西南地區生態重要性格局研究

林子雁,肖 燚,*,史雪威,饒恩明,張 平,,王莉雁

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學 資源與環境學院, 北京 100049 3 四川師范大學 地理與資源科學學院, 成都 610101 4 西安工程大學 環境與化學工程學院, 西安 710048

伴隨著工業化和城鎮化的快速發展,人類對自然資源的不合理利用和開發導致了區域關鍵生態過程紊亂和生態完整性破壞,區域和全球性的生態危機日益顯現,自然生態系統服務功能正在迅速衰退[1]。因此,協調人與自然的關系、加強生態保護十分重要和迫切。而生態保護重要性是表征區域生態系統結構和功能重要性程度的綜合指標,通過生態重要性評估研究能夠明確生態保護重要性格局,從而推進生態保護建設、自然資源有序開發和產業合理布局,促使經濟與生態保護的協調、健康發展。目前,國內單獨研究生態保護重要性的文獻較少,大多局限于生態敏感性或生態服務功能重要性一部分的評價而少有再進一步綜合研究；國外則多采用保護地體系,雖可借鑒但仍與國內研究存在差異[2-4]。隨著《全國主體功能區規劃》[5]和《生態保護紅線劃定指南》[6]的相繼頒布,越來越多的科研人員和政府機構以生態保護重要性評價為基礎開展相關研究與實踐[7-10],但由于評價指標體系不夠完善,研究區也通常為某一省市或流域等局部地區,故出現了一些區劃在空間設計上交叉重疊、布局不夠合理和生態保護效率低等問題,而在大尺度區域上又仍缺乏生態保護重要性的有效考量[11]。因此,生態保護重要性評估的深入探討具有特殊意義。

西南研究區位于我國西南腹地,是我國重要的對外發展門戶,也是“一帶一路”戰略中具有重要和獨特區位優勢的地區。近年來,西南地區經濟發展迅速、對外開放加快,四川、重慶和貴州的經濟增速已遠遠超過全國平均水平。但同時,西南地區面臨著植被破壞、泥石流等地質災害、土地退化、石漠化、耕地污染等等生態問題,如任其惡化勢必威脅到該地區乃至國家的發展與穩定。因此,對西南地區進行生態保護重要性評估研究意義重大。

本文在地理信息系統(GIS, Geographic Information System)技術支撐下,綜合西南地區水土流失、石漠化和地質災害等典型生態問題進行生態敏感性評價,并綜合土壤保持、水源涵養、洪水調蓄和生物多樣性等典型生態系統服務功能類型進行生態系統服務功能重要性評價,綜合此二者評估西南各地區生態保護重要性等級并揭示其空間格局,為西南地區開展有針對性的生態保護、實現可持續發展提供理論基礎。

1 研究區概況

西南研究區位于我國西南腹地,21.2°—36.4°N,83.9°—112.1°E,包括青藏高原東南部、四川盆地和云貴高原大部。行政區劃包括四川、云南、貴州、廣西、重慶五省以及青海和西藏的部分縣市,總面積233.0萬km2,轄70個行政市、地區和自治州,604個行政縣。西南研究區氣候類型豐富,包括亞熱帶季風氣候、高原山地氣候、熱帶季風氣候等。該區地形地貌也十分獨特,包含了四川盆地及周邊山地、云貴高原中高山山地丘陵區、青藏高原高山山地區等等。

西南地區是我國生物種類和生態系統最為豐富的地區之一,至少擁有2萬多種高等植物分布其中,約有2千余種脊椎動物生活在此,中國約50%的樹種和北半球主要生態系統均可以在這里找到[12]。本區是世界野生生物關鍵地區之一,也是許多物種的分化中心和珍稀瀕危物種的分布中心。同時,西南地區生態系統多樣,其中森林、灌叢、草地、濕地分別占西南研究區面積的27.4%,11.9%,35.7%,3.4%(圖1)。西南地區對我國乃至世界的生物多樣性及物種種質資源的保護具有不可替代的屏障作用,具有重要的研究價值。

