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    農業論文

    基于生態系統服務的浙江省水生態環境分區分類管控

    時間:2021年09月11日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

    摘要:水環境綜合管理被普遍認為是促進流域可持續發展的基本手段。生態系統服務是生態系統對人類福祉和生存的直接和間接貢獻,是維持與影響流域水生態環境的重要因素。隨著流域空間管控日益受到重視,基于生態特征的分區分類管控已成為流域精細化管理的重要

      摘要:水環境綜合管理被普遍認為是促進流域可持續發展的基本手段。生態系統服務是生態系統對人類福祉和生存的直接和間接貢獻,是維持與影響流域水生態環境的重要因素。隨著流域空間管控日益受到重視,基于生態特征的“分區分類”管控已成為流域精細化管理的重要內容。論文基于生態系統服務功能與水質關聯性,采用典型對應分析(CCA)選取了土壤類型、土地利用、歸一化植被指數和人口密度等4種生態特征作為水生態功能分區指標。結合流域生態特征、匯水區域和行政管理單元的空間分布,通過聚類分析及空間疊置法,將浙江省劃分了10個水生態功能區和510個水環境控制單元。采用當量因子法對各控制單元的生態系統服務價值進行系統評估。結果表明2015年浙江省生態系統服務總價值為5123.7億元,其中控制單元的生態系統服務價值范圍為59.8~136.5億元。利用K⁃means聚類方法得到了4類生態服務簇,并探討了各類生態服務簇的服務類型、空間分布特征以及與各單元水質的關系。研究結果表明,Ⅰ類簇主要分布在西部及西南部的山地丘陵區,其面積占了全省面積的52.68%;Ⅱ類簇的占地面積最小但水域面積相對較高,主要覆蓋千島湖和錢塘江河口;Ⅲ類簇分布相對分散,主要分布在丘陵平原地區;而Ⅳ類簇主要分布在城鎮較集中的平原地區。不同生態服務簇的主要生態服務類型存在明顯差異,如Ⅰ類簇以原料生產、水土保持、生物多樣性保護、氣體調節和氣候調節為主;Ⅱ類簇的主要生態服務類型為調節功能,包括氣體調節、水文調節和廢物處理;Ⅲ類簇和Ⅳ類簇以食物生產為主要的生態服務類型。水質特征與生態服務功能密切相關,生態服務價值越高,水體水質越好。因此根據各個生態服務簇的水質特征,將各類生態服務簇劃分為保護、維持、改善、整治4種類型,并提出了不同生態服務簇內水環境控制單元的差異化管控措施,以推進浙江省水生態環境的差異化管理。

      關鍵詞:水生態功能區;控制單元;生態服務;聚類分析;分區分類

    生態系統

      實施“分區、分類、分級、分期”的水生態環境管控是流域精細化管理的主流思想[1⁃2]。國務院2015年發布的《水污染防治行動計劃》明確提出了“研究建立流域水生態環境功能分區管理體系”,并提出對全國重點流域進行分流域、分區域、分階段的科學治理。

      “十三五”重點流域水污染防治規劃也提出了“流域⁃控制區⁃控制單元”三級分區管理體系[3]。“十四五”重點流域規劃由水污染防治改為水生態環境保護,反映我國水環境管理在由總量控制向環境質量轉型的基礎上,進一步向水生態系統健康方向轉變[4]。因此隨著流域空間管控思想的深入,開展水生態環境分區,明確不同區域水生態環境目標,制定差異化管控對策,將成為我國流域水生態環境精細化管理的核心內容之一[5]。

      根據不同的管理模式和劃分依據,國內外關于水生態環境分區的類型及方法較多,包括水生態分區、水生態功能分區、水環境功能分區等。Omernik[6]提出水生態區概念并采用地質、土壤、地形地貌、土地利用、植被、氣候等指標體系完成了美國國家尺度和地方尺度的水生態分區;歐盟、新西蘭等國家在Omernik指標的基礎上開展了適合本國情況及管理目標的水生態區劃[7⁃8]。我國在流域水生態環境分區中,因為管理目標不同,形成的分區體系也各異。

