【案例分享】基于GIS软件的县域国土空间生态修复分区研究——以贵州省松桃县为例
导 读
国土空间生态修复是提升国土空间开发效率和质量、优化国土空间的重要手段。文章使用GIS软件的空间分析工具，以贵州省松桃县自然地理条件、生态功能空间分异、主要生态问题等作为基础研究依据，选取形成三级11项生态修复分区指标，用以探讨松桃县的国土空间生态修复分区。在把握县域总体格局、保证地域完整性的条件下划分一级生态修复分区，并依据区域主导生态功能划分二级生态修复分区，最后结合主要生态敏感问题及人为干扰特征识别生态修复重点区域划定三级生态修复分区。据此将松桃县划分为5类一级、4类二级和4类三级修复分区，有效厘清县域存在的生态敏感问题和生态退化问题，并在此基础上提出以“整体布局—分区治理”为主线，以水土流水、流域治理、水土保持、石漠化、矿山生态修复等类型为抓手的保护修复措施。
本文引用信息
韩朗,侯敬丽,叶艳霞,张磊,明新山,何动林.基于GIS软件的县域国土空间生态修复分区研究——以贵州省松桃县为例[J].中国国土资源经济,2024,37(5):31-39.
章节目录
CONTENTS
1 研究区概况与研究方法
2分区划定思路
3结果与分析
4 结论与讨论
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近年来，国土空间生态修复成为全球关注度最高的问题之一。伴随人类社会经济和生产技术的提高，高强度的人为活动已对国土空间自然生态资源和生态环境的可持续发展造成了巨大影响，生态系统退化、生态系统整体性不均衡、国土空间格局紊乱等问题日益凸显。2019年，生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（TheIntergovernmentalScience-PolicyPlatformonBiodiversityandEcosystemServices，IPBES）发布的《生物多样性与生态系统服务全球评估报告》提出，当前全球正处在自然衰退与物种灭绝加速的过程中，而大规模的生态系统修复是有效缓解气候变化和遏制物种灭绝的关键所在。该评估报告同时将2021—2030年称为“联合国生态系统修复十年”。因此，国土空间生态修复日益重要，亟待提出合理的、安全的解决方案。
国土空间生态修复是遵循生态系统演替规律和内在机理，基于自然地理格局，适应气候变化趋势，依据国土空间规划，对生态功能退化、生态系统受损、空间格局失衡、自然资源开发利用不合理的生态、农业、城镇国土空间，统筹和科学开展山水林田湖草一体化保护修复的活动。实施山水林田湖草沙系统治理，因地制宜地推进国土空间生态系统修复和综合治理，构建国土空间生态保护修复格局，实现国土空间格局优化和生态系统服务整体功能提升，是当前国土空间生态修复面临的严峻挑战。
当前，围绕国土空间生态修复的研究，科技工作者主要侧重于小尺度的受损区域空间治理方面，如废弃矿山的复垦与生态修复、河流湖泊的水生态治理、重金属污染场地修复治理、水土流失治理等。研究表明，局部受损空间生态修复功能效果较好，然而对于空间布局整体性的生态功能系统提升缺乏统筹考虑，整体效应弱。在此背景下，国内外均有学者开始关注新的研究方法，如国外学者Fath从生态网络模式方面着手，Benedict从绿色基础设施方面着手，将生态安全格局运用于生态过程模拟和城市“绿色廊道”建设之中。现阶段国外生态保护与修复从研究对象上看主要侧重在森林、海洋、河流、湿地和山体生态系统等方面。我国生态修复方面的研究起源于20世纪末，如三江源重大生态保护、黄土高原流域植被恢复及“三北”防护林体系工程等。