福建省生態保護重要性評價

牛曉楠,倪 歡,陳國光,張定源,張 景,張 潔,吳佳瑜

1 中國地質調查局南京地質調查中心,南京 210016 2 南京信息工程大學,南京 210044

經濟高速發展的同時伴隨而來的是自然災害頻發、地下水超采、水土流失加劇以及生物多樣性喪失等諸多生態環境問題[1—3]。因此,協調人與自然的關系,加強生態保護十分迫切和重要。黨的十八大以來我國生態文明建設不斷深入,生態保護在國家可持續發展中的地位愈加重要。生態保護重要性評價以自然生態理論為基礎,旨在識別生態系統服務功能極重要、生態極脆弱區域,確保生態系統完整性、連通性,堅守人類農業生產和城鎮建設過程中的生態安全底線[4—5],是資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價(以下簡稱“雙評價”) 的首要任務,也是識別生產和生活空間的前提條件[6—7]。

圖1 研究區地理位置Fig.1 The location of study area

福建省位于我國東南部東海之濱,背山面海,陸地與海岸帶共筑起福建省的生態屏障,同時也是我國東南沿海生態重要屏障的組成。習總書記指出：生態資源是福建最寶貴的資源,生態優勢是福建最具競爭力的優勢[8]。森林生態系統組成復雜,物種多樣性豐富,是涵養水源能力最強的陸地自然生態系統,對保持水土有重要意義[9—11]。但同時,據相關調查研究表明,福建省生態安全面臨著森林和生物多樣性退化、水土流失嚴重、海岸侵蝕等生態問題[12—13]。本文以福建省為研究區,基于“雙評價”指南,同時參考《生態保護紅線劃定指南》、《福建省生態功能區劃》,從生物多樣性、水源涵養、水土保持、海岸防護功能重要性四個方面展開生態系統服務功能重要性評價,并綜合水土流失、土地沙化、海岸侵蝕等典型生態問題進行生態敏感性評價,綜合此二者評估福建省生態保護重要性等級并分析其空間分布情況,為福建省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

福建省位于我國東南部東海之濱,23°33′N — 28°20′N,115°50′E — 120°40′E,與浙江、江西、廣東毗鄰,隔臺灣海峽與臺灣省相望,陸域總面積12.4萬km2,轄管10個區市,如圖1所示。福建省地貌以山地丘陵為主,閩西、閩中兩大山帶構成地形主骨架,形成西北高東南低的地勢格局。在中國氣候帶上,福建屬南亞熱帶(閩東南)和中亞熱帶(閩西北)濕潤季風性氣候；森林覆蓋率 66.8%以上,連續40 年位居全國第一。2002年福建省作為首批全國生態建設試點省份,同時也是我國第一個生態文明先行示范區,研究福建省的生態保護重要性具有重要意義,能夠為開展有針對性的生態保護、實現可持續發展提供理論基礎。

森林生態系統具有巨大的涵養水源和調節徑流的功能以及十分顯著的水土保持功能[9]。福建省森林覆蓋率雖高,但闊葉林面積減少,森林針葉化現象普遍,同時針葉林樹種較為單一,以馬尾松和杉木為主,森林結構幼齡化突出,森林生態系統趨于簡單化,生物多樣性維護功能下降[11]。福建省也面臨著生態脆弱性方面的問題,一是水土流失問題,福建省屬典型南方紅壤丘陵地區,由于降水多且集中、母巖花崗巖較為松軟,極易造成水土流失,是中國僅次于黃土高原的嚴重水土流失區；二是強烈的水土流失與風蝕作用使土壤中鋁、鐵等粘性物質嚴重流失,造成土地沙化。福建省東部為陸海交接帶,生態系統復雜多樣,海岸帶濕地生物多樣性豐富,同時也是典型的脆弱區和敏感帶[13—14],面臨著沿海防護林范圍縮小、砂質岸線不斷侵蝕后退等問題。因而,陸域范圍內,生態系統服務功能主要評價生物多樣性維護、水源涵養、水土保持功能,生態敏感性主要評價水土流失、土地沙化敏感性；海岸帶區域主要評價海岸帶生物多樣性維護功能、海岸防護功能重要性以及海岸侵蝕敏感性。

