大清河流域生态功能区划研究

宋友城, 田毅, 2,*, 安拴霞

大清河流域生态功能区划研究

宋友城1, 田毅1, 2,*, 安拴霞1

1. 中国地质大学(北京), 北京 100083 2. 北京市国土资源信息研究与开发重点实验室, 北京 100083

以区域生态功能特征进行生态区划是区域生态保护与修复的重点内容, 根据生态主导性原则, 引入生态敏感度、生态服务价值和生态风险3个指标进行大清河流域生态重要性评价及生态功能区划分。研究表明: (1)生态重要性低、较低、中等、较高、高的区域面积占研究区比例分别为40.47%、32.96%、6.28%、3.20%、17.07%。空间上, 生态重要性呈现以水源地与自然保护区高, 向四周逐渐降低的趋势。(2)将大清河流域分为山地区、丘陵过渡区、平原区3个一级生态功能区, 明确不同生态功能区的生态保护与修复重点, 其中山地区以维持生态平衡、修复尾矿处理不当造成的地质灾害为目的; 丘陵过渡区应注重矿业活动开采的影响, 注重矿—地—水的协调发展; 下游地区包含有雄安新区和白洋淀水域, 应注重耕地开发利用与水域保护相结合。(3)在一级生态功能区的基础上划分出16个二级生态功能区, 包括水源涵养生态功能区、植被保护区、洪水调蓄生态功能区3个生态功能重要区, 并且明确了各个生态功能区的生态保护措施与生态修复重点。据此研究结果, 可以在生态保护的基础上, 为大清河流域矿山整理修复、土壤侵蚀严重区整治、降低水源地风险、合理利用矿、林资源提供支持, 实现流域内矿—地—水的协调发展。

大清河流域; 生态功能区划; 流域生态保护; 生态修复

0 前言

我国生态环境敏感脆弱[1], 在经济高速发展和人口增长的压力之下, 生态环境恶化加快, 已经限制了社会经济发展。生态功能区划是区域科学管理和可持续发展的基础[2], 通过区划能有效减少流域生态系统管理的复杂性。生态功能分区最早由Crowley[3]根据气候和植被特征提出并划分了加拿大生态分区地图, 但当时分区并未涉及生态系统的结构层次。近年来[4,5,6], 国内外学者大多以自然地形地貌为对象, 而较少考虑自然生态系统的综合性、整体性, 导致基于地形地貌进行生态区划在流域或区域综合管理生态系统方面的实践中仍有不足。针对目前生态功能区划中重地理分布特征、轻生态系统功能和完整性原则的现状, 有必要进行以切实服务生态功能可持续发展为管理目标的生态功能区划。

大清河流域地处北京市南大门, 不但支撑京津冀地区水资源供给、气候调节, 也为雄安新区发展提供水源涵养和生产能力, 其重要程度不言而喻。流域内煤炭资源、建材类矿产富集, 由于长期地无序开采, 使得上游地区水土流失、土壤侵蚀状况严重, 面临诸多地质灾害的威胁, 下游植被退化严重。大清河流域原有的规划和管控多是针对单个、单项整治工程, 侧重考虑耕地保护、农业生产发展等, 但很少有基于流域内矿—地—水为整体的生态系统综合整治规划, 导致诸多问题积累引发了一系列严重的地质灾害和环境问题。大清河流域地处太行山水源涵养与土壤保持重要区以及太行山国家级水土流失重点治理区, 要求恢复和重建生态系统功能, 并加强矿山开发的监管, 随着国家提出的雄安战略不断稳步推进, 对上游空间尤其是大清河流域的土地整治就显得迫在眉睫。然而, 现有研究无法满足该要求, 尤其是基于矿—地—水为整体的生态协调发展的整治工程。

生态系统的所有服务价值都尤为重要, 但对于区域而言, 进行生态功能区划应该以几个功能为重点, 首先进行保护与修复, 以其达到流域生态功能区划的目的。赵斌[7]认为流域是地球内营力作用下的基本轮廓, 保持了生态完整性, 所以以子流域为自然单元的划分尺度。基于此, 以生态修复为目的, 通过开展生态综合整治分区研究, 以区域生态敏感性、生态系统服务功能及生态风险为指标, 考虑工矿废弃地治理、煤炭资源稳定开发、生态环境改善等为目标, 为该区开展生态修复工作提供基础。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