国内科技工作者对生态修复的研究经历了从单一要素到综合要素的体系研究过程，从基于对矿山、水环境、森林、草原、湿地等单一对象的生态修复研究，发展到山水林田湖草生命共同体提出后的综合整治和系统修复研究。如俞孔坚等以生物保护多样性为目标进行了景观生态安全格局构建研究；曹秀风等基于生态安全格局研究方法从生态系统完整性和结构连通性角度对吉林省松原市的修复区域进行了识别研究；方莹等基于景观生态学理念，从生境质量评估和生境风险角度出发识别了烟台市国土空间生态修复的关键区域；翟香等通过对贵州省生态敏感性评价，结合自然保护地识别生态源地，基于最小累积阻力模型和电路理论提取生态廊道，构建生态安全格局后由电流密度诊断生态障碍区并制定生态修复策略。大量研究表明，基于生态安全格局构建识别生态修复分区的效果较好，但其实践要求高、技术成本大，目前仍处于理论研究阶段，对于在喀斯特区域复杂生态系统环境的实践工作具有挑战性。
因此，本文在综合国内外学者对国土空间生态修复分区研究的基础上，选取贵州省松桃县（本文简称“松挑县”）为研究区，以县域自然地理条件、土地利用现状、生态功能空间分异、主要生态问题等为研究基础，基于GIS软件的空间分析工具，选取分区评价因子，结合主要生态敏感问题及人为干扰特征，识别生态修复重点区域并划定三级生态修复分区，同时提出对分级分区生态保护修复的措施和建议，以期通过系统修复治理工程优化国土空间格局，为县域探索一种具有实践意义的新技术方法。
1 研究区概况与研究方法
1.1研究区概况
松桃苗族自治县位于东经108°35′42″～109°23′30″，北纬27°49′40″～28°30′20″，地处云贵高原东部斜坡向湘西丘陵过渡的中间地段，属武陵山脉中南段，梵净山东北麓；境内五条山脉呈扇形顺梵净山脉岭北东25度走向延伸，形成中山、低中山、低山丘陵、河谷坝地等多种地貌，平均海拔约650m，整体呈现“七分山林、两分田、半城半水”的地理格局。全县总面积为2858.99km2，下辖28个乡镇。松桃县处于贵州省“四屏八水”生态安全格局的重要位置，是长江上游的重要生态屏障，在水源涵养、生物多样性等生态保护方面重要性突出，是贵州东部武陵山生态安全屏障的重要水源涵养区及生物多样性保护重点区域。
1.2数据来源
本文采用的数据包括以下几方面：土地利用变更调查数据（2014—2020年），全国第三次土地调查坡度图，土地利用变更调查遥感影像，《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价》（以下简称“双评价”）数据，生态保护红线数据（注：以上数据均为松桃县自然资源局提供，所涉及保密的相关资料均已作保密性处理）；数字高程模型（DEM）来源于地理空间数据云平台，空间分辨率为30m×30m；降雨量数据来源于国家气象科学数据中心平台，并结合县气象局收集的资料进行了校核处理。
1.3研究方法
本文以县域国土空间资源要素现状及开发利用问题为主要理论基础依据，综合考虑了区域自然地理条件、土地利用现状、生态功能空间分异、主要生态问题等因素。首先，依据地貌类型、海拔、地形起伏度及植被类型4个指标划分一级生态修复分区；然后，“自下而上”依据区域主导生态功能，选取水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性维护功能及农业生产适宜性4项评价因子划分二级生态修复分区；最后，选取石漠化敏感性评价、水土流失敏感性评价及生态退化度3项评价因子，形成三级11项生态修复分区指标。利用GIS软件的空间分析功能，划分三大类生态修复分区，并对划定的不同类型国土空间生态修复分区区域因地制宜地提出修复保护策略（图1）。
2分区划定思路
2.1一级生态修复分区