2 數據與方法

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、重要物種分布數據、自然保護區數據、水生生物保護區、歸一化植被指數(NDVI)數據、植被凈初級生產力(NPP)數據、氣象數據、土地利用類型數據、土壤類型數據、水土流失調查數據等。其中,DEM 數據來源于地理空間數據云,空間分辨率為30 m；生態系統類型數據來源于中國生態系統評估與生態安全數據庫,為矢量數據；重要灘涂、河口、防護林、紅樹林、岸線地貌類型和土地利用現狀等數據通過2018—2019年遙感影像解譯得到；重要物種分布數據來源于KBA數據庫,自然保護區數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心；NDVI數據使用MOD13產品(https://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod13.php)；NPP數據使用MOD17A3產品(https://e4ftl01.cr.usgs.gov/MOLT/MOD17A3HGF.006/)；氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網,包括氣溫、降雨量；土壤數據采用世界土壤數據庫(HWSD) 中的中國土壤數據集(V1.1);水土流失調查數據通過前期地質調查野外資料收集得到。以上數據經過拼接、配準、裁剪、投影變換和重采樣等一系列預處理,統一轉換成柵格數據,統一空間坐標系,并重采樣至30 m×30 m 分辨率的柵格。

2.2 研究方法

目前,生態保護重要性評價方面,國外大多采用保護地體系,與國內研究有較大差異,參考意義不大[15—18]。國內總體以生態系統服務功能重要性和生態敏感性為研究指標[19—21]。在對福建省生態環境進行綜合分析的基礎上,針對其典型生態服務功能和主要生態問題構建評價指標體系,進而進行生態保護重要性評價。

2.2.1生態系統服務功能重要性評價

生態系統服務功能重要性評價可以揭示生態系統服務的數量和空間差異性,識別某一空間范圍內各種生態系統服務的重要區域[22—26],目前多應用于生態空間管制[27]、生態紅線劃定[28]、生態廊道構建[29]、優化生態用地保護格局[30]、引導區域土地利用結構的優化[31]等。

生態系統服務功能重要性評價通常采用模型法、簡化模型法、NPP定量指標法,各方法的優缺點如表1 所示[4]。模型法評價結果雖然精度最高,但需要的參數和數據較多,部分較難獲取；NPP定量指標法以NPP數據為主,參數少,計算方法相對簡單,然而準確度受地域影響較大,當數據不足以支撐模型法或簡化模型法時,可用此方法來替代；簡化模型法具有普適性、針對性,要求對區域有專項調查基礎。結合福建省的生態本底與收集到的數據情況,綜合考量,最終確定水源涵養功能采用水量平衡方程計算,水土保持功能采用修正通用水土流失方程(RUSLE)計算,生物多樣性維護功能基于NPP定量指標法并與生態系統、遺傳、物種等三個層次的數據相結合展開評價,海岸防護功能評價采用簡化模型法綜合考慮生物防護區域和物理防護區域(模型的步驟和細節參見文獻[5],由于篇幅問題文中不再贅述),評價方法和參數如表2所示。

生物多樣性維護功能首先利用NPP法并按自然斷點法劃分為五個等級,進而將優先保護生態系統、重要種質資源分布區、受威脅物種區域劃定為極重要等級,同時考慮了海岸帶地區的珍稀物種以及珊瑚礁、紅樹林、重要灘涂、重要河口區域,將其修正為極重要等級；水源涵養服務則采用水量平衡方程評估福建省生態系統的水源涵養能力,對計算結果按照自然斷點法進行分級；水土保持功能采用(RUSLE)進行計算,并按照自然斷點法確定重要性等級；通過識別沿海防護林、紅樹林等生物防護區域以及基巖海岸、砂質海岸等物理防護區域,評價海岸防護功能的相對重要性程度。

表1 生態保護重要性評價方法對比

表2 生態系統服務功能重要性評價指標體系

對上述四個單要素評價結果進行疊加計算,得到生態系統服務功能重要性等級,計算公式為：

ESi=Max(Bi,TQi,Ai,CSi)

式中,ESi為空間單元i上的生態系統服務功能重要性等級,Bi,TQi,Ai,CSi分別為生物多樣性、水源涵養、土壤保持和海岸防護功能重要性等級。

2.2.2生態敏感性評價

生態敏感性評價可以明確識別在現狀自然條件下潛在的生態環境問題以及在人類活動干擾下生態問題發生的可能性大小[32]。目前,生態敏感性評價相關研究綜合考慮多種生態環境問題[29,33],其研究成果主要應用于生態安全管控[34]、生態安全格局構建[35]、生態保護與修復[36]、土地資源承載能力分析[37]、生態功能分區[38]等方面。福建省面臨的生態問題中水土流失尤為突出,部分地區土地沙化較為嚴重,沿海地區存在岸線侵蝕現象。鑒于目前掌握的數據資料,本文主要評價水土流失、土地沙化敏感性與海岸侵蝕敏感性。

