陳元鵬 周 旭 陳 妍 劉巖濤 蘇香燕 張成鵬

(1.自然資源部國(guó)土整治中心, 北京 100035; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083;3.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

0 引言

國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)是指遵循生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理,對(duì)生態(tài)功能退化、生態(tài)系統(tǒng)受損、空間格局失衡、自然資源開發(fā)利用不合理的生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)國(guó)土空間,統(tǒng)籌和科學(xué)開展山水林田湖草沙一體化保護(hù)修復(fù)的活動(dòng)[1-3]。國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)是落實(shí)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的重要措施,也是構(gòu)建國(guó)家生態(tài)安全格局和統(tǒng)籌山水林田湖草沙系統(tǒng)治理的重要舉措[4-5]。作為提升生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整性的有效方案,國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)已上升為國(guó)家戰(zhàn)略工程[6]。

國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別至關(guān)重要,是國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)規(guī)劃編制、生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程規(guī)劃和時(shí)空布局、生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程措施選取等系列工作的前置條件和基礎(chǔ)保障,是國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)[7-9]。

目前國(guó)土空間保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)的識(shí)別主要依賴于最小累積阻力模型[10-12]或電路理論[3, 13-14]構(gòu)建的生態(tài)安全格局。“識(shí)別生態(tài)源地-構(gòu)建阻力面-提取生態(tài)廊道”的框架模式成為當(dāng)前生態(tài)安全格局構(gòu)建的基本范式[15],其中生態(tài)源地的提取是重要基礎(chǔ)[16]。生態(tài)源地是物種或生態(tài)流向外擴(kuò)散的起點(diǎn),可以促進(jìn)生態(tài)過(guò)程、維持系統(tǒng)完整性和提供高質(zhì)量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),是保障區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵區(qū)域[17]。識(shí)別生態(tài)源地的方法可以分為直接法[18]與綜合評(píng)價(jià)法[19]?，F(xiàn)在研究和采用較多的方法,是基于多指標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)并考慮人為因素識(shí)別生態(tài)源地。然而,目前的方案雖然充分考慮了變量間的數(shù)值關(guān)系,但對(duì)變量間的生態(tài)關(guān)系考慮不足,較少考慮不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同場(chǎng)景[20-22]。

在目前生態(tài)安全格局構(gòu)建的范式下,國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別的方法通常從單一時(shí)間節(jié)點(diǎn)出發(fā),在識(shí)別生態(tài)源地的基礎(chǔ)上提取生態(tài)廊道與生態(tài)戰(zhàn)略點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo),但缺少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)間序列變化的考慮[23]。因此,本文在生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估中考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同的場(chǎng)景,更加科學(xué)合理地提取生態(tài)源地;另一方面在生態(tài)源地提取的基礎(chǔ)上,增加對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列植被指數(shù)變化趨勢(shì)的分析,融合國(guó)土空間生態(tài)安全格局的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)因素,提出一種更全面、準(zhǔn)確、合理的生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的識(shí)別技術(shù)方法,為國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)本底調(diào)查、問(wèn)題識(shí)別、空間規(guī)劃以及工程布局等提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為河南省某生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程所在地,位于秦嶺山脈東段北部、河南省西部,地理坐標(biāo)為33°38′33″～35°04′50″N、110°21′50″～113°36′57″E。該區(qū)域地形地貌變化劇烈,由西向東形成秦嶺中低山地、黃土丘陵臺(tái)塬、伊洛山間盆地、黃河灘區(qū)濕地的過(guò)渡帶地貌,第1級(jí)地貌為西部小秦嶺、伏牛山等中山區(qū),平均海拔1 000～2 000 m,部分山峰海拔超過(guò)2 000 m;第2級(jí)地貌為中部崤山、嵩山等低山丘陵一帶,平均海拔200～1 000 m;第3級(jí)地貌為東北部伊洛盆地和黃河灘區(qū),平均海拔200 m以下。研究區(qū)地形地貌如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地形地貌圖Fig.1 Topographic of study area

特有的區(qū)域氣候和地貌特征奠定了實(shí)施區(qū)森林、濕地、河湖、農(nóng)田、城鎮(zhèn)等5類陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育與演變的自然基礎(chǔ),以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間格局。

