黄河流域内蒙古段生态安全格局优化研究*

冯琰玮，甄江红

（内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022）

0 引言

流域生态系统是以流域为空间单元组织起来的“地貌—水文—生态—人文”复合系统[1]。全国流域开发长期忽视生态系统提供生态服务的作用，导致生态功能退化[2,3]。黄河流域是中国重要的生态屏障与经济发展带，其生态保护与高质量发展已上升为国家战略。黄河流域内蒙古段是内蒙古高原生态屏障的重要组成部分，“表象在黄河，根子在流域”揭示了黄河流域生态保护的复杂性与综合性。该流域人地矛盾主要表现在：①自然灾害相互交织，凌汛期较长易诱发次生灾害[4]；②农牧分界犬牙交错，生态系统内部结构不稳定。生态问题包括：①水土流失：植被覆盖偏低，水沙关系失调，大量泥沙入黄[5]；②土地沙化：流域内植被退化、草原沙化较为严重；③盐渍化：前、后套平原灌排矛盾突出，水盐关系失衡。因此亟需划定流域生态保护红线，构建优化生态安全格局，这也是强化国土空间管控、推动绿色高质量发展的根本举措[6,7]。此外，受黄河冲积所形成的前、后套平原是中国北方重要的商品粮基地，维护流域农业、城镇、生态发展平衡亦是流域可持续发展的关键。目前，黄河流域内蒙古段的生态研究多围绕生态水文退化和恢复机制等角度展开，宏观尺度下的生态空间优化研究还鲜见纸端。区域国土空间规划已经确立黄河“几”字湾的保护重点，但缺乏实证研究支撑。

生态保护红线是在生态空间范围内具有特殊重要生态服务功能、必须强制性严格保护的区域，通常包括具有重要水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性维护等生态服务功能重要区域以及水土流失、土地沙化、盐渍化等生态敏感区域[8]。有关生态保护红线的研究基本形成“定性—定量—定策”的框架体系。从流域尺度划定生态保护红线已成为现行国土空间规划研究的热点[9]。区域生态安全格局是各类景观要素、空间位置及其相互联系构成的空间格局。生态安全格局旨在识别结构完整、功能完备的关键用地基础上，再对生态空间进行科学布局。生态保护红线作为最严格的生态保护空间，对维护和控制区域生态过程意义匪浅，生态保护红线可作为重要生态用地的识别工具[10,11]。作为生态治理的有效手段[12,13]，生态安全格局研究多基于生态功能评价[14]、景观连通度[15]展开，研究区集中在城市群[16]、长江经济带[17]等区域，建模常见成本阻力模型[18]、系统动力学模型等，或基于遥感技术构建生态安全格局[19]。然而，已有研究成果对流域等综合自然系统关注较少。有关黄河流域内蒙古段的研究多集中在流域水热组合变化、物候提取、水质评价等方面[20]，涉及生态保护红线与生态安全格局的研究较为少见。黄河沿岸既是社会生产生活的天然载体（河套灌区），也是防治泥沙、污染入黄的重要防线。划定生态保护红线、优化生态安全格局是支撑黄河可持续发展的关键，对黄河沿岸的资源利用与保护具有重要意义。

各类干扰活动所致的土地利用变化对流域生境质量产生了怎样的影响？如何突出生态保护红线的作用？如何因地制宜确立用地安全格局？如何指导农业生产实践？按照“山水林田湖草”综合治理的思维，有必要摸清黄河流域的生境本底，再整合各地理要素，优化生态空间。文章基于“基质—斑块—廊道”的研究范式，通过评价生态系统服务功能重要性与生态敏感性划定流域生态保护红线，识别重要斑块（生态源地）；基于自然资源本底条件建立生态源地扩展阻力指标体系，结合“三生用地”构建安全格局小区作为生态规划基质；提取生态廊道及生态战略点，优化生态空间，以期为黄河流域内蒙古段生态建设及农牧业高质量发展建言献策。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

