宋 偉,韓 賾,劉 琳

1 中國科學院地理科學與資源研究所,陸地表層格局與模擬院重點實驗室,北京 100101 2 中國地質(zhì)大學(北京),信息工程學院,北京 100083 >3 河北地質(zhì)大學,石家莊 050031

多年來對自然資源的過度開發(fā),產(chǎn)生了諸多生態(tài)系統(tǒng)退化問題[1-2],保護和修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)迫在眉睫[3]。黨的十九大報告中提出了“山水林田湖草是一個生命共同體”的理念[4-5],科學界定了人與自然的內(nèi)在聯(lián)系和內(nèi)生關(guān)系[2,6-7]。生命共同體理念得到了財政部、國土資源部、環(huán)境保護部等各個部委的高度重視,并下發(fā)了一系列文件對生態(tài)保護修復(fù)工作提出了明確要求[6]。為實現(xiàn)山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工作科學落地,亟需對“生命共同體”生態(tài)保護修復(fù)基礎(chǔ)理論進行探討,并給出實踐路徑。

目前,我國已組織實施了三批山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)試點工程?？偟膩碚f,目前實施的山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程主要以礦山環(huán)境治理恢復(fù)[8]、生物多樣性保護、土地整治和土壤污染修復(fù)[9-10]、流域水環(huán)境保護治理[11-12]、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)綜合治理修復(fù)[13]等為主要內(nèi)容。實施山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程,其核心理論基礎(chǔ)是生態(tài)系統(tǒng)綜合管理理論[14-15],即運用系統(tǒng)工程思想和景觀生態(tài)學理論解決資源環(huán)境生態(tài)問題[2,16-17]。因此,山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)分區(qū)需打破行政區(qū)劃、部門管理、行業(yè)管理和生態(tài)要素界限,統(tǒng)籌考慮各要素保護修復(fù)需求,健全生態(tài)環(huán)境和自然資源管理體制機制,推進生態(tài)系統(tǒng)整體保護、綜合治理和系統(tǒng)修復(fù)[18]。

山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程的具體實施方案之中,一般是先劃定生態(tài)保護修復(fù)分區(qū),然后根據(jù)各分區(qū)的特點和主要問題,提出“一區(qū)一策”實施方案[19]。可以說,生態(tài)保護修復(fù)分區(qū)的劃定,是制定生態(tài)保護修復(fù)實施方案的一項重要基礎(chǔ)性工作[20]。但是,目前在不同試點區(qū)劃定生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)分區(qū)的過程中,更多的依賴于修復(fù)方案制定者對區(qū)域的熟悉程度,修復(fù)分區(qū)工作還缺乏統(tǒng)一的理論和方法指導(dǎo)。山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)作為一個生命共同體,各要素彼此相互依存,相互影響[21-22]。對于生態(tài)保護修復(fù)分區(qū)的劃定,也要求能夠?qū)⑸鷳B(tài)系統(tǒng)作為共同體綜合診斷[23],然后選擇生態(tài)系統(tǒng)問題在空間上分布相對聚集,且各生態(tài)系統(tǒng)問題相互關(guān)聯(lián)的區(qū)域開展。但是,目前在山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)分區(qū)劃定的過程中,多是對于單一生態(tài)系統(tǒng)問題的診斷與分區(qū),綜合的山水林田湖草生態(tài)問題的診斷方法相對不足,劃定的一些生態(tài)保護修復(fù)分區(qū)也往往很難體現(xiàn)山水林田湖草生命共同體的理念。

因此,本文以陜西省為例,提出了山水林田湖草生態(tài)問題的綜合診斷方法,以及基于生態(tài)系統(tǒng)問題差異性的保護修復(fù)綜合分區(qū)劃定方法,以期為山水林田湖草保護修復(fù)項目的實施提供技術(shù)支持。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographic location of study region

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于中國內(nèi)陸腹地(圖 1),地跨105°29′—111°15′E,31°42′—39°35′N,地域狹長。以北山和秦嶺為界,陜西省被劃分為北部黃土高原區(qū)(陜北)、中部關(guān)中平原區(qū)(關(guān)中)和南部秦巴山區(qū)(陜南)三大自然區(qū)。陜西省地勢南北高,中間低,海拔在189—3603 m之間。陜西省橫跨3個氣候帶,南北氣候差異較大；陜南屬北亞熱帶氣候,關(guān)中及陜北大部屬暖溫帶氣候,陜北北部長城沿線屬中溫帶氣候。陜西省下轄10個設(shè)區(qū)市,轄區(qū)土地面積達20.56萬km2,常住人口共3835.44萬人。

