縣區生態系統服務分布圖編制
——以北京市延慶區土壤保持服務為例

張丹紅,王效科,*,黃斌斌,張 路

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, 北京 100049

生態系統服務是社會經濟發展的重要物質基礎和支持[1]。由于城市擴張、自然資源開采和不合理區域發展導致生態系統服務普遍下降,保護和提升生態系統服務已經成為自然空間管制的重要目標[2]。生態系統服務制圖是根據決策需求將生態系統服務空間分布及相關要素進行可視化展示的過程。其制圖方法和內容豐富,如生態系統服務供給、需求及服務流制圖等[3-4],但制圖最終目的是將生態系統服務納入生態安全規劃和自然資產管理[5]。

生態系統服務空間規劃和管理需兼顧自然-社會經濟系統和多方面利益主體進行統籌規劃和決策。這需要制圖反映生態系統服務依存的自然條件、人為干擾因素、及其受益區的社會經濟狀況等詳細的背景信息。繪制生態系統服務分布圖直接作為輔助決策的工具,是綜合制圖學、地理信息學和生態學理論方法系統性的工作,是對傳統制圖方法和技巧的挑戰。目前生態系統服務制圖普遍存在缺乏與生態系統服務相關的高精度的地理空間信息[6],及忽視制圖基本規范而達不到制圖較高的質量要求[7]等問題。因此,生態系統服務分布圖決策應用性受到較大的局限。大比例尺生態系統服務分布圖繪制方法還缺少統一規范和要求,極大限制了生態系統服務評價結果直接服務于地方生態環境保護規劃。

因此,為了提高生態系統服務分布圖的質量、規范性和決策應用性,本研究系統的結合制圖學理論方法及國家、行業規范,提出生態系統服務分布圖的編制方法。以北京市延慶區土壤保持服務為研究案例,評價了生態系統土壤保持服務分布圖編制方法的可操作性和應用價值。探尋生態系統服務分布圖的編制方法以求從圖面識別生態系統服務重要區域是本研究擬解決的科學問題。從而使編制的生態系統服務分布圖可直接作為生態保護規劃的基礎圖件。

1 生態系統服務制圖方法

為提高制圖的規范性、科學性和通讀性,本研究參考制圖學理論和國家行業相關制圖規范,提出了生態系統服務制圖的目的、原則、流程和基本方法。

1.1 制圖目的和原則

1.1.1制圖目的

(1)反映生態系統服務的空間分布規律及與相關自然、人文基礎要素之間的關系。

(2)以明確的應用性目的為導向,方便使用者直接查詢生態系統服務高低值分布區域和關注地區的生態系統服務分布狀況。

(3)生態系統服務圖件直接作為生態保護規劃的基礎圖件,為保護優先區劃定等生態保護規劃決策服務。

1.1.2制圖原則

(1)制圖科學性。制圖遵循數據資料的現勢性,基本符號與國家、行業規范的統一性,空間位置精確性,表達藝術性和制圖信息量合理性等要求。

(2)尺度匹配性。由于生態系統服務與一定的自然和社會過程時空尺度相匹配[8],生態系統服務制圖尺度要與專題要素、地理基礎要素以及決策的空間尺度相一致。

(3)地理要素相關性。在有限的地圖空間內,展示生態系統服務與地理要素的關系,需選擇與生態系統服務、決策規劃目標直接或間接關系密切的自然、人文要素。

(4)重點突出性。突出反映生態系統服務空間差異特征及重要過程因素,服務于生態環境保護決策。

1.2 制圖流程

本研究采用專題制圖的方法編制土壤保持服務分布圖,主要的制圖過程為(圖1)：(1)確定制圖的數學基礎,以精確定位生態系統服務及其相關要素的地理位置。(2)選擇自然、人文基礎要素。并用地圖學中的綜合方法,基于比例尺、制圖目標和圖面信息量控制等,對要素進行分類、簡化。采用適當的符號和注記表示,展現各要素大小、密度、級別等主要信息。(3)通過生態系統服務數據分級和色彩組合繪制生態系統服務專題圖層,展現生態系統服務的數量空間分布特征。(4)綜合基礎底圖和土壤保持服務專題圖層,進行圖面配置。

