“山水林田湖草生命共同體”要素關聯性分析
——以長白山地區為例

于恩逸，齊麟，代力民，于大炮，趙福強，周 莉，周旺明，朱 琪，3，毛誠瑞，3，吳 鋼

1 中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085 2 中國科學院沈陽應用生態研究所森林生態與管理重點實驗室, 沈陽 110016 3 中國科學院大學, 北京 100049

近年來,習近平總書記在多次報告中指出：“山水林田湖草是一個生命共同體”；同時強調：“人與自然是生命共同體,人類必須尊重自然、順應自然、保護自然[1]”。“山水林田湖草生命共同體”理念發源自生態倫理學、環境保護和可持續發展理論,旨在說明生態系統內人類及其他生態系統要素之間相互依存的關系[2]。一方面,該理念著重指出了對生命共同體系統治理的必要性,與此同時,還強調了生命共同體不能僅僅體現“山水林田湖草”,應該把其中的關鍵主導要素“人”也在生命共同體的作用體現出來。

現階段,有關山水林湖田的研究正處在前沿探索階段,國內大多數學者主要集中討論其內涵特征,機制、體制和啟示作用等方面[3- 6]。王夏暉等針對“山水林田湖草生命共同體”內涵進行了系統的討論,認為其具有尺度性、整體性、功能性和均衡性等特征[7]。張惠遠則從系統科學和景觀生態學角度出發,探討了“山水林田湖草”生態保護和修復的指導思想、目標、方法和技術,并指出其目標是提高以“命脈”為核心的生態景觀服務功能[8]。另有一些學者則針對其實踐路徑展開討論,總結出了一系列適應不同地區的實施方案及措施[9- 11]。李達凈等人系統論述了“人”在“山水林田湖草生命共同體”中的角色和作用[12-13]。然而,對“山水林田湖草生命共同體”這種復合式生態系統內部各要素之間耦合過程的研究尚未全面開展,特別是對量化各要素耦合過程中生態系統結構時空分異、各子系統關聯過程等方面缺乏深入、系統的研究。

本文從長白山地區“山水林田湖草生命共同體”保護與系統治理的理論與實踐出發,探討該地區“山水林田湖草生命共同體”內部各要素在空間和數量的耦合過程,分析各要素面臨的生態環境問題的關聯性,并給出制定保護與系統治理措施的相關建議。

1 研究區概況

1.1 研究區域范圍及位置

長白山區位于我國東北地區中部,地理坐標為: 121°38′—131°19′E、40°52′—46°18′N之間,面積10.4萬km2,占吉林省土地面積的55.6%。依據《全國生態功能區劃(修編版)》和《中國生物多樣性保護戰略與行動計劃(2011—2030年)》界定的長白山水源涵養與生物多樣性保護區、長白山生物多樣性保護優先區的范圍,長白山地區包括：長白山保護開發區,吉林市、延邊州、通化市、白山市,以及梅河口市6個地區。

1.2 生態功能定位

國家生態安全屏障。《國家主體功能區規劃》提出：構建“兩屏三帶”為主體的生態安全戰略格局。其中,東北森林帶要重點保護好森林資源和生物多樣性,發揮東北平原生態安全屏障的作用。

水源涵養與生物多樣性保護重要區。《全國生態功能區劃(修編版)》確定了長白山水源涵養與生物多樣性保護區為全國重要生態系統服務功能區。

生物多樣性保護優先區域。《中國生物多樣性保護戰略與行動計劃(2011—2030年)》確定長白山地區為生物多樣性保護優先區域,保護重點為溫帶落葉闊葉林生態系統以及紅松 (Pinuskoraiensis)、東北紅豆杉(Taxuscuspidata)、松茸(Tricholomamatsutake)、東北虎(Pantheratigris)等重要物種及其棲息地。