研究區(qū)域主要為暖溫帶季風(fēng)型氣候,四季分明,年平均氣溫14.7℃,1月最冷,月平均氣溫0.3℃,7月最熱,月平均氣溫27.5℃。年平均降水量606.9 mm,降水主要集中在6—9月,占全年降水量的62.4%。多年平均蒸發(fā)量為1 829.10 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文所用數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、土地覆被數(shù)據(jù)等。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站,中國(guó)氣象要素年度空間插值數(shù)據(jù)集,包括2020年氣溫、降水量、蒸發(fā)量等,空間分辨率為1 km。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站1∶1 000 000土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。地形數(shù)據(jù)為地面數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM),來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云SRTMDEM,空間分辨率為90 m。遙感數(shù)據(jù)為基于MOD13A1構(gòu)建的時(shí)序(2011—2020年)歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)集,共計(jì)230景,空間分辨率為500 m。土地覆被數(shù)據(jù)為MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品MCD12Q1土地覆被類型(Land cover),選擇其中2010、2015、2020年3期,空間分辨率為 500 m。 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)來(lái)源于MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD17A3HGF數(shù)據(jù)集,時(shí)間序列為2011—2020年,空間分辨率為500 m。其中,時(shí)序NDVI、NPP、土地覆被類型數(shù)據(jù)均通過(guò)Google Earth Engine(GEE)云平臺(tái)獲取并批量處理計(jì)算。

GEE是當(dāng)前世界上較為先進(jìn)的處理衛(wèi)星影像等地理空間觀測(cè)數(shù)據(jù)的云計(jì)算平臺(tái)。GEE云端數(shù)據(jù)庫(kù)中集成了近40年的Landsat系列衛(wèi)星的歷史存檔數(shù)據(jù),給個(gè)人用戶提供了強(qiáng)大的算力和云存儲(chǔ)空間,同時(shí)提供了方便快捷的JavaScript語(yǔ)言API接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)以及結(jié)果分析[24-25]。本研究中,通過(guò)GEE云計(jì)算平臺(tái)對(duì)研究所需的遙感、土地覆被、NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行了批量處理,減少了前期大量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作,有效提升了工作效率,降低了數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中對(duì)本地硬件設(shè)備的依賴。

2 研究方法

本文研究方法框架主要包括3部分:首先,基于GEE云平臺(tái)、MOD13A1數(shù)據(jù),采用Mann-Kendall方法對(duì)研究區(qū)2011—2020年時(shí)序NDVI開展趨勢(shì)分析,形成時(shí)序分析結(jié)果;其次,基于氣象、地形、土壤、NPP等數(shù)據(jù),開展基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同和權(quán)衡計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)健康分析評(píng)估,選擇生態(tài)源地;最后,基于時(shí)序分析結(jié)果和生態(tài)源地選擇結(jié)果,采用疊置分析,開展生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別。具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程圖Fig.2 Workflow of this study

2.1 Mann-Kendall趨勢(shì)分析(時(shí)序遙感趨勢(shì)分析)

Theil-Sen Median(TSM)趨勢(shì)分析[26]和Mann-Kendall(MK)非參數(shù)檢驗(yàn)法[27]常用來(lái)分析NDVI空間演變特征。本文采用 Theil-Sen Median 趨勢(shì)分析方法并結(jié)合MK檢驗(yàn)方法判斷Sen趨勢(shì)的顯著性,與一元線性回歸趨勢(shì)分析方法相比,其可以規(guī)避時(shí)間序列數(shù)據(jù)分布和數(shù)據(jù)缺失對(duì)分析結(jié)果的影響[28],同時(shí)可以降低異常值對(duì)結(jié)果影響[29]。TSM計(jì)算公式為

(1)

式中i、j——時(shí)間序列數(shù)

NDVIi、NDVIj——第i、j時(shí)間序列的NDVI值

Median——多年NDVI中位數(shù)函數(shù)

n——時(shí)間序列長(zhǎng)度

MK是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,用來(lái)判斷趨勢(shì)的顯著性,其計(jì)算公式為

(2)

(3)

本文使用顯著性水平α=0.05,對(duì)應(yīng)的u1-α/2為1.96[30]。

2.2 基于生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)源地識(shí)別

本文在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同框架下開展生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估,進(jìn)而開展生態(tài)源地識(shí)別。

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估體系

生態(tài)源地是對(duì)區(qū)域生態(tài)過(guò)程和功能起決定性作用的生境斑塊,提供必要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康安全具有重要意義。生態(tài)系統(tǒng)健康(Ecosystem health,EH)評(píng)估是生態(tài)源地識(shí)別的基礎(chǔ)[31],本文從生態(tài)系統(tǒng)活力(Ecosystem vigor)、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Ecosystem organization)、生態(tài)系統(tǒng)彈性(Ecosystem resilience)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem service,ES)4個(gè)維度構(gòu)建評(píng)估框架體系[32]。計(jì)算公式分別為

