喬慶偉,王有智,何方杰,夏孟*,丁喜蓮,王秀元,郭晨

(1.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250013;2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 煙臺(tái) 264004;3.山東天誠(chéng)國(guó)土規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

國(guó)土空間是人類及其他生物生存與活動(dòng)的場(chǎng)所,由生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)共同組成。近年來,不斷加重的人類活動(dòng)導(dǎo)致土地大規(guī)模退化、生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞,隨之帶來氣候危機(jī)、水源及糧食安全問題,生態(tài)修復(fù)迫在眉睫[1-3]。生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)包括對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)分析和經(jīng)濟(jì)分析,也考慮到生態(tài)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)及今后可能的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估是在20世紀(jì)80年代末,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)而逐漸興起的,目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究越來越受到生態(tài)學(xué)家和經(jīng)濟(jì)學(xué)家的重視,很多國(guó)家已開展了這方面的研究。2000年在挪威召開的千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)會(huì)議,是對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究的一個(gè)總結(jié)與展望[4]。生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)充分利用資源環(huán)境承載能力和國(guó)土空間適宜性評(píng)價(jià)等成果,定性與定量相結(jié)合,評(píng)估本地自然生態(tài)系統(tǒng)退化程度和恢復(fù)力水平,分析農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)空間生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)以及生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)三類空間沖突區(qū)域生態(tài)修復(fù)需求[5],識(shí)別了突出生態(tài)問題,對(duì)劃定生態(tài)修復(fù)分區(qū)并識(shí)別出生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域提供支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

萊州市位于山東半島西北渤海南部典型的半封閉性內(nèi)海灣——萊州灣,地處煙臺(tái)、青島、濰坊三市交界,陸域面積1928km2,海域面積1690km2;全市地勢(shì)自東南部低山向西北部沿海低地呈臺(tái)階式下降,地貌有低山、丘陵、平原、濱海低地、海域?yàn)┩?境內(nèi)水系總長(zhǎng)313.7km,流域面積1586km2,主要河流有15條;萊州岸線曲折,岬灣眾多,岸線資源豐富,海岸線長(zhǎng)152.8km(圖1);萊州礦產(chǎn)資源豐富,境內(nèi)共有礦產(chǎn)30余種,也是黃金的王國(guó),黃金礦資源豐富,儲(chǔ)量占全國(guó)的1/6,居全省第一位;萊州市歷史悠久,底蘊(yùn)深厚,自古就有“齊魯之甲勝,天下之名疆”的美譽(yù)。

本研究土地利用類型所用數(shù)據(jù)來源于第三次全國(guó)土地調(diào)查為基礎(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。年降水量數(shù)據(jù)(2001—2020年)來源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)—國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心—地理資源分中心。土壤可侵蝕數(shù)據(jù)來源于中國(guó)1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)高程數(shù)據(jù)采用地理空間數(shù)據(jù)云30m分辨率數(shù)字高程,植被覆蓋度由NDVI計(jì)算得出,NDVI數(shù)據(jù)來源于國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

圖1 萊州市區(qū)位示意圖

2 材料與方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)類型與空間分布

根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)類型的結(jié)構(gòu)組成和空間分異特征,萊州市生態(tài)系統(tǒng)主要包括森林、草地、濕地、海岸、海島生態(tài)系統(tǒng)以及荒地生態(tài)系統(tǒng)。本研究按照土地利用類型,統(tǒng)計(jì)分析萊州市陸域內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量和分布情況(圖2)。

(1)森林生態(tài)系統(tǒng)。萊州市森林生態(tài)系統(tǒng)總面積33667.30hm2,占萊州市陸域面積的17.28%。從空間分布上看,萊州市森林生態(tài)系統(tǒng)主要集中分布在萊州大基山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)以及市域北側(cè)的沿海帶。

(2)草地生態(tài)系統(tǒng)。萊州市草地生態(tài)系統(tǒng)總面積5499.27hm2,占萊州市陸域面積的2.82%。天然草地資源較少,以穿插分布在其他自然生態(tài)系統(tǒng)的草地和人工草地較為常見,全市零散分布。