圖1 制圖流程Fig.1 Mapping process

1.3 基礎底圖設計

1.3.1數學基礎設置

在縣域尺度的生態保護規劃和落實需要協調村落管制單元,在合適的圖幅范圍內展現村落居民點及名稱信息,制圖適宜采取1∶250000比例尺,其他數學基礎設置參考1∶250000比例尺國家、行業相關規范、圖式[9-10]。本圖采用Gauss Kruger 6分帶投影,1985年國家高程基準、2000年國家大地坐標系。設置4km間距公里網,及大格間距10′,小格間距1′的經緯網。

1.3.2地理要素選擇與綜合

(1)地理基礎要素選擇。

自然基礎要素選擇首先考慮縣域尺度影響生態系統服務分布格局的生態因子。植被是生態系統服務產生和傳遞的基礎[11],中小尺度影響植被生長格局的主要生態因子有地形、降水和氣溫[12],進而影響著生態系統服務。地形是其他因子的控制因素,因此,選為本圖重要的基礎自然要素。由于氣溫和降水變化較大,考慮降水和地表徑流有密切關系[13],選擇較穩定的水系為另一自然要素。建設用地的擴張是生態系統服務變化的主要人為因素之一[14],居民地(包括居民點和居民面)和交通要素為基礎建設用地,作為制圖的基礎人文要素。進一步結合生態系統服務相關性、規劃決策的可參考性及制圖可行性三個方面闡述所選要素的代表性,如表1。此外,地名是實現制圖空間定位、查詢功能必不可少的要素,也可顯示空間管制單元信息。因此,也選取詳細到村落的居民點名和自然地名要素為基礎要素。

表1 地理基礎要素選擇及其代表性

(2)地理要素分類和篩選。由于地理基礎要素信息量大,需對其分類和篩選,特別針對公路、居民點、自然地名和水系線。主要基礎要素的分類依據和分類結果如表2所示。

表2 地理基礎要素分類和篩選

(3)地理要素簡化。地形要素主要采用適于比例尺精度要求的100m高程數據[22]通過高程點、等高線、山體陰影提取三種方式,增加地形要素的信息量和表現力。行政注記是體現管制單元的重要注記,首先顯示鎮、鄉等重要級別的注記。化簡除去鄉、鎮政府駐地周邊較密集的村落注記,避免注記壓蓋。

(4)符號注記表示。符號注記基本樣式參考相應比例尺的國家、行業規范圖式[9-10,23],以保證符號注記的通讀性。對以上規范中沒有涉及或與ArcMap平臺不匹配的符號注記參數,通過制圖實踐進行調整補充。變量設置遵循符號注記設置原則[24],由于注記較多,通過大小、位置、權重等多變量設置避免注記符號之間的壓蓋。

1.4 生態系統專題圖層

生態系統服務分布專題圖層主要通過等值線方法表現,包括分級方法選擇和分級色彩模式設計。

1.4.1生態系統服務數據分級方法

分級方法包括分級界限和分級數的選擇。郭慶勝等研究提出為符合原始數據空間自相關分布的特征,分級數應設置在5—8級為宜[25]。增加級數會減少專題數據信息量的損失,但過大也會降低讀圖效率[26],增加顏色模擬的難度。級數選擇也與制圖尺度有關[27]。在知網以“(生態功能 OR 生態系統服務)AND縣域”關鍵詞進行檢索,統計縣、市、區尺度的生態功能或服務評價使用的分級數,共搜到的19篇文獻中使用的分級數為3—5級[28-46]。因此,綜合空間自相關合理性,縣市尺度生態系統服務評價常用分級數的范圍,及降低制圖的難度和提高讀圖效率,將分級數設為5級。表示為低級、中低級、中級、中高級和高級。分級界限設置方法參考《生態紅線劃定指南》[47]生態功能重要性評估使用的累積比例法。

1.4.2生態系統服務分級色彩模式

相關生態系統服務制圖研究中少有學者對分級色彩模式進行探討。而本研究方法編制生態系統服務分布圖,將繪制出大比例尺生態系統服務規律,又能展示級別間破碎化小斑塊的差異。同時色彩模式考慮與基礎符號色彩的協調性,兼顧分布圖表現的藝術性。由于多方面綜合性要求,專題色彩模式的選擇是本研究制圖的難點。

