田美榮，高吉喜①，宋國寶，鄒長新，鄭 好

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；2.大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024)

基于主導(dǎo)生態(tài)功能與生態(tài)退化程度的生態(tài)修復(fù)分區(qū)研究

田美榮1，高吉喜1①，宋國寶2，鄒長新1，鄭 好1

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；2.大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024)

生態(tài)修復(fù)分區(qū)是科學(xué)高效地開展生態(tài)修復(fù)的前提，以科爾沁沙地源頭巴林右旗為例，采用“自下而上”與“自上而下”相結(jié)合的分區(qū)思路，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)手段，在主導(dǎo)生態(tài)功能空間分異規(guī)律的基礎(chǔ)上，綜合考慮區(qū)域生態(tài)退化程度，并根據(jù)區(qū)域氣候特征、地勢地貌和植被類型，劃定不同等級的生態(tài)修復(fù)分區(qū)空間分布。一級分區(qū)按照立地條件即考慮地形地貌和植被覆被類型劃定，是區(qū)域環(huán)境主導(dǎo)生態(tài)類型的組合；二級分區(qū)按照主導(dǎo)生態(tài)功能即水源涵養(yǎng)功能、防風(fēng)固沙功能、土壤保持功能和生物多樣性維護(hù)功能劃定，是中尺度下區(qū)域環(huán)境主導(dǎo)生態(tài)功能類型的組合；三級分區(qū)按照未退化、輕度退化、中度退化和重度退化劃定，以此劃分修復(fù)難易型小區(qū)，即生態(tài)修復(fù)預(yù)防小區(qū)、生態(tài)修復(fù)調(diào)控小區(qū)和生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)小區(qū)。將巴林右旗共劃分為3個一級區(qū)、7個二級區(qū)和29個三級區(qū)，既體現(xiàn)了生態(tài)功能的空間分異規(guī)律，又使得恢復(fù)具有針對性，為制定植被配置、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等不同調(diào)控措施和生態(tài)修復(fù)方案提供技術(shù)支撐。

生態(tài)修復(fù)；生態(tài)退化；分區(qū)；巴林右旗

生態(tài)修復(fù)分區(qū)理論基于生態(tài)區(qū)劃,生態(tài)區(qū)的概念最早是由俄國地理科學(xué)家道庫恰也夫(Dokuhchaev)于1899年提出的,1905年英國生態(tài)學(xué)家赫伯特森(Herbertson)針對全球尺度上的自然區(qū)域單元開展了區(qū)劃研究,成為生態(tài)區(qū)劃研究的重要里程碑。此后,生態(tài)區(qū)劃受到越來越多的科學(xué)家關(guān)注,但早期的區(qū)劃只是圍繞自然生態(tài)系統(tǒng)植被展開,主要考慮水熱因子對生態(tài)系統(tǒng)的影響,建立了氣候指標(biāo)體系用以區(qū)分不同類型的生態(tài)系統(tǒng)。隨著研究的進(jìn)一步深入,各國生態(tài)學(xué)家在基于自然因子的生態(tài)區(qū)劃方面取得了顯著進(jìn)展,1976年美國生態(tài)學(xué)家貝利(Bailey)第一次提出了較為完整的生態(tài)區(qū)劃方案[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,人口急速膨脹,出現(xiàn)一系列生態(tài)環(huán)境問題,區(qū)劃方法也將人為因素的影響納入?yún)^(qū)劃指標(biāo)中。在我國,進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后各單項區(qū)劃和綜合區(qū)劃日趨完善,從生態(tài)脅迫、生態(tài)敏感性和生態(tài)壓力角度進(jìn)行地理空間分區(qū)[2],并從省域、城市、縣域、流域和湖泊等不同區(qū)域尺度篩選指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃[3-6],結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展趨勢分析區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境問題及形成機(jī)制。為進(jìn)一步保護(hù)生態(tài)系統(tǒng),2008和2011年環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《全國生態(tài)功能區(qū)劃》和《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》,在生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、生態(tài)環(huán)境敏感性和生態(tài)服務(wù)功能重要性評價基礎(chǔ)上劃定全國生態(tài)功能區(qū),對維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義[7-8]。

