文献分享：基于生态系统健康评价的土地空间生态恢复分区综合方法研究
本文是Lv等人于2023年发表在《Ecological Indicators》上的一篇文章。
来源：土地系统科学研究
前言
近年来，前所未有的城市化进程和日益多样化的人类活动导致全球土地利用发生变化，导致土地大规模退化、生态系统服务功能迅速下降、自然灾害等一系列生态环境问题。生态退化已成为全球性的重大问题，严重威胁人类的可持续发展。
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生态恢复是指为实现生态系统的健康、完整和可持续性而采取的一系列有益的行动，如控制水土流失、重新造林、改善生境等。识别生态问题和社会生态系统耦合相互作用的空间范围是实现有效生态修复的关键。研究人员一般采用生态健康评价和风险评价来诊断区域生态问题。复杂的生态系统通常被认为具有自我调节机制来维持健康。直观上，“健康”一词用于表示某些生理标准，表明系统中参数的变化在正常范围内。生态系统健康评价方法可分为基于物种的评价方法和基于社会生态综合指标的评价方法。
现有的研究为生态修复的方法和应用模式奠定了基调。然而，考虑到生态系统健康状况的复杂性、生态退化过程的异质性以及实际的恢复区划工程，缺乏科学实用的空间区划标准。此外，由于社会、经济和文化的惯性，以及县、市、省行政边界内独特多样的自然环境，使得跨界生态修复区划变得混乱和复杂；因此，对土地空间生态恢复区划的空间连续性认识不足。在宏观尺度上实施生态恢复规划，对相互作用的生态系统健康和生态系统问题进行全面和实用的诊断，是长期扭转生态退化趋势的必要条件。
确定适合实施生态修复的空间尺度和跨界区域也是关键问题。图1给出了（土地-空间）生态恢复与（区域）生态健康的理论框架，二者的关系体现在自然生态系统和社会经济系统两个方面。不同尺度、不同重点的生态系统健康和生态恢复区划，是实现生态完整性的跨界生态修复。生态系统健康状况可为土地退化、生物多样性丧失等环境下的生态问题诊断提供参考。土地空间生态恢复区划在宏观上通过综合修复目标和差别化策略来提高效率。然而，以问题为导向的空间分区进程和务实的实施尚未实现。因此，我们提出了以下问题需要进一步探索，解决这些问题也是本研究的创新之处：(1)如何通过生态系统健康评价在宏观尺度上诊断与土地空间生态修复实践相关的生态问题？(2)如何在兼顾空间连续性和现实需求的前提下有效制定土地空间生态恢复区划？
本研究以长江中游城市群为例，试图对生态问题进行诊断，并制定空间连续的土地空间生态恢复区划。潘阳湖流域经济快速发展，生态退化，近年来引起广泛关注（UAMRYR）。由于复杂的地貌环境，生态系统健康状况和生态问题也表现出较大的空间异质性。因此，在社会快速发展与生态保护难以协调的情况下，UAMRYR提供了一个典型的生态系统健康评估和实施土地空间生态恢复区划的区域。
材料及方法
1.1研究区域
UAMRYR位于中国中部，地理坐标为26°29′-31°51′，110°23′-118°28′，涵盖三个城市群，即武汉城市群（湖北），长珠潭城市群（湖南）和鄱阳湖周边城市群（江西）（图2）。
1.2数据来源和处理
本文使用的数据主要包括遥感影像、行政边界数据集和UAMRYR归一化植被指数（NDVI）数据。此外，我们将所有数据集处理成统一的网格单元大小，该网格单元大小由UAMRYR在国家重要生态系统保护与恢复重大工程计划（2021-2035）中项目的平均面积确定。据此，将研究区划分为10km×10km的网格大小，共生成3458个网格。具体情况如下：
1.3方法
提出了基于VOR的生态系统健康评价框架，并提出了基于统计、基于空间连续性、构建基于实践的分区框架，实现土地空间生态恢复分区（图3）。
第一部分基于TOPSIS模型评价生态系统健康水平，并根据生态系统活力（EV）、生态系统组织（EO）和生态系统恢复力（ER）的空间匹配情况划定初始分区。第二部分结合生态系统健康水平和生态修复项目完整性，介绍了土地空间生态修复分区调整优化步骤。
