基于生態(tài)保護(hù)紅線管理的塔里木河流域土地利用模擬及生態(tài)效益評價(jià)

楚 智,徐長春,2,*,羅映雪,孫 琪

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046

當(dāng)前我國正經(jīng)歷著經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展帶來的環(huán)境危機(jī),習(xí)近平主席提出中國必須從“先發(fā)展,后治理”向“生態(tài)文明”轉(zhuǎn)變,發(fā)展應(yīng)尊重生態(tài)環(huán)境承載力,力求在全國范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)籌維持社會福利的關(guān)鍵要素——能源和資源[1-2]。中國是第一個(gè)制定關(guān)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家政策的主要經(jīng)濟(jì)體,要求政府在土地利用規(guī)劃中建立環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)評估,即生態(tài)保護(hù)紅線政策[3]。生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域是在土地利用規(guī)劃中建立環(huán)境安全評估標(biāo)準(zhǔn)的一種嘗試,被定義為“保證和維護(hù)生態(tài)安全和功能以及生物多樣性所需的最低生態(tài)面積”[1,4]。生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域范圍內(nèi)具有特殊重要生態(tài)功能、是必須進(jìn)行強(qiáng)制性嚴(yán)格保護(hù)的區(qū)域,同時(shí)也是保障和維護(hù)國家生態(tài)安全的底線和生命線。劃定生態(tài)保護(hù)紅線并實(shí)行永久保護(hù),對維護(hù)國家和地區(qū)國土生態(tài)安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-9]。但由于劃定主體不同、對紅線區(qū)的認(rèn)識不同,加之同級行政區(qū)范圍差異大,評價(jià)數(shù)據(jù)精度、時(shí)效性不一致,造成跨行政區(qū)的紅線分布存在明顯的不連續(xù)、空白或邊界錯(cuò)亂現(xiàn)象,割裂了山脈、河流、濕地、植被等自然地理要素的空間完整性,難以形成生態(tài)保護(hù)紅線全國“一張圖”[10]。為此,應(yīng)打破行政區(qū)域界線,開展流域整體的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域劃定,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地區(qū)銜接,明確行政職能范圍。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念自提出以來[11],便引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的理論和分類體系的逐漸完善,因其直觀的貨幣化評估特點(diǎn)而得到了更加廣泛的應(yīng)用[12-15],以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估為基礎(chǔ)的政策效益研究成為其發(fā)展趨勢[16-20]。Bai等[3]提出了一種跨科學(xué)-政策的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)框架建立生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域,分析表明生態(tài)保護(hù)紅線政策對上海市的環(huán)境服務(wù)戰(zhàn)略規(guī)劃可以減少環(huán)境質(zhì)量和發(fā)展之間的矛盾；肖甜甜[21]基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價(jià)建立圍填海區(qū)域景觀生態(tài)保護(hù)紅線劃分方法；劉軍會等[10]依據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[22],再結(jié)合京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀,選取了部分指標(biāo)建立評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)模型,開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)敏感性評價(jià)并建立生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域；徐夢佳等[9]構(gòu)建生態(tài)資產(chǎn)及其價(jià)值評估指標(biāo)體系評價(jià)了山東省東營市生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域的生態(tài)效益。由此可見,如何建立科學(xué)的評價(jià)模型劃分生態(tài)保護(hù)紅線保護(hù)區(qū)域并綜合評估生態(tài)保護(hù)紅線政策的生態(tài)效益是一個(gè)熱點(diǎn)問題。

塔里木河流域是我國最大的內(nèi)陸河流域,對我國干旱內(nèi)陸區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)起著舉足輕重的作用。為緩解發(fā)展與環(huán)境的矛盾,推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程,塔里木河流域管理局與陳亞寧團(tuán)隊(duì)合作開展“塔里木河流域生態(tài)需水量及重要生態(tài)工程研究”。依據(jù)前人成果[23-28],在綜合考慮塔里木河流域生態(tài)需水狀況和干流綠色帶的基礎(chǔ)上,陳亞寧[29]確定塔里木河流域平原區(qū)天然植被現(xiàn)狀分布區(qū)域(總面積47771 km2)為生態(tài)紅線的保護(hù)范圍,包括自然綠洲、荒漠和綠洲荒漠過渡帶的天然植被。然而,該劃定方法主要依據(jù)流域下游平原區(qū)自然植被現(xiàn)狀,并未考慮到中上游等地生態(tài)系統(tǒng)完整性,也忽視了土壤、海拔、氣候、NPP等因子帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的差異性。

