基于不同生態恢復力評價方法的國土空間生態修復策略研究

摘 要：通過比值法、趨勢法和指標體系評估法三種評價方法，對陜西省定邊縣全域生態恢復力水平進行了計算分析。比值法分析結果顯示張崾先鎮南部、姬塬鎮和學莊鄉的可承受干擾強度較大，干擾消除后的恢復幅度也較高；趨勢法分析顯示姬塬鎮、馮地坑鎮、張崾先鎮、學莊鄉以及定邊街道東部的生態系統恢復周期較短；指標分析評估法分析結果顯示南部大部分鄉鎮生態恢復力水平絕大部在優良以上，定邊街道東部與磚井鎮北部區域的生態恢復力水平也比較高。綜合三種方法的分析結果顯示：2001—2020年，定邊縣生態恢復力呈現增長優化趨勢，但本底生態恢復力水平仍然較低，對人工干預型生態修復措施的需求較高；從生態恢復力的空間分布分析，南部白于山區的恢復力強度明顯較高，適用保育保護型修復措施，西北部鹽湖濕地區則是人工生態修復工程布設的重點。全縣19個鄉鎮（含街道辦事處）中，適用自然封育保護策略鄉鎮4個，適用工程輔助自然恢復策略鄉鎮5個，適用工程生態修復策略鄉鎮8個，適用工程生態重建策略鄉鎮2個。研究結果表明不同分析方法的結果存在差異，綜合多種恢復力判斷依據能為選擇合適的生態修復策略提供支撐。

關鍵詞：生態恢復力；生態修復策略；評價方法；生態系統質量；定邊縣

中圖分類號：X826 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）06-00-07

0 引言

生態修復是指針對已受到干擾或損害的生態系統，遵循生態學原理和規律，主要依靠生態系統的自組織、自調節能力以及進行適當的人為引導，以遏制生態系統的進一步退化[1]。從廣義上來說，所有對現有生態系統產生有助于其正向自然演替——即符合無人為干擾情況下的生態系統演替方向、并能增加生態系統生產力和穩定性的活動，均可以納入生態修復的范疇[2]。通過自然或者人為的生態修復活動，有意識地引導和助力區域生態系統結構和功能恢復，提高自然生產力水平，可有效提高區域生態環境承載能力，更好的助力可持續發展[3]。

選擇適宜的生態修復策略是區域生態修復工作開展的必要前提。影響區域生態修復策略選擇的因素眾多，生態功能定位、區域發展方向、生態本底質量與恢復潛力等均可作為生態修復策略的選擇依據。目前，學界內相關研究多見于以生態功能定位[4， 5]和區域發展方向[6， 7]等決定區域生態修復策略。這種理論的優勢在于重點突出功能性定位，對生態本底條件的評價依賴性較低，數據需求較少；缺點是忽略了生態系統自然恢復能力即生態系統恢復力的差異，對自然生態系統的自我恢復、自我完善功能缺乏重視。

生態系統恢復力是指生態系統在受到外界干擾，偏離平衡狀態后所表現出的自我維持、自我調節及抵抗外界各種壓力和擾動的能力，包括維持其重要特征，如生物組成、生態系統結構與功能[8]。生態系統恢復力水平表征著區域內生態系統自然恢復與演替的能力、強度與效率，決定著研究區域的生態系統結構和功能恢復需要人為干預的程度[9]。通過對區域生態系統恢復力及其主要影響因素的分析評價，可以指導一定空間尺度的國土空間生態系統修復策略，科學部署生態修復工程，更好的體現國土空間生態修復“自然恢復為主，人工修復為輔”的總體方針[10]。目前國內外學者已對生態系統恢復力的定性定量方法開展了大量研究，主要的分析方法包括閾值法、替代指標法、實驗方法等。然而，目前的恢復力測量方法均存在諸多限制，不同評價方法的側重點和評價結果存在差異。單一評價方法的局限性限制了在實際修復工程實施策略選擇中的推廣和應用。從國內外研究對生態恢復力的評價方法分類來看，恢復力的測量評價方法大體分為閾值法、替代指標法和實驗實測法三種[11]。其中實驗實測法需要進行生態系統外界干擾因素人為控制下的野外實驗[11]，評價周期較長，實現難度較大。閾值法是通過計算測定生態系統受干擾狀況下可恢復正常的損害閾值和時間閾值來衡量其恢復力

