生态修复分区理论基于生态区划, 生态区的概念最早是由俄国地理科学家道库恰也夫(Dokuhchaev)于1899年提出的, 1905年英国生态学家赫伯特森(Herbertson)针对全球尺度上的自然区域单元开展了区划研究, 成为生态区划研究的重要里程碑。此后, 生态区划受到越来越多的科学家关注, 但早期的区划只是围绕自然生态系统植被展开, 主要考虑水热因子对生态系统的影响, 建立了气候指标体系用以区分不同类型的生态系统。随着研究的进一步深入, 各国生态学家在基于自然因子的生态区划方面取得了显著进展, 1976年美国生态学家贝利(Bailey)第一次提出了较为完整的生态区划方案^[1]。随着经济社会的发展, 人口急速膨胀, 出现一系列生态环境问题, 区划方法也将人为因素的影响纳入区划指标中。在我国, 进入20世纪80年代之后各单项区划和综合区划日趋完善, 从生态胁迫、生态敏感性和生态压力角度进行地理空间分区^[2], 并从省域、城市、县域、流域和湖泊等不同区域尺度筛选指标进行生态功能区划^[3-6], 结合经济社会发展趋势分析区域内生态环境问题及形成机制。为进一步保护生态系统, 2008和2011年环境保护部发布了《全国生态功能区划》和《全国主体功能区规划》, 在生态环境现状、生态环境敏感性和生态服务功能重要性评价基础上划定全国生态功能区, 对维护区域生态安全具有重要意义^[7-8]。

生态修复分区是开展生态修复的前提, 生态功能提升是生态修复的目标^[9]。目前, 生态修复分区是在生态区划基础上进行的, 主要被运用于水土保持研究中^[10-11], 存在主观性强、难以量化和不易操作的缺点, 从而使生态修复工程针对性较差, 造成生态修复中的资源浪费, 无法合理高效地利用生态修复资源来提升当地生态功能, 因此需要一种系统的可量化的生态修复分区技术方法。笔者根据区域立地条件、生态系统退化程度和生态服务功能空间分异规律3大主要因素, 制定生态修复分区指标, 并以科尔沁沙地源头巴林右旗为例, 将巴林右旗划分为不同的生态修复空间, 每个生态修复空间单元具有一定的主导生态功能。将生态修复分区所确定的主导生态功能作为生态恢复目标, 同时, 考虑生态系统退化程度来判断生态修复的难易程度, 这既体现了生态功能的空间分异规律, 又使得恢复具有针对性。根据不同的分区结果制定植被配置以及产业结构调整等不同调控措施和生态修复方案。

1 研究区概况

巴林右旗位于内蒙古赤峰市北部, 西拉沐沦河北岸, 大兴安岭南段山地。地理坐标为北纬43°12′55″~44°27′52″, 东经118°12′09″~120°01′42″, 总面积为10 256 km²。该旗属于温带半干旱大陆性季风气候区, 年日照时数为3 000~3 200 h, 平均气温为4.9 ℃。年平均降水量为358 mm, 且相对变率达22%, 年蒸发量为2 103 mm, 相当于降水量的约6倍, 湿润度多年平均值为0.35。全年风沙日数达70 d左右, 干旱、多风沙是该地的主要气候特点。在气候干旱等恶劣的自然环境和人为扰动下, 巴林右旗沙化风蚀现象突出, 在其南部倾斜冲击平原区, 广泛分布着流动、半流动和固定沙丘, 其沙地面积占该旗面积的34%, 占科尔沁沙地总面积的6.5%, 构成沙丘与丘间地相间排列的地貌组合, 是科尔沁防风固沙功能区的重要组成部分^[12], 严重威胁着我国东北地区和华北地区的生态安全。

2 研究方法与数据来源 2.1 生态修复分区指标与方法 2.1.1 生态修复分区指标

生态修复分区指标的选取要有代表性, 应尽可能体现区域的特征和分异规律, 将提升生态服务功能作为生态修复目标, 并综合考虑生态修复的难易程度, 制定3级分区指标。

大区(一级分区)指标。大区为高级区划单位, 区内存在共同的环境特征和生态问题, 土地资源主导利用方向基本一致, 而且区域特征、分布范围比较明显, 具有空间尺度的完整性和连续性。因此, 选用气象气候、海拔和主要植被类型作为大区的分级指标。

