物多样性丰富度以及生态系统服务重要性的不同考量角度, 生态源地识别大致可以分为直接识别法、综合评价指标体系识别法以及基于生态系统服务识别法三种途径。其中, 直接识别法通常将风景名胜区、自然保护区或生态保护红线内区域等生态关键区域定义为生态源地^[12]；综合评价指标体系识别法主要从生态重要性、生态敏感性以及可持续性等多指标出发, 综合评估划分生态源地^[13—14]；基于生态系统服务识别法主要依据区域内关键生态系统服务供给能力越强, 其生态重要性越高的原理^[15—16], 将提供优质生态系统服务的生境斑块作为生态源地。相较于前两种识别方法, 基于生态系统服务识别的方法更关注自然生态系统提供给人类的惠益, 强调直接或间接促进人与自然的可持续发展^[17], 并且能为生态环境保护及修复提供依据和基础^[18—19], 因而成为当前生态源地识别研究最为常用的划分方法^[16]。然而, 基于生态系统服务识别的方法在对生态系统服务重要性排序时, 缺乏景观连通性对生态过程和生态功能的关注, 对源地保护优先级的判识相对缺失^[20—22]。因此, 通过该方法获得的生态源地缺少保护优先级划分, 无法较好地发挥对生态安全建设的指导作用。Zonation模型是为解决保护资源配置方面各种问题而开发的一个优化空间布局的模型, 可用于空间保护优先次序(Spatial Conservation Prioritization, 简称SCP)的确定^[23]。近年来, Zonation模型多与物种分布模型结合, 广泛地应用于生物多样性保护规划^[24—25]。考虑到模型在景观优先级识别过程中能够保证景观连通性的优点^[26]。因此, 将基于生态系统服务识别源地的方法与Zonation模型相结合, 可有效地弥补基于生态系统服务的识别源地法对源地保护优先级判识的缺失, 以进一步提高生态源地保护资源的优化配置。

内蒙古位于我国北部边疆, 东西跨度较大, 自然景观类型复杂多样^[27]。内蒙古降水稀少, 为典型的干旱与半干旱气候区^[28], 生态系统本底脆弱^[29], 对气候环境的变化十分敏感。随着经济的发展和城镇化进程加速, 内蒙古地区面临着更为严峻的生态环境挑战^[30—32]。党的十八大以来, 习近平总书记三次前往内蒙古考察调研, 强调内蒙古生态环境安全对我国北方重要生态安全屏障建设的重要性^[33]。为改善当地脆弱生态环境、促使其生态系统服务的可持续发展, 本文综合考虑内蒙古生态环境本底特征及研究区各类资源对生态环境的影响, 对固碳服务、土壤保持、产水服务以及生境质量4种生态系统服务能力进行评估, 并利用Zonation模型得到内蒙古生态源地的空间保护优先级排序结果, 为区域生态环境保护资源的优化配置提供策略分析。

1 研究区概况

内蒙古自治区(37°24′—53°23′N, 97°12′—126°04′E)位于我国北部边疆, 总面积118.3万km², 东部为温带季风气候, 中西部以温带大陆性气候为主, 区域内四季分明, 春季干燥多风, 夏季炎热少雨, 秋季降温迅速, 冬季严寒少雪, 全年降水量少且时空分布不均^[27]。内蒙古跨越我国东北、华北、西北三大地区, 既是我国北方防沙带建设的核心区, 东北森林带建设的重点区, 也是黄河重点生态区的核心组成部分。内蒙古地貌类型众多, 且以高原为主, 东部的大兴安岭是我国最大的原始森林覆盖区, 北部为呼伦贝尔和锡林郭勒两大草原, 西部地区则以荒漠为主。生境的异质性造就其丰富的物种多样性, 全区陆生野生脊椎动物613种, 维管束植物(种子植物、蕨类植物)共计2619种。随着生态文明建设的推进, 内蒙古的土地利用政策已从建国初期为满足经济发展需求开垦大面积的林地和草地, 逐渐演变成为当前“生态优先”的发展路径, 土地利用方式和生态系统格局均产生较大改变^[34]。