將降水侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度和地表植被覆蓋度等因子作為自變量,福建省部分地區的水土流失調查結果作為訓練樣本,利用機器學習方法將水土流失強度與上述四個自變量建立回歸模型,預測全省水土流失敏感性等級,將預測結果為劇烈、極強烈、強烈、中度、輕度五個等級分別確定為極敏感、高度敏感、中度敏感、輕度敏感、一般敏感等級。

利用獲取到的福建省土地沙化監測結果,按照以下規則確定不同的敏感性區域：將侵蝕強度為劇烈、極強烈、強烈、中度、輕度的區域分別確定為極敏感、高度敏感、中度敏感、輕度敏感、一般敏感等級。

海岸侵蝕敏感性評價主要基于海岸地貌類型及利用現狀,將原生及整治修復后具有自然形態的砂質、粉砂淤泥質海岸評定為極敏感,具有自然形態和生態功能岸線評定為中等敏感,人工護岸和基巖海岸評定為一般敏感。將水土流失、土地沙化與海岸侵蝕敏感性評價結果集成,取三者中的最高等級確定為生態敏感性等級。

2.2.3生態保護重要性評價

基于資源環境承載能力的短板效應原理,采用木桶原理,取生態系統服務功能重要性等級與生態敏感性等級二者最高值作為生態保護重要性等級初判結果。將自然保護地、國家森林公園、國家濕地公園等區域修正為最高級,對評價結果的小圖斑進行剔除,并根據生態廊道對評價結果進行修正,以此增強圖斑的完整性與連通性。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務功能重要性評價結果與分析

福建省生態系統服務功能重要性評價結果如圖2與表3所示。從綜合評價結果來看,生態系統功能總體上在中等重要等級以上,基本沿閩西大山帶與閩中大山帶分布。生態系統服務功能以生物多樣性維護功能與水源涵養功能為主導。其中生物多樣性維護功能極重要區面積占研究區總面積的32.46%,主要分布在武夷山脈,鷲峰山-戴云山脈等山地丘陵區域,涉及南平市松溪縣、武夷山市、建陽區,寧德市屏南縣、壽寧縣、周寧縣,三明市將樂縣、泰寧縣、大田縣、尤溪縣等。水源涵養功能高度重要區和極重要區分布較集中,主要分布于閩西北、鷲峰山、玳瑁山等地。水土保持功能重要區域較為分散,主要位于武夷山市、光澤縣、政和縣、壽寧縣、周寧縣、柘榮縣、屏南縣、連城縣等山地丘陵區域。海岸防護功能極重要區分布呈斷斷續續狀態,原因在于一是沿海防護林分布不完整、不連續,二是紅樹林連片度差,品種單一,三是海岸工程造成周圍灘涂侵蝕后退。

表3 生態系統服務功能評價結果占福建省總面積比例統計表/%

3.2 生態敏感性評價結果與分析

福建省生態敏感性評價結果如圖3與表4所示,從綜合評價結果來看,生態敏感性總體不高,大部分處于一般和輕度敏感區,占總面積的68.30%,極敏感區域占總面積的9.71%,在空間分布上敏感性等級呈現從東部沿海地區向內陸山區降低的趨勢。

生態敏感性中水土流失占主導作用,如圖3所示,水土流失主要以輕度和一般敏感為主,占總面積的70.13%,極敏感和高度敏感區域占總面積的11.46%,主要分布在長汀縣、寧化縣、安溪縣、平和縣、詔安縣、政和縣、壽寧縣等海拔200—1000 m的區域,成因主要與強降雨和持續降雨有關,這些區域多為紅壤,容易侵蝕,

圖2 生態系統服務功能重要性評價結果Fig.2 Evaluation results and spatial distribution of ecosystem service importance

表4 生態敏感性評價結果占福建省總面積比例統計表/%

另外人為活動如坡地開墾等破壞局部植被覆蓋。土地沙化極敏感區范圍較小,主要集中在東山縣、漳浦縣、晉江市、石獅市、惠安縣等東南沿海區域以及平潭綜合實驗區,由海洋性氣候催化、海水沖刷、海風吹動聚積等自然因素以及開發建設等人為因素導致。海岸侵蝕極敏感區在漳州廈門段、泉州段以及福州段集中分布,主要是這幾段岸線為砂質岸線,長期受波浪、潮汐、風暴潮的影響,易受侵蝕。

