柏松，景連東，馮文蘭，牛曉俊

1. 西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041；2. 成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610041；3. 西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，西藏 拉薩 8500003

“生態(tài)保護(hù)紅線”（簡(jiǎn)稱(chēng)“生態(tài)紅線”）是 2011年中國(guó)首次提出的全新概念（林勇等，2016），它是指為維護(hù)區(qū)域的生態(tài)安全和生態(tài)服務(wù)功能，在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和脆弱區(qū)等區(qū)域劃定出需嚴(yán)格管控的邊界線，邊界線以?xún)?nèi)區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)紅線區(qū)（高吉喜，2014）。因此，生態(tài)紅線就是保障國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全不可逾越的底線（趙宇寧，2014）。自2012年國(guó)家環(huán)保部首次啟動(dòng)“生態(tài)紅線”繪制工作以來(lái)，關(guān)于生態(tài)紅線劃定工作的研究方興未艾。

當(dāng)前，生態(tài)紅線劃定方法研究仍處于探索階段（柏松等，2017）。中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)的類(lèi)型復(fù)雜多樣，決定了生態(tài)紅線類(lèi)別眾多，生態(tài)紅線劃定方法尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系（喻本德等，2014）。由于不同地區(qū)所面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題不同，其生態(tài)紅線劃定思路和方法也各異。燕守廣等（2014）通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性評(píng)價(jià)，劃定出了江蘇省陸域生態(tài)紅線。楊?yuàn)檴櫟龋?016）從生態(tài)安全的角度出發(fā)，基于最小阻力模型劃定維護(hù)江西省生態(tài)安全格局的生態(tài)紅線。謝雅婷等（2017）針對(duì)貴州喀斯特地區(qū)石漠化問(wèn)題，利用GIS手段和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)方法劃定出貴州石漠化敏感區(qū)的生態(tài)紅線。由于各地區(qū)研究方法和手段不一致，較難對(duì)各類(lèi)生態(tài)紅線的科學(xué)性進(jìn)行綜合比較。為此，2017年7月國(guó)家出臺(tái)了《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》作為劃定生態(tài)紅線的全國(guó)性技術(shù)參考資料，并將劃定水土保持功能生態(tài)紅線作為生態(tài)紅線的重要組成部分之一。然而，目前關(guān)于水土保持功能生態(tài)紅線劃定的研究報(bào)道較少，在省域尺度上的研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道。

劃定水土保持生態(tài)紅線的關(guān)鍵在于開(kāi)展水土保持功能重要性評(píng)價(jià)。目前采用的評(píng)價(jià)方法與和模型較多，主要包括定量指標(biāo)法、土壤流失方程（USLE）模型法，單因子評(píng)價(jià)法（馮磊等，2012）、綜合指數(shù)法（李該霞等，2016）、主導(dǎo)因子分析法等等（趙乾坤等，2014）。相對(duì)而言，USLE模型法所涉及的數(shù)據(jù)豐富，應(yīng)用較廣。因此，采用 USLE模型法在典型區(qū)域開(kāi)展水土保持功能重要性評(píng)估，進(jìn)而劃定水土保持生態(tài)紅線對(duì)于豐富和完善生態(tài)紅線劃定研究工作具有重要意義。

四川省是中國(guó)長(zhǎng)江上游重要的生態(tài)屏障，但水土流失面積占國(guó)土面積達(dá)40%以上，是中國(guó)水土流失最嚴(yán)重的省區(qū)之一（王麗槐，2003；宋述軍等，2008）。因此，四川省是開(kāi)展水土保持生態(tài)紅線研究的理想?yún)^(qū)域。本研究以四川省為研究對(duì)象，依據(jù)全域多源遙感數(shù)據(jù)、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)及太陽(yáng)輻射站點(diǎn)等數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS技術(shù)及水土保持功能分級(jí)評(píng)價(jià)方法，探討水土保持功能生態(tài)紅線的劃定方法，為深入開(kāi)展生態(tài)紅線區(qū)劃工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

