常州市新北区生态系统恢复力评价研究

杨 柳，李继光

（常州市规划设计院，江苏常州 213000）

生态系统恢复力是指生态系统在受到外界干扰、偏离平衡状态后所表现出的自我维持、自我调节及抵抗外界各种压力和扰动的能力[1]。指数高的区域自我维持、调节和抗干扰能力较强，根据江苏省《县级国土空间生态保护和修复规划编制指南（2021）》，生态系统恢复力评价是县级保护修复规划的重要任务，对摸清生态本底、识别生态问题、预判生态风险具有重要而深远的意义[2]。

国内外关于生态系统恢复力相关理论的研究基本经历了3 个发展阶段：①工程恢复力阶段（20 世纪70年代）。主要是对“弹性”概念所涉及范围的拓展，重点研究系统遭受扰动后恢复到原有稳定状态的速率和时间，强调的是复原的时间和速率[3]。②生态恢复力阶段。该阶段初次将恢复力的概念引入到生态系统研究中，把恢复力更多地与稳定性相结合，强调系统在不发生状态转移，或结构、功能、负反馈不发生变化的前提下，能够吸收干扰的度量，而非时间和速率。③生态系统恢复力阶段。该阶段将恢复力扩展到多个生态系统之间，重点研究系统在保持结构和功能时能够忍受的变量。

国内生态系统恢复力相关研究起步较晚，但理论研究及其实践的推进速度较快。江苏省《县级国土空间生态保护和修复规划编制指南（2021）》明确将生态系统恢复力、生态敏感性等作为县级生态保护修复规划的主要任务。提出在保护修复总体目标和分区的基础上，根据生态系统恢复力、生态敏感性等情况，识别保护修复的重点区域，确定重点工程项目。从恢复力减弱、生境破碎化等方面诊断生态系统质量受损问题。分析生态系统恢复力较差区域与生态保护红线、城镇开发边界、永久基本农田和生态空间管控区域的关系，诊断生态空间冲突问题。

1 研究区概况

常州市新北区位于常州市的最北部，地处东经119°46′～120°01′、北纬31°48′～32°03′，北濒长江，东与江阴相邻，西与扬中、丹阳接壤，南接常州市老城区。区内交通四通八达，区位条件优越。全区国土空间总面积为508.91km2。2021 年行政区划调整后，新北区下辖孟河镇、西夏墅镇、奔牛镇、薛家镇、罗溪镇5 个镇，以及魏村街道、春江街道、新桥街道、龙虎塘街道、三井街道5 个街道办事处。

2 数据来源

新北区相关分析数据主要来源为各部门数据以及开源数据，详见表1。

表1 相关分析数据来源

3 研究方法

目前关于生态系统恢复力的研究方法众多，对影响生态系统恢复力的相关评价要素也存在差别，具有一定的差异性和局限性，尚未形成一致的观点。对已有研究分析可知，生态系统恢复力主要受到植被丰富度、气候条件、土壤、地形地貌、生产力等因素的影响。

依据江苏省《县级国土空间生态保护和修复规划编制指南（2021）》要求，结合新北区生态系统结构与功能特征，选择植被丰富度、气候条件、地形地貌3 个因素作为相关要素条件，建立生态系统恢复力评价综合指标体系，对新北区生态系统恢复力进行综合评价，以揭示其空间分布情况。针对不同类型生态系统的特点，定性定量综合评价生态系统。相关影响要素及单要素见表2。

表2 生态系统恢复力评价相关要素表

3.1 植被丰富度计算

植被丰富度是按照植被覆盖度方法进行计算。植被覆盖度是指植被在地面上的垂直投影面积占统计区域总面积的比例。植被覆盖度一般可通过地面测量和遥感估算2 种方法进行计算。地面测量常用于特定场地等小尺度，遥感估算常用于城市区域等大尺度。通过多年的理论研究，目前已经发展出很多利用遥感数据测量植被覆盖度的方法。较为实用的就是利用植被指数来近似估算植被覆盖度，常用的植被指数即NDVI。提取landsat8 卫星影像，取波段4 与波段5 图，通过辐射校正、影响拼接和裁剪，大气校正后，根据归一化差分植被指数计算公式，测算植被覆盖度作为植被丰富度指标。具体测算公式：

根据 NDVI（归一化差分植被指数）=（Band5-Band4）/（Band5+Band4）。

3.2 气候条件

气候条件指数是评估生态系统恢复力的重要因素，主要随时间与地理分布发生变化。对生物多样性、日常生活及农业生产布局有重要指导作用。气候条件指数越高，越适宜生物栖息及农业耕作。气候条件与植被覆盖、水网密度、地形坡度、多年平均降水4 个单因子强相关。

