典型喀斯特地区生态保护与修复空间识别——以石林彝族自治县为例.pdf
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1、引文格式:贾海锋,马小波,王万宾,等.典型喀斯特地区生态保护与修复空间识别以石林彝族自治县为例J.云南农业大学学报(自然科学),2024,39(2):145154.DOI:10.12101/j.issn.1004-390X(n).202305006典型喀斯特地区生态保护与修复空间识别以石林彝族自治县为例*贾海锋1,马小波2,王万宾1,刘岳雄1,罗怀秀3,李森1*(1.云南省生态环境科学研究院,中国昆明高原湖泊国际研究中心,云南昆明650034;2.云南地质工程勘察设计研究院有限公司,云南昆明650200;3.云南省林业调查规划院,云南昆明650051)摘要:【目的】通过生态系统服务功能重要性和
2、敏感性评价,识别石林彝族自治县生态保护与修复空间,为研究区生态保护与修复工程落地实施提供科学依据。【方法】采用 NPP 定量指标法和 GIS 方法对研究区开展生态系统服务功能重要性和生态敏感性评价,基于国土空间规划自然生态空间范围确定生态保护与修复空间。【结果】研究区生态系统服务功能重要性总体一般,极重要区和重要区占研究区总面积的 1.91%;生态敏感性较高,极敏感区和敏感区占研究区总面积的 95.05%。依据管控策略,可将自然生态空间管控分区划分为生态保护区、生态修复区、生态保护+生态修复区,分别占研究区自然生态空间管控分区的 2.05%、94.98%和 2.97%,分别占研究区面积的 1.
3、07%、49.57%和 1.55%。【结论】通过识别研究区生态保护与生态修复空间,确定生态修复为石林彝族自治县生态系统保护和修复工程实施的重点任务,提出了生态修复工程实施的科学思路,能够为喀斯特地区生态保护与修复提供科学依据。关键词:喀斯特地区;生态敏感性;自然生态空间;生态修复中图分类号:X171.1文献标志码:A文章编号:1004390X(2024)02014510Spatial Identification of Ecological Protection and Restoration inTypical Karst Area:a Case Study of Shilin YizuAu
4、tonomous CountyJIAHaifeng1,MAXiaobo2,WANGWanbin1,LIUYuexiong1,LUOHuaixiu3,LISen1(1.YunnanResearchAcademyofEco-environmentalSciences,KunmingChinaInternationalResearchCenterforPlateau-Lake,Kunming650034,China;2.YunnanGeologicalEngineeringSurveyandDesignInstituteCo.Ltd.,Kunming650200,China;3.YunnanInst
5、ituteofForestInventoryandPlanning,Kunming650051,China)Abstract:PurposeToidentifytheecologicalprotectionandrestorationspaceinShilinYizuAutonomousCounty,byevaluatingtheimportanceofecosystemservicesandecologicalsensitivity,providingscientificbasisfortheimplementationofecologicalprotectionandrestoration
6、projectsintheresearcharea.MethodsUsingtheNPPquantitativeindicatormethodandGIStoevaluatetheimportanceofecosystemservicesandecologicalsensitivityinthestudyarea,andtheecologicalpro-收稿日期:2023-05-09修回日期:2024-04-25网络首发日期:2024-05-20*基金项目:云南省科技计划项目重点研发计划(202203AC100001)。作者简介:贾海锋(1987),男,甘肃宁县人,硕士,高级工程师,主要从事生
