基于RS和GIS的山區重要生態服務功能區劃定方法

李堯， 葉成名， 謝強， 梁莉

(1.中國科學院成都山地災害與環境研究所山地災害與地表過程重點實驗室,成都 610041；2.成都理工大學地球探測與信息技術教育部重點實驗室，成都 610059；3.四川省環境科學保護研究院，成都 610041)

0 引言

自黨的十八大提出“生態文明建設”以來，中央及地方政府高度重視生態環境的保護，逐步開展了生態紅線劃定的試點工作。生態服務功能評估是生態紅線劃定的前提與基礎，多年來一直是生態學研究領域的熱點。1970年，關鍵環境問題研究(study of critical environmental problems，SCEP)報告中首次提出了“服務功能”的概念[1]；后來Costanza等[2]對生態服務功能的概念和分類做了詳細的介紹，主要分為供給服務、調節服務、文化服務以及維持其他類型服務所必須的支持服務4種類型。我國學者也對生態服務功能定義展開了大量研究，歐陽志云等[3]將生態服務功能定義為“生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用”；董全[4]定義生態服務功能為“自然過程所產生和維持的有關環境資源的各種條件和服務”。

近年來，在明確了生態服務功能定義的基礎上，涌現了大量生態服務功能評估模型。基于遙感(remote sensing，RS)與地理信息系統(geographic information system，GIS)的評估模型發展最為迅速，RS為生態服務功能評估模型提供了水平、垂直、多光譜、多時段、多尺度的景觀信息，減少了大量的野外調查工作[5]，在生物多樣性評估與監測中應用廣泛[6-8]；GIS擁有強大的空間分析能力，為生態服務功能可視化和空間相關分析提供有效的解決手段，大量的學者將其應用于水土保持、水源涵養和碳存儲功能等定量評估領域[9-12]。在評估模型研究日漸成熟的基礎上，重要生態服務功能區劃定成為了研究熱點。香寶等[13]運用RS和GIS技術，采用專家打分的綜合指標法對成渝區生態服務功能重要性進行分級評價，劃定了重要生態服務功能區；李月臣等[14]在單一服務功能評估結果基礎上構建生態服務功能重要性指數，采用自然間斷分割法確定了重要生態服務功能區。以往研究中大多只考慮生態服務功能的重要性，或者注重某斑塊功能的高低，較少考慮保護的高效性和斑塊在區域內的地位。國家原環境保護部2017年頒發的《生態保護紅線劃定技術指南》中將包含單項生態服務功能評估結果總量50%的區域劃定為該項服務功能極重要區，合并疊加各項生態服務功能極重要區組成生態服務功能重要區[15]。鑒于此，本研究以四川省萬源市為例，結合山區特殊性，借助RS和GIS技術，對主要生態服務功能，即生物多樣性保護功能、水土保持功能和水源涵養功能等進行快速評估，在評估結果基礎上計算生態保護效益系數，劃定該研究區重要生態服務功能區，為生態保護方案的制定提供科學依據。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

本文研究區萬源市為四川省轄縣級市，位于川東北大巴山腹心區，位置界于N30°39′～32°20′，E107°28′～108°31′之間，下轄12個鎮和40個鄉，面積約為4 065 km2。研究區地處中國南北氣候的分界線和嘉陵江、漢江分水嶺地帶，且位于川、陜、渝三省(市)的結合部，是進出四川的重要門戶，也是連接川陜渝經濟、文化、交通的重地，享有“萬寶之源”的美譽(圖1)。區內地形起伏大，溝壑縱橫，潛在水土流失量大，多年平均降雨量為1 169 mm，降雨集中于每年7—8月份。區內物種豐富，擁有巖羊、珙桐和紅豆杉等國家一、二級重點保護動植物；同時擁有豐富的煤礦、石灰石和硒等重要資源。然而，隨著國民經濟的快速發展，動植物多樣性保護與資源開采面臨著不可避免的矛盾，因此有必要對轄區進行生態服務功能評估，以輔助資源的合理開發決策。

