2. 四川师范大学国土资源开发与保护协同创新中心, 四川 成都 610066
2. Collaborative Innovation Center for Land Resource Development and Protection, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, China
自然生态系统是地球生命支持系统的重要组成部分，是人类赖以生存和社会发展的基本保证[1]。当前，人类活动对自然生态系统的影响范围和干扰强度正在不断加大，导致生态系统结构破坏、功能下降，并由此引发土地退化、沙漠化和生物多样性锐减等一系列生态环境问题，成为制约人类福祉提高和区域社会经济发展的主要因素。如何对生态系统进行合理利用与科学管理，遏制生态系统服务功能的退化趋势，从而维护区域生态安全和人类福利不受影响是区域可持续发展的重要内容[2]，也是世界各国学者研究的热点问题[3-5]。
生态功能区划是根据区域生态系统类型、生态环境敏感性和生态服务功能的空间分异规律，将区域划分成不同生态功能区的过程[6]，对于促进脆弱生态系统的保护与恢复、保障区域生态安全、推动经济社会与生态环境保护的协调发展具有十分重要的意义。中国于2002年发布了《生态功能区划暂行规程》，对开展生态功能区划的一般原则、主要内容和方法等作出了明确规定[7]；原环境保护部和中科院于2008年联合编制了《全国生态功能区划》，并结合新时期中国生态安全与保护形势，以“全国生态环境十年变化(2000—2010年)调查与评估”为基础，对《全国生态功能区划》进行了修编[8]。除此以外，相继有学者从省域[9]、市域[10]和县域[11]等空间尺度开展了大量生态功能区划实证研究，为区域生态系统管理提供了重要指导。但由于中国疆域辽阔，气候和地形地貌等条件区域差异较大，各类生态系统发育与演变的自然基础和开发利用程度不尽相同，基于全国和行政区尺度的区划方案不足以反映流域尺度的特征，区划结果也很难直接用于指导流域生态保护和生态建设方案的实施[12-13]。因此，丰富以流域为尺度单元的生态功能区划理论框架和案例研究，可为流域生态环境保护和生态建设提供科学依据，进而为实现流域的可持续发展奠定基础。
长江上游是中国关键生态区域和整个长江流域生态安全的重要屏障，其复杂多样的生态系统、丰富的生物多样性和特殊的自然环境，决定着它在长江流域以及全国有着不可忽视的生态战略地位[14]，上游地区的生态建设更应以预防保护为主，因此开展长江上游生态功能区划则显得至关重要，但现有相关研究还比较缺乏。笔者以长江上游为研究区域，运用GIS空间分析技术，在揭示研究区生态环境敏感性与生态系统服务功能重要性空间分异规律的基础上，以子流域为基本区划单元，采用两步聚类法进行长江上游生态功能区划，以期为明确对长江上游生态安全有重要影响的区域、划定生态保护红线以及制定差别化的生态保护策略与管理措施等提供科学依据，进而为长江上游的生态屏障建设乃至实现长江经济带的可持续发展提供决策参考。
1 研究区概况长江上游指长江源头至干流宜昌段，长4 511 km，约占长江总长度的70%，主要支流有雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等；上游流域面积105.4×104 km2，占长江全流域面积的58.9%，涉及青、藏、云、贵、川、渝、陕、甘、鄂共9省(自治区、直辖市)(图 1)。
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图 1 研究区地理位置 Fig. 1 Location of the study area |
长江上游地区分布着中国三大林区和五大草场之一，林地面积占全流域的43.7%，草场占全国的6%，草山、草坡约占全国的1/5。该区生物资源种类繁多，共有高等植物1万多种，其中药用植物4 100余种；野生脊椎动物1 100余种，占全国总种数的40%以上[15]。长江上游地区为规模宏大、具有全球意义的生态脆弱带和全球环境变化的敏感区[16]。
2 数据来源及预处理研究使用的主要数据：气象数据(气温、降水、风速、相对湿度和日照时数等)，来源于国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/site/index.html)提供的研究区及其周边206个气象站1980—2015年逐日气象观测数据；DEM数据采用ASTER GDEM数据产品，空间分辨率为30 m，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)；土地利用数据采用2015年中国1:10万土地利用现状遥感监测数据，该数据是基于Landsat 8遥感影像，通过人工目视解译生成；生态系统类型数据采用2015年中国陆地生态系统类型空间分布数据，该数据是在遥感解译获取的中国1:10万土地利用/土地覆盖数据基础上，对各生态系统类型进行辨识，经分类处理形成；植被类型数据采用中国1:100万植被类型空间分布数据；归一化植被指数(NDVI)数据采用中国1998年以来SPOT_Vegetation 1 km月度植被指数数据集，2010—2015年共72期；土壤侵蚀数据采用中国土壤侵蚀空间分布数据；底图(行政区划、河流)采用2015年中国县级行政边界数据和中国三级流域空间分布数据，以上数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。