黄河流域内蒙古段位于内蒙古自治区中西部，流域涉及内蒙古乌海市西部、阿拉善盟东部、鄂尔多斯市北部、巴彦淖尔市南部、包头市南部及呼和浩特市西南部，面积约22.13万km2（图1）。其气候以温带大陆性气候为主，年均降雨量介于120～450 mm，年均气温约6.6℃。流域自然景观自西向东呈荒漠、荒漠草原的过渡特征。其地形以高平原为主，海拔介于718～3 526 m，主要山脉包括中部的阴山山脉以及西南部的贺兰山，前、后套平原受黄河冲积而成。黄河自南向北围绕鄂尔多斯高原构成形如马蹄形的“几”字湾景观，这也使鄂尔多斯高原西侧有凌汛现象。研究区境内黄河干流全长约830 km，结冰期较长，水沙关系长期不协调。以黄河流域内蒙古段为研究区，对探讨生态脆弱区流域生态安全格局优化具有一定的代表性和典型性。

图1 黄河流域内蒙古段区域概况

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

1990年、2000年、2010年和2018年土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。多年净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）根据CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型获取，数据来源于MODIS-NDVI数据产品，采用最大合成法得到各期NPP数据。气象数据来源于中国气象数据网提供的内蒙古各气象站点逐年观测数据。土壤数据采用基于世界土壤数据库的中国土壤数据库及中国1∶100万土壤数据库，数据来源于寒区旱区科学数据中心。地下水文数据来源于内蒙古自治区水文信息网。数字高程、行政边界、植被类型等数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心。

1.2.2 生境质量本底计算方法

生境质量即生态环境为生物生存提供适宜条件的能力[21]。生境质量的优劣程度与区域生态服务能力的大小直接相关，应用InVEST模型对生境质量进行评价的成果颇丰[22]。与传统物种调查法、综合指数评价法相较，InVEST模型具有可操作性、客观性、多层次的优势，可以对生境质量的变化进行快速评价。采用InVEST模型中的Habitat Quality模块计算研究区各时期的生境质量，计算过程包括对生境退化度和生境适宜度的计算。研究区共涉及6个一级地类21个二级地类，将林地、草地、水体定义为生境，建设用地、耕地、道路定义为威胁源，具体计算方式为：

现如今，市场竞争激烈，为了提高建筑企业的市场竞争力就要求建筑企业在保证工程质量的同时也要做好工程施工的成本管理。房屋工程施工的成本管理是一项系统化的工作，并且渗透到了建筑施工的各个方面，主要是通过施工前要对施工中产生的费用进行预算，并根据实际情况进行调整，编制计划，最终进行核算等。这样做既能增强市场竞争力，还能够有效的控制成本，从而大大提高建筑企业的经济效益和社会效益。因此，做好房屋建筑工程施工的成本管理是建筑企业的重要手段，建筑企业不仅要充分认识到成本管理的重要性，而且还要学会合理的掌控，只有这样才能够使得企业立于不败之地，长远的发展下去。

式（1）中，Qxj为生境质量，Hj为生境适宜度；k为半饱和常数；z为归一化常量，一般取值为2.5；Dxj为生境退化度；ry、δr分别是威胁源R所在位置的干扰程度与权重；λx、Sjr分别是生境的抗干扰能力及敏感程度；Yr是威胁源的栅格数量；dxy、drmax分别是威胁源与生境的欧氏距离及最大干扰半径；调整参数运行模型，分析生境质量的时空演变特征。为便于分级，对各期生境质量评价结果进行极差标准化后，采用等间距分级法以0.2、0.4、0.6、0.8为界将生境质量分为低、较低、中、较高、高5个等级。

