热点回顾‖王思源等：川藏铁路西藏昌都段生态保护重要性评价
川藏铁路西藏昌都段生态保护重要性评价
王思源1,赵敏敏1,闫晶2,马鑫1,刁玉杰1,付雷1,罗倩3,4
（1.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心,河北 保定071051；2.中国冶金地质总局 地球物理勘查院,河北 保定071051；3.重庆市武隆区规划和自然资源局,重庆408500；4.重庆市武隆区城乡规划管理中心,重庆408500）
摘 要
生态系统服务功能与生态系统敏感性是衡量生态系统质量及实现高质量生态文明建设的重要依据。川藏铁路沿途跨越多个自然地理单元,生态环境保护是铁路规划、建设及运行过程中面临的关键问题。以川藏铁路西藏昌都段为研究对象,采取资料分析与野外调查结合的手段,运用生态评价模型对研究区的生态系统服务和生态脆弱性进行分析,并基于研究结果对铁路途经区域的生态保护重要性进行评价。结果表明,当前昌都境内川藏铁路涉及的生态保护极重要区、重要区和一般重要区占比分别为42.19%、52.69% 和5.12%。评价结果有助于在铁路规划、建设及运营过程中对工程活动进行合理布局,有针对性地降低对生态系统的负面影响,达到社会经济效益和生态效益双赢的目的。
关键词
川藏铁路;生态系统服务功能;生态脆弱性;生态系统保护重要性
0 引 言
川藏铁路对国家国土安全、均衡发展具有重大而深远的战略意义[1]。然而,川藏铁路穿越我国地貌单元中的第一、二级阶梯,沿线地质构造复杂、生态环境脆弱,工程建设活动难免对原有脆弱的生态环境产生干扰。因此,如何在克服诸多环境地质问题确保工程顺利实施的前提下,保证沿线生态质量是地学研究中的关键问题[2]。然而,目前大部分针对川藏铁路建设对沿线生态系统影响的研究均以区域定量描述为主,缺乏整体的定性分析,研究成果难以在具体工作得到应用[3]。
在地球系统科学理论体系中,任何人类活动均是社会经济自然复合生态系统中的一部分,也是人类与自然系统相互作用的空间实体[4]。地质环境适宜性评价框架(ESELC)是确定和评价最适合未来开发和建设的地区的有效工具[5]。该方法适合于确定建设的区域的位置和生态边界,并根据生态规划原则建立适宜的层次结构,对区域的生态特征和影响建筑开发活动的因素进行定量评价。生态保护重要性评价正是该框架的关键组成部分之一。在这一框架下,生态环境部以及自然资源部已针对全国生态质量评价及生态保护红线划定工作制定了评价指南,以上指南虽然涉及面较广,但是主要针对全国尺度的评价,未能充分体现青藏高原生态环境的特殊性和应关注的主要问题。此外,不少学者也针对高原面临的土地沙化[6]、冻融风化[7,8]等问题进行了专项研究,但是研究主要以具体问题为主,缺少整体性评价研究和功能区划。可见对高原区生态保护重要性的评价研究相对欠缺。鉴于此,本文综合分析影响西藏昌都地区生态环境的各个影响因子,并对主要生态系统服务功能重要性和关键生态问题脆弱性的强度及分布特征进行分级评价与研究,并在此基础上评价了区域生态保护的重要性,以期对后期川藏铁路建设过程中有针对性地采取生态保护措施、降低生态风险提供支撑。
1 研究区概况
