2024, Vol. 45
2. 甘肃省土地利用与综合整治工程研究中心, 兰州 730070;
3. 甘肃省绿洲资源环境与可持续发展实验室, 兰州 730070
2. Gansu Land Use and Comprehensive Improvement Engineering Research Center, Lanzhou 730070, China;
3. Key Laboratory of Resource Environment and Sustainable Development of Oasis, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
生境质量是指在一定时空范围内生态系统能够提供给适宜个体与种群持续发展和生存的能力[1], 并在一定程度上反映在区域生物多样性的状况中, 生境质量的优劣决定人类与自然及其他种群的可持续发展[2].随着工业化和城市化的快速增长, 以及资源配置的日益流动对区域土地利用的空间结构产生了深远的影响, 导致生境质量退化和生物多样性下降[3, 4].土地利用/覆盖变化（LUCC）是人类活动的重要表现[5], 土地利用变化会影响区域内的物质流和能量流循环, 从而改变区域生态系统的生产能力和服务能力, 这是区域生境质量变化的主要原因[6].因此, 研究区域生境质量对土地利用变化的时空响应及其机制, 能够有效掌握土地利用变化对区域生境质量的影响机制, 可对区域国土空间开发和生态文明建设提供科学借鉴.
生境质量作为区域生态安全的重要表征[7], 能够反映区域生物多样性和生态服务水平, 日益成为生态安全领域的研究热点[8].早期的研究主要由生物学家进行, 他们专注于评估特定野生物种或群落的生境质量, 主要通过实地调查来评估野生动物的生境质量[9].随着全球气候变化和城市化的快速发展, 区域生境质量的空间格局被改变, 并对生境质量和生物多样性构成了严重威胁, 生境质量的重要性得到了广泛关注[10].目前, 生境质量评估方法以实地调查和模型模拟为主[11, 12], 实地调查不能对区域生境质量进行长时序的动态监测, 且调查范围往往较小, 不适于大尺度长时序的生境质量监测.随着遥感和计算机技术的发展, 模型模拟成为生境质量监测的主要方法[13], 学者们所用模型主要以生态系统服务和权衡的综合评估（InVEST）、生境适宜性指数（HSI）、生态系统服务的社会价值（SoLVES）和最大熵模型（MaxEnt）等为主[14 ~ 17], 相比其他模型InVEST模型具有成本低、精确性高和可视化程度高等特征, 使得InVEST模型广泛应用, 极大地促进了生境质量研究的发展.
土地利用是人类生产生活对自然生态系统利用和改造的直接表征[18], 是自然、社会、经济和技术等因素共同作用所决定的土地功能[19].土地利用变化往往会改变生态系统结构和配置, 影响物种栖息地之间的物质循环和能量流动, 从而使生境质量下降或提升[20].目前, 土地利用变化与生境质量演变之间的研究引起了学界广泛关注[21, 22], 主要以生境质量评价、生境质量变化影响因素、生境质量变化模拟等方面的研究为主[23 ~ 25], 但在生境质量对土地利用变化的响应机制研究领域较为不足, 且相关研究主要集中在东部地区, 而对生态环境敏感脆弱的西北干旱区研究相对欠缺.河西走廊位于青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交汇地带, 处于西北干旱和半干旱地区, 是我国重要的绿洲农业区和生态屏障区[26].区域生态环境状况较差, 人类社会经济发展与自然环境之间的矛盾突出, 可持续发展受到制约.在新时代西部大开发战略和“一带一路”倡议背景下, 河西走廊迎来大好发展机遇的同时生态安全也面临严峻挑战[27].因此, 本文利用1990、2000、2010和2020年4期河西走廊土地利用变化数据, 采用土地利用转移矩阵、土地利用动态度和状态度指数模型, 对河西走廊土地利用变化的特征进行分析, 利用InVEST模型评估了河西走廊生境质量, 并探讨了生境质量对土地利用关系的时空响应及其机制, 最后基于国土空间系统治理探讨了河西走廊生境质量提升的响应途径, 以期为河西走廊土地资源合理的开发和生态环境保护提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况河西走廊地区（37°01′~ 42°50′N, 93°21′~104°05′ E）位于欧亚大陆腹地（图 1）, 是我国重要的战略通道之一, 处于青藏高原北部、内蒙古高原南部和黄土高原西缘的交接地带, 涉及酒泉、嘉峪关、武威、张掖、金昌这5个城市, 总面积24.78万平方公里, 占甘肃省的57.19%. 2020年年末河西走廊地区常住人口为440.24万人, 地区生产总值2 291.38亿元, 分别占全省的17.60%和25.41%, 是甘肃省经济高质量发展的重要增长带.河西走廊属典型的大陆性中温带干旱、半干旱气候, 年日照时数2 600~3 250 h, 日照年太阳总辐射量为5 700~6 400 MJ·km-2.年均降水量在110~350 mm, 年均蒸发量在1 500~2 300 mm, 蒸发量自东南向西北逐步增大, 降水严重不足而蒸发量极强使河西走廊成为名副其实的干旱区.河西走廊北部以沙漠和戈壁景观为主, 中部被大黄山和大黑山分为石羊河、黑河和疏勒河这三大内陆河流域, 南部是重要的祁连山水源涵养区, 是我国重要的生态安全屏障, 生态地位突出[28].
