林子雁,肖 燚,*,史雪威,饒恩明,張 平,,王莉雁

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100049 3 四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 成都 610101 4 西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 西安 710048

伴隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,人類對自然資源的不合理利用和開發(fā)導(dǎo)致了區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)過程紊亂和生態(tài)完整性破壞,區(qū)域和全球性的生態(tài)危機日益顯現(xiàn),自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能正在迅速衰退[1]。因此,協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系、加強生態(tài)保護十分重要和迫切。而生態(tài)保護重要性是表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能重要性程度的綜合指標(biāo),通過生態(tài)重要性評估研究能夠明確生態(tài)保護重要性格局,從而推進(jìn)生態(tài)保護建設(shè)、自然資源有序開發(fā)和產(chǎn)業(yè)合理布局,促使經(jīng)濟與生態(tài)保護的協(xié)調(diào)、健康發(fā)展。目前,國內(nèi)單獨研究生態(tài)保護重要性的文獻(xiàn)較少,大多局限于生態(tài)敏感性或生態(tài)服務(wù)功能重要性一部分的評價而少有再進(jìn)一步綜合研究；國外則多采用保護地體系,雖可借鑒但仍與國內(nèi)研究存在差異[2-4]。隨著《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》[5]和《生態(tài)保護紅線劃定指南》[6]的相繼頒布,越來越多的科研人員和政府機構(gòu)以生態(tài)保護重要性評價為基礎(chǔ)開展相關(guān)研究與實踐[7-10],但由于評價指標(biāo)體系不夠完善,研究區(qū)也通常為某一省市或流域等局部地區(qū),故出現(xiàn)了一些區(qū)劃在空間設(shè)計上交叉重疊、布局不夠合理和生態(tài)保護效率低等問題,而在大尺度區(qū)域上又仍缺乏生態(tài)保護重要性的有效考量[11]。因此,生態(tài)保護重要性評估的深入探討具有特殊意義。

西南研究區(qū)位于我國西南腹地,是我國重要的對外發(fā)展門戶,也是“一帶一路”戰(zhàn)略中具有重要和獨特區(qū)位優(yōu)勢的地區(qū)。近年來,西南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速、對外開放加快,四川、重慶和貴州的經(jīng)濟增速已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全國平均水平。但同時,西南地區(qū)面臨著植被破壞、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害、土地退化、石漠化、耕地污染等等生態(tài)問題,如任其惡化勢必威脅到該地區(qū)乃至國家的發(fā)展與穩(wěn)定。因此,對西南地區(qū)進(jìn)行生態(tài)保護重要性評估研究意義重大。

本文在地理信息系統(tǒng)(GIS, Geographic Information System)技術(shù)支撐下,綜合西南地區(qū)水土流失、石漠化和地質(zhì)災(zāi)害等典型生態(tài)問題進(jìn)行生態(tài)敏感性評價,并綜合土壤保持、水源涵養(yǎng)、洪水調(diào)蓄和生物多樣性等典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價,綜合此二者評估西南各地區(qū)生態(tài)保護重要性等級并揭示其空間格局,為西南地區(qū)開展有針對性的生態(tài)保護、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

西南研究區(qū)位于我國西南腹地,21.2°—36.4°N,83.9°—112.1°E,包括青藏高原東南部、四川盆地和云貴高原大部。行政區(qū)劃包括四川、云南、貴州、廣西、重慶五省以及青海和西藏的部分縣市,總面積233.0萬km2,轄70個行政市、地區(qū)和自治州,604個行政縣。西南研究區(qū)氣候類型豐富,包括亞熱帶季風(fēng)氣候、高原山地氣候、熱帶季風(fēng)氣候等。該區(qū)地形地貌也十分獨特,包含了四川盆地及周邊山地、云貴高原中高山山地丘陵區(qū)、青藏高原高山山地區(qū)等等。

