高山草甸生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)單元?jiǎng)澏ㄑ芯?br/>——以達(dá)日縣為例

常金為，員學(xué)鋒，趙世鵬，張秀紅

（1. 陜西華地勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，西安 710000；2. 陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710000）

0 引言

為強(qiáng)化草原保護(hù)，我國已批準(zhǔn)實(shí)施了一大批生態(tài)修復(fù)工程，1986 年至今，農(nóng)業(yè)部、發(fā)改委、環(huán)保部先后實(shí)施了黃河中上游和長江中上游重點(diǎn)防治工程、青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程、草原保護(hù)建設(shè)利用重點(diǎn)工程等，但生態(tài)修復(fù)工程多以生態(tài)問題為切入點(diǎn)忽略了生態(tài)功能的提升[1]。

生態(tài)修復(fù)是針對區(qū)域空間格局失調(diào)、資源利用低效、生態(tài)功能受損進(jìn)行修復(fù)的活動(dòng)和過程[2]。生態(tài)修復(fù)分區(qū)是根據(jù)不同區(qū)域尺度生態(tài)主導(dǎo)功能的退化、受損、破壞情況，對生態(tài)修復(fù)科學(xué)定位、合理區(qū)分的過程[1-3]。其目的是針對性解決不同尺度生態(tài)系統(tǒng)問題，調(diào)節(jié)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，對于協(xié)調(diào)保護(hù)與利用間的矛盾、提升整體生態(tài)效益具有現(xiàn)實(shí)意義。生態(tài)修復(fù)分區(qū)是開展生態(tài)修復(fù)的前提，生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)是生態(tài)功能提升[3]。

生態(tài)修復(fù)分區(qū)源于生態(tài)區(qū)劃，目前關(guān)于生態(tài)修復(fù)分區(qū)的研究方向主要基于生態(tài)主導(dǎo)功能劃分生態(tài)修復(fù)分區(qū)，建立大區(qū)（立地條件）、亞區(qū)（主導(dǎo)生態(tài)功能）、小區(qū)（生態(tài)退化程度或生態(tài)問題）3 級(jí)分區(qū)指標(biāo)，采用因子疊加法及“自上而下”和“自下而上”結(jié)合法，劃定生態(tài)修復(fù)分區(qū)[4-7]。但仍然存在以下兩方面問題：一是“小區(qū)”指標(biāo)研究中確定生態(tài)退化程度時(shí)所選取的影響因素較單一，或者生態(tài)問題鮮有進(jìn)行定量分析；二是研究區(qū)域范圍較大，且涉及生態(tài)修復(fù)分區(qū)的研究結(jié)果覆蓋全域，存在不易操作的缺點(diǎn)，從而使生態(tài)修復(fù)工程針對性較差，造成生態(tài)修復(fù)中的資源浪費(fèi)，無法合理高效地利用生態(tài)修復(fù)資源來提升當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)功能。

因此，本研究選擇青海省果洛州達(dá)日縣作為研究區(qū)域，綜合選擇多項(xiàng)指標(biāo)定量分析生態(tài)問題，再通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價(jià)判定主導(dǎo)生態(tài)功能區(qū)，結(jié)合定量化分析生態(tài)問題的結(jié)果，對縣域局部劃定生態(tài)修復(fù)單元。

1 研究區(qū)概況

達(dá)日縣是青海省果洛州下轄縣，是國土空間規(guī)劃中“三江源草原草甸濕地生態(tài)屏障區(qū)”，面積14 495 km2。全縣平均海拔4 200 m 以上，屬高寒半濕潤氣候，無明顯四季之分，只有冷暖之別，年平均溫度為-0.5℃，晝夜溫差為15～25℃，年平均降水量540.6 mm，年平均蒸發(fā)量1 205.9 mm。境內(nèi)草地占全縣面積的80.21%，含2 個(gè)草原類（91.56%高寒草甸、0.04%山地草甸）和13 個(gè)草原型，是典型的高寒牧區(qū)縣，對比近十年草地面積，累計(jì)減少約10%，且畜牧超載程度相對較高，引起草地退化、“黑土灘”擴(kuò)大等一系列生態(tài)問題出現(xiàn)。

