福建省生态保护重要性评价

牛晓楠,倪 欢,陈国光,张定源,张 景,张 洁,吴佳瑜

1 中国地质调查局南京地质调查中心,南京 210016 2 南京信息工程大学,南京 210044

经济高速发展的同时伴随而来的是自然灾害频发、地下水超采、水土流失加剧以及生物多样性丧失等诸多生态环境问题[1—3]。因此,协调人与自然的关系,加强生态保护十分迫切和重要。党的十八大以来我国生态文明建设不断深入,生态保护在国家可持续发展中的地位愈加重要。生态保护重要性评价以自然生态理论为基础,旨在识别生态系统服务功能极重要、生态极脆弱区域,确保生态系统完整性、连通性,坚守人类农业生产和城镇建设过程中的生态安全底线[4—5],是资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价(以下简称“双评价”) 的首要任务,也是识别生产和生活空间的前提条件[6—7]。

图1 研究区地理位置Fig.1 The location of study area

福建省位于我国东南部东海之滨,背山面海,陆地与海岸带共筑起福建省的生态屏障,同时也是我国东南沿海生态重要屏障的组成。习总书记指出：生态资源是福建最宝贵的资源,生态优势是福建最具竞争力的优势[8]。森林生态系统组成复杂,物种多样性丰富,是涵养水源能力最强的陆地自然生态系统,对保持水土有重要意义[9—11]。但同时,据相关调查研究表明,福建省生态安全面临着森林和生物多样性退化、水土流失严重、海岸侵蚀等生态问题[12—13]。本文以福建省为研究区,基于“双评价”指南,同时参考《生态保护红线划定指南》、《福建省生态功能区划》,从生物多样性、水源涵养、水土保持、海岸防护功能重要性四个方面展开生态系统服务功能重要性评价,并综合水土流失、土地沙化、海岸侵蚀等典型生态问题进行生态敏感性评价,综合此二者评估福建省生态保护重要性等级并分析其空间分布情况,为福建省开展有针对性的生态保护、实现可持续发展提供理论基础。

1 研究区概况

福建省位于我国东南部东海之滨,23°33′N — 28°20′N,115°50′E — 120°40′E,与浙江、江西、广东毗邻,隔台湾海峡与台湾省相望,陆域总面积12.4万km2,辖管10个区市,如图1所示。福建省地貌以山地丘陵为主,闽西、闽中两大山带构成地形主骨架,形成西北高东南低的地势格局。在中国气候带上,福建属南亚热带(闽东南)和中亚热带(闽西北)湿润季风性气候；森林覆盖率 66.8%以上,连续40 年位居全国第一。2002年福建省作为首批全国生态建设试点省份,同时也是我国第一个生态文明先行示范区,研究福建省的生态保护重要性具有重要意义,能够为开展有针对性的生态保护、实现可持续发展提供理论基础。

森林生态系统具有巨大的涵养水源和调节径流的功能以及十分显著的水土保持功能[9]。福建省森林覆盖率虽高,但阔叶林面积减少,森林针叶化现象普遍,同时针叶林树种较为单一,以马尾松和杉木为主,森林结构幼龄化突出,森林生态系统趋于简单化,生物多样性维护功能下降[11]。福建省也面临着生态脆弱性方面的问题,一是水土流失问题,福建省属典型南方红壤丘陵地区,由于降水多且集中、母岩花岗岩较为松软,极易造成水土流失,是中国仅次于黄土高原的严重水土流失区；二是强烈的水土流失与风蚀作用使土壤中铝、铁等粘性物质严重流失,造成土地沙化。福建省东部为陆海交接带,生态系统复杂多样,海岸带湿地生物多样性丰富,同时也是典型的脆弱区和敏感带[13—14],面临着沿海防护林范围缩小、砂质岸线不断侵蚀后退等问题。因而,陆域范围内,生态系统服务功能主要评价生物多样性维护、水源涵养、水土保持功能,生态敏感性主要评价水土流失、土地沙化敏感性；海岸带区域主要评价海岸带生物多样性维护功能、海岸防护功能重要性以及海岸侵蚀敏感性。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究使用的数据主要包括DEM数据、生态系统类型数据、重要物种分布数据、自然保护区数据、水生生物保护区、归一化植被指数(NDVI)数据、植被净初级生产力(NPP)数据、气象数据、土地利用类型数据、土壤类型数据、水土流失调查数据等。其中,DEM 数据来源于地理空间数据云,空间分辨率为30 m；生态系统类型数据来源于中国生态系统评估与生态安全数据库,为矢量数据；重要滩涂、河口、防护林、红树林、岸线地貌类型和土地利用现状等数据通过2018—2019年遥感影像解译得到；重要物种分布数据来源于KBA数据库,自然保护区数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心；NDVI数据使用MOD13产品(https://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod13.php)；NPP数据使用MOD17A3产品(https://e4ftl01.cr.usgs.gov/MOLT/MOD17A3HGF.006/)；气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网,包括气温、降雨量；土壤数据采用世界土壤数据库(HWSD) 中的中国土壤数据集(V1.1);水土流失调查数据通过前期地质调查野外资料收集得到。以上数据经过拼接、配准、裁剪、投影变换和重采样等一系列预处理,统一转换成栅格数据,统一空间坐标系,并重采样至30 m×30 m 分辨率的栅格。