2 研究方法及数据来源 2.1 生态系统服务评估

内蒙古独特的地理位置和地形地貌, 造就其复杂多样的生态系统, 是我国自然生态系统类型最完整的地区之一^[35]。选择和评价适宜的生态系统服务类型, 对于科学识别生态源地, 保障城市居民健康至关重要。草原作为内蒙古主要的自然生态系统类型, 草地面积占研究区45%以上, 不仅是畜牧业赖以生存和发展的物质基础, 同时可以固定地表土壤、提高土壤抗蚀能力、拦蓄降水和调节径流, 具有土壤保持、水源涵养等生态功能^[36—37]。生境质量是用来表征区域景观斑块生态适宜性的重要指标, 通过对生境质量服务的评价, 可为区域生物多样性保护提供参考依据；而生态固碳是有效协调生态系统功能和降低二氧化碳浓度的重要途径, 生态固碳服务的量化对气候平衡至关重要^[38—39]。因此, 本文综合考虑内蒙古生态环境本底特征及研究区各类资源对生态环境的影响, 选择土壤保持、产水服务、生境质量以及生态固碳4种典型的生态系统服务作为识别生态源地的依据。

土壤保持采用修订后的通用土壤流失方程RUSLE测量研究区的实际土壤侵蚀和潜在土壤侵蚀, 进而评估土壤保持力；生态固碳、产水服务、生境质量这三类服务分别通过InVEST模型的Carbon模块、Annual Water Yield模块与Habitat Quality模块进行估算。InVEST模型是由美国斯坦福大学、大自然保护协会(The Nature Conservancy, TNC)与世界自然基金会(World Wide Fund for Nature, WWF)联合开发的用于定量分析评估生态系统服务功能的工具, 旨在为决策者权衡人类活动的效益和影响提供科学依据^[40], 该模型具有数据参数需求少、运行速度快, 数据结果可视化的特点^[41]。关于本文这四种生态系统服务计算的原理和公式如表 1所示。

2.2 生态源地保护优先级识别 2.2.1 模型基本算法

Zonation模型通常可用于确定优先级区域, 以支持保护规划、土地使用规划、避免生态影响和其他类似任务。其基本算法是依据生物多样性特征如物种、栖息地、生态系统服务等的空间分布数据, 识别保持景观连通性的关键区域, 进而提出一种科学识别生态源地并进行保护优先级排序的定量方法^[26]。本文首先利用Zonation模型(version5)创建一个初始的完整优先级排序(初始化), 然后采用迭代重新排序景观网格单元(迭代)的方式寻找一个排序顺序。在迭代寻找的过程中单元特定的边际损失将会收敛为一个持续增加的序列(检查收敛性)。模型具体迭代排序步骤如下^[26]：

(1) 初始化：

① 首先设置迭代次数t = 0, 通过加权范围大小稀有度这一无条件评估方法, 计算所有栅格的边际损失M_i。

② 根据M_i(0)为每个栅格分配初始顺序来创建优先级排序的起点(即第一个排序向量S(0)), 令t = t + 1, 迭代排序从此开始。

(2) 迭代：

① 接下来进行条件排序操作, 即根据向量S(t)提出的特定顺序, 从最低到最高排序栅格移动, 重新计算栅格的边际损失M_i, 根据更新的条件边际损失将单元格重新排序为S(t+1)。

② 其中核心区移除规则下的边际损失可以通过下面公式来计算：

式中, r_ij代表栅格i中特征j(j在此处指不同生态系统服务类型)的剩余量占特征原始分布的比例, w_j代表特征j的权重, p取[1, +∞), 当p=1时强调较高的平均覆盖率, 而p=∞时, 强调所有特征的核心区域, 即对最差的特征也保留了更好的覆盖率。

(3) 检查收敛性：

当从最低到最高排序栅格移动时, 条件边际损失稳步增加, 则排序顺序是收敛的, 迭代排序可以停止, 最后一轮栅格的顺序表示最终的优先级排序。

2.2.2 生态源地划定

将四类生态系统服务的计算结果导入模型, 并对每类服务设置适宜的权重^[26], 选择核心区移除规则作为模型运行的边际损失规则, 该方法在保证具有高连通性和高生境质量的核心区保留的前提下, 使栅格移除的边际损失降到最低。因为得到的景观嵌套序列连通性较高, 可以依据其优先顺序提取生态源地。

