基于生態系統服務變化的河西地區生態修復分區

黃卓, 孫建國, 馮春月, 徐鵬, 楊浩, 侯文兵

(1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院,蘭州 730070; 2.地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心,蘭州 730070; 3.甘肅省地理國情監測工程實驗室,蘭州 730070; 4.西南石油大學地球科學與技術學院,成都 610500)

0 引言

工業革命以來,人類社會對自然資源的過度開發和利用造成了荒漠化、水土流失、森林破壞和濕地萎縮等一系列生態退化問題[1-2]。隨著可持續發展理念的普及和深入,國際組織、各國和地方政府越來越重視生態修復的政策制定和工程實踐[3-5]?？茖W合理的分區是生態修復的關鍵環節和重要前提,已引起學術界的普遍關注[6-7]。

目前,生態修復分區的方法大致可分為2類。其一,依據生態退化類型和原因的分區方法。例如,宋偉等[8]選取水土流失、礦山開采、極端降水、降水分布、植被蓋度、林分質量、農田質量、草地退化和貧困狀況8個指標實行生態修復分區; 馬世發等[9]結合高強度人類活動和土地利用景觀變化開展粵港澳大灣區生態修復分區。一般而言,此類分區存在指標選取的主觀性問題。其二,依據生態系統服務(ecosystem services,ES)的分區。作為對人類從生態系統中獲得的所有惠益的評定,ES量值既能客觀表達生態系統狀況,又能全面體現各種生態退化的效應[10-11]。因此,此類分區方法受到廣泛關注和使用[12-14]。例如,岳文澤等[12]和劉春芳等[13]從ES供需匹配差異視角構建生態修復分區方法; Comín等[14]根據ES相對總價值指數針對皮埃德拉河流域進行生態修復分區嘗試。

然而,現有基于ES的生態修復分區大多僅考慮ES現狀,難以有效反映生態修復的潛力。此外,當前的生態修復分區基本限于一級分區,側重于修復和保護的優先級[15-17],而未充分關注修復的類型和方向。本文以甘肅省河西地區為研究區,首先基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine,GEE)平臺分類Landsat影像獲得2期(2005年和2020年)土地利用數據,采用當量因子法計算2期ES分項價值和總價值; 然后,對ES總價值變化進行聚類和異常值分析,構建生態修復一級分區; 最后,利用ES分項價值變化的組合特征劃分二級分區。本研究旨在驗證基于ES變化的生態修復二級分區方法,同時實現河西地區生態修復分區進而提供一定的決策建議。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

甘肅省河西地區位于甘肅省西北部,祁連山以北,合黎山以南,烏鞘嶺以西,新疆維吾爾自治區以東(圖1)。行政區劃包括武威市、張掖市、金昌市、酒泉市和嘉峪關市,總面積24.78萬km2。河西地區南北高、中間低,可分為南部祁連山地、中部走廊平原以及北部北山山地3大地貌單元。南部祁連山脈分布著大面積的冰川和永久積雪,消融后的冰川匯集形成3大內陸河——石羊河、黑河和疏勒河,再流入中部走廊平原,滋養大片綠洲和城市。北山山地自東向西有龍首山、合黎山以及馬鬃山。整體上,河西地區氣候干旱,土壤多沙[18],生態系統脆弱,存在冰川萎縮、草地退化、土地沙化以及城鎮擴張等諸多問題[19],生態修復的任務艱巨。

圖1 研究區概況圖

1.2 數據源

以下幾項數據均來自GEE平臺: 2005年和2020年遙感影像(Landsat5和Landsat8,空間分辨率30 m)、凈初級生產力(MOD17A3HGF V6產品,空間分辨率500 m)、降水(GPM數據集,空間分辨率11 132 m)以及數字高程模型(digital elevation model,DEM)(SRTM數據集,空間分辨率30 m)。土壤侵蝕數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http: //www.resdc.cn),分辨率為1 000 m。統計數據(GDP數據和糧食產值)從甘肅省統計局(http: //tjj.gansu.gov.cn)和國家統計局(https: //data.stats.gov.cn)獲得。所有空間數據經重采樣,空間分辨率統一為30 m。