2 研究思路與方法

2.1 劃定思路

生態(tài)修復(fù)單元的劃定參考生態(tài)修復(fù)分區(qū)的方式，評價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)各類服務(wù)功能，通過疊加分析得到區(qū)域主導(dǎo)生態(tài)功能，疊加立地條件對主導(dǎo)生態(tài)功能進(jìn)行修正和命名，獲取生態(tài)功能分區(qū)。按照GB19377-2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》測算草地退化程度，疊加各服務(wù)功能的單因子結(jié)果，選擇生態(tài)系統(tǒng)各類服務(wù)功能較低和草地退化中重度嚴(yán)重的區(qū)域作為修復(fù)治理區(qū)域，并在此區(qū)域上按照“集中連片”原則劃定生態(tài)修復(fù)單元，見圖1。

圖1 生態(tài)修復(fù)單元?jiǎng)澐炙悸穲D

2.2 生態(tài)功能分區(qū)劃定方法

2.2.1 高寒草地生態(tài)功能分區(qū)

按照國家主體生態(tài)功能區(qū)劃中提出的水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、土壤保持、生物多樣性等生態(tài)功能，通過運(yùn)算得到的縣域空間上各生態(tài)功能中最大的生態(tài)功能作為主導(dǎo)生態(tài)功能[8]。

2.2.1.1 水源涵養(yǎng)功能。草甸生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)對降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積，并通過蒸散發(fā)，實(shí)現(xiàn)對水流、水循環(huán)的調(diào)控。以水源涵養(yǎng)量作為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的評價(jià)指標(biāo)，采用水量平衡方程來計(jì)算水源涵養(yǎng)量[9]：

式中，TQ為水源涵養(yǎng)量（m3）；P為降雨量（mm）；R為地表徑流量（mm）；ET為蒸散發(fā)量（mm）；A為草地生態(tài)系統(tǒng)面積（km2）；a為草甸生態(tài)系統(tǒng)的平均地表凈流系數(shù)。上述數(shù)據(jù)可從國家氣象科學(xué)中心獲取。

2.2.1.2 土壤保持功能。土壤保持指由于水蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕，以土壤保持量作為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的評價(jià)指標(biāo)，土壤保持量指潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量的差值，基于通用土壤流失方程USLE[9]計(jì)算：

式中，AC為單位面積的土壤保持量[t/(hm2·a)]；R為降雨侵蝕力因子，單位為[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K為土壤侵蝕力因子，單位是[t·h/(MJ·mm)]；L和S分別為坡長、坡度因子；C為植被覆蓋管理因子；L、S和C均為無量綱單位。數(shù)據(jù)可從寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取。

2.2.1.3 防風(fēng)固沙功能。防風(fēng)固沙服務(wù)功能是指在地表無植被狀況下的土壤風(fēng)蝕量與植被覆蓋條件下的土壤風(fēng)蝕量的差值，土壤風(fēng)蝕量采用修正風(fēng)蝕方程[9]估算：

式中，SL為實(shí)際土壤風(fēng)蝕模數(shù)[t/(km2·年)]；z為最大風(fēng)蝕出現(xiàn)距離（m）；QMAX為最大轉(zhuǎn)移量（kg/m）；WF為氣候因子（kg/m）；EF為土壤可蝕性因子（無量綱）；SCF為土壤結(jié)皮因子（無量綱）；K′為地表粗糙度因子；C為植被覆蓋度因子。

2.2.1.4 生物多樣性功能。生物多樣性功能采用InVEST模型分析生境質(zhì)量，以生境質(zhì)量高低反應(yīng)生物多樣性，生境質(zhì)量高低通過生境質(zhì)量指數(shù)評價(jià)[7]，其式為：

