李堯, 葉成名, 謝強(qiáng), 梁莉
(1.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041;2.成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059;3.四川省環(huán)境科學(xué)保護(hù)研究院,成都 610041)
自黨的十八大提出“生態(tài)文明建設(shè)”以來(lái),中央及地方政府高度重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù),逐步開(kāi)展了生態(tài)紅線(xiàn)劃定的試點(diǎn)工作。生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估是生態(tài)紅線(xiàn)劃定的前提與基礎(chǔ),多年來(lái)一直是生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。1970年,關(guān)鍵環(huán)境問(wèn)題研究(study of critical environmental problems,SCEP)報(bào)告中首次提出了“服務(wù)功能”的概念[1];后來(lái)Costanza等[2]對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的概念和分類(lèi)做了詳細(xì)的介紹,主要分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)以及維持其他類(lèi)型服務(wù)所必須的支持服務(wù)4種類(lèi)型。我國(guó)學(xué)者也對(duì)生態(tài)服務(wù)功能定義展開(kāi)了大量研究,歐陽(yáng)志云等[3]將生態(tài)服務(wù)功能定義為“生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及所維持的人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境條件與效用”;董全[4]定義生態(tài)服務(wù)功能為“自然過(guò)程所產(chǎn)生和維持的有關(guān)環(huán)境資源的各種條件和服務(wù)”。
近年來(lái),在明確了生態(tài)服務(wù)功能定義的基礎(chǔ)上,涌現(xiàn)了大量生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估模型?;谶b感(remote sensing,RS)與地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)的評(píng)估模型發(fā)展最為迅速,RS為生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估模型提供了水平、垂直、多光譜、多時(shí)段、多尺度的景觀(guān)信息,減少了大量的野外調(diào)查工作[5],在生物多樣性評(píng)估與監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛[6-8];GIS擁有強(qiáng)大的空間分析能力,為生態(tài)服務(wù)功能可視化和空間相關(guān)分析提供有效的解決手段,大量的學(xué)者將其應(yīng)用于水土保持、水源涵養(yǎng)和碳存儲(chǔ)功能等定量評(píng)估領(lǐng)域[9-12]。在評(píng)估模型研究日漸成熟的基礎(chǔ)上,重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)劃定成為了研究熱點(diǎn)。香寶等[13]運(yùn)用RS和GIS技術(shù),采用專(zhuān)家打分的綜合指標(biāo)法對(duì)成渝區(qū)生態(tài)服務(wù)功能重要性進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià),劃定了重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū);李月臣等[14]在單一服務(wù)功能評(píng)估結(jié)果基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)服務(wù)功能重要性指數(shù),采用自然間斷分割法確定了重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)。以往研究中大多只考慮生態(tài)服務(wù)功能的重要性,或者注重某斑塊功能的高低,較少考慮保護(hù)的高效性和斑塊在區(qū)域內(nèi)的地位。國(guó)家原環(huán)境保護(hù)部2017年頒發(fā)的《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定技術(shù)指南》中將包含單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估結(jié)果總量50%的區(qū)域劃定為該項(xiàng)服務(wù)功能極重要區(qū),合并疊加各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能極重要區(qū)組成生態(tài)服務(wù)功能重要區(qū)[15]。鑒于此,本研究以四川省萬(wàn)源市為例,結(jié)合山區(qū)特殊性,借助RS和GIS技術(shù),對(duì)主要生態(tài)服務(wù)功能,即生物多樣性保護(hù)功能、水土保持功能和水源涵養(yǎng)功能等進(jìn)行快速評(píng)估,在評(píng)估結(jié)果基礎(chǔ)上計(jì)算生態(tài)保護(hù)效益系數(shù),劃定該研究區(qū)重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū),為生態(tài)保護(hù)方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。