西藏昌都地区总地势西北部高、东南部低,最高海拔为5 460 m,最低海拔约3 100 m,平均海拔3 500 m以上。区内山脉为南北走向,三条大江与三列山脉相间分布,从西向东依次是伯舒拉岭、怒江,他念他翁山、澜沧江,达玛拉山-宁静山、金沙江。山脉海拔多在4 000~5 000 m之间,山岭与河谷的高差达1 000~2 000 m。西北部山体较完整,分水岭地区保存着宽广的高原面。由于受南北平行峡谷及中低纬度地理位置等因素的影响,昌都地区气候具有垂直分异明显和区域性差异大等特点。大部分地区属温带湿润气候,但峡谷之间温度、湿度相差较大,气候随地势高度而异。海拔3 800 m以上的高寒地区年均温度在3 ℃左右,海拔4 115 m的邦达草原最暖月平均温度为11.6 ℃,最冷月平均温度为8.4 ℃。昌都地区的地质构造主要受东部的金沙江和西部的班公错怒江断裂带的控制,在强烈的碰撞挤压作用及高地应力的影响下形成了一系列的地质构造[9],并形成一系列以北北西—南南东向为主的褶皱及断裂带(主要有班公错怒江断裂带、金沙江断裂带、澜沧江断裂带)为主的地质构造遗迹(图1)。受到地貌、气候、地质条件等作用的共同影响,昌都地区有包括森林、灌木林、高寒草甸等多种生态系统类型,不仅是世界生物多样性和景观多样性较富集的地区之一,更是长江上游干支流以及怒江、澜沧江的天然水源涵养林区和水土保持林区。作为我国长江中下游地区和东南亚地区重要的高原生态屏障,昌都地区珍稀动植物种类丰富,天然沼泽湿地保存完好,原始森林植被多样,有多种国家重点保护动植物,生态地位极其重要。拟建川藏铁路大体呈东西走向,由江达县进入昌都市境内,经过察雅县、卡若区、八宿县,并最后经洛隆县进入林芝市境内;铁路穿越了上文提到的三条主要构造带,其工程地质条件十分复杂,沿途地质灾害频发,生态环境脆弱[10]。
图1 研究区地质构造单元区划图
构造区边界;2.构造单元边界;3.川藏铁路大致走向;4.羌塘三江构造区;5.冈底斯—喜马拉雅构造区;6.若拉岗日金沙江构造单元;7.北羌塘昌都构造单元;8.卡里昆仑—他念他翁构造单元;9.班公湖—怒江结合带;10.冈底斯构造单元;11.雅鲁藏布江构造单元
2 研究方法
2.1 数据来源
本研究主要使用的数据有反映地形特征的数字高程模型(DEM),并以此为基础生成坡度及坡向数据,反映植被生长状态的归一化植被指数(NDVI)[11,12,13],反映植被综合生态影响能力的NPP数据。从联合国粮农组织(FAO)和维也纳国际应用系统研究所(IIASA)所构建的世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database version 1.1 )(HWSD)获得研究区数字化土壤数据;降水等气象、气候数据源于水资源公报和昌都市气象局(表1)。川藏铁路走向数据根据已公开资料粗绘,并根据可能的影响范围预留1 000 m宽度。
表1主要数据概况
2.2 评价方法
建设用地的选择必须依赖于对生态质量的定量评估,以确保生态持续发展并能够产生社会和经济效益[14]。在青藏高原开展工程建设活动时,必须确保生态安全,以尽量降低各种开发活动对生态系统及其演化过程的不利影响。对生态系统服务功能性进行评估有助于理解生态系统服务功能的空间分异规律,进而划分关键的空间格局[15]。生态功能性水平越高,山区发展的生态风险越大,生态阻力也会成比例增加。生态恢复力是衡量生态系统在外部干扰导致的生态环境破坏面前抵抗干扰并恢复到稳定状态的能力[16]。生态恢复力越高,说明山区具有更强的自我恢复和自我更新能力,抵御干扰的能力越强,生态风险越小,生态建设的阻力越低。本研究参照《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号)中的评价方法建立了评价体系,并针对昌都生态系统的特点对评价方法进行优化调整,突出了在昌都高寒地区生态系统的特点。具体来讲,运用生态评价模型对研究区的水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性保护(针对已有的自然保护地优化评价结果)等生态系统服务功能以及水土流失(突出冻融风化特征)、石漠化、土地沙化等生态脆弱性进行了评价,并基于自然保护地空间分布数据对评价结果进行修正。在以上工作的基础上,进行研究区生态保护重要性分区,对川藏铁路昌都境内段涉及的5个县区的生态保护重要性展开评价(图2)。
