基于生態(tài)服務重要性的河池市生態(tài)安全保障研究

虞 聽，周軼晗，陳天依，徐 可，胡業(yè)翠

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100089)

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，生產(chǎn)、生活空間不斷擴大，景觀廊道斷裂，綠色空間分布愈發(fā)破碎化，國家經(jīng)濟發(fā)展導致的一系列生態(tài)環(huán)境問題嚴重阻礙了區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，解決生態(tài)環(huán)境問題已然成為建設國家的戰(zhàn)略舉措[1]?？沙掷m(xù)發(fā)展的基本保障因素是區(qū)域生態(tài)安全[2]，而地區(qū)廊道識別和生態(tài)源地提取以及對其空間化布局研究結果，可以作為土地利用配置對策、生態(tài)功能區(qū)劃和環(huán)境保護決策制定的依據(jù)和基礎[3]。

目前，國內(nèi)外學者從不同的視角對生態(tài)源地進行識別[4]，如王曉玉等[5]通過生態(tài)系統(tǒng)服務供需流對生態(tài)安全格局進行分析與優(yōu)化；彭建等[6]綜合考慮產(chǎn)水、生境維持、土壤保持等幾大生態(tài)服務功能，系統(tǒng)評估了雄安新區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。這些研究為國內(nèi)其他省市區(qū)域的相關研究提供了思路，促進了各地區(qū)開展生態(tài)安全保障研究的相關工作。

本文選取河池市為研究區(qū)，分別根據(jù)碳儲量、土壤保持、水源涵養(yǎng)3項指標進行生態(tài)用地識別，運用InVEST、ArcGIS等技術手段進行生態(tài)用地評價，以高等級生態(tài)用地作為源地；利用最小積累阻力模型，生態(tài)廊道識別，對河池市區(qū)域生態(tài)安全現(xiàn)狀進行分析，最后針對分析結果提出了優(yōu)化改進設計。這對河池市的區(qū)域建設具有一定的意義，能夠更好地引導城市規(guī)劃的實施，為生態(tài)系統(tǒng)安全管理提供保障，對推動區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善具有一定的積極意義。

河池市位于廣西西北邊陲、云貴高原南麓，地區(qū)南北縱長228 km，東西橫寬260 km，總面積達3.35萬km2。河池市屬南亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候條件良好，森林覆蓋率高，降水量充沛且日照充足，但河池市具有典型的喀斯特地貌，地表水滲漏嚴重，極易發(fā)生水土流失，損害生態(tài)系統(tǒng)服務功能；該市林業(yè)資源豐富，而作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫——森林生態(tài)系統(tǒng)，其碳儲量對生境質量評價具有重大意義；同時，河池市河網(wǎng)密布，主要河流50余條，河流總長度5 130 km，需要重視水源涵養(yǎng)這一重大生態(tài)問題。因此，本文基于生態(tài)系統(tǒng)服務重要性進行河池市生態(tài)安全保障評價。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及縣級行政區(qū)劃圖，來源于2019年河池市第三次國土調(diào)查，從河池市自然資源廳部門獲??；DEM數(shù)字高程模型(30 m×30 m)從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)獲?。煌寥罃?shù)據(jù)取自世界土壤數(shù)據(jù)庫；其他基礎地理數(shù)據(jù)包括：集水區(qū)數(shù)據(jù)、氣象站點數(shù)據(jù)、降水量、日最高溫溫均值和日最低溫均值均取自中科院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心。

1.2 研究方法

在充分理解河池市地貌特征的基礎上，分析河池市自然生態(tài)情況以及生態(tài)環(huán)境建設中存在的主要問題，遵循指標選取的科學性原則、代表性原則與可操作性原則，從生態(tài)系統(tǒng)服務重要性和阻力因子2方面提出河池市生態(tài)安全保障措施。圍繞土壤保持、碳儲量、水源涵養(yǎng)因子評價，識別生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性區(qū)域，確定生態(tài)源地；選擇高程、坡度、土地利用覆被建立阻力因子體系，構建最小累積阻力面；最后，通過MCR方法提取生態(tài)廊道，完成河池市的生態(tài)安全現(xiàn)狀評估。