圖1 西南研究區生態系統類型圖Fig.1 Ecosystem-types in southwest China

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究使用的數據主要包括DEM數據、生態系統類型數據、土壤數據、地質巖性數據、地質災害類型數據、氣象數據等。其中,DEM數據為SRTM地形數據,空間分辨率為90 m,數據來自中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.cnic.cas.cn/zcfw/sjfw/gjkxsjjx/)；生態系統類型數據解譯自90 m分辨率的TM遙感影像,數據來自中國科學院遙感所；西南地區及周邊氣象站點觀測數據來自中國氣象局(http://www.cma.gov.cn/),包括氣溫(分辨率0.05°)、降水量(分辨率0.05°)等數據；土壤數據來源于第二次全國土壤調查(比例尺百萬分之一)。

2.2 研究方法

生態保護重要性評估由生態敏感性評價和生態服務功能重要性評價兩部分組成,是二者綜合疊加分析的結果。本研究在了解西南地區生態環境現狀的基礎上,針對其主要生態問題和典型生態服務功能構建評價指標體系,進而在GIS平臺上進行生態保護重要性評估,確定西南地區生態保護重要性格局。技術路線如圖所示(圖2)。

圖2 生態保護重要性評估技術路線Fig.2 Roadmap of ecological conservation importance evaluation

2.2.1 生態敏感性評價

生態敏感性是指生態系統對區域中各種自然和人類活動的敏感程度,反映的是區域生態系統在遇到干擾時,發生生態環境問題的難易程度和可能性大小[13]。其實質是對現狀自然環境背景下潛在的生態問題進行明確的辨識,并將其落實到具體的區域空間。生態敏感性評價已經成為確定重點生態建設與保育區域的重要手段[14]。目前對省域尺度生態敏感性[15-17]及酸雨區[18-19]、庫區和流域[20-23]、山地[24]等特殊生態環境敏感區已有相應研究,楊志峰等[25]進行了城市生態敏感性研究,歐陽志云等[26]則探討了中國生態環境敏感性的區域分析規律。

本研究根據西南地區的生態特征和面臨的生態問題,選取水土流失敏感性、石漠化敏感性、滑坡敏感性、泥石流敏感性和凍融侵蝕敏感性這5個指標評價西南地區的生態敏感性。水土流失敏感性以通用水土流失方程(USLE, universal soil loss equation)為基礎,綜合考慮降雨侵蝕力、土壤質地、地形起伏度等因素評價西南地區水土流失對人類活動的敏感程度。石漠化敏感性根據評價區域是否為喀斯特地貌、植被覆蓋、巖性等因素進行分級。地質災害滑坡和泥石流根據其形成的環境條件和主要誘發因素,選擇離斷層線距離、地震烈度、坡度、降雨等因素進行敏感性分析。凍融侵蝕敏感性評價則根據其發生條件,選擇溫度、降雨、地形、植被等因子進行分級(表1)。在ArcGIS中疊加分析上述5項單因子敏感性結果,得到西南研究區生態敏感性等級。計算公式為：

Si= Max(C1i,C2i……Cni)

式中,Si為i空間單元上的生態敏感性等級,C1i—Cni為i空間單元上一單因素生態敏感性等級。

表1 生態敏感性評價指標體系

2.2.2 生態服務功能重要性評價

生態系統服務是指生態系統所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用[27],是連接生態系統與社會經濟系統的橋梁[28]。生態系統服務重要性評價根據典型生態系統服務能力和價值評估,評價生態系統服務的綜合特征及其空間分布特征[29],其目的是明確區域各類生態系統的生態服務功能及其對區域可持續發展的作用與重要性,并依據其重要性分級,明確其空間分布[30]。Daily和Costanza等提出了描述、測度和評價生態服務的綱要,為生態服務功能及其評價奠定了理論和方法基礎[27,31-32],國內學者也紛紛在此基礎上開展研究,如牛叔文等基于生態系統服務價值的核算來評價甘肅省縣域單元的生態保護重要性[33]；楊美玲等從生態系統的類型、面積及生態服務功能,對寧夏限制開發生態區生態保護重要性進行評價[34]。

