生態系統優先保護區識別及生態治理成效分析

吳一帆 唐洋博 李瑋

摘要：

理清六安市生態系統服務功能現狀和優先保護區，評估重要生態環境治理工程的成效，對支撐“合肥都市圈”的綠色發展具有重要意義。采用InVEST模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）和空間自相關等技術手段，探明六安主城區（金安區、裕安區）2000～2009年及2010～2019年的重點生態系統服務功能區，并通過對比分析明確六安主城區的優先保護區和治理區。以位于治理區的蘇大堰濕地項目為例，分析其生態治理成效。結果顯示：南部林地為六安主城區生態系統優先保護區，蘇大堰濕地項目位于中心城區的面源污染防治和土壤保持治理區內；蘇大堰濕地項目的建成將極大地提升項目所在地生態系統服務功能，其中“淠河綠廊”將增加項目區域土壤保持量49%，實現污染物消減增加54%，“濕地與農業示范區”將增加項目區域36%的土壤保持量，提升24%的污染物消減量。

關 鍵 詞：

優先保護區； 生態治理； 空間自相關； InVEST模型； 六安市

中圖法分類號： X52

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.016

0 引 言

生態系統服務功能是指自然生態系統及其物種所提供的能夠滿足和維持人類生活需要的條件和過程，是人類從生態系統中獲得的惠益，同時也是自然資源價值核算評估的基礎［1-2］。生態系統服務功能涉及整個生態環境的多種循環，包括物質循環、能量循環、信息循環、動態演化等多方面，對環境的改變極為敏感［3］。

大量的研究表明，土地利用變化是影響陸地生態系統物質和能量循環的重要因素［4］，人類活動對土地利用的改變（土地利用變化）大大降低了全球生態系統服務功能［5］。隨著城鎮化的加速，中國城市的生態系統結構和功能發生了巨大的改變，相關研究顯示，中國每年需投入當年GDP的7%～20%來彌補生態系統破壞和環境污染帶來的經濟損失［6］。例如，城市化過程中林草轉化為不透水地面會影響自然水循環，導致區域水資源供給平衡被破壞［7］；單位面積人口的增加，造成城市內重點河流湖泊污染負荷加劇，生態系統自凈能力受損［8］；此外，市政項目建設改變了土地利用類型，從而造成城市地下巖體承載力降低，導致水土流失［9］。然而，生態系統的修復工程技術復雜，資金投入較大，難以在城市全域開展相應的風險診斷和治理［10］。

生態系統服務和權衡的綜合評估（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs，InVEST）模型作為評估生態系統服務功能的方法之一，已被廣泛應用于重點生態保護區生態系統服務功能的評估［5］。例如，劉陽等［11］應用InVEST模型劃分了北京市密云區的水分涵養和土壤保持重點區域；楊文仙等［12］應用InVEST模型識別了云南重要的生物多樣性保護區。然而，年際間土地利用、溫度、降雨等條件的變化是影響InVEST模型對生態系統服務功能的評估結果的重要因素［4］。因此，為了更準確地劃定研究區內生態系統服務功能保護和防治的重點區域，需要利用多年的評估結果對研究區生態系統服務功能進行分類。空間自相關即是一種可用于空間分類的研究方法。范雙云等［13］在長沙應用空間自相關的方法實現了耕地的保護分類；王芳等［14］在重慶澎溪河濕地應用該方法對生物多樣性的空間格局和重點區域進行了識別。本次研究通過結合較長時間序列的生態系統服務功能模擬與空間自相關方法，識別研究區內多年生態系統服務功能重點區域，為城市生態環境的精準治理提供一種科學的方法和路徑。

六安市是長江大保護實施的重要城市，位于合肥市上游。淠河作為合肥市的供水水源穿六安主城區（金安區、裕安區）而過，因此，理清六安市生態系統服務功能現狀和優先保護區，評估重要生態環境治理工程的成效，對支撐“合肥都市圈”的綠色發展具有重要意義。本次研究通過InVEST模型和空間分析方法定量識別分析2000～2009年及2010～2019年六安市主城區重點生態系統服務功能區和優先保護區，為六安城市發展進程中生態環境保護的精準施策提供科學支持；最后，以位于六安市重點生態功能區的蘇大堰濕地項目為例，分析生態保護工程對區域內的生態系統服務功能提升成效，為下一階段的生態環境保護工程布局提供科學依據。

1 研究區域及數據來源

1.1 六安概況

六安市位于安徽省西部，長江三角洲西翼，與合肥市、淮南市、阜陽市、安慶市、黃岡市和信陽市接壤（見圖1）。六安市總面積約15 451.2 km2，分為裕安區、金安區、葉集區、霍邱縣、金寨縣、霍山縣和舒城縣。六安市地表水豐富，河流眾多，境內有淠河、石河、杭布河等6條主要河流［15］，水資源公報和相關文獻顯示，六安市地表水資源總量83.66億m3。

