區域尺度生態保護紅線劃定
——以京津冀地區為例

劉軍會,馬 蘇,高吉喜,鄒長新,王晶晶,劉志強,王麗霞 (.中國環境科學研究院,北京 000；.環境保護部南京環境科學研究所,江蘇 南京 00；.生態環境部環境規劃院,北京 000；.中國人民大學,北京 0087)

生態保護紅線是指在生態空間范圍內具有特殊重要生態功能、必須強制性嚴格保護的區域.圍繞生態保護紅線劃定方法,國內學者以省、市、縣等行政區為研究對象開展了大量探索性研究.參照《生態保護紅線劃定指南》[1],全國31個省(自治區、直轄市)組織專家學者開展了本轄區的生態保護紅線劃定工作;此外,市級[2-7]、縣級[8-10]行政區生態保護紅線劃定研究也取得了大量結果.以行政區劃為研究對象開展的生態保護紅線劃定,便于數據收集和后期管理;但由于劃定主體不同、對紅線認識不同,加之同級行政區范圍差異大,評價數據精度、時效性不一致,造成跨行政區的紅線分布存在明顯的不連續、空白或邊界錯亂現象,割裂了山脈、河流、濕地、植被等自然地理要素的空間完整性,難以形成生態保護紅線全國“一張圖”.為打破行政區劃制約,應根據我國地域分異特征,將區域、流域作為一個整體,統一劃定生態保護紅線,并在省級層面進行銜接,確保跨行政區的紅線邊界連續、完整.

京津冀地理位置相鄰,同處海河流域,山相連、水相通.其中,北京、天津地區80%以上的用水來自于冀北的桑干河、洋河、潮白河和灤河,行政區域之間生態關系緊密.京津冀地區生態地位重要,是華北平原重要的生態屏障.燕山山地是灤河、潮白河等河流的發源地,具有重要的水源涵養功能;太行山山地是海河水系的發源地和全國水土流失重點治理區,具有重要的水源涵養和水土保持功能;冀北壩上高原是風沙逼近北京、天津的主要通道和重要沙源地之一,具有重要的防風固沙功能.同時,京津冀地區生態環境非常脆弱,是我國東部地區資源環境與發展矛盾最為突出的地區,土地沙化、水土流失、生態空間退縮、城市熱島效應等生態問題突出,當前生態安全形勢依然十分嚴峻.

京津冀協同發展已經上升為國家重大發展戰略,核心是京津冀三地作為一個整體協同發展.統一劃定京津冀區域生態保護紅線是促進京津冀協同發展的重要組成,有利于在區域層面實現對京津冀生態空間的統一管控.本研究以京津冀地區陸域作為一個整體,利用遙感和GIS技術,搭建統一的工作平臺,建立評價指標和評價模型,開展區域生態系統服務重要性和生態敏感性評價,確立分級賦值標準,定量揭示京津冀地區生態系統服務重要性和生態敏感性的空間分布特征;再利用全國第二次土地調查等明確的地塊邊界,采用交互矢量化方法,將生態系統服務極重要區和生態環境極敏感區劃為生態保護紅線.統一劃定京津冀地區生態保護紅線,有利于從區域層面構建生態安全格局、推動重要生態空間協調保護和實施統一監管.

1 數據獲取與處理

氣象數據:覆蓋京津冀地區 2000～2015年降雨量、溫度、風速和大風日數等資料來源于中國氣象科學數據共享服務網中的中國地面氣候資料數據集(http://cdc.cma.gov.cn/).氣象數據包括研究區各氣象站點的編號、經緯度和海拔,以及每個氣象站點在相應分析時間尺度內的降雨量(0.1mm)、溫度(0.1)℃、風速(0.1m/s).根據各氣象站點的經緯度信息,采用ArcGIS的Kriging空間插值法,獲取研究區的氣象數據柵格圖像.

遙感數據:研究區2000～2015年歸一化植被指數(NDVI)來源于美國國家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS數據產品(http://e4ft101.cr.usgs.gov/),空間分辨率為 250m,時間分辨率為 16d.為消除異常值的影響,采用最大合成法(MVC)合成月NDVI數據,再將月NDVI合成年最大NDVI影像[10],獲取京津冀地區2000～2015年逐年及逐月NDVI影像.

高程數據:數字高程模型(DEM)來自于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn),空間分辨率 30m,用以提取坡度等地形數據.

土壤數據:土壤數據來源于中國科學院南京土壤研究所的中國1:100萬土壤數據庫,屬性數據庫包括土壤表層黏粒、粉沙、沙粒、有機質含量等屬性字段.

