祁连山横亘于我国西北干旱半干旱荒漠地区, 是河西地区三大内陆河重要的水源涵养地, 也是黄河和青海湖的重要水源补给区, 更是我国生物多样性保护的优先区域^[1]。受全球气候变化和人类活动的影响, 祁连山地区的冰川处于物质亏损状态, 普遍退缩减薄^[2-3], 水源涵养功能减弱, 植被严重退化, 生物多样性减少, 水土流失等诸多问题加剧^[4-6], 进而影响到祁连山地区的生态系统稳定, 制约周边地区社会经济的可持续发展, 祁连山生态环境的保护和修复成为亟待分析和解决的问题。

划定生态红线是加快生态文明制度建设的重点内容, 对于维护自然生态系统服务持续稳定发挥, 保障国家和区域生态安全具有关键作用, 是遏制生态环境退化形势的迫切需要和有效手段^[7]。2017年7月20日, 我国环保部和发改委最新印发《生态保护红线划定指南(http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgt/201707/t20170728_418679.htm)》对生态红线划定提出指导借鉴, 并指出“生态红线是在生态空间范围内具有特殊重要生态功能, 必须强制性严格保护的区域, 以保障和维护国家生态安全的底线和生命线, 通常包括生态功能重要区域和生态环境敏感脆弱区域”。虽然国外没有生态红线的概念, 但在生态脆弱性/敏感性^[8-9]、自然保护区、国家公园建设管理方面做的大量工作可为中国生态红线划定研究提供参考^[10-11]。如世界自然保护联盟(IUCN)推动的全球自然保护地建设^[12]、美国国家公园建设^[13]、欧盟自然保护区网络(Natura 2000)^[14-15]、澳大利亚大堡礁海洋公园对保护地的分区规划建设^[16]。

目前, 我国生态红线划定的研究已经取得了大量的研究成果, 但我国对生态红线划定并没有统一的方法, 相关研究大多是依据国家出台的生态红线划定政策, 划定空间生态红线^[17]。由于生态问题具有尺度和区域差异, 不同地区在生态红线划定时, 都充分体现本区域生态环境的指标, 国内学者已从不同空间尺度上进行了生态红线划定研究, 如鄂州市^[17]、重庆涪陵区义和镇^[18]、四川省汶川县^[19]、湖南省^[20]等省市区的研究；不同地域上, 前人从渤海的海洋环境灾害危险性^[21], 呼伦贝尔草原的土地沙化敏感性和防风固沙敏感性^[22], 喀斯特地区的水土流失和石漠化敏感性^[23], 深圳市大鹏新区的环境质量、生态功能保障和资源利用^[24]等方面, 开展生态保护红线的划定。上述生态红线划定研究成果中, 主要借鉴生态安全、生态承载力、生态系统服务功能等方面的理论, 从生态功能重要性、生态环境敏感性、生态适宜性等方面构建生态红线评价指标体系, 生态环境敏感性评价中较多涉及土地沙化、水土流失、石漠化敏感性等方面, 红线划定过程中缺乏关于冻融侵蚀敏感性评价, 本文将冻融侵蚀敏感性作为生态敏感性评价因子。

长期以来, 对于祁连山地区主要涉及植被覆盖变化^[25]、植被净初级生产力^[26]、水源涵养^[27]、气候变化^[28]、冰川冻土变化^[29]和生物多样性^[30]等方面的研究较为成熟, 针对整个祁连山地区生态系统的综合评价较少, 缺少整体的可视化空间分析, 考虑到祁连山地区的生态系统完整性和保护祁连山生态环境的急迫性, 开展祁连山地区生态红线划定工作, 对保障甘肃和青海生态环境安全、维护祁连山生态系统健康具有重要意义。本文以生态承载力为理论基础, 运用GIS技术和层次分析法, 从生态弹性力、生态敏感性、社会经济影响力方面, 构建祁连山生态红线评价指标体系, 通过划定生态红线, 从空间上进行分区, 对祁连山生态环境敏感区、重要生态功能区进行保护, 并提出相应的管控对策, 以期为祁连山生态环境保护和社会经济健康发展提供有效参考。