強弱[12]，本研究所采用的比值法和趨勢法分別側重于損害閾值和時間閾值的恢復力評價閾值法。替代指標法以相關因子表征生態恢復力的各項影響元素，通過因子之間的分層加權，綜合計算區域的生態恢復力大小，本研究所采用的指標體系評估法正是典型的替代指標評價方法，也是目前區域生態恢復力相關研究中應用最為廣泛的評價方法之一[13]。

定邊縣位于陜西省西北部，地處東部農耕區與西部草原牧區相連接的半干旱生態帶，自然氣候條件較為惡劣，生態系統脆弱[14]。縣域內地形復雜多樣、梁峁起伏、溝壑縱橫[15]，生態問題顯著，生態修復需求強烈。本研究擬采用三種不同分析方法對定邊縣縣域內生態系統自然恢復力進行計算評價分析，通過結果對比，分析不同類型生態恢復力分析評價方法的側重點和適用性，科學評價定邊縣國土空間生態恢復潛力分布，合理布局國土空間生態修復方式策略，充分發揮自然生態系統自身抵抗不良干擾能力，減少人為干預和二次破壞，為定邊縣遵循生態系統自然演替規律合理安排生態修復工程項目提供參考依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

在本研究中，為增加評價結果的可信度，比照不同分析方法下研究區域生態恢復力分布的異同，根據獲取數據的時間尺度（年度數據），擬基于生態系統質量評價結果，通過比值法、趨勢法和指標體系評估法三種方法分別進行區域生態恢復力評價。使用到的數據包括植被覆蓋度、總初級生產力（GPP）、降水、氣溫、蒸散發、土壤、地形、土地利用、凈初級生產力（NPP）等數據。

本研究中，生態系統質量評價、比值法和趨勢法分析使用數據為多年長期持續數據，其中植被覆蓋度以歸一化植被指數（NDVI）表示[16]，數據來源于地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn/）

下載的2001—2020年landsat遙感數據，時間選擇植被覆蓋度較高的7—8月，云量要求小于20%[17]。總初級生產力（GPP）和凈初級生產力（NPP）原始數據采用MODIS17A2H1000m精度中國2001—2020年GPP數據。定邊縣域內生態系統分區數據以5年為分類周期，2000、2005、2010、2015年四個周期分別采用中科院地理所資源環境科學與數據中心提供的當年度中國陸地生態系統類型柵格，2020年采用定邊縣自然資源局提供的2020年度土地利用變更調查數據庫地類圖斑數據進行分類處理后的生態系統分類數據。

指標體系評估法所使用數據為區域多年平均數據。其中，土壤數據采用HWSD全球土壤數據庫，精度1000 m。降水數據采用WFSR全球氣象數據庫多年平均數據，氣溫數據來源于世界天氣網站（https：//rp5.ru/），蒸騰蒸散數據采用《1981—2015年中國陸地生態系統蒸騰蒸散比數據集》。

1.2 生態系統恢復力評價方法

1.2.1 生態系統質量評價

生態系統質量是評估其恢復能力的重要參考依據，本研究以《HJ 1172-2021全國生態狀況調查評估技術規范生態系統質量評估》（以下簡稱《生態調查規范》）中的生態系統質量指標[18]作為區域生態狀況優劣的衡量指標，采取分區分生態系統類型選取參照值的方法以植被覆蓋度（FVC）、葉面積指數（LAI）、總初級生產力（GPP）構建生態系統綜合質量指數，其中葉面積指數（LAI）以NDVI柵格作為基礎數據，采用ARCGIS柵格計算器分段計算得到。計算公式如下：

（1）

分區參照《全國生態功能區劃》的242個生態功能區邊界，生態系統類型參照中科院地理所對中國陸地生態系統類型的7大類分類[19]。以每個分區內不同類型生態系統的生態參數最大值作為參照值，依次計算分區內每個生態系統參數值與參照值的比值，得到該分區內該生態參數的相對密度。分別對植被覆蓋度、葉面積指數、總初級生產力分區分類型計算相對密度，結果進行歸一化。