生態(tài)修復(fù)分區(qū)是開展生態(tài)修復(fù)的前提,生態(tài)功能提升是生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)[9]。目前,生態(tài)修復(fù)分區(qū)是在生態(tài)區(qū)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行的,主要被運(yùn)用于水土保持研究中[10-11],存在主觀性強(qiáng)、難以量化和不易操作的缺點(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,因此需要一種系統(tǒng)的可量化的生態(tài)修復(fù)分區(qū)技術(shù)方法。筆者根據(jù)區(qū)域立地條件、生態(tài)系統(tǒng)退化程度和生態(tài)服務(wù)功能空間分異規(guī)律3大主要因素,制定生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo),并以科爾沁沙地源頭巴林右旗為例,將巴林右旗劃分為不同的生態(tài)修復(fù)空間,每個生態(tài)修復(fù)空間單元具有一定的主導(dǎo)生態(tài)功能。將生態(tài)修復(fù)分區(qū)所確定的主導(dǎo)生態(tài)功能作為生態(tài)恢復(fù)目標(biāo),同時,考慮生態(tài)系統(tǒng)退化程度來判斷生態(tài)修復(fù)的難易程度,這既體現(xiàn)了生態(tài)功能的空間分異規(guī)律,又使得恢復(fù)具有針對性。根據(jù)不同的分區(qū)結(jié)果制定植被配置以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等不同調(diào)控措施和生態(tài)修復(fù)方案。

1 研究區(qū)概況

巴林右旗位于內(nèi)蒙古赤峰市北部,西拉沐淪河北岸,大興安嶺南段山地。地理坐標(biāo)為北緯43°12′55″～44°27′52″,東經(jīng)118°12′09″～120°01′42″,總面積為10 256 km2。該旗屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年日照時數(shù)為3 000～3 200 h,平均氣溫為4.9 ℃。年平均降水量為358 mm,且相對變率達(dá)22%,年蒸發(fā)量為2 103 mm,相當(dāng)于降水量的約6倍,濕潤度多年平均值為0.35。全年風(fēng)沙日數(shù)達(dá)70 d左右,干旱、多風(fēng)沙是該地的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)。在氣候干旱等惡劣的自然環(huán)境和人為擾動下,巴林右旗沙化風(fēng)蝕現(xiàn)象突出,在其南部傾斜沖擊平原區(qū),廣泛分布著流動、半流動和固定沙丘,其沙地面積占該旗面積的34%,占科爾沁沙地總面積的6.5%,構(gòu)成沙丘與丘間地相間排列的地貌組合,是科爾沁防風(fēng)固沙功能區(qū)的重要組成部分[12],嚴(yán)重威脅著我國東北地區(qū)和華北地區(qū)的生態(tài)安全。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)與方法

2.1.1 生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)

生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)的選取要有代表性,應(yīng)盡可能體現(xiàn)區(qū)域的特征和分異規(guī)律,將提升生態(tài)服務(wù)功能作為生態(tài)修復(fù)目標(biāo),并綜合考慮生態(tài)修復(fù)的難易程度,制定3級分區(qū)指標(biāo)。

大區(qū)(一級分區(qū))指標(biāo)。大區(qū)為高級區(qū)劃單位,區(qū)內(nèi)存在共同的環(huán)境特征和生態(tài)問題,土地資源主導(dǎo)利用方向基本一致,而且區(qū)域特征、分布范圍比較明顯,具有空間尺度的完整性和連續(xù)性。因此,選用氣象氣候、海拔和主要植被類型作為大區(qū)的分級指標(biāo)。

亞區(qū)(二級分區(qū))指標(biāo)。亞區(qū)為中級區(qū)劃單位,也是大區(qū)級單位的細(xì)分。由于生態(tài)功能提升是生態(tài)修復(fù)的目標(biāo),因此為反映中尺度下生態(tài)修復(fù)空間生態(tài)功能的分異規(guī)律,即植被覆被、生態(tài)服務(wù)功能等基本要素的一致性,選取生態(tài)服務(wù)功能作為亞區(qū)指標(biāo),主要包括水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、土壤保持和生物多樣性維護(hù)4類生態(tài)服務(wù)功能。