大清河流域, 介于北纬38°14′24″－39°57′30″, 东经114°20′48″－116°54′57″之间, 东西长约223 km, 南北宽约190 km, 总面积约为19058 km2。(图1)。

1.2 数据来源

本研究数据主要包括影像数据、统计数据、矢量边界数据(表1)。

图1 大清河流域位置图

Figure 1 Location map of Daqing river basin

表1 数据来源

2 研究方法

本研究的研究思路主要是进行生态重要性评价, 然后基于子流域尺度的生态功能区划, 最后结合实际情况给出生态保护与修复意见。在空间上, 利用遥感、地理信息技术(GIS)提取分析数字高程模型(DEM)、地形、土壤、土地利用、生态服务价值、矿业等数据, 通过ArcGIS软件空间分析模块, 得到各要素空间上的对应关系, 采用二级分区的体系, 进行大清河流域生态修复分区研究。最后采用综合指标法评价区域生态系统敏感性、生态系统服务价值及生态风险得到以子流域为尺度的生态功能分区(图2)。

2.1 数据预处理

专题影像制图仪(TM/ETM)数据来源Landsat8卫星。时间为2017年9月19日, Kappa系数0.7927, 分类精度84.42%。提取大清河流域数字高程模型, 并通过目视、监督分类等方法得到土地利用/覆盖数据。其中坡向、坡度通过ArcGIS中的三维空间分析模块提取, 植被指数数据通过ENVI软件中的波段计算器得到。

式中, NDVI为归一化植被指数, NIR为近红外波段(0.841—0.876μm), Red是红波段(0.620—0.670 μm)。

图2 技术路线图

Figure 2 Technology roadmap

对数据进行归一化处理以消除不同计量单位对结果的影响。(公式2)。

式中,min和max表示数据中的最小值和最大值。

2.1 基本分区方法

研究区内的自然环境影响生态保护与修复工程主要为地形地貌, 其很大程度上能够决定工程的潜力及实施过程的难易。本研究结合研究区数字高程模型, 从地貌单元一致性出发, 初步划分一级分区, 同时以黄海的高程100米等高线划分为平原区(<100 m)、丘陵过渡区(100—500 m)和山地区(>500 m)三个区, 每个区相应的影响因素并不完全相同, 进而选择相应影响因素叠加分析, 划分二级分区得到土地整治分区。

2.2 子流域划分

其子流域划分基于ArcGIS软件中的流域分析模块进行子流域提取。(图3)

基于流域生态学相关学者[9], 比较积水面积阀值2000、5000、10000、20000的子流域划分结果, 其子流域数量分别为806、322、143、93, 最终选取积水面积阀值为10000进行研究。

2.3 生态系统重要性分区评价

目前生态系统功能评价主要研究方法有综合指数法、模糊综合指数法、主成分分析法等多种传统方法, 由于地理信息系统(GIS)技术的数据处理、空间分析能力, 利用地理信息系统(GIS)技术的单因子和多因子综合评价已经成为目前流域和区域生态功能评价的发展趋势。本研究基于综合指数法结合地理信息系统(GIS)平台对各因子进行加权叠加, 得出综合生态功能指数, 然后依据自然断点法将大清河流域生态功能指数按照高低分为: 高重要性区、较高重要性区、中等重要性区、较低重要性区、低重要性区。

生态系统重要分区是以生态敏感度、生态服务价值及生态风险指数作为生态重要性分区评估的三部分。基于国内外对生态敏感度相关研究[10,11,12]确定, 生态敏感度主要通过2015—2018归一化植被指数(NDVI)变化、坡向、水源保护区及自然保护区4项指标累加获得。针对生态系统服务价值, 根据相关研究[13,14], 选取4个一级指标, 11个二级指标对其进行量化。