1.3.1建模VOR-TOPSIS框架
根据实证研究和数据可及性，建立了生态系统健康评价的VOR指标体系，该指标体系包括生态系统活力（EV）、生态系统组织（EO）和生态系统恢复力（ER）四个维度。然后，基于TOPSIS模型计算生态系统健康指数（EHI）综合评价。
EV表示生态系统的代谢能力或净初级生产力。之所以选择NDVI来反映植被生产力，是因为NDVI可以反映植被生产力的时空变化，并已被广泛证实适合于评价植被生产力。
EO被定义为生态系统的结构稳定性。利用空间异质性、景观连通性和景观形态等景观格局指标，对生态环境水平进行了广泛的评价。与景观生态学领域的指标一致，景观异质性用香农多样性指数来表示。
适应性是指生态系统在自然或人为干扰下保持或恢复到原始状态的能力，其主要特征是抵抗力和恢复力。前者是抵抗外部干扰的能力。后者是指区域生态系统遭受严重破坏后恢复原状的能力。考虑到各土地利用类型抵御外部干扰和恢复生态系统健康的能力，确定了生态系统抵抗和恢复系数分别为0.4和0.6。然后，将不同的生态恢复力系数（cresiilien）和抗性系数（Cresistan）赋给相应的土地利用类型（表1）。
计算ER具体如下：
1.4基于SSP区划框架的土地空间生态恢复区划
为了优化土地空间生态恢复分区，提出了基于SSP的分区框架，该框架可分为基于统计的步骤、基于空间连续性的步骤和基于实践的步骤。
•步骤1：基于统计的分区
基于统计的分区利用EV、EO和ER之间的空间匹配关系来实现差异化恢复区域的圈定（图3a）。这一步骤符合土地空间生态修复的核心，即恢复不健康生态系统的结构、过程和服务。采用自然断点法划分EV、EO和ER的健康水平，然后通过EV、EO和ER的排列划分8个分区（表2）。
•步骤2：基于空间连续性的分区
基于空间连续性的分区是指在考虑空间连续性的前提下，通过设置场景对孤立网格进行调整。事实上，由于自然和社会经济的差异，统计区划难以保证空间一致性，这与系统、整体的土地空间生态修复原则不一致。因此，设计了一个双重方案，通过将3×3网格定义为每个网格的邻域来优化孤立网格（图3b）。
场景1：如果3×3网格中只有一个孤立网格，则该孤立网格与其相邻邻域中占比最大的分区类型合并。
场景2：如果一个3×3小区存在多个隔离网格，则需要计算每个隔离网格周围的8个周边网格的分区类型比例，按照场景1的原则，按照周边最大分区类型比例从高到低进行隔离网格的合并。
•步骤3：基于实践的分区
基于实践的分区是一种在生态修复项目中调整孤立网格的方法。中国大型土地空间生态修复工程倾向于以重点生态功能区或退化生态系统区为先导，将其划分为县级子项目进行有效管理。为了进一步实施有效的恢复管理并提供实用参考，在基于实践的分区步骤中设置了两个场景，阈值为20%（图3c）。
场景3：如果一个项目中只存在一个分区类型，且比例小于20%，则该分区内的网格与其相邻街区中比例最大的分区类型合并。
场景4：如果一个项目中存在多个分区类型，且比例小于20%，则按照场景2的原则合并这些稀疏分区类型中的网格。
结果
2.1生态系统健康指标时空变化特征
图4为2010-2020年栅格水平上EV、EO和ER的空间格局及其变化。在此期间，EV值的总体变化为正，从0.7844增加到0.7883。由于植被密度高，在UAMRYR的边缘和中心区域主要检测到高EV（图4a）。
2010年和2020年EO的空间分布差异较大（图4b）。UAMRYR的平均EO值从2010年的0.6561下降到2020年的0.6275。2010-2020年，8.04%的网格分布在城市地区，EO变化增加，这主要是由于土地集约利用造成的。
图4c为ER的空间格局。2010年ER值为0.5983，2020年ER值为0.5945，呈轻微下降趋势。2010年和2020年，高ER是UAMRYR的主导状态，分别占29.50%和29.18%。2010-2020年，长江三角洲大部分地区（66.51%）的生态承载力在研究10年间呈下降趋势，其中以城市群西部地区最为明显。