小區(qū)(三級分區(qū))指標(biāo)。小區(qū)為低級區(qū)劃單位或基本分類單位。生態(tài)修復(fù)的對象、采取的措施及相應(yīng)的管護(hù)等在很大程度上受生態(tài)退化程度的影響,同時退化程度也是認(rèn)識生態(tài)環(huán)境脆弱性及其成因的基礎(chǔ)。因此,選取生態(tài)退化程度作為三級分區(qū)主導(dǎo)因子,在二級分區(qū)的基礎(chǔ)上劃分出相同級別的生態(tài)修復(fù)小區(qū)。生態(tài)退化程度可分為未退化、輕度退化、中度退化和重度退化4種(圖1)。

2.1.2 生態(tài)修復(fù)分區(qū)方法

通過ArcGIS 10.2等技術(shù)手段對生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并實施分區(qū),但采用計算機(jī)完成的定量化分區(qū)可能得不到合理的邊界,需要相關(guān)經(jīng)驗和知識輔助分析,因此分區(qū)需要自動分析與手動調(diào)整相互結(jié)合,使其結(jié)果更具合理性。

生態(tài)修復(fù)分區(qū)方法較多,主要采用因子疊加分析方法以及“自上而下”和“自下而上”結(jié)合法[13],“自上而下”運(yùn)用在一級分區(qū)中,按照氣象氣候、海拔和植被類型對研究區(qū)進(jìn)行一級分區(qū)劃定,可保證區(qū)劃結(jié)果的相對一致性,注重對宏觀格局的把握;二級分區(qū)和三級分區(qū)運(yùn)用“自下而上”并遵循“共軛性原則”,在一級分區(qū)的基礎(chǔ)上按照主導(dǎo)生態(tài)功能和生態(tài)退化等級重新進(jìn)行二級分區(qū)和三級分區(qū)劃定,保證最低級區(qū)劃單元的完整性。

圖1 生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)要素Fig.1 Indices and factors for zoning for ecological remediation

2.2 主導(dǎo)生態(tài)功能的計算方法

主導(dǎo)生態(tài)功能是按照國家主體生態(tài)功能區(qū)劃中提出的水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、土壤保持和生物多樣性維護(hù)4大生態(tài)功能,以通過運(yùn)算得到的研究區(qū)空間上該4大功能中最大的生態(tài)功能作為該區(qū)域的主導(dǎo)生態(tài)功能。利用ArcGIS 10.2軟件中的raster calculator功能,分別進(jìn)行計算并生成柵格圖。

2.2.1 土壤保持生態(tài)功能

土壤保持功能計算的主要目的是根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)(降雨)、地形特點(diǎn)(坡度、坡長)、植被特點(diǎn)(覆蓋因子)、土壤類型(土壤可蝕性因子)和土地管理水平等因素對生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的強(qiáng)弱進(jìn)行評估。土壤保持功能一般采用通用水土流失方程(universal soil loss equation,USLE)進(jìn)行評價。

EUSL，x=Rx×Kx×Lx×Sx×Cx×Px。

(1)

式(1)中,EUSL，x為柵格x的土壤侵蝕量,t·hm-2·a-1;Rx為降雨侵蝕力因子,MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;Kx為土壤可蝕性因子,t·hm2·h·MJ-1·hm-2·mm-1;Lx為坡長因子,m;Sx為坡度因子,(°),由DEM數(shù)據(jù)提取;Cx為植被覆蓋因子,%,由歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)計算得到;Px為管理措施因子,該研究中森林、灌叢、草地、耕地、旱地、水域、城市及建筑用地、裸地和難利用地(沙地)的P值分別為1、1、1、0.7、0.352、0、0.25、0.1和0.2[13]。

降雨侵蝕力數(shù)據(jù)由Fouriner指數(shù)計算得到:

(2)

式(2)中,R為降雨侵蝕力,MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;ji為第i月降水量,mm;J為年降水量,mm。數(shù)據(jù)來源于巴林右旗氣象站。

土壤可蝕性因子(Kx)采用土壤風(fēng)蝕方程中土壤可蝕性因子模型進(jìn)行計算:

Kx=(29.09+0.31×Sa+0.17×Si+0.33×Sa/Cl-2.59×w有-0.95×w碳)/100。

(3)