式中，Qxj為j類型生境斑塊x的生境質(zhì)量；Hj為j類型土地覆被對應(yīng)的生境適宜度；k為半飽和常數(shù)，一般將其設(shè)置為研究區(qū)域內(nèi)柵格單元生境退化程度最大值的一半；z為模型默認(rèn)參數(shù)，z=2.5；Dxj為j類型生態(tài)系統(tǒng)中柵格單元x的生境退化程度；r為威脅因子；R為威脅因子總量；y為威脅源中r柵格圖層中的柵格單元；Yr為威脅因子r柵格圖層中柵格單元的總數(shù)；Wr為r類型威脅源的相對權(quán)重；irxy為r類型威脅源圖層中y柵格單元對生態(tài)系統(tǒng)柵格單元x的影響強(qiáng)度，該因素是r類型威脅源的最大影響距離和生境斑塊x與r類型威脅源圖層中y柵格單元之間距離的函數(shù)；βx為柵格單元x的抗干擾能力；Sjr為j類型生態(tài)系統(tǒng)對r類型威脅因子的敏感性[6]。

2.2.1.5 主導(dǎo)生態(tài)功能。利用ArcGIS 10.2 軟件中的“柵格計(jì)算”功能，分別進(jìn)行計(jì)算上述四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能并生成柵格圖。由于各生態(tài)功能單位不一致，無法進(jìn)行比較和柵格運(yùn)算，因此采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對生成的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使得各柵格數(shù)據(jù)的取值在[1,3,5,7,9]的標(biāo)準(zhǔn)化值范圍內(nèi)，將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的各圖層進(jìn)行疊加分析，將各個(gè)柵格對應(yīng)位置上最大等級(jí)的生態(tài)功能作為主導(dǎo)生態(tài)功能，生成新的主導(dǎo)生態(tài)功能空間分布圖。參考國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)空間分布格局[8]，達(dá)日主要位于水源涵養(yǎng)和生物多樣性功能區(qū)內(nèi)，因此將具有相同賦值的柵格按照水源涵養(yǎng)≥生物多樣性＞土壤保持＞防風(fēng)固沙的原則作為新的主導(dǎo)生態(tài)功能。

2.2.1.6 生態(tài)功能區(qū)劃分。疊加達(dá)日地形圖，對主導(dǎo)生態(tài)功能進(jìn)行修正，再按照黃河流域和長江流域?qū)π拚蟮闹鲗?dǎo)生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行劃分和命名。

2.2.2 草地退化指標(biāo)測算與程度分級(jí)

本研究結(jié)合前人構(gòu)建指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)[10-19]，遵循評價(jià)指標(biāo)可反映“草”退化和“地”退化，簡潔獨(dú)立，易于量化的原則，參考GB19377-2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》，草地退化程度分級(jí)見表1。

表1 草地退化程度分級(jí)

2.2.2.1 總覆蓋度相對百分?jǐn)?shù)減少率。利用ENVI 5.3中對2015-2020 年Landsat 8 OLI 遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、地形校正和裁剪后，再提取歸一化植被指數(shù)（NDVI），計(jì)算植被覆蓋度。植被覆蓋度計(jì)算公式[20-21]：

式中，F(xiàn)C為植被覆蓋度；NDVI通過遙感影像近紅外波段和紅外波段的發(fā)射率來計(jì)算。NDVIveg為純植被的NDVI值，NDVIsoil為完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

2.2.2.2 可食草產(chǎn)量相對百分?jǐn)?shù)據(jù)的減少率?？墒巢莓a(chǎn)量根據(jù)草地生態(tài)監(jiān)測中“可食干草量”樣點(diǎn)數(shù)據(jù)通過克里金插值的方法[22]分別得到2015 年和2020 年全縣域可食產(chǎn)草量，進(jìn)而測算可食草產(chǎn)量相對百分?jǐn)?shù)據(jù)的減少率。

2.2.2.3 土壤侵蝕模數(shù)相對百分?jǐn)?shù)的增加率。土壤侵蝕模數(shù)是土壤侵蝕量的度量方法，土壤侵蝕量可用土壤流失方程式USLE 求得[23]，其式為：

式中，Ar為單位面積現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量，單位是[t/(hm2·a)]；R為降雨侵蝕力因子，單位為[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K為土壤侵蝕力因子，單位是[t·h/(MJ·mm)]；L和S分別為坡長、坡度因子；C為植被覆蓋管理因子；P為水土保持工程措施因子；L、S、C和P均為無量綱單位。

