基于時空分析的生態保護與修復試點工程實施效果評估
——以贛州市為例

王 柯,郭義強,張建軍,3,*,張亞男,劉時棟

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083 2 自然資源部國土整治中心, 北京 100035 3 自然資源部土地整治重點實驗室, 北京 100083

自我國十八大提出生態文明建設以來,生態環境保護上升至我國重要戰略位置。此后,在十八屆五中全會、中央經濟工作會議以及《生態文明體制改革總體方案》中都提出了關于開展山水林田湖生態保護與修復的要求,并且各級行政單位成立了生態文明先行示范區建設領導小組及山水林田湖生態保護修復推進工作領導小組專題研究了“山水林田湖”綜合治理試點工作的重要任務、目標和工作分工。目前,針對山水林田湖生態保護與修復的研究多集中在理論內涵[1- 6]、修復內容[7]、修復工程方案的制訂和實施[8- 13]、問題與建議[14]等方面,但以“山水林田湖草”生命共同體為核心,綜合評估試點工程區保護與修復成效的研究還不多見。本文綜合利用2015年和2018年的多源衛星遙感數據和地面觀測統計數據,集成地統計學和景觀生態學方法,以生態系統格局和質量變化[15- 17]為核心評估內容,以“綜合狀況-變化趨勢”為評估模式[18],通過工程區多維時空對比分析,揭示了作為第一批山水林田湖生態保護與修復試點工程區的贛州市的生態環境保護與修復成效,為提升山水林田湖生態保護與修復試點工程的整體服務能力提供科學依據。

1 數據資料與方法

1.1 研究區與工程區布局概況

贛州市位于113°54′—116°38′E,24°29′ —27°09′N之間,地處贛江、東江的源頭區(圖1),南嶺山地、武夷山脈、羅霄山脈的交匯地帶,呈典型的亞熱帶季風性濕潤氣候,是贛江和東江水源的根基和命脈所在、我國生物多樣性保護的關鍵地區,也是南方丘陵山地生態屏障組成部分。同時,贛南作為我國土地革命戰爭時期重要革命根據地,是我國蘇區精神的主要發源地。所以,該地區生態環境關系著我國南方地區的生態安全,同時也關系著贛南蘇區的生態文明建設與可持續發展。

贛州市山水林田湖生態保護與修復工程共劃分為四個片區,構建了以四片區為主體,以水土流失敏感區、礦山資源及規劃礦區、江河湖庫、生物多樣性保護重要區等區域為網點的生態保護與修復工程實施架構(表1)。各片區重點工程如下：東北片區擬開展3項工程,包括贛州城區水環境與水土流失綜合整治工程、貢江下游水土流失與礦山環境綜合治理工程、贛江水源區綜合保護工程；西北片區擬開展3項工程,包括章水源區廢棄礦山綜合治理工程、章水源區水環境保護工程、章水上游生態廊道與植被提質增效工程；西南片區包含3大工程,有桃江中游水質提升示范工程、桃江上游廢棄稀土礦綜合整治工程、桃江上游水環境綜合整治工程；東南片區擬開展東南片區流域水環境綜合治理工程1項工程。此外,還有3個全市統籌推進的整體項目,包括贛州市礦山環境治理工程、贛州市低質低效林改造項目和東江源流域水環境綜合治理工程。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

表1 贛州市生態保護與修復分區

1.2 研究框架

本文基于2015年和2018年的遙感影像數據、社會經濟統計數據和地面檢測與監測數據,以不同生態系統面積、占比、各類型間的轉移情況以及不同類型生態系統的景觀指數來綜合反映生態系統格局變化；以植被長勢情況、水土流失治理情況、重點流域河流水質情況和土壤環境治理狀況4個方面綜合反映生態系統質量狀況,并從生態系統格局和生態系統質量兩個方面綜合對比了工程區實施山水林田湖生態保護與修復工程前后的生態系統變化特征,旨在為山水林田湖生態保護修復試點工程區的生態環境保護與修復成效評估提供借鑒(圖2)。