2 研究方法

2.1 土地利用分類

根據河西地區的實際情況,土地利用類型分為7類: 耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地和冰川。通過谷歌地球人工采集了2020年1 264個訓練樣本點和534個檢驗樣本點以及2005年460個檢驗樣本點。土地利用分類方法選取隨機森林和變化檢測,主要見參考文獻[20],此處不再贅述。初步分類后再經眾數濾波消除分類影像的噪聲。最后,選取總體精度(overall accuracy,OA)和Kappa系數評價分類精度[21]。

2.2 ES評價

謝高地等[22]對Robert等[23]的成果改進,構建了適用于中國生態系統的基于單位面積價值當量因子法的ES價值動態評估方法。為考慮ES的時空差異,選用土壤侵蝕、凈初級生產力、降水以及統計數據調整當量因子。根據千年生態系統評估,ES可分為供給服務(P)、調節服務(R)、支持服務(S)和文化服務(C)4項。采用當量因子法分別計算ES總價值和分項價值,具體方法參見文獻[24]和[25]。

2.3 生態修復分區

2.3.1 一級分區

聚類與異常值分析工具通過局部計算與顯著性分析,得到空間對象的熱點區、冷點區和異常區,即: HH(高值聚集)、LL(低值聚集)、HL(高值被低值包圍)以及LH(低值被高值包圍)4種類型。該工具已經廣泛應用于包括ES在內的各種地理現象的空間分析[26-27],以反映其格局與動態。本文利用該工具進行基于ES變化的生態修復一級分區(表1)。HH為ES變化高值聚集,代表生態條件有所改善,定義為“重要保護區”(ImP)。同理,LL定義為“重要修復區”(ImR)。HL為ES變化低值包圍高值,代表中心區生態條件變化好于鄰近區,定義為“優先保護區”(PrP)。同樣,LH定義為“優先修復區”(PrR)。此外,ES變化無顯著聚集區被定義為“潛在修復區”(PoR)。

表1 生態修復一級分區情況

為克服行政區劃的局限性,同時考慮研究區的面積,選取10 km×10 km規則格網作為空間單元,統計2005—2020年ES總價值變化量,利用上述方法獲得生態修復一級分區。

2.3.2 二級分區

根據ES分項價值變化的組合特征開展二級分區,以進一步了解生態修復與保護的類型和方向。具體地,PrP和ImP按照ES分項價值增加的類不同劃分保護二級區; PrR,ImR和PoR依據ES分項價值減少的類不同劃分修復二級區。理論上,每個一級分區的分項價值變化組合特征均有15個——P,R,S,C,PR,RS,SC,PS,PC,RC,PRS,RSC,PSC,PRC和PRSC。另外,PoR還有一個“None”的組合特征,表示所有分項服務價值均呈現穩定狀態。實際中,二級分區類型可能遠少于理論類型數。二級分區的命名規則為“一級分區-分項價值增加/減少的組合特征”。例如,PrR- P代表“優先修復區-供給服務減少”。

3 結果與分析

3.1 土地利用和ES價值時空變化

3.1.1 土地利用時空變化

圖2(a)和(b)分別為2005年和2020年土地利用分類結果。2005年與2020年土地利用分類的OA分別達到0.878和0.926,Kappa系數分別達到0.842和0.907,精度滿足本文的研究需求。河西地區土地利用類型以未利用地為主,占比62.3%,其他類型占比從高到低分別為: 草地21.8%、耕地5.8%、冰川4.4%、林地4.1%、建設用地1.3%和水體0.3%。從空間分布來看,林地、冰川主要分布在祁連山地,耕地、建設用地大多在走廊平原,未利用地在走廊平原東北部、西部以及北山山地分布較多,草地在祁連山地和北山山地分布較多,水體較少,主要是三大內陸河。2005—2020年間,走廊平原的耕地、建設用地明顯增加,北山山地的草地在減少,祁連山的林地和草地在增加。整個研究區而言,草地和未利用地面積在減少,耕地、林地以及建設用地面積在增加,水體和冰川的面積變化較小。

