基于生態系統敏感性與生態功能重要性的高原湖泊分區保護研究
——以達里湖流域為例

崔 寧,于恩逸,李 爽,唐明方,*,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 中國科學院大學, 北京 100049

我國地域遼闊,地貌復雜,湖泊分布廣泛、類型多樣且演變歷史復雜[1-2]。高原湖泊位于高原地帶,具有對外無連通性、水體交換率低及自凈能力差等特點[3-4]。由于地理位置特殊,高原湖泊具有極高的生態價值,在維護高原地區生態系統及我國大江大河生態安全穩定中扮演著重要角色。與平原湖泊相比,高原湖泊結構更加復雜,生態功能更為重要,具有一定的特殊性[5-7]。我國高原湖泊主要分為青藏高原湖區、云貴高原湖區和蒙新高原湖區。在全球氣候變暖的大背景下,除青藏高原以外,其他高原湖泊普遍產生了湖泊水位下降、湖面萎縮、湖水污染等問題,并且這些問題所產生的影響已經從局部擴展為流域性乃至區域性[8-10]。高原湖泊流域是內蒙古地區重要的水源區域,在防汛抗旱、氣候調節、生物多樣性維持等方面發揮著重要作用[3]。近幾十年,粗放的經濟發展模式及人類生產生活的影響給內蒙古高原湖泊帶來了巨大的破壞。據內蒙古高原湖泊演變歷史的研究表明,近幾十年,內蒙古高原湖泊面積減少了1223 km2,下降約22%,加之湖水污染及周圍生態系統的破壞產生了嚴重的生態環境問題[11-12]。一方面,流域內居民生存及產業發展越來越依賴流域生態系統；另一方面,受到破壞的生態系統所能提供的價值卻在減少,已經嚴重威脅到流域可持續發展及資源可持續利用[13]。目前對于高原湖泊的研究主要針對青藏高原和云貴高原地區[14-20],對內蒙古高原湖泊流域生態環境變化及生態保護對策仍需進一步深入研究,進而減緩內蒙古高原湖泊流域生態環境退化趨勢。

對目前國內外相關文獻的梳理可以發現,對湖泊及其流域進行綜合治理與保護是未來研究的主要發展方向,然而對自然條件較為復雜、生態環境更為脆弱及生態保護難度較大的內蒙古地區高原湖泊的研究依然不多[21-25]。作為內蒙古四大湖泊之一,達里湖是北方地區比較典型的高原湖泊,其流域地處干旱/半干旱地區,氣候干燥,降雨稀少。近年來,在氣候變化及人類活動雙重影響下,湖面萎縮、湖泊污染等現象嚴重,流域草原退化、土地沙化等問題持續發生,嚴重威脅著內蒙古地區的生態平衡[26]。目前對達里湖流域的研究多集中在達里湖水域變化、水體污染等方面,鮮有以流域為研究對象進行生態功能分區及保護措施的研究,亟需針對流域特點及問題開展科學有序的保護措施研究[27-30]。圍繞“如何針對地理位置重要、生態環境脆弱的高原湖泊流域進行生態分區并實施有效地保護與管理”這一科學問題,本文選取內蒙古高原湖泊達里湖流域為研究對象,在明晰其生態環境狀況及主要問題的基礎上,開展生態系統敏感性和生態系統功能重要性評價,找出達里湖流域生態脆弱區域及生態保護重點區域,在此基礎上提出具有針對性的分區保護對策,研究結果可以指導流域的綜合規劃、治理和保護,并為流域的可持續發展提供科學依據,在實現區域人與自然和諧發展具有重要的科學意義。

