基于时空分析的生态保护与修复试点工程实施效果评估——以赣州市为例

王 柯,郭义强,张建军,3,*,张亚男,刘时栋

1 中国地质大学(北京)土地科学技术学院, 北京 100083 2 自然资源部国土整治中心, 北京 100035 3 自然资源部土地整治重点实验室, 北京 100083

自我国十八大提出生态文明建设以来,生态环境保护上升至我国重要战略位置。此后,在十八届五中全会、中央经济工作会议以及《生态文明体制改革总体方案》中都提出了关于开展山水林田湖生态保护与修复的要求,并且各级行政单位成立了生态文明先行示范区建设领导小组及山水林田湖生态保护修复推进工作领导小组专题研究了“山水林田湖”综合治理试点工作的重要任务、目标和工作分工。目前,针对山水林田湖生态保护与修复的研究多集中在理论内涵[1- 6]、修复内容[7]、修复工程方案的制订和实施[8- 13]、问题与建议[14]等方面,但以“山水林田湖草”生命共同体为核心,综合评估试点工程区保护与修复成效的研究还不多见。本文综合利用2015年和2018年的多源卫星遥感数据和地面观测统计数据,集成地统计学和景观生态学方法,以生态系统格局和质量变化[15- 17]为核心评估内容,以“综合状况-变化趋势”为评估模式[18],通过工程区多维时空对比分析,揭示了作为第一批山水林田湖生态保护与修复试点工程区的赣州市的生态环境保护与修复成效,为提升山水林田湖生态保护与修复试点工程的整体服务能力提供科学依据。

1 数据资料与方法

1.1 研究区与工程区布局概况

赣州市位于113°54′—116°38′E,24°29′ —27°09′N之间,地处赣江、东江的源头区(图1),南岭山地、武夷山脉、罗霄山脉的交汇地带,呈典型的亚热带季风性湿润气候,是赣江和东江水源的根基和命脉所在、我国生物多样性保护的关键地区,也是南方丘陵山地生态屏障组成部分。同时,赣南作为我国土地革命战争时期重要革命根据地,是我国苏区精神的主要发源地。所以,该地区生态环境关系着我国南方地区的生态安全,同时也关系着赣南苏区的生态文明建设与可持续发展。

赣州市山水林田湖生态保护与修复工程共划分为四个片区,构建了以四片区为主体,以水土流失敏感区、矿山资源及规划矿区、江河湖库、生物多样性保护重要区等区域为网点的生态保护与修复工程实施架构(表1)。各片区重点工程如下：东北片区拟开展3项工程,包括赣州城区水环境与水土流失综合整治工程、贡江下游水土流失与矿山环境综合治理工程、赣江水源区综合保护工程；西北片区拟开展3项工程,包括章水源区废弃矿山综合治理工程、章水源区水环境保护工程、章水上游生态廊道与植被提质增效工程；西南片区包含3大工程,有桃江中游水质提升示范工程、桃江上游废弃稀土矿综合整治工程、桃江上游水环境综合整治工程；东南片区拟开展东南片区流域水环境综合治理工程1项工程。此外,还有3个全市统筹推进的整体项目,包括赣州市矿山环境治理工程、赣州市低质低效林改造项目和东江源流域水环境综合治理工程。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of study area

表1 赣州市生态保护与修复分区

1.2 研究框架

本文基于2015年和2018年的遥感影像数据、社会经济统计数据和地面检测与监测数据,以不同生态系统面积、占比、各类型间的转移情况以及不同类型生态系统的景观指数来综合反映生态系统格局变化；以植被长势情况、水土流失治理情况、重点流域河流水质情况和土壤环境治理状况4个方面综合反映生态系统质量状况,并从生态系统格局和生态系统质量两个方面综合对比了工程区实施山水林田湖生态保护与修复工程前后的生态系统变化特征,旨在为山水林田湖生态保护修复试点工程区的生态环境保护与修复成效评估提供借鉴(图2)。