1 研究区概况

祁连山(93.5°—103.4°E, 35.5°—40°N)位于亚欧大陆中部, 是青藏高原东北部最大的边缘山系, 东起乌鞘岭, 西至当金山口, 北临河西走廊, 南接柴达木盆地(图 1)。祁连山横跨甘肃和青海两省(图 1), 共涉及37个县市, 是青藏、内蒙古、黄土高原的分界线, 在自然气候分区上起着非常重要的作用^[28]。祁连山脉位于季风区、非季风区和青藏高原区三大气候区的交汇处, 降水量呈自东向西的递减趋势, 山区多于平原, 年均降水量30—600 mm左右^[31]。祁连山的中、东段属大陆性半干旱高山草原气候, 西段属大陆性干旱荒漠气候^[29]。祁连山地势西北高, 东南低, 由多条西北—东南走向的平行山系组成, 东西长约850 km, 南北宽250—400 km^[32], 海拔为1951—5786 m左右, 最高峰——团结峰高达5826.8 m, 高耸的地势使得多年冻土得以发育和保存, 山区终年积雪并有现代冰川的分布, 根据第二次中国冰川编目数据, 祁连山共有冰川2683条, 现有冰川面积(1597.81±70.30) km², 储量约84.48 km^3[3]。祁连山区河流多, 以冰川融水补给为主, 水系非常发育, 围绕祁连山中心地向四周呈辐射状分布, 主要包括河西内流水系、柴达木内流水系和黄河流域水系^[3]。独特的地理环境和气候条件孕育了森林、草原、湿地、荒漠等生态系统。祁连山的区域性特征显著, 并且涉及市县较多, 为了便于分析, 本文将101°E和98°E分别作为祁连山区东段、中段和西段的分界线^[33]。

2 研究方法 2.1 评价指标体系构建

生态红线评价指标体系以生态承载力为理论基础, 并借鉴环保部最新生态保护红线划定技术指南、生态功能区划^[34]和中国主体功能区划^[35]中的方法和前人研究成果, 结合研究区的自然地理条件和生态环境特征, 并遵循指标体系构建应具代表性、易操作性、易获性、综合性和系统性原则, 从生态弹性力、生态敏感性和社会经济影响力3个方面来构建, 权重由文献调查、专家打分法和层次分析法^[36]获得, 具体指标及其权重见表 1。

生态弹性力指生态系统的可自我维持、自我调节及抵抗各种压力与扰动的能力大小, 主要反映生态系统对外界作用的调节和缓冲能力^[37]。研究区的生态类型包括森林、草地、湿地、农田、荒漠等生态系统, 不同生态类型的生态弹性力存在差异。生态弹性力主要由地形地貌、气候、水文、土壤、植被状况决定^[38-40]。生态敏感性指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的敏感程度和反应程度, 即发生区域生态环境问题的难易程度和可能性大小^[41]。生态环境问题因时空而异, 根据祁连山地区面临的主要问题, 本文从水土流失、土地沙化和冻融侵蚀敏感性3个方面来评价, 冻融侵蚀敏感性主要选取气温年较差、年均降水量、坡度、坡向、植被覆盖度、高程来进行评价^[42-44]。人类活动是引起生态系统变化的重要因素, 社会经济发展对生态的影响有两方面, 一是人口增加和生活质量的提高, 引起需求增加而产生的生态压力^[3], 选取人口密度、游客人数, 作为负向指标。二是科技进步和社会经济发展对生态系统产生正面影响, 人类社会逐渐提高生态环境修复治理能力和潜力, 选取人均GDP、农村居民人均纯收入、旅游收入等作为正向指标。