(a) 2005年 (b) 2020年

3.1.2 ES價值時空變化

圖3(a)為2005—2020年ES總價值變化空間分布圖。ES總價值總體較穩定,增加和減少區域較集中,未變化區域所占比重最大,占比69.1%,增加和減少區域分別占比16.8%和14.1%,可見河西地區生態修復與保護已初見成效。其中,增加區域主要分布在祁連山西部冰川區域以及石羊河流域上游的林草地,減少區域主要分布在馬鬃山和祁連山中部的草地以及走廊平原的綠洲城市。圖3(b)—(e)分別為2005—2020年P,R,S和C價值變化的空間分布圖。P、R、S以及C價值較穩定,未變化區域分別占比73.8%,69.5%,71.7%和80.9%。前三者增加和減少集中區域基本與總價值的分布相似,C價值變化的空間分布特征較為不同,在馬鬃山地、疏勒河流域平原以及祁連山西部的變化較少。

(a) ES總價值 (b) P價值 (c) R價值

3.2 生態修復一級分區

生態修復一級分區結果如圖4所示。PoR分布范圍最廣,面積最大,占河西地區總面積的78.0%,主要分布在3大流域平原以及北山山地的戈壁荒漠地區,該區地勢平坦,平均高程較低,平均植被覆蓋率極低,ES總價值較穩定,涉及酒泉市、張掖市、金昌市和武威市的12個區縣。PrR與PrP的分布分散,面積極小,面積占比均不足1%,其中,PrR分布在ImP范圍內,位于東、西部祁連山與山前草地的過渡帶,PrP分布在ImR范圍內,零散于祁連山中部與山前草地的過渡帶。PrR,PrP的平均高程和平均植被覆蓋率均較高,ES總價值分別處于減少和增加,PrR涉及酒泉市、張掖市、金昌市和武威市的5個區縣,PrP涉及張掖市的3個縣。ImR與ImP的分布聚集,面積較大,面積占比分別為7.2%與13.0%,修復和保護潛力較于前三者更大。ImR主要分布在走廊平原、馬鬃山山地以及中部祁連山山地3部分,地勢起伏大,平均高程較低,平均植被覆蓋度較高,ES總價值聚集性減少,涉及酒泉市、張掖市、嘉峪關市和武威市的11個區縣。ImP主要分布在祁連山東部的林草地和西部的冰川區域2部分,平均高程與平均植被覆蓋率較高,地勢西高東低,ES總價值聚集性增加,涉及酒泉市、張掖市、武威市以及金昌市的6個區縣。ImR的空間分布較ImP復雜,因此ImR的修復方向較ImP的保護方向多樣。但較于修復,河西地區的生態保護更為迫切,具體表現為ImP面積大于ImR。

圖4 生態修復一級分區

3.3 生態修復二級分區

本文根據二級分區的類型探討一級分區的修復和保護方向,因此,僅在此分析二級分區的組成與結構。河西地區二級分區實際共有10類修復二級區和6類保護二級區。如圖5所示,二級分區主要為5類: PoR-None(66.8%),ImP-PRSC(12.9%),PoR-S(10.3%),ImR-PRSC(5.8%)和ImR-PRS(1.5%),其他二級分區占比均不足1%。通過分析ImP和ImR的二級分區面積占比,可得ImP以ImP-PRSC為主,ImR以ImR-PRSC為主。河西地區的分項服務之間主要呈協同關系,ES分項價值的同向變化是ES總價值變化的主要原因,ImR和ImP的修復與保護應注重P,R,S和C的綜合提升。

圖5 生態修復二級分區面積占比圖

4 討論

4.1 生態修復一級分區

5類一級分區的空間分布和地理特征存在差異,采用的修復和保護對策也應不同。

ImP主要分布在祁連山東部和西部,以草地、林地和冰川為主,生態條件良好,是河西地區重要的水源地。近年來,“南護水源、中保綠洲、北治風沙”方針的指導,退耕還林、退牧還草項目的開展[28],使得該區域未利用地面積急劇減少,林地和草地面積大幅增加,植被覆蓋率得到有效提升,水源涵養能力持續提高,生態條件不斷改善,ES總價值增加。因此,ImP應該繼續推動環境保護和綠色發展,對祁連山區的冰川、河流和森林實施管護,重視水源地生態保護,確保林草資源安全。

