典型喀斯特石漠化脆弱生态区生态系统质量评价

吴 杰，杨广斌，毛春艳

(贵州师范大学地理与环境科学学院，中国 贵阳 550000)

生态系统是人类社会与自然环境共存、持续发展的重要基础。在党的十九届五中全会上，习近平总书记明确提出山水林田湖草是一个生命共同体，因此提升生态系统质量和稳定性，对于促进人与自然的和谐发展有着重要意义[1]。客观综合评价生态系统质量可以促进生态系统良性循环和实现生态文明建设的高质量发展。

目前，生态系统质量的定义较为模糊，参考有关学者对生态系统质量的定义[2,3]，即生态系统质量是指在特定的时间和空间范围内生态系统的总体或部分组分的质量，由生态系统的环境结构、生产服务能力、自身恢复能力和面临人类社会活动的承载力4个方面综合表现。生态系统质量的评价是通过构建科学的数学模型，对生态系统本身的特征进行客观描述，量化表征生态系统的稳定性和可持续发展性。近年来有学者对生态系统质量的评价体系做出研究，提出了“理想参照系”的概念，旨在进一步完善评估体系的基本框架[4]。我国学者对于生态系统质量研究成果较为丰硕，丁肇慰等[5]采用相对生物量密度与相对植被覆盖度指数结合的生态系统结构质量模型以及生态系统服务评估模型，综合评估了2000—2015年长江流域生态系统质量及服务变化特征，结果表明以生态系统结构质量和服务评估构建的基础综合模型评价结果与实际相符；梁变变等[6]从生态系统的生产力、稳定性和承载力方面构建评价指数，对2000—2015年间石羊河流域不同生态系统类型的质量及各指数进行变化分析，得到森林、草地、农田、城镇和湿地的生态系统质量依次降低的评价结果，但是忽视了生态系统本身的恢复能力对生态系统质量的影响；董天等[7]应用遥感数据和GIS技术，仅利用森林、灌丛、草地生态系统和气候驱动力因素评估鄂尔多斯市生态系统类型与格局、生态系统质量特征，未考虑城镇、荒漠等小类生态系统对评估有一定的负向影响。目前生态系统质量的研究主要是根据研究区域的实际情况，选取以森林、灌木、草等主要生态系统以及符合区域特征的评价指标因子构建综合评价模型。若从人为和自然的角度加入胁迫问题和恢复能力的相关分析研究，可以从多方向、多视野的角度完善生态系统质量综合评价模型。

为了解试验区内生态文明建设的开展情况，生态系统质量的评估工作需要落实跟进，但毕节市生态系统质量相关研究罕见报道。本研究以毕节市为研究区域，依据区域现状加入石漠化、土壤侵蚀等生态系统结构质量指数，并在气候调节服务能力评估基础上新增土壤保持、水源涵养两大服务能力共同参与评估，同时从人为活动和自然演变角度综合考虑，加入生态系统胁迫和恢复能力指标参与构建两级4类指标因子综合评价模型，利用GIS空间叠加分析方法，对2019年毕节市生态系统质量进行客观综合评价，为区域内生态系统的保护改善、生态文明建设的规划发展提供理论支撑。

1 研究区概况及数据介绍

1.1 毕节市概况

毕节市位于贵州省西北部(图1)，全境地跨东经105°36′～106°43′，北纬26°21～ 27°46′，东靠贵阳市、遵义市，南接六盘水市、安顺市，西临云南省昭通市、曲靖市，北连四川省泸州市，全市总面积近2.69万 km2。毕节市地处乌蒙山区，生态系统组成多样化，是唯一一个以“开发扶贫、生态建设”为主题的试验区。境内多属喀斯特地貌，石漠化、土壤侵蚀对生态系统质量影响相对非喀斯特区域较大，因此可作为喀斯特地貌生态系统质量研究的代表性区域。全市分属乌江、赤水河、北盘江、金沙江四大水系，海拔相对高差大，垂直气候变化尤为明显，年平均气温为12 ℃～15.4 ℃，年平均降水量为727.3～1 193.2 mm。

图1 毕节市示意图

1.2 数据来源及预处理

本论文数据主要包括用于提取坡度、坡长因子的DEM、解译石漠化区域的Landsat 8 OLI_TIRS遥感数据、提取降水侵蚀因子的贵州省气象站点数据、提取土壤可蚀性因子的土壤类型数据和人口密度、城市建设、病虫鼠害数据(见表1)。参照文献[8]，将毕节市生态系统类型划分为森林、灌丛、草地、农田、湿地、城乡聚落和荒漠湿地生态系统共7类。所有数据均统一在CGCS2000_3_Degree_GK_CM_105E坐标系下，栅格大小为1 000 m×1 000 m。