(4)

(5)

式中EH——生態(tài)系統(tǒng)健康水平

PH——生態(tài)系統(tǒng)物理健康水平

ES——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

V——生態(tài)系統(tǒng)活力

O——生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

R——生態(tài)系統(tǒng)彈性

ES、V、O和R計(jì)算結(jié)果均進(jìn)行歸一化處理。

V可用NPP表征,因?yàn)镹PP能夠很好地反映植物固定和轉(zhuǎn)化光合產(chǎn)物的效率,并表征可供人類使用的物質(zhì)和能量。

O表示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,主要包括景觀異質(zhì)性和連通性。為進(jìn)一步描述景觀異質(zhì)性和連通性,選擇景觀格局指數(shù)(包括面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、景觀聚集度指數(shù)(CONT)、景觀破碎化指數(shù)(FN))用以表征O,公式為

O=0.3SHDI+0.2AWMPFD+
0.25FN+0.25CONT

(6)

式(6)中,景觀格局指數(shù)采用Fragstats軟件計(jì)算。

R表示生態(tài)系統(tǒng)在面對(duì)人為擾動(dòng)時(shí)保持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力,反映一個(gè)區(qū)域在生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中抵御和適應(yīng)外部干擾的能力,因此包括兩方面,即抵抗力和恢復(fù)力[33],本研究中為抵抗力和恢復(fù)力分別賦值0.6和0.4[34],為反映同一土地覆被類型不同生態(tài)系統(tǒng)的彈性,采用NDVI進(jìn)行校正,公式為

(7)

式中Ri——第i個(gè)像元總彈性系數(shù)

NDVIm——第m個(gè)像元的NDVI值

NDVImeanj——第j類土地覆被類型的NDVI均值

Resilj、Resisj——第j類土地覆被類型的恢復(fù)力系數(shù)和抵抗力系數(shù)(表1)

表1 生態(tài)系統(tǒng)彈性系數(shù)Tab.1 Ecological resilience coefficient of land use types

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是自然系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的橋梁[35],反映了人與自然之間的耦合關(guān)系,是生態(tài)系統(tǒng)健康的重要組成部分。針對(duì)研究區(qū)的自然特征和生態(tài)環(huán)境狀況,本文選取水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙3類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行定量評(píng)估。3類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)按照凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)定量指標(biāo)評(píng)估法計(jì)算,計(jì)算公式分別為

WR=NPPmeanFsicFpre(1-Fslo)

(8)

Spro=NPPmean(1-K)(1-Fslo)

(9)

Sws=NPPmeanKFqD

(10)

其中

式中WR——生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù)

NPPmean——多年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力平均值

Fsic——土壤滲流因子

Fpre——多年平均降水量因子

Fslo——坡度因子

Spro——生態(tài)系統(tǒng)水土保持服務(wù)能力指數(shù)

K——土壤可蝕性因子

Sws——生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)能力指數(shù)

Fq——多年平均氣候侵蝕力

u——高度2 m的月平均風(fēng)速

ETPi——月潛在蒸發(fā)量

Pi——月降水量

d——當(dāng)月天數(shù)

Ti——月平均氣溫

ri——月平均相對(duì)濕度

D——地表粗糙度因子

θ——坡度

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的背景下,生態(tài)源地的選擇過(guò)程必須充分考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系。目前,有序加權(quán)平均模型(Ordered weighted average model,OWA)已有效用于量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系[36],因此基于OWA可量化不同場(chǎng)景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給,反映不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡和協(xié)同效應(yīng)[34, 37],其公式為

(11)

式中axj——第x柵格數(shù)據(jù)中第j個(gè)像元的屬性值

Sxj——重新賦權(quán)后的柵格數(shù)據(jù)

ωx——Sxj的權(quán)重

N——參與計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)柵格數(shù)據(jù)數(shù)量

此外,采用風(fēng)險(xiǎn)值(risk)和權(quán)衡值(trade-off)兩個(gè)參數(shù)作為OWA的約束和優(yōu)化條件,公式為

(12)

(13)

(14)

通過(guò)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值和權(quán)衡值,可以得出不同場(chǎng)景模式下的最優(yōu)化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)重系數(shù)組合。計(jì)算最大權(quán)衡值和相應(yīng)的權(quán)重,共設(shè)定11個(gè)場(chǎng)景。

