固碳能力提升目標下自然生態空間保護研究
——以喀斯特山區寧遠縣為例

王顯奇，吳丹，張世國，徐磊

1. 湖南省第二測繪院，長沙 410000；2. 自然資源部南方丘陵區自然資源監測監管重點實驗室，長沙 410000 3. 江西地源土地房地產評估規劃測繪有限公司湖南分公司，長沙 410000

2021年9月, 中共中央、 國務院《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出, 要持續鞏固提升碳匯能力, 一方面要穩定現有森林、 草原、 濕地、 海洋、 土壤、 凍土、 巖溶等的固碳作用, 鞏固生態系統碳匯能力; 另一方面實施山水林田湖草沙一體化保護修復重大工程, 提升生態系統碳匯增量． 碳匯空間與自然生態空間是高度重合的關系, 世界三大碳匯生態系統由海洋、 土壤和森林組成[1], 重要的碳匯空間包括森林、 草原、 濕地、 海洋等[2]． 森林是陸地生態系統的主體, 年固碳量約占整個陸地生態系統的2/3[3]; 草原是地球上最大的陸地生態系統之一[4], 草地生態系統的碳儲量絕大部分集中在地下根系和土壤中, 地上碳庫不明顯[5]; 濕地是水陸綜合作用形成的自然綜合體, 濕地具有較高的碳儲存能力[6]; 海洋是地球系統中最大的碳庫, 是大氣的50倍, 陸地生態系統的20倍[7]． 生態系統是指一定自然區域內, 所有生物及其生活環境共同構成的生態系統． 自然生態系統類型包括森林、 草原、 河流、 湖泊、 濕地、 海洋等[8], 生態系統基本功能包括生物生產、 能量流動、 物質循環、 傳遞信息等, 生態系統服務功能包括供給服務、 調節服務、 文化服務以及支撐服務[9]． 自然生態空間是指具有自然屬性, 以提供生態產品或生態服務為主導功能的國土空間, 包括需要保護和合理利用的森林、 草原、 濕地、 河流、 湖泊、 灘涂、 岸線、 海洋、 荒地、 荒漠、 戈壁、 冰川、 高山凍原、 無居民海島等[10]． 當前關于碳匯與國土空間的研究, 主要包括各類生態系統的碳匯現狀、 碳匯能力估算、 碳匯時空演變、 碳匯用地空間布局優化等; 生態修復則是基于生態系統景觀格局和生態安全格局識別問題, 提出優化建議和生態修復方案． 在“雙碳”目標和國土空間規劃體系重構的大背景下, 基于碳匯能力提升、 山水林田湖草沙生命共同體一體化保護的目標, 開展自然生態空間保護研究具有一定現實指導意義． 喀斯特地貌在我國廣泛分布, 喀斯特地區生態系統管理需了解其生態系統服務之間的權衡/協同關系[11]． 本研究以國家重點生態功能區、 南嶺喀斯特地貌山區寧遠縣為例, 從碳匯空間與自然生態空間識別入手, 基于MODIS GPP/NPP(凈初級生產力)數據分析縣域碳匯空間特征, 并從斑塊—廊道—基質角度分析縣域生態安全格局與存在的問題, 進而從自然生態空間保護目標設置、 固碳能力提升目標下的自然生態空間布局優化、 自然生態空間用途管制、 生態保護修復4個方面制定面向固碳能力提升的自然生態空間保護方案．

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域概況

寧遠縣地處嶺南中部褶皺帶, 地理位置為110°42′-112°27′E, 25°11′-26°08′N, 總面積2 500 km2． 中亞熱帶季風氣候區, 氣候溫和, 雨量充沛, 陽光充足, 多年平均降雨量為1 510 mm, 多年平均氣溫為18.7 ℃, 無霜期達297 d． 屬山地丘陵區, 四面環山, 中間為盆地． 山脈南北有九嶷山、 陽明山, 東西有霧云山、 都龐嶺, 喀斯特地貌分布廣． 屬湘江流域, 河流包括泠江、 九嶷河、 西舂水、 中河等． 土壤以砂巖為主, 壤土、 紅黃壤土分布廣泛, 呈弱酸性． 寧遠縣是林業大縣, 林地面積為1 664 km2, 占全縣用地面積的66.56%, 森林覆蓋率為58.7%, 林種包括馬尾松、 闊葉林、 人工杉木林、 竹林等．

