基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升的山水林田湖草優(yōu)先區(qū)分析
——以貴州省為例

劉世梁,董玉紅,孫永秀,史芳寧

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國家重點實驗室, 北京 100875 2 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國家林業(yè)局林木培育重點實驗室, 北京 100091

喀斯特地區(qū)環(huán)境獨特、生態(tài)脆弱,一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點地區(qū)。我國西南喀斯特地區(qū)是世界上最大的喀斯特連續(xù)帶,貴州省是西南喀斯特地區(qū)的典型代表[1]?？λ固丨h(huán)境是一個脆弱的生態(tài)系統(tǒng),具有環(huán)境容量低,生態(tài)環(huán)境敏感度高、抗干擾能力弱和穩(wěn)定性差等一系列脆弱性特征[2-3]。人類活動進一步加劇了環(huán)境的脆弱性,研究貴州喀斯特生態(tài)環(huán)境的脆弱性區(qū)域差異,有利于針對其脆弱程度進行開發(fā)治理,促進生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展[4]。生態(tài)修復(fù)一直是脆弱的喀斯特地區(qū)治理的重點和難點,目前已開展了一系列生態(tài)治理的研究和示范,主要有不同等級石漠化人工生態(tài)恢復(fù)的植被配置模式[5]、石漠化景觀生態(tài)優(yōu)化途徑[6]、生物措施治理水土流失模式[7]、植被生態(tài)恢復(fù)的物種選擇[7]、峰叢洼地石漠化生態(tài)治理模式[9]、石漠化治理中農(nóng)草林草空間優(yōu)化配置技術(shù)與示范[10]、基于植物多樣性恢復(fù)和保護的土地整理與混農(nóng)林業(yè)復(fù)合經(jīng)營模式、土地整理與特色經(jīng)果林集約經(jīng)營模式[11]。2016年國家陸續(xù)啟動了陜西、河北、甘肅、貴州等省的國家重點生態(tài)功能區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)保護修復(fù)試點工作,主要以區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題和主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)功能為導(dǎo)向,對山上山下、地上地下、流域上下游等進行整體保護、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理,改變治山、治水、護田、植樹、種草分割管理的格局,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)“格局優(yōu)化、系統(tǒng)穩(wěn)定、功能提升”的生態(tài)保護修復(fù)目標[12]。但是如何從整體上來開展山水林田湖草生態(tài)修復(fù),從空間總體格局入手分析重要的生態(tài)修復(fù)工程措施,是目前實施的關(guān)鍵途徑。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、生態(tài)功能區(qū)劃和保障國家生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略需求[13]。已有研究通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局分析,進行流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的調(diào)控[14]、保護區(qū)管理計劃[15]、青藏高原高山牧場保護區(qū)識別[16]、陜西省水土保持服務(wù)熱點區(qū)域識別[17]、城市生態(tài)空間規(guī)劃[18]、生態(tài)恢復(fù)[19]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價一般是選取幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行和評價[20-21]。以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價往往難以全面反映出生態(tài)系統(tǒng)所受干擾的程度及其恢復(fù)能力。而景觀格局變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力有明顯影響[22],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價必須考慮景觀格局的空間差異,景觀格局對各種生態(tài)過程具有決定性,進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要程度。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性上來衡量山水林田湖草的成效具有重要意義,而對于生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)項目的布局來說,還需要進一步辨識生態(tài)保護與經(jīng)濟效益之間的權(quán)衡關(guān)系。

貴州省位于長江和珠江的中上游,是筑牢長江、珠江上游重要生態(tài)屏障,也是首批3個國家生態(tài)文明試驗區(qū)之一,近年來,生態(tài)文明建設(shè)始終放在首位。在喀斯特退化山區(qū),一系列生態(tài)保護與建設(shè)重大工程雖然在林草植被、森林覆蓋率等方面取得了積極成效,但是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有待進一步恢復(fù)和提升?；诖?以貴州省的山水林田湖草生態(tài)修復(fù)整治為研究目標,通過對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估、耦合生態(tài)保護和經(jīng)濟的沖突區(qū)分析,結(jié)合礦產(chǎn)資源分布、植被退化趨勢和重要生態(tài)功能區(qū)分布,識別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域。本研究對區(qū)域社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論方法和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

貴州地處云貴高原,介于東經(jīng)103°36′—109°35′、北緯24°37′—29°13′之間,全省總面積17.62萬km2,其中喀斯特面積占70%左右。地貌屬于中國西南部高原山地,平均海拔在1100 m左右。氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候,年均氣溫10—18℃,年降水量1000—1500 mm,相對濕度70%以上。2015年土地利用如圖1所示,主要土地利用類型包括林地、草地、耕地、濕地、人工表面和其他未利用土地。2011—2015年的NDVI變化趨勢可以看出,貴州省部分地區(qū)的植被變化仍處于嚴重退化的趨勢(圖1)。

