高山草甸生态系统修复单元划定研究——以达日县为例

常金为，员学锋，赵世鹏，张秀红

（1. 陕西华地勘察设计咨询有限公司，西安 710000；2. 陕西省土地整治重点实验室，西安 710000）

0 引言

为强化草原保护，我国已批准实施了一大批生态修复工程，1986 年至今，农业部、发改委、环保部先后实施了黄河中上游和长江中上游重点防治工程、青海三江源自然保护区生态保护和建设工程、草原保护建设利用重点工程等，但生态修复工程多以生态问题为切入点忽略了生态功能的提升[1]。

生态修复是针对区域空间格局失调、资源利用低效、生态功能受损进行修复的活动和过程[2]。生态修复分区是根据不同区域尺度生态主导功能的退化、受损、破坏情况，对生态修复科学定位、合理区分的过程[1-3]。其目的是针对性解决不同尺度生态系统问题，调节区域生态系统服务功能，对于协调保护与利用间的矛盾、提升整体生态效益具有现实意义。生态修复分区是开展生态修复的前提，生态修复的目标是生态功能提升[3]。

生态修复分区源于生态区划，目前关于生态修复分区的研究方向主要基于生态主导功能划分生态修复分区，建立大区（立地条件）、亚区（主导生态功能）、小区（生态退化程度或生态问题）3 级分区指标，采用因子叠加法及“自上而下”和“自下而上”结合法，划定生态修复分区[4-7]。但仍然存在以下两方面问题：一是“小区”指标研究中确定生态退化程度时所选取的影响因素较单一，或者生态问题鲜有进行定量分析；二是研究区域范围较大，且涉及生态修复分区的研究结果覆盖全域，存在不易操作的缺点，从而使生态修复工程针对性较差，造成生态修复中的资源浪费，无法合理高效地利用生态修复资源来提升当地生态功能。

因此，本研究选择青海省果洛州达日县作为研究区域，综合选择多项指标定量分析生态问题，再通过生态系统服务评价判定主导生态功能区，结合定量化分析生态问题的结果，对县域局部划定生态修复单元。

1 研究区概况

达日县是青海省果洛州下辖县，是国土空间规划中“三江源草原草甸湿地生态屏障区”，面积14 495 km2。全县平均海拔4 200 m 以上，属高寒半湿润气候，无明显四季之分，只有冷暖之别，年平均温度为-0.5℃，昼夜温差为15～25℃，年平均降水量540.6 mm，年平均蒸发量1 205.9 mm。境内草地占全县面积的80.21%，含2 个草原类（91.56%高寒草甸、0.04%山地草甸）和13 个草原型，是典型的高寒牧区县，对比近十年草地面积，累计减少约10%，且畜牧超载程度相对较高，引起草地退化、“黑土滩”扩大等一系列生态问题出现。

2 研究思路与方法

2.1 划定思路

生态修复单元的划定参考生态修复分区的方式，评价草地生态系统各类服务功能，通过叠加分析得到区域主导生态功能，叠加立地条件对主导生态功能进行修正和命名，获取生态功能分区。按照GB19377-2003《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》测算草地退化程度，叠加各服务功能的单因子结果，选择生态系统各类服务功能较低和草地退化中重度严重的区域作为修复治理区域，并在此区域上按照“集中连片”原则划定生态修复单元，见图1。

图1 生态修复单元划分思路图

2.2 生态功能分区划定方法

2.2.1 高寒草地生态功能分区

按照国家主体生态功能区划中提出的水源涵养、防风固沙、土壤保持、生物多样性等生态功能，通过运算得到的县域空间上各生态功能中最大的生态功能作为主导生态功能[8]。

2.2.1.1 水源涵养功能。草甸生态系统通过其结构对降水进行截留、渗透、蓄积，并通过蒸散发，实现对水流、水循环的调控。以水源涵养量作为生态系统水源涵养功能的评价指标，采用水量平衡方程来计算水源涵养量[9]：

式中，TQ为水源涵养量（m3）；P为降雨量（mm）；R为地表径流量（mm）；ET为蒸散发量（mm）；A为草地生态系统面积（km2）；a为草甸生态系统的平均地表净流系数。上述数据可从国家气象科学中心获取。

2.2.1.2 土壤保持功能。土壤保持指由于水蚀所导致的土壤侵蚀，以土壤保持量作为生态系统土壤保持功能的评价指标，土壤保持量指潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值，基于通用土壤流失方程USLE[9]计算：

式中，AC为单位面积的土壤保持量[t/(hm2·a)]；R为降雨侵蚀力因子，单位为[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K为土壤侵蚀力因子，单位是[t·h/(MJ·mm)]；L和S分别为坡长、坡度因子；C为植被覆盖管理因子；L、S和C均为无量纲单位。数据可从寒区旱区科学数据中心获取。