图2 研究框架Fig.2 Research framework

1.3 数据资料

本文所用数据主要包括影像数据、统计数据以及矢量边界数据(表 2),其中2015年和2018年美国地质勘探局(USGS, United States Geological Survey) Landsat 8 OLI/TIRS C1 Level- 1的卫星遥感数据通过ENVI 5.1对影像进行辐射定标、大气校正等图形处理准备工作。对处理好的两期遥感影像图各自的5景进行镶嵌,并按照赣州市的行政边界进行裁剪。通过监督分类法和人工目视解译来判读获得土地利用/覆被数据[21],最终得到赣州市生态系统类型构成及其空间分布数据。

表2 数据说明

1.4 研究方法

1.4.1生态系统格局研究

对于生态系统格局的研究,首先,本文从生态系统分类出发,基于遥感数据,借鉴国际和国内土地利用/覆被分类体系,确定了农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、城镇生态系统和其他生态系统6 种生态系统类型,并研究各生态系统类型的面积、占比及不同生态系统之间的相互转换关系(生态系统转移矩阵)[22],明确生态系统变化的主要类型和区域。其次,基于Fragstats 4.2软件,本文选取代表性景观指数中的最大斑块指数(LPI, Largest Patch Index)来反映人类活动的方向和强度以及不同生态系统的破碎化程度[23],并使用软件平台中的移动窗口功能来反映研究区各生态系统格局的时空变化。

1.4.2生态系统服务质量研究

从植被长势、水土流失治理、水质治理和土壤重金属污染风险四个方面评估工程区生态系统服务质量。其中,选择归一化植被指数(NDVI, Normalized Difference Vegetation Index)年平均值和标准差为主要指标参数来分析陆表植被长势时空变化特征,选择水土流失综合治理面积、新增小流域综合治理面积、新增水土流失综合治理面积和封禁治理保有面积4个指标分析水土流失治理情况,选择地面监测和检测数据来评估水质和土壤环境质量。

图3 2018年赣州市生态系统类型空间分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem types in Ganzhou (2018)

2 结果与分析

2.1 工程区生态系统格局时空变化分析

2.1.1生态系统类型面积变化及转移方向

2015—2018年,赣州市整体生态系统布局在宏观空间上没有发生明显变化,森林生态系统在整个系统中占比最高,其次是农田生态系统、草地生态系统、城镇生态系统和其他生态系统(图3)。赣州市南部和西部的森林生态系统面积明显高于北部和东部地区,农田生态系统大多分布在城镇生态系统周边,北部地区的农田生态系统和城镇生态系统面积明显高于南部地区,是人类主要的生活、生产区。

就各生态系统的面积变化而言,赣州市森林生态系统面积增加,森林覆盖率从74.2%上升到76.5%,达到工程规划制订的目标,城镇生态系统呈现明显扩张,而草地和其他生态系统面积显著下降,且减少的草地和其他生态系统多数转变成了森林、农田和城镇生态系统,湿地生态系统面积变化较小(表 3)。

表3 赣州市生态系统移矩阵(2015—2018)/万km2

从工程分区来看,东北片区的森林生态系统面积占比最小,2015年仅占片区总面积的69.82%,到2018年该片区森林生态系统占比上升到71.34%。西北片区和西南片区的森林生态系统面积占比在2015年均超过了80%,但西南片区森林生态系统面积到2018年缩小到77.10%。值得注意的是,虽然东南片区2015年森林生态系统面积占比仅处于全市平均水平,但近年增长显著,2018年的森林生态系统面积占比已经超过80%(表4)。

表4 分片区生态系统变化/%

2.1.2生态系统景观格局时空变化分析

对于整个工程区而言,除了城镇生态系统和湿地生态系统以外,其他生态系统的LPI值都有一定程度的下降,尤以森林生态系统的LPI值下降最为显著(图4),这表明人类活动对生态景观格局产生较为强烈的影响,自然和半自然生态景观受到的扰动加剧,生态景观优势度降低。

