大清河流域生態功能區劃研究

宋友城, 田毅, 2,*, 安拴霞

大清河流域生態功能區劃研究

宋友城1, 田毅1, 2,*, 安拴霞1

1. 中國地質大學(北京), 北京 100083 2. 北京市國土資源信息研究與開發重點實驗室, 北京 100083

以區域生態功能特征進行生態區劃是區域生態保護與修復的重點內容, 根據生態主導性原則, 引入生態敏感度、生態服務價值和生態風險3個指標進行大清河流域生態重要性評價及生態功能區劃分。研究表明: (1)生態重要性低、較低、中等、較高、高的區域面積占研究區比例分別為40.47%、32.96%、6.28%、3.20%、17.07%。空間上, 生態重要性呈現以水源地與自然保護區高, 向四周逐漸降低的趨勢。(2)將大清河流域分為山地區、丘陵過渡區、平原區3個一級生態功能區, 明確不同生態功能區的生態保護與修復重點, 其中山地區以維持生態平衡、修復尾礦處理不當造成的地質災害為目的; 丘陵過渡區應注重礦業活動開采的影響, 注重礦—地—水的協調發展; 下游地區包含有雄安新區和白洋淀水域, 應注重耕地開發利用與水域保護相結合。(3)在一級生態功能區的基礎上劃分出16個二級生態功能區, 包括水源涵養生態功能區、植被保護區、洪水調蓄生態功能區3個生態功能重要區, 并且明確了各個生態功能區的生態保護措施與生態修復重點。據此研究結果, 可以在生態保護的基礎上, 為大清河流域礦山整理修復、土壤侵蝕嚴重區整治、降低水源地風險、合理利用礦、林資源提供支持, 實現流域內礦—地—水的協調發展。

大清河流域; 生態功能區劃; 流域生態保護; 生態修復

0 前言

我國生態環境敏感脆弱[1], 在經濟高速發展和人口增長的壓力之下, 生態環境惡化加快, 已經限制了社會經濟發展。生態功能區劃是區域科學管理和可持續發展的基礎[2], 通過區劃能有效減少流域生態系統管理的復雜性。生態功能分區最早由Crowley[3]根據氣候和植被特征提出并劃分了加拿大生態分區地圖, 但當時分區并未涉及生態系統的結構層次。近年來[4,5,6], 國內外學者大多以自然地形地貌為對象, 而較少考慮自然生態系統的綜合性、整體性, 導致基于地形地貌進行生態區劃在流域或區域綜合管理生態系統方面的實踐中仍有不足。針對目前生態功能區劃中重地理分布特征、輕生態系統功能和完整性原則的現狀, 有必要進行以切實服務生態功能可持續發展為管理目標的生態功能區劃。

大清河流域地處北京市南大門, 不但支撐京津冀地區水資源供給、氣候調節, 也為雄安新區發展提供水源涵養和生產能力, 其重要程度不言而喻。流域內煤炭資源、建材類礦產富集, 由于長期地無序開采, 使得上游地區水土流失、土壤侵蝕狀況嚴重, 面臨諸多地質災害的威脅, 下游植被退化嚴重。大清河流域原有的規劃和管控多是針對單個、單項整治工程, 側重考慮耕地保護、農業生產發展等, 但很少有基于流域內礦—地—水為整體的生態系統綜合整治規劃, 導致諸多問題積累引發了一系列嚴重的地質災害和環境問題。大清河流域地處太行山水源涵養與土壤保持重要區以及太行山國家級水土流失重點治理區, 要求恢復和重建生態系統功能, 并加強礦山開發的監管, 隨著國家提出的雄安戰略不斷穩步推進, 對上游空間尤其是大清河流域的土地整治就顯得迫在眉睫。然而, 現有研究無法滿足該要求, 尤其是基于礦—地—水為整體的生態協調發展的整治工程。

生態系統的所有服務價值都尤為重要, 但對于區域而言, 進行生態功能區劃應該以幾個功能為重點, 首先進行保護與修復, 以其達到流域生態功能區劃的目的。趙斌[7]認為流域是地球內營力作用下的基本輪廓, 保持了生態完整性, 所以以子流域為自然單元的劃分尺度。基于此, 以生態修復為目的, 通過開展生態綜合整治分區研究, 以區域生態敏感性、生態系統服務功能及生態風險為指標, 考慮工礦廢棄地治理、煤炭資源穩定開發、生態環境改善等為目標, 為該區開展生態修復工作提供基礎。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