图2生态保护重要性评价流程图
2.2.1 生态指标评价方法
2.2.1.1 生态系统服务功能重要性
(1)采用公式(1)对水土保持功能重要性进行评价。
Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)
(1)
式中:Spro为水土保持服务能力指数;NPPmean为多年植被净初级生产力平均值;Fslo为坡度因子;K为土壤可蚀性因子。
(2)采用公式(2)对水源涵养功能重要性进行评价。
WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)
(2)
式中:WR为水土保持服务能力指数;NPPmean为多年植被净初级生产力平均值;Fsic为土壤渗流因子;Fpre为多年平均降水量因子;Fslo为坡度因子。
(3)采用公式(3)对防风固沙功能重要性进行评价。
Sws=NPPmean×K×Fq×D
(3）
式中:Sws为防风固沙服务能力指数;NPPmean为多年植被净初级生产力平均值;K为土壤可蚀性因子;Fq为多年平均气候侵蚀力;D为地表粗糙度因子;u为2 m高处的月平均风速,u1、u2分别表示在z1、z2高度处的风速;ETPi为月潜在蒸发量,mm;Pi为月降水量,mm;d为当月天数;Ti为月平均气温,℃;ri为月平均相对湿度,%;D为地表粗糙度因子;θ为坡度,(°)。
(4)采用公式(8)对生物多样性维护功能重要性进行评价。
Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)
(8)
式中:Sbio为生物多样性维护服务能力指数;NPPmean为多年植被净初级生产力平均值;Fpre为多年平均降水量;Ftem为多年平均气温;Falt为海拔因子。
2.2.1.2生态脆弱性评价
(1)采用公式(9)—(11)对水土流失脆弱性进行评价。
由于昌都地区环境条件复杂,水土流失存在冻融侵蚀和水力侵蚀共存的状态,因此需要分区域对水土流失敏感性进行评价。根据第一次全国水利普查水土流失情况,根据以下公式确定冻融侵蚀区的海拔下界:
式中:H为冻融侵蚀区海拔的下界,m;X1为纬度,(°);X2为经度,(°)。
对冻融侵蚀区进行水土流失脆弱性评价。应用线性加权法对影响冻融侵蚀的降水、气温年较差、坡度、坡向、植被覆盖度等因子进行计算[7],采用自然断点法对结果进行分级,评价冻融侵蚀的脆弱性:
式中:I为冻融侵蚀综合评价指数;Ii为第i个因子的赋值;Wi为第i个因子的权重;n为评价因子数。
水力侵蚀区水土流失脆弱性评价采用下式:
式中:SSi为i空间单元水土流失脆弱性指数;评价因子包括降雨侵蚀力(Ri)、土壤可蚀性(Ki)、坡长坡度(LSi)和地表植被覆盖(Ci)。
(2)采用公式(12)对土地沙化脆弱性进行评价。
式中:Di为i评价区域土地沙化脆弱性指数;Ii、Wi、Ki、Ci分别为评价区域干燥度指数、起沙风天数、土壤质地和植被覆盖的脆弱性等级值。
(3)采用公式(13)对石漠化脆弱性进行评价。
式中:Si为i评价区域石漠化脆弱性指数;Di、Pi、Ci分别为评价区域碳酸盐岩出露面积百分比、地形坡度和植被覆盖度。
2.2.2 集成评价方法
取生态系统服务功能重要性和生态脆弱性评价结果的较高等级,作为生态保护重要性等级的初判结果,划分为极重要、重要和一般重要三个等级(根据《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号),表2)。