1.2 指標體系構(gòu)建與數(shù)據(jù)獲取方法

基于山水林田湖草系統(tǒng)原理,結(jié)合陜西省主要生態(tài)問題和經(jīng)濟狀況,如水土流失、礦山開采、水資源短缺、降水不平衡、林地植被稀疏、草地退化和農(nóng)田質(zhì)量低等,選取8個生態(tài)問題診斷指標構(gòu)建指標體系(表1)。

各個指標中,土壤保持量的計算利用了通用土壤侵蝕方程。其具體計算過程為：首先利用通用土壤侵蝕方程計算潛在土壤侵蝕量；然后,計算在植被覆蓋與工程措施情形下的實際土壤侵蝕；最后,通過計算潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值來測算實際的土壤保持量[24-25]。

表1 陜西省生態(tài)問題診斷指標體系

由于礦山分布的信息很難獲取,因此我們編寫了一個礦山信息爬取工具,抓取了陜西省礦山的分布情況。礦山信息爬取主要依托高德地圖應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface,API)工具來進行二次開發(fā),利用興趣點(Point of Interest,POI)搜索、地理位置反查詢等相關(guān)手段獲取經(jīng)緯度坐標。高德地圖API是一套由JavaScript語言編寫的應(yīng)用程序接口,它提供了一系列供WEB程序調(diào)用的地圖服務(wù)控件。本次研究使用Python編程爬蟲程序訪問高德WEB服務(wù),搜索和“礦山”有關(guān)的地名點,并進行數(shù)據(jù)清洗。通過爬取工具,能夠獲得陜西省礦山的地理位置,然后再通過礦山分布計算陜西省礦山分布密度,參與分區(qū)計算。

陜西省降水和極端降水數(shù)據(jù),主要是通過對于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集相關(guān)數(shù)據(jù)的再計算獲得。我國在研究極端降水事件時經(jīng)常使用依據(jù)日降水量大小分成不同的降水級別。如在我國北方日降水量<10 mm/d的稱為小雨,在10—25 mm/d之間的為中雨,25—50 mm/d之間的為大雨,而≥50 mm/d的是極端降水。本文通過在中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集篩選日降水大于50 mm的日數(shù)作為極端降水指數(shù),并通過插值獲得空間分布。

林草地植被的變化狀況評估基于2001—2015年MODIS的16天合成的NDVI產(chǎn)品(MYD13A2和MOD13A2),其空間分辨率為1000 m。為了獲取2001—2015年植被NDVI時間序列曲線,首先,利用質(zhì)量控制文件剔除“云污染”等噪音像元；然后,利用Savitzky-Golay濾波器重構(gòu)各像元的NDVI時間序列曲線。陜西省林草植被的變化狀況用植被NDVI的年際變化率來表征,年際變化率采用線性回歸分析中的趨勢線斜率來計算[26]。

山水林田湖草生命共同體的理念,涉及的并不僅僅是自然生態(tài)系統(tǒng)。實際上,山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工作的實施,最終的目的還是要與人的因素結(jié)合起來,實現(xiàn)人居環(huán)境的改善、人與自然的和諧共處。因此,在山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)實踐過程中,如果能達到自然生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的協(xié)調(diào),將能夠更好的推進山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)實施方案的實施。所以,我們選擇了區(qū)域貧困程度作為表征區(qū)域社會經(jīng)濟問題的一種重要指標。為了實現(xiàn)貧困程度的空間化,我們選用了燈光指數(shù)將GDP進行了空間化。利用夜間燈光指數(shù)進行GDP空間化的主要過程包括構(gòu)建夜間燈光降飽和模型和獲取區(qū)域燈光指數(shù)兩個過程。構(gòu)建燈光修正指數(shù)主要是對夜間燈光影像進行預(yù)處理,包括投影、歸一化等,提取燈光強度值,并計算歸一化的燈光強度值。一般而言,某區(qū)域的燈光總量(總強度)或平均燈光(燈光密度)強度可以反映該區(qū)域的燈光特征[27,28]。燈光指數(shù)越高,代表相應(yīng)區(qū)域的社會經(jīng)濟水平越發(fā)達,反之越貧困。

陜西省土地利用數(shù)據(jù)使用了中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供的1970年、1980年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年7期土地利用數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km。

1.3 陜西省生態(tài)修復(fù)綜合評價

本研究選取的各項生態(tài)系統(tǒng)問題診斷指標都是從不同側(cè)面來反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。本研究采用線性加權(quán)函數(shù)法構(gòu)建區(qū)域生態(tài)修復(fù)指數(shù),并利用空間聚類和分組方法,分析陜西省生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)的空間差異性。具體步驟如下：