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图 1 研究区概况示意 Fig. 1 Overview of the study area |
本研究数据主要涉及河西走廊地区基础地理数据（行政区界、水系）、数字高程模型（DEM）、土地利用变化（LUCC）及社会经济统计数据等.其中基础地理数据（行政区界、水系）和数字高程模型（DEM）来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn）, 空间分辨率均为30 m.本文采用的1990、2000、2010和2020年4期土地利用数据来源于中国科学院资源与环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn/）的“中国多时期土地利用/土地覆盖遥感监测数据库”（CNLUCC）, 空间分辨率为30 m, 采用人机交互目视判读方式解译, 总精度88.95%.参考《土地利用现状调查规范》《全国遥感监测土地利用覆盖分类体系》将土地利用类型分为草地、耕地、建设用地、林地、水域和未利用地这6个一级类和22个二级类, 比对Burkhard等[29]使用的CORINE（欧盟环境协调）土地分类法, 并结合研究区土地覆被实际情况, 得到河西走廊地区土地利用类型体系（表 1）.社会经济数据主要来自1991~2021年的《甘肃省统计年鉴》（http://tjj.gansu.gov.cn/）.
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表 1 河西走廊地区土地利用类型划分体系 Table 1 System of land use classification in Hexi Corridor area |
1.3 研究方法 1.3.1 土地利用转移矩阵模型
研究区某时段内各土地利用类型之间的转换分析通常可以基于土地利用转移矩阵来展开, 它既可以反映研究末期各土地利用类型的转换方向及来源, 又可以反映出转换的数量特征, 从而反映出研究时段内研究区的土地利用变化特征.其表达式为[30]：
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式中, n为土地利用类型总数；i和j分别为研究初期和末期的土地利用类型（i, j=1, 2, …, n）；Sij为研究时段内由i地类转换为j地类的面积.
1.3.2 土地利用动态度土地利用动态度从定量角度描述土地利用变化的幅度, 从而揭示区域某种土地利用变化的强度.公式如下[31]：
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式中, K为某种土地利用类型的动态度；Sstart和Send分别为研究初期和研究末期某种土地利用类型的面积；t为研究时间间隔.
1.3.3 土地利用状态指数土地利用状态指数揭示了某种土地利用类型的变化趋势和状态, 对衡量区域土地利用程度具有重要意义.公式如下[32]：
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式中, P为某种土地利用类型的状态指数, 其值域为[-1, 1]；ΔSin为研究期内其他土地利用类型转化为第i类的面积；ΔSout为研究期内第i类土地利用类型转化为其他土地利用类型的面积.
1.3.4 InVEST模型生境质量评估本研究采用InVEST模型中生境质量模块, 结合土地利用适宜性和生物多样性信息对研究区生境质量进行评估. InVEST模型计算得到生境质量值的区间范围处于0~1之间, 越接近1, 生境质量越好, 越有利于维持生物多样性. 利用InVEST模型生境质量模块得到1990、2000、2010和2020年4期河西走廊生境质量空间分布图.采用自然断点法将生境质量评估结果分为低、较低、适中、较高和高这5个水平.计算公式如下[33]：
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式中，Qxj为地类j中栅格x的生境质量，Hxj为地类j中栅格x的生境适宜度，K为半饱和参数，通常取生境退化度最大值的一半；z为模型默认参数，取2.5.