式(3)中,Kx為土壤可蝕因子,t·hm2·h·MJ-1·hm-2·mm-1;Sa為土壤粗砂質(zhì)量含量,%;Si為土壤粉砂質(zhì)量含量,%;Cl為土壤黏粒質(zhì)量含量,%;w有為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量,%;w碳為碳酸鈣質(zhì)量含量,%。土壤顆粒質(zhì)量含量(Sa、Si、Cl)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量數(shù)據(jù)來源于中國土壤特征數(shù)據(jù)集,由中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)提供;土壤碳酸鈣含量來自于全國1∶400萬土壤碳酸鈣含量分布圖,由地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥www.geodata.cn)提供。

2.2.2 水源涵養(yǎng)生態(tài)功能

水源涵養(yǎng)量的計算采用降水貯存量法,主要是以森林生態(tài)系統(tǒng)的蓄水效應(yīng)來表征水源涵養(yǎng)功能。由于巴林右旗土地利用類型以草地為主,依據(jù)草地降雨徑流率(rg)與草地植被覆蓋度(pg)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[14],故研究區(qū)水源涵養(yǎng)量計算公式為

Q=A×Jt×k×(r0-rg),

(4)

rg=-0.318 7×pg+0.364 03。

(5)

式(4)～(5)中,Q為與裸地相比不同生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量,mm·hm-2·a-1;A為生態(tài)系統(tǒng)面積,hm2;J為計算區(qū)多年平均產(chǎn)流降雨量,mm;Jt為計算區(qū)多年平均降雨總量,mm;k為計算區(qū)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例,%;r為與裸地(或皆伐跡地)相比,生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù);r0為產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率,%;rg為產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率,%;pg為草地植被覆蓋度,%。根據(jù)趙同謙[15]以秦嶺—淮河一線為界限將全國劃分為北方區(qū)和南方區(qū)。北方降雨較少,降雨主要集中于每年6—9月,甚至某些地區(qū)一年的降雨量可能集中于一兩次降雨;南方區(qū)降雨次數(shù)多,強(qiáng)度大,主要集中于4—9月。因此,該研究中北方區(qū)k取值0.4。

2.2.3 防風(fēng)固沙功能

防風(fēng)固沙量由潛在土壤侵蝕量和現(xiàn)實土壤侵蝕量估算得到。SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了風(fēng)蝕區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的分級標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)植被覆蓋度給出土壤侵蝕強(qiáng)度的分級指標(biāo)。巴林右旗研究區(qū)風(fēng)蝕土壤侵蝕量主要受植被覆蓋度影響,根據(jù)表1[16]確定不同植被覆蓋度下的防風(fēng)固沙量,基于植被覆蓋度圖生成表征防風(fēng)固沙量的圖。

表1 防風(fēng)固沙量的確定

Table 1 Quantification of wind breaking and sand fixation

蓋度/%防風(fēng)固沙量/(t·km-2·a-1)<10010～305000>30～507750>50～7010150>7011400

2.2.4 生物多樣性維護(hù)功能

生物多樣性維護(hù)功能可采用invest-biodiversity模型進(jìn)行計算,用生境質(zhì)量好壞表征生物多樣性的持續(xù)性和恢復(fù)能力,因此模型中采用生境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行評價,最終生成表征生物多樣性維護(hù)功能的空間分布圖[17-18]。

Qxj=Hj×[1-Dxj2/(Dxj2+I2)]，

(6)

(7)

irxy=1-dxy/dr，max,

(8)

(9)

式(6)～(9)中,Qxj為土地利用與土地覆蓋類型j中柵格x的生境質(zhì)量;Hj為土地利用與土地覆蓋類型j的生境適合性;Dxj為土地利用與土地覆蓋類型(或生境類型)j中柵格x的生境脅迫水平;Wr為脅迫因子權(quán)重,權(quán)重高,說明外界對環(huán)境的脅迫大,產(chǎn)生的破壞力強(qiáng);irxy為柵格y中脅迫因子ry對柵格x中生境的脅迫作用;dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離，km;dr，max為脅迫因子r的最大影響距離,km,表明某一脅迫因子對所有生境的相對破壞力;βx為柵格x的可達(dá)性水平,1表示極易達(dá)到;Sjr為土地利用與土地覆蓋類型(或生境類型)j對脅迫因子r的敏感性,該值越接近1,表示越敏感;I為半飽和常數(shù)。其中,Wr和Sjr均來自專家打分。

