基于生態系統綜合評價的萊州市國土空間問題識別研究

喬慶偉,王有智,何方杰,夏孟*,丁喜蓮,王秀元,郭晨

(1.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,山東省地質科學研究院,山東 濟南 250013;2.山東省第三地質礦產勘查院,山東 煙臺 264004;3.山東天誠國土規劃設計院有限公司,山東 濟南 250013)

0 引言

國土空間是人類及其他生物生存與活動的場所,由生態系統和人類社會共同組成。近年來,不斷加重的人類活動導致土地大規模退化、生態系統嚴重破壞,隨之帶來氣候危機、水源及糧食安全問題,生態修復迫在眉睫[1-3]。生態系統綜合評價包括對生態系統的生態分析和經濟分析,也考慮到生態系統的當前狀態及今后可能的發展趨勢。對生態系統服務功能的經濟價值評估是在20世紀80年代末,隨著經濟的發展和環境意識的增強而逐漸興起的,目前對生態系統服務功能的研究越來越受到生態學家和經濟學家的重視,很多國家已開展了這方面的研究。2000年在挪威召開的千年生態系統評價會議,是對全球生態系統評價研究的一個總結與展望[4]。生態系統綜合評價充分利用資源環境承載能力和國土空間適宜性評價等成果,定性與定量相結合,評估本地自然生態系統退化程度和恢復力水平,分析農業、城鎮空間生態系統恢復以及生態、農業、城鎮三類空間沖突區域生態修復需求[5],識別了突出生態問題,對劃定生態修復分區并識別出生態修復重點區域提供支撐。

1 研究區概況與數據來源

萊州市位于山東半島西北渤海南部典型的半封閉性內海灣——萊州灣,地處煙臺、青島、濰坊三市交界,陸域面積1928km2,海域面積1690km2;全市地勢自東南部低山向西北部沿海低地呈臺階式下降,地貌有低山、丘陵、平原、濱海低地、海域灘涂;境內水系總長313.7km,流域面積1586km2,主要河流有15條;萊州岸線曲折,岬灣眾多,岸線資源豐富,海岸線長152.8km(圖1);萊州礦產資源豐富,境內共有礦產30余種,也是黃金的王國,黃金礦資源豐富,儲量占全國的1/6,居全省第一位;萊州市歷史悠久,底蘊深厚,自古就有“齊魯之甲勝,天下之名疆”的美譽。

本研究土地利用類型所用數據來源于第三次全國土地調查為基礎進行轉換。年降水量數據(2001—2020年)來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據中心—地理資源分中心。土壤可侵蝕數據來源于中國1∶100萬土壤數據庫。生態敏感性評價高程數據采用地理空間數據云30m分辨率數字高程,植被覆蓋度由NDVI計算得出,NDVI數據來源于國家生態科學數據中心。

圖1 萊州市區位示意圖

2 材料與方法

2.1 生態系統類型與空間分布

根據不同生態系統類型的結構組成和空間分異特征,萊州市生態系統主要包括森林、草地、濕地、海岸、海島生態系統以及荒地生態系統。本研究按照土地利用類型,統計分析萊州市陸域內不同生態系統的數量和分布情況(圖2)。

(1)森林生態系統。萊州市森林生態系統總面積33667.30hm2,占萊州市陸域面積的17.28%。從空間分布上看,萊州市森林生態系統主要集中分布在萊州大基山省級自然保護區以及市域北側的沿海帶。

(2)草地生態系統。萊州市草地生態系統總面積5499.27hm2,占萊州市陸域面積的2.82%。天然草地資源較少,以穿插分布在其他自然生態系統的草地和人工草地較為常見,全市零散分布。

(3)濕地生態系統。萊州市濕地生態系統總面積18296.24hm2,占萊州市陸域面積的9.39%。濕地生態系統中,沿海灘涂沿海岸線分布,占比最高,約占濕地總面積的36.80%,從空間分布來看,萊州市濕地生態系統分布范圍廣泛。

(4)農田生態系統。萊州市農田生態系統總面積92203.23hm2,占萊州市陸域面積的47.32%。從空間分布來看,沿海區域農田生態系統基本無分布,其他區域均有分布,農田生態系統以水澆地和果園為主。

(5)荒漠生態系統。萊州市荒漠生態系統總面積663.99hm2,占萊州市陸域面積的0.34%。市域內的荒漠生態系統占比很小,從空間位置來看,主要零星分布在市域南側。