本文研究區(qū)萬(wàn)源市為四川省轄縣級(jí)市,位于川東北大巴山腹心區(qū),位置界于N30°39′~32°20′,E107°28′~108°31′之間,下轄12個(gè)鎮(zhèn)和40個(gè)鄉(xiāng),面積約為4 065 km2。研究區(qū)地處中國(guó)南北氣候的分界線(xiàn)和嘉陵江、漢江分水嶺地帶,且位于川、陜、渝三省(市)的結(jié)合部,是進(jìn)出四川的重要門(mén)戶(hù),也是連接川陜渝經(jīng)濟(jì)、文化、交通的重地,享有“萬(wàn)寶之源”的美譽(yù)(圖1)。區(qū)內(nèi)地形起伏大,溝壑縱橫,潛在水土流失量大,多年平均降雨量為1 169 mm,降雨集中于每年7—8月份。區(qū)內(nèi)物種豐富,擁有巖羊、珙桐和紅豆杉等國(guó)家一、二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)植物;同時(shí)擁有豐富的煤礦、石灰石和硒等重要資源。然而,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,動(dòng)植物多樣性保護(hù)與資源開(kāi)采面臨著不可避免的矛盾,因此有必要對(duì)轄區(qū)進(jìn)行生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估,以輔助資源的合理開(kāi)發(fā)決策。
圖1 研究區(qū)范圍
采用的遙感數(shù)據(jù)為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS)的Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù),接收時(shí)間為2016年6月17日,云量低,質(zhì)量較好。對(duì)影像做了幾何糾正與基礎(chǔ)處理后,根據(jù)歐陽(yáng)志云等[16]提出的生態(tài)系統(tǒng)3級(jí)分類(lèi)體系與研究區(qū)實(shí)況,實(shí)地調(diào)查采集區(qū)內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)的樣本數(shù)據(jù),通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)得到了地表覆蓋類(lèi)型(圖2(a))。
(a) 萬(wàn)源市 (b) 規(guī)劃調(diào)整前局部地區(qū) (c) 規(guī)劃調(diào)整后局部地區(qū)
為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,利用已有的規(guī)劃數(shù)據(jù)對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行了檢查與調(diào)整,圖2(b)—(c)示出部分區(qū)域規(guī)劃調(diào)整前后的差異。降雨數(shù)據(jù)采用四川省127個(gè)氣象站點(diǎn)的降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其時(shí)間跨度為2010—2015年(分5期),含月降雨量。通過(guò)克呂金空間插值,得到全省降雨分布數(shù)據(jù),然后計(jì)算降雨侵蝕力。數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)來(lái)源于中國(guó)地理空間數(shù)據(jù)云,采樣間隔為30 m。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省土壤屬性數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)包含土壤中各種物質(zhì)的含量,通過(guò)GIS技術(shù)轉(zhuǎn)換成了柵格數(shù)據(jù)格式。
中國(guó)疆域廣闊,自然地理環(huán)境復(fù)雜,各種典型地貌的重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)劃定技術(shù)方法仍處于探索研究階段,暫無(wú)統(tǒng)一的技術(shù)參考。本研究針對(duì)四川省東北部山區(qū)的獨(dú)特地理環(huán)境,結(jié)合RS和GIS技術(shù)優(yōu)勢(shì),基于景觀(guān)尺度對(duì)重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)進(jìn)行識(shí)別研究。劃定方法遵循管理的合理性與管理資源最優(yōu)化分配原則,在功能區(qū)劃定過(guò)程中既保證斑塊的高聚集性,又保證在管理成本最小的情況下能達(dá)到最優(yōu)生態(tài)效益,以便主管部門(mén)進(jìn)行片區(qū)化管理監(jiān)督與任務(wù)下達(dá)??傮w方法流程如圖3。
圖3 重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)評(píng)估方法流程
2.2.1 生物多樣性保護(hù)功能評(píng)估方法
