基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的新疆綠洲生態(tài)安全格局識別及優(yōu)化策略
——以拜城縣為例

王正偉,王宏衛(wèi),*,楊勝天,劉 勤,高一薄,衡嘉堯,張惠婷

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)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046 3 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875 4 新疆大學(xué)旅游學(xué)院,烏魯木齊 830046

半個世紀(jì)以來,隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的不斷推進,生態(tài)安全問題已經(jīng)日益突出,并成為世界各國關(guān)注的焦點[1],黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局,并將國土空間格局優(yōu)化提升到了戰(zhàn)略高度,生態(tài)安全格局作為實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全的基本途徑和重要保障,被確定為國土空間開發(fā)和保護的三大戰(zhàn)略格局之一[2]。廣義的生態(tài)安全強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)能夠保障人類生活健康不受損害,經(jīng)濟發(fā)展和社會安定不受威脅[3],狹義的生態(tài)安全指生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和維持生物多樣性所需要的自身結(jié)構(gòu)完整性與健康程度。生態(tài)安全格局是由區(qū)域生態(tài)“源”地及溝通生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動的生態(tài)廊道共同構(gòu)成[4],對國土空間格局優(yōu)化,維護景觀格局整體性與區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義[5—6]。

國外關(guān)于生態(tài)安全格局的相關(guān)研究始于20世紀(jì)80年代初,早期主要集中在景觀安全格局和土地利用優(yōu)化兩個方面。隨著對生態(tài)安全重要性認(rèn)識的不斷深入,相關(guān)研究逐漸向以自然生態(tài)系統(tǒng)為主,并與社會經(jīng)濟相互耦合的方向發(fā)展,側(cè)重對區(qū)域性生態(tài)問題背景下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能及過程、生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)的評估及其協(xié)調(diào)關(guān)系的研究[7],并加強對自然及社會經(jīng)濟系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的分析,注重生態(tài)保護與修復(fù)[8—10]。國內(nèi)研究始于20世紀(jì)90年代,學(xué)者經(jīng)過近20年來的持續(xù)探索,對于生態(tài)安全格局的研究已從早期相關(guān)概念的辯析、理論探討發(fā)展到區(qū)域生態(tài)風(fēng)險及生態(tài)系統(tǒng)評價[11—12],注重生態(tài)安全格局的相關(guān)研究[13—15],并逐步形成由“源”地、廊道、節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)等要素組成的生態(tài)安全空間優(yōu)化模式[16—17]。杜悅悅等從生物資源保護、水資源安全以及營養(yǎng)物質(zhì)保持等方面評估生態(tài)重要性,識別生態(tài)“源”地和景觀廊道,同時構(gòu)建了山區(qū)生態(tài)安全格局[18]；楊天榮等通過生態(tài)服務(wù)重要性及生態(tài)環(huán)境敏感性識別生態(tài)“源”地,對關(guān)中城市群生態(tài)空間布局優(yōu)化展開研究[19]；方瑩等利用生境質(zhì)量模型、生境風(fēng)險評估模型等方法診斷生態(tài)“夾點”及生態(tài)障礙點,確定煙臺市國土空間生態(tài)保護和修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域[20]；對于新疆生態(tài)安全的相關(guān)研究,有學(xué)者通過構(gòu)建基于突變級數(shù)法的生態(tài)安全評價指標(biāo)體系,對土地生態(tài)安全進行探索性分析[21]，并利用最小阻力模型,從點、線、面綜合視角對渭干-庫車河綠洲進行景觀格局優(yōu)化[22],劃分生態(tài)用地重要性保護分區(qū),進而設(shè)置生態(tài)用地規(guī)劃情景[23]。綜合來看,新疆地區(qū)生態(tài)問題的相關(guān)研究,內(nèi)容多集中于景觀類型優(yōu)化,生態(tài)保護區(qū)劃分及生態(tài)用地規(guī)劃方面,從全局角度構(gòu)筑生態(tài)保護格局,優(yōu)化生態(tài)空間保護網(wǎng)絡(luò)體系的研究較少。

作為我國典型的干旱氣候區(qū),新疆脆弱的生態(tài)環(huán)境和稀疏的植被覆蓋類型在很大程度上限制著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮,進而導(dǎo)致生態(tài)問題頻發(fā),嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用裆姝h(huán)境。因此本研究基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值綜合評定結(jié)果,識別2009、2016、2019年拜城縣生態(tài)安全格局,并依據(jù)研究期內(nèi)生態(tài)“源”地及生態(tài)保護重要性用地的發(fā)展變化趨勢,結(jié)合生態(tài)環(huán)境特征及縣域總體發(fā)展規(guī)劃,提出拜城縣生態(tài)安全布局調(diào)控的優(yōu)化發(fā)展思路,以期優(yōu)化縣域生態(tài)空間布局,筑牢區(qū)域生態(tài)安全屏障、保障綠洲地區(qū)生態(tài)安全,并為綠洲地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

