许 静，吴鑫悦，李文龙

（1. 兰州财经大学农林经济管理学院西部资源环境与区域发展研究中心，甘肃 兰州 730101；2. 兰州财经大学经济学院，甘肃 兰州 730101；3. 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020）

西北地区深居中国西北部内陆，在黄土高原–黄河中上游以西，昆仑山–阿尔金山–祁连山–秦岭以北，包括新疆、青海、甘肃、陕西、宁夏五省(区)，约占全国总面积的1/3。西北地区自古以来就是保障国家安全的重要屏护，具有重要的战略地位。西北地区经济发展落后、人均收入较低，加快发展仍然是该区当前和今后一个时期的紧迫任务。然而，西北地区生态环境极为脆弱，生境条件相对恶劣[1]。特殊的生态现状和生态区位，决定了西北地区承担国家生态安全屏障的关键使命，必须在确保生态安全的前提下，实现产业布局调整和经济增长方式转型。

作为生态环境问题催生的新兴领域，生态保护红线不仅可以对潜在重大生态问题起到警示作用，还可以为区域生态安全与状态稳定起到保障作用。生态保护红线作为维护生态安全、推进生态文明的保障线以及促进地区经济高质量发展、建设美丽中国的起点线，也已成为我国政府着力推行的关键举措。2015 年，原环境保护部在《生态保护红线划定指南》(以下简称《指南》)草案中明确生态保护红线是管控与保障生态安全的基本指导线，即在具有重要生态服务功能的，生态环境脆弱、敏感的区域依法划定的空间界线；2017 年在正式印发的《指南》中进一步阐述了生态保护红线是具有水源涵养、生物多样性维持等重要生态服务功能，以及存在水土流失、土地“三化”等生态环境敏感脆弱性，必须加以严格管控的区域。与此同时，国内学者也从各自的研究领域出发，开始对生态保护红线进行深入细致的研究，生态保护红线的内涵不断丰富和发展[2-4]，已由最初的生态系统保护或生态安全维护拓展到生态系统结构和功能健康稳定等方面，更加注重生态保护红线的内在机理与外在形式的表征[5-8]。

在生态保护红线分区研究与实践方面，尽管国内外没有明确的生态保护红线分区的相关提法，但其实质已经体现在自然保护区建设、生物多样性保育、生态系统恢复以及土地利用规划等方面的研究中，与生态保护红线的内涵和本质相互印证，如美国的国家公园[9]、欧盟的生态基础设施[10]、沿海国家的海岸建设退缩带[11]等。在我国，早期的生态保护红线分区是直接将自然保护区、风景名胜区和历史文化区等纳入保护区范围[12-13]。随着空间信息技术、空间统计方法的迅猛发展，以地理信息系统(Geographic Information System, GIS)支持为主要手段的空间区划方法已成为主流，且多以生态系统服务功能、生态环境敏感性的差异作为生态保护红线分区依据[14-16]。此外，也有研究基于生态网络思想[17]、最小累积阻力模型[18]、压力状态响应模型[19-20]等对生态保护红线分区进行了探索和实践。虽目前的生态保护红线分区方法有较大发展，但仍存在以下问题亟待改善：第一，生态环境问题具有典型的尺度性和区域差异性。多数研究忽略了生态系统特征、生态系统结构完整性及生态风险在生态系统健康稳定与生态安全维护中的重要作用；第二，区域尺度上的研究可以协调各行政区在生态保护空间划分上存在的差异和矛盾，解决相邻地理单元在分区中出现的无法衔接、空间冲突等问题[21-22]，避免生境破 碎 化。然 而，多 数 研 究 以 省[5,23-24]、市[8,12, 25]为 空间范围，在区域尺度上的研究非常有限。

综上，本研究以生态保护红线理论为基础，优化分区指标体系和划分方法，在生态系统服务功能、生态环境敏感性评估的基础上，充分考虑区域生态脆弱性和生态风险的空间分异，对西北地区进行生态保护红线分区。研究旨在完善生态保护红线理论，以及为各级政府国土空间管理、规划实践提供理论依据和有益参考。

