王 柯,郭義強(qiáng),張建軍,3,*,張亞男,劉時(shí)棟

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083 2 自然資源部國土整治中心, 北京 100035 3 自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083

自我國十八大提出生態(tài)文明建設(shè)以來,生態(tài)環(huán)境保護(hù)上升至我國重要戰(zhàn)略位置。此后,在十八屆五中全會(huì)、中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議以及《生態(tài)文明體制改革總體方案》中都提出了關(guān)于開展山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的要求,并且各級行政單位成立了生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組及山水林田湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)推進(jìn)工作領(lǐng)導(dǎo)小組專題研究了“山水林田湖”綜合治理試點(diǎn)工作的重要任務(wù)、目標(biāo)和工作分工。目前,針對山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的研究多集中在理論內(nèi)涵[1- 6]、修復(fù)內(nèi)容[7]、修復(fù)工程方案的制訂和實(shí)施[8- 13]、問題與建議[14]等方面,但以“山水林田湖草”生命共同體為核心,綜合評估試點(diǎn)工程區(qū)保護(hù)與修復(fù)成效的研究還不多見。本文綜合利用2015年和2018年的多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面觀測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),集成地統(tǒng)計(jì)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)方法,以生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量變化[15- 17]為核心評估內(nèi)容,以“綜合狀況-變化趨勢”為評估模式[18],通過工程區(qū)多維時(shí)空對比分析,揭示了作為第一批山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)試點(diǎn)工程區(qū)的贛州市的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)成效,為提升山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)試點(diǎn)工程的整體服務(wù)能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

1.1 研究區(qū)與工程區(qū)布局概況

贛州市位于113°54′—116°38′E,24°29′ —27°09′N之間,地處贛江、東江的源頭區(qū)(圖1),南嶺山地、武夷山脈、羅霄山脈的交匯地帶,呈典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,是贛江和東江水源的根基和命脈所在、我國生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵地區(qū),也是南方丘陵山地生態(tài)屏障組成部分。同時(shí),贛南作為我國土地革命戰(zhàn)爭時(shí)期重要革命根據(jù)地,是我國蘇區(qū)精神的主要發(fā)源地。所以,該地區(qū)生態(tài)環(huán)境關(guān)系著我國南方地區(qū)的生態(tài)安全,同時(shí)也關(guān)系著贛南蘇區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。

贛州市山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程共劃分為四個(gè)片區(qū),構(gòu)建了以四片區(qū)為主體,以水土流失敏感區(qū)、礦山資源及規(guī)劃礦區(qū)、江河湖庫、生物多樣性保護(hù)重要區(qū)等區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)點(diǎn)的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程實(shí)施架構(gòu)(表1)。各片區(qū)重點(diǎn)工程如下：東北片區(qū)擬開展3項(xiàng)工程,包括贛州城區(qū)水環(huán)境與水土流失綜合整治工程、貢江下游水土流失與礦山環(huán)境綜合治理工程、贛江水源區(qū)綜合保護(hù)工程；西北片區(qū)擬開展3項(xiàng)工程,包括章水源區(qū)廢棄礦山綜合治理工程、章水源區(qū)水環(huán)境保護(hù)工程、章水上游生態(tài)廊道與植被提質(zhì)增效工程；西南片區(qū)包含3大工程,有桃江中游水質(zhì)提升示范工程、桃江上游廢棄稀土礦綜合整治工程、桃江上游水環(huán)境綜合整治工程；東南片區(qū)擬開展東南片區(qū)流域水環(huán)境綜合治理工程1項(xiàng)工程。此外,還有3個(gè)全市統(tǒng)籌推進(jìn)的整體項(xiàng)目,包括贛州市礦山環(huán)境治理工程、贛州市低質(zhì)低效林改造項(xiàng)目和東江源流域水環(huán)境綜合治理工程。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

表1 贛州市生態(tài)保護(hù)與修復(fù)分區(qū)