圖1 研究區范圍

1.2 數據源

采用的遙感數據為美國地質調查局(United States Geological Survey，USGS)的Landsat8衛星數據，接收時間為2016年6月17日，云量低，質量較好。對影像做了幾何糾正與基礎處理后，根據歐陽志云等[16]提出的生態系統3級分類體系與研究區實況，實地調查采集區內不同生態系統的樣本數據，通過監督分類得到了地表覆蓋類型(圖2(a))。

(a) 萬源市 (b) 規劃調整前局部地區 (c) 規劃調整后局部地區

為提高數據的準確性，利用已有的規劃數據對解譯結果進行了檢查與調整，圖2(b)—(c)示出部分區域規劃調整前后的差異。降雨數據采用四川省127個氣象站點的降雨量監測數據，其時間跨度為2010—2015年(分5期)，含月降雨量。通過克呂金空間插值，得到全省降雨分布數據，然后計算降雨侵蝕力。數字高程模型(digital elevation model，DEM)來源于中國地理空間數據云，采樣間隔為30 m。土壤數據來源于四川省土壤屬性數據庫，數據包含土壤中各種物質的含量，通過GIS技術轉換成了柵格數據格式。

2 生態服務功能區劃定方法

2.1 技術路線

中國疆域廣闊，自然地理環境復雜，各種典型地貌的重要生態服務功能區劃定技術方法仍處于探索研究階段，暫無統一的技術參考。本研究針對四川省東北部山區的獨特地理環境，結合RS和GIS技術優勢，基于景觀尺度對重要生態服務功能區進行識別研究。劃定方法遵循管理的合理性與管理資源最優化分配原則，在功能區劃定過程中既保證斑塊的高聚集性，又保證在管理成本最小的情況下能達到最優生態效益，以便主管部門進行片區化管理監督與任務下達。總體方法流程如圖3。

圖3 重要生態服務功能區評估方法流程

2.2 生態服務功能評估模型

2.2.1 生物多樣性保護功能評估方法

傅伯杰等[17]在郭中偉等[5]研究的基礎上進行了大量研究，構建了適用于中國的生物多樣性與生態系統服務評估指標體系。該體系以壓力、狀態和響應3個指標表征生態系統的生物多樣性，因此研究通過棲息地及其脅迫源之間的相互作用來模擬棲息地生存環境質量，用該質量作為生物多樣性定量評估指標。研究采用生態系統服務功能綜合估價和權衡得失評估模型(integrated valuation of environmental services and tradeoffs，InVEST)中的生物多樣性評估模塊進行生物多樣性保護功能的評估，該模型在國內外生態系統服務功能評估中得到了普遍應用，是主流生態評估模型，計算公式為[18]

(1)

式中：Qxj為生態系統類型j中像元x的生物多樣性保護功能；Hj為生態系統類型j的生境適宜性；Z為尺度參數，為常量；k為半飽和常數，若滿足

(2)

則k值等于Dxj值；Dxj為生態系統類型j中x的生境脅迫水平。Dxj計算公式為

(3)

式中：ry為像元y的脅迫因子；R為脅迫因子種類數量；Yr為總像元數；wr為脅迫因子的權重，表明某一脅迫因子(如工礦交通)對所有其他生態系統的相對破壞力；βx為像元x的可達性水平，1表示極容易達到；Sjr為生態系統類型j對脅迫因子r的敏感性，越接近1表示越敏感；irxy為ry對像元x中生境的脅迫作用。irxy計算公式有線性和指數2種，分別為

(4)

(5)

式中：dxy為x與y之間的直線距離；drmax為脅迫因子r的最大影響距離。當脅迫因子對其他生態系統的脅迫作用受到障礙物(如山體、人工隔離帶)影響較大時，常采用指數公式計算脅迫作用。

參照文獻[19-20]，本文將萬源市脅迫因子r屬性設置如表1所示，各生態系統類型j對脅迫因子的敏感性Sjr設置如表2所示。

表1 生態脅迫因子

表2 不同生態系統對脅迫因子的敏感性

2.2.2 水土保持功能評估方法

水土保持功能評估模型采用改進的通用水土流失方程進行評價，計算公式為[21]

