基于生态系统服务供需的农牧交错带流域生态修复分区研究

基于生态系统服务供需的农牧交错带流域生态修复分区研究

生态环境保护和修复是全球性的话题，也是中国当前可持续发展战略的重要组成部分。本文以桑干河上游为例，探讨了基于生态系统服务供需的农牧交错带流域生态修复分区，为生态环境保护和修复提供了科学依据和实践指导。

基于生态系统服务供需的农牧交错带流域生态修复分区研究，有助于维护农牧交错带生态安全和社会经济可持续发展。以地处农牧交错带的桑干河上游为例，选取土地利用、气象观测、统计年鉴等多源数据，基于InVEST模型和ArcGIS空间分析模块探讨2020年桑干河上游碳固持、食物供给、产水和土壤保持这4项生态系统服务供需空间分布格局，并通过象限匹配法和耦合协调度模型进行生态修复分区研究。结果表明：2020年桑干河上游4项典型生态系统服务供给的空间分布与流域地形地貌基本保持一致，形成一个环绕桑干河主干道的半闭环式的高值带，需求的高值区则与人口密集区基本吻合。桑干河上游生态系统服务供需匹配类型以高供给-高需求和高供给-低需求的匹配类型为主，供需耦合协调度平均值为0.23，处于轻度失调状态，生态系统服务供需错配现状突出。根据桑干河上游生态系统服务供需匹配和耦合协调关系及社会经济特征，将桑干河上游划分为5个生态修复区，即神头泉域生态修复区、北部古长城沿线生态屏障带、大同盆地防风固沙区、内长城沿线水源涵养和生物多样性保护区、桑干河水生态修复与生态多样性保护带，并通过搭配组合“辅助再生、自然恢复、生态重建、保护保育”等生态修复措施，提升各分区以固碳保持、耕地保护、水源涵养、水土保持为主的生态功能。

研究区与研究方法

研究区概况

桑干河发源于山西省宁武县管涔山庙儿沟，在河北省怀来县朱官屯与洋河汇合后入永定河，之后贯穿京津冀地区核心区。研究区为桑干河上游山西段（111°55′E114°33′E，38°55′N40°44′N），流经山西省忻州市、朔州市和大同市的5区14县，流域面积为1.86万km2，占永定河总流域面积的40%。研究区地处晋西北黄土高原东部边缘和北方农牧交错带西段，地势总体西南高、东北低。属北温带较干燥的大陆性气候，受季风影响强烈，降水主要集中在6—8月，1—3月降水量不足，且年际间降水变化大。东北沿线为农牧混合地带，主要为黄土覆盖区，结构疏松，地形破碎，沟壑纵横；内部包含大同盆地冲积平原区，盆地内地形较平缓，是重要的粮食产区。同时，桑干河流域内旅游资源丰富，有神头泉域、古长城等景观。

数据来源与处理

研究使用的数据集包括土地利用、数字高程模型（DEM）、降水量、土壤、人口密度、归一化植被指数、社会经济等方面数据。2020年土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/），并根据GB 21010—2007《土地利用现状分类标准》及研究区自然本底现状，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地6类；DEM数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），分辨率为30 m；降水量数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/），选取包含研究区15个气象站点的逐日数据，通过ANUSPLIN方法插值获得；土壤数据来源于寒区旱区科学数据中心（http://westdc.westgis.ac.cn/），基于世界土壤数据库（HWSD）的中国土壤数据集（v1.1）；2020年人口密度栅格数据来自于世界人口数据网站（www.worldpop.org/），分辨率为100 m；2020年归一化植被指数（NDVI）来源于美国国家航空航天局（NASA）的MODIS数据（https://search.earthdata.nasa.gov/search）；社会经济数据来源于《中国统计年鉴（2021年）》。数据统一处理为Albers_ConIc_Equal_Area投影，栅格数据重采样为30 m。