2.2 数据来源

气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn), 包括祁连山及周边地区, 1981—2016年共74个气象台站的月降水量、月平均温度、日降水量、日照时数、日平均温度、日平均风速等数据。降水侵蚀力采用Arnoldus降雨侵蚀力简易算法^[45]求得。

MODIS NDVI数据采用NASA(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)提供的MOD13A1级植被指数产品, 空间分辨率为500 m, 时间分辨率为16 d, 选取时间为2016年8月份。使用MRT(MODIS Reprojection Tools)软件将数据批处理进行合成并提取NDVI数据, 并由NDVI计算得到植被覆盖度^[46]。

DEM数据来自于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn), 分辨率为30 m×30 m, 并由DEM数据通过ArcGIS计算地形起伏度、坡度、坡向和河网密度^[47]。

2010年土地利用数据与土地利用数据分类方法^[48]、1983—1995年青藏高原冻土数据^[49]和冰川数据来源于“寒区旱区科学数据中心”和“黑河计划数据管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。冰川数据采用最新中国第二次冰川编目数据, 该编目数据始于2006年末, 2011年完成, 反映的是2005—2006年的冰川状况^[50]。

1990年土壤质地和1980s土壤有机质含量数据是该地区所对应土壤类型下的平均值, 其来源于国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据共享平台(http://www.geodata.cn)。

社会经济数据：年末常住人口、农村居民人均纯收入、人均GDP、县区面积是通过2016年甘肃省统计年鉴、2016年青海省统计年鉴、2016年各市/州/县统计年鉴获得。游客人次和旅游收入是通过2015年各市/州/县的国民经济和社会发展统计公报获得, 公报上的旅游数据是由各县旅游局提供。

2.3 评价方法

本研究利用ArcGIS的空间叠置法, 采用行政单元和栅格单元相结合的办法, 使以1 km×1 km栅格单元作为各评价指标的数据载体, 投影Transverse Mercator, 投影坐标为WGS_1984_UTM_Zone_46N, 地理坐标系统为GCS_WGS_1984, 自然数据主要采用空间差值法, 社会经济数据以县级行政单元为载体, 然后矢量转栅格, 并利用研究边界进行裁剪。采用层次分析法确定权重, 需要通过专家打分法和查阅相关文献, 根据指标相对重要性, 构造判断矩阵^[36]。利用极差变换法对评价指标数据进行标准化处理, 以消除指标间的量纲影响, 各评价指标对生态环境的影响有正负效应之分, 对负向指标通过进行正向化处理^[51]。采用加权求和多指标运算, 代入模型

式中, E为生态红线评价结果值, Q_i为第i个评价指标的权重, P_i为第i个评价指标的分值, n为评价指标的数目。

在ArcMap中利用地图代数进行运算, 按照自下而上的顺序依次计算生态弹性力、生态敏感性和社会经济影响力指标层结果。运用GIS的空间分析技术, 对生态弹性力、生态敏感性和社会经济影响力进行叠加分析, 根据叠加结果将研究区划分为生态红线区、生态黄线区和生态绿线区。

3 结果与分析 3.1 生态弹性力评价

生态弹性力评价结果(图 2)显示, 祁连山地区生态弹性力指数从西北向东南呈现逐渐上升的趋势, 较低值出现在祁连山西部, 较高值出现在祁连山中东部地区, 表明祁连山东部地区的生态系统比西部稳定。整个祁连山的冰川覆盖地区, 生态弹性力指数也较小, 这与高海拔、气温低, 植被覆盖率低, 土壤有机质含量少有关。一般情况下, 影响生态弹性力的主要因素是植被和降水。祁连山的中、东段属于大陆性半干旱高山草原气候, 西段属大陆性干旱荒漠气候, 降水量呈自东向西减少趋势^[29]。祁连山东部降水多湿度较大, 西部降水少气候干燥, 东部较西部具有相对充沛水量, 植被覆盖率高, 乔木林、灌木林、高寒草甸、草本沼泽广布, 生态系统类型丰富多样, 生态系统自我调节和恢复能力较强, 生态弹性力也较高, 西部地区受气候影响, 裸地、沙漠/沙地广布, 植被稀疏, 生态弹性力低。

