生態保護紅線劃定及其生態資產變化研究

王 燕,高吉喜,鄒長新,王麗霞,吳 丹,徐德琳,徐夢佳,林乃峰 (環境保護部南京環境科學研究所,江蘇 南京 210042)

生態保護紅線劃定及其生態資產變化研究

王 燕,高吉喜*,鄒長新,王麗霞,吳 丹,徐德琳,徐夢佳,林乃峰 (環境保護部南京環境科學研究所,江蘇 南京 210042)

運用3S技術,基于2000、2010年遙感、氣象數據和統計數據等,通過模型評估及處理,確定了淄博市生態保護紅線范圍,在對土地利用變化分析的基礎上,評估了生態保護紅線生態資產價值及變化狀況.結果表明：淄博市生態保護紅線總面積為 1132.26km2,占全市面積的18.98%,主要分布在中部和南部地區;2000～2010年,生態保護紅線內土地利用/覆蓋類型以林地為主,其面積占生態保護紅線總面積的52.91%(2000年)、54.65%(2010年),林地、濕地、未利用地和建設用地面積均有所增加,農田、草地和水域面積有所減少;10年間,生態保護紅線生態資產價值減少2313.18萬元,減少率為3.60%,表明該區生態保護需要進一步加強,生態服務功能有待于進一步提高.

生態保護紅線；生態資產；生態系統服務價值；土地利用變化

隨著氣候變化和人類社會活動的加劇,資源環境危機已成為全球關注的熱點問題.十八屆三中全會在《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》中將劃定生態保護紅線作為深化改革的重要內容[1].新修訂的《環境保護法》更是明確規定：“在重點生態功能區、生態環境敏感區和脆弱區等區域劃定生態保護紅線,實行嚴格保護.”生態保護紅線劃定已成為當前資源環境保護的迫切要求[2].

生態資產是生態資源的價值形式,是能帶來用貨幣量化的直接或間接或潛在經濟利益的生態經濟資源[3].生態資產價值評估是衡量經濟社會發展過程中生態系統變化狀況的重要指標,是以生物資源為主要對象的區域生態系統質量狀況的評估,是生態保護和生態系統管理的重要內容.目前,國內外研究者在生態資產評估方面進行了積極的嘗試.國際上,相關學者對生態系統服務功能及價值進行了研究,計算得出了全球生物圈的生態系統服務價值為 16×1012～54×1012美元/a,在國際上影響深遠[4-5].更有部分學者對生態資產及其價值評估的理論和方法等進行了研究[6].國內對生產資產的評估研究得出我國陸地生態系統服務價值為 3.049×1013～5.61×1013元/a[7-9].此外,對生態資產價值動態研究結果表明,20世紀90年代以來,中國陸地生態系統的生態資產呈上升趨勢,總體變化率在20%左右[7].當前,關于生態資產價值估算多是通過單位價值系數及其面積計算獲得.該方法可操作性強,便于快速獲取結果,應用比較普遍.但是,很多研究在使用該方法時,直接引用原參數,未結合研究區域生態系統類型、質量狀況的空間/時間差異進行參數修正,評估結果難以反映生態資產空間分布的實際狀況,從而對評估結果造成影響[7].

生態保護紅線生態資產價值評估為了解生態保護紅線生態系統質量及變化狀況提供了可能,并為生態保護紅線的管理和生態補償提供了參考.本文以山東省淄博市為例,基于3S技術,運用相關模型,評價識別了淄博市生態保護紅線范圍,分析了生態保護紅線土地利用變化狀況,充分考慮區域生態系統類型、質量狀況的空間/時間差異,結合相關生態因子修正參數和模型,評估了生態保護紅線生態資產價值及變化狀況,以期為區域生態資源保護和可持續利用提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省中部淄博市,分布范圍在35°55′20″～37°17′14″N、117°32′15″～118°31′00″E之間(圖 1).淄博市地處暖溫帶,屬半濕潤半干旱的大陸性氣候,年平均氣溫 12.5～14.2℃,年平均日照時數為2209.3～2523.0h,年平均無霜期190～210d.地勢南高北低,南部及東西兩翼山巒起伏,中部低陷向北傾伏,南北高差千余米.屬魯中南中低山丘陵極強度侵蝕區,生態系統穩定性差,是山東省水土流失較嚴重的地區之一.