亚区(二级分区)指标。亚区为中级区划单位, 也是大区级单位的细分。由于生态功能提升是生态修复的目标, 因此为反映中尺度下生态修复空间生态功能的分异规律, 即植被覆被、生态服务功能等基本要素的一致性, 选取生态服务功能作为亚区指标, 主要包括水源涵养、防风固沙、土壤保持和生物多样性维护4类生态服务功能。

小区(三级分区)指标。小区为低级区划单位或基本分类单位。生态修复的对象、采取的措施及相应的管护等在很大程度上受生态退化程度的影响, 同时退化程度也是认识生态环境脆弱性及其成因的基础。因此, 选取生态退化程度作为三级分区主导因子, 在二级分区的基础上划分出相同级别的生态修复小区。生态退化程度可分为未退化、轻度退化、中度退化和重度退化4种(图 1)。

2.1.2 生态修复分区方法

通过ArcGIS 10.2等技术手段对生态修复分区指标进行标准化并实施分区, 但采用计算机完成的定量化分区可能得不到合理的边界, 需要相关经验和知识辅助分析, 因此分区需要自动分析与手动调整相互结合, 使其结果更具合理性。

生态修复分区方法较多, 主要采用因子叠加分析方法以及“自上而下”和“自下而上”结合法^[13], “自上而下”运用在一级分区中, 按照气象气候、海拔和植被类型对研究区进行一级分区划定, 可保证区划结果的相对一致性, 注重对宏观格局的把握; 二级分区和三级分区运用“自下而上”并遵循“共轭性原则”, 在一级分区的基础上按照主导生态功能和生态退化等级重新进行二级分区和三级分区划定, 保证最低级区划单元的完整性。

2.2 主导生态功能的计算方法

主导生态功能是按照国家主体生态功能区划中提出的水源涵养、防风固沙、土壤保持和生物多样性维护4大生态功能, 以通过运算得到的研究区空间上该4大功能中最大的生态功能作为该区域的主导生态功能。利用ArcGIS 10.2软件中的raster calculator功能, 分别进行计算并生成栅格图。

2.2.1 土壤保持生态功能

土壤保持功能计算的主要目的是根据当地气候特点(降雨)、地形特点(坡度、坡长)、植被特点(覆盖因子)、土壤类型(土壤可蚀性因子)和土地管理水平等因素对生态系统土壤保持功能的强弱进行评估。土壤保持功能一般采用通用水土流失方程(universal soil loss equation, USLE)进行评价。

$ {E_{{\rm{USL}}, x}} = {R_x} \times {K_x} \times {L_x} \times {S_x} \times {C_x} \times {P_x}。$

(1)

式(1) 中, E_USL，x为栅格x的土壤侵蚀量, t·hm^-2·a^-1; R_x为降雨侵蚀力因子, MJ·mm·hm^-2·h^-1·a^-1; K_x为土壤可蚀性因子, t·hm²·h·MJ^-1·hm^-2·mm^-1; L_x为坡长因子, m; S_x为坡度因子, (°), 由DEM数据提取; C_x为植被覆盖因子, %, 由归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)计算得到; P_x为管理措施因子, 该研究中森林、灌丛、草地、耕地、旱地、水域、城市及建筑用地、裸地和难利用地(沙地)的P值分别为1、1、1、0.7、0.352、0、0.25、0.1和0.2^[13]。

降雨侵蚀力数据由Fouriner指数计算得到:

$ R = 4.17 \times \sum\limits_{i = 1}^{12} {j_i^2/J-152} 。$

(2)

式(2) 中, R为降雨侵蚀力, MJ·mm·hm^-2·h^-1·a^-1; j_i为第i月降水量, mm; J为年降水量, mm。数据来源于巴林右旗气象站。

土壤可蚀性因子(K_x)采用土壤风蚀方程中土壤可蚀性因子模型进行计算:

$ \begin{array}{l} {K_x} = \left( {29.09 + 0.31 \times {S_{\rm{a}}} + 0.17 \times {S_{\rm{i}}} + 0.33 \times } \right.\\ \;\;\;\;\;\;\;\left. {{S_{\rm{a}}}/{C_1}-2.59 \times {w_{有}}-0.95 \times {w_{碳}}} \right)/100。\end{array} $

(3)