首先,由于各個指標在含義、內(nèi)容、取值標準等都存在差異,導(dǎo)致其在數(shù)據(jù)量綱和趨勢方向存在差異。因此,在進行后續(xù)的分析前,需要進行無量綱化和同趨勢化處理。同趨勢化將公式如下：

(1)

其次,根據(jù)各項生態(tài)指標所涉及山水林田湖草人修復(fù)對象的個數(shù),確定各項生態(tài)指標的權(quán)重(表2)。在這里,我們的權(quán)重賦值方法沒有采取傳統(tǒng)的特爾斐法等方法,而是根據(jù)山水林田湖草各個指標中涉及生態(tài)系統(tǒng)問題的綜合程度來確定。即,如果該指標只涉及山水林田湖草中的1個生態(tài)問題,就賦值為1,如果涉及2個問題就賦值為2,然后將所有數(shù)值加和再進行百分比化,即獲得各個指標的權(quán)重。該方法的好處是能夠更好的反映各項指標涉及的生態(tài)系統(tǒng)問題的綜合程度。

表2 生態(tài)修復(fù)評價指標權(quán)重

最后,采用線性加權(quán)函數(shù)法,基于構(gòu)建的生態(tài)修復(fù)指標體系和權(quán)重(表2),測算生態(tài)修復(fù)指數(shù)(ERI)。該指數(shù)反映了區(qū)域山水林田湖草生態(tài)環(huán)境的綜合狀況。ERI越小,代表區(qū)域山水林田湖草的綜合生態(tài)問題越突出,越有必要開展綜合生態(tài)保護修復(fù)工程,測算公式如下：

(2)

式中,Ei為第i項生態(tài)指標的值,wi為第i項生態(tài)指標的權(quán)重。

山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)分區(qū)指標的數(shù)據(jù)均可以細化到1 km柵格尺度,分區(qū)基本單元也可以使用柵格。但是,考慮到我國目前山水林田湖草生態(tài)問題的產(chǎn)生,基本上都會在流域尺度上形成一個比較好的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此,我們利用陜西省的河流和水系數(shù)據(jù),提取了陜西省的80個小流域做為評價的基礎(chǔ)單元。然后,通過80個小流域山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)問題的綜合診斷,進一步開展分區(qū)研究。借鑒現(xiàn)有山水林田湖草試點工程中的分區(qū)數(shù)量的設(shè)置,同時考慮到陜西省的面積大小,通過反復(fù)的分區(qū)測試,最終將陜西省的生態(tài)保護修復(fù)分區(qū)劃分為8個。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

總體上,陜西省耕地主要集中分布在關(guān)中平原地區(qū)(圖 2),陜北和陜南地區(qū)耕地分布破碎化程度較高；森林主要分布在黃龍山、喬山、關(guān)山、秦嶺和巴山五大山地；草地分布范圍較廣,陜北長城沿線以北為溫帶干草原區(qū)受水資源限制以草原植被覆蓋類型為主；水資源分布主要以秦嶺為界,以北屬黃河流域,以南屬長江流域；關(guān)中平原是陜西省建設(shè)用地最為集中分布的區(qū)域,城鎮(zhèn)數(shù)量占陜西省總城鎮(zhèn)數(shù)目的一半左右,大中小城市數(shù)量較多,其中全省4個大中城市都分布在關(guān)中地區(qū)；受氣候和降水的影響,黃土高原裸土地分布明顯。從1970到2015年,陜西省耕地、林地、草地、水域覆蓋面積總量變化不大；建設(shè)用地以居民點和城鎮(zhèn)為中心擴張明顯,總覆蓋面積由1970年的2662 km2增加到2015年的4412 km2；裸地面積持續(xù)減少,其中黃土高原區(qū)的部分裸地轉(zhuǎn)化為草地、耕地和建設(shè)用地。

圖2 1970—2015年陜西省土地利用空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use in Shaanxi Province from 1970 to 2015

為研究不同高程下的各種土地利用類型的分布規(guī)律,以陜西省的平原、丘陵、低山區(qū)、中山區(qū)和高山區(qū)高程范圍為依據(jù),將高程分劃為500 m以下、500—800 m、800—1200 m、1200—1800 m和1800 m以上5個等級(圖3)。結(jié)果表明,陜西省的耕地、水域和建設(shè)用地主要分布在1200 m以下的平原、丘陵和低山區(qū),建設(shè)用地在平原地區(qū)分布最多。草地和林地分布范圍較廣,其中林地主要集中分布在800 m以上的山區(qū),草地主要分布在500—1800 m的丘陵、低山區(qū)和中山區(qū)；裸地地域分布特征明顯,集中在800—1800 m的低山區(qū)和高山區(qū)。