7、态环境空间规划研究。E-mail:*通信作者 Correspondingauthor:李森(1982),男,陕西商洛人,硕士,正高级工程师,主要从事生态环境规划与政策研究。E-mail:网络首发地址:https:/ 年)(简称“双重”规划),该规划立足国家生态安全战略格局,提出了“三区四带”为核心的全国重要生态系统保护和修复重大工程总体布局。生态系统保护和修复工程侧重项目落地性和实施成效1,应具备特定空间范围属性2,科学识别并确定生态保护与修复空间是“双重”规划落地实施的关键环节2-3。地方实施生态系统保护和修复工程在宏观尺度上支撑和服务国家生态安全格局重要骨架和关键节点,中观尺度上以流域为系
8、统实施单元,微观尺度上以县域为具体实施单元。相关研究从流域4-5、省域3、区域6-7和县域8尺度开展了生态保护与修复分区、识别探索,研究方法多以生态功能重要性、敏感性评价9-14和最小阻力模型6-8,15-18为主,为生态保护和修复提供了理论基础和科学借鉴;但仍存在一定不足,如生态功能重要性、敏感性评价方法和评价结果分级分类标准体系不统一,且与国土空间规划体系衔接不紧密,客观上限制了成果落地应用。桂黔滇喀斯特石漠化防治生态功能区被纳入“双重”规划布局,未来将实施一批重大生态保护和修复工程,而有关典型喀斯特地区生态保护与修复空间识别的相关研究尚未见报道。云南省昆明市石林彝族自治县(以下简称“石林
9、县”)地处珠江上游,为中国西南喀斯特典型地区,是桂黔滇喀斯特石漠化防治国家重点生态功能区,受温暖潮湿季风气候和特殊地质背景制约19,生态系统敏感脆弱,区内石漠化、水土流失、植被退化等生态环境问题突出,严重制约了区域可持续发展。按照云南省国土空间规划(20212035 年)和云南省重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(20212035 年)布局分区,石林县属滇东滇东南石漠化带,是生态保护和修复重大工程落地实施的重点区域。自然资源环境本底条件客观上决定了生态保护与修复空间布局,石林县自然资源禀赋相对不足势必导致生态保护与修复难度大、成本高,因此,保护与修复应重点关注区域内受损严重、开展修复需求最
10、迫切、恢复效果最明显的重点区域20。本研究基于 ArcGIS10.5 平台,根据生态保护红线划定指南(环办生态201748 号)技术要求,采用 NPP 定量指标法,对石林县全域开展生态系统服务功能重要性和生态敏感性评价,结合碳酸盐岩分布、岩溶发育程度及土地利用类型,识别并确定生态保护与修复空间,以期为喀斯特地区生态保护与修复提供科学依据。1 材料与方法1.1研究区概况石林县总面积 1680.88km2,地势自东向西倾斜,呈阶梯状逐级下降,区域内石灰岩广布,以石林、石芽、溶洞、洼地、落水洞、地下暗河、盲谷等喀斯特景观为主。全县土地资源匮146云南农业大学学报第39卷乏,耕地以零星斑块状散布于峰丛
11、洼地间,山地陡坡垦殖现象普遍19,21。石漠化和水土流失是制约石林县社会经济可持续发展的重要因素,也是生态保护与修复需要克服的首要压力。1.2数据来源与处理本研究生态系统服务功能重要性和生态敏感性评价采用 NPP 定量指标评估法,涉及数据主要包括多年平均植被净初级生产力(netprimarypro-duction,NPPm)、DEM、归一化植被指数(nor-malizeddifferencevegetationindex,NDVI)、土壤、气象、土地利用现状等。其中,多年平均 NPPm(分辨率 30m)数据来源于昆明市自然资源局;DEM 数据为 GDEMV3(分辨率 30m),来源于地理空间数
12、据云(https:/);NDVI 数据(分辨率30m)由 Landsat8OLI_TIRS(来源于地理空间数据云)计算得到;土壤数据来源于石林县农业农村局;多年平均气温、降水等气象数据来源于 WorldClimate(http:/)和云南省 124 个气象站点逐日降雨数据(20002021 年);土地利用现状数据来源于石林县自然资源局。所有数据投影坐标统一为 WGS_1984_UTM_Zone_48N。1.3研究方法1.3.1评价内容及评价方法生态系统服务功能重要性和生态敏感性评价方法直接影响生态保护与修复空间识别结果22。根据云南省生态功能区划,确定研究区生态系统服务功能重要性评价内容主要包