研究方法

桑干河上游由于长期过度开垦和超载过牧，造成水土流失、土地盐渍化、生态环境恶化、自然灾害频发、人地矛盾凸显等问题，面临多种生态胁迫。考虑桑干河上游生态安全和粮食安全的底线约束，以及桑干河作为京津冀重要水源地的生态功能区定位，在参考前人研究的基础上，选取碳固持和食物供给生态服务功能表征桑干河流域生态安全和粮食安全的基本诉求，选取产水服务和土壤保持服务表征桑干河作为京津冀重要水源地的生态功能区定位，并将上述结果在归一化处理的基础上等权叠加，得到桑干河上游生态系统服务供需的空间分布格局。

（1）碳固持服务

通过InVEST模型中碳固持模块（Carbon Storage and Sequestration）中的碳储量来表征碳固持服务的供给量，以人均碳排放量和人口密度的乘积作为碳固持服务的需求量。

（2）食物供给服务

NDVI可以用来表征植被的生长状况和覆盖变化，并与农作物产量存在显著的线性关系。利用栅格NDVI与耕地、草地和水域的总NDVI的比值来分配研究区的食物总产量；以人均食物需求量和人口密度的乘积作为对食物供给的需求量。

（3）产水服务

采用InVEST模型中的产水模块（Annual Water Yield）量化研究区的供给量，采用人均耗水量与人口密度的乘积表征产水服务的需求量。

（4）土壤保持服务

利用InVEST模型中SDR模块（Sediment Delivery Ratio）计算区域土壤保持量与侵蚀量。

结果与分析

桑干河上游生态系统服务供给格局

桑干河上游生态系统服务供给空间格局如图2所示。由图2可知，桑干河上游生态系统服务供给的空间分布格局与地形地貌以及土地利用类型关系密切，形成一个环绕桑干河主干道的半闭环式生态系统服务供给高值带。其中，碳固持供给服务高值区主要分布在流域的山地丘陵区，土地利用类型主要包括草地和林地；食物供给服务高值区主要分布在流域平原区的南部以及东北部，覆盖的县域包括朔城区、山阴县、应县、浑源县以及阳高县和天镇县；产水供给服务呈现由西南向东北递减的趋势，与区域降水分配格局一致；土壤保持服务与碳固持服务供给分布格局相似，山地丘陵区生态服务供给值明显高于平原区，这是因为山地植被状况良好，土壤保持量相对较高，而中部平原主要土地类型为耕地和建设用地，土壤保持能力相对较弱。此外，研究区生态系统服务供给低值区与各区县人口、建设用地密集区分布相一致。总体来看，桑干河上游中部以及东北部平原区以耕地、建设用地为主，是人类活动的主要区域，该区食物供给服务水平较高，而其他生态系统服务供给水平相对较低；南部以及西北部以草地和林地为主，生态环境条件较好、生态功能相对稳定，碳固持、产水及土壤保持服务供给水平均较高，在维护区域生态安全中发挥着核心作用。

桑干河上游生态系统服务需求格局

桑干河上游生态系统服务需求空间格局如图3所示。由图3可知，碳固持、食物及产水生态系统服务需求的高值区与人口、建设用地密集区空间分布相一致，需求高值区土地利用强度大，对生态系统服务需求较大，生态保护压力大。而土壤保持需求高值区主要分布在流域南部以及西北部易受土壤侵蚀的黄土丘陵沟壑区，包括平鲁区、左云县与怀仁县交界地区、云冈区的西北部、神池县、宁武县、代县、应县和浑源县东南部及广灵县等。

桑干河上游生态系统服务供需关系

桑干河上游14个县（区）生态系统服务供需象限如图4所示。由图4可知，桑干河上游14个县（区）生态系统服务供需匹配共分为4种类型（图4）：高供给-高需求匹配型〔Ⅰ象限，包含5个区（县）〕；低供给-高需求错配型〔Ⅱ象限，包含2个区（县）〕；低供给-低需求匹配型〔Ⅲ象限，包含5个区县）〕；高供给-低需求错配型〔Ⅳ象限，包含2个区（县）〕。总之，研究区内生态系统服务供给和需求之间的错配现象突出。