划分一级生态修复分区主要基于山水林田湖草等基底要素构成的自然生态系统特征，强化突出自然地理格局形成的地貌区域在国土空间生态修复中的基础作用。此外，一级生态修复分区作为县域生态修复分区的最高区域划分，着重体现在空间尺度上的整体性、一致性与连续性。因此，本文选取了地貌类型、海拔、地形起伏度及植被类型4个指标作为一级生态修复分区的影响因子（表1）。
2.2二级生态修复分区
二级生态修复分区在整个修复分区划分体系中属承上启下的中观分区，主要依据区域的主导生态服务功能进行划分。分析区域主导生态服务功能的空间分布规律，进而明确不同主导生态功能的空间格局，实现提升区域生态系统服务功能的目标。因此，本文采用了“自下而上”的方法，充分衔接一级修复分区区域、上位相关规划等成果，选取水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性维护功能及农业生产适宜性4项评价因子中生态功能最重要的区域作为主导生态功能，划分二级修复分区。
（1）水源涵养功能评价。水源涵养功能指生态系统通过滞留、下透、蓄积对降水进行再分配及通过蒸发、散发共同调控水循环的过程，是生态系统的重要调节功能之一，其评价公式如下：
式中，TQ为总水源涵养量（m3），Pi、Ri、ETi分别为降雨量（mm）、地表径流量（mm）和蒸散发量（mm），Ai为第i类生态系统面积（km2），i为研究区生态系统类型，j为研究区生态系统类型总数。
（2）水土保持功能评价。水土保持功能是喀斯特地区最重要的生态系统服务功能之一，具有维持区域稳定发展的基础性作用，评价采用修正的通用水土流失方程计算，其评价公式如下：
式中，A为单位面积年均土壤保持量（t·hm2·a-1），R、K分别为降雨侵蚀力因子（MJ·mm·hm-2·ha-1）、土壤可蚀性因子(t·h·MJ-1·mm-1），L、S分别为坡长度、坡度，C为植被覆盖率；在评估评价过程中，选取地形起伏度作为区域土壤侵蚀评估的地形指标。
（3）生物多样性维护功能评价。生物多样性维护功能是生态系统在维持物种、基因多样性中发挥的作用。通过该项指标的评价，可识别现在和未来可以承担区域生物多样性维护功能的重点区域。本文采用县域“双评价”成果中的生物多样性维护功能评价成果作为数据基础。
（4）农业生产适宜性。农业生产适宜性评价成果主要反映国土空间中进行农业生产活动的适宜程度。本文采用县域“双评价”成果中农业生产适宜性评价成果作为基础数据，对农业生产适宜性评价结果划分为适宜区、一般适宜区和不适宜区等3种类型并进行评价。
2.3三级生态修复分区
三级生态修复分区属于实施治理层面的分区，主要解决区域石漠化、水土流失等生态敏感问题，以及缓解矿山污染、农业面源污染、水体污染等人为活动造成的生态退化压力问题。三级生态修复分区直接影响到区域生态修复的具体实施策略，因此，在一、二级修复分区划定的基础上，选取石漠化敏感性评价、水土流失敏感性评价、生态退化度作为三级修复分区划分的影响因子。
（1）石漠化敏感性评价。石漠化是喀斯特地区最典型的生态问题，通过研究石漠化敏感性评价可识别区域石漠化易发区域。石漠化的形成主要受地表碳酸岩（主要为石灰岩）出露面积占比、地形坡度、植被盖度等因子的影响，石漠化敏感性评价公式如下：
式中，S为空间区域的石漠化敏感性指数，D为碳酸岩出露面积百分比，P为地形坡度，C为地表植被覆盖率。
（2）水土流失敏感性评价。水土流失现象在我国西南部喀斯特地区极易发生，根据水土流失的动力学原理，土壤侵蚀的动力主要分为水力侵蚀和风力侵蚀两种，松桃县水土流失主要受降雨的影响，风力作用下的土壤侵蚀相对微弱。因此，本文主要对水力作用下的水土流失进行评价，计算公式如下：
式中，I为空间区域的水土流失敏感性指数，R（MJ·mm·hm-2·ha-1）为降雨侵蚀力因子，K(t·h·MJ-1·mm-1）为土壤可蚀性因子，L为坡长度，S为坡度，C为植被覆盖率。
