CN116090858B - 水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统，属于生态资源修复技术领域。包括：步骤S100：计算水资源限制下生态修复阈值；步骤S200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；步骤S300：将水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。本申请能够更加准确地识别与量化多资源因素限制下生态修复潜力，有效减少对生态修复潜力的高估及因此导致的决策失误。
Description
技术领域
本发明涉及生态资源修复技术领域，更具体的说是涉及水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统。
背景技术
在退化生态系统上进行大规模生态修复是保护生态安全最可行的解决方案之一。但在具有明显自然或社会经济限制的环境中进行生态修复的潜力或被高估，特别是水资源有限和地形复杂的地区。水资源是制约生态修复潜力的关键因素之一，特别是在干旱和半干旱地区。复杂的自然雕刻地形(如丘陵、斜坡、沟壑、高原等)和大规模的人工地貌(如坝系、梯田等)在很大程度上扰乱了当地的水文循环，造成水文空间分布不均，进而影响水资源可用性，并进一步影响生态修复潜力。
现有技术中基于通用水量平衡方程评估水资源限制下生态修复潜力，也有研究采用相关性分析方法调查了复杂地形对植被生态修复的影响，但很少有技术定量地评估地形因素对生态修复潜力的影响，更加缺乏水资源-地形因素双重限制下生态修复潜力定量评估技术，这可能引起对生态修复潜力过于乐观的高估，导致决策失误。
因此，如何提供水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统，用以解决现有技术中存在的问题，为评估多因素限制下生态修复潜力提供技术支撑，以指导生态修复工程可持续开展。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：计算水资源限制下生态修复阈值；
步骤S200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；
步骤S300：将所述水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。
优选的，所述步骤S100：计算水资源限制下生态修复阈值包括：
步骤S110：计算水资源限制下区域生态修复阈值；
步骤S120：计算水资源限制下生态系统修复阈值。
优选的，所述步骤S110：识别水资源限制下区域生态修复阈值包括：
步骤S111：通过水量平衡方程计算蒸散量，具体公式如下：
ET＝Pr-(Rout-Rin)-ΔRW-ΔSW-ΔGW
式中，ET表示年蒸散量；Pr为年降水量；Rout和Rin分别为年流出和流入；ΔRW、ΔSW以及ΔGW分别是河流及水库蓄水量、土壤蓄水量以及用于植被生长的地下水抽取量的年度变化量；
本发明以中国为例，由于中国地下水灌溉面积约相当于其总面积的1.5％(MWRC，2019)，且目前全国21个省的平原正在经历地下水的过度开采。考虑到目前中国大部分地区地下水开采的不可持续性，本发明将ΔGW设为零。另外，中国土壤蓄水量的年变化也很小，约为0.002m3/yr(邴龙飞等，2012)，因此本发明将ΔSW也假设为零。基于此，上述水量平衡方程