拜城縣地處新疆塔里木盆地北緣的山間盆地,位于80°37′39″E—83°02′25″E,41°24′08″N—42°38′52″N之間,地勢西北高東南低,自然坡降較大,地形復(fù)雜,年均氣溫7.6℃,年均降水量171.13mm,屬溫帶大陸性干旱氣候。拜城縣縣域總面積為1.91萬km2,下轄4鎮(zhèn)10鄉(xiāng)1個國有農(nóng)牧場、1個管委會?？h區(qū)水域面積約114km2,占全域總面積的0.72%,境內(nèi)河流分布廣,主要河流有克孜爾河、木扎提河、喀拉蘇河等水系,主要耕作土地類型為綠洲灌淤土,屬于典型的新疆內(nèi)陸河流域綠洲。拜城縣2018年末常住人口為24.7萬人,年末地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP) 68.95億元,近年來隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,人類活動對生態(tài)環(huán)境影響逐漸凸顯,偏遠(yuǎn)山區(qū)存在亂砍濫伐現(xiàn)象,同時生活垃圾隨意丟棄、污水隨意排放、縣域缺乏較為完備的垃圾處理設(shè)施及處理廠,造成生態(tài)環(huán)境惡化、資源浪費、人與自然關(guān)系失調(diào)、人地矛盾突出、經(jīng)濟與環(huán)境的矛盾日益尖銳等一系列問題,生態(tài)安全問題仍不容樂觀。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)有：社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2009—2019年《新疆統(tǒng)計年鑒》、《拜城縣統(tǒng)計年鑒》以及統(tǒng)計公報；2009、2016、2019土地利用數(shù)據(jù)(比例尺1∶50000)、規(guī)劃文本來源于拜城縣國土部門；DEM和坡度數(shù)據(jù)(30m分辨率)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),土壤侵蝕數(shù)據(jù)、NDVI等均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

本文在借鑒謝高地等[24]研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合拜城縣地處西北內(nèi)陸,大陸性氣候條件影響下干旱少雨,天然植被稀疏等實際情況,采用新疆地區(qū)生物量因子ks(ks=0.58)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)進行修正,同時參考前人相關(guān)研究[25],將人類活動因素考慮在內(nèi)。因謝高地當(dāng)量表的測算與支付意愿相關(guān),而支付意愿主要取決于支付能力水平,因而將研究區(qū)居民人均可支配收入調(diào)整系數(shù)kj納入到拜城縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)修正當(dāng)中,制定出拜城縣單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表,為全面反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的各項價值,兼顧生態(tài)和社會成份,本文選取了食物生產(chǎn)、原材料、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、生物多樣性、娛樂文化等9項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),運用Constanza等建立的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)測算模型[26](式1—3),計算拜城縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

(1)

(2)

(3)

式中: ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,Ak為第k類土地利用類型的面積(hm2),VCk為調(diào)整后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元 hm-2a-1),ks為新疆生物量因子0.58,kj為研究區(qū)居民人均可支配收入調(diào)整系數(shù),Vt為研究區(qū)第t年糧食作物總產(chǎn)值(萬元),St為第t年研究區(qū)耕地面積(hm2)。

敏感性指數(shù)(CS)可以反映一定時間內(nèi)ESV對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的依賴程度,將各項系數(shù)分別上下調(diào)動50%,計算出相應(yīng)的彈性系數(shù)(CS)值,公式為：

(4)

式中:ESVj和ESVi分別表示調(diào)整前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的大小,VCjk和VCik分別表示調(diào)整前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的大小。

2.2 生態(tài)“源”地的識別

2.3 最小累計阻力面的建立

最小累計阻力面表示生態(tài)用地從“源”向其他景觀單元所耗費的累計距離[30—31],基于Arcgis中的cost distance工具來建立生態(tài)用地間能量流的空間運動阻力面,本研究考慮的阻力因子包括高程、坡度、地形起伏度、距水體距離、距道路距離、距居民點距離、NDVI、土壤侵蝕度、土地覆被類型。因各阻力因子等級范圍不同,生態(tài)“源”地向外擴張過程中所需克服的阻力也有很大差異,因而參考前人關(guān)于不同要素阻力系數(shù)設(shè)定的相關(guān)研究[32],結(jié)合已有數(shù)據(jù)和研究區(qū)用地實際,將9個指標(biāo)劃數(shù)據(jù)劃分為5個等級,分別設(shè)定阻力系數(shù)(表1),建立阻力面。運用層次分析法確定權(quán)重,加權(quán)求和得到拜城縣生態(tài)用地擴張的空間阻力面分布(圖2)。