1.2 數據來源與處理

本研究主要數據包括遙感數據、 土地利用數據、 林種數據． 遙感數據來自NASA官網(https: //search.earthdata.nasa.gov/search)提供的Terra衛星MODIS傳感器的中分辨率成像光譜儀所獲取的遙感影像數據, 即MOD17A3HGF提供的像素分辨率為500 m的年度凈初級生產力; 土地利用數據來自2020年國土變更調查成果、 2020年地理國情普查; 林種數據來自林業保護一張圖、 森林資源調查．

2 研究方法

2.1 碳匯空間識別方法

2.2 景觀格局評價方法

景觀格局評價主要集中于景觀格局量化評估[15-16], 是通過建立景觀分類系統, 運用Fragstats 4.2計算景觀格局指數, 研究區域景觀格局特征和空間分布格局． 本研究通過對寧遠縣自然生態空間中涉及的森林、 濕地、 河流、 湖泊、 灘涂、 荒地等景觀類型進行細分至二級類, 選取斑塊平均面積(MPS)、 景觀類型面積(CA)、 平均形狀(MSI)、 斑塊密度(PD)、 多樣性指數(SHDI)等指標評價景觀格局的斑塊類型、 斑塊形狀、 斑塊類型水平異質性、 景觀水平異質性．

2.3 生態格局識別方法

自然生態空間具有功能空間特征, 能否提供生態系統服務是甄別自然生態空間的核心準則[17]． 劃定方法包括枚舉法、 要素評價為基礎的疊加分析法、 構建生態安全格局法、 最小累積阻力模型統籌三生空間優化法等[18]． 本研究基于景觀生態學斑塊、 廊道、 基質, 運用最小阻力模型統籌三生空間優化法識別縣域生態安全格局． 具體步驟為確定源、 識別生態廊道、 劃分生態功能區[19]． 確定源中的“源”即過程的源, 包括生態重要性極重要和生態敏感性極敏感的生態源地[20], 包括水源保護地、 自然保護地、 重要公益林、 地質災害易發區、 石漠化區; 識別生態廊道即確定區域內能量和物質流動的載體[21], 包括緩沖區、 連接廊道、 戰略點等． 生態廊道具有趨于高潛力空間進行相互聯系的特征, 符合最小累積阻力模型計算的前提, 即以生態源為起點, 結合生態潛力空間, 得到生態源潛在廊道[22]; 劃分生態功能區中, 生態功能區主要是生態服務功能重要區域, 包括水源涵養、 水土保持、 生物多樣性維護、 防風固沙等生態保護重要區域以及水土流失、 石漠化、 土地沙化等生態敏感區域, 具體劃分方法參照自然資源部《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南》(試行)[23]．

3 結果分析

3.1 縣域固碳量及空間分布情況

研究表明, 寧遠縣域年固碳量為1 702.77萬t, 平均年固碳密度為0.76 kg C/m2, 最大固碳密度為2.07 kg C/m2, 最小固碳密度為0.32 kg C/m2． 從空間分布上看, 呈南北兩端低中部高的分布規律, 植被固碳量高的區域主要分布在中西部的天堂—中和—棉花坪集中林、 中北部的清水橋—鯉溪—桐木漯集中林、 中東部的霧云山—冷水集中林以及中南部的水市—灣井集中林; 植被固碳量較高區域主要是南部的九嶷山集中林、 北部的五龍山集中林、 柏家西—中和東、 太平—保安—仁和一帶; 植被固碳量低的區域主要分布在中和西側、 九嶷山—五龍山高海拔區、 東溪—禾亭—冷水石漠化區、 水市南側、 四街道中心城區(圖1)． 從固碳量與自然生態空間分布情況來看, 固碳量高的區域主要景觀為林地、 灌木, 包括竹林地、 喬木林地、 灌木林地, 此部分與高固碳空間重合度達80%以上, 其次為草地、 濕地和未利用地, 具體包括其他草地、 森林沼澤、 灌叢沼澤、 灘涂、 耕地等, 固碳能力最弱的為建設用地, 尤其是城鎮建設用地, 固碳空間零星分布在公園綠地和城市道路． 結合寧遠縣森林資源調查情況看, 相較成熟林, 中幼林固碳能力更強． 植被固碳量高的區域主要林種為杉木中幼林、 闊葉樹中幼林、 國外松中幼林以及特規灌木林地; 植被固碳量相對較低的區域主要林種為杉木近成過熟林、 闊葉樹近成過熟林、 柏木近成過熟林; 植被固碳量低的區域主要林種為未成林地、 無立木林地、 宜林地、 經濟林、 杉木及過熟林(表1)．

