縣域尺度下的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力綜合評(píng)價(jià)

韓文友周珉羽羅蓉

(1.自然資源部重慶典型礦區(qū)生態(tài)修復(fù)野外科學(xué)觀測研究站/重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120；2.重慶華地資環(huán)科技有限公司，重慶 401120)

前言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，社會(huì)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展對(duì)自然環(huán)境造成了一定的損害。生態(tài)修復(fù)已上升為推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的國家戰(zhàn)略工程，其核心是停止破壞生態(tài)系統(tǒng)，利用生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)恢復(fù)能力，以人工手段作為輔助，使遭受人類破壞的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)。而生態(tài)恢復(fù)力是受自然因素和人類因子共同作用形成的生態(tài)環(huán)境綜合指標(biāo)，可反映生態(tài)系統(tǒng)遇到外界干擾后維持其基本結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定的能力，可以為生態(tài)修復(fù)的本底調(diào)查、工程布局、修復(fù)效果評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)[1,2]。

目前已有一系列的研究關(guān)于生態(tài)恢復(fù)力評(píng)估。Holling最早提出恢復(fù)力的概念并將其應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中來，將其定義為系統(tǒng)吸收狀態(tài)變量、驅(qū)動(dòng)變量和參數(shù)的變化并繼續(xù)存在的能力[3]。隨后，生態(tài)學(xué)界不斷完善和發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的內(nèi)涵。當(dāng)前國際上關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力比較通俗的概念：恢復(fù)力是指生態(tài)系統(tǒng)在系統(tǒng)在達(dá)到臨界值前受到外界干擾后繼續(xù)維持其結(jié)構(gòu)、功能、等反饋不發(fā)生質(zhì)變的能力[4]。近年來，關(guān)于恢復(fù)力評(píng)估的研究已經(jīng)滲透到水資源、礦山、森林、城市等多個(gè)領(lǐng)域。如，李鑫鵬等[5]利用GIS技術(shù)和層次分析法，收集遙感反演的自然要素分類資料和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，從自然要素、土地壓力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)層面構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；畢云龍等[6]對(duì)香港、上海、高雄、新加坡等通過相對(duì)分析法初步研究生態(tài)恢復(fù)力水平；陳紅光等[7]采用節(jié)水灌溉面積率、生態(tài)環(huán)境用水比例、城市污水處理率、人均GDP和萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量等評(píng)價(jià)因子，通過用最小信息熵原理耦合熵權(quán)法和變異系數(shù)法，構(gòu)建黑龍江省水資源系統(tǒng)恢復(fù)力評(píng)價(jià)體系；張志苗等[8]通過指數(shù)衰減法擬合EVI變化斜率維持正、負(fù)趨勢的時(shí)間，對(duì)漢江全流域以及564個(gè)子流域開展生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力研究，對(duì)生態(tài)穩(wěn)定性以及可持續(xù)發(fā)展程度進(jìn)行評(píng)估。

重慶市兩江新區(qū)是繼上海浦東新區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)后的第3個(gè)國家級(jí)開發(fā)新區(qū)，也是內(nèi)陸第1個(gè)國家級(jí)開發(fā)開放新區(qū)。然而隨著城市化進(jìn)程加快，建設(shè)用地規(guī)模增大，擠占了生態(tài)空間。2007年為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，逐步關(guān)停了“四山”范圍內(nèi)礦山，但關(guān)停后并未對(duì)其展開針對(duì)性生態(tài)修復(fù)，嚴(yán)重減弱區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載力，降低山體水源涵養(yǎng)能力。為了落實(shí)長江上游生態(tài)保護(hù)和國家高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)長江上游生態(tài)屏障構(gòu)建以及生態(tài)修復(fù)，開展生態(tài)恢復(fù)力評(píng)價(jià)對(duì)于促進(jìn)整個(gè)長江流域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9,10]。鑒于此，本文基于多種生態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，結(jié)合專家意見和現(xiàn)場調(diào)研構(gòu)建兩江新區(qū)恢復(fù)力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)縣域尺度內(nèi)生態(tài)恢復(fù)力空間尺度的定量評(píng)估。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

