西南山區生態保護紅線劃定方法優化
——基于生態地質環境脆弱性評估

劉延國,李景吉,逯亞峰,鄒 強,王 勇,周吾珍,羅正宇,李怡飛

1 西南科技大學國家遙感中心綿陽科技城分部,綿陽 621010 2 成都理工大學生態環境學院,成都 610059 3 中國科學院成都山地災害與環境研究所,成都 610045 4 四川省國土科學技術研究院(四川省衛星應用技術中心),成都 610072

生態保護紅線是指“在生態空間范圍內具有特殊重要生態功能、必須強制性嚴格保護的區域,是保障和維護國家生態安全的底線和生命線,通常包括具有重要水源涵養、生物多樣性維護、水土保持、防風固沙、海岸生態穩定等功能的生態功能重要區域,以及水土流失、土地沙化、石漠化、鹽漬化等生態環境敏感脆弱區域”[1]。生態保護紅線的劃定是我國探索構建生態安全格局的有效途徑,為維護生態安全格局、保障生態服務功能、支撐經濟社會可持續發展,促進人口資源環境相均衡、經濟社會生態效益相統一[2-8]。生態紅線劃分方法與技術經歷了從概念內涵與外沿的借鑒辨析到空間結構的類型劃分實踐,從單一指標體系到多系統綜合指標體系的逐漸發展和完善的過程[2-12]。早期的研究以大區域、大尺度的研究為主,鄒長新等通過對國內有紅線內涵的公開政策進行歸類,建立了國家尺度生態保護紅線劃分體系[12]。馬世發[13]燕守廣[14]等基于省域尺度進行了生態保護紅線的劃定實踐。地理信息技術與生態服務評估方法的發展,構建以生態服務為核心的指標體系逐漸成為了生態紅線劃定重要依據。孔令橋等探討了以流域水文路徑分析為主的流域尺度生態保護紅線劃定方法[15],劉超等梳理了海島生態保護紅線概念、劃定內容,提出了海島生態保護紅線劃定的技術路線[16],馬琪等提出了干旱半干旱區以水資源約束為核心的榆林市域尺度的生態保護紅線的劃定方法[17],遲妍妍[18]、劉會軍[19]等探討了城市群生態空間識別方法及生態保護紅線的劃定,以流域、市域、海島、城市群生態空間識別及生態保護紅線的劃定方法為不同尺度流域管控、保護規劃和空間規劃提供了重要科學依據。侯鵬等以生態系統類型構成和服務功能為內容主線,提出了生態保護成效評估框架和指標方法,拓展了定量評估生態保護紅線對保障區域生態安全貢獻度的思路[20],徐夢佳等通過構建生態資產及其價值評估指標體系,探討了東營市域尺度生態保護紅線區生態資產價值評估,為生態保護紅線區生態補償等相關配套措施的開展提供了科學依據[21]。綜上,眾多學者從不同尺度、基于不同對象立足生態本底及生態系統服務等視角,對生態保護紅線劃定開展了系統性的理論探索與有效實踐。

生態環境是地理環境與地質環境共同作用下的外在表征,生態環境脆弱、地質條件復雜、災害頻發的西南山區,地質過程對陸地表生土壤、植被生態系統及氣候都具有重要的影響和塑造作用。我國西南山區位于青藏高原東南緣、全國主體生態功能區和自然保護區密集分布,區內地質構造活動劇烈、地質環境脆弱、地質災害頻發,區域生態地質環境互饋聯系顯著[22- 25]。近年來接連發生了汶川地震、蘆山地震、九寨溝地震,震后地質環境穩定性變差,滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等次生災害隱患增多并以災害鏈的形態產生,對陸地表生生態系統格局影響顯著,山區特殊地質環境條件對區域生態環境破壞風險顯著高于平原地區[26- 32]。立足于生態本底(表1),未考慮地質環境(地質本底、地質災害)對區域生態系統格局的塑造作用,生態環境是地理環境與地質環境共同作用下的外在表征,只考慮生態本底,將會影響生態保護紅線劃定區位,從而影響區域國土空間開發保護格局及社會經濟發展布局。脆弱性評估是衡量一個區域本底特征及發展程度的重要判據[33-37],從生態地質環境共同體的角度予以認知[22,26],通過構建基于生態環境與地質環境脆弱性的綜合評價指標體系,刻畫區域生態地質環境脆弱性格局,綜合反映區域生態保護和國土空間開發格局狀況,是生態保護紅線劃分與優化研究中的重要參考。

四川省作為我國典型西南山區,地質災害頻發,特殊的地質環境對陸地表層生態服務過程產生著深刻的影響[25,30- 32]。本文以四川省為例,通過構建生態地質脆弱性評估體系,深入揭示山區域脆弱性格局,提出生態保護紅線劃定的優化指標和方法(表1),以期為西南山區生態國土空間開發與生態安全格局的科學構建提供參考。

