基于生態(tài)服務(wù)重要性的河池市生態(tài)安全保障研究

虞 聽，周軼晗，陳天依，徐 可，胡業(yè)翠

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100089)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，生產(chǎn)、生活空間不斷擴(kuò)大，景觀廊道斷裂，綠色空間分布愈發(fā)破碎化，國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的一系列生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重阻礙了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，解決生態(tài)環(huán)境問題已然成為建設(shè)國(guó)家的戰(zhàn)略舉措[1]。可持續(xù)發(fā)展的基本保障因素是區(qū)域生態(tài)安全[2]，而地區(qū)廊道識(shí)別和生態(tài)源地提取以及對(duì)其空間化布局研究結(jié)果，可以作為土地利用配置對(duì)策、生態(tài)功能區(qū)劃和環(huán)境保護(hù)決策制定的依據(jù)和基礎(chǔ)[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的視角對(duì)生態(tài)源地進(jìn)行識(shí)別[4]，如王曉玉等[5]通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流對(duì)生態(tài)安全格局進(jìn)行分析與優(yōu)化；彭建等[6]綜合考慮產(chǎn)水、生境維持、土壤保持等幾大生態(tài)服務(wù)功能，系統(tǒng)評(píng)估了雄安新區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。這些研究為國(guó)內(nèi)其他省市區(qū)域的相關(guān)研究提供了思路，促進(jìn)了各地區(qū)開展生態(tài)安全保障研究的相關(guān)工作。

本文選取河池市為研究區(qū)，分別根據(jù)碳儲(chǔ)量、土壤保持、水源涵養(yǎng)3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)用地識(shí)別，運(yùn)用InVEST、ArcGIS等技術(shù)手段進(jìn)行生態(tài)用地評(píng)價(jià)，以高等級(jí)生態(tài)用地作為源地；利用最小積累阻力模型，生態(tài)廊道識(shí)別，對(duì)河池市區(qū)域生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行分析，最后針對(duì)分析結(jié)果提出了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。這對(duì)河池市的區(qū)域建設(shè)具有一定的意義，能夠更好地引導(dǎo)城市規(guī)劃的實(shí)施，為生態(tài)系統(tǒng)安全管理提供保障，對(duì)推動(dòng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善具有一定的積極意義。

河池市位于廣西西北邊陲、云貴高原南麓，地區(qū)南北縱長(zhǎng)228 km，東西橫寬260 km，總面積達(dá)3.35萬km2。河池市屬南亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候條件良好，森林覆蓋率高，降水量充沛且日照充足，但河池市具有典型的喀斯特地貌，地表水滲漏嚴(yán)重，極易發(fā)生水土流失，損害生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；該市林業(yè)資源豐富，而作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)——森林生態(tài)系統(tǒng)，其碳儲(chǔ)量對(duì)生境質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重大意義；同時(shí)，河池市河網(wǎng)密布，主要河流50余條，河流總長(zhǎng)度5 130 km，需要重視水源涵養(yǎng)這一重大生態(tài)問題。因此，本文基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性進(jìn)行河池市生態(tài)安全保障評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及縣級(jí)行政區(qū)劃圖，來源于2019年河池市第三次國(guó)土調(diào)查，從河池市自然資源廳部門獲取；DEM數(shù)字高程模型(30 m×30 m)從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)獲取；土壤數(shù)據(jù)取自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)；其他基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括：集水區(qū)數(shù)據(jù)、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、降水量、日最高溫溫均值和日最低溫均值均取自中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

1.2 研究方法

在充分理解河池市地貌特征的基礎(chǔ)上，分析河池市自然生態(tài)情況以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)中存在的主要問題，遵循指標(biāo)選取的科學(xué)性原則、代表性原則與可操作性原則，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和阻力因子2方面提出河池市生態(tài)安全保障措施。圍繞土壤保持、碳儲(chǔ)量、水源涵養(yǎng)因子評(píng)價(jià)，識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性區(qū)域，確定生態(tài)源地；選擇高程、坡度、土地利用覆被建立阻力因子體系，構(gòu)建最小累積阻力面；最后，通過MCR方法提取生態(tài)廊道，完成河池市的生態(tài)安全現(xiàn)狀評(píng)估。

1.3 源地識(shí)別

生態(tài)源地是指提供重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的斑塊[6]。本文選擇土壤保持、碳儲(chǔ)量、水源涵養(yǎng)3項(xiàng)體現(xiàn)生態(tài)基底特征的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，定量評(píng)估河池市總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性，將功能重要區(qū)作為具有良好生態(tài)系統(tǒng)功能的重要斑塊提取生態(tài)源地，作為重點(diǎn)規(guī)劃區(qū)保護(hù)。