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

淄博市地貌形態齊全,相對高差1000m以上,氣溫變化大,水熱條件優越,為多種生物的生長繁育提供了有利條件.生物資源非常豐富,據不完全統計,全市共有生物615科3753種,其中,微生物151科618種,植物156科1645種,動物308科1490種.極具價值的物種種類有食用菌30多種,農作物218種,木本植物421種,藥材生物778種,飼草植物415種,野生動物240多種.其中,鳥類資源種類繁多,主要經濟鳥類有17目34科70多種,國家級保護種類有 21種.依托豐富的自然資源,已建立了多個自然保護區、風景名勝區、森林公園等.

1.2 數據來源及處理

土地利用數據為中國科學院遙感研究所提供的分辨率 30m×30m目視解譯數據,其中,2000年土地利用數據來源于Landsat TM影像,2010年數據來源于環境遙感衛星影像.逐時氣象數據由當地氣象部門提供,通過Matlab處理得到所需氣象參數.各級各類禁止保護區數據由當地主管部門提供.統計數據來源于2000～2010年《山東統計年鑒》.遙感數據來源于美國國家航空航天局(NASA)EOS/MODIS數據產品的 MODIS13Q1數據(http：//e4ft101.cr.usgs.gov),空間分辨率為250m×250m,時間分辨率為 16d.相關數據處理在ArcGIS 10.0和ENVI 4.8環境中完成.所用數據均轉換成統一的雙標準緯線等面積圓錐(Albers)投影,采用的橢球體為Krasovsky橢球體.

1.3 研究方法

1.3.1 生態保護紅線劃定 生態保護紅線是指在重點生態功能區、生態環境敏感區和脆弱區等區域劃定的嚴格管控邊界,是國家和區域生態安全的底線,主要包括重點生態功能區、生態敏感/脆弱區及各級各類禁止開發區[10],劃定過程及方法如下：

(1)重點生態功能區 重點生態功能區的確定是對生態系統服務功能進行重要性評價,將其中生態服務功能最重要等級的區域劃分為生態保護紅線,具體包括水源涵養區、土壤保持區、防風固沙區、生物多樣性維護區等類型,計算過程如下[9].

生態系統凈初級生產力(NPP).研究區生態系統凈初級生產力(NPP)可利用 MODIS NDVI系列產品數據通過CASA模型來計算得到,主要模型為：

式中：NPP表示凈初級生產力;APAR表示光合有效輻射;ε表示植物光能利用率;t表示時間.水源涵養功能重要性評價.評價模型為：

式中： Sw為生態系統水源涵養服務能力指數; NPPmean為評價區域多年生態系統凈初級生產力平均值;Fslo為根據最大最小值法歸一化到0～1之間的評價區域坡度柵格圖;Fsic為土壤滲流能力因子(根據土壤質地類型由粘土到砂土分別在0～1之間均等賦值得到,砂土為1;Fpre由多年平均年降水量數據插值并歸一化到0～1之間獲得.土壤保持功能重要性評價.評價模型為：

式中：Spro為土壤保持服務能力指數;K為土壤可蝕性因子,其余同上.

防風固沙功能重要性評價.評價模型為：

式中：Sws為防風固沙服務能力指數;Fq為多年平均氣候侵蝕力;D為地表粗糙度因子;其余同上,其中,K、Fq、D參量均標準化到0～1之間后再代入計算.

生物多樣性保護功能重要性評價.評價模型為：

式中：Sbio為生物多樣性保護服務能力指數;Ftem為氣溫參數,由多年平均年降水量數據插值結果歸一化到 0～1之間獲得;Falt為海拔參數,由評價區海拔進行歸一化獲得,其余同上.

生態系統服務重要性分級.利用 ArcGIS10.0軟件,將各生態系統服務值采用分位數功能進行4級分類操作.按生態系統服務值大小由低到高依次劃分為 4個重要性級別,即一般重要、中等重要、重要、極重要.

(2) 生態脆弱/敏感區 生態脆弱區/敏感區的確定是對生態系統脆弱性/敏感性的評價結果進行分級,將其中最高等級的脆弱區/敏感區劃定為生態紅線區.淄博市生態脆弱區/敏感區主要是水土流失敏感區,評價模型為[10]：

式中：SSi為 i空間單元水土流失敏感性指數;Ri為降雨侵蝕力,可根據已有資料采用內插法獲取;Ki為土壤質地因子,通過雷諾圖獲得;LSi為坡長坡度因子,通過地形的起伏大小與土壤侵蝕敏感性的關系來獲取;Ci為植被覆蓋因子,通過植被分布圖獲取.不同評價因子對應的敏感性等級值見表1.

