田建茹，李偉娜,2，寧海麗，李亞男，李昊倫

(1. 青島市環(huán)境保護科學研究院，山東 青島 266003； 2. 青島市環(huán)境保護科學研究設計有限公司，山東 青島 266003)

生態(tài)保護紅線是生態(tài)文明建設的重要制度體系之一，對于維護國家生態(tài)環(huán)境安全、保障人民基本生態(tài)需求底線、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。隨著2020年全國生態(tài)保護紅線的全面劃定，生態(tài)保護紅線的重點由劃定轉(zhuǎn)為嚴守和監(jiān)管。《關于劃定并嚴守生態(tài)保護紅線的若干意見》指出“確保生態(tài)功能不降低、面積不減少、性質(zhì)不改變”[2]，為生態(tài)保護紅線的監(jiān)督和管理指明方向。為加強生態(tài)保護紅線的監(jiān)督和管理，保障區(qū)域生態(tài)安全，開展生態(tài)保護紅線監(jiān)測與評估是紅線管控中必不可少的工作[3-4]。

當前國內(nèi)學者在生態(tài)保護紅線方面取得了許多研究成果，但多為生態(tài)保護紅線如何科學合理劃定研究[5-9]，對生態(tài)保護紅線監(jiān)測與評估研究還處于探索階段。查東平等從生態(tài)系統(tǒng)服務功能、面積和分布格局、生態(tài)用地面積及比例3個角度考核了江西省生態(tài)保護紅線[10]；官冬杰等利用耦合集對分析與NPP定量指標法對重慶市生態(tài)紅線區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評估[11]；侯鵬等建立了一套以生態(tài)系統(tǒng)服務功能和生態(tài)系統(tǒng)類型為指標的生態(tài)保護紅線成效評估框架，并以海南省、廣東省為例開展應用分析[12]。江波等結合生態(tài)系統(tǒng)服務以及生態(tài)紅線實施政策，提出了生態(tài)紅線成效評估的思路和框架[13]?？梢钥闯觯瑢ι鷳B(tài)保護紅線開展監(jiān)測與評估，將是下一步落實生態(tài)保護紅線管控制度工作的重點和難點。因此，以青島市生態(tài)保護紅線為研究對象，圍繞生態(tài)功能、面積、性質(zhì)3個管控方向，從生態(tài)服務功能、生態(tài)系統(tǒng)面積、用地性質(zhì)3個方面開展生態(tài)保護紅線監(jiān)測與評估工作[14-15]，摸清了生態(tài)保護紅線區(qū)的本底基礎狀況，為下一步生態(tài)保護紅線的嚴格守護、科學評估和有效監(jiān)管提供參考。

1 研究區(qū)概況

青島市是一座海濱城市，地處膠東半島東端，南臨黃海，東北與煙臺市鄰接，西臨濰坊市，西南與日照市接壤，東經(jīng)119°30′～121°00′，北緯35°35′～37°00′。青島市陸域面積11 293 km2，包括7個市轄區(qū)及代管的3個縣級市，為典型的丘陵地形，東南部為嶗山山脈，山勢陡峭；西南部有大小珠山、鐵镢山等組成的膠南山群；北部有大澤山山脈；中部為沖積平原。市域內(nèi)的河流均為季風性雨源型，如大沽河、膠萊河等，多流入黃海。該地區(qū)年均溫12.7 ℃，年均降水量662.1 mm，空氣濕潤，四季分明，雨量充沛，氣候宜人，是全國最適宜居住的城市之一。

生態(tài)保護紅線分布情況見圖1。

圖1 青島市生態(tài)保護紅線分布Fig.1 Distribution of ecological red line in Qingdao

研究區(qū)為2016年經(jīng)山東省人民政府批復的青島市生態(tài)保護紅線，共59處，面積合計1 120.65 km2，占陸域國土面積的9.9%。其中，水源涵養(yǎng)生態(tài)保護紅線18處，面積326.98 km2，占生態(tài)保護紅線總面積的29.2%；水土保持生態(tài)保護紅線36處，面積155.11 km2，占比為13.8%；生物多樣性維護生態(tài)保護紅線5處，面積638.56 km2，占比為57.0%。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估