本研究以《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》為依據(jù),綜合考慮塔里木河流域生態(tài)功能極重要區(qū)和生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū),并加入湖泊冰川等禁止開發(fā)區(qū)域劃定生態(tài)保護(hù)紅線,通過紅線區(qū)生態(tài)服務(wù)功能靜態(tài)評估,以及生態(tài)保護(hù)政策在研究區(qū)未來土地利用變化情景中的動態(tài)效益分析,旨在為塔里木河流域的未來土地利用規(guī)劃和發(fā)展方式提供思路。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域(71°39′—93°45′E,34°20′—43°39′N)位于新疆維吾爾自治區(qū)南部,總面積1.028×106km2,是我國最大的內(nèi)陸河流域(圖1)。塔里木河全長2179 km,由葉爾羌河、和田河、阿克蘇河匯合而成,主要補(bǔ)給水源為高山冰雪融水[30]。受區(qū)域地形地貌影響,流域內(nèi)降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,形成了典型的大陸性干旱氣候[24]。多年平均降水量17.4—42.8 mm,多年平均氣溫10.6—11.5℃[31-33]。土地利用類型以未利用地和草地為主。

圖1 塔里木河流域Fig.1 Tarim River Basin

2 數(shù)據(jù)處理與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

遙感數(shù)據(jù)：2001—2015年歸一化植被指數(shù)(NDVI)、植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)(ET),分別來源于美國國家航空航天局NASA提供的MOD13Q1、MOD17A3和MOD16A3數(shù)據(jù)(http://reverb.echo.nasa.gov),空間分辨率分別為250 m、1 km、1 km。經(jīng)過剔除異常值、重投影、掩膜和重采樣等預(yù)處理,得到塔里木河流域2001—2015年的逐年、逐月影像。

氣象數(shù)據(jù)：降水、氣溫、風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)等數(shù)據(jù)以及各個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù),來源于國家氣象信息中心的中國地面氣候資料數(shù)據(jù)集(https://data.cma.cn/),并采用ANUSPLIN插值方法并裁剪得到塔里木河流域的1 km氣象數(shù)據(jù)柵格圖。

社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：1995年、2005年、2010年、2015年4期公路、鐵路、河流、湖泊、人口、GDP和全國30 m土地利用等數(shù)據(jù),來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。利用ArcGIS軟件分析功能獲取到250 m分辨率柵格數(shù)據(jù)圖。

其他數(shù)據(jù)：土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所的中國1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫,數(shù)字高程模型(DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)。地下水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家科技資源共享服務(wù)平臺(http://www.cnern.org.cn/)。為統(tǒng)一塔里木河流域地區(qū)的評價(jià)尺度,研究中所用數(shù)據(jù)均采用WGS_1984_Albers投影,空間分辨率統(tǒng)一為250 m。

2.2 方法

2.2.1生態(tài)保護(hù)紅線確定方法

根據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[22](環(huán)辦生態(tài)[2017]48號),考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和研究區(qū)適用性,用定量指標(biāo)法(表1)對流域生態(tài)功能的重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性進(jìn)行了評估并對評估結(jié)果進(jìn)行了分級賦值(表2)。根據(jù)歸一化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、生態(tài)敏感性評價(jià)柵格圖將流域分為三大類：極重要(極敏感)、重要(敏感)和一般重要(一般敏感),最后,選取生態(tài)功能極重要和生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)域納入生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域。

表1 生態(tài)保護(hù)紅線劃定的計(jì)算方法Table 1 Calculation method for red line delineation of ecological protection

表2 生態(tài)服務(wù)功能重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性分級賦值Table 2 Classification of importance and sensitivity of ecological service function