1.3.5 空间自相关分析方法空间自相关分析方法可识别生境质量在空间上的相互依赖程度和高低值聚集区, 对优化国土空间布局、提高生境质量具有重要作用[34, 35].全局空间自相关可以反映空间邻接区域单元属性值的相似程度.局部空间自相关是反映单一的生境质量指数值与其相邻空间的值是否呈显著相关的重要指标.本文基于GeoDa软件通过Moran's I分析河西走廊生境质量指数值之间的空间关联度, 全局Moran指数（Moran's Iglobal）和局部莫兰指数（Moran's Ilocal）计算见公式[36]：
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式中，I为Moran's I；n为网格数量；xi和xj为第i和j个网格的生境质量指数均值；x为所有网格的生境质量指数均值；Wij为空间权重矩阵，表示空间单位i和j的空间关系，若空间单位i和j相邻，则 Wij = 1，若空间单位i和j不相邻，则 Wij = 0；空间关联局部指标（LISA）聚类图是在局部Moran's I指数的计算结果上进行空间聚类得到，当I>0时，表示一个高（低）值区被一个高（低）值区域包围，即“H-H”（“L-L”）聚集；当I＜0时，表示一个高（低）值区被一个低（高）值区域包围，即“H-L”（“L-H”）聚集；I=0时，表示观测区与相邻区无关联，即不显著.
1.3.6 地理加权回归分析参考相关研究[37, 38], 采用自适应方法来确定权重, 并选择校正后的信息准则（AICC）样本来确定最佳带宽.采用1 km×1 km网格提取生境质量和土地利用变化面积.以1990~2020年河西走廊生境质量变化为因变量, 以1990~2020年河西走廊耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地变化面积量为解释变量, 利用ArcGIS软件的地理加权回归工具进行回归分析.公式如下[39]：
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式中, （ui, vi）为第i个采样点的坐标, β0为该模型的常数，βk（ui，vi）为第i个采样点的第k个回归参数, εi为第i个采样点的残差.
如果与地理坐标无关, 则将上述公式转换为一般的线性回归.每个采样点的参数估计与由空间权值函数构造的加权距离矩阵有关.一般以单调递减函数高斯函数来构建加权函数, 用以表示空间权值与空间距离之间的关系, 高斯函数来确定权重函数如下[40]：
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式中, ωij为采样点i与采样点j之间的空间权值, dij为点i和点j之间的距离, b为带宽.当带宽b确定, 距离dij越大, 点j所赋予的权重会越小, 距离点i足够远的权重将会趋于0.
2 结果与分析 2.1 土地利用变化特征分析 2.1.1 土地利用变化与转化分析通过土地利用变化和转移矩阵计算发现（图 2）, 1990~2000年河西走廊耕地面积变化最大, 增加374.5 km2, 这主要由于人口增加使得粮食需求量增加, 促使未开发利用的荒漠草地大规模开垦成耕地, 且林草地、水域等生态用地均呈下降趋势. 2000~2010年河西走廊耕地和水域面积分别增加1 398.2 km2和322.38 km2, 未利用地减少了1 722 km2, 这主要是为了支持粮食产量的大幅提高和工业化的快速推进, 河西走廊大兴水利建设工程, 以及河西走廊现代化灌溉网络的建成, 使得河西走廊水资源和粮食安全保障能力快速提升.2010~2020年建设用地变化最大, 共增加607.13 km2, 此阶段是河西走廊建设开发的高潮, 主要以武威、酒泉和嘉峪关等城市扩张为主, 以及一系列生态移民及地质灾害避险搬迁安置工程的实施进一步加快城市开发建设.总体而言, 1990~2020年河西走廊未利用地面积变化最大, 减少3 021 km2, 其主要转化为耕地、建设用地和水域, 分别增加2 343.6、739.28和416.56 km2, 这是过去30 a以来大规模开垦耕地、城市开发建设和水利工程建设所导致, 且林草地面积分别减少35.4 km2和444.6 km2, 对区域生态安全带来一定程度的风险.