(3)濕地生態(tài)系統(tǒng)。萊州市濕地生態(tài)系統(tǒng)總面積18296.24hm2,占萊州市陸域面積的9.39%。濕地生態(tài)系統(tǒng)中,沿海灘涂沿海岸線分布,占比最高,約占濕地總面積的36.80%,從空間分布來看,萊州市濕地生態(tài)系統(tǒng)分布范圍廣泛。

(4)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。萊州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總面積92203.23hm2,占萊州市陸域面積的47.32%。從空間分布來看,沿海區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本無分布,其他區(qū)域均有分布,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)以水澆地和果園為主。

(5)荒漠生態(tài)系統(tǒng)。萊州市荒漠生態(tài)系統(tǒng)總面積663.99hm2,占萊州市陸域面積的0.34%。市域內(nèi)的荒漠生態(tài)系統(tǒng)占比很小,從空間位置來看,主要零星分布在市域南側(cè)。

(6)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)。萊州市城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)總面積44521.04hm2,占萊州市陸域面積的22.85%。從空間分布來看,集中連片的城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)分布在市中心區(qū)域和市域西側(cè)南。

1—森林生態(tài)系統(tǒng);2—農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng);3—荒漠生態(tài)系統(tǒng);4—草 地生態(tài)系統(tǒng);5—濕地生態(tài)系統(tǒng);6—城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)圖2 萊州市生態(tài)系統(tǒng)類型分布圖

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估是針對(duì)典型區(qū)域生態(tài)系統(tǒng),分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域分異規(guī)律,明確各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要區(qū)域[6-7],根據(jù)萊州市的生態(tài)環(huán)境特征,本研究重點(diǎn)就生物多樣性保護(hù)、水土保持、水源涵養(yǎng)進(jìn)行重要性評(píng)價(jià)。

(1)生物多樣性保護(hù)評(píng)價(jià)方法。InVEST模型中的Habit Quality(生境質(zhì)量)模塊能夠結(jié)合土地利用和生物多樣性威脅因素的信息生成生境質(zhì)量地圖,可以在一定程度上反映出區(qū)域的生物多樣性狀況,即生境質(zhì)量高的區(qū)域生物多樣性相對(duì)更豐富。InVEST模型生境質(zhì)量指數(shù)Qxj計(jì)算公式為[8-10]:

(1)

式中:Qxj為生境類型j中柵格x的生境質(zhì)量水平;Hj為生境類型j的生境適應(yīng)性,可通過專家打分法、層次分析法等方法確定;z為常數(shù),通常取2.5;k為半飽和常數(shù),默認(rèn)值為0.5。

脅迫因子是導(dǎo)致生境退化的直接原因,其對(duì)生境質(zhì)量的影響取決于它的相對(duì)影響程度、與生境間的距離和威脅水平隨距離的衰減方式。以萊州市2020年變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將地類轉(zhuǎn)換為耕地、林地、草地、濕地、種植園用地、水域、建設(shè)用地、未利用地8個(gè)一級(jí)地類?？紤]到建設(shè)用地侵占大量天然生境,擠壓動(dòng)植物生態(tài)位,使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受損,耕地作為人類生產(chǎn)用地,人類活動(dòng)頻繁、生態(tài)干擾較強(qiáng),同樣會(huì)對(duì)天然生境造成威脅。因此,本研究將建設(shè)用地(包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地)和耕地(包括水田、旱地)視作脅迫因子。脅迫因子數(shù)據(jù)如表1。

表1 威脅因子及其脅迫程度

不同生境類型自身的生境適應(yīng)性及對(duì)脅迫因子的敏感程度不同,自身適應(yīng)性越強(qiáng),其生境質(zhì)量表現(xiàn)越佳;對(duì)脅迫因子的相對(duì)敏感性越低,其抗干擾能力越強(qiáng),生境質(zhì)量相對(duì)也會(huì)越高。通過參考相關(guān)研究,結(jié)合萊州市實(shí)際情況,確定評(píng)價(jià)區(qū)域生境敏感性數(shù)據(jù)見表2。