兩江新區(qū)位于重慶主城區(qū)長江以北、嘉陵江以東，涉及到重慶市江北區(qū)、渝北區(qū)、北碚區(qū)3個(gè)行政區(qū)部分區(qū)域，及原北部新區(qū)、兩路寸灘保稅港區(qū)、兩江工業(yè)園區(qū)等功能經(jīng)濟(jì)區(qū)，全域規(guī)劃總面積1200km2。兩江新區(qū)屬典型中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約18℃。區(qū)域內(nèi)水資源豐富，水系河網(wǎng)發(fā)達(dá)。轄區(qū)植被物種繁多，層次復(fù)雜，是國家重要的森林區(qū)域之一。礦藏資源豐富，以石灰?guī)r為優(yōu)勢礦種，同時(shí)包含天然氣等其他重要資源。近年來，全區(qū)內(nèi)建設(shè)用地規(guī)模大、擴(kuò)張速度快，給生態(tài)環(huán)境帶來一定影響。研究區(qū)位置、高程以及區(qū)域鎮(zhèn)街如圖1所示。

圖1 研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)源

歸一化植被指數(shù)和DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，其中DEM數(shù)據(jù)為ASTER GDEM 30m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，通過ARCGIS空間分析功能計(jì)算地形起伏度。降水?dāng)?shù)據(jù)來自于國家氣象中心提供的站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)集，通過ARCGIS克里金插值成90m空間分辨率數(shù)據(jù)。夜間燈光數(shù)據(jù)(2013年)、生態(tài)服務(wù)價(jià)值柵格數(shù)據(jù)(2015年)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，分辨率為1km。土壤有機(jī)碳含量柵格數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織HWSD項(xiàng)目數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)在ARCGIS統(tǒng)一重采樣為90m分辨率數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取

生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力是指面對(duì)外界變化生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的能力。結(jié)合以往的研究和兩江新區(qū)自然生態(tài)和社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r，本文從自然因素和社會(huì)因素綜合分析生態(tài)恢復(fù)力水平。自然因素包含了降水、植被覆蓋度、地形起伏度、土壤有機(jī)碳含量和生態(tài)服務(wù)價(jià)值等5個(gè)評(píng)價(jià)因子，社會(huì)因素包含人口分布和夜間燈光等2個(gè)指標(biāo)。其中，土壤有機(jī)碳反應(yīng)土壤的肥力水平，土壤有機(jī)碳、降水和植被覆蓋度越大，恢復(fù)力水平越高，生態(tài)恢復(fù)過程越快。地形起伏度越大，作物對(duì)水分的吸收和作物的整體受光有較大的影響，生態(tài)服務(wù)價(jià)值反映了生態(tài)功能的服務(wù)水平，夜間燈光數(shù)據(jù)可以很好地反映該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平。

2.2 權(quán)重賦值

本文采用熵權(quán)法和專家打分法的主客觀賦權(quán)相結(jié)合的方法來各指標(biāo)的權(quán)重。熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)變異性大小來確定權(quán)重的客觀性賦權(quán)方法。一般而言，指標(biāo)的信息熵越大，指標(biāo)的變異成都越小，提供的信息量越小，在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用也越小，其權(quán)重也更小。相反，若指標(biāo)的信息熵越小，則指標(biāo)的變異程度越大，提供的信息量越大，在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用也越大，其權(quán)重也更大。

將各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

一組數(shù)據(jù)的信息熵：

指標(biāo)的權(quán)重：

將熵權(quán)法得到的權(quán)值與經(jīng)過專家打分后獲取的權(quán)值取平均即為最后的權(quán)值，最后結(jié)果如表1所示。

2.3 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將恢復(fù)力評(píng)價(jià)因子統(tǒng)一重采樣為90m分辨率數(shù)據(jù)，將各個(gè)指標(biāo)因子通過自然斷點(diǎn)法分成恢復(fù)力低、恢復(fù)力較低、恢復(fù)力中等、恢復(fù)力較高、恢復(fù)力高等5種水平，相應(yīng)值依次標(biāo)為1、3、5、7、9?；诮邓⒅脖桓采w度、地形起伏度、土壤有機(jī)碳含量和生態(tài)服務(wù)價(jià)值、人口分布和夜間燈光等級(jí)分布圖經(jīng)過加權(quán)求和可以得到綜合生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力，并經(jīng)過自然斷點(diǎn)法得到兩江新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力等級(jí)分布圖，最后的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力劃分等級(jí)如表2所示。

表1 評(píng)價(jià)因子權(quán)重賦值表

表2 生態(tài)恢復(fù)力劃分等級(jí)