SC=SEp-SEa

(6)

SEp=R·K·LS

(7)

SEa=R·K·LS·C·P

(8)

式中：SEp為潛在土壤侵蝕模數，t/(hm2a)；SEa為實際土壤侵蝕模數，t/(hm2a)；SC為每年單位面積土壤保持量，t/(hm2a)；LS為地形因子即坡長坡度因子；P為水土保持措施因子,取值范圍為[0,1]，參考已有的相關研究結果[22]來確定研究區內不同土地利用類型的P值，即園地為0.1、耕地為0.01、林地為0.2、灌木叢為0.4、居住地為1、工礦交通為1、裸地為1、水域為0；R為降雨侵蝕力，MJmm/(hm2ha)；C為植被覆蓋因子；K為土壤可蝕性因子，thm2h/(hm2MJmm)。

降雨侵蝕力R計算公式為[23]

(9)

式中：i為月份；Mi為月降水量；M為年降水量。當滿足暴雨頻發、降雨強度大的條件時，研究區的降雨侵蝕力較大，是誘發泥石流等自然災害的主要因素。

C和K的計算公式分別為[24-25]

C=[(1-NDVI)/2]1+NDVI

(10)

式中NDVI為歸一化植被指數；

K=(-0.013 83+0.515 75K0)×0.131 7，

(11)

(12)

式中：K0為修正前土壤可蝕性因子；ms為土壤砂粒百分含量；msilt為土壤粉粒百分含量；mc為土壤粘粒百分含量；orgC為有機碳百分含量。

坡長L與坡度α是水土流失的主控因子之一，地表起伏度變化越大的區域值越大。小尺度研究中可以通過實地測量獲得，但萬源市屬于山區，地形復雜，是典型的大尺度復雜研究區域，因此根據數字高程確定坡長坡度因子LS的計算方法為[26]

(13)

(14)

2.2.3 水源涵養功能評估方法

水源涵養功能評估采用降水貯存量法，即用生態系統的蓄水效應來衡量其涵養水分的功能[28]，具體為

Q=A·J·Y

(15)

J=J0·X

(16)

Y=Y0-Yg

(17)

式中：Q為與裸地相比，林地和耕地等生態系統涵養水分的單位面積增加量，mm/hm2；A為生態系統面積,hm2；J為研究區年均產流降雨量,mm；J0為研究區年均降雨總量，mm；X為研究區產流降雨量占降雨總量的比例，結合研究區的實際情況，參照文獻[28]，將X取值為0.6；Y為與裸地比較，生態系統減少徑流的效益系數[28-29](表3)；Y0為產流降雨條件下裸地降雨徑流率；Yg為產流降雨條件下生態系統降雨徑流率。

表3 生態系統減少徑流的效益系數

2.3 生態保護效益系數

重要生態服務功能區的劃定需考慮生態管理部門的工作高效性與管理工作效益最大化原則，本文提出了生態保護效益系數計算方法，根據評估結果設定合理的分割閾值，然后確定相應生態服務功能重要區的備選區域，最后將3個服務功能備選區域合并，對合并結果做小斑塊的去除優化處理得到最終重要生態服務功能區。其中分割閾值通過分析生態保護效益系數曲線得到，曲線到達增長拐點時確定最佳分割閾值，生態保護效益系數計算公式為

(18)

式中：EPi為生態保護效益系數；T為研究區總面積；Pi表示第i個重要生態服務功能區面積；G為研究區生態服務評估結果總量；Ia為重要區生態服務功能評估結果總量。

3 評估結果分析

3.1 生態服務功能評估結果

根據參數屬性表與遙感解譯的地表覆蓋數據，得到需要的模型因子柵格數據，再將因子數據帶入模型得到最終的服務功能評估(圖4和表4)。表4中水土保持和水源涵養量為各生態系統年總面積的量。

