青海湖流域生態風險評價及生態功能分區研究

李惠梅，李榮杰，晏旭昇，武非非，高澤兵*，譚永忠

1.青海民族大學政治與公共管理學院，青海 西寧 810007；2.浙江大學公共管理學院，浙江 杭州 310058

氣候變化和人類活動對生態環境造成了壓力，嚴重威脅著生態安全和人類福祉。國內通行生態紅線和國家重點生態功能區以解決或緩解生態問題，用生態紅線區構建生態安全格局（楊姍姍等，2016）、提出管控（陳利頂等，2016）或優化布局（楊天榮等，2017；李永格等，2019），將生態系統服務重要性和敏感性疊加（丁振民等，2019）來劃分自然生態空間（熊善高等，2018；黃心怡等，2020）和識別生態保護優先區（蘇沖等，2019；方瑩等，2020），結合景觀生態學理論和電力理論構建國土空間生態保護修復重點區域（王秀明等，2022）或對重要生態區進行管控（王浩等，2021），并逐漸考慮人類活動對生態安全功能區的影響，使生態安全屏障區遠離城市核心發展區（Jin et al.，2021）。然而中國生態紅線區和國家自然保護區大多位于貧困地區，保護規劃往往因面臨生態保護、經濟發展和扶貧等多重挑戰而受挫（Jin et al.，2020）或在生物多樣性保護（Johnson et al.，2017）方面考慮發展不夠（Jones et al.，2018），成效有限。因此，迫切需要通過生態系統服務的供需（景永才等，2018；張豆等，2019）和權衡（稅偉等，2019）來優化生態安全格局，將地方發展與經濟利益相結合來構建生態空間平衡發展機制以避免公共悲劇。

基于土地利用（曹玉紅等，2019）和景觀格局（張學斌等，2014；劉焱序等，2015；董玉紅等，2017）評價生態風險（Cirone et al.，2000）的相關研究逐漸增多，但只關注生態實體的保護將難以構建持有效的決策支持以降低生態威脅，因此，將生態系統服務納入生態風險評價逐漸成為研究趨勢（劉世梁等，2017），既可以增加生態風險的時效性和高效性（康鵬等，2016），又可考察人類福祉等外部驅動因素對生態風險如何施加影響（Galic et al.，2012），還能通過劃分優先區以提高管控效率（陳峰等，2019），對探索生態保護規劃有重要的應用價值。保護規劃旨在控制、減輕或消除生態風險（Villarreal-Rosas et al.，2020），而現有的保護規劃方法往往低估了自然和人為壓力源的影響，因此難以解決保護與發展目標之間的沖突。將保護規劃轉化為生態風險評估問題，關注自然和社會經濟壓力來制定保護區規劃可以解決這一難題（Pan et al.，2022）。青海湖流域是全球氣候變化重點響應區，青海湖作為旅游王牌景點吸引著眾多游客，對流域造成了生態風險威脅。2022年6月國家批準建設青海湖國家公園，亟待通過生態風險劃分功能區以協調經濟發展與生態保護之間的矛盾。本研究旨在嘗試緩解生態保護與發展的矛盾，以有助于推動青海湖國家公園建設，為自然保護地的生態功能區規劃提供了新思路，也為區域可持續發展提供科學參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

青海湖流域地處青藏高原的東北隅（圖1），是全球變化背景下生態敏感區和脆弱區，更是阻擋西部荒漠向東擴張的重要生態屏障。流域近似梭形，介于36°15′－38°20′N，97°50′－101°22′E，流域面積為29.7×103km2，海拔3144－5204 m，屬于典型的高原大陸性氣候。青海湖是中國最大的咸水湖泊，占流域面積14.7%，流域獨特的高寒濕地生態系統是生物多樣性保護的重要場所。2009－2016年青海湖景區的旅游收入與旅游人次直線式增長，年均復合增長率達到17.7%，旅游業成為區域的特色經濟產業并增長迅速。單一的生態紅線區劃已不適應生態文明建設的需要，亟待兼顧保護與發展的功能區規劃。