3 成果與分析

從各個(gè)因子的權(quán)重表1可以看出，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力影響程度依次是生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值、降水量、夜間燈光和植被覆蓋度，地形起伏度和土壤碳含量權(quán)重最小。將單因子進(jìn)行評(píng)價(jià)得到的分級(jí)圖如圖2所示，生態(tài)服務(wù)價(jià)值和夜間燈光都是自西南向東北恢復(fù)力水平呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，降水自西向東呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，植被在北部區(qū)域以及地勢較高的山地區(qū)域覆蓋度較高，恢復(fù)力等級(jí)也較高，有機(jī)碳含量和地形起伏度成條帶分布。通過構(gòu)建降水量、夜間燈光、植被覆蓋度，地形起伏度、土壤碳含量、人口、夜間燈光指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，兩江新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評(píng)價(jià)如圖3所示。在空間尺度上，以鎮(zhèn)街為最小單位制圖，鎮(zhèn)街之間生態(tài)恢復(fù)力具有明顯的空間異質(zhì)性，整體呈現(xiàn)西南低東北高的趨勢。其中南部的石馬河、大竹林、龍山等街道生態(tài)恢復(fù)力呈現(xiàn)顯著的低值集聚。翠云街道、雙龍湖街道、仙桃街道生態(tài)恢復(fù)力處于較低的水平。在東北部，石船鎮(zhèn)、古路鎮(zhèn)和龍興鎮(zhèn)穩(wěn)定性呈現(xiàn)明顯的高值集聚。同時(shí)，本文結(jié)合自然斷點(diǎn)法將生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力劃分為5個(gè)等級(jí)，并將各個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的面積和面積占比繪制成表3。整體來說，生態(tài)恢復(fù)力水平較為平均，生態(tài)恢復(fù)力水平為較高以上的共計(jì)522.08km2，占比為44.6%?；謴?fù)力水平為較低及以下是區(qū)域面積共計(jì)402.49km2，占比為34.53%。雖然各地生態(tài)類型有差異，但恢復(fù)力較高及以上的區(qū)域明顯聚集在草地、灌木林和喬木林較多的石船鎮(zhèn)、古路鎮(zhèn)等地，對(duì)于觀音橋街道、石馬河街道等城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)恢復(fù)力呈現(xiàn)最低。

表3 生態(tài)恢復(fù)力各等級(jí)面積占比

圖2 單個(gè)因子恢復(fù)力等級(jí)圖

生態(tài)恢復(fù)力出現(xiàn)以上變化的原因在于研究區(qū)的西南區(qū)域主要是觀音橋、人和、大竹林、天宮殿等一些街道，這些區(qū)域城市化水平較高，經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展較高，城鎮(zhèn)建設(shè)用地多，生態(tài)空間較少，生物多樣性較為單一，因此生態(tài)恢復(fù)力能力處于低水平。研究區(qū)的東北部主要為石船鎮(zhèn)、古路鎮(zhèn)，這些區(qū)域城鎮(zhèn)開發(fā)程度低，區(qū)域喬木林、灌木林等植被覆蓋度較多，降水充沛，生物種類較多，生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抵抗外界干擾能力較強(qiáng)，因此生態(tài)恢復(fù)力處于較高水平。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力評(píng)價(jià)等級(jí)圖

4 總結(jié)與討論

本文利用遙感反演的自然要素資料和社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料，再充分考慮各個(gè)指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力影響的作用機(jī)理，采用熵權(quán)法和專家打分相結(jié)合的方法對(duì)各類指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，從而構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力模型對(duì)兩江新區(qū)空間分布特征進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示，生態(tài)恢復(fù)力具有明顯的空間異質(zhì)性，整體呈現(xiàn)西南低東北高的趨勢，生態(tài)恢復(fù)力低的區(qū)域主要是由于這些區(qū)域城市化程度較高，建設(shè)用地多擠占了生態(tài)空間，生物多樣性單一，抵抗外界干擾能力相對(duì)較差，生態(tài)恢復(fù)力高的區(qū)域主要為城鎮(zhèn)化水平較低的區(qū)域，由于生態(tài)面積大，生物多樣性繁多，生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此抵抗外界干擾能力較強(qiáng)。以上的研究成果不僅為丘陵區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化影響因素以及作用機(jī)理提供基礎(chǔ)，還可以為區(qū)域開展生態(tài)修復(fù)工作提供依據(jù)，對(duì)于長江上游生態(tài)屏障的建立以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。不過在本次工作中，社會(huì)因素選取了人口和夜間燈光數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在未來的工作，應(yīng)該多考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)政策和更高精度的自然要素產(chǎn)品，提供更為完善的指標(biāo)體系來對(duì)丘陵區(qū)域生態(tài)恢復(fù)力影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。