2.2 研究方法

目前,生态保护重要性评价方面,国外大多采用保护地体系,与国内研究有较大差异,参考意义不大[15—18]。国内总体以生态系统服务功能重要性和生态敏感性为研究指标[19—21]。在对福建省生态环境进行综合分析的基础上,针对其典型生态服务功能和主要生态问题构建评价指标体系,进而进行生态保护重要性评价。

2.2.1生态系统服务功能重要性评价

生态系统服务功能重要性评价可以揭示生态系统服务的数量和空间差异性,识别某一空间范围内各种生态系统服务的重要区域[22—26],目前多应用于生态空间管制[27]、生态红线划定[28]、生态廊道构建[29]、优化生态用地保护格局[30]、引导区域土地利用结构的优化[31]等。

生态系统服务功能重要性评价通常采用模型法、简化模型法、NPP定量指标法,各方法的优缺点如表1 所示[4]。模型法评价结果虽然精度最高,但需要的参数和数据较多,部分较难获取；NPP定量指标法以NPP数据为主,参数少,计算方法相对简单,然而准确度受地域影响较大,当数据不足以支撑模型法或简化模型法时,可用此方法来替代；简化模型法具有普适性、针对性,要求对区域有专项调查基础。结合福建省的生态本底与收集到的数据情况,综合考量,最终确定水源涵养功能采用水量平衡方程计算,水土保持功能采用修正通用水土流失方程(RUSLE)计算,生物多样性维护功能基于NPP定量指标法并与生态系统、遗传、物种等三个层次的数据相结合展开评价,海岸防护功能评价采用简化模型法综合考虑生物防护区域和物理防护区域(模型的步骤和细节参见文献[5],由于篇幅问题文中不再赘述),评价方法和参数如表2所示。

生物多样性维护功能首先利用NPP法并按自然断点法划分为五个等级,进而将优先保护生态系统、重要种质资源分布区、受威胁物种区域划定为极重要等级,同时考虑了海岸带地区的珍稀物种以及珊瑚礁、红树林、重要滩涂、重要河口区域,将其修正为极重要等级；水源涵养服务则采用水量平衡方程评估福建省生态系统的水源涵养能力,对计算结果按照自然断点法进行分级；水土保持功能采用(RUSLE)进行计算,并按照自然断点法确定重要性等级；通过识别沿海防护林、红树林等生物防护区域以及基岩海岸、砂质海岸等物理防护区域,评价海岸防护功能的相对重要性程度。

表1 生态保护重要性评价方法对比

表2 生态系统服务功能重要性评价指标体系

对上述四个单要素评价结果进行叠加计算,得到生态系统服务功能重要性等级,计算公式为：

ESi=Max(Bi,TQi,Ai,CSi)

式中,ESi为空间单元i上的生态系统服务功能重要性等级,Bi,TQi,Ai,CSi分别为生物多样性、水源涵养、土壤保持和海岸防护功能重要性等级。

2.2.2生态敏感性评价

生态敏感性评价可以明确识别在现状自然条件下潜在的生态环境问题以及在人类活动干扰下生态问题发生的可能性大小[32]。目前,生态敏感性评价相关研究综合考虑多种生态环境问题[29,33],其研究成果主要应用于生态安全管控[34]、生态安全格局构建[35]、生态保护与修复[36]、土地资源承载能力分析[37]、生态功能分区[38]等方面。福建省面临的生态问题中水土流失尤为突出,部分地区土地沙化较为严重,沿海地区存在岸线侵蚀现象。鉴于目前掌握的数据资料,本文主要评价水土流失、土地沙化敏感性与海岸侵蚀敏感性。