从图4d可以看出，UAMRYR的EHI平均值呈轻微上升趋势，由0.67上升至0.68。EHI值高的区域集中在研究区的中部、南部、东部和西部边缘。EHI值较低的地区主要分布在首要城市及其周边城市。对于EHI的变化，UAMRYR中所有栅格的EHI变化平均值为负（-0.0017），相当一部分栅格（55.12%）呈现上升趋势。
2.2基于SSP分区框架的土地空间生态恢复分区
UAMRYR基于SSP分区框架确定了土地空间生态恢复分区（图5）。
表3显示了各分区中网格比例的变化情况。第八区面积最大，分别占SSP分区框架三步程序的37.07%、41.06%和41.12%。这一结果可能主要归因于重点生态功能区内孤立网格的修正。此外，I区比例的增加紧随VIII区，从18.16%增加到21.57%，为快速城市化地区未来受损生态系统的恢复提供了弹性空间。研究区SSP分区框架的不同步骤之间的空间分区格局存在显著差异。
从基于统计的步骤到基于实践的步骤，分区结果的变化主要集中在研究区的“退化环”和外围。更具体地说，观察到三个主要变化。首先，I区在人类活动高强度的长江沿岸、汀湖平原、鄱阳湖平原更加集中和连续。其次，通过SSP分区框架，II区、III区、IV区和V区在I区外围呈现出日益紧凑的分布，为通过实施生态修复规划扩大VIII区提供了基础。第三，与基于空间连续性的步骤相比，经过基于实践的步骤后，项目区内的分区变得更加简洁。
2.3土地空间生态恢复区划的恢复策略
需要有针对性的政策和恢复策略来确保不同恢复区的生态健康。基于EV、EO和ER的空间匹配关系，结合实地调查和土地利用格局现状，诊断各区域的生态问题，并提出相应的修复策略（图6）。
I区：主要位于长江沿岸、赣江沿岸、洞庭湖平原、江汉平原和鄱阳湖平原南部，是长江流域城郊关键农业生产区和经济发展区，耕地占57.75%，建设用地占11.10%。快速的城市化和急剧的土地利用变化导致该地区的EV、EO和ER较低，一系列环境问题（如绿地损失和农业面源污染）日益突出。合理增加口袋公园、绿道、屋顶花园和生态网络，改善人居环境，增强城市韧性。在农业空间上，要完善农业基础设施，优化种植结构，发展生态农业和有机农业，提升城郊农业区生态系统健康水平。
II区：位于高EV、低EO、低ER的I区的外层，主要位于汉江流域。耕地是该区主要的土地类型（70.20%）。然而，耕地的破碎化和相对较低的质量使其难以抵御外部干扰。农业生产方式应逐步由小规模的单户经营向大规模的合作经营转变。同时，应采取农艺与工程相结合的有机措施来缓解富营养化。
III区：主要分布在武汉、南昌郊区，以及省会周边城市的主城区。快速的城市化进程导致该区耕地和生态用地有可能转化为建设用地，导致农业撂荒和生态土地退化等生态系统问题；因此，该区域的EV和ER较差。应实施严格的空间控制政策，防止毁林复垦，对撂荒土地进行复垦，并配合适当的农业政策，吸引农民返耕。
IV区：以长江、洞庭湖、鄱阳湖为主体，水资源丰富。然而，由于近10年的高强度人类活动和不完善的污染控制措施，该区的水质和水生生物多样性风险有所增加，呈现出较低的EV和EO。因此，需要长期的污染控制和绿化工程来修复不健康的水生生态系统。实施生态保护工程，严格洞庭湖、鄱阳湖、长江周边空间管理规划，实施退耕还林工程，遏制湿地萎缩。
V区：主要位于江汉平原和洞庭湖平原，70.86%为耕地，其次为林地（16.99%）。高植被覆盖有助于形成充满活力和有组织的生态系统，但大型人工生态系统（农业生态系统）应对外部干扰的能力较差。因此，土壤修复（如土壤洗涤、植物修复和微生物修复）是必要的。此外，应实行轮作和保护性耕作，以提高土壤生产力。升级主要用于农业灌溉和排水的设施对于应对暴雨非常重要。
VI区：主要分布在三峡库区和森林覆盖率较高的大别山，以及其他人类活动强度较低的山区。由于地形陡峭、降水不均匀和人类活动等原因，土壤侵蚀和石漠化仍然存在。人类活动给当地单一生态系统带来巨大压力；因此，植被恢复工程的实施可以缓解土壤侵蚀，特别是在陡坡地区。同时，应广泛采用保护性耕作方式，防治水土流失和石漠化。