(2)水土保持功能重要性評(píng)價(jià)方法。 采用通用土壤流失方程USLE進(jìn)行評(píng)價(jià),包括自然因子和管理因子兩類。在具體計(jì)算時(shí),需要利用已有的土壤侵蝕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,并且修正參數(shù)。

土壤侵蝕量USLE的基本形式為公式2[11]:

A=R×K×L×S×C×P

(2)

式中:R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可侵蝕因子;L為坡長(zhǎng)因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋和管理因子;P為土壤保持因子。

其中,降雨侵蝕力因子R的計(jì)算參考《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》(公式3):

(3)

式中:Rd為多年平均降雨侵蝕力因子,單位為MJ·mm/(hm2·h);Pd為多年平均降雨量,單位為mm。

表2 土地利用類型對(duì)生境威脅因子敏感度

土壤可侵蝕因子K利用EPIC(Erosion-Productivity Impact Caclulator)算法進(jìn)行計(jì)算[12],具體如公式4、公式5:

K=(-0.01383+0.51575KEPIC)×0.1317

(4)

(5)

式中:KEPIC為修正前的土壤可蝕性因子;K為修正后的土壤可蝕性因子;Sa為砂粒含量;Si為粉粒含量;Ci為黏粒含量;C為土壤有機(jī)碳含量。

地形因子L、S:L表示坡長(zhǎng)因子;S表示坡度因子,是反映地形對(duì)土壤侵蝕影響的2個(gè)因子。

植被覆蓋和管理因子C和土壤保持措施因子P的賦值參考相關(guān)研究成果,并結(jié)合萊州市土地利用類型進(jìn)行賦值,如表3所示。

(3)水源涵養(yǎng)能力評(píng)價(jià)方法。水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地等)通過其特有的結(jié)構(gòu)與水相互作用,對(duì)降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積,并通過蒸散發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流、水循環(huán)的調(diào)控,主要表現(xiàn)在緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水、減緩河流流量的季節(jié)波動(dòng)、滯洪補(bǔ)枯、保證水質(zhì)等方面[13-15]。以水源涵養(yǎng)量作為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的評(píng)估指標(biāo)。采用水量平衡方程來計(jì)算水源涵養(yǎng)量,計(jì)算公式為公式6[16]:

(6)

式中:TQ為總水源涵養(yǎng)量(m3);Pi降雨量(mm);Ri為地表徑流量(mm);ETi為蒸散發(fā)(mm);Ai為i類生態(tài)系統(tǒng)面積(km2);i為研究區(qū)第i類生態(tài)系統(tǒng)類型;j為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)。

表3 植被覆蓋管理因子和土壤保持因子賦值表

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)方法

生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)是對(duì)當(dāng)前自然環(huán)境下的潛在生態(tài)問題進(jìn)行辨析,并把各類問題匹配到具體空間區(qū)域上的過程。常見的生態(tài)問題包括土壤侵蝕、土地沙化、草場(chǎng)退化、水患災(zāi)害、物種多樣性喪失等[17-19]。

通過生態(tài)敏感性評(píng)價(jià),可以清晰地把握區(qū)域生態(tài)敏感性的空間分異規(guī)律,有針對(duì)性地指導(dǎo)各地區(qū)進(jìn)行不同程度的開發(fā)利用和保護(hù)。結(jié)合相關(guān)研究成果和萊州市實(shí)際情況,選取坡度、高程、坡向、植被覆蓋和土地利用5大因子進(jìn)行生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)[20],權(quán)重因子結(jié)合其他研究成果進(jìn)行賦值,萊州市生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子構(gòu)建表如表4:

計(jì)算公式如式7:

(7)

土地利用類型以第三次全國(guó)土地調(diào)查為基礎(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)結(jié)果

