基于敏感性和重要性的阜平县生态功能分区研究

郑鹏,尹海魁,李新旺,刘琳洁,王树涛,许皞

(1河北农业大学 国土资源学院,河北 保定 071000;2河北工程大学 水利水电学院,河北 邯郸 056038;3河北农业大学 资源与环境科学学院,河北 保定 071000;4河北省水利科学研究院,河北 石家庄050011)

随着生态文明建设不断深入,生态环境保护在可持续发展中发挥越来越重要作用[1]。太行山区是我国北方重要山脉带,水资源充沛,承担着京津冀地区重点生态环境建设任务。作为京津冀地区的关键生态保护屏障,其位置关键性、生态功能重要性都无可替代[2]。保定市阜平县位于太行山中北部地区,其地形地貌、生物资源、社会经济发展领域均是太行山区的典型性代表,也是京津冀生态脆弱典型区。2016 年阜平县被纳入国家重点生态功能区,为自身和周边区域提供生态服务,对保障生态环境、维护生态平衡具有重要的意义[3]。因此,阜平县的生态环境保护工作意义重大,在协调人与自然关系的前提下,如何进行科学管理生态环境,针对性地制定生态环境保护规划,实现可持续发展是阜平县急需解决的问题。

对于国内外研究可以发现,学者DoKuchaev首次提出生态区的概念,相关研究随之开展[4]。随后,Tansley提出了生态系统理论,被认定为生态系统划分的核心理论,对全球生态区域划分开创了新的方向[5]。Paul.B.Sears发现了生态系统中的再循环功能[6]。此后O.Loucks对生态区理念进行了完善与补充,为后续研究奠定了理论基础[7]。Bailey等首次对区域划分方案进行了全面且系统的介绍[8]。我国对于生态功能分区的起步相对较晚,在研究对象上,多以湿地、水域、土地利用、山区生态功能分区为主[9-14]。从研究范围尺度上来说,省域、市、县域等都有研究,在研究方法上,趋于多元化和丰富化。主要包括空间叠置法和自上而下法 P-S-R 模型、SOM 分类模型、聚类法、三维魔方等[15]。山区地形地貌复杂、生态脆弱,作为关键的生态保护屏障,其位置关键性、生态功能重要性都无可替代。基于此,本研究选择太行山典型地段阜平县作为研究区,依据生态环境现状、土地生态环境敏感性和生态功能重要性等多种因素对阜平县土地生态状况进行综合分析,按照生态功能分区的原则和方法,针对性地将其划分为不同生态功能区。研究结果为区域生态分区管理、区域生态安全格局构建提供理论与实践基础,为阜平县国土空间规划、国民经济发展、生态环境保护与治理提供技术支撑。

1 研究区概况

阜平县隶属于保定市,地处于河北太行山东麓,地理坐标为E 113°45′～114°31′、N 38°90′～39°70′。阜平县总面积 2 494 km2,辖5个镇8个乡和1个经济开发区。境内山峦起伏,海拔呈西北高东南低的特征。受地形影响,阜平县的降水量变化各地不同,全年分布不均,降水集中在每年6月至9月,通常7月降雨最多,全年降水量平均可达547～620 mm。植被随海拔高度呈垂直性分布,分层明显,多以针叶林、阔叶林为主。土壤肥力和厚度不同。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

(1)遥感数据,2020年Landsat数据,影像云量≤2%,植被状况良好;NDVI 数据、DEM 数据均来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。

(2)气象数据,来源于阜平县各乡镇气象站点的实测数据及中国气象数据共享服务网,主要包括月降水量、月气温、蒸散量等。

(3)土壤数据,来源于土壤类型图,其中土壤有机质含量和土壤质地由阜平县农业局测土配方所得。

(4)地质数据,来源于阜平县地质图及地灾详查资料数据库。

(5)其他数据,土地利用变更数据库、阜平县行政区区划图、地貌类型图等由阜平县自然资源与规划局、农业局等部门提供。

2.2 研究方法

2.2.1 土地生态环境敏感性评价方法 基于研究区域的自然环境性质和条件,结合有关参考文献中的研究,选取该地区最易引发生态危险的水土流失敏感性、生境敏感性、地质灾害敏感性3项指标,对研究区域进行分析[9-14]。得到的3个指标的演算过程如下:

(1)水土流失敏感性。使用ArcGIS中的spatial analysis中的叠加分析。

(1)

式中:Ri为降雨侵蚀力;Ki为土壤可蚀性;LSi为地形起伏度;Ci为植被覆盖;Pi为水土保持措施。

(2)生境敏感性

(2)

式中:N为生境敏感指数;NDVIsoil代表完全裸土或无植被覆盖区的NDVI值;NDVIveg则代表完全由植被所覆盖像元的NDVI值。

(3)地质灾害敏感性

(3)

式中:GHj为j空间单元地质灾害敏感性指数;Ci为i因子敏感性等级值;n为j空间单元所包含的敏感性因子指标个数;i为地质灾害敏感性因子。

(4)土地生态环境敏感性综合评价

(4)

式中:F为综合土地生态敏感性指数;Wi为因子权重;Pi为评价因子指数。

2.2.2 生态功能重要性 主要从3个方面开展研究。

(1)水源涵养重要性。

(5)

式中:Pi为年降雨量(mm);Ri为年地表径流量(mm);ETi为年蒸散发量(mm);Ai为i类生态系统面积(km2);i为研究区第i类生态系统类型;j为研究区生态系统类型数。

其中地表净流量计算过程如下:

地表径流量(Ri)=Pi×a

(6)

式中:a为平均地表径流系数,可通过生态系统类型赋值,各生态系统类型平均径流系数经查阅相关文献得到。

(2)土壤保持重要性。

A=An-Am

(7)

An=K×R×LS

(8)

Am=K×R×LS×C×P

(9)

式中:A、An、Am分别代表土壤保持量、潜在侵蚀量、实际土壤侵蚀量;K代表土壤可蚀性R代表降雨侵蚀力;LS代表坡度坡长;C代表植被覆盖率;P代表水土保持措施因子。

(3)生物多样性保护重要性。一般用生境质量来表示,通过选取生境退化率、生境质量指数、生态胁迫源、生境类型对胁迫源的敏感性以及生态胁迫源因子图层等具体数值,用 InVEST 模型(Habitat quality)模型和 ArcGIS 10.2 软件的处理方式化分析得到结果,包括了5个等级。

2.2.3 分区方法 阜平县的分区遵守可持续性发展原则、相似性与差异性原则、主导功能优先原则、空间连续性原则,通过定性与定量相结合的方法,进行生态功能分区(见表 1)。

表1 阜平县分区规则

(1)一级分区。基于地貌类型和DEM高程,利用ArcGIS软件的空间分析工具,从地貌单元一致性出发进行分区。

(2)二级分区。基于生态环境现状、土地生态敏感性空间分布及生态功能重要性的空间分布进行二级分区,提取重合部分构建二维关联判断矩阵作为分区界线并辅以适当修正,结合行政区界限,完成土地生态状况的综合叠加,土地生态敏感性和生态功能重要性综合叠置分区结果。

(3)三级分区。对不同地貌类型下的土地生态功能分布特点及类型进行划分。根据敏感性和重要性中的单指标评价结果,如水土流失、生境、水源涵养、生物多样性保护等,通过面积占优法,以面积最大的主导型功能进行主导因素降级提取。参考生态环境现状及土地利用现状,进行不同生态功能区主导生态功能的确定,将生态环境现状及土地利用现状的重合作为界限,结合行政区界限加以修正,得到三级分区界限。

3 结果与分析

3.1 土地生态环境敏感性评价

关于土地生态环境敏感性评价结果见图1-图4。

图1 水土流失敏感性

图2 生境敏感性

图3 土地生态环境敏感性

图4 地质灾害敏感性

水土流失敏感性(见图 1)以重度敏感为主,不敏感区域分布较少;生境敏感性(见图2)以轻度敏感为主,主要分布在阜平县西北部林地和草地,植被生长茂盛、动植物资源较为丰富的地区;地质灾害敏感性(见图 4)较高的地区主要分布在阜平县内地形起伏度较大、坡度较陡的地区。总体来说,在阜平县的土地生态环境敏感性(见图 3)综合评价中,不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、重度敏感区、极敏感区分别占总面积的16.63%、18.62%、21.16%、24.09%、19.50%。土地生态环境敏感性分布格局由东南向西北逐渐敏感。敏感性较低的地区主要分布在北果园乡、平阳镇等区域,耕地和园地所占比例较大。敏感性较高的地区主要分布在史家寨乡、砂窝乡、天生桥镇等地区,主要以林地、草地为主,地形起伏度较大,容易发生水土流失,并且处于地质灾害高易发区。因此要做好生态防护和保育工作。