2.2.5 主導(dǎo)生態(tài)功能識別

對巴林右旗水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、土壤保持和生物多樣性維護(hù)這4大生態(tài)功能要素分別進(jìn)行計算,并分別生成柵格圖A、B、C和D。由于這4個生態(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)化法分別將4個柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,使得4個柵格數(shù)據(jù)的取值在0～1的標(biāo)準(zhǔn)化值范圍內(nèi)。將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的圖層A、B、C和D分別進(jìn)行柵格屬性值重分類,分為以下4個等級,即一般重要(0～0.3)、中等重要(>0.3～0.6)、重要(>0.6～0.8)和極重要(>0.8～1.0),生成A1、B1、C1和D1這4個新柵格圖;再將A1、B1、C1和D1這4個柵格圖進(jìn)行疊加分析,將各個柵格對應(yīng)位置上A1～D1中最大等級對應(yīng)的生態(tài)功能作為主導(dǎo)生態(tài)功能要素,并通過柵格屬性值重分類進(jìn)行對應(yīng)賦值,將具有相同賦值的柵格合并為1個斑塊,生成新的主導(dǎo)生態(tài)功能空間分布圖。

2.3 生態(tài)退化程度判定方法

依據(jù)理論NDVI與實際NDVI比值,參照退化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2),確定研究區(qū)的生態(tài)退化等級,生成生態(tài)退化等級圖。其中,理論NDVI的確定方法如下:獲取人為干擾相對較小時段1985—1990年間每年最大降水量對應(yīng)的月份;對研究區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)取樣,實施例中共取樣點(diǎn)1 400個;然后在1985—1990年間每年出現(xiàn)最大降水量月份的NDVI圖像中,將上述采樣點(diǎn)對應(yīng)位置的NDVI值提取出來,求取代表研究區(qū)域最大降水量月份的NDVI平均值;將最大降水量與NDVI平均值分別作為X、Y軸制成散點(diǎn)圖,分析降水量與NDVI的散點(diǎn)關(guān)系,采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 18.0對其進(jìn)行線性回歸分析,建立回歸模型;將2014年最大月降水量作為自變量分別代入回歸模型,求得該降水量下的理論NDVI值,該理論NDVI值表示在該降水量條件下,植被生長所能達(dá)到的最佳狀態(tài)。計算NDVI值的遙感數(shù)據(jù)來源于TM 7。

表2 退化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Standard for grading of degradation

實際NDVI/理論NDVI比值/%退化等級分級說明 >75～100未退化退化不明顯，植被覆蓋度與未退化最佳狀態(tài)之間差距較小，變化幅度為0～25%>50～75輕度退化呈輕度退化狀態(tài)，植被覆蓋度與未退化最佳狀態(tài)之間有一定差距>25～50中度退化呈中度退化狀態(tài)，植被覆蓋度與未退化最佳狀態(tài)之間存在明顯差距0～25重度退化呈重度、嚴(yán)重退化狀態(tài)，植被覆蓋度與未退化最佳狀態(tài)之間存在極顯著差距

3 結(jié)果與分析

巴林右旗一級分區(qū)選用立地條件中的海拔和主要植被類型數(shù)據(jù)中森林、草地和灌叢的屬性值作為一級區(qū)分級指標(biāo),并生成生態(tài)修復(fù)一級區(qū)圖。巴林右旗區(qū)域海拔變化范圍為355～1 900 m,以1 000～1 900 m范圍內(nèi)地貌為中山區(qū),500～<1 000 m為丘陵區(qū),<500 m為平原區(qū)。根據(jù)上述規(guī)則進(jìn)行劃分,巴林右旗地區(qū)的北部為中山區(qū),中部為丘陵區(qū),南部為平原區(qū)。中山區(qū)主要植被類型為森林,丘陵區(qū)主要植被類型為灌叢,平原區(qū)主要植被類型為草地。應(yīng)用空間分析技術(shù)ArcGIS 10.2中的spatial analyst/reclassify功能,依據(jù)上述界定的海拔范圍進(jìn)行劃定并賦值為4位數(shù),北部中山森林保護(hù)大區(qū)、中部丘陵灌叢保護(hù)修復(fù)大區(qū)和南部平原草原修復(fù)大區(qū)分別賦值1 000、2 000和3 000。