2.3 数据来源

基于Zonation模型的基本算法及四类生态系统服务计算的需要, 本文主要采用的分析数据及来源如下：(1)2020年内蒙古土地利用与土地覆盖数据(分辨率为1000m)来源于中国科学院资源环境科学与数据中心的中国多时期土地利用遥感监测数据集^[44](CNLUCC, https://www.resdc.cn/)；(2)内蒙古地形数据(数字高程模型分辨率为90m), 从地理空间数据云平台下载(https://www.gscloud.cn/), 并基于ArcGIS进行融合裁剪等处理；(3)中国行政区划数据, 从地理监测云平台(http://www.dsac.cn/)下载；(4)土壤属性数据来源于世界统一土壤数据库(HWSD), 中国境内数据为南京土壤所发布的1:100万土壤数据, 主要包括土壤类型、土壤质地等数据；(5)NDVI数据(1000m)来源于中国科学院资源环境科学与数据中心, 该数据是采用最大值合成法生成的植被指数数据集。(6)气候气象数据来源于中国气象网(http://data.cma.cn/)；(7)内蒙古生态保护红线数据, 从内蒙古自治区生态环境厅(https://sthjt.nmg.gov.cn/)下载。为满足分析与数据计算的需要, 研究利用ArcGIS软件将所有数据的分辨率统一为1000m×1000m。

3 结果与分析 3.1 生态系统服务空间分布特征

研究采用自然断点法将四类生态系统服务的评估结果划分为五个等级, 分析结果可知, 2020年四类生态系统服务虽都表现出东高西低的态势, 但在研究区中部表现出明显的差异性特征(图 1)。其中, 固碳服务的高值区域(4678.82—6950.00g/m²)和较高值区域(2198.53—4678.82g/m²)占比较少, 高值区域约占研究区面积的14.7%, 区域内大部分土地利用类型为林地, 森林覆盖率高, 碳密度高, 固碳能力较强；而较高值区域约占研究区面积的10.0%, 其土地利用类型多为耕地, 主要是由于耕地的土壤有机质影响土壤碳库, 进而提升耕地的固碳能力。内蒙古土壤保持服务均值约为2797.70t/hm², 其中服务低值区域(0.00—57.54t/hm²)占比较大, 且多分布在研究区西部, 反映该区域土壤保持能力较小, 其主要原因为该区域内多为荒漠景观, 水土流失较严重^[45], 且降水量少, 植被覆盖率低。内蒙古产水服务高值区域(192.70—745.23mm)分布在呼伦贝尔高原和大兴安岭南部。生境质量服务高值区域(0.64—0.90)面积约占研究区面积的28.9%, 而大于0.49的区域约占研究区面积的54.4%, 其土地利用类型主要为人类活动强度较小且生态环境良好的森林和水域。

3.2 生态源地空间分布特征 3.2.1 内蒙古生态源地的保护优先级次序空间分布特征

基于Zonation模型运行得到一个包含生态功能重要性高低的景观嵌套序列。一般而言, 景观的生态功能重要性越高, 其为物种提供良好生境的能力就越强^[46]。为提高保护效率、降低保护成本, 本文依据景观生态功能重要性越高, 其保护优先级别就越高的原则, 得到生态源地保护优先级次序的空间分布特征(图 2)。分析结果显示, 内蒙古源地保护优先次序的空间分布大体呈“东高西低”特征, 其中优先级次序较高的地区主要沿大兴安岭山脉和阴山山脉分布, 中等优先级次序的地区主要围绕高生境质量地区分布, 优先级次序较低的地区主要分布在内蒙古的西部。

灵活性地图可以在不影响排序质量的前提下, 显示每个网格单元生态功能重要性次序值在排序中向上或向下移动的程度。景观的灵活性值越高, 意味其在生态功能重要性排序中可以移动的范围越大, 可以替代该景观的区域也越多。因此, 当景观的灵活性值为0时, 其在生态功能重要性排序中的次序值不可变动, 且没有可以替代该景观的区域。结合图 2结果可知, 大兴安岭山脉灵活性值较低、是优先级次序值最高的地区, 说明该区域在一定阈值限定下即在没有损失的情况下, 无论优先次序如何调整, 都无法有可以替代该区域的位置。因此, 大兴安岭生态价值较高, 需要采取较为严格的保护措施。锡林郭勒草原优先级次序值和灵活性值都处于中上等水平, 分析结果表明该区域的向上灵活性值较大, 向下灵活性值较小, 即在不影响排序质量的前提下, 其次序值可能更高。所以, 该区域实际的重要性可能高于模型分析的结果。因此, 锡林郭勒草原区域在优先级保护时应给予相较模型运行次序值更高的关注度, 使生态功能重要性较高的区域均得以高效、全面的保护。总的来说, 灵活性地图可用于识别最有可能存在替代优先级次序的高度灵活区域以及相对不灵活的区域, 提高保护方案在实际应用中的灵活性和应变能力。

