基于RS和GIS的山区重要生态服务功能区划定方法

李尧， 叶成名， 谢强， 梁莉

(1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室,成都 610041；2.成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都 610059；3.四川省环境科学保护研究院，成都 610041)

0 引言

自党的十八大提出“生态文明建设”以来，中央及地方政府高度重视生态环境的保护，逐步开展了生态红线划定的试点工作。生态服务功能评估是生态红线划定的前提与基础，多年来一直是生态学研究领域的热点。1970年，关键环境问题研究(study of critical environmental problems，SCEP)报告中首次提出了“服务功能”的概念[1]；后来Costanza等[2]对生态服务功能的概念和分类做了详细的介绍，主要分为供给服务、调节服务、文化服务以及维持其他类型服务所必须的支持服务4种类型。我国学者也对生态服务功能定义展开了大量研究，欧阳志云等[3]将生态服务功能定义为“生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用”；董全[4]定义生态服务功能为“自然过程所产生和维持的有关环境资源的各种条件和服务”。

近年来，在明确了生态服务功能定义的基础上，涌现了大量生态服务功能评估模型。基于遥感(remote sensing，RS)与地理信息系统(geographic information system，GIS)的评估模型发展最为迅速，RS为生态服务功能评估模型提供了水平、垂直、多光谱、多时段、多尺度的景观信息，减少了大量的野外调查工作[5]，在生物多样性评估与监测中应用广泛[6-8]；GIS拥有强大的空间分析能力，为生态服务功能可视化和空间相关分析提供有效的解决手段，大量的学者将其应用于水土保持、水源涵养和碳存储功能等定量评估领域[9-12]。在评估模型研究日渐成熟的基础上，重要生态服务功能区划定成为了研究热点。香宝等[13]运用RS和GIS技术，采用专家打分的综合指标法对成渝区生态服务功能重要性进行分级评价，划定了重要生态服务功能区；李月臣等[14]在单一服务功能评估结果基础上构建生态服务功能重要性指数，采用自然间断分割法确定了重要生态服务功能区。以往研究中大多只考虑生态服务功能的重要性，或者注重某斑块功能的高低，较少考虑保护的高效性和斑块在区域内的地位。国家原环境保护部2017年颁发的《生态保护红线划定技术指南》中将包含单项生态服务功能评估结果总量50%的区域划定为该项服务功能极重要区，合并叠加各项生态服务功能极重要区组成生态服务功能重要区[15]。鉴于此，本研究以四川省万源市为例，结合山区特殊性，借助RS和GIS技术，对主要生态服务功能，即生物多样性保护功能、水土保持功能和水源涵养功能等进行快速评估，在评估结果基础上计算生态保护效益系数，划定该研究区重要生态服务功能区，为生态保护方案的制定提供科学依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

本文研究区万源市为四川省辖县级市，位于川东北大巴山腹心区，位置界于N30°39′～32°20′，E107°28′～108°31′之间，下辖12个镇和40个乡，面积约为4 065 km2。研究区地处中国南北气候的分界线和嘉陵江、汉江分水岭地带，且位于川、陕、渝三省(市)的结合部，是进出四川的重要门户，也是连接川陕渝经济、文化、交通的重地，享有“万宝之源”的美誉(图1)。区内地形起伏大，沟壑纵横，潜在水土流失量大，多年平均降雨量为1 169 mm，降雨集中于每年7—8月份。区内物种丰富，拥有岩羊、珙桐和红豆杉等国家一、二级重点保护动植物；同时拥有丰富的煤矿、石灰石和硒等重要资源。然而，随着国民经济的快速发展，动植物多样性保护与资源开采面临着不可避免的矛盾，因此有必要对辖区进行生态服务功能评估，以辅助资源的合理开发决策。

图1 研究区范围

1.2 数据源

采用的遥感数据为美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)的Landsat8卫星数据，接收时间为2016年6月17日，云量低，质量较好。对影像做了几何纠正与基础处理后，根据欧阳志云等[16]提出的生态系统3级分类体系与研究区实况，实地调查采集区内不同生态系统的样本数据，通过监督分类得到了地表覆盖类型(图2(a))。