圖1 研究區域圖Figure 1 The location of the study area

1.2 數據來源

主要包括土地利用數據、氣象數據、遙感數據產品、自然保護地數據、地形數據和土壤數據等（表1），游憩和保護資金數據來源于青海湖景區管理局和海北州自然資源管理部門，進行矢量化，在ArcGIS 10.2中建立數據庫來存儲和處理上述數據。

表1 數據來源及數據庫Table 1 Data sources and databases

1.3 研究思路

本研究遵循壓力源-暴露-端點的框架（圖2）來評估生態風險。壓力源包括自然壓力源（氣候變化）和人為壓力源（城鎮化、農業畜牧業和旅游等），受體對壓力源的暴露是根據其空間上的接近程度來評估的，生態系統服務作為評估端點（Pan et al.，2022）。對生態系統服務提供很重要的地區對生態退化很敏感，更容易受到生態風險的影響，本文通過壓力源對生態系統服務的重要性和敏感性，評估生態風險并分級以制定保護規劃，將生態風險水平最高的地區將被劃為保護區域以減輕人類對自然的影響，而生態風險水平最低的區域可被開發。

圖2 青海湖流域生態風險及分區技術路線圖Figure 2 Technological roadmap of zoning

1.4 研究方法

1.4.1 生態系統服務重要性評價

根據生態環境部和國家發展改革委共同制定的《生態保護紅線劃定指南》（環辦生態，[2017]48），采用模型評價和NPP定量指標評價，參考專家意見選取流域最重要的水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性4種生態系統服務功能評價了重要性，通過自然斷點法將4種生態系統服務功能進行分類和等權疊加，得到生態系統服務重要性結果。

水源涵養服務采用綜合蓄水法來估算水源涵養服務能力（稅偉等，2019）。計算公式如下：

式中：

Swr——生態系統水源涵養服務能力指數；

Vnpp——多年植被凈初級生產力平均值（g·m-2·a-1）；

Fsic——土壤滲流因子；

Fpre——多年平均降水量因子；

Fslo——坡度因子。

水土保持采用修正后的通用土壤損失方程（RUSLE）（Liu et al.，2011；Liu et al.，2020）進行模擬計算。計算公式如下：

式中：

Spro——水土保持服務能力指數；

Vnpp——多年植被凈初級生產力平均值（g·m-2·a-1）；

Fslo——坡度因子；

K——土壤可蝕性因子（t·hm2·h·hm-2·MJ·mm-1）。

防風固沙以防風固沙量（潛在風蝕量與實際風蝕量的差值）作為生態系統防風固沙功能的評估指標。計算公式如下（環辦生態，[2017]48）：

式中：

Sws——防風固沙服務能力指數；

Vnpp——多年植被凈初級生產力平均值（g·m-2·a-1）；

K——土壤可蝕性因子（t·hm2·h·hm-2·MJ·mm-1）；

Fq——多年平均氣候侵蝕力；

u——2 m高處的月平均風速；

u1、u2——在Z1、Z2高度處的風速；

Metp——月潛在蒸發量（mm）；

Pi——月降水量（mm）；

D——當月天數；

ti——月平均氣溫；

Ri——月平均相對濕度（%）；

D——地表粗糙度因子；

θ——坡度（弧度）。

生物多樣性的喪失將大大削弱生態系統的服務功能（Porras et al.，2016），本文選擇了凈初級生產力（NPP）、年平均降水量、年平均氣溫和海拔高度評價生物多樣性保護功能的重要性。公式如下：

式中：

Sbio——生物多樣性維護服務能力指數；

Vnpp——多年植被凈初級生產力平均值；

Fpre——多年平均降水量；

Ftem——多年平均氣溫；

Falt——海拔因子。

1.4.2 生態環境敏感性評價

生態敏感性反映了生態失衡和生態問題的概率（Li et al.，2014）以保護最敏感區域。本文參考相關評價并結合流域敏感性（陳曉琴，2012）研究，選取植被覆蓋度、高程、坡度、土地利用類型及土壤侵蝕強度等5類指標作為評價因子（表2），基于層次分析法確定權重，對上述5類因子敏感性賦值加權運算，并使用自然斷點法劃分為低敏感、輕度敏感、一般敏感、較高敏感和高敏感5個等級，獲得生態環境敏感性評價結果。