从空间上来看,森林生态系统的斑块较为完整,相对于其他生态系统破碎程度较低,LPI值高的地区多分布在西北和西南的南岭山地区。LPI低值地区主要分布在城市、农田周边,这也进一步从空间上直观反映出人类的生产和生活活动对森林生态系统景观格局具有较大影响。农田生态系统和草地生态系统相较于森林生态系统而言,斑块分布分散,尤其是草地生态系统,主要散布于森林、农田生态系统之间。城镇生态系统LPI值较大的区域分布在赣州市中心城区以及其他县市的城区,其他居民点则零星分布,LPI值较低。

图4 各生态系统LPI的空间分布Fig.4 Spatial distribution of LPI in different ecosystems LPI: 最大斑块指数 Largest Patch Index; 由于未利用地面积较小且空间分布离散,故没有生成未利用地LPI移动窗口图

2.2 工程区生态系统质量时空变化分析

2.2.1陆表植被长势时空变化特征分析

从整体的空间分布来看,植被覆盖度较高的地区大多属于南岭山地森林及生物多样性生态功能区,且赣州市中部和东部地区的植被覆盖状况明显优于西部地区。2018年的NDVI值略高于2015年,且NDVI高值栅格数量呈增加态势(图5),这表明工程区植被长势较好、生态质量上升,也侧面反映出工程区在增加生态用地和改造低质、劣质林上取得了一定的成效。

从工程分区的对比来看,2015年NDVI值较高的区域是东南片区和西南片区,NDVI值达到0.726。东北片区次之,NDVI值也超过了0.7,且东北片区NDVI值的标准差相对较小,即东北片区植被覆盖的空间差异性相对较小(表5)。相较于2015年,西北片区和东南片区的NDVI值在2018年均有上升,尤其是西北片区的NDVI值上升幅度较大,可见在工程实施期间,西北片区在森林抚育和森林管护方面取得显著成效。从分区县对比来看,工程区18个县市的NDVI值在0.542—0.758之间,其中有9个县市区的NDVI在2015—2018年有所上升,尤其是南康区、上犹县和大余县上升显著,均上升了0.5以上,其他9县NDVI值呈现小幅下降(图6)。

2.2.2水土流失治理情况分析

赣州市水土流失综合治理面积和新增小流域综合治理面积整体呈现增长趋势,分别从16543.8 km2增长

表5 2015、2018年分区统计NDVI值

到18550.4 km2以及395.5 km2增长到458.4 km2,而新增水土流失综合治理面积和封禁治理保有面积整体呈现减小趋势,分别从840.8 km2减小到458.4 km2以及6029.6 km2减少到4882.3 km2,这一方面反映了赣州市在水土流失治理力度上的加大,也说明近年来该市新增的水土流失面积得到有效控制。从分区来看,东北片区水土流失治理力度较大,而其他片区水土流失现象相对较少,其主要工程任务更多的是涵养水源和维护生物多样性等方面(图7)。

图5 2015、2018赣州市NDVI空间分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI in Ganzhou (2015 and 2018)

图6 2015、2018分县区NDVI值Fig.6 NDVI for each county in 2015 and 2018

图7 分片区水土流失治理情况Fig.7 Soil erosion control in the subarea

2.2.3重点流域河流水质变化分析

根据2017年1月—2018年6月赣州市25个重点流域水质监测断面的水质检测数据,多数重点流域的水质处于Ⅱ级和Ⅲ级,表明在工程实施期间,赣州市的水质情况基本稳定,甚至一些水质断面优于功能区标准(湘水河口,留金坝电站等水质检测断面)。部分监测断面的水质在此期间呈现出较强的波动,如观河浮桥检测断面、大余新城监测断面虽然在多数月份内水质处在Ⅱ级和Ⅲ级,但在2017年12月,此二监测断面水质都达到了劣Ⅴ类,尤其是观河浮桥水质监测断面, 2017年12月—2018年2月的水质一直处于较差水平(图8)。