(1)土壤保持重要性評(píng)價(jià)。土壤保持評(píng)價(jià)模型根據(jù)通用土壤流失方程RUSLE估算潛在土壤侵蝕量(Ap)和現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量(Ar)，土壤保持量(Ac)為兩者差。計(jì)算式見式1，根據(jù)自然間斷點(diǎn)分為五個(gè)等級(jí)。

Ac=Ap-Ar=R×K×LS-R×K×LS×C×P=R×K×LS×(1-C×P)

(1)

將林地、草地、水田、旱地的C值分別賦值為0.02、0.03、0.12、0.31，其他土地利用類型賦值為0；將水田和旱地的P值分別設(shè)定為0.15和0.40，林地、草地和未利用地設(shè)為1，水域、建設(shè)用地和濕地設(shè)為0；R值運(yùn)用降水量的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值；LS利用GIS表面分析工具，參考已有研究公式計(jì)算得出，K值根據(jù)土壤各組分含量計(jì)算得出[7]。

(2)碳儲(chǔ)量重要性評(píng)價(jià)。碳儲(chǔ)量評(píng)價(jià)模型結(jié)合生物量與蓄積量的關(guān)系推算得到地上地下碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，使各個(gè)柵格單元都有對(duì)應(yīng)的土地利用/土地覆蓋類型(LULC)代碼，通過Invest-Carbon模塊進(jìn)行處理運(yùn)算得到結(jié)果[8-9]。

(3)水源涵養(yǎng)功能重要性。水源涵養(yǎng)評(píng)價(jià)在 InVEST 模型中輸入地表蒸發(fā)、植物蒸騰、降水和土壤性質(zhì)等參數(shù)計(jì)算產(chǎn)水量，并運(yùn)用土壤飽和導(dǎo)水率、地形指數(shù)和流速系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正，得到水源涵養(yǎng)量。具體計(jì)算公式為：

(2)

式中，R為水源涵養(yǎng)量；Ve為流速系數(shù)，通過查閱文獻(xiàn)根據(jù)土地利用類型進(jìn)行賦值[10]；TI為地形指數(shù)，無量綱，由坡度、集水區(qū)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；Ksat為土壤飽和導(dǎo)水率，由土壤性質(zhì)決定；Y為年產(chǎn)水量，由年平均蒸散發(fā)量和降水量的相關(guān)公式計(jì)算獲得[11]。

(4)生態(tài)重要性綜合評(píng)價(jià)。結(jié)合土壤保持、碳儲(chǔ)量、水源涵養(yǎng)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，由ArcGIS柵格計(jì)算器加權(quán)疊加各因子分值得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要值，評(píng)估結(jié)果根據(jù)自然斷點(diǎn)法分為不重要、一般重要、較重要、重要、極重要5個(gè)等級(jí)。

1.4 阻力面構(gòu)建

物種、能量在空間中遷移、流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到自然干擾或人為活動(dòng)的影響，土地利用能夠反映人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)安全與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，是影響生態(tài)安全格局的主要阻力因子[5]；將土地利用覆被、高程、坡度作為阻力因子構(gòu)建景觀生態(tài)安全阻力面，利用層次分析法(AHP)確定各因子權(quán)重，按照表1將高程因子分為5個(gè)等級(jí)，坡度因子分為5個(gè)等級(jí)，土地利用覆被為7個(gè)等級(jí)(表1)[12-14]。

表1 阻力因子系數(shù)Tab.1 Resistance factor coefficient of ecological security pattern

根據(jù)河池市土地利用類型圖和DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合各單因子阻力賦值和權(quán)重，利用ArcGIS的Spatial Analysis功能模塊中的Reclassify工具對(duì)單因子進(jìn)行賦值，再用raster calculator工具進(jìn)行加權(quán)疊加，構(gòu)建最小累積阻力面。

1.5 生態(tài)節(jié)點(diǎn)及廊道提取

生態(tài)廊道是指在自然環(huán)境中呈帶狀或線型布局、溝通連接較為分散和孤立的生態(tài)景觀單元的生態(tài)系統(tǒng)空間類型，為物種的遷移、擴(kuò)散和交換提供通道。借助最小累積阻力模型(MCR)計(jì)算最小累積耗費(fèi)距離，提取生態(tài)源地之間的廊道。該模型運(yùn)用 ArcGIS 的空間分析功能，公式為：

(3)

