基于生态系统服务提升的山水林田湖草优先区分析——以贵州省为例

刘世梁,董玉红,孙永秀,史芳宁

1 北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室, 北京 100875 2 中国林业科学研究院林业研究所/国家林业局林木培育重点实验室, 北京 100091

喀斯特地区环境独特、生态脆弱,一直是科学界关注的热点地区。我国西南喀斯特地区是世界上最大的喀斯特连续带,贵州省是西南喀斯特地区的典型代表[1]。喀斯特环境是一个脆弱的生态系统,具有环境容量低,生态环境敏感度高、抗干扰能力弱和稳定性差等一系列脆弱性特征[2-3]。人类活动进一步加剧了环境的脆弱性,研究贵州喀斯特生态环境的脆弱性区域差异,有利于针对其脆弱程度进行开发治理,促进生态环境的恢复与可持续发展[4]。生态修复一直是脆弱的喀斯特地区治理的重点和难点,目前已开展了一系列生态治理的研究和示范,主要有不同等级石漠化人工生态恢复的植被配置模式[5]、石漠化景观生态优化途径[6]、生物措施治理水土流失模式[7]、植被生态恢复的物种选择[7]、峰丛洼地石漠化生态治理模式[9]、石漠化治理中农草林草空间优化配置技术与示范[10]、基于植物多样性恢复和保护的土地整理与混农林业复合经营模式、土地整理与特色经果林集约经营模式[11]。2016年国家陆续启动了陕西、河北、甘肃、贵州等省的国家重点生态功能区山水林田湖草系统保护修复试点工作,主要以区域生态环境问题和主导生态系统功能为导向,对山上山下、地上地下、流域上下游等进行整体保护、系统修复和综合治理,改变治山、治水、护田、植树、种草分割管理的格局,实现生态系统“格局优化、系统稳定、功能提升”的生态保护修复目标[12]。但是如何从整体上来开展山水林田湖草生态修复,从空间总体格局入手分析重要的生态修复工程措施,是目前实施的关键途径。

生态系统服务研究是生态系统恢复、生态功能区划和保障国家生态安全的重大战略需求[13]。已有研究通过生态系统服务的空间格局分析,进行流域生态系统服务的调控[14]、保护区管理计划[15]、青藏高原高山牧场保护区识别[16]、陕西省水土保持服务热点区域识别[17]、城市生态空间规划[18]、生态恢复[19]。生态系统服务功能重要性评价一般是选取几种生态系统服务功能进行和评价[20-21]。以生态系统服务功能进行的生态系统服务综合评价往往难以全面反映出生态系统所受干扰的程度及其恢复能力。而景观格局变化对生态系统服务能力有明显影响[22],生态系统服务重要性评价必须考虑景观格局的空间差异,景观格局对各种生态过程具有决定性,进而影响生态系统服务的重要程度。从生态系统服务的重要性上来衡量山水林田湖草的成效具有重要意义,而对于生态系统修复项目的布局来说,还需要进一步辨识生态保护与经济效益之间的权衡关系。

贵州省位于长江和珠江的中上游,是筑牢长江、珠江上游重要生态屏障,也是首批3个国家生态文明试验区之一,近年来,生态文明建设始终放在首位。在喀斯特退化山区,一系列生态保护与建设重大工程虽然在林草植被、森林覆盖率等方面取得了积极成效,但是生态系统服务功能有待进一步恢复和提升。基于此,以贵州省的山水林田湖草生态修复整治为研究目标,通过对区域生态系统服务重要性评估、耦合生态保护和经济的冲突区分析,结合矿产资源分布、植被退化趋势和重要生态功能区分布,识别生态修复关键区域。本研究对区域社会经济与生态环境协调发展提供理论方法和决策依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