3.2.2 内蒙古生态源地的分类及空间分布特征

内蒙古的生态源地总面积为353032.4km², 整体而言, 东部生态源地的分布较集中, 中部和西部的生态源地分布则较为分散(图 3)。内蒙古东部地区的生态源地主要沿大兴安岭山脉分布、呼伦贝尔草原、锡林郭勒草原和科尔沁草原的交界处。内蒙古西部地区的生态源地主要分布在鄂尔多斯草原。这些分布区域内森林、草原覆盖较广, 自然资源较为丰富, 生境价值较高, 生境质量较好。

依据生态功能重要性评估和生态环境敏感性评估结果, 内蒙古自治区自然资源厅将内蒙古划分了四个生态红线类型, 分别为水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维护。其中, 水土保持、水源涵养以及生物多样性维护三类生态保护红线占研究区总面积的29.2%(防风固沙生态保护红线部分多分布在荒漠地区, 生境质量较差, 故不计算在内)。结合内蒙古的生态红线分布情况和相关研究结果^[47], 本文将保护优先级次序最高的30%的景观作为生态源地, 其中将优先级次序最高的10%的景观划为一级生态源地, 10%—20%的景观划为二级生态源地, 20%—30%的景观划为三级生态源地(图 3)。划分结果显示一级生态源地的面积为118040.3km², 主要分布在呼伦贝尔高原和大兴安岭南部；二级生态源地的面积为117466.4km², 主要分布在一级生态源地的外围, 锡林郭勒高原东南部也有分布；三级生态源地的面积为117525.7km², 主要分布在二级生态源地的外围, 如河套平原、鄂尔多斯高原及阴山山脉。

3.3 识别效果评价

将Zonation模型识别得到的生态源地与现有生态红线进行叠加对比。比对结果显示共有157444.9km²的生态源地分布在在现有生态红线内, 占生态红线总面积的44.6%。在生态红线内部的一级生态源地、二级生态源地和三级生态源地的面积分别为51224.5km²、51678.0km²和54542.4km², 分别占相应级别生态源地的总面积的43.4%、44.0%和46.4%。

大兴安岭水源涵养和生物多样性维护区域和呼伦贝尔草原生物多样性维护和防风固沙生态保护区域是一级、二级生态源地分布的主要区域, 区域内森林、草甸草原分布较广, 碳储量高、生境质量好。与前人研究相比^{[35, 48]}, 基于生态系统服务的识别方法在空间上更考虑生态系统的完整性, 能够最大程度揭示自然生态系统带给人类的惠益。在以往识别生态源地的研究中, 多采取直接定义法或构建指标体系综合评估识别的方法, 这些方法在保证生态源地连通性方面或多或少受到一些限制^[21—22]。而在景观管理及规划中, 连通性十分重要, 生境数量及空间格局共同决定着物种丰富度及可持续性, 景观连通性较低可能导致生境隔离, 并进一步阻碍传粉、种子传播、野生动物迁移和繁殖等其他生态过程^[23]。二、三级生态源地依次分布在一、二级生态源地外围的分布特征表明Zonation模型能够保证识别的各级生态源地间联系较紧密, 具有较好的连通性。并且, 该模型在运行过程中还遵循互补性, 即保护的目标区域的生态重要性相互补充, 并未重复彼此的生物多样性价值, 而确定互补区域的优先次序是确定共同覆盖尽可能多生物多样性的地区的最有效战略。

综上所述, Zonation模型和生态红线的设立均重视生物多样性、水土保持与水源涵养等, 但生态保护红线着重强调保护生态用地的生态功能, 而生态源地则充分考虑人类生存和发展的需要, 强调生态系统可以为人类提供的各类服务^[25]。因此, 基于Zonation模型识别的生态源地与现有生态红线部分区域分布大致吻合。但由于两者概念界定和识别方法的不同, 所以两类界定结果空间上存在一定差异。