3.2.1 水网密度计算。根据常州市2020 年国土资源三调数据和常州市2019 年水资源公报数据，提取三调河流长度、水域面积，并结合2019 年常州市水资源公报中水资源量数据，测算水网密度。具体测算公式：

水网密度指数=（Ariv×河流长度/ 区域面积+Alak×水域面积（湖泊、水库、河渠）/区域面积+Ares×水资源量/区域面积）/3。

式中，Ariv 为河流长度的归一化数值，参考值为84.3704 083981；Alak——水域面积归一化数值，参考值为591.7908 642005；Ares——水资源量的归一化数值，参考值86.3869548281。

3.2.2 地形坡度计算。提取常州市2019 年地形图高程点数据，栅格地表面构建dem 数字高程数据后，通过3D 分析工具-栅格表面-坡度计算得到地形坡度数据。

3.2.3 多年平均降水量计算。根据中国气象服务网多年年平均降水量，常州市范围对全国多年年平均降水量进行裁图，获取相应范围的平均降水量数据。

3.2.4 气候条件分析。气候条件与植被覆盖、水网密度、地形坡度、多年平均降水4 个单因子强相关。各单因子权重值参照以下公式：气候条件指数=0.35×植被覆盖度+0.45×水网密度+0.05×坡度+0.15×降水。采用无量纲化极值法。

3.3 地形土壤

地形土壤是评估生态系统恢复力的重要因素，主要随地理空间分布发生变化，对城市建设及日常生活有相关指导作用。地形土壤指数高的区域，其生态价值越高。地形土壤与地表高程、地形坡度、土壤成分3个单因子相关。

3.3.1 地表高程计算。提取常州市2019 年地形图高程点数据，GIS 软件加载新北区CAD 地形，提取annotation，通过数据处理工具-要素-要素转点，生成高程点数据后，新建elvevation 字段，通过数据处理工具-tin-创建tin，输入字段为elveation，再经过tin 转栅格，采样距离设置为10，最终形成地表高程数据。

3.3.2 土壤成分计算。根据江苏省土壤类型数据，提取新北区土壤成分数据。

3.3.3 地形土壤计算。地形土壤指数=0.4×地表高程+0.3×地形坡度+0.3×土壤成分。三要素均归一化处理后采用极值法无量纲化。

3.4 生态系统恢复力综合评价分析

以新北区气候条件重要性评价、地形土壤重要性评价和植被覆盖指数分析结果为基础，综合评价常州市新北区的生态系统恢复能力。对气候条件、地形土壤、植被覆盖指数分别归一化处理。根据德尔菲法，给气候条件、地形土壤、植被覆盖指数赋权重，依次为0.35、0.25、0.40，将这三要素进行线形加权叠加。生态系统恢复力指数=0.35×气候条件指数+0.25×地形土壤指数+0.40×植被覆盖指数。

4 结果与分析

4.1 植被丰富度

截取常州市2019 年landsat8 卫星影像（从地理空间数据云下载），根据提取的波段4 和波段5 卫星影像，通过前期数据处理分析，按照计算公式测算，新北区2019 年植被覆盖度为59.8%，覆盖度呈现西部高、东部低的趋势。

4.2 气候条件

4.2.1 水网密度。河流长度利用GIS 软件在三调中提取河流水面地类图斑，按照面转中心线的转换方式得到河流长度。经测算新北区河流长度为767.85km。水域面积利用GIS 软件在三调中提取河流水面、湖泊水面、水库、养殖坑塘、坑塘水面等水域相关地类图斑，测得水域面积7690.34hm2。根据2019 年常州水资源公报计算水资源量，按照低于年平均值的方法进行测算，地表水资源量12.26 亿m3。最终综合计算，新北区水网密度指数为37.93，呈现北部高、南部低的区域，水网密度指数低于常州市平均值。

图1 新北区植被覆盖度

图2 新北区河流水面

图3 新北区水域区域

4.2.2 地形坡度。经计算新北区地势绝大区域相对平缓，小黄山、栖凤山坡度较高，坡度基本在0°～26°之间。

4.2.3 多年平均降水量计算。经空间插值化处理后提取分析，新北区年平均降水量在1110.4～1144.4mm 之间，为1125.6mm，从北到南降水有轻微减少趋势。