圖1 貴州省土地利用圖和植被變化趨勢(2011—2015)Fig.1 The landuse of Guizhou Province and the slope of vegetation change

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究中采用土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的2015年中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)(柵格單元大小為1 km×1 km)。NDVI數(shù)據(jù)來自于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心所提供的2011—2015年SPOT_Vegetation NDVI逐旬數(shù)據(jù)(空間分辨率1 km,http://westdc.westgis.ac.cn)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(http://www.csdata.org)。

2 研究方法

本研究的思路主要是在空間上,識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性分布,利用關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局分析,識別關(guān)鍵山水林田湖草生態(tài)修復(fù)流域；進一步結(jié)合保護與發(fā)展的沖突區(qū)分析,結(jié)合NDVI變化趨勢和露天采礦區(qū)分布的退化區(qū)分析,提出流域的山水林田湖草生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先區(qū)。首先,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性程度考慮關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,本研究考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護和水土保持,同時也考慮景觀脆弱度,采用綜合指標體系法進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價。沖突區(qū)分析利用Wu等[23]提出的方法,對生態(tài)保護價值與經(jīng)濟發(fā)展效益兩個方面,利用綜合指標法,進行圖層疊置開展分析。沖突區(qū)分析,可以在空間上對于生態(tài)修復(fù)的熱點區(qū)域進行識別。因此,主要的技術(shù)路線如下(圖2)。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 The technical routine

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù)與景觀脆弱性指數(shù)作為生態(tài)重要性評估的兩部分,評價指標如表1所示。將生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)指數(shù)和景觀脆弱度進行疊加,獲得生態(tài)重要區(qū)域。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù)ESI重點計算水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性維護功能重要性,通過3項指標值累加獲得[24]。

表1 沖突區(qū)的評價指標

DEM, 高程 Digital Elevation Model; CTI, 綜合地形指數(shù) Compound Topographic Index

景觀脆弱性指數(shù)(LVI)利用景觀適應(yīng)度(LAI)和景觀敏感度指數(shù)(LSI)構(gòu)建景觀脆弱度[25]。

LVI=LSI×(1-LAI)

(1)

景觀適應(yīng)度指數(shù)LAI的計算公式：

LAI=PRD×SHDI×SHEI

(2)

式中,PRD為斑塊豐富度密度指數(shù),SHDI為香農(nóng)多樣性指數(shù),SHEI為香農(nóng)均勻性指數(shù)。

景觀敏感度指數(shù)其計算公式：

(3)

Ui=aFNi+bFDi+cDOi

(4)

式中,n為景觀類型數(shù)目,i為景觀類型；Ui為景觀干擾度指數(shù)；FNi為破碎度指數(shù)；FDi為分維數(shù)倒數(shù),DOi為優(yōu)勢度指數(shù),其權(quán)重a,b,c分別為0.5,0.3和0.2；Vi為景觀類型易損度,通常未利用地取值為7,林地、草地取值為5,耕地取值為3,建設(shè)用地、水域取值為1[26]。景觀指數(shù)通過Fragstats 4.2計算獲得。

2.2 沖突區(qū)分析

針對生態(tài)保護價值與經(jīng)濟發(fā)展效益2個發(fā)展方向[23],選取5個指標(兩棲動物種類、哺乳動物種類、鳥類種類、森林覆蓋率、荒野)對生態(tài)保護價值進行量化。選取8個指標(耕地比例、鄉(xiāng)鎮(zhèn)點、旅游景點、人口擴張、城市擴張、坡度、高程(DEM)、綜合地形指數(shù)CTI)對經(jīng)濟發(fā)展效益進行量化。

2.3 山水林田湖草優(yōu)先區(qū)和分區(qū)方案

通過植被退化趨勢、生態(tài)與發(fā)展沖突區(qū)和生態(tài)重要性分級,結(jié)合貴州省礦產(chǎn)資源分布和重要生態(tài)功能區(qū),識別貴州省山水林田湖草修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域,結(jié)合目前已經(jīng)開展的生態(tài)修復(fù)措施等經(jīng)驗知識,可以開展山水林田湖草的分區(qū)方案劃分和優(yōu)先工程布局。主要以烏蒙山區(qū)域為例,分析目前的功能分區(qū)與生態(tài)修復(fù)的途徑。