2 研究材料與方法

2.1 數據收集

本研究所用的主要數據包括長白山地區2015年土地利用現狀數據、2015年NDVI數據、DEM影像數據；吉林省水系圖、吉林省土壤類型圖、吉林省水土流失敏感性圖、2015年吉林省水資源公報以及統計年鑒等。

2.2 研究方法

2.2.1長白山地區“山水林田湖草”分布格局分析

本研究基于收集到的數據并將地圖資料數字化,采用自然斷點法進行地形、地貌分類,分析長白山地區“山水林田湖草”各要素的分布情況。自然斷點法是類別基于數據中固有的自然分組,對分類間隔加以識別,可對相似值進行最恰當的分組,并可使各個類之間的差異最大化。要素將被劃分為多個類,對于這些類,會在數據值的差異相對較大的位置處設置邊界[14]。針對長白山地區“山水林田湖草”各要素做出如下界定：“山”通過自然斷點法,劃定長白山地區山地范圍；其余各要素在2015年吉林土地利用現狀圖中劃定“水”包括河流、灘涂和湖泊等；“林”包括有林地、灌木林地和其他林地等；“田”包括水田和旱田；“湖”即為湖泊水體；“草”則包括天然草地、人工草地和其他草地。

2.2.2長白山地區“山水林田湖草”各要素關系分析

本研究采用空間疊置分析法[15- 16]定量研究長白山地區“山水林田湖草”空間關聯性以及相互影響的程度,詮釋其內部聯系。空間疊置分析法是基于地理對象的位置形態特征的空間數據分析技術,其目的在于提取和傳輸空間信息。其過程是在統一的空間坐標系下,將同一地區、同一比例尺以及同一分辨率的包含目標空間要素對象的多個數據層進行空間相關性分析,并產生一個新要素圖層。新圖層可以反映原多層實體要素所具有的空間或屬性特征及其相關性。

3 結果

3.1 長白山地區“山水林田湖草”空間分布特征

通過對長白山地區“山水林田湖草”現狀統計得到：區內山地面積7.40萬km2,占總面積的70.20%；水體面積0.66萬km2,占總面積的6.24%；林地8.49萬km2,占總面積的80.23%；耕地3.00萬km2,占總面積的28.34%；湖泊14.90 km2,占總面積的0.014%；草地693.25 km2,占總面積的0.65%(表1)。

區內山地主要分布在東部,以延邊朝鮮族自治州、長白山保護開發區以及白山市為主；耕地、水體主要分布在西部的吉林市、西南部的通化市以及梅河口市,北部的延邊朝鮮族自治州；林地主要分布在東部的延邊朝鮮族自治州、長白山保護開發區以及白山市；草地主要分布在西部的吉林市、北部的延邊朝鮮族自治區以及西南部的通化市(表1)。

表1 長白山地區各市“山水林田湖草”各地類面積

3.2 長白山地區“山水林田湖草生命共同體”各要素間的依存關系

人的命脈在于田。區內各市人口以及城鎮建筑用地與耕地面積的數量特征存在顯著的正相關關系(y=0.062x+111.04,R2=0.863,P<0.05,n=6；人口數量：y= 0.028x+34.328,R2=0.789,P<0.05,n=6;圖1)。除白山市以外,區內各市人口數、城鎮建設用地與其耕地的面積的數量都表現出了高度一致性。因白山市礦區眾多,其人口數和建設用地與耕地面積的數量關系受到其影響,略區別于區內其他各市。

耕地的分布與城鎮用地的空間分布也表現出明顯的規律,即：耕地以城鎮建設用地為中心,向外呈放射狀分布,且其半徑與城鎮建設用地的面積相耦合。此外,人口數量、城鎮建設用地主要分布在丘陵和平原地區,這表明人類在城市擴張、農業生產中仍較多受到地形、地貌的影響和限制(圖1)。

圖1 長白山地區耕地、城鎮建設用地以及人口的數量及分布Fig.1 The quantity and distribution of cropland land, land for urban construction and populution in Changbai mountains region