本研究選取對西南地區生態安全方面起主要作用的典型生態系統服務類型,土壤保持、水源涵養、洪水調蓄和生物多樣性保護4個指標評價西南地區的生態服務功能重要性。土壤保持服務評價以潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值作為土壤保持量。水源涵養服務則采用水量平衡方程評估西南地區生態系統的水源涵養能力。洪水調蓄服務功能重要性主要通過不同生態系統類型的洪水調蓄能力差異性進行考量,以可調蓄水量、防洪庫容和洪水期沼澤滯水量評價調蓄功能。生物多樣性保護評價則篩選重要保護物種作為指示種,根據物種生境的分布格局,通過系統保護規劃模型,評估西南地區生物多樣性保護格局(表2)。在ArcGIS中疊加分析上述4項單因子服務功能重要性結果,得到西南研究區生態系統服務功能重要性等級。計算公式為：

ESi= Max(D1i,D2i……Dni)

式中,ESi為i空間單元上的生態服務功能重要性等級,D1i—Dni為i空間單元上一單因素服務功能重要性等級。

表2 生態服務功能重要性評價指標體系

2.2.3 生態保護重要性評價

生態保護重要性是表征區域生態系統結構和功能重要性程度的綜合指標,涵蓋生態敏感性和生態服務功能兩部分[35]。通過生態保護重要性評價,識別重要生態功能空間,有針對性地進行保護,成為協調開發與保護關系的重要手段[36]。目前,對流域[35]、山區[37]等區域已有研究；徐衛華等[13]針對汶川地震重災區的生態特性構建評價體系評估其生態重要性并探討保護對策；徐建等[38]和劉昕等[39]對土地利用系統中的未利用土地和生態用地進行了生態保護重要性的探討；李平星等[40]則在生態重要性整合分析的基礎上研究其與建設用地的空間疊置關系。

本研究在ArcGIS系統中疊加分析生態敏感性和生態服務功能重要性來評價西南地區生態保護重要性,最后評價結果分為極重要、重要、中等重要和一般地區4個等級。計算公式為：

Pi= Max(Si,ESi)

式中,Pi為i空間單元上的生態重要性等級。

3 結果與分析

西南地區水土流失敏感區主要集中在四川盆地東北部,在橫斷山區、云貴高原等地也均有廣泛分布；石漠化敏感區則呈明顯的集中分布,主要分布于云貴高原東北部和廣西盆地；滑坡和泥石流這兩項地質災害敏感區主要分布于岷山、邛崍山、橫斷山區以及怒江、瀾滄江流域；凍融侵蝕敏感區則集中在青海高原地區(圖3)。

圖3 西南研究區單因子生態敏感性Fig.3 Single factor ecological sensitivity in southwest China

西南地區土壤保持重要區主要分布于岷山、邛崍山區,嘉陵江流域,怒江、瀾滄江流域以及廣西盆地等地區；水源涵養重要區主要分布于雅礱江流域、藏北高原、雅魯藏布江流域、松潘高原及廣西盆地；洪水調蓄重要地區則集中于青藏高原湖區；生物多樣性保護重要區主要分布于雅魯藏布江流域、橫斷山區、怒江和瀾滄江流域、岷山和邛崍山區(圖4)。

圖4 西南研究區生態系統單因子服務功能重要性Fig.4 Single factor importance of ecosystem service in southwest China

綜合西南地區生態敏感性和生態系統服務功能重要性,確定西南地區生態保護重要性格局。西南生態保護極重要區面積75.7萬km2,占西南地區國土總面積32.5%,主要分布于雅魯藏布江流域、橫斷山區、川西高原、廣西丘陵等地區；西南生態保護重要區面積71.3萬km2,占西南地區國土總面積的30.6%,主要分布于青海高原、云貴高原、四川盆地東部和廣西盆地等地區。生態保護極重要區以西南地區32.5%的總面積,提供了59.4%的土壤保持總量和54.5%的水源涵養總量,保護了69.7%的重要物種；生態保護極重要區和重要區占西南地區總面積63.1%,累計提供了90.6%的土壤保持總量和83.2%的水源涵養總量,累計保護了95.1%的重要物種(圖5—6,表3)。