1 研究方法

1.1 二级生态保护红线分区体系

从空间尺度上分析生态保护红线分区的影响要素，生态脆弱性的影响尺度较大，生态系统服务功能、生态环境敏感性和生态风险水平的影响尺度次之。并且，生态脆弱性表现得相对稳定，在很大程度上决定着西北地区生态系统特征空间分异格局。由此，本研究在充分考虑西北地区生态脆弱性特征、生态系统服务功能、生态环境敏感性以及生态风险空间分异的基础上，通过建立二级分区体系对西北地区进行生态保护红线分区。首先进行区域生态脆弱性评价与分区，然后以《指南》为依据，开展西北地区生态系统服务功能评估、生态环境敏感性评估和区域生态风险评估。其中，将每一项要素属性与特征进行等级评定，并根据每一项要素在决定生态系统结构和功能健康、安全、稳定中的作用测算权重，综合评定后纳入生态保护红线划分范围。各要素在栅格单元尺度上进行分区后，通过空间聚类方法向上一级合并，最终形成生态保护红线空间叠加图。

1.2 生态保护红线分区指标体系

一级区表达生态保护红线分区的宏观背景，即生态脆弱性的自然属性差异，主要指地带尺度上的温度、降水与植被覆盖度等宏观影响因素；二级区表达生态保护红线分区的直接影响要素，即生态系统服务功能、生态环境敏感性与区域生态风险的空间分异。在选择分区指标时考虑其独立性与显著性，并建立生态保护红线分区指标体系(表1)。

表1 西北地区生态保护红线分区指标体系Table 1 Zoning index system for ecological conservation redline zoning in northwest China

1.3 指标评估与分区方法

1.3.1生态脆弱性评估方法

结合西北地区基本生态特征以及指标间的可操作性、可比性与精炼性，选取年均降水量、年均温度[26-27]和植被覆盖度[28-29]作为表征区域生态脆弱性的关键指标，以分析西北地区生态脆弱性的空间分异规律。基于2015年气象数据与植被覆盖数据，对各指标进行单因子评估，归一化并综合单因子评估结果，得到生态脆弱性综合评估结果，并利用ArcGIS 10.2软件的重分类工具，完成西北地区生态脆弱性一级分区方案。

1.3.2生态系统服务功能和生态环境敏感性评估方法

依据《指南》，对生态系统服务功能(水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维持)以及生态环境敏感性(水土流失、土地沙化)进行评估。鉴于西北地区生态系统所承担的上述各项服务功能的重要性，以及各类生态环境的敏感性有所差异，在进行综合评价时需要考虑各项功能的权重。熵权法基于热力学原理，因具有客观性强、适用多指标综合决策等优点而被广泛用于区域生态综合评估[30]。本研究采用熵权法对各项生态系统服务功能以及各类生态环境敏感性进行赋权，具体方法参见文献[31]。

1.3.3生态风险评估方法

景观生态风险指数是衡量外界干扰下生态系统动态变化的一系列景观格局参数，如景观破碎度、分离度、损失度等[32]。基于全国土地资源分类系统和西北地区土地利用现状，将景观类型划分为8类，即耕地、森林、草地、灌木、湿地、水体、建设用地和裸地。采用等间距系统采样法，以10 km ×10 km 的正方形样地对景观损失度指数空间化，共划分风险小区29 274个。在GIS支持下，建立西北地区景观格局矢量图，利用空间分析方法探讨西北地区生态风险指数空间分异，具体内涵与计算方法如下：

景观破碎度指数(Ci)：表征在一定时段内，景观由单一均匀的连续整体转变为复杂异质的斑块镶嵌体，即景观整体或部分的破碎化程度。随着破碎度增加，景观内部稳定性和生态系统稳定性都会降低。

式中：ni为景观类型i的斑块数；Ai为景观类型i的总面积。

景观分离度指数(Ni)：表征景观中各类景观要素的分离程度。值越高，表明各要素在空间分布上越分散，景观结构越复杂，破碎化程度越高。

式中：ni为景观类型i的斑块数；Ai为景观类型i的总面积；A为景观总面积；li为景观类型i的距离指数。

景观优势度指数(Di)：表征斑块在景观中的主导地位，反映斑块对景观格局及其动态的影响程度，优势度越小则景观多样性越大。

式中：Qi为斑块i出现的样方占比；Mi为斑块i的数量占比；Li为斑块i的面积占比。

景观干扰度指数(Si)：表征景观受到外界干扰，特别是人类活动的影响程度。

式中：Ci为景观破碎度指数，Ni为景观分离度指数，Di为景观优势度指数，a、b、c为各景观指数的权重。

景观脆弱度指数(Fi)：表征受到外界干扰后生态系统的损失程度，与群落演替阶段有关。处于演替初级阶段、群落结构简单的生态系统脆弱度较高，专家咨询并归一化。耕地、森林、草地、灌木、湿地、水体、建设用地和裸地的景观脆弱度指数赋值，分别为0.111、0.056、0.119、0.103、0.194、0.167、0.028和0.222。