在綜合考慮生態(tài)功能極重要區(qū)域和生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)域的基礎(chǔ)上,剔除耕地和建筑用地,并加入湖泊、永久冰川區(qū)域等國家禁止開發(fā)區(qū)域作為生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域。為精確確定生態(tài)保護(hù)紅線邊界,利用ArcGIS中的聚合工具將鄰近的圖斑聚合為相對完整連片的大塊圖斑,并將面積小于1 km2的獨(dú)立圖斑扣除,降低斑塊破碎化程度,形成邊界清晰、便于管理、生態(tài)完整性較好的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)。

2.2.2未來土地利用情景模擬

為定量地分析生態(tài)保護(hù)紅線政策在塔里木河流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的生態(tài)效益,選取FLUS模型模擬未來不同情景下的土地利用變化。

通過建立logistic回歸模型來確定各種LUCC類型(響應(yīng)變量)與LUCC變化驅(qū)動因素(解釋變量)之間的關(guān)系,篩選出對LUCC變化影響顯著的因素作為模型模擬的驅(qū)動因子：坡度、坡向、高程、氣溫、降水、GDP、人口、到河流距離、到鐵路距離、到公路距離、到城市距離、到湖泊距離。將塔里木河流域2005年和2010年土地利用數(shù)據(jù)作為模擬數(shù)據(jù)(依據(jù)前人研究[34]將土地利用類型的鄰域因子參數(shù)設(shè)定為0.5、0.1、0.2、0.1、1、0.3),2015年土地利用數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù),得到FLUS模型在塔里木河流域土地利用變化模擬中的Kappa系數(shù)為0.9637,精度較高,可以滿足未來LUCC模擬要求。

2.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

參考謝高地等[35]制定的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表,并根據(jù)塔里木河流域具體情況對其進(jìn)行修正以后進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

ESV=∑Ai×VCi

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量；Ai為研究區(qū)第i類土地利用景觀的面積；VCi為第i類土地利用景觀的單位價(jià)值系數(shù),即修正后的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。為了保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表在塔里木河流域的適用性,選取NPP、降水和土壤保持調(diào)節(jié)的時(shí)空動態(tài)因子,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基礎(chǔ)當(dāng)量表,構(gòu)建適用于研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空動態(tài)變化價(jià)值當(dāng)量表。

2.2.4景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

景觀格局和景觀配置狀況往往能反映出該地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量優(yōu)劣,及調(diào)節(jié)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)損失的能力。景觀格局指數(shù)是反映地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及空間配置的定量指標(biāo)。本文選取景觀指數(shù)建立生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型[36],公式如下：

LLIi=LSIi×Fi

LSIi=aLFIi+bLNIi+cLDIi

式中,ERIk為第k個(gè)單元的生態(tài)景觀風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),Aki為k單元內(nèi)i類景觀的面積,Ak為k單元內(nèi)景觀總面積,LLIi為i類景觀損失度指數(shù),LSIi為景觀結(jié)構(gòu)指數(shù),Fi為脆弱度指數(shù),LFIi為破碎度指數(shù),LNIi為分離度指數(shù),LDIi為優(yōu)勢度指數(shù)。a、b、c為計(jì)算景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)LSIi的指標(biāo)權(quán)重,參考前人研究[36-37],分別賦值0.5,0.3和0.2；6種用地類型脆弱度指數(shù)Fi分別賦值0.2381、0.1429、0.1905、0.0952、0.0476、0.2857。

2.2.5雙變量空間自相關(guān)

空間自相關(guān)分析能夠檢驗(yàn)具有空間位置的要素屬性值與相鄰空間點(diǎn)上的屬性值是否具有關(guān)聯(lián)性,包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[37-38]。本文用全局Moran′sI指數(shù)來分析區(qū)域總體的空間關(guān)聯(lián)和空間差異程度；用雙變量局部空間自相關(guān)LISA來檢測局部地區(qū)是否存在顯著的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)耦合的高高、高低、低低和低高集聚區(qū)。為直觀顯示二者關(guān)系分布情況,采用2 km×2 km格網(wǎng)對研究區(qū)進(jìn)行空間采樣分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域劃定