（3）生态退化度。生态退化是生态系统稳定性降低的一种过程，人为活动是主要影响因素，人类对国土空间的开发利用会加剧土地利用类型发生变化，生态空间用地不断向城镇空间用地与农业空间用地转化，自然生态平衡遭到破坏，区域性生态功能下降及生态压力增加，从而出现生态退化现象。本文综合相关研究，基于土地利用变更调查数据，以2014年土地利用现状为基数，构建2014—2020年土地利用变化图谱，通过识别生态用地变化区域，开展变化斑块的核密度插值分析，生态用地变化斑块密度越高，则表明生态退化程度越高，即人类扰动作用越强。
因生态退化度指数是基于特定时段下反映人类扰动的变化值，仅利用其中一项指标进行分区会割裂自然影响和人为干扰的关联性。因此，本文将石漠化敏感性、水土流失敏感性和生态退化度指数进行极差标准化处理，利用GIS软件空间分析功能构建分区指数，并基于分区指数采用自然断点法和聚类分析法，依次将研究区划分为不同类型的修复区和保护区。
3结果与分析
3.1一级分区及保护修复措施
3.1.1一级分区
通过对地貌类型、海拔、地形起伏度和植被类型4个指标的综合评价分析，可将松桃县县域一级分区划分为北部低山沟谷灌丛区、东部丘陵状中低山森林灌丛区、南部低山沟谷区、西部中山峡谷森林灌丛区和中部丘陵河谷区森林区五大修复区域（表2）。
3.1.2 一级分区空间管控措施
北部低山沟谷灌丛区地势相对低平，土壤肥沃，水系发达，拥有天然灌木林，生态良好，人类活动干扰较强，是重要的水土保持和水源涵养区，需强化对河湖岸线的生态防护，推进小流域综合治理和林草植被恢复建设，提升本区域水源涵养和土壤保持能力。东部丘陵状中低山森林灌丛区纵向贯穿一条重要山脉生态廊道，是松桃县重要的农用地综合整治区和水土保持区，需加强耕地质量建设与保护，强化水土保持功能的建设与维护。南部低山沟谷区灌丛区是水源涵养和生物多样性维护的重要区域，拥有集中连片的天然灌木林，生态调节功能突出，是关键生态廊道的必经之地，应着力提升该区域内自然保护地连通性，提高生物多样性。西部中山峡谷森林灌丛区是松桃县境内生物多样性维护功能最重要且集中的区域，具备重要的保护价值和良好的生态恢复潜力，需加强野生动植物种质资源保护，加大对生态源地的保护力度，全面提升生物多样性维护功能及水源涵养功能。中部丘陵河谷区森林区农业优势突出，人类扰动强，是松桃县内重要的农业—生态—经济复合区，需要加大对松江河中游的保护力度，并大力开展森林造林、低效林改造项目，提升森林生态系统服务功能，同时加大高标准农田建设，提升粮食供给能力。
3.2二级分区及保护修复措施
3.2.1 二级分区
对松桃县县域水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性维护功能和农业生产适宜性4项生态系统服务功能进行评价，结果表明，在生态系统调节功能方面，水源涵养功能极重要区主要分布在松桃县西部永安、石梁等5个乡镇，在东部从盘石林场至八字坡林场一带略有分布，松桃县中部、东北部和东南部水源涵养能力相对较弱。其原因在于西部和东部从盘石林场至八字坡林场一带海拔相对较高，地形较为险峻，植被茂盛，人类干扰程度较低，而中部、东北部和东南部由于地势平坦，更适合农业种植和城镇发展，人类干扰程度较高，因而水源涵养能力相对较弱。水土保持功能的空间分布与水源涵养功能具有较高的相似性，极重要区分布在西部和东部向南部一带，北部也有少量分布。在生态系统支持功能方面，生物多样性维护功能重要区主要分布在西部，极重要区主要位于梵净山自然保护区、寨英镇的北部和孟溪镇的西部，从中部到东部仅有少量零星分布。其原因在于中部和东部地区地势平坦，分布大量建设用地和农业用地，人类活动强度大，对周边生态用地造成较大影响，导致生境质量整体相对较低。在生态系统供给功能方面，农业适宜性极重要区和重要区主要分布于东南部、东北部、中部和西北部地区，南部和西部地区农业适宜性较弱。结合地形坡度和海拔进行分析，其原因在于南部、东南部的坡度较小，水土保持能力较强；中部及西北部海拔较低，温度和阳光较为适中，农业适宜性较强，适宜农业种植；而西南部和东部地区由于林地大量分布，地形起伏较大，不适宜农业种植。
