基于RS和GIS的祁連山地區生態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 西北生態環境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省生態環境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730000；4.甘肅省有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100)

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

“生態保護紅線”這一概念是由國內學者提出的，他們分別在區域[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功能區和生態環境敏感區域，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空間或已喪失生態功能的區域劃入生態保護紅線的現象，造成了劃定后管理上的困難。為使生態保護紅線政策更好地落地，要充分銜接地方各級各類規劃，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，是我國高原生態安全屏障的重要組成部分，保障著全國特別是西北地區的生態安全，在維護整個河西陸地生態系統平衡及保障河西地區經濟社會和諧發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，祁連山地區冰川、雪線有所退縮，局部地區天然林草植被出現退化，水源涵養功能下降，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為研究對象，采用RS和GIS技術，開展研究區水源涵養、生物多樣性維護、水土保持、防風固沙四類生態系統服務功能重要性評價和水土流失、土地沙化兩類生態環境敏感性評價，定量分析祁連山地區生態系統服務功能重要性和生態環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、各類發展規劃，將生態功能極重要區、生態環境極敏感區及各類保護地劃入生態保護紅線，研究結果有利于構建區域生態安全格局、健全生態文明制度體系、推動綠色發展。

1 研究區概況

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(不含北部區塊)、肅南(不含北部區塊)、民樂、甘州、山丹、永昌、涼州、天祝、古浪、永登11縣(區)和中農發山丹馬場，所屬區域行政區劃國土面積11.07萬km2。祁連山地區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環境現狀調查數據庫，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年研究區各縣(區)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《生態保護紅線劃定技術指南》(環辦生態〔2017〕48號)[1]，按照定性與定量相結合的原則，識別祁連山地區的重點類型和重要區域，通過科學評估，合理劃定生態保護紅線。

2.2.1 生態功能重要區和生態環境敏感區評估

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

(1)生態功能重要區的確定。通過對生態系統服務功能進行重要性評價，將其中生態服務功能最重要的區域劃分為生態保護紅線區。具體包括水源涵養區、水土保持區、防風固沙區、生物多樣性維護區，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系統服務總值比例的50%與80%所對應的柵格值，作為生態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)生態敏感區的確定。通過對生態系統敏感性的評價結果進行分級，將其中極敏感區劃定為生態紅線區。祁連山地區生態敏感區主要是土地沙化、水土流失敏感區，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，將生態環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

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

D=A∪B∪C

其中：A為祁連山地區生態功能極重要區；B為祁連山地區生態環境極敏感區；C為各類保護地。

各類保護地是指依法設立的各類(級)自然資源保護區域，以及其他禁止進行工業化城鎮化開發、需要特殊保護的區域。祁連山地區各類保護地包括國家公園、自然保護區、風景名勝區、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功能區和生態環境敏感區一并劃入生態保護紅線范圍。

2.2.3 生態保護紅線邊界確定

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 軟件將生態功能極重要、生態環境極敏感區進行圖斑聚合處理，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，將生態保護紅線劃定與祁連山地區各類規劃、區劃空間邊界及土地利用現狀相銜接，綜合分析開發建設與生態保護的關系，結合經濟社會發展實際，合理確定開發與保護邊界，提高生態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，將無相應生態功能的區域調整出生態保護紅線區，最后形成邊界清晰、生態系統相對完整和易于管理的生態保護紅線范圍。

3 結果與分析

3.1 生態功能重要性分析

通過對祁連山地區水源涵養、水土保持、防風固沙、生物多樣性維護功能進行重要性評價，將極重要區進行空間疊加，得到祁連山地區生態功能極重要區面積約為6 449.35 km2，占祁連山地區國土面積的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，祁連山地區水源涵養功能極重要區面積約為4 319.63 km2，占祁連山地區國土面積的3.90%，主要分布在肅南縣中東部的楊哥、大都麻、大泉溝、馬營、鏵尖等鄉鎮，民樂縣南部的南豐、順化等鄉鎮，山丹縣南部的大馬營鎮、山丹馬場，以及天祝縣境內的毛藏寺、抓喜秀龍、炭山嶺等鄉鎮。這些地區多位于祁連山國家級自然保護區的緩沖區和核心區內，多分布有雪山、冰川，需要進行嚴格保護。祁連山地區生物多樣性維護功能極重要區面積約為5 637.44 km2，占祁連山地區國土面積的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、鏵尖等鄉鎮，民樂縣中南部的三堡、民聯、順化、永固、南豐等鄉鎮，山丹縣中南部的霍城鎮、大馬營鎮、山丹馬場，天祝縣的旦馬、祁連、毛藏寺、抓喜秀龍、天堂等鄉鎮，以及永登縣西北部的賽拉隆、東坪等鄉鎮。這些區域多位于祁連山國家級自然保護區的緩沖區和實驗區內，天然植被豐富、種類多樣，對于維護區域生物多樣性至關重要。祁連山地區防風固沙功能極重要區面積約為2 184.88 km2，占祁連山地區國土面積的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，對防止區域土地沙漠化起著重要作用。祁連山地區水土保持功能極重要區面積約為490.44 km2，占祁連山地區國土面積的0.44%，主要分布在古浪縣西南部的古豐、十八里堡等鄉鎮，天祝縣東部的西大灘鎮，山丹縣中部的大馬營等鄉鎮，以及阿克塞縣境內的當金山一帶。這些區域大多植被稀疏、溝壑縱橫，需要嚴格保護，免受人類活動干擾。

