區(qū)域關(guān)鍵性生態(tài)用地空間劃定研究

于莉+李貝+崔海寧+周智+張蓬濤

摘要：由人類高強度的建設(shè)活動對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能所造成的改變大多是不可逆轉(zhuǎn)的。因此，在經(jīng)濟飛速發(fā)展和人地矛盾日益突出的壓力下，應(yīng)注重識別和保護具有重要生態(tài)服務(wù)功能的土地單元及空間，從而維護區(qū)域的生態(tài)安全。以河北省青龍滿族自治縣為例，借助ArcGIS軟件，采用凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity，簡稱NPP）定量指標評價方法，從土壤保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護等3大方面，評價研究區(qū)2013年土地利用現(xiàn)狀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性，并在此基礎(chǔ)上，劃定其關(guān)鍵性生態(tài)用地空間。結(jié)果表明，研究區(qū)關(guān)鍵性生態(tài)用地面積為 113 481.96 hm2，占全區(qū)總面積的33.18%，主要分布在縣域東部的鳳凰山鄉(xiāng)、祖山林場、祖山鎮(zhèn)以及縣域西北部的都山林場，它們是高強度的人類建設(shè)活動不應(yīng)逾越的底線。該研究有利于區(qū)域基本生態(tài)屏障的建立，從而為建立生態(tài)保護關(guān)鍵區(qū)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)用地；生態(tài)系統(tǒng)；服務(wù)功能；空間結(jié)構(gòu)；青龍滿族自治縣

中圖分類號： F323.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0279-05

關(guān)于關(guān)鍵性生態(tài)用地空間的劃定，很多學者提出了各自的方案。周銳等通過構(gòu)建最小累積阻力模型，識別了平頂山新區(qū)的生態(tài)用地格局[5]；俞孔堅等通過對地質(zhì)災(zāi)害、水文、文化遺產(chǎn)等進行模擬，判別了北京市關(guān)鍵性生態(tài)用地空間[9]；張林波等將景觀生態(tài)模型應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估中，劃定了深圳市最小生態(tài)用地空間[10]。目前，對于維護區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵性生態(tài)用地空間的研究處于初級階段，而相關(guān)研究在評價生態(tài)用地重要性時，多是采用將評價指標分級賦值的方法，對于定量化的計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究較少。

鑒于此，參考《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》和相關(guān)研究中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價方法[11-12]，基于青龍滿族自治縣的土壤、地質(zhì)、水文、氣象等方面資料，借助ArcGIS軟件，采用凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity，簡稱NPP）定量指標評價法，對研究區(qū)2013年土地現(xiàn)狀進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價，并在此基礎(chǔ)上劃定關(guān)鍵性生態(tài)用地空間，以期為區(qū)域基本生態(tài)屏障的建立、明確生態(tài)保護關(guān)鍵區(qū)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

青龍滿族自治縣地處河北省東北部邊緣，地理位置為118°33′31″ ～ 119°36′30″E，40°04′40″～ 40°36′52″N，土地總面積為 3 520.40 km2，屬大陸性季風氣候，年均降水量為714.4 mm。該縣西、北地勢高，東、南地勢低，縣內(nèi)地貌復(fù)雜多樣，中低山錯落分布，丘陵散狀分布，土壤類型以褐土、棕壤土為主。2013年全縣總?cè)丝跒?6.08萬人，共有18.17萬戶，地區(qū)生產(chǎn)總值為108.01億元，全縣人均生產(chǎn)總值為2.14萬元。青龍滿族自治縣一方面為省級重點生態(tài)功能區(qū)，是京津、冀東地區(qū)的生態(tài)屏障；另一方面，該縣礦產(chǎn)業(yè)、林果業(yè)、旅游業(yè)等發(fā)展良好，快速發(fā)展的經(jīng)濟導致建設(shè)用地需求量不斷增加，林地、草地等大量具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的土地正面臨著被建設(shè)占用的威脅。因此，對于這樣一個生態(tài)功能地位十分重要、用地矛盾突出、發(fā)展勢頭強大的地區(qū)，進行關(guān)鍵性生態(tài)用地空間劃定研究意義重大。