根據(jù)青島市生態(tài)保護紅線的生態(tài)系統(tǒng)服務功能類型，按照《生態(tài)保護紅線劃定指南》(環(huán)辦生態(tài)〔2017〕48號)[16]的要求，參照資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評估技術方法，開展青島市生態(tài)紅線區(qū)水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性維護服務功能評估。采用的評估方法為凈初級生產(chǎn)力(NPP)定量指標評估法。該方法以NPP數(shù)據(jù)為主，參數(shù)較少，操作較簡單，具有普適性、可行性強的特點。

生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估主要從水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能、生物多樣性維護功能3個方面來評估，所使用的數(shù)據(jù)包括第一生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)以及氣象資料，數(shù)據(jù)來源及特征詳見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估數(shù)據(jù)表Tab.1 Ecosystem services assessment data

評估工作運行環(huán)境采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS，基本空間單元應為250 m×250 m網(wǎng)格。評估的基礎數(shù)據(jù)類型為柵格數(shù)據(jù)，非柵格數(shù)據(jù)進行插值運算，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格化柵格數(shù)據(jù)。

2.1.1水源涵養(yǎng)功能評估

由凈初級生產(chǎn)力因子、土壤滲流因子、多年平均降水量因子和坡度因子，計算得到生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務能力指數(shù)，作為水源涵養(yǎng)功能重要性評估指標。水源涵養(yǎng)服務能力指數(shù)(WR)的計算公式為：

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(1)

式中：NPPmean為多年植被凈初級生產(chǎn)力因子；Fsic為土壤滲流因子，根據(jù)土壤數(shù)據(jù)集中的HWSD運算得到；Fpre為多年平均降水量因子，由氣象站點多年平均降水量進行插值運算得到；Fslo為坡度因子，根據(jù)DEM運算得到。NPPmean、Fsic、Fpre、Fslo因子均經(jīng)過歸一化處理。

2.1.2水土保持功能評估

生態(tài)系統(tǒng)水土保持服務能力指數(shù)可以作為水土保持功能重要性評估指標。水土保持服務能力指數(shù)(Spro)的計算公式為：

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)

(2)

式中：NPPmean為多年植被凈初級生產(chǎn)力因子；Fslo為坡度因子；K為土壤可蝕性因子。

2.1.3生物多樣性維護功能評估

生物多樣性維護服務能力指數(shù)可以作為生物多樣性維護功能重要性的評估指標。生物多樣性維護服務能力指數(shù)(Sbio)的計算公式為：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)

(3)

式中：NPPmean為多年植被凈初級生產(chǎn)力因子；Fpre為多年平均降水量；Ftem為多年平均氣溫；Falt為海拔因子。

通過模型運算后，分別將水源涵養(yǎng)服務能力、水土保持服務能力和生態(tài)多樣性維護服務能力的指數(shù)值進行歸一化處理，計算累加服務值；根據(jù)累積服務值占服務總值比例將生態(tài)系統(tǒng)服務功能分為極重要、重要和一般重要3個等級。

2.2 面積和用地性質(zhì)評估

2.2.1數(shù)據(jù)來源與預處理

生態(tài)保護紅線用地性質(zhì)分析所使用的數(shù)據(jù)為高分一號衛(wèi)星(GF-1)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，其空間分辨率為2 m，基準年為2016年。該數(shù)據(jù)在遙感解譯之前經(jīng)過遙感器校正、大氣校正、幾何校正、圖像融合、圖像鑲嵌、重采樣、圖像配準及圖像裁剪等預處理過程。

2.2.2遙感解譯

遙感解譯借助eCognition圖像處理軟件，利用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類方法，實現(xiàn)影像的多尺度分割、特征提取和監(jiān)督分類工作，將生態(tài)保護紅線分為森林、農(nóng)田、草地、濕地、建設用地及裸地六大生態(tài)系統(tǒng)類型。