将降水侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度和地表植被覆盖度等因子作为自变量,福建省部分地区的水土流失调查结果作为训练样本,利用机器学习方法将水土流失强度与上述四个自变量建立回归模型,预测全省水土流失敏感性等级,将预测结果为剧烈、极强烈、强烈、中度、轻度五个等级分别确定为极敏感、高度敏感、中度敏感、轻度敏感、一般敏感等级。

利用获取到的福建省土地沙化监测结果,按照以下规则确定不同的敏感性区域：将侵蚀强度为剧烈、极强烈、强烈、中度、轻度的区域分别确定为极敏感、高度敏感、中度敏感、轻度敏感、一般敏感等级。

海岸侵蚀敏感性评价主要基于海岸地貌类型及利用现状,将原生及整治修复后具有自然形态的砂质、粉砂淤泥质海岸评定为极敏感,具有自然形态和生态功能岸线评定为中等敏感,人工护岸和基岩海岸评定为一般敏感。将水土流失、土地沙化与海岸侵蚀敏感性评价结果集成,取三者中的最高等级确定为生态敏感性等级。

2.2.3生态保护重要性评价

基于资源环境承载能力的短板效应原理,采用木桶原理,取生态系统服务功能重要性等级与生态敏感性等级二者最高值作为生态保护重要性等级初判结果。将自然保护地、国家森林公园、国家湿地公园等区域修正为最高级,对评价结果的小图斑进行剔除,并根据生态廊道对评价结果进行修正,以此增强图斑的完整性与连通性。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能重要性评价结果与分析

福建省生态系统服务功能重要性评价结果如图2与表3所示。从综合评价结果来看,生态系统功能总体上在中等重要等级以上,基本沿闽西大山带与闽中大山带分布。生态系统服务功能以生物多样性维护功能与水源涵养功能为主导。其中生物多样性维护功能极重要区面积占研究区总面积的32.46%,主要分布在武夷山脉,鹫峰山-戴云山脉等山地丘陵区域,涉及南平市松溪县、武夷山市、建阳区,宁德市屏南县、寿宁县、周宁县,三明市将乐县、泰宁县、大田县、尤溪县等。水源涵养功能高度重要区和极重要区分布较集中,主要分布于闽西北、鹫峰山、玳瑁山等地。水土保持功能重要区域较为分散,主要位于武夷山市、光泽县、政和县、寿宁县、周宁县、柘荣县、屏南县、连城县等山地丘陵区域。海岸防护功能极重要区分布呈断断续续状态,原因在于一是沿海防护林分布不完整、不连续,二是红树林连片度差,品种单一,三是海岸工程造成周围滩涂侵蚀后退。

表3 生态系统服务功能评价结果占福建省总面积比例统计表/%

3.2 生态敏感性评价结果与分析

福建省生态敏感性评价结果如图3与表4所示,从综合评价结果来看,生态敏感性总体不高,大部分处于一般和轻度敏感区,占总面积的68.30%,极敏感区域占总面积的9.71%,在空间分布上敏感性等级呈现从东部沿海地区向内陆山区降低的趋势。

生态敏感性中水土流失占主导作用,如图3所示,水土流失主要以轻度和一般敏感为主,占总面积的70.13%,极敏感和高度敏感区域占总面积的11.46%,主要分布在长汀县、宁化县、安溪县、平和县、诏安县、政和县、寿宁县等海拔200—1000 m的区域,成因主要与强降雨和持续降雨有关,这些区域多为红壤,容易侵蚀,

图2 生态系统服务功能重要性评价结果Fig.2 Evaluation results and spatial distribution of ecosystem service importance

表4 生态敏感性评价结果占福建省总面积比例统计表/%

另外人为活动如坡地开垦等破坏局部植被覆盖。土地沙化极敏感区范围较小,主要集中在东山县、漳浦县、晋江市、石狮市、惠安县等东南沿海区域以及平潭综合实验区,由海洋性气候催化、海水冲刷、海风吹动聚积等自然因素以及开发建设等人为因素导致。海岸侵蚀极敏感区在漳州厦门段、泉州段以及福州段集中分布,主要是这几段岸线为砂质岸线,长期受波浪、潮汐、风暴潮的影响,易受侵蚀。