大清河流域, 介于北緯38°14′24″－39°57′30″, 東經114°20′48″－116°54′57″之間, 東西長約223 km, 南北寬約190 km, 總面積約為19058 km2。(圖1)。

1.2 數據來源

本研究數據主要包括影像數據、統計數據、矢量邊界數據(表1)。

圖1 大清河流域位置圖

Figure 1 Location map of Daqing river basin

表1 數據來源

2 研究方法

本研究的研究思路主要是進行生態重要性評價, 然后基于子流域尺度的生態功能區劃, 最后結合實際情況給出生態保護與修復意見。在空間上, 利用遙感、地理信息技術(GIS)提取分析數字高程模型(DEM)、地形、土壤、土地利用、生態服務價值、礦業等數據, 通過ArcGIS軟件空間分析模塊, 得到各要素空間上的對應關系, 采用二級分區的體系, 進行大清河流域生態修復分區研究。最后采用綜合指標法評價區域生態系統敏感性、生態系統服務價值及生態風險得到以子流域為尺度的生態功能分區(圖2)。

2.1 數據預處理

專題影像制圖儀(TM/ETM)數據來源Landsat8衛星。時間為2017年9月19日, Kappa系數0.7927, 分類精度84.42%。提取大清河流域數字高程模型, 并通過目視、監督分類等方法得到土地利用/覆蓋數據。其中坡向、坡度通過ArcGIS中的三維空間分析模塊提取, 植被指數數據通過ENVI軟件中的波段計算器得到。

式中, NDVI為歸一化植被指數, NIR為近紅外波段(0.841—0.876μm), Red是紅波段(0.620—0.670 μm)。

圖2 技術路線圖

Figure 2 Technology roadmap

對數據進行歸一化處理以消除不同計量單位對結果的影響。(公式2)。

式中,min和max表示數據中的最小值和最大值。

2.1 基本分區方法

研究區內的自然環境影響生態保護與修復工程主要為地形地貌, 其很大程度上能夠決定工程的潛力及實施過程的難易。本研究結合研究區數字高程模型, 從地貌單元一致性出發, 初步劃分一級分區, 同時以黃海的高程100米等高線劃分為平原區(<100 m)、丘陵過渡區(100—500 m)和山地區(>500 m)三個區, 每個區相應的影響因素并不完全相同, 進而選擇相應影響因素疊加分析, 劃分二級分區得到土地整治分區。

2.2 子流域劃分

其子流域劃分基于ArcGIS軟件中的流域分析模塊進行子流域提取。(圖3)

基于流域生態學相關學者[9], 比較積水面積閥值2000、5000、10000、20000的子流域劃分結果, 其子流域數量分別為806、322、143、93, 最終選取積水面積閥值為10000進行研究。

2.3 生態系統重要性分區評價

目前生態系統功能評價主要研究方法有綜合指數法、模糊綜合指數法、主成分分析法等多種傳統方法, 由于地理信息系統(GIS)技術的數據處理、空間分析能力, 利用地理信息系統(GIS)技術的單因子和多因子綜合評價已經成為目前流域和區域生態功能評價的發展趨勢。本研究基于綜合指數法結合地理信息系統(GIS)平臺對各因子進行加權疊加, 得出綜合生態功能指數, 然后依據自然斷點法將大清河流域生態功能指數按照高低分為: 高重要性區、較高重要性區、中等重要性區、較低重要性區、低重要性區。

生態系統重要分區是以生態敏感度、生態服務價值及生態風險指數作為生態重要性分區評估的三部分。基于國內外對生態敏感度相關研究[10,11,12]確定, 生態敏感度主要通過2015—2018歸一化植被指數(NDVI)變化、坡向、水源保護區及自然保護區4項指標累加獲得。針對生態系統服務價值, 根據相關研究[13,14], 選取4個一級指標, 11個二級指標對其進行量化。