贵州地处云贵高原,介于东经103°36′—109°35′、北纬24°37′—29°13′之间,全省总面积17.62万km2,其中喀斯特面积占70%左右。地貌属于中国西南部高原山地,平均海拔在1100 m左右。气候属亚热带湿润季风气候,年均气温10—18℃,年降水量1000—1500 mm,相对湿度70%以上。2015年土地利用如图1所示,主要土地利用类型包括林地、草地、耕地、湿地、人工表面和其他未利用土地。2011—2015年的NDVI变化趋势可以看出,贵州省部分地区的植被变化仍处于严重退化的趋势(图1)。

图1 贵州省土地利用图和植被变化趋势(2011—2015)Fig.1 The landuse of Guizhou Province and the slope of vegetation change

1.2 数据来源

研究中采用土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)提供的2015年中国土地利用现状遥感监测数据(栅格单元大小为1 km×1 km)。NDVI数据来自于中国西部环境与生态科学数据中心所提供的2011—2015年SPOT_Vegetation NDVI逐旬数据(空间分辨率1 km,http://westdc.westgis.ac.cn)。生态系统服务重要性数据来自中国科学数据共享平台(http://www.csdata.org)。

2 研究方法

本研究的思路主要是在空间上,识别生态系统服务重要性分布,利用关键生态系统服务与景观格局分析,识别关键山水林田湖草生态修复流域；进一步结合保护与发展的冲突区分析,结合NDVI变化趋势和露天采矿区分布的退化区分析,提出流域的山水林田湖草生态修复的优先区。首先,生态系统服务重要性程度考虑关键生态系统服务类型,本研究考虑了生态系统服务的水源涵养、生物多样性保护和水土保持,同时也考虑景观脆弱度,采用综合指标体系法进行生态系统服务重要性评价。冲突区分析利用Wu等[23]提出的方法,对生态保护价值与经济发展效益两个方面,利用综合指标法,进行图层叠置开展分析。冲突区分析,可以在空间上对于生态修复的热点区域进行识别。因此,主要的技术路线如下(图2)。

图2 技术路线图Fig.2 The technical routine

2.1 生态系统服务重要性评价

生态系统服务重要性是将生态系统服务能力指数与景观脆弱性指数作为生态重要性评估的两部分,评价指标如表1所示。将生态系统综合服务指数和景观脆弱度进行叠加,获得生态重要区域。

生态系统服务能力指数ESI重点计算水源涵养功能、水土保持功能和生物多样性维护功能重要性,通过3项指标值累加获得[24]。

表1 冲突区的评价指标

DEM, 高程 Digital Elevation Model; CTI, 综合地形指数 Compound Topographic Index

景观脆弱性指数(LVI)利用景观适应度(LAI)和景观敏感度指数(LSI)构建景观脆弱度[25]。

LVI=LSI×(1-LAI)

(1)

景观适应度指数LAI的计算公式：

LAI=PRD×SHDI×SHEI

(2)

式中,PRD为斑块丰富度密度指数,SHDI为香农多样性指数,SHEI为香农均匀性指数。

景观敏感度指数其计算公式：

(3)

Ui=aFNi+bFDi+cDOi

(4)

式中,n为景观类型数目,i为景观类型；Ui为景观干扰度指数；FNi为破碎度指数；FDi为分维数倒数,DOi为优势度指数,其权重a,b,c分别为0.5,0.3和0.2；Vi为景观类型易损度,通常未利用地取值为7,林地、草地取值为5,耕地取值为3,建设用地、水域取值为1[26]。景观指数通过Fragstats 4.2计算获得。

2.2 冲突区分析

针对生态保护价值与经济发展效益2个发展方向[23],选取5个指标(两栖动物种类、哺乳动物种类、鸟类种类、森林覆盖率、荒野)对生态保护价值进行量化。选取8个指标(耕地比例、乡镇点、旅游景点、人口扩张、城市扩张、坡度、高程(DEM)、综合地形指数CTI)对经济发展效益进行量化。