四川省位于中國(guó)西南腹地，地處長(zhǎng)江上游，介于東經(jīng) 97°21'～108°33'和北緯 26°03'～34°19'之間，幅員面積4.86×105km2。四川地貌復(fù)雜，類(lèi)型多樣，西部地區(qū)毗鄰青藏高原東緣，東部地區(qū)則大都位于四川盆地內(nèi)（樓豫紅，2014）。四川以龍門(mén)山-大涼山一線為界，大致分為東部四川盆地和盆周山地區(qū)，西部川西高山高原及川西南山地區(qū)（何光漢，2010）。四川整個(gè)地勢(shì)呈西高東低，氣候特征差異顯著。東部盆地地區(qū)多屬南亞熱帶氣候，西部高山高原地區(qū)則主要為溫帶和寒溫帶氣候。受太平洋季風(fēng)和印度洋季風(fēng)影響，四川地區(qū)降水量豐沛，除少數(shù)地區(qū)外，年降水量達(dá)600～1000 mm（吳婷婷，2010）。四川省水土流失類(lèi)型主要為水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，全省水土流失面積達(dá)121042 km2，占幅員面積24.90%。研究區(qū)數(shù)字高程（DEM）模型圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)數(shù)字高程模型圖Fig.1 Digital Elevation Model (DEM) of Study Area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

數(shù)據(jù)來(lái)源包括遙感數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形及土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。其中，遙感數(shù)據(jù)主要來(lái)源于美國(guó)航空航天局（NASA）的MODIS13Q1 16天合成的NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，每年共有23期影像，共下載了2000—2014年的NDVI影像，在 MRT下對(duì)其進(jìn)行重投影（阿爾伯斯等積投影），分辨率為250 m。氣象數(shù)據(jù)主要從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取，包括四川省范圍內(nèi) 52個(gè)氣象站點(diǎn) 2000—2016年的月降水量數(shù)據(jù)、月平均溫度、月最高溫度與月最低溫度。此外還有四川及周邊23個(gè)站點(diǎn)的月太陽(yáng)總輻射（MJ·m-2）數(shù)據(jù)。地表覆被類(lèi)型數(shù)據(jù)為30 m分辨率的IPCC土地覆被類(lèi)型，主要采用2010年生態(tài)10年環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)土地覆蓋分類(lèi)系統(tǒng)。土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。此外還包括30 m分辨率的四川DEM數(shù)據(jù)，以及來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的坡度數(shù)據(jù)，坡向數(shù)據(jù)于ARCGIS下由DEM數(shù)據(jù)提取而來(lái)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)保護(hù)紅線劃定方法

水土保持功能生態(tài)紅線劃定方法分以下5個(gè)步驟進(jìn)行：

2.1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

收集與處理四川全域的植被類(lèi)型、遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形及土地利用數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作主要在 MODIS Swath TOOL和ARGGIS軟件平臺(tái)下完成，包括對(duì)各數(shù)據(jù)的投影、矢量裁剪、格式轉(zhuǎn)換等。

2.1.2 開(kāi)展水土保持功能重要性評(píng)價(jià)

本研究旨在劃定水土保持功能生態(tài)保護(hù)紅線，為此，擬先對(duì)四川省全域范圍開(kāi)展水土保持功能重要性評(píng)價(jià)，再根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，將四川省內(nèi)水土保持功能最重要的區(qū)域劃定為水土保持生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)。水土保持的重要性評(píng)估擬采用修正通用的水土保持流失方程（RUSLE）的水土保持服務(wù)模型開(kāi)展。其公式如下：

式中，AC為水土保持量（t·hm-2·a-1）；AP為潛在土壤侵蝕量；AR為實(shí)際土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋因子（姜琳等，2014）。

2.1.3 根據(jù)水土保持評(píng)價(jià)結(jié)果劃定生態(tài)保護(hù)紅線

以根據(jù)式（1）計(jì)算出的水土保持量作為水土保持功能重要性評(píng)價(jià)的指標(biāo)，即水土保持量越大，水土保持功能越重要，反之則表示不重要。在進(jìn)行水土保持功能評(píng)價(jià)分級(jí)時(shí)，采用GIS空間分析功能中的自然斷點(diǎn)分級(jí)法并結(jié)合專(zhuān)家咨詢(xún)法（李該霞等，2016），將獲得的水土保持量分為5個(gè)等級(jí)。自然斷點(diǎn)法充分利用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的Jenk最優(yōu)化法，它能夠使各級(jí)的內(nèi)部方差之和達(dá)到最小（王萬(wàn)忠等，1996），具有較好的科學(xué)性。以水土保持量大小代表水土保持生態(tài)功能強(qiáng)弱，按水土保持量由低到高依次劃分為5個(gè)重要性等級(jí)不同的生態(tài)功能區(qū)，即一般重要、輕度重要、中等重要、高度重要、極重要生態(tài)功能區(qū)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