3.2 生态功能重要性评价

关于生态功能重要性评价结果见图5-图8。

图5 水源涵养重要性

水源涵养(见图5)主要以比较重要和一般重要为主,主要分布在平阳镇、北果园乡、城南庄等地区;土壤保持(见图6)以比较重要为主,主要分布在丘陵区,且水域沿岸均有分布,以耕地和建设用地为主;生物多样性保护重要性(见图7)程度很高,中度重要、高度重要、极重要三者比例可达总面积的85%。重要的区域主要以林地、草地为主,植被覆盖度高。总体来说,生态功能重要性(见图8)综合评价中,一般重要区、比较重要区、中度重要区、重度重要区、极重要区分别占总面积的8.26%、21.43%、29.00%、22.26%、19.05%。重要性较低的地区主要分布在城南庄镇、大台乡、阜平镇等东南地区,受人类活动干扰较严重,以耕地、草地、水域为主。重要性较高的地区主要分布在吴王口乡、夏庄乡、龙泉关镇等西部地区,位于银河自然保护区内以林地为主,森林覆盖率高,生态质量较高,吴王口乡、夏庄乡、龙泉关镇等西部地区的生态系统服务功能主要以生境质量、土壤保持和水源涵养为主。

图6 土壤保持重要性

图7 生物多样性保护

图8 生态功能重要性

图9 阜平县生态分区

3.3 阜平县分区结果

(1)一级区命名。以地貌类型作为一级分区因素,由地貌类型+生态区构成,地貌类型包括丘陵、低山、中山。一级区编号分别由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等表示。

(2)二级区命名。在一级分区方案基础上,根据土地生态系统功能特点,进行二级分区并命名。由地貌+叠加分区名称构成。叠加分区名称包括生态建设区、生态缓冲区、生态提升区、生态保护区。二级区编号分别由Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1 表示。

(3)三级区命名。名称体现各区主导功能或主要生态环境问题,由生态系统+主导功能/生态环境问题组成。其中生态系统包括农田、水域、森林等,主导功能主要包括水源涵养、生境、水土流失、生物多样性保护等。三级级区编号分别由Ⅰ1-1、Ⅰ2-1、Ⅱ1-1、Ⅱ2-1、Ⅱ3-1、Ⅲ1-1 等表示。

生态功能分区结果如表 2与图 9所示。

表2 阜平县生态分区

生态功能分区遵循上述分区原则、方法及命名方式,将阜平县分为一级区、二级区和三级区,参照土地生态环境敏感性和生态功能重要性,对各个功能区依据发展方向进行划分。

3.4 分区保护对策

3.4.1 丘陵生态建设区 丘陵生态建设区占地面积为 578.68 km2,占阜平县总面积23.02%。地貌类型以丘陵为主,耕地是该区域占比最多的地类,建设用地、林地、草地等生态用地零星分布。生态系统综合特征表现为敏感性、重要性整体较低,其中包括了农田生态建设区(Ⅰ 1-1)、农田生态退耕与林草生态修复区(Ⅰ 1-2)、水土流失综合治理区(Ⅰ 1-3)。

农田生态建设区(Ⅰ1-1)主要位于阜平县的平阳镇中北部及王林口镇的东南部地区,是阜平县重要的粮食生产区。耕地面积较大,化肥、农药使用不当,导致粮食产量较低。随着经济快速的发展,该区域受到了严重的环境污染。因此,基于保障粮食安全的情况下,建议发展现代化多功能农业,调整农业产业结构。在保护生态的前提下,可以发展特色的经济作物等,建设绿色食品生产基地,还可以将农业生产与文化旅游相结合。同时科学控制化肥等用量,避免出现影响生态环境的问题。开展政府-企业-农民多层次多方面的农业生态建设。

农田生态退耕与林草生态修复区(Ⅰ1-2)主要位于北果园乡以及阜平镇与城南庄交界处。该区域整体生态系统较弱,应当以生态保护和改善生态环境为重点。开展高标准农田建设,增加耕地面积,提高耕地产能。同时也应该关注林草的生态修复工作,自然条件和人为活动使荒地或者工业废弃地的区域植被受到破坏,应当刻不容缓进行林草生态恢复建设。