VII区：占比最小（0.76%），主要零星分布在长沙、株洲、萍乡、衡阳市。低EO主要是由于石漠化造成的，因此该区域的土地空间生态恢复应与六区联系起来，以保证恢复工程的连续性。
VIII区：中部位于木府山、罗萧山，东部位于怀玉山、武夷山，西部位于大巴山、雪峰山，具有较高的EV、EO、ER。该区以林地为主（72.84%）。健康的生态系统、陡峭的地形和高植被覆盖率构成了其生物多样性丰富的生态系统。然而，由于气候变化和高强度的人类活动，山地物种表现出栖息地丧失、易受人类干扰和濒危的特征。因此，应结合生态保护红线，根据森林的自我更新能力，实施以自然为本的解决方案，在生活和农业空间发展封闭、半封闭或轮作封闭森林，在自然保护区发展全封闭森林。对部分严重退化的森林实施退化森林恢复工程。此外，破碎化的生境环境造成的孤立的生态保护区对物种的长期维持越来越困难；因此，将多个生态、气候和海拔梯度的生态空间连接成完整的、连接的生态网络被认为是一种有效的方式，为物种的跨区域迁移和适应提供可能性，特别是在山区。
结论
本研究将土地空间生态恢复区划与生态系统健康相结合，构建了空间连续生态恢复区划框架，为空间连续生态恢复区划的制定提供了思路。研究结果表明，尽管2020年生态系统健康指数较2010年下降0.24%，但仍有55.12%的生态系统健康状况有所改善。采用综合区划方法，将不同生态系统健康水平的土地空间生态恢复区划分为21.57%、9.9%、3.01%、2.11%、4.68%、17.67%、0.72%和31.00%的土地空间生态恢复区。因此，需要相应的政策和修复模式来保证不同区域的可持续性和稳定性，从而有利于生态环境的保护和人类福祉的提升。
编者评
缓解生态系统退化已成为全球性的战略重点，中国近年来持续推行土地空间生态修复举措，旨在达成全面的生态保护目标。为了制定并执行区域层面的生态恢复战略，关键在于全面评估生态系统健康状况并合理划分空间区域。此研究运用活力-组织-弹性模型，分别计算了2010年与2020年的生态系统健康指数（EHI）。随后，结合生态系统健康状态、空间关联性及地方实际情况，构建了一个包含统计分析、初步连续性评估及实践基础（SSP）三阶段的区划框架，对土地空间生态修复区域进行了细致分类。研究聚焦于长江中游城市群，采用了综合性的区划方法。研究结果揭示：
1.在2010年至2020年间，该流域的生态系统健康指数略有下滑，整体呈现出由中心向外围逐渐从健康状态过渡到不健康再回归健康的空间分布特征。
2.通过应用SSP分区框架，本文识别并调整了八个土地空间生态修复区域，确保这些区域在空间布局上既充实又具实用性。其中，VIII区面积占比最大，达到41.12%，紧随其后的是I区，占比21.57%。
3.针对每个区域，分别提出了针对性的土地空间生态恢复策略。不仅为长江中游城市群土地空间生态恢复分区及差异化恢复策略的制定提供了支持，同时也为中国乃至全球环境复杂地区的生态恢复管理与可持续发展目标的实现贡献了参考。
原文信息：Tianyu L ,Chen Z ,Chuxuan L , et al.Towards an integrated approach for land spatial ecological restoration zoning based on ecosystem health assessment[J].Ecological Indicators,2023,147
阅读原文：https://10.1016/J.ECOLIND.2023.110016
声明：本推送内容为课题组对论文的理解，因水平有限，难免出现错讹。敬请各位专家、同学批评指正。
本期编辑：史策 硕士 审稿：边振兴 老师
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