田的命脈在于水。空間相關性分析表明：耕地的空間分布與地表水體的空間分布高度耦合(r=0.812)。區內各市地表水體面積與耕地面積也呈現顯著正相關關系(y=4.17x+411.68,R2=0.96,P<0.01,n=6)。區內東部以林地為主的山區地下水開采量低于以耕地為主的西部丘陵、平原地區(圖2)。在耕地面積比例較高的地區,如吉林市、通化市、延邊州、以及梅河口市,灌溉用水所占總用水量的比例也很高,說明耕地對水資源具有高度的依賴性。

圖2 長白山地區地表水與地下水開采程度以及耕地分布及相關性Fig.2 Distribution of surface water, groundwater exploitation and cropland and their relation in Changbai mountains region

水的命脈在于山。長白山是松花江、圖們江、鴨綠江三江的發源地。在北坡是松花江南源二道松花江(下稱二道江)的二道白河,在西坡是松花江西源頭道松花江(下稱頭道江)的漫江和錦江；在東南坡是圖們江的正源紅丹水,在南坡是鴨綠江的正源暖江。區域較大的湖泊有松花湖、紅石湖、白山湖、海龍水庫、云峰水庫、星星哨水庫等,除海龍水庫以外,其余5個湖泊均已列入國家水質較好湖泊生態環境保護規劃。這凸顯了區內山地復雜生態系統對于水源產生和延續的重要性,同時山也是“水林田湖草”的重要載體(圖3)。

山的命脈在于土。土壤圈位于大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的交換地帶,是連接無機界和有機界的樞紐,因此具有極為重要的作用。特別是土壤圈與巖石圈(山)的關系緊密,即：山(巖石圈)通過土與生物圈、水圈和大氣圈進行物質與能量的交換。長白山土壤同時反映了母巖特征、地形地貌以及植被特征。長白山區的土壤以暗棕壤為主,暗棕壤分布在海拔1100 m以下的臺地,主要由火山碎屑和玄武巖風化而形成,土壤質地較粗,結構疏松,排水良好,土層中厚。 植被以闊葉紅松林為典型代表；棕壤一般分布在海拔1100—1700 m之間的坡地高原上,母質以火山噴出巖為主,上部覆蓋有火山灰,一般土層較薄。植被以暗針葉林為典型代表；白漿土、草甸土的分布面積次于暗棕壤。草甸土分布在海拔1700—2000 m的火山錐體的下部,地貌為火山錐體,土層很薄。植被以高山岳樺林為主；高山苔原土分布在海拔2000 m以上的火山錐體周圍。土壤母質主要是火山碎屑和堿性粗面巖等,由于氣候寒冷,有機質分解緩慢并大量積累,形成泥炭質,土層很薄,剖面層次不明顯(圖4)。

圖3 長白山地區地形地貌以及河流分布Fig.3 Topography and river distribution in Changbai mountains region

圖4 長白山地區土壤種類及分布Fig.4 Soil type and distribution in Changbai mountains region

土的命脈在于林草。如果土壤有良好的覆蓋物,如森林,草甸或者植物的枯枝落葉等,在植物的遮擋與根系的固結作用下,水土流失的速度非常緩慢,土壤流失量一般小于土壤生成量,不會給土壤總量造成過多影響。長白山地區地形復雜,是水土流失敏感區與脆弱區,但由于區內較高的森林覆蓋率,使水土得以保持。區內各市的水土流失面積與森林覆蓋度呈顯著負相關關系(y=-0.237x+25.176,R2=0.824,P<0.05,n=6;圖5)。此外,區內平均森林覆蓋率71.3%,并具有極強的水源涵養能力,每公頃林地年均持水量達2000 m3。

圖5 長白山地區水土流失敏感性、水土流失面積以及森林覆蓋度Fig.5 Soil erosion sensitivity, soil erosion area and forest coverage in Changbai mountains region