圖3 陜西省土地覆蓋類型在不同高程下的分布Fig.3 Vertical distribution of different land use types in Shaanxi Province

2.2 陜西省基本生態(tài)問題初步診斷

2.2.1土壤保持量

2015年陜西省土壤總保持量為75.42×108t,不同區(qū)域土壤保持量集中分布在0—2549.15 t/km2之間(圖4)。土壤保持強度由東北向西南增加,陜北地區(qū)關(guān)中地區(qū)土壤保持量較低,陜南地區(qū)土壤保持量較高。丹江流域、漢江流域、渭河流域南部、涇河流域南部和北洛河流域中游土壤保持量高,嘉陵江流域和伊洛河流域土壤保持量次之。渭河流域南部、涇河流域南部、北洛河流域上游和下游地區(qū)土壤保持量較低,無定河流域、延河流域和窟野河流域土壤保持量低,基本都在1000 t/km2以下。

2.2.2礦山開采

礦山信息爬取結(jié)果顯示,陜西省礦山的分布主要集中在陜西的中部地勢較緩和的區(qū)域(圖5),包括臨潼縣、高陵縣、長安區(qū)、戶縣和周至縣。陜西的北部山區(qū)與南部山區(qū)也有零星分布,包括神木縣、榆陽區(qū)、橫山縣、勉縣、南鄭縣、漢陰縣和旬陽縣等。

圖4 土壤保持量空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil conservation

圖5 2015年陜西省礦山分布Fig.5 Spatial distribution of mine in Shaanxi Province in 2015

2.2.3降水情況

陜西各地年降水分布差異很大,在300—1700 mm之間均有分布,且從南往北呈明顯的逐步減少趨勢(圖6)。陜南的米蒼山和大巴山區(qū),年降水為1200—1617 mm,是陜西省年降水最多的區(qū)域；秦嶺南坡年降水大多為800—1000 mm,秦嶺以北的關(guān)中地區(qū)年降水為500 mm左右,陜北南部及中部地區(qū)年降水大多為400—600 mm,而陜北北部地區(qū),年降水<400 mm,是陜西降水最少的地區(qū)。

2015年,日降水量大于50的天數(shù)范圍是0—6d,從南往北呈明顯的逐步減少趨勢(圖6),其中漢中、安康、商洛、寶雞和咸陽的楊凌地區(qū)天數(shù)較高。安康的鎮(zhèn)坪縣是天數(shù)最多的區(qū)域,也是暴雨的高發(fā)區(qū),漢中的鎮(zhèn)巴縣、佛坪縣次之,也是暴雨出現(xiàn)次數(shù)比較多的地區(qū)。

圖6 2015年陜西省年降水量及暴雨(日降雨量>50 mm)天數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of annual precipitation and days of extreme precipitation (daily rainfall > 50 mm) in Shaanxi Province in 2015

2.2.4林地植被變化

2001—2015年陜西省林地植被NDVI整體呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢,年平均NDVI、生長季(每年4月至9月)平均NDVI和非生長季(每年10月至次年3月)平均NDVI具有較一致的時間趨勢,年際變化率分別為0.0042—0.0044之間,且變化率均通過了顯著性水平為0.01的檢驗(圖7)。林地植被NDVI生長季與非生長季之間的差異反映了植被生長的年內(nèi)波動幅度。整體而言,2001—2015年陜西省林地植被生長的年內(nèi)波動較小,生長季與非生長季之間NDVI的差異穩(wěn)定在0.283—0.286之間。

利用基于像元的一元線性回歸分析方法,得到了陜西省2001—2015林地植被NDVI年際變化率的空間分布狀況。從像元尺度上看,92.15%(約3.98×103km2)的林地植被表現(xiàn)為顯著的線性關(guān)系(P<0.05),而其中僅有0.20%(93.86 km2)的林地表現(xiàn)為下降趨勢,其余林地植被則表現(xiàn)為顯著的線性增加趨勢?？臻g上,林地植被NDVI顯著下降的區(qū)域主要分布中部關(guān)中平原(白水縣、蒲城縣和合陽縣)和南部漢江河谷盆地等低海拔地區(qū)(0—500 m和500—800 m)(圖7)。林地植被NDVI增加較快的區(qū)域,主要分布在海拔1200 m較低海拔的區(qū)域,如在陜北黃土高原南部和秦嶺山地東部等。而隨著海拔的增加,草地植被年際變化趨緩(年際變化率以0—0.004為主)(圖7)。