基于4种主要生态系统服务功能空间评价分布结果，结合一级分区区域，按区域生态功能主导的原则，对其进行归一化处理，如表3所示，可将松桃县县域划分为农用地综合整治区、水土保持与农用地综合整治区、水源涵养与生物多样性维护区和水土保持与水源涵养区共4类二级生态修复分区。
3.2.2 二级分区保护修复措施
农用地综合整治区集中分布在松桃县东北部、西北部和东南部区域，应大力实施高标准农田建设项目、提质改造、宜耕后备土地资源开发、土壤污染治理等工程措施，全面改善区域内农田基础设施条件，巩固提升粮食综合生产能力，并逐步有序推进全域土地综合整治项目，严格保护生态和农用地，加强水系建设，引导园地高效利用，强化农业和生态用地复合利用。水源涵养与生物多样性维护区主要集中分布在西南部、中部地区，应重点推进天然林、水源涵养林保护和建设，推进灌丛、草地等保水固土植被的整体保护，建设生态廊道，增设踏脚石斑块，提高生态系统连通性水平，保护动植物生境。水土保持区集中分布在西北部、东北部、中部地区，应采取营造水土保持林和复合农林业、造林绿化、封育治理、高效水土保持植物种植等林草综合整治措施，提升区域水土保持能力。
3.3三级分区及保护修复措施
3.3.1 三级分区
将石漠化敏感性、水土流失敏感性和生态退化度指数进行归一化处理，石漠化敏感度和水土流失敏感性划分为极敏感、敏感和不敏感三个等级，生态退化度划分为高度退化、中度退化、轻度退化、微度退化和未退化五个等级。
（1）生态敏感性分析。松桃县县域石漠化敏感区和极敏感区主要分布在东北部和西北部，少量分布在中部和东南部，其原因在于松桃县自西向东海拔先降后升，地貌从山地逐渐过渡到丘陵，区内地形起伏度较大，稀疏草地覆盖下的地表碳酸盐出露面积较大，多种因素的共同作用导致了高度石漠化敏感性。水土流失敏感区和极敏感区主要分布在西北部、南部和东北部地区，分布空间与石漠化具有较高的相似性，主要是因为水土流失是石漠化的重要成因，石漠化是水土流失末期地表形态的主要表现，西北部和南部地区水土流失敏感性较高的原因在于该区域地形起伏度较大，植被覆盖率低，季节性降水集中，且地表土壤稀薄；而西部和东部地区则因为密集的植被覆盖，水土流失敏感性程度相对较低。
（2）生态退化度分析。将林地、草地、水域和未利用地归类为生态用地，将耕地、建设用地分别归类为生产用地和生活用地，通过构建2014—2020年松桃县生态用地变化图谱，识别生态用地变化的图谱区域，借助土地利用转移矩阵分析2014—2020年松桃县土地利用类型结构变化特征。由表4可知，2014—2020年松桃县土地利用结构变化主要表现为耕地减少，园地大幅增加，林地小幅增加，草地大幅减少，建设用地增加，水域小幅增加，未利用地大幅减少。综合分析表明，2014—2020年松桃县生态用地略有增加，原因在于，一方面受自然演替作用下石漠化和土壤侵蚀等多种因素影响，抗干扰能力较差的草地逐渐退化；另一方面，随着人们在退耕还林和水土流失治理等方面投入的持续增加，林地面积正得到不断补充。此外，耕地大规模转变为建设用地则是城市快速扩张进程中城市空间不断挤占周边农业空间所致，主要分布在蓼皋街道、大兴街道和世昌街道等城区周边，同时受城镇发展、基础设施建设、城镇规划等影响，靠近城市的一些林地、草地等生态用地也被建设用地占用。