1.2.3 生态保护红线划定方法

生态保护红线划定方法借鉴《生态保护红线划定技术指南》（简称《指南》），生态保护红线的划定需要对区域生态系统服务功能重要性及生态敏感性进行评估（表1）。生态系统服务功能重要性旨在通过评估区域生态系统服务功能以识别重要的生态功能区。生态系统服务功能是指生态系统及其生态过程所形成的有利于生物生存与发展的生态环境条件与效用，其评价主要包括对水源涵养、水土保持、防风固沙及生物多样性等功能的评价。生态敏感性评价旨在对生态系统稳定性差、易受外界活动干扰而导致生态退化且难以自我修复的区域加以识别[23]。生态系统服务功能重要性评估方法包括模型评估法及NPP评估法，为便于计算，选择NPP评估法作为生态系统服务功能重要性的计算方法，各二级评价因子的计算公式均参照《指南》。生态敏感性二级评价因子的计算公式则参照《生态服务功能区划暂行规程》。在栅格计算器内对各生态系统服务功能重要性因子图层执行Int命令操作，按各图层累积生态服务值占总服务值比重的80%与50%为间断点进行重分类，将生态系统服务功能重要性分为一般重要、重要和极重要3个等级；按照自然断裂法将生态敏感性评价结果分为不敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感和极敏感5个等级。聚合生态服务功能极重要区及生态极敏感区；叠加自然保护区、一级水源地等禁止开发区域，对边界加以校正后得到生态保护红线分布。

表1 生态保护红线计算方法

1.2.4 生态安全格局的构建优化方法

（1）生态源地扩展阻力指标体系的构建。生态源地扩展“源”是生态源地扩展的基础，将生态保护红线与实际生态用地做相交分析，聚合得到生态源地的空间分布。一般情况下，地形越复杂、生态服务价值水平越高、植被覆盖越密集、距水系距离越近、土壤侵蚀程度越轻就越利于生态用地扩展。基于自然资源本底条件构建生态源地扩展阻力指标体系，包括地形条件、生态服务价值、自然植被、土地利用、土壤条件、水系分布等9项相关阻力因子，按自然断裂法将各阻力因子从小到大依次赋值为1、3、5、7、9（表2）。

表2 黄河流域内蒙古段生态源地扩展阻力评价指标体系

（2）生态安全格局的构建方法。最小累积阻力面模型（Minimal Cumulative Resistance,MCR）广泛应用于景观生态学涉及物种扩散的研究。采用修正的MCR模型[24,25]计算生态源地扩展阻力面，计算方式为：

式（2）中，MCR表示源扩展到某景观处的最小累积阻力值；Dij表示生态源i到景观j的空间距离；Ri表示源i在扩展过程中所受到的阻力值大小，即累积阻力成本。采用自然断裂法对生成的最小累积阻力进行分级，将结果自低值向高值分为“生态保育区”“生态缓冲区”“生态保留区”及“生态防控区”4类，分别与“三生用地”相叠加。“三生用地”是指生态、生产与生活用地类型，生态用地以林地、草地、水体及未利用地为主，生产用地以耕地及工矿用地为主，生活用地以城镇用地及农村居民点为主。

式（3）中，Gab是斑块a与b的相互作用力指数；φa是斑块a的权重值，为便于计算，阻力权重赋值将参照1.2.2中生境质量的计算结果；Ra是斑块a的阻力值；Sa是斑块a的面积；Lab是斑块a与b之间廊道的累积阻力值，Lmax是所有廊道累积阻力的最大值。