圖7 2001—2015年陜西省林地植被NDVI年際變化狀況Fig.7 Forests vegetation changes in Shaanxi Province between 2001 and 2015(A)年平均NDVI變化趨勢；(B)NDVI年際變化率空間分布(P<0.05)；(C)NDVI年際變化率與海拔之間的關(guān)系

2.2.5農(nóng)田質(zhì)量

圖8 陜西省耕地質(zhì)量空間分布Fig.8 Spatial distribution of cropland quality

依據(jù)《1∶100萬土地資源圖》的數(shù)據(jù),陜西省耕地等級為4個等級。其中,關(guān)中地區(qū)耕地等級較高,陜北和陜南地區(qū)耕地等級較低(圖8)。一等耕地分布范圍小且分布集中,主要分布在渭河流域范圍內(nèi)的寶雞和西安兩地,咸陽西南部、渭南東南部、漢中西南部和安康中部也有小范圍分布。這些地區(qū)為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū),種植歷史悠久,土壤以褐土、塿土為主,土層深厚、保水保肥性能強。二等地分布則較為分散,主要分布在涇河流域、北洛河流域中下游及無定河流域北部。三等地主要分布在延河流域、無定河流域南部、渭河流域上游、榆林市和延安東南部。四等地分布范圍較廣,主要分布在陜南和陜北地區(qū)。陜南地區(qū)分布范圍主要包括漢江流域、嘉陵江流域、伊洛河流域和丹江流域,陜北地區(qū)分布范圍主要包括延安市和榆林市。陜南地區(qū)耕地海拔高、氣溫低、季節(jié)性干旱嚴重,且土壤養(yǎng)分瘠薄,缺乏灌溉條件,耕地質(zhì)量較差。陜北地土壤以黃綿土、黑壚土、灰鈣土、風沙土為主,水土流失劇烈、土壤退化嚴重,生態(tài)環(huán)境惡化、自然災(zāi)害頻繁,土壤養(yǎng)分貧瘠、生產(chǎn)力低下。

2.2.6草地植被變化

2001—2015年陜西省草地植被NDVI整體趨勢與林地植被一致,均呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢。相較林地而言,草地其年平均NDVI、生長季平均NDVI和非生長季平均NDVI的年際變化率較大,分別為0.0053,0.0053和0.0049,且變化率均通過了顯著性水平為0.01的檢驗。2001—2015年草地植被生長的年內(nèi)波動較小,生長季與非生長季之間NDVI的差異穩(wěn)定在0.219—0.226之間。

從像元尺度上看,91.01%(約7.47萬km2)的草地植被呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系(P<0.05),且趨勢以增加為主,而其中僅有0.33%(248.82 km2)的草地表現(xiàn)為下降趨勢。空間上,草地植被NDVI顯著下降的區(qū)域主要分布在榆林西部的高海拔地區(qū)(> 1800 m)以及中部關(guān)中平原(白水縣、蒲城縣和合陽縣)和南部漢江河谷盆地等低海拔地區(qū)(0—500 m和500—800 m)(圖9)。草地植被NDVI增加較快的區(qū)域,主要在海拔1200 m較低海拔的區(qū)域,如陜北黃土高原和秦嶺山地的等。隨著海拔的增加,草地植被年際變化趨緩(年際變化率以0—0.005為主)(圖9),如西北部的陜北榆林地區(qū)以及南部的秦巴山區(qū)等。

圖9 2001—2015年陜西省草地植被變化狀況Fig.9 Grassland vegetation changes in Shaanxi Province between 2001 and 2015(A)年平均NDVI變化趨勢；(B)NDVI年際變化率空間分布(P<0.05)；(C)NDVI年際變化率與海拔之間的關(guān)系

2.2.7貧困狀況

由于大多數(shù)社會經(jīng)濟活動都是在夜間光照充足的發(fā)達地區(qū)進行的,因此較高的平均夜間燈光強度值表示了一個地區(qū)更為繁榮的社會經(jīng)濟活力。將陜西各個縣的平均夜間燈光強度值(ANLI,average night light index)進行分級,劃分為貧困區(qū)、弱勢區(qū)、一般區(qū)、優(yōu)勢區(qū)和富裕區(qū),以直觀地展現(xiàn)貧困的空間分布(圖10)。結(jié)果表明,陜西省貧困區(qū)個數(shù)占總數(shù)70.1%,弱勢區(qū)占20.6%、一般區(qū)占4.1%、優(yōu)勢區(qū)占3.1%、富裕區(qū)占2.1%。總體而言,陜西的貧困差距較大,西安市和咸陽市是經(jīng)濟富裕區(qū),貧困區(qū)多分布在陜西南部的漢中、安康和南洛等地區(qū)。