3.3 長白山地區“山水林田湖草生命共同體”生態環境問題與治理措施

3.3.1研究區存在的生態環境問題

山：歷史遺留廢棄礦山較多,地質災害隱患較多。長白山地區礦山開采歷史較長,部分始于日偽時期,目前廢棄無主礦山數量較多。區內約有80%的廢棄無主礦山未開展礦山生態環境治理與修復,所引發的重要地質災害隱患點達400多處。地下礦開采形成大量的采空區,容易形成局部地面塌陷、地裂縫、崩塌等；山區和丘陵區礦山開采在溝道堆放廢渣等,降雨徑流攜帶污染物對區內土壤及地表水造成嚴重污染,同時也是泥石流易發區。

水：河道防洪能力低,農村水污染治理弱,源頭區水源保護壓力大。區內河流眾多,水資源豐富。由于水位落差大,水流湍急,對河道沖刷劇烈,但目前河道防洪標準普遍較低,汛期河道破壞。兩岸塌岸情況明顯,河槽形態凌亂,耕地和林木損失嚴重。部分樹木及泥沙流入河道,影響河道生態環境,對兩岸居民的正常生產生活秩序產生影響。區內水利基礎設施建設滯后,鄉鎮污水和垃圾處理設施建設缺失,河道兩側農村生活污水和生活垃圾隨降雨和徑流沖刷進入河流。

林：1)長白山國家級自然保護區“孤島化”明顯,周邊森林生態功能弱化。長白山國家級自然保護區經過多年的保護建設,區內森林得到了有效的保護和恢復。但保護區周邊森林經過多年采伐,原生天然林面積銳減,原有天然林已逆向演替為次生林或徹底破壞重新造林成為人工林。區域內林齡結構趨向中幼齡,幼、中、近、成過熟林面積比為18∶42∶19∶21,蓄積比為5∶38∶23∶34,成過熟林面積和蓄積銳減；樹種結構趨向闊葉化,原生主要建群樹種比例大幅下降。保護區與周邊森林生態系統已出現了明顯斷裂,生態系統完整性受損,長白山自然保護區內生態系統趨向脆弱。2)珍稀動植物棲息地受到破壞,生物多樣性下降。區內旅游資源開發導致區內建設用地需求與供給矛盾日益突出,采伐采育失調及長期不合理開發共同造成林種和林齡結構不合理問題突出,大量珍稀動植物生境發生改變,珍稀瀕危野生動植物數量呈下降趨勢,部分物種已到了瀕臨滅絕的邊緣。長白山天池外圍裸地范圍不斷擴大,高山苔原景觀破碎化程度增高。區域內絕大多數沼澤被人為開墾為農田,自然濕地面積大幅縮小,僅苔草沼澤面積就減少了80%以上。越橘(Vacciniumvitis-idaeaLinn)等濕地植物被過度開采,濕地生態系統受到破壞。

田：1)水土流失加重,農業生產基礎受威脅。松花江流域山地與山間盆、谷地相間分布是本區地貌的重要特征,土壤疏松,抗蝕能力弱,區內河網密布,雖然區域有一定的森林基礎,但林地破壞嚴重,對丘陵和波狀臺地的農業墾殖強度過大,造成水土流失較為嚴重。坡耕地和侵蝕溝道的水土流失,已導致耕地被切割,林地被破壞,直接影響農業生產的可持續發展。2)耕地資源水平下降,黑土地農產品生產能力維持難度加大。區內的蛟河市、樺甸市、磐石市、輝南縣和梅河口市是國家級農產品主產區。但隨著城鎮化發展,建設用地需求與供給矛盾日益突出,耕地保護壓力越來越大。區內坡耕地廣泛分布,占耕地面積的28.14%,其中大于25°耕地面積為2860 hm2,15°—25°耕地面積為5.27萬hm2,分別占區內耕地面積的0.22%和4.08%,跑水跑肥跑土問題突出,耕層有機質數量以平均每年0.1%的速度下降,導致土壤生物學特征退化。

