国土尺度生态安全格局

进入工业时代以来，随着人口的激增和工程技术的不断进步，人类以前所未有的规模和速度改变着自然环境，导致许多生态环境问题的出现[1]。

尤其在我国，快速的人口增长和大规模的快速城市化进程对资源环境带来巨大压力[2]。

同时受全球气候变暖和不合理土地利用活动共同影响，我国出现冰川后移、冻土退化、湿地萎缩、水土流失[3]、沙漠化[4]、洪涝灾害加剧[5]、生物多样性下降[6]和水源涵养能力降低等诸多生态环境问题[7,8]，生态安全已成为科学研究和可持续发展战略的重点关注领域。

我国学者针对生态安全议题开展了大量的研究，尤其在生态安全评价理论与方法方面进行了卓有成效的研究[9-14]，但区域景观格局优化与调控方面的研究仍处于探索阶段。

近年来提出的景观安全格局[14,15]、区域生态安全格局[16]理论与实践为抽象的生态系统服务概念和可实施的空间规划之间建立了沟通的平台，并开展了部分探索性的研究[17-22]。

在国家政策制定层面，我国在自然区划、农业区划基础上相继开展的生态区划[23]、生态功能区划[24]和主体功能区划[25]等工作都对国土与区域尺度空间格局调控有积极的推动作用。

新出台的《城乡规划法》[26]和新修订的《全国土地利用总体规划纲要》[27]也将生态保护作为重要内容。

在当前生态要素分部门进行管理的行政体制下，如何构建一个在操作层面上能与生态区划、主体功能区划、土地利用规划、城市规划相衔接的综合性概念、框架和工具成为科研和实践领域亟待解决的问题。

国际上国土尺度的保护规划研究起步较早。

美国早在1915-1916年由景观规划师曼宁(Manning W.H.)开展的国土规划（National Plan）旨在制定资源综合保护与利用战略，并提出以自然资源和自然系统为基础的土地分类思想[28]。

从1950年代逐渐兴起的以绿色廊道（Greenway）运动为代表的生态网络规划建设逐渐成为自然资源保护规划的新热点[29]，如美国绿色廊道体系全面实施后将会提供220,000 km 的绿色廊道和大约5亿hm2受保护的绿色空间[30]。

欧洲也出现绿色廊道、生态网络、生境网络、洪水缓冲区等概念[31,32]。

亚洲的新加坡等国也陆续开展绿色廊道规划研究[33]。

我国的防护林体系建设也可看作为国土尺度的绿色廊道网络[34]。

1990年代以来在国内外逐渐兴起的生态(绿色)基础设施概念[35-37]正日益成为自然资源保护和空间规划领域广泛认可的新
工具，并在美国马里兰、明尼苏达、伊利诺斯、佛罗里达、佐治亚、阿拉巴马、密西西比、南卡罗莱纳、田纳西、肯塔基等州相继开展相关规划研究[36]。

我国也在浙江台州[38]、山东威海[39]、菏泽[40]等地进行了生态基础设施规划的探索研究。

这些研究为各种尺度上开展生态安全格局规划提供了很好的借鉴案例。

本文从我国面临的主要生态问题出发，旨在初步探讨国土尺度生态安全格局的基本构架，从水源涵养、洪水调蓄、沙漠化防治、水土保持、生物多样性保护5个主导生态系统服务功能出发，在对单一生态过程的分析与评价基础上进行叠加与综合，初步构建保障生命支持系统健康与安全的国土尺度生态安全格局框架。

1. 研究方法
国土尺度生态安全格局(Security Pattern, SP. 下同)是国家与区域的自然生命支持系统，它是由河流、湿地、林地、草原、野生动物栖息地和其他自然区域共同构成的相互连接的生态网络，用以支持生物物种、维护自然生态过程、提供空气和水资源，提高居民健康和生活质量。

本文的研究范围仅限我国陆地生态系统，未包含海洋和大陆架范围。

本研究在广泛借鉴各科学的理论与方法基础上，运用景观安全格局研究框架[18,37]，重点对水源涵养、洪水调蓄、沙漠化防治、水土保持和生物多样性保护5种生态过程进行分析、评价与模拟，判别对维护该生态过程安全与健康具有关键意义的景观要素、空间位置和空间联系，建立各自生态过程的安全格局。

