劉世梁,董玉紅,孫永秀,史芳寧
1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091
喀斯特地區(qū)環(huán)境獨(dú)特、生態(tài)脆弱,一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。我國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界上最大的喀斯特連續(xù)帶,貴州省是西南喀斯特地區(qū)的典型代表[1]。喀斯特環(huán)境是一個(gè)脆弱的生態(tài)系統(tǒng),具有環(huán)境容量低,生態(tài)環(huán)境敏感度高、抗干擾能力弱和穩(wěn)定性差等一系列脆弱性特征[2-3]。人類活動(dòng)進(jìn)一步加劇了環(huán)境的脆弱性,研究貴州喀斯特生態(tài)環(huán)境的脆弱性區(qū)域差異,有利于針對(duì)其脆弱程度進(jìn)行開(kāi)發(fā)治理,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展[4]。生態(tài)修復(fù)一直是脆弱的喀斯特地區(qū)治理的重點(diǎn)和難點(diǎn),目前已開(kāi)展了一系列生態(tài)治理的研究和示范,主要有不同等級(jí)石漠化人工生態(tài)恢復(fù)的植被配置模式[5]、石漠化景觀生態(tài)優(yōu)化途徑[6]、生物措施治理水土流失模式[7]、植被生態(tài)恢復(fù)的物種選擇[7]、峰叢洼地石漠化生態(tài)治理模式[9]、石漠化治理中農(nóng)草林草空間優(yōu)化配置技術(shù)與示范[10]、基于植物多樣性恢復(fù)和保護(hù)的土地整理與混農(nóng)林業(yè)復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式、土地整理與特色經(jīng)果林集約經(jīng)營(yíng)模式[11]。2016年國(guó)家陸續(xù)啟動(dòng)了陜西、河北、甘肅、貴州等省的國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)試點(diǎn)工作,主要以區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題和主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)功能為導(dǎo)向,對(duì)山上山下、地上地下、流域上下游等進(jìn)行整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理,改變治山、治水、護(hù)田、植樹(shù)、種草分割管理的格局,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)“格局優(yōu)化、系統(tǒng)穩(wěn)定、功能提升”的生態(tài)保護(hù)修復(fù)目標(biāo)[12]。但是如何從整體上來(lái)開(kāi)展山水林田湖草生態(tài)修復(fù),從空間總體格局入手分析重要的生態(tài)修復(fù)工程措施,是目前實(shí)施的關(guān)鍵途徑。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、生態(tài)功能區(qū)劃和保障國(guó)家生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略需求[13]。已有研究通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局分析,進(jìn)行流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的調(diào)控[14]、保護(hù)區(qū)管理計(jì)劃[15]、青藏高原高山牧場(chǎng)保護(hù)區(qū)識(shí)別[16]、陜西省水土保持服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別[17]、城市生態(tài)空間規(guī)劃[18]、生態(tài)恢復(fù)[19]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)一般是選取幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行和評(píng)價(jià)[20-21]。以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)價(jià)往往難以全面反映出生態(tài)系統(tǒng)所受干擾的程度及其恢復(fù)能力。而景觀格局變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力有明顯影響[22],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)價(jià)必須考慮景觀格局的空間差異,景觀格局對(duì)各種生態(tài)過(guò)程具有決定性,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要程度。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性上來(lái)衡量山水林田湖草的成效具有重要意義,而對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)項(xiàng)目的布局來(lái)說(shuō),還需要進(jìn)一步辨識(shí)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益之間的權(quán)衡關(guān)系。
貴州省位于長(zhǎng)江和珠江的中上游,是筑牢長(zhǎng)江、珠江上游重要生態(tài)屏障,也是首批3個(gè)國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)之一,近年來(lái),生態(tài)文明建設(shè)始終放在首位。在喀斯特退化山區(qū),一系列生態(tài)保護(hù)與建設(shè)重大工程雖然在林草植被、森林覆蓋率等方面取得了積極成效,但是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有待進(jìn)一步恢復(fù)和提升?;诖?以貴州省的山水林田湖草生態(tài)修復(fù)整治為研究目標(biāo),通過(guò)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)估、耦合生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)的沖突區(qū)分析,結(jié)合礦產(chǎn)資源分布、植被退化趨勢(shì)和重要生態(tài)功能區(qū)分布,識(shí)別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域。本研究對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論方法和決策依據(jù)。