表2 青海湖流域生態環境敏感性評價因子及權重Table 2 Evaluation Factors and Weights of Eco-environmental Sensitivity in Qinghai Lake Basin

1.4.3 生態風險評價

本文基于PSR理論框架選用了11個指標，其中，壓力指標4個，狀態指標3個，響應指標4個，系統地對流域的生態風險狀況進行了定量描述。流域生態環境最主要的驅動因素是人類活動和氣候變化（韓艷莉，2021），選用了對國家公園建設較為關注的旅游和氣候變化作為壓力指標；植被覆蓋程度和生態系統服務是生態系統健康的基礎，敏感性是生態系統脆弱性和彈性的體現，共同反映系統狀態指標。流域實施自然保護區建設投入了大量的資金進行生態恢復、修復和治理，代表響應指標。用層次分析法和專家咨詢打分，最終確定生態風險評價指標因子及權重（表3），對評價結果進行自然間斷點分級法聚類分析，將風險級別劃分為5個等級對應安全狀況。綜合風險值越大，則生態風險就越大，反之則越小。

表3 青海湖流域生態風險評價指標及權重Table 3 Evaluation index and weight of ecological risk in Qinghai Lake Basin

2 結果與分析

2.1 流域生態系統服務重要性

青海湖流域不同的生態系統服務功能有著不同的空間格局（圖3），生物多樣性高值區主要分布在流域的草地和林地及灌木林地區，占流域總面積的43.6%，東南部地區生物多樣性保護得分高于西北部地區（圖3a）。水源涵養高值區分布在青海湖的北部地區和流域的東南部（圖3b），包括天峻和剛察的高寒草甸草地生態系統、共和的草地和農田生態系統。水土保持服務較高的主要集中在青海湖北部的重要林區（圖3c），分布相對分散，高值區和較高值區總共不到0.6%，反映出流域整體水土保持功能較弱，要防止風蝕、雨水侵蝕及凍融導致的水土流失。防風固沙較高的地方主要分布在林區（圖3d），流域分布較少，面積占流域總面積不到8%。

圖3 青海湖流域防風固沙、水源涵養、水土保持、生物多樣性生態系統服務重要性Figure 3 The importance of ecosystem services,importance (windbreak and sand fixation,water conservation,soil and water conservation,biodiversity) in the Qinghai Lake Basin

生態系統服務重要性具有異質性的空間格局（見圖4），重要性分化明顯。山林和高寒草地覆蓋度高的生態區重要性較高，環湖地區、高海拔地區和城鎮擴張明顯地區較低，其他區域呈一定破碎狀分布。根據自然斷裂法，由低到高將重要性的評價結果分為弱重要、一般重要、中等重要、次重要和最重要的水平（表4）。經統計，高值區集中在青海湖東部，主要包括剛察縣和天峻縣的一些林地和高覆蓋草地生態系統，面積為2.41×103km2，占流域國土面積的8.18%。次重要區主要集中在青海湖北部、流域中部地區的溫性草原生態系統和高寒草甸生態系統，面積為6.61×103km2，占流域總面積的22.4%。重要性較低值分布在天峻的山地生態系統部分，面積為9.77×103km2，占流域總面積的32.2%?？傮w上，除去水體和湖泊，重要性地區占比不高。

表4 青海湖流域生態系統服務重要性分區面積比例Table 4 The zoning area and proportion ratio of ecosystem services’s importance in the Qinghai Lake Basin

圖4 青海湖流域生態系統服務重要性空間格局Figure 4 Spatial pattern of ecosystem services,importance in Qinghai Lake Basin