圖2 研究框架Fig.2 Research framework

1.3 數據資料

本文所用數據主要包括影像數據、統計數據以及矢量邊界數據(表 2),其中2015年和2018年美國地質勘探局(USGS, United States Geological Survey) Landsat 8 OLI/TIRS C1 Level- 1的衛星遙感數據通過ENVI 5.1對影像進行輻射定標、大氣校正等圖形處理準備工作。對處理好的兩期遙感影像圖各自的5景進行鑲嵌,并按照贛州市的行政邊界進行裁剪。通過監督分類法和人工目視解譯來判讀獲得土地利用/覆被數據[21],最終得到贛州市生態系統類型構成及其空間分布數據。

表2 數據說明

1.4 研究方法

1.4.1生態系統格局研究

對于生態系統格局的研究,首先,本文從生態系統分類出發,基于遙感數據,借鑒國際和國內土地利用/覆被分類體系,確定了農田生態系統、森林生態系統、草地生態系統、濕地生態系統、城鎮生態系統和其他生態系統6 種生態系統類型,并研究各生態系統類型的面積、占比及不同生態系統之間的相互轉換關系(生態系統轉移矩陣)[22],明確生態系統變化的主要類型和區域。其次,基于Fragstats 4.2軟件,本文選取代表性景觀指數中的最大斑塊指數(LPI, Largest Patch Index)來反映人類活動的方向和強度以及不同生態系統的破碎化程度[23],并使用軟件平臺中的移動窗口功能來反映研究區各生態系統格局的時空變化。

1.4.2生態系統服務質量研究

從植被長勢、水土流失治理、水質治理和土壤重金屬污染風險四個方面評估工程區生態系統服務質量。其中,選擇歸一化植被指數(NDVI, Normalized Difference Vegetation Index)年平均值和標準差為主要指標參數來分析陸表植被長勢時空變化特征,選擇水土流失綜合治理面積、新增小流域綜合治理面積、新增水土流失綜合治理面積和封禁治理保有面積4個指標分析水土流失治理情況,選擇地面監測和檢測數據來評估水質和土壤環境質量。

圖3 2018年贛州市生態系統類型空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem types in Ganzhou (2018)

2 結果與分析

2.1 工程區生態系統格局時空變化分析

2.1.1生態系統類型面積變化及轉移方向

2015—2018年,贛州市整體生態系統布局在宏觀空間上沒有發生明顯變化,森林生態系統在整個系統中占比最高,其次是農田生態系統、草地生態系統、城鎮生態系統和其他生態系統(圖3)。贛州市南部和西部的森林生態系統面積明顯高于北部和東部地區,農田生態系統大多分布在城鎮生態系統周邊,北部地區的農田生態系統和城鎮生態系統面積明顯高于南部地區,是人類主要的生活、生產區。

就各生態系統的面積變化而言,贛州市森林生態系統面積增加,森林覆蓋率從74.2%上升到76.5%,達到工程規劃制訂的目標,城鎮生態系統呈現明顯擴張,而草地和其他生態系統面積顯著下降,且減少的草地和其他生態系統多數轉變成了森林、農田和城鎮生態系統,濕地生態系統面積變化較小(表 3)。

表3 贛州市生態系統移矩陣(2015—2018)/萬km2

從工程分區來看,東北片區的森林生態系統面積占比最小,2015年僅占片區總面積的69.82%,到2018年該片區森林生態系統占比上升到71.34%。西北片區和西南片區的森林生態系統面積占比在2015年均超過了80%,但西南片區森林生態系統面積到2018年縮小到77.10%。值得注意的是,雖然東南片區2015年森林生態系統面積占比僅處于全市平均水平,但近年增長顯著,2018年的森林生態系統面積占比已經超過80%(表4)。

表4 分片區生態系統變化/%

2.1.2生態系統景觀格局時空變化分析

對于整個工程區而言,除了城鎮生態系統和濕地生態系統以外,其他生態系統的LPI值都有一定程度的下降,尤以森林生態系統的LPI值下降最為顯著(圖4),這表明人類活動對生態景觀格局產生較為強烈的影響,自然和半自然生態景觀受到的擾動加劇,生態景觀優勢度降低。