表2 生态保护重要性等级矩阵
2.2.3 评价结果的修正
自然保护地生态系统服务功能重要性和生态保护重要性均较高,但是基于空间数据的宏观评价并不一定能充分涵盖自然保护地涉及的区域。因此,在完成评价后,需要利用收集的自然保护地空间分布数据对评价结果进行修正,直接将自然保护地所属区域修正为生态系统服务功能极重要区及生态保护极重要区。
3 结果
3.1 生态系统服务功能重要性评价结果
3.1.1 水土保持功能
由于研究区海拔较高,水热条件不足,植被以高山草甸及灌木为主,且区域内有较大部分存在强烈的冻融风化,因此植被能够提供的水土保持功能较弱,超过99%的区域均为水土保持功能一般重要区。其中极重要区面积较小,约为16.4 km2,占比约为0.04%,主要集中分布在贡觉县中部及八宿县北部。重要区面积约为406.30 km2,占比约0.89%;一般重要区面积约为4.54万km2,占比约99.08%(图3(a))。
图3研究区4种主要生态系统服务功能重要性评价结果图
3.1.2 水源涵养功能
水源涵养功能主要指植被调蓄降水、蒸发及径流等水文过程并实现调节径流功能的能力。研究区中水源涵养功能极重要区面积约0.29万km2,占比约6.32 %,主要集中分布在卡若区东北部、贡觉县东部及察雅县南部;重要区面积约为1.87万km2,占比约40.91%,主要分布在卡若区、贡觉县及察雅县南部;一般重要区面积约为2.42万km2,占比约52.77%,主要分布在八宿县及察雅县西北部(图3(b))。
3.1.3 防风固沙功能
防风固沙功能主要指植被降低地表抗风力侵蚀的功能,该项功能与植被类型、植被覆盖度等密切相关。研究区防风固沙功能极重要区面积约0.50万km2,占比约10.87%,主要集中分布在卡若区北部及中部、贡觉县中西部及察雅县东南部;重要区面积约为1.84万km2,占比约40.26%,主要分布在卡若区、贡觉县及察雅县南部;一般重要区面积约为2.24万km2,占比约48.86%,主要分布在八宿县、察雅县中西部及洛隆县南部(图3(c))。
3.1.4 生物多样性保护功能
生物多样性保护功能主要指区域内保持生态系统、物种及遗传资源的能力,在景观尺度上,主要通过提高生境的完整性、斑块的连通性及降低干扰的途径实现。研究区生物多样性保护功能极重要区面积约0.32万km2,占比约7.03 %,主要集中分布在卡若区中部、贡觉县东部等植被条件较好的区域;重要区面积约为2.03万km2,占比约44.43%,主要分布在卡若区、贡觉县及察雅县南部;一般重要区面积约为2.23万km2,占比约48.54%,主要分布在八宿县、察雅县北部至卡若区南部及洛隆县南部(图3(d))。
3.1.5 集成评价结果
生态系统服务功能在青藏高原非常重要,研究区的生态系统服务功能集成评价结果显示,其中极重要区面积约为1.63万km2,占比约35.54%,主要集中分布在贡觉县东部、察雅县东南部、八宿县南部及洛隆县中东部,其主要功能为水源涵养及生物多样性保护;重要区面积约为1.20万km2,占比约26.02%;一般重要区面积约为1.76万km2,占比约38.45%。其中,川藏铁路东部在贡觉县及察雅县境内分别有约41 km及27 km的路段通过生态系统服务功能极重要区(图4和表3)。
图4研究区生态系统服务功能重要性评价结果
表3研究区生态系统服务功能重要性统计
3.2 生态脆弱性评价结果
3.2.1 水土流失脆弱性