土壤数据采用世界土壤数据库(HWSD)中的中国土壤数据集(V1.1)[17]，地貌数据采用中国1:400万数字地貌数据集，来源于寒区旱区科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn/)。以上数据在经过拼接、配准、裁剪、投影变换和重采样等一系列预处理后，统一转换成grid栅格数据类型，空间分辨率为1 km，并统一地理坐标和投影坐标。
3 研究方法 3.1 生态环境敏感性评价 3.1.1 生态环境敏感性评价标准生态环境敏感性评价是在不考虑人类活动影响的前提下，评价具体的生态过程在自然状况下潜在的产生生态环境问题的可能性[18]。根据长江上游地区的实际情况[19]，生态环境敏感性评价主要针对土壤侵蚀、土地沙漠化和石漠化等生态环境问题，共选取12个指标进行生态敏感性评价，在参考相关研究成果[20-21]的基础上，结合原国家环境保护总局发布的《生态功能区划暂行规程》，对各敏感性评价指标按照不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极敏感分别赋值1、3、5、7和9(表 1)。
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表 1 长江上游生态环境敏感性评价指标及分级标准 Table 1 Evaluation indices and classification of ecological environment sensitivity in the Upper Yangtze River |
降雨侵蚀力参考周伏建等[22]提出的简便算式进行估算；湿润指数用年均降水量与年潜在蒸散量的比值表示[23]；冬春季大于6 m·s-1大风天数的统计方法为选取每年1—5月和11—12月2个时段[24]，采用反距离权重插值法进行空间插值；地形起伏度通过ArcGIS 9.3软件中的邻域计算工具，在研究区数字高程模型(DEM)图上采用5 km×5 km的基本窗口提取；冬春季NDVI则采用多年冬春季NDVI最大值的均值；植被覆盖度采用李苗苗等[25]提出的改进像元二分模型进行估算，并取多年平均值。
评价过程首先基于各生态环境问题的形成机制对特定生态环境问题的敏感性进行评价，然后对多种生态环境问题的敏感性进行综合分析，以揭示长江上游地区生态环境敏感性的空间分布特征和地域分异规律。
3.1.2 特定生态环境问题敏感性评价采用几何平均数模型计算各生态环境问题的敏感性指数，其计算公式为
| $ S_{j}=\sqrt[n]{\prod\limits_{i=1}^{n} C_{i j}}。$ | (1) |
式(1)中，Sj为评价单元第j类生态环境问题的敏感性指数，j=1，2，3；Cij为第j类生态环境问题第i项评价指标的敏感性程度分值；n为第j类生态环境问题对应的评价指标个数。
3.1.3 综合敏感性评价由于综合敏感性评价涉及诸多评价因子，任何因子受影响的程度一旦超过阈值，整体生态系统将受到严重破坏[26]，因此采用极大值法对多个生态环境问题的敏感性进行综合评价，其计算公式为
| $ I=\max \left(S_{j}\right)。$ | (2) |
式(2)中，I为生态环境的综合敏感性指数。
3.2 生态系统服务功能重要性评价生态系统服务功能重要性评价是对区域生态系统典型服务功能的能力和价值进行评估，明确各类生态系统的服务功能对区域可持续发展的作用与重要性，并依据重要性分级，明确其空间分布[2]。根据长江上游分布的主要陆地生态系统类型，从水源涵养、生物多样性保护和土壤保持3个方面进行生态系统服务功能重要性评价。评价过程首先针对单一生态系统服务功能的重要性进行评定，依次划分为一般重要、中等重要、较重要和极重要4个等级；然后为了识别研究区主导的生态系统服务功能及其重要性，采用极大值法对各类生态系统服务功能的重要性进行叠加运算，并绘制长江上游生态系统服务功能重要性综合评价图，以揭示其空间分布格局与特征。
3.2.1 水源涵养重要性区域生态系统水源涵养的重要性评价在于评价研究区提供水资源保障及洪水调节作用的大小[27]。结合已有研究成果[21, 28]和研究区实际情况，选择河流及其缓冲区、湖泊、水库和水源涵养林作为水源涵养重要性评价指标，并根据重要性程度对各评价指标进行分级赋值(表 2)。
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表 2 长江上游水源涵养重要性评价指标与分级 Table 2 Evaluation indices and classification of water conservation importance in the Upper Yangtze River |