巴林右旗二級分區(qū)基于主導(dǎo)生態(tài)功能空間分布圖進(jìn)行確定。二級區(qū)的賦值為3位數(shù),例如防風(fēng)固沙功能賦值100,土壤保持功能賦值200,水源涵養(yǎng)功能賦值300,生物多樣性維護(hù)功能賦值400。

巴林右旗三級分區(qū)依據(jù)生態(tài)退化程度進(jìn)行判定。其中,在未退化區(qū)進(jìn)一步采用自然斷裂法,按照實際NDVI值從大到小將未退化區(qū)進(jìn)一步劃分為優(yōu)先保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)保護(hù)區(qū)和一般保護(hù)區(qū)3類。輕度退化劃定為預(yù)防修復(fù)區(qū),中度退化劃定為調(diào)控修復(fù)區(qū),重度退化劃定為重點(diǎn)修復(fù)區(qū),將上述新劃定的區(qū)域進(jìn)行賦值,將具有相同賦值的柵格合并為1個斑塊,最終生成生態(tài)修復(fù)三級區(qū)圖。三級區(qū)的賦值為2位數(shù),例如優(yōu)先保護(hù)區(qū)賦值10,重點(diǎn)保護(hù)區(qū)賦值20,一般保護(hù)區(qū)賦值30,預(yù)防修復(fù)區(qū)賦值40,調(diào)控修復(fù)區(qū)賦值50,重點(diǎn)修復(fù)區(qū)賦值60,通過柵格屬性值重分類生成生態(tài)修復(fù)三級區(qū)圖。上述自然斷裂法可以采用ArcGIS軟件中的natural breaks功能予以實現(xiàn)。

將一級、二級和三級分區(qū)圖進(jìn)行疊加運(yùn)算生成生態(tài)修復(fù)分區(qū)圖。上述疊加運(yùn)算是針對各分區(qū)圖中賦值的code層。實施例最終生成的生態(tài)修復(fù)分區(qū)圖的code統(tǒng)一為四位數(shù),末位數(shù)為相同立地條件、相同主導(dǎo)功能和相同退化程度下柵格的順序數(shù),生態(tài)修復(fù)分區(qū)依據(jù)該三級劃分的四位數(shù)進(jìn)行命名,如:(1)北部中山森林土壤保持重點(diǎn)保護(hù)區(qū)(1221);(2)中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙預(yù)防修復(fù)區(qū)(2141);(3)南部平原草原土壤保持預(yù)防修復(fù)區(qū)(3241)。

根據(jù)區(qū)域地勢地貌植被類型、生態(tài)服務(wù)功能空間分異規(guī)律和生態(tài)系統(tǒng)退化程度將巴林右旗劃分為3個一級區(qū)、7個二級區(qū)和29個三級區(qū)(表3，圖2),使每個生態(tài)修復(fù)空間單元具有一定的主導(dǎo)生態(tài)功能,并將其作為生態(tài)恢復(fù)目標(biāo),既體現(xiàn)了生態(tài)功能的空間分異規(guī)律,又使得恢復(fù)具有針對性。

北部中山森林保護(hù)大區(qū)區(qū)域內(nèi)包括賽罕烏拉國家級自然保護(hù)區(qū),整體保護(hù)狀況良好,但區(qū)內(nèi)仍存在過度放牧造成的土地退化現(xiàn)象,因此該區(qū)域需進(jìn)一步減少放牧壓力。目前,減輕放牧壓力采取的主要對策包括退耕還草和禁牧等。但要從根本上解決問題,需要轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的“共贏”,因此生態(tài)修復(fù)過程中的調(diào)控模式應(yīng)包括退耕地中草藥種植、苗圃基地建設(shè)和有機(jī)羊認(rèn)證等,在保證當(dāng)?shù)啬撩窠?jīng)濟(jì)收入不下降的同時提高生態(tài)修復(fù)力度。

中部丘陵灌叢土壤保持預(yù)防修復(fù)區(qū)、中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙預(yù)防修復(fù)區(qū)屬于輕度退化區(qū),該區(qū)在減少人為干擾的同時,需要采取一定的修復(fù)技術(shù)與模式預(yù)防生態(tài)進(jìn)一步退化。采取的模式有封育、輪牧、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和建立中草藥種植基地等。其中,輪牧可按照沙地中廣泛分布的坨子地、沼地和低濕平坦甸子地實行區(qū)劃,按季節(jié)進(jìn)行輪牧。中部丘陵灌叢土壤保持重點(diǎn)修復(fù)區(qū)、中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)屬于重度退化區(qū),除實施人工植被恢復(fù)與重建模式、禁牧等措施以外,需要采取調(diào)控修復(fù)模式,對區(qū)域?qū)嵭休d畜定量政策,并結(jié)合有機(jī)肉認(rèn)證,在減少載畜量的同時保證牧民收入不降低。

