田建茹，李伟娜,2，宁海丽，李亚男，李昊伦
(1. 青岛市环境保护科学研究院，山东 青岛 266003；
2. 青岛市环境保护科学研究设计有限公司，山东 青岛 266003)
生态保护红线是生态文明建设的重要制度体系之一，对于维护国家生态环境安全、保障人民基本生态需求底线、促进社会经济可持续发展具有重要意义[1]。随着2020年全国生态保护红线的全面划定，生态保护红线的重点由划定转为严守和监管。《关于划定并严守生态保护红线的若干意见》指出“确保生态功能不降低、面积不减少、性质不改变”[2]，为生态保护红线的监督和管理指明方向。为加强生态保护红线的监督和管理，保障区域生态安全，开展生态保护红线监测与评估是红线管控中必不可少的工作[3-4]。
当前国内学者在生态保护红线方面取得了许多研究成果，但多为生态保护红线如何科学合理划定研究[5-9]，对生态保护红线监测与评估研究还处于探索阶段。查东平等从生态系统服务功能、面积和分布格局、生态用地面积及比例3个角度考核了江西省生态保护红线[10]；
官冬杰等利用耦合集对分析与NPP定量指标法对重庆市生态红线区生态环境质量进行评估[11]；
侯鹏等建立了一套以生态系统服务功能和生态系统类型为指标的生态保护红线成效评估框架，并以海南省、广东省为例开展应用分析[12]。江波等结合生态系统服务以及生态红线实施政策，提出了生态红线成效评估的思路和框架[13]。可以看出，对生态保护红线开展监测与评估，将是下一步落实生态保护红线管控制度工作的重点和难点。因此，以青岛市生态保护红线为研究对象，围绕生态功能、面积、性质3个管控方向，从生态服务功能、生态系统面积、用地性质3个方面开展生态保护红线监测与评估工作[14-15]，摸清了生态保护红线区的本底基础状况，为下一步生态保护红线的严格守护、科学评估和有效监管提供参考。
青岛市是一座海滨城市，地处胶东半岛东端，南临黄海，东北与烟台市邻接，西临潍坊市，西南与日照市接壤，东经119°30′～121°00′，北纬35°35′～37°00′。青岛市陆域面积11 293 km2，包括7个市辖区及代管的3个县级市，为典型的丘陵地形，东南部为崂山山脉，山势陡峭；
西南部有大小珠山、铁镢山等组成的胶南山群；
北部有大泽山山脉；
中部为冲积平原。市域内的河流均为季风性雨源型，如大沽河、胶莱河等，多流入黄海。该地区年均温12.7 ℃，年均降水量662.1 mm，空气湿润，四季分明，雨量充沛，气候宜人，是全国最适宜居住的城市之一。
生态保护红线分布情况见图1。
图1 青岛市生态保护红线分布Fig.1 Distribution of ecological red line in Qingdao
研究区为2016年经山东省人民政府批复的青岛市生态保护红线，共59处，面积合计1 120.65 km2，占陆域国土面积的9.9%。其中，水源涵养生态保护红线18处，面积326.98 km2，占生态保护红线总面积的29.2%；
水土保持生态保护红线36处，面积155.11 km2，占比为13.8%；
生物多样性维护生态保护红线5处，面积638.56 km2，占比为57.0%。
2.1 生态系统服务功能评估
根据青岛市生态保护红线的生态系统服务功能类型，按照《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号)[16]的要求，参照资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评估技术方法，开展青岛市生态红线区水源涵养、水土保持和生物多样性维护服务功能评估。采用的评估方法为净初级生产力(NPP)定量指标评估法。该方法以NPP数据为主，参数较少，操作较简单，具有普适性、可行性强的特点。
生态系统服务功能评估主要从水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性维护功能3个方面来评估，所使用的数据包括第一生产力(NPP)数据、高程数据、土壤数据以及气象资料，数据来源及特征详见表1。
表1 生态系统服务功能评估数据表Tab.1 Ecosystem services assessment data
评估工作运行环境采用地理信息系统软件ArcGIS，基本空间单元应为250 m×250 m网格。评估的基础数据类型为栅格数据，非栅格数据进行插值运算，统一转换为网格化栅格数据。
2.1.1水源涵养功能评估