表1 数据来源及网址

2 研究方法

2.1 毕节市生态系统质量评价指标选取

以毕节市生态系统质量综合评价为基础，参考张敏等[9]对生态系统质量的研究，为描述生态系统在不同环境内的稳定性、生态系统提供服务能力的强弱、生态系统在受到人为和自然条件制约下的自我恢复能力等特征，围绕生态系统质量内容，依据毕节市生态系统组成多样化、喀斯特地貌普遍发育、生态城市建设迅速等特点，以生态系统结构质量的稳定性(环境结构)、生态系统产生的生态环境和人类社会的服务能力(生产服务)、人类活动和自然灾害对生态系统的威胁(制约胁迫)、生态系统经过自然演替和人工干预表现的恢复能力四大体系作为一级指标因子进行评价分析。参考欧阳志云等[8]对生态系统评价指标的划分标准，将各评价指标等级划分为优、良、中、差和劣5类，对应Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ和Ⅰ级。

2.1.1 生态系统结构质量 生态系统结构质量可以描述生态系统的稳定性，本研究依据现实情况选取石漠化程度、土壤侵蚀强度和植被覆盖度3个指标因子综合分析，评价分级结果标准见表2。

表2 毕节市生态系统质量评价指标体系

(1)石漠化程度

考虑石漠化对生态系统稳定性的影响，生态系统石漠化程度与生态系统质量呈负相关[10]。采用王丹等[11]对石漠化区域分类方法，解译Landsat 8遥感影像数据得到毕节市石漠化分布图，参考《岩溶地区草地石漠化遥感监测技术规程》(GB/T 29391-2012)分为潜在、轻度、中度、重度、极重度5级。

(2)土壤侵蚀强度

土壤侵蚀强度由土壤侵蚀量进行表征，计算方法与土壤保持的现实土壤侵蚀量计算相同。考虑土壤侵蚀强度对生态系统稳定性的影响[12]，生态系统土壤侵蚀强度与生态系统质量呈负相关。基于毕节市土壤侵蚀量分布图，参考《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190-2007)分为微度、轻度、中度、强烈和极强烈5级。

(3)植被覆盖度

植被覆盖度由NDVI指数进行表征[13]。考虑植被覆盖度对生态系统稳定性的影响[14]，生态系统植被覆盖度与生态系统质量呈正相关。基于毕节市植被覆盖度分布图，植被覆盖度质量分级标准参考相关分类标准[8]分为优、良、中、差、劣5级。

2.1.2 生态系统服务能力 毕节市生态系统服务能力结合实际情况从水源涵养功能、土壤保持功能和气候调节功能3方面分析，评价结果统一运用自然间断法[15]进行分级划分如表2。

1)水源涵养功能

水源涵养是指在一定时间和空间范围内，生态系统将地表水转化为地表截留或地下水的过程和能力。考虑水源涵养功能对生态系统质量的影响程度[16]，采用程根伟等[17]提出的水源涵养量计算公式对毕节市生态系统水源涵养功能进行估算。计算公式为

Wi=∑(10×Ai×Fi×Ki×Pi×∂)，

(1)

式中：Wi为水源年涵养量，m3；Ai为生态系统类型的面积，hm2；Fi为该类型的植被覆盖度；Ki为该类型的发育度指数；Pi为年平均降水量，mm；∂为径流系数[18]；i为生态系统类型。

2)土壤保持功能

生态系统土壤保持量是指土壤潜在侵蚀量和土壤实际侵蚀量的差值，采用RUSLE模型计算土壤保持量作为生态系统土壤保持功能的评价指标。考虑土壤保持功能对生态系统质量的影响程度[19]，土壤保持量用潜在土壤侵蚀量与现实土壤侵蚀量之差计算，公式为

A=R×K×LS×(1-CP)。

(2)

式中：A为年平均土壤保持量；R为降水侵蚀因子[20]；K为土壤可蚀性因子[21]；LS为坡长坡度因子[22]；C为地表植被覆盖因子[23,24]；P为土壤保持措施因子。

3)气候调节功能

考虑气候调节功能对生态系统质量的影响程度[25]，采用生态系统蒸腾蒸发总消耗的能量表征气候调节功能(表3)。因农田生态系统在夏季也能提供气候调节功能，但本身具有不稳定性，故本研究不考虑农田生态系统的气候调节功能。