生態系統質量計算公式如下：

EQIi， j=（LAIi， j+FVCi， j+GPPi， j）/3*100（2）

式中：EQIi， j—第i年第j分區生態系統質量；

LAIi， j—第i年第j分區葉面積指數相對密度；

FVCi， j—第i年第j分區植被覆蓋度相對密度；

GPPi， j—第i年第j分區總初級生產力相對密度。

1.2.2 基于特征狀態比值的生態恢復力評價方法

比值法以受干擾年份的區域生態質量與干擾結束年份的生態質量進行對比，以比值大小表征區域生態恢復力的強弱。計算公式：

（3）

式中：Δ—生態恢復力；Yn—無異常干擾的正常年份區域生態質量或功能重要性（即區域生態狀態）多年平均表征值；Ye—所選取異常干擾年份的區域生態狀態表征值；Ye+1—所選取異常干擾結束后年份的區域生態狀態表征值。本研究篩選了2001—2020年20年間定邊縣縣域內生態系統凈初級生產力（NPP）總值較高的年份，以篩選年份的生態系統質量多年平均作為基準年生態系統質量[20]。

1.2.3 基于變化趨勢的生態恢復力評價方法

趨勢法以區域生態系統質的變化趨勢來反映區域生態總體的恢復力強度。計算公式為：

Yt=a*t+k（4）

式中：Yt—第t個周期區域生態狀態表征值；a—生態狀態隨時間的變化程度；t—時間序列標識，一般以年計；k—回歸常數。套用線性回歸斜率計算公式，可得：

，k=-a* （5）

按照5年周期進行評估，選擇2000、2005、2010、2015、2020共計5年作為特征年。將2000年設置為t=1，其他各特征年度的t值分別為t2005=6，t2010=11，t2015=16，t2020=21。

—所選特征年時間序列平均值，在本次計算中為11；—特征年生態質量分布柵格平均值，由所選特征年年度生態質量分布柵格疊加計算得到[21]。

1.2.4 基于綜合指標體系的生態恢復力評價方法

前兩種生態恢復力評價方法，均是以生態質量的時間周期變化來表征區域生態恢復力的動態變化，其特點是指標存在時間序列，能有效體現一定時間段內的區域生態變化趨勢，缺點在于數據需求量較大，尤其是年代較為久遠的數據，往往不夠齊全和完整，難以支持完整的計算評價體系。指標體系評估法，利用已有的多年數據平均作為參數指標，以多年平均數據反映動態差異特征，可以基于數據收集情況，合理配置指標評價體系，合理評價區域生態恢復力。按照目標分層法的理論框架，參照相關行業技術標準中單因子評價的計算要求，結合定邊縣生態系統現狀特點，構建指標層-準則層-目標層三級評價體系。選擇準則層參數包括：生態系統質量、生物多樣性維護功能、水土保持功能、水源涵養功能、防風固沙功能、人為干擾強度[22]。各準則層參數柵格進行歸一化處理后，對同一準則層參數對應的指標層柵格應用柵格主成分分析工具[23]進行疊加分析，計算得到各指標層柵格對應權重如表1所示。

在指標層參數中，降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、土壤粗糙度、土壤結皮因子主要參照相關行業技術指南的推薦算法。將土地利用類型和與干擾源距離遠近按照所承載的人類活動強度分級劃分，將高強度干擾用地類型如工礦用地、公路用地等賦低級別，低干擾強度用地類型如林地、湖泊水面等賦值高級別，以表征區域人為活動干擾程度的強弱。根據定邊縣自然生態特征分布，分別進行6個準則層參數即生態系統質量、水土保持功能、水源涵養功能、防風固沙功能、生境維持功能和人為干擾強度的相應權重的加權計算，得到全縣生態恢復力分布[24]。