表1 生態保護紅線與生態地質環境脆弱性格局

1 研究區概況

四川省位于中國大陸地勢三大階梯中的第一級青藏高原和第二級長江中下游平原的過渡地帶,界于97°21′—108°12′E,26°03′—34°19′N之間,面積48.60萬km2,地勢西高東低,地形復雜多樣,西部為高原、山地,東部為丘陵、平原盆地,最大高差達7000余m(圖1)。四川省是我國地震和地質災害高發區,分布著龍門山地震帶、金沙江地震帶、鮮水河地震帶、安寧河-則木河地震帶、松潘-較場地震帶、理塘地震帶等；區內地質構造強烈、地質環境脆弱,生態系統受區域地質活動破壞強烈[26- 32],尤其在汶川地震、九寨溝地震后,次生災害隱患增多,崩塌、滑坡、泥石流等災害接近三萬余處,對人類生產活動、區域經濟發展和生態環境保護造成了極大威脅。

圖1 研究區域 Fig.1 Study area

本研究以四川省生態紅線劃定為例,充分結合西南山區特殊地質環境背景,提出山區生態地質環境脆弱性評價指標體系,以期優化現階段紅線劃定方法,充分體現西南山區本底特征,為國土空間開發保護格局提供支撐。

2 研究方法與數據來源

2.1 指標體系構建

恰當、合理且具有代表性的脆弱性指標體系是客觀反映脆弱性水平的關鍵,基于生態地質環境概念內涵及脆弱性研究進展[33-37],針對高海拔山區環境、地層巖性及災害隱患等區域特征,構建基于生態環境及地質環境脆弱性兩方面12個指標的評價體系(表2)。其中,地質環境主要包括地質構造因素、巖體結構因素、地形地貌因素、地質災害因素,生態環境主要包括氣象因素、土壤資源因素、植被質量因素。

表2 生態地質環境脆弱性評估指標體系

2.2 數據源與預處理

本研究數據來源主要有：1)基礎地理數據：地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)DEM數字高程數據,中國地質調查局1:20萬地質圖(中國地質調查局1:20萬數字地質圖空間數據庫),南京土壤所1∶100萬中國土壤數據庫,中國地震烈度區劃圖(GB18306—2015)；2)地質災害隱患點數據庫及Google earth災害點遙感解譯；3)氣象數據：四川省氣象數據庫(1960—2016)；4)歸一化植被指數NDVI： MODIS/MYD13Q1 分辨率250m,時間分辨率為16 d,選取時間為2016年8月。為消除異常值的影響,采用最大合成法(maximum value composites)合成月NDVI數據,計算植被覆蓋度；5)土地變更調查數據庫：四川省第二次全國土地調查—2017年變更調查數據庫,作為主要的解譯標志庫,獲取生態系統本底數據。

所有數據均轉換為空間分辨率90m柵格數據,統一投影到2000國家大地坐標系(CGCS2000)。其中,矢量面數據借助Arc Toolbox-Conversion tool-Feature to Raster實現矢量轉換柵格,主要為地震動加速度、工程地質巖組、土壤類型、土地利用類型等,矢量線狀數據借助Spatial analysis tool-Density-Line Density功能求取線密度,主要有斷裂帶密度、溝壑密度；矢量點狀數據借助Spatial analysis tool-Density-Kernel Density 求取點密度,主要有災害點密度。年均降水、年均氣溫均采用反距離加權插值法(IDW)實現其空間化。所有指標量化分級后均借助Overlay-Fuzzy Membership進行歸一化處理(表3,圖2),脆弱性評價基于歸一化指標借助ArcGIS疊置分析功能實現。

圖2 評估指標體系圖Fig.2 Evaluation index system

表3 生態地質環境脆弱性指標量化與分級

生態地質環境脆弱性評估基于“多系統”評價指標體系,從各子系統的脆弱性出發,分析各子系統的相互作用及發展狀況,綜合分析地區脆弱性格局。

自然斷點法是一種根據數值統計分布規律分級和分類的統計方法, 使類與類之間的不同最大化。統計數列都存在一些自然轉折點、特征點,用這些點可以把研究的對象分成性質相似的群組,斷點本身就是分級的良好界限。地形起伏度：RFi=Hmax-Hmin,Hmax,Hmin分別為3×3窗口內的最大和最小高程值。生物多樣性性：該研究主要指植被類型多樣性。土壤可蝕性：該研究主要指土壤對環境的敏感性及易侵蝕流失程度。植被覆蓋度：VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil),NDVIsoil 為裸土或無植被覆蓋區域像元的NDVI值,NDVIveg 則代表完全被植被所覆蓋NDVI值,即純植被像元的NDVI值,取NDVI值的累積概率5%和95%作為NDVI值作為NDVIsoil和NDVIveg。地質本底及生態本底分別為指標歸一化加權疊置計算,借助Arc Toolbox-spatial analyst tools-Raster Calculator工具加權疊加