图8 重点流域监测断面水质变化情况Fig.8 Changes in water quality in key river basin monitoring sections

图9 土壤检测点位空间分布Fig.9 Spatial distribution of soil detection points in Ganzhou

2.2.4土壤环境质量评价

在赣州市章贡区、赣州市经开区、龙南县、南康区、瑞金市、上犹县、信丰县、会昌县、全南县、安远县、赣县区、兴国县、于都县、大余县、定南县、宁都县、石城县、崇义县18个县(市/区)范围内,涉及97家土壤重点监管企业的周边土壤布设检测点位,共147个检测点位(剔除无法获取到经纬度数据的点位),每个点位采集表层土样,每份样品采样量为2kg,采样深度为0—20 cm,检测的具体指标包括土壤pH值,土壤铜 (Cu)、锌 (Zn)、铬 (Cr)、铅 (Pb)、镉 (Cd)、砷 (As)、汞 (Hg)和镍 (Ni)8种重金属的含量,具体点位分布如图9所示。

基于Arcgis10.2软件平台,采用普通克里金法对土壤检测样点进行最优内插,得到赣州市土壤环境质量的空间特征(图10)。参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》和《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》,建设用地Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni七种金属元素空间插值的最大值没有超过建设用地的筛选值标准,威胁人体健康的风险很小,而建设用地Cr金属超过管控值标准的区域主要分布在赣州市的西北和西南地区,且整个赣州市建设用地Cr金属普遍高于筛选值,存在危害人体健康的风险。就农田生态系统来看,会昌县、寻乌县、章贡区和南康区受Cu金属超过土壤污染风险值的威胁较大,全南县和龙南县受到Pb金属超过土壤污染风险值的威胁较大,章贡区、南康区和赣县区受Cd金属土壤污染的风险较高,As金属超过风险阈值的县市主要有宁都县、兴国县、于都县、瑞金市、大余县、崇义县等,赣县区Hg金属超过农田土壤风险阈值。

图10 赣州市土壤环境质量空间插值Fig.10 Spatial interpolation of soil environmental quality in Ganzhou

3 结论与讨论

(1)从生态系统的格局来看,工程区主要的生态系统变化表现为森林生态系统、农田生态系统和城镇生态系统面积增加,草地生态系统面积下降显著且主要向森林生态系统转变。此外,工程区多数自然生态系统更加趋向破碎化,如森林生态系统LPI值从54.36降低到37.41,而半自然生态系统LPI值都在增加,城镇生态系统LPI值从0.14增加到0.26,农田生态系统LPI值从0.34增加到0.67。

(2)从生态系统质量来看,工程区植被长势较好,尤其是西北片区增长最为显著,NDVI值从0.687上升到0.722；工程区水土流失现象得到有效防治,全市水土流失综合治理面积增长2006.6 km2；河流水质基本稳定在Ⅱ级和Ⅲ级水质;城镇生态系统土壤污染风险较小,但农田生态系统土壤受重金属污染的风险较大,尤其是赣县区、南康区和章贡区,2—3种重金属接近或超过农用土壤污染风险值。

整体而言,赣州市山水林田湖生态保护与修复工程取得了显著成效,较好的完成了实施方案中的规划目标。基于此工程,在接下来的生态修复中,应进一步重视赣州市自然态系统斑块破碎化严重的地区、水质出现波动较大的断面以及农田生态系统受土壤重金属污染威胁较大的县区。

值得注意的是,本文虽无法保证所有生态系统变化都是该试点工程实施所产生的结果,但本文选取的评估对象、评估指标均是该生态保护与修复试点工程总体目标的一部分,因而可以较为科学的评估试点工程的实施效果。此外,本文存在解译精度带来的误差以及检测样点不足导致的空间插值误差,因此可能会对本文的结果产生一定影响。