表3 不同生态系统蒸腾/蒸发吸热能力

2.1.3 生态系统胁迫 从毕节市实际情况出发选取人口密度、建设用地指数、森林病虫鼠害指标，运用加权叠加公式综合分析生态系统胁迫指数，计算公式如下：

SI=W×(PD+CL+FD)。

(3)

式中：SI为生态系统胁迫指数；PD为人口密度；CL为建设用地开发指数；FD为森林病虫鼠害指数；W为权重，采用等权相加均衡表征各指标对生态系统胁迫的影响。由于生态系统胁迫指数为负向指标，SI越大表明毕节市生态系统质量受到的胁迫越大。

结合毕节市实际生态系统胁迫情况，运用自然间断法[15]对生态系统胁迫评价结果进行分级，分级标准见表2。

2.1.4 生态系统恢复能力 生态系统受到压力胁迫后，能够保持自身稳定性的能力称为生态系统恢复能力[26]。本研究参考马品等[27]对各生态系统的恢复能力赋值，运用自然间断法[15]对生态系统恢复能力进行分级划分。生态系统恢复能力分级标准见表2。

2.2 毕节市生态系统质量评价模型建立

运用ARCGIS叠加分析，将4类一级指标分为优、良、中、差、劣5等级，分别赋值5，4，3，2和1，采用多因子线性指标函数法构建生态系统质量综合评价模型，计算公式如下：

(4)

式中：CQj表示第j个评价单元内综合生态系统质量评价值；Cij表示第j个评价单元内i类生态系统质量的贡献值；n表示总评价单元数目。

3 结果与分析

3.1 生态系统质量单指标评价

3.1.1 结构质量评价 毕节市生态系统结构质量评级以优(等级Ⅴ)为主，面积约为12 945 km2，占毕节市总面积的48%(表4)。从图2可知，毕节市生态系统结构质量分布上除威宁县西部、大方县南部区域外生态系统结构质量总体偏好。威宁县西部、大方县南部区域地处重度石漠化、强烈土壤侵蚀地区，土地类型大多为灌草杂生的荒山荒地、陡坡耕地，植被覆盖度相对较低，直接导致该区域内生态系统结构质量偏低。生态系统结构质量较好的典型如金沙县百里杜鹃风景名胜区和威宁县草海等区域土壤侵蚀与石漠化程度较低，植被覆盖度高，生态结构合理，其中草海区域的评价结果与王志杰[28]等对生态系统结构质量的研究结果基本一致。

图2 毕节市生态系统结构质量评价图(2019年)

3.1.2 服务能力评价 毕节市生态系统服务能力评级以差～中(等级Ⅰ～Ⅲ)为主，总面积约为21 745 km2，占毕节市总面积的80%(表4)。从图3可知，毕节市生态系统服务能力较差区域集中在威宁县中部，大方县南部、黔西县南部和织金县北部交界处，呈现东西两级较为突出的分布趋势。该区域地处乌蒙山区腹地，大多受土壤侵蚀、石漠化程度高，喀斯特地貌普遍发育，固土性差保水性低，生态系统结构组成不合理，发生地质灾害的可能性较高，直接导致生态系统的水源涵养、土壤保持和气候调节能力较弱。生态系统服务能力较好的典型如金沙县百里杜鹃风景名胜区和赫章县六冲河流域等，森林与水文资源丰富，对气候调节等服务功能贡献率大，这与王雅敬[29]对毕节市服务价值研究结果基本一致。

图3 毕节市生态系统服务能力评价图(2019年)

3.1.3 胁迫问题评价 毕节市生态系统胁迫问题评级以较差(等级Ⅱ)为主，面积约为10 201 km2，占毕节市总面积的38%(表4)。从图4可知，毕节市生态系统胁迫问题较差(等级Ⅱ)区域集中在七星关区、织金县、黔西县、纳雍县部分区域一带，呈现弧形分布。通过选取人口密度、建设用地指数、森林病虫鼠害指标表征生态系统受到人为和自然因素胁迫程度，评价结果表明胁迫问题严重区域主要是由于市区范围内人口密度、建设用地占比高，大量侵占农、林用地等城镇化扩张行为不断加快，严重破坏了当地生态系统合理组成结构；自然环境内森林病虫鼠害频发，优质森林覆盖率未达到生态城市建设标准，导致毕节市生态系统胁迫程度较高[30]。

图4 毕节市生态系统胁迫问题评价图(2019年)