3.2 生态敏感性评价

从水土流失、土地沙化、冻融侵蚀3个方面对生态敏感性进行评价。水土流失高度敏感区主要分布在祁连山西段和除冰川以外的大部分高山地区、这些地区大多是各个河流的中上游, 处于冰川末端, 冻融侵蚀强烈、地形起伏变化大, 受山地降水和季风降水的影响较强烈, 植被覆盖率较低, 且以裸地和零星分布的高寒草原为主, 易发生水土流失, 同时, 甘肃省境内靠近河西走廊一侧, 也存在不同程度的水土流失(图 3)。土地沙化高度敏感区, 主要分布在天峻县以西, 这些地区降水少, 气候干燥, 蒸发强, 且干燥度指数大于6, 植被覆盖度低于30%, 又毗邻库姆塔格沙漠和柴达木沙漠, 在人类不合理开发利用的情况下, 极易加剧土地沙化(图 3)。冻融侵蚀高度敏感区主要分布在祁连山的西北部, 且集中于海拔3600 m及以上区域, 最高敏感区分布在海拔4500 m及以上区域, 这些地区海拔高、气温年较差大、坡度陡、以阳坡为主、植被盖度较低, 增加了冻融侵蚀发生强度(图 3)。通过叠加分析, 水土流失、土地沙化和冻融侵蚀三种现象在地域上重合, 导致肃北县、阿克塞县、肃南县、海西州辖区北部、天峻县西北部成为生态高度敏感区, 祁连山冰川主体部分都在生态最敏感地区, 多年冻土处于生态较敏感地区, 国家级盐池湾保护区的核心区是最敏感区域, 青海省祁连山自然保护区和甘肃省国家级祁连山自然保护区都位于此。

3.3 社会经济影响力评价

祁连山地区的社会经济影响力评价结果见图 4。社会经济影响力值越大, 表明生态系统受到的压力越小；值越小, 表明生态系统受到的压力越大。社会经济影响力最大值主要分布在祁连山西段的肃北县、阿克塞县、海西自辖区(大柴旦)和中段的肃南县(不包括北部区块), 人口密度为1—15人/km², 第一产业所占GDP的比重相对较低为3%—15%, 第二产业所占GDP比重高达60%以上, 除肃南县以外, 这些气候干旱、植被稀疏的地区, 人口稀少、对土地的依存度较小, 社会经济影响力的值较高, 肃南县(不包括北部区块)是国家重点生态功能区, 该地以高寒草甸和高寒荒漠景观为主, 近些年来, 草原生态环境问题凸显, 政府已安排、部署生态环境的保护、监察、修复和治理工作。社会经济影响力最小值区, 主要位于祁连山东侧, 西宁市及周边县区的较高密度人口对农牧产品的需求量增大, 人们大量开垦荒地, 土地资源紧张, 易形成潜在的水土流失和土地沙化, 对农业生态环境造成巨大威胁。在祁连山中部地区, 以海北州祁连县、刚察县, 海西州天峻县为代表, 人口密度也低于10人/km², 是祁连山冰川与水源涵养生态功能区主体部分, 社会经济影响力处于中等水平, 这些地区第一产业占GDP比重高达20%—30%, 单一化的农业结构加剧了资源环境和人类需求的矛盾, 经济相对落后和科技水平较低, 制约其对生态环境的保护和改善。