4 讨论 4.1 内蒙古生态系统服务空间格局特征

内蒙古四类生态系统服务整体均呈东高西低的空间分布特征(图 1), 与研究区气候分异导致的自然植被东西向呈明显地带性的空间分布相吻合, 表明气候是控制内蒙古生态系统服务质量的主控因素。东部地区气候相对湿润、森林覆盖率高、固碳能力强、人类活动强度小、生境质量较高, 因此是四类生态系统服务高值区与次高值区的主要分布区域。西部地区分布着巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠、腾格里沙漠和库布齐沙漠, 整体上呈现降水量少、蒸发强烈、气候干燥和风沙活动剧烈的特点, 因此是四类生态系统服务低值区的主要分布区域。中部地区有黄河流域流经, 入黄输沙量大、水土流失严重。所以, 区域内产水服务和土壤保持服务能力较低。内蒙古的“呼包鄂”城市群位于中部地区河套平原地区, 是内蒙古人口、城市最为集中的区域^[49]。近年来, 区域内城市扩张迅速, 极大的制约着区域生态系统的可持续发展^[50]。因此, 分析结果显示中部地区的四类生态系统服务尤其是产水服务和土壤保持服务能力较低。

4.2 内蒙古生态系统服务保护策略分析

面向未来, 从生态源地分布状况来看, 内蒙古中部和西部的生态源地分布则较为分散, 后期还需与生态廊道和生态网络进行结合, 增强生态源地之间的联系, 使物质、信息、能量等生态流高效流动。尤其作为我国重要的农业生产基地的中部河套地区而言。今后应积极贯彻落实“黄河流域生态保护与高质量发展”重大战略, 加大退化植被修复, 推进沿黄生态廊道建设, 科学建设“呼包鄂乌”城市群, 促进城市发展与生态保护处于良性循环。

其次, 虽然生态保护红线内覆盖了相当一部分的生态系统功能重要性较高的生态源地, 但生态保护红线外部仍存在较多重要的、尚未被纳入其中的关键区域, 主要分布在呼伦贝尔市及兴安盟东部即呼伦贝尔草原东部。该部分未重叠的直接原因主要为两者概念界定和识别方法的不同, 导致生态红线只覆盖了呼伦贝尔草原的部分区域, 但其根本原因在于生态保护红线只是生态环境安全不可逾越的底线。另外, 生境质量模型尚不能考虑具体物种和濒危物种的保护, 可能会对研究区生境质量的评估精度产生一定的影响, 但整体变化趋势不受影响, 后续可利用研究区物种分布点数据进一步深入探索。因此, 未来需综合考虑多种因素, 加大生态环境的保护范围、提高生态保护的原则底线, 促使城市发展与生态保护真正处于良性循环。

最后, 从国土空间生态修复的角度来看, 生态保护红线通常被视作一个相对均质的区域来对待, 控制管理手段较为宏观单调, 未来如果将生态源地保护优先级识别结果与现有生态保护红线相辅相成, 分级分类制定管理规则、标准和策略, 可促进区域生态安全保障工作的开展更为高效。

5 结论

生态源地的科学识别作为生态安全格局构建的关键环节, 对协调区域经济发展和保障区域生态安全具有重要意义。本文以内蒙古为例, 在生态固碳、生境质量、产水服务和土壤保持服务功能评估的基础上, 通过Zonation模型分析其生态重要性高低的景观嵌套序列, 识别出内蒙古的生态源地, 可有效地弥补基于生态系统服务的识别源地法对源地保护优先级判识的缺失, 以进一步提高生态源地保护资源的优化配置。识别结果显示：1)内蒙古生态系统服务虽都表现出东高西低的态势, 但在研究区中部表现出明显的差异性特征, 中部地区的产水服务和土壤保持服务较低。另外, 固碳服务和生境质量服务的高值区域多分布在生态环境良好的森林和水域；2)内蒙古生态源地总面积为353032.4km², 其中内蒙古东部地区的生态源地分布较集中, 中部和西部的生态源地分布则较为分散；3)与生态红线的叠加分析结果表明, 当前有157444.9km²的生态源地在现有生态红线内, 占生态红线总面积的44.6%。其中, 在生态红线内部的一级生态源地、二级生态源地和三级生态源地的面积分别为51224.5km²、51678.0km²和54542.4km², 分别占相应级别生态源地的总面积的43.4%、44.0%和46.4%。面向未来, 考虑到生态保护红线外部仍存在较多重要的、尚未被纳入其中的关键区域, 后续应将生态源地保护优先级识别结果与现有生态保护红线结合起来, 更加全面、科学地解决生态环境问题。另外, 在进行生态环境保护的同时, 应针对不同区域的实际情况采取相应措施, 分级分类制定管理规则、标准和策略, 可促进区域生态安全保障工作的开展更为高效。