研究區汛期上游漲水速度較快, 容易引起下游堵塞與一系列地質災害, 加上礦業生產、植被退化, 容易引起泥石流、地面塌陷等地質災害, 加之當地部分地區坡度陡峭, 土壤裸露, 容易導致水土流失、土地侵蝕等自然災害。根據相關研究[13]表明, 海拔、坡度對加重地質災害與土壤侵蝕有一定相關性, 對于生態風險指數的確定主要利用潛在地質災害風險(泥石流、地面坍塌、地面滑坡等)、土壤自然侵蝕潛力、坡度及海拔累加得到。并且本研究根據每個生態功能因子的不同因素對于其生態功能影響程度選取從1到9的不同敏感度等級(表2), 利用SPSSAU軟件進行層次分析法確定生態敏感度、生態服務價值及生態風險指數權重(公式3), 并且通過一致性檢測(公式4)。

圖3 基于DEM虛擬河網的子流域劃分流程

Figure 3 sub-basin division process based on DEM virtual river network

表2 生態重要區的評價指標

式中,表示指標數, 矩陣的特征值表示其權重。

本研究根據上述方法, 綜合考慮生態敏感度、生態系統服務價值和生態風險3個綜合指標進行生態重要性建模(公式5), 利用自然斷點法劃分出生態重要性高、較高、中等、較低、低5個區域。

其中,w表示一級指標層權重;w表示二級指標層權重;、表示一級指標層、二級指標層因子數量,s表示敏感等級。

2.4 生態保護與修復優先區和區劃方案

通過上述方法, 得到生態重要性評價結果, 根據大清河流域生態環境保護“十三五”規劃重點工作要求、生態重要性、土地利用現狀等數據, 劃分出水源涵養生態功能區、植被保護區、洪水調蓄生態功能區3個生態紅線區。再以一級區劃方案的基礎上, 根據其生態系統主導功能, 進行二級分區并命名, 以名稱簡單扼要、體現各區主導生態功能或主要生態問題、各區名稱相互對應為命名原則(表3)。

3 結果與分析

3.1 大清河流域生態重要性空間分異

大清河流域共有1個小五臺山國家級自然保護區, 位于山地區東北部; 2個省級自然保護區, 分別是位于山地區中北部的金華山-橫嶺省級自然保護區和位于丘陵過渡區中部的白洋淀濕地省級自然保護區; 6個水庫水源保護區, 分別為位于丘陵過渡區西南部的王快水庫和西大洋水庫、丘陵過渡區中南部的龍門水庫、丘陵過渡區西部的口頭水庫、山地區東南部安戈莊水庫和山地區中部的橫山嶺水庫。為顯示其之間差異, 利用自然斷點法對生態重要性指標進行等級劃分來顯示其重要性的等級差異, 分別為低、較低、中等、較高和高5級。(圖4, 5)

表3 大清河流域生態分區表

由圖中可以看出生態敏感度是以生態保護區和水源保護區為中心向外變低, 也可以體現出對于非生態保護區、非水源保護區的歸一化植被指數(NDVI)嚴重減少。高生態風險區主要集中于山地區北部高山和丘陵過渡區中高坡度地區, 其地區由于坡度陡峭加上無序采礦, 形成了地質災害易發區。

3.2 劃定優先保護區

依據生態敏感度、生態服務價值及生態風險評價結果, 將三者評價結果根據公式進行計算, 利用自然斷點法將生態重要性分為低、較低、中等、較高、高5類。提取生態重要性高的區域, 結合大清河流域自然狀況與地區相關規劃文件, 將其劃定為生態紅線區。根據其主要生態功能劃分為植被保護區、水源涵養生態功能區、洪水調蓄生態功能區。其中水源涵養生態功能區分布于平原區西部和丘陵過渡區東部, 該地區分布有白洋淀、馬棚淀水庫、龍門水庫及瀑河水庫等眾多水庫。植被保護區分布于丘陵過渡區北部和山地區東南部, 該區分布小五臺山國家級自然保護區及金華山-橫嶺省級自然保護區。洪水調蓄生態功能區分布于山地區西南部, 該區作為白洋淀上游, 對于白洋淀生態保護區及下游眾多河流治理起到重要作用。(表4、圖6)

圖4 大清河流域生態指數分等面積占比(a. 生態敏感性, b. 生態服務價值, c. 生態風險)

Figure 4 Area proportion of the Ecological index in the Daqing River Basin (a. ecological sensitivity, b. ecological service value, c. ecological risk)

圖5 大清河流域生態敏感度、生態服務價值、生態風險空間分異圖

Figure 5 Spatial differentiation map of ecological sensitivity, ecological service value and ecological risk in Daqing river basin