表1 生態(tài)用地阻力系數(shù)與阻力值

圖2 2019年生態(tài)阻力單要素評價結(jié)果Fig.2 The results from single factor evaluation ecological resistance in 2019

2.4 生態(tài)廊道構(gòu)建

生態(tài)廊道是生態(tài)系統(tǒng)中生物、能量流動的便捷通道[33—34],能夠增強生態(tài)“源”地間的聯(lián)系和防護功能。通過Arcgis中的cost distance分析得到不同安全等級“源”地所對應(yīng)的累計消耗距離表面,運用水文分析工具對其進行填洼、流向、匯流累計量處理,并確定合理閾值,得到各“源”地間累計阻力最小的消耗路徑,對其進行矢量化處理,輸出一條光滑的曲線,即為生態(tài)廊道。

2.5 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評價

本文通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)評價方法,選用網(wǎng)絡(luò)閉合度(α指數(shù))、節(jié)點連接率(β指數(shù))、網(wǎng)絡(luò)連接度(γ指數(shù))等指標(biāo)對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行評價[35],其計算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：L表示生態(tài)廊道數(shù)(條)；V代表生態(tài)節(jié)點個數(shù)。網(wǎng)絡(luò)閉合度α用來描述網(wǎng)絡(luò)中回路出現(xiàn)的程度,值越大,表明供物種遷移擴散的路徑越多；節(jié)點連接率β用來描述網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的平均連接數(shù),值大于1表明網(wǎng)絡(luò)連接水平較復(fù)雜；網(wǎng)絡(luò)連接度γ用來表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接程度,值越大表明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接性越高。

3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算結(jié)果及分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)靜態(tài)價值估算

經(jīng)計算拜城縣2009年、2016年、2019年單位農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的年均經(jīng)濟價值分別為1842.35元/hm2、2521.29元/hm2、3499.66元/hm2,基于此得到適用于研究區(qū)范圍的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)表(以2019年為例(表2))。將系數(shù)表與研究區(qū)各土地利用類型面積相乘,得到拜城縣各年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(表3)及其單項服務(wù)價值量在研究期內(nèi)的變化情況(圖3)。

表2 2019年拜城縣不同土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)

分析表3可知,拜城縣2009、2016、2019年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量分別為113.81億元、155.74億元、232.63億元,價值量呈持續(xù)升高的趨勢。就各年單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來看,水源涵養(yǎng)的價值量最高,約占當(dāng)年價值總量的21%,其次是廢物處理,約占當(dāng)年價值總量的18%,食物生產(chǎn)和原材料價值量接近,各項價值量中食物生產(chǎn)價值量最低。從圖3單項價值量的變化來看,2009—2019年間單項價值量增長最多的是水源涵養(yǎng),增長約25.84億元,占各類服務(wù)總量的22%,其次是廢物處理,十年間增長約21.52億元,占各類服務(wù)總量的18%,單項增長量最少的是食物生產(chǎn)和原材料,增長量分別為3.54億元和3.98億元,共占總增長量的6%。

表3 2009、2016、2019年拜城縣單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

圖3 2009、2016、2019年單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量對比 Fig.3 Comparison of the value of single ecosystem services in 2009, 2016 and 2019

對價值系數(shù)表進行敏感性分析可知：2009—2019年拜城縣各項生態(tài)服務(wù)的彈性指數(shù)均小于1,表明ESV相對于VC缺乏彈性(表4),研究結(jié)果可信。

表4 敏感性分析結(jié)果

從2009年、2016年、2019年各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化率(圖4)來看,十年間每項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量都在穩(wěn)步上升。從2009—2016年來看,雖然食物生產(chǎn)增長量僅為1.268億元,但增長率為36.86,為各項服務(wù)中最高；其次是廢物處理,增長率為36.85%。增長率較低的服務(wù)類型是氣體調(diào)節(jié),增長率為36.81%,其余各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型增長率相差較小,均在36.82%—36.84%之間。2016—2019年之間各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型增長率均有上升,增長率最高的服務(wù)類型是原材料,增長率為57.53%；增長率最低的服務(wù)類型是土壤形成與保護,增長率為46.59%。從多年平均變化率來看,拜城縣各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多年平均變化率為10.48%,其中原材料的增長率最快,多年平均變化率為11.56%,土壤形成與保護和生物多樣性保護的變化率相對較小。

圖4 2009、2016、2019年拜城縣單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率及變化量Fig.4 Change rate and amount of ecosystem service values in Baicheng County in 2009,2016 and 2019