研究区植被条件较差,并且降水侵蚀与冻融侵蚀共存,面临较为严重的水土流失问题,超过一半的区域属于水土流失极脆弱区。其中,极脆弱区面积约2.54万km2,占比约55.63 %,主要分布在全区海拔超过4 000 m、坡度较大、植被条件较差的区域;脆弱区面积约为2.00万km2,占比约43.68%,主要分布在海拔4 000 m以下、坡度相对平缓的区域;一般脆弱区面积约为0.03万km2,占比约0.68%,主要呈条带状分布在河谷区域(图5(a) )。
图5研究区3种主要生态脆弱性评价结果
3.2.2 土地沙化脆弱性
研究区自然环境较为恶劣,植被群落结构单一,并且在部分区域存在人工放牧活动,因此,在部分区域存在较高的土地沙化风险,评价结果表明,区域中土地沙化脆弱区域呈条带状聚集分布。其中,极脆弱区面积约为0.96万km2,占比约21.01 %,主要分布在洛隆县、卡若区及察雅县的中西部及贡觉县东部;脆弱区面积约为0.81万km2,占比约17.65%,主要分布在洛隆县东南部及八宿县中部和西北部;一般脆弱区面积约为2.81万km2,占比约61.34%(图5(b))。
3.2.3 石漠化脆弱性
研究区内植被条件较差,土壤厚度普遍有限,且有较大区域存在有碳酸盐岩出露,石漠化风险同样较高。其中,极脆弱区面积约0.34万km2,占比约7.47 %,主要呈条带状分布在各县区碳酸盐岩集中出露的区域;脆弱区面积约为3.42万km2,占比约74.71%,占区域的大部;一般脆弱区面积约为0.82万km2,占比约17.81%,主要分布在八宿县及贡觉县南部(图5(c) )。
3.2.4 集成评价结果
整体上,研究区生态环境脆弱性以脆弱级别为主,各个县区极脆弱区比例相对较低,脆弱区比例较高。具体来讲,极脆弱区面积约为0.25万km2,占比约5.62%,主要呈条带状分布在澜沧江和怒江沿线高陡的山间河谷区。脆弱区面积约为3.62万km2,占比约为79.07%,主要分布在靠近河谷、海拔相对较低、水热条件较好的区域。该区域植被发育较好,生态环境质量相对较高。一般脆弱区总面积约0.70万km2,占比约为15.31%。其中八宿县境内由于植被条件较好,生态质量相对较高,一般脆弱区分布较为集中,县域内一般脆弱区面积约为0.45万km2,占比约为36.64%。川藏铁路穿越路段大部分为脆弱区,在贡觉县及八宿县境内总长度约为28 km的区段穿越极脆弱区,应在设计施工极工程管理过程中给予重点关注(图6和表4)。
图6研究区生态脆弱性分布图
表4研究区生态脆弱性等级统计
3.3 生态保护重要性评价结果
研究区大部分地区均处于生态保护极重要区和重要区,在开发过程中需要严格落实生态保护工作,严密防范生态退化现象。从整体上看,生态保护极重要区面积约为1.93万km2,占区域总面积的42.19%。生态保护重要区面积约为2.41万km2,占区域总面积的52.69%。生态保护一般重要性区域主要集中分布在八宿县的东北部、卡若区东部及贡觉县西部,面积约为0.23万km2,占比约5.12 %。总体来看,研究区各县区生态服务重要性均较高,极重要区面积占比普遍超过40%,而一般重要区的比例均较低,除八宿县外均不超过10%(图7和表5)。
图7研究区生态保护重要性分布图
表5研究区生态保护重要性等级评价结果
4 讨论
4.1 可靠性分析
本研究在《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号)推荐的生态保护重要性评价方法的基础上,根据高原冻融侵蚀发育的特征改进和建立了评价方法体系,方法本身具有较高的可靠性,并能反映川藏铁路途经路段高原生态保护工作的特点。由于涉及多空间数据被引入评价指标中,然而数据的空间分辨率及空间尺度并不完全一致,因此评价结果精度受制于分辨率最低的数据。本研究使用的植被初级净生产力(NPP)、土壤等关键数据的空间分辨率仅有1.0 km,虽然研究区面积较大,当前数据尚能够满足本尺度评价精度的需求。