1.2 研究框架

本文基于2015年和2018年的遙感影像數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地面檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù),以不同生態(tài)系統(tǒng)面積、占比、各類型間的轉(zhuǎn)移情況以及不同類型生態(tài)系統(tǒng)的景觀指數(shù)來綜合反映生態(tài)系統(tǒng)格局變化；以植被長勢情況、水土流失治理情況、重點(diǎn)流域河流水質(zhì)情況和土壤環(huán)境治理狀況4個(gè)方面綜合反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況,并從生態(tài)系統(tǒng)格局和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量兩個(gè)方面綜合對比了工程區(qū)實(shí)施山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程前后的生態(tài)系統(tǒng)變化特征,旨在為山水林田湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)試點(diǎn)工程區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)成效評估提供借鑒(圖2)。

圖2 研究框架Fig.2 Research framework

1.3 數(shù)據(jù)資料

本文所用數(shù)據(jù)主要包括影像數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及矢量邊界數(shù)據(jù)(表 2),其中2015年和2018年美國地質(zhì)勘探局(USGS, United States Geological Survey) Landsat 8 OLI/TIRS C1 Level- 1的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)通過ENVI 5.1對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等圖形處理準(zhǔn)備工作。對處理好的兩期遙感影像圖各自的5景進(jìn)行鑲嵌,并按照贛州市的行政邊界進(jìn)行裁剪。通過監(jiān)督分類法和人工目視解譯來判讀獲得土地利用/覆被數(shù)據(jù)[21],最終得到贛州市生態(tài)系統(tǒng)類型構(gòu)成及其空間分布數(shù)據(jù)。

表2 數(shù)據(jù)說明

1.4 研究方法

1.4.1生態(tài)系統(tǒng)格局研究

對于生態(tài)系統(tǒng)格局的研究,首先,本文從生態(tài)系統(tǒng)分類出發(fā),基于遙感數(shù)據(jù),借鑒國際和國內(nèi)土地利用/覆被分類體系,確定了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和其他生態(tài)系統(tǒng)6 種生態(tài)系統(tǒng)類型,并研究各生態(tài)系統(tǒng)類型的面積、占比及不同生態(tài)系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系(生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣)[22],明確生態(tài)系統(tǒng)變化的主要類型和區(qū)域。其次,基于Fragstats 4.2軟件,本文選取代表性景觀指數(shù)中的最大斑塊指數(shù)(LPI, Largest Patch Index)來反映人類活動(dòng)的方向和強(qiáng)度以及不同生態(tài)系統(tǒng)的破碎化程度[23],并使用軟件平臺中的移動(dòng)窗口功能來反映研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)格局的時(shí)空變化。

1.4.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量研究

從植被長勢、水土流失治理、水質(zhì)治理和土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)方面評估工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。其中,選擇歸一化植被指數(shù)(NDVI, Normalized Difference Vegetation Index)年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為主要指標(biāo)參數(shù)來分析陸表植被長勢時(shí)空變化特征,選擇水土流失綜合治理面積、新增小流域綜合治理面積、新增水土流失綜合治理面積和封禁治理保有面積4個(gè)指標(biāo)分析水土流失治理情況,選擇地面監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)來評估水質(zhì)和土壤環(huán)境質(zhì)量。

圖3 2018年贛州市生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem types in Ganzhou (2018)

2 結(jié)果與分析

2.1 工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局時(shí)空變化分析

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)類型面積變化及轉(zhuǎn)移方向

2015—2018年,贛州市整體生態(tài)系統(tǒng)布局在宏觀空間上沒有發(fā)生明顯變化,森林生態(tài)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中占比最高,其次是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和其他生態(tài)系統(tǒng)(圖3)。贛州市南部和西部的森林生態(tài)系統(tǒng)面積明顯高于北部和東部地區(qū),農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大多分布在城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)周邊,北部地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積明顯高于南部地區(qū),是人類主要的生活、生產(chǎn)區(qū)。