塔里木河流域生態(tài)保護(hù)紅線劃定結(jié)果如圖2所示,面積為133721 km2,占流域總面積的13.01%,主要分布在塔里木盆地東北部地區(qū)、河流邊緣綠洲、巴音布魯克草原,以及永久冰川和湖泊等地區(qū)。根據(jù)主導(dǎo)功能,塔里木河流域的生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域主要包括水土涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和維護(hù)生物多樣性四大生態(tài)功能極重要區(qū)以及土地沙化極敏感區(qū)。其中,土地沙化極敏感區(qū)和維護(hù)生物多樣性極重要區(qū)所占比例最高,分別占生態(tài)保護(hù)紅線總面積的60.21%和30.59%。

圖2 生態(tài)服務(wù)功能區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)和生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)劃定結(jié)果Fig.2 Results of delineation of ecological service functional area,environmentally sensitive area and ecological protection red line area

凈植被初級生產(chǎn)力(NPP)是估算地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)支持服務(wù)和可持續(xù)發(fā)展能力的重要指標(biāo)。經(jīng)計(jì)算,生態(tài)保護(hù)紅線保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的植被NPP多年平均總量為2.233×107g C,占研究區(qū)總量的40.81%,平均值為10.44 g C m2a-1,比紅線之外的研究區(qū)植被NPP平均值2.26 g C m2a-1高3.61倍。作為塔里木河流域最重要、最需要嚴(yán)格管控的生態(tài)空間,生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域提供了流域內(nèi)46.62%的生物多樣性維護(hù)功能、36.10%的水土保持功能、56.00%的防風(fēng)固沙功能和57.22%的水源涵養(yǎng)功能,劃定結(jié)果符合“以較小面積獲取較大服務(wù)”原則。

與國內(nèi)其他區(qū)域[3,9-10]劃定生態(tài)保護(hù)紅線范圍相比,本研究劃定面積占比最小,卻得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和功能更加突出,代表性更強(qiáng)的結(jié)果；與塔里木河流域其他方法[29]劃定的生態(tài)保護(hù)紅線范圍相比,本研究劃定范圍更加全面,綜合考慮了流域生態(tài)系統(tǒng)極重要區(qū)域和生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)域,注重生態(tài)系統(tǒng)整體,涵蓋流域上、中、下游,而非僅僅保護(hù)流域下游平原區(qū)天然植被,對地區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展研究具有重要的科學(xué)意義。

3.2 生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算

為進(jìn)一步分析和比較生態(tài)保護(hù)紅線政策對塔里木河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量效益,首先計(jì)算當(dāng)前生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域的ESV,及其在流域當(dāng)中所占的比重(表3)。由表3可知,生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域以13.01%的面積提供了全流域44.55%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,除水文調(diào)節(jié)功能之外的其他生態(tài)服務(wù)功能貢獻(xiàn)值均超過了50%,生態(tài)保護(hù)紅線的劃定對于維持塔里木河流域自然資源與環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)地區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

表3 2015年生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域各生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值/億元Table 3 Ecosystem service value of each ecological function zone in the red line of ecological Protection in 2015

從研究區(qū)各生態(tài)功能分區(qū)來看,各功能區(qū)類型ESV的比例大小依次為冰川湖泊>土地沙化>生物多樣性>水源涵養(yǎng)>水土保持>防風(fēng)固沙。由于冰川湖泊的單位面積價(jià)值當(dāng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他土地利用類型,因此占據(jù)最大比重；防風(fēng)固沙極重要區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低,是由塔里木河流域的地域環(huán)境特殊性決定的,流域內(nèi)防風(fēng)固沙能力較強(qiáng)的林地?cái)?shù)量少,且均為干旱區(qū)植被,各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較低,不論是在NPP貢獻(xiàn)還是應(yīng)對風(fēng)沙的能力都顯著弱于國內(nèi)平均水平,因此比重最小。