圖10 陜西省貧困分類Fig.10 Poverty classification map in Shaanxi Province

2.3 陜西省生態(tài)問題診斷及綜合分區(qū)

2.3.1陜西省生態(tài)修復(fù)綜合分區(qū)

綜合考慮流域內(nèi)土壤保持量、礦山分布密度、極端降水、年平均降水量、林地植被年際變化率、農(nóng)田質(zhì)量、草地植被年際變化率和貧困水平8個因素,利用所構(gòu)建的生態(tài)修復(fù)綜合評價體系,測算了陜西省各流域的山水林田湖草綜合生態(tài)修復(fù)指數(shù)(圖11),該指數(shù)反映了流域?qū)嵤┥剿痔锖菥C合生態(tài)保護修復(fù)的必要程度。結(jié)果表明,2015年陜西省生態(tài)修復(fù)指數(shù)平均值為0.39,各流域生態(tài)修復(fù)指數(shù)在0.23—0.60之間。總體來看,陜西省生態(tài)修復(fù)指數(shù)的空間分異規(guī)律較為明顯,自南向北呈現(xiàn)依次遞減的趨勢。

由于陜西省自然資源稟賦迥異,且各項生態(tài)修復(fù)指標存在較強空間異質(zhì)性,利用綜合生態(tài)修復(fù)指數(shù)所劃分的生態(tài)修復(fù)分區(qū)無法進一步體現(xiàn)各區(qū)生態(tài)修復(fù)方向的差異性。因此,本文利用ArcGIS分組分析工具,基于各流域8個生態(tài)修復(fù)指標以及生態(tài)修復(fù)指數(shù)的測算結(jié)果,進行空間聚類和分組分析。結(jié)果顯示,陜西省被劃分為8個生態(tài)修復(fù)子區(qū)域,包括陜南秦嶺東部地區(qū)(分區(qū)1)、關(guān)中平原中部的城鎮(zhèn)地區(qū)(分區(qū)2)、漢江河谷盆地(分區(qū)3)、陜北黃土高原中南部地區(qū)(分區(qū)4)、陜南秦嶺山區(qū)(分區(qū)5)、陜北黃土高原北部地區(qū)(分區(qū)6)、關(guān)中平原地區(qū)(分區(qū)7)和陜南大巴山地區(qū)(分區(qū)8)(圖11和表3)。

表3 陜西省各生態(tài)修復(fù)分區(qū)

空間上,分區(qū)1、分區(qū)5和分區(qū)8位于秦巴山區(qū),該區(qū)的主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是水源涵養(yǎng)和水土保持,區(qū)域整體生態(tài)修復(fù)指數(shù)較高,也是陜西省生態(tài)安全的重要屏障,主要涉及陜西省安康市、商洛市、漢中市和寶雞市的29個區(qū)縣。分區(qū)2、分區(qū)3和分區(qū)7位于關(guān)中平原和南部的漢江河谷盆地地區(qū),該區(qū)是陜西省農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和城鎮(zhèn)集中分布的區(qū)域,主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為糧食生產(chǎn)和水土保持,生態(tài)修復(fù)指數(shù)一般,主要涉及漢中市、商洛市、寶雞市、西安市、咸陽市、渭南市、銅川市和延安市的55個區(qū)縣。分區(qū)4和分區(qū)6的生態(tài)修復(fù)指數(shù)最低,該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱且比較貧困,主要涉及榆林市、延安市和渭南市的28個區(qū)縣。

2.3.2生態(tài)修復(fù)分區(qū)的生態(tài)問題診斷

本文進一步對比了不同分區(qū)各項生態(tài)修復(fù)指標值的差異(圖12 ),并探討各生態(tài)修復(fù)分區(qū)的主要生態(tài)問題：

(1)分區(qū)1(陜南秦嶺東部地區(qū))：該區(qū)位于丹江流域和秦嶺山區(qū)東段,也是南水北調(diào)工程中丹江口水庫的上游地區(qū),涉及丹鳳、洛南、山陽和商南4個區(qū)縣,總面積達1.045萬km2。該區(qū)域?qū)僦械颓鹆晟絽^(qū),水資源豐富,主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能是水源涵養(yǎng)和水土保持功能。在生態(tài)問題方面,相對南部的秦巴山區(qū)(分區(qū)5和分區(qū)8),該區(qū)降水量偏少且分布不均,土壤侵蝕嚴重。在土地利用方面,該區(qū)以林草資源為主,耕地少且質(zhì)量差,農(nóng)業(yè)發(fā)展水平較低,區(qū)域貧困水平較高。