3.3.2長白山“山水林田湖草生命共同體”系統治理措施

山：1) 地質災害監測與防治。建設長白山地質災害監測體系。實施地質災害防治及生態修復工程：實施山體地質保護、水土流失綜合整治,在泥石流易發區建設擋墻,清理山體碎石。保護高山苔原帶植被群落,保護長白山生態景觀完整。實施崩塌治理,進行被動防護網、削坡及廢石清運、削坡后邊坡錨固、擋土墻及排水溝工程建設；實施泥石流防治工程,修筑谷坊三道、導流槽并進行植被恢復減輕泥石流造成的地質災害。2)礦山治理。實施礦山綜合治理,廢棄礦井回填,井口防護,清除煤矸石、廢石。修建護岸擋墻、護坡擋墻、谷坊；進行重點塌陷區治理,土地復墾,植樹造林,緩解礦區水土流失,減少地質災害的發生。治理采石場和熔劑用灰巖礦,實施浮石及危巖體清理、場地平整、地形地貌景觀恢復等工程,防止礦區地質災害的發生,消除滑坡崩塌地質災害。

水：1)水體、河道生態修復。實施良好水體保護示范工程,建設污水處理廠,處理農村面源造成的地表徑流污染；開展水環境綜合整治和水生態修復與保護工程,治理河道,修復、新增濕地。開展黑臭水體整治工程,進行河道清淤。開展飲用水源地保護工程,對集中式飲用水水源地、城水廠、水功能區實施防護。開展環境綜合治理工程,建設給水系統、污水系統(污水管網、污水處理廠)、人工濕地系統、雨水管網、垃圾處置系統(垃圾收集系統、垃圾處置系統)、河道生態修復工程(生態清淤、水質提升、生態堤岸建設)。通過這些工程的實施,使流域水環境問題得到有效改善,重點濕地生態功能得到恢復。

林：1)森林保護與修復。通過苗木栽培基地建設,生態搬遷、林下經濟補償等,實現森林保護撫育及生態修復。在長白山國家級自然保護區內建設森林防火視頻監控和野生動植物監管體系,建設環保護區入區管理視頻監控系統,提高區域森林監管能力和林地質量。采取生物防治技術,強化森林病蟲害的監測、防治力度,確保森林資源安全。通過人工造林,將零散林地連接成片,降低森林破碎化程度。2)生物多樣性保護。通過實施長白山保護區珍稀野生動植物棲息地保護工程,強化對珍惜物種棲息地的管護與監測,不斷提升珍稀野生動植物棲息地的生境質量,確保珍稀野生動植物得到有效保護；開展保護區高山苔原溝蝕修復工程以及池北區公路沿線環境綜合整治；在長白山保護區內實施種質資源保護工程,保育瀕危物種種質資源。

田:土地綜合整治與修復工程。在國家級農產品主產區建設高標準農田,展水土流失治理。治理小型溪溝、侵蝕溝,使原來的“跑肥、跑水、跑土”三跑田變為“保肥、保水、保土”的三保田,提高耕地質量等級,提高耕地利用程度。

4 討論

4.1 長白山“山水林田湖草生命共同體”系統治理的必要性

“山水林田湖草生命共同體”是一個多層次、關系復雜且有序的系統,不同要素之間存在強烈的聯動作用,單個要素的變化都會在其他要素中反映出來。長白山地區森林、礦產資源豐富,由于長期的開發利用,森林資源的數量和質量都急劇下降。由于森林質量下降,生物多樣性逐漸喪失,其水源涵養,水土保持能力也隨之下降。礦山開發對區內地質、水文都造成了巨大影響,水體也受到污染。水土流失、水源污染進一步對耕地造成影響,并最終導致生命共同體整體功能下降,威脅糧食安全、生態安全,影響人類福祉。長白山地區“山水林田湖草生命共同體”作為一個完整的生態系統,只有在生態系統管理理論和方法的指導下,才能得到有效的保護和恢復。例如,對長白山地區河道的整治,如果只局限于對水體的治理,進行清淤、治污等簡單的水利、環保措施,是無法根除其源頭問題的。然而,通過對河岸周邊“林”的生態恢復,對河道進行生態治理,恢復其生態、水文特征,可以充分發揮“林”的水土保持和水源涵養功能,恢復河流的自凈能力。因此,進一步樹立“山水林田湖草”是一個生命共同體的整體性理念,明確其中各要素耦合機制,是長白山區生態保護修復工作與維護其在國家生態安全格局的重要基礎。