(6)城鎮生態系統。萊州市城鎮生態系統總面積44521.04hm2,占萊州市陸域面積的22.85%。從空間分布來看,集中連片的城鎮生態系統分布在市中心區域和市域西側南。

1—森林生態系統;2—農田生態系統;3—荒漠生態系統;4—草 地生態系統;5—濕地生態系統;6—城鎮生態系統圖2 萊州市生態系統類型分布圖

2.2 評價方法

2.2.1 生態系統服務功能評估

生態系統服務功能評估是針對典型區域生態系統,分析生態系統服務的區域分異規律,明確各種生態系統服務的重要區域[6-7],根據萊州市的生態環境特征,本研究重點就生物多樣性保護、水土保持、水源涵養進行重要性評價。

(1)生物多樣性保護評價方法。InVEST模型中的Habit Quality(生境質量)模塊能夠結合土地利用和生物多樣性威脅因素的信息生成生境質量地圖,可以在一定程度上反映出區域的生物多樣性狀況,即生境質量高的區域生物多樣性相對更豐富。InVEST模型生境質量指數Qxj計算公式為[8-10]:

(1)

式中:Qxj為生境類型j中柵格x的生境質量水平;Hj為生境類型j的生境適應性,可通過專家打分法、層次分析法等方法確定;z為常數,通常取2.5;k為半飽和常數,默認值為0.5。

脅迫因子是導致生境退化的直接原因,其對生境質量的影響取決于它的相對影響程度、與生境間的距離和威脅水平隨距離的衰減方式。以萊州市2020年變更調查數據為基礎,將地類轉換為耕地、林地、草地、濕地、種植園用地、水域、建設用地、未利用地8個一級地類?？紤]到建設用地侵占大量天然生境,擠壓動植物生態位,使得生態系統服務功能受損,耕地作為人類生產用地,人類活動頻繁、生態干擾較強,同樣會對天然生境造成威脅。因此,本研究將建設用地(包括城鎮用地、農村居民點、其他建設用地)和耕地(包括水田、旱地)視作脅迫因子。脅迫因子數據如表1。

表1 威脅因子及其脅迫程度

不同生境類型自身的生境適應性及對脅迫因子的敏感程度不同,自身適應性越強,其生境質量表現越佳;對脅迫因子的相對敏感性越低,其抗干擾能力越強,生境質量相對也會越高。通過參考相關研究,結合萊州市實際情況,確定評價區域生境敏感性數據見表2。

(2)水土保持功能重要性評價方法。 采用通用土壤流失方程USLE進行評價,包括自然因子和管理因子兩類。在具體計算時,需要利用已有的土壤侵蝕實測數據對模型模擬結果進行驗證,并且修正參數。

土壤侵蝕量USLE的基本形式為公式2[11]:

A=R×K×L×S×C×P

(2)

式中:R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可侵蝕因子;L為坡長因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋和管理因子;P為土壤保持因子。

其中,降雨侵蝕力因子R的計算參考《生產建設項目土壤流失量測算導則》(公式3):

(3)

式中:Rd為多年平均降雨侵蝕力因子,單位為MJ·mm/(hm2·h);Pd為多年平均降雨量,單位為mm。

表2 土地利用類型對生境威脅因子敏感度

土壤可侵蝕因子K利用EPIC(Erosion-Productivity Impact Caclulator)算法進行計算[12],具體如公式4、公式5:

K=(-0.01383+0.51575KEPIC)×0.1317

(4)

(5)

式中:KEPIC為修正前的土壤可蝕性因子;K為修正后的土壤可蝕性因子;Sa為砂粒含量;Si為粉粒含量;Ci為黏粒含量;C為土壤有機碳含量。

地形因子L、S:L表示坡長因子;S表示坡度因子,是反映地形對土壤侵蝕影響的2個因子。

植被覆蓋和管理因子C和土壤保持措施因子P的賦值參考相關研究成果,并結合萊州市土地利用類型進行賦值,如表3所示。

(3)水源涵養能力評價方法。水源涵養是生態系統(如森林、草地等)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,主要表現在緩和地表徑流、補充地下水、減緩河流流量的季節波動、滯洪補枯、保證水質等方面[13-15]。以水源涵養量作為生態系統水源涵養功能的評估指標。采用水量平衡方程來計算水源涵養量,計算公式為公式6[16]:

(6)

式中:TQ為總水源涵養量(m3);Pi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。

表3 植被覆蓋管理因子和土壤保持因子賦值表

2.2.2 生態系統敏感性評價方法

生態敏感性評價是對當前自然環境下的潛在生態問題進行辨析,并把各類問題匹配到具體空間區域上的過程。常見的生態問題包括土壤侵蝕、土地沙化、草場退化、水患災害、物種多樣性喪失等[17-19]。