在制圖過程中,專題圖顏色組合設置遵循用色邏輯[48-50],選擇亮度變化由淺到深的連續型邏輯顏色組合[51]表示生態系統服務低值到高值的次序級別。綜合考慮顏色的寓意和心理、“視覺對比”、“視覺平衡”等視覺效應。使用自然色調、與基礎符號暖色產生對比的中冷色相。由于色相逐漸過渡的顏色組合各級別間辨識度差,設置中間色相為灰色[50],以增加級別間的辨識度。

2 延慶區土壤保持服務制圖

2.1 延慶區介紹

延慶區隸屬北京市,東經115°44′—116°34′,北緯40°16′—40°47′,屬于溫帶與中溫帶,半干旱和半濕潤的過渡帶,山區面積占72．8%,平原占26．2%[52]。延慶是北京乃至整個京津冀地區的重要生態屏障和生態涵養區,是保障生態安全的關鍵區域。在延慶各種生態系統服務經濟價值核算中,調節服務占總價值的91.4%。其中土壤保持是延慶生態系統十分重要的調節服務[53]。由于延慶地貌復雜破碎,山區植被郁閉度低,雨季集中于夏季,容易造成水土流失。近年來延慶加快設施建設,大力發展旅游業。城鎮、村莊、交通用地增加迅速,天然草地和林地破壞,水土流失導致地質災害,水庫泥沙淤積問題增加[54]。延慶以建設國際一流生態文明示范區為目標,在補齊設施短板的同時,保護山區的生態系統服務功能面臨較大的挑戰。通過本研究對延慶土壤保持服務分布圖的繪制,可為延慶的生態保護規劃管理和設施建設提供參考和借鑒。同時可為其他縣區生態保護重要區域識別提供方法和技術參考。

2.2 數據來源

專題數據使用優化的土壤流失方程測算的2015年90m精度的土壤保持服務強度數據(單位：t hm-2a-1)代表土壤保持服務的功能量[14],數據來源于中國科學院生態環境研究中心。底圖數據使用了地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/)ASTER GDEM V2 2009 30m精度的高程數據及地理專業知識服務系統網站(http://kmap.ckcest.cn/)2015年公眾版1∶25萬矢量數據。土壤侵蝕強度數據來源于考慮提拔中國科學院生態環境研究中心(http://www.ecosystem.csdb.cn),強度分級參考《土壤侵蝕分類分級標準(SL 190-2007)》。

2.3 制圖方法

基于ArcMap平臺繪制延慶土壤保持服務分布圖,主要的制圖方法、工具和參數如表3所示。

表3 制圖方法及參數

2.4 土壤保持服務分布圖

從土壤保持服務分布圖看(圖2),各地理基礎要素分布信息清晰易讀。其中,等高線、山體陰影和高程點綜合展現了宏觀立體的地形特征和微觀的地貌細節。從圖面(圖2)容易讀取河流、湖庫等水系分布及名稱信息。居民面和居民點要素多分布于800m高程以下的盆谷區。居民面多聚集分布于延慶盆地,也有小面積分布于東北部山區的谷地如千家店鎮、四海鎮、珍珠泉鄉等,居民點分布較為分散。級別較高的鐵路、國道、省道多分布于人口集聚區或較開闊的山谷區。縣道數量較多,在人口聚集區及地勢較陡的山區都有分布。街道和鄉村道路多分布于城區及山區谷地。圖中的行政注記層次分明,村落等居民點、自然地點名及道路注記都可清晰辨識。

圖面(圖2)顯示的專題要素看,土壤保持服務各級別顏色組合能夠清晰詳盡的顯示出土壤保持服務的分布特征及其與底圖要素的分布關系。總體上,土壤保持服務整體呈現低值區面積大,聚集分布在延慶區西南部及中部盆地,高值區面積小且破碎化分布在盆地周邊山區的特征。最高級別土壤保持服務相對累積量為24.9%(表4),所占面積為82.5km2,僅占全區面積6.9%,遠小于其他級別。最低級別相對累積量為10.0%,總面積為 618.2 km2,約占全區面積51.8%,占比遠高于其他級別。