就各生態(tài)系統(tǒng)的面積變化而言,贛州市森林生態(tài)系統(tǒng)面積增加,森林覆蓋率從74.2%上升到76.5%,達(dá)到工程規(guī)劃制訂的目標(biāo),城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯擴(kuò)張,而草地和其他生態(tài)系統(tǒng)面積顯著下降,且減少的草地和其他生態(tài)系統(tǒng)多數(shù)轉(zhuǎn)變成了森林、農(nóng)田和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng),濕地生態(tài)系統(tǒng)面積變化較小(表 3)。

表3 贛州市生態(tài)系統(tǒng)移矩陣(2015—2018)/萬km2

從工程分區(qū)來看,東北片區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)面積占比最小,2015年僅占片區(qū)總面積的69.82%,到2018年該片區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)占比上升到71.34%。西北片區(qū)和西南片區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)面積占比在2015年均超過了80%,但西南片區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)面積到2018年縮小到77.10%。值得注意的是,雖然東南片區(qū)2015年森林生態(tài)系統(tǒng)面積占比僅處于全市平均水平,但近年增長顯著,2018年的森林生態(tài)系統(tǒng)面積占比已經(jīng)超過80%(表4)。

表4 分片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化/%

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)景觀格局時(shí)空變化分析

對于整個(gè)工程區(qū)而言,除了城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)以外,其他生態(tài)系統(tǒng)的LPI值都有一定程度的下降,尤以森林生態(tài)系統(tǒng)的LPI值下降最為顯著(圖4),這表明人類活動(dòng)對生態(tài)景觀格局產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的影響,自然和半自然生態(tài)景觀受到的擾動(dòng)加劇,生態(tài)景觀優(yōu)勢度降低。

從空間上來看,森林生態(tài)系統(tǒng)的斑塊較為完整,相對于其他生態(tài)系統(tǒng)破碎程度較低,LPI值高的地區(qū)多分布在西北和西南的南嶺山地區(qū)。LPI低值地區(qū)主要分布在城市、農(nóng)田周邊,這也進(jìn)一步從空間上直觀反映出人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)對森林生態(tài)系統(tǒng)景觀格局具有較大影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)相較于森林生態(tài)系統(tǒng)而言,斑塊分布分散,尤其是草地生態(tài)系統(tǒng),主要散布于森林、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)之間。城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)LPI值較大的區(qū)域分布在贛州市中心城區(qū)以及其他縣市的城區(qū),其他居民點(diǎn)則零星分布,LPI值較低。

圖4 各生態(tài)系統(tǒng)LPI的空間分布Fig.4 Spatial distribution of LPI in different ecosystems LPI: 最大斑塊指數(shù) Largest Patch Index; 由于未利用地面積較小且空間分布離散,故沒有生成未利用地LPI移動(dòng)窗口圖

2.2 工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量時(shí)空變化分析

2.2.1陸表植被長勢時(shí)空變化特征分析

從整體的空間分布來看,植被覆蓋度較高的地區(qū)大多屬于南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū),且贛州市中部和東部地區(qū)的植被覆蓋狀況明顯優(yōu)于西部地區(qū)。2018年的NDVI值略高于2015年,且NDVI高值柵格數(shù)量呈增加態(tài)勢(圖5),這表明工程區(qū)植被長勢較好、生態(tài)質(zhì)量上升,也側(cè)面反映出工程區(qū)在增加生態(tài)用地和改造低質(zhì)、劣質(zhì)林上取得了一定的成效。

從工程分區(qū)的對比來看,2015年NDVI值較高的區(qū)域是東南片區(qū)和西南片區(qū),NDVI值達(dá)到0.726。東北片區(qū)次之,NDVI值也超過了0.7,且東北片區(qū)NDVI值的標(biāo)準(zhǔn)差相對較小,即東北片區(qū)植被覆蓋的空間差異性相對較小(表5)。相較于2015年,西北片區(qū)和東南片區(qū)的NDVI值在2018年均有上升,尤其是西北片區(qū)的NDVI值上升幅度較大,可見在工程實(shí)施期間,西北片區(qū)在森林撫育和森林管護(hù)方面取得顯著成效。從分區(qū)縣對比來看,工程區(qū)18個(gè)縣市的NDVI值在0.542—0.758之間,其中有9個(gè)縣市區(qū)的NDVI在2015—2018年有所上升,尤其是南康區(qū)、上猶縣和大余縣上升顯著,均上升了0.5以上,其他9縣NDVI值呈現(xiàn)小幅下降(圖6)。