圖5 西南研究區生態保護重要性Fig.5 Ecological conservation importance in southwest China

圖6 累計服務功能量比例圖Fig.6 Proportion of cumulative ecosystem service

4 結論與討論

本文以西南地區為研究區,以其自然環境特征和生態問題為基礎,構建西南生態重要性評估指標體系,識別具有重要保護意義的地區,并針對不同重要性地區提出生態保護、生態規劃建議。研究表明：生態保護極重要區占西南地區總面積的32.5%,提供了59.4%的土壤保持總量和54.5%的水源涵養總量,并保護了69.7%的重要物種。研究建議生態保護極重要區作為劃定生態紅線和重點生態功能區的依據,而重要區、中等重要區和一般區域作為主體功能區劃的依據。

表3 西南地區生態保護重要性綜合特征

根據研究結果,西南研究區生態保護重要性高的地區以少量的土地面積提供了更多的土壤保持、水源涵養等服務。因此有針對性地著重保護重要程度高的地區,可以合理調配資源,節約保護成本,提高保護效率。生態保護重要性是劃定生態紅線和主體功能區劃的重要依據。一方面,生態紅線確定了城市建設、資源開發、農業拓展的邊界,保證生態系統的完整性和連續性,保障生態安全格局。另一方面,主體功能區劃指導區域的生態保護與建設,促進資源的有序開發和產業合理布局,推動社會經濟與生態保護協調、健康發展。

相較于一般的市鎮、流域研究[7, 41-43],本研究的研究尺度更大,面臨的生態問題也更為復雜,在構建評價指標體系時需更仔細地斟酌取舍,以兼顧其地域獨特性和全面性。本研究針對西南地區主要生態問題和典型服務功能篩選了9項指標進行評估,如占西南大面積的青藏高原多發的凍融侵蝕的敏感性,是該研究區一項具有地域獨特性的評價指標。西南的貴州、廣西等地區也是全國石漠化高敏感區集中分布的區域,石漠化敏感性指標對西南研究區十分重要。

根據評估研究,生態保護極重要區為生態紅線劃定的依據,屬于強制性嚴格保護區域,是保障和維護國家生態安全的底線和生命線[44]；同時也是重點生態功能區劃的依據。應禁止開發、嚴格保護,具體措施包括：(1)可建立相應的重點生態功能保護區,并加大財政投入；(2)建立并完善生態補償機制,以生態保護重要區為依托實現區域之間的橫向生態補償；(3)加強生態保護和恢復,堅持自然恢復為主的原則,適當實施生態保護與恢復工程,提升生態系統質量；(4)調整經濟結構以減少當地居民對自然生態系統經濟的依賴；(5)加強生態保護宣傳教育,同時加強生態管理監管力度。而重要區、中等重要區和一般區域作為其他主體功能區劃的依據,各區域應根據其主導生態服務功能和主要生態問題確立適宜的保護方向和恰當的保護措施,加強生態保護和修復,完善管理政策,優化經濟結構,保證生態系統良性運行?？傊?通過運用生態學原理,優化生態管理和國土開發格局,推進生態文明建設,最終促進人類社會的可持續發展。

生態保護重要性評估研究是一個復雜的綜合統籌過程,數據量大,數據質量也有較高要求,涵蓋了研究區域自然環境及人文環境狀況、生態系統特征與結構功能、資源分布情況等等。生態系統除自身內部結構異質性變化,其外部干擾壓力也是影響其生態敏感性和服務功能重要性的因素,西南地區社會經濟發展水平差異較大,人類活動強度明顯不同,如何合理測度人類活動干擾及其對生態保護重要性的影響具有重要意義。更準確地確定生態功能的提供者和受益者、測度各生態區之間的服務流及協調其區域間利益相關者關系、優化生態規劃方案并提高管理措施執行效率有待深入研究。