式(3) 中, K_x为土壤可蚀因子, t·hm²·h·MJ^-1·hm^-2·mm^-1; S_a为土壤粗砂质量含量, %; S_i为土壤粉砂质量含量, %; C_l为土壤黏粒质量含量, %; w_有为有机质质量含量, %; w_碳为碳酸钙质量含量, %。土壤颗粒质量含量(S_a、S_i、C_l)和有机质质量含量数据来源于中国土壤特征数据集, 由中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)提供; 土壤碳酸钙含量来自于全国1:400万土壤碳酸钙含量分布图, 由地球系统科学数据共享服务网(http://www.geodata.cn)提供。

2.2.2 水源涵养生态功能

水源涵养量的计算采用降水贮存量法, 主要是以森林生态系统的蓄水效应来表征水源涵养功能。由于巴林右旗土地利用类型以草地为主, 依据草地降雨径流率(r_g)与草地植被覆盖度(p_g)呈显著负相关关系^[14], 故研究区水源涵养量计算公式为

$ Q = A \times {J_{\rm{t}}} \times k \times \left( {{r_0}-{r_{\rm{g}}}} \right), $

(4)

$ {r_{\rm{g}}} =-0.3187 \times {p_{\rm{g}}} + 0.36403。$

(5)

式(4)~(5) 中, Q为与裸地相比不同生态系统涵养水分的增加量, mm·hm^-2·a^-1; A为生态系统面积, hm²; J为计算区多年平均产流降雨量, mm; J_t为计算区多年平均降雨总量, mm; k为计算区产流降雨量占降雨总量的比例, %; r为与裸地(或皆伐迹地)相比, 生态系统减少径流的效益系数; r₀为产流降雨条件下裸地降雨径流率, %; r_g为产流降雨条件下生态系统降雨径流率, %; p_g为草地植被覆盖度, %。根据赵同谦^[15]以秦岭—淮河一线为界限将全国划分为北方区和南方区。北方降雨较少, 降雨主要集中于每年6—9月, 甚至某些地区一年的降雨量可能集中于一两次降雨; 南方区降雨次数多, 强度大, 主要集中于4—9月。因此, 该研究中北方区k取值0.4。

2.2.3 防风固沙功能

防风固沙量由潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量估算得到。SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》规定了风蚀区土壤侵蚀强度的分级标准, 并根据植被覆盖度给出土壤侵蚀强度的分级指标。巴林右旗研究区风蚀土壤侵蚀量主要受植被覆盖度影响, 根据表 1^[16]确定不同植被覆盖度下的防风固沙量, 基于植被覆盖度图生成表征防风固沙量的图。

2.2.4 生物多样性维护功能

生物多样性维护功能可采用invest-biodiversity模型进行计算, 用生境质量好坏表征生物多样性的持续性和恢复能力, 因此模型中采用生境质量指数进行评价, 最终生成表征生物多样性维护功能的空间分布图^[17-18]。

$ {Q_{xj}} = {H_j} \times \left[{1-D_{xj}^2/\left( {D_{xj}^2 + {I^2}} \right)} \right], $

(6)

$ {D_{xj}} = \sum\limits_{r = 1}^R \times \sum\limits_{y = 1}^{{Y_r}} {\left( {\frac{{{W_r}}}{{\sum\limits_{r = 1}^R {{W_r}} }}} \right)} \times {r_y} \times {i_{rxy}} \times {\beta _x} \times {S_{jr}}, $

(7)

$ {i_{rxy}} = 1-{d_{xy}}/{d_{r, \max }}, $

(8)

$ {i_{rxy}} = \exp \left[{-\left( {2.99/{d_{r, \max }}} \right) \times {d_{xy}}} \right]。$

(9)

式(6)~(9) 中, Q_xj为土地利用与土地覆盖类型j中栅格x的生境质量; H_j为土地利用与土地覆盖类型j的生境适合性; D_xj为土地利用与土地覆盖类型(或生境类型)j中栅格x的生境胁迫水平; W_r为胁迫因子权重, 权重高, 说明外界对环境的胁迫大, 产生的破坏力强; i_rxy为栅格y中胁迫因子r_y对栅格x中生境的胁迫作用; d_xy为栅格x与栅格y之间的直线距离，km; d_r，max为胁迫因子r的最大影响距离, km, 表明某一胁迫因子对所有生境的相对破坏力; β_x为栅格x的可达性水平, 1表示极易达到; S_jr为土地利用与土地覆盖类型(或生境类型)j对胁迫因子r的敏感性, 该值越接近1, 表示越敏感; I为半饱和常数。其中, W_r和S_jr均来自专家打分。