图4 新北区水网密度

图5 新北区地形坡度

图6 新北区平均降水量

4.2.4 气候条件计算。经计算，新北区气候条件由北往南总体呈现减弱趋势，沿江地区和中心城区气候条件相对较差（以上4 项要素均为归一化后数据，下同）。

4.3 地形地貌

图7 新北区气候条件评价图

4.3.1 地表高程。经分析新北区地表高程在0～96m 之间，全区高程普遍较低，北侧小黄山、栖凤山山体较高。

图8 新北区高程点数据

图9 新北区地表高程数据

4.3.2 土壤成分。分析发现，新北区土壤类型主要为水稻土，小黄山区域为棕色石灰土，奔牛镇局部为龟裂土。

4.3.3 地形土壤综合评价分析。经分析，小黄山、长江沿线、奔牛镇区、新孟河、德胜河、藻港河等区域地形土壤指数较低。

图10 新北区土壤成分

图11 新北区地形土壤

图12 生态系统恢复力分布图

4.4 生态系统恢复力综合评价分析

按照生态系统恢复力指数公式进行计算，最终得到生态系统恢复力综合评价分析结果，然后依照分级标准百分比分布情况确定评价等级。将生态系统恢复力划分为5 个等级：＞80 为强，70～80 为较强，50～70为一般，30～50 为较弱，低于30 为弱。

由表3 可见，新北区生态系统恢复力以较旨、中等为主，分别为33.08%、28.87%；2 个等级占区域总规模的60%以上，等级为弱、较高的规模接近，分别为17.8%、17.45%；评价等级为强的区域最少，为2.79%。总体上看，生态系统恢复力强与较强的占比较少。

表3 常州市新北区生态系统恢复力等级规模分布

从空间分布上看，新北区生态系统恢复力弱区域主要分布在三井街道、龙虎塘街道、薛家镇等城市建成区，以及长江沿线、京杭大运河、新孟河、德胜河、藻江河等河流水域区域。该区域多是由于人为开发建设活动强度大、生态要素单一性或敏感性高，导致的生态系统恢复力偏弱。评价等级为较弱和中等的区域，广泛分布在中心城区外围区，评价等级较强与强的区域主要为城市外围农林用地、小黄山等区域。

新北区部分河道由于坡度、高程变化带来的地形土壤变化，导致评价指数较低，如长江周边、城市建成区等区域，主要是由于植被覆盖低的因素，导致生态系统恢复力较弱。对于恢复力强、较强的区域，主要采取切断人为干预、禁止污染排放、封山育林和保证生态流量等自然恢复措施，消除胁迫因素，促进生态系统的恢复。对于恢复力弱、较弱的，人为活动密集、开发建设强度较高的区域，应考虑人工修复措施为主、辅助自然恢复的方法。在消除胁迫要素的基础上，采取改善物理环境、增加植被种植、修复破损生态用地等措施，引导和促进生态系统逐步恢复。新北区生态系统恢复力整体差异显著，呈现由东向西生态系统恢复力逐步增强的趋势。生态系统恢复力弱的区域主要分布在城市中心城区以及长江沿线、外围乡镇等区域，植被覆盖率低，土壤地形变化是主要原因。建议重点加强各类生态廊道、绿地建设，加强水环境治理和水污染防治等。

5 不足与展望

首先，对生态系统恢复力影响的相关要素众多，依据江苏省《县级国土空间生态保护和修复规划编制指南（2021）》要求，综合当前领域普遍认可的植被丰富度、地形地貌、地形土壤3 个要素进行分析，但在分析过程中存在单要素重复利用、交叉使用、缺失要素未纳入分析等的情况。未来随着相关理论研究深入，应纳入更多影响要素，形成更全面、更科学、更合理的多要素评价指标体系。

其次，相关分析研究发现，生态系统可能存在多稳态机制，即生态系统在最理想状态下受到外部干预后系统状态发生突变，并进入多种潜在的非理想稳定状态。这会导致在定量分析生态系统恢复力过程中，对最理想状态及达到该状态的生态恢复力判断存在偏差，即经分析生态系统恢复到的是生态系统多稳态中的一个，但不是最稳定、最理想的状态。

最后，本研究使用的数据均来源于各部门提供或开源数据，在影像解译、遥感反演、空间叠加分析中不可避免地存在数据误差。此外，数据的精度及年份差异、要素权重值及评价等级划分等，都会对评价结果带来较大影响。当前，对生态系统恢复力的定量分析方法研究依然有限，缺少普适的观点和表征生态系统恢复力定量分析指标体系，评价分析受主观因素影响较大。因而，如何选取要素以及要素的权重确定，未来还有待进一步研究。