由净初级生产力因子、土壤渗流因子、多年平均降水量因子和坡度因子，计算得到生态系统水源涵养服务能力指数，作为水源涵养功能重要性评估指标。水源涵养服务能力指数(WR)的计算公式为：
WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)
(1)
式中：NPPmean为多年植被净初级生产力因子；
Fsic为土壤渗流因子，根据土壤数据集中的HWSD运算得到；
Fpre为多年平均降水量因子，由气象站点多年平均降水量进行插值运算得到；
Fslo为坡度因子，根据DEM运算得到。NPPmean、Fsic、Fpre、Fslo因子均经过归一化处理。
2.1.2水土保持功能评估
生态系统水土保持服务能力指数可以作为水土保持功能重要性评估指标。水土保持服务能力指数(Spro)的计算公式为：
Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)
(2)
式中：NPPmean为多年植被净初级生产力因子；
Fslo为坡度因子；
K为土壤可蚀性因子。
2.1.3生物多样性维护功能评估
生物多样性维护服务能力指数可以作为生物多样性维护功能重要性的评估指标。生物多样性维护服务能力指数(Sbio)的计算公式为：
Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)
(3)
式中：NPPmean为多年植被净初级生产力因子；
Fpre为多年平均降水量；
Ftem为多年平均气温；
Falt为海拔因子。
通过模型运算后，分别将水源涵养服务能力、水土保持服务能力和生态多样性维护服务能力的指数值进行归一化处理，计算累加服务值；
根据累积服务值占服务总值比例将生态系统服务功能分为极重要、重要和一般重要3个等级。
2.2 面积和用地性质评估
2.2.1数据来源与预处理
生态保护红线用地性质分析所使用的数据为高分一号卫星(GF-1)数据，该数据来源于生态环境部卫星环境应用中心，其空间分辨率为2 m，基准年为2016年。该数据在遥感解译之前经过遥感器校正、大气校正、几何校正、图像融合、图像镶嵌、重采样、图像配准及图像裁剪等预处理过程。
2.2.2遥感解译
遥感解译借助eCognition图像处理软件，利用面向对象的监督分类方法，实现影像的多尺度分割、特征提取和监督分类工作，将生态保护红线分为森林、农田、草地、湿地、建设用地及裸地六大生态系统类型。
遥感解译的难点在于基于面向对象的监督分类，该方法分为多尺度分割、特征提取、监督分类、精度验证等操作。其中，在多尺度分割过程中，选择分割尺度为75，形状参数设为0.6，紧致度和光滑度默认为0.5，通过不断尝试对比，发现该参数能较清晰地勾画出不同生态系统类型；
在特征选取方面，主要选取光谱特征(亮度、均值、标准差)、形状特征(长宽比、形状指数)以及颜色指数等样本特征来进行分类识别；
在监督分类方面，采用最邻近算法进行分类，最邻近算法是面向对象分类方法中比较成熟的计算机算法，被广泛应用于数据挖掘和地物分类；
在精度验证方面，结合天地图影像、土地调查变更数据库等辅助数据，选取608个样本参与验证，与遥感分类结果进行对比分析，计算总体分类、Kappa系统等精度评价指标。
2.2.3面积和用地性质评估
从生态学角度讲，用地性质评估是指对生态保护红线内各类生态系统类型的分析与评估，主要通过生态系统类型、分布、面积以及生态用地占比等指标来评估生态红线用地性质。生态系统类型能够直接反映区域生态环境质量状况，一般来说，森林和湿地生态系统的面积越大，占比越高，表明该地区生态环境质量越好。生态用地占比和非生态用地占比两个指标能够直观展示生态保护红线的生态状况和开发建设活动情况。生态用地占比越高，说明该地区生态环境质量越好；
相反，非生态用地占比越高，说明该地区建设开发活动越强，受人类活动干扰越大。将森林、草地和湿地生态系统归类为生态用地，农田、建设用地及裸地归类为非生态用地。
3.1 生态系统服务功能定性评估
对生态保护红线区开展水源涵养生态功能、水土保持生态功能和生物多样性维护生态功能定性评估，评估结果见图2。
图2 生态保护红线服务功能重要性分布Fig.2 Distribution of services importance of ecological red line
3.1.1水源涵养生态功能
