彭 波，蘇旭芳，梁玉蓮

(1.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，南寧 530022；2.桂林理工大學(xué)南寧分校，南寧 530001；3.南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001)

前 言

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，選擇科學(xué)的評估體系量化特定范圍的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量[1]，是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)能力、抗干擾能力及對人類生存與發(fā)展承載能力的具體體現(xiàn)[2～4]。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量不僅影響著人類的生存狀況和生活質(zhì)量，也影響著整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[5]，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的客觀評價(jià)對生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的開展和生態(tài)文明建設(shè)具有重大意義[6]。

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范(HJ 1172—2021)的發(fā)布[7]，為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量業(yè)務(wù)化評估提供了良好依據(jù)，形成的評估結(jié)果具有良好的可視化特性[8～10]。參照該技術(shù)規(guī)范，對南寧市的森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評估。通過對研究區(qū)2000年至2020年的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，識(shí)別了研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化總體特征，得出的評估結(jié)果后期可應(yīng)用性較高。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)南寧市是廣西壯族自治區(qū)首府，素有“中國綠城”美譽(yù)，不僅是“聯(lián)合國人居獎(jiǎng)”獲得城市，還是國家生態(tài)園林城市、國家森林城市。南寧市總面積2.21萬km2，現(xiàn)轄青秀區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、興寧區(qū)、江南區(qū)、邕寧區(qū)、良慶區(qū)、武鳴區(qū)7個(gè)城區(qū)和橫州市、賓陽縣、馬山縣、上林縣、隆安縣5個(gè)(市)縣。其中，興寧區(qū)、青秀區(qū)、江南區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、良慶區(qū)和邕寧區(qū)為《南寧市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》規(guī)劃中心城區(qū)。根據(jù)獲取的統(tǒng)計(jì)年鑒資料，研究區(qū)2002年、2005年、2010年、2015年和2020年的森林覆蓋率分別為39.1%、40.2%、43.02%、47.66%和48.78%。

根據(jù)南寧市人民政府辦2022年5月發(fā)布的《南寧市自然資源“十四五”規(guī)劃》[11]，研究區(qū)構(gòu)建以生態(tài)屏障、生態(tài)帶和生態(tài)廊網(wǎng)為主體的“一屏一帶兩片十廊”的市域生態(tài)安全格局(見圖1)。一屏指北部生態(tài)屏障，由西大明山、大明山、高峰嶺、鎮(zhèn)龍山及周邊丘陵、山地共同構(gòu)成的北部丘陵山地森林屏障，是研究區(qū)河流的發(fā)源地和水庫型飲用水源地集中分布區(qū)，亦是石漠化敏感區(qū)和巖溶生物多樣性保護(hù)區(qū)的集中分布區(qū)。兩片指兩大重要生態(tài)功能片區(qū)，大王灘濕地生態(tài)功能片區(qū)主要承擔(dān)涵養(yǎng)水源的功能，西津水庫生態(tài)功能片區(qū)主要承擔(dān)涵養(yǎng)水源與生物多樣性保護(hù)的功能。根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃》，研究區(qū)所轄的隆安縣、上林縣和馬山縣屬于桂西南巖溶丘陵治理區(qū)(為國家滇桂黔石漠化片區(qū)重點(diǎn)縣域)，江南區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、武鳴區(qū)、賓陽縣和橫州市屬于桂中桂南巖溶盆地治理區(qū)。

圖1 南寧市域生態(tài)安全格局和影像圖Fig.1 Ecological security pattern and Image Map of Nanning City

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范(HJ1172—2021)，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估以植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC)、葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI)和總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity，GPP)三類遙感生態(tài)參數(shù)作為指標(biāo)，采取分區(qū)、分生態(tài)系統(tǒng)類型選取參照值的方法構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)[6]。研究將南寧市范圍視作一個(gè)生態(tài)功能區(qū)，不再進(jìn)行分區(qū)，針對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，以研究區(qū)2020年的林地范圍為評估范圍。根據(jù)本文研究人員在實(shí)際開展生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估的應(yīng)用研究，對原技術(shù)規(guī)范規(guī)定的參照值的選取做了微調(diào)：采用的生態(tài)參數(shù)參照值為多年數(shù)據(jù)的最大值，以確保多年數(shù)據(jù)評估尺度的統(tǒng)一；對于生態(tài)參數(shù)相對密度值歸一化處理，最大值直接取值為1，最小值直接取值為0；相對密度計(jì)算結(jié)果直接視為歸一化處理后的值。

2.1.1 生態(tài)參數(shù)參照值的選定

研究以南寧市森林生態(tài)系統(tǒng)2000—2020年的植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和總初級生產(chǎn)力的各個(gè)年度最大值作為參照值(見表1)，具體參照值確定為：植被覆蓋度參照值為100%，葉面積指數(shù)參照值為54.25 m2/m2，總初級生產(chǎn)力參照值為139 065 g C/m2。