2.2.3生態(tài)源地識(shí)別

為有效集約地選擇生態(tài)源地,對(duì)于不同的場(chǎng)景模式,選擇生態(tài)系統(tǒng)健康值前60%的區(qū)域作為優(yōu)先保護(hù)區(qū)域,并采用生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)效率公式在優(yōu)先保護(hù)區(qū)域中進(jìn)一步篩選生態(tài)源地。公式為[38]

(15)

2.3 生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別

以時(shí)序遙感趨勢(shì)分析中NDVI的下降趨勢(shì)、保持穩(wěn)定和輕微上升趨勢(shì),以及生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估和生態(tài)源地識(shí)別結(jié)果為基礎(chǔ),采用疊置分析,進(jìn)一步識(shí)別生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)[39]。

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)序遙感趨勢(shì)

基于GEE云平臺(tái)得到了研究區(qū)域2011—2021年的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù),共計(jì)230景,從統(tǒng)計(jì)描述看,230景NDVI數(shù)據(jù)的均值在0.16～0.76范圍內(nèi)波動(dòng),波動(dòng)周期符合年度季相特征。標(biāo)準(zhǔn)差在0.06～0.23范圍內(nèi)波動(dòng),穩(wěn)定性較好,數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,時(shí)序NDVI數(shù)據(jù)構(gòu)建結(jié)果符合預(yù)期。研究區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 時(shí)序NDVI數(shù)據(jù)的均值和方差Fig.3 Mean and variance of time-series NDVI data

基于TSM趨勢(shì)分析,結(jié)合Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法,在顯著性水平α=0.05下,形成時(shí)序NDVI趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和空間分布(圖4)。首先,從NDVI趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果看,研究區(qū)域內(nèi)時(shí)序NDVI的斜率變化范圍為-0.001 7～0.002 1,均值為0.000 3,其中斜率為負(fù)值的像元6 136個(gè),占比5.33%,說(shuō)明2011—2020年間,研究區(qū)域內(nèi)少數(shù)局部區(qū)域NDVI呈下降趨勢(shì),但整體NDVI變化呈上升趨勢(shì),一定程度反映出研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量穩(wěn)中向好。其次,疊加土地覆被類型(圖5)看NDVI趨勢(shì)變化空間分布可知,2011—2020年間研究區(qū)域內(nèi)NDVI呈下降趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在中部洛河、伊河沿線的不透水面集中地區(qū)及周邊緩沖區(qū)域,東北側(cè)黃河沿線的不透水面集中地區(qū)及周邊緩沖區(qū)域,以及西北角小秦嶺北側(cè)的山前平原,其余區(qū)域還有些零星分布。NDVI呈上升趨勢(shì)主要分布在中部黃土丘陵和東部山間盆地區(qū)域,主要土地覆被類型為耕地、草地和少量灌木林地等。NDVI變化趨勢(shì)不顯著的區(qū)域主要分布在秦嶺中低山地區(qū)域,包括崤山、熊耳山、伏牛山等山脈,其土地覆被類型以林地為主。

圖5 2020年土地覆被類型Fig.5 Spatial distribution of land cover types in 2020

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估結(jié)果

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)

根據(jù)式(5)～(7),分別計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)活力(V)、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(O)、生態(tài)系統(tǒng)彈性(R),并經(jīng)歸一化處理,進(jìn)一步計(jì)算得到生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)評(píng)估結(jié)果及其空間分布(圖6)。如圖6所示,生態(tài)系統(tǒng)物理健康均值為0.592,研究區(qū)域內(nèi)高值區(qū)主要分布在西側(cè)秦嶺中低山地區(qū)域,如小秦嶺、熊耳山、伏牛山等,中低山地區(qū)域植被總體生長(zhǎng)良好,生態(tài)系統(tǒng)健康程度高。由西向東,生態(tài)系統(tǒng)物理健康值逐漸下降,低值區(qū)域主要分布在伊洛山間盆地、河流灘區(qū)等土壤侵蝕嚴(yán)重、水土流失嚴(yán)重的區(qū)域。此外,城市化程度較高的地區(qū),由于人類活動(dòng)的干擾較大,生態(tài)系統(tǒng)物理健康水平較低。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)評(píng)估結(jié)果和空間分布Fig.6 Evaluation result and spatial distribution of ecosystem physical health

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ES)