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)構(gòu)功能來看,單項(xiàng)ESV比例大小依次為調(diào)節(jié)服務(wù)>供給服務(wù)>支持服務(wù)>文化服務(wù)。冰川湖泊在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值中的貢獻(xiàn)主要集中在水資源供給和水文調(diào)節(jié),占生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域總價(jià)值的52.28%,由此可見在干旱區(qū)尤其是塔里木河流域,保護(hù)水體資源極為重要,對整個(gè)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高都有重要意義。

3.3 不同情景下未來土地利用變化模擬與生態(tài)效益評估

3.3.1歷史變化與情景設(shè)定

在當(dāng)前用地情景(S1)基礎(chǔ)上對未來不同土地利用情景(S2、S3)做出目標(biāo)設(shè)定(表4),采用FLUS模型模擬并得到結(jié)果(圖3)。由不同年份土地利用面積(表5)可知,從1995—2015年塔里木河流域的土地利用變化趨勢：耕地和建筑用地不斷增加,林地先增加后減少,草地逐漸退化,水體起伏不定,未利用地不斷減少。其中,1995—2005年間流域林地保護(hù)和恢復(fù)效果明顯,水體面積也增加了4.48%,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有顯著的改善?？傮w而言,近20年人類活動使得耕地和建筑用地面積分別增加了66.24%和59.80%,由此帶來草地持續(xù)退化,林地也在2005年之后不斷減少,雖然未利用地的開發(fā)對流域生態(tài)恢復(fù)起到一定的作用,但退耕還林還草,嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線的政策亟需落實(shí)。

表4 不同土地利用情景設(shè)定Table 4 Different land use scenarios

表5 不同年份土地利用面積/km2Table 5 Land use area in different years

圖3 不同土地發(fā)展情景下的土地利用空間格局Fig.3 Spatial pattern of land use in different scenariosS1:情景1 Scenario 1;S2:情景2 Scenario 2;S3:情景3 Scenario 3

3.3.2土地利用模擬結(jié)果對比分析

由表6可見,與S1相比,S2受社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展影響,耕地面積增加33.50%,建筑用地增加34.55%,而草地面積的減少雖然對地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生不利影響,但水體面積的增加使得塔里木河流域整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值并未產(chǎn)生較大變化。

表6 不同土地發(fā)展情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值/億元Table 6 Ecosystem service value under different land development scenarios

與S2不同,S3在綜合考慮生態(tài)保護(hù)紅線政策和退耕還林還草的目標(biāo)下,尋求可持續(xù)發(fā)展的新方向。重點(diǎn)實(shí)施了退耕還林還草,保護(hù)河流濕地和未利用地的治理,生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域的劃定也使得流域內(nèi)部穩(wěn)定性大大提高。林地、草地和水體面積分別增加了10.80%、11.11%和17.02%,流域內(nèi)總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值提升了11.96%,土地空間格局得到進(jìn)一步優(yōu)化,生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力顯著增強(qiáng),環(huán)境質(zhì)量得到改善。

3.3.3生態(tài)景觀格局指數(shù)分析

由表7可知,景觀破碎度大小依次為建筑用地>林地>水體>耕地>草地>未利用地,建筑用地和林地面積較小且分布較為分散,破碎度指數(shù)較高；與之相反,耕地、草地和未利用地面積較大且集中,呈面狀分布,破碎度指數(shù)較低；而水體雖然面積較大,但除了湖泊河流,占比最多的冰川分布在高海拔山區(qū),地塊數(shù)量多,單個(gè)地塊面積小,因此水體的景觀破碎度也相對較小。從不同情景來看,林地和草地的景觀破碎度從大到小依次為S2>S1>S3,水體的景觀破碎度從大到小依次為S1>S2>S3,表明在S3情境下,對塔里木河流域的環(huán)境質(zhì)量和系統(tǒng)服務(wù)能力提高較顯著的生態(tài)系統(tǒng)最為穩(wěn)定,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最低。景觀分離度指數(shù)與景觀破碎度指數(shù)有相同的特征,而由于三種情景下的土地利用分布格局并未有巨大的改變,景觀優(yōu)勢度指數(shù)差距較小。對地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能貢獻(xiàn)較大的林地、草地和水體均在S3的狀態(tài)下的景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)最小,說明其林地、草地和水體生態(tài)系統(tǒng)受到干擾的損失程度最 低,即在S3情境下塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)抗干擾能力最強(qiáng)。