表1 森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)最大值Tab.1 Maximum ecological parameters of forest ecosystem

2.1.2 生態(tài)參數(shù)的相對密度值計(jì)算

計(jì)算每個(gè)植被類型的生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)值與其參照值的比值，得到該生態(tài)參數(shù)的相對密度。相對密度越接近1，代表該像元該生態(tài)參數(shù)越接近參照值。具體計(jì)算方法如下：

(1)

式中：RVI為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)的相對密度；F為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)值；Fmax為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)最大值(參照值)，見表2。

表2 RVI最大和最小值Tab.2 Maximum and minimum values of RVI

2.1.3 計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)

由植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和總初級生產(chǎn)力的相對密度來構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)：

(2)

式中：EQI為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)；LAI為葉面積指數(shù)相對密度；FVC為植被覆蓋度相對密度；GPP為總初級生產(chǎn)力相對密度。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分級方法

按照技術(shù)規(guī)范(HJ1172—2021)，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分為5級，見表3。

表3 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分級Tab.3 Ecosystem quality classification

2.3 生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)來源

植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境部下發(fā)的生態(tài)狀況遙感調(diào)查評估數(shù)據(jù)，空間分辨率為500m。植被覆蓋度數(shù)據(jù)集利用MODIS反射率數(shù)據(jù)(MOD09)，由生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心組織生產(chǎn)；葉面積指數(shù)、總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集來源于北京師范大學(xué)全球陸表特征參量(GLASS)產(chǎn)品的總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)計(jì)算分析，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)計(jì)算及分級結(jié)果見表4，分級結(jié)果圖詳見圖2和圖3。

表4 森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)及分級結(jié)果Tab.4 Forest ecosystem quality index and classification results

圖2 各行政區(qū)2000～2020年森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)Fig.2 Forest ecosystem quality index of each administrative region from 2000 to 2020

圖3 2000～2020年森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)及分級結(jié)果圖Fig.3 Forest ecosystem quality Index and Classification result Map from 2000 to 2020

3.1 研究區(qū)總體評估結(jié)果

2000～2020年，研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)在54.148～74.355之間，總體保持在良等級，且呈上升趨勢；2000～2005年，研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)出現(xiàn)了小幅度下降，質(zhì)量等級降為中；2015～2020年，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)值總體接近優(yōu)等標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 研究區(qū)各縣級行政區(qū)評估結(jié)果

2000～2020年，研究區(qū)各縣區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)總體呈上升趨勢。在2000年和2005年，有2/3左右的縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量為中等等級，2010年后，研究區(qū)各縣區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)均達(dá)到良等級以上，興寧區(qū)、青秀區(qū)、武鳴區(qū)、隆安縣和賓陽縣5個(gè)縣區(qū)在2015年達(dá)到優(yōu)等級，青秀區(qū)、武鳴區(qū)、隆安縣和賓陽縣4個(gè)縣區(qū)在2020年達(dá)到優(yōu)等級。2015年和2020年均有10個(gè)縣區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)在70以上。2020年與2015年相比，興寧區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)下降明顯，從優(yōu)降為良；賓陽縣的質(zhì)量指數(shù)略微下降，其他縣區(qū)總體保持穩(wěn)定或有所提升。

《南寧市城市總體規(guī)劃(2011～2020)》規(guī)劃中心城區(qū)涉及的6個(gè)城區(qū)中)，2000～2020年興寧區(qū)、青秀區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到過優(yōu)等級，在研究區(qū)2000～2005年森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)下降的情況下，保持穩(wěn)定或上升。2000～2005年，研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)下降的主要原因是武鳴區(qū)、隆安縣、馬山縣和上林縣4個(gè)縣區(qū)出現(xiàn)下降，其中，馬山縣、上林縣下降明顯，從良降為中，見表4。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)與等級變化分析

對研究區(qū)2000～2020年間每五年和二十年的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)、分級結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(評估結(jié)果見圖3，變化情況分布見圖4和圖5)，以分析評估結(jié)果重點(diǎn)分布區(qū)域的變化情況。

圖4 森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)與等級的五年變化分布圖Fig.4 Five-year variation distribution map of quality index and grade of forest ecosystem

圖5 森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)與等級的二十年變化分布圖Fig.5 Twenty-year variation distribution map of quality index and grade of forest ecosystem

3.3.1 五年變化分析

對研究區(qū)五年時(shí)間段進(jìn)行分析，森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)和評估結(jié)果等級下降主要在2000～2005年、2015～2020年這兩個(gè)時(shí)間段；提升主要是在2005～2010年、2010～2015年這兩個(gè)時(shí)間段。