表3 巴林右旗生態(tài)功能保護(hù)與恢復(fù)區(qū)劃結(jié)果

Table 3 Zoning of Balin Right Banner for ecological function protection and restoration

一級大區(qū)名稱 二級亞區(qū)名稱 三級生態(tài)區(qū)名稱面積/km2代碼北部中山森林保護(hù)大區(qū)北部中山森林生物多樣性保護(hù)亞區(qū)北部中山森林生物多樣性優(yōu)先保護(hù)區(qū)12661411北部中山森林生物多樣性重點(diǎn)保護(hù)區(qū)7251421北部中山森林土壤保持亞區(qū)北部中山森林土壤保持一般保護(hù)區(qū)5411231北部中山森林土壤保持重點(diǎn)保護(hù)區(qū)3461221北部中山森林土壤保持重點(diǎn)保護(hù)區(qū)6231222北部中山森林土壤保持優(yōu)先保護(hù)區(qū)2971211中部丘陵灌叢保護(hù)修復(fù)大區(qū)中部丘陵灌叢水源涵養(yǎng)亞區(qū)中部丘陵灌叢水源涵養(yǎng)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)2412321中部丘陵灌叢土壤保持亞區(qū)中部丘陵灌叢土壤保持重點(diǎn)修復(fù)區(qū)4572261中部丘陵灌叢土壤保持預(yù)防修復(fù)區(qū)1512241中部丘陵灌叢土壤保持預(yù)防修復(fù)區(qū)2382242中部丘陵灌叢土壤保持優(yōu)先保護(hù)區(qū)2432211中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙亞區(qū)中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙預(yù)防修復(fù)區(qū)4772141中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)5492161中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)2872162中部丘陵灌叢防風(fēng)固沙重點(diǎn)保護(hù)區(qū)3572121南部平原草原修復(fù)大區(qū)南部平原草原防風(fēng)固沙亞區(qū)南部平原草原防風(fēng)固沙調(diào)控修復(fù)區(qū)2763151南部平原草原防風(fēng)固沙預(yù)防修復(fù)區(qū)1243141南部平原草原防風(fēng)固沙調(diào)控修復(fù)區(qū)3433152南部平原草原防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)2173161南部平原草原防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)2933162南部平原草原防風(fēng)固沙預(yù)防修復(fù)區(qū)703142南部平原草原防風(fēng)固沙調(diào)控修復(fù)區(qū)3973153南部平原草原防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)933163南部平原草原防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)923164南部平原草原土壤保持亞區(qū)南部平原草原土壤保持預(yù)防修復(fù)區(qū)3223241南部平原草原土壤保持調(diào)控修復(fù)區(qū)963251南部平原草原土壤保持預(yù)防修復(fù)區(qū)1263242南部平原草原土壤保持重點(diǎn)修復(fù)區(qū)3363261南部平原草原土壤保持預(yù)防修復(fù)區(qū)4593243

南部平原草原防風(fēng)固沙重點(diǎn)修復(fù)區(qū)、南部平原草原土壤保持重點(diǎn)修復(fù)區(qū)屬于草原重度退化區(qū)?？刹扇∩车剞r(nóng)林牧復(fù)合家庭生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式,該模式已在科爾沁沙地西部烏蘭敖都地區(qū)建立并推廣,取得較好效益,包括“家庭牧場”、“小草庫倫”等生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式,推廣建立家庭式農(nóng)林牧復(fù)合結(jié)構(gòu),建立集約型家庭牧場,開展宣傳教育及典型示范,轉(zhuǎn)變靠天養(yǎng)畜的舊習(xí),在區(qū)域內(nèi)逐步推廣半舍飼養(yǎng),進(jìn)而過渡到全舍飼養(yǎng)經(jīng)營。南部平原草原防風(fēng)固沙調(diào)控修復(fù)區(qū)、南部平原草原土壤保持調(diào)控修復(fù)區(qū)屬于中度退化、人為干擾較重地區(qū),采取農(nóng)牧結(jié)合型修復(fù)調(diào)控模式,充分利用丘間平地種植糧食、牧草等以開辟飼草來源,根據(jù)實際情況可以選擇在沙丘邊緣播種小葉錦雞兒、差巴嘎蒿和草本植物沙打旺等富蛋白植物。