松桃县生态退化度空间分布情况表明，生态高度退化区域主要分布在九江街道，中度退化和轻度退化区域主要分布在蓼皋街道、世昌街道、甘龙镇和黄板镇等区域，微度退化区域主要分布在平头镇和牛郎镇等，未退化区域主要分布在乌罗镇、寨英镇和孟溪镇等地区。生态退化度空间分布上的差异性表明，西南部寨英镇和孟溪镇等区域受梵净山自然保护区的影响，其生态价值和生态重要性均较高，人为活动干扰相对较弱，生态退化度低，而城市建成区周边人类活动强度相对较大，开发建设活动频繁，导致生态用地退化风险较高。
（3）分区指数构建和三级修复分区划定。结合松桃县地理条件情况，将石漠化敏感性（权重0.5）、水土流失敏感性（权重0.3）及生态退化度指数（权重0.2）的评价图层，按对应权重值做空间叠加处理构建分区指数进行评估。分区指数结果分析表明，松桃县具有明显的空间分布差异化特征，其高值区主要分布在蓼皋街道、九江街道、世昌街道、黄板镇等东北部地区和甘龙镇等西北部地区。分析生态敏感性和生态退化度的空间分布格局发现，生态极敏感区和生态高度退化区在九江街道、蓼皋街道、黄板镇、冷水溪镇、甘龙镇等乡镇具有高度重合的特征，这些区域形成了松桃县内分区指数的高值中心，进而说明该区域受到了人类高强度活动干扰和自然退化压力较大的双重影响。此外，在九江街道、蓼皋街道、永安乡、甘龙镇等地区，石漠化和水土流失的双重影响也导致了这部分区域具有较高的分区指数值，而寨英镇、乌罗镇、沙坝河乡等西南部和南部地区由于植被覆盖率高及远离人类活动中心，使得该区域分区指数值整体偏低。
根据三级修复分区指数的结果，结合松桃县目前已存在的水体污染、矿山污染和农业面源污染的情况，在一、二级分区的边界控制下，结合生态保护红线划定成果划分三级分区。如表5所示，可将三级修复分区划分为4类，即水土保持与石漠化重点修复区、水土流失与石漠化优先修复区、水土保持与水源涵养预防修复区、水源涵养与生物多样性维护重点保护区。
3.3.2 三级分区修复措施
从重点修复区、优先修复区、预防修复区到重点保护区呈现区域的综合生态胁迫强度依次降低，具体体现在重点修复区为人为干扰强度和生态敏感性最高的区域；优先修复区为人为干扰强度和生态敏感性次高的区域，片区在空间上连续分布，面积相对较大；预防修复区为人为干扰强度和生态敏感性中等的区域，呈分散分布状态；重点保护区内几乎不存在明显人为干扰和生态敏感问题。从空间分布上分析，重点修复区、优先修复区和预防修复区主要分布在松桃县中部、东北部、东南部和西北部地区，重点保护区主要分布在西南部和中部地区。三级分区结果兼顾了修复区与保护区内部的空间连续性及保护区与修复区之间的空间缓冲性，具备理论和实践层面的科学性和合理性。
因此，基于松桃县国土空间自然资源本底和生态环境现状问题差异，结合生态重要性区域空间分布及生态敏感性问题，以“整体布局—分区治理”作为生态修复主线，以水土流失、流域治理、水土保持、石漠化、矿山生态修复等类型为抓手，对三级修复分区区域提出修复策略及实施的重点工程（表6）。
4 结论与讨论
通过松桃县自然地理条件、生态功能空间分异、主要生态问题等因素的基础研究，合理选取三个层级的生态修复分区指标，运用GIS软件的空间分析工具进行分区划分，结果表明，在把握总体格局、保证地域完整性的条件下，可将松桃县全域划分为5类一级生态修复分区，并“自下而上”依据区域主导生态功能划分4类二级生态修复分区，最后结合主要生态敏感问题及人为干扰特征识别生态修复重点区域，划定4类三级生态修复分区，通过以上修复分区划分能有效厘清县域存在的生态敏感问题。
本文提出以“整体布局—分区治理”作为松桃县生态修复主线，并对划定的三级修复分区提出相应的修复策略。但国土空间生态修复是一个整体性、系统性的实施工程，尤其是松桃县作为喀斯特地区的县级行政区，在实践过程中，仍需要进一步因地制宜分级分区优化完善空间治理方式，以达到更具实际意义的生态修复效果。