其他數據:2015年京津冀地區的土地利用數據、植被NPP數據來源于全國生態環境現狀調查數據庫;第二次全國土地調查數據來源于國土資源部.

為統一京津冀地區評價尺度,本研究中所用數據均統一轉換成阿爾伯斯等面積圓錐投影,采用克拉索夫斯基橢球體,評價柵格單元為250m×250m.

2 研究方法

2.1 生態評價方法.

依據京津冀地區生態環境現狀、主導生態系統服務功能定位和自然環境演變過程中出現的生態問題,選取水源涵養、水土保持、防風固沙3類生態系統服務以及土地沙化、水土流失2類典型生態問題,構建評價指標和評價模型,開展區域生態系統服務重要性和生態敏感性評價,定量揭示京津冀地區生態系統服務重要性和生態敏感性的空間分布特征.

2.1.1 水源涵養服務重要性評價 水源涵養是生態系統通過其特有的結構與水相互作用,對降水進行截留、滲透、蓄積,并通過蒸散發實現對水流、水循環的調控.以水源涵養量作為生態系統水源涵養重要性評價指標,采用水量平衡方程來計算水源涵養量,計算公式為:

式中: TQ為總水源涵養量,m3; Pi為降雨量,mm; Ri為地表徑流量,mm; ETi為蒸散發,mm; Ai為i類生態系統面積,km2; i為研究區第i類生態系統類型, j為研究區生態系統類型數.降雨量因子、蒸散發因子柵格圖像根據各氣象站點的經緯度信息,采用 ArcGIS的Kriging空間插值法獲取.地表徑流量由多年平均降雨量乘以地表徑流系數獲得,各類型生態系統地表徑流系數根據經驗值確定.生態系統面積因子根據全國生態狀況遙感調查與評估成果中的生態系統類型數據集提取.

2.1.2 水土保持服務重要性評價 水土保持是生態系統通過其結構與過程減少由于水蝕所導致的土壤侵蝕的作用.以水土保持量,即潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值,作為生態系統水土保持重要性的評價指標.采用修正通用水土流失方程(RUSLE)計算水土保持量,公式如下:

式中: Ac為水土保持量,t/(hm2?a); Ap為潛在土壤侵蝕量; Ar為實際土壤侵蝕量;R為降雨侵蝕力因子,MJ?mm/(hm2?h?a); K 為 土 壤 可 蝕 性 因 子 ,t?hm2?h/(hm2?MJ?mm); L、S 為地形因子,L 表示坡長因子,S 表示坡度因子;C為植被覆蓋因子.降雨侵蝕力因子根據王萬忠等[12]利用降水資料計算的中國 100多個城市的R值,采用ArcGIS的內插法繪制研究區R柵格分布圖.采用EPIC模型[13-14]計算K值,該模型在土壤侵蝕預測模塊中采用土壤有機碳和粒徑組成資料來估算土壤可蝕性K值;坡度、坡長是反映地形對土壤侵蝕影響的 2個因子,坡度是主要影響因子,一般來說,在其他條件相同的情況下,＞35°的坡地土壤侵蝕量最大[15],坡度根據研究區數字高程模型(DEM)在GIS系統下直接生成.植被覆蓋度信息提取是在對光譜信號進行分析的基礎上,通過建立歸一化植被指數與植被覆蓋度的轉換關系,直接提取植被覆蓋信息[16].

2.1.3 防風固沙服務重要性評價 防風固沙是生態系統通過防風、固沙、阻沙以及對風沙土的改良作用等途徑對地表土壤形成保護,減少風蝕輸沙量.以潛在風蝕量與實際風蝕量的差值作為生態系統減少風蝕的防風固沙量.采用董治寶[17]提出的風蝕流失模型計算防風固沙量,公式為:

式中: Q為防風固沙量,t; θ為坡度,°; V為風速,m/s;VCR為植被覆蓋度,%; SDR為人為地表結構破損率,%;H為空氣相對濕度,%;d為土壤平均粒徑,mm; F為土體硬度,N/cm2; t為時間,s; x,y為距離參照點距離,km.風速、空氣相對濕度柵格圖由氣象站點數據空間插值生成;坡度圖由DEM提取;人為地表結構破損率不考慮,設為 1;土壤平均粒徑、土體硬度由土壤數據庫提取;時間(s)為 2000～2015年揚沙天數年平均值;植被覆蓋度根據研究區NDVI提取.

2.1.4 水土流失敏感性評價 根據通用水土流失方程的基本原理,選取降水侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長和植被覆蓋等作為評價指標.將反映各因素對水土流失敏感性的單因子評估數據,用GIS技術進行乘積運算,公式如下:

式中: SSi為i空間單元水土流失敏感性指數,Ri、Ki、LSi、Ci分別為降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度、植被覆蓋度.指標計算方法同上.