3.2 生態(tài)安全格局的建立

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是生態(tài)保護、三生空間劃定和生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)制定的重要基礎(chǔ)[36],也是判斷區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能強弱的重要依據(jù)。通過定量計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,識別其空間集聚程度,不僅可以反映出區(qū)域內(nèi)生態(tài)功能強弱的空間差異性,以此為基礎(chǔ)識別生態(tài)“源”地,構(gòu)建的區(qū)域生態(tài)安全格局在空間分布上也更加精確,生態(tài)穩(wěn)定機制也更加均衡?；诖?本文以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值綜合評價結(jié)果為基礎(chǔ),提取99%置信水平生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值熱點區(qū),確定2009、2016、2019年3個年份的生態(tài)保護“源”地。并在參考前人研究同時結(jié)合研究區(qū)用地實際,將阻力因子劃分為5個等級,分別設(shè)定阻力系數(shù),以衡量生態(tài)“源”地空間運動的生態(tài)過程及生態(tài)功能流動與傳遞所遇到的空間阻力,得到研究區(qū)生態(tài)擴張累計阻力面,進而劃分生態(tài)保護重要性等級,阻力值越小,生態(tài)用地擴張適宜度越強,生態(tài)重要性越高；阻力值越大,生態(tài)用地擴張適宜度越弱,生態(tài)重要性越低。最后基于Arcgis中的cost distance工具,得到由生態(tài)重要性等級區(qū)、生態(tài)“源”地、生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道、潛在廊道所組成的2009、2016、2019年三個時間年份的生態(tài)安全格局。

3.2.1生態(tài)“源”地的確定

圖5 拜城縣2009、2016、2019生態(tài)源地備選區(qū)Fig.5 Alternative ecological source area of 2009,2016and 2019 in Baicheng County

3.2.2生態(tài)用地保護重要性等級劃分

通過阻力因子加權(quán)求和得到拜城縣生態(tài)擴張累計阻力面(圖6),通過圖6分析可知,2009—2019年間,拜城縣生態(tài)用地保護累計阻力值空間分布變化明顯。從整體來看,高值區(qū)主要分布在研究區(qū)中部大橋鄉(xiāng)、亞吐爾鄉(xiāng)及南部克孜爾鄉(xiāng)、北部老虎臺鄉(xiāng)等植被覆蓋量少、受人類活動影響大的地區(qū),用地多為裸巖石礫地、空閑地等類型。低值區(qū)范圍較廣,在研究區(qū)南部和北部山區(qū)具有較大面積分布,主要位于南部綠洲區(qū)察爾齊鎮(zhèn)、溫巴什鄉(xiāng)、北部山區(qū)黑英山鄉(xiāng)、米吉克鄉(xiāng)等草地、水體分布面積較大的區(qū)域。從縱向變化來看,2009—2019年變化較大的區(qū)域主要位于黑英山鄉(xiāng),托克遜鄉(xiāng)等靠近河流的區(qū)域。以生態(tài)擴張累計阻力值為屬性,基于Arcgis軟件中的空間分析工具和自然斷點法將拜城縣生態(tài)系統(tǒng)安全等級分為低值區(qū)、中值區(qū)、次高值區(qū)、高值區(qū)4個區(qū)域,將其分別對應(yīng)為生態(tài)保護等級中的生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū),得到相應(yīng)的拜城縣生態(tài)用地保護重要性分布圖(圖7)。生態(tài)擴張累計阻力值越低說明該區(qū)域生態(tài)用地擴張適宜度越強,重要性越高,需要加強保護。生態(tài)擴張累計阻力值越高說明該區(qū)域生態(tài)用地擴張適宜度越弱,重要性程度越低,不需要過多的投入保護。從2009—2019年時間序列來看,2009—2019年期間生態(tài)核心區(qū)減少6.82km2,生態(tài)緩沖區(qū)面積增加75.67km2,生態(tài)過渡區(qū)面積增加1406.35km2,生態(tài)脆弱區(qū)面積減少1450.40km2。研究期內(nèi),拜城縣生態(tài)用地等級整體有所好轉(zhuǎn),低重要性區(qū)域保護面積有所減少。

圖6 拜城縣2009、2016、2019生態(tài)用地保護累計阻力面Fig.6 The cumulative resistance surface for ecological land protection in Baicheng County in 2009, 2016and 2019

圖7 拜城縣2009、2016、2019不同安全水平生態(tài)安全格局Fig.7 Ecological Security pattern of different Security levels of 2009, 2016 and 2019 in Baicheng County

3.2.3生態(tài)安全格局識別

將“冷熱點”分析后得到的2009、2016、2019年拜城縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布結(jié)果,按照99%置信水平,并結(jié)合研究區(qū)用地實際情況,剔除小于3km2的土地斑塊,得到拜城縣生態(tài)“源”地空間分布,同時利用Arcgis中的最小累積阻力模型(MCR)分析得到對應(yīng)的生態(tài)廊道,進而識別出由生態(tài)用地保護重要性區(qū)域、生態(tài)源地、生態(tài)廊道及節(jié)點所構(gòu)成的拜城縣2009、2016、2019年三個時期的生態(tài)安全格局(圖7)。