1.2 東風湖流域黑臭問題

本次研究聚焦六安市主城區（裕安區、金安區），為長江大保護六安生態環境治理布局提供科學依據。六安市裕安區和金安區為主城區，占地面積約為3 583 km2，占市域面積的23.2%。淠河由南向北穿過主城區。2019年主城區土地利用類型大致分為耕地、林地、草地、水域、荒地和城鎮等6種，其中耕地面積最大（2 663.85 km2），占比最高（74.38%）；林地次之，面積為566.97 km2，占比15.83%，主要分布在主城區海拔較高的北部；城鎮用地集中在淠河六安主城區中段，面積為271.1 km2，占比7.53%。

六安主城區在2000～2019年間土地利用發生了較大的改變（見表1），城鎮面積幾乎增長了一倍，由2000年的144.87 km2增長為2019年的271.10 km2，2005～2010年城鎮面積增長幅度最大，為28%。分析土地利用轉移流向發現，淠河六安主城區中段有140 km2的耕地轉變為城鎮用地（見圖2），城鎮的擴張和人口的集聚產生的污染負荷上升，增加了六安市淠河水環境保護的壓力。2002年起，中國啟動了退耕還林行動，六安市積極開展相關工作，20 a間有133 km2的耕地轉變為林地，主要集中在主城區北部（見圖2（a）），其中在2000～2005年間，林地面積增長最快，約20%。

1.3 數據來源

本次研究涉及的氣象數據來源于中國氣象數據網（http：∥data.cma.cn/site/index.html）；土地利用數據來源于武漢大學30m土地利用數據集［16］；土壤數據來源于國家青藏高原科學數據中心（http：∥data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）；全國及省市區縣矢量邊界數據來源于中科院資源與環境科學數據中心（http：∥www.dsac.cn/DataProduct/Index）。

2 研究方法

2.1 InVEST模型

InVEST模型主要著重于量化多種生態系統服務價值以及其空間分布［17］，模型的主要優勢在于能夠通過易獲取的空間數據，以網格為基本計算單元模擬大尺度空間范圍的多種生態系統服務價值［18-19］。大量研究顯示，InVEST模型能很好地反映區域年際間以及不同生態環境情景間的變化趨勢等［20］。因此，本次研究采用InVEST模型，在分析20 a間六安主城區重點生態系統服務功能的演變特征的基礎上識別優先保護區。本次研究涉及水源涵養量以年徑流深表征（mm），土壤保持能力以土壤質量表征（t/km2），污染控制能力由氮元素質量表征（kg/hm2）。

2.1.1 水源涵養

InVEST模型的水源涵養模塊的原理是基于Budyko水熱耦合平衡的估算方法，水源涵養模塊根據降雨量、潛在蒸散發、下墊面條件、植被可利用含水量、土壤類型等條件進行模型模擬［21］。模擬結果以網格為單位輸出，研究者可以根據不同的需求，應用相應的矢量數據進行靈活的分流域、區域統計。其中，某一網格單元的降水量減去實際蒸散的水量即為水源涵養量，模型主要算法如式（1）～（3）所示。

研究認為，生態環境優先保護區應是高空間生態系統服務功能集聚的區域，因此，研究選擇對水源涵養、土壤保持和污染控制等三種生態系統服務功能的空間自相關分析，明確空間上各生態系統服務功能較高聚集區的分布，并將其認定為優先保護區，反之較低生態系統服務功能聚集區域為優先治理區。研究首先將不同生態系統服務功能依照各自的取值范圍，按照自然段點法分為14類，并相應賦值為1～14，應用Moran′s I 指數，識別各生態系統服務功能4個象限中的高-高及低-低象限，認為兩種象限分別代表應作為優先保護區的生態功能區和應開展相應的治理工程生態環境治理區。

2.3 蘇大堰濕地項目土地利用情景設置

通過對六安主城區優先保護區和治理區的識別，研究處于治理區的蘇大堰濕地項目對治理區生態系統服務功能的提升。蘇大堰濕地土地利用情景相關數據資料來源于《淠河右岸生態農業示范區項目》規劃。本研究以規劃為基礎，通過改變蘇大堰濕地區域的土地利用類型，研究蘇大堰濕地工程對六安主城區生態環境質量的提升成效。

根據武漢大學30 m土地利用數據分析，2019年蘇大堰濕地項目范圍如圖3所示，其中圖3（a）是項目位置及土地利用現狀；圖3（b），（c）為根據規劃建成后的土地利用格局。建成前，蘇大堰濕地區域以占比超過77%的農業用地為主，其余23%為城鎮建設用地。濕地建成后，生態濕地主要用作徑流污染的緩沖區，面積占比28%；生態農業用地集中在“濕地與農業示范”區西側，占比為蘇大堰項目的27%；林地和草地分布在“淠河綠廊”及“濕地與農業示范”區近淠河段，占比為蘇大堰項目的45%（草地30%；林地15%）；區域內無城鎮和傳統耕地。