2 結果與分析

2.1 基于比值法的生態恢復力空間格局

結果分析表明定邊縣近20年生態系統狀態總體呈現好轉趨勢，系統質量和功能峰值出現在2016—2019年，2001、2011和2015年出現了明顯的下降。因此，生態質量評估基準年數據選擇2016—2019年四年均值，選擇2001、2011和2015年作為受干擾年份代表，以2002、2012和2016年作為干擾結束年份。同組對照年度的生態系統質量數據（圖2（a）～（f）），2001和2002年主要表現出南部白于山區恢復力高值區范圍的擴大，以張崾先鎮、新安邊鎮和學莊鄉最為明顯；2011和2012年、

2015年和2016年主要表現為中部和西北部恢復力低值區范圍的縮小，主要涉及紅柳溝鎮、鹽場堡鎮、白泥井鎮、磚井鎮和安邊鎮。不同年份的主要變化趨勢顯示，定邊縣近20年來區域生態質量的年際恢復變化首先出現在生態本底條件較好的南部山區，逐步向中北部擴展。

生態恢復力分布結果（圖2（h））顯示，定邊縣整體生態恢復力比值區間位于0～12，表明定邊縣域內受干擾后生態系統質量的最大波動倍率為

12倍。從空間分布規律來看，定邊縣大部分區域的生態恢復力水平仍處在較低值，現階段完全依靠生態系統的自然演替實現國土空間生態恢復的可實現性較低。適用自然恢復策略的封育保護區主要分布在南部白于山區涇河流域的張崾先鎮、姬塬鎮以及東南部無定河流域的學莊鄉、郝灘鎮，洛河流域學莊鄉、新安邊鎮、楊井鎮等鄉鎮則生態恢復潛力最小，適用人為生態修復工程和生態重建工程。

2.2 基于趨勢法的生態恢復力空間格局

趨勢法利用5個特征年生態系統質量計算了定邊縣2000—2020年生態系統狀態隨時間變化程度

a（可表征生態恢復潛力強度）和回歸常數k（可表征生態本底質量）的變化分布結果（圖3）。

圖3 基于趨勢法的定邊縣生態恢復力評價結果

趨勢法評價結果恢復力水平整體優于比值法，說明在20年時間尺度上，定邊縣整體生態恢復力水平呈現優化趨勢。生態恢復力優-良-中-低-差級別分區面積占比分別為12.30%、41.95%、40.71%、4.95%、0.09%。中級和良級區域面積占比最大，總面積超過5600 km2，表明定邊縣的大部分區域生態系統質量隨時間變化的趨勢不明顯，自然生態恢復力絕對值較低，人工輔助型生態修復工程的需求較大。適用自然恢復型修復策略（優級區域）區總面積約839 km2，主要集中分布在學莊鄉、姬塬鎮、馮地坑鎮、白灣子鎮等鄉鎮，基本上位于白于山區涇河和無定河流域。值得一提的是，定邊街道東部馬蓮灘國家沙漠公園區域的生態恢復潛力分級已達到優良級，表明沙漠公園生態治理已現成效。生態恢復力的最低值區出現在紅柳溝鎮和賀圈鎮，這也是定邊縣人為生產生活活動較為密集的區域，對生態系統的干擾程度較大，造成了生態恢復潛力較為低下；低值和差值區集中分布區位于定邊縣中部，以定邊縣城、安邊鎮和磚井鎮為主。

2.3 基于指標體系評估法的生態恢復力空間格局

根據自然地理地貌、氣候水文與生態系統分布，可將定邊縣自北向南分為鹽堿地生態區、風沙草灘生態區、黃土高原梁塬生態區和白于山河源梁生態區四個生態分區。根據四個生態分區主要生態功能和面臨的主要現狀生態問題，設定準則層參數權重（表2）。

