2000～2020年南宁市森林生态系统质量评估

彭 波，苏旭芳，梁玉莲

(1.广西壮族自治区环境保护科学研究院，南宁 530022；2.桂林理工大学南宁分校，南宁 530001；3.南宁师范大学 地理科学与规划学院，南宁 530001)

前 言

生态系统质量评估以数学模型为基础，选择科学的评估体系量化特定范围的生态系统质量[1]，是生态系统生产服务能力、抗干扰能力及对人类生存与发展承载能力的具体体现[2～4]。生态系统质量不仅影响着人类的生存状况和生活质量，也影响着整个社会的可持续发展[5]，生态系统质量的客观评价对生态环境保护工作的开展和生态文明建设具有重大意义[6]。

生态系统质量评估技术规范(HJ 1172—2021)的发布[7]，为生态系统质量业务化评估提供了良好依据，形成的评估结果具有良好的可视化特性[8～10]。参照该技术规范，对南宁市的森林生态系统进行评估。通过对研究区2000年至2020年的数据进行对比分析，识别了研究区森林生态系统质量变化总体特征，得出的评估结果后期可应用性较高。

1 研究区概况

研究区南宁市是广西壮族自治区首府，素有“中国绿城”美誉，不仅是“联合国人居奖”获得城市，还是国家生态园林城市、国家森林城市。南宁市总面积2.21万km2，现辖青秀区、西乡塘区、兴宁区、江南区、邕宁区、良庆区、武鸣区7个城区和横州市、宾阳县、马山县、上林县、隆安县5个(市)县。其中，兴宁区、青秀区、江南区、西乡塘区、良庆区和邕宁区为《南宁市城市总体规划(2011—2020)》规划中心城区。根据获取的统计年鉴资料，研究区2002年、2005年、2010年、2015年和2020年的森林覆盖率分别为39.1%、40.2%、43.02%、47.66%和48.78%。

根据南宁市人民政府办2022年5月发布的《南宁市自然资源“十四五”规划》[11]，研究区构建以生态屏障、生态带和生态廊网为主体的“一屏一带两片十廊”的市域生态安全格局(见图1)。一屏指北部生态屏障，由西大明山、大明山、高峰岭、镇龙山及周边丘陵、山地共同构成的北部丘陵山地森林屏障，是研究区河流的发源地和水库型饮用水源地集中分布区，亦是石漠化敏感区和岩溶生物多样性保护区的集中分布区。两片指两大重要生态功能片区，大王滩湿地生态功能片区主要承担涵养水源的功能，西津水库生态功能片区主要承担涵养水源与生物多样性保护的功能。根据《广西壮族自治区岩溶地区石漠化综合治理规划》，研究区所辖的隆安县、上林县和马山县属于桂西南岩溶丘陵治理区(为国家滇桂黔石漠化片区重点县域)，江南区、西乡塘区、武鸣区、宾阳县和横州市属于桂中桂南岩溶盆地治理区。

图1 南宁市域生态安全格局和影像图Fig.1 Ecological security pattern and Image Map of Nanning City

2 研究方法

2.1 生态系统质量指数计算方法

根据生态系统质量评估技术规范(HJ1172—2021)，生态系统质量评估以植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover，FVC)、叶面积指数(Leaf area index，LAI)和总初级生产力(Gross Primary Productivity，GPP)三类遥感生态参数作为指标，采取分区、分生态系统类型选取参照值的方法构建生态系统质量指数[6]。研究将南宁市范围视作一个生态功能区，不再进行分区，针对森林生态系统进行分析研究，以研究区2020年的林地范围为评估范围。根据本文研究人员在实际开展生态系统质量评估的应用研究，对原技术规范规定的参照值的选取做了微调：采用的生态参数参照值为多年数据的最大值，以确保多年数据评估尺度的统一；对于生态参数相对密度值归一化处理，最大值直接取值为1，最小值直接取值为0；相对密度计算结果直接视为归一化处理后的值。