2.2.2水土流失治理情況分析

贛州市水土流失綜合治理面積和新增小流域綜合治理面積整體呈現(xiàn)增長趨勢,分別從16543.8 km2增長

表5 2015、2018年分區(qū)統(tǒng)計(jì)NDVI值

到18550.4 km2以及395.5 km2增長到458.4 km2,而新增水土流失綜合治理面積和封禁治理保有面積整體呈現(xiàn)減小趨勢,分別從840.8 km2減小到458.4 km2以及6029.6 km2減少到4882.3 km2,這一方面反映了贛州市在水土流失治理力度上的加大,也說明近年來該市新增的水土流失面積得到有效控制。從分區(qū)來看,東北片區(qū)水土流失治理力度較大,而其他片區(qū)水土流失現(xiàn)象相對較少,其主要工程任務(wù)更多的是涵養(yǎng)水源和維護(hù)生物多樣性等方面(圖7)。

圖5 2015、2018贛州市NDVI空間分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI in Ganzhou (2015 and 2018)

圖6 2015、2018分縣區(qū)NDVI值Fig.6 NDVI for each county in 2015 and 2018

圖7 分片區(qū)水土流失治理情況Fig.7 Soil erosion control in the subarea

2.2.3重點(diǎn)流域河流水質(zhì)變化分析

根據(jù)2017年1月—2018年6月贛州市25個(gè)重點(diǎn)流域水質(zhì)監(jiān)測斷面的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù),多數(shù)重點(diǎn)流域的水質(zhì)處于Ⅱ級和Ⅲ級,表明在工程實(shí)施期間,贛州市的水質(zhì)情況基本穩(wěn)定,甚至一些水質(zhì)斷面優(yōu)于功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)(湘水河口,留金壩電站等水質(zhì)檢測斷面)。部分監(jiān)測斷面的水質(zhì)在此期間呈現(xiàn)出較強(qiáng)的波動(dòng),如觀河浮橋檢測斷面、大余新城監(jiān)測斷面雖然在多數(shù)月份內(nèi)水質(zhì)處在Ⅱ級和Ⅲ級,但在2017年12月,此二監(jiān)測斷面水質(zhì)都達(dá)到了劣Ⅴ類,尤其是觀河浮橋水質(zhì)監(jiān)測斷面, 2017年12月—2018年2月的水質(zhì)一直處于較差水平(圖8)。

圖8 重點(diǎn)流域監(jiān)測斷面水質(zhì)變化情況Fig.8 Changes in water quality in key river basin monitoring sections

圖9 土壤檢測點(diǎn)位空間分布Fig.9 Spatial distribution of soil detection points in Ganzhou

2.2.4土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

在贛州市章貢區(qū)、贛州市經(jīng)開區(qū)、龍南縣、南康區(qū)、瑞金市、上猶縣、信豐縣、會(huì)昌縣、全南縣、安遠(yuǎn)縣、贛縣區(qū)、興國縣、于都縣、大余縣、定南縣、寧都縣、石城縣、崇義縣18個(gè)縣(市/區(qū))范圍內(nèi),涉及97家土壤重點(diǎn)監(jiān)管企業(yè)的周邊土壤布設(shè)檢測點(diǎn)位,共147個(gè)檢測點(diǎn)位(剔除無法獲取到經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的點(diǎn)位),每個(gè)點(diǎn)位采集表層土樣,每份樣品采樣量為2kg,采樣深度為0—20 cm,檢測的具體指標(biāo)包括土壤pH值,土壤銅 (Cu)、鋅 (Zn)、鉻 (Cr)、鉛 (Pb)、鎘 (Cd)、砷 (As)、汞 (Hg)和鎳 (Ni)8種重金屬的含量,具體點(diǎn)位分布如圖9所示。