水土流失综合治理区(Ⅰ1-3)主要位于阜平主城区与王林口乡交界处,以城镇用地和耕地为主,坡耕地更容易加剧水土流失现象,同时人为活动等因素也是造成水土流失的重要原因。坡耕地容易发生水土流失,应当改善其耕作方式;同时适当进行合理的农业、工业发展,减少对生态环境造成的影响。

3.4.2 丘陵生态缓冲区 丘陵生态缓冲区占地面积为389.27 km2,占阜平县总面积的15.63%。丘陵生态缓冲区的地貌类型以丘陵为主,主要为建设用地、耕地、草地等。生态系统综合特征表现为土地生态敏感性程度较高,但生态功能重要性较低,或者土地生态敏感性程度较低,但生态功能重要性较高。其中包括草地生境质量维持生态区(Ⅰ 2-1)、水土流失综合治理区(Ⅰ 2-2)、水库生态保护区(Ⅰ 2-3)。

草地生境质量维持生态区(Ⅰ2-1)主要分布在王林口乡、大台乡、史家寨乡3个乡镇的交界处。主要以耕地和草地为主,植被覆盖程度较低,作为丘陵区和低山区的衔接,时常因自然条件的发生而对植被造成破坏。因此,应该进行植树造林,扩大植被覆盖程度,加强生态环境建设,更好做好丘陵向低山过渡的缓冲区。

水土流失综合治理区(Ⅰ2-2)主要分布在阜平主城区,该地区主要以建设用地、耕地为主。人类活动相对密集,生态环境易受破坏,同时有扩散影响其他区域的可能。随着时序推移,人口增长快,城镇用地面积扩大,不断开发自然资源、破坏植被开垦荒地,林草数量呈减少趋势。因此,应该将大量植被破坏的荒地进行生态恢复,通过植被保护来控制水土流失现象,通过提高土地生态系统的自我恢复能力,实现良性循环。

水库生态保护区(Ⅰ2-3)主要分布在王林口乡及平阳镇南部,主要以水域为主,阜平县的王快水库位于此地。该区域水质总体较好,水源涵养能力较强。湖岸易被水力侵蚀,造成塌陷,同时离居民点较近,容易造成水源污染。因此,生态保护应该从水资源防护出发,加强库区环境综合治理,拦截污水、控制农业面源污染。河流两岸设立挡土墙,搭配绿化建设,形成立体化绿化带。同时开展生态旅游,带动当地旅游经济发展。

3.4.3 低山生态缓冲区 低山生态缓冲区占地面积为 355.21 km2,占阜平县总面积的14.24%。地貌类型以低山为主,主要以林地和草地为主。生态系统综合特征表现为敏感性程度较高,重要性较低,或者敏感性较低,但重要性较高。其中包括林草生境质量维持生态区(Ⅱ1-1)、水土流失综合治理区(Ⅱ1-2)。

林草生境质量维持生态区(Ⅱ1-1)主要分布在史家寨乡中部及大台乡中南部地区,应当加强生境质量能力。因此,该区域要适当进行林地分级、差别化管理保护,通过完善其补偿机制,运用一些手段进行约束,更好做好生态提升区的缓冲地带。

水土流失综合治理区(Ⅱ1-2)主要分布在台峪乡北部地区,该区域林地和草地分布较为广泛,频繁的土地利用会让植被越长越差,再经过降雨,水土流失现象频发,并且受人类活动干扰,林草数量呈减少的趋势。因此,在不破坏生态系统结构和功能的情况下,以生态重建和生态修复为重点,建立生态防护林体系,加强地表植被覆盖度,同时进行合理的土地利用、改善土壤条件,使植被根系可以抵御水土流失,增强区域的生态功能。

3.4.4 低山生态提升区 低山生态提升区占地面积为240.42 km2,占阜平县总面积的9.81%。地貌类型以低山为主,主要以林地、草地为主。敏感性为中度敏感、重度敏感或者极敏感,重要性为中度重要、重度重要或者极重要地区。包括林草生物多样性维持生态区(Ⅱ2-1)。