表2 定邊縣生態恢復力指標評估體系準則層參數權重

準則層參數 鹽堿地生態區 風沙草灘生態區 黃土高原梁塬生態區 白于山河源梁生態區

生態系統質量 0.2 0.2 0.1 0.1

水土保持功能 0.05 0.05 0.3 0.2

水源涵養功能 0.15 0.1 0.3 0.4

防風固沙功能 0.15 0.4 0.1 0.05

生境維持功能 0.25 0.1 0.1 0.2

人為干擾強度 0.2 0.15 0.1 0.05

以分區準則層權重對6個準則層參數加權進行計算。對計算結果按照自然斷點法進行5級分類，自高到低分別對應生態恢復力優-良-中-低-差

級別。五個級別分區面積占比分別為29.94%、28.51%、22.21%、14.87%、4.47%，優級區面積超過2000 km2，明顯大于比值法和趨勢法的分析結果。生態系統自然恢復力強度的空間分布呈現較為明顯的自南向北逐漸降低的趨勢，高值區集中在南部白于山區，低值區則以中部區域和西北部鹽湖區域為主（圖3）。南部白于山區，尤其是西南部張崾先鎮、姬塬鎮和東南部新安邊鎮、學莊鄉的生態恢復力評價大部分均達到了優級，區域自然恢復力高，生態系統受異常干擾后的自我抵抗、自我調整和自我恢復能力強，適用保護保育型自然恢復措施，避免人為工程措施；中南部白于山區生態恢復力水平較東西兩側較低一些，大部分區域生態恢復力評級為良，適合小規模的人為干預程度較小的生態型修復措施，盡可能減少生態修復項目中的硬質和干擾性工程。

圖4 基于綜合評價指標體系的定邊縣生態恢復力評價結果

2.4 不同生態恢復力評價結果對比

本研究所采用的三種生態恢復力評價方法側重點不同（表3）。比值法和趨勢法為閾值評價方法。比值法側重生態系統損害閾值承受能力的評價，高值區域的可承受干擾強度較大，干擾消除后的恢復幅度也較高。趨勢法側重長時間序列的生態系統狀態變化，可表征在生態系統恢復力的時間閾值，其值越高，表征時間閾值越小，則生態系統受干擾破壞后恢復所需的時間越短[25]。相較兩種閾值評價方法，指標體系評估法的參考指標更多，能夠較為全面的表征生態恢復力的約束和影響因素，綜合性更強[26]。基于比值法分析結果，張崾先鎮南部、姬塬鎮和學莊鄉的損害閾值承受能力明顯高于其他區域，承受干擾能力即恢復力形變量較高；基于趨勢法分析結果，姬塬鎮、馮地坑鎮、張崾先鎮、學莊鄉以及定邊街道東部（該處區域為定邊馬蓮灘國家沙漠公園）呈現較為明顯的高恢復速度，表明以上區域的生態系統恢復周期較短；相較于閾值評價方法，指標體系評價的結論對定邊縣區域生態恢復力的分布趨勢明顯更為樂觀，南部大部分鄉鎮生態恢復力水平絕大部在優良以上，定邊街道東部與磚井鎮北部區域（馬蓮灘國家沙漠公園）的生態恢復力水平也比較高。

表3 不同生態恢復力評價方法指標表征程度

恢復力評價方法

指標表征程度 干擾承受強度 干擾后恢復速度 指標綜合性

比值法 高 低 低

趨勢法 低 高 低

指標體系評估法 中 中 高

綜合三種生態恢復力評價方法的分析結果，定邊縣整體生態恢復潛力偏低，大部分區域不適用自然恢復策略，對人為干預的生態修復工程類措施有較多的需求。時間尺度上，2001—2020年

20年間，定邊縣整體生態系統質量呈現好轉趨勢，生態恢復力水平也在逐步提升；在空間尺度上，定邊縣生態恢復力分布規律較為明顯，呈現明顯的南部-北部-中部從高到低的生態恢復力水平分布趨勢。根據評價結果，對定邊縣各鄉鎮按照其適宜的生態修復措施策略進行劃分，分為自然封育保護、工程輔助自然恢復、工程生態修復和工程生態重建四大類。南部白于山區系統生產力和穩定性較高，對干擾的抵抗力和干擾后的恢復力水平均比較高，適用自然恢復策略，建議姬塬鎮、張崾先鎮、新安邊鎮和學莊鄉的生態修復措施以自然封育保護為主；西北部鹽湖濕地區植被結構單一，生態脆弱性高，恢復力差，同時又是留候鳥類的重要棲息地，在物種多樣性保護和生境維持方面極為重要，鹽場堡鎮、白泥井鎮應當作為定邊縣生態修復工程項目重點策劃實施的區域；中部區域受人為活動干擾和破壞嚴重，是生態質量和恢復力的低值集中區，紅柳溝鎮和賀圈鎮為生態重建的核心鄉鎮，亟需人工干預實施生態修復和重建工程；北部的定邊馬蓮灘國家沙漠公園區域的生態恢復潛力較高，可在周邊鄉鎮磚井鎮、安邊鎮、石洞溝鎮推廣復制。