2.2.5 主导生态功能识别

对巴林右旗水源涵养、防风固沙、土壤保持和生物多样性维护这4大生态功能要素分别进行计算, 并分别生成栅格图A、B、C和D。由于这4个生态功能单位不一致, 无法进行比较和栅格运算, 因此采用极差标准化法分别将4个栅格数据进行标准化, 使得4个栅格数据的取值在0~1的标准化值范围内。将经过标准化的图层A、B、C和D分别进行栅格属性值重分类, 分为以下4个等级, 即一般重要(0~0.3)、中等重要(>0.3~0.6)、重要(>0.6~0.8) 和极重要(>0.8~1.0), 生成A1、B1、C1和D1这4个新栅格图; 再将A1、B1、C1和D1这4个栅格图进行叠加分析, 将各个栅格对应位置上A1~D1中最大等级对应的生态功能作为主导生态功能要素, 并通过栅格属性值重分类进行对应赋值, 将具有相同赋值的栅格合并为1个斑块, 生成新的主导生态功能空间分布图。

2.3 生态退化程度判定方法

依据理论NDVI与实际NDVI比值, 参照退化等级划分标准(表 2), 确定研究区的生态退化等级, 生成生态退化等级图。其中, 理论NDVI的确定方法如下:获取人为干扰相对较小时段1985—1990年间每年最大降水量对应的月份; 对研究区域进行随机取样, 实施例中共取样点1 400个; 然后在1985—1990年间每年出现最大降水量月份的NDVI图像中, 将上述采样点对应位置的NDVI值提取出来, 求取代表研究区域最大降水量月份的NDVI平均值; 将最大降水量与NDVI平均值分别作为X、Y轴制成散点图, 分析降水量与NDVI的散点关系, 采用统计分析软件SPSS 18.0对其进行线性回归分析, 建立回归模型; 将2014年最大月降水量作为自变量分别代入回归模型, 求得该降水量下的理论NDVI值, 该理论NDVI值表示在该降水量条件下, 植被生长所能达到的最佳状态。计算NDVI值的遥感数据来源于TM 7。

3 结果与分析

巴林右旗一级分区选用立地条件中的海拔和主要植被类型数据中森林、草地和灌丛的属性值作为一级区分级指标, 并生成生态修复一级区图。巴林右旗区域海拔变化范围为355~1 900 m, 以1 000~1 900 m范围内地貌为中山区, 500~ < 1 000 m为丘陵区, < 500 m为平原区。根据上述规则进行划分, 巴林右旗地区的北部为中山区, 中部为丘陵区, 南部为平原区。中山区主要植被类型为森林, 丘陵区主要植被类型为灌丛, 平原区主要植被类型为草地。应用空间分析技术ArcGIS 10.2中的spatial analyst/reclassify功能, 依据上述界定的海拔范围进行划定并赋值为4位数, 北部中山森林保护大区、中部丘陵灌丛保护修复大区和南部平原草原修复大区分别赋值1 000、2 000和3 000。

巴林右旗二级分区基于主导生态功能空间分布图进行确定。二级区的赋值为3位数, 例如防风固沙功能赋值100, 土壤保持功能赋值200, 水源涵养功能赋值300, 生物多样性维护功能赋值400。

巴林右旗三级分区依据生态退化程度进行判定。其中, 在未退化区进一步采用自然断裂法, 按照实际NDVI值从大到小将未退化区进一步划分为优先保护区、重点保护区和一般保护区3类。轻度退化划定为预防修复区, 中度退化划定为调控修复区, 重度退化划定为重点修复区, 将上述新划定的区域进行赋值, 将具有相同赋值的栅格合并为1个斑块, 最终生成生态修复三级区图。三级区的赋值为2位数, 例如优先保护区赋值10, 重点保护区赋值20, 一般保护区赋值30, 预防修复区赋值40, 调控修复区赋值50, 重点修复区赋值60, 通过栅格属性值重分类生成生态修复三级区图。上述自然断裂法可以采用ArcGIS软件中的natural breaks功能予以实现。