遙感解譯的難點在于基于面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類，該方法分為多尺度分割、特征提取、監(jiān)督分類、精度驗證等操作。其中，在多尺度分割過程中，選擇分割尺度為75，形狀參數(shù)設為0.6，緊致度和光滑度默認為0.5，通過不斷嘗試對比，發(fā)現(xiàn)該參數(shù)能較清晰地勾畫出不同生態(tài)系統(tǒng)類型；在特征選取方面，主要選取光譜特征(亮度、均值、標準差)、形狀特征(長寬比、形狀指數(shù))以及顏色指數(shù)等樣本特征來進行分類識別；在監(jiān)督分類方面，采用最鄰近算法進行分類，最鄰近算法是面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄖ斜容^成熟的計算機算法，被廣泛應用于數(shù)據(jù)挖掘和地物分類；在精度驗證方面，結合天地圖影像、土地調(diào)查變更數(shù)據(jù)庫等輔助數(shù)據(jù)，選取608個樣本參與驗證，與遙感分類結果進行對比分析，計算總體分類、Kappa系統(tǒng)等精度評價指標。

2.2.3面積和用地性質(zhì)評估

從生態(tài)學角度講，用地性質(zhì)評估是指對生態(tài)保護紅線內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)類型的分析與評估，主要通過生態(tài)系統(tǒng)類型、分布、面積以及生態(tài)用地占比等指標來評估生態(tài)紅線用地性質(zhì)。生態(tài)系統(tǒng)類型能夠直接反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，一般來說，森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)的面積越大，占比越高，表明該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。生態(tài)用地占比和非生態(tài)用地占比兩個指標能夠直觀展示生態(tài)保護紅線的生態(tài)狀況和開發(fā)建設活動情況。生態(tài)用地占比越高，說明該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好；相反，非生態(tài)用地占比越高，說明該地區(qū)建設開發(fā)活動越強，受人類活動干擾越大。將森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)歸類為生態(tài)用地，農(nóng)田、建設用地及裸地歸類為非生態(tài)用地。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能定性評估

對生態(tài)保護紅線區(qū)開展水源涵養(yǎng)生態(tài)功能、水土保持生態(tài)功能和生物多樣性維護生態(tài)功能定性評估，評估結果見圖2。

圖2 生態(tài)保護紅線服務功能重要性分布Fig.2 Distribution of services importance of ecological red line

3.1.1水源涵養(yǎng)生態(tài)功能

根據(jù)水源涵養(yǎng)指標的評估結果，水源涵養(yǎng)功能較高、生態(tài)系統(tǒng)健康度高的區(qū)域位于青島市西海岸新區(qū)和嶗山區(qū)，面積約251 km2，占生態(tài)保護紅線總面積的23%。水源涵養(yǎng)功能中等區(qū)域主要位于青島市中部地區(qū)，總面積328 km2，占比為29%。水源涵養(yǎng)功能較低的區(qū)域集中分布于平度市、萊西市及沿海周邊，總面積542 km2，占比為48%。生態(tài)保護紅線水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)與生態(tài)保護紅線水源涵養(yǎng)區(qū)存在一定的偏差，主要是由于NPP定量指標評估法是以降雨量為主要因子開展評估，受降雨量的影響較大。

3.1.2水土保持生態(tài)功能

根據(jù)水土保持指標的評估結果，生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能高、生態(tài)系統(tǒng)健康度高的區(qū)域主要位于嶗山、大澤山、珠山及鐵橛山等山區(qū)，總面積526 km2，占生態(tài)保護紅線總面積的47%。水土保持功能中等區(qū)域主要集中在青島中部和北部，總面積269 km2，占比為23%。水土保持功能低的區(qū)域集中分布在產(chǎn)芝水庫、大沽河、石棚水庫等水域周邊及沿海地區(qū)，總面積336 km2，占比為30%。

3.1.3生物多樣性維護生態(tài)功能

根據(jù)生物多樣性維護指標的評估結果，生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性維護功能高、生態(tài)系統(tǒng)健康度高的區(qū)域主要位于青島市的東部和南部，總面積308 km2，占生態(tài)保護紅線總面積的28%，其中西海岸新區(qū)中西部的生物多樣性維護功能極為重要。生物多樣性維護功能中等區(qū)域主要集中在小珠山、嶗山及其北部，總面積270 km2，占比為24%。生物多樣性維護功能低的區(qū)域集中分布于大沽河、青島北部及沿海地區(qū)，總面積543 km2，占比為48%。