1 研究區概況及主要環境問題

達里湖是我國北方典型的干旱—半干旱地區草原性湖泊,其流域位于內蒙古自治區赤峰市克什克騰旗西部,地理坐標為116°22′—117°33′E,42°33′—43°45′N(圖1)。流域面積約為4675 km2。流域屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候,多年平均氣溫約為2—4℃,年降水量大約為300 mm,年蒸發量是降水量的5倍多,約為1600 mm。流域內景觀類型多樣,動植物資源較為豐富。常住人口約為1.33 萬人,以牧民為主,且多數為少數民族。流域以草原農牧業和旅游業為主要支柱產業,是經濟發展欠發達地區[26,31-32]。流域內于1987年建立了達里諾爾自然保護區,并于1997年經國務院批準為國家級自然保護區,重點保護珍稀鳥類及其生境,在流域內發揮了重要的生態系統功能[33]。

長期以來,在氣候變化及人類活動的雙重影響下,流域的生態系統結構和功能都遭受到嚴重影響,主要包含以下幾個方面：

(1)達里湖水質水量問題。由于入湖河流多次出現斷流,使得達里湖湖面面積萎縮明顯,從1980年的220 km2下降到2018年的197 km2,減少了近12%；儲水量也從15億m3下降到13億m3。達里湖屬于封閉湖泊,由于湖水持續濃縮,導致湖中各污染物濃度持續增加,水質為劣V類。

(2)草原退化問題。流域內草原生態系統受損明顯,退化草場面積達到1773 km2,占總面積的38%；鹽漬化草原面積達到200 km2,占總面積的4%。草地的持續退化使得植物多樣性及優質建群植物衰退明顯,多年生牧草由19種減少到8種,一年生牧草由1種上升到7種,草群高度由28 cm減少到5 cm。

(3)水土流失問題。流域所在地為北方典型的風蝕水蝕交錯區,由于長期的侵蝕,流域內水土流失面積高達2704 km2,占流域一半的面積,局部地區甚至成為流動沙丘群。

(4)土地沙化問題。流域位于干旱/半干旱生態系統脆弱區域,降水量持續減少、氣溫持續升高,再加上生態資源使用不合理,使得流域內土地沙化面積多達1646 km2,嚴重影響了流域內生態環境的健康持續發展。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 The location of study area

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

通過前期與地方政府緊密合作,開展了達里湖流域野外調研及數據資料收集工作,獲取了流域較為全面的基本情況信息。本文所選用的數據主要來源于以下途徑：

(1)土地利用/覆蓋數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)。

(2)流域內降雨等氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)及地方政府。

(3)流域內土壤數據來源于國家地球系統科學數據共享服務平臺土壤科學數據(http://soil.geodata.cn/)及地方政府。

(4)流域內道路數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn/)及地方政府。

(5)流域內DEM(Digital Elevation Model, 數字高程模型)數據下載于地理空間數據云(https://www.gscloud.cn/search)上的ASTER GDEM V2數據源。

2.2 研究方法

2.2.1生態系統敏感性評價方法

根據研究區的生態環境特征及狀況,并借鑒同類型湖泊流域生態系統敏感性分析已有案例[34-37],本文選取流域內容易導致生態危機的水土流失敏感性、土地沙化敏感性和土壤侵蝕敏感性三項指標對流域進行整體分析。參考相關文獻,3個指標的計算過程如下[35,38-41]：

(1)水土流失敏感性：基于2015年遙感影像數據,使用ArcGIS中的spatial analyst中的疊加分析,對流域內溝谷密度、地形坡度、土壤可蝕性和土地利用類型進行加權疊加得到,并將水土流失敏感性分為極敏感、高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感5個等級。

(2)土地沙化敏感性。

(1)

式中,Di為i評價區土壤沙化敏感性指數,Ii為干燥度指數,Wi為起沙風天數,Ki為土壤質地,Ci為植被覆蓋度,同樣將結果分為5個敏感等級。

(3)土壤侵蝕敏感性：選取植被覆蓋度、地形起伏度、土壤質地和降雨侵蝕力R值使用柵格計算器疊加得到。

(2)