表1 水土流失敏感性的評價指標及分級賦值[10]Table 1 Soil erosion sensitivity evaluation index and classification

在ArcGIS10.0軟件中,采用自然分界法和定性分析相結合,將生態敏感性評價結果分為5級,即不敏感(1.0～2.0)、輕度敏感(2.1～4.0)、中度敏感(4.1～6.0)、高度敏感(6.1～8.0)和極敏感(＞8.0).

(3) 禁止開發區 禁止開發區指依法設立的各類(級)自然文化資源保護區域,以及其他禁止進行工業化城鎮化開發、需要特殊保護的重點生態功能區.淄博市禁止開發區類型包括自然保護區、風景名勝區、濕地公園、地質公園、森林公園、地質地貌保護區及重要水源保護地等.各類(級)禁止開發區數據由當地相關部門提供后通過遙感校對獲得.

1.3.2 土地利用 土地利用/覆蓋變化的指標即土地利用變化數量指數,主要包括變化幅度和變化速率.計算模型如下：

土地利用變化幅度：

土地利用變化速率：

式中：Ua、Ub分別為研究初期及末期的某一類型土地面積(km2);T為研究時段.

1.3.3 生態資產價值評估 生態資產價值評估可體現在其現存量與流量(年價值)方面,本研究側重的是生態資產年價值量的變化狀況,具體包括有形的自然資源直接價值和隱形的生態系統服務價值[7].自然資源直接價值可通過有機質生產價值獲得.

(1)直接產品價值 有機質生產是自然生態系統最基本最重要的生態功能,是人類社會一切生產和生活的基礎.綠色植物固定太陽能所生產的有機質數量一般通過凈初級生產力來反映,其價值評價通常采用能量替代法來計算,即將生態系統固定的有機質價值轉化為能量相當的標煤價值間接進行計算,即

式中：Vg為有機質年生產價值,元/a;NPP為植被年初級生產力,gC/m2·a;W碳為碳熱值,MJ/g;W標煤為標煤熱值,MJ/g;V標煤為標煤價格,元/g;S為研究區面積,m2.依據碳熱值為 0.036MJ/g,標煤熱值為0.02927MJ/g,標煤價格取1000元/t.

(2)生態系統服務價值 生態系統服務價值以單位面積價值當量為基礎,通過對影響生態系統服務狀況的生態參數進行調整來修正參數.生態服務功能的大小與生態系統質量狀況密切相關,一般而言,二者之間存在正相關關系.在此主要對表征生態系統質量狀況的生物量因子和植被覆蓋度因子進行了修正,計算模型如下：

式中：VCp為研究區第i年生態服務價值單價,元/ (km2·a);ni為第i年研究區生物量,gC/m2;Ni為第i年我國的平均生物量,gC/m2;fi為第i年研究區植被覆蓋度年均值;Fi為第 i年我國的植被覆蓋度年均值;V0為中國生態系統服務單位面積價值當量[11];VC0為研究區農田的生產服務經濟價值,元/(km2·a);qi為淄博市平均糧食價格,元/kg;pi為淄博市糧食年平均產量,kg/km2;i為研究時段的各個年份.其中,植被覆蓋度計算模型為：

式中：NDVI為像元的歸一化植被指數;NDVImin、NDVImax分別表示不同生態系統NDVI最大值和最小值.

生態服務價值計算過程為：

式中：ESVk、ESVf和ESV分別k類生態系統、f項生態服務功能以及總生態系統的生態服務價值,元/a;VCikf為i年k類土地的f項生態服務價值系數,元/km2·a;Ak為k類土地面積,km2.

2 結果與分析

2.1 生態保護紅線劃定

在ArcGIS環境下,對全市水源涵養、水土保持、防風固沙、生物多樣性保護各項功能重要性進行評估結果疊加,得到生態系統服務功能重要性評估結果,即生態系統服務功能極重要區面積2566.46km2,占全市面積的 43.03%;重要區面積2209.56km2,占全市面積的 37.04%;中等重要區面積 1188.54km2,占全市面積的 19.93%;一般重要區面積0.45km2,占全市面積的0.01%.

通過對全市水土流失敏感性進行評價,得到水土流失極敏感區面積 1130.70km2,占全市面積的 18.96%;高度敏感區面積 1619.58km2,占全市面積的27.15%;中度敏感區面積920.42km2,占全市面積的 15.43%;輕度敏感區面積 1187.04km2,占全市面積的19.90%;不敏感區面積1107.27km2,占全市面積的18.56%.

目前,全市可獲取資料的禁止開發區共有63個,經統計,禁止開發區總面積為 926.26km2,占全市面積的15.53%.

