基于GIS的金昌市生態功能區劃分及發展對策

趙萬奎，張曉慶，陳智平，程小云，雒劍波

（甘肅省林業調查規劃院，甘肅 蘭州 730020）

生態功能區劃是根據環境要素、生態環境敏感性與生態服務功能空間分異規律而進行的地理空間分區。生態功能區劃反映出生態系統的空間異質性，是區域生態規劃和可持續發展規劃的前提和基礎[1-5]，對區域資源開發利用、生態環境建設、生態安全屏障等都具有重要的意義[6]。隨著地理信息系統的快速發展及在林業和生態建設中的廣泛應用，生態功能區劃將更精確、科學和合理，通過對土地利用現狀和資源環境要素等空間數據的加權疊加分析，可進一步增強生態功能區劃的科學性、目的性和現實性[7]。許多學者在生態功能區劃理論、生態功能區劃實證研究等方面做了大量工作，為生態功能分區相關研究提供了參考。例如，許月卿等[6]根據張家口市地形地貌、土地利用類型、生態環境要素等數據，應用GIS技術，采用自上而下的方法劃分了全市土地生態功能分區；許心倩[8]對泰安市的生態環境現狀、生態環境敏感性、生態系統服務功能的重要性的相似性和差異性等進行評價，并形成一系列相同比例尺的評價圖，爾后利用GIS軟件采用空間疊置法、相關分析法等方法，按生態功能區劃的等級體系，對區域進行生態功能區劃研究；趙振芳等[9]對全國生態功能區發展現狀及可持續發展面臨的問題做了探討。

金昌市是“絲綢之路經濟帶”和河西走廊的重要節點城市，屬于工業城市，自然生態環境基礎脆弱，生態區位非常重要。但長期以來，由于特定的自然環境和人類不合理的開發利用，土地荒漠化和沙化、土地污染等生態問題日益突出，區域社會經濟難以實現可持續發展，人居生態環境也在持續惡化[10]。截止目前，學者們對金昌市生態功能分區方面的相關研究相對較少，已有研究也僅是人為定性的將金昌市劃分為北部風沙前沿沙區、東西河半農半牧區、南部祁連山生態工程建設區、市區園林化建設區4個生態建設區[11]，并沒有采用定量的方法進行分析研究。為此，綜合考慮該區域的自然環境條件，在對土壤侵蝕敏感性、水源涵養重要性的空間分布特征進行分析的基礎上，采用定性與定量相結合的方法，對該區域的土地生態功能區進行劃分，為區域生態環境管理與規劃、生態環境建設提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省金昌市，地理位置為101°04'-102°43' E，37°47'-39°00' N，地處甘肅省河西走廊東段，祁連山北麓，阿拉善臺地南緣，全境東西長144.78 km，南北寬134.6 km。海拔1 500～4 442 m，地貌以山地、平原為主，從北至南依次為北部荒漠平原、綠洲平原、中部剝蝕山地和南部山地，由東到西依次為戈壁、綠洲和大漠。由于地形復雜，境內地域性氣候差異明顯，從西南到東北，海拔逐漸降低，降水減少，光照逐漸增強，氣溫升高[12]。年平均氣溫9.3 ℃，年均降水量141～352 mm，年均蒸發量2 000 mm左右，無霜期98～144d，屬大陸性溫帶干旱氣候[13]。金昌市境內植被種類具有明顯的地帶性分布規律，依據2017年林地變更數據統計，全市現有林地面積達到24.03萬hm2，森林覆蓋率24.25%，森林蓄積量131.45萬m3。

1.2 研究方法

本研究通過土壤侵蝕敏感性差異評價區域生態環境敏感性，水源涵養重要性差異評價生態服務功能。在地理信息系統軟件ArcGIS環境下對空間數據的地類、坡度、植被覆蓋度、降水量、地貌等屬性因子進行了預處理。通過地貌、土壤、植被等單因子屬性的疊加生成新的屬性，并按照一定的評價指標分級，分別生成土壤侵蝕敏感性、水源涵養重要性圖層；然后對所得到的圖層在ArcGIS軟件下利用多層面疊加的功能，以主導因素區劃界線為底圖模板，疊置其他非主導因素區劃界線，得到生態功能分區圖[14]。

1.2.1 數據來源

以遙感數據為主要數據源，輔以地形坡度、植被覆蓋度、土地利用、降水等相關資料對研究區域進行分析。遙感影像采用林業部門提供的時相為2017年7月份的資源3號、高分2號衛星影像數據。根據金昌市的DEM數據提取坡度值，降水量采用金昌氣象部門監測的多年平均值，區域行政界線、土地利用類型、地貌類型、植被覆蓋度從林業部門調查的2017年林地變更矢量數據中提取。使用ArcGIS和Erdas軟件對以上數據進行處理。