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图 2 土地利用变化转移 Fig. 2 Land use change transfer |
通过计算得到研究区不同时间段各土地利用类型的动态度和状态指数（图 3）, 研究发现建设用地动态度变化幅度最大且呈先上升后下降的趋势, 2010~2020年动态度最高, 这主要由于此期间河西走廊城镇化水平的大幅提高, 以及各类开发区、工业园区和生态移民安置区的建设.未利用地和耕地的动态度变化也较为突出, 呈先增加后减少的趋势, 这主要由于2000~2010年是河西走廊开荒种地的高峰期, 使得大量的未利用地转变为耕地, 增加了其动态度的变化幅度.由于河西走廊深居内陆干旱少雨, 有限的水资源只能勉强维持人类生产生活用水, 不能大规模造林种草, 以及党的十八大生态文明建设提出以来生态保护措施严格实施, 使得林地和草地动态度升降幅度不大.建设用地的状态指数变化最大, 这主要由于过去30 a城市化进程加快和城镇人口增加使得城镇建设用地需求旺盛, 为保障城镇发展空间促使其他地类不断向建设用地转化.耕地和水域的状态指数变化类似, 均呈先增后减的趋势, 并且都在2000~2010年达到峰值, 分别为0.62和0.55.林地和草地的状态指数变化整体比较稳定, 没有出现太大波动.未利用地和耕地、建设用地的状态指数变化大致相反, 这是由于在河西走廊地区耕地和建设用地的大规模扩张主要以开发利用荒漠、裸地等未利用地为主.
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图 3 研究区土地利用类型的动态度和状态指数 Fig. 3 Dynamic attitude and state index of land use types in the study area |
通过InVEST模型中生境质量模块得到河西走廊生境质量评估结果, 并利用自然断点法将生境质量划分为低、较低、适中、较高和高这5个等级（图 4）. 1990~2020年河西走廊生境质量空间分异特征明显, 呈由南部祁连山向北部逐步降低的空间分布格局, 研究期间生境质量整体处于低水平但呈上升态势, 近30 a平均生境质量由0.307 2上升为0.310 5. 1990~2020年河西走廊生境质量低值区主要分布在库姆塔格沙漠和巴丹吉林沙漠边缘地区, 以戈壁荒漠生态系统为主.研究期间其占研究区总面积比由68.88%下降为67.95%, 共下降2 301.6 km2, 其中2000~2010年下降最为明显, 此阶段是三北防护林四期工程实施的关键时期, 以防沙治沙为主攻方向, 使得河西走廊部分地区生境质量低值区林草覆盖率增加, 使得区域生境质量提升明显. 1990~2020年生境质量中值区以绿洲区为主, 主要分布在中部走廊平原地区, 研究期间其占研究区总面积比由5.47%上升为6.44%, 共增加2 399.22 km2, 这主要由于大规模开荒种地和城乡生活空间的扩张使得戈壁荒漠生态系统向绿洲生态系统转变, 这与相关研究结果相似[41]. 1990~2020年生境质量高值区主要分布在河西走廊南部的祁连山地区, 以及在疏勒河、黑河和石羊河等内陆河流域也有少量分布, 研究期间其占研究区总面积比由14.45%上升为15.37%, 共增加2 277.18 km2, 其中2010~2020年增加最为明显, 这与祁连山国家公园的建设治理关系密切.
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图 4 1990~2020年河西走廊生境质量时空分异 Fig. 4 Temporal and spatial differentiation of habitat quality in Hexi Corridor from 1990 to 2020 |
本文借助GeoDa软件对河西走廊地区生境质量进行空间自相关分析, 1990、2000、2010和2020年全局莫兰指数分别为0.354、0.356、0.360和0.365（P值小于0.01, Z值大于2.58）, 表明研究期间河西走廊地区生境质量在空间上存在明显的空间集聚效应.全局莫兰指数在研究期间有一定程度的增高, 表明生境质量空间聚集效应正在逐渐升高.由图 5可知, 1990~2020年河西走廊地区生境质量空间聚集效应显著, 且生境质量空间聚集特征大致相同, 并以H-L和L-L聚集为主.在河西走廊南部的祁连山地区呈现出显著的H-L聚集, 其中肃南县、天祝县和山丹军马场等地区聚集最为明显, 此地区大多是生境质量较高的祁连山林草生态系统, 而周围则是生境质量较差的戈壁-绿洲复合生态系统.在酒泉市和张掖市北部地区呈现出显著的L-L聚集, 其中在库姆塔格沙漠和巴丹吉林沙漠边缘区的金塔、玉门、高台、临泽和敦煌等地聚集最为明显. 2000~2010年H-H聚集区变化较大, 在祁连山西南部的山丹军马场和天祝县显著增加, 这主要由于此地区在此期间大力实施退耕退牧还林还草和植树造林的结果.总体来说, 1990~2020年间H-H聚集区在祁连山西南部地区显著增加, 在阿克塞和肃北县北部地区以及祁连山部分地区L-L聚集区向H-L聚集区转变显著, 说明祁连山国家公园保护机制的建设效果显著.研究区北部地区L-L聚集区呈微弱缩小的趋势, 说明河西走廊地区生境质量在逐步提高.