從空間上來看,森林生態系統的斑塊較為完整,相對于其他生態系統破碎程度較低,LPI值高的地區多分布在西北和西南的南嶺山地區。LPI低值地區主要分布在城市、農田周邊,這也進一步從空間上直觀反映出人類的生產和生活活動對森林生態系統景觀格局具有較大影響。農田生態系統和草地生態系統相較于森林生態系統而言,斑塊分布分散,尤其是草地生態系統,主要散布于森林、農田生態系統之間。城鎮生態系統LPI值較大的區域分布在贛州市中心城區以及其他縣市的城區,其他居民點則零星分布,LPI值較低。

圖4 各生態系統LPI的空間分布Fig.4 Spatial distribution of LPI in different ecosystems LPI: 最大斑塊指數 Largest Patch Index; 由于未利用地面積較小且空間分布離散,故沒有生成未利用地LPI移動窗口圖

2.2 工程區生態系統質量時空變化分析

2.2.1陸表植被長勢時空變化特征分析

從整體的空間分布來看,植被覆蓋度較高的地區大多屬于南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區,且贛州市中部和東部地區的植被覆蓋狀況明顯優于西部地區。2018年的NDVI值略高于2015年,且NDVI高值柵格數量呈增加態勢(圖5),這表明工程區植被長勢較好、生態質量上升,也側面反映出工程區在增加生態用地和改造低質、劣質林上取得了一定的成效。

從工程分區的對比來看,2015年NDVI值較高的區域是東南片區和西南片區,NDVI值達到0.726。東北片區次之,NDVI值也超過了0.7,且東北片區NDVI值的標準差相對較小,即東北片區植被覆蓋的空間差異性相對較小(表5)。相較于2015年,西北片區和東南片區的NDVI值在2018年均有上升,尤其是西北片區的NDVI值上升幅度較大,可見在工程實施期間,西北片區在森林撫育和森林管護方面取得顯著成效。從分區縣對比來看,工程區18個縣市的NDVI值在0.542—0.758之間,其中有9個縣市區的NDVI在2015—2018年有所上升,尤其是南康區、上猶縣和大余縣上升顯著,均上升了0.5以上,其他9縣NDVI值呈現小幅下降(圖6)。

2.2.2水土流失治理情況分析

贛州市水土流失綜合治理面積和新增小流域綜合治理面積整體呈現增長趨勢,分別從16543.8 km2增長

表5 2015、2018年分區統計NDVI值

到18550.4 km2以及395.5 km2增長到458.4 km2,而新增水土流失綜合治理面積和封禁治理保有面積整體呈現減小趨勢,分別從840.8 km2減小到458.4 km2以及6029.6 km2減少到4882.3 km2,這一方面反映了贛州市在水土流失治理力度上的加大,也說明近年來該市新增的水土流失面積得到有效控制。從分區來看,東北片區水土流失治理力度較大,而其他片區水土流失現象相對較少,其主要工程任務更多的是涵養水源和維護生物多樣性等方面(圖7)。

圖5 2015、2018贛州市NDVI空間分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI in Ganzhou (2015 and 2018)

圖6 2015、2018分縣區NDVI值Fig.6 NDVI for each county in 2015 and 2018

圖7 分片區水土流失治理情況Fig.7 Soil erosion control in the subarea

2.2.3重點流域河流水質變化分析

根據2017年1月—2018年6月贛州市25個重點流域水質監測斷面的水質檢測數據,多數重點流域的水質處于Ⅱ級和Ⅲ級,表明在工程實施期間,贛州市的水質情況基本穩定,甚至一些水質斷面優于功能區標準(湘水河口,留金壩電站等水質檢測斷面)。部分監測斷面的水質在此期間呈現出較強的波動,如觀河浮橋檢測斷面、大余新城監測斷面雖然在多數月份內水質處在Ⅱ級和Ⅲ級,但在2017年12月,此二監測斷面水質都達到了劣Ⅴ類,尤其是觀河浮橋水質監測斷面, 2017年12月—2018年2月的水質一直處于較差水平(圖8)。

