县域尺度下的生态系统恢复力综合评价

韩文友周珉羽罗蓉

(1.自然资源部重庆典型矿区生态修复野外科学观测研究站/重庆地质矿产研究院，重庆 401120；2.重庆华地资环科技有限公司，重庆 401120)

前言

近年来，随着城镇化进程加快，社会经济高度发展对自然环境造成了一定的损害。生态修复已上升为推进生态文明建设的国家战略工程，其核心是停止破坏生态系统，利用生态系统的自我调节恢复能力，以人工手段作为辅助，使遭受人类破坏的生态系统逐步恢复。而生态恢复力是受自然因素和人类因子共同作用形成的生态环境综合指标，可反映生态系统遇到外界干扰后维持其基本结构与功能稳定的能力，可以为生态修复的本底调查、工程布局、修复效果评价提供科学依据[1,2]。

目前已有一系列的研究关于生态恢复力评估。Holling最早提出恢复力的概念并将其应用到生态系统稳定性中来，将其定义为系统吸收状态变量、驱动变量和参数的变化并继续存在的能力[3]。随后，生态学界不断完善和发展生态系统恢复力的内涵。当前国际上关于生态系统恢复力比较通俗的概念：恢复力是指生态系统在系统在达到临界值前受到外界干扰后继续维持其结构、功能、等反馈不发生质变的能力[4]。近年来，关于恢复力评估的研究已经渗透到水资源、矿山、森林、城市等多个领域。如，李鑫鹏等[5]利用GIS技术和层次分析法，收集遥感反演的自然要素分类资料和社会经济统计资料，从自然要素、土地压力、社会经济3个层面构建生态系统恢复力评价指标体系；毕云龙等[6]对香港、上海、高雄、新加坡等通过相对分析法初步研究生态恢复力水平；陈红光等[7]采用节水灌溉面积率、生态环境用水比例、城市污水处理率、人均GDP和万元工业产值用水量等评价因子，通过用最小信息熵原理耦合熵权法和变异系数法，构建黑龙江省水资源系统恢复力评价体系；张志苗等[8]通过指数衰减法拟合EVI变化斜率维持正、负趋势的时间，对汉江全流域以及564个子流域开展生态系统恢复力研究，对生态稳定性以及可持续发展程度进行评估。

重庆市两江新区是继上海浦东新区、天津滨海新区后的第3个国家级开发新区，也是内陆第1个国家级开发开放新区。然而随着城市化进程加快，建设用地规模增大，挤占了生态空间。2007年为保护生态环境，逐步关停了“四山”范围内矿山，但关停后并未对其展开针对性生态修复，严重减弱区域生态环境承载力，降低山体水源涵养能力。为了落实长江上游生态保护和国家高质量发展战略，加强长江上游生态屏障构建以及生态修复，开展生态恢复力评价对于促进整个长江流域可持续发展具有重要意义[9,10]。鉴于此，本文基于多种生态要素数据和社会经济统计资料，结合专家意见和现场调研构建两江新区恢复力评价指标体系，实现县域尺度内生态恢复力空间尺度的定量评估。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

两江新区位于重庆主城区长江以北、嘉陵江以东，涉及到重庆市江北区、渝北区、北碚区3个行政区部分区域，及原北部新区、两路寸滩保税港区、两江工业园区等功能经济区，全域规划总面积1200km2。两江新区属典型中亚热带季风气候，年平均气温约18℃。区域内水资源丰富，水系河网发达。辖区植被物种繁多，层次复杂，是国家重要的森林区域之一。矿藏资源丰富，以石灰岩为优势矿种，同时包含天然气等其他重要资源。近年来，全区内建设用地规模大、扩张速度快，给生态环境带来一定影响。研究区位置、高程以及区域镇街如图1所示。

图1 研究区

1.2 数据源

归一化植被指数和DEM数据来源于地理空间数据云，其中DEM数据为ASTER GDEM 30m 分辨率数字高程数据，通过ARCGIS空间分析功能计算地形起伏度。降水数据来自于国家气象中心提供的站点降水数据集，通过ARCGIS克里金插值成90m空间分辨率数据。夜间灯光数据(2013年)、生态服务价值栅格数据(2015年)来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，分辨率为1km。土壤有机碳含量栅格数据来源于联合国粮农组织HWSD项目数据。以上数据在ARCGIS统一重采样为90m分辨率数据。

2 研究方法

2.1 指标选取

生态系统恢复力是指面对外界变化生态系统自我调节的能力。结合以往的研究和两江新区自然生态和社会发展状况，本文从自然因素和社会因素综合分析生态恢复力水平。自然因素包含了降水、植被覆盖度、地形起伏度、土壤有机碳含量和生态服务价值等5个评价因子，社会因素包含人口分布和夜间灯光等2个指标。其中，土壤有机碳反应土壤的肥力水平，土壤有机碳、降水和植被覆盖度越大，恢复力水平越高，生态恢复过程越快。地形起伏度越大，作物对水分的吸收和作物的整体受光有较大的影响，生态服务价值反映了生态功能的服务水平，夜间灯光数据可以很好地反映该地区社会经济水平。