通過生態敏感性評價,可以清晰地把握區域生態敏感性的空間分異規律,有針對性地指導各地區進行不同程度的開發利用和保護。結合相關研究成果和萊州市實際情況,選取坡度、高程、坡向、植被覆蓋和土地利用5大因子進行生態敏感性評價[20],權重因子結合其他研究成果進行賦值,萊州市生態敏感性評價因子構建表如表4:

計算公式如式7:

(7)

土地利用類型以第三次全國土地調查為基礎進行轉換。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務功能評價結果

(1)生物多樣性評價結果。通過InVEST模型中的Habit Quality模塊計算得出萊州市的生境質量,利用ArcGIS重分類工具,基于自然斷點法,將萊州市生境質量劃分為4個等級,1級最低,4級最高,生境質量等級分布如圖3所示。從圖3中可以看出,萊州市生境質量較高的區域主要集中分布在大基山自然保護區和沿海灘涂。從鄉鎮層面來看,萊州市生物多樣性區域主要集中在柞村鎮、郭家店鎮、程郭鎮、驛道鎮以及沿海各鄉鎮。

表4 萊州市生態敏感性評價因子構建表

(2)水土保持功能重要性評價結果。通過通用土壤流失方程分析得出萊州市水土保持功能重要性評價結果如圖4所示,從圖4中可以看出,萊州市水土保持功能重要區域大多集中在東南部,從鄉鎮層面來看,柞村鎮、郭家店鎮、程郭鎮、驛道鎮占比較高。

1—極重要;2—重要;3—一般重要;4—不重要圖3 萊州生物多樣性評估結果圖

1—一般重要;2—較重要;3—極重要圖4 萊州市水土保持功能重要性評估圖

(3)水源涵養功能重要性評價結果。以水量平衡方程計算得出的萊州市水源涵養功能重要性評價如圖5所示,從空間分布來看,萊州市水源涵養功能重要區域大多集中在萊州市東南部區域,從鄉鎮層面來看,水源涵養功能重要區域柞村鎮、郭家店鎮、程郭鎮、驛道鎮等鄉鎮占比較高。

1—重要;2—一般重要圖5 萊州市水源涵養功能重要性評價圖

綜合分析水源涵養、水土保持、生物多樣性維護功能三類生態服務功能重要性評價,結合萊州市“雙評價”中的海岸帶防護,綜合確定萊州市生態系統服務功能重要如圖6所示。萊州市生態系統服務功能重要區域主要集中在海岸帶和萊州市東南部。

1—水源涵養;2—水土保持;3—海岸防護;4—生物多樣性圖6 萊州市生態系統服務功能重要性分布圖

3.2 生態系統敏感性評價結果

按照權重對坡度、高程、坡向、植被覆蓋和土地利用5大因子進行計算,采用重分類得出萊州市生態敏感性如圖6所示。從空間分布來看,萊州市生態系統高敏感區域主要分布在市域東南部,從鄉鎮層面來看,生態系統高敏感區域主要分布在柞村鎮、郭家店鎮、程郭鎮、驛道鎮。

1—非敏感;2—低敏感;3—中敏感;4—高敏感;5—非常敏感圖7 萊州市生態系統敏感性分布圖

4 結論

萊州市生態系統保護工作取得了顯著成效,但由于自然因素和人為活動與干擾等雙重因素,生態系統仍面臨很多問題。根據生態系統評價結果,生態系統服務功能重要區域主要集中在海岸帶和萊州市東南部,生態系統高敏感性區域分布在東南部的柞村鎮、郭家店鎮、程郭鎮、驛道鎮等鄉鎮。海岸帶主要存在受全球氣候變化以及不合理的圍填海等開發活動影響,導致濱海灘涂濕地面積迅速減少,近岸海域生態功能退化,大面積的互花米草入侵導致濱海鹽沼原生植物消失、海洋生物棲息環境破壞、生物多樣性降低,從而影響萊州灣生態系統服務功能的發揮。東南部是萊州市生態系統服務功能重要區域以及生態系統最敏感的區域,主要存在森林覆蓋率低、森林質量差等問題,使得該區域森林生態功能發揮不完善。另外,由于采石現象較多,水土流失問題嚴重,森林群落及周邊環境和景觀受到較大的威脅,森林景觀存在破碎化現象。