3.3 生態功能區劃

基于大清河流域生態敏感度、生態服務價值及生態風險評估結果, 根據區域相似性與差異性原則、可操作性原則、主導生態功能優先原則[5,15,16], 結合地區地形地貌、土地利用現狀及生態保護的需要, 通過多次調整和完善, 最終形成大清河流域生態系統功能區劃成果圖。(表5, 圖7)

3.4 大清河流域一級分區生態整治工程重點

全流域3個一級分區, 山地區以維持生態平衡、修復尾礦處理不當造成的地質災害為目的; 丘陵-低山過渡區應注重礦業活動開采的影響, 注重礦—地—水的協調發展; 下游地區包含有雄安新區和白洋淀水域, 應注重耕地開發利用與水域保護相結合。因而在今后發展過程中, 雄安新區要考慮上游的水土流失和中游礦業活動開采對其產生的影響; 對于新區下游地區, 土地利用多為耕地開發, 需水量較大, 可能當下對雄安新區發展沒有影響, 但未來發展過程中, 也需注重協調水—地關系, 促進農業生產和社會經濟發展。

表4 生態重要性面積占比

圖6 生態重要性空間分異

Figure 6 Spatial differentiation of ecological importance

表5 生態分區表

(1)水源涵養生態功能區Ⅰ-1、Ⅱ-1: 水位周期性不穩定, 水源不足, 水面逐漸縮小, 存在水體污染。作為生態功能高重要區, 應劃定生態紅線, 首先應對流域水源進行科學的調蓄, 實行合理用水, 節約用水。解決泥沙淤積問題的途徑在于上游搞好水土保持, 保護重點治理上游地區, 封山育林, 養草, 調整種植結構, 創造好的生態環境。對排放污水的工廠采取有力的凈化措施, 限制污水超標排放, 改造和完善污水處理設施, 來解決水體污染。

(2)重點城市群Ⅰ-2: 作為京津冀大都市群周邊, 充分利用大都市輻射效應影響, 加快城市環境保護基礎設施建設, 加強城鄉環境綜合整治。

(3)農產品提供功能區Ⅰ-3: 本區河流雖多, 河流供水和需水不一致, 汛期降水過量, 常發生澇災, 春季少雨又造成干旱, 由于開發深水層, 出現大范圍漏斗區。鹽堿地還未徹底改良, 在土地利用方面, 忽視地力的培肥。要因地制宜, 搞好農作物栽培管理, 適地適種, 有水源的條件可改種水稻, 可以使鹽堿順地表水流走。水利工程措施方面, 新打機井布局和結構要合理, 有條件的地方, 充分利用淺層淡水, 少打深水井, 有條件的地方, 可適當發展噴灌、滴灌和滲灌, 加強防洪、排澇, 建立健全排灌系統。

圖7 大清河流域生態系統功能區劃成果圖

Figure 7 Results of ecological system function zoning in Daqing river basin

(4)土壤保持生態功能區Ⅰ-4: 以潮土為主要類型土壤, 土壤侵蝕嚴重, 易造成缺苗斷垅, 養分含量屬于中下較低水平, 肥力較低。開展并加強土地平整工程, 維修好臺條田, 科學灌溉, 防止內澇, 適當種植耐鹽性作物。

(5)植被保護區Ⅱ-2、Ⅲ-1: 區域生態重要性高, 但面臨植被退化風險。應該劃定為生態紅線, 可以封山植樹養草, 遠山陡坡育草養牧, 近山緩坡、溝谷山腳土層較厚的地方植樹造林, 實現生態保護。

(6)水土流失綜合整治區Ⅱ-3、Ⅲ-2: 土層較薄, 坡度起伏大, 地下水位淺, 容易引起水土流失問題緊張。本區開展土地整治時, 應重點開展以下工作: 土層薄的地區, 適合灌木和養草, 發展畜牧業, 土層較厚的地區, 可以栽種油松, 楊樹等。遠山陡坡育草養牧, 近山緩坡、溝谷山腳土厚較厚的地方植樹造林。

(7)礦山環境綜合整治區Ⅱ-4、Ⅲ-3: 土層薄礫石多, 植被覆蓋少, 礦產資源開采造成土地損毀壓占, 易引發塌陷、地裂縫、山體滑坡等地質災害。重點開展露天礦山深度整治行動, 植樹造林, 加強尾礦庫綜合治理。