单一生态过程的生态安全格局结果按保护级别分为低、中、高3种安全水平，其中低水平安全格局为保护的最低限度，保护级别最高；中水平安全格局保护范围较前者大，保护级别次之；高水平安全格局保护范围最大，安全程度最高。

国土尺度综合生态安全格局由单一生态过程的安全格局综合叠加生成。

研究框架见图1。

图1：国土尺度生态安全格研究框架
Fig. 1. The framework for national ecological security patterns
2. 单要素生态安全格局
2.1 水源涵养安全格局
水源涵养能力与植被类型、盖度、枯落物组成、土层厚度及土壤物理性质等因素密切相关。

本文首先通过分析江河发源点的空间分布密度来定量化指示重要水源涵养区域的空间范围；然后以植被覆盖度来综合指示该地区的水源涵养能力，并叠加具有重要水源涵养功能的冰川、湿地，最终确定江河源区水源涵养的安全格局。

2.1.1 水源涵养安全格局构建
（1）首先提取全国1:400万GIS数据库中1-5级河流发源点，利用GIS对所有河流发源点进行基于核函数的密度分析（Kernel Density），生成江河发源点密度分级图（见图2）；然后参考1:400万地貌类型图进行人机交互提取江河发源地水源涵养重要区域的范围。

图2 5级河流发源点密度图
Fig.2 5 calss headstream density map
（2）利用2006年逐旬1km2分辨率SPOT Vegetation遥感影像，采用最大值处理MVC(Maximum Value Composites)方法[41]，计算得到2006年全年最大植被盖度图，并
利用上述水源涵养重要区域范围进行切割，生成水源涵养区植被覆盖度（见图3）。

图3水源涵养区植被覆盖度
Fig.3 Vegetation coverage of headwater conservation region
（3）利用地表植被覆盖度、冰川和湿地分布3个要素，按照表1的划分标准确定水源涵养安全格局（见图4）。

由于我国横跨多个气候带，对湿润区、半湿润区和干旱与半干旱区三种气候带的植被覆盖度采取不同的分级标准。

图4 水源涵养安全格局
Fig.4 Ecological security pattern for headwater conservation
表1. 江河源区水源涵养安全格局划分标准
Table 1. The sort criteria of headwater conservation SP 2.1.2 研究结果
根据江河源区水源涵养安全格局划分结果，低安全水平水源涵养安全格局面积233.2万km2，占国土面积的24.3%，主要分布在以三江源为核心的青藏高原东部地区和位于我国地形阶梯交错带的山脉体系。

其中三江源地区是长江、黄河、澜沧江等我国最大河流的发源地；阿尔泰山、天山是保障新疆沙漠绿洲生态系统最重要的水源涵养区域；祁连山是河西走廊和柴达木盆地北部水源供给地；大兴安岭、小兴安岭、长白山是嫩江、松花江、鸭绿江和图们江等水系的水源区；燕山、吕梁山、太行山是海河流域水源地；秦岭是淮河流域的重要水源涵养区；南岭及武夷山脉是我国东南地区重要水源涵养区域；横断山脉是云南地区重要水源涵养区。

中等安全水平水源涵养安全格局面积418.2万km2，占国土面积的43.6%，空间范围为除低安全水源涵养安全格局外还包括太行山、吕梁山脉、陕北高原和云贵高原部分地区。

高安全水平水源涵养格局面积594.9万平方公里，占国土面积的61.9%，空间范围包括青藏高原全部和我国所有山脉体系。

2.2 洪水调蓄格局
洪水调蓄安全格旨在构建一个自然连续的洪水调蓄系统，为洪水留出基本的宣泄空间，实现工程治洪和自然调蓄结合的防洪减灾空间策略。

该系统应该包括现状滞洪区、重要湖泊、湿地和发生流域性洪水灾害的主要淹没区域。

本文通过对流域性洪水进行计算机模拟，结合现有的湖泊、湿地和国家划定的蓄滞洪区共同构建洪水调蓄安全格局。

2.2.1 流域性洪水淹没分析
本文采用堤防漫顶式洪水淹没分析方法[42]对长江、珠江、黄河、淮河、嫩江、松花江、辽河7大流域下游干流进行洪水淹没分析。

首先利用7大江河沿线水文站点的历史最高洪水水位和警戒水位数据为依据，在GIS软件下利用线性插值方法，分别生成最高水位洪水水面和警戒水位洪水水面；其次，利用全流域90m分辨率DEM数据分别和最高水位洪水水面和警戒水位洪水水面进行相减运算，得到各自水位高度下的洪水淹没范围和淹没水深分布栅格数据。