2.2.2.4 鼠洞面積占草地面積相對百分?jǐn)?shù)的增加率。采取2015-2020 年達(dá)日縣野外秋季基數(shù)調(diào)查數(shù)據(jù)，對“鼠洞面積”樣點(diǎn)數(shù)據(jù)通過克里金差值的方式[22]分別得到2015 年和2020 年全縣域鼠洞面積，進(jìn)而測算鼠洞面積占草地面積相對百分?jǐn)?shù)的增加率。

2.2.2.5 草地退化分級(jí)。將四項(xiàng)指標(biāo)測算的結(jié)果生成的柵格圖疊加，按照未退化、輕度退化、中度退化、重度退化區(qū)域疊加，生成草地退化程度分級(jí)圖。

2.2.3 高寒草地生態(tài)修復(fù)單元?jiǎng)澏?/p>

保留草地退化中重度、水源涵養(yǎng)、土壤保持量、防風(fēng)固沙、生物多樣性服務(wù)功能較低的區(qū)域作為修復(fù)治理區(qū)域，在此基礎(chǔ)上選擇集聚度高的區(qū)域劃分修復(fù)單元，并按照需修復(fù)的嚴(yán)重程度和所處的流域（達(dá)日內(nèi)部流域）命名生態(tài)修復(fù)單元。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)功能分區(qū)

達(dá)日屬于半濕潤氣候，按照水源涵養(yǎng)功能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)日水源涵養(yǎng)功能較好，整體情況劃分為極重要、重要和不重要，重要和極重要占全域的97.45%；土壤保持功能和生物多樣性保護(hù)功能整體較高，極重要和重要幾乎覆蓋全域；防風(fēng)固沙功能較弱的區(qū)域占比3.99%，主要分布在雪山附近。各生態(tài)系統(tǒng)功能評價(jià)成果圖見圖2～5。

圖2 水源涵養(yǎng)功能評價(jià)結(jié)果圖

圖3 土壤保持功能評價(jià)結(jié)果圖

圖4 防風(fēng)固沙功能評價(jià)結(jié)果圖

達(dá)日共劃分四個(gè)生態(tài)功能分區(qū)：黃河流域水源涵養(yǎng)與生物多樣性功能區(qū)，黃河流域土壤保持功能區(qū)，長江流域水源涵養(yǎng)與生物多樣性功能區(qū)，長江流域土壤保持功能區(qū)（見圖6）?？h域主導(dǎo)生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)與生物多樣性功能和土壤保持，水源涵養(yǎng)與生物多樣性功能區(qū)占縣域面積的57.05%，見表2，主要分布在特合土鄉(xiāng)、桑日麻鄉(xiāng)、莫壩鄉(xiāng)、下紅科鄉(xiāng)和上紅科鄉(xiāng)部分；土壤保持占縣域面積的42.95%，主要分布在建設(shè)鄉(xiāng)、吉邁鎮(zhèn)、窩賽鄉(xiāng)、吉邁鎮(zhèn)、德昂鄉(xiāng)、滿掌鄉(xiāng)、下紅科鄉(xiāng)和上紅科鄉(xiāng)部分。

圖6 生態(tài)功能分區(qū)圖

3.2 草地退化結(jié)果

根據(jù)2015 年和2020 年植被覆蓋度的結(jié)果，測算總植被覆蓋度相對百分?jǐn)?shù)減少率，按照退化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分未退化、輕度退化、中度退化和重度退化規(guī)模，同理測算可食草產(chǎn)量相對百分?jǐn)?shù)據(jù)的減少率、土壤侵蝕模數(shù)相對百分?jǐn)?shù)的增加率、鼠洞面積占草地面積相對百分?jǐn)?shù)的增加率。