圖8 重點流域監測斷面水質變化情況Fig.8 Changes in water quality in key river basin monitoring sections

圖9 土壤檢測點位空間分布Fig.9 Spatial distribution of soil detection points in Ganzhou

2.2.4土壤環境質量評價

在贛州市章貢區、贛州市經開區、龍南縣、南康區、瑞金市、上猶縣、信豐縣、會昌縣、全南縣、安遠縣、贛縣區、興國縣、于都縣、大余縣、定南縣、寧都縣、石城縣、崇義縣18個縣(市/區)范圍內,涉及97家土壤重點監管企業的周邊土壤布設檢測點位,共147個檢測點位(剔除無法獲取到經緯度數據的點位),每個點位采集表層土樣,每份樣品采樣量為2kg,采樣深度為0—20 cm,檢測的具體指標包括土壤pH值,土壤銅 (Cu)、鋅 (Zn)、鉻 (Cr)、鉛 (Pb)、鎘 (Cd)、砷 (As)、汞 (Hg)和鎳 (Ni)8種重金屬的含量,具體點位分布如圖9所示。

基于Arcgis10.2軟件平臺,采用普通克里金法對土壤檢測樣點進行最優內插,得到贛州市土壤環境質量的空間特征(圖10)。參考《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》和《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》,建設用地Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni七種金屬元素空間插值的最大值沒有超過建設用地的篩選值標準,威脅人體健康的風險很小,而建設用地Cr金屬超過管控值標準的區域主要分布在贛州市的西北和西南地區,且整個贛州市建設用地Cr金屬普遍高于篩選值,存在危害人體健康的風險。就農田生態系統來看,會昌縣、尋烏縣、章貢區和南康區受Cu金屬超過土壤污染風險值的威脅較大,全南縣和龍南縣受到Pb金屬超過土壤污染風險值的威脅較大,章貢區、南康區和贛縣區受Cd金屬土壤污染的風險較高,As金屬超過風險閾值的縣市主要有寧都縣、興國縣、于都縣、瑞金市、大余縣、崇義縣等,贛縣區Hg金屬超過農田土壤風險閾值。

圖10 贛州市土壤環境質量空間插值Fig.10 Spatial interpolation of soil environmental quality in Ganzhou

3 結論與討論

(1)從生態系統的格局來看,工程區主要的生態系統變化表現為森林生態系統、農田生態系統和城鎮生態系統面積增加,草地生態系統面積下降顯著且主要向森林生態系統轉變。此外,工程區多數自然生態系統更加趨向破碎化,如森林生態系統LPI值從54.36降低到37.41,而半自然生態系統LPI值都在增加,城鎮生態系統LPI值從0.14增加到0.26,農田生態系統LPI值從0.34增加到0.67。

(2)從生態系統質量來看,工程區植被長勢較好,尤其是西北片區增長最為顯著,NDVI值從0.687上升到0.722；工程區水土流失現象得到有效防治,全市水土流失綜合治理面積增長2006.6 km2；河流水質基本穩定在Ⅱ級和Ⅲ級水質;城鎮生態系統土壤污染風險較小,但農田生態系統土壤受重金屬污染的風險較大,尤其是贛縣區、南康區和章貢區,2—3種重金屬接近或超過農用土壤污染風險值。

整體而言,贛州市山水林田湖生態保護與修復工程取得了顯著成效,較好的完成了實施方案中的規劃目標。基于此工程,在接下來的生態修復中,應進一步重視贛州市自然態系統斑塊破碎化嚴重的地區、水質出現波動較大的斷面以及農田生態系統受土壤重金屬污染威脅較大的縣區。

值得注意的是,本文雖無法保證所有生態系統變化都是該試點工程實施所產生的結果,但本文選取的評估對象、評估指標均是該生態保護與修復試點工程總體目標的一部分,因而可以較為科學的評估試點工程的實施效果。此外,本文存在解譯精度帶來的誤差以及檢測樣點不足導致的空間插值誤差,因此可能會對本文的結果產生一定影響。