13、括水源涵养、水土保持和生物多样性维护,生态敏感性评价内容主要包括水土流失和石漠化。生态保护红线划定指南是指导全国生态保护红线划定的技术文件,其生态系统服务功能重要性、敏感性评价方法体系被资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南(试行)直接引用,并作为指导地方编制国土空间规划和开展生态保护与修复的技术遵循。生态系统服务功能重要性评价一般采用模型评价法23,但由于该方法所需模型参数多且对数据精度要求较高,难适用于监测体系不完善且监测能力较弱的区域。鉴于生态环境监测实际和数据可获取性,本研究以生态保护红线划定指南为技术参考,采用 NPP 定量指标法对研究区全域开展生态系统服务功能重要性评价,
14、采用评估模型法开展生态敏感性评价。1.3.2生态系统服务功能重要性评价(1)水源涵养服务功能重要性评价水源涵养是生态系统通过其特有的结构拦截和滞蓄降水,并通过蒸散发实现水资源的调控,其主要功能表现为补充地下水、缓和地表径流、减缓河流流量季节波动等3,其评价模型为:WR=NPPmFsFp(1Fslo)。式中:WR 为生态系统水源涵养服务能力指数;NPPm为多年平均净初级生产力;Fs为土壤渗流因子,按照土壤质地类型由重黏土到砂土分别在01 之间均等赋值得到,如重黏土为 1/13,黏土为 2/13,粉砂质黏土为 3/13,砂土为 1;Fp为多年平均降水量因子,本文以研究区边界裁剪 WordClima
15、te 气象数据中的年降水量图层,将其作为研究区多年平均降水量栅格;Fslo为坡度因子,通过 DEM 坡度分析得到。以上各因子均重采样为 30m30m 的栅格,采用最大最小值法归一化,经栅格计算器利用 Int(水源涵养服务能力栅格/水源涵养服务能力栅格数据最大值)100 计算得到生态系统服务值栅格图,计算每个栅格像元的累加服务值,以累加服务值占生态系统服务总值比例的 50%和 80%为分级分界点,将水源涵养服务功能重要性分为极重要、重要和一般重要 3 个等级,将极重要和重要区作为生态保护空间候选区域。(2)水土保持服务功能重要性评价水土保持是生态系统通过其结构与过程减少降雨侵蚀、减少土壤流失、保
16、持土壤的作用,是生态系统重要服务功能之一3,23,其评价模型为:Spro=NPPm(1K)(1Fslo)。式中:Spro为土壤保持服务能力指数;K 为土壤可蚀性因子,根据生态保护红线划定指南模型评价法土壤保持服务功能重要性评价 K 因子算法,利用石林县土壤质地数据经普通克里金空间插值得到。(3)生物多样性维护功能重要性评价生物多样性维护功能是生态系统在维持遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性方面发挥的作用3-4,其评价模型为:Sbio=NPPmFpFt(1Fa)。式中:Sbio为生物多样性维护服务能力指数;Fp第2期贾海锋,等:典型喀斯特地区生态保护与修复空间识别以石林彝族自治县为例147为
17、多年平均降水量因子,Ft为多年平均气温;Fa为海拔因子。(4)生态系统服务功能综合评价开展生态系统服务功能重要性评价,有利于分析生态系统服务功能空间分布规律,明确生态服务功能重要区域,为国土空间开发和生态保护提供科学依据24。由于无法确定各生态系统服务功能在总生态系统服务功能中的贡献,因此不存在对各生态系统服务功能进行权重选择23,为客观、中立、综合评价研究区生态系统服务功能,采用生态系统服务功能综合指数(comprehensiveindexesofecosystemservices,CIES)作为评价指标,其计算公式为:CIES=WR+Spro+Sbio。1.3.3生态敏感性评价(1)水土流
18、失敏感性评价水土流失按土壤侵蚀发生动力条件可分为水力侵蚀和风力侵蚀,水力侵蚀是造成西南喀斯特地区水土流失的主要原因19,其评价模型为:SEi=4RiKiLSiCi。式中:SEi为 i 空间单元水土流失敏感性指数;Ri为降雨侵蚀力因子,根据生态保护红线划定指南水土流失敏感性评估模型,利用云南省124 个气象站点逐日降水数据(20002021 年)分别计算各站点 R 值,再经协同克里金空间插值(辅助变量为高程)得到;Ki为土壤可蚀性因子;LSi为坡度坡长因子,Ci为植被覆盖度,均由Landsat8OLI_TIRS 影像提取 NDVI 计算得到。水土流失敏感性评价因子分级标准见表 1。(2)石漠化敏
19、感性评价石漠化导致生态系统稳定性减弱、敏感性增强,影响区域生态系统服务和产品供给,开展石漠化敏感性评价可定量描述石漠化对人类活动的敏感程度,生态保护红线划定指南推荐评价模型为:Si=3DiPiCi。式中:Si为 i 空间单元石漠化敏感性指数;Di为碳酸岩出露面积百分比,通过遥感影像解译计算求得;Pi为地形坡度,利用 DEM 开展坡度计算得到。石漠化敏感性评价因子分级标准见表 2。已有研究表明:建设用地、水体、居民地及道路在遥感影像解译提取研究区碳酸盐岩出露面积百分比时易产生误判25。石漠化是自然背景与人类活动共同作用下形成的一种特殊地质现象,岩性是发生石漠化的基础因素,而遥感影像解译只能提取出