将一级、二级和三级分区图进行叠加运算生成生态修复分区图。上述叠加运算是针对各分区图中赋值的code层。实施例最终生成的生态修复分区图的code统一为四位数, 末位数为相同立地条件、相同主导功能和相同退化程度下栅格的顺序数, 生态修复分区依据该三级划分的四位数进行命名, 如:(1) 北部中山森林土壤保持重点保护区(1221);(2) 中部丘陵灌丛防风固沙预防修复区(2141);(3) 南部平原草原土壤保持预防修复区(3241)。

根据区域地势地貌植被类型、生态服务功能空间分异规律和生态系统退化程度将巴林右旗划分为3个一级区、7个二级区和29个三级区(表 3，图 2), 使每个生态修复空间单元具有一定的主导生态功能, 并将其作为生态恢复目标, 既体现了生态功能的空间分异规律, 又使得恢复具有针对性。

北部中山森林保护大区区域内包括赛罕乌拉国家级自然保护区, 整体保护状况良好, 但区内仍存在过度放牧造成的土地退化现象, 因此该区域需进一步减少放牧压力。目前, 减轻放牧压力采取的主要对策包括退耕还草和禁牧等。但要从根本上解决问题, 需要转变经济发展模式, 实现经济与生态的“共赢”, 因此生态修复过程中的调控模式应包括退耕地中草药种植、苗圃基地建设和有机羊认证等, 在保证当地牧民经济收入不下降的同时提高生态修复力度。

中部丘陵灌丛土壤保持预防修复区、中部丘陵灌丛防风固沙预防修复区属于轻度退化区, 该区在减少人为干扰的同时, 需要采取一定的修复技术与模式预防生态进一步退化。采取的模式有封育、轮牧、转变经济发展模式和建立中草药种植基地等。其中, 轮牧可按照沙地中广泛分布的坨子地、沼地和低湿平坦甸子地实行区划, 按季节进行轮牧。中部丘陵灌丛土壤保持重点修复区、中部丘陵灌丛防风固沙重点修复区属于重度退化区, 除实施人工植被恢复与重建模式、禁牧等措施以外, 需要采取调控修复模式, 对区域实行载畜定量政策, 并结合有机肉认证, 在减少载畜量的同时保证牧民收入不降低。

南部平原草原防风固沙重点修复区、南部平原草原土壤保持重点修复区属于草原重度退化区。可采取沙地农林牧复合家庭生态经济模式, 该模式已在科尔沁沙地西部乌兰敖都地区建立并推广, 取得较好效益, 包括“家庭牧场”、“小草库伦”等生态经济模式, 推广建立家庭式农林牧复合结构, 建立集约型家庭牧场, 开展宣传教育及典型示范, 转变靠天养畜的旧习, 在区域内逐步推广半舍饲养, 进而过渡到全舍饲养经营。南部平原草原防风固沙调控修复区、南部平原草原土壤保持调控修复区属于中度退化、人为干扰较重地区, 采取农牧结合型修复调控模式, 充分利用丘间平地种植粮食、牧草等以开辟饲草来源, 根据实际情况可以选择在沙丘边缘播种小叶锦鸡儿、差巴嘎蒿和草本植物沙打旺等富蛋白植物。

4 讨论

所划定的生态修复分区目的与生态功能分区相同, 都是为了维护区域生态安全而开展的生态分区, 但着眼点不同, 生态功能分区更注重生态系统主要服务功能空间布局, 笔者所划定的生态修复分区是在功能分区基础上综合考虑区域生态系统退化程度, 并在生态功能重要性分析基础上判定区域主导生态功能, 明确修复重点, 因此笔者研究方法较其他分区方法更具有针对性, “对症下药”指导生态修复实践, 进而节省生态修复人力、物力和财力的投入。所选研究区巴林右旗为国家主体功能区划中科尔沁草原生态功能区的重要组成部分, 因此笔者的研究结果可对科尔沁草原生态功能区的生态修复提供技术支撑, 也可在相似区域进行推广应用。

主导生态功能及生态退化程度计算公式及相关参数的选取将影响分区结果, 笔者采用生态功能及生态退化诊断常用公式及经验参数进行计算, 下一步研究过程中将通过实地调研与生态试验, 将参数进行公里网格化, 进一步提高运算精度, 并结合人类生态需求提出更加有力的生态修复措施。