2.1.5 土地沙化敏感性評價 土地沙化主要受氣候干燥程度影響表現為氣候干燥,植物生長困難,地表植被覆蓋度低.干燥氣候減緩了地表土壤形成過程,使地表結構分散,易受風蝕,土壤的抗風蝕沙漠化能力與土壤水分含量成正比[18-19].選取干燥度指數、起沙風天數、土壤質地、植被覆蓋度作為土地沙化敏感性評價指標,公式如下:

式中: Di為i評估區域土地沙化敏感性指數; Ii、Wi、Ki、Ci分別為評估區域干燥度指數、起沙風天數、土壤質地和植被覆蓋.干燥度指數采用修正的謝良尼諾夫公式[20]計算;根據劉連友等[21]研究結果,沙質壤土、壤質沙土和固定風沙土的起動風速分別為 6.0、6.6和5.1m/s,本研究選用冬春季節大于6m/s起沙風天數指標評價土地沙化敏感性;土壤質地數據通過 1:100萬土壤數據獲取.

2.2 分級賦值標準

在 ArcGIS軟件中,運用柵格計算器,輸入公式“Int([某一要素評估的柵格數據]/[某一要素評估柵格數據的最大值]×100)”,得到歸一化后的生態系統服務重要性、生態敏感性評價柵格圖;再利用ArcGIS提供的自然斷點分類方法,將生態系統服務重要性評價結果劃分為一般重要、輕度重要、中度重要、高度重要和極重要5個等級,將生態敏感性評價結果劃分為一般敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感5個等級.具體分級賦值標準見表1.

表1 生態系統服務重要性、生態敏感性評價分級賦值標準Table 1 Classification of ecosystem service importance and ecological environmental sensitivity

2.3 紅線邊界確定

生態保護紅線劃定是在綜合考慮區域生態系統服務重要性、生態敏感性評價基礎上,將生態系統服務極重要區和生態環境極敏感區劃為生態保護紅線.為使生態評價結果落到實地,精確界定生態保護紅線邊界,需經過以下步驟處理:首先,利用ArcGIS中的聚合工具將鄰近的圖斑聚合為相對完整連片的大塊圖斑,聚合距離為 250m,最小孔洞大小為 1km2;其次,將面積小于 1km2的獨立圖斑扣除,降低斑塊破碎化程度;最后,本研究利用全國第二次土地調查數據(該數據明確了每個地塊的類型、面積、權屬和分布信息,比例尺較大,準確率較高)與綜合評價圖進行空間疊加,對具體地塊進行人工判讀和補充勾繪,通過尺度轉換,將低分辨率的評價柵格數據轉換為高分辨率的生態保護紅線矢量數據,形成邊界清晰、生態系統相對完整和易于管理的生態保護紅線.

3 結果與討論

3.1 劃定結果

圖1 水源涵養服務極重要區Fig.1 The extremely important area of water conservation service

京津冀地區水源涵養服務極重要區面積5.17萬km2,占研究區總面積的23.85%,主要包括永定河、潮白河、灤河、遼河和海河等主要河流源頭區,以及密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫、北大港水庫、于橋水庫、東七里海水庫、團泊洼水庫等飲用水水源保護區和水源涵養區(圖 1).水土保持服務極重要區面積4.87萬km2,占研究區總面積的22.48%,主要分布在西部太行山山地、永定河上游的間山盆地區、燕山山地以及灤河上游山川河谷地區等(圖 2).防風固沙服務極重要區面積 1.05萬 km2,占研究區總面積的4.84%,主要分布冀北塞罕壩、冀西北間山盆地(圖3).水土流失極敏感區面積0.99萬km2,占研究區總面積的 4.56%,主要分布在保定市和石家莊市西部的太行山地、冀西北間山盆地以及北部燕山山地的部分區域(圖 4).土地沙化極敏感區面積 0.57萬 km2,占研究區總面積的 2.62%,主要分布在張家口市的壩上高原地區和冀西北間山盆地(圖5).

