基于RS和GIS的祁連山地區(qū)生態(tài)保護紅線劃定方法研究

趙曉冏，蘇軍德

(1.中國科學院大學，北京 100049； 2.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730000；4.甘肅省有色冶金職業(yè)技術學院，甘肅 金昌 737100)

生態(tài)保護紅線是在生態(tài)空間范圍內具有特殊重要生態(tài)功能、必須強制性嚴格保護的區(qū)域，是保障和維護國家生態(tài)安全的底線和生命線，通常包括具有重要水源涵養(yǎng)、生物多樣性維護、水土保持、防風固沙、海岸生態(tài)穩(wěn)定等功能的生態(tài)功能重要區(qū)域，以及水土流失、土地沙化、石漠化、鹽漬化等生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)域[1]。劃定并嚴守生態(tài)保護紅線是貫徹落實主體功能區(qū)制度、實施生態(tài)空間用途管制的重要舉措，是提高生態(tài)產品供給能力和生態(tài)服務系統功能，構建國家生態(tài)安全格局的有效手段，是健全生態(tài)文明制度體系、推動綠色發(fā)展的有力保障。

“生態(tài)保護紅線”這一概念是由國內學者提出的，他們分別在區(qū)域[2-4]、流域[5]、省域[6-8]、市域[9-12]、縣域[13-16]等尺度上開展了探索性的研究，取得了一些成果。但是多數研究中的生態(tài)保護紅線范圍沒有涵蓋各級各類保護地，沒有涵蓋部分重要生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域，不符合“應劃盡劃、應保盡保”的原則，同時還存在未充分考慮已有保護地內的歷史遺留問題而將城鎮(zhèn)空間或已喪失生態(tài)功能的區(qū)域劃入生態(tài)保護紅線的現象，造成了劃定后管理上的困難。為使生態(tài)保護紅線政策更好地落地，要充分銜接地方各級各類規(guī)劃，并經過相關專家學者的充分論證，確保劃定的科學性。

祁連山地處青藏高原、內蒙古高原和黃土高原的交會處，位于石羊河、黑河、疏勒河三大內陸河流域源頭，是青海、甘肅兩省的天然分界線。祁連山分布有豐富的冰川、雪山、森林、草地和濕地資源，是我國高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分，保障著全國特別是西北地區(qū)的生態(tài)安全，在維護整個河西陸地生態(tài)系統平衡及保障河西地區(qū)經濟社會和諧發(fā)展中起著決定性的作用。近年來，受自然因素和人為因素的影響，祁連山地區(qū)冰川、雪線有所退縮，局部地區(qū)天然林草植被出現退化，水源涵養(yǎng)功能下降，土地荒漠化呈擴大趨勢，生物多樣性受到威脅。本研究以祁連山地區(qū)為研究對象，采用RS和GIS技術，開展研究區(qū)水源涵養(yǎng)、生物多樣性維護、水土保持、防風固沙四類生態(tài)系統服務功能重要性評價和水土流失、土地沙化兩類生態(tài)環(huán)境敏感性評價，定量分析祁連山地區(qū)生態(tài)系統服務功能重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性的空間分布特征，在此基礎上經過劃定范圍校驗，銜接全國第二次土地調查及變更數據、各類發(fā)展規(guī)劃，將生態(tài)功能極重要區(qū)、生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)及各類保護地劃入生態(tài)保護紅線，研究結果有利于構建區(qū)域生態(tài)安全格局、健全生態(tài)文明制度體系、推動綠色發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