表1 寧遠縣森林資源分布情況

圖1 寧遠縣域年固碳量分布圖(2020年)

3.2 縣域自然生態空間景觀格局分析

寧遠縣域自然生態空間總面積為1 708.11 km2, 占縣域總面積的68.32%, 生態資源豐富． 從具體景觀上看, 主要包括森林、 草地、 濕地、 河流、 水面、 荒地, 其中森林景觀面積最大, 為1 645.44 km2, 占自然生態空間的96.33%, 主要分布在南部的九嶷山集中林、 北部的五龍山集中林和西部的棉花坪—中和集中林, 其次是草地, 面積為27.82 km2, 占比1.63%, 主要分布在中部喀斯特地貌分布區, 再次是河流, 面積為20.97 km2, 占比1.23%, 貫穿縣域南北(圖2)． 從各類景觀看, 森林平均斑塊面積較大, 斑塊密度較小． 從景觀指數看, 寧遠縣域自然生態空間平均斑塊面積為30.82 hm2, 平均形狀指數分布為1.70, 多樣性指數為0.20, 由此可見寧遠縣自然生態空間景觀相對單一, 主要以森林為主, 穩定性較好． 具體到各類景觀, 森林規模最大、 最完整, 斑塊數量少、 密度小, 景觀最穩定, 但受人類活動干擾大, 平均形狀指數為1.85, 是各類景觀中的最大值, 主要因為中部地勢破碎程度大, 與草地、 河流、 村落、 城區等景觀交融． 草地、 荒地平均斑塊面積較大, 主要因為寧遠縣屬于喀斯特地貌, 受石漠化影響, 土壤厚度薄, 土肥條件差． 濕地、 河流景觀較為破碎, 斑塊密度遠超其他景觀, 且兩者關系密切, 濕地主要分布在河流附近, 呈此消彼長的態勢, 主要由于寧遠縣域河流上游支流部分不連續, 出現中途截斷的情況． 總體而言, 從景觀類型上看, 寧遠縣生態資源較好, 主要景觀為森林, 穩定性較好, 但森林受人為干擾大; 濕地、 河流景觀破碎程度高． 從地域分布上看, 縣域南北區域較為穩定, 景觀最完整; 受生產建設、 農業活動和喀斯特地貌影響, 中部地區自然生態景觀多樣性更好, 但相對較為破碎． 具體各項指標詳如表2所示．

表2 寧遠縣域自然生態景觀分析

圖2 寧遠縣域自然生態景觀分布情況

3.3 縣域自然生態空間格局與存在的問題

寧遠縣處于南嶺山區水源涵養與生物多樣性保護區, 同時又是喀斯特地貌發育區, 主要生態功能為水源涵養區、 生物多樣性保護區以及石漠化敏感區． 因此生態源和節點主要綜合考量森林公園、 自然保護區、 濕地公園、 水源地、 集中林、 石漠化區等, 共17個因子(表3)． 生態功能區往往高度集中生態保護極重要區, 參照“雙評價”生態保護重要性等級和主要的生態功能, 寧遠縣生態功能區為“兩區兩屏”, “兩區”即以九嶷山國家森林公園—濕地公園—自然保護區為核心的南嶺水源涵養與生物多樣性保護區、 五龍山集中林—雙龍水庫為核心的生物多樣性保護區; “兩屏”即西部的中和集中林—鳳仙橋水庫—大壩口生態屏障、 西舂水東側集中林—牛形壩水庫—霧云山林場生態屏障． 生態廊道以生態源和生態節點為起點, 疊加生態保護重要性等級為極重要和重要的圖斑, 得到具有高潛力的生態空間, 識別主要生態廊道和次要生態廊道． 寧遠縣主要生態廊道包括“兩橫三縱”, “兩橫”包括鳳仙橋—棉花坪—永佳—冷水、 中和—天堂—霧云山—冷水—謝家; “三縱”包括中和—鳳仙橋—大壩口—雙龍—五龍山、 九嶷河—天堂—棉花坪—大壩口、 九嶷山—霧云山—永佳—牛形壩—五龍山． 因此, 寧遠縣域為“兩區兩屏兩橫三縱多點”的生態格局, 如圖3、 表3所示．