傅伯杰等[17]在郭中偉等[5]研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量研究,構(gòu)建了適用于中國(guó)的生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估指標(biāo)體系。該體系以壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個(gè)指標(biāo)表征生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性,因此研究通過(guò)棲息地及其脅迫源之間的相互作用來(lái)模擬棲息地生存環(huán)境質(zhì)量,用該質(zhì)量作為生物多樣性定量評(píng)估指標(biāo)。研究采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價(jià)和權(quán)衡得失評(píng)估模型(integrated valuation of environmental services and tradeoffs,InVEST)中的生物多樣性評(píng)估模塊進(jìn)行生物多樣性保護(hù)功能的評(píng)估,該模型在國(guó)內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估中得到了普遍應(yīng)用,是主流生態(tài)評(píng)估模型,計(jì)算公式為[18]
(1)
式中:Qxj為生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型j中像元x的生物多樣性保護(hù)功能;Hj為生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型j的生境適宜性;Z為尺度參數(shù),為常量;k為半飽和常數(shù),若滿(mǎn)足
(2)
則k值等于Dxj值;Dxj為生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型j中x的生境脅迫水平。Dxj計(jì)算公式為
(3)
式中:ry為像元y的脅迫因子;R為脅迫因子種類(lèi)數(shù)量;Yr為總像元數(shù);wr為脅迫因子的權(quán)重,表明某一脅迫因子(如工礦交通)對(duì)所有其他生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)破壞力;βx為像元x的可達(dá)性水平,1表示極容易達(dá)到;Sjr為生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型j對(duì)脅迫因子r的敏感性,越接近1表示越敏感;irxy為ry對(duì)像元x中生境的脅迫作用。irxy計(jì)算公式有線(xiàn)性和指數(shù)2種,分別為
(4)
(5)
式中:dxy為x與y之間的直線(xiàn)距離;drmax為脅迫因子r的最大影響距離。當(dāng)脅迫因子對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)的脅迫作用受到障礙物(如山體、人工隔離帶)影響較大時(shí),常采用指數(shù)公式計(jì)算脅迫作用。
參照文獻(xiàn)[19-20],本文將萬(wàn)源市脅迫因子r屬性設(shè)置如表1所示,各生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型j對(duì)脅迫因子的敏感性Sjr設(shè)置如表2所示。
表1 生態(tài)脅迫因子
表2 不同生態(tài)系統(tǒng)對(duì)脅迫因子的敏感性
2.2.2 水土保持功能評(píng)估方法
水土保持功能評(píng)估模型采用改進(jìn)的通用水土流失方程進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算公式為[21]
SC=SEp-SEa
(6)
SEp=R·K·LS
(7)
SEa=R·K·LS·C·P
(8)
式中:SEp為潛在土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2a);SEa為實(shí)際土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2a);SC為每年單位面積土壤保持量,t/(hm2a);LS為地形因子即坡長(zhǎng)坡度因子;P為水土保持措施因子,取值范圍為[0,1],參考已有的相關(guān)研究結(jié)果[22]來(lái)確定研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類(lèi)型的P值,即園地為0.1、耕地為0.01、林地為0.2、灌木叢為0.4、居住地為1、工礦交通為1、裸地為1、水域?yàn)?;R為降雨侵蝕力,MJmm/(hm2ha);C為植被覆蓋因子;K為土壤可蝕性因子,thm2h/(hm2MJmm)。
降雨侵蝕力R計(jì)算公式為[23]
(9)
式中:i為月份;Mi為月降水量;M為年降水量。當(dāng)滿(mǎn)足暴雨頻發(fā)、降雨強(qiáng)度大的條件時(shí),研究區(qū)的降雨侵蝕力較大,是誘發(fā)泥石流等自然災(zāi)害的主要因素。
C和K的計(jì)算公式分別為[24-25]
C=[(1-NDVI)/2]1+NDVI
(10)
式中NDVI為歸一化植被指數(shù);
K=(-0.013 83+0.515 75K0)×0.131 7,
(11)
(12)
式中:K0為修正前土壤可蝕性因子;ms為土壤砂粒百分含量;msilt為土壤粉粒百分含量;mc為土壤粘粒百分含量;orgC為有機(jī)碳百分含量。