20、露地表的碳酸盐岩,忽视了掩藏于植被和土层之下的主体基岩,无法整体反映典型喀斯特地区岩性基底。为弥补以上不足,本研究在依据生态保护红线划定指南推荐方法开展石漠化敏感性评价的同时,基于120 万宜良幅区域水文地质普查报告,按照研究区碳酸盐岩的实际分布范围及其岩溶发育强弱程度(强、中、弱)开展石漠化敏感性评价分级,分为极敏感、敏感、一般敏感 3 个等级。碳酸盐岩岩溶发育强弱程度与石漠化敏感性对应关系及其赋值规则见表 3。表 1 水土流失敏感性评价因子分级赋值Tab.1Classificationandassignmentofsoilerosionsensitivity指标indexes降雨侵蚀力ra
21、infallerosivity土壤可蚀性soilerodibility地形起伏度reliefamplitude植被覆盖度vegetationcoverage分级赋值gradedassignment一般敏感generalsensitive100石砾、沙、粗砂土、细砂土、黏土sand,loamysand,sandyloam,sandyclay,clay600砂粉土、粉土siltloam,silt3000.25表 2 石漠化敏感性评价因子分级赋值Tab.2Classificationandassignmentofstonydesertificationsensitivity指标indexes碳酸岩出
22、露面积百分比/%percentageofexposedareaofcarbonaterock地形坡度/()terrainslope植被覆盖度vegetationcoverage分级赋值gradedassignment一般敏感generalsensitive3080.61敏感sensitive30708250.20.63极敏感extremelysensitive70250.25148云南农业大学学报第39卷(3)生态敏感性综合评价生态敏感性是指区域出现生态环境问题的可能性和可能程度11,24,26,开展生态敏感性评价是对研究区各类生态敏感区进行识别并将潜在生态问题聚焦落地到具体空间区域的过程24
23、,27-28,是区域开展生态修复的基础,其评价模型为:SSI=SEi+Si。Si式中:SSI 为生态敏感性综合指数;为石漠化敏感性指数,由碳酸盐岩岩溶发育强弱等级划分赋值得到。1.3.4自然生态空间管控分区生态系统服务功能重要性和生态敏感性可直观表征区域生态系统质量和生态产品供给能力,利用 ArcGIS 软件的 Union 工具将研究区生态系统服务功能重要性、生态敏感性图层联合,可得出生态系统服务功能重要性和生态敏感性分区图。根据自然生态空间用途管制办法(试行)中自然生态空间的有关定义,提取土地利用数据中对应森林、草地、河流、湖泊、滩涂和荒地的地类作为研究区自然生态空间;以自然生态空间为边界,
24、裁剪生态系统服务功能重要性、生态敏感性分区结果可得到自然生态空间管控分区。1.3.5生态保护与修复空间识别山水林田湖草生命共同体是特定条件下不同类型生态系统在空间范围内相互作用形成的空间组合2,识别并确定生态保护与修复空间旨在保护和提升现有生态系统服务功能3,29-30。区域生态系统服务功能重要性越高,生态敏感性越高,则其对国土空间开发的约束力越强23,识别并确定生态保护空间和生态修复空间是区域生态系统服务功能“保优提质”的重要前提。生态系统服务功能极重要区和重要区是维系区域生态系统结构完整、生态服务功能持续稳定的关键区,是优质生态服务供给区,也是生态保护工程实施的重点区域;生态极敏感区和敏感
25、区是保障区域生态系统结构完整、生态服务功能不降低的热点区,是生态服务提质区,也是生态修复工程落地的核心区域27,31-34。通过对研究区进行生态系统服务功能重要性表 3 碳酸盐岩岩溶发育程度与石漠化敏感性对应关系Tab.3Correspondingrelationshipbetweenthedegreeofcarbonaterockdevelopmentandthesensitivityofrockydesertification岩溶发育等级levelofkarstdevelopment主要碳酸盐岩地层时代maincarbonaterockstrataage敏感性sensitivity分级赋值
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