3.2 生態敏感性分析

通過對祁連山地區土地沙化、水土流失敏感性進行評價，將極敏感區進行空間疊加，得到祁連山地區生態極敏感區面積約為3 824.98 km2，占祁連山地區國土面積的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，祁連山地區水土流失極敏感區面積約為2 214.13 km2，占祁連山地區國土面積的2.00%，主要分布在祁連山地區肅南縣中西部的祁青、紅灣寺等鄉鎮，以及天祝縣西部的旦馬、祁連等鄉鎮。這些區域受人類活動擾動，極易引起水土流失，需要加強保護。祁連山地區土地沙化極敏感區面積約為1 613.25 km2，占祁連山地區國土面積的1.46%，主要分布在肅南縣西部的祁青鎮、甘州區北部的平山湖、肅北縣北部的黨城灣鎮，以及阿克塞縣境內。這些區域地表植被稀疏，地表受到擾動后，極易引起土地沙化，需嚴格保護。

3.3 生態保護紅線劃定結果

將生態功能極重要區、生態極敏感區、各類保護地疊加，扣除相互重疊區域面積，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、生態修復區和自然保護區核心區外的永久基本農田全部調出紅線區，再將國家公園核心區、生態修復區和自然保護區核心區、緩沖區外的現有建制鎮和連片分布的村莊、耕地、園地全部調出紅線區，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、甘肅鹽池灣國家級自然保護區未劃入祁連山國家公園實驗區的部分區域調出紅線區，最終確定祁連山地區生態保護紅線區總面積為44 401.38 km2，占祁連山地區國土總面積的40.11%。生態服務功能極重要區面積5 304.35 km2，占祁連山地區國土總面積的4.79%；生態環境極敏感區面積4 305.83 km2，占祁連山地區國土面積的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)，占祁連山地區紅線面積的95.80%。生態保護紅線主要圍繞祁連山自然保護區分布(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、濕地及濕地公園、地質公園、飲用水源保護區、水源涵養區、防風固沙區、水土流失敏感區。生態保護紅線類型以水源涵養為主，分屬祁連山北麓中東部山地針葉林水源涵養紅線和阿爾金山-西祁連山地水源涵養-防風固沙紅線。

圖1 祁連山地區生態保護紅線分布

3.4 紅線內土地利用狀況分析

對祁連山地區生態保護紅線范圍內2016年土地利用/覆蓋類型進行分析發現：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、天祝縣，草地主要分布在肅南縣、肅北縣、天祝縣和民樂縣，裸地主要分布在阿克塞縣和肅北縣北部區域，這幾類用地合計占紅線區總面積的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現，祁連山國家級自然保護區和鹽池灣國家級自然保護區的部分實驗區在自然保護區劃定之初由于技術手段等不完備、保護條件落后，誤將部分城鎮居民點、不具備或已喪失生態功能的區域等劃入了保護區內，因此在此次紅線劃定過程中，將這些區域全部調出了紅線范圍，實現了重要生態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居民點、建設用地等劃入紅線范圍，造成城鎮空間和生態空間的相互交織，不利于重要生態空間保護。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化調整，以提高劃定結果的可操作性。

5 結 論

(1)通過生態功能評價得知，祁連山地區生態功能極重要區面積約為6 449.35 km2，占祁連山地區國土面積的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，天祝縣，以及永登縣西北部；祁連山地區生態極敏感區面積約為3 824.98 km2，占祁連山地區國土面積的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生態保護紅線區域面積為44 401.38 km2，占祁連山地區國土總面積的40.11%。生態保護紅線區呈東南—西北連片狀分布，涵蓋了祁連山地區生態功能極重要區、生態環境極敏感區，以及各級各類保護地。生態保護紅線類型以水源涵養為主，分屬祁連山北麓中東部山地針葉林水源涵養紅線和阿爾金山-西祁連山地水源涵養-防風固沙紅線。

(3)生態保護紅線范圍內的草地、林地面積分別占到研究區總面積的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海拔以上的區域。