坡長(zhǎng)L與坡度α是水土流失的主控因子之一,地表起伏度變化越大的區(qū)域值越大。小尺度研究中可以通過(guò)實(shí)地測(cè)量獲得,但萬(wàn)源市屬于山區(qū),地形復(fù)雜,是典型的大尺度復(fù)雜研究區(qū)域,因此根據(jù)數(shù)字高程確定坡長(zhǎng)坡度因子LS的計(jì)算方法為[26]
(13)
(14)
2.2.3 水源涵養(yǎng)功能評(píng)估方法
水源涵養(yǎng)功能評(píng)估采用降水貯存量法,即用生態(tài)系統(tǒng)的蓄水效應(yīng)來(lái)衡量其涵養(yǎng)水分的功能[28],具體為
Q=A·J·Y
(15)
J=J0·X
(16)
Y=Y0-Yg
(17)
式中:Q為與裸地相比,林地和耕地等生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的單位面積增加量,mm/hm2;A為生態(tài)系統(tǒng)面積,hm2;J為研究區(qū)年均產(chǎn)流降雨量,mm;J0為研究區(qū)年均降雨總量,mm;X為研究區(qū)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例,結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,參照文獻(xiàn)[28],將X取值為0.6;Y為與裸地比較,生態(tài)系統(tǒng)減少?gòu)搅鞯男б嫦禂?shù)[28-29](表3);Y0為產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率;Yg為產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。
表3 生態(tài)系統(tǒng)減少?gòu)搅鞯男б嫦禂?shù)
重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)的劃定需考慮生態(tài)管理部門(mén)的工作高效性與管理工作效益最大化原則,本文提出了生態(tài)保護(hù)效益系數(shù)計(jì)算方法,根據(jù)評(píng)估結(jié)果設(shè)定合理的分割閾值,然后確定相應(yīng)生態(tài)服務(wù)功能重要區(qū)的備選區(qū)域,最后將3個(gè)服務(wù)功能備選區(qū)域合并,對(duì)合并結(jié)果做小斑塊的去除優(yōu)化處理得到最終重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)。其中分割閾值通過(guò)分析生態(tài)保護(hù)效益系數(shù)曲線(xiàn)得到,曲線(xiàn)到達(dá)增長(zhǎng)拐點(diǎn)時(shí)確定最佳分割閾值,生態(tài)保護(hù)效益系數(shù)計(jì)算公式為
(18)
式中:EPi為生態(tài)保護(hù)效益系數(shù);T為研究區(qū)總面積;Pi表示第i個(gè)重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)面積;G為研究區(qū)生態(tài)服務(wù)評(píng)估結(jié)果總量;Ia為重要區(qū)生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估結(jié)果總量。
根據(jù)參數(shù)屬性表與遙感解譯的地表覆蓋數(shù)據(jù),得到需要的模型因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù),再將因子數(shù)據(jù)帶入模型得到最終的服務(wù)功能評(píng)估(圖4和表4)。表4中水土保持和水源涵養(yǎng)量為各生態(tài)系統(tǒng)年總面積的量。
(a) 生物多樣性保護(hù) (b) 水土保持 (c) 水源涵養(yǎng)
表4 水土保持、水源涵養(yǎng)功能統(tǒng)計(jì)
生物多樣性指數(shù)評(píng)估結(jié)果表明,在人跡罕見(jiàn)的地方生物多樣性保護(hù)功能較高,在城鎮(zhèn)區(qū)域生物物種結(jié)構(gòu)單一,生物多樣性保護(hù)功能較低。從3種功能綜合分析可以看出,萬(wàn)源市生態(tài)服務(wù)功能較好,符合其實(shí)際情況。水源涵養(yǎng)功能最高值和最低值分別為342.77 mm/(hm2a)和83.22 mm/(hm2a),較低值主要分布在居住地和工礦交通等人工地表區(qū)域。水土保持能力方面,萬(wàn)源市土壤保持量普遍偏低,最高為98.23 t/(hm2a),主要分布在植被覆蓋度較高的林地區(qū)域,最低為0 t/(hm2a),主要分布在低海拔、地勢(shì)較平且不發(fā)生潛在水土流失的區(qū)域和水域。其中萬(wàn)源市西北部的高山區(qū)域潛在水土流失量較大,但由于近年來(lái)實(shí)施的環(huán)保政策提高了該區(qū)域植被覆蓋度,改善了水土保持功能。通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查,并用2011年全國(guó)第一次水利普查結(jié)果驗(yàn)證,評(píng)估結(jié)果符合實(shí)際情況。