3.3 生態保護重要性評價結果與分析

3.3.1生態保護重要性空間差異分析

綜合生態系統服務功能與生態敏感性,得到生態保護重要性評價結果,如圖4 所示。福建省的生態保護重要性格局與“兩山一海”的地理格局相對應,呈現 “兩帶一區”的生態屏障。 “兩帶”指武夷山脈-玳瑁山脈組成的閩西生態安全保護帶和鷲峰山-戴云山-博平嶺山脈組成的閩中生態安全保護帶,它們是全省主要河流的源頭和水源涵養地,也是主要的森林地區,是生態保護的核心。“一區”指沿海的海岸帶區域,這一區域為陸海交接帶,生態環境復雜多樣,是全省天然濕地的主要分布區,也是資源開發保護與經濟社會發展最重要區域。

如表5所示,生態保護極重要區面積占研究區面積的38.94%,包括國家級和省級自然保護區、森林公園、重要濕地、重要物種分布區等,主要分布在南平市的武夷山、光澤,三明市的建寧、泰寧,寧德市的霞浦、柘榮,以及福州市的晉安,龍巖市的長汀、上杭、連城,漳州市的東山等地。生態保護高度重要區面積占研究區總面積的24.05%,主要分布于南平市的邵武、建陽,三明市的沙縣、梅列、三元,寧德市的福安、霞浦,龍巖市的新羅、永定等地。

3.3.2單指標生態評價結果交叉分析

單指標生態評價結果之間可能有較強的空間相關性。將生物多樣性評價結果與水源涵養評價結果疊加分析,如圖5所示。分析發現,從空間分布來看,生物多樣性維護功能高(等級為高度重要和極重要)同時水源涵養功能好(等級為高度重要和極重要)的區域集中在閩西、鷲峰山、玳瑁山、博平嶺附近。從面積比例來看,這部分重疊區域占生物多樣性維護功能高值區的45.62%,占水源涵養功能高值區的72.26%。生物多樣性維護功能低(等級為一般重要和較重要)并且水源涵養功能也一般(等級為一般重要和較重要)的區域沿東部地區呈帶狀分布,主要由于此地帶以人工建設用地為主,特別是廈門、泉州等地進行港口建設,大規模填海造陸等經濟開發活動,脅迫海岸帶生態環境,植被覆蓋度偏低,影響了水源涵養功能以及生物多樣性的維持。

表5 生態保護重要性評價結果占福建省總面積比例統計表/%

將水土保持功能和水土流失敏感性評價結果疊加分析,如圖5所示。分析發現,水土保持功能良好(等級為高度重要和極重要)且水土流失敏感性低(一般敏感和輕度敏感)的區域占水土保持功能良好區域面積的64.89%,水土保持功能較差(等級為一般重要和較重要)同時水土流失敏感性高(等級為高度敏感和極敏感)的區域占水土流失高敏感區面積的63.76%,揭示了水土流失敏感性與水土保持功能二者在空間分布上具有較高程度的相關性。

將土地沙化敏感性和海岸侵蝕敏感性評價結果疊加分析,如圖5所示。經統計,土地沙化敏感性高的區域中,有97.44%同時也是海岸侵蝕極敏感區。福建省土地沙化和海岸侵蝕有很強的關聯性,主要是由于砂質岸線受海水沖刷、潮汐、風暴潮的影響造成侵蝕的同時,土地也極易發生沙化。

圖5 生態評價單要素疊加分析結果Fig.5 Overlay analysis results of ecological single indicator evaluation

3.3.3生態評價結果和土地利用類型統計分析

通過將土地利用現狀與生態保護重要性評價結果進行對比分析,有助于識別存在的主要問題、潛在風險等。統計結果如表6所示,發現極重要區內的土地利用現狀中有89.58%為林地,高度重要區內林地面積比例為86.79%,其余零星散落于水域、園地、耕地中,評價結果與福建生態本底吻合。福建省森林覆蓋率66.8%,生態系統群落結構復雜,提供了生物多樣性維護、水源涵養與水土保持等服務功能,維護全省生態安全。

表6 分區類型統計/%

將現狀耕地數據與生態保護重要性評價圖疊加,反映生態保護與農業生產存在空間沖突。 雖然多數耕地落入生態保護一般重要和較重要區,但有少量耕地處在生態保護極重要區之內,說明農業生產對生態系統服務功能可能產生一定影響。