景观损失度指数(Ri)：表征生态系统在受到外界干扰后，其自然属性的损失程度。

式中：Si为景观干扰度指数，Fi为景观脆弱度指数。

生态风险指数(ERIi)：式中：Ri为景观i的损失度指数，Aki和Ak分别为风险小区k中景观类型i的面积与风险小区k的总面积。经查阅文献与专家咨询后，破碎度、优势度和分离度分别赋予0.6、0.1和0.3的权重[33]。

1.3.4生态保护红线分区方法

在分区过程中，基于“自下而上”的定量合并与“自上而下”的空间系统划分相结合的思想，指导各指标向高一级合并，以提高分区的科学性和准确性。在空间聚类时，采用欧式距离衡量各因子或指标间的相似度，运用K 均值聚类法进行生态保护红线分区定量。K 均值聚类的主旨思想是迭代。在确定分类类别后，首先选定初始聚类中心，按最小距离法将数值分配到中心，然后计算新的变量中心，循环上述步骤，直到中心不再改变，则聚类完成[34]。各指标进行初步分区后需进行边界综合调整，将一级区分区界线作为约束条件，指导修正二级区分区界线，即由生态脆弱性分区界线约束，指导识别生态系统状态分区界线。此外，结合“就高不就低”的原则综合考虑，合并处理零碎斑块，将其划入相应级别的分区。

参考《生态保护红线划定指南》，本研究中所使用数据主要来源于中国气象科学数据共享服务网、国家生态系统观测研究服务系统网、全国生态状况遥感调查评估成果、全国生态环境调查1∶100万土壤数据库、地理空间数据云网站等。

2 研究结果

2.1 生态保护红线一级分区

依据生态脆弱性评估结果，西北地区可分为6个生态保护红线一级分区(图1)，生态脆弱性由高至低分别为A 区、B区、C区、D区、E区、F区。

A 区：青海中–西部至新疆南–西部寒带中温带干旱低植被覆盖区。该区面积69.6万km2，占西北地区总面积的24.5%，平均海拔在6个一级分区中最高，为4 131 m，人口密度和GDP密度在6个一级分区中均为最低，分别为2.8人·km−2和10.7万元·km−2。

B区：塔里木–准噶尔–柴达木–河西走廊–宁夏北部中温带暖温带干旱极干旱低植被覆盖区。该区面积在6个一级分区中最大，为128.96万km2，占西北地区总面积的45.3%，平均海拔为1 291 m，人口密度为18.9人·km−2，GDP密度为75.4万元·km−2。

C区：天山阿尔泰山中温带亚干旱较高植被覆盖区，位于新疆北部边缘地带。该区面积19.5万km2，占西北地区总面积的6.9%，平均海拔为1 572 m，人口密度为42.4人·km−2，GDP密度为266.2万元·km−2。

D区：青海东–南部至宁夏南部陕西北部高原温带中温带亚湿润中植被覆盖区。该区面积45.0万km2，占西北地区总面积的15.8%，平均海拔为3 315 m，人口密度为51.9人·km−2，GDP密度为153.4万元·km−2。

E区：伊犁平原东部中温带亚干旱高植被覆盖区。该区面积0.73万km2，仅占西北地区总面积的0.3%，平均海拔为1 692 m，人口密度为39.4人·km−2，GDP密度为95.2万元·km−2。

F区：陕西中–南部至甘肃东–南部暖温带北亚热带湿润高植被覆盖区。该区面积20.4万km2，占西北地区总面积的7.2%，平均海拔为1 267 m，人口密度和GDP 密度均在6个一级分区中最高，分别为203.4人·km−2和777.7万元·km−2。

2.2 生态保护红线二级分区

由熵权法测算的水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性维持的权重分别为0.610、0.130、0.030和0.230；水土流失和土地沙化敏感性的权重分别为0.516和0.484。以西北地区生态脆弱性空间分异为基础划分生态保护红线一级区(图1)，综合西北地区的生态功能重要性(图2)、生态环境敏感性(图3)与区域生态风险(图4)等级的划分结果，并以此为依据划分50个生态保护红线二级分区(图5)，各区代码、名称及特征值如表2所列。

图1 西北地区生态保护红线一级分区图Figure 1 First level zoning of the ecological conservation redline in northwest China

图2 西北地区生态系统服务功能等级空间分异图Figure 2 Spatial differentiation of ecosystem services in northwest China

图3 西北地区生态敏感性等级空间分异图Figure 3 Spatial differentiation of ecological sensitivity in northwest China

图4 西北地区生态风险等级空间分异图Figure 4 Spatial differentiation of ecological risk in northwest China