2.2.1.3 防风固沙功能。防风固沙服务功能是指在地表无植被状况下的土壤风蚀量与植被覆盖条件下的土壤风蚀量的差值，土壤风蚀量采用修正风蚀方程[9]估算：

式中，SL为实际土壤风蚀模数[t/(km2·年)]；z为最大风蚀出现距离（m）；QMAX为最大转移量（kg/m）；WF为气候因子（kg/m）；EF为土壤可蚀性因子（无量纲）；SCF为土壤结皮因子（无量纲）；K′为地表粗糙度因子；C为植被覆盖度因子。

2.2.1.4 生物多样性功能。生物多样性功能采用InVEST模型分析生境质量，以生境质量高低反应生物多样性，生境质量高低通过生境质量指数评价[7]，其式为：

式中，Qxj为j类型生境斑块x的生境质量；Hj为j类型土地覆被对应的生境适宜度；k为半饱和常数，一般将其设置为研究区域内栅格单元生境退化程度最大值的一半；z为模型默认参数，z=2.5；Dxj为j类型生态系统中栅格单元x的生境退化程度；r为威胁因子；R为威胁因子总量；y为威胁源中r栅格图层中的栅格单元；Yr为威胁因子r栅格图层中栅格单元的总数；Wr为r类型威胁源的相对权重；irxy为r类型威胁源图层中y栅格单元对生态系统栅格单元x的影响强度，该因素是r类型威胁源的最大影响距离和生境斑块x与r类型威胁源图层中y栅格单元之间距离的函数；βx为栅格单元x的抗干扰能力；Sjr为j类型生态系统对r类型威胁因子的敏感性[6]。

2.2.1.5 主导生态功能。利用ArcGIS 10.2 软件中的“栅格计算”功能，分别进行计算上述四种生态系统服务功能并生成栅格图。由于各生态功能单位不一致，无法进行比较和栅格运算，因此采用极差标准化法对生成的栅格数据进行标准化，使得各栅格数据的取值在[1,3,5,7,9]的标准化值范围内，将经过标准化的各图层进行叠加分析，将各个栅格对应位置上最大等级的生态功能作为主导生态功能，生成新的主导生态功能空间分布图。参考国家重点生态功能区空间分布格局[8]，达日主要位于水源涵养和生物多样性功能区内，因此将具有相同赋值的栅格按照水源涵养≥生物多样性＞土壤保持＞防风固沙的原则作为新的主导生态功能。

2.2.1.6 生态功能区划分。叠加达日地形图，对主导生态功能进行修正，再按照黄河流域和长江流域对修正后的主导生态功能区进行划分和命名。

2.2.2 草地退化指标测算与程度分级

本研究结合前人构建指标的经验[10-19]，遵循评价指标可反映“草”退化和“地”退化，简洁独立，易于量化的原则，参考GB19377-2003《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》，草地退化程度分级见表1。

表1 草地退化程度分级

2.2.2.1 总覆盖度相对百分数减少率。利用ENVI 5.3中对2015-2020 年Landsat 8 OLI 遥感数据进行辐射定标、大气校正、地形校正和裁剪后，再提取归一化植被指数（NDVI），计算植被覆盖度。植被覆盖度计算公式[20-21]：

式中，FC为植被覆盖度；NDVI通过遥感影像近红外波段和红外波段的发射率来计算。NDVIveg为纯植被的NDVI值，NDVIsoil为完全无植被覆盖像元的NDVI值。

2.2.2.2 可食草产量相对百分数据的减少率。可食草产量根据草地生态监测中“可食干草量”样点数据通过克里金插值的方法[22]分别得到2015 年和2020 年全县域可食产草量，进而测算可食草产量相对百分数据的减少率。

2.2.2.3 土壤侵蚀模数相对百分数的增加率。土壤侵蚀模数是土壤侵蚀量的度量方法，土壤侵蚀量可用土壤流失方程式USLE 求得[23]，其式为：

式中，Ar为单位面积现实土壤侵蚀量，单位是[t/(hm2·a)]；R为降雨侵蚀力因子，单位为[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K为土壤侵蚀力因子，单位是[t·h/(MJ·mm)]；L和S分别为坡长、坡度因子；C为植被覆盖管理因子；P为水土保持工程措施因子；L、S、C和P均为无量纲单位。

2.2.2.4 鼠洞面积占草地面积相对百分数的增加率。采取2015-2020 年达日县野外秋季基数调查数据，对“鼠洞面积”样点数据通过克里金差值的方式[22]分别得到2015 年和2020 年全县域鼠洞面积，进而测算鼠洞面积占草地面积相对百分数的增加率。