3 結果與討論

3.1 六安主城區生態系統服務功能空間特征

本次研究將研究時間段劃分為2000～2009年和2010～2019年兩個時期，兩個時期的生態系統服務功能空間分布由各時期網格點年均值獲得。探究不同時期六安主城區水源涵養、土壤保持、水質凈化功能的空間分布特征，為識別不同生態系統服務功能的重點功能區提供基礎。六安主城區水源涵養功能空間分布呈現由南向北遞增的趨勢，這與六安的地形高程由南向北降低相關，北部的平原地區承載了降雨后南部山區形成的大量地表徑流，成為六安的“蓄水池”。隨著20 a 間林地面積的增長，高覆蓋度的林地和草地增加了南部山區的水源涵養能力，使六安主城區高水源涵養能力區域（＞1 000 mm）面積增長約30%（見圖4（a），（b））。中心城區的擴張，導致更大面積的土壤硬化為不透水路面，降低了雨水的入滲能力，從而弱化了中心城區的水源涵養能力［24］。值得注意的是淠河由南向北流經主城區，保持南部山區淠河上游良好的水源涵養能力，對保障淠河水資源和下游六安、合肥的經濟社會發展具有重大意義［25］。

研究顯示，土壤保持能力與土地利用類型、降雨、地形等因素息息相關。以土地利用類型為例，研究證明林地的土壤保持能力最高［26］，因此，六安主城區高土壤保持能力區域主要集中在南部林地和草地植被覆蓋度較高的區域。值得注意的是，六安主城區東南部以耕地為主的區域也顯示出了較高的土壤保持能力，這可能是由六安的地形和降雨分布決定的。研究時間段內，六安土壤保持能力較高的區域（＞2 000 t/km2）面積增長約16%；中等土壤保持能力區域（1 000～2 000 t/km2）的面積增長約34%，且廣泛分布于六安主城區的平原地帶（見圖4（c），（d）），說明耕地轉變為城鎮、林地和草地，一定程度上降低了降雨徑流沖刷的侵蝕作用［26］。

六安主城區超過74%的土地利用類型為耕地，面源污染可能會成為危害環境質量、制約經濟社會發展的重要因素［27］。由于植被和各土地利用類型對污染物的截留效率不同，污染物在不同土地利用類型和結構的遷移距離和路徑各異。隨著林地、草地面積的擴大，六安主城區南部山區的污染負荷進一步減少（自然環境氮磷負荷的來源以大氣沉降以及植被腐敗后被微生物分解為主）［27］，低污染負荷區域（<2 kg/hm2）面積增加了約27%（見圖4（e），（f））。農業生產過程產生的污染物負荷較降雨帶來的城市地表徑流污染負荷高，因此隨著城鎮面積增加，六安中心城區污染負荷整體呈現下降的趨勢。

3.2 六安主城區優先保護區識別

研究采用Morlan′s I指數對六安主城區的水源涵養、土壤保持和污染防治等生態系統服務功能進行空間自相關分析，對高生態系統服務功能的網格進行聚類，以明確研究時間段內為六安發展提供動力的重點功能區。圖5中紅色網格代表在99%置信區間上高生態系統服務功能的集合，藍色網格代表在99%置信區間上低生態系統服務功能的集合。通過對比分析，本研究分別將六安主城區兩個時期（2000～2009年和2010～2019年）的聚類結果進行對比分析，對在兩個時期均為高生態系統服務功能的區域定義為優先保護區，對在兩個時期均為低生態系統服務功能的區域定義為治理區。

研究結果顯示，六安市水源涵養功能的優先保護區集中在南部林地和北部平原區，西南部為治理區。土壤保持的優先保護區為西南部林地和東南部耕地，六安中心城區北部淠河邊的部分區域為土壤保持的治理區，該區域以耕地為主，海拔較低，與淠河相臨，在汛期受到降雨沖刷，造成土壤流失的風險較大。六安主城區的北部林地也是污染控制的優先保護區，對淠河上游污染物的攔截和凈化起到重要作用。因此，從空間分布上來看，六安市各生態環境的優先保護區主要位于南部山區，也是淠河的上游。淠河是合肥都市圈重要的水源來源，保障該區域的水源涵養能力，提升水土保持功能，減少農業面源污染是支撐區域協同發展的基礎，同時也是該區域的重點生態環境保護工作。此外，由于淠河穿過六安市區，城市面源污染控制是保障淠河及六安河網水環境質量的重點工作之一，污染控制的治理區除了六安中心城區外，還有中北部平原地區的耕地，因此該地區的沿河污染控制也是急需解決的重要問題。研究結果與實際情況也較為符合，有一定的現實指導價值。