      始于20世紀90年代的水環境功能分區結合區域水資源開發利用現狀和社會需求,從污染物排放及水質影響等角度開展水體區劃;“十一五”以來遼河、海河、太湖、滇池等一些重點流域開展了不同層級的水生態功能分區,通過識別流域水生態系統格局與功能的空間異質性特征,辨析水⁃陸生態系統的耦合關系,而將流域劃分成若干個相對獨立、完整單元[9⁃12];另外,始于“九五”的流域水污染控制分區實踐也逐漸得到發展,在“十三五”重點流域水污染控制規劃中形成了“流域⁃區域⁃控制單元”的分區體系[3]。

      但各類水生態環境分區在發展與應用過程中,仍存在較多的問題。如水環境功能區劃依據用水功能以及水質類別進行劃分,忽略了水陸協同性、水生態系統完整性;水生態功能區劃將水生態系統完整性納入劃分依據,但未與行政管理相結合導致分區未能真正落實到實際的管理中;“十三五”流域管控中劃分的控制單元實現了從污染源到入河排污口到水體水質之間的響應,但是目前控制單元的劃分忽略了水體的自然特征和生態特征。因此兼顧水生態保護與水污染控制管理目標,耦合現有的各類水生態環境分區,構建新的分區體系,將成為指導流域水生態環境管理的重要依據。生態系統服務是人類直接或者間接從生態系統中獲得的各種惠益,是銜接自然環境與人類需求的重要紐帶[13⁃15]。

      流域具有多種類型的生態系統服務功能,包括水文調節、水土保持、氣候調節、廢物處理等,直接或間接影響著流域水生態環境狀態[16]。隨著流域管理從水資源保護、水污染控制向水資源水環境水生態綜合管理轉變[1],將生態系統服務功能納入流域管理,有助于流域水生態與水環境的協同。因此構建兼顧生態系統服務與水環境質量的流域水生態環境分區分類體系,在宏觀尺度上把握水生態保護格局,在操作層面上落實水生態環境目標,推進流域水生態環境精細化管理。

      本研究以浙江省八大水系為研究對象,基于流域生態特征與水環境響應,構建不同類型的分區指標體系及方法,劃定水生態功能區和水環境控制單元,在對各控制單元的生態服務功能價值進行評估及聚類的基礎上,提出各類生態服務簇內控制單元的水生態環境分類管控要求,為落實水環境質量底線、開展精細化的水生態環境管控提供技術支持。

      1材料與方法

      1.1研究區域

      浙江省位于長江三角洲南翼,地勢由西南向東北傾斜,地形復雜,以山地丘陵為主,陸域總面積10.43萬km2。屬亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均氣溫在15~18℃之間,年均降水量在1100~2000mm之間。境內擁有錢塘江、甌江、椒江、甬江、苕溪、運河、飛云江、鰲江等八大水系。浙江省人口密度高,經濟發展較快,水環境壓力較大。雖然近年來開展的各類治水行動使浙江的水環境得到較大的改善,但局部區域仍存在污染物排放量大、強度高,水質不能全面穩定達標、水環境管理短板未補齊、水生態管理缺乏足夠重視等問題。

      1.2研究方法

      1.2.1水生態環境分區

      水生態環境分區包括水生態功能分區及水環境控制單元,其中水生態功能區劃綜合考慮了水生態系統空間格局,是水環境控制單元劃定的基礎,其生態目標要通過水環境控制單元去落實;水環境控制單元是落實水生態水環境目標的具體操作單元。本研究采用自上而下的劃分思路,根據流域生態系統特征劃定水生態功能區,在此基礎上進一步耦合流域匯水單元、行政管理單元以及水(環境)功能區,開展水環境控制單元的劃分,形成水生態功能區⁃水環境控制單元的多層級水生態環境分區體系,有效落實水生態環境目標及差異化管控對策。

      (1)水生態功能分區

      水生態功能區的劃分指標主要考慮能反映流域生態系統特征差異性指標,包括降雨、氣溫、地形、土壤類型、土地利用類型、植被覆蓋類型、歸一化植被指數(NDVI)、人口密度等;贑ANOCO軟件,將各生態因子與水質數據進行典范對應分析(CCA)[17]。