最后根据洪水的连通性原理，提取与河流直接连通的洪水淹没区域，得到洪水淹没的空间范围。

（见图5）
图5 洪水淹没分析结果
Fig.5 Flood simulation result
2.2.2 洪水安全格局构建
利用洪水淹没分析结果、国家重要蓄洪区和湖泊湿地数据，参考《重点公益林区划界定办法》中关于河流湿地划分标准，按照表2的划分标准确定洪水调蓄安全格局。

（见图6）
图6 洪水调蓄安全格局
Fig.6 Ecological security pattern for flood control
表2. 洪水调蓄安全格局划分标准Table 2 The sort criteria for flood control SP
2.2.3 研究结果
低安全水平洪水调蓄格局是洪水调蓄保障的最低限度，主要包括目前国家规定的洪泛区、重要的滞洪湿地以及河道两侧的缓冲地带，面积为7.5万km2，占国土总面积的0.8%；中安全水平洪水调蓄安全格局是七大江河最重要的洪水宣泄场所，其范围包括七大水系在警戒水位下的洪水淹没范围，面积为20.7万km2，占国土总面积的2.2%；高水平洪水调蓄安全格局包括七大水系的全部洪泛区，其面积为59.9万km2，占国土总
面积的6.2%。

2.3 沙漠化防治安全格局
沙漠化防治安全格局旨在判定控制沙漠化土地扩张的关键区域，从而进行重点保护与恢复。

土地沙化过程可认为是沙漠化土地克服空间阻力向外扩张的过程，首先确定沙漠化土地扩张的“源”，然后建立沙漠化扩张的阻力模型，利用最小累计阻力模型对沙漠化扩张的过程进行模拟，最后根据模拟结果确定沙漠化防治安全格局。

2.3.1 沙漠化土地扩散过程模拟
（1）“源”的确定。

本文将我国的1:10万沙漠数据库中沙地类型为“戈壁”和“流动沙地”的土地作为沙漠化土地的扩张的“源”，主要包括我国塔克拉玛干、古尔班通古特、库姆塔格、柴达木盆地、巴丹吉林、乌兰布和与库布齐等原生沙漠和呼伦贝尔沙地、科尔沁沙地、浑善达克沙地、毛乌素沙地、松嫩沙地、张北坝上等区域，总面积103万km2。

（见图7）
图7 沙漠化土地扩张“源”
Fig.7 The source of desertification
（2）阻力模型构建。

沙漠化危险度评价方法作为对土地发生沙漠化难易程度的综
合评价，对构建沙漠化土地扩张的阻力模型具有很好的参考意义。

本文参考联合国粮农组织(FAO)[43]、联合国环境规划署(UNEP)[44]和我国学者[45,46]关于沙漠化危险性评价的指标体系，考虑数据的可获取性，结合专家咨询和AHP分析方法，最终选取土地利用类型、植被覆盖度和土壤类型作为表征地表下垫面抗蚀性的指标，根据表3的阻力因子与分级标准构建沙漠化土地扩散的阻力模型。

阻力模型的空间范围限定在500mm 降水线以下地区。

表3 沙漠化扩张阻力因子与分级表
Table 3 Sandy desertification expansion resistance factor and rating system
（3）扩散模拟。

在Arc GIS 9.2软件平台上将上述各单因子进行加权叠加，得到沙漠化扩散阻力模型。

利用上述步骤确定的沙漠化土地的“源”和扩张阻力模型，在Arc GIS软件中利用费用距离模型（Cost distance）进行运算模拟，生成沙漠化土地扩张模型。

2.3.2 沙漠化防治安全格局构建
根据沙漠化定义和实际治理的可行性，原生沙漠、戈壁不纳入沙漠化防治安全格局的范围。

在“以防为主，防治结合”和“先易后难”的沙漠化防治原则指导下，根据沙漠化土地扩张的累计阻力值从高到低划分低、中、高安全水平。

（见图8）
2.3.3 研究结果
根据最小累积阻力模型计算结果，利用Natural Break分级方法，将阻力值为-之间的区域作为低安全水平沙漠化防治安全格局，面积为37.1万km2，占我国陆地总面积的3.8%，主要分布在沙漠绿洲和各大沙地植被条件较好区域，应该采取严格的保护措施，使其成为控制沙漠化扩张的生态屏障。