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图 5 1990~2020年河西走廊生境质量LISA聚类 Fig. 5 LISA cluster diagram of habitat quality in Hexi Corridor from 1990 to 2020 |
由表 2可知地理加权回归模型检验R 2调整前后均高于0.75, 模型拟合效果较好.由生境质量演变与土地利用变化回归系数空间分布表明（图 6）, 1990~2020年河西走廊耕地变化与生境质量演变呈正相关, 回归系数空间分布整体呈西北高东南低的趋势, 这主要由于河西走廊西北部未利用土地面积分布较大, 近年来节水农业的发展使得耕地面积大幅度增加, 对于内陆干旱区而言耕地在一定程度上可提高区域生境质量.林地变化与生境质量演变呈正相关性, 回归系数空间分布整体呈中部低两边高的态势, 这主要由于“三北防护林”工程与国务院批准实施的石羊河流域重点治理项目的实施, 使得河西走廊两端生境质量大幅提升. 1990~2020年河西走廊草地和水域变化与生境质量演变也呈正相关性, 回归系数空间分布均呈由东南向西北递减的趋势, 这主要受近年来西北地区暖湿化的影响, 河西走廊东南部降水量略高于西北部, 使得部分地区荒漠生态系统向草地生态系统转变, 以及地表径流和湿地生态系统增加促使河西走廊东南部生境质量高. 1990~2020年建设用地变化与生境质量演变呈负相关关系, 回归系数空间分布整体呈东南高西北低的趋势, 这主要由于河西走廊东南部人口基数大, 建设用地扩张明显, 使得本就脆弱的石羊河流域不堪重负, 加剧了区域生境质量的降低.未利用地变化与生境质量演变也呈负相关关系, 回归系数空间分布整体呈东南低西北高的态势, 这主要受未利用地的开垦、植树种草等措施的影响, 使得河西走廊西北戈壁荒漠生态系统生境质量得到改善.综合来看, 1990~2020年河西走廊耕地、林地、草地和水域变化与生境质量演变呈正相关, 建设用地和未利用地变化与生境质量演变呈负相关.
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表 2 地理加权回归模型参数估计及检验结果 Table 2 Parameter estimation and test results of geographically weighted regression model |
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图 6 1990~2020年河西走廊土地利用与生境质量变化地理加权回归回归系数空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of geographically weighted regression coefficient of land use and habitat quality change in Hexi Corridor from 1990 to 2020 |
河西走廊地貌呈现山盆相间的格局, 高山冰川（雪）融水汇流至走廊平原形成绿洲, 形成了独特的山地-绿洲-荒漠复合生态系统陆面格局.从河西走廊地区实际情况出发, 以人地关系地域系统理论和复合生态系统理论为基础, 从社会、经济、自然和科技4个要素解析自然机制和人为机制共同作用下土地利用变化与生境质量之间纵横交错的相互关系和变动规律（图 7）.