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來源于青龍滿族自治縣土壤類型矢量圖、從中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心下載的青龍滿族自治縣GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)、2013年Landsat OLI數(shù)據(jù)，還有青龍滿族自治縣及其周邊氣象站點實測的降水量、月氣溫、太陽輻射、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)，以及2013年青龍滿族自治縣國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料與其他相關(guān)資料。

1.3研究方法

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定義以及青龍滿族自治縣的實際情況，首先選取土壤保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護三大關(guān)鍵性生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，采用NPP定量指標評價法，開展單因子生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價；其次，將所有單因子作綜合疊加處理，得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值；再次，采用自然間斷點分級法，將各評價結(jié)果分為5級（極重要、高度重要、中等重要、一般重要、不重要），來識別生態(tài)用地重要性；最后，根據(jù)綜合生態(tài)用地重要性評價結(jié)果，劃定青龍滿族自治縣的關(guān)鍵性生態(tài)用地空間。

1.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價

1.3.1.1土壤保持功能重要性評價土壤侵蝕不僅導致侵蝕地區(qū)的土壤退化，而且被侵蝕的泥沙及其攜帶的污染物容易造成下游河流、湖泊的淤積和污染，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[13-15]。研究區(qū)地形復(fù)雜，且降水季節(jié)分配不均，多暴雨，土壤侵蝕的廣泛發(fā)生使其成為研究區(qū)最嚴重的生態(tài)問題之一，因此，評價研究區(qū)的土壤保持功能是十分必要的。參考《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》，土壤保持服務(wù)功能指數(shù)的計算公式如下：

Spro=NPP×（1-K）×（1-Fslo）。（1）

式中：Spro為土壤保持服務(wù)功能指數(shù)；NPP為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力；K為土壤可蝕性因子；Fslo為坡度因子。

（1）NPP的計算。根據(jù)研究區(qū)的情況和掌握的數(shù)據(jù)，采用光能利用率模型（carnegie ames stanford approach，簡稱CASA）模型計算[16-18]，公式如下：

NPPyear=∑ni=1NPPmonth（x，t）；（2）

NPPmonth（x，t）=APAR（x，t）×ε（x，t）。（3）

式中：NPPyear、NPPmonth（x，t）分別為NPP的年值、月值；APAR（x，t）為光合有效輻射，MJ/m2；ε（x，t）為光能利用率，g C/MJ；x為第x個像元；t為第t月。

①APAR的計算。具體公式如下：

APAR（x，t）=FPAR（x，t）×SOL（x，t）×0.5。（4）endprint

式中：FPAR為能被植被吸收的入射光合有效輻射比例；SOL為太陽輻射量，MJ/（m2·月）；0.5為能被植被利用的太陽有效輻射比例。

FPAR=FPARNDVI+FPARSR2；（5）

FPARNDVI=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin×（FPARmax-FPARmin）+FPARmin；（6）

FPARSR=SR-SRminSRmax-SRmin×（FPARmax-FPARmin）+FPARmin；（7）

SR=1+NDVI1-NDVI。（8）

式中：NDVImax、NDVImin分別為歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，簡稱NDVI）的最大、最小值；SRmax、SRmin分別為SR的最大、最小值；FPARmax、FPARmin分別為 0.950、0.001[19]。

②ε（x，t）的計算。具體公式如下：

ε（x，t）=f（T）×f（B）×εmax。（9）

式中：f（T）為溫度脅迫系數(shù)；f（B）為水分脅迫系數(shù)；T、B分別為溫度（℃）、蒸發(fā)比；εmax為最大光能利用率，g·C/MJ，根據(jù)已有研究成果[20]，林地εmax為0.692 g·C/MJ，其他地類為 0.542 g·C/MJ。