貴州地處云貴高原,介于東經(jīng)103°36′—109°35′、北緯24°37′—29°13′之間,全省總面積17.62萬(wàn)km2,其中喀斯特面積占70%左右。地貌屬于中國(guó)西南部高原山地,平均海拔在1100 m左右。氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,年均氣溫10—18℃,年降水量1000—1500 mm,相對(duì)濕度70%以上。2015年土地利用如圖1所示,主要土地利用類型包括林地、草地、耕地、濕地、人工表面和其他未利用土地。2011—2015年的NDVI變化趨勢(shì)可以看出,貴州省部分地區(qū)的植被變化仍處于嚴(yán)重退化的趨勢(shì)(圖1)。
圖1 貴州省土地利用圖和植被變化趨勢(shì)(2011—2015)Fig.1 The landuse of Guizhou Province and the slope of vegetation change
研究中采用土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的2015年中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(柵格單元大小為1 km×1 km)。NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心所提供的2011—2015年SPOT_Vegetation NDVI逐旬?dāng)?shù)據(jù)(空間分辨率1 km,http://westdc.westgis.ac.cn)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.csdata.org)。
本研究的思路主要是在空間上,識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性分布,利用關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局分析,識(shí)別關(guān)鍵山水林田湖草生態(tài)修復(fù)流域;進(jìn)一步結(jié)合保護(hù)與發(fā)展的沖突區(qū)分析,結(jié)合NDVI變化趨勢(shì)和露天采礦區(qū)分布的退化區(qū)分析,提出流域的山水林田湖草生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先區(qū)。首先,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性程度考慮關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,本研究考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)和水土保持,同時(shí)也考慮景觀脆弱度,采用綜合指標(biāo)體系法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)價(jià)。沖突區(qū)分析利用Wu等[23]提出的方法,對(duì)生態(tài)保護(hù)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)發(fā)展效益兩個(gè)方面,利用綜合指標(biāo)法,進(jìn)行圖層疊置開(kāi)展分析。沖突區(qū)分析,可以在空間上對(duì)于生態(tài)修復(fù)的熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。因此,主要的技術(shù)路線如下(圖2)。
圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 The technical routine
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù)與景觀脆弱性指數(shù)作為生態(tài)重要性評(píng)估的兩部分,評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。將生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)指數(shù)和景觀脆弱度進(jìn)行疊加,獲得生態(tài)重要區(qū)域。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù)ESI重點(diǎn)計(jì)算水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性維護(hù)功能重要性,通過(guò)3項(xiàng)指標(biāo)值累加獲得[24]。
表1 沖突區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)
DEM, 高程 Digital Elevation Model; CTI, 綜合地形指數(shù) Compound Topographic Index
景觀脆弱性指數(shù)(LVI)利用景觀適應(yīng)度(LAI)和景觀敏感度指數(shù)(LSI)構(gòu)建景觀脆弱度[25]。
LVI=LSI×(1-LAI)
(1)
景觀適應(yīng)度指數(shù)LAI的計(jì)算公式:
LAI=PRD×SHDI×SHEI
(2)
式中,PRD為斑塊豐富度密度指數(shù),SHDI為香農(nóng)多樣性指數(shù),SHEI為香農(nóng)均勻性指數(shù)。
景觀敏感度指數(shù)其計(jì)算公式:
(3)
Ui=aFNi+bFDi+cDOi
(4)
式中,n為景觀類型數(shù)目,i為景觀類型;Ui為景觀干擾度指數(shù);FNi為破碎度指數(shù);FDi為分維數(shù)倒數(shù),DOi為優(yōu)勢(shì)度指數(shù),其權(quán)重a,b,c分別為0.5,0.3和0.2;Vi為景觀類型易損度,通常未利用地取值為7,林地、草地取值為5,耕地取值為3,建設(shè)用地、水域取值為1[26]。景觀指數(shù)通過(guò)Fragstats 4.2計(jì)算獲得。