從2009—2019年拜城縣生態(tài)安全格局識別結(jié)果來看,拜城縣生態(tài)“源”地斑塊數(shù)量較多,面積也較大,生態(tài)“源”地斑塊集聚化程度高,主要集中分布在拜城縣北部及東部地區(qū),南部山區(qū)僅有零星分布。從生態(tài)“源”地斑塊數(shù)量來看,2009年拜城縣生態(tài)安全格局中“源”地斑塊有9塊,總面積4985.00km2，占研究區(qū)總面積的31%,“源”地對應(yīng)天山主干南麓,是需要嚴(yán)格保護的基礎(chǔ)性生態(tài)用地,也是保障拜城縣正常發(fā)揮生態(tài)功能的關(guān)鍵。2016年生態(tài)安全格局中生態(tài)“源”地斑塊數(shù)為11塊,總面積為5101.98km2,占研究區(qū)總面積的32%,在2009年基礎(chǔ)上,“源”地面積增加116.98km2,斑塊數(shù)量也有增加,增加的“源”地位于北部天山中段南麓。2019年拜城縣生態(tài)安全格局中“源”地總面積為5830.28km2,占研究區(qū)總面積的37%,與2016年安全格局相比,“源”地面積增加728.30km2,說明拜城縣生態(tài)“源”地的整合度正逐步提高,抵抗生態(tài)脅迫的能力和生態(tài)恢復(fù)能力有所提高?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)現(xiàn)狀的廊道識別方法識別出的拜城縣生態(tài)廊道包括兩部分,一部分主要是沿著河流展開,另一部分是連通不同“源”地之間的安全通道。其中2009年拜城縣“源”間生態(tài)廊道16條,長672.08km,2016年拜城縣“源”間生態(tài)廊道19條,長686.07km,2019年拜城縣“源”間生態(tài)廊道30條,長744.63km,2009—2019年期間,潛在廊道逐漸減少,廊道連通性逐漸提高,表明研究期內(nèi)拜城縣生態(tài)安全水平逐漸提高、生態(tài)“源”地面積擴大,廊道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有所完善。

在識別2009—2019年期間拜城縣生態(tài)安全格局演變過程的基礎(chǔ)上,將生態(tài)“源”地和生態(tài)保護重要性等級區(qū)域分布視為不同的景觀類型,利用IDRISI軟件中的CA-Markov模型,考慮高程、坡度、荒漠用地的影響,結(jié)合層次分析法,創(chuàng)建生態(tài)安全等級分布區(qū)及生態(tài)“源”地的適宜性圖集,基于拜城縣2009—2019年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣,以2019年為基期年份,將迭代次數(shù)設(shè)置為10,模擬得到拜城縣2029生態(tài)“源”地擴張情況及生態(tài)安全等級區(qū)域分布(圖8),并用Kappa系數(shù)對模擬結(jié)果進行驗證,得到Kappa系數(shù)為0.75,模擬效果較好。與2019年相比,2029年拜城縣模擬“源”地面積增加1264.61km2。生態(tài)保護重要性用地中生態(tài)核心區(qū)面積減少160.53km2,生態(tài)緩沖區(qū)面積增加22.63km2,生態(tài)過渡區(qū)面積增加136.13km2,生態(tài)脆弱區(qū)面積減少126.32km2?？芍莩强h2019—2029年間生態(tài)“源”地面積持續(xù)擴大,生態(tài)功能增強。生態(tài)保護重要性用地安全狀況整體雖有所好轉(zhuǎn),但生態(tài)保護核心區(qū)面積持續(xù)減少,生態(tài)擴張適宜區(qū)逐漸萎縮,生態(tài)過渡區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)空間分布依然較廣,不利于縣域生態(tài)安全的維護和生態(tài)服務(wù)水平的提升。因此有必要在2019年現(xiàn)狀生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)上,依據(jù)2029年拜城縣生態(tài)“源”地及生態(tài)保護重要性用地的模擬結(jié)果及未來10年可能存在的生態(tài)安全相關(guān)問題為導(dǎo)向,探討拜城縣生態(tài)安全優(yōu)化策略。

圖8 拜城縣2029年生態(tài)源地及生態(tài)保護重要性等級區(qū)域模擬分布Fig.8 Simulated distribution of ecological source area and ecological protection importance level in Baicheng County in2029