f（T）=fg1（x，t）×fg2（x，t）；（10）

fg1（x，t）=0.8+0.02fopt（x）-0.000 5[fopt（x）]2；（11）

fg2（x，t）=1.184{1+e0.2[fopt（x）-10-f（x，t）]}×{1+e0.3[-fopt（x）-10+f（x，t）]}。（12）

式中：fg1（x，t）為過高或過低溫度對植物光合作用的限制；fg2（x，t）為溫度從最適宜向高溫或低溫變化時，對光能利用率的影響；fopt（x）為植被最適宜溫度，℃。f（x，t）為t月x的月均溫，℃。特別地，當月均溫在-10 ℃及以下時，fg1（x，t）為0；當f（x，t）低于fopt（x） 13 ℃或者高于fopt（x） 10 ℃時，fg2（x，t）為最適宜溫度下fg2（x，t）的一半。

f（B）=0.5+0.5EET（x，t）/PET（x，t）。（13）

式中：EET（x，t）、PET（x，t）分別為實際、潛在的蒸發(fā)量，mm。EET（x，t）=P（x，t）×Rn（x，t）×{[P（x，t）]2+P（x，t）×Rn（x，t）+[Rn（x，t）]2}[P（x，t）+Rn（x，t）]×{[P（x，t）]2+[Rn（x，t）]2}；（14）

Rn（x，t）=[PETO（x，t）×P（x，t）]0.5×{0.369+0.598×[PETO（x，t）/P（x，t）]0.5}；（15）

PET（x，t）=EET（x，t）+PETO（x，t）2。（16）

式中：P（x，t）、Rn（x，t）分別為t月x像元的月降水量、地表凈輻射量；PETO（x，t）為局地潛在蒸散量，mm。

（2）K的計算。K值表示土壤在侵蝕外應(yīng)力的作用下，被搬運和剝蝕的難易程度。參照門明新等的研究成果[21]，以青龍滿族自治縣土壤類型圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得到研究區(qū)所有土壤的可蝕性因子。

（3）Fslo的計算。通過中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心獲得研究區(qū)的高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析功能提取坡度信息，并采用極值標準化方法將坡度值歸一化到0～1之間。

1.3.1.2水源涵養(yǎng)功能重要性評價生態(tài)系統(tǒng)通過植被和土壤攔蓄降水，不僅能滿足系統(tǒng)內(nèi)各生態(tài)組分的用水，還可以緩和地表徑流、補充地下水[22-24]，水源涵養(yǎng)功能重要性評價是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價的重要組成部分。研究區(qū)內(nèi)河流眾多，為秦皇島市、唐山市兩地的重要水源地，且該區(qū)域森林覆蓋率高達50%以上，故研究該區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能具有重要意義。參考《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》和相關(guān)研究[11-12]，水源涵養(yǎng)服務(wù)功能指數(shù)的計算公式如下：

WR=NPP×Fsic×Fpre×（1-Fslo）。（17）

式中：WR為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能指數(shù)；Fsic為土壤滲流能力因子；Fpre為降水因子。

（1）Fsic的計算。根據(jù)土壤質(zhì)地類型，由黏土到沙土分別在0～1之間均等賦值得到，黏土為0，沙土為1。

（2）Fpre的計算。依據(jù)掌握的青龍滿族自治縣及周邊氣象站點年、月降水資料，首先求取各站點多年的平均降水量。然后采用普通克里金插值方法進行空間插值，并采用極值標準化方法將數(shù)據(jù)歸一化到0～1之間。

1.3.1.3生物多樣性保護功能重要性評價生態(tài)系統(tǒng)為野生動植物提供生境和棲息地，保護生物多樣性，有利于保持生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)功能的水平，從而實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展[25-26]。研究區(qū)優(yōu)越的山水自然景觀孕育了豐富的生境和動植物資源，是省級重點生態(tài)功能區(qū)。特殊的地理條件和保存多樣的珍稀動植物資源，使該地區(qū)的生物多樣性保護研究顯得尤為重要。參考《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》和相關(guān)研究[11-12]，生物多樣性保護服務(wù)能力指數(shù)的計算公式為：

Sbio=NPP×Fpre×Ftem×（1-Falt）。（18）

式中：Sbio為生物多樣性保護服務(wù)能力指數(shù)；Ftem為氣溫參數(shù)；Falt為高程參數(shù)。

（1）Ftem的計算。依據(jù)掌握的青龍滿族自治縣及周邊氣象站點年、月氣溫資料，首先求取各站點多年平均氣溫。然后采用普通克里金插值方法進行空間插值，并采用極值標準化方法將數(shù)據(jù)歸一化到0～1之間，獲得Ftem。