針對(duì)生態(tài)保護(hù)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)發(fā)展效益2個(gè)發(fā)展方向[23],選取5個(gè)指標(biāo)(兩棲動(dòng)物種類、哺乳動(dòng)物種類、鳥(niǎo)類種類、森林覆蓋率、荒野)對(duì)生態(tài)保護(hù)價(jià)值進(jìn)行量化。選取8個(gè)指標(biāo)(耕地比例、鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)、旅游景點(diǎn)、人口擴(kuò)張、城市擴(kuò)張、坡度、高程(DEM)、綜合地形指數(shù)CTI)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展效益進(jìn)行量化。
通過(guò)植被退化趨勢(shì)、生態(tài)與發(fā)展沖突區(qū)和生態(tài)重要性分級(jí),結(jié)合貴州省礦產(chǎn)資源分布和重要生態(tài)功能區(qū),識(shí)別貴州省山水林田湖草修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域,結(jié)合目前已經(jīng)開(kāi)展的生態(tài)修復(fù)措施等經(jīng)驗(yàn)知識(shí),可以開(kāi)展山水林田湖草的分區(qū)方案劃分和優(yōu)先工程布局。主要以烏蒙山區(qū)域?yàn)槔?分析目前的功能分區(qū)與生態(tài)修復(fù)的途徑。
貴州省生物多樣性維持與保護(hù)、水源涵養(yǎng)、土壤保持3個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示。為顯示貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力分布的等級(jí)差異,利用自然斷點(diǎn)法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行等級(jí)劃分,分別為低等、較低、中等、較高和高5級(jí)。可以看出水源涵養(yǎng)能力在貴州東部、東南部較高,中部、西北部較低。水土保持能力東南部、西北部較高,中間區(qū)域最低。生物多樣性服務(wù)在貴州省西南、東南、東北部較高,較低的區(qū)域分布在中部、東部。通過(guò)3項(xiàng)指標(biāo)值累加,得到綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù),能力指數(shù)以東南部、東北部較高,中間和西北處于低和較低水平。
圖3 貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力Fig.3 Ecosystem service capability in Guizhou Province
利用自然斷點(diǎn)法對(duì)流域水平的景觀脆弱度指數(shù)進(jìn)行5級(jí)劃分,獲得貴州省景觀脆弱度分布(圖4),景觀脆弱度在都柳江流域、赤水河流域最高,烏江流域、牛欄江流域部分區(qū)域較高。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù)和景觀脆弱性指數(shù)分級(jí)疊加計(jì)算生態(tài)重要性的空間分布,如圖4所示,貴州省的生態(tài)重要性在都柳江流域最高,赤水河流域、烏江流域、南北盤(pán)江流域的部分區(qū)域較高。
如圖5所示,貴州省生態(tài)保護(hù)價(jià)值較高的區(qū)域分布在東南、西北部,較低和低的區(qū)域分布在西部和西南部。經(jīng)濟(jì)發(fā)展效益高和較高的區(qū)域分布在貴州中部、西北部和東北部,較低的區(qū)域分布在南部和東南部。
圖4 貴州省景觀脆弱度和綜合生態(tài)重要性分布Fig.4 Spatial distribution of landscape vulnerability and integrated ecological importance in Guizhou Province
圖5 貴州省生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological protection and economic development in Guizhou Province
根據(jù)各自的中值將生態(tài)價(jià)值層(EV)與發(fā)展效益層(DB)分別分割為高值(H)與低值(L)兩部分(EVH, EVL, DBH, DBL),將所得四部分進(jìn)行交叉疊加,EVH×DBH, EVH×DBL, EVL×DBH, EVL×DBL分別定義為沖突區(qū)、保護(hù)區(qū)、發(fā)展區(qū)和低影響區(qū)。各區(qū)域分布如圖6所示,貴州省保護(hù)區(qū)、發(fā)展區(qū)、沖突區(qū)和低影響區(qū)占的面積比例分別為1.08%、81.45%、15.48%和1.99%。沖突區(qū)集中分布的區(qū)域主要在西北和東南部。
通過(guò)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展沖突區(qū)、生態(tài)重要性、植被退化趨勢(shì)進(jìn)行分級(jí),找出重點(diǎn)沖突區(qū)、生態(tài)重要性區(qū)域和植被退化區(qū),和礦產(chǎn)資源分布與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)疊加進(jìn)行貴州省關(guān)鍵生態(tài)修復(fù)區(qū)的識(shí)別,如圖7所示。礦產(chǎn)資源主要分布區(qū)域在貴陽(yáng)市、六盤(pán)水市、安順市、東南、西南、同仁地區(qū)、遵義市、畢節(jié)地區(qū)。植被退化嚴(yán)重區(qū)域在貴州省南部和西南部較集中,西北部分區(qū)域存在植被嚴(yán)重退化問(wèn)題。生態(tài)與發(fā)展沖突區(qū)高的區(qū)域在東南、西北、北部、遵義、畢節(jié)地區(qū)。生態(tài)重要性高的區(qū)域在東北部和東南分布比較集中,在南部、西南和西北部分區(qū)域生態(tài)重要性高。重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)在貴州省東南部、東北部、西南部、西北部、南部,其中東北部和東南部的主要生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)或水土保持,同時(shí)存在較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性,東南部存在較多的生態(tài)沖突區(qū)及生態(tài)脆弱度較高的區(qū)域。西南部和南部的主要生態(tài)功能為水土保持,同時(shí)存在嚴(yán)重植被退化區(qū)及部分生態(tài)脆弱度高的區(qū)域。西北部的主要生態(tài)功能為水土保持,同時(shí)存在部分礦區(qū)分布,赤水市和習(xí)水縣存在較多的生態(tài)沖突區(qū),并且生態(tài)脆弱度較高,威寧縣和郝章縣存在部分嚴(yán)重植被退化區(qū)。