西南地區(qū)是我國生物種類和生態(tài)系統(tǒng)最為豐富的地區(qū)之一,至少擁有2萬多種高等植物分布其中,約有2千余種脊椎動物生活在此,中國約50%的樹種和北半球主要生態(tài)系統(tǒng)均可以在這里找到[12]。本區(qū)是世界野生生物關(guān)鍵地區(qū)之一,也是許多物種的分化中心和珍稀瀕危物種的分布中心。同時,西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多樣,其中森林、灌叢、草地、濕地分別占西南研究區(qū)面積的27.4%,11.9%,35.7%,3.4%(圖1)。西南地區(qū)對我國乃至世界的生物多樣性及物種種質(zhì)資源的保護具有不可替代的屏障作用,具有重要的研究價值。

圖1 西南研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型圖Fig.1 Ecosystem-types in southwest China

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括DEM數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地質(zhì)巖性數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害類型數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。其中,DEM數(shù)據(jù)為SRTM地形數(shù)據(jù),空間分辨率為90 m,數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.cnic.cas.cn/zcfw/sjfw/gjkxsjjx/)；生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)解譯自90 m分辨率的TM遙感影像,數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院遙感所；西南地區(qū)及周邊氣象站點觀測數(shù)據(jù)來自中國氣象局(http://www.cma.gov.cn/),包括氣溫(分辨率0.05°)、降水量(分辨率0.05°)等數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來源于第二次全國土壤調(diào)查(比例尺百萬分之一)。

2.2 研究方法

生態(tài)保護重要性評估由生態(tài)敏感性評價和生態(tài)服務(wù)功能重要性評價兩部分組成,是二者綜合疊加分析的結(jié)果。本研究在了解西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對其主要生態(tài)問題和典型生態(tài)服務(wù)功能構(gòu)建評價指標(biāo)體系,進(jìn)而在GIS平臺上進(jìn)行生態(tài)保護重要性評估,確定西南地區(qū)生態(tài)保護重要性格局。技術(shù)路線如圖所示(圖2)。

圖2 生態(tài)保護重要性評估技術(shù)路線Fig.2 Roadmap of ecological conservation importance evaluation

2.2.1 生態(tài)敏感性評價

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域中各種自然和人類活動的敏感程度,反映的是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)在遇到干擾時,發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性大小[13]。其實質(zhì)是對現(xiàn)狀自然環(huán)境背景下潛在的生態(tài)問題進(jìn)行明確的辨識,并將其落實到具體的區(qū)域空間。生態(tài)敏感性評價已經(jīng)成為確定重點生態(tài)建設(shè)與保育區(qū)域的重要手段[14]。目前對省域尺度生態(tài)敏感性[15-17]及酸雨區(qū)[18-19]、庫區(qū)和流域[20-23]、山地[24]等特殊生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)已有相應(yīng)研究,楊志峰等[25]進(jìn)行了城市生態(tài)敏感性研究,歐陽志云等[26]則探討了中國生態(tài)環(huán)境敏感性的區(qū)域分析規(guī)律。

本研究根據(jù)西南地區(qū)的生態(tài)特征和面臨的生態(tài)問題,選取水土流失敏感性、石漠化敏感性、滑坡敏感性、泥石流敏感性和凍融侵蝕敏感性這5個指標(biāo)評價西南地區(qū)的生態(tài)敏感性。水土流失敏感性以通用水土流失方程(USLE, universal soil loss equation)為基礎(chǔ),綜合考慮降雨侵蝕力、土壤質(zhì)地、地形起伏度等因素評價西南地區(qū)水土流失對人類活動的敏感程度。石漠化敏感性根據(jù)評價區(qū)域是否為喀斯特地貌、植被覆蓋、巖性等因素進(jìn)行分級。地質(zhì)災(zāi)害滑坡和泥石流根據(jù)其形成的環(huán)境條件和主要誘發(fā)因素,選擇離斷層線距離、地震烈度、坡度、降雨等因素進(jìn)行敏感性分析。凍融侵蝕敏感性評價則根據(jù)其發(fā)生條件,選擇溫度、降雨、地形、植被等因子進(jìn)行分級(表1)。在ArcGIS中疊加分析上述5項單因子敏感性結(jié)果,得到西南研究區(qū)生態(tài)敏感性等級。計算公式為：