2.2.2.5 草地退化分级。将四项指标测算的结果生成的栅格图叠加，按照未退化、轻度退化、中度退化、重度退化区域叠加，生成草地退化程度分级图。

2.2.3 高寒草地生态修复单元划定

保留草地退化中重度、水源涵养、土壤保持量、防风固沙、生物多样性服务功能较低的区域作为修复治理区域，在此基础上选择集聚度高的区域划分修复单元，并按照需修复的严重程度和所处的流域（达日内部流域）命名生态修复单元。

3 结果分析

3.1 生态功能分区

达日属于半湿润气候，按照水源涵养功能分级标准，达日水源涵养功能较好，整体情况划分为极重要、重要和不重要，重要和极重要占全域的97.45%；土壤保持功能和生物多样性保护功能整体较高，极重要和重要几乎覆盖全域；防风固沙功能较弱的区域占比3.99%，主要分布在雪山附近。各生态系统功能评价成果图见图2～5。

图2 水源涵养功能评价结果图

图3 土壤保持功能评价结果图

图4 防风固沙功能评价结果图

达日共划分四个生态功能分区：黄河流域水源涵养与生物多样性功能区，黄河流域土壤保持功能区，长江流域水源涵养与生物多样性功能区，长江流域土壤保持功能区（见图6）。县域主导生态功能为水源涵养与生物多样性功能和土壤保持，水源涵养与生物多样性功能区占县域面积的57.05%，见表2，主要分布在特合土乡、桑日麻乡、莫坝乡、下红科乡和上红科乡部分；土壤保持占县域面积的42.95%，主要分布在建设乡、吉迈镇、窝赛乡、吉迈镇、德昂乡、满掌乡、下红科乡和上红科乡部分。

图6 生态功能分区图

3.2 草地退化结果

根据2015 年和2020 年植被覆盖度的结果，测算总植被覆盖度相对百分数减少率，按照退化程度分级标准划分未退化、轻度退化、中度退化和重度退化规模，同理测算可食草产量相对百分数据的减少率、土壤侵蚀模数相对百分数的增加率、鼠洞面积占草地面积相对百分数的增加率。

2020 年相比2015 年植被覆盖情况较好，主要为轻度退化，中重度退化约占全部草地面积的21.84%；2020年的干草产量相对2015 年的干草产量有所减少，总产草量相对百分数的减少率划分草地退化程度，中重度占比61.25%，主要分布在特合土乡、建设乡和桑日麻乡；草地退化受土壤侵蚀的影响较小，土壤侵蚀模数相对百分数的增加率划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乡、满掌乡和下红科乡；受鼠害影响导致草地退化最严重的区域主要集中在特合土乡和桑日麻乡西北部，中重度退化面积占34.19%。各监测指标退化程度参见表3 和图7～10。

图7 总覆盖度相对百分数减少率对应草地退化程度分级图

图8 可食草产量相对百分数据的减少率对应草地退化程度分级

图9 土壤侵蚀模数相对百分数的增加率对应草地退化程度

图10 鼠洞面积占草地面积相对百分数的增加率对应草地退化

对以上四项监测指标的栅格叠加分析，生成达日草地退化程度分布图，见图11。达日草地退化中重度占比达40%（表4），面积约505 179.18 hm2，主要集中在特合土乡、建设乡、吉迈镇和德昂乡。

表4 达日草地退化程度统计表（单位：公顷，%）

图11 草地退化分布图

3.3 生态修复单元划定结果

基于前文研究成果，达日最终划定7 个生态修复单元：夏曲流域草地退化修复单元、昂苍曲流域草地退化修复单元、吉迈河流域草地退化修复单元、黄河沿岸草地退化修复单元、达日河流域综合修复单元、柯曲流域综合修复单元、尼曲流域草地退化修复单元（图12）。

图12 生态修复单元

4 结论

本研究以达日县作为研究区域，在生态功能服务功能评价和生态问题分析的基础上，划定生态修复单元得出以下结论：

（1）中重度退化草地近草地总面积的40%，主要分布在达日北部各乡镇。相比历史相关统计公报数据，中重度退化有明显改善。

（2）达日生态主导功能以水源涵养和生物多样性及土壤保持为主，防风固沙整体情况良好，相对较弱的区域位于雪山周围。

（3）达日最终划定7 个生态修复单元：夏曲流域草地退化修复单元、昂苍曲流域草地退化修复单元、吉迈河流域草地退化修复单元、黄河沿岸草地退化修复单元、达日河流域综合修复单元、柯曲流域综合修复单元、尼曲流域草地退化修复单元。

本研究采用的方法对于研究区域本身较大的情况下生态修复区域和方向针对性较强，且大大降低了生态修复工程的成本，高效提升了区域生态功能。

另外，本研究在评价生物多样性保护功能时，选择生境质量指数表征生物多样性的持续性和恢复能力，无法体现物种多样性，下一步工作中，应将物种多样性考虑其中，使得研究结果更加具有说服力。