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图 7 生境质量对土地利用变化的响应机制分析 Fig. 7 Analysis of response mechanism of habitat quality to land use change |
社会要素是人类社会赖以存在发展的基本成分, 在生境质量对土地利用变化响应过程中发挥着重要作用, 其中人类行为和政府决策等社会要素对生境质量变化和土地利用变化影响较为显著.人类行为是在生活中表现出来的生活态度及具体的生活方式, 它是在一定的条件下不同的个人对内外环境因素刺激所做出的能动反应.随着社会经济的发展, 人口不断向城镇迁移追求更好的生活物质条件, 1990~2020年河西走廊城镇化率由19.89%上升为60.26%, 人口不断向武威、张掖、酒泉等绿洲城市集聚使得生产生活用地大幅提升, 增加了区域绿洲生态系统的承载负担, 但却一定程度上缓解了人类对生态功能较强的荒漠和山地生态系统的扰动, 有效提高了荒漠-山地生态系统的自我恢复能力和稳定性.同时, 河西走廊作为我国重要的生态安全屏障区, 区域生境状况一直深受各级政府高度重视, 先后实施了石羊河流域重点治理规划、祁连山国家公园体制试点、黑河流域近期治理规划、疏勒河农业灌溉暨移民安置综合开发项目、敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划等一系列项目, 使得河西走廊相比过去碳储量增加9.05×106 t[42], 湿地生态系统扩张416.56 km2, 给予区域生境质量提升强有力的支撑.
经济要素是影响一个国家或地区宏观经济状况的成分, 是创造、转化、实现价值以满足人类物质文化生活需要的条件, 往往包括自然资源、经济结构、经济基础和基础设施等, 其对生境质量演变和土地利用变化影响深刻.1990~2020年河西走廊地区生产总值由108.97亿元增长到2 291.43亿元, 30 a间增长了21倍, 快速的经济增长带动区域基础设施不断完善, 大量的土地资源被开发利用, 导致生态用地侵占严重, 对区域生境质量影响显著.从计划经济开始, 河西走廊经济发展主要以农业和矿产开采加工业为主, 对区域土地资源和水资源消耗巨大, 使得其生境更加脆弱.随着科学发展观和新时代生态文明思想的贯彻落实, 经济结构发生调整, 粗放型发展向高质量发展转变, 农业发展由漫灌不可持续的传统农业向节水型绿色现代农业转变, 1990~2020年耗水减少的情况下耕地由走廊总面积的5.44%增加到6.38%, 工业发展由高投入、高消耗和高排放向低投入、低消耗、低排放、高效率的资源节约型经济增长方式转变, 尤其是近年来河西走廊新能源基地的建设, 均不同程度加快了区域土地利用转换和生境质量的提升.
自然要素是一切非人类创造的直接和间接影响到人类生活生产环境的自然界中各个独立的、性质不同而又有总体演化规律的基本物质组分, 一般包括水文条件、气候条件和地形地貌等.河西走廊由南部的祁连山和阿尔金山山地, 中部走廊平原的安西—敦煌盆地、酒泉—张掖盆地和武威—民勤盆地, 以及北部的北山山地和阿拉善高原共同构成典型的山地-荒漠-绿洲复合生态系统, 其中荒漠和山地系统居多, 绿洲系统仅占少部分区域.河西走廊北部以温带、暖温带大陆性气候为主, 大部分地区年降水量在200 mm以下, 降水严重不足而蒸发量极强使得区域整体植被覆盖率低, 地表以沙地、裸地和石砾地等为主, 加之水资源极为有限, 使得大部分地区为生境质量较低的戈壁荒漠生态系统, 适宜人类生产生活的土地仅限于少数绿洲平原.走廊南部山区以青藏高原高寒气候为主, 降水相对较多, 以森林、高山草甸和湿地生态系统为主, 使得此区域生境质量相对较高.
科技要素是发现或发明事物之间的联系, 各种物质通过这种联系组成特定的系统来实现特定的功能, 一般包括理论科学和应用科学.河西走廊生态环境问题一直以来深受科学家们关注, 在理论科学方面, 程国栋、任继周、冯起、方创琳等[43 ~ 46]学者先后从内陆河流域综合治理、生态环境恢复的系统理论、内陆河流域水文水资源、草地农业生态系统科学、干旱区城镇化与生态环境耦合机制及其资源环境效应等方面开展了大量的研究, 为河西走廊退化生态系统的修复重建, 水土资源合理利用, 国土整治与开发等方面提出了重要科学依据.在应用科学方面, 随着山地-绿洲-荒漠系统生态恢复技术、数字孪生渠系智能配水和闸群联合调度系统、智慧林业管护系统、祁连山生态系统保护修复技术、高山草原改良利用等技术的应用, 为河西走廊高质量发展和生境质量提升提供了创新性的技术体系.