1.3 源地識別

生態(tài)源地是指提供重要生態(tài)系統(tǒng)服務的斑塊[6]。本文選擇土壤保持、碳儲量、水源涵養(yǎng)3項體現(xiàn)生態(tài)基底特征的生態(tài)系統(tǒng)服務功能，定量評估河池市總體生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性，將功能重要區(qū)作為具有良好生態(tài)系統(tǒng)功能的重要斑塊提取生態(tài)源地，作為重點規(guī)劃區(qū)保護。

(1)土壤保持重要性評價。土壤保持評價模型根據(jù)通用土壤流失方程RUSLE估算潛在土壤侵蝕量(Ap)和現(xiàn)實土壤侵蝕量(Ar)，土壤保持量(Ac)為兩者差。計算式見式1，根據(jù)自然間斷點分為五個等級。

Ac=Ap-Ar=R×K×LS-R×K×LS×C×P=R×K×LS×(1-C×P)

(1)

將林地、草地、水田、旱地的C值分別賦值為0.02、0.03、0.12、0.31，其他土地利用類型賦值為0；將水田和旱地的P值分別設定為0.15和0.40，林地、草地和未利用地設為1，水域、建設用地和濕地設為0；R值運用降水量的數(shù)據(jù)進行空間插值；LS利用GIS表面分析工具，參考已有研究公式計算得出，K值根據(jù)土壤各組分含量計算得出[7]。

(2)碳儲量重要性評價。碳儲量評價模型結合生物量與蓄積量的關系推算得到地上地下碳儲量數(shù)據(jù)，使各個柵格單元都有對應的土地利用/土地覆蓋類型(LULC)代碼，通過Invest-Carbon模塊進行處理運算得到結果[8-9]。

(3)水源涵養(yǎng)功能重要性。水源涵養(yǎng)評價在 InVEST 模型中輸入地表蒸發(fā)、植物蒸騰、降水和土壤性質等參數(shù)計算產(chǎn)水量，并運用土壤飽和導水率、地形指數(shù)和流速系數(shù)對其進行修正，得到水源涵養(yǎng)量。具體計算公式為：

(2)

式中，R為水源涵養(yǎng)量；Ve為流速系數(shù)，通過查閱文獻根據(jù)土地利用類型進行賦值[10]；TI為地形指數(shù)，無量綱，由坡度、集水區(qū)數(shù)據(jù)計算獲得；Ksat為土壤飽和導水率，由土壤性質決定；Y為年產(chǎn)水量，由年平均蒸散發(fā)量和降水量的相關公式計算獲得[11]。

(4)生態(tài)重要性綜合評價。結合土壤保持、碳儲量、水源涵養(yǎng)3個評價指標，由ArcGIS柵格計算器加權疊加各因子分值得到生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要值，評估結果根據(jù)自然斷點法分為不重要、一般重要、較重要、重要、極重要5個等級。

1.4 阻力面構建

物種、能量在空間中遷移、流動時，會受到自然干擾或人為活動的影響，土地利用能夠反映人類活動對生態(tài)安全與生態(tài)環(huán)境質量的影響，是影響生態(tài)安全格局的主要阻力因子[5]；將土地利用覆被、高程、坡度作為阻力因子構建景觀生態(tài)安全阻力面，利用層次分析法(AHP)確定各因子權重，按照表1將高程因子分為5個等級，坡度因子分為5個等級，土地利用覆被為7個等級(表1)[12-14]。

表1 阻力因子系數(shù)Tab.1 Resistance factor coefficient of ecological security pattern

根據(jù)河池市土地利用類型圖和DEM數(shù)據(jù)，結合各單因子阻力賦值和權重，利用ArcGIS的Spatial Analysis功能模塊中的Reclassify工具對單因子進行賦值，再用raster calculator工具進行加權疊加，構建最小累積阻力面。

1.5 生態(tài)節(jié)點及廊道提取

生態(tài)廊道是指在自然環(huán)境中呈帶狀或線型布局、溝通連接較為分散和孤立的生態(tài)景觀單元的生態(tài)系統(tǒng)空間類型，為物種的遷移、擴散和交換提供通道。借助最小累積阻力模型(MCR)計算最小累積耗費距離，提取生態(tài)源地之間的廊道。該模型運用 ArcGIS 的空間分析功能，公式為：

(3)