研究区汛期上游涨水速度较快, 容易引起下游堵塞与一系列地质灾害, 加上矿业生产、植被退化, 容易引起泥石流、地面塌陷等地质灾害, 加之当地部分地区坡度陡峭, 土壤裸露, 容易导致水土流失、土地侵蚀等自然灾害。根据相关研究[13]表明, 海拔、坡度对加重地质灾害与土壤侵蚀有一定相关性, 对于生态风险指数的确定主要利用潜在地质灾害风险(泥石流、地面坍塌、地面滑坡等)、土壤自然侵蚀潜力、坡度及海拔累加得到。并且本研究根据每个生态功能因子的不同因素对于其生态功能影响程度选取从1到9的不同敏感度等级(表2), 利用SPSSAU软件进行层次分析法确定生态敏感度、生态服务价值及生态风险指数权重(公式3), 并且通过一致性检测(公式4)。

图3 基于DEM虚拟河网的子流域划分流程

Figure 3 sub-basin division process based on DEM virtual river network

表2 生态重要区的评价指标

式中,表示指标数, 矩阵的特征值表示其权重。

本研究根据上述方法, 综合考虑生态敏感度、生态系统服务价值和生态风险3个综合指标进行生态重要性建模(公式5), 利用自然断点法划分出生态重要性高、较高、中等、较低、低5个区域。

其中,w表示一级指标层权重;w表示二级指标层权重;、表示一级指标层、二级指标层因子数量,s表示敏感等级。

2.4 生态保护与修复优先区和区划方案

通过上述方法, 得到生态重要性评价结果, 根据大清河流域生态环境保护“十三五”规划重点工作要求、生态重要性、土地利用现状等数据, 划分出水源涵养生态功能区、植被保护区、洪水调蓄生态功能区3个生态红线区。再以一级区划方案的基础上, 根据其生态系统主导功能, 进行二级分区并命名, 以名称简单扼要、体现各区主导生态功能或主要生态问题、各区名称相互对应为命名原则(表3)。

3 结果与分析

3.1 大清河流域生态重要性空间分异

大清河流域共有1个小五台山国家级自然保护区, 位于山地区东北部; 2个省级自然保护区, 分别是位于山地区中北部的金华山-横岭省级自然保护区和位于丘陵过渡区中部的白洋淀湿地省级自然保护区; 6个水库水源保护区, 分别为位于丘陵过渡区西南部的王快水库和西大洋水库、丘陵过渡区中南部的龙门水库、丘陵过渡区西部的口头水库、山地区东南部安戈庄水库和山地区中部的横山岭水库。为显示其之间差异, 利用自然断点法对生态重要性指标进行等级划分来显示其重要性的等级差异, 分别为低、较低、中等、较高和高5级。(图4, 5)

表3 大清河流域生态分区表

由图中可以看出生态敏感度是以生态保护区和水源保护区为中心向外变低, 也可以体现出对于非生态保护区、非水源保护区的归一化植被指数(NDVI)严重减少。高生态风险区主要集中于山地区北部高山和丘陵过渡区中高坡度地区, 其地区由于坡度陡峭加上无序采矿, 形成了地质灾害易发区。

3.2 划定优先保护区

依据生态敏感度、生态服务价值及生态风险评价结果, 将三者评价结果根据公式进行计算, 利用自然断点法将生态重要性分为低、较低、中等、较高、高5类。提取生态重要性高的区域, 结合大清河流域自然状况与地区相关规划文件, 将其划定为生态红线区。根据其主要生态功能划分为植被保护区、水源涵养生态功能区、洪水调蓄生态功能区。其中水源涵养生态功能区分布于平原区西部和丘陵过渡区东部, 该地区分布有白洋淀、马棚淀水库、龙门水库及瀑河水库等众多水库。植被保护区分布于丘陵过渡区北部和山地区东南部, 该区分布小五台山国家级自然保护区及金华山-横岭省级自然保护区。洪水调蓄生态功能区分布于山地区西南部, 该区作为白洋淀上游, 对于白洋淀生态保护区及下游众多河流治理起到重要作用。(表4、图6)

图4 大清河流域生态指数分等面积占比(a. 生态敏感性, b. 生态服务价值, c. 生态风险)

Figure 4 Area proportion of the Ecological index in the Daqing River Basin (a. ecological sensitivity, b. ecological service value, c. ecological risk)

图5 大清河流域生态敏感度、生态服务价值、生态风险空间分异图

Figure 5 Spatial differentiation map of ecological sensitivity, ecological service value and ecological risk in Daqing river basin