表2 西北地区生态保护红线分区名称及特征值Table 2 Names and characteristic valuesfor ecological conservation redline zoning in northwest China

续表2Table 2(Continued)

图5 西北地区生态保护红线分区图Figure 5 Ecological conservation redline zoning in northwest China

3 讨论

3.1 西北地区生态保护红线分区结果

西北地区生态脆弱性高等级区面积较大，约占总面积的70%，主要分布在新疆大部，青海北部、中部，甘肃北部、西部和宁夏北部、中部(图1，A 区和B区)；生态脆弱性中等级区面积约占总面积的22%，主要分布在新疆北部边缘区、青海东部、南部，甘肃中部，宁夏南部，陕西北部(图1，C区和D区)；生态脆弱性低等级区面积仅占总面积的8%，主要分布在伊犁平原东部，甘肃东部、南部以及陕西南部(图1，E 区和F区)。

西北地区生态系统服务功能等级呈现由东南向西北逐渐递减的趋势。高值区(6、7级区)主要分布在陕西南部及陕西、甘肃交界地带，仅占西北地区总面积的9%；中值区(3、4、5级区)主要分布在青海大部、甘肃南部、新疆北部等地区，占总面积的43%；低值区主要分布在新疆塔克拉玛干沙漠、青海柴达木沙漠地区，占总面积的48%(图2)。

西北地区生态环境敏感性高值区(6、7级区)集中在新疆东部和西南部边缘区、甘肃和青海交界处以及青海西南部，占总面积的22%；中值区(3、4、5级区)主要分布在甘肃中部、青海大部、宁夏、新疆中部，占总面积的63%；低值区(1、2级区)分布在陕西北部、中部地区，新疆北部、中部以及南部边缘地带，占总面积的15%(图3)。

西北地区生态风险高值区(6、7级区)主要分布在新疆北部、南部和东部地区，甘肃西北部地区以及青海西北部地区，占总面积的35%；中值区(3、4、5 级区)主要分布在新疆西北部、陕西北部、青海大部、宁夏和甘肃中部，占总面积的38%；低值区(1、2级区)集中分布在陕西中部、南部地区以及甘肃南部地区，占西北地区总面积的27%(图4)。

3.2 二级综合分区体系的优越性

首先，二级生态保护红线分区体系不仅能够反映西北地区生态脆弱性的空间分异规律，体现生态脆弱性与生态功能重要性、生态环境敏感性及生态风险间的关系，而且能够从不同的空间尺度上更全面系统地阐释生态系统特征、结构、功能及状态；其次，本研究将区域生态风险评估纳入生态保护红线分区体系中，并通过引入权重充分考虑生态系统服务功能、生态环境敏感性、区域生态风险中各单项指标在决定生态系统状态中的相对重要性，改进和完善了生态保护红线分区指标体系和技术方法，使其能够更客观地表征关键生态属性的空间分异规律；再次，区域尺度上的生态保护红线分区可以协调各相邻行政区在保护区分区中的空间冲突和矛盾，解决由行政边界导致的地理单元在生态保护区划分中出现的隔离问题，保证生态系统的结构完整性和连通性；最后，在3S技术支持下，基于“自下而上”的定量合并与“自上而下”的空间系统划分相结合的思想，采用多维聚类、分区分级等定性定量相结合的方法，将栅格尺度的分区数据定量综合到基本分区单元，极大地提高了分区界线的准确性。

4 结论

本研究依据国家在生态保护红线方面的宏观政策要求和技术指导，充分考虑西北地区最显著的生态环境特征(生态脆弱性结合生态系统服务功能、生态环境敏感性与区域生态风险等要素的空间分异特征)，构建了多尺度、多要素的生态保护红线二级分区体系并进行了分区，进一步体现了西北地区生态系统特征的空间分异，为西北地区生态保护红线分区优化提供了定量参考。研究结果表明，西北地区可分为6个一级分区，生态脆弱性由高至低面积占比分别为24.5%、45.3%、6.9%、15.8%、0.3%和7.2%。在一级分区约束下，基于生态系统服务功能、生态环境敏感性和区域生态风险决定的生态系统状态，将西北地区进一步划分为50个生态保护红线二级分区。

由于生态保护红线的本质是一条空间界线，且生态学单元具有很强的尺度效应，不同尺度的数据、规律无法建立起有效的对应关系，会导致指导性不足或偏差等问题。后续研究应在不同空间格局上，全面构建以生态保护红线为空间界线的，以数值型红线为指导标准的多尺度立体式综合红线体系，全面保障和维护生态系统安全。