2 研究结果

2.1 生境基底条件

基于式（1）生成各时期生境质量的空间分布，其结果如图2所示，生境质量的分级结果如图3所示。根据各时期生境质量的计算结果，其栅格均值分别为0.144、0.141、0.133、0.140，生境质量在经历大幅下降后又有所回升，但仍处于较低水平。从分级结果来看，生境质量演变特征表现为低水平生境面积不断扩大，高水平生境范围有所萎缩。低水平生境主要分布在阿拉善高原及鄂尔多斯高原西北部，沙漠、沙地是低水平生境的集聚区，支流周遭地区生境质量整体偏低；高水平生境主要分布在流域东部及东南部，其空间分布较为破碎，阴山及阴山北麓、鄂尔多斯荒漠草原是高水平生境的主要集聚区，但其内部结构较为松散，极易受人类活动干扰，故需提高低等级生境质量，稳固高等级生境质量。具体来看，低等级生境占比始终保持领先位置，由1990年的36.29%上升到2018年的37.58%；较低等级生境空间占比也有所提高，由1990年的21.67%增加至2018年的22.13%；中等级生境占比有所下降，由1990年的34.98%下降至2018年的33.36%；较高等级及高等级生境占比则由1990年的7.06%下降至2018年的6.93%，生态安全格局亟需优化。生境质量的分级评价结果可为生态空间优化奠定基础。

图2 1990—2018年研究区生境质量演变

图3 1990—2018年研究区生境质量演变分级

2.2 生态保护红线划定结果

2.2.1 生态系统服务功能重要性评价结果

根据生态系统服务功能重要性评价结果（图4a～d），水源涵养、生物多样性维护重要性空间分布呈“西低东高”的过渡特征，其高值主要分布在前套平原地带。低值主要分布在阿拉善高原，年均降水量仅为80～220 mm，人均水资源占有量极低，生物多样性水平亦偏低。水土保持重要性空间分布高值主要分布在后套平原及黄土高原丘陵地带。防风固沙重要性高值主要分布山地、荒漠草原带，这也说明山地、草原防风固沙的生态优势。整体来看，各因子生态服务高值主要分布在山地、草原带，低值主要分布在阿拉善高原地带，维护生态系统的结构与功能稳定成为关键。划定生态服务功能极重要区和重要区（图4e），结果显示生态服务功能极重要区面积为7.7万km2，占研究区总面积的34.79%；生态服务功能重要区面积为11.8万km2，占研究区总面积的52.32%。

图4 研究区生态系统服务功能重要性评估

2.2.2 生态敏感性评价及生态保护红线划定

根据生态敏感性评价结果（图5a～c），研究区水土流失敏感程度占比不大，空间分布地带性特征明显，高值主要分布在阴山、贺兰山及黄土高原丘陵带。植被覆盖率的偏低及风沙侵蚀的加剧使得土地沙化程度有所提高。除河套平原外，土地沙化中度敏感以上区域超过79%，开荒、过度放牧及水资源的不合理利用使得土地沙化敏感程度加深。其中，阿拉善左旗土地沙化中等敏感以上区域超过90%，该地亟需生态治理。盐渍化极敏感区域占比为19%，其余敏感区域分布较为分散。叠加各敏感性评价因子的高敏感区及极敏感区（图5d），结果显示生态极敏感区面积为6.9万km2，占研究区总面积的31.18%；生态高敏感区面积为4.9万km2，占研究区总面积的22.14%。生态服务功能价值的长期偏低以及生态敏感性的日益加剧使得国土空间优化尤为紧迫。研究区禁止开发区域主要包括自然保护区及一级水源地，面积共1.1万km2。聚合生态服务功能极重要区和生态极敏感区，得到生态保护红线识别范围。叠加禁止开发区域，剔除基本农田和建设用地（图5e），最终得到生态保护红线的空间分布（图5f）。结果显示研究区生态保护红线面积共10.7万km2，占研究区总面积的48.35%。生态保护红线反映了流域生态保护空间的分布特征，为开展国土空间优化奠定基础。