圖2 水土保持服務極重要區Fig.2 The extremely important area of soil conservation service

圖3 防風固沙服務極重要區Fig.3 The extremely important area of sand fixation service

圖4 水土流失極敏感區Fig.4 The extremely sensitive area of soil erosion

圖5 土地沙化極敏感區Fig.5 The extremely sensitive area of land desertification

京津冀地區生態系統服務極重要區、生態環境極敏感區的總面積為 12.65萬 km2,扣除二者相互重疊部分,生態保護紅線面積為6.68萬km2,占研究區總面積的30.9%.空間上,生態保護紅線總體呈“兩屏一帶”分布格局(圖6),其中“兩屏”為北部燕山和西部太行山生態屏障,主要生態功能為水源涵養和水土保持;“一帶”為壩上防風固沙帶,主要生態功能為防風固沙.紅線范圍涵蓋了境內主要河流的源頭區、水土流失重點治理區和沙化土地治理區.從北京市、天津市和河北省的跨行政區銜接看,位于相鄰省、市邊界的生態保護紅線銜接自然順暢,不存在明顯的不連續、空白或邊界錯亂區域,保證了區域生態系統完整性.從不同省市看,北京市生態保護紅線主要分布在北部燕山山地和西部太行山山地,生態功能定位為水源涵養和水土保持;天津市生態保護紅線主要分布在北部薊州山地丘陵區和中南部平原濕地,生態功能定位為水源涵養和生物多樣性維護;河北省生態保護紅線主要分布在東北部燕山山地、西部太行山山地和北部壩上防風固沙帶,主要生態功能為水源涵養、水土保持和防風固沙.

圖6 生態保護紅線分布Fig.6 Spatial distribution of ecological conservation redline in Beijing-Tianjin-Hebei Area

3.2 劃定效果分析

京津冀地區 2015年生態系統類型分析發現,生態保護紅線范圍內的林地、草地面積分別為4.44萬km2和0.75萬 km2,二者面積合計占生態保護紅線總面積的 77.9%,比紅線之外的林地草地面積比例(22.2%)高55.7%.

植被凈初級生產力(NPP)表示綠色植物在單位面積、單位時間內通過光合作用將植被可吸收的太陽能轉換成植物有機碳量的能力[22-24].研究區NPP分析發現,2015年生態保護紅線范圍內的植被 NPP平均值為 471.0gC/(m2.a),比紅線之外的研究區植被NPP 平均值(381.3gC/(m2?a))高 23.5%.

通過對研究區主導生態系統類型、面積比例和植被NPP分布特征分析可知,京津冀地區生態保護紅線范圍內的生態系統重要性遠高于紅線外的區域,劃定結果符合“以較小面積獲取較大服務”原則,適于作為京津冀地區最重要、需要嚴格管控的生態空間.

3.3 不確定性分析

本研究在基礎數據處理過程中主要采用了遙感影像解譯和GIS空間內插方法,研究結果精度會受到數據處理誤差的影響;斑塊聚合、獨立細小斑塊扣除、人工判讀與補充勾繪等處理精度,都會影響到生態保護紅線劃定結果.由于數據收集難度大,缺乏準確邊界,本研究未將自然保護區、風景名勝區、森林公園、河湖濕地等生態保護地納入生態保護紅線.此外,劃定結果尚需開展實地核查,并征求地方政府與相關領域專家意見,提高劃定方法的可操作性.

4 結論

4.1 京津冀地區山相連、水相通,將京津冀地區作為一個研究整體,打造統一工作平臺,共同劃定京津冀地區生態保護紅線,既保障了跨省市紅線銜接自然順暢和生態系統完整性,又可以為北京市、天津市、河北省生態保護紅線劃定提供參考,同時對于推動整個區域重要生態空間協調保護和實施統一監管具有重要實踐意義.

4.2 京津冀地區生態保護紅線總面積 6.68萬 km2,占研究區總面積的30.9%;空間上,生態保護紅線總體呈“兩屏一帶”分布格局,其中“兩屏”為北部燕山和西部太行山生態屏障,“一帶”為壩上防風固沙帶;紅線范圍涵蓋了研究區境內主要河流源頭區、水土流失重點治理區和沙化土地治理區.

4.3 生態保護紅線范圍內的森林、草地面積合計占比達 77.9%,比紅線之外的區域高 55.7%;生態保護紅線范圍內的植被 NPP平均值為 471.0gC/(m2.a),比紅線外的植被NPP平均值高23.5%,生態保護紅線劃定結果符合“以較小面積獲取較大服務”原則,適于作為京津冀地區最重要、需要嚴格管控的生態空間.

4.4 自上而下演繹評價和自下而上歸納協調相結合是劃定生態保護紅線的一種有效途徑.國家層面應加強生態保護紅線劃定頂層設計,依據我國地域分異特征,在全國劃分出若干個重點區域和流域,搭建統一工作平臺,制定統一劃定標準,分別提出京津冀地區、青藏高原、長江流域、黃河流域、珠江流域等重點區域、流域的生態保護紅線分布建議,并與相關的省(自治區、直轄市)生態保護紅線劃定結果進行銜接,提升紅線邊界確定的科學性.