水土保持彈性景觀功能與生態(tài)脆弱性研究

李寶亭 吳卿 楊碩果

摘 要：水土保持彈性景觀功能是水土保持與生態(tài)環(huán)境研究的新內(nèi)容，為了給水土保持彈性景觀功能研究提供案例，以河南省出山店水庫為例，以大壩以上至水位為92 m庫區(qū)尾水上游第一條流域面積大于100 km2的支流為研究區(qū)，以自然小流域或小流域片為單元，利用GF-2衛(wèi)星 2 m分辨率真彩色融合遙感影像、1∶5萬DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于ArcGIS將研究區(qū)劃分為33個景觀單元，依據(jù)水土保持彈性景觀功能ET、生態(tài)脆弱性標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)SEVI將生態(tài)脆弱性分為5級，進(jìn)行水土保持彈性景觀功能與生態(tài)脆弱性分析。結(jié)果表明：研究區(qū)整體上生態(tài)良好，但存在生態(tài)脆弱區(qū)域;水土保持彈性景觀功能ET值與生態(tài)脆弱性等級呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，ET值可作為生態(tài)脆弱性等級判定的參考指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：水土保持;彈性景觀功能;生態(tài)脆弱性;出山店水庫

中圖分類號：S157.2;TV62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.019

Abstract： The elastic landscape function of soil and water conservation is a new content in the study of soil and water conservation and ecological environment. In order to provide a case study on the elastic landscape function of soil and water conservation， taking the first tributary of the upper reaches of the tailwater in the upper reaches of the reservoir area above the dam to 92 m of the Chushandian Reservoir as an example， based on natural small watershed or small watershed area， using the basic data of GF-2 satellite 2 m resolution true color fusion remote sensing image and 1∶50 000 DEM， the study area was divided into 33 landscape units based on ArcGIS. According to the calculation method of the functional ET of soil and water conservation elastic landscape and the SEVI of ecological vulnerability standardization index， the ecological vulnerability was divided into five levels and the analysis of soil and water conservation elastic landscape function and ecological vulnerability was carried out. The results show that the study area is ecologically good， but there are ecological fragile areas， and the ET value of soil and water conservation elastic landscape function is negatively correlated with the ecological vulnerability grade and the ET value can be used as the reference index for judging the ecological vulnerability grade.

Key words： soil and water conservation; elastic landscape function; ecological vulnerability; Chushandian Reservoir

如何利用生態(tài)原理解決水庫工程中的環(huán)境問題，張朝勝[1]認(rèn)為在水庫建設(shè)施工各個階段均應(yīng)優(yōu)先解決好生態(tài)環(huán)境問題，在建設(shè)水庫的同時促進(jìn)人與生態(tài)環(huán)境和諧共處;黃海真等[2]在河口村水庫工程區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查及工程生態(tài)環(huán)境影響分析基礎(chǔ)上，提出可行的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施;申玲等[3]從斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)兩個方面，利用3S技術(shù)及景觀格局分析軟件對四川省升鐘水庫景觀格局進(jìn)行分析評價，認(rèn)為針闊葉混交林及針葉林林地、旱地及水田是主要景觀類型，呈現(xiàn)交錯結(jié)構(gòu)特征，林地作為景觀基質(zhì)受人為影響較大。生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)及其組成要素受到內(nèi)部和外界干擾時受損程度的性質(zhì)，是生態(tài)系統(tǒng)的基本特性，生態(tài)脆弱性評價能有效識別生態(tài)狀況并為確定生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)保護(hù)方向提供依據(jù)。水土保持彈性景觀功能是水土保持與生態(tài)環(huán)境研究的新內(nèi)容，本文以河南省出山店水庫為例，進(jìn)行水土保持彈性景觀功能與生態(tài)脆弱性分析，以期為水土保持彈性景觀功能研究提供案例。

1 研究區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀

研究區(qū)為出山店水庫大壩以上至水位為92 m庫區(qū)尾水上游第一條流域面積大于100 km2的支流，面積958.09 km2。

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)主要由森林、灌叢、草地、農(nóng)田、河流、村鎮(zhèn)等生態(tài)子系統(tǒng)組成。森林主要分布在研究區(qū)西側(cè)的低山、丘陵，以馬尾松、麻櫟、栓皮櫟等構(gòu)成的針闊葉混交林為主，屬于環(huán)境資源拼塊，面積較小，連通程度不高，但對研究區(qū)西部環(huán)境質(zhì)量有較強(qiáng)的動態(tài)控制功能。灌叢、草地主要分布于丘陵和坡地，屬于森林與農(nóng)田的過渡地帶，是森林被破壞后逆向演替而成的生態(tài)系統(tǒng)類型，以禾本科、莎草科、菊科、百合科等植物為主，伴生有胡枝子、連翹、荊條等灌木，屬環(huán)境資源拼塊，連通程度較高，對防止丘陵區(qū)水土流失具有重要作用，對研究區(qū)環(huán)境質(zhì)量有一定的動態(tài)控制功能。農(nóng)田廣泛分布于研究區(qū)中部和東北部地區(qū)，是面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型，連通度高，對研究區(qū)環(huán)境質(zhì)量具有重要的動態(tài)控制功能。河流包括淮河干流及其多條支流，由于偶爾斷流以及受采砂的影響，因此水生生物種類比較貧乏。村鎮(zhèn)零散分布于研究區(qū)域內(nèi)，在河流兩側(cè)比較集中，是人造拼塊類型，自然生產(chǎn)能力和物理穩(wěn)定性較低。