4 拜城縣生態(tài)安全格局優(yōu)化策略

生態(tài)安全格局是基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值現(xiàn)狀而提出的相應(yīng)規(guī)劃策略,在綠洲生態(tài)用地建設(shè)和開發(fā)中能提供一定的參考價值,在識別2009—2019年期間拜城縣生態(tài)安全格局，分析其發(fā)展變化的同時,依據(jù)2029年拜城縣生態(tài)“源”地及生態(tài)保護重要性用地的模擬結(jié)果,推測拜城縣未來生態(tài)發(fā)展及可能出現(xiàn)的問題,將其作為今后的優(yōu)化調(diào)整依據(jù),同時結(jié)合拜城縣自然地理特征及生態(tài)保護發(fā)展規(guī)劃,依據(jù)要素協(xié)同理論及空間各要素相互作用機理,構(gòu)思拜城縣2019年現(xiàn)狀生態(tài)安全格局基礎(chǔ)上的布局優(yōu)化思路：以山、水、林、田、城為基底要素,以生態(tài)節(jié)點、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心作為生態(tài)綠心,以串聯(lián)輻射生態(tài)“源”地和“源”間廊道的主要河流水系和道路交通作為疏通廊道,以綠色產(chǎn)業(yè)分區(qū)作為縣域發(fā)展組團,依據(jù)生態(tài)用地重要性等級區(qū)域分布比重,營造生態(tài)安全防護帶,劃分北、中、南不同功能定位的生態(tài)分區(qū)。通過拓展生態(tài)綠心點綴生態(tài)基底,以自然廊道和人工廊道連通各生態(tài)功能分區(qū),協(xié)調(diào)生態(tài)組團共同發(fā)展,構(gòu)筑起“兩帶、三功能、四區(qū)、多中心、十廊道”的拜城縣生態(tài)空間布局優(yōu)化模式(圖9),打造拜城縣協(xié)同化、復(fù)合型、多層次的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)(表5)。

圖9 拜城縣生態(tài)空間布局優(yōu)化方案Fig.9 Optimization Scheme of Ecological Spatial layout in Baicheng County

表5 “兩帶、三功能、四區(qū)、多中心、十廊道”概念解析

4.1 打造生態(tài)防護屏障,劃定生態(tài)功能分區(qū)

依據(jù)生態(tài)重要性用地的區(qū)域空間分布,打造北部天山生態(tài)防護帶、南部卻勒塔格山生態(tài)防護帶,以此劃分北部、中部、南部生態(tài)發(fā)展功能分區(qū)。其中北部天山南麓丘陵地區(qū)為生態(tài)“源”地涵養(yǎng)保護區(qū),因?qū)⑵湟曌靼莩强h生態(tài)安全維護的基礎(chǔ),提高其水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護的生態(tài)系統(tǒng)功能,未來10年內(nèi)應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)加強生態(tài)涵養(yǎng)和植被覆蓋,注重生態(tài)“源”地建設(shè),擴展生態(tài)“源”地面積；中部為生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展區(qū),其西側(cè)種羊場、大宛其農(nóng)場、大橋鄉(xiāng)應(yīng)強化發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、形成特色種植、養(yǎng)殖基地；東側(cè)通過整合龜茲文化、姑墨文化,發(fā)展生態(tài)旅游觀光,協(xié)調(diào)旅游資源共享,同時注重荒漠化治理與增加植被覆蓋；南部生態(tài)恢復(fù)治理區(qū)應(yīng)加強生態(tài)系統(tǒng)保護和水環(huán)境治理,通過擴大生態(tài)斑塊面積,注重綠色植被覆蓋,加強生態(tài)用地重要性保護,減少生態(tài)脆弱區(qū)域占比,推進生態(tài)環(huán)境治理工程和保護區(qū)建設(shè),提高區(qū)域的生態(tài)穩(wěn)定性。整體構(gòu)造北養(yǎng)水源、中優(yōu)耕地、南增綠地的區(qū)域生態(tài)發(fā)展方案。

4.2 打通生態(tài)連接通道,構(gòu)筑生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系

通過以木扎爾特河為主軸線打造拜城縣中央生態(tài)文化景觀帶,連通以喀普斯浪河、臺勒維丘克河、喀拉蘇河、克孜勒河為軸線的自然生態(tài)廊道,及以國道579線、縣道346、縣道345線、縣道344線為軸線的人工生態(tài)廊道,組建起“一中心,十廊道”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)疏通結(jié)構(gòu)體系,構(gòu)筑起生態(tài)連接的網(wǎng)絡(luò)化通道,并加大對自然生態(tài)廊道和人工生態(tài)廊道的綠化建設(shè),提高生態(tài)廊道的空間連接性,優(yōu)化生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以提高縣域景觀連通性,促進生態(tài)流、信息流、物質(zhì)流的流動和擴散。