3.1.4 恢复能力评价 毕节市生态系统恢复能力评级以中(等级Ⅲ)和优(等级Ⅴ)为主，面积分别约为10 261 km2和8 677 km2，占毕节市总面积的38%和32%(表4)。从图5可知，毕节市生态系统恢复能力中(等级Ⅲ)区域西起威宁县东至黔西县，主要呈破碎带状分布；优(等级Ⅴ)区域全市范围内除金沙县百里杜鹃风景名胜区因高植被覆盖度贡献的恢复能力评级区域集中外，其他县市分布较为均匀，符合毕节市土地利用类型以植被为主、植被对生态系统恢复能力贡献率最大的现状。生态系统恢复能力较差(等级Ⅱ)区域呈零星分布于威宁县中部、七星关区与大方县交界处和黔西县中南部，该区域多属于人口密集的城市聚集地以及城市扩张的规划地，建设用地、未利用地占比较高，无法为生态系统提供恢复能力。

图5 毕节市生态系统恢复能力评价图(2019年)

表4 毕节市独立生态系统质量评价结果

3.2 生态系统质量综合评价

利用叠加分析的方法，将4类一级生态系统评价结果进行叠加，并将综合评价结果划分为优(Ⅴ)、良(Ⅳ)、中(Ⅲ)、差(Ⅱ)和劣(Ⅰ)5类，得到毕节市生态系统质量综合评价结果图(图6)。从图6可知，毕节市生态系统质量综合评价结果总体呈现优势区域“东窄西宽”，劣势区域“南北对称”的空间分布格局。生态系统质量主要以中(等级Ⅲ)和良(等级Ⅳ)为主，面积达到16 750 km2，占毕节市总面积的62%。

图6 毕节市生态系统质量综合评价图(2019年)

毕节市Ⅰ级生态系统质量区面积为1 760 km2，占毕节市总面积的7%，主要生态系统类型包括城乡聚落、荒漠、农田等，是毕节市生态系统质量评价为劣的区域，应当将该区域作为重点治理区域。Ⅰ级生态系统质量区存在于七星关区、黔西县南部和织金县北部等地区，区域内存在重度石漠化、较低水源涵养量、低土壤保持量、低气候调节量、高人口密度干扰、高建设用地指数和低生态恢复能力等特征。应当根据当地的生态区位，将不适合用于城市发展的建设用地和未利用地“退还生态”，更改为城市绿地、花园等生态建筑；持续进行城市边缘、坡度>25°农田退耕还林还草工作。

Ⅱ级生态系统质量区面积为6 013 km2，占毕节市总面积的22%，主要生态系统类型包括农田、草地、荒漠等，是毕节市生态系统质量评价为差的区域，基本分布趋势为两种形式：(1)围绕Ⅰ级生态系统质量区域，如七星关区、黔西县南部和织金县北部，属于边缘预警地带；(2)处于威宁县中部、西北部和赫章县西部区域，呈现以威宁县为中心扩散的分布形势。Ⅱ级生态系统质量区域主要受到重度石漠化、较低植被覆盖度、较低的水源涵养量、低土壤保持量、低气候调节量、中等建设用地指数、中等森林病虫鼠害和较低生态系统恢复能力的影响，建议对威宁县、七星关区、黔西县南部和织金县北部区域重点关注，借鉴Ⅰ级生态区域治理措施。

Ⅲ级生态系统质量区面积为9 143 km2，占毕节市总面积的34%，主要生态系统类型包括灌丛、草地、农田等，是毕节市生态系统质量评价为中、生态系统占地面积最大的区域，分布趋势在全市各县范围内较为均匀。Ⅲ级生态系统质量区域总体各指标受到的影响较为平衡，可作为毕节市提升生态系统整体质量的潜力区域。其中织金县区域受到较高人口密度影响，大方县区域受到较高建设用地指数影响，结果表明各地区受到的影响因素有所差异，建议关注区域内人类活动造成的影响，控制大规模的建设工程数量，将人类干扰因素尽可能降低。

Ⅳ和Ⅴ级生态系统质量区面积为9 928 km2，占毕节市总面积的37%，主要生态系统类型包括湿地、草地、灌丛、森林等，是毕节市生态系统质量评价为良和优的区域，分布趋势呈现“西均东分”，即毕节市西部地区威宁县、赫章县分布较为均匀，而东部地区以纳雍县北部为分向点，形成两条优质生态系统质量区带，一带从纳雍县北部连接到金沙县东部，另一带连接到织金县南部。Ⅳ和Ⅴ级生态系统质量区域总体受到负向指标的影响较小，生态系统环境保护较为完好，可作为毕节市生态系统高质量区域进行巩固提升。该区有威宁草海、赫章韭菜坪和大方、黔西、织金三县交界处的洪家渡水库、纳雍县大坪箐湿地公园、威宁县国家森林公园、赫章县森林公园和百里杜鹃风景名胜区等典型生态系统高质量区域。建议今后严格执行该区域内的水源保护措施，充分考虑水土流失、地质灾害易发性等因素造成的潜在影响，做好防控工作；草原区域应严格控制畜牧量，考虑草原景观承载力等因素，降低人类活动造成的潜在景观破坏影响。针对现有的如森林树种过于单一导致生物多样性降低等生态环境问题，可通过种植名贵树种提高区域内景观多样性，间接稳步提升生态系统的可持续性与稳定性，实现毕节市高质量生态系统区域的稳步发展。