式中，MCR為最小累積阻力值；f為空間中任一位置的最小阻力值和其到全部源的距離以及景觀基面特征之間的正相關(guān)關(guān)系；Dij為物種從源地j到目標(biāo)地i穿越的空間距離；Ri為景觀單元i對(duì)物種移動(dòng)的阻力；m為景觀單元總數(shù)；n為源總數(shù)[15]。

基于已識(shí)別的生態(tài)源地，將主要生態(tài)源地的中心點(diǎn)作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)阻力面和生態(tài)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用ArcGIS的cost distance工具計(jì)算生態(tài)節(jié)點(diǎn)在市域范圍內(nèi)擴(kuò)張的累積阻力值。通過cost path工具得到兩生態(tài)節(jié)點(diǎn)間的最小耗費(fèi)路徑，生成廊道。

2 結(jié)果與分析

2.1 源地識(shí)別

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合性評(píng)價(jià)結(jié)果(圖1)顯示，河池市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較重要區(qū)較為分散，面積達(dá)8 774.25 km2，占研究區(qū)總面積的26.19%。生態(tài)服務(wù)功能重要區(qū)是生態(tài)服務(wù)價(jià)值極重要區(qū)的邊緣延伸，主要分布在天峨縣東部、南丹縣東南部、環(huán)江毛南族自治縣東北部、鳳山縣南部以及大化瑤族自治縣和東蘭縣，面積約為3 558.75 km2，占研究區(qū)總面積的10.6%。生態(tài)極重要區(qū)面積為1 566.4 km2，約占研究區(qū)總面積的4.68%，為城市生態(tài)健康穩(wěn)定發(fā)展提供了重要的服務(wù)保障。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性Fig.1 Importance of ecosystem services

篩選生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要區(qū)，剔除散碎和生態(tài)服務(wù)價(jià)值功能相對(duì)較低斑塊，將連通性好、斑塊面積大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要區(qū)域作為生態(tài)源地。篩選后得到河池市生態(tài)源地面積為1 347.68 km2，占研究區(qū)總面積的4.05%。

從地理空間角度看，生態(tài)源地主要集中于河池市中部和西部，在天峨縣東部、東蘭縣、鳳山縣、環(huán)江毛南自治縣西南部、都安瑤族自治縣等地區(qū)分布較為集中，主要為打狗江、刁江、紅水河等重要水系沿岸。這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能好，生境質(zhì)量高。

從用地類型角度看，林地為生態(tài)源地的主要用地類型，占總生態(tài)源地面積的88.6%；其次是耕地、園地和草地，占總生態(tài)源地面積的 9.01%；建設(shè)用地和未利用地大部分是非生態(tài)源地，少部分靠近河流水域、自然保護(hù)區(qū)和地質(zhì)公園，生態(tài)服務(wù)價(jià)值有所提高，成為生態(tài)源地的一部分。

2.2 廊道識(shí)別

河池市共有17條廊道，呈網(wǎng)狀分布，總長(zhǎng)度約為698.34 km。河池市生態(tài)廊道經(jīng)過大部分林地、濕地、自然保護(hù)區(qū)，避開非生態(tài)用地、建設(shè)用地，與河流水系形態(tài)關(guān)系密切。生態(tài)廊道連通各生態(tài)源地，使河池市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部高度關(guān)聯(lián)，并呈現(xiàn)生態(tài)空間格局的整體性、穩(wěn)定性。

3 生態(tài)安全保障的主要路徑

本文從優(yōu)化河池市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)，依托識(shí)別出的生態(tài)源地、生態(tài)節(jié)點(diǎn)、生態(tài)廊道，評(píng)估河池市生態(tài)安全現(xiàn)狀，指出提高河池市生態(tài)系統(tǒng)整體性、系統(tǒng)性需要重視的生態(tài)建設(shè)保護(hù)區(qū)，并提出保障生態(tài)安全的主要路徑。