林草生物多样性维持生态区(Ⅱ2-1)主要分布在阜平县北部与山西省灵丘县接壤地带,主要以林地和草地为主,地形起伏相对较大、生态系统较丰富,动植物资源较丰富,如松、胡枝子等常在 700～1 000 m之间。因此,该区域应该以生物多样性维持为核心,了解不同生物的生存环境,为不同的生物提供多种栖息地,同时在保证生态环境的前提下,提高对生物多样性的保护,部分土地种植经济林,既可以保护环境也可以带动当地经济发展。

3.4.5 低山生态保护区 低山生态保护区占地面积为420.05 km2,占阜平县总面积的16.84%。地貌类型以低山为主,主要以林地、草地为主。生态系统综合特征表现为土地生态环境敏感性较高,生态功能重要性较好。其中包括林草生境质量维持生态区(Ⅱ3-1)、森林水源涵养与生物多样性生态区(Ⅱ3-2)。

林草生境质量维持生态区(Ⅱ3-1)主要分布在砂窝乡和吴王口乡等地区,主要以林地和草地为主。林草具有丰富的生态价值,并且处于非常敏感的地带,不足以对抗外界干扰,抵御能力很差,所以需要加强该区域的生态建设,科学合理地运用自然资源,不仅可以抵抗外界干扰,还可以为人类生活提供足够的物质基础,从而实现人与自然的可持续发展。

森林水源涵养与生物多样性生态区(Ⅱ3-2)主要分布在夏庄乡的东部及天生桥镇南部地区,该区域植被覆盖较大,为生物提供了良好的生存空间。该区域在水源涵养、生物多样性等生态服务方面具有极其重要的意义,建议提高水源涵养能力、保护生物多样性,区域内适宜发展生态旅游产业,同时需注意维护和改善土地生态系统健康与功能。

3.4.6 中山生态保护区 中山生态保护区占地面积为510.37 km2,占阜平县总面积的20.46%。地貌类型以中山为主,生态系统以森林为主。生态系统综合特征表现为土地生态环境敏感性较高,生态功能重要性较好。其中包括森林水源涵养维持生态区(Ⅲ1-1)、森林生物多样性及生境质量维持生态区(Ⅲ1-2)。

森林水源涵养维持生态区(Ⅲ1-1)主要分布在吴王口乡及夏庄乡部分地区,该区域森林资源丰富,植被覆盖率高,水源涵养能力高,同时也是生物栖息的地方,对于生物多样性保护极为重要。地形起伏较大,紧邻河流并且降雨量大,使得该区域的水资源环境相对敏感,容易发生水土流失现象。因此该区域的重点应该放在水土资源保育方面,以保护生态系统服务功能为中心,大力开展生物资源的综合开发利用,使得区域内生态系统处于稳定状态。

森林生物多样性及生境质量维持生态区(Ⅲ1-2)主要分布在龙泉关镇等地区,城镇扩张速度较慢,林地和草地在该区土地利用类型中占比最大,生态环境受人为活动破坏少,区域内生物多样性丰富,植被覆盖度较高,水土保持能力强。因此,主要针对濒危的动植物建立自然保护区,同时加强对当地居民的生态保护知识教育,尊重原始景观格局,避免人为破坏。适宜在该区实施生态补偿机制,施行封山保育工程,促进区域生态稳定。

4 结论

人类对自然资源的不合理开发利用,使生态环境受到破坏。土地退化、生物多样性锐减等问题日趋严峻。为了实现人类与生态环境的和谐统一,加强生态保护,针对阜平县开展了保护对策研究,基于地貌类型初步划分生态区为丘陵生态区、低山生态区、中山生态区 3 个一级区;基于土地生态环境敏感性与生态功能重要性评价结果,采用二维关联判断矩阵在初步分区的结果上进一步将生态功能区划分为丘陵生态建设区、丘陵生态缓冲区、低山生态缓冲区、低山生态提升区、低山生态保护区、中山生态保护区 6 个二级区;采用面积占优法确定主导因素,进一步将阜平县划分为 13 个三级区。结合阜平县生态建设目标及当地的经济、人文等因素,对各种生态功能区提出针对性的发展方向。研究为区域生态分区管理、区域生态安全格局构建提供理论与实践基础,为阜平县国土空间规划、发展国民经济、生态环境治理及保护提供数据参考与技术支撑。同时可为太行山区及其他类型的山区生态保护建设提出具有可操作性的建议及对策。