图5 研究区生态敏感性评估及生态保护红线划定

2.3 生态安全格局的构建优化结果

2.3.1 生态安全格局的构建结果

生态空间是生物维持自身生存与繁衍所必须的基础条件，立足生态空间，构建流域生态安全格局以指导土地合理利用是推动流域可持续发展的关键。聚合后的生态源地斑块共9个，面积为4.5万km2，约占研究区总面积的20%。根据式（2）生成最小累积阻力面，采用自然断裂法分级后与“三生用地”相互叠加，结果如图6所示。结果显示生态防控区生态用地面积占比最高，达到42.63%，主要分布在沙漠、沙地地区。生态缓冲区生态用地占比为21.73%，主要分布在阴山北麓及鄂托克荒漠草原带，植被类型为温带丛生矮禾草。为防治草原退化，应减少草原开垦和超载放牧，并对退化草地进行综合治理。各类生产用地占比为9.95%，主要分布在河套平原。河套平原是西北地区重要的商品粮基地，应发展现代灌溉农业，合理调控灌排水量。对于生态保留区和生态防控区的耕地应适度施行退耕还林还草政策。生态保留区生态用地占比为13.61%，主要分布在草原边缘地带，植被类型为矮半灌木，可进行围栏封育和松土改良，发挥草原生态系统涵养水源、防风治沙功能。生态保育区生态用地主要分布在阴山、贺兰山及黄土高原水土保持带，可合理扩大植树造林面积。生活用地主要分布在河套平原，对生态防控区的居民可鼓励生态移民。

图6 研究区生态安全格局用地分布

2.3.2 生态安全格局的优化结果

“几”字湾内侧重要生态斑块主要分布在鄂尔多斯荒漠草原，该地生境质量亟需提高。根据式（3），设置鄂尔多斯荒漠草原生态源地的阻力权重高于其他源地。每个源地与其他源地之间都有累积阻力通道，即两个源地间存在两条廊道，由于各源地扩展系数有异，两个源地间只有一条廊道是阻力最小通道。运用成本路径工具提取潜在生态廊道进行分级，根据统计结果，研究区潜在生态廊道共45条，总长度为4648.3 km，其中一级生态廊道9条，长度为957.1 km，占总长度的21%。为加强各源地间的连通度，引入道路、河流两类重要廊道（图7a）。

图7 研究区生态安全格局优化

对3类廊道用途及作用的说明：①生态廊道：形式为林草廊道。沙漠、沙地中的廊道为固沙植被带。②道路廊道：形式为道路绿化带。该廊道主要由包兰铁路、临策铁路（临河—策克口岸）、G6、G7高速公路等重要交通要道组成。③河流廊道：主要由浑河、纳林河、乌兰木伦河、都思兔河等黄河支流、河漫滩和部分岸边高地组成。河岸的植被可调节水和物质从周围土地向河流的输运，若黄河沿岸的山地丘陵带有较大宽度的植被带，不仅利好于水土保持，还可控制泥沙入黄。此外，研究区共识别31个生态战略点，生态源点和生态战略点共同组成生态绿心。提取生态安全格局中的生态保育区及生态防控区作为生态空间规划基质，组合各地理要素提出“一楔两屏三带四区多中心”的生态规划建议（图7b）。“一楔”指黄河各楔形水系；“两屏”指贺兰山、阴山自然保护区组成的天然生态屏障；“三带”指各生态廊道搭建起的“伞形”生态防护带（伞形顶端为阴山北麓荒漠草原区、贺兰山、黄土高原水土保持区）；“四区”指沙漠防治区、沙地防治区、荒漠草原防风固沙区、黄土高原水土保持区。沙漠防治区指腾格里沙漠；沙地防治区指毛乌素沙地；荒漠草原防风固沙区包括阴山北麓荒漠草原区及鄂托克荒漠草原区；黄土高原水土保持区指准格尔旗黄土高原丘陵沟壑带。“多心”指40个生态绿心。

在确立流域生态安全格局的前提下，为构建绿色高效的农牧空间，结合流域各类用地实际，该文建议：①控制流域草原畜牧区载畜量，防治沙漠面积扩大、沙地沙化加剧以及黄土高原丘陵沟壑水土流失，科学执行草原禁牧政策，推进半舍饲养殖；②巩固流域农牧区产能优势，高效发展节水农业，提高农田灌溉水利用效率，培肥土壤，改良盐碱地，提高耕地质量，推行规模化生产与养殖；③加强永久基本农田建设，推进草原复合利用，提高农牧区人居环境质量，强化农牧空间管控。