表3 寧遠縣生態源與生態節點一覽表

圖3 寧遠縣域生態格局圖

從景觀格局和生態安全格局上看, 寧遠縣生態資源優越, 森林資源豐富, 但縣域自然生態空間存在一定的問題． 一是生態斑塊破碎, 尤其是濕地、 河流景觀較為破碎, 平均斑塊面積僅為1 hm2左右, 遠低于其他景觀; 縣域自然生態空間主要集中在南部和北部的生態涵養區, 景觀最完整, 森林景觀面積達164 544.44 hm2, 占縣域總面積的65.82%, 斑塊密度僅為1.51, 平均斑塊面積達到了66.08 hm2; 中部受生產建設和石漠化侵蝕等因素影響, 生態斑塊比較破碎, 生態服務功能有限． 二是受建設用地侵占, 部分生態廊道連通性不夠, 主要體現在中部橫軸和東側縱軸生態廊道不連續或廊道過窄, 潛在的生態廊道受各方面侵蝕, 其中河流平均形狀指數僅為1.52． 三是生態屏障受石漠化影響, 生態退化嚴重, 根據石漠化調查結果, 縣域東側受石漠化侵蝕嚴重, 嚴重影響到西舂水東側集中林—牛形壩水庫—霧云山林場生態屏障和九嶷山—霧云山—永佳、 牛形壩—五龍山生態廊道, 縣域東側潛在的生態風險大． 最后從固碳能力上看, 寧遠縣固碳能力較強, 但空間分布差異大、 巨大的提升潛力． 得益于豐富的森林資源, 規模性的水源涵養和生物多樣性維護功能的自然生態系統, 寧遠縣年固碳量達1 702.77萬t, 平均年固碳密度為0.76 kg C/m2; 同時, 在空間上存在一定差異, 寧遠縣最大固碳密度為2.07 kg C/m2, 最小固碳密度為0.32 kg C/m2, 固碳能力在空間上差異明顯, 尤其是中部地區, 由于其獨特的自然地貌和人為活動影響, 整體固碳能力不強, 仍有一定的提升潛力．

4 自然生態空間保護方案

4.1 自然生態空間保護目標

自然生態空間保護目標主要聚焦于區域所在的生態區位和主導生態功能, 基于生態安全格局確定保護目標, 進一步鞏固提升生態空間固碳能力． 寧遠縣自然生態空間保護目標為構建南嶺山地帶國家重要生態屏障、 湘江源重點生態功能區． 具體突出九嶷山、 霧云山、 五龍山、 九嶷河、 泠江、 寧遠河、 西舂水等山脈、 水系生物多樣性與水源涵養功能; 加強生態公益林、 天然林和林地、 濕地的“兩林兩地”重點生態功能區保護; 實施生態廊道建設, 對高速、 干線公路, 四河兩岸進行封山育林及人工促進植補; 開展石漠化、 重金屬污染土壤、 生態退化等區域治理, 構建縣域“兩區兩屏兩橫三縱多點”的多維網絡化生態安全格局．

4.2 固碳能力提升目標下的自然生態空間布局優化

自然生態系統固碳能力提升是公認的最經濟、 綠色、 具有規模效益的技術途徑． 當前, 聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)認可的自然生態系統固碳能力提升人為管理措施主要包括造林、 退耕還林、 退耕還草、 退田還湖等, 技術措施主要是實施山水林田湖草一體化生態保護修復工程, 增加森林面積和積蓄量[24]． 自然生態空間固碳能力提升策略主要為將固碳能力與生態安全格局構建融為一體, 將固碳量低的區域與生態源、 生態廊道、 生態斑塊修復結合, 開展綜合治理提升, 將疏林地、 未成林地、 無立木林地、 宜林地、 特規灌木林地等低碳匯區域, 與修復生態源、 培育生態節點、 聯通生態廊道、 修復區域生態有機結合在一起[25], 按照宜喬則喬、 宜灌則灌、 宜草則草的原則, 開展山水林田湖草一體化系統修復, 科學劃定綠化造林空間, 打造喬—灌—草立體生態系統, 鞏固提升生態空間固碳能力． 結合實地勘察及海拔、 土壤質地、 土層厚度、 石漠化程度等自然條件, 在疏林地、 未成林地、 跡地以及其他土地選取綠化造林空間, 寧遠縣域綠化造林空間主要分布在中部生態斷裂點, 總面積為38.76 km2; 通道綠化主要分布在高速、 干線公路和四河兩岸, 共12條通道綠化(圖4)．