2.2 流域生態敏感性

植被能有效防止流域水土流失和土地沙漠化的威脅，參照相關研究（Jin et al.，2020；Jin et al.，2021；王浩等，2021；陳曉琴，2012）運用土地利用、植被覆蓋度和土壤侵蝕、坡度等敏感性加權評價得到生態敏感性評估結果（如圖5）。用自然斷點法將生態敏感性分成低敏感、較低敏感、一般敏感、較高敏感和高敏感（表5）5級。流域敏感性總體上不高，空間上差異性明顯。較不敏感和低敏感區域分布較廣，達到流域面積的近90%，高度敏感區只占流域面積的8%左右。低值區主要是青海湖及一些沼澤水體和冰川、雪山等生態系統，面積約7.28×103km2，占流域總面積的24.7%。高值區面積約2.49×103km2，占流域總面積的8.44%，集中在青海湖東部的包括尕海、沙島灣、海晏灣、耳海一帶的沙地，湖北湖濱灘地、荒地及布哈河口鳥島一帶，環湖地區和天峻的西北陽康曲與希爾區一帶的高山頂部、工礦用地等人類活動較頻繁的區域，剛察縣的東北部的大通山脊一帶，布哈河中下游的山前沖積階地、湖濱平原及丘陵前沿地帶如青海湖四周山麓以下的灘地，倒淌河以北的灘地等。是植被覆蓋度低，對沙漠感染極敏感，易產生沙漠化或是人類活動和影響較大的地區。

表5 青海湖流域生態敏感性分級Table 5 Grading of ecological sensitivity in Qinghai Lake Watershed

圖5 青海湖流域生態系統敏感性Figure 5 Sensitivity of ecosystems in the Qinghai Lake Basin

2.3 流域生態風險及生態功能分區

流域生態系統服務的風險空間分布格局兩極分化明顯，在流域中部地區較高（圖6）。利用自然斷點法對流域的生態風險分為5級，分別為低風險、較低風險、中等風險、較高風險和高風險（見表6）。低風險區面積為12.7×103km2，占流域面積的43.1%，主要是流域的水體（包括青海湖、流域北部的高山、冰川和湖泊）及草地覆蓋區；高風險面積為7.77×103km2，占流域面積的26.4%，集中在環青海湖地區及剛察縣城。整個研究期內，生態風險呈環狀從青海湖向周邊擴張，反映出人類活動可能是生態風險擴張的主要原因。

表6 青海湖流域生態風險分級Table 6 Grading of ecological risks in the Qinghai Lake Basin

圖6 青海湖流域生態系統服務的生態風險Figure 6 Risks of ecosystem services in the Qinghai Lake Basin

整合生態風險及重要性結果，將流域劃分為生態紅線區、優先開發區、生態開發區和保護－開發過渡區等4個功能區（圖7）。生態紅線區是最重要區和極高風險區的整合，對生態系統服務的提供非常重要，但同時也面臨著生物多樣性喪失和沙漠化及水土流失的高風險。主要包括重要水源涵養區，大面積退化或有退化跡象的草原草甸、濕地、破碎化的普氏原羚棲息地和需要退耕還林/還草區域，均被納入生態紅線區實施最嚴格保護，以最大程度保持區域生態系統的原真性和完整性。

圖7 青海湖流域游憩利用的生態功能分區Figure 7 Zoning of ecological functions for recreational utilization in Qinghai Lake Basin

優先開發區是生態系統服務輕微或中等重要區和低風險區的整合，該區域自然壓力源的風險較低，是未來國家公園運營過程中生態旅游發展區。生態開發區是對自然和經濟發展壓力都具有高風險的區域和生態系統服務比較重要區域的疊加，包括當地牧民的傳統生活區域，是未來國家公園內生態畜牧業發展的重點區域。保護－發展過渡區是剩余區域，為未來的保護和發展留下空間以提高保護規劃的彈性。

3 討論

Tan et al.（2023）國家對重點生態功能區嚴格的生態保護政策取得了顯著成效，顯著地降低了生態風險水平。本文將易受生態風險影響（如旅游影響的環湖和易受風沙侵蝕的地區）和對生態系統服務重要的區域設為生態紅線區進行優先生態修復和保護，最大限度的減少了人類活動對自然生態系統及其服務的負面影響，并持續完善生態補償機制以充分實現生態系統服務功能的維護，體現出了生態保護優先的理念。同時設優先開發區和生態開發區以保障“區域發展”的原則，保護－發展過渡區為未來留出充足的生態緩沖空間，允許在保護和發展目標之間進行權衡，充分考慮人類的利益和發展需求可以緩解地區發展與生態保護之間的矛盾，使功能區規劃得以保護野生動物的棲息地以及人類從自然中獲得的福祉（Perrodin et al.，2011）。