對(duì)四川省全域水土保持量進(jìn)行估算，將水土保持量最高區(qū)域作為水土保持功能價(jià)值極重要區(qū)域，并將這一極重要生態(tài)保護(hù)功能區(qū)劃定為水土保持生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)。

表1 水土保持量與水土保持功能重要性分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table1 Correspondence between the amount of soil and water conservation and classification of function of soil and water conservation

圖2 植被覆蓋度分布Fig.2 Distribution of vegetation coverage

2.2 水土保持量估算模型處理

基于修正通用的 RUSLE模型對(duì)土壤保持量進(jìn)行估算，模型中眾參數(shù)（R、K、L、S、C）的準(zhǔn)確獲取是關(guān)鍵。降雨侵蝕力因子R的獲?。焊鶕?jù)四川地區(qū)降雨豐沛的氣候特點(diǎn)，采用修正的 Richardson日降雨侵蝕力模型估算四川降雨侵蝕力（章文波等，2003；史展等，2013）。土壤可蝕性因子K：采用EPIC模型估算方法計(jì)算土壤可蝕性K值（汪東川，2005）。坡度S和坡長(zhǎng)L因子：依據(jù)研究區(qū)的地形地貌特征進(jìn)行選取。由于四川山地丘陵分布甚廣，坡度大于15度的區(qū)域面積較大，故陡坡采用坡度公式計(jì)算（陳思旭等，2014）。植被覆蓋因子C：根據(jù)蔡崇法等的方法獲取（許月卿等，2006）。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤保持量分布特征

利用RUSLE模型獲得四川省植被覆蓋度（圖2）和水土保持量的空間分布結(jié)果（圖3）。

由圖3可知，四川省各地區(qū)水土保持量差異較顯著，總體在 0～339727 t·hm-2·a-1之間變化，并且各地區(qū)分布不均。川西高山高原地區(qū)和四川盆地地區(qū)的水土保持量相對(duì)較低，這兩個(gè)區(qū)域的大部分地區(qū)水土保持量不足 15000 t·hm-2·a-1。川西南山區(qū)和四川盆周山區(qū)的水土保持量普遍較高，大多處于15000～40000 t·hm-2·a-1之間。

圖3 水土保持量分布Fig.3 Distribution map of soil and water conservation amount

圖4 四川水土保持生態(tài)功能區(qū)分級(jí)結(jié)果Fig.4 Classification map of water and soil conservation function of Sichuan povince

表2 四川省水土保持生態(tài)功能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及賦值Table2 Evaluation classification of soil and water conservation function of Sichuan province

根據(jù)水土保持量分布情況，采用GIS空間分析功能中的自然斷點(diǎn)法結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，并參考四川省實(shí)際情況，確定出水土保持功能重要性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及賦值（表2）。根據(jù)表2分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，獲得了四川省5類(lèi)重要性等級(jí)不同的水土保持生態(tài)功能區(qū)的空間分布結(jié)果（圖4），再運(yùn)用ArcGIS軟件，疊加水土保持功能重要性評(píng)價(jià)結(jié)果，獲得水土保持量分級(jí)統(tǒng)計(jì)情況（表3）。

由圖 4和表 3分級(jí)結(jié)果可知，在所劃定的 5類(lèi)生態(tài)保護(hù)功能區(qū)中，一般重要生態(tài)功能區(qū)（水土保持量＜5000 t·km-2·a-1）的分布面積最大，總面積達(dá)2361261 km2，占研究區(qū)總面積近50%；其次依次為輕度重要生態(tài)功能區(qū)（5000～15000 t·km-2·a-1）、中等重要生態(tài)功能區(qū)（15000～25000 t·km-2·a-1） 和 極 重 要 生 態(tài) 功 能 區(qū) （ ＞35000 t·km-2·a-1），上述三類(lèi)水土保持生態(tài)功能區(qū)的分布面積相差不大，分別為 77912、58734和 64938 km2，各占區(qū)域總面積的 16.34%、12.31%和13.61%。分布面積最小的是高度重要生態(tài)功能區(qū)（25000～35000 t·km-2·a-1），該區(qū)總面積為 39244 km2，僅占研究區(qū)總面積8.23%。