表4 延慶土壤保持服務各級面積和累積量分布

圖2 延慶土壤保持服務分布圖Fig.2 Distribution map of soil conservation services in Yanqing 使用Gauss Kruger 6分帶投影，2000年國家大地坐標系，1985年國家高程基準;2015年土壤保持服務強度數據，精度為90m，數據來源于中國科學院生態環境研究中心;2015年公眾版矢量數據，誤差為125—200m(平面、丘陵)，等高線采樣高程標準差為18m,最大誤差為73m

從圖2反映的土壤保持服務分布與地形、水系、公路和居民地等要素關系看,土壤保持服務低值區主要分布在等高線較為稀疏的盆谷地,及狹窄的溝谷區,土壤保持服務較高值區主要分布在等高線較密集陡峭的山區,但山區等高線多蜿蜒曲折,地形復雜,土壤保持服務高值區呈破碎化分布。居民面和居民點周邊土壤保持服務多為低值,尤其在居民地密集區土壤保持服務呈現低值區大面積聚集分布。河流沿線土壤保持服務多為低值區。省道、高速、國道和縣道等公路周邊土壤保持服務多為低值區,山區村道等公路兩側土壤保持服務低值區較窄或與周邊土壤保持服務沒有明顯差別。

綜合分析各要素與土壤保持服務的關系,總體上呈現出土壤保持服務中高值區分布與交通要素、居民點和居民面等基礎要素空間分異的特征。

3 討論

3.1 地圖要素綜合和呈現

地圖要素制圖采用500m PEAK線平滑法繪制等高線,與其他等高線制圖方法相比較,地貌宏觀特征保留程度較好且較為平滑,高程標準差[57]為17.9m,符合高程精度的質量要求。從土壤保持服務分布圖分析(圖2),等高線較符合實際的展現了土壤保持服務發生發展的地形因素。同時,地形要素結合水系要素可直觀展示縣區流域內由于水土流失導致的泥沙運移、堆積的可能路徑,有助于識別土壤保持服務下降潛在的風險。目前也有學者繪制精細到村落注記的生態系統服務分布圖[45],繪制高程陰影展現地貌特征[3, 34]。本圖較其他學者更精細繪制公路、等高線等諸多要素符號注記,提供了更精準的定位和土壤保持服務發展的環境信息。

本圖專題圖層設計采用的累積比例分級方法相較于聚類法制圖[58]相比,可識別出破碎化的熱點和被干擾的斑塊,直觀展現小尺度上土壤保持服務的干擾因素。顏色組合是呈現土壤保持服務分布特征的關鍵符號,本圖的顏色組合辨識度高、次序感強、和諧美觀,且避免了與底圖符號色彩的沖突,有助于提高土壤保持服務分布信息讀取的效率和準確性。

制圖通過以上易于實現的多種要素的綜合方法和制圖技巧,有效的提高了圖面信息量和精細程度,展現了土壤保持服務與基礎自然和人文要素的關系。坡度和坡形對土壤保持的分布格局產生著關鍵的作用。山區復雜的地貌如溝谷是土壤保持服務重要的自然干擾因素,加上山區水系豐富,河流侵蝕加劇了對土壤保持服務的干擾。緩坡區土壤保持服務普遍較低,有村落、景區散落分布,村道等低級別公路交錯分布,雖然規模相對較小,這些基礎建設及周邊其他人為因素對土壤保持服務產生了較大的干擾。盆谷地區基礎建設規模較大,及其他未繪制的如農業要素是土壤保持服務普遍較低的重要人為因素。

3.2 土壤保持服務重要區域的識別

土壤保持服務分布圖(圖2)顯示出土壤保持服務自然、人為干擾要素分布情況,及其地形、水系、交通和居民地要素綜合展現了供給區-流-受益區的關聯信息。進一步通過這些信息,結合土壤侵蝕強度分布圖(圖3),延慶地質災害研究等資料,可通過圖面識別土壤保持服務重要的分布區域。

圖3 延慶土壤侵蝕強度分布圖Fig.3 Distribution map of soil erosion intensity in Yanqing 使用Gauss Kruger 6分帶投影，2000年國家大地坐標系，1985年國家高程基準;2015年專題數據，數據來源于中國科學院生態環境研究中心;2015年公眾版矢量數據，誤差為125—200m(平面、丘陵)，等高線采樣高程標準差為18m