表7 不同土地發(fā)展情景下各土地利用類型景觀格局指數(shù)Table 7 Landscape pattern index of different land use types under different land development scenarios

景觀損失度在一定程度上可以反映某個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類型的遭受風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的損失程度,損失度越大,其抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力越弱。從圖4中可以看出,S3情景下,整體的景觀損失度較小,尤其是林地、草地、水體的景觀損失度均顯著低于S1和S2。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部較穩(wěn)定,擁有較高的抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置最優(yōu)。

圖4 不同土地發(fā)展情景下各土地利用類型景觀損失指數(shù) Fig.4 Landscape loss index of different land use types under different land development scenarios

3.3.4生態(tài)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)耦合分析

采用雙變量自相關(guān)模型,分析塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的空間關(guān)聯(lián)特征。結(jié)果表明,S1、S2、S3的全局Moran′ sI指數(shù)(P=0.05)分別為0.202、0.222、0.186,說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間存在一定的正向空間關(guān)聯(lián)性。為了更加直觀地反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,得到局部空間自相關(guān)LISA分析結(jié)果如圖5所示,二者局部關(guān)聯(lián)性顯著區(qū)域主要分布在塔里木盆地邊緣綠洲,以及草地和耕地分布較為集中地區(qū),分為高價(jià)值-高風(fēng)險(xiǎn)(HH)、高價(jià)值-低風(fēng)險(xiǎn)(HL)、低價(jià)值-高風(fēng)險(xiǎn)(LH)、低價(jià)值-低風(fēng)險(xiǎn)(LL)和不顯著(NS)五種模式。

圖5 不同土地發(fā)展情景下單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間耦合分布圖Fig.5 Spatial coupling distribution diagram of ecosystem service value per unit area and ecological risk index under different land development scenarios

高價(jià)值-高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(HH)：指單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高,并且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級高的區(qū)域。主要分布在塔里木盆地的北部邊緣受人類活動影響較為強(qiáng)烈的綠洲地區(qū),以及永久冰川和湖泊。綠洲地區(qū)的林地(天然的和人工的)分布較為分散,雖然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高,但同樣面臨著土壤鹽堿化以及過墾過牧帶來的一系列環(huán)境問題,易向未利用地轉(zhuǎn)變；高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的永久冰川和水體分布范圍廣,但地塊小,數(shù)量多,抵抗生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力較低。

高價(jià)值-低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(HL)：指單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高,但是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級低的區(qū)域。主要分布在塔里木盆地綠洲外部邊緣和高海拔的草地,這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型單一,斑塊面積大,有較高的整體穩(wěn)定性,受人為活動影響相對較小,不易遭到生態(tài)脅迫因素的侵?jǐn)_。

低價(jià)值-高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(LH)：指單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低,但是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級高的區(qū)域。塔里木河流域盆地北部邊緣的LH區(qū)域主要是耕地,分布在HH區(qū)域周圍,是HH區(qū)域高風(fēng)險(xiǎn)的延伸,但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低,正是因?yàn)長H區(qū)域的保護(hù)使得中心地區(qū)有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力；塔里木盆地南部邊緣的LH區(qū)域由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低,抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力較差,容易受到風(fēng)沙、鹽漬化、土地沙化的影響,向未利用地轉(zhuǎn)化,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。

低價(jià)值-低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(LL)：指單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低,并且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級低的區(qū)域。圖中并未出現(xiàn)顯著的LL地區(qū)。

不顯著區(qū)(NS)：指單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)集聚關(guān)系不顯著的區(qū)域。占研究區(qū)總面積的69.20%—70.87%,主要是成片分布的未利用地和草地,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布都較為平均,不存在明顯的高值和低值中心。

圖6 不同土地發(fā)展情景下基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)局部自相關(guān)LISA頻次圖Fig.6 LISA frequency chart of local autocorrelation based on ecosystem service value and ecological risk index under different land development scenarios