祁連山位于青藏高原東北緣，地跨青海、甘肅兩省，介于東經94°10′～103°04′、北緯35°50′～39°19′之間，東西長約1 000 km，南北寬約300 km。在地理位置上，北以河西走廊為界，西與阿爾金山相連，南以柴達木盆地、茶卡盆地為界，東南以黃河、東以拉脊山東段為界。本研究確定的甘肅祁連山生態(tài)保護紅線劃定研究范圍涉及酒泉、張掖、金昌、武威和蘭州5市的阿克塞、肅北(不含北部區(qū)塊)、肅南(不含北部區(qū)塊)、民樂、甘州、山丹、永昌、涼州、天祝、古浪、永登11縣(區(qū))和中農發(fā)山丹馬場，所屬區(qū)域行政區(qū)劃國土面積11.07萬km2。祁連山地區(qū)野生動物資源較為豐富，已查明分布、棲息有野生脊椎動物28目63科288種，其中魚綱1目2科6種、爬行綱2目3科5種、兩棲綱1目2科2種、鳥綱17目39科206種、哺乳綱7目17科69種。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源與處理

(1)土地利用數據。本研究所用到的土地利用數據是2016年Landsat 8影像解譯數據，同時參考國土資源部門提供的第二次全國土地調查及變更數據。

(2)氣象數據。氣象數據由當地氣象部門提供，時間尺度為2000—2016年，包括研究區(qū)各氣象站點的編號、經緯度和海拔，以及降水量、氣溫、風速等，并通過ArcGIS的Kriging空間插值方法處理得到所需的氣象柵格參數。

(3)高程數據。高程數據(DEM)來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m，用以提取地形因子。

(4)植被數據。植被NPP數據來源于全國生態(tài)環(huán)境現狀調查數據庫，空間分辨率為250 m。2002—2016年NDVI數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。在ENVI 5.2軟件中將16 d NDVI數據采用最大合成法合成為月NDVI數據，再將月NDVI數據合成為年最大NDVI數據。

(5)土壤數據。土壤數據來源于中國科學院南京土壤研究所的中國1∶100萬土壤數據庫，屬性數據包括土壤表層黏粒、粉粒、有機質含量等。

(6)統計數據。各級各類保護地數據由相關主管部門提供。其他社會經濟統計數據來源于2016年研究區(qū)各縣(區(qū))統計年鑒。

所用數據均轉換成統一的2000國家大地坐標系，評價柵格單元統一為250 m×250 m。

2.2 研究方法

依據《生態(tài)保護紅線劃定技術指南》(環(huán)辦生態(tài)〔2017〕48號)[1]，按照定性與定量相結合的原則，識別祁連山地區(qū)的重點類型和重要區(qū)域，通過科學評估，合理劃定生態(tài)保護紅線。

2.2.1 生態(tài)功能重要區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)評估

本研究的生態(tài)功能重要區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)評估屬于定量評估，具體是根據祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境特征、主導生態(tài)系統服務功能定位和主要生態(tài)問題，確定生態(tài)功能和生態(tài)環(huán)境敏感性類型，并結合數據條件，選取適宜的評估方法，開展生態(tài)功能重要性評估和生態(tài)環(huán)境敏感性評估，具體評估方法如下：

(1)生態(tài)功能重要區(qū)的確定。通過對生態(tài)系統服務功能進行重要性評價，將其中生態(tài)服務功能最重要的區(qū)域劃分為生態(tài)保護紅線區(qū)。具體包括水源涵養(yǎng)區(qū)、水土保持區(qū)、防風固沙區(qū)、生物多樣性維護區(qū)，分別根據相應的模型方法[1,17-21]評估其重要性。

將計算得到的各類服務功能柵格圖，在ArcGIS軟件中運用柵格計算器，輸入公式“Int(某一功能的柵格數據/某一功能柵格數據的最大值×100)”，得到歸一化后的生態(tài)系統服務值柵格圖。導出柵格數據屬性表，屬性表記錄了每一個柵格像元的生態(tài)系統服務值，將服務值按從高到低的順序排列，計算累加服務值。將累加服務值占生態(tài)系統服務總值比例的50%與80%所對應的柵格值，作為生態(tài)系統服務功能評估分級的分界點，利用ArcGIS軟件的重分類工具，將生態(tài)系統服務功能重要性分為三級，即極重要、重要和一般重要。