式中,SSj為j空間單位土壤侵蝕敏感性指數,Ci為因子敏感性等級值,n為j空間單元所包含的敏感性因子指標個數,并將結果分為5個敏感等級。

結合以上3個指標的評價結果,通過使用ArcGIS平臺的空間分析疊加模塊,對3個指標的分布圖進行空間疊加,最終得到達里湖流域生態系統敏感性分布圖,并將敏感性分為3個等級,即一般敏感、敏感和極敏感。

2.2.2生態系統功能重要性評價

依據研究區主要生態環境狀況,并充分參考同類型流域的相關研究文獻[42-46],本文選取達里湖流域能提供的重要生態系統水源涵養、土壤保持和生境質量重要性3個指標對流域進行整體評價。根據相關參考文獻,3個指標的計算過程如下[47-56]：

(1)水源涵養重要性：在計算出產水量的基礎上,依據Bai等人提出的公式,即各地類的水源涵養量等于各地類產水量減去各地類的地表徑流量。本文選取流域內年均降水量、潛在蒸散量、植被可利用含水量、土壤深度、根系深度等數據,通過公式3—5的計算,得到達里湖流域水源涵養重要性,并將結果分為極重要、高度重要、中等重要、較重要及一般重要5個等級。

WRij=Yij-Runoffij

(3)

Runoffij=Pij×Cj

(4)

Cj=Cr+Cs+Ct

(5)

式中,WRij是LUCCj上像元i的年持水量,Runoffij是LUCCj上像元i的年地表徑流量,Pij表示LUCCj上像元i的年均降水量,Cj表示第j類土地利用類型的地表徑流系數。

(2)土壤保持重要性：選取降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地表覆蓋管理、土壤保持措施等因子,通過InVEST模型中的RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)模型對研究區土壤保持量進行估算得到,并將結果分為5個等級。公式如下：

A=Rx×Kx×Lx×Sx×Cx×Px

(6)

Ap=Rx×Kx×Lx×Sx

(7)

Ac=Ap-A

(8)

式中,A是流域內任意柵格x的實際土壤侵蝕量(t),Ap和Ac分別為流域內任意柵格x的潛在土壤侵蝕量和土壤保持量。Rx、Kx、Cx、Px分別是柵格的降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地表覆蓋管理因子和土壤保持管理因子,Lx、Sx為坡長和坡度因子。

(3)生境質量重要性:選取生境退化度、生境質量指數、生態脅迫源、生境類型對脅迫源的敏感性和生態脅迫源因子圖層等數據,運用InVEST 模型中的生境質量(Habitat quality)模塊和ArcGIS 10.3軟件處理進行分析得到,結果同樣分為5個等級。

結合以上3個指標的評價結果,通過使用ArcGIS平臺的空間分析疊加模塊,對3個指標的分布圖進行空間疊加,最終得到達里湖流域生態系統功能重要性分布圖,將流域按一般重要、重要和極重要等級劃分。

2.2.3分區方法

達里湖流域的分區遵循可持續發展原則、整體性原則、主導性原則與可操作性原則,將生態系統敏感性及生態系統功能重要性的最終評價結果按照表1的規則進行疊加分區,將整個流域分為極重要敏感區、一般重要敏感區和低重要敏感區。

表1 達里湖流域分區規則

3 研究結果

3.1 生態系統敏感性評價

達里湖流域的3個生態系統敏感性指標評價結果如圖2所示,水土流失、土地沙化和土壤侵蝕敏感性分布有一定差異。水土流失極敏感地及高敏感地區主要分布在流域的南部部分地區,其余大部分地區為水土流失敏感性較低地區；土地沙化極敏感及高度敏感地區主要分布在流域的西北部地區及東北部零星地區；土壤侵蝕極敏感及高度敏感地區主要分布在流域的東部。

從流域生態系統敏感性分布圖(圖2)來看,生態極敏感地區主要分布在流域的西北部及東北和南部的零星地區,面積大約為1577 km2,約占流域總面積的34%,該區域土地覆蓋類型主要為林地、耕地及部分草地。敏感地區主要分布在流域的中部,零星分布在流域東北部及南部,面積大約為2363 km2,約占流域總面積的51%。一般敏感區主要分布在流域的中部地區,面積大約為732 km2,約占流域總面積的15%。