(a) 生物多樣性保護 (b) 水土保持 (c) 水源涵養

表4 水土保持、水源涵養功能統計

生物多樣性指數評估結果表明，在人跡罕見的地方生物多樣性保護功能較高，在城鎮區域生物物種結構單一，生物多樣性保護功能較低。從3種功能綜合分析可以看出，萬源市生態服務功能較好，符合其實際情況。水源涵養功能最高值和最低值分別為342.77 mm/(hm2a)和83.22 mm/(hm2a)，較低值主要分布在居住地和工礦交通等人工地表區域。水土保持能力方面，萬源市土壤保持量普遍偏低，最高為98.23 t/(hm2a)，主要分布在植被覆蓋度較高的林地區域，最低為0 t/(hm2a)，主要分布在低海拔、地勢較平且不發生潛在水土流失的區域和水域。其中萬源市西北部的高山區域潛在水土流失量較大，但由于近年來實施的環保政策提高了該區域植被覆蓋度，改善了水土保持功能。通過野外實地調查，并用2011年全國第一次水利普查結果驗證，評估結果符合實際情況。

評估結果歸一化后設定不同的分割閾值從而計算生態保護效益系數，計算結果如圖5所示。從圖中可知，當生物多樣性分割閾值為0.9時，生態保護效益系數最大，此時生物多樣性保持功能重要區面積為1 509.76 km2；水土保持分割閾值為0.4，效益系數增速變緩，得到最大生態保護效益系數，由此水土保持功能重要區面積為1 236.20 km2；水源涵養分割閾值為0.9，得到最大生態保護效益系數，水源涵養功能重要區面積為1 669.81 km2。

圖5 生態保護效益系數

3.2 重要生態服務功能區空間分布特征

根據生態服務功能評估結果，計算分割閾值得到3種服務功能備選區，合并、優化后得到萬源市重要生態服務功能區。將該重要區域與已有自然保護區與森林公園疊加分析,結果表明，花萼山、蜂桶山自然保護區和森林公園被納入重要區的面積比例分別為88.28%，85.84%和97.61%，與重要生態服務功能區重合度較高(圖6)。經過統計得知，重要生態服務功能區總面積為2 651.99 km2，占研究區面積65.4%；主要分布在海拔800 m以上的區域。該海拔以上的區域植被覆蓋度高，人口密度相對較小，許多區域很少有人類活動，未造成原始地表覆蓋的破壞，適宜野生動植物的生存；其次林地、灌木叢等植被根系對水土保持、水源涵養具有較強的保持功能，降低了河流下游發生滑坡、泥石流等地質災害的風險。

圖6 重要生態服務功能區分布

將萬源市按平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險坡6種坡地類型統計(表5)。

表5 重要區不同坡地類型面積統計

其中重要生態服務功能區主要分布在[15°，35°)的斜坡和陡坡區域。該區域地表坡度較大，且地質結構不穩定，沿坡面向下的剪切力較大，在風侵蝕力等外力與暴雨沖刷的作用下極易發生滑坡、泥石流等地質災害導致水土大量流失。

4 結論

1)RS和GIS技術憑借其快速宏觀的優勢，可使重要生態服務功能區劃定工作量大幅度削減。結合地面驗證和以往的研究成果，本文方法應用結果符合研究區內的實際情況，證明該方法可行。

2)通過控制因子參數和GIS緩沖區空間分析方法，可以遵循擾動區對環境破壞隨距離增加而衰減的自然規律，從而得到區域內連續的生態服務功能評估值，本文提取的研究區四川省萬源市高植被覆蓋區域能提供80%以上生態服務功能，對維持生態平衡至關重要。

3)采用生態保護效益系數來控制重要生態服務功能區劃定，可以提高生態環境保護過程中人力、財力資源配置的高效性與合理性，有效保障生態環境保護投入產出比。

本研究的重要生態服務功能區劃定，基礎是遙感技術對生態系統的解譯與評估模型因子的參數設定。因此，如何提高因子的合理性與科學性至關重要。今后，需要結合實地生境情況和評估結果對比分析，更合理地調整遙感解譯尺度和模型參數，以進一步提高重要生態服務功能區劃定的精度。

志謝：本文研究過程中參考了國家生態紅線劃定技術指南，評委專家及編輯老師提供了寶貴的修改意見, 在此表示衷心的感謝!