4.2 人在“山水林田湖草”生命共同體中的角色與作用

習近平總書記用“命脈”把人與 “山水林田湖草共同體”其他各要素之間聯系在一起,生動形象地闡述了人與自然、自然與自然之間唇齒相依、共存共榮的一體化關系。這充分說明生態系統具有生態價值和社會經濟價值雙重屬性。例如,長白山地區豐富的森林資源,既具有提供木材以及其他林產品的經濟屬性,為游人提供休憩的社會屬性,又具有凈化空氣、涵養水源、保持水土,維持生物多樣性等多種生態屬性。人在生命共同體中也具有雙重屬性,即：人既是自然資源的消費者,又是生態功能的維護者。如果能夠科學合理地利用資源,則生命共同體就能夠健康、可持續的發展,否則,生態系統將喪失其功能,并最終影響到人類自身的生存與發展。因此,生命共同體能否健康、可持續發展的關鍵在于人能否掌握生命共同體的內部聯系、順應自然規律,有效地合理利用自然資源[17]。

“山水林田湖草生命共同體”的保護、修復與功能提升應重視“人”的統籌作用[12]。人類對生命共同體內部聯系、運行特征的認知是生命共同體合理利用、保護與修復的關鍵驅動力[18]。人類的決策對生命共同體整體功能的發揮、發展以及可持續性起到至關重要的作用。盡管吉林省長白山區近年來相繼啟動了一系列重大的生態保護與建設工程,局部地區自然生態系統得到一定程度的恢復,但與嚴峻的生態破壞形勢和經濟社會發展需求相比仍然存在較大差距。從職能部門的劃分來看,生態保護工作涉及環保、發改、林業、國土、水利、農業等多個部門,在目前管理體制下,部門之間缺少整體、橫向的溝通機制,存在“條塊分割、各自為政”的局面,不利于長白山區整體的生態保護工作。因此,從生命共同體的整體性特征來看,長白山“山水林田湖草生命共同體”的保護與系統治理必須發揮人的統籌作用,破除部門職能等體制機制的影響,將“山水林田湖草生命共同體” 作為一個完整生態系統統籌共治。

應充分發揮“人”的創新作用。對于長白山地區來說,應依托區域內現有的監測力量,開展生物多樣性長期、動態監測；加快衛星遙感和無人機航空遙感技術應用,初步形成天地一體化的生物多樣性觀測技術體系；積極防治外來物種入侵,開展外來入侵物種調查和生態影響評價,加強入侵機理、擴散途徑、應對措施和開發利用途徑研究,建立監測預警及風險管理機制,探索推進生物安全和外來入侵物種管理制度化進程；研發氣候變化對生物多樣性影響的監測技術,建立監測網絡,開展重點監測,提出降低氣候變化對生物多樣性負面影響的主要措施,提高適應氣候變化的能力。此外,在生態系統空間優化布局方面,應大力推進水-土-氣-生多要素綜合作用模擬技術、資源環境承載力安全評估與預警技術、區域可持續發展決策支持系統等研發,為實現人與自然和諧共生提供技術保障。

5 結語

本研究通過量化“山水林田湖草生命共同體”各要素間的關聯性,強調了“生命共同體”保護與修復過程中系統性、整體性的重要性和必要性。“山水林田湖草”的保護與修復既要注重生態工程的實施,同時也要注重機制、體制的建設。應當從可持續發展、生態系統管理和國土空間用途管制的角度進行有前瞻性的統一、協調的規劃和管理。