由圖6可知,與S1相比,S2情境下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值面積略微減少,高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域增加了5.23%,但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基本穩(wěn)定,受生態(tài)脅迫因素影響的風(fēng)險(xiǎn)提升；S3情境下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值面積增加了5.95%,HL區(qū)域面積增加了6.37%,整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大幅度增加,受生態(tài)脅迫因素影響的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。對塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng)功能最為重要的HH和大部分HL地區(qū)都在生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域劃定范圍,說明退耕還林還草、保護(hù)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)域的生態(tài)保護(hù)紅線政策能夠?yàn)樗锬竞恿饔虻纳鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和“既要金山銀山,又要綠水青山”的可持續(xù)發(fā)展提供方向和理論支持。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)劃定生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域總面積133721 km2,占流域總面積的13.01%,其中土地沙化極敏感區(qū)和維護(hù)生物多樣性極重要區(qū)的面積所占比例最高,分別為60.21%和30.59%。生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域的NPP占研究區(qū)總量的40.81%,植被NPP平均值比紅線之外的研究區(qū)平均值高3.61倍,并提供了流域內(nèi)46.62%的生物多樣性維護(hù)功能、36.10%的水土保持功能、56.00%的防風(fēng)固沙功能和57.22%的水源涵養(yǎng)功能,劃定結(jié)果符合“以較小面積獲取較大服務(wù)”原則。

(2)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域提供了全流域44.55%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,除水文調(diào)節(jié)功能之外的其他生態(tài)服務(wù)功能貢獻(xiàn)值均超過了50%,對于維持塔里木河流域自然資源與環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)構(gòu)功能來看,調(diào)節(jié)服務(wù)和供給服務(wù)是生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域的最主要功能；從生態(tài)功能分區(qū)來看,冰川湖泊提供了生態(tài)保護(hù)紅線保護(hù)區(qū)52.28%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起到至關(guān)重要的作用。

(3)通過對不同發(fā)展目標(biāo)下的生態(tài)景觀格局情景的比較,發(fā)現(xiàn)實(shí)施了退耕還林還草、保護(hù)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)域的生態(tài)保護(hù)紅線政策情景后,2030年林地、草地和水體面積分別增加了10.88%、11.11%和17.02%,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比2015年增加了11.96%,且生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高值面積增加了5.95%,HL區(qū)域面積增加了6.37%,地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定,擁有較高的抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置最優(yōu)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間存在一定的正向空間關(guān)聯(lián)性。對塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng)功能最為重要的高價(jià)值-高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和大部分高價(jià)值-低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)都在生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域劃定范圍,也在一定程度上證明了生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域劃定的科學(xué)性和重要性。

4.2 討論

生態(tài)保護(hù)紅線政策對塔里木河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升和降低風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。但是,鑒于技術(shù)等原因,模擬評價(jià)過程仍存在需要進(jìn)一步完善提高的地方：一是,在圖斑聚合為相對完整連片的大塊圖斑時(shí)剔除了一些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較高的細(xì)碎獨(dú)立斑塊,雖然降低了斑塊破碎化程度,但對生態(tài)保護(hù)紅線的劃定結(jié)果可能會產(chǎn)生一定影響；二是,模擬的未來土地發(fā)展時(shí)間較近(2030年),在短期內(nèi)部分用地類型發(fā)生顯著變化的概率較低,特別是研究區(qū)內(nèi)面積占比最大的未利用地,治理和開發(fā)難度高,流域整體空間格局難以在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致ESV增長緩慢,這對生態(tài)保護(hù)紅線政策實(shí)施的生態(tài)效益評價(jià)也會產(chǎn)生一定影響；三是,對于劃定結(jié)果合理性的研究還應(yīng)該經(jīng)過實(shí)地勘察,并聽取有關(guān)部門和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖娨约爱?dāng)?shù)厝罕姷男枨骩10]。對生態(tài)保護(hù)紅線政策實(shí)施的效益評價(jià)不應(yīng)只局限于環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性而忽視了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)的共贏應(yīng)該是未來研究的重中之重。