中安全水平沙漠化防治安全格局为除“源”外阻力值在-之内的区域，面积为74.1万km2，占我国陆地总面积的7.7%，主要分布在呼伦贝尔沙地、松嫩沙地、科尔沁沙地、毛乌素沙地、浑善达克沙地等区域，是我国进行沙漠化治理的主要区域。

高水平安全格局范围为除“源”外阻力值小于的全部区域，面积为
151.9万km2，占我国陆地总面积的15.8%，空间范围为500mm降水线以下全部固定、半固定沙地区域（见图8）。

图8 沙漠化防治安全格局
Fig.8 Ecological security pattern for desertification combating
2.4 水土保持安全格局
水土流失导致土壤退化、土地生产能力降低、生物多样性减少、自然灾害加剧，影响农业生产和食物安全，并与全球资源要素循环乃至全球气候变化有着紧密联系[3]。

水土保持安全格局旨在判别水土流失潜在危险性较高的区域，将其作为维持国土尺度生态安全的重要组成部分。

2.4.1 水土保持安全格局构建
本文参考国家《土壤侵蚀分类分级标准》[47]中“土壤侵蚀潜在危险性分级标准”，根据专家咨询和数据可获取性，选取年降雨量、植被覆盖度、土层厚度、坡度、土壤类型、坡耕地分布5个因子，按照表4的分级标准在GIS中进行加权叠加运算，生成水土
流失潜在危险性评价图（见图9）。

根据土壤侵蚀潜在危险性评价结果，按照自然分界法（Natural break）将水土流失风险评价结果从小到大分为微度危险区、轻度危险区、中度危险区、重度危险区、强度危险区和极度危险区6个等级。

图9 水土流失潜在危险性评价结果
Fig.9 Potential soil erosion risk assessment result
表4水土流失潜在危险性评价指标体系与分级标准
Table 4 Potential soil erosion risk assessment index and rating system
水土保持安全格局基于水土流失潜在危险性评价划分，将土壤侵蚀极度危险区作为低安全水平水土保持安全格局，将极度危险区和强度危险区作为中安全水平水土保持安全格局，将重度危险区、强度危险区和极度危险区作为高安全水平水土保持安全格局。

2.4.2 研究结果
根据水土保持安全格局划分结果（见图10），低安全水平水土保持安全格局面积为41.6万km2，占我国陆地总面积的4.3%，主要分布在长江中上游的四川丘陵盆地、秦岭大巴山高中山地，黄河中上游的晋陕蒙接壤区、陕北晋西黄土高原区，珠江南北盘江上游的鄂黔滇中山地区等区域；中等安全水平水土保持安全格局面积为114.2万km2，占我国陆地总面积的11.9%，主要分布在滇中中高山盆地、滇西南高中山地地区、横断山脉等区域；高水平安全格局面积为282.1万km2，占我国陆地总面积的29.3%，主要分布在南岭武夷山脉、粤闽中小起伏低山、台湾中部山区、秦岭山地、陕北高原和青藏高原北缘等区域。

图10 水土保持防治安全格局
Fig.10 Ecological security pattern for soil and water conservation
2.5 生物多样性保护安全格局
生物多样性保护安全格局旨在通过判定生物多样性最丰富的热点地区，提出国家生物多样性保护的关键空间格局。

本文选取我国1301种植物物种和633种动物物种作为指示物种，分析各物种的栖息地分布范围，通过将所有物种的栖息地进行叠加分析统计，以栖息地承载的物种丰富度来确定我国生物多样性保护热点区域。

2.5.1 指示性物种选取
植物指示物种选取标准为同时被国家一级、二级保护植物名录[48]和IUCN物种红色名录[49]认定的植物物种，共确定1301种植物指示物种，其中中国濒危且特有的植物601种，中国濒危非特有的植物577种，中国特有非濒危的植物123种。