Si= Max(C1i,C2i……Cni)

式中,Si為i空間單元上的生態(tài)敏感性等級,C1i—Cni為i空間單元上一單因素生態(tài)敏感性等級。

表1 生態(tài)敏感性評價指標(biāo)體系

2.2.2 生態(tài)服務(wù)功能重要性評價

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用[27],是連接生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的橋梁[28]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價根據(jù)典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力和價值評估,評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合特征及其空間分布特征[29],其目的是明確區(qū)域各類生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能及其對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的作用與重要性,并依據(jù)其重要性分級,明確其空間分布[30]。Daily和Costanza等提出了描述、測度和評價生態(tài)服務(wù)的綱要,為生態(tài)服務(wù)功能及其評價奠定了理論和方法基礎(chǔ)[27,31-32],國內(nèi)學(xué)者也紛紛在此基礎(chǔ)上開展研究,如牛叔文等基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的核算來評價甘肅省縣域單元的生態(tài)保護重要性[33]；楊美玲等從生態(tài)系統(tǒng)的類型、面積及生態(tài)服務(wù)功能,對寧夏限制開發(fā)生態(tài)區(qū)生態(tài)保護重要性進(jìn)行評價[34]。

本研究選取對西南地區(qū)生態(tài)安全方面起主要作用的典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,土壤保持、水源涵養(yǎng)、洪水調(diào)蓄和生物多樣性保護4個指標(biāo)評價西南地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能重要性。土壤保持服務(wù)評價以潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值作為土壤保持量。水源涵養(yǎng)服務(wù)則采用水量平衡方程評估西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力。洪水調(diào)蓄服務(wù)功能重要性主要通過不同生態(tài)系統(tǒng)類型的洪水調(diào)蓄能力差異性進(jìn)行考量,以可調(diào)蓄水量、防洪庫容和洪水期沼澤滯水量評價調(diào)蓄功能。生物多樣性保護評價則篩選重要保護物種作為指示種,根據(jù)物種生境的分布格局,通過系統(tǒng)保護規(guī)劃模型,評估西南地區(qū)生物多樣性保護格局(表2)。在ArcGIS中疊加分析上述4項單因子服務(wù)功能重要性結(jié)果,得到西南研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性等級。計算公式為：

ESi= Max(D1i,D2i……Dni)

式中,ESi為i空間單元上的生態(tài)服務(wù)功能重要性等級,D1i—Dni為i空間單元上一單因素服務(wù)功能重要性等級。

表2 生態(tài)服務(wù)功能重要性評價指標(biāo)體系

2.2.3 生態(tài)保護重要性評價

生態(tài)保護重要性是表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能重要性程度的綜合指標(biāo),涵蓋生態(tài)敏感性和生態(tài)服務(wù)功能兩部分[35]。通過生態(tài)保護重要性評價,識別重要生態(tài)功能空間,有針對性地進(jìn)行保護,成為協(xié)調(diào)開發(fā)與保護關(guān)系的重要手段[36]。目前,對流域[35]、山區(qū)[37]等區(qū)域已有研究；徐衛(wèi)華等[13]針對汶川地震重災(zāi)區(qū)的生態(tài)特性構(gòu)建評價體系評估其生態(tài)重要性并探討保護對策；徐建等[38]和劉昕等[39]對土地利用系統(tǒng)中的未利用土地和生態(tài)用地進(jìn)行了生態(tài)保護重要性的探討；李平星等[40]則在生態(tài)重要性整合分析的基礎(chǔ)上研究其與建設(shè)用地的空間疊置關(guān)系。

本研究在ArcGIS系統(tǒng)中疊加分析生態(tài)敏感性和生態(tài)服務(wù)功能重要性來評價西南地區(qū)生態(tài)保護重要性,最后評價結(jié)果分為極重要、重要、中等重要和一般地區(qū)4個等級。計算公式為：

Pi= Max(Si,ESi)