(a) 万源市 (b) 规划调整前局部地区 (c) 规划调整后局部地区

为提高数据的准确性，利用已有的规划数据对解译结果进行了检查与调整，图2(b)—(c)示出部分区域规划调整前后的差异。降雨数据采用四川省127个气象站点的降雨量监测数据，其时间跨度为2010—2015年(分5期)，含月降雨量。通过克吕金空间插值，得到全省降雨分布数据，然后计算降雨侵蚀力。数字高程模型(digital elevation model，DEM)来源于中国地理空间数据云，采样间隔为30 m。土壤数据来源于四川省土壤属性数据库，数据包含土壤中各种物质的含量，通过GIS技术转换成了栅格数据格式。

2 生态服务功能区划定方法

2.1 技术路线

中国疆域广阔，自然地理环境复杂，各种典型地貌的重要生态服务功能区划定技术方法仍处于探索研究阶段，暂无统一的技术参考。本研究针对四川省东北部山区的独特地理环境，结合RS和GIS技术优势，基于景观尺度对重要生态服务功能区进行识别研究。划定方法遵循管理的合理性与管理资源最优化分配原则，在功能区划定过程中既保证斑块的高聚集性，又保证在管理成本最小的情况下能达到最优生态效益，以便主管部门进行片区化管理监督与任务下达。总体方法流程如图3。

图3 重要生态服务功能区评估方法流程

2.2 生态服务功能评估模型

2.2.1 生物多样性保护功能评估方法

傅伯杰等[17]在郭中伟等[5]研究的基础上进行了大量研究，构建了适用于中国的生物多样性与生态系统服务评估指标体系。该体系以压力、状态和响应3个指标表征生态系统的生物多样性，因此研究通过栖息地及其胁迫源之间的相互作用来模拟栖息地生存环境质量，用该质量作为生物多样性定量评估指标。研究采用生态系统服务功能综合估价和权衡得失评估模型(integrated valuation of environmental services and tradeoffs，InVEST)中的生物多样性评估模块进行生物多样性保护功能的评估，该模型在国内外生态系统服务功能评估中得到了普遍应用，是主流生态评估模型，计算公式为[18]

(1)

式中：Qxj为生态系统类型j中像元x的生物多样性保护功能；Hj为生态系统类型j的生境适宜性；Z为尺度参数，为常量；k为半饱和常数，若满足

(2)

则k值等于Dxj值；Dxj为生态系统类型j中x的生境胁迫水平。Dxj计算公式为

(3)

式中：ry为像元y的胁迫因子；R为胁迫因子种类数量；Yr为总像元数；wr为胁迫因子的权重，表明某一胁迫因子(如工矿交通)对所有其他生态系统的相对破坏力；βx为像元x的可达性水平，1表示极容易达到；Sjr为生态系统类型j对胁迫因子r的敏感性，越接近1表示越敏感；irxy为ry对像元x中生境的胁迫作用。irxy计算公式有线性和指数2种，分别为

(4)

(5)

式中：dxy为x与y之间的直线距离；drmax为胁迫因子r的最大影响距离。当胁迫因子对其他生态系统的胁迫作用受到障碍物(如山体、人工隔离带)影响较大时，常采用指数公式计算胁迫作用。

参照文献[19-20]，本文将万源市胁迫因子r属性设置如表1所示，各生态系统类型j对胁迫因子的敏感性Sjr设置如表2所示。

表1 生态胁迫因子

表2 不同生态系统对胁迫因子的敏感性

2.2.2 水土保持功能评估方法

水土保持功能评估模型采用改进的通用水土流失方程进行评价，计算公式为[21]

SC=SEp-SEa

(6)

SEp=R·K·LS

(7)

SEa=R·K·LS·C·P

(8)