      根據生態因子和水質的CCA分析篩選了土地利用、土壤類型、NDVI和人口密度作為體現流域水生態系統空間格局的指標。其中土地利用類型體現了自然環境與人類活動的綜合影響;土壤類型決定了土壤不同的滲透性和持水能力;植被覆蓋類型和NDVI指數反映了物質的遷移轉化對水生態系統異質性的影響;人口密度則反映了潛在污染負荷對水生態系統的影響[18⁃19]。依據CCA分析篩選出的與水質相關的指標,采用ISODATA非監督空間聚類方法[20],劃定水生態功能區。

      (2)水環境控制單元劃分

      按照水系完整性、行政管理可操作性以及污染傳輸封閉性原則開展水環境控制單元劃分。采用ArcGIS的Hydrology模塊,利用浙江省數字高程數據(DEM)提取全省水系,以5000為劃分閾值,結合實際水系修正得到389個匯水區。

      在ArcGIS平臺采用空間疊置分析,將水生態功能分區、389個匯水區以及1386個鄉鎮邊界進行疊加?刂茊卧醪絼澐只舅悸啡缦拢1)一個水生態功能區包括多個完整的控制單元;2)山地丘陵區匯水特征明顯的以匯水區邊界作為控制單元邊界,將匯入同一水體的陸域包括在一個控制單元內;3)平原河網區難以確定水文以及污染物傳輸空間邊界的地區,則以行政邊界作為控制單元的邊界;4)控制單元不能跨縣界,否則以縣界進行切分。在初步劃定水環境控制單元后,利用水環境功能區對控制單元的初始邊界進行修正或分割,確保同一水環境功能區盡可能在同一控制單元內。

      1.2.2水生態環境分類管控

      為實現水環境水生態協同管理,以水環境控制單元的生態系統服務空間差異為主導,基于控制單元的生態特征和水質特征對控制單元進行分類,落實差異化的管控措施。

      1.3數據來源

      浙江省數字高程數據(30m⁃DEM),2015年浙江省土地利用類型、土壤類型、植被類型、NDVI指數和人口密度數據分辨率為1km×1km,均來源于中國科學院資源環境科學數據中心;鄉鎮級行政區劃、水系分布來源于浙江省測繪與地理信息局;水(環境)功能區劃和2015年的環統數據來自浙江省生態環境廳;2015年省控斷面的水質數據來源于浙江省環境監測中心。

      2結果與討論

      2.1水生態環境區劃

      (1)水生態功能分區

      浙江省水生態功能區主要體現自然環境和人類活動對水生態系統的疊加影響。根據土壤類型、土地利用、植被以及人口密度的空間差異性,采用ISODATA空間聚類共得到10個浙江省水生態功能區。

      根據分區結果,Ⅲ2區、Ⅲ3區和Ⅳ2區的人口密度較高,人類活動的影響較大,人工植被、耕地、人為土的占比較高;Ⅰ2區、Ⅱ2區、Ⅲ1區、Ⅲ4區和Ⅳ1區的人口密度中等,較好地體現了自然環境因素和人為活動因素的復合影響,植被類型主要包括人工植被和闊葉林、針葉林等自然植被,林地和耕地兩種土地利用類型占比相當;Ⅰ1區和Ⅱ1區的人口密度較低,受自然環境因素的影響較大,土地利用類型以林地為主導,NDVI指數也較高。十個水生態功能區中,面積最大的是中部盆地水生態功能區(Ⅱ2區),區域面積為25777.9km2,面積最小的是中部丘陵水生態功能區(Ⅰ2區),為4354.0km2。

      (2)水環境控制單元在水生態功能區劃基礎上,耦合流域匯水區、鄉鎮邊界(含縣市區邊界),采用空間疊置方法進行分區,同時根據水環境功能區劃對各控制單元邊界進行修正,得到510個水環境控制單元。