式中，MCR為最小累積阻力值；f為空間中任一位置的最小阻力值和其到全部源的距離以及景觀基面特征之間的正相關關系；Dij為物種從源地j到目標地i穿越的空間距離；Ri為景觀單元i對物種移動的阻力；m為景觀單元總數(shù)；n為源總數(shù)[15]。

基于已識別的生態(tài)源地，將主要生態(tài)源地的中心點作為生態(tài)節(jié)點，根據(jù)阻力面和生態(tài)節(jié)點，運用ArcGIS的cost distance工具計算生態(tài)節(jié)點在市域范圍內(nèi)擴張的累積阻力值。通過cost path工具得到兩生態(tài)節(jié)點間的最小耗費路徑，生成廊道。

2 結果與分析

2.1 源地識別

生態(tài)系統(tǒng)服務功能綜合性評價結果(圖1)顯示，河池市生態(tài)系統(tǒng)服務功能較重要區(qū)較為分散，面積達8 774.25 km2，占研究區(qū)總面積的26.19%。生態(tài)服務功能重要區(qū)是生態(tài)服務價值極重要區(qū)的邊緣延伸，主要分布在天峨縣東部、南丹縣東南部、環(huán)江毛南族自治縣東北部、鳳山縣南部以及大化瑤族自治縣和東蘭縣，面積約為3 558.75 km2，占研究區(qū)總面積的10.6%。生態(tài)極重要區(qū)面積為1 566.4 km2，約占研究區(qū)總面積的4.68%，為城市生態(tài)健康穩(wěn)定發(fā)展提供了重要的服務保障。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性Fig.1 Importance of ecosystem services

篩選生態(tài)系統(tǒng)服務功能極重要區(qū)，剔除散碎和生態(tài)服務價值功能相對較低斑塊，將連通性好、斑塊面積大的生態(tài)系統(tǒng)服務功能極重要區(qū)域作為生態(tài)源地。篩選后得到河池市生態(tài)源地面積為1 347.68 km2，占研究區(qū)總面積的4.05%。

從地理空間角度看，生態(tài)源地主要集中于河池市中部和西部，在天峨縣東部、東蘭縣、鳳山縣、環(huán)江毛南自治縣西南部、都安瑤族自治縣等地區(qū)分布較為集中，主要為打狗江、刁江、紅水河等重要水系沿岸。這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能好，生境質量高。

從用地類型角度看，林地為生態(tài)源地的主要用地類型，占總生態(tài)源地面積的88.6%；其次是耕地、園地和草地，占總生態(tài)源地面積的 9.01%；建設用地和未利用地大部分是非生態(tài)源地，少部分靠近河流水域、自然保護區(qū)和地質公園，生態(tài)服務價值有所提高，成為生態(tài)源地的一部分。

2.2 廊道識別

河池市共有17條廊道，呈網(wǎng)狀分布，總長度約為698.34 km。河池市生態(tài)廊道經(jīng)過大部分林地、濕地、自然保護區(qū)，避開非生態(tài)用地、建設用地，與河流水系形態(tài)關系密切。生態(tài)廊道連通各生態(tài)源地，使河池市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部高度關聯(lián)，并呈現(xiàn)生態(tài)空間格局的整體性、穩(wěn)定性。

3 生態(tài)安全保障的主要路徑

本文從優(yōu)化河池市綠色基礎設施網(wǎng)絡角度出發(fā)，依托識別出的生態(tài)源地、生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道，評估河池市生態(tài)安全現(xiàn)狀，指出提高河池市生態(tài)系統(tǒng)整體性、系統(tǒng)性需要重視的生態(tài)建設保護區(qū)，并提出保障生態(tài)安全的主要路徑。