2.4 基于国土空间系统治理的生境质量提升响应路径河西走廊国土空间主要由“山、水、林、田、湖、草、沙、冰”等自然资源要素和“城、村、路、矿”等人类社会要素在空间上的集成, 发挥着生产、生活、生态复合功能.以“山水林田湖草是一个生命共同体”为指导, 以“四水四定”为原则, 围绕“山水林田湖草沙整体保护、系统修复、综合治理”的总体要求, 立足河西走廊自然地理格局、资源禀赋、生态功能, 系统推进山水林田湖草沙冰一体化保护与修复, 解决区域关键生态问题, 实现最优效益的国土空间系统治理和生境质量提升路径（图 8）.
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图 8 基于国土空间系统治理的生境质量提升响应路径 Fig. 8 Response path of habitat quality improvement based on land and space system governance |
优化国土空间布局, 统筹国土开发与生态保护, 是促进中国生态文明建设和社会经济可持续发展的重要支撑.在实现永久农田保护、生态修复、城市更新和乡村振兴等目标的前提下, 全域国土空间综合整治是快速优化国土空间布局、高效配置国土资源和生态保护的重要途径之一.河西走廊是我国重要的生态安全屏障、商品粮生产和制种基地、清洁能源基地和有色金属生产基地, 在全域综合整治过程中应严格遵循“三区三线”空间管制和细化用途管制, 统筹考虑生态、经济、粮食和能源等安全要素, 以及在生物、地质和自然等方面的多样性保护, 加快形成节约资源和保护环境的国土空间布局、经济结构、生产和生活方式, 把人类经济社会活动尽可能限制在有形的空间边界和资源环境承受限度之内.准确认知河西走廊山地、荒漠和绿洲这三大系统的主要功能定位以及相互之间的关系和影响, 系统谋划各系统的国土开发与保护, 统筹布局全域、全要素和系统性的一体化保护与系统治理工程, 暂不宜治理的沙化土地封禁保护.同时, 实行严格的绿洲扩张控制, 严控荒漠绿洲过渡带的开发利用, 加快绿洲外围防护体系结构优化与功能提升.推动城乡低效用地再开发, 加快农村土地综合整治, 促进农民住宅向集镇、中心村集中, 形成规模适度、布局合理和功能互补的城镇村空间体系.
2.4.2 内陆河流域系统治理, 流域生态一体化保护与修复干旱区内陆河流域地表覆被类型往往很大程度上受水资源限制, 使得区域生境质量与水资源分布有密切关系, 因此干旱区内陆河流域国土空间系统治理需以水而定、量水而行, 在满足流域绿洲水资源需求的情况下, 合理分配水资源用于荒漠戈壁生态系统的恢复, 由于内陆河流域生态禀赋条件相对较差, 需实施生态修复治理的工程量较大, 应以自然恢复为主, 人工修复为辅.石羊河、黑河和疏勒河是河西走廊三大内陆河流域, 上游均是以祁连山为依托的山地生态系统, 应构建生态环境监管长效机制, 以水源涵养和生物多样性保护为核心的生态功能定位, 筑牢国家西部生态安全屏障.中游段均串联着数个绿洲系统, 绿洲在水资源、气候、地形等因素上占有较大优势, 生态保护修复难度较小, 但植被恢复用水的供给方式主要以灌溉为主, 往往面临水少则荒漠化、水多则盐泽化的问题, 实施水资源承载力核算和水资源统一管理, 避免过度开发水资源造成土地退化等危及区域生态安全.下游以荒漠生态系统为主, 生态景观被戈壁分割得四分五裂, 景观的生态流受阻, 不仅使景观的生物多样性受到极大威胁, 景观整体生态失衡所引起的区域环境受损程度更不可估量, 应结合基本生态控制线的保护, 维护和建设大型生态系统服务斑块, 加强孤立斑块之间的联系, 在生态节点之间形成生态廊道, 以增强区域生态空间的完整性和连续性.统筹内陆河流域上中下游各类国土空间保护与合理利用, 实现森林覆盖率、耕地保有量和生境质量等同步提升.根据森林、草原、荒漠和湿地等不同类型国土空间的特征属性、保护目标和利用特点, 以生态文明建设为核心构建内陆河流域生态一体化保护与修复格局.