2 景觀單元劃分

參考《小流域劃分及編碼規(guī)范》（SL 653—2013），以自然小流域（面積大于5 km2）或小流域片（面積小于5 km2的幾條小流域）為單元，利用GF-2衛(wèi)星 2 m分辨率真彩色融合遙感影像、1∶5萬DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于ArcGIS進(jìn)行研究區(qū)景觀單元劃分，并測算景觀單元面積、平均坡度、溝道長度、高程等指標(biāo)。共劃分33個景觀單元，見表1（其中0號景觀單元為92 m水位對應(yīng)的庫區(qū)，由于其生態(tài)系統(tǒng)單一，下述針對水土保持彈性景觀功能與生態(tài)脆弱性的研究不包括0號景觀單元）。

3 水土保持彈性景觀功能與生態(tài)脆弱性

利用2018年分辨率為2 m的GF-2遙感影像與1∶5萬DEM，對每1～32號景觀單元按耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地等6類景觀要素（土地覆被）進(jìn)行解譯，除去水庫庫區(qū)0號景觀單元的2個圖斑外共解譯圖斑16 684個，圖斑總面積87 649.13 hm2，其中：耕地圖斑2 111個、面積為38 574.73 hm2，林地圖斑2 917個、面積為34 696.11 hm2，草地圖斑605個、面積為1 770.43 hm2，水域圖斑6 966個、面積為4 437.25 hm2，建設(shè)用地圖斑3 490個、面積為7 019.39 hm2，未利用地圖斑595個、面積為1 151.22 hm2。

3.1 水土保持彈性景觀功能

水土保持彈性景觀功能值用ET表示，參考中國土壤流失方程CSLE[4]、《美麗中國建設(shè)評估指標(biāo)體系及實(shí)施方案》[5]、自然被覆凈第一性生產(chǎn)力模型[6]，建立水土保持彈性景觀功能模型：

式中：ET為水土保持彈性景觀功能，閾限為0～5，其值越大表明土壤侵蝕越輕微、生態(tài)環(huán)境越優(yōu)良、生態(tài)生產(chǎn)功能越強(qiáng)，其值越小說明土壤侵蝕越嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境越惡劣、生態(tài)生產(chǎn)功能越弱;SWij為第i個水土保持彈性景觀單元第j類彈性景觀要素的土壤流失量，t/a;EPih為第i個水土保持彈性景觀單元第h個生態(tài)保護(hù)指標(biāo)值;NPPij為第i個水土保持彈性景觀單元第j類彈性景觀要素的凈第一性生產(chǎn)力，kg/（hm2·a）;n為水土保持彈性景觀單元數(shù)，本研究n=32;m為水土保持彈性景觀要素?cái)?shù)，本研究m=4;k為生態(tài)保護(hù)功能指標(biāo)數(shù)，本研究k=5。

3.2 生態(tài)脆弱性

生態(tài)脆弱性包括內(nèi)部脆弱性和外部脆弱性，基于生態(tài)敏感性、生態(tài)恢復(fù)力、生態(tài)壓力度，從地形因子、地表因子、氣象因子、植被因子、社會因子中篩選出高程、坡度、地形起伏度、景觀破碎度、年降水量、年極端最高氣溫、年極端暴雨日數(shù)、人口密度、人均GDP、土地利用程度、景觀多樣性、年均氣溫、森林覆蓋率、人均耕地等共14個評價指標(biāo)，通過極差法對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和分級賦值，林地及水域、草地、耕地、建設(shè)用地、未利用地標(biāo)準(zhǔn)化賦值分別為2、4、6、8、10。

生態(tài)脆弱性指數(shù)用EVI表示，生態(tài)脆弱性標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)用SEVI表示，利用主成分分析法確定研究區(qū)生態(tài)脆弱性指數(shù)EVI，然后對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)SEVI，公式如下：

式中：βn為第n個主成分;Yn為第n個主成分貢獻(xiàn)率;EVImax為生態(tài)脆弱性指數(shù)最大值;EVImin為生態(tài)脆弱性指數(shù)最小值。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

按照上述方法計(jì)算的1～32號景觀單元水土保持彈性景觀功能ET值及生態(tài)脆弱性標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)SEVI見表2。SEVI值域?yàn)?～10，參照國內(nèi)外已有生態(tài)脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn) [7-10]，將研究區(qū)生態(tài)脆弱性分為潛在（0.00≤SEVI≤3.22）、微度（3.22

研究區(qū)整體上生態(tài)良好，但存在生態(tài)脆弱區(qū)域;水土保持彈性景觀功能ET值與生態(tài)脆弱性等級呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，ET值越大生態(tài)脆弱性等級越低，ET值越小生態(tài)脆弱性等級越高，ET值可作為生態(tài)脆弱性等級判定的參考指標(biāo)。

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