根據(jù)評估結果，將得到的水源涵養(yǎng)、生物多樣性維護、水土保持生態(tài)功能重要性評價結果進行疊加合并，得到生態(tài)保護紅線生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性評價結果。青島市生態(tài)系統(tǒng)服務功能極重要區(qū)域的面積為628 km2，占生態(tài)保護紅線總面積的56%；重要區(qū)域的面積為325 km2，占比為29%；一般重要區(qū)域面積為168 km2，占比為15%。水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能及生物多樣性維護功能極重要區(qū)主要集中在青島市西南部和東南部，北部地區(qū)的生態(tài)服務功能較低。

3.2 面積和用地性質(zhì)評估

遙感解譯分析結果見圖3。

圖3 生態(tài)保護紅線區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型Fig.3 Ecosystem types of ecological red line area

生態(tài)保護紅線區(qū)中面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型是森林生態(tài)系統(tǒng)，約占生態(tài)紅線區(qū)總面積的52.5%；其次是濕地和農(nóng)田，占比分別為17.4%和15.5%，裸地、城鎮(zhèn)和草地的面積較少，占比分別為5.9%、5.5%和3.2%。生態(tài)保護紅線生態(tài)用地占比為73.1%，非生態(tài)用地占比為26.9%。非生態(tài)用地占比較高，說明生態(tài)保護紅線易受到人類活動的干擾，生態(tài)系統(tǒng)服務功能易遭到破壞。

分析生態(tài)保護紅線各生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)類型，可以得出：水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)類型以水域濕地為主，其次是農(nóng)田，還有少量的森林和城鎮(zhèn)。水土保持生態(tài)功能區(qū)的主要生態(tài)系統(tǒng)類型為森林生態(tài)系統(tǒng)，多為公益林。生物多樣性維護生態(tài)功能區(qū)的主要生態(tài)系統(tǒng)類型為森林和海洋，其中大澤山、嶗山、鐵橛山和小珠山生物多樣性維護生態(tài)紅線區(qū)以森林生態(tài)系統(tǒng)為主，唐島灣生物多樣性生態(tài)紅線區(qū)以海洋生態(tài)系統(tǒng)為主。綜上所述，水土保持生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性維護生態(tài)功能區(qū)的非生態(tài)用地較少，人類活動干擾小，生態(tài)系統(tǒng)服務功能穩(wěn)定，而水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)中農(nóng)田、城鎮(zhèn)等非生態(tài)用地占比較大，人類活動密集，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，生態(tài)系統(tǒng)服務功能不高。

4 結論

1)青島市生態(tài)保護紅線生態(tài)系統(tǒng)服務功能極重要區(qū)域面積為628 km2，占生態(tài)保護紅線總面積的56%。其中，水源涵養(yǎng)生態(tài)功能極重要區(qū)占比23%，水土保持生態(tài)功能極重要區(qū)占比47%，生物多樣性維護生態(tài)功能極重要區(qū)占比28%，青島市生態(tài)保護紅線生態(tài)服務功能以水土保持生態(tài)功能為主。

2)生態(tài)保護紅線區(qū)面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型是森林生態(tài)系統(tǒng)，約占生態(tài)紅線區(qū)總面積的52.5%；其次是濕地和農(nóng)田，占比分別為17.4%和15.5%，裸地、城鎮(zhèn)和草地的面積較少，共占比14.6%。森林和濕地占比較高，說明生態(tài)保護紅線涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、生物多樣性維護等生態(tài)功能較強，維護生態(tài)環(huán)境安全作用較明顯。

3)生態(tài)保護紅線生態(tài)用地占比為73.1%，非生態(tài)用地占比為26.9%。非生態(tài)用地占比較高，易受到人類活動的干擾，生態(tài)系統(tǒng)結構不穩(wěn)定，生態(tài)服務功能易遭到破壞。

通過對生態(tài)保護紅線的服務功能、面積、用地性質(zhì)進行本底調(diào)查，摸清了青島市生態(tài)保護紅線的基礎狀況，對生態(tài)保護紅線的服務功能、面積、性質(zhì)等信息有了更加深入的了解，為下一步生態(tài)保護紅線的監(jiān)督和管理提供了數(shù)據(jù)支撐，為今后生態(tài)保護紅線監(jiān)測與評價提供數(shù)據(jù)參考。