2.1.1 生态参数参照值的选定

研究以南宁市森林生态系统2000—2020年的植被覆盖度、叶面积指数和总初级生产力的各个年度最大值作为参照值(见表1)，具体参照值确定为：植被覆盖度参照值为100%，叶面积指数参照值为54.25 m2/m2，总初级生产力参照值为139 065 g C/m2。

表1 森林生态系统生态参数最大值Tab.1 Maximum ecological parameters of forest ecosystem

2.1.2 生态参数的相对密度值计算

计算每个植被类型的生态系统参数值与其参照值的比值，得到该生态参数的相对密度。相对密度越接近1，代表该像元该生态参数越接近参照值。具体计算方法如下：

(1)

式中：RVI为生态系统生态参数的相对密度；F为生态系统生态参数值；Fmax为生态系统生态参数最大值(参照值)，见表2。

表2 RVI最大和最小值Tab.2 Maximum and minimum values of RVI

2.1.3 计算生态系统质量指数

由植被覆盖度、叶面积指数和总初级生产力的相对密度来构建生态系统质量指数：

(2)

式中：EQI为生态系统质量指数；LAI为叶面积指数相对密度；FVC为植被覆盖度相对密度；GPP为总初级生产力相对密度。

2.2 生态系统质量分级方法

按照技术规范(HJ1172—2021)，生态系统质量分为5级，见表3。

表3 生态系统质量分级Tab.3 Ecosystem quality classification

2.3 生态参数数据来源

植被覆盖度、叶面积指数和总初级生产力数据来源于生态环境部下发的生态状况遥感调查评估数据，空间分辨率为500m。植被覆盖度数据集利用MODIS反射率数据(MOD09)，由生态环境部卫星环境应用中心组织生产；叶面积指数、总初级生产力数据集来源于北京师范大学全球陆表特征参量(GLASS)产品的总初级生产力数据集。

3 结果与分析

根据计算分析，研究区生态系统质量指数计算及分级结果见表4，分级结果图详见图2和图3。

表4 森林生态系统质量指数及分级结果Tab.4 Forest ecosystem quality index and classification results

图2 各行政区2000～2020年森林生态系统质量指数Fig.2 Forest ecosystem quality index of each administrative region from 2000 to 2020

图3 2000～2020年森林生态系统质量指数及分级结果图Fig.3 Forest ecosystem quality Index and Classification result Map from 2000 to 2020

3.1 研究区总体评估结果

2000～2020年，研究区森林生态系统质量指数在54.148～74.355之间，总体保持在良等级，且呈上升趋势；2000～2005年，研究区森林生态系统质量指数出现了小幅度下降，质量等级降为中；2015～2020年，生态系统质量指数值总体接近优等标准。

3.2 研究区各县级行政区评估结果

2000～2020年，研究区各县区森林生态系统质量指数总体呈上升趋势。在2000年和2005年，有2/3左右的县区生态系统质量为中等等级，2010年后，研究区各县区森林生态系统质量指数均达到良等级以上，兴宁区、青秀区、武鸣区、隆安县和宾阳县5个县区在2015年达到优等级，青秀区、武鸣区、隆安县和宾阳县4个县区在2020年达到优等级。2015年和2020年均有10个县区的森林生态系统质量指数在70以上。2020年与2015年相比，兴宁区的森林生态系统质量指数下降明显，从优降为良；宾阳县的质量指数略微下降，其他县区总体保持稳定或有所提升。

《南宁市城市总体规划(2011～2020)》规划中心城区涉及的6个城区中)，2000～2020年兴宁区、青秀区的森林生态系统质量达到过优等级，在研究区2000～2005年森林生态系统质量指数下降的情况下，保持稳定或上升。2000～2005年，研究区森林生态系统质量指数下降的主要原因是武鸣区、隆安县、马山县和上林县4个县区出现下降，其中，马山县、上林县下降明显，从良降为中，见表4。

3.3 生态系统质量指数与等级变化分析

对研究区2000～2020年间每五年和二十年的森林生态系统质量指数数据、分级结果数据进行对比(评估结果见图3，变化情况分布见图4和图5)，以分析评估结果重点分布区域的变化情况。