功能區劃是國家公園用來管理各利益相關方之間關系和協調人類活動生態保護傳統的一種空間組織機制（Wang et al.，2023）。國家公園通過分區管理來緩解保護與利用和發展之間的沖突（Wu et al.，2017）。國家公園兼具保護和利用功能，在實現社會生態取舍的過程中具有不可替代的地位。中國保護區和國家公園面臨的實際問題是，初期地方政府希望通過劃定盡可能大的區域來獲得中央生態保護補貼，隨著經濟社會水平發展使保護區內原住民和社區消費規模不斷擴大，原有的生態保護規劃無法滿足人類活動不斷增加的需求，致使保護區與人類活動之間的沖突不斷（邱勝榮等，2022），對于許多發展中國家進一步促進可持續發展目標中可持續消費和生產的目標非常重要。完全禁止人類活動的生態保護并不總是最好的保護策略（Feng et al.，2021），國家公園的功能區劃不僅要考慮物種和生態系統的保護，還要考慮居民的生產利用現狀和社會發展的需要（Liu，2022），采用功能分區優化合理消除沖突對于解決國家公園內生態保護和人類活動沖突尤為關鍵。生態紅線區既維護了生物多樣性和生態系統的生態保護第一性，又運用傳統生態文化資源發展生態旅游，兼顧了國家公園另一主要功能——社區發展目標的實現。生態開發區可以結合其自然資源優勢，通過社區提供自然教育、科研、生態體驗等優質的生態產品價值轉化，實現綠水青山向金山銀山的轉化讓原住民獲益，加深對生物多樣性保護的積極性，實現區域人與自然的和諧共生。優先開發區內可以通過社區打造現代化牧場基地、優質牧草基地、牦牛藏羊養殖基地，發展休閑畜牧業+旅游，通過綠色發展道路促進社區的發展，從而為高寒地區可持續發展對策提供新范式（Xue et al.，2023）。

本文基于NPP核算生態系統服務重要性時，對濕地、河流等重要生態類型的NPP是0，可能和基于土地利用數據的保護規劃結果有偏差。受指標可獲取性限制，對流域尤為重要的文化服務功能未能全面評估，今后還須探索。通過關鍵生態功能和主要風險壓力源，因地制宜的提出了各區的保護和發展策略，體現了“生態保護優先，高質量發展”的目標，比傳統的生態紅線規劃更適合指導保護空間布局。

4 結論

本文以青海湖流域為研究對象，運用GIS空間技術手段，以柵格為評價單元，基于壓力-狀態-響應（PSR）模型評價了生態風險，結合生態系統服務重要性劃分了生態功能區。結果表明：

（1）流域生態系統服務重要性在空間上分化明顯，高值區面積為7.77×103km2，占流域面積的26.4%，分布在重要山林和高寒草地等覆蓋度高的生態區；低值區主要是人類活動頻繁區和生態脆弱區，包括環湖地區和城鎮擴張明顯區及高海拔地區。

（2）流域生態風險空間上呈現出流域中部地區較高的格局。自2010－2017年生態風險呈環狀從青海湖向周邊擴張，反映出城鎮化和青海湖流域的旅游發展是生態風險擴張的主要來源；生態風險在海拔相對較高的山區和低值區變化較小，人類活動的頻繁加劇是區域生態風險的原因。

（3）劃分了生態紅線區、優先開發區、生態開發區和保護開發過渡區，以促進國家公園建設。生態紅線區是保護易受生態風險影響或對生態系統服務規定重要的區域；保護-發展過渡區給未來留下空間。分區管制的實現有望能緩解人類活動和生態保護之間的矛盾。