2020 年相比2015 年植被覆蓋情況較好，主要為輕度退化，中重度退化約占全部草地面積的21.84%；2020年的干草產(chǎn)量相對2015 年的干草產(chǎn)量有所減少，總產(chǎn)草量相對百分?jǐn)?shù)的減少率劃分草地退化程度，中重度占比61.25%，主要分布在特合土鄉(xiāng)、建設(shè)鄉(xiāng)和桑日麻鄉(xiāng)；草地退化受土壤侵蝕的影響較小，土壤侵蝕模數(shù)相對百分?jǐn)?shù)的增加率劃分的草地退化程度中，不存在重度退化，中度退化主要集中在德昂鄉(xiāng)、滿掌鄉(xiāng)和下紅科鄉(xiāng)；受鼠害影響導(dǎo)致草地退化最嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在特合土鄉(xiāng)和桑日麻鄉(xiāng)西北部，中重度退化面積占34.19%。各監(jiān)測指標(biāo)退化程度參見表3 和圖7～10。

圖7 總覆蓋度相對百分?jǐn)?shù)減少率對應(yīng)草地退化程度分級(jí)圖

圖8 可食草產(chǎn)量相對百分?jǐn)?shù)據(jù)的減少率對應(yīng)草地退化程度分級(jí)

圖9 土壤侵蝕模數(shù)相對百分?jǐn)?shù)的增加率對應(yīng)草地退化程度

圖10 鼠洞面積占草地面積相對百分?jǐn)?shù)的增加率對應(yīng)草地退化

對以上四項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的柵格疊加分析，生成達(dá)日草地退化程度分布圖，見圖11。達(dá)日草地退化中重度占比達(dá)40%（表4），面積約505 179.18 hm2，主要集中在特合土鄉(xiāng)、建設(shè)鄉(xiāng)、吉邁鎮(zhèn)和德昂鄉(xiāng)。

表4 達(dá)日草地退化程度統(tǒng)計(jì)表（單位：公頃，%）

圖11 草地退化分布圖

3.3 生態(tài)修復(fù)單元?jiǎng)澏ńY(jié)果

基于前文研究成果，達(dá)日最終劃定7 個(gè)生態(tài)修復(fù)單元：夏曲流域草地退化修復(fù)單元、昂蒼曲流域草地退化修復(fù)單元、吉邁河流域草地退化修復(fù)單元、黃河沿岸草地退化修復(fù)單元、達(dá)日河流域綜合修復(fù)單元、柯曲流域綜合修復(fù)單元、尼曲流域草地退化修復(fù)單元（圖12）。

圖12 生態(tài)修復(fù)單元

4 結(jié)論

本研究以達(dá)日縣作為研究區(qū)域，在生態(tài)功能服務(wù)功能評價(jià)和生態(tài)問題分析的基礎(chǔ)上，劃定生態(tài)修復(fù)單元得出以下結(jié)論：

（1）中重度退化草地近草地總面積的40%，主要分布在達(dá)日北部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)。相比歷史相關(guān)統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù)，中重度退化有明顯改善。

（2）達(dá)日生態(tài)主導(dǎo)功能以水源涵養(yǎng)和生物多樣性及土壤保持為主，防風(fēng)固沙整體情況良好，相對較弱的區(qū)域位于雪山周圍。

（3）達(dá)日最終劃定7 個(gè)生態(tài)修復(fù)單元：夏曲流域草地退化修復(fù)單元、昂蒼曲流域草地退化修復(fù)單元、吉邁河流域草地退化修復(fù)單元、黃河沿岸草地退化修復(fù)單元、達(dá)日河流域綜合修復(fù)單元、柯曲流域綜合修復(fù)單元、尼曲流域草地退化修復(fù)單元。

本研究采用的方法對于研究區(qū)域本身較大的情況下生態(tài)修復(fù)區(qū)域和方向針對性較強(qiáng)，且大大降低了生態(tài)修復(fù)工程的成本，高效提升了區(qū)域生態(tài)功能。

另外，本研究在評價(jià)生物多樣性保護(hù)功能時(shí)，選擇生境質(zhì)量指數(shù)表征生物多樣性的持續(xù)性和恢復(fù)能力，無法體現(xiàn)物種多樣性，下一步工作中，應(yīng)將物種多樣性考慮其中，使得研究結(jié)果更加具有說服力。