3.4 生态红线划定

对祁连山地区的生态弹性力、生态敏感性和社会经济影响力评价结果进行叠加分析, 综合评价结果见图 5。综合评价指数值在3.7—8.6之间, 按照GIS的自然断裂法将其划分为3个级别：3.7—5.3为生态红线区, 面积61549 km², 占研究区总面积的32%；5.3—6.2为生态黄线区, 面积为77469 km², 占研究区总面积的40%；6.2—8.6为生态绿线区, 面积为53201 km², 占研究区总面积的28%。

3.4.1 生态红线区及开发建议

生态红线区主要位于祁连山中段托来山以南、西南段、东段的青海湖及区内所有冰川分布地区。生态红线区中所占面积较大区域是海西州自辖区(大柴旦)、德令哈, 处于“低稳定、高敏感、低压力”状态, 海西州自辖区属于内陆高原荒漠气候, 年均降水量50—100 mm, 荒漠广布, 植被覆盖度低于20%, 生态弹性力低, 区内有冰川和冻土分布, 且以季节冻土为主, 存在一定强度的冻融侵蚀, 人类不合理的采矿和开垦, 导致草地进一步退化、沙化。目前, 该区人口较少, 除采矿开发外, 其他社会经济活动对生态环境的压力较小, 且该区位于柴达木盆地, 矿产资源丰富, 应以点开发, 以面保护, 发展循环经济为主。德令哈境内的哈拉湖周边冰川和冻土广布, 植被覆盖度低于35%, 地形起伏大, 生态环境敏感性较强, 其人口密度高于大柴旦, 对生态环境也会造成不可忽视的负面影响。

甘肃祁连山自然保护区肃南县境内的西侧, 处于“中等稳定、较高敏感和低压”状态, 年均降水量100—400 mm, 植被覆盖度低于50%, 林地和草地交错分布, 生态系统处于中等稳定状态。该区冰川分布集中, 生态环境高度脆弱, 且盛行西风, 靠近沙源地, 易加速土地沙化现象, 并且位于祁连山自然保护区, 但存在一定比例的农牧业人口, 生态环境易遭到人为破坏, 应适度引导生态移民, 减轻压力。

在上述的生态红线区中, 祁连山冰川分布地区是最重要的红线区, 生态环境高度脆弱, 也是西部干旱区最重要的重要水源补给区, 应实行最严格管控, 禁止祁连山冰川的末端及周边进行大规模人类开发建设活动, 已经开发建设的冰川探险旅游项目, 应在保护冰川、旅游环境治理、废弃物管理和污染控制的基础上, 加强环境监测, 保持适度保护性旅游开发, 其他红线区应根据政府的相关政策和要求进行调整。

3.4.2 生态黄线区及开发建议

生态黄线区是祁连山分布面积最广的区域, 主要集中在祁连山西段、青海湖周边、湟水谷地的中游, 乌鞘岭南部, 以肃北县、阿克塞县为代表, 基本分布在生态红线的周边。生态黄线区主要处于“中稳定、中敏感, 中压力”状态, 在维护生态系统稳定和农产品供给中发挥着重要作用, 关系到较大范围的生态安全, 其级别仅次于生态红线区, 大部分属部分农产品的主产区, 小部分属于国家重点生态功能区, 以修复治理生态环境和提供部分农产品为主, 允许适度开发能源和矿产资源。

西宁市的湟中县、大通县、海东市的互助县及周边属生态黄线区, 处于“高稳定、中敏感和高压力”状态, 年均降水量350—400 mm, 植被覆盖度高于40%, 生态弹性力指数较大, 动植物资源丰富。该区地处湟水中游盆地, 存在潜在土壤盐渍化现象, 也属农牧交错带, 生态环境脆弱, 较高的人口压力使得大量开垦荒地, 易造成水土流失。由于该区属于青海省重点开发区, 在开发过程中, 应注重水土保持和土壤盐渍化的改良, 保持必要的耕地和绿色生态空间, 积极调整产业结构, 提高服务产品和工业品的质量, 以实现区域可持续发展。城市建设易挤占耕地和生态用地, 影响城市生态系统安全, 城市开发边界应介于生态保护红线与现有建设用地边界线之间, 提高现有建设用地利用效率、优化城市空间布局^[52]。