(2)生態(tài)敏感區(qū)的確定。通過對生態(tài)系統敏感性的評價結果進行分級，將其中極敏感區(qū)劃定為生態(tài)紅線區(qū)。祁連山地區(qū)生態(tài)敏感區(qū)主要是土地沙化、水土流失敏感區(qū)，分別根據相應的評價模型[1,22]評估其敏感性。利用ArcGIS的重分類模塊，結合專家知識，將生態(tài)環(huán)境敏感性評估結果分為三級，即一般敏感、敏感和極敏感。

2.2.2 校驗劃定范圍

根據生態(tài)功能重要區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)評估結果，通過GIS空間分析技術，將評估得到的生態(tài)功能極重要區(qū)和生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)進行疊加合并，并與祁連山地區(qū)的已有保護地(認為已有保護地均為生態(tài)功能重要區(qū)或敏感區(qū))進行校驗，采用空間疊加法構建祁連山地區(qū)生態(tài)保護紅線劃定范圍的校驗方法模型，則祁連山地區(qū)生態(tài)保護紅線校驗范圍為

D=A∪B∪C

其中：A為祁連山地區(qū)生態(tài)功能極重要區(qū)；B為祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)；C為各類保護地。

各類保護地是指依法設立的各類(級)自然資源保護區(qū)域，以及其他禁止進行工業(yè)化城鎮(zhèn)化開發(fā)、需要特殊保護的區(qū)域。祁連山地區(qū)各類保護地包括國家公園、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)、濕地公園、地質公園、森林公園、一級國家公益林、沙化土地封禁保護區(qū)及重要水源保護地等。通過校驗方法模型將沒有納入保護地管理的重要生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)一并劃入生態(tài)保護紅線范圍。

2.2.3 生態(tài)保護紅線邊界確定

以最新的高分遙感影像和全國第二次土地調查及變更數據為底圖，利用ArcGIS 軟件將生態(tài)功能極重要、生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)進行圖斑聚合處理，將相近圖斑聚合為相對完整連片的大塊圖斑，然后扣除面積小于1 km2的獨立細小圖斑，最后利用研究區(qū)全國第二次土地調查及變更數據，剔除建設用地和集中連片農田，將面積較小的村莊、農田等地塊予以保留，具體技術流程詳見文獻[16]。同時，將生態(tài)保護紅線劃定與祁連山地區(qū)各類規(guī)劃、區(qū)劃空間邊界及土地利用現狀相銜接，綜合分析開發(fā)建設與生態(tài)保護的關系，結合經濟社會發(fā)展實際，合理確定開發(fā)與保護邊界，提高生態(tài)保護紅線劃定的合理性和可行性。在紅線劃定過程中，尊重歷史和現實，將無相應生態(tài)功能的區(qū)域調整出生態(tài)保護紅線區(qū)，最后形成邊界清晰、生態(tài)系統相對完整和易于管理的生態(tài)保護紅線范圍。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)功能重要性分析

通過對祁連山地區(qū)水源涵養(yǎng)、水土保持、防風固沙、生物多樣性維護功能進行重要性評價，將極重要區(qū)進行空間疊加，得到祁連山地區(qū)生態(tài)功能極重要區(qū)面積約為6 449.35 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的5.83%，主要分布在阿克塞縣當金山以西，肅南縣中東部，民樂縣、山丹縣中南部，山丹馬場，天祝縣，以及永登縣西北部。