3.3 生态保护重要性评价结果与分析

3.3.1生态保护重要性空间差异分析

综合生态系统服务功能与生态敏感性,得到生态保护重要性评价结果,如图4 所示。福建省的生态保护重要性格局与“两山一海”的地理格局相对应,呈现 “两带一区”的生态屏障。 “两带”指武夷山脉-玳瑁山脉组成的闽西生态安全保护带和鹫峰山-戴云山-博平岭山脉组成的闽中生态安全保护带,它们是全省主要河流的源头和水源涵养地,也是主要的森林地区,是生态保护的核心。“一区”指沿海的海岸带区域,这一区域为陆海交接带,生态环境复杂多样,是全省天然湿地的主要分布区,也是资源开发保护与经济社会发展最重要区域。

如表5所示,生态保护极重要区面积占研究区面积的38.94%,包括国家级和省级自然保护区、森林公园、重要湿地、重要物种分布区等,主要分布在南平市的武夷山、光泽,三明市的建宁、泰宁,宁德市的霞浦、柘荣,以及福州市的晋安,龙岩市的长汀、上杭、连城,漳州市的东山等地。生态保护高度重要区面积占研究区总面积的24.05%,主要分布于南平市的邵武、建阳,三明市的沙县、梅列、三元,宁德市的福安、霞浦,龙岩市的新罗、永定等地。

3.3.2单指标生态评价结果交叉分析

单指标生态评价结果之间可能有较强的空间相关性。将生物多样性评价结果与水源涵养评价结果叠加分析,如图5所示。分析发现,从空间分布来看,生物多样性维护功能高(等级为高度重要和极重要)同时水源涵养功能好(等级为高度重要和极重要)的区域集中在闽西、鹫峰山、玳瑁山、博平岭附近。从面积比例来看,这部分重叠区域占生物多样性维护功能高值区的45.62%,占水源涵养功能高值区的72.26%。生物多样性维护功能低(等级为一般重要和较重要)并且水源涵养功能也一般(等级为一般重要和较重要)的区域沿东部地区呈带状分布,主要由于此地带以人工建设用地为主,特别是厦门、泉州等地进行港口建设,大规模填海造陆等经济开发活动,胁迫海岸带生态环境,植被覆盖度偏低,影响了水源涵养功能以及生物多样性的维持。

表5 生态保护重要性评价结果占福建省总面积比例统计表/%

将水土保持功能和水土流失敏感性评价结果叠加分析,如图5所示。分析发现,水土保持功能良好(等级为高度重要和极重要)且水土流失敏感性低(一般敏感和轻度敏感)的区域占水土保持功能良好区域面积的64.89%,水土保持功能较差(等级为一般重要和较重要)同时水土流失敏感性高(等级为高度敏感和极敏感)的区域占水土流失高敏感区面积的63.76%,揭示了水土流失敏感性与水土保持功能二者在空间分布上具有较高程度的相关性。

将土地沙化敏感性和海岸侵蚀敏感性评价结果叠加分析,如图5所示。经统计,土地沙化敏感性高的区域中,有97.44%同时也是海岸侵蚀极敏感区。福建省土地沙化和海岸侵蚀有很强的关联性,主要是由于砂质岸线受海水冲刷、潮汐、风暴潮的影响造成侵蚀的同时,土地也极易发生沙化。

图5 生态评价单要素叠加分析结果Fig.5 Overlay analysis results of ecological single indicator evaluation

3.3.3生态评价结果和土地利用类型统计分析

通过将土地利用现状与生态保护重要性评价结果进行对比分析,有助于识别存在的主要问题、潜在风险等。统计结果如表6所示,发现极重要区内的土地利用现状中有89.58%为林地,高度重要区内林地面积比例为86.79%,其余零星散落于水域、园地、耕地中,评价结果与福建生态本底吻合。福建省森林覆盖率66.8%,生态系统群落结构复杂,提供了生物多样性维护、水源涵养与水土保持等服务功能,维护全省生态安全。

表6 分区类型统计/%

将现状耕地数据与生态保护重要性评价图叠加,反映生态保护与农业生产存在空间冲突。 虽然多数耕地落入生态保护一般重要和较重要区,但有少量耕地处在生态保护极重要区之内,说明农业生产对生态系统服务功能可能产生一定影响。