總體而言，四川省各類(lèi)水土保持生態(tài)功能區(qū)的空間分布具有鮮明的地貌分布特征：水土保持功能較弱的一般重要和輕度重要生態(tài)功能區(qū)的空間分布較一致，主要分布在川西北高山高原區(qū)、四川盆地丘陵區(qū)和川西平原區(qū)；水土保持功能較強(qiáng)的中等重要、高度重要和極重要生態(tài)功能區(qū)集中分布在四川盆周山區(qū)和川西南山區(qū)。

表3 水土保持量分級(jí)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table3 Statistical results of classification of soil and water conservation function

圖5 四川水土保持生態(tài)紅線Fig.5 The ecological red line with water and soil conservation function of Sichuan province

3.2 水土保持生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)分布特征

根據(jù)表3的分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將水土保持量高于35000 t·km-2·a-1的極重要生態(tài)功能區(qū)劃定為水土保持生態(tài)保護(hù)紅線。因?yàn)榛谏鲜龇椒ǐ@得的紅線區(qū)空間分布如圖5所示。

由圖5可知，四川水土保持生態(tài)保護(hù)紅線分布較為集中（圖5），紅線區(qū)總面積達(dá)64938 km2，占四川省國(guó)土總面積的13.61%，主要分布于四川盆周山地區(qū)和川西南山區(qū)，尤以地處川西南山區(qū)的雅安和樂(lè)山兩地分布最為集中，另外在四川盆地丘陵區(qū)中部也有零星分布。

將四川生態(tài)紅線的空間分布特征（圖 5）與區(qū)域植被覆蓋分布狀況（圖 2）進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)水土保持生態(tài)紅線的分布與森林覆蓋度高的區(qū)域大體一致，生態(tài)紅線區(qū)幾乎全部處于植被覆蓋度最高的區(qū)域范圍內(nèi)，說(shuō)明水土保持量大小與森林覆蓋度的高低密切相關(guān)。研究表明，植被覆蓋度越高，植被越茂盛，植被根部對(duì)土壤的保持力度越大，土壤侵蝕越?。悋?yán)武等，2015）。深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在本研究劃定的生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)，森林植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，說(shuō)明常綠闊葉林覆蓋率高的區(qū)域具有較高的水土保持量。前人研究表明，常綠闊葉林具有很強(qiáng)的水土保持功能，并且常綠闊葉林覆蓋度高的區(qū)域，林地水土保持能力較強(qiáng)（趙連友，2017）。于法展等（2015）對(duì)常綠闊葉林、松林、落葉闊葉混交林等6種森林植被的水土保持功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明常綠闊葉林的水土保持功能價(jià)值最高（于法展等，2015）。由此可見(jiàn)，區(qū)域水土保持功能大小與植被覆蓋度和森林植被類(lèi)型密切相關(guān)。在常綠闊葉林植被覆蓋度越高的區(qū)域，其水土保持量越大，水土保持功能越強(qiáng)。另外，從生態(tài)紅線區(qū)的地理分布和氣候特征看，水土保持功能強(qiáng)的區(qū)域主要集中在海拔1000～2500 m范圍內(nèi)的川西南山區(qū)和四川盆周山地區(qū)，區(qū)域氣候以亞熱帶、中亞熱帶和暖溫帶氣候?yàn)橹?，年均溫較高且降水充沛，氣候條件有利于森林植物的生長(zhǎng)，有助于促進(jìn)森林土壤發(fā)育，對(duì)維持區(qū)域水土保持生態(tài)功能起到了關(guān)鍵作用。

綜上可見(jiàn)，本研究基于水土保持量評(píng)價(jià)結(jié)果劃定的生態(tài)紅線區(qū)與區(qū)域的植被覆蓋度、植被類(lèi)型、地理分布和氣候特征等都具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 討論