4 结论

本研究以毕节市为研究对象，运用ARCGIS叠加分析技术，选取了4个一级生态系统评价指标因子和10个相应二级指标因子综合构建了毕节市生态系统质量综合评价模型，对毕节市生态系统质量进行综合评价，并将综合评价结果划分为优、良、中、差、劣5个等级。主要结论如下：

1)毕节市生态系统结构质量以优(等级Ⅴ)区域为主，表明毕节市生态系统结构质量总体上处于优良态势。区内植被覆盖度总体较高，大部分地区受石漠化、土壤侵蚀程度较小，退耕还林还草，防治石漠化、土壤侵蚀等各项措施效果显著。

2)毕节市生态系统服务能力以差～中(等级Ⅰ～等级Ⅲ)区域为主，表明毕节市生态系统服务能力总体上偏差。区内喀斯特地貌普遍发育，山林多处于高坡度、高海拔地区，地表水源涵养能力较差，与地质灾害(滑坡、泥石流等)的发生有密切关系，土壤保持和气候调节能力因此相对较弱。

3)毕节市生态系统胁迫问题以较差(等级Ⅱ)区域为主，表明毕节市生态系统受胁迫问题严重。区内城乡聚落富集，人口密度和建设用地占比较高，人为活动频繁，自然生态环境受到病虫鼠侵害的问题相对严峻。

4)毕节市生态系统恢复能力以中(等级Ⅲ)和优(等级Ⅴ)区域为主，表明毕节市生态系统恢复能力总体偏好。区内显现以高植被覆盖度为明显优势的生态系统结构组成，对恢复能力的贡献率占比最高。

5)毕节市综合生态系统质量以中(等级Ⅲ)和良(等级Ⅳ)区域为主，占毕节市总面积的62%，表明毕节市生态系统质量总体处于中等偏上的态势。生态系统质量偏低的预警区域主要分布在七星关区、黔西县南部和织金县北部等地区，区内石漠化程度高、土壤侵蚀强烈、生态系统结构组成不合理等的自然因素和人为活动频繁、城镇化发展迅速的人文因素是造成生态系统综合质量较低的主要影响因子。

5 讨论

本研究在生态系统结构质量基础评价模型[5]中引入石漠化程度、土壤侵蚀强度、植被覆盖度指标，结合毕节市生态系统环境现状分析得到毕节市生态系统结构质量等级分布结果。在采用气候调节功能指标的基础上[7]，根据毕节市喀斯特地貌普遍发育的特点，加入水源涵养功能、土壤保持功能指标共同表征毕节市生态系统服务能力，依据评价结果可积极优化生态系统结构组成，提高森林、灌丛、草地、湿地生态系统的占比，控制城乡聚落有序扩张，提高生态系统服务能力上限。基于毕节市人文与自然环境特点选取人口密度、建设用地指数、森林病虫鼠害指标反映人为和自然因素对生态系统的胁迫程度，可根据评价结果控制城市大型建设工程的规模，合理扩张城市边界；建立完善森林各类灾害监测机制，以“早发现，早治理”为目标，降低自然因素对生态系统的胁迫程度。毕节市区域内城镇建设用地和未利用地占比较高，无法为生态系统提供恢复能力，因此可结合胁迫问题共同制定未利用地规划方案，旨在合理扩张的基础上逐步减少建设用地与未利用地相应占比。

目前学术界尚未有统一的生态系统质量分级评价体系，主要原因是不同生态环境内受到的评价指标影响权重不同，被评价区域内的各项评价单元数据利用率不高，如评价气候调节功能时由于不同农田生态系统的影响，难以将评价指标全面适应化。本研究根据毕节市各生态系统特点，加入石漠化、水源涵养等评价指标，旨在贴合毕节市实际情况完善评价模型。文章多采用自然间断聚类法，主要根据某项指标因子的聚类情况进行分级划分，分级方法相对单一，对生态系统质量的综合评价会产生一定程度的误差，因此对不同评价指标的分级方法丰富度上有待提升。