生态保护极重要区内园地占总面积的1.56%,福建省一些茶园的开发已在一定程度上加剧了山地水土流失[39—41]。在福建省实地调查也发现此种情况,特别是花岗岩分布区为水土流失易发区,且茶园的开垦致使水土流失愈发严重。对于这些茶园的管理措施,应坚持生态保护优先的原则,建议水土流失易发区内的茶园适当退出,改为灌草、生态混交林、水保林等,减少园地生产对生态环境的破坏；其他区域建议推进产业与生态相协调,有条件情况下进行生态改造,综合采取间作、套种、留草、疏水、筑路、培土等措施,提高茶园水土保持功能,保护和增加生物多样性,营造特色景观生态,建设生态茶园。

生态保护极重要区作为生态保护红线优化调整的空间基础,要强化其对城镇布局的引导作用。分析建设用地,发现少量城镇和农村居民点处在生态保护极重要区内。应对方式分两类,针对生态保护极重要区内的城镇建设用地,建议加强城区生态保护,实现绿色和谐共生。针对农村居民点,应与当地政府相关政策相结合,明确这些村庄的定位是集聚提升,还是特色保护、搬迁撤并。例如少量古老村庄存在也许已有成百上千年,具有文化特色,若这些古老的乡村与环境相处和谐,且对生态无害,可以留住乡愁,不建议将它们随意搬迁,但必须要高度重视生态环境保护,维持与周边自然景观和谐相处。极重要区中集中分布的村庄,如果其定位是聚集提升,建议维持现状,加强生态保护,不再扩建。对于零星村庄,与实际校核进行调整与取舍时,以生态优先为前提,必要时可考虑逐步搬迁撤并。

4 结论

本文以福建省为研究区,以其自然环境特征和生态问题为基础,构建福建省生态保护重要性评估指标体系。总体上：1)福建省生态资源优势明显,生态保护极重要区占研究区总面积的38.94%,生态格局基本沿福建省闽西大山带、闽中大山带与海岸带分布；2)生态系统服务功能总体较高,呈现从西北地区向东南沿海递减趋势,其中生物多样性功能极重要和高度重要区主要分布在闽西大山带和闽中大山带,水源涵养极重要和高度重要区主要分布在武夷山脉和闽中大山带南北两段,水土保持极重要和高度重要区呈分散分布特征；海岸带区域防护功能好的地带不连续,主要由于防护林不完整、红树林品种单一等问题导致；3)生态极敏感区占研究区总面积的9.71%,水土流失极敏感区主要集中在坡度8—25°、尤其是15—25°的区域,土地沙化极敏感区主要分布于沿海地区海岸带,与海岸侵蚀极敏感区空间范围高度重叠。

福建省除存在水土流失、土地沙化等问题外,也有部分生态极重要空间被耕地、茶园等侵占,不恰当的农业开发是造成土地沙化的重要原因,也是导致水土流失等生态敏感问题加剧的重要因素。在分析生态系统服务功能重要性程度和矛盾冲突的基础上,提倡重点生态功能区更多向闽西和闽西北拓展,实行生态空间精细化、差异化管理,实行生态用地占补平衡。在生态敏感性评价结果的基础上,识别部分生态低效的区域,能够推进生态修复,实现生态系统安全性的提升。

本文基于“双评价”识别了生态保护的重要性程度和等级,是一种基于自然本底的理想状态。但目前评价结果应用仍有一定局限性,如何更有效支撑生态红线优化是目前亟待解决的问题。生态保护极重要区和重要区与现状生态红线在空间范围和面积上存在差异时,如何确定哪些斑块可以纳入生态红线？这是实际需要考虑的问题。生态保护红线具有刚性约束,其限定范围并非越大越好,因而建议生态保护极重要区的斑块经评估后,部分可考虑纳入生态红线而并非全部。

本研究评价方法还有需要完善的地方。一是本文的研究方法是基于“双评价”指南中的方法和模型,理论性和科学性如生物多样性评价以及等级划分有待进一步提升；二是数据精度问题,由于评价过程涉及到多种类型的数据,数据类型和数据尺度都存在差别,虽然经过重采样等处理使得空间分辨率一致,但是对于结果的空间细节表达的准确度有何种影响尚未探索。

本文的研究方法和成果能够为类似地区的生态保护重要性评价提供参考价值,前提是尊重系统运行规律,因地制宜地开展科学评价。生态保护重要性评价应摸清其地域分异特征,结合当地自然地理特征开展,选取合适尺度的基础数据和科学的评价方法,保证结果的准确性和可靠性。基于生态保护重要性评价与分级结果, 结合地方的相关规划政策, 能够形成划定生态保护空间的建议方案, 支撑国土空间规划。