(1)生物多樣性評(píng)價(jià)結(jié)果。通過InVEST模型中的Habit Quality模塊計(jì)算得出萊州市的生境質(zhì)量,利用ArcGIS重分類工具,基于自然斷點(diǎn)法,將萊州市生境質(zhì)量劃分為4個(gè)等級(jí),1級(jí)最低,4級(jí)最高,生境質(zhì)量等級(jí)分布如圖3所示。從圖3中可以看出,萊州市生境質(zhì)量較高的區(qū)域主要集中分布在大基山自然保護(hù)區(qū)和沿海灘涂。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面來看,萊州市生物多樣性區(qū)域主要集中在柞村鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、程郭鎮(zhèn)、驛道鎮(zhèn)以及沿海各鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

表4 萊州市生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子構(gòu)建表

(2)水土保持功能重要性評(píng)價(jià)結(jié)果。通過通用土壤流失方程分析得出萊州市水土保持功能重要性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示,從圖4中可以看出,萊州市水土保持功能重要區(qū)域大多集中在東南部,從鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面來看,柞村鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、程郭鎮(zhèn)、驛道鎮(zhèn)占比較高。

1—極重要;2—重要;3—一般重要;4—不重要圖3 萊州生物多樣性評(píng)估結(jié)果圖

1—一般重要;2—較重要;3—極重要圖4 萊州市水土保持功能重要性評(píng)估圖

(3)水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)結(jié)果。以水量平衡方程計(jì)算得出的萊州市水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)如圖5所示,從空間分布來看,萊州市水源涵養(yǎng)功能重要區(qū)域大多集中在萊州市東南部區(qū)域,從鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面來看,水源涵養(yǎng)功能重要區(qū)域柞村鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、程郭鎮(zhèn)、驛道鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)占比較高。

1—重要;2—一般重要圖5 萊州市水源涵養(yǎng)功能重要性評(píng)價(jià)圖

綜合分析水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性維護(hù)功能三類生態(tài)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià),結(jié)合萊州市“雙評(píng)價(jià)”中的海岸帶防護(hù),綜合確定萊州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要如圖6所示。萊州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)域主要集中在海岸帶和萊州市東南部。

1—水源涵養(yǎng);2—水土保持;3—海岸防護(hù);4—生物多樣性圖6 萊州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性分布圖

3.2 生態(tài)系統(tǒng)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果

按照權(quán)重對(duì)坡度、高程、坡向、植被覆蓋和土地利用5大因子進(jìn)行計(jì)算,采用重分類得出萊州市生態(tài)敏感性如圖6所示。從空間分布來看,萊州市生態(tài)系統(tǒng)高敏感區(qū)域主要分布在市域東南部,從鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面來看,生態(tài)系統(tǒng)高敏感區(qū)域主要分布在柞村鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、程郭鎮(zhèn)、驛道鎮(zhèn)。

1—非敏感;2—低敏感;3—中敏感;4—高敏感;5—非常敏感圖7 萊州市生態(tài)系統(tǒng)敏感性分布圖

4 結(jié)論

萊州市生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)工作取得了顯著成效,但由于自然因素和人為活動(dòng)與干擾等雙重因素,生態(tài)系統(tǒng)仍面臨很多問題。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)域主要集中在海岸帶和萊州市東南部,生態(tài)系統(tǒng)高敏感性區(qū)域分布在東南部的柞村鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、程郭鎮(zhèn)、驛道鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。海岸帶主要存在受全球氣候變化以及不合理的圍填海等開發(fā)活動(dòng)影響,導(dǎo)致濱海灘涂濕地面積迅速減少,近岸海域生態(tài)功能退化,大面積的互花米草入侵導(dǎo)致濱海鹽沼原生植物消失、海洋生物棲息環(huán)境破壞、生物多樣性降低,從而影響萊州灣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮。東南部是萊州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)域以及生態(tài)系統(tǒng)最敏感的區(qū)域,主要存在森林覆蓋率低、森林質(zhì)量差等問題,使得該區(qū)域森林生態(tài)功能發(fā)揮不完善。另外,由于采石現(xiàn)象較多,水土流失問題嚴(yán)重,森林群落及周邊環(huán)境和景觀受到較大的威脅,森林景觀存在破碎化現(xiàn)象。