式中,Pi為i空間單元上的生態(tài)重要性等級。

3 結(jié)果與分析

西南地區(qū)水土流失敏感區(qū)主要集中在四川盆地東北部,在橫斷山區(qū)、云貴高原等地也均有廣泛分布；石漠化敏感區(qū)則呈明顯的集中分布,主要分布于云貴高原東北部和廣西盆地；滑坡和泥石流這兩項地質(zhì)災(zāi)害敏感區(qū)主要分布于岷山、邛崍山、橫斷山區(qū)以及怒江、瀾滄江流域；凍融侵蝕敏感區(qū)則集中在青海高原地區(qū)(圖3)。

圖3 西南研究區(qū)單因子生態(tài)敏感性Fig.3 Single factor ecological sensitivity in southwest China

西南地區(qū)土壤保持重要區(qū)主要分布于岷山、邛崍山區(qū),嘉陵江流域,怒江、瀾滄江流域以及廣西盆地等地區(qū)；水源涵養(yǎng)重要區(qū)主要分布于雅礱江流域、藏北高原、雅魯藏布江流域、松潘高原及廣西盆地；洪水調(diào)蓄重要地區(qū)則集中于青藏高原湖區(qū)；生物多樣性保護重要區(qū)主要分布于雅魯藏布江流域、橫斷山區(qū)、怒江和瀾滄江流域、岷山和邛崍山區(qū)(圖4)。

圖4 西南研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)單因子服務(wù)功能重要性Fig.4 Single factor importance of ecosystem service in southwest China

綜合西南地區(qū)生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性,確定西南地區(qū)生態(tài)保護重要性格局。西南生態(tài)保護極重要區(qū)面積75.7萬km2,占西南地區(qū)國土總面積32.5%,主要分布于雅魯藏布江流域、橫斷山區(qū)、川西高原、廣西丘陵等地區(qū)；西南生態(tài)保護重要區(qū)面積71.3萬km2,占西南地區(qū)國土總面積的30.6%,主要分布于青海高原、云貴高原、四川盆地東部和廣西盆地等地區(qū)。生態(tài)保護極重要區(qū)以西南地區(qū)32.5%的總面積,提供了59.4%的土壤保持總量和54.5%的水源涵養(yǎng)總量,保護了69.7%的重要物種；生態(tài)保護極重要區(qū)和重要區(qū)占西南地區(qū)總面積63.1%,累計提供了90.6%的土壤保持總量和83.2%的水源涵養(yǎng)總量,累計保護了95.1%的重要物種(圖5—6,表3)。

圖5 西南研究區(qū)生態(tài)保護重要性Fig.5 Ecological conservation importance in southwest China

圖6 累計服務(wù)功能量比例圖Fig.6 Proportion of cumulative ecosystem service

4 結(jié)論與討論

本文以西南地區(qū)為研究區(qū),以其自然環(huán)境特征和生態(tài)問題為基礎(chǔ),構(gòu)建西南生態(tài)重要性評估指標(biāo)體系,識別具有重要保護意義的地區(qū),并針對不同重要性地區(qū)提出生態(tài)保護、生態(tài)規(guī)劃建議。研究表明：生態(tài)保護極重要區(qū)占西南地區(qū)總面積的32.5%,提供了59.4%的土壤保持總量和54.5%的水源涵養(yǎng)總量,并保護了69.7%的重要物種。研究建議生態(tài)保護極重要區(qū)作為劃定生態(tài)紅線和重點生態(tài)功能區(qū)的依據(jù),而重要區(qū)、中等重要區(qū)和一般區(qū)域作為主體功能區(qū)劃的依據(jù)。