根據(jù)式(8)～(10)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)定量指標(biāo)評(píng)估算法,并經(jīng)歸一化處理,計(jì)算得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ES)評(píng)估結(jié)果及其空間分布(圖7)。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力之間存在空間異質(zhì)性,反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力之間的權(quán)衡性,也揭示了不同生態(tài)過(guò)程對(duì)于研究區(qū)整體生態(tài)安全格局的影響和作用。如圖7所示,研究區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)服務(wù)能力由西南向東北逐步減弱,水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在中低山區(qū),但并非區(qū)域內(nèi)所有中低山區(qū)都具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)服務(wù)能力,較強(qiáng)區(qū)域主要集中在伏牛山-熊耳山-外方山區(qū)域。較于水源涵養(yǎng)能力,水土保持能力分布相對(duì)均衡,重要區(qū)域主要分布在中低山、黃土丘陵區(qū)以及陸渾水庫(kù)周邊區(qū)域。防風(fēng)固沙能力與水源涵養(yǎng)能力存在一定協(xié)同性,較強(qiáng)區(qū)域主要集中在中低山區(qū),其中最強(qiáng)的區(qū)域主要分布在小秦嶺、熊耳山、伏牛山區(qū)域,次強(qiáng)區(qū)域?yàn)獒派健⑶嘁?、外方山和嵩山區(qū)域。從單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局看,研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在中低山區(qū)、黃土丘陵區(qū)等海拔較高且植被覆蓋較強(qiáng)的區(qū)域。

圖7 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ES)評(píng)估結(jié)果和空間分布Fig.7 Evaluation result and spatial distribution of different ecosystem services

3.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡

根據(jù)式(11)～(14)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同算法,通過(guò)改變決策風(fēng)險(xiǎn)和協(xié)同權(quán)衡值,可以生成一系列場(chǎng)景。結(jié)合工作實(shí)際,以0為起始、0.1為間隔設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)值,計(jì)算最大協(xié)同權(quán)衡值及其相應(yīng)的權(quán)重,經(jīng)計(jì)算共得到11個(gè)場(chǎng)景(表2)。

表2 不同風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景及權(quán)衡水平下的最優(yōu)系數(shù)Tab.2 Optimal order weights for different decision risk scenarios and trade-off levels

3.2.4生態(tài)系統(tǒng)健康(EH)評(píng)估和生態(tài)源地識(shí)別結(jié)果

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ES)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的11個(gè)場(chǎng)景,按照式(4)計(jì)算得出11個(gè)生態(tài)系統(tǒng)健康(EH)評(píng)估結(jié)果及其空間分布特征(圖8)。

圖8 生態(tài)系統(tǒng)健康(EH)評(píng)估結(jié)果及其空間分布Fig.8 Evaluation result and spatial distribution of ecosystem health in different scenarios

如圖8所示,生態(tài)系統(tǒng)健康(EH)的高值和低值空間分布呈一致趨勢(shì),但局部的高值區(qū)和低值區(qū)也存在一定差異,這是由于不同的場(chǎng)景、不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同水平下,權(quán)重等次不同,一定程度上說(shuō)明了簡(jiǎn)單的加權(quán)求和不能充分反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康(EH)的空間分布,因此,有必要將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡效應(yīng)納入生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估。

基于11個(gè)場(chǎng)景的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估結(jié)果,按照高值的前60%篩選了不同場(chǎng)景下的優(yōu)先保護(hù)區(qū)域,并根據(jù)式(15)測(cè)量了其保護(hù)效率(表3)。如表3所示,場(chǎng)景9的保護(hù)效率最高,為3.02,因此選擇場(chǎng)景9的高值前60%區(qū)域作為生態(tài)源地,其空間分布如 圖9 所示。研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)源地約1 386.11 km2,主要分布在西南部的伏牛山-熊耳山-外方山區(qū)域,少量分布在小秦嶺區(qū)域,涉及的土地覆被類型主要為林地和草地。

表3 不同場(chǎng)景下的優(yōu)先保護(hù)區(qū)域保護(hù)效率EiTab.3 Protection efficiency of priority protected areas in different scenarios

圖9 生態(tài)源地選擇結(jié)果及其空間分布Fig.9 Select result and spatial distribution of ecological sources

3.3 生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)

以時(shí)序遙感趨勢(shì)分析結(jié)果(圖4)為基礎(chǔ),選取NDVI下降趨勢(shì)(斜率小于0)、NDVI保持穩(wěn)定和輕微上升趨勢(shì)(斜率在0～0.000 2之間)的區(qū)域,與生態(tài)源地選擇結(jié)果(圖9)進(jìn)行疊置分析。