《生态功能区划暂行规程》要求根据国家与省级保护物种的数量来评价生物多样性保护的重要地区，但由于各保护物种很难落实到确切的空间上，而生物丰度指数指单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异，可以间接反映被评价区域内生物的丰贫程度[29]。因此，采用生物丰度指数作为衡量生物多样性保护重要性的评价指标，并按照0~25(一般重要)、>25~50(中等重要)、>50~75(较重要)和>75~100(极重要)分别赋予重要性等级。其计算公式为
| $ I_{\mathrm{VBR}}=A_{\mathrm{bio}} \times\left(0.35 \times A_{\mathrm{f}}+0.21 \times A_{\mathrm{g}}+0.28 \times A_{\mathrm{w}}+0.11 \times\right.\\ \left.A_{\mathrm{a}}+0.04 \times A_{\mathrm{c}}+0.01 \times A_{\mathrm{u}}\right) / A, $ | (3) |
| $ A_{\mathrm{bio}}=100 / A_{\mathrm{max}}。$ | (4) |
式(3)~(4)中，IVBR为生物丰度指数；Af为林地面积，km2；Ag为草地面积，km2；Aw为水域湿地面积，km2；Aa为耕地面积，km2；Ac为建设用地面积，km2；Au为未利用地面积，km2；A为区域面积，km2；Abio为生物丰度的归一化指数；Amax为生物丰度指数归一化处理前的最大值。
3.2.3 土壤保持重要性土壤保持重要性评价是在考虑土壤侵蚀敏感性的基础上，分析其对下游河流和水资源的潜在危害程度。考虑到如果以河流水系和主要水源水体作为评价对象，评价结果将呈现沿河流分布的线状和分散的块状分布趋势，与其他生态系统服务功能重要性评价结果难以衔接，也不利于土壤保持重要性空间分布特征的刻画。因此，在参考相关研究的基础上，选取土壤侵蚀敏感性和土壤侵蚀强度作为土壤保持重要性的评价指标，将2个图层进行叠置分析，并根据表 3的分级标准赋予重要性等级。
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表 3 长江上游土壤保持重要性评价指标与分级 Table 3 Evaluation indices and classification of soil conservation importance in the Upper Yangtze River |
两步聚类法(Two Step Cluster)是近年来才发展起来的一种智能聚类方法，可以用来解决海量数据、复杂类别结构时的聚类分析问题[30]。与常用的层次聚类法和快速聚类法相比，两步聚类法可以同时处理连续变量和离散变量，而不需要在聚类前先对离散变量进行连续化。同时，两步聚类法采用对数似然值度量类间距离，并根据一定的统计标准来“自动地”建议甚至确定最佳的类别数[31]，结果的正确性更有保障。
区划过程首先基于DEM数据和ArcGIS 9.3软件中的水文分析工具，提取子流域作为生态功能区划的基本单元；然后，以生态环境敏感性和生态系统服务功能重要性评价结果作为聚类变量，采用两步聚类法对子流域进行聚类分析，并根据施瓦茨贝叶斯准则(BIC)、BIC变化量和距离测量比率确定最佳聚类数；最后，遵循主导因素、区域相关性与共轭性、生态系统类型相似性与差异性、主导生态系统服务功能一致性等区划原则，并通过地理相关法、空间叠置法和主导标志法等空间分析方法与GIS技术，对有关子流域进行合并和边界调整，自上而下将研究区划分为不同层次的生态功能区划单位。
4 结果与分析 4.1 长江上游生态环境敏感性评价结果与分析长江上游生态环境敏感性评价结果如图 2所示。从综合评价结果来看，长江上游生态环境整体上处于中度至高度敏感的状态，其中土壤侵蚀敏感性最为突出。土壤侵蚀极敏感区主要分布在甘肃陇南的西和、礼县和武都区以及天水的秦州区和麦积区中北部，面积0.36万km2；高度敏感区主要分布在陇南地区、四川盆地周边、川滇干热河谷、川西北以及长江源区的通天河下游地区，面积33.64万km2，占研究区总面积的34.33%。土地沙漠化极敏感区主要分布在长江源区楚玛尔河中游地区，面积0.83万km2；高度敏感区与极敏感区毗邻，主要分布在楚玛尔河上游、北麓河流域以及通天河上游地区，面积5.46万km2，占研究区总面积的5.58%。石漠化极敏感区和高度敏感区交织分布，面积2.38万km2，占研究区总面积的2.43%，主要分布在川西南峡谷山地，云南东北部的曲靖、昭通，贵州北部和西北部的遵义、毕节，重庆的东部和东北部以及湖北的秭归、兴山和巴东等地区。