式中：SEp为潜在土壤侵蚀模数，t/(hm2a)；SEa为实际土壤侵蚀模数，t/(hm2a)；SC为每年单位面积土壤保持量，t/(hm2a)；LS为地形因子即坡长坡度因子；P为水土保持措施因子,取值范围为[0,1]，参考已有的相关研究结果[22]来确定研究区内不同土地利用类型的P值，即园地为0.1、耕地为0.01、林地为0.2、灌木丛为0.4、居住地为1、工矿交通为1、裸地为1、水域为0；R为降雨侵蚀力，MJmm/(hm2ha)；C为植被覆盖因子；K为土壤可蚀性因子，thm2h/(hm2MJmm)。

降雨侵蚀力R计算公式为[23]

(9)

式中：i为月份；Mi为月降水量；M为年降水量。当满足暴雨频发、降雨强度大的条件时，研究区的降雨侵蚀力较大，是诱发泥石流等自然灾害的主要因素。

C和K的计算公式分别为[24-25]

C=[(1-NDVI)/2]1+NDVI

(10)

式中NDVI为归一化植被指数；

K=(-0.013 83+0.515 75K0)×0.131 7，

(11)

(12)

式中：K0为修正前土壤可蚀性因子；ms为土壤砂粒百分含量；msilt为土壤粉粒百分含量；mc为土壤粘粒百分含量；orgC为有机碳百分含量。

坡长L与坡度α是水土流失的主控因子之一，地表起伏度变化越大的区域值越大。小尺度研究中可以通过实地测量获得，但万源市属于山区，地形复杂，是典型的大尺度复杂研究区域，因此根据数字高程确定坡长坡度因子LS的计算方法为[26]

(13)

(14)

2.2.3 水源涵养功能评估方法

水源涵养功能评估采用降水贮存量法，即用生态系统的蓄水效应来衡量其涵养水分的功能[28]，具体为

Q=A·J·Y

(15)

J=J0·X

(16)

Y=Y0-Yg

(17)

式中：Q为与裸地相比，林地和耕地等生态系统涵养水分的单位面积增加量，mm/hm2；A为生态系统面积,hm2；J为研究区年均产流降雨量,mm；J0为研究区年均降雨总量，mm；X为研究区产流降雨量占降雨总量的比例，结合研究区的实际情况，参照文献[28]，将X取值为0.6；Y为与裸地比较，生态系统减少径流的效益系数[28-29](表3)；Y0为产流降雨条件下裸地降雨径流率；Yg为产流降雨条件下生态系统降雨径流率。

表3 生态系统减少径流的效益系数

2.3 生态保护效益系数

重要生态服务功能区的划定需考虑生态管理部门的工作高效性与管理工作效益最大化原则，本文提出了生态保护效益系数计算方法，根据评估结果设定合理的分割阈值，然后确定相应生态服务功能重要区的备选区域，最后将3个服务功能备选区域合并，对合并结果做小斑块的去除优化处理得到最终重要生态服务功能区。其中分割阈值通过分析生态保护效益系数曲线得到，曲线到达增长拐点时确定最佳分割阈值，生态保护效益系数计算公式为

(18)

式中：EPi为生态保护效益系数；T为研究区总面积；Pi表示第i个重要生态服务功能区面积；G为研究区生态服务评估结果总量；Ia为重要区生态服务功能评估结果总量。

3 评估结果分析

3.1 生态服务功能评估结果

根据参数属性表与遥感解译的地表覆盖数据，得到需要的模型因子栅格数据，再将因子数据带入模型得到最终的服务功能评估(图4和表4)。表4中水土保持和水源涵养量为各生态系统年总面积的量。