(2)分區(qū)2(關(guān)中平原中部的城鎮(zhèn)地區(qū))：該區(qū)域位于陜西省關(guān)中城市群的中心,是人類活動和經(jīng)濟發(fā)展核心區(qū)域,主要包括西安市和咸陽市的16個區(qū)縣,總面積為0.557萬km2。該區(qū)經(jīng)濟相對發(fā)達,但也存在著林草植被退化、礦產(chǎn)資源開采強度大和水土流失等生態(tài)問題。

(3)分區(qū)3(漢江河谷盆地)：該區(qū)域位于秦嶺和大巴山之間,是漢江上游的河谷地帶。該區(qū)涉及漢中市的城固縣、佛坪縣、漢臺區(qū)和南鄭縣等6個區(qū)縣,總面積達0.626萬km2。該區(qū)與分區(qū)2(關(guān)中平原中部的城鎮(zhèn)地區(qū))均為陜西省城鎮(zhèn)發(fā)展的重點區(qū)域,但相對于分區(qū)2,該區(qū)更易受到極端降水等災(zāi)害的影響。

(4)分區(qū)4(陜北黃土高原中南部地區(qū))：該區(qū)域位于陜北黃土高原腹地,對于維護黃河中下游地區(qū)生態(tài)安全具有重要作用,涉及志丹縣、寶塔區(qū)、吳起縣、宜川縣和安塞縣等21個區(qū)縣,總面積達3.953萬km2。在生態(tài)問題方面,該區(qū)屬黃土高原丘陵溝壑地貌,干旱少雨,植被稀疏、水土流失敏感程度較高,整體生態(tài)環(huán)境較惡劣；在土地利用方面,該區(qū)林草植被恢復(fù)較好,但受到自然條件限制,該區(qū)耕地質(zhì)量較差,糧食供給能力低于關(guān)中平原地區(qū)(分區(qū)7)。

(5)分區(qū)5(陜南秦嶺山區(qū))：該區(qū)域位于渭河與漢江之間,是長江上游重要生態(tài)屏障,涉及白河縣、城固縣、鳳縣和佛坪縣等25個區(qū)縣,總面積達4.406萬km2。該區(qū)河流眾多,水資源豐富,森林分布面積廣,在水源涵養(yǎng)、水土保持和維護生物多樣性功能具有重要功能。在生態(tài)問題方面,該區(qū)部分山地植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象,受極端降水影響較嚴重；在土地資源方面,該區(qū)以林草資源為主,耕地資源較少且質(zhì)量較差。

(6)分區(qū)6(陜北黃土高原北部地區(qū))：該區(qū)位于陜西省最北部,是黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過渡區(qū),也是黃土高原生態(tài)屏障的重要組成部分,主要涉及安塞縣、定邊縣、府谷縣、橫山縣和佳縣等15個區(qū)縣,總面積達3.906萬km2。在生態(tài)問題方面,該區(qū)干旱少雨且植被稀疏,相對于黃土高原中南部地區(qū)(分區(qū)4),林地植被恢復(fù)程度較慢,且西部山區(qū)的部分地區(qū)出現(xiàn)林地植被退化現(xiàn)象；在土地利用方面,該區(qū)域礦產(chǎn)資源開采強度較大且林地植被比例較低。

(7)分區(qū)7(關(guān)中平原地區(qū))：該區(qū)位于陜西省中部的渭河平原,是重要的農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)之一,主要涉及灞橋區(qū)、白水縣、彬縣和陳倉區(qū)等53個區(qū)縣,總面積達4.648萬km2。該區(qū)主要生態(tài)問題是林草植被退化,礦山分布較多；在土地利用方面,該區(qū)以耕地資源較多,而林草植被比例較低。

(8)分區(qū)8(陜南大巴山地區(qū))：該區(qū)位于陜西省南段的大巴山北坡,是秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分,主要涉及城固縣、漢濱區(qū)、嵐皋縣和南鄭縣等11個區(qū)縣,總面積達1.413萬km2。該區(qū)屬于貧困地區(qū),同時與分區(qū)5(陜南秦嶺山區(qū))在生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及問題方面較類似,但是更易受到極端降水和土壤侵蝕等災(zāi)害影響。