从空间分布来看（图5），高供给-高需求区域面积占研究区面积的53%，主要分布在以耕地为主要土地利用类型的中部和东北平原区，其是桑干河流域人类活动的密集区，对生态系统服务的需求较高，但同时分布有生态源地和耕地，因此生态系统服务供需空间匹配合理。高供给-低需求区域面积占研究区面积的43%，主要分布在南部和西北部的山地丘陵区，区域以草地和林地为主要土地利用类型，植被覆盖度良好，生态系统服务供给水平高，是桑干河流域重要的生态屏障带。由于区域地势崎岖，人类活动相对较少，生态系统服务的需求较低。低供给-高需求区域面积占研究区面积的3%，主要分布在各区县以建设用地为主要土地利用类型的主城区以及各县政府驻地所在乡镇。该区域分布零散，主要分布在高供给-高需求区和高供给-低需求区2种类型的过渡地带。

研究区生态系统服务供需耦合协调度取值为0~0.7，平均值为0.23，表现为轻度失调。从空间分布来看，研究区生态系统服务供需耦合协调度的空间差异明显，失调程度由中部平原向外递增。其中生态系统服务供需基本协调和濒临协调区域的面积占研究区总面积的52%，主要分布在西北和东南部山地丘陵区；轻度失调区面积占研究区总面积的22%，主要分布在山区与平原区的过渡地带，其也是濒临失调区和严重失调区的过渡地带；严重失调区面积占研究区总面积的26%，该区主要分布在中部平原区，空间上呈东北—西南走向的条带状。

基于生态系统服务供需的生态修复分区和生态修复策略

具有针对性的生态修复分区管理策略能提升各分区生态服务的功能与效益。开展桑干河流域生态修复分区旨在提高桑干河流域生态安全和粮食安全状况，巩固桑干河作为京津冀重要水源地的生态功能区定位。在分析桑干河上游地区生态系统服务供需匹配和耦合协调度空间分布的基础上，根据生态修复分区的综合性、主导性原则，综合考虑桑干河流域自然地理单元的完整性和社会经济发展的差异性，以生态系统服务供需的空间异质特征为分区的主导因素，在参考《桑干河流域生态修复与保护规划》的基础上将研究区划分为5个生态修复分区。同时，根据桑干河上游生态修复分区的目标，从水土保持、耕地保护、水源涵养、固碳保持等生态功能提升视角提出各区生态修复差异化管控措施。

（1）神头泉域生态修复区（Ⅰ区）

神头泉域是桑干河源头，其生境质量直接影响桑干河下游水环境质量，是流域生态保护的关键。该区生态系统服务供给水平高但人类活动较少，为高供给-低需求的生态系统服务供需匹配类型，供需耦合协调呈现濒临失调态势。该区生态修复策略为辅助再生+自然恢复，主要目标是提升区内水源涵养能力，以满足中下游的用水需求。针对该区由于采煤取水造成神头泉流量衰减、水质降低等问题，宜通过辅助再生方式，加强厂矿企业村镇整治，控制管理水资源开采量；实施高效节水灌溉工程、河道治理工程、关井压采项目、小流域综合治理、坡改梯治理工程、淤地坝除险加固主体工程建设，提高泉域水生态、水环境质量。同时，通过自然恢复方式，恢复泉源区植被覆盖率，提高人工湿地面积，净化泉域水质。

（2）北部古长城沿线生态屏障带（Ⅱ区）

该分区北靠古长城与内蒙古自治区毗邻，处于农牧交错地带边缘，地势高且降水少。该区风力强且土壤质地粗，风沙灾害明显，是京津地区风沙的传输区域，属于土地沙漠化敏感区。该区生态系统服务供需匹配类型属于高供给-低需求，供需耦合协调呈现濒临失调态势。该区生态修复策略为辅助再生，主要目标是提升水土保持能力。针对该区土壤风蚀、水蚀特点，通过辅助再生方式，持续推动防风固沙营林工作，对局部流动、半流动沙丘配置沙障并种植灌草，同时加强区内水土保持监管；采取小流域综合治理，改造坡耕地，发展设施农业。此外，该区还应加大矿区等生态敏感区的土地复垦工作力度，进行塌陷地和排土场综合治理，重建和恢复生态系统的结构和功能。