3.4.3 生态绿线区及开发建议

生态绿线区处于“高稳定、低敏感、低压力”状态, 主要分布在疏勒南山以东地区, 以刚察县、祁连县、门源县、天峻县、海晏县、肃南县为代表, 人口密度在10人/km²左右, 植被覆盖度高于50%, 以森林、草地、湿地生态系统为主, 生态承载力高, 生态环境功能较强, 是国家生态保护的战略要地, 绿线区主要位于国家级重点生态功能区, 是祁连山冰川与水源涵养生态功能区的主体部分, 也是河西内陆河流域的生态屏障, 祁连山地区的国家森林公园、自然保护区多数位于绿线区, 动植物资源丰富。目前局部地区不合理开采, 导致草原退化严重, 生态环境恶化。该区应以生态修复、保护环境、提供生态产品为主, 以农牧产品、工业品、服务产品为辅, 通过政府征求多方意见和建议, 统一合理规划, 因地制宜地发展以生态环境保护为主的相关产业, 分区连片对旅游区进行统一规划, 包括藏族、裕固族、蒙古族、哈萨克族等民族文化, 开展各具民族特色的体验式生态旅游, 构建民族文化生态旅游区, 将地方宗教文化与自然旅游资源、乡村与城市旅游相结合, 形成组团式开发模式^[53], 在保护自然环境同时, 也保护地方文化景观。

4 结论与讨论

通过对研究区的综合评价分级, 划定了生态红、黄、绿线区, 分别占研究区面积的32%、40%、28%。生态红线区主要位于祁连山的西南段, 托来山以南、东部的青海湖及区内所有冰川分布地区, 其中, 祁连山冰川分布区是最重要的红线区, 占红线区的2.5%, 其生态环境高度脆弱, 也是西部干旱区最重要的水资源来源地, 应实行最严格的管控, 禁止祁连山冰川的末端及周边进行大规模人类开发建设活动；生态黄线区是祁连山分布面积最广的区域, 以修复生态环境和提供部分农产品为主, 在当地资源环境可承载范围内, 可允许适度开发能源和矿产资源；生态绿线区主要位于国家级祁连山冰川与水源涵养重点生态功能区的主体部分, 应以生态修复、保护环境、提供生态产品为主, 将地方宗教文化与自然旅游资源、乡村与城市旅游相结合, 形成组团式开发模式, 开展各具民族特色的生态旅游, 在保护自然景观的同时, 保护必要的文化景观。

祁连山生态红线区占研究区面积的32%, 这相对于其他地区(渤海^[21]、呼伦贝尔草原^[22]、鄂州市^[54]、贵安新区^[55]、淄博^[56]等)划定的生态红线区的面积比例18%—31%稍高, 而且祁连山生态绿线区是生态系统较稳定的区域, 生态环境功能较高, 属限制开发区, 与上述其他地区的研究存在差异, 是其生态战略地位重要所致, 祁连山地区主体部分既是国家级祁连山冰川与水源涵养重点生态功能区, 也是众多国家级自然保护区的核心区所在地, 如祁连山国家级自然保护区、盐池湾国家级自然保护区、连城国家级自然保护区等。本文也存在不足之处, 生态红线划定方面没有考虑完整的行政区划, 而是以整个祁连山地区为边界, 某种程度上忽视了祁连山周边地区的边缘效应。但在综合评价中, 考虑到人类活动的能动性, 红线划定过程中将冻融侵蚀敏感性作为生态敏感性评价的因子, 以期为高寒区生态红线划定提供参考。

致谢: 感谢国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据共享平台(http://www.geodata.cn)和寒区旱区科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)提供的数据支撑, 感谢中共甘肃省委党校经济社会发展研究所温煜华老师帮助指导。