2000年和2005年，研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級較低，評估結(jié)果等級為優(yōu)、良的區(qū)域主要分布在大明山、高峰嶺、西大明山、鎮(zhèn)龍山等縣域交界處，等級為優(yōu)的區(qū)域分布較小(面積占比<3%)，區(qū)域評估結(jié)果以良、中兩個(gè)等級為主(兩個(gè)等級面積占比>90%)。

2005年與2000年相比，高峰嶺、大明山以及馬山縣、上林縣北部石漠化區(qū)域，出現(xiàn)較大范圍顯著變差和明顯變差區(qū)域，評估等級明顯下降，主要從良降為中。

2010年與2005年相比，等級為優(yōu)的區(qū)域分布范圍有比較明顯的擴(kuò)大(面積占比>13%)，主要分布在大明山、高峰嶺、西大明山、鎮(zhèn)龍山等縣域交界處；研究區(qū)北部、南部原為中級的區(qū)域評估結(jié)果明顯或顯著改善，等級為良的區(qū)域分布顯著擴(kuò)大(面積占比近60%)。

2015年與2010年相比，大明山、高峰嶺、西大明山、鎮(zhèn)龍山等縣域交界處，等級為優(yōu)的區(qū)域分布范圍進(jìn)一步顯著擴(kuò)大(面積占比>46%)；等級為中的區(qū)域大幅減少，大部分提升到良，其中以青秀區(qū)、賓陽縣、橫州市交界的大明山——鎮(zhèn)龍山一帶，良慶區(qū)、邕寧區(qū)南部區(qū)域提升較為顯著；研究區(qū)評估結(jié)果以優(yōu)、良兩個(gè)等級為主(兩個(gè)等級面積占比>94%)。

2020年與2015年相比，雖然總體的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)和評估結(jié)果優(yōu)、良兩個(gè)等級的面積占比略微上升，但研究區(qū)出現(xiàn)較大范圍的質(zhì)量指數(shù)下降區(qū)域；北部馬山縣、上林縣，南部生態(tài)片區(qū)的質(zhì)量指數(shù)有較大范圍提升；大明山、高峰嶺、西大明山、鎮(zhèn)龍山等縣域交界處出現(xiàn)較大范圍質(zhì)量指數(shù)集中連片顯著變差區(qū)域，高峰嶺一帶質(zhì)量指數(shù)評估等級下降區(qū)域較多。

3.3.2 二十年變化分析

2020年和2000年相比，除了大明山武鳴區(qū)與上林縣交界處，高峰嶺西鄉(xiāng)塘區(qū)、興寧區(qū)北部，南寧中心城區(qū)規(guī)劃范圍有較多的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量顯著降低或明顯降低區(qū)域外，其他區(qū)域多為顯著提高或明顯提高，等級為優(yōu)的區(qū)域由2000年不到的3%提升到2020年的近50%，等級優(yōu)、良區(qū)域總體面積占比超過95%。

4 結(jié)論與討論

研究參照生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范(HJ 1172—2021)的技術(shù)方法，對南寧市2000～2020年的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評估，呈現(xiàn)出了南寧市2000～2020年森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量時(shí)空變化特征，凸顯了南寧市2000～2020年森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量提升成效。

研究認(rèn)為該評估方法具有較高的應(yīng)用價(jià)值，可在多方面進(jìn)行應(yīng)用：

(1)可用于重要生態(tài)功能區(qū)域評估。對比研究區(qū)國土空間規(guī)劃生態(tài)安全格局圖與2020年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)等級分布圖，研究區(qū)生態(tài)屏障、生態(tài)片區(qū)基本集中分布在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)等級為優(yōu)或良的區(qū)域，森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)評估結(jié)果與其規(guī)劃確定的生態(tài)安全格局高度契合。

(2)可用于森林生態(tài)保護(hù)與石漠化治理成效評估。通過評估結(jié)果可知，在2000～2020年間，南寧市石漠化分布區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量得到明顯提升，質(zhì)量等級明顯提升，評估結(jié)果較好的體現(xiàn)了區(qū)域森林生態(tài)保護(hù)與石漠化治理所取得的成效。

(3)可以精準(zhǔn)識(shí)別變化區(qū)域并形成問題清單，評估所采用的數(shù)據(jù)和方法得出的評估結(jié)果具有良好的空間連續(xù)性，能精準(zhǔn)識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變差的區(qū)域，識(shí)別問題點(diǎn)。結(jié)合不同時(shí)期的遙感影像圖進(jìn)行對比分析，便于形成問題清單，為管理部門決策提供技術(shù)支撐，服務(wù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的開展和生態(tài)文明建設(shè)做出貢獻(xiàn)。