1.2.2 區劃原則

結合自然資源保護和可持續發展的思想，以景觀生態學理論為指導，借鑒李曉兵、王傳輝等相關研究成果[15-24]，主要遵循以下區劃原則：1)主導因素分異的原則；2)區域尺度相關的原則；3)區域共軛性原則；4)堅持區位相似并保持一定行政區完整性原則；5)綜合性原則。在進行生態功能分區時，合理區劃各生態功能區范圍及面積，既不能過大，也不能太小，同時也要跟甘肅省、全國主體功能區相銜接。

2 結果與分析

2.1 土壤侵蝕敏感性評價

金昌市土壤侵蝕敏感性評價采用土壤侵蝕方程進行評價，土壤侵蝕受地形地貌、降水、植被及土壤質地等因素影響，考慮到當地實際及數據的易獲取性，區域土壤侵蝕的敏感性選擇坡度、植被覆蓋度、年降水量3個因素來評價。坡度、植被覆蓋度等因子的分級標準主要是結合當地實際情況，并參考相關學者論文進行分級[14]。因子權重主要根據各因子對土壤侵蝕敏感性影響的重要性確定。分級與賦值標準如表1所列。

表 1 土壤侵蝕敏感性影響分級Table 1 Classification of soil erosion sensitivity

通過實測與資料收集，選擇典型的點進行賦值，再利用土壤侵蝕敏感性指數計算公式，計算出空間單位單元土壤侵蝕敏感性指數。綜合評價計算公式如下[25]：

式中：SSj為j空間單元土壤侵蝕敏感性指數，Si為i因素敏感性等級值，i為第i個評價因子。按照表1的分級標準，應用ArcGIS對土壤坡度、植被覆蓋度、降水量分級賦值，得到單個因子相對土壤侵蝕敏感性的分布圖；再將上述3個單因子分布圖進行疊加和空間合成，得到敏感性指數；確定各空間單元的敏感度級別，最終生成金昌市土壤侵蝕敏感性評價圖(圖1)。

2.2 水源涵養重要性評價

根據金昌市特征，考慮評價指標的數據的可獲取性，選擇地貌、年降水量、地表覆蓋度狀況作為評價指標。年降水量指標數據來源于氣象部門監測的數據，植被覆蓋度是將所提取的土地利用類型圖按照表的分級標準進行分類并賦值(表2)，金昌市的地貌類型分為平原和山地，山地根據海拔高度分為中山和低山。年降水量、植被覆蓋度的分級標準與土壤侵蝕敏感性評價中的一致。分別生成年降水量、地貌、植被覆蓋度對水源涵養重要性影響等級分布圖。

利用ArcGIS中的空間分析疊加功能，將金昌市上述3個單因子分布圖進行疊加，利用加權綜合指數公式：

式中：CCj為j空間單元水源涵養重要性指數，Ci為i因素重要性等級值，i為第i個評價因子。計算出空間單元的水源涵養重要性綜合指數，然后根據表中的分級標準得到金昌市水源涵養重要性評價圖(圖2)。

2.3 生態功能區劃分

將土壤侵蝕敏感性、水源涵養重要性分級圖疊加，同時結合研究區域的土地利用類型、行政界線等方面因素，得到生態功能分區圖。金昌市的土地劃分為5個生態功能區：西南部山區林草水源涵養生態屏障區(Ⅰ)、走廊綠洲循環經濟生態發展區(Ⅱ)、中部淺山丘陵旱生植被恢復區(Ⅲ)、北部戈壁生態建設區(Ⅳ)、北部戈壁生態保護區(Ⅴ) (圖3)。

圖 1 金昌市土壤侵蝕敏感性評價圖Figure 1 Evaluation map of soil erosion sensitivity in Jinchang City

表 2 水源涵養重要性評價指標及分級標準Table 2 Evaluation index and classification standard of importance of water conservation

2.4 各生態功能區特點及發展對策

2.4.1 Ⅰ-西南部山區林草水源涵養生態屏障區

該區包括永昌縣的東大河自然保護站、大黃山保護站以及花草灘林場的大部分地區，總面積166 300.7 hm2，占全市土地總面積的22.11%。該區為金昌市主要的林草植被覆蓋區，尤其是祁連山東大河保護站分布有天然森林、高山草甸，植被覆蓋率達75%，不僅是內陸地區重要的生態安全屏障，而且是金昌市重要的水源涵養區，生態地位非常重要[26]。

該區的發展重點是在嚴格保護好現有林草植被的基礎上，采取自然和人工修復相結合的措施，提高森林質量，增強森林生態系統的水源涵養能力和生態系統的穩定性；針對草地退化問題，實施草地的休牧、禁牧。該區內的東大河保護站所管護的大部分林草資源已劃入祁連山國家公園，今后要按國家公園建設的有關要求實行更加嚴格的保護和管理。

圖 2 金昌市水源涵養重要性評價圖Figure 2 Evaluation map of importance of water conservation in Jinchang City