（3）大同盆地防风固沙区（Ⅲ区）

该分区地处大同盆地，是桑干河上游农业生产的重点区域。该区生态系统服务供需匹配以高供给-高需求为主，而低供给-高需求的匹配类型分布在人口集聚的城镇地区，供需耦合协调呈现轻度失调态势。采取的生态修复策略为辅助再生+生态重建，主要目标是缓解人地矛盾，维护粮食安全，平衡区内供需。该区是由洪积扇形成的山麓倾斜平原，春夏两季土壤水分蒸发旺盛，地势低洼处存在不同程度的盐渍现象。对此宜调整农业产业结构，并通过工程措施、耕作措施提升碳固持、水土保持和粮食供给功能。针对该区坡耕地水土侵蚀状况，宜实施退耕还林还草工程，建设坡地水土保持林，并在山前丘陵台地推进坡耕地综合整治、侵蚀沟治理。针对城乡居民点人口集聚造成的供需失调，宜加强农村居民点的整理和废弃矿区的土地复垦，改善农村生产生活条件；加快调整农业产业结构，同时推动节水灌溉和水源工程建设。

（4）内长城沿线水源涵养和生物多样性保护区（Ⅳ区）

该分区位于研究区南部边缘，生态系统供需匹配为高供给-低需求匹配类型，供需耦合协调呈现基本协调态势。区内山高坡陡，地貌复杂，同时生态旅游资源丰富。该区生态修复策略为保护保育+自然恢复+辅助再生，主要目标是提升水源涵养和固碳保持功能，为生态旅游创造条件。针对区内植被破坏导致的森林生态功能下降、水源涵养能力降低问题，采取自然恢复+人工抚育更新等措施促进浅山疏地生态恢复，在荒山荒地区营造水源涵养林，而对远山深山人口稀少地区则以封育措施为主，提升水源涵养、碳固持和土壤保持能力，打造特色生态旅游区。

（5）桑干河水生态修复与生态多样性保护带（Ⅴ区）

该分区为狭长的桑干河流域两岸以及部分平原区，生态系统服务供需匹配以高供给-高需求类型为主，供需耦合协调呈现轻度失调态势。虽然近年来桑干河主干道沿线生态修复工作已见成效，但仍存在地表径流减少、河床沙化、湿地面积萎缩、河道两侧植被覆盖率低、河滩地种植侵占河道、疏水行洪不畅等问题。该区生态修复策略为辅助再生+生态重建，主要目标是推进生态环境保护和生态经济融合发展。针对该区生态环境问题，持续推进“清河行动”，深化“河长制”工作考核，加强水环境日常监管防护，推动管护工作的社会化、专业化；其次，还应加强顶层设计，打造桑干河沿河生态文化带。

工作成效

（1）桑干河上游生态系统服务供需空间分布差异明显。生态系统服务供给形成一个环绕桑干河主干道的半闭环式的高值带。生态系统服务需求（除土壤保持服务）高值主要分布于各区县人口密集区，而土壤保持服务需求高值出现在地势较高的山地丘陵区。

（2）桑干河上游生态系统服务供需匹配类型以高供给-高需求和高供给-低需求的匹配类型为主。供需耦合协调度为0~0.7，平均值为0.23，表现为轻度失调。

（3）通过空间叠加分析生态系统服务供需匹配和耦合协调度，将桑干河上游划分为5个生态修复分区，并提出因区制宜的修复策略：神头泉域生态修复区作为桑干河源头，通过辅助再生+自然恢复措施提升水源涵养能力；北部古长城沿线生态屏障带，通过辅助再生措施提升水土保持能力；大同盆地防风固沙区，通过辅助再生+生态重建措施提升粮食供给能力来缓解人地矛盾；内长城沿线水源涵养和生物多样性保护区，通过保护保育+自然恢复+辅助再生措施来打造特色生态旅游区；桑干河水生态修复与生态多样性保护带，通过辅助再生+生态重建措施推进生态和经济融合发展。