生態(tài)建設(shè)區(qū)主要包括鳳山—東蘭生態(tài)綠地區(qū)域、大化—都安濕地林地區(qū)域、龍江—打狗江水源涵養(yǎng)區(qū)域、環(huán)江毛南生態(tài)林區(qū)域。鳳山—東蘭生態(tài)綠地區(qū)域生態(tài)源地較為集中，包含3個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)，且穿插多條生態(tài)廊道，鳳山巖溶國(guó)家地質(zhì)公園、樂業(yè)—鳳山世界地質(zhì)公園和東蘭縣國(guó)家地質(zhì)公園均位于該區(qū)域，提高了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；大化—都安濕地林地區(qū)域跨越大化瑤族自治縣和都安瑤族自治縣，同時(shí)位于紅水河和澄江流域，包含多個(gè)地質(zhì)公園，濕地、林地資源充足，具有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能；龍江—打狗江水源涵養(yǎng)區(qū)域位于龍江和打狗江流域，是河池市主要流域，為土壤保持和水源涵養(yǎng)功能提供了較高的服務(wù)價(jià)值；環(huán)江毛南生態(tài)林區(qū)域布有一個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)是木倫自然保護(hù)區(qū)和環(huán)江文雅地質(zhì)公園的所在地，生物資源豐富，為地區(qū)的各生態(tài)服務(wù)功能都提供了較高的服務(wù)價(jià)值。河池市生態(tài)源地如圖2所示，河池市生態(tài)源地—廊道—節(jié)點(diǎn)分布如圖3所示。

圖2 河池市生態(tài)源地Fig.2 Ecological source of Hechi City

圖3 河池市生態(tài)源地—廊道—節(jié)點(diǎn)分布Fig.3 Ecological source corridor node distribution of Hechi City

針對(duì)鳳山—東蘭生態(tài)綠地區(qū)域，可大力發(fā)展城市綠地，在實(shí)用功能方面除作為休閑游憩的場(chǎng)所，在發(fā)生重大災(zāi)害時(shí)作為城市減災(zāi)防災(zāi)的基礎(chǔ)設(shè)施，還可以為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供有效的救治收容空間[16-18]，提供維持生物多樣性功能；針對(duì)大化—都安濕地林地等大面積林地分布地區(qū)，同時(shí)也是自然保護(hù)區(qū)與國(guó)家公園的聚集區(qū)，可大力推進(jìn)封山育林工程、濕地綠化工程等生態(tài)修復(fù)重建項(xiàng)目，加大生態(tài)屏障的生態(tài)林帶保護(hù)力度以鞏固水土保持功能，形成重要的生態(tài)保育區(qū)；另外，針對(duì)龍江—打狗江水源涵養(yǎng)地區(qū)，應(yīng)全面截污清污，加強(qiáng)入河排污口的治理與定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，實(shí)施疏浚河道、水源涵養(yǎng)林建設(shè)工程、江河湖庫(kù)與水源地保護(hù)修復(fù)工程、生態(tài)護(hù)岸工程多措并舉；環(huán)江毛南生態(tài)林地區(qū)應(yīng)加大退耕還林植被修復(fù)力度，加強(qiáng)防護(hù)林的培育治理工作，積極推行綠色產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展，提高自然災(zāi)害防御能力，保障生態(tài)安全；以上，河池市應(yīng)建立生態(tài)保護(hù)信息系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生態(tài)安全問題，完善生態(tài)補(bǔ)償制度，綜合提升生態(tài)安全可持續(xù)發(fā)展水平。

4 結(jié)論

本文聚焦河池市的生態(tài)本底情況，基于阻力因子和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性提取生態(tài)源地和生態(tài)廊道，評(píng)價(jià)河池市生態(tài)安全保障，以期提高河池市生態(tài)安全指數(shù)，為融入生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)與決策參考。

(1)河池市生態(tài)源地面積為1 347.68 km2，占全市面積的4.05%。主要分布在河池市的西部和中部，東蘭縣、天峨縣東部、鳳山縣、環(huán)江毛南自治縣西南部、都安瑤族自治縣等地區(qū)，且在羅城縣零星分布，以及在打狗江、刁江、紅水河等重要水系沿岸，這些區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能好，生境質(zhì)量高。

(2)河池市共有17條廊道，呈網(wǎng)狀分布，總長(zhǎng)度約為698.34 km。河池市生態(tài)廊道經(jīng)過大部分林地、濕地、自然保護(hù)區(qū)，避開非生態(tài)用地、建設(shè)用地，與河流水系形態(tài)關(guān)系密切。各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間具有高度關(guān)聯(lián)性，加強(qiáng)了生態(tài)源地之間的連通性。

(3)本文從加強(qiáng)河池市生態(tài)安全保障的角度出發(fā)，提出基于生態(tài)服務(wù)重要性的生態(tài)安全保障思路，強(qiáng)化生態(tài)源地與生態(tài)廊道的緊密關(guān)聯(lián)，生態(tài)源地內(nèi)維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，保護(hù)生物多樣性，生態(tài)廊道上加強(qiáng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，維持生態(tài)源地內(nèi)部及生態(tài)源地之間的物質(zhì)能量流動(dòng)，為保障國(guó)土空間規(guī)劃中生態(tài)空間保護(hù)與提升提供一定的參考依據(jù)。