2.4.3 国土空间要素治理, 实现“人-地”要素和谐共生遵照“人的命脉在田, 田的命脉在水, 水的命脉在山, 山的命脉在土, 土的命脉在林和草”的内在关联规律, 对山水林田湖草沙冰等自然资源和城村路矿等人类社会要素进行综合治理和保护, 将生产和生活空间有机融入生态空间之中, 实现人与自然和谐共生.国土空间要素治理已经由零星、分散、简单向综合、有序和系统的国土空间全域治理演化, 基于人地耦合系统的国土空间要素治理主要以要素耦合、部门耦合、空间耦合和动态演变耦合为主, 应统筹考虑河西走廊人类社会系统和生态系统全要素, 以有序、协调和动态的系统观来促进各系统和各组成要素之间的相互运动向高效、均衡状态移动, 最终实现人地协调和可持续发展.河西走廊是我国重要的商品粮基地和有色金属矿产聚集地, 担负着国家发展、粮食安全和人民富裕等重任, 耕地的不合理补充和资源的不节制开发势必造成人地失衡, 导致长期以来国土空间开发强度大于资源环境承载能力, 进入新时代以来积极由数量补充扩大规模向质量和效率提升转变, 现阶段则向景观生态修复和生物多样性恢复过渡, 国土空间各要素逐步以绿色发展为主, 国土空间要素治理成果显著.
3 讨论本文分析了1990~2020年河西走廊近30 a土地利用和生境质量的时空演变特征及其内在机制, 并基于国土空间系统治理提出了生境质量提升路径, 在一定程度上为该区域国土空间规划管理和保护利用提供了科学参考.将本文研究内容与结果和其他相关研究成果进行比较, 以突出本文的价值所在.以往研究普遍认为土地利用变化是引起区域生境质量变化的重要因素[47], 这与本文观点基本一致.在土地利用变化与生境质量响应关系研究中, 学者们研究发现东部地区区域生境质量处于相对较高水平[48, 49], 且随着土地利用的变化其存在先衰退后改善的演变规律.但本文通过对中国西北干旱区河西走廊生境质量对土地利用变化的响应研究发现, 河西走廊生境质量虽然一直处于低水平, 但近30 a却一直处于上升趋势.同时, 以往研究相对缺乏生境质量对土地利用变化的响应机制研究, 且相关研究主要集中在东部地区, 而本文以西北干旱区河西走廊为研究区, 系统性地分析了在特殊气候、经济、政策和技术等背景下生境质量对土地利用变化响应的内在机制, 为干旱区特殊的山地-绿洲-荒漠复合系统生态治理和生境质量提升提供了一定的科学支撑.
考虑到本研究的局限性, 在后续的研究中仍有以下3点需要突破：①在河西走廊的几千年历史长河中土地覆被经历了千变万化, 而本研究仅仅对其近30 a的演变状况进行了探讨, 不足以深刻全面地掌握其演变规律及其机制, 还需进行更长时序的研究.②河西走廊土地利用和生境质量演变属于复杂的人地关系问题, 影响其演变路径的因素不仅仅局限在经济、社会、自然和科技等方面, 后续在此方面还需进一步完善. ③本文只对河西走廊土地利用变化和生境质量进行了分析, 仍然没有兼顾到生态系统服务、碳储量和水土保持等方面, 提出的国土空间治理和生境质量提升路径还不够全面, 后续有待进一步加强.
4 结论（1）受耕地开垦、城乡建设和生态绿化等影响, 使得1990~2020年河西走廊未利用地面积变化最大, 减少3 021 km2, 耕地、建设用地和水域分别增加2 343.6、739.28和416.56 km2.研究期间建设用地的动态度和状态度指数的变化最大, 这与近30 a快速城镇化有密切关系.
（2）1990~2020年河西走廊生境质量整体处于低水平但呈上升态势, 由0.307 2上升为0.310 5, 呈“南高北低”的空间分异格局. 1990~2020年Moran's I在0.354~0.365之间, 表明研究区生境质量在空间上存在空间集聚效应, H-H聚集区在祁连山西南部地区显著增加, 北部地区以及祁连山区L-L聚集区向H-L聚集区转变显著.
（3）从社会、经济、自然和科技这4个要素解析自然机制和人为机制共同作用下土地利用变化与生境质量之间纵横交错的相互关系和变动机制.
（4）最后从优化国土空间布局、国土空间要素治理、内陆河流域系统治理考虑, 提出国土开发、生态一体化保护与修复路径, 以促进生境质量提升.
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