2.3 山水林田湖草优先区和分区方案

通过植被退化趋势、生态与发展冲突区和生态重要性分级,结合贵州省矿产资源分布和重要生态功能区,识别贵州省山水林田湖草修复的关键区域,结合目前已经开展的生态修复措施等经验知识,可以开展山水林田湖草的分区方案划分和优先工程布局。主要以乌蒙山区域为例,分析目前的功能分区与生态修复的途径。

3 研究结果

3.1 贵州喀斯特区域生态重要性空间分异

贵州省生物多样性维持与保护、水源涵养、土壤保持3个生态系统服务功能及综合生态系统服务功能评价结果如图3所示。为显示贵州省生态系统服务能力分布的等级差异,利用自然断点法对生态系统服务进行等级划分,分别为低等、较低、中等、较高和高5级。可以看出水源涵养能力在贵州东部、东南部较高,中部、西北部较低。水土保持能力东南部、西北部较高,中间区域最低。生物多样性服务在贵州省西南、东南、东北部较高,较低的区域分布在中部、东部。通过3项指标值累加,得到综合生态系统服务能力指数,能力指数以东南部、东北部较高,中间和西北处于低和较低水平。

图3 贵州省生态系统服务能力Fig.3 Ecosystem service capability in Guizhou Province

利用自然断点法对流域水平的景观脆弱度指数进行5级划分,获得贵州省景观脆弱度分布(图4),景观脆弱度在都柳江流域、赤水河流域最高,乌江流域、牛栏江流域部分区域较高。生态系统服务能力指数和景观脆弱性指数分级叠加计算生态重要性的空间分布,如图4所示,贵州省的生态重要性在都柳江流域最高,赤水河流域、乌江流域、南北盘江流域的部分区域较高。

3.2 贵州省喀斯特区域生态保护与经济发展冲突分析

如图5所示,贵州省生态保护价值较高的区域分布在东南、西北部,较低和低的区域分布在西部和西南部。经济发展效益高和较高的区域分布在贵州中部、西北部和东北部,较低的区域分布在南部和东南部。

图4 贵州省景观脆弱度和综合生态重要性分布Fig.4 Spatial distribution of landscape vulnerability and integrated ecological importance in Guizhou Province

图5 贵州省生态保护和经济发展的空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecological protection and economic development in Guizhou Province

根据各自的中值将生态价值层(EV)与发展效益层(DB)分别分割为高值(H)与低值(L)两部分(EVH, EVL, DBH, DBL),将所得四部分进行交叉叠加,EVH×DBH, EVH×DBL, EVL×DBH, EVL×DBL分别定义为冲突区、保护区、发展区和低影响区。各区域分布如图6所示,贵州省保护区、发展区、冲突区和低影响区占的面积比例分别为1.08%、81.45%、15.48%和1.99%。冲突区集中分布的区域主要在西北和东南部。

3.3 贵州省喀斯特区域生态修复关键区识别

通过生态保护与经济发展冲突区、生态重要性、植被退化趋势进行分级,找出重点冲突区、生态重要性区域和植被退化区,和矿产资源分布与重点生态功能区叠加进行贵州省关键生态修复区的识别,如图7所示。矿产资源主要分布区域在贵阳市、六盘水市、安顺市、东南、西南、同仁地区、遵义市、毕节地区。植被退化严重区域在贵州省南部和西南部较集中,西北部分区域存在植被严重退化问题。生态与发展冲突区高的区域在东南、西北、北部、遵义、毕节地区。生态重要性高的区域在东北部和东南分布比较集中,在南部、西南和西北部分区域生态重要性高。重点生态功能区在贵州省东南部、东北部、西南部、西北部、南部,其中东北部和东南部的主要生态功能为水源涵养或水土保持,同时存在较高的生态系统服务重要性,东南部存在较多的生态冲突区及生态脆弱度较高的区域。西南部和南部的主要生态功能为水土保持,同时存在严重植被退化区及部分生态脆弱度高的区域。西北部的主要生态功能为水土保持,同时存在部分矿区分布,赤水市和习水县存在较多的生态冲突区,并且生态脆弱度较高,威宁县和郝章县存在部分严重植被退化区。