從圖面(圖2)分析,張山營鎮周邊山區是其水系下游重要經濟建設區與水利設施的土壤保持服務重要供給區,如延慶城區、龍慶峽水庫、香村營水庫及北京市的飲用水源地之一官廳水庫等。該山區水系豐富,多處為陡坡區,土壤受到的侵蝕力強。尤其是山區與盆地交界處的陡坡區,多為土壤侵蝕強度、中強度地區,如白石頭坑附近為土壤侵蝕劇烈區,應夢寺山附近為極強區。相關研究也表明泥石流災害頻發區[59]臨近其山下G110國道西南段。同時,龍慶峽4A級旅游景區、玉渡山風景區(大北梁西部)等公路設施對山區的土壤保持服務產生了較大的干擾[59],周邊多為土壤保持服務低值區。綜合來看,張山營鎮北部山區為土壤保持服務重要區域,需重點協調旅游開發建設和山區土壤保持服務的保護。

此外,四海鎮南部山區溝壑險峻,水系呈放射狀匯集于菜食河,里程較長,沿線分布著較多的居民建設區。研究也表明該山區是泥石流災害的頻發區[59],如省道213四海鎮南段海字口、省道213永安堡村附近。山區中鳳凰駝、長城等自然景區受游人登山遠足等活動干擾頻繁,土壤保持服務多處為中低值區。從圖面綜合分析,四海鎮南部山區也為土壤保持服務重要區域。

八達嶺長城風景區為延慶長城文化帶的核心區域,相較于其他山區是受旅游開發建設活動影響最劇烈的地區[60],交通要道和觀光線路縱橫交錯,土壤保持服務被分割為破碎化分布,研究也表明石峽-八達嶺一帶是地質災害高發區[59],多處發生崩塌,保護該地區的土壤保持服務對防止滑坡等地質災害,保證游客安全有重要意義。

此外,其他的交通要道如省級公路S309千家店西部山區后坑、干溝等,及千家店鎮東端上奶山村等,省道S212大莊科鄉北段和南段這些交通要道臨地勢險峻的山區分布,研究也表明這些地區多處易發生崩塌、泥石流等地質災害[59]損害公路設施,這些要道周邊山區也為土壤保持服務重要區域。

3.3 決策服務功能評價

本研究編制的土壤保持服務分布圖決策應用功能主要體現在以下三個方面：

(1)通過詳實的專題要素和基礎要素信息及聯系,可實現從圖面識別生態系統服務重要區域。這很大程度上提高了分布圖輔助生態保護規劃決策的效率。制圖顯示出延慶山區土壤保持服務功能的重要性和脆弱性,延慶土壤保持服務的保護應該注重山區保護,應對山區緩坡區村道等公路、景區建設及其他人類活動的干擾采取管控措施。

(2)制圖實現了較精準的定位和查詢功能。可識別土壤保持服務重要區的具體位置,查詢關注要素周邊的土壤保持服務分布情況。既為規劃決策及實施提供便利,也有助于與其他相關生態評價規劃成果關注點的比較和信息整合,對更合理的引導政府將資金投入到更關鍵的區域有重要的意義[61]。

(3)圖件較詳細的呈現了規劃決策需要協調的多方面的利益主體信息,如鄉鎮政府、村落、景區或者工廠企業等。方便考慮需協調的多方面的利益相關者,以便保護規劃決策開展和落實。

4 結論

結合制圖學理論方法及國家行業相關標準和規范,提出了生態系統服務分布圖編制的目標、原則、流程和制圖方法。通過延慶區土壤保持服務分布圖制圖方法實踐,顯示出該制圖方法能夠準確詳細的展示生態系統服務與相關自然、人文要素的分布特征,并通過土壤保持服務與基礎地理要素的聯系,有助于識別土壤保持服務重要區,為區域生態環境保護規劃提供重要決策參考。

本研究提出的生態系統服務分布圖編制方法可行性強。基于開源數據庫,使用ArcMap工具一體化制圖。圖式與國家、行業相關規范圖式基本統一,制圖方法更簡便易行,可為相關專業人員提供制圖參考,促進生態系統服務制圖的規范化和自動化。

致謝：饒恩明老師提供2015年生態系統土壤保持服務強度數據,特此致謝。