（2）Falt的計算。通過中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心獲得研究區(qū)的高程數(shù)據(jù)，并采用極值標準化方法將高程值歸一化到0～1之間。endprint

1.3.1.4綜合生態(tài)用地重要性評價各單因子生態(tài)用地重要性只反映了某一方面生態(tài)功能的強弱，要將綜合生態(tài)用地重要性反映出來，需根據(jù)上述各項因子的重要性分值，通過以下公式計算綜合生態(tài)用地指數(shù)：

S=3Spro×WR×Sbio。（19）

式中：S為綜合生態(tài)用地指數(shù)。

1.3.2生態(tài)用地重要性識別及空間劃定在生態(tài)用地重要性評價的基礎(chǔ)上，采用自然間斷點分級法，將各評價結(jié)果分為5級（極重要、高度重要、中等重要、一般重要、不重要），來識別生態(tài)用地的重要性。土地開發(fā)和保護之間矛盾的協(xié)調(diào)實質(zhì)上是一種博弈，極端的保護主義和唯利是圖的開發(fā)行為都不能獲得圓滿的結(jié)果[27]。因此，根據(jù)研究區(qū)的特點以及綜合生態(tài)用地重要性的評價結(jié)果，將極重要和高度重要的區(qū)域定義為關(guān)鍵性生態(tài)用地空間，即底線生態(tài)用地；將中等重要的區(qū)域定義為過渡性生態(tài)用地空間，即輔助生態(tài)用地；將一般重要和不重要的區(qū)域劃定為非生態(tài)用地空間，即人類的生產(chǎn)生活空間。

2結(jié)果與分析

根據(jù)上述已建立的生態(tài)用地重要性評價和空間結(jié)構(gòu)識別方法，利用ArcGIS軟件，對研究區(qū)先后進行單因子和綜合生態(tài)用地重要性評價，并得出各類型生態(tài)用地和關(guān)鍵性生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)識別結(jié)果（表1、表2和圖1至圖4）。

地區(qū)為坡度值較低的區(qū)域，東部地區(qū)為土壤侵蝕性較弱的區(qū)域，受自然因素的影響，土壤保持功能較強。其中大巫嵐鎮(zhèn)、三星口鄉(xiāng)、祖山鎮(zhèn)、鳳凰山鄉(xiāng)的分布比例較大，均占區(qū)域總面積的50%左右。土壤保持能力受地形因子、土壤結(jié)構(gòu)因子以及植被等情況影響，因此這些區(qū)域一方面應(yīng)嚴禁陡坡墾殖、過度放牧，嚴防新增人為因素造成的土壤侵蝕；另一方面應(yīng)注重營建水土保持林，提高森林覆蓋率，增強土壤保持能力。

由表1可知，在水源涵養(yǎng)功能重要性評價方面，極重要、高度重要等級的面積分別為16 337.87、41 919.15 hm2，占全區(qū)總面積的17.04%，比例較小。由于研究區(qū)的土壤類型以

褐土、棕壤土為主，其中褐土約占總面積的82%，棕壤土約占15%，且區(qū)域分布規(guī)律明顯，受土壤質(zhì)地的影響，水源涵養(yǎng)用地的重要性區(qū)域成片分布，較為集中，主要位于縣域東南部的祖山林場、隔河頭鄉(xiāng)，縣域西北部的都山林場以及縣域中部的鳳凰山鄉(xiāng)（圖2）。降水量、地形坡度、植被覆蓋程度對水源涵養(yǎng)能力影響顯著，鑒于此，這些區(qū)域應(yīng)禁止過度采伐和放牧，保護現(xiàn)有的植被資源，同時建設(shè)水源涵養(yǎng)林，開展生態(tài)清潔小流域建設(shè)，預(yù)防保護與綜合治理并重。