基于Arcgis10.2軟件平臺,采用普通克里金法對土壤檢測樣點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插,得到贛州市土壤環(huán)境質(zhì)量的空間特征(圖10)。參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》和《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》,建設(shè)用地Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni七種金屬元素空間插值的最大值沒有超過建設(shè)用地的篩選值標(biāo)準(zhǔn),威脅人體健康的風(fēng)險(xiǎn)很小,而建設(shè)用地Cr金屬超過管控值標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域主要分布在贛州市的西北和西南地區(qū),且整個(gè)贛州市建設(shè)用地Cr金屬普遍高于篩選值,存在危害人體健康的風(fēng)險(xiǎn)。就農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)來看,會(huì)昌縣、尋烏縣、章貢區(qū)和南康區(qū)受Cu金屬超過土壤污染風(fēng)險(xiǎn)值的威脅較大,全南縣和龍南縣受到Pb金屬超過土壤污染風(fēng)險(xiǎn)值的威脅較大,章貢區(qū)、南康區(qū)和贛縣區(qū)受Cd金屬土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)較高,As金屬超過風(fēng)險(xiǎn)閾值的縣市主要有寧都縣、興國縣、于都縣、瑞金市、大余縣、崇義縣等,贛縣區(qū)Hg金屬超過農(nóng)田土壤風(fēng)險(xiǎn)閾值。

圖10 贛州市土壤環(huán)境質(zhì)量空間插值Fig.10 Spatial interpolation of soil environmental quality in Ganzhou

3 結(jié)論與討論

(1)從生態(tài)系統(tǒng)的格局來看,工程區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)變化表現(xiàn)為森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積增加,草地生態(tài)系統(tǒng)面積下降顯著且主要向森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。此外,工程區(qū)多數(shù)自然生態(tài)系統(tǒng)更加趨向破碎化,如森林生態(tài)系統(tǒng)LPI值從54.36降低到37.41,而半自然生態(tài)系統(tǒng)LPI值都在增加,城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)LPI值從0.14增加到0.26,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)LPI值從0.34增加到0.67。

(2)從生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量來看,工程區(qū)植被長勢較好,尤其是西北片區(qū)增長最為顯著,NDVI值從0.687上升到0.722；工程區(qū)水土流失現(xiàn)象得到有效防治,全市水土流失綜合治理面積增長2006.6 km2；河流水質(zhì)基本穩(wěn)定在Ⅱ級和Ⅲ級水質(zhì);城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)較小,但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤受重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)較大,尤其是贛縣區(qū)、南康區(qū)和章貢區(qū),2—3種重金屬接近或超過農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)值。

整體而言,贛州市山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程取得了顯著成效,較好的完成了實(shí)施方案中的規(guī)劃目標(biāo)?；诖斯こ?在接下來的生態(tài)修復(fù)中,應(yīng)進(jìn)一步重視贛州市自然態(tài)系統(tǒng)斑塊破碎化嚴(yán)重的地區(qū)、水質(zhì)出現(xiàn)波動(dòng)較大的斷面以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受土壤重金屬污染威脅較大的縣區(qū)。

值得注意的是,本文雖無法保證所有生態(tài)系統(tǒng)變化都是該試點(diǎn)工程實(shí)施所產(chǎn)生的結(jié)果,但本文選取的評估對象、評估指標(biāo)均是該生態(tài)保護(hù)與修復(fù)試點(diǎn)工程總體目標(biāo)的一部分,因而可以較為科學(xué)的評估試點(diǎn)工程的實(shí)施效果。此外,本文存在解譯精度帶來的誤差以及檢測樣點(diǎn)不足導(dǎo)致的空間插值誤差,因此可能會(huì)對本文的結(jié)果產(chǎn)生一定影響。