3 研究結(jié)果

3.1 貴州喀斯特區(qū)域生態(tài)重要性空間分異

貴州省生物多樣性維持與保護、水源涵養(yǎng)、土壤保持3個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價結(jié)果如圖3所示。為顯示貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力分布的等級差異,利用自然斷點法對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行等級劃分,分別為低等、較低、中等、較高和高5級?？梢钥闯鏊春B(yǎng)能力在貴州東部、東南部較高,中部、西北部較低。水土保持能力東南部、西北部較高,中間區(qū)域最低。生物多樣性服務(wù)在貴州省西南、東南、東北部較高,較低的區(qū)域分布在中部、東部。通過3項指標值累加,得到綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù),能力指數(shù)以東南部、東北部較高,中間和西北處于低和較低水平。

圖3 貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力Fig.3 Ecosystem service capability in Guizhou Province

利用自然斷點法對流域水平的景觀脆弱度指數(shù)進行5級劃分,獲得貴州省景觀脆弱度分布(圖4),景觀脆弱度在都柳江流域、赤水河流域最高,烏江流域、牛欄江流域部分區(qū)域較高。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù)和景觀脆弱性指數(shù)分級疊加計算生態(tài)重要性的空間分布,如圖4所示,貴州省的生態(tài)重要性在都柳江流域最高,赤水河流域、烏江流域、南北盤江流域的部分區(qū)域較高。

3.2 貴州省喀斯特區(qū)域生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展沖突分析

如圖5所示,貴州省生態(tài)保護價值較高的區(qū)域分布在東南、西北部,較低和低的區(qū)域分布在西部和西南部。經(jīng)濟發(fā)展效益高和較高的區(qū)域分布在貴州中部、西北部和東北部,較低的區(qū)域分布在南部和東南部。

圖4 貴州省景觀脆弱度和綜合生態(tài)重要性分布Fig.4 Spatial distribution of landscape vulnerability and integrated ecological importance in Guizhou Province

圖5 貴州省生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展的空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological protection and economic development in Guizhou Province

根據(jù)各自的中值將生態(tài)價值層(EV)與發(fā)展效益層(DB)分別分割為高值(H)與低值(L)兩部分(EVH, EVL, DBH, DBL),將所得四部分進行交叉疊加,EVH×DBH, EVH×DBL, EVL×DBH, EVL×DBL分別定義為沖突區(qū)、保護區(qū)、發(fā)展區(qū)和低影響區(qū)。各區(qū)域分布如圖6所示,貴州省保護區(qū)、發(fā)展區(qū)、沖突區(qū)和低影響區(qū)占的面積比例分別為1.08%、81.45%、15.48%和1.99%。沖突區(qū)集中分布的區(qū)域主要在西北和東南部。

3.3 貴州省喀斯特區(qū)域生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識別

通過生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展沖突區(qū)、生態(tài)重要性、植被退化趨勢進行分級,找出重點沖突區(qū)、生態(tài)重要性區(qū)域和植被退化區(qū),和礦產(chǎn)資源分布與重點生態(tài)功能區(qū)疊加進行貴州省關(guān)鍵生態(tài)修復(fù)區(qū)的識別,如圖7所示。礦產(chǎn)資源主要分布區(qū)域在貴陽市、六盤水市、安順市、東南、西南、同仁地區(qū)、遵義市、畢節(jié)地區(qū)。植被退化嚴重區(qū)域在貴州省南部和西南部較集中,西北部分區(qū)域存在植被嚴重退化問題。生態(tài)與發(fā)展沖突區(qū)高的區(qū)域在東南、西北、北部、遵義、畢節(jié)地區(qū)。生態(tài)重要性高的區(qū)域在東北部和東南分布比較集中,在南部、西南和西北部分區(qū)域生態(tài)重要性高。重點生態(tài)功能區(qū)在貴州省東南部、東北部、西南部、西北部、南部,其中東北部和東南部的主要生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)或水土保持,同時存在較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性,東南部存在較多的生態(tài)沖突區(qū)及生態(tài)脆弱度較高的區(qū)域。西南部和南部的主要生態(tài)功能為水土保持,同時存在嚴重植被退化區(qū)及部分生態(tài)脆弱度高的區(qū)域。西北部的主要生態(tài)功能為水土保持,同時存在部分礦區(qū)分布,赤水市和習(xí)水縣存在較多的生態(tài)沖突區(qū),并且生態(tài)脆弱度較高,威寧縣和郝章縣存在部分嚴重植被退化區(qū)。

圖6 貴州省沖突區(qū)、保護區(qū)、發(fā)展區(qū)和低影響區(qū)分布 Fig.6 Spatial distribution of conflict zones, protected areas, development areas and low impact areas in Guizhou Province