由表1可知，在生物多樣性保護功能重要性評價方面，極重要、高度重要等級的面積分別為38 945.95、108 771.94 hm2，占全區(qū)總面積的43.19%，在研究區(qū)3個單因子評價中，高等級面積比例最大。由圖3可知，生物多樣性保護用地的重要性區(qū)域不僅數(shù)量多，而且范圍廣，其中縣域西南部的涼水河鄉(xiāng)、三撥子鄉(xiāng)、七道河鄉(xiāng)、草碾鄉(xiāng)以及北部的大石嶺鄉(xiāng)，由于降水較充沛，是高值聚集區(qū)。除此以外，縣域中部的大巫嵐鎮(zhèn)、平方子鄉(xiāng)是另外2處熱點區(qū)域，該部分區(qū)域處于丘陵地貌，海拔較低、植被茂盛、動植物種類繁多，是重要的生物多樣性保護區(qū)。這些生態(tài)用地是維護研究區(qū)生物多樣性的重要區(qū)域，對其林木和水體應(yīng)嚴格保護，加強生態(tài)建設(shè)力度，以便為更多的物種提供繁衍生息的場所。

將所有單因子評價結(jié)果作綜合疊加處理，實現(xiàn)對研究區(qū)的綜合生態(tài)用地重要性評價，根據(jù)生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)的識別方法，分別得到青龍滿族自治縣的關(guān)鍵性、過渡性以及非生態(tài)用地空間。由表1、表2、圖4可以看出，在綜合生態(tài)用地重要性評價中，極重要、高度重要等級的面積分別為29 113.79、84 368.17 hm2，占全區(qū)總面積的33.18%，是研究區(qū)的關(guān)鍵性生態(tài)用地空間，主要分布在縣域東部的鳳凰山鄉(xiāng)、祖山林場、祖山鎮(zhèn)以及縣域西北部的都山林場，是維護研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的核心區(qū)域，也是高強度的人類建設(shè)活動不應(yīng)逾越的底線。中等重要等級的面積為117 868.16 hm2，占全區(qū)總面積的34.46%，是研究區(qū)的過渡性生態(tài)用地空間，主要分布在縣域的西部、中部和東北部，對維護區(qū)域水土安全和生物多樣性起輔助作用。該區(qū)域應(yīng)主要推廣“糧農(nóng)-林果-草牧”結(jié)合的經(jīng)營模式，發(fā)展高效種植業(yè)、名優(yōu)稀特林果業(yè)和綠色設(shè)施農(nóng)業(yè)，使生態(tài)效益和經(jīng)濟效益均得到良好地發(fā)揮，適度開展建設(shè)活動。一般重要、不重要等級的面積分別為 93 346.64、17 309.31 hm2，占全區(qū)總面積的32.36%，是研究區(qū)的非生態(tài)用地空間，分布在縣域中西部地區(qū)，主要是建成區(qū)和城鎮(zhèn)周邊，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能較小，主要用于人類的生產(chǎn)生活功能。

3結(jié)論與討論

在經(jīng)濟飛速發(fā)展和人地矛盾日益突出的背景下，劃分維護區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵性生態(tài)用地空間，并對其進行保護，是十分迫切的。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定義以及青龍滿族自治縣的實際情況，借助ArcGIS軟件，采用NPP定量指標評價方法，對研究區(qū)2013年土地利用現(xiàn)狀進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價，并在此基礎(chǔ)上獲得區(qū)域關(guān)鍵性生態(tài)用地空間。結(jié)果表明，研究區(qū)關(guān)鍵性生態(tài)用地面積為 113 481.96 hm2，占全區(qū)總面積的33.18%，主要分布在縣域東部的鳳凰山鄉(xiāng)、祖山林場、祖山鎮(zhèn)以及縣域西北部的都山林場，是研究區(qū)保障自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能所必需的生態(tài)用地，也是高強度的人類建設(shè)活動不應(yīng)逾越的底線。

由于只計算2013年這一靜態(tài)時點的現(xiàn)狀NPP，未考慮NPP隨時間的變化情況，因此，本研究對研究區(qū)進行的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價是2013年的現(xiàn)狀評價，今后應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性動態(tài)評價方面進行深入研究，并以此為依據(jù)劃定關(guān)鍵性生態(tài)用地空間。

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