將NDVI保持穩(wěn)定和輕微上升的區(qū)域和生態(tài)源地合并為生態(tài)保護(hù)關(guān)鍵區(qū),用以表征研究區(qū)域內(nèi)需生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域,其中:①將NDVI保持穩(wěn)定和輕微上升區(qū)與生態(tài)源地重合的區(qū)域劃定為一級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū),因?yàn)樵搮^(qū)域既是保持生態(tài)系統(tǒng)健康的重要區(qū)域,但從時(shí)序上看,近10年間該區(qū)域可以表征生態(tài)系統(tǒng)的NDVI指數(shù)并未形成顯著變化趨勢(shì),一直屬臨界狀態(tài),如不作為重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域則可能出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)退化或破壞情況,因此該區(qū)域有必要作為一級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū),以逐步形成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)、NDVI指數(shù)穩(wěn)中有升的區(qū)域。②將NDVI上升區(qū)與生態(tài)源地重合的區(qū)域劃定為二級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū),二級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)同樣是保持生態(tài)系統(tǒng)健康的重要區(qū)域,但與一級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)相比,近10年間區(qū)域內(nèi)NDVI已形成上升趨勢(shì),生態(tài)系統(tǒng)已穩(wěn)中向好,故此作為二級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)。③將未與生態(tài)源地重合的NDVI保持穩(wěn)定和輕微上升區(qū)劃定為三級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū),與一、二級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)相比較,三級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)未包含生態(tài)源地,其對(duì)于保持區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)完整、提供高質(zhì)量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)度相對(duì)不強(qiáng),但近10年間該區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)未遭到明顯破壞,因此有必要進(jìn)行保護(hù)以維持現(xiàn)狀或?qū)⑵渲鸩睫D(zhuǎn)化成為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)、NDVI指數(shù)穩(wěn)中有升的區(qū)域。④將NDVI下降區(qū)劃定為生態(tài)修復(fù)區(qū),采取適當(dāng)?shù)拇胧?shí)施生態(tài)修復(fù)。形成的生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別結(jié)果及其空間分布如圖10所示。

圖10 生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別結(jié)果及其空間分布Fig.10 Spatial distribution of ecological protection and restoration key areas identification results

由圖10可知,一、二級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)主要分布在西部和西南部小秦嶺、熊耳山和伏牛山等區(qū)域,主要為中山森林生態(tài)系統(tǒng),承擔(dān)了生物多樣性保護(hù)、固碳釋氧等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;三級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)主要分布在邙山、崤山區(qū)域,在伊洛盆地和黃河灘區(qū)也有零星分布,主要為低山丘陵森林生態(tài)系統(tǒng)、山間盆地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、河流生態(tài)系統(tǒng),承擔(dān)了水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳釋氧、礦產(chǎn)資源提供、農(nóng)林產(chǎn)品提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;生態(tài)修復(fù)區(qū)主要分布在中部洛河、伊河沿線和下游不透水面集中地區(qū)及周邊緩沖區(qū)域,東北側(cè)黃河沿線的不透水面集中地區(qū)及周邊緩沖區(qū)域,以及西北角小秦嶺北側(cè)的山前平原,主要為盆地區(qū)城鎮(zhèn)、農(nóng)田、河流生態(tài)系統(tǒng),承擔(dān)了農(nóng)產(chǎn)品提供、城鎮(zhèn)生態(tài)涵養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于時(shí)序遙感分析、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡計(jì)算、生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估、生態(tài)源地識(shí)別和空間疊置分析等方法,對(duì)研究區(qū)的生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行了有效識(shí)別。結(jié)果表明,提出的“基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估——時(shí)序遙感趨勢(shì)分析”的研究框架,對(duì)于識(shí)別構(gòu)建區(qū)域生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)尤為重要。結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估能夠更有效地選擇關(guān)鍵生態(tài)源地,在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地結(jié)合時(shí)序遙感分析進(jìn)一步識(shí)別生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū),不僅顧及了研究區(qū)域內(nèi)“靜態(tài)”的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)健康屬性,同時(shí)衡量了“動(dòng)態(tài)”的生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢(shì),更全面、準(zhǔn)確地識(shí)別了研究區(qū)的生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域。研究成果可為國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)本底調(diào)查、問(wèn)題識(shí)別、規(guī)劃和工程布局等提供技術(shù)支撐。