2.3 評價方法

(1)

(2)

式中：minxj和maxxj表示第j個指標下各評價樣本的最小值和最大值。

通過Raster Calculator計算脆弱性指數V,公式如下：

(3)

式中,V指綜合脆弱性指數值,W指要素權重,R指要素柵格數據,j評價指標。指標權重由突變級數法確定,脆弱性分級按照距標準差倍數劃分[38]。生態地質環境脆弱性評估分區(表4)為生態本底脆弱性與地質本底脆弱性歸一化加權計算,指標權重見表3。

表4 生態地質環境脆弱性分級

3 結果與分析

3.1 生態地質環境脆弱分區

基于生態本底脆弱性指數及地質本底脆弱性指數,計算生態地質環境脆弱性評估指數,并根據距標準差倍數對計算結果進行5級分級,微度脆弱區、輕度脆弱區、中度脆弱區、高度脆弱區和極高脆弱區(圖3,表5)。其中,生態環境極高脆弱區、地質本底極高脆弱區、生態地質環境極高脆弱區面積分別為11.60萬km2、8.60萬km2、10.48萬km2,分別占國土面積比例為23.90%、17.71%及21.61%,極高脆弱區的評價面積有差異,但分布區域基本一致,主要分布在四川西北部高山高原區,川南山地及丘陵區,整體格局特征以水系、山系為骨架集中成片分布。

圖3 脆弱性格局與生態保護紅線Fig.3 Patterns of vulnerability and ecological redline

四川省生態保護紅線(按指南劃定)總面積14.80萬km2,占國土面積的30.45%,主要分布于川西高山高原、川西南山地和盆周山地。涵蓋大巴山、金沙江下游干熱河谷、川東南山地以及盆中丘陵區,若爾蓋濕地、雅礱江源、大渡河源以及大雪山、岷山、邛崍山等,與脆弱性格局基本一致,面積有差異。

3.2 生態保護紅線分布與脆弱性格局關系

生態系統服務功能劃分為一般重要、重要和極重要 3個等級,生態敏感性劃分為一般敏感、敏感和極敏感 3 個等級,將極重要和極敏感納入生態保護紅線,通過脆弱性評估分級結果與現行方法劃定的生態保護紅線進行疊置分析(圖4,表5)。將極高脆弱區和高度脆弱區作為國土空間開發保護中的優先區域,生態地質環境脆弱區占比為18.97萬km2,占比39.10%。紅線內的高度脆弱區面積9.60萬km2,仍有近9.40萬km2的高度脆弱區未納入紅線,未納入區域均分布在川西北高海拔山地區域,與地震烈度、斷裂帶、災害分布及生態系統脆弱區域基本一致。

圖4 脆弱性評估結果與生態保護紅線疊加Fig.4 Superposition of vulnerability assessment results and ecological redline

表5 脆弱性分級統計

3.3 基于脆弱性評估法的生態保護紅線劃定

充分考慮山區地質本底特征,采用脆弱性評估法,將按指南方法劃定的生態紅線與區域生態地質環境脆弱性評估劃定進行疊置分析(圖5),提出四川省紅線劃定的兩種調整方案。

圖5 生態保護紅線優化方案Fig.5 Optimization method of ecological redline delineation

1)疊加生態地質環境脆弱性評估極高脆弱區,面積為19.76萬km2,占國土面積的比例40.66%,新增紅線4.96萬km2,該方案劃定的分布格局與區域脆弱性研究結果趨勢一致[41- 44],該方案劃定范圍與四川省主體功能區劃中以若爾蓋草原濕地、川滇森林及生物多樣性、秦巴生物多樣性、大小涼山水土保持和生物多樣性生態功能區等四類重點生態功能區為主體的生態安全格局相一致,集中反映生態系統優先保護格局及國土空間開發保護格局。

2)疊加生態地質環境脆弱性評估高度脆弱區和極高脆弱區,面積為24.17萬km2,占國土面積的比例49.73%,新增紅線9.37萬km2,格局與西南地區生態重要性及生態安全格局[39-40]及脆弱性區劃格局研究[45-46]趨勢一致,基本涵蓋四川省重點生態功能區,全面反映生態系統優先保護格局及國土空間開發保護格局,與四川省主體功能區劃相一致。