(8)地質災害綜合整治區Ⅱ-5、Ⅲ-4: 坡度較大, 巖體松散, 山體覆蓋層一般較薄, 易形成泥石流、不穩定滑坡等地質災害, 部分地區由于尾礦處理不達標形成地面塌陷等問題。采用植物措施與工程措施相結合的方法, 修筑邊坡等, 及時填補因采礦造成的地面塌陷和地裂縫, 恢復當地生態環境, 積極擴大森林面積。

(9)綜合農產品提供功能區Ⅱ-6、Ⅲ-5: 部分土層較薄, 土層中夾雜少量礫石, 各種養分含量較低, 植被覆蓋較少, 存在中度水土流失現象。修建梯田, 種地養地。合理劃定牧場, 加強草場建設, 水資源較差的旱地, 要努力增收谷子、甘薯豆類的種植面積, 增施磷肥, 提高產量, 增加收入。

4 結論

(1)通過對大清河流域生態系統功能進行綜合評價, 分析重要指標, 得到流域生態重要性分區, 共計3個一級分區, 16個二級分區, 從空間分布格局入手分析生態問題, 而提出針對不同生態問題進行生態恢復、保護措施, 從整體上開展生態保護與修復工程。

(2)生態系統功能區劃區別于之前的重地理分布, 輕生態系統功能的生態分區, 引入生態功能服務價值和流域內部土壤侵蝕等生態風險因子, 有助于識別流域或區域生態高敏感區和重要區, 為生態保護與修復工程的規劃與實施提供依據。

(3)為了維護雄安新區和大清河流域可持續發展, 生態系統功能分區結果可以在生態保護的基礎上, 為大清河流域礦山整理修復、土壤侵蝕嚴重區整治、降低水源地風險和合理利用礦、林資源提供支持, 實現流域內礦—地—水的協調發展。

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Study on ecological function zoning of river basin of Daqing River Basin

SONG Youcheng1, TIAN Yi1, 2,*, AN Shuangxia1

1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China 2. Beijing Key Laboratory of Land and Resources Information Research and Development, Beijing 100083, China

Ecological regionalization based on regional ecological function characteristics is the key content of regional ecological protection and restoration. According to the principle of ecological dominance, three indexes of ecological sensitivity, ecological service value and ecological risk were introduced to evaluate the ecological importance of the Daqing River Basin and to divide the ecological function area. The results showed that: (1) the proportion of areas with low, a little bit low, medium, a little bit high and high ecological importance in the study area was 40.47%, 32.96%, 6.28%, 3.20% and 17.07% respectively. Spatially, the ecological importance showed a trend of water sources protection areas and nature reserve, and gradually decreased in all directions. (2) The Daqing River Basin was divided into three first-levels ecological function areas, namely mountain areas, hilly transition area and plain area. In the present study, the main objective was to identify the different ecological protection and restoration land. The mountain area aimd at maintaining ecological balance and repairing geological disasters caused by improper treatment of tailings. The hilly transition zone should pay attention to the influence of mining activities and the coordinated development of ore-land-water. The downstream area included Xiongan New Area and Baiyang Lake, so the combination of cultivated land development and water area protection should be emphasized. (3) On the basis of the first-level ecological function areas, 16 second-level ecological function areas were divided, including water conservation ecological function areas, vegetation reserve and flood regulation and storage ecological reserve, and the study defined measures of each ecological protection and ecological restoration.On the basis of ecological protection, this study can provide support for mine consolidation and remediation, soil erosion control, water source risk reduction, and rational utilization of mine and forest resources in the Daqing River Basin, so as to realize the coordinated development of mine-land-water in the basin.

Daqing River Basin; ecological classification; watershed ecological protection; ecological repair.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.024

X37

A

1008-8873(2021)06-197-10

宋友城, 田毅, 安拴霞. 大清河流域生態功能區劃研究[J]. 生態科學, 2021, 40(6): 197–206.

SONG Youcheng, TIAN Yi, AN Shuangxia. Study on ecological function zoning of river basin of Daqing River Basin[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 197–206.

2020-05-17;

2020-06-25

國家自然基金項目(41877532)

宋友城(1996—), 男, 湖南湘西人, 主要研究方向為國土空間規劃, E-mail:2112180043@cugb.edu.cn

通信作者:田毅(1974—), 男, 陜西西安人, 博士, 副教授, 主要從事城市立體規劃研究, E-mail: tianyi@cugb.edu.cn