4.3 加強生態(tài)綠心建設(shè),協(xié)同生態(tài)發(fā)展組團

基于生態(tài)安全格局識別結(jié)果,以生態(tài)服務(wù)功能較強的生態(tài)“源”地、生態(tài)節(jié)點要素及其空間分布為基礎(chǔ),以生態(tài)“源”地幾何中心點為圓點,分別設(shè)置2km、5km、8km、10km的緩沖區(qū)作為生態(tài)“源”地的作用輻射范圍,同時發(fā)展縣域中心區(qū)、主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)及其空間范圍內(nèi)的綜合性公園為主的生態(tài)綠色中心,加強生態(tài)保護與環(huán)境治理,注重生態(tài)綠心擴展建設(shè),由點及片、由片及面,形成經(jīng)緯交織、星羅棋布的縣域多中心生態(tài)綠心空間結(jié)構(gòu)體系,以提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量。同時以廊道串聯(lián)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展分區(qū),協(xié)同東、中、西綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展組團,增強經(jīng)濟發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu),構(gòu)建“三組團,多中心”的綠心組團縣域生態(tài)保護框架。

4.4 生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化估算

基于2019年拜城縣生態(tài)廊道結(jié)構(gòu)破碎、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系程度依然較低現(xiàn)狀,以2029年生態(tài)“源”地及重要性保護區(qū)域分布的模擬結(jié)果及未來可能出現(xiàn)的問題為依據(jù),結(jié)合縣域生態(tài)保護規(guī)劃對拜城縣生態(tài)空間布局進行優(yōu)化調(diào)整,并對優(yōu)化后的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行連通度估算(表6)。通過分析,優(yōu)化后相比2019年,生態(tài)“源”地面積將增加1264.61km2，生態(tài)廊道數(shù)目增加10條,廊道長增加1269.56km。借助生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定量評價優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)連接程度,結(jié)果表明,優(yōu)化后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)閉合度較2019年增長0.06,節(jié)點連接率增長0.1,網(wǎng)絡(luò)連接度增長0.09。表明優(yōu)化后的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相比2019年網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的α、β、γ指數(shù)明顯增高,生態(tài)廊道的連通性增強,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更優(yōu),可有效提高拜城縣生態(tài)系統(tǒng)功能,降低景觀破碎化程度。優(yōu)化后的生態(tài)安全格局將更有利于保障縣域生態(tài)安全。

表6 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)景觀組分及結(jié)構(gòu)指數(shù)估算

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

(1)從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來看,2009—2019年期間,拜城縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐年升高,價值量從2009年的11.38億元增加到2019年的23.26億元,價值量增加近兩倍。從單項服務(wù)價值量來看,研究期內(nèi)價值量變化最大的服務(wù)類型是水源涵養(yǎng),其次是廢物處理,食物生產(chǎn)和原材料價值量變化最小。

(2)通過Arcgis空間分析,并基于最小阻力模型,將拜城縣劃分為生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)4個不同水平的生態(tài)安全區(qū)。同時在2009—2019年生態(tài)系統(tǒng)靜態(tài)服務(wù)價值測算結(jié)果基礎(chǔ)上,通過Arcgis“冷熱點”分析確定了生態(tài)用地的“源”,識別2009、2016、2019年生態(tài)綜合安全格局,同時分析發(fā)現(xiàn)縣域生態(tài)安全布局整體存在“源”地分布不均、廊道結(jié)構(gòu)破碎且網(wǎng)絡(luò)化程度低、生態(tài)脆弱區(qū)面積較大的現(xiàn)狀特征。

(3)基于2009、2016、2019年生態(tài)安全現(xiàn)狀及其發(fā)展演變規(guī)律,模擬2029年拜城縣生態(tài)“源”地及生態(tài)重要性保護區(qū)域的空間分布,同時依據(jù)拜城縣自然地理特征及縣域總體規(guī)劃,構(gòu)筑“兩帶、三功能、四區(qū)、多中心、十廊道”的拜城縣生態(tài)空間布局優(yōu)化模式,建設(shè)多層次、復(fù)合型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu),優(yōu)化后生態(tài)“源”地面積明顯擴大,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)明顯提高,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更優(yōu),景觀連通性更強。