4 討論

所劃定的生態(tài)修復(fù)分區(qū)目的與生態(tài)功能分區(qū)相同,都是為了維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全而開展的生態(tài)分區(qū),但著眼點(diǎn)不同,生態(tài)功能分區(qū)更注重生態(tài)系統(tǒng)主要服務(wù)功能空間布局,筆者所劃定的生態(tài)修復(fù)分區(qū)是在功能分區(qū)基礎(chǔ)上綜合考慮區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化程度,并在生態(tài)功能重要性分析基礎(chǔ)上判定區(qū)域主導(dǎo)生態(tài)功能,明確修復(fù)重點(diǎn),因此筆者研究方法較其他分區(qū)方法更具有針對性,“對癥下藥”指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)實踐,進(jìn)而節(jié)省生態(tài)修復(fù)人力、物力和財力的投入。所選研究區(qū)巴林右旗為國家主體功能區(qū)劃中科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分,因此筆者的研究結(jié)果可對科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐,也可在相似區(qū)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖2 巴林右旗生態(tài)修復(fù)分區(qū)Fig.2 Zoning of Barlin Right Banner for ecological remediation

主導(dǎo)生態(tài)功能及生態(tài)退化程度計算公式及相關(guān)參數(shù)的選取將影響分區(qū)結(jié)果,筆者采用生態(tài)功能及生態(tài)退化診斷常用公式及經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行計算,下一步研究過程中將通過實地調(diào)研與生態(tài)試驗,將參數(shù)進(jìn)行公里網(wǎng)格化,進(jìn)一步提高運(yùn)算精度,并結(jié)合人類生態(tài)需求提出更加有力的生態(tài)修復(fù)措施。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Zoning for Ecological Remediation by Dominant Ecological Function and Ecological Degradation Degree.

TIAN Mei-rong1, GAO Ji-xi1, SONG Guo-bao2, ZOU Chang-xin1, ZHENG Hao1

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering of Ministry of Education, School of Environmental Sciences & Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Zoning for eco-remediation is the precondition for scientific and efficient development of ecological restoration. Zoning was performed of Balin Right Banner in Inner Mongolia of China, an important section of the Horqin Steppe and an ecologically sensitive and fragile area as well. In zoning, an approach combining “bottom-up analysis” with “top-down parsing” was adopted and the technology of GIS spatial analysis was applied. Based on the rule of spatial differentiation of dominant ecological functions, zoning was done with ecological degradation degree, meteorological characteristics, terrain, landform and vegetation of the region taken comprehensively into full account. The first level zoning was done in the light of terrain and type of vegetation cover, to form zonal environment dominated ecological type groups; the second level zoning was by dominant ecological function, such as water source reservation, wind breaking and sand fixation, water erosion prevention and biodiversity conservation, to form mid-scaled zonal environment dominated ecological function type group; and the third level zoning was by degradation degree, i. e. non-degraded, slightly-degraded, moderately-degraded and severely-degraded, to form three groups of subzones different in toughness of the remediation, i. e. subzones for preventive eco-remediation, subzones for adjustable eco-remediation and subzones for key eco-remediation. The Balin Right Banner was divided into 3 first-grade zones, 7 second-grade zones and 29 third-grade zones which not only embodied the rule of dominant ecological function differentiation, but also made the remediation pointed and provided technical support to developing zone- or subzone-specific control measures and ecological remediation programs, such as rearrangement of vegetation, adjustment of industrial structure, etc.

ecological remediation; ecological degradation; zoning; Balin Right Banner

2016-09-27

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201409055)

X36；X24

A

1673-4831(2017)01-0007-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.01.002

田美榮(1981—),女,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,副研究員,博士,研究方向為區(qū)域生態(tài)保護(hù)。E-mail:tianmeirong007@163.com

① 通信作者E-mail: gaojx168@163.com