3.3 生态功能区划

基于大清河流域生态敏感度、生态服务价值及生态风险评估结果, 根据区域相似性与差异性原则、可操作性原则、主导生态功能优先原则[5,15,16], 结合地区地形地貌、土地利用现状及生态保护的需要, 通过多次调整和完善, 最终形成大清河流域生态系统功能区划成果图。(表5, 图7)

3.4 大清河流域一级分区生态整治工程重点

全流域3个一级分区, 山地区以维持生态平衡、修复尾矿处理不当造成的地质灾害为目的; 丘陵-低山过渡区应注重矿业活动开采的影响, 注重矿—地—水的协调发展; 下游地区包含有雄安新区和白洋淀水域, 应注重耕地开发利用与水域保护相结合。因而在今后发展过程中, 雄安新区要考虑上游的水土流失和中游矿业活动开采对其产生的影响; 对于新区下游地区, 土地利用多为耕地开发, 需水量较大, 可能当下对雄安新区发展没有影响, 但未来发展过程中, 也需注重协调水—地关系, 促进农业生产和社会经济发展。

表4 生态重要性面积占比

图6 生态重要性空间分异

Figure 6 Spatial differentiation of ecological importance

表5 生态分区表

(1)水源涵养生态功能区Ⅰ-1、Ⅱ-1: 水位周期性不稳定, 水源不足, 水面逐渐缩小, 存在水体污染。作为生态功能高重要区, 应划定生态红线, 首先应对流域水源进行科学的调蓄, 实行合理用水, 节约用水。解决泥沙淤积问题的途径在于上游搞好水土保持, 保护重点治理上游地区, 封山育林, 养草, 调整种植结构, 创造好的生态环境。对排放污水的工厂采取有力的净化措施, 限制污水超标排放, 改造和完善污水处理设施, 来解决水体污染。

(2)重点城市群Ⅰ-2: 作为京津冀大都市群周边, 充分利用大都市辐射效应影响, 加快城市环境保护基础设施建设, 加强城乡环境综合整治。

(3)农产品提供功能区Ⅰ-3: 本区河流虽多, 河流供水和需水不一致, 汛期降水过量, 常发生涝灾, 春季少雨又造成干旱, 由于开发深水层, 出现大范围漏斗区。盐碱地还未彻底改良, 在土地利用方面, 忽视地力的培肥。要因地制宜, 搞好农作物栽培管理, 适地适种, 有水源的条件可改种水稻, 可以使盐碱顺地表水流走。水利工程措施方面, 新打机井布局和结构要合理, 有条件的地方, 充分利用浅层淡水, 少打深水井, 有条件的地方, 可适当发展喷灌、滴灌和渗灌, 加强防洪、排涝, 建立健全排灌系统。

图7 大清河流域生态系统功能区划成果图

Figure 7 Results of ecological system function zoning in Daqing river basin

(4)土壤保持生态功能区Ⅰ-4: 以潮土为主要类型土壤, 土壤侵蚀严重, 易造成缺苗断垅, 养分含量属于中下较低水平, 肥力较低。开展并加强土地平整工程, 维修好台条田, 科学灌溉, 防止内涝, 适当种植耐盐性作物。

(5)植被保护区Ⅱ-2、Ⅲ-1: 区域生态重要性高, 但面临植被退化风险。应该划定为生态红线, 可以封山植树养草, 远山陡坡育草养牧, 近山缓坡、沟谷山脚土层较厚的地方植树造林, 实现生态保护。

(6)水土流失综合整治区Ⅱ-3、Ⅲ-2: 土层较薄, 坡度起伏大, 地下水位浅, 容易引起水土流失问题紧张。本区开展土地整治时, 应重点开展以下工作: 土层薄的地区, 适合灌木和养草, 发展畜牧业, 土层较厚的地区, 可以栽种油松, 杨树等。远山陡坡育草养牧, 近山缓坡、沟谷山脚土厚较厚的地方植树造林。

(7)矿山环境综合整治区Ⅱ-4、Ⅲ-3: 土层薄砾石多, 植被覆盖少, 矿产资源开采造成土地损毁压占, 易引发塌陷、地裂缝、山体滑坡等地质灾害。重点开展露天矿山深度整治行动, 植树造林, 加强尾矿库综合治理。