“生態(tài)紅線”概念自從被提出之后，其定義、內(nèi)涵和外延不斷得以擴(kuò)充，如耕地紅線、林地紅線、濕地紅線、生物多樣性保護(hù)紅線等等，各類(lèi)生態(tài)紅線的劃定方法也各不相同。以往這些不同類(lèi)別生態(tài)紅線的劃定不僅破壞山、水、林、田、湖生態(tài)系統(tǒng)的完整性，也容易造成各地管理部門(mén)在實(shí)施生態(tài)紅線管控上的困難。為此，2018年1月，國(guó)家提出了“一條紅線”管控重要生態(tài)空間的要求，旨在將不同類(lèi)別的生態(tài)紅線統(tǒng)一為“一條紅線”，在一條生態(tài)紅線范圍內(nèi)形成統(tǒng)一的生態(tài)空間。事實(shí)上，這個(gè)所謂的“一條紅線”并非指的是一個(gè)唯一的生態(tài)紅線區(qū)，而是包含水土保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性維護(hù)、防風(fēng)固沙等諸多生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)空間。這就需要將已劃定出的各類(lèi)生態(tài)功能紅線，再利用空間分析技術(shù)將其進(jìn)行疊加獲得總的生態(tài)紅線。因此，本研究所劃定的水土保持功能生態(tài)紅線是四川省生態(tài)保護(hù)紅線的重要組成部分之一。

此外，從管控“一條紅線”、“一個(gè)生態(tài)空間”的角度出發(fā)，在劃定生態(tài)紅線時(shí)，也應(yīng)盡可能采用統(tǒng)一的方法，以便對(duì)各地劃定的生態(tài)紅線區(qū)進(jìn)行校核和空間疊加。故本文采用了2017年7月國(guó)家最新頒布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》中推薦的方法，即通過(guò)RUSLE模型開(kāi)展水土保持功能重要性評(píng)價(jià)。該方法也是目前在水土保持量評(píng)估研究中被廣泛應(yīng)用的方法。當(dāng)然，定量指標(biāo)法也是較常用的評(píng)價(jià)方法之一，但該法所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料不及RUSLE模型法豐富，更適用于快速評(píng)價(jià)（王翠平等，2017）。相對(duì)而言，RUSLE模型法的應(yīng)用比定量指標(biāo)法更廣泛、更準(zhǔn)確，因此，本研究基于RUSLE模型評(píng)估劃定的四川水土保持生態(tài)紅線總體是準(zhǔn)確的，研究成果可為今后其他地區(qū)的生態(tài)紅線研究提供參考。

要想保證人們的工作和生活，就應(yīng)該對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行不斷的完善和更新。針對(duì)不同的情況制定有效的措施，相關(guān)人員還應(yīng)該做好記錄，在變電站發(fā)生安全事故時(shí)能夠有效搶救并恢復(fù)。在我國(guó)北方，冬季非常寒冷，電網(wǎng)設(shè)備容易在強(qiáng)降雪沖擊下，電桿倒塌，造成整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)崩塌。在變電站發(fā)生這樣的情況下，應(yīng)該結(jié)合相關(guān)規(guī)范進(jìn)行及時(shí)的處理，把危險(xiǎn)降到最低。重點(diǎn)是出現(xiàn)電網(wǎng)斷裂的狀態(tài)下，應(yīng)該安置警示牌，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面的封鎖，避免出現(xiàn)觸電的危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本研究采用GIS空間分析技術(shù)和RUSLE模型，開(kāi)展水土保持功能重要性評(píng)估，對(duì)四川水土保持生態(tài)紅線進(jìn)行了劃定。結(jié)果表明，基于水土保持量評(píng)價(jià)結(jié)果劃定的生態(tài)紅線區(qū)與區(qū)域的植被覆蓋度、植被類(lèi)型、地理分布和氣候特征具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。四川水土保持生態(tài)紅線區(qū)與植被覆蓋度高的常綠闊葉林區(qū)的分布范圍基本一致，紅線區(qū)總面積64938 km2，占四川省國(guó)土總面積13.61%，主要分布于川西南山區(qū)和四川盆周山地區(qū)，尤以地處川西南山區(qū)的雅安和樂(lè)山兩地分布最集中?？傮w而言，本研究采用的生態(tài)紅線劃定方法是可行的，研究成果對(duì)于中國(guó)其他地區(qū)生態(tài)紅線的劃定工作具有一定的參考價(jià)值。

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