3.3 蘇大堰濕地治理成效

將識別出的六安中心城區土壤保持和污染控制重點治理區重合作為新的研究對象。蘇大堰生態濕地項目位于治理區的北部，其中“濕地與農業示范”位于污染負荷控制重點治理區；“淠河綠廊”大部分面積位于土壤保持重點治理區（見圖6）。本次研究以2019年的土地利用和氣象數據為基礎，在中心城區的治理區，模擬分析蘇大堰濕地的建設對生態系統服務功能提升成效。

由圖7可見，蘇大堰濕地建成后將顯著增強治理區的土壤保持能力，同時降低污染負荷，對保障淠河干流的水環境、水生態和水安全具有較強的意義。

濕地建成后，“淠河綠廊”的土地利用類型由耕地轉變為高覆蓋度林地，增加了植被對污染物的截留能力，也提高了植被在極端降雨情勢下對雨水的緩沖能力，降低了降雨對土壤的侵蝕。“淠河綠廊”的建設通過改變用地景觀格局［28］，阻攔了原有的降雨徑流條件，在一定程度上提高周邊區域的土壤保持能力（見圖7（c））。經統計，“淠河綠廊”的高土壤保持能力（＞2 000 t/km2）面積增加約33%，高污染負荷消減（＞8 kg/hm2）面積增加了76%，較建成前增加土壤保持量49%，實現污染物消減量增加54%（見圖7（f）），相應的提高了六安主城區土壤保持治理區2.6%的土壤保持總量，同時削減了污染負荷治理區2.9%的入河污染量。

“濕地與農業示范區”建成后，區域中提升景觀品質的林地、草地以及相應的不同區域生態濕地顯著提高了區域土壤保持能力，高土壤保持能力（＞2 000 t/km2）面積增加約73%，土壤保持總量增加36%（見圖7（c））。“濕地與農業示范區”中不同功能區對污染控制生態系統服務功能的提升具有較大的差別，其中，生態河道和深度凈化塘污染物的消減能力提升較多，高污染負荷消減（＞8 kg/hm2）面積增加了52%；有機農業、休閑田園、藝術田園和生態田園由于使用了新技術、優化了植被配置［29］，且有部分林地和草地覆蓋，相較“濕地與農業示范區”建成前，將實現污染物消減增加24%（見圖7（f）），相應提高了六安全城區土壤保持治理區1.8%的土壤保持總量，同時削減了污染負荷治理區2.7%的入河污染量。

4 結論與展望

4.1 主要結論

六安在2000～2019年間城市化發展迅速，使六安主城區生態系統服務功能空間格局發生了較大的改變。本研究應用InVEST模型和空間自相關等研究技術手段發現：六安市主城區南部林地為重要的生態功能區，對支撐六安及下游合肥等城市具有較強的意義，應優先重點啟動保護工作；六安中心城區則應開展土壤保持和污染防治等保護和治理項目，蘇大堰濕地的建成將提高項目區域的生態系統服務功能，其中“淠河綠廊”將提高中心城區治理區土壤保持和污染物消減2.6%和2.9%；“濕地與農業示范區”將提高治理區土壤保持和污染物消減1.8%和2.7%。

4.2 不足與展望

研究采用武漢大學30 m土地利用數據集為基礎進行分析，由于六安市主城區分布著大量的耕地，難以與草地區分，將對土地利用轉移分析及模型模擬相關分析結果產生一定的誤差。研究從生態的角度評價六安市主城區的優先保護區，缺乏對建成區點源等污染的分析。在未來的研究中，應嘗試綜合應用生態模型和城市排水系統模型，更科學地識別關鍵保護區，為優化生態環境系統工程布局提供支持。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：

To support the green development of the Hefei metropolitan area，it is important to clarify the current status of Liu′an ecosystem services and priority protection areas，and to assess the effectiveness of major environmental improvement projects.In this study，the InVEST model（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs）and spatial autocorrelation technical methods were used to identify the key ecosystem services functional areas in downtown of Liu′an City（Jin′an District and Yu′an District）from 2000 to 2009 and 2010 to 2019，and priority protection areas were identified through comparative analysis.This study took Sudayan wetland as an example to analyze the effectiveness of ecological measures.The results show that forest in the south Liu′an City is the priority protection area for the ecosystem service function.Sudayan wetland project is located in the non-point source pollution and the soil conservation prevention area in downtown of Liu′an city.Sudayan wetland can enhance the ecosystem service of the site，especially the Pihe River green corridor can increase the soil conservation by 49%，and achieve an increase of 54% in pollutant reduction.The wetland and agricultural area will improve the total soil conservation by 36% and reduce the pollutant by 24%.

Key words：

priority protection areas；ecological restoring；space autocorrelation；InVEST model；Liu′an City