其中，祁連山地區(qū)水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)面積約為4 319.63 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的3.90%，主要分布在肅南縣中東部的楊哥、大都麻、大泉溝、馬營、鏵尖等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，民樂縣南部的南豐、順化等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，山丹縣南部的大馬營鎮(zhèn)、山丹馬場，以及天?？h境內的毛藏寺、抓喜秀龍、炭山嶺等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些地區(qū)多位于祁連山國家級自然保護區(qū)的緩沖區(qū)和核心區(qū)內，多分布有雪山、冰川，需要進行嚴格保護。祁連山地區(qū)生物多樣性維護功能極重要區(qū)面積約為5 637.44 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的5.09%，主要分布在肅南縣中東部的馬蹄、大都麻、東城子、馬營、東灘、鏵尖等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，民樂縣中南部的三堡、民聯、順化、永固、南豐等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，山丹縣中南部的霍城鎮(zhèn)、大馬營鎮(zhèn)、山丹馬場，天祝縣的旦馬、祁連、毛藏寺、抓喜秀龍、天堂等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及永登縣西北部的賽拉隆、東坪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些區(qū)域多位于祁連山國家級自然保護區(qū)的緩沖區(qū)和實驗區(qū)內，天然植被豐富、種類多樣，對于維護區(qū)域生物多樣性至關重要。祁連山地區(qū)防風固沙功能極重要區(qū)面積約為2 184.88 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的1.97%，主要分布在阿克塞縣境內的當金山一帶、蘇干湖一帶。這些區(qū)域多為荒漠戈壁，地表植被稀疏，受人類活動干擾較小，對防止區(qū)域土地沙漠化起著重要作用。祁連山地區(qū)水土保持功能極重要區(qū)面積約為490.44 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的0.44%，主要分布在古浪縣西南部的古豐、十八里堡等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，天?？h東部的西大灘鎮(zhèn)，山丹縣中部的大馬營等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及阿克塞縣境內的當金山一帶。這些區(qū)域大多植被稀疏、溝壑縱橫，需要嚴格保護，免受人類活動干擾。

3.2 生態(tài)敏感性分析

通過對祁連山地區(qū)土地沙化、水土流失敏感性進行評價，將極敏感區(qū)進行空間疊加，得到祁連山地區(qū)生態(tài)極敏感區(qū)面積約為3 824.98 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的3.46%，主要分布在肅南縣西部、永登縣南部、古浪縣南部，以及阿克塞縣境內的阿爾金山一帶。

其中，祁連山地區(qū)水土流失極敏感區(qū)面積約為2 214.13 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的2.00%，主要分布在祁連山地區(qū)肅南縣中西部的祁青、紅灣寺等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及天祝縣西部的旦馬、祁連等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些區(qū)域受人類活動擾動，極易引起水土流失，需要加強保護。祁連山地區(qū)土地沙化極敏感區(qū)面積約為1 613.25 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的1.46%，主要分布在肅南縣西部的祁青鎮(zhèn)、甘州區(qū)北部的平山湖、肅北縣北部的黨城灣鎮(zhèn)，以及阿克塞縣境內。這些區(qū)域地表植被稀疏，地表受到擾動后，極易引起土地沙化，需嚴格保護。

3.3 生態(tài)保護紅線劃定結果

將生態(tài)功能極重要區(qū)、生態(tài)極敏感區(qū)、各類保護地疊加，扣除相互重疊區(qū)域面積，通過與2016年度全國第二次土地調查與變更數據銜接校驗，先將國家公園核心區(qū)、生態(tài)修復區(qū)和自然保護區(qū)核心區(qū)外的永久基本農田全部調出紅線區(qū)，再將國家公園核心區(qū)、生態(tài)修復區(qū)和自然保護區(qū)核心區(qū)、緩沖區(qū)外的現有建制鎮(zhèn)和連片分布的村莊、耕地、園地全部調出紅線區(qū)，之后經過咨詢相關專家學者，將甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)、甘肅鹽池灣國家級自然保護區(qū)未劃入祁連山國家公園實驗區(qū)的部分區(qū)域調出紅線區(qū)，最終確定祁連山地區(qū)生態(tài)保護紅線區(qū)總面積為44 401.38 km2，占祁連山地區(qū)國土總面積的40.11%。生態(tài)服務功能極重要區(qū)面積5 304.35 km2，占祁連山地區(qū)國土總面積的4.79%；生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)面積4 305.83 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的3.89%；各類保護地面積42 536.52 km2(不含重疊部分的面積為41 189.03 km2)，占祁連山地區(qū)紅線面積的95.80%。生態(tài)保護紅線主要圍繞祁連山自然保護區(qū)分布(詳見圖1)，具體包括祁連山國家公園、祁連山和鹽池灣國家級自然保護區(qū)、濕地及濕地公園、地質公園、飲用水源保護區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)、防風固沙區(qū)、水土流失敏感區(qū)。生態(tài)保護紅線類型以水源涵養(yǎng)為主，分屬祁連山北麓中東部山地針葉林水源涵養(yǎng)紅線和阿爾金山-西祁連山地水源涵養(yǎng)-防風固沙紅線。