圖 3 金昌市生態功能分區圖Figure 3 Partition map of Eco-functional areas of Jinchang City

2.4.2 Ⅱ-走廊綠洲循環經濟生態發展區

該區包括永昌縣紅山窯鎮、城關鎮、六壩鄉、水源鎮和朱王堡鎮南部的喇叭泉林場，以及金川區的金昌市區、八一農場、寧遠鎮、雙灣鎮和黑水墩林場，總面積270 966.5 hm2，占全市土地總面積的36.03%。該功能區是工農業生產和人們活動的集中地，也是綠洲灌溉區。建設重點是控制污染物排放，加強生態工業園區建設，發展生態經濟產業，將種植業與養殖業相結合，減少農村面源污染；完善農田灌溉水利設施，發展節水、高效及集約型可持續草地農業和特色農業，建設農業生態示范區，促進農業資源的可持續利用；發揮土地資源豐富的優勢，重點加強農田防護林更新換代和改造，提高森林植被覆蓋率，擴大林業資源，繼續維持比較脆弱的生態系統。

2.4.3 Ⅲ-中部淺山丘陵旱生植被恢復區

該區包括永昌縣境內朱王堡鎮北部、水源鎮北部以及金川區的區公共用地、寧遠堡鎮地區，總面積165 109.41 hm2，占全市土地總面積的21.96%。該區內有大面積的荒漠灌叢植被，屬于國家重點公益林區，應該要加大封禁保護；對一些沙化土地要實施退耕還牧，加快栽培草地建設，改良退化草地，輪封輪牧，播種針茅、羊草等抗旱優質牧草，恢復退化草地；同時結合人工林場、草地建設，營造耐旱耐寒灌木林帶，緩解土壤荒漠化問題。

2.4.4 Ⅳ-北部戈壁生態建設區

該區包括金川區的西灘一(二、三)分站、綠色長廊站、賈灘分站等地區，總面積89 059.17 hm2，占全市土地總面積的11.84%。該地區屬干旱荒漠區，以沙地和戈壁地貌為主，植被稀少，風沙嚴重，土壤鹽堿化嚴重。該區是金昌市區和整個區域的北部生態屏障之一，承載著防風阻沙、保護農田和城市生態安全的重要功能。建設重點是通過在沙漠邊緣區實行封灘育林育草，提高林草覆蓋度，控制沙漠南移，同時在綠洲外圍地帶營造喬、灌、草相結合的防風固沙林帶，增強綠洲生態系統的穩定性。

2.4.5 Ⅴ-北部戈壁生態保護區

該區在金昌市的最北部，芨芨泉省級自然保護區處于該區，總面積60 572.09 hm2，占全市土地總面積的8.05%。該區灌草植被相對較好，也是金川區國家級公益林分布區。因此該區的重點是實行封灘育林育草，保護好現有沙生植被，提高林草覆蓋度，控制沙漠南移。

3 討論與結論

地形地貌、降水、植被及土壤質地等是影響土壤侵蝕敏感性的主要因子。由于地形地貌和土壤質地隨著季節變化基本不會變化，但是降水因子與植被因子隨季節變化明顯，為了更加準確地計算土壤侵蝕程度，李大龍等[25]在計算土壤侵蝕程度時，選取降水、土壤、坡度以及植被覆蓋4個因子作為土壤侵蝕敏感性評價指標，同時考慮了降水影響因子的時間變化情況。本研究在進行金昌土壤侵蝕敏感性侵蝕時，結合區域的實際，選取坡度、植被覆蓋度、降水量3個因子，因區域降水量少，且相對集中在夏秋季，因此選取年均降水量。生態服務功能重要性一般從區域生物多樣性、水源涵養重要性等方面進行綜合評價，因金昌市的生物多樣性與水源涵養重要性區域基本吻合，且該2個評價指標出現重復現象，因此，本研究僅選擇水源涵養重要性進行生態服務功能重要性評價。

本研究在對金昌市土壤侵蝕敏感性、水源涵養重要性的空間分異數據進行定量疊加分析的基礎上，結合該區域的土地利用類型、行政界線等定性分析，提出了全市的生態功能區劃方案，并根據各區特點，提出了相應的發展對策。通過研究，將金昌市的土地劃分為5個生態功能區，分別為西南部山區林草水源涵養生態屏障區(Ⅰ)、走廊綠洲循環經濟生態發展區(Ⅱ)、中部淺山丘陵旱生植被恢復區(Ⅲ)、北部戈壁生態建設區(Ⅳ)、北部戈壁生態保護區(Ⅴ)，其中Ⅰ區、Ⅲ區、Ⅴ區為林草植被較好的區域，也是金昌市國家級公益林重點分布區，生態建設重點以保護現有林草植被為主；Ⅱ區、Ⅳ區為工、農、牧交錯分布區，是走廊綠洲區，也是未來生態建設的主戰場。由于金昌市年降水量少，水資源是制約生態環境建設的關鍵因素。因此，生態建設中要充分考慮水資源平衡，樹種選擇上，盡量選擇耐旱的樹種，在發展循環經濟和生態農業的基礎上，在綠洲邊緣地區營造喬、灌、草相結合的防風固沙林，增強綠洲系統的穩定性，擴大林草面積，實現區域的可持續發展。生態功能區的劃定將為區域生態保護與生態建設提供重要的參考依據。