3 结论与讨论

3.1 结论

该文以黄河流域内蒙古段为研究区，定量评价其生境本底，划定生态保护红线，构建优化生态安全格局，主要结论如下。

（1）1990—2018年研究区生境质量呈“U”形变化趋势，但生境质量水平整体偏低，其空间演变表现为低水平生境面积不断扩大，高水平生境范围不断萎缩。

（2）对研究区生态服务功能和生态敏感性进行分区，聚合结果显示生态保护红线面积共10.7万km2，占研究区总面积的48.35%，与实际生态用地的空间叠置率为69.01%，生态安全格局亟需重构。

（3）提取生态源地9个，最小累积阻力面分级后与“三生用地”相叠加，得到12个安全格局小区，因地制宜提出生态安全格局构建建议。识别一级生态廊道9条，生态绿心40个，提出“一楔两屏三带四区多中心”的生态规划建议。可在此基础上控制流域草原畜牧区载畜量，巩固流域农牧区产能优势，提高农牧区人居环境质量，强化农牧空间管控。

3.2 讨论

黄河流域内蒙古段是内蒙古经济发展的重要地带，也是重要的生态功能区。流域历史长期关注生产功能，忽视发挥其生态价值。目前，该流域综合治理的重点是水沙关系调节，加强贺兰山、阴山的生态屏障功能。该文整合黄河流域各地理要素，发挥河流、森林、草原等生态系统的资源禀赋，提出“一楔两屏三带四区多中心”的生态规划建议。该建议实质上是强调生态优先发展，对国土空间进行区域化管理[26,27]。最小累计阻力面分级与“三生用地”的组合旨在因地制宜提出生态高质量发展思路：①生态用地：开展生态保育工作。依据主体功能区划对禁止开发区进行严格限制，防治水土流失、土地沙化及盐渍化。②生活用地：城镇用地尽快划定刚性增长边界，制止圈地行为；各农牧居民点应着力改善人居环境，特别是牧区居民点应从规模结构、空间布局、产业发展等角度探索牧区人居环境优化策略与调控路径，构建草原人居环境建设模式。③生产用地：大力发展节水农业，积极开展矿山修复、适度退耕还林还草等生态治理工作。依据生态安全格局重要程度，“三生用地”与最小累计阻力面分级的空间组合更适宜生态环境差异化管控。

从以完整的流域或子流域等自然单元为研究区或以流域所包含的行政单元为研究区对比来看，以流域或子流域为研究区需考虑流域整体指向性，侧重于研究流域的自然生态跟经济战略功能等相关主题；以行政单元为研究区侧重围绕某种主题或区域特色，对区域内部某种局地特征进行研究。在近30年快速工业化和城镇化引发的蔓延式用地矛盾中，黄河流域内蒙古段经济发展和生态环境的矛盾日益尖锐。摸清黄流流域生境本底，构建优化生态安全格局，对黄河沿岸可持续发展具有重要意义。该文通过强调山脉的生态屏障作用，划分“三带四区”进行生态功能分区；强化生态廊道与生态绿心建设，维护流域生态要素流动与稳定，构建生态网络体系；突出生态保护红线的作用，共筑生境退化防线。诚然划定生态保护红线及构建生态安全格局的指标甄选侧重考虑自然因素，人文经济因素略显不足，不能为政策制定提供全面的科学依据。此外，现行流域生态保护红线的研究多集中在长江流域，涉及黄河流域的研究仅见对黄河上游水源补给区的定量规划或流域生态功能区划[28]。作为对流域生态空间格局建构优化的宏观指导，该文在理论上是对生态安全格局研究的延伸和补充，实践上可为黄河流域内蒙古段生态建设的相关政策制定提供参考。