动物指示物种的选取标准为同时被国家一级、二级保护动物名录[50]和IUCN物种红色名录[49]认定为稀有和濒危的动物为指示物种。

最终确定633种，其中包括140种哺乳动物，32种两栖动物，284种鸟类，81种爬行动物和96种鱼类。

2.5.2 物种热点区域格局分析
首先根据中国物种信息服务(CSIS) [51]数据库查询得到该物种在全国分布的县市，并在GIS数据库中选取得到该物种分布的县市范围；然后在各物种分布的县市范围内，根据该物种的生态习性，利用1:100万植被类型图、2000年1:10万土地利用、数字高程等数据分析判别该物种的潜在栖息地分布范围。

按此方法分别对所选取的1301种植物指示物种和633种动物指示物种进行栖息地分布范围分析；最后通过叠加分析，得到我国植物保护热点区域（见图11）和动物保护热点区域（见图12）。

图11 植物保护关键区域Fig.11 Key region for flora protection
图12 动物保护关键区域
Fig.12 Key region for fauna protection
2.5.3 生物多样性保护安全格局
按照动植物物种分布的种数进行等级划分，根据物种数量与国土面积的统计结果，分别选取15种、50种作为高、中、低3个保护级别安全格局的划分标准，确定生物多样性保护安全格局(见图13)。

其中，低水平生物多样性保护安全格局面积为100.9万km2，占我国陆地总面积的10.5%，主要分布在大兴安岭北部、小兴安岭、长白山、三江平原湿地、燕山、川西高原、横断山脉、喜马拉雅山、神龙架、武夷山脉、海南、台湾等区域；中水平生物多样性保护安全格局面积为312.3万km2，占我国陆地总面积的32.5%，主要分布在呼伦贝尔草原、锡林郭勒草原、三江源地区、天山、阿尔泰山、祁连山和福建山地等地区；高水平生物多样性保护安全格局面积为544.2万km2，占我国陆地总面积的56.7%，主要分布在小兴安岭、太行山和青藏高原。

图13 生物多样性保护安全格局
Fig.13 Ecological security pattern for biodiversity protection
3. 国土尺度生态安全格局构建
3.1 构建方法
国土尺度生态安全格局通过对各单一生态过程安全格局进行综合叠加确定。

按照保护的重要性把国土尺度生态安全格局分为低、中、高3种保护水平。

考虑到各种生态服务功能间的不可替代性，国土尺度生态安全格局叠加方法采用栅格单元最小值统计方法进行计算，即只要任一生态过程在某区域为低水平安全格局（保护的底线范围，保护级别最高），则最终的国土尺度生态安全格局结果在该区域是低水平安全格局，需要进行高级别的保护。

具体方法为在GIS软件支持下对各单一过程生态安全格局结果图层进行逐个栅格统计，按每个栅格单元的最小值输出最终的计算结果。

公式如下
ISP=Min（SPi），i=1，2，3，4 ，5
ISP (Integrated security pattern)为综合安全格局结果；
SPi为5种生态过程的生态安全格局，分低、中、高三级，分别赋值1，2，3。

3.2 构建结果
根据国土尺度生态安全格局叠加成果，低安全水平国土尺度生态安全格局面积为342.9万km2，占我国陆地总面积的35.7%，是保障国土生态安全的最小范围，应该成为发展建设中不可逾越的生态底线，需要重点保护和严格限制开发。

中等安全水平国土尺度生态安全格局面积为624.7万km2，占我国陆地总面积的65.1%，空间范围为在低安全水平基础上更大范围的保护，是生态保护的满意格局。

高安全水平国土尺度生态安全格局是生态保护的理想格局，其面积为815.5万km2，占我国陆地总面积的84.9%，是国土生态保护的理想格局。

（见图14）
图14 综合生态安全格局
Fig.14 Integrated national ecological security pattern
按照地理空间的分异划分，可将中国国土尺度生态安全格局分为3类区域（见图15）。

第一类为青藏高原和主要山脉体系区域，该区是国土尺度生态安全格局的主体框架。

该类型中低、中、高安全水平生态安全格局面积所占百分比分别为50.5%，84.1%和100%。

其中低水平生态安全格局范围包括大兴安岭、小兴安岭、长白山、燕山、阿尔泰山、天山、祁连山、青藏高原东部、川西高原和横断山脉等地区，是我国发挥重要的水源涵养、生物多样性保护和土壤保持等多重生态系统服务功能的区域；中等安全水平生态安全格局为除上述区域外还包括黄土高原、西南喀斯特岩溶山地、青藏高原中部和南方红壤丘陵山地等生态脆弱区，该区域土壤侵蚀剧烈，需要重点恢复与治理；高安全水平生态安全格局是生态生态保护的理想状态，对所有山脉体系进行生态保护与恢复。