表3 西南地區(qū)生態(tài)保護重要性綜合特征

根據(jù)研究結(jié)果,西南研究區(qū)生態(tài)保護重要性高的地區(qū)以少量的土地面積提供了更多的土壤保持、水源涵養(yǎng)等服務(wù)。因此有針對性地著重保護重要程度高的地區(qū),可以合理調(diào)配資源,節(jié)約保護成本,提高保護效率。生態(tài)保護重要性是劃定生態(tài)紅線和主體功能區(qū)劃的重要依據(jù)。一方面,生態(tài)紅線確定了城市建設(shè)、資源開發(fā)、農(nóng)業(yè)拓展的邊界,保證生態(tài)系統(tǒng)的完整性和連續(xù)性,保障生態(tài)安全格局。另一方面,主體功能區(qū)劃指導(dǎo)區(qū)域的生態(tài)保護與建設(shè),促進(jìn)資源的有序開發(fā)和產(chǎn)業(yè)合理布局,推動社會經(jīng)濟與生態(tài)保護協(xié)調(diào)、健康發(fā)展。

相較于一般的市鎮(zhèn)、流域研究[7, 41-43],本研究的研究尺度更大,面臨的生態(tài)問題也更為復(fù)雜,在構(gòu)建評價指標(biāo)體系時需更仔細(xì)地斟酌取舍,以兼顧其地域獨特性和全面性。本研究針對西南地區(qū)主要生態(tài)問題和典型服務(wù)功能篩選了9項指標(biāo)進(jìn)行評估,如占西南大面積的青藏高原多發(fā)的凍融侵蝕的敏感性,是該研究區(qū)一項具有地域獨特性的評價指標(biāo)。西南的貴州、廣西等地區(qū)也是全國石漠化高敏感區(qū)集中分布的區(qū)域,石漠化敏感性指標(biāo)對西南研究區(qū)十分重要。

根據(jù)評估研究,生態(tài)保護極重要區(qū)為生態(tài)紅線劃定的依據(jù),屬于強制性嚴(yán)格保護區(qū)域,是保障和維護國家生態(tài)安全的底線和生命線[44]；同時也是重點生態(tài)功能區(qū)劃的依據(jù)。應(yīng)禁止開發(fā)、嚴(yán)格保護,具體措施包括：(1)可建立相應(yīng)的重點生態(tài)功能保護區(qū),并加大財政投入；(2)建立并完善生態(tài)補償機制,以生態(tài)保護重要區(qū)為依托實現(xiàn)區(qū)域之間的橫向生態(tài)補償；(3)加強生態(tài)保護和恢復(fù),堅持自然恢復(fù)為主的原則,適當(dāng)實施生態(tài)保護與恢復(fù)工程,提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；(4)調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以減少當(dāng)?shù)鼐用駥ψ匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟的依賴；(5)加強生態(tài)保護宣傳教育,同時加強生態(tài)管理監(jiān)管力度。而重要區(qū)、中等重要區(qū)和一般區(qū)域作為其他主體功能區(qū)劃的依據(jù),各區(qū)域應(yīng)根據(jù)其主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能和主要生態(tài)問題確立適宜的保護方向和恰當(dāng)?shù)谋Ｗo措施,加強生態(tài)保護和修復(fù),完善管理政策,優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu),保證生態(tài)系統(tǒng)良性運行?？傊?通過運用生態(tài)學(xué)原理,優(yōu)化生態(tài)管理和國土開發(fā)格局,推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),最終促進(jìn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)保護重要性評估研究是一個復(fù)雜的綜合統(tǒng)籌過程,數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)質(zhì)量也有較高要求,涵蓋了研究區(qū)域自然環(huán)境及人文環(huán)境狀況、生態(tài)系統(tǒng)特征與結(jié)構(gòu)功能、資源分布情況等等。生態(tài)系統(tǒng)除自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性變化,其外部干擾壓力也是影響其生態(tài)敏感性和服務(wù)功能重要性的因素,西南地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展水平差異較大,人類活動強度明顯不同,如何合理測度人類活動干擾及其對生態(tài)保護重要性的影響具有重要意義。更準(zhǔn)確地確定生態(tài)功能的提供者和受益者、測度各生態(tài)區(qū)之間的服務(wù)流及協(xié)調(diào)其區(qū)域間利益相關(guān)者關(guān)系、優(yōu)化生態(tài)規(guī)劃方案并提高管理措施執(zhí)行效率有待深入研究。