圖7 貴州省生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵生態(tài)區(qū)識別 Fig.7 Identification of key ecological regions for ecological restoration in Guizhou Province

3.4 烏蒙山區(qū)域山水林田湖草的生態(tài)整治工程的布局與規(guī)劃

生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識別中,烏蒙山區(qū)域存在礦山生態(tài)修復(fù)區(qū)、重點生態(tài)功能區(qū)、植被退化區(qū)域、生態(tài)修復(fù)與發(fā)展沖突區(qū),以烏蒙山區(qū)域為優(yōu)先區(qū)開展山水林田湖草的工作具有必要性。烏蒙山區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護修復(fù)工程如表2所示,依據(jù)生態(tài)功能將其分為三個修復(fù)區(qū),根據(jù)不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境提出修復(fù)對策,實行修復(fù)工程。秉承“山水林田湖草是一個生命共同體”的重要理念,重點實施一湖、一山、一河、兩屏障”,即對高原喀斯特湖泊(草海)、烏江源礦山生態(tài)環(huán)境、赤水河生物多樣性保護修復(fù),實現(xiàn)長江珠江上游生態(tài)屏障整體保護、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

貴州省不同生態(tài)恢復(fù)區(qū)存在的生態(tài)問題不同,需采取不同生態(tài)恢復(fù)措施。在礦山分布區(qū)域,主要生態(tài)問題為礦山開采造成的地形地貌破壞、植被覆蓋破壞、水土流失、尾礦廢石廢渣堆放等,需要采取廢棄礦山修復(fù)、水環(huán)境整治、植被恢復(fù)等恢復(fù)措施。礦山環(huán)境治理是區(qū)域山水林田湖草系統(tǒng)治理的重要部分,是以礦山環(huán)境恢復(fù)為中心開展區(qū)域系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境治理,并進行發(fā)散式修復(fù),將區(qū)域內(nèi)各礦山節(jié)點進行連接形成覆蓋整個區(qū)域的修復(fù)網(wǎng)絡(luò),整體推進山水林田湖草的一體化治理[27]。植被退化區(qū)域采取植被恢復(fù)措施,植被恢復(fù)是生態(tài)工程的一個重要目標[28],針對山、水、林、田、湖、草采取不同的植被恢復(fù)措施[12]。生態(tài)與發(fā)展沖突區(qū)具有較高的生態(tài)價值和發(fā)展效益,應(yīng)該優(yōu)先考慮生態(tài)價值,為了減少生態(tài)規(guī)劃與土地利用的沖突,生態(tài)補償應(yīng)及時落實[29]。新的生態(tài)紅線劃定流程考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)敏感性[30],本研究利用景觀脆弱度和綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力進行疊加分級獲得生態(tài)重要性區(qū)域。重點生態(tài)功能區(qū)域針對主要生態(tài)功能采取恢復(fù)治理措施。山水林田湖草生態(tài)修復(fù)將系統(tǒng)各生態(tài)要素進行耦合,進行區(qū)域生態(tài)要素合理配置方法與空間優(yōu)化,山水林田湖草系統(tǒng)一體化保護與修復(fù)[12]。

表2 貴州省烏蒙山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護修復(fù)工程分區(qū)

4.2 結(jié)論

1)貴州省水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性保護的生態(tài)系統(tǒng)功能分布具有明顯的空間分布特征,通過三者的綜合評價,獲得綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較高的區(qū)域主要分布在東南部、東北部,中部和西北部較低。通過疊加景觀脆弱度指數(shù),獲得貴州省生態(tài)重要性的分布,較高的區(qū)域主要在東南和西南部,中部和西北部較低。

2)通過疊加生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展高的區(qū)域,獲得沖突區(qū)的分布,貴州省沖突區(qū)集中分布的區(qū)域主要在西北和東南部?？紤]生態(tài)保護價值和經(jīng)濟發(fā)展效益的生態(tài)恢復(fù)具有重要的意義,可以為生態(tài)恢復(fù)的實施提供具體的管理目標和建議。

3)通過疊加分析獲得貴州省關(guān)鍵生態(tài)修復(fù)區(qū),從空間分布格局入手分析生態(tài)問題,從而針對不同生態(tài)問題進行生態(tài)恢復(fù)措施的實施,從整體上開展山水林田湖草生態(tài)修復(fù)。烏蒙山生態(tài)環(huán)境保護通過生態(tài)分區(qū),針對生態(tài)環(huán)境問題,提出修復(fù)對策,實施修復(fù)工程,實現(xiàn)山水林田湖草的一體化修復(fù)。