      510個控制單元平均面積205km2,最大和最小控制單元的面積分別為924.10km2和13.06km2。從各水生態功能區分布來看中部盆地水生態功能區的控制單元最多,共有107個,而中部丘陵水生態功能區的控制單元最少,僅19個;從行政分區來看杭州、寧波和臺州的控制單元較多,分別為69個、66個和64個,而舟山市最小,僅有6個控制單元;從空間位置來看,上游山地區控制單元劃分較為稀疏,而下游平原區控制單元劃分則較為密集。

      2.2水生態環境特征識別

      (1)生態服務功能特征識別根據各控制單元的土地利用類型開展生態服務價值評估。結果顯示,全省生態服務價值總計為5123.73億元/a。各控制單元的生態服務價值在136.53~59.87億元/a之間波動,各控制單元單位面積的生態服務價值為6.50~818.45萬元/km2,生態服務價值在空間分布上整體呈現西高東低、南高北低的趨勢。以保持各簇的完整性及不同簇別間的空間異質性為原則,采用K均值聚類,最終確定了4類生態系統服務簇。

     、耦惔氐膮^域面積最大,占全省總面積的52.68%,主要分布在西部丘陵山地區和西南山區,土地利用類型以林地為主,單位面積生態服務價值高,總生態服務價值占全省總生態服務價值的65.46%;Ⅱ類簇面積最小,主要分布在千島湖以及錢塘江入?,水域占比較大,總生態服務價值占全省總生態服務價值的2.02%,但單位面積服務價值較高;Ⅲ類簇主要分布于低山丘陵區,土地利用類型以林地(山地區)和耕地(平原區)為主,人類活動相對頻繁,單位面積生態服務價值相對較高,總生態服務價值占全省總生態服務價值的26.43%;Ⅳ類簇集中分布在北部平原、中部金衢盆地和東南沿海平原。

      生態論文范例: 生態修復背景下的國土綜合整治分析

      3結論

      1)以水生態特征空間差異性為基礎,根據流域生態系統特征與水質響應關系,結合子流域匯水單元、行政管理單元以及水(環境)功能區劃,通過空間聚類和空間疊加分析劃分了10個水生態功能區、510個水環境控制單元。2)根據各水環境控制單元生態服務價值,聚類得到4類生態系統服務簇,識別了各簇的主導生態服務功能和水質特征,提出了差異化管控要求。其中Ⅰ類簇內的控制單元按優先保護原則進行管理,以維持優質水質,并進一步提升生態服務功能;Ⅱ類簇的控制單元以主導生態服務功能提升與維持進行管控;Ⅲ類簇的控制單元以預防為主,局部治理,以提升區域水環境質量和生態功能;Ⅳ類簇內的控制單元要落實水質改善、環境風險防范的要求,加大水環境綜合整治力度。

      3)構建基于流域水生態水環境特征的分區分類體系,實現流域水生態保護與水環境質量改善的有機融合,為流域水生態環境精細化管控提供技術支撐。

      參考文獻(References):

      [1]樊灝,黃藝,曹曉峰,高喆,蔣大林.基于水生態系統結構特征的滇池流域水生態功能三級分區.環境科學學報,2016,36(4):1447⁃1456.

      [2]趙雪霞,于魯冀,王燕鵬.清溟河流域(許昌段)水生態環境功能分區指標體系構建.水利水電技術,2018,49(9):162⁃169.

      [3]文宇立,謝陽村,徐敏,路瑞,王東.構建適應新國土空間規劃的流域空間管控體系.中國環境管理,2020,12(5):58⁃64.

      [4]馬樂寬,謝陽村,文宇立,王東,趙越,徐敏.重點流域水生態環境保護"十四五"規劃編制思路與重點.中國環境管理,2020,12(4):40⁃44.

      [5]王東,秦昌波,馬樂寬,王金南.新時期國家水環境質量管理體系重構研究.環境保護,2017,45(8):49⁃56.

      [6]OmernikJM.EcoregionsoftheconterminousUnitedStates.AnnalsoftheassociationofAmericanGeographers,1987,77(1):118⁃125.

      作者:王飛兒1,∗,鄭思遠1,楊泓蕊1,俞潔2,王一旭1,王浙明3

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