图6 贵州省冲突区、保护区、发展区和低影响区分布 Fig.6 Spatial distribution of conflict zones, protected areas, development areas and low impact areas in Guizhou Province

图7 贵州省生态修复关键生态区识别 Fig.7 Identification of key ecological regions for ecological restoration in Guizhou Province

3.4 乌蒙山区域山水林田湖草的生态整治工程的布局与规划

生态修复关键区识别中,乌蒙山区域存在矿山生态修复区、重点生态功能区、植被退化区域、生态修复与发展冲突区,以乌蒙山区域为优先区开展山水林田湖草的工作具有必要性。乌蒙山区的生态环境保护修复工程如表2所示,依据生态功能将其分为三个修复区,根据不同区域的生态环境提出修复对策,实行修复工程。秉承“山水林田湖草是一个生命共同体”的重要理念,重点实施一湖、一山、一河、两屏障”,即对高原喀斯特湖泊(草海)、乌江源矿山生态环境、赤水河生物多样性保护修复,实现长江珠江上游生态屏障整体保护、系统修复、综合治理。

4 结论与讨论

4.1 讨论

贵州省不同生态恢复区存在的生态问题不同,需采取不同生态恢复措施。在矿山分布区域,主要生态问题为矿山开采造成的地形地貌破坏、植被覆盖破坏、水土流失、尾矿废石废渣堆放等,需要采取废弃矿山修复、水环境整治、植被恢复等恢复措施。矿山环境治理是区域山水林田湖草系统治理的重要部分,是以矿山环境恢复为中心开展区域系统生态环境治理,并进行发散式修复,将区域内各矿山节点进行连接形成覆盖整个区域的修复网络,整体推进山水林田湖草的一体化治理[27]。植被退化区域采取植被恢复措施,植被恢复是生态工程的一个重要目标[28],针对山、水、林、田、湖、草采取不同的植被恢复措施[12]。生态与发展冲突区具有较高的生态价值和发展效益,应该优先考虑生态价值,为了减少生态规划与土地利用的冲突,生态补偿应及时落实[29]。新的生态红线划定流程考虑了生态系统服务重要性和生态敏感性[30],本研究利用景观脆弱度和综合生态系统服务能力进行叠加分级获得生态重要性区域。重点生态功能区域针对主要生态功能采取恢复治理措施。山水林田湖草生态修复将系统各生态要素进行耦合,进行区域生态要素合理配置方法与空间优化,山水林田湖草系统一体化保护与修复[12]。

表2 贵州省乌蒙山区生态环境保护修复工程分区

4.2 结论

1)贵州省水源涵养、水土保持和生物多样性保护的生态系统功能分布具有明显的空间分布特征,通过三者的综合评价,获得综合生态系统服务能力,综合生态系统服务能力较高的区域主要分布在东南部、东北部,中部和西北部较低。通过叠加景观脆弱度指数,获得贵州省生态重要性的分布,较高的区域主要在东南和西南部,中部和西北部较低。

2)通过叠加生态保护和经济发展高的区域,获得冲突区的分布,贵州省冲突区集中分布的区域主要在西北和东南部。考虑生态保护价值和经济发展效益的生态恢复具有重要的意义,可以为生态恢复的实施提供具体的管理目标和建议。

3)通过叠加分析获得贵州省关键生态修复区,从空间分布格局入手分析生态问题,从而针对不同生态问题进行生态恢复措施的实施,从整体上开展山水林田湖草生态修复。乌蒙山生态环境保护通过生态分区,针对生态环境问题,提出修复对策,实施修复工程,实现山水林田湖草的一体化修复。