圖4 寧遠縣域生態格局優化圖

4.3 自然生態空間用途管制

從景觀學看, 自然生態空間包含基質、 節點、 廊道． 基質即生態空間內生態要素, 如山水林田湖草; 節點即生態空間內關鍵生態源或生態節點, 如森林公園、 濕地公園、 集中分布公益林、 水源地、 重要湖泊水庫等; 廊道即生態空間內保障物質流、 能量流、 信息流等在國土空間流動的重要生態通道[17]． 以上3個要素組成的生態空間構成了整個生態系統, 提供包括供給、 支持、 調節、 社會文化等生態服務． 因此生態空間用途管制應從生態要素、 生態格局、 生態功能3個方面, 同時兼顧固碳能力與行政管理職能, 劃分用途管制分區和制定用途管制規則． 在生態空間用途管制分區上延續現行自然保護地—生態保護紅線—生態空間管制分區, 并在此基礎上疊加固碳能力分區, 分為高、 較高、 低3檔(圖5)． 在用途管制規則上延續當前自然生態空間管制規則, 采取分區管控和準入清單制, 自然保護地核心區原則上禁止一切人為活動; 自然保護地核心區以外生態保護紅線僅允許有限人為活動; 生態保護紅線以外生態空間嚴格控制農業、 城鎮等空間占用[10]． 除此之外加強高、 較高固碳能力區域管控, 嚴格限制高、 較高固碳空間占用, 對固碳空間進行分類差異化管理, 進一步鞏固高、 較高固碳空間的固碳能力, 封山育林, 嚴格限制該區域樹木砍伐; 科學確定低固碳空間造林綠化地塊, 加強石漠化治理, 提升低固碳空間固碳能力．

圖5 寧遠縣自然生態空間管制分區與生態修復工程圖

4.4 生態保護修復

生態保護修復應基于區域自然生態空間格局現狀與存在的問題, 對區域山水林田湖草開展系統治理[26]． 寧遠縣屬南嶺山區, 同時也是喀斯特地貌發育區, 具有嶺南生物多樣性保護和湘江水源涵養多重功能． 主要存在3個方面問題, 一是中部受生產建設和石漠化侵蝕等因素影響, 生態斑塊破碎, 生態服務功能有限; 二是中部橫軸和東側縱軸生態廊道不連續或廊道過窄, 潛在的生態廊道受各方面侵蝕, 生態環境極為脆弱; 三是生態屏障受石漠化影響, 生態退化嚴重, 主要分布在縣域東側, 嚴重影響到西舂水東側公益林—牛形壩水庫—霧云山林場和九嶷山—霧云山—永佳生態屏障． 按照“宜林則林、 宜草則草、 宜濕則濕”、 生態修復與固碳能力結合的原則, 從生物多樣性與水源涵養生態功能、 自然生態空間存在的問題、 自然生態空間固碳能力潛力空間分布特征等方面提出寧遠縣生態修復重點工程, 系統修復山水林田湖草生態景觀, 構建高固碳能力的自然生態空間格局． 具體包括生物多樣性、 綠化造林、 石漠化治理、 水環境治理、 生態廊道修復、 礦區修復六大類工程, 如表4所示．

表4 寧遠縣生態修復工程一覽表

5 結論

自然生態空間涉及森林、 草原、 濕地、 河流等自然生態系統, 與碳匯空間高度重合, 自然生態空間保護是固碳能力提升的必然舉措． 同時, 自然生態空間保護是系統綜合工程, 需從生態安全格局、 生態景觀入手, 識別存在的問題, 保護分區, 進而優化空間布局, 開展保護修復工程． 本研究以國家級生態功能區、 南嶺喀斯特地貌分布山區寧遠縣為例, 基于景觀生態學斑塊—廊道—基質理論基礎, 運用最小累積阻力模型, 識別自然生態空間和縣域生態安全格局, 并運用MODIS凈初級生產力數據分析縣域碳匯儲量及空間分布情況． 研究發現, 縣域自然生態空間格局存在生態斑塊破碎、 重要生態廊道不連續、 生態屏障退化嚴重等問題; 基于固碳能力提升的目標, 從自然生態空間保護目標、 空間布局優化、 用途管制、 生態保護修復4個方面提出自然生態空間保護方案, 符合縣域自然生態空間格局的形成和優化．