4 結論與討論

4.1 結論

生態保護紅線是國家和區域生態安全的底線,對于維護生態安全格局、保障生態服務功能、支撐經濟社會可持續發展具有重要作用。對于地質條件復雜山地區,以生態本底敏感性及生態系統服務為核心的生態保護紅線劃定指標體系,難以體現特殊的地質環境的影響,使得劃定的生態紅線格局缺乏地質—地理過程的支撐。本研究以地質環境與地理環境互饋為基礎,構建西南山區生態地質環境脆弱性評估指標體系,以我國典型山區四川省為研究區,在評估脆弱性格局的基礎上,通過與生態保護紅線進行疊置分析,提出2種優化方法。

1)以四川省為例,通過構建生態地質環境脆弱性評估指標體系,通過脆弱性評估,劃分微度脆弱區、輕度脆弱區、中度脆弱區、高度脆弱區及極高脆弱區,分別占國土面積的15.55%、24.65%、20.69%、17.50%、21.61%,高度脆弱區與極高脆弱區分布格局與生態保護紅線分布格局一致；參照中重要性與敏感性評估三級劃分方法,以高度脆弱區及極高脆弱區作為國土空間開發保護格局,脆弱區面積為18.97萬km2,占國土面積的39.10%,比基本方法劃定的14.80萬km2紅線多4.17萬km2。生態地質環境脆弱區的劃定將地質本底為表征的地球內動力特征與地表過程進行綜合,充分反映西南山地特殊區域地質不穩定性及地質災害對地表的塑造作用。2)基于生態地質環境脆弱性評估提出生態保護紅線的優化方案,方法為紅線劃定與脆弱性評估疊置分析。①疊加生態地質環境脆弱性評估極高脆弱區,面積為19.76萬km2,占國土面積的比例40.66%,新增紅線4.96萬km2,集中反映生態系統優先保護格局及國土空間開發保護格局。②疊加生態地質環境脆弱性評估高度脆弱區,面積為24.17萬km2,占國土面積的比例49.73%,新增紅線9.37萬km2,全面反映生態系統優先保護格局及國土空間開發保護格局。方案與學者對區域生態重要性及生態安全格局的劃分趨勢基本一致[41- 46],與四川省主體功能區劃中以若爾蓋草原濕地、川滇森林及生物多樣性、秦巴生物多樣性、大小涼山水土保持和生物多樣性生態功能區等四類重點生態功能區為主體的生態格局相一致。山區地質與地理過程是塑造生態紅線分布格局關鍵影響因素,特別是高海拔且地質本底環境脆弱區,不僅需要充分考慮地震、泥石流等災害對地表格局的塑造作用,同時兼顧其對高海拔區域的人類聚居空間及生產空間的影響,并預留空間。

4.2 討論

以生態本底及生態系統服務為核心的生態保護紅線劃定方法,難以體現特殊地質環境的影響,將會影響生態保護紅線劃定區位及面積的大小,難以充分體現區域生態安全及國土空間開發格局狀況。“地質環境是生態環境的載體,生態環境是地質環境的屏障”是黃潤秋對生態地質環境共同體的早期認知[22],傅伯杰等[47-48]學者對地理-生態過程的研究、“格局影響過程,過程改變格局”的綜合論述,和以地貌為基礎的綜合交叉研究體系[49- 54],深刻反映了生態地質環境共同體的特征,為山地生態保護紅線劃定指標體系構建提供理論基礎。本文從生態地質環境脆弱性角度對劃定的生態保護紅線進行優化。生態環境脆弱性角度,參考文獻選取溫度、降水、土壤、植被覆蓋、生物多樣性等5個指標,評估結果與區域的脆弱性研究結果趨向一致[55- 61],地質環境脆弱性角度構建斷裂帶、地震烈度、工程巖組、高程、坡度、起伏度、災害核密度等7個指標,評估結果與區域地質、地質災害易發性等地質環境脆弱性結果基本一致[62-67]；從綜合評估結果來看,脆弱性格局與區域研究結果趨勢基本一致[39- 46]。當前劃定的四川省生態保護紅線主要分布于川西高山高原、川西南山地和盆周山地,涵蓋大雪山、岷山、邛崍山、龍門山等山地生態系統,川東南山地以及盆中丘陵區的重要林地、草地等生態系統類型,以及若爾蓋濕地、雅礱江源、大渡河源等高海拔濕地生態系統。通過脆弱性評估法的生態保護紅線劃定結果基本與四川省主體功能區劃中劃定的重點生態功能區為主體的生態格局相一致。

地形坡度起伏度大、斷裂帶及潛在地質災害密度較大、地質條件復雜的西南山區,生態保護紅線方案的確定,應考慮地質本底與生態本底的融合。作為地形上的隆起區-西南山區具有特殊的生態安全格局及重要作用[39-40],和經濟上的低谷區的現狀,紅線的劃定也應同時兼顧區域發展空間布局[17],深入統籌區域發展和環境保護關系,持續優化生態保護紅線劃定方案并指導紅線勘界定標工作,促進生態保護紅線落地實施,發揮其對經濟社會可持續發展的支撐作用。