總體來看,由于陜西省生態(tài)環(huán)境的異質(zhì)性,不同分區(qū)內(nèi)的生態(tài)問題及未來生態(tài)修復(fù)方向存在差異。陜西北部由于干旱少雨且植被稀疏,區(qū)域主要存在水土流失、草地退化和荒漠化等生態(tài)問題,因此,增加地表植被覆蓋、控制水土流失是該區(qū)主要修復(fù)方向；在陜南的秦巴山區(qū),極端降水和土壤侵蝕是制約該區(qū)生態(tài)環(huán)境主要因素,因此,保護、修復(fù)和增加山地植被,同時提高預(yù)防自然災(zāi)害水平是該區(qū)生態(tài)修復(fù)的方向；對比來看,關(guān)中平原的生態(tài)環(huán)境則易受到林草植被退化以及礦山開采等人類活動的威脅,因此,增加地表植被覆蓋、加強礦山生態(tài)環(huán)境整治和修復(fù)則是該區(qū)主要的修復(fù)方向。

圖11 陜西省流域生態(tài)修復(fù)指數(shù)及生態(tài)修復(fù)分區(qū)Fig.11 Spatial distribution of ERI and ecological restoration zones in Shaanxi Province

圖12 陜西不同生態(tài)修復(fù)分區(qū)的生態(tài)指數(shù)Fig.12 Ecological restoration indexes of different ecological restoration zones in ShaanxiEP,極端降水,extreme precipitation；FS,林地植被NDVI年際變化率,interannual variability of forests NDVI；GDP,地區(qū)生產(chǎn)總值,gross regional product；GS,草地植被NDVI年際變化率,interannual variability of grassland NDVI; MD,礦山分布密度,mine distribution density；Pre,年降水總量,annual precipitation；QC,耕地質(zhì)量等級,quality of cropland；SC,土壤保持量,soil conservation

3 結(jié)論

山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)作為一個生命共同體,彼此相互依存,相互影響。本文以陜西省為例,通過構(gòu)建包含山、水、林、田、草等方面的生態(tài)系統(tǒng)問題綜合診斷指標體系,系統(tǒng)評估了陜西省生態(tài)問題。在此基礎(chǔ)上利用采用線性加權(quán)函數(shù)法和分組方法,以小流域為單元劃分了生態(tài)修復(fù)分區(qū)。研究表明,1970—2015年,陜西省耕地、林地、草地、水域覆蓋面積總量變化不大；建設(shè)用地以居民點和城鎮(zhèn)為中心擴張明顯,總覆蓋面積由1970年的2662 km2增加到2015年的4412 km2；裸地面積持續(xù)減少,其中黃土高原區(qū)的部分裸地轉(zhuǎn)化為草地、耕地和建設(shè)用地。

陜西省植被、降水資源和土壤保持量空間差異較大,主要表現(xiàn)為從南往北呈明顯的逐步減少趨勢,極端降水事件多發(fā)生陜南山區(qū)。2001—2015年,陜西省林草植被NDVI呈顯著增加趨勢,且年際增長率存在隨海拔的升高而下降的特點,而NDVI顯著下降的區(qū)域主要分布在河谷平原以及陜北黃土高原北部地區(qū)。2015年陜西省生態(tài)修復(fù)指數(shù)平均值為0.39,各流域生態(tài)修復(fù)指數(shù)在0.23—0.60之間?？傮w來看,陜西省生態(tài)修復(fù)指數(shù)的空間分異規(guī)律較為明顯,呈現(xiàn)自南向北依次遞減的趨勢。

依據(jù)生態(tài)修復(fù)指數(shù),將陜西省劃分了8個生態(tài)保護修復(fù)分區(qū),包括陜南秦嶺東部地區(qū)(分區(qū)1)、關(guān)中平原中部的城鎮(zhèn)地區(qū)(分區(qū)2)、漢江河谷盆地(分區(qū)3)、陜北黃土高原中南部地區(qū)(分區(qū)4)、陜南秦嶺山區(qū)(分區(qū)5)、陜北黃土高原北部地區(qū)(分區(qū)6)、關(guān)中平原地區(qū)(分區(qū)7)和陜南大巴山地區(qū)(分區(qū)8)。在生態(tài)問題診斷方面,水土流失、植被退化、降水資源不足是陜西北部(分區(qū)4和分區(qū)6)主要生態(tài)問題,而南部秦巴山區(qū)(分區(qū)8、分區(qū)5和分區(qū)1)的生態(tài)環(huán)境易受到極端降水和土壤侵蝕的影響,關(guān)中平原(分區(qū)7)則主要存在林草植被退化、礦產(chǎn)資源開采強度大和水土流失等生態(tài)問題。

致謝：感謝王占韻、李換換、黃強、陳雙龍、劉遠哲和李寒同學在數(shù)據(jù)收集和處理方面給予的幫助。