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图 2 长江上游生态环境敏感性空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of ecological environment sensitivity in the Upper Yangtze River |
长江上游生态系统服务功能重要性评价结果如图 3所示。从综合评价结果来看，长江上游生态系统服务功能总体上呈现较重要、极重要的态势，其中水源涵养和生物多样性保护的贡献较大。水源涵养极重要区主要分布在岷山—邛崃山一线、乌蒙山以及黔川渝3省市结合部的遵义等地，面积4.48万km2；较重要区面积37.22万km2，分布于川西北高原、横断山区、藏东南、川南、贵州北部、渝东南和大巴山等地区。生物多样性保护极重要区面积25.20万km2，主要包括岷山—邛崃山区、横断山区等，涉及甘肃的迭部、舟曲、文县，四川的若尔盖、九寨沟、松潘、平武、北川、汶川、小金、宝兴、天全，云南的香格里拉、德钦，贵州的开阳、修文、龙里，重庆的武隆、石柱以及湖北的神农架林区等；较重要区主要分布在长江源区、川西高原、川滇交界、川滇黔交界以及秦巴山区等地，面积45.43万km2，占研究区总面积的46.37%。土壤保持极重要区主要分布在甘肃的礼县、西和，四川的平昌、通江、屏山、会理、会东，西藏的贡觉、察雅以及重庆的开县、綦江等地，面积3.03万km2；较重要区主要分布在环四川盆地丘陵区、川西高原、藏东南以及川滇干热河谷等区域，面积43.26万km2，占研究区总面积的44.15%。
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图 3 长江上游生态系统服务功能重要性空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of ecosystem services importance in the Upper Yangtze River |
通过DEM和GIS水文分析工具，研究区共生成子流域5 725个(图 4)，将DEM自动提取的河网与现状河流进行空间对比，发现两者总体吻合较好，说明提取的子流域较为可靠。
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图 4 长江上游子流域空间分布 Fig. 4 Distribution of sub-basin in the Upper Yangtze River |
利用ArcGIS 9.3软件中的分区统计工具，将生态环境敏感性和生态系统服务功能重要性的评价结果赋予(关联)子流域单元，为了最大程度保留数据的基本信息，除水源涵养重要性评价结果采用众数(majority)方法进行处理，其他评价结果(重分类前的评价值)采用平均值。利用SPSS 21.0软件中的分类模块对所有子流域进行两步聚类分析，聚类结果显示，当聚为15类时BIC值相对较小，同时BIC变化率的绝对值和距离测量比率的数值相对较大，因此初步判断最佳类别数为15。将软件生成的聚类成员变量与子流域矢量图层进行关联，对有关子流域进行合并，并参照相关自然地理分区成果对边界进行调整，最终形成长江上游三级生态功能区划方案(图 5~6)。
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图 5 长江上游生态功能一级和二级区划 Fig. 5 The first and second order of ecological funcation regionalization in the Upper Yangtze River |
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图 6 长江上游生态功能三级区划 Fig. 6 The third order of ecological function regionalization in the Upper Yangtze River |
一级区划主要参考大地貌特征和研究区地理特点，共划分3个生态区，分别是青藏高原生态区、云贵高原生态区和四川盆地生态区。
二级区划是在一级区划的基础上，将一级区划结果与研究区陆地生态系统类型空间分布数据进行叠加，选择其重要或典型者，共划分7个生态亚区，即长江源草地生态亚区、横断山区林草复合生态亚区、云南高原农林草复合生态亚区、贵州高原农林复合生态亚区、四川盆地农林复合生态亚区、汉中盆地农林草复合生态亚区和三峡地区森林生态亚区。
三级区划重点体现生态系统服务功能类型及其重要性和生态环境敏感性特点，选择其重要或典型者，共划分15个生态功能区(图 6、表 4)。
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表 4 长江上游生态功能区命名与特征 Table 4 The name and characteristic of ecological function regions in the Upper Yangtze River |