(a) 生物多样性保护 (b) 水土保持 (c) 水源涵养

表4 水土保持、水源涵养功能统计

生物多样性指数评估结果表明，在人迹罕见的地方生物多样性保护功能较高，在城镇区域生物物种结构单一，生物多样性保护功能较低。从3种功能综合分析可以看出，万源市生态服务功能较好，符合其实际情况。水源涵养功能最高值和最低值分别为342.77 mm/(hm2a)和83.22 mm/(hm2a)，较低值主要分布在居住地和工矿交通等人工地表区域。水土保持能力方面，万源市土壤保持量普遍偏低，最高为98.23 t/(hm2a)，主要分布在植被覆盖度较高的林地区域，最低为0 t/(hm2a)，主要分布在低海拔、地势较平且不发生潜在水土流失的区域和水域。其中万源市西北部的高山区域潜在水土流失量较大，但由于近年来实施的环保政策提高了该区域植被覆盖度，改善了水土保持功能。通过野外实地调查，并用2011年全国第一次水利普查结果验证，评估结果符合实际情况。

评估结果归一化后设定不同的分割阈值从而计算生态保护效益系数，计算结果如图5所示。从图中可知，当生物多样性分割阈值为0.9时，生态保护效益系数最大，此时生物多样性保持功能重要区面积为1 509.76 km2；水土保持分割阈值为0.4，效益系数增速变缓，得到最大生态保护效益系数，由此水土保持功能重要区面积为1 236.20 km2；水源涵养分割阈值为0.9，得到最大生态保护效益系数，水源涵养功能重要区面积为1 669.81 km2。

图5 生态保护效益系数

3.2 重要生态服务功能区空间分布特征

根据生态服务功能评估结果，计算分割阈值得到3种服务功能备选区，合并、优化后得到万源市重要生态服务功能区。将该重要区域与已有自然保护区与森林公园叠加分析,结果表明，花萼山、蜂桶山自然保护区和森林公园被纳入重要区的面积比例分别为88.28%，85.84%和97.61%，与重要生态服务功能区重合度较高(图6)。经过统计得知，重要生态服务功能区总面积为2 651.99 km2，占研究区面积65.4%；主要分布在海拔800 m以上的区域。该海拔以上的区域植被覆盖度高，人口密度相对较小，许多区域很少有人类活动，未造成原始地表覆盖的破坏，适宜野生动植物的生存；其次林地、灌木丛等植被根系对水土保持、水源涵养具有较强的保持功能，降低了河流下游发生滑坡、泥石流等地质灾害的风险。

图6 重要生态服务功能区分布

将万源市按平坡、缓坡、斜坡、陡坡、急坡和险坡6种坡地类型统计(表5)。

表5 重要区不同坡地类型面积统计

其中重要生态服务功能区主要分布在[15°，35°)的斜坡和陡坡区域。该区域地表坡度较大，且地质结构不稳定，沿坡面向下的剪切力较大，在风侵蚀力等外力与暴雨冲刷的作用下极易发生滑坡、泥石流等地质灾害导致水土大量流失。

4 结论

1)RS和GIS技术凭借其快速宏观的优势，可使重要生态服务功能区划定工作量大幅度削减。结合地面验证和以往的研究成果，本文方法应用结果符合研究区内的实际情况，证明该方法可行。

2)通过控制因子参数和GIS缓冲区空间分析方法，可以遵循扰动区对环境破坏随距离增加而衰减的自然规律，从而得到区域内连续的生态服务功能评估值，本文提取的研究区四川省万源市高植被覆盖区域能提供80%以上生态服务功能，对维持生态平衡至关重要。

3)采用生态保护效益系数来控制重要生态服务功能区划定，可以提高生态环境保护过程中人力、财力资源配置的高效性与合理性，有效保障生态环境保护投入产出比。

本研究的重要生态服务功能区划定，基础是遥感技术对生态系统的解译与评估模型因子的参数设定。因此，如何提高因子的合理性与科学性至关重要。今后，需要结合实地生境情况和评估结果对比分析，更合理地调整遥感解译尺度和模型参数，以进一步提高重要生态服务功能区划定的精度。

志谢：本文研究过程中参考了国家生态红线划定技术指南，评委专家及编辑老师提供了宝贵的修改意见, 在此表示衷心的感谢!