圖2 達里湖流域生態系統敏感性分布圖Fig.2 The distribution map of ecosystem sensitivity in Lake Dalinor Basin

3.2 生態系統功能重要性評價

水源涵養、土壤保持和生物多樣性維持是達里湖流域所能提供的重要生態系統功能,對維持流域內生態環境及經濟社會發展起到重要作用。通過圖3可以看出,水源涵養中等重要區域主要分布在流域的北部,較重要地區主要分布在流域的南部；土壤保持重要地區主要分布在流域的東北林地地區,其余大部分地區為一般重要區域；生境質量極重要地區分布在流域內的湖區及東北地區,中等重要地區分布在流域的北部,較重要地區主要分布在流域的南部。

將水源涵養、土壤保持和生境質量3個結果疊加后,可以得到達里湖流域生態系統功能重要性分布圖(圖3)。如圖3所示,達里湖流域生態系統功能極重要區域主要分布在達里湖區及東北部的林地區域,零星分布在部分草地,面積大約為964 km2,約占整個流域面積的20%。生態系統功能重要區域主要分布在流域北部的耕地及部分草地,面積約為2912 km2,約占整個流域面積的62%。生態系統功能一般重要區域主要分布在流域南部的建設用地、未利用地與部分草地,面積約為824.65 km2,約占流域總面積的18%。

圖3 達里湖流域生態系統功能重要性分布圖 Fig.3 The distribution map of importance of ecosystem function in Lake Dalinor Basin

3.3 流域分區結果

圖4 達里湖流域分區圖Fig.4 Zoning result of Lake Dalinor basin

將生態系統敏感性分布與生態系統功能重要性分布結果進行空間疊加,并按照極重要敏感區、一般重要敏感區及低重要敏感區劃分,并依據每個區域的生態環境問題與保護特點,同時考慮到流域內達里諾爾國家級自然保護區的重要性,將流域分為禁止開發區、重點保護區、質量提升區與潛在威脅區,得到達里湖流域的最終分區圖,如圖4所示。

由于流域內達里諾爾國家級自然保護區具有的重要生態意義,將其單獨劃分為禁止開發區進行保護與管理。禁止開發區位于流域中間部位,面積約為1216 km2,為整個流域面積的26%。該區域湖水水質水量問題較為嚴重,盜獵野生動物現象時有發生。重點保護區涵蓋流域內生態極重要敏感區,面積約為762 km2,為流域面積的16%。重點保護區涵蓋了流域東北部的林地、北部部分草地及南部零星草地。該區域內林地資源開發無序,且工作人員保護意識較低,生態保護工作效率不高。質量提升區包括一般重要敏感區,面積約為1599 km2,為流域面積的34%。該區域主要涵蓋流域東北部草原地帶、北部耕地及南部部分草地地區。質量提升區內草地退化現象嚴重,耕地結構亟需調整,存在農業廢水現象。潛在威脅區包括低重要敏感區,面積約為1099 km2,為流域面積的24%。該區域主要涵蓋南部的建設用地與未利用地,以及周邊零星草地。潛在威脅區是流域內人類活動最活躍地區,生態環境受到較大影響,且有逐漸影響其他區域的可能。

3.4 分區保護對策

達里湖流域具有地理位置重要、生態文化濃厚、少數民族聚居等特征,是一個以旅游業和草原農牧業為支柱產業的特殊經濟區域。流域所在地是生態脆弱區,也是經濟欠發達地區。在對達里湖流域進行生態分區分析后,以保護生態系統和提升生態功能為重點,通過對達里湖流域內4個區域的特點及問題分析,提出針對每個區域特色的保護對策,為流域的可持續發展提供科學依據。