5.2 討論

本研究以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能等級確定了綠洲生態(tài)用地中的“源”,通過確定具有較強生態(tài)服務(wù)功能的生態(tài)“源”地和能有效連通自然界物質(zhì)能量的生態(tài)廊道,識別拜城縣生態(tài)安全格局,構(gòu)筑起保障綠洲地區(qū)區(qū)域生態(tài)安全的屏障體系,并根據(jù)“源”地分布不均、廊道結(jié)構(gòu)破碎且網(wǎng)絡(luò)化程度低的現(xiàn)狀特征,結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件及縣域總體規(guī)劃,提出“兩帶、三功能、四區(qū)、多中心、十廊道”的生態(tài)安全布局優(yōu)化模式,為干旱區(qū)綠洲生態(tài)用地規(guī)劃和建設(shè)用地布局提供一定參考,但囿于數(shù)據(jù)獲取的限制,本文只選擇一些主要的生態(tài)服務(wù)類型和相關(guān)阻力因子來識別生態(tài)“源”地,建立阻力面,對人為因素及影響考慮較少。同時雖通過參考相關(guān)研究,結(jié)合研究區(qū)實際確定了拜城縣生態(tài)廊道的空間位置,但對關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點,生態(tài)輻射廊道等組分的研究不夠深入,對各組分在生態(tài)安全格局優(yōu)化中的作用程度未做深入分析,在生態(tài)安全格局優(yōu)化策略中,基于識別的生態(tài)廊道現(xiàn)狀,將縣域內(nèi)主干河流、道路作為自然、人工疏通廊道設(shè)計納入拜城縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系建設(shè)當(dāng)中,雖有一定的可操作性,但對其具體建設(shè)方案、應(yīng)發(fā)揮功能未進行分類設(shè)計和詳細(xì)探討,對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系及網(wǎng)絡(luò)韌性的研究不夠深入。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程是一個持續(xù)、動態(tài)的過程,在溫宿縣脆弱的生態(tài)環(huán)境條件下,生態(tài)要素的空間格局會隨著區(qū)域經(jīng)濟社會的發(fā)展和人類活動影響而產(chǎn)生一定程度的變動,對未來生態(tài)安全布局優(yōu)化發(fā)展的策略也會因土地政策和環(huán)境變化而有所偏差。在今后的研究中,生態(tài)安全格局建設(shè)應(yīng)與國土空間開發(fā)利用、規(guī)劃與管控進一步結(jié)合,依據(jù)國土空間生態(tài)安全格局建設(shè)要求,進行縣域生態(tài)分區(qū)發(fā)展建設(shè),過程中需充分考慮現(xiàn)有的生態(tài)“源”地能否滿足維護區(qū)域生態(tài)安全和建設(shè)的需求,以及“源”地保護修復(fù)措施、新增“源”地的面積閾值、生態(tài)廊道長度、寬度和生態(tài)廊道建設(shè)與本地關(guān)鍵物種保護精確銜接等核心問題。同時也應(yīng)注重廊道沿線綠化建設(shè),以提高其損害防護能力、維護和增強生態(tài)廊道通道功能,使之成為更穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)組分。針對當(dāng)前溫宿縣荒漠面積大,荒漠化程度高,生態(tài)建設(shè)和生態(tài)保護以工程性修復(fù)為主,缺乏對生態(tài)要素統(tǒng)籌布局的建設(shè)方式,不利于生態(tài)系統(tǒng)整體功能的有效發(fā)揮,本文在縣域生態(tài)安全格局優(yōu)化策略中,嘗試將“山、水、林、田、湖、草”生命共同體理念引入優(yōu)化策略當(dāng)中,但“山、水、林、田、湖、草”作為溫宿縣生態(tài)環(huán)境的重要組份,如何統(tǒng)籌各要素的系統(tǒng)功能,協(xié)調(diào)彼此之間相互聯(lián)系,相互影響的作用關(guān)系?如何以國土空間規(guī)劃為引領(lǐng),在生態(tài)安全格局構(gòu)建過程中通過點、線、面等不同生態(tài)要素的多尺度流通和擴散,形成由點及片、由片及面的區(qū)域生態(tài)要素生命共同體?如何有效連接區(qū)域生態(tài)用地與非生態(tài)用地,促進生態(tài)發(fā)展與鄉(xiāng)村、城市等人類社會的耦合協(xié)作關(guān)系,將人與生態(tài)要素構(gòu)建為密切聯(lián)系、互惠互益的“人-自然-社會”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)等一系列問題,應(yīng)是當(dāng)前相關(guān)研究所關(guān)注的重點內(nèi)容。下一步研究應(yīng)密切關(guān)注區(qū)域生態(tài)要素的動態(tài)發(fā)展變化,持續(xù)加強對生態(tài)系統(tǒng)不同組分結(jié)構(gòu)、功能的深入分析,以“山、水、林、田、湖、草、沙”生命共同體理念為引導(dǎo),統(tǒng)籌區(qū)域國土空間開發(fā)、經(jīng)濟發(fā)展與人文環(huán)境,提高區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)的科學(xué)性和前瞻性,以合理發(fā)揮不同生態(tài)要素功能和效益,促進區(qū)域生態(tài)安全和社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。