圖6 貴州省沖突區(qū)、保護(hù)區(qū)、發(fā)展區(qū)和低影響區(qū)分布 Fig.6 Spatial distribution of conflict zones, protected areas, development areas and low impact areas in Guizhou Province
圖7 貴州省生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵生態(tài)區(qū)識(shí)別 Fig.7 Identification of key ecological regions for ecological restoration in Guizhou Province
生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別中,烏蒙山區(qū)域存在礦山生態(tài)修復(fù)區(qū)、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、植被退化區(qū)域、生態(tài)修復(fù)與發(fā)展沖突區(qū),以烏蒙山區(qū)域?yàn)閮?yōu)先區(qū)開(kāi)展山水林田湖草的工作具有必要性。烏蒙山區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)工程如表2所示,依據(jù)生態(tài)功能將其分為三個(gè)修復(fù)區(qū),根據(jù)不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境提出修復(fù)對(duì)策,實(shí)行修復(fù)工程。秉承“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”的重要理念,重點(diǎn)實(shí)施一湖、一山、一河、兩屏障”,即對(duì)高原喀斯特湖泊(草海)、烏江源礦山生態(tài)環(huán)境、赤水河生物多樣性保護(hù)修復(fù),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江珠江上游生態(tài)屏障整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理。
貴州省不同生態(tài)恢復(fù)區(qū)存在的生態(tài)問(wèn)題不同,需采取不同生態(tài)恢復(fù)措施。在礦山分布區(qū)域,主要生態(tài)問(wèn)題為礦山開(kāi)采造成的地形地貌破壞、植被覆蓋破壞、水土流失、尾礦廢石廢渣堆放等,需要采取廢棄礦山修復(fù)、水環(huán)境整治、植被恢復(fù)等恢復(fù)措施。礦山環(huán)境治理是區(qū)域山水林田湖草系統(tǒng)治理的重要部分,是以礦山環(huán)境恢復(fù)為中心開(kāi)展區(qū)域系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境治理,并進(jìn)行發(fā)散式修復(fù),將區(qū)域內(nèi)各礦山節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接形成覆蓋整個(gè)區(qū)域的修復(fù)網(wǎng)絡(luò),整體推進(jìn)山水林田湖草的一體化治理[27]。植被退化區(qū)域采取植被恢復(fù)措施,植被恢復(fù)是生態(tài)工程的一個(gè)重要目標(biāo)[28],針對(duì)山、水、林、田、湖、草采取不同的植被恢復(fù)措施[12]。生態(tài)與發(fā)展沖突區(qū)具有較高的生態(tài)價(jià)值和發(fā)展效益,應(yīng)該優(yōu)先考慮生態(tài)價(jià)值,為了減少生態(tài)規(guī)劃與土地利用的沖突,生態(tài)補(bǔ)償應(yīng)及時(shí)落實(shí)[29]。新的生態(tài)紅線劃定流程考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)敏感性[30],本研究利用景觀脆弱度和綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力進(jìn)行疊加分級(jí)獲得生態(tài)重要性區(qū)域。重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)域針對(duì)主要生態(tài)功能采取恢復(fù)治理措施。山水林田湖草生態(tài)修復(fù)將系統(tǒng)各生態(tài)要素進(jìn)行耦合,進(jìn)行區(qū)域生態(tài)要素合理配置方法與空間優(yōu)化,山水林田湖草系統(tǒng)一體化保護(hù)與修復(fù)[12]。
表2 貴州省烏蒙山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)工程分區(qū)
1)貴州省水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng)功能分布具有明顯的空間分布特征,通過(guò)三者的綜合評(píng)價(jià),獲得綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較高的區(qū)域主要分布在東南部、東北部,中部和西北部較低。通過(guò)疊加景觀脆弱度指數(shù),獲得貴州省生態(tài)重要性的分布,較高的區(qū)域主要在東南和西南部,中部和西北部較低。
2)通過(guò)疊加生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展高的區(qū)域,獲得沖突區(qū)的分布,貴州省沖突區(qū)集中分布的區(qū)域主要在西北和東南部。考慮生態(tài)保護(hù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)發(fā)展效益的生態(tài)恢復(fù)具有重要的意義,可以為生態(tài)恢復(fù)的實(shí)施提供具體的管理目標(biāo)和建議。
3)通過(guò)疊加分析獲得貴州省關(guān)鍵生態(tài)修復(fù)區(qū),從空間分布格局入手分析生態(tài)問(wèn)題,從而針對(duì)不同生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)措施的實(shí)施,從整體上開(kāi)展山水林田湖草生態(tài)修復(fù)。烏蒙山生態(tài)環(huán)境保護(hù)通過(guò)生態(tài)分區(qū),針對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,提出修復(fù)對(duì)策,實(shí)施修復(fù)工程,實(shí)現(xiàn)山水林田湖草的一體化修復(fù)。