禁止開發區涵蓋了達里湖自然保護區,應建立生態、環境、資源一體化的管理模式。達里湖保護區內劃分了5個核心區、3個緩沖區和1個實驗區,保護對策應在此基礎上開展。核心區是保護區內的精華所在,要嚴格禁止一切人類活動,并采取聯合執法嚴厲打擊破壞自然資源、偷獵等現象發生。緩沖區位于核心區周圍地帶,在核心區保護中起到緩沖作用。要充分利用智能化、現代化技術,對緩沖區內的自然資源及人類活動進行實時監測,實現對緩沖區內珍稀物種和人類活動的實時監管。其他區域為實驗區,在該區域內應該依據實際情況,有計劃、有目的的進行相關基礎設施建設以及開展科研、教學、參觀、考察等活動[57]。

重點保護區內的林地、草地具有重要的生態價值,并且是流域內敏感地區,對外界干擾的抵御能力較低,需要加強生態功能重要及敏感地區的生態保護建設,包括加強天然林的保護以及生態林和經濟林的建設,以加速被毀林地修復以及林地生態環境的改善。要科學、合理地利用區域內的自然資源,確保生態環境為當地居民提供足夠的生存資源,以實現人與自然和諧發展。

質量提升區以重要敏感區的部分草地、耕地為主,該區域內可以在生態環境承載力允許的情況下,適當的進行資源開發利用,同時對有害的生產生活方式要絕對避免。對于該地區的草地資源,要嚴格實施草蓄平衡政策,指導牧民進行蓄群結構調整,要盡可能的防止其退化、沙化及鹽堿化,并根據草地的分布特點及生態環境特征,進行因地制宜的分類規劃保護。在該區域的耕地布局中,要大力發展節水型農業,積極發展節水技術、更改農作物結構,提高水的利用率和水的生產效率,以保護流域內的水資源,提升流域生態環境質量[58]。

潛在威脅區以低敏感重要的建設用地與未利用地為主,零星包含周邊部分草地。與其他地區相比,潛在威脅區的人類活動相對密集,生態環境較容易遭受破壞,且影響范圍有向周邊區域擴散的可能。在此區域內,應在生態環境承載力允許的條件下,加強控制和合理規劃資源的開發利用,適度進行基礎設施建設,并科學、合理的進行農業、工業發展,以減少對生態環境造成的破壞。要鼓勵推進礦工企業進行規模化生產,對于效益低下、環境破壞強的小企業進行合并,加強對高污染企業的監督,避免發生環境破壞行為,同時鼓勵環境修復及保護的行為[59]。堅持生態優先、綠色發展理念,推進生態旅游產業的健康發展,打造體現當地少數民族特色文化的旅游業,在不破壞生態環境的前提下,增加當地居民的收入[60]。

4 結論

高原湖泊是我國極為寶貴的自然資源,是影響高原地區生態環境狀況的關鍵因素之一,具有較高的生態價值。達里湖是內蒙古典型的干旱-半干旱草原性湖泊,其流域是一個以草原農牧業和旅游業為支柱產業的特殊經濟區域,具有地廣人稀、生態文化濃厚、地理位置重要、少數民族聚居等特征。近十幾年來,達里湖流域內生態功能退化嚴重,使流域內經濟、社會和生態系統矛盾進一步惡化,保護與治理內蒙古高原湖泊及其流域已成為社會各界關注的重大問題。為了達到扭轉內蒙古高原重要湖泊當前嚴重而緊迫的萎縮現狀、緩解生態系統功能降低等問題、保持流域生態系統健康和完整的目標,本文針對達里湖流域開展了保護對策研究,基于生態系統敏感性及生態系統功能重要性評價結果,將達里湖流域分為禁止開發區、重點保護區、質量提升區與潛在威脅區,并根據每個區域的生態特性,制定合理的保護對策。研究有利于豐富流域生態保護的基礎理論與技術方法,可為研究區及其他同類型湖泊流域的生態保護建設提出具有可操作性的建議及對策,同時為管理者制定生態保護策略提供科學依據,對恢復生態脆弱地區的環境及資源可持續利用具有指導作用。