將全市生態系統服務功能極重要區和生態流失極敏感區范圍進行疊加,得到全市的生態極重要極敏感區,在此基礎上,對照高精度遙感影像,剔除其中分布的大片農田、建設用地等非生態用地,然后與全市禁止開發區數據進行疊加,最終得到全市生態保護紅線范圍.經計算,全市生態保護紅線總面積為1132.26km2,占全市面積的18.98%,主要分布在中部和南部地區,如圖2所示.

圖2 淄博市生態保護紅線Fig.2 Ecological protection redlines in Zibo

2.2 生態保護紅線土地利用變化

2000～2010年,淄博市生態保護紅線內土地利用/覆蓋變化如表2所示.從中可以看到,生態保護紅線內土地利用/覆蓋類型以林地為主,其面積占生態保護紅線總面積的 52.95%(2000年)、54.65%(2010年),其次為農田和草地.2000～2010年期間,林地、濕地、裸地和建設用地面積均有所增加,其中,建設用地面積增加最為顯著,增加幅度為29.74%,濕地、林地和裸地面積增加幅度分別為10.35%、3.28%和3.32%;農田、草地和水域面積有所減少,其中,農田面積減少最為顯著,減少幅度為 14.21%,其次為草地和水域,減少幅度分別為6.54%和5.43%.

表2 2000～2010年淄博市生態保護紅線土地利用變化Table 2 Land use change in ecological protection redlines in Zibo in 2000～2010

2.3 生態保護紅線生態資產變化

經過計算和處理,2000和2010年全市生態保護紅線范圍內有機質生產價值分別為3890.45和3560.64萬元,10年期間減少了329.81萬元,減少率為8.48%.

表3 不同土地利用類型生態系統服務價值變化Table 3 Variation of ecosystem services value of different land use types

通過公式(12)～(17),計算得到全市生態保護紅線生態系統服務價值如表3和圖3所示.從表3可以看到,2000、2010年,生態保護紅線生態系統服務總價值分別為60285.68萬元和58302.31萬元,10年間,總價值減少 1983.37萬元,減少率為3.29%.各項生態系統中,林地、草地和濕地是生態系統服務的主體,其價值量占總價值量的94.64%(2000年)、95.28%(2010年).2000～2010年,除濕地生態系統服務價值有所增加外,其余各項生態系統服務價值均有所降低,其中,以草地生態系統服務價值減少最為顯著.

從圖 3可以看到,生態保護紅線各項生態系統服務價值中,以氣候調節價值和水文調節價值最為顯著,分別占總價值量的 27.2%和 24.0%,其次為土壤保持價值,占總價值的 12.5%,維持養分循環價值比例最小,僅占總價值的 1%左右. 2000～2010年,各項生態系統服務價值均有所降低,其中,以維持養分循環價值減少最為顯著,減少率為 5.31%,其次為土壤保持價值,減少率4.64%,美學景觀價值減少率最小,為2.53%.

生態保護紅線生態資產價值可通過有機質生產價值和生態系統服務價值相加得到,通過計算,2000、2010年全市生態保護紅線生態資產價值分別為64176.13萬元和61862.95萬元,10年間,生態資產價值減少 2313.18萬元,減少率為3.60%.

圖3 生態保護紅線各項生態系統服務價值Fig.3 Each ecosystem services value in ecological protection redlines

3 討論

當前,劃定生態保護紅線已成為我國資源環境保護的重要戰略[12].生態保護紅線劃定的對象范圍較大,模型運算中需要參數較多,很多參數難以精確獲取,難免對評估結果的準確度造成影響,因而,模型評估只是基礎,必須在評估結果的基礎上結合當地土地利用現狀、人為活動等進行修正,以增強生態保護紅線劃定的準確度,并為生態保護紅線的最終落地奠定基礎.

生態資產與生態系統狀況密切相關,生態資產的變化受生態系統生產能力的制約.基于單位面積價值當量因子的生態系統服務價值評估方法在區域生態系統服務價值及其變化研究中應用廣泛[13-14].以往研究中,對生態系統服務價值的評估多是一種靜態評估,對生態系統類型和質量等因素的時空差異考慮不足,不僅對其評估結果的準確度造成影響,而且難以反映生態系統服務功能的變化動態[15-16].本研究基于最新修正的價值當量因子表,充分考慮了生態系統類型及質量狀況,對植被生產力因子和植被覆蓋度因子進行了參數修正,提高了評估結果的準確度.