该研究在区划方法上与《生态功能区划暂行规程》和已有研究存在一定的差异，主要体现在以下几个方面：
(1) 定性指标定量化。例如，在土地沙漠化敏感性评价中，针对冬春季植被覆盖指标，暂行规程和文献[32]均根据茂密、适中、较少、稀疏和裸地等类型划分敏感性程度，缺乏明确的界定标准，该研究则采用多年冬春季NDVI最大值的均值进行衡量，提高了指标分级涵义的准确性。
(2) 在数据可获得性的基础上，选择适当的指标表征生态系统服务功能重要性。例如，在生物多样性保护重要性评价中，暂行规程和文献[33]均根据区域保护物种的数量来进行评价，但由于该研究中的研究区域属中观尺度，保护物种的空间分布数据较难获取，因此笔者在参考借鉴相关专题研究成果的基础上，采用生物丰度指数来进行表征，在一定程度上也能够反映生物多样性保护的重要区域。
(3) 分区划界的方法不同。暂行规程要求采用定性和定量相结合的方法进行分区划界，边界的确定应考虑利用山脉、河流等自然特征与行政边界；有学者主张区划边界保持行政边界的完整性，有利于生态环境数据能与以行政单元统计的社会经济数据更好地融合[34]；还有学者采用专家智能集成、数理统计分析与GIS空间表达相结合的方法进行区划界线的拟定[35]。该研究以子流域作为基本区划单元，采用两步聚类法进行分区划界是一个新的尝试。一方面，子流域作为兼具封闭性与开放性的水文单元，对于流域尺度的生态功能区划来说针对性较强，子流域确定的边界范围也与国家全面推行河长制有一定的衔接；另一方面，两步聚类法作为一种快速分区分类方法，根据评价指标的数据特征和一定的判别准则进行聚类，既能反映每个类型区主导因素的显著差异，也能够在较大程度上减少人为划界的不确定性。
考虑到在实际的自然环境中，生态系统的分布界线大多为过渡边界，人为确定的固定区界将不可避免地对自然边界有所打破，尤其是在各类区界相交的位置处，不确定性较大，从而给生态管理的实施带来一定困难，未来如何进一步提高区划边界的科学性还有待深入研究。
5.1.2 区划结果将该研究的区划结果与《全国生态功能区划》(修编版)以及部分省(自治区、直辖市)的区划结果进行对比，可以看出：
(1) 区划体系与部分省(自治区、直辖市)尺度的区划体系能够较好的衔接，但与全国尺度的区划体系存在差异。笔者参照《生态功能区划暂行规程》，建立了生态区(3个)—生态亚区(7个)—生态功能区(15个)三级区划体系，四川省[36]、云南省[37]和重庆市[38]等地也采用了相同的区划体系，只不过在区划数量上有所不同，而全国层面的区划方案则采用了主导服务功能(3类)—重要生态功能类型(9类)—生态功能区(242个)的分区方式，侧重于明确生态功能区的空间分布。
(2) 区划结果在边界范围上与已有研究有所差异，但所反映的区域生态环境敏感性状况和主导生态系统服务功能大致相同(表 5)，导致差异的原因主要是该研究在基本区划单元选择、指标计算处理以及区划方法上与已有研究不同。另外，该研究的生态系统类型数据采用了2015年的最新成果，大多数评价指标也都统一到了该时点，时效性较强；而其他地区的区划结果大多于2010年前发布，采用的数据时间则更早，这也是导致结果存在差异的一个重要原因。
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表 5 与部分已有研究区划结果的对比[36-38] Table 5 Comparisons of the ecological function regionalization in this study and that in existing researches |
笔者基于中观尺度的区划视角，在揭示长江上游生态环境敏感性与生态系统服务功能重要性空间分异规律的基础上，以子流域为基本区划单元，采用两步聚类法划分生态功能区，对于落实长江经济带“共抓大保护、不搞大开发”的方针，推动长江经济带绿色与可持续发展具有一定的现实意义。主要研究结论如下：
(1) 长江上游生态环境整体上处于中度、高度敏感的状态，其中土壤侵蚀敏感性最为突出。土壤侵蚀极敏感区主要分布在陇南市和天水市；土地沙漠化极敏感区主要分布在长江源区楚玛尔河中游地区；石漠化极敏感区和高度敏感区交织分布，主要分布在川西南峡谷山地、云南东北部、贵州北部和西北部等地区。
(2) 长江上游生态系统服务功能总体上呈现较重要、极重要的态势，其中水源涵养和生物多样性保护的贡献较大。水源涵养极重要区主要分布在岷山—邛崃山区、乌蒙山以及黔川渝3省市结合部的遵义等地；生物多样性保护极重要区主要包括岷山—邛崃山区、横断山区等；土壤保持极重要区主要分布在甘肃的礼县、西和，四川的平昌、通江、屏山、会理、会东，西藏的贡觉、察雅以及重庆的开县、綦江等地。
(3) 长江上游地区可划分为青藏高原生态区、云贵高原生态区和四川盆地生态区，进而可细分为7个生态亚区和15个生态功能区。区划结果对于明确当地存在的主要生态环境问题，划定生态保护红线以及制定差别化的生态保护策略与管理措施等具有一定参考价值。
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