圖1 祁連山地區(qū)生態(tài)保護紅線分布

3.4 紅線內土地利用狀況分析

對祁連山地區(qū)生態(tài)保護紅線范圍內2016年土地利用/覆蓋類型進行分析發(fā)現：其他草地面積占比最高，為27.73%；其次為天然牧草地，占比為26.40%；之后是裸地，占比為22.36%；還有灌木林地和有林地，占比分別為7.79%、5.16%。其中，林地主要分布在肅南縣、民樂縣南部、天?？h，草地主要分布在肅南縣、肅北縣、天?？h和民樂縣，裸地主要分布在阿克塞縣和肅北縣北部區(qū)域，這幾類用地合計占紅線區(qū)總面積的89.44%。

4 討 論

本研究最初是將已有的各類保護地全部劃入了生態(tài)保護紅線范圍內，但是在實地核查并征求地方政府與相關領域專家學者意見后發(fā)現，祁連山國家級自然保護區(qū)和鹽池灣國家級自然保護區(qū)的部分實驗區(qū)在自然保護區(qū)劃定之初由于技術手段等不完備、保護條件落后，誤將部分城鎮(zhèn)居民點、不具備或已喪失生態(tài)功能的區(qū)域等劃入了保護區(qū)內，因此在此次紅線劃定過程中，將這些區(qū)域全部調出了紅線范圍，實現了重要生態(tài)空間協調保護和歷史遺留問題的統一。

本研究中采用的數據是基于中低分辨率的遙感數據，空間分辨率統一為250 m，導致生態(tài)功能重要性和敏感性評估結果精度受到影響；同時斑塊聚合、獨立細小斑塊扣除等操作也會誤將城鎮(zhèn)居民點、建設用地等劃入紅線范圍，造成城鎮(zhèn)空間和生態(tài)空間的相互交織，不利于重要生態(tài)空間保護。此外，劃定結果還需要在紅線勘界定標過程中對邊界進一步優(yōu)化調整，以提高劃定結果的可操作性。

5 結 論

(1)通過生態(tài)功能評價得知，祁連山地區(qū)生態(tài)功能極重要區(qū)面積約為6 449.35 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的5.83%，主要分布在阿克塞當金山以西，肅南縣中東部，民樂縣、山丹縣中南部，山丹馬場，天?？h，以及永登縣西北部；祁連山地區(qū)生態(tài)極敏感區(qū)面積約為3 824.98 km2，占祁連山地區(qū)國土面積的3.46%，主要分布在肅南縣西部、永登縣南部、古浪縣南部，以及阿克塞縣境內的阿爾金山一帶。

(2)利用RS和GIS技術劃定的祁連山地區(qū)生態(tài)保護紅線區(qū)域面積為44 401.38 km2，占祁連山地區(qū)國土總面積的40.11%。生態(tài)保護紅線區(qū)呈東南—西北連片狀分布，涵蓋了祁連山地區(qū)生態(tài)功能極重要區(qū)、生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)，以及各級各類保護地。生態(tài)保護紅線類型以水源涵養(yǎng)為主，分屬祁連山北麓中東部山地針葉林水源涵養(yǎng)紅線和阿爾金山-西祁連山地水源涵養(yǎng)-防風固沙紅線。

(3)生態(tài)保護紅線范圍內的草地、林地面積分別占到研究區(qū)總面積的54.13%、12.95%，主要分布在肅南縣、民樂縣、天祝縣、肅北縣境內1 900 m海拔以上的區(qū)域。