目前,我國已有的陸地生態資產單位面積價值研究結果的范圍為 8.49～67.13 萬元/ km2[7-9,17-18].本研究通過評估得到的生態保護紅線單位面積生態資產價值為 56.68萬元/km2(2000年)、54.64萬元/km2(2010年),單位面積價值量相對較高.這是由于與一般地區相比,生態保護紅線為生態系統服務功能極重要區、自然保護區、森林公園等生態系統相對較好、生態功能相對較高區域的集中分布區,因而具有較高的單位面積生態資產價值.

10年間,受氣候變化及人類活動等因素的影響[19-20],研究區生態資產價值出現下降趨勢.分析原因,一是土地利用變化,主要是建設用地面積增加明顯,十年間建設用地面積增加 29.74%,特別是交通用地面積增加顯著,增長率達 109%,這與研究區內自然保護區、濕地公園等的旅游開發、道路建設等有密切關系,建設用地面積的增加直接導致了生態資產價值量的減少;二是植被凈初級生產力(NPP)變化,研究時段內研究區年日照時數均低于常年平均值[20],研究區植被年生產力出現下降趨勢,從而導致了研究區生態資產價值的減少.

本研究方法主要基于生態系統類型,就生態保護紅線而言,其中分布的風景名勝區、濕地公園、森林公園等的美學景觀價值顯然高于一般生態系統,另外,自然保護區的生物多樣性保護價值的優勢也未充分體現.如何提高生態保護紅線生態系統服務價值評估的準確度,合理校正相關因子參數,將是下一步研究的重要內容.

4 結論

4.1 通過對全市水源涵養、水土保持、防風固沙、生物多樣性保護各項功能重要性評估結果和水土流失敏感性評估結果以及63個禁止開發區進行疊加,得到全市生態保護紅線總面積為1132.26km2,占全市面積的18.98%,主要分布在中部和南部地區.

4.2 2000～2010年,生態保護紅線內土地利用/覆蓋類型以林地為主,其面積占生態保護紅線總面積的52.92%(2000年)、54.65%(2010年),其次為農田和草地,濕地、林地、裸地和建設用地面積均有所增加,農田、草地和水域面積有所減少,其中,建設用地面積增加速率和農田面積減少速率最為顯著.

4.3 2000年和2010年,淄博市生態保護紅線生態資產價值分別為64176.13萬元和61862.95萬元,10年間,生態資產價值減少2313.18萬元,減少率為3.60%,其中,有機質生產價值減少329.81萬元,減少率為 8.48%,生態系統服務價值減少1983.37萬元,減少率為 3.29%,說明生態保護紅線生態資源保護需要進一步增強,以維持生態系統健康,提升生態系統服務功能.

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致謝：本研究中禁止開發區及部分參數數據資料由山東省環境規劃研究院和淄博市環境保護科學研究設計院等協助完成,在此一并表示感謝.

Study on the ecological protection redlines delimitation and ecological assets dynamics.

WANG Yan, GAO Ji-xi*, ZOUChang-xin, WANG Li-xia, WU Dan, XU De-lin, XU Meng-jia, LIN Nai-feng (Nanjing Institute of Environmental Science of the Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2369～2376

Ecological protection redlines were identified using the remote sensing data of 2000 and 2010 as well as the other related data such as the meteorological data and statistical data in Zibo, Shandong, China. Ecological asset value and its variation with land use change were estimated in ecological protection areas. Results showed that ecological protection area in Zibo was 1132.26km2, accounting for 18.98% of the total area of Zibo. The protection areas were mainly in central and southern regions. The main land use type was forests with the area of 52.91% and 54.65% of total protection area in 2000 and 2010, respectively. From 2000 to 2010, the areas of woodland, wetland, unused land, and construction land within the ecological protection redlines increased, while the areas of farmland, grassland, and water body decreased. In the decade, ecological assets of the ecological protection areas decreased by 23.13 million Yuan with a rate of 3.60%, suggesting that it was needed to improve ecosystem services through enhancing ecological protection.

ecological protection redlines；ecological assets；ecosystem services value；land use change

X37

A

1000-6923(2017)06-2369-08

王 燕(1982-),女,山東濱州人,助理研究員,博士,主要從事環境生態方面研究.發表論文20余篇.

2016-10-28

國家環境保護公益性行業科研專項(201409055);中央級公益性科研院所基本科研業務專項(GYZX170305,GYZX170102, 20160403,20160103,20160307);環保公益性行業專項(201209022)

* 責任作者, 研究員, gjx@nies.org