2.2 权重赋值

本文采用熵权法和专家打分法的主客观赋权相结合的方法来各指标的权重。熵权法是根据指标变异性大小来确定权重的客观性赋权方法。一般而言，指标的信息熵越大，指标的变异成都越小，提供的信息量越小，在综合评价中所起的作用也越小，其权重也更小。相反，若指标的信息熵越小，则指标的变异程度越大，提供的信息量越大，在综合评价中所起的作用也越大，其权重也更大。

将各个指标进行标准化处理：

一组数据的信息熵：

指标的权重：

将熵权法得到的权值与经过专家打分后获取的权值取平均即为最后的权值，最后结果如表1所示。

2.3 分级标准

将恢复力评价因子统一重采样为90m分辨率数据，将各个指标因子通过自然断点法分成恢复力低、恢复力较低、恢复力中等、恢复力较高、恢复力高等5种水平，相应值依次标为1、3、5、7、9。基于降水、植被覆盖度、地形起伏度、土壤有机碳含量和生态服务价值、人口分布和夜间灯光等级分布图经过加权求和可以得到综合生态系统恢复力，并经过自然断点法得到两江新区生态系统恢复力等级分布图，最后的生态系统恢复力划分等级如表2所示。

表1 评价因子权重赋值表

表2 生态恢复力划分等级

3 成果与分析

从各个因子的权重表1可以看出，对生态系统恢复力影响程度依次是生态服务功能价值、降水量、夜间灯光和植被覆盖度，地形起伏度和土壤碳含量权重最小。将单因子进行评价得到的分级图如图2所示，生态服务价值和夜间灯光都是自西南向东北恢复力水平呈现逐步增加的趋势，降水自西向东呈现逐步增加的趋势，植被在北部区域以及地势较高的山地区域覆盖度较高，恢复力等级也较高，有机碳含量和地形起伏度成条带分布。通过构建降水量、夜间灯光、植被覆盖度，地形起伏度、土壤碳含量、人口、夜间灯光指标评价体系，两江新区生态系统恢复力评价如图3所示。在空间尺度上，以镇街为最小单位制图，镇街之间生态恢复力具有明显的空间异质性，整体呈现西南低东北高的趋势。其中南部的石马河、大竹林、龙山等街道生态恢复力呈现显著的低值集聚。翠云街道、双龙湖街道、仙桃街道生态恢复力处于较低的水平。在东北部，石船镇、古路镇和龙兴镇稳定性呈现明显的高值集聚。同时，本文结合自然断点法将生态系统恢复力划分为5个等级，并将各个等级对应的面积和面积占比绘制成表3。整体来说，生态恢复力水平较为平均，生态恢复力水平为较高以上的共计522.08km2，占比为44.6%。恢复力水平为较低及以下是区域面积共计402.49km2，占比为34.53%。虽然各地生态类型有差异，但恢复力较高及以上的区域明显聚集在草地、灌木林和乔木林较多的石船镇、古路镇等地，对于观音桥街道、石马河街道等城镇生态系统，生态恢复力呈现最低。

表3 生态恢复力各等级面积占比

图2 单个因子恢复力等级图

生态恢复力出现以上变化的原因在于研究区的西南区域主要是观音桥、人和、大竹林、天宫殿等一些街道，这些区域城市化水平较高，经济水平发展较高，城镇建设用地多，生态空间较少，生物多样性较为单一，因此生态恢复力能力处于低水平。研究区的东北部主要为石船镇、古路镇，这些区域城镇开发程度低，区域乔木林、灌木林等植被覆盖度较多，降水充沛，生物种类较多，生态结构复杂，抵抗外界干扰能力较强，因此生态恢复力处于较高水平。

图3 生态系统恢复力评价等级图

4 总结与讨论

本文利用遥感反演的自然要素资料和社会统计资料，再充分考虑各个指标对生态系统恢复力影响的作用机理，采用熵权法和专家打分相结合的方法对各类指标进行赋权，从而构建生态系统恢复力模型对两江新区空间分布特征进行评估。结果显示，生态恢复力具有明显的空间异质性，整体呈现西南低东北高的趋势，生态恢复力低的区域主要是由于这些区域城市化程度较高，建设用地多挤占了生态空间，生物多样性单一，抵抗外界干扰能力相对较差，生态恢复力高的区域主要为城镇化水平较低的区域，由于生态面积大，生物多样性繁多，生态结构复杂，因此抵抗外界干扰能力较强。以上的研究成果不仅为丘陵区域生态环境变化影响因素以及作用机理提供基础，还可以为区域开展生态修复工作提供依据，对于长江上游生态屏障的建立以及可持续发展具有重要意义。不过在本次工作中，社会因素选取了人口和夜间灯光数据作为评价指标，在未来的工作，应该多考虑当地环境保护政策和更高精度的自然要素产品，提供更为完善的指标体系来对丘陵区域生态恢复力影响进行综合评价。