ImR可分為3部分,分別是祁連山中部山地、馬鬃山山地和走廊平原綠洲。第一部分以林地和草地為主,生態本底較好,但耕地的增加占用了大量林地和草地,使得ES總價值減少。應結合高山區域特色,實行高坡度耕地退耕還林還草、封山育林等措施。第二部分以未利用地和草地為主,土壤疏松多沙,少水多風,近年來草地發生退化、泉水逐漸枯竭,水土流失加劇[29-30]。該區域應以防風固沙為重點,大力建設“北方防風固沙帶”綜合防護體系,栽種荒漠植被,嚴格水資源管理制度,開展水生態修復。第三部分以耕地、草地為主,由于人口的擴張和長期過度放牧[31],導致建設用地和耕地面積增加,草地面積減少,ES總價值損失。該區域應堅守生態保護紅線,提倡建設用地擴張不占用基本農田,持續推進退牧還草和草原生態修復治理工程。

除修復潛力較大的ImR和ImP之外,還需注意PoR,PrR的修復和PrP的保護。為避免PoR沙漠化進一步的加劇,ES總價值降低的聚集性出現,應該采取適當的預防措施,積極治理土地沙化,封沙育林育草以增加植被,向ES總價值提升的方向努力。不全面的生態保護措施使得PrR的生態條件惡化,該區域ES總價值損失主要由于林地和草地的減少,因此,必須實行嚴格的人工干預,開展造林種草,確保PrR林草地充足,以逐步提升生態質量。生態修復措施的有效開展促進PrP生態條件改善,該區域需實施首要的保護措施,促進未利用地繼續轉化為植被區域,維持ES總價值的穩步提升,并發揮其中心作用,逐漸改善鄰近區的生態質量。

4.2 生態修復二級分區

分項服務之間主要呈協同關系,分項價值的同向變化是引起總價值變化的主要原因。因此,需注重P,R,S和C的整體提升,加強分項服務之間的協同增強作用,減弱分項服務之間的相互抑制作用,消耗生態系統服務功能時,需投入一定量資金保證ES的再生產,避免消極的抑制作用; 在發展和保護之間尋求平衡點,兼顧多項ES,促使ES效益最大化,例如,加大人工投入來提升原料生產、食物生產的供給能力時,需限制水源附近的農業生產開發,以確保支持服務和調節服務的穩定。

4.3 局限性

本文的研究仍有諸多不足,主要包括3個方面: ①是否有更優的空間單元未進一步探討; ②未考慮ES價值變化的劇烈程度,某分項價值變化是否為總價值變化的主要變化有待分析; ③未探究2005—2020年間ES變化的規律和趨勢,下一步可采取每間隔5 a的方法探究ES變化,提高生態修復分區的可靠性。

5 結論

1)本文以甘肅省河西地區為研究區,結合遙感影像和統計年鑒等多種數據,采用隨機森林分類、當量因子法以及聚類與異常值分析等方法,提出了基于ES變化的生態修復二級分區方法。根據ES總價值變化開展生態修復一級分區,再依據ES分項價值變化的組合特征劃分二級分區。該方法充分考慮了生態修復的潛力和方向,具有一定的科學性和合理性,對修復和保護的方向提供一定的參考,為有效解決生態退化問題、穩步提升ES價值提供有利前提。

2)2005—2020年間,走廊平原的耕地、建設用地增加,北山山地的草地減少,祁連山的林地和草地增加,ES總價值和分項價值總體較穩定,增加和減少區域較集中。

3)河西地區生態修復一級分區的面積占比分別為: PrR 0.9%,ImR 7.2%,PoR 78.0%,ImP 13.0%和PrP 0.9%。PoR主要分布在3大流域平原以及北山山地的大片區域; PrP和PrR零散分布在祁連山與山前草地的過渡帶; ImR在走廊平原、馬鬃山以及祁連山中部均有分布; ImP主要在祁連山東、西部。較于PoR、PrR以及PrP,ImR和ImP的修復和保護潛力更大,且生態保護較修復更為迫切。

4)生態修復二級分區包括10類修復二級區和6類保護二級區。ImP與ImR的二級分區類型分別以ImP-PRSC與ImR-PRSC為主。河西地區分項服務之間主要呈協同關系,ES分項價值的同向變化是總價值變化的主要原因,生態修復與保護需從P,R,S和C價值的整體提升入手。