(8)地质灾害综合整治区Ⅱ-5、Ⅲ-4: 坡度较大, 岩体松散, 山体覆盖层一般较薄, 易形成泥石流、不稳定滑坡等地质灾害, 部分地区由于尾矿处理不达标形成地面塌陷等问题。采用植物措施与工程措施相结合的方法, 修筑边坡等, 及时填补因采矿造成的地面塌陷和地裂缝, 恢复当地生态环境, 积极扩大森林面积。

(9)综合农产品提供功能区Ⅱ-6、Ⅲ-5: 部分土层较薄, 土层中夹杂少量砾石, 各种养分含量较低, 植被覆盖较少, 存在中度水土流失现象。修建梯田, 种地养地。合理划定牧场, 加强草场建设, 水资源较差的旱地, 要努力增收谷子、甘薯豆类的种植面积, 增施磷肥, 提高产量, 增加收入。

4 结论

(1)通过对大清河流域生态系统功能进行综合评价, 分析重要指标, 得到流域生态重要性分区, 共计3个一级分区, 16个二级分区, 从空间分布格局入手分析生态问题, 而提出针对不同生态问题进行生态恢复、保护措施, 从整体上开展生态保护与修复工程。

(2)生态系统功能区划区别于之前的重地理分布, 轻生态系统功能的生态分区, 引入生态功能服务价值和流域内部土壤侵蚀等生态风险因子, 有助于识别流域或区域生态高敏感区和重要区, 为生态保护与修复工程的规划与实施提供依据。

(3)为了维护雄安新区和大清河流域可持续发展, 生态系统功能分区结果可以在生态保护的基础上, 为大清河流域矿山整理修复、土壤侵蚀严重区整治、降低水源地风险和合理利用矿、林资源提供支持, 实现流域内矿—地—水的协调发展。

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Study on ecological function zoning of river basin of Daqing River Basin

SONG Youcheng1, TIAN Yi1, 2,*, AN Shuangxia1

1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China 2. Beijing Key Laboratory of Land and Resources Information Research and Development, Beijing 100083, China

Ecological regionalization based on regional ecological function characteristics is the key content of regional ecological protection and restoration. According to the principle of ecological dominance, three indexes of ecological sensitivity, ecological service value and ecological risk were introduced to evaluate the ecological importance of the Daqing River Basin and to divide the ecological function area. The results showed that: (1) the proportion of areas with low, a little bit low, medium, a little bit high and high ecological importance in the study area was 40.47%, 32.96%, 6.28%, 3.20% and 17.07% respectively. Spatially, the ecological importance showed a trend of water sources protection areas and nature reserve, and gradually decreased in all directions. (2) The Daqing River Basin was divided into three first-levels ecological function areas, namely mountain areas, hilly transition area and plain area. In the present study, the main objective was to identify the different ecological protection and restoration land. The mountain area aimd at maintaining ecological balance and repairing geological disasters caused by improper treatment of tailings. The hilly transition zone should pay attention to the influence of mining activities and the coordinated development of ore-land-water. The downstream area included Xiongan New Area and Baiyang Lake, so the combination of cultivated land development and water area protection should be emphasized. (3) On the basis of the first-level ecological function areas, 16 second-level ecological function areas were divided, including water conservation ecological function areas, vegetation reserve and flood regulation and storage ecological reserve, and the study defined measures of each ecological protection and ecological restoration.On the basis of ecological protection, this study can provide support for mine consolidation and remediation, soil erosion control, water source risk reduction, and rational utilization of mine and forest resources in the Daqing River Basin, so as to realize the coordinated development of mine-land-water in the basin.

Daqing River Basin; ecological classification; watershed ecological protection; ecological repair.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.024

X37

A

1008-8873(2021)06-197-10

宋友城, 田毅, 安拴霞. 大清河流域生态功能区划研究[J]. 生态科学, 2021, 40(6): 197–206.

SONG Youcheng, TIAN Yi, AN Shuangxia. Study on ecological function zoning of river basin of Daqing River Basin[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 197–206.

2020-05-17;

2020-06-25

国家自然基金项目(41877532)

宋友城(1996—), 男, 湖南湘西人, 主要研究方向为国土空间规划, E-mail:2112180043@cugb.edu.cn

通信作者:田毅(1974—), 男, 陕西西安人, 博士, 副教授, 主要从事城市立体规划研究, E-mail: tianyi@cugb.edu.cn