生態(tài)建設區(qū)主要包括鳳山—東蘭生態(tài)綠地區(qū)域、大化—都安濕地林地區(qū)域、龍江—打狗江水源涵養(yǎng)區(qū)域、環(huán)江毛南生態(tài)林區(qū)域。鳳山—東蘭生態(tài)綠地區(qū)域生態(tài)源地較為集中，包含3個生態(tài)節(jié)點，且穿插多條生態(tài)廊道，鳳山巖溶國家地質公園、樂業(yè)—鳳山世界地質公園和東蘭縣國家地質公園均位于該區(qū)域，提高了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能；大化—都安濕地林地區(qū)域跨越大化瑤族自治縣和都安瑤族自治縣，同時位于紅水河和澄江流域，包含多個地質公園，濕地、林地資源充足，具有較強的水源涵養(yǎng)功能；龍江—打狗江水源涵養(yǎng)區(qū)域位于龍江和打狗江流域，是河池市主要流域，為土壤保持和水源涵養(yǎng)功能提供了較高的服務價值；環(huán)江毛南生態(tài)林區(qū)域布有一個生態(tài)節(jié)點，同時是木倫自然保護區(qū)和環(huán)江文雅地質公園的所在地，生物資源豐富，為地區(qū)的各生態(tài)服務功能都提供了較高的服務價值。河池市生態(tài)源地如圖2所示，河池市生態(tài)源地—廊道—節(jié)點分布如圖3所示。

圖2 河池市生態(tài)源地Fig.2 Ecological source of Hechi City

圖3 河池市生態(tài)源地—廊道—節(jié)點分布Fig.3 Ecological source corridor node distribution of Hechi City

針對鳳山—東蘭生態(tài)綠地區(qū)域，可大力發(fā)展城市綠地，在實用功能方面除作為休閑游憩的場所，在發(fā)生重大災害時作為城市減災防災的基礎設施，還可以為搶險救災提供有效的救治收容空間[16-18]，提供維持生物多樣性功能；針對大化—都安濕地林地等大面積林地分布地區(qū)，同時也是自然保護區(qū)與國家公園的聚集區(qū)，可大力推進封山育林工程、濕地綠化工程等生態(tài)修復重建項目，加大生態(tài)屏障的生態(tài)林帶保護力度以鞏固水土保持功能，形成重要的生態(tài)保育區(qū)；另外，針對龍江—打狗江水源涵養(yǎng)地區(qū)，應全面截污清污，加強入河排污口的治理與定點監(jiān)測，實施疏浚河道、水源涵養(yǎng)林建設工程、江河湖庫與水源地保護修復工程、生態(tài)護岸工程多措并舉；環(huán)江毛南生態(tài)林地區(qū)應加大退耕還林植被修復力度，加強防護林的培育治理工作，積極推行綠色產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟循環(huán)發(fā)展，提高自然災害防御能力，保障生態(tài)安全；以上，河池市應建立生態(tài)保護信息系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測生態(tài)安全問題，完善生態(tài)補償制度，綜合提升生態(tài)安全可持續(xù)發(fā)展水平。

4 結論

本文聚焦河池市的生態(tài)本底情況，基于阻力因子和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性提取生態(tài)源地和生態(tài)廊道，評價河池市生態(tài)安全保障，以期提高河池市生態(tài)安全指數(shù)，為融入生態(tài)文明先行示范區(qū)建設提供科學依據(jù)與決策參考。

(1)河池市生態(tài)源地面積為1 347.68 km2，占全市面積的4.05%。主要分布在河池市的西部和中部，東蘭縣、天峨縣東部、鳳山縣、環(huán)江毛南自治縣西南部、都安瑤族自治縣等地區(qū)，且在羅城縣零星分布，以及在打狗江、刁江、紅水河等重要水系沿岸，這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能好，生境質量高。

(2)河池市共有17條廊道，呈網(wǎng)狀分布，總長度約為698.34 km。河池市生態(tài)廊道經(jīng)過大部分林地、濕地、自然保護區(qū)，避開非生態(tài)用地、建設用地，與河流水系形態(tài)關系密切。各類生態(tài)系統(tǒng)服務間具有高度關聯(lián)性，加強了生態(tài)源地之間的連通性。

(3)本文從加強河池市生態(tài)安全保障的角度出發(fā)，提出基于生態(tài)服務重要性的生態(tài)安全保障思路，強化生態(tài)源地與生態(tài)廊道的緊密關聯(lián)，生態(tài)源地內(nèi)維持生態(tài)系統(tǒng)服務功能，保護生物多樣性，生態(tài)廊道上加強綠色基礎設施建設，維持生態(tài)源地內(nèi)部及生態(tài)源地之間的物質能量流動，為保障國土空間規(guī)劃中生態(tài)空間保護與提升提供一定的參考依據(jù)。