3 結論

綜合比較三種生態恢復力評價方法，比值法側重評價生態系統損害閾值承受能力，趨勢法反映了評估生態系統狀態變化和恢復時間閾值，而指標體系評估法參考指標更多，綜合性更強。基于閾值的評價結果顯示張崾先鎮、姬塬鎮和學莊鄉的損害閾值承受能力較高，表明這些區域的生態系統對干擾具有較強的抵抗能力；姬塬鎮、馮地坑鎮、張崾先鎮、學莊鄉以及定邊街道東部呈現較高的恢復速度，說明這些區域的生態系統恢復所需的時間相對較短。指標體系評估法的結論對定邊縣生態恢復力的分布趨勢更樂觀，南部大部分鄉鎮的生態恢復力水平優良以上，定邊街道東部與磚井鎮北部區域的生態恢復力水平較高。綜合三類評價結果，定邊縣整體生態系統質量和恢復力水平在2001—2020年20年間呈現好轉趨勢，但生態恢復潛力相對較低，需要采取人為干預的生態修復工程類措施。綜合三種分析方法的結果表明，應當從恢復幅度（比值法）、恢復速度（趨勢法）和綜合指標（指標體系評估法）等多個方面對區域自然生態恢復能力進行評價分析，結合區域生態本底條件和發展規劃進行適宜的國土空間生態修復策略選擇。

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Research on Ecological Restoration Strategies of Territorial Space based on Different Ecological Resilience Evaluation Methods—by Taking Dingbian County of Shaanxi Province as an Example

LI Yuan-fan1， Fu Qin'an2， Fu Jiale1， Wang Chenchen3

（1. Shaanxi Ruihai Land Planning and Evaluation Engineering Co. Ltd.， Xi'an Shaanxi 710000，China）

Abstract： In this study， the level of ecological restorative capacity of Dingbian County， Shaanxi Province was calculated and analyzed by three evaluation methods， namely， ratio method， trend method， and index system assessment method. The results of the ratio method analysis showed that the southern part of Zhangyaoxian Town， Jiyuan Town and Xuezhuang Township had a higher tolerable disturbance intensity and a higher recovery amplitude after disturbance elimination. The trend method analysis showed that the ecosystem of Jiyuan Town， Fengdikeng Town， Zhangyaoxian Town， Xuezhuang Township， and the eastern part of Dingbian Street had a shorter time period for restoration. The results of the indicator assessment method showed that the ecological resilience levels of most townships in the south were above excellent， and the ecological resilience levels of the eastern part of Dingbian Street and the northern part of Zhuanjing Town were relatively higher. The analysis results of the three methods show that during 2001—2020， the ecological resilience of Dingbian County showed a trend of growth and optimization， however its overall level was relatively low， and it was highly depended on artificial intervention measures; in terms of the spatial distribution of the ecological resilience， the southern Baiyu Mountain area had significantly higher resilience intensity and is suitable for the use of conservation-based restoration measures， while the northwestern salt-lake wetland area should be the focus of artificial ecological restoration project deployment. Among the 19 townships （including street offices） in the county， 4 townships are suitable for adopting the natural sealing and protection strategy， 5 townships are suitable for adopting the engineering-assisted natural restoration strategy， 8 townships are suitable for adopting the engineering ecological restoration strategy， and 2 townships are suitable for adopting the engineering ecological reconstruction strategy. The results of the study showed that there were differences in the results of different analytical methods， and comprehensive assessments can provide support for the selection of appropriate ecological restoration strategies.

Key words： ecological resilience; ecological remediation strategies; evaluation method; ecosystem quality; Dingbian County

收稿日期：2024-01-15

作者簡介：李遠帆（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為國土空間生態修復和流域治理。

通信作者：王塵辰。