生態保護極重要區內園地占總面積的1.56%,福建省一些茶園的開發已在一定程度上加劇了山地水土流失[39—41]。在福建省實地調查也發現此種情況,特別是花崗巖分布區為水土流失易發區,且茶園的開墾致使水土流失愈發嚴重。對于這些茶園的管理措施,應堅持生態保護優先的原則,建議水土流失易發區內的茶園適當退出,改為灌草、生態混交林、水保林等,減少園地生產對生態環境的破壞；其他區域建議推進產業與生態相協調,有條件情況下進行生態改造,綜合采取間作、套種、留草、疏水、筑路、培土等措施,提高茶園水土保持功能,保護和增加生物多樣性,營造特色景觀生態,建設生態茶園。

生態保護極重要區作為生態保護紅線優化調整的空間基礎,要強化其對城鎮布局的引導作用。分析建設用地,發現少量城鎮和農村居民點處在生態保護極重要區內。應對方式分兩類,針對生態保護極重要區內的城鎮建設用地,建議加強城區生態保護,實現綠色和諧共生。針對農村居民點,應與當地政府相關政策相結合,明確這些村莊的定位是集聚提升,還是特色保護、搬遷撤并。例如少量古老村莊存在也許已有成百上千年,具有文化特色,若這些古老的鄉村與環境相處和諧,且對生態無害,可以留住鄉愁,不建議將它們隨意搬遷,但必須要高度重視生態環境保護,維持與周邊自然景觀和諧相處。極重要區中集中分布的村莊,如果其定位是聚集提升,建議維持現狀,加強生態保護,不再擴建。對于零星村莊,與實際校核進行調整與取舍時,以生態優先為前提,必要時可考慮逐步搬遷撤并。

4 結論

本文以福建省為研究區,以其自然環境特征和生態問題為基礎,構建福建省生態保護重要性評估指標體系。總體上：1)福建省生態資源優勢明顯,生態保護極重要區占研究區總面積的38.94%,生態格局基本沿福建省閩西大山帶、閩中大山帶與海岸帶分布；2)生態系統服務功能總體較高,呈現從西北地區向東南沿海遞減趨勢,其中生物多樣性功能極重要和高度重要區主要分布在閩西大山帶和閩中大山帶,水源涵養極重要和高度重要區主要分布在武夷山脈和閩中大山帶南北兩段,水土保持極重要和高度重要區呈分散分布特征；海岸帶區域防護功能好的地帶不連續,主要由于防護林不完整、紅樹林品種單一等問題導致；3)生態極敏感區占研究區總面積的9.71%,水土流失極敏感區主要集中在坡度8—25°、尤其是15—25°的區域,土地沙化極敏感區主要分布于沿海地區海岸帶,與海岸侵蝕極敏感區空間范圍高度重疊。

福建省除存在水土流失、土地沙化等問題外,也有部分生態極重要空間被耕地、茶園等侵占,不恰當的農業開發是造成土地沙化的重要原因,也是導致水土流失等生態敏感問題加劇的重要因素。在分析生態系統服務功能重要性程度和矛盾沖突的基礎上,提倡重點生態功能區更多向閩西和閩西北拓展,實行生態空間精細化、差異化管理,實行生態用地占補平衡。在生態敏感性評價結果的基礎上,識別部分生態低效的區域,能夠推進生態修復,實現生態系統安全性的提升。

本文基于“雙評價”識別了生態保護的重要性程度和等級,是一種基于自然本底的理想狀態。但目前評價結果應用仍有一定局限性,如何更有效支撐生態紅線優化是目前亟待解決的問題。生態保護極重要區和重要區與現狀生態紅線在空間范圍和面積上存在差異時,如何確定哪些斑塊可以納入生態紅線？這是實際需要考慮的問題。生態保護紅線具有剛性約束,其限定范圍并非越大越好,因而建議生態保護極重要區的斑塊經評估后,部分可考慮納入生態紅線而并非全部。

本研究評價方法還有需要完善的地方。一是本文的研究方法是基于“雙評價”指南中的方法和模型,理論性和科學性如生物多樣性評價以及等級劃分有待進一步提升；二是數據精度問題,由于評價過程涉及到多種類型的數據,數據類型和數據尺度都存在差別,雖然經過重采樣等處理使得空間分辨率一致,但是對于結果的空間細節表達的準確度有何種影響尚未探索。

本文的研究方法和成果能夠為類似地區的生態保護重要性評價提供參考價值,前提是尊重系統運行規律,因地制宜地開展科學評價。生態保護重要性評價應摸清其地域分異特征,結合當地自然地理特征開展,選取合適尺度的基礎數據和科學的評價方法,保證結果的準確性和可靠性。基于生態保護重要性評價與分級結果, 結合地方的相關規劃政策, 能夠形成劃定生態保護空間的建議方案, 支撐國土空間規劃。