根据水源涵养指标的评估结果，水源涵养功能较高、生态系统健康度高的区域位于青岛市西海岸新区和崂山区，面积约251 km2，占生态保护红线总面积的23%。水源涵养功能中等区域主要位于青岛市中部地区，总面积328 km2，占比为29%。水源涵养功能较低的区域集中分布于平度市、莱西市及沿海周边，总面积542 km2，占比为48%。生态保护红线水源涵养功能极重要区与生态保护红线水源涵养区存在一定的偏差，主要是由于NPP定量指标评估法是以降雨量为主要因子开展评估，受降雨量的影响较大。
3.1.2水土保持生态功能
根据水土保持指标的评估结果，生态系统水土保持功能高、生态系统健康度高的区域主要位于崂山、大泽山、珠山及铁橛山等山区，总面积526 km2，占生态保护红线总面积的47%。水土保持功能中等区域主要集中在青岛中部和北部，总面积269 km2，占比为23%。水土保持功能低的区域集中分布在产芝水库、大沽河、石棚水库等水域周边及沿海地区，总面积336 km2，占比为30%。
3.1.3生物多样性维护生态功能
根据生物多样性维护指标的评估结果，生态系统生物多样性维护功能高、生态系统健康度高的区域主要位于青岛市的东部和南部，总面积308 km2，占生态保护红线总面积的28%，其中西海岸新区中西部的生物多样性维护功能极为重要。生物多样性维护功能中等区域主要集中在小珠山、崂山及其北部，总面积270 km2，占比为24%。生物多样性维护功能低的区域集中分布于大沽河、青岛北部及沿海地区，总面积543 km2，占比为48%。
根据评估结果，将得到的水源涵养、生物多样性维护、水土保持生态功能重要性评价结果进行叠加合并，得到生态保护红线生态系统服务功能重要性评价结果。青岛市生态系统服务功能极重要区域的面积为628 km2，占生态保护红线总面积的56%；
重要区域的面积为325 km2，占比为29%；
一般重要区域面积为168 km2，占比为15%。水源涵养功能、水土保持功能及生物多样性维护功能极重要区主要集中在青岛市西南部和东南部，北部地区的生态服务功能较低。
3.2 面积和用地性质评估
遥感解译分析结果见图3。
图3 生态保护红线区生态系统类型Fig.3 Ecosystem types of ecological red line area
生态保护红线区中面积最大的生态系统类型是森林生态系统，约占生态红线区总面积的52.5%；
其次是湿地和农田，占比分别为17.4%和15.5%，裸地、城镇和草地的面积较少，占比分别为5.9%、5.5%和3.2%。生态保护红线生态用地占比为73.1%，非生态用地占比为26.9%。非生态用地占比较高，说明生态保护红线易受到人类活动的干扰，生态系统服务功能易遭到破坏。
分析生态保护红线各生态功能区的生态系统类型，可以得出：水源涵养生态功能区的生态系统类型以水域湿地为主，其次是农田，还有少量的森林和城镇。水土保持生态功能区的主要生态系统类型为森林生态系统，多为公益林。生物多样性维护生态功能区的主要生态系统类型为森林和海洋，其中大泽山、崂山、铁橛山和小珠山生物多样性维护生态红线区以森林生态系统为主，唐岛湾生物多样性生态红线区以海洋生态系统为主。综上所述，水土保持生态功能区和生物多样性维护生态功能区的非生态用地较少，人类活动干扰小，生态系统服务功能稳定，而水源涵养生态功能区中农田、城镇等非生态用地占比较大，人类活动密集，生态系统脆弱，生态系统服务功能不高。
1)青岛市生态保护红线生态系统服务功能极重要区域面积为628 km2，占生态保护红线总面积的56%。其中，水源涵养生态功能极重要区占比23%，水土保持生态功能极重要区占比47%，生物多样性维护生态功能极重要区占比28%，青岛市生态保护红线生态服务功能以水土保持生态功能为主。
2)生态保护红线区面积最大的生态系统类型是森林生态系统，约占生态红线区总面积的52.5%；
其次是湿地和农田，占比分别为17.4%和15.5%，裸地、城镇和草地的面积较少，共占比14.6%。森林和湿地占比较高，说明生态保护红线涵养水源、保持水土、调节气候、净化空气、生物多样性维护等生态功能较强，维护生态环境安全作用较明显。
3)生态保护红线生态用地占比为73.1%，非生态用地占比为26.9%。非生态用地占比较高，易受到人类活动的干扰，生态系统结构不稳定，生态服务功能易遭到破坏。
通过对生态保护红线的服务功能、面积、用地性质进行本底调查，摸清了青岛市生态保护红线的基础状况，对生态保护红线的服务功能、面积、性质等信息有了更加深入的了解，为下一步生态保护红线的监督和管理提供了数据支撑，为今后生态保护红线监测与评价提供数据参考。
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