評(píng)估結(jié)果歸一化后設(shè)定不同的分割閾值從而計(jì)算生態(tài)保護(hù)效益系數(shù),計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可知,當(dāng)生物多樣性分割閾值為0.9時(shí),生態(tài)保護(hù)效益系數(shù)最大,此時(shí)生物多樣性保持功能重要區(qū)面積為1 509.76 km2;水土保持分割閾值為0.4,效益系數(shù)增速變緩,得到最大生態(tài)保護(hù)效益系數(shù),由此水土保持功能重要區(qū)面積為1 236.20 km2;水源涵養(yǎng)分割閾值為0.9,得到最大生態(tài)保護(hù)效益系數(shù),水源涵養(yǎng)功能重要區(qū)面積為1 669.81 km2。
圖5 生態(tài)保護(hù)效益系數(shù)
根據(jù)生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估結(jié)果,計(jì)算分割閾值得到3種服務(wù)功能備選區(qū),合并、優(yōu)化后得到萬(wàn)源市重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)。將該重要區(qū)域與已有自然保護(hù)區(qū)與森林公園疊加分析,結(jié)果表明,花萼山、蜂桶山自然保護(hù)區(qū)和森林公園被納入重要區(qū)的面積比例分別為88.28%,85.84%和97.61%,與重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)重合度較高(圖6)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得知,重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)總面積為2 651.99 km2,占研究區(qū)面積65.4%;主要分布在海拔800 m以上的區(qū)域。該海拔以上的區(qū)域植被覆蓋度高,人口密度相對(duì)較小,許多區(qū)域很少有人類(lèi)活動(dòng),未造成原始地表覆蓋的破壞,適宜野生動(dòng)植物的生存;其次林地、灌木叢等植被根系對(duì)水土保持、水源涵養(yǎng)具有較強(qiáng)的保持功能,降低了河流下游發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。
圖6 重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)分布
將萬(wàn)源市按平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險(xiǎn)坡6種坡地類(lèi)型統(tǒng)計(jì)(表5)。
表5 重要區(qū)不同坡地類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)
其中重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)主要分布在[15°,35°)的斜坡和陡坡區(qū)域。該區(qū)域地表坡度較大,且地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,沿坡面向下的剪切力較大,在風(fēng)侵蝕力等外力與暴雨沖刷的作用下極易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致水土大量流失。
1)RS和GIS技術(shù)憑借其快速宏觀(guān)的優(yōu)勢(shì),可使重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)劃定工作量大幅度削減。結(jié)合地面驗(yàn)證和以往的研究成果,本文方法應(yīng)用結(jié)果符合研究區(qū)內(nèi)的實(shí)際情況,證明該方法可行。
2)通過(guò)控制因子參數(shù)和GIS緩沖區(qū)空間分析方法,可以遵循擾動(dòng)區(qū)對(duì)環(huán)境破壞隨距離增加而衰減的自然規(guī)律,從而得到區(qū)域內(nèi)連續(xù)的生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估值,本文提取的研究區(qū)四川省萬(wàn)源市高植被覆蓋區(qū)域能提供80%以上生態(tài)服務(wù)功能,對(duì)維持生態(tài)平衡至關(guān)重要。
3)采用生態(tài)保護(hù)效益系數(shù)來(lái)控制重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)劃定,可以提高生態(tài)環(huán)境保護(hù)過(guò)程中人力、財(cái)力資源配置的高效性與合理性,有效保障生態(tài)環(huán)境保護(hù)投入產(chǎn)出比。
本研究的重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)劃定,基礎(chǔ)是遙感技術(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的解譯與評(píng)估模型因子的參數(shù)設(shè)定。因此,如何提高因子的合理性與科學(xué)性至關(guān)重要。今后,需要結(jié)合實(shí)地生境情況和評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析,更合理地調(diào)整遙感解譯尺度和模型參數(shù),以進(jìn)一步提高重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)劃定的精度。
志謝:本文研究過(guò)程中參考了國(guó)家生態(tài)紅線(xiàn)劃定技術(shù)指南,評(píng)委專(zhuān)家及編輯老師提供了寶貴的修改意見(jiàn), 在此表示衷心的感謝!