4.2 评价方法的局限性和未来发展
模型从评价方法的角度出发,本研究所采用的基于景观生态理念和植被初级净生产力(NPP)的模型主要侧重于模型的内在逻辑。本研究的主要不足在于数据的质量及模型因素的设置可能会给评估结果带来不确定性[17,18]。评价的科学性体现在指标设置过程的逻辑性和系统性上。本研究从生态系统服务价值、生态脆弱性两个维度,对山区建设生态适宜性进行了分类和区划。比较采用传统的生态适宜性评价方法,本文的研究方法更具有实用性,但同时也存在改进的空间:由于土地开发建设涉及自然、社会、经济一体化系统的多个方面,土地开发建设适宜性评价应同时涵盖生态、社会、经济三个主要方面。本研究提出的生态保护重要性对实现土地合理开发具有重要意义模式。但是,本文只考虑了生态适宜性指标,在后续研究中,评价内容将进一步增加农业发展适宜性及社会经济适宜性指标,建立大型工程建设适宜性综合评价体系,使土地开发的生态效益、社会效益和经济效益最大化。另一方面,本研究涉及的研究区面积超过4.5万km2,数据的空间分辨率尚能满足分析的要求,但是对于空间尺度较小的研究区,本评价方法中用到的数据则不能满足评价及数据分析的精度要求,必须寻找分辨率更高的数据或对评价方法进行有针对性的改进。
4.2 铁路建设生态保护建议
青藏高原自然条件恶劣,生态环境脆弱,而铁路沿线多次跨越生态脆弱区及生态保护极重要区,其中关键的路段有:贡觉县东部路段、卡若区南部涉及自然保护区路段、八宿县中部涉及冻融侵蚀路段以及洛隆县南部路段。此外,在不同的施工阶段也应针对性地采取保护措施,具体应包括以下几方面:(1)准备阶段,贯彻环保意识。优化设计临时道路,尽量利用现有公路,慎重选择原材料砂石料场,并选择在无植被或少植被的地带,减少对工程区生态环境的破坏,在生物多样性保持区应针对场地特点做好生态屏障并预留生态廊道,确保生态系统结构不丧失。(2)施工阶段,坚持生态优先。生活营地、生产场地、原料场、堆渣场等场址尽量选择对植被破坏小并且易于进行生态修复的区域。(3)运行维护阶段,防范生态风险。工程主体建成后,应着重开展工程影响区生态修复工作。在线路管护的同时,也应制定对沿线生态质量展开长期性评估和生态风险管理预案,确保“将川藏铁路建成绵延千里的绿色交通走廊”[19]。
5 结论
本文对生态保护重要性评价方法进行了优化,提出了适应青藏高原东部环境特点的评价体系,并将该方法应用到川藏铁路途经的昌都市贡觉县、察雅县、卡若区、八宿县及洛隆县,并得到以下认识:
(1)对研究区生态系统服务功能进行的评价表明,5区县内生态系统服务重要性较高的功能为防风固沙、水源涵养和生物多样性保护。受制于植被和气候条件,区域内水土保持功能相对较弱。
(2)由于研究区海拔较高,冻融侵蚀是区内主要水土流失类型之一。冻融侵蚀区面积超过研究区总面积的25%,且主要集中在海拔较高的八宿县境内,川藏铁路八宿县境内段有约30 km的线路穿过冻融侵蚀区,如有地面工程,应在施工及后期运营中注意生态保护及预防相关地质灾害的发生。
(3)研究区大部分地区均处于生态保护极重要区和重要区,占比超过94.88%,在开发过程中需要严格落实生态保护工作,严密防范生态退化现象。本研究改进后的评价体系能够充分反映区域生态系统的特色,保证川藏铁路在建设运营过程中贯彻“生态优先、绿色发展”的理念,为保证高原地区生态质量基本不降低的前提下实现综合开发提供重要的科学依据。
致谢
中国地质调查局水文地质环境地质调查中心王明国高级工程师、刘廷工程师以及昌都市自然资源局尚秀梅副局长对本研究提供了大力支持和协助,谨致谢忱。
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