图4 森林生态系统质量指数与等级的五年变化分布图Fig.4 Five-year variation distribution map of quality index and grade of forest ecosystem

图5 森林生态系统质量指数与等级的二十年变化分布图Fig.5 Twenty-year variation distribution map of quality index and grade of forest ecosystem

3.3.1 五年变化分析

对研究区五年时间段进行分析，森林生态系统质量指数和评估结果等级下降主要在2000～2005年、2015～2020年这两个时间段；提升主要是在2005～2010年、2010～2015年这两个时间段。

2000年和2005年，研究区森林生态系统质量等级较低，评估结果等级为优、良的区域主要分布在大明山、高峰岭、西大明山、镇龙山等县域交界处，等级为优的区域分布较小(面积占比<3%)，区域评估结果以良、中两个等级为主(两个等级面积占比>90%)。

2005年与2000年相比，高峰岭、大明山以及马山县、上林县北部石漠化区域，出现较大范围显著变差和明显变差区域，评估等级明显下降，主要从良降为中。

2010年与2005年相比，等级为优的区域分布范围有比较明显的扩大(面积占比>13%)，主要分布在大明山、高峰岭、西大明山、镇龙山等县域交界处；研究区北部、南部原为中级的区域评估结果明显或显著改善，等级为良的区域分布显著扩大(面积占比近60%)。

2015年与2010年相比，大明山、高峰岭、西大明山、镇龙山等县域交界处，等级为优的区域分布范围进一步显著扩大(面积占比>46%)；等级为中的区域大幅减少，大部分提升到良，其中以青秀区、宾阳县、横州市交界的大明山——镇龙山一带，良庆区、邕宁区南部区域提升较为显著；研究区评估结果以优、良两个等级为主(两个等级面积占比>94%)。

2020年与2015年相比，虽然总体的森林生态系统质量指数和评估结果优、良两个等级的面积占比略微上升，但研究区出现较大范围的质量指数下降区域；北部马山县、上林县，南部生态片区的质量指数有较大范围提升；大明山、高峰岭、西大明山、镇龙山等县域交界处出现较大范围质量指数集中连片显著变差区域，高峰岭一带质量指数评估等级下降区域较多。

3.3.2 二十年变化分析

2020年和2000年相比，除了大明山武鸣区与上林县交界处，高峰岭西乡塘区、兴宁区北部，南宁中心城区规划范围有较多的森林生态系统质量显著降低或明显降低区域外，其他区域多为显著提高或明显提高，等级为优的区域由2000年不到的3%提升到2020年的近50%，等级优、良区域总体面积占比超过95%。

4 结论与讨论

研究参照生态系统质量评估技术规范(HJ 1172—2021)的技术方法，对南宁市2000～2020年的森林生态系统质量进行评估，呈现出了南宁市2000～2020年森林生态系统质量时空变化特征，凸显了南宁市2000～2020年森林生态系统质量提升成效。

研究认为该评估方法具有较高的应用价值，可在多方面进行应用：

(1)可用于重要生态功能区域评估。对比研究区国土空间规划生态安全格局图与2020年生态系统质量指数等级分布图，研究区生态屏障、生态片区基本集中分布在生态系统质量指数等级为优或良的区域，森林生态系统质量指数评估结果与其规划确定的生态安全格局高度契合。

(2)可用于森林生态保护与石漠化治理成效评估。通过评估结果可知，在2000～2020年间，南宁市石漠化分布区域的森林生态系统质量得到明显提升，质量等级明显提升，评估结果较好的体现了区域森林生态保护与石漠化治理所取得的成效。

(3)可以精准识别变化区域并形成问题清单，评估所采用的数据和方法得出的评估结果具有良好的空间连续性，能精准识别生态系统质量变差的区域，识别问题点。结合不同时期的遥感影像图进行对比分析，便于形成问题清单，为管理部门决策提供技术支撑，服务生态环境监管，对生态环境保护工作的开展和生态文明建设做出贡献。