图15 综合生态安全格局类型
Fig.15 Integrated national ecological security pattern type
第二类为西北干旱区，空间范围涉及新疆天山南北区域、大兴安岭-贺兰山一线以西区域的准格尔盆地、塔里木盆地、河套平原、阿拉善高原、内蒙古高原和呼伦贝尔高原等地区，行政区域涉及新疆、甘肃、青海、内蒙古等省区。

该区是我国生态环境较为脆弱和敏感的区域，气候干旱，水资源短缺，土壤结构疏松，植被覆盖度低，容易受风蚀、水蚀和人为活动的强烈影响。

该区低、中、高安全水平的国土尺度生态安全格局面积所占比例分别为10.6%，34.9%和58.8%。

其中低水平安全格局为生态条件较好仍未沙化的区域，需要加强保护，严格执行草场保护政策，禁止过度垦殖、樵采和超载放牧；
中水平安全格局为沙漠化发生区域，在执行严格草场保护政策同时应实行禁牧休牧政策，推广舍饲圈养，防止草地进一步沙化。

高水平安全格局区域应该在实行保护政策同时开展草原生态恢复与生态建设工程，全面围封禁牧，开展恢复植被工程，防止活化沙丘和沙漠化扩张。

第三类为东部平原和盆地区域，空间范围包括东北平原、华北平原、长江中下游平原和四川盆地等区域，是我国重要的粮食主产区和人居保障区。

该区低、中、高安全水平的国土尺度生态安全格局所占面积比例分别为13.9%，35.8%和71%。

其中低水平生态安全格局主要包括松嫩平原湿地、淮河中下游湖泊湿地、江汉平原湖泊湿地、洞庭湖、鄱阳湖、京杭大运河沿线湖泊湿地等洪水调蓄重要区域。

这些区域对国家防洪减灾战略具有关键作用，需要严格保护湖泊、湿地生态系统，实行退田还湖，平垸行洪等措施来增加调蓄能力，禁止在行滞洪区建立永久性设施和居民点；中等安全水平生态安全格局范围是七大江河最重要的洪水宣泄场所，其范围包括七大水系在警戒水位下的洪水淹没范围，应建立洪水调蓄生态功能保护区，严禁围垦湖泊湿地，发展避洪经济，处理好蓄洪与经济发展之间的矛盾；高水平安全格局内存在一定洪水威胁，同时也是重要的人居保障和工农业发展的主要区域，在发展经济同时保护自然完整的水系网络，实现区域社会经济发展与水资源保护与利用的协调发展。

4. 讨论
（1）本文作为国土尺度生态安全格局构建的尝试性研究，在理论方法和技术手段上借鉴生态学、水文学、水土保持与荒漠化防治、生物多样性保护等学科较为成熟和常用的方法，以可获得的资源与环境数据为基础，在GIS和遥感技术支持下，对国土尺度生态安全格局构建进行了初步的探讨。

生态安全格局作为一种概念框架的工具，通过对单一生态过程的分析，判定针对该过程具有关键作用的空间格局，并在此基础上将不同的生态过程综合叠加，最终划定多功能的综合生态安全格局。

（2）国土尺度生态安全格局的实施需要将其纳入法定规划体系，将规划成果广泛征求各部门和利益相关者的意见，通过多方博弈最终确定其空间边界。

生态安全格局的最终成果应该通过立法和相关政策实现永久性的保护，使之成为保障国土、区域和城市生态安全的永久性格局，并引导和限制无序的城市扩张和人类活动。

该方法对我国划定生态用地、完善和落实生态功能区划、主体功能区划等区域调控政策具有借鉴意义。

（3）国土尺度的生态过程是个复杂的巨系统，需要在获取大量详实数据的基础上，运用更加科学的评价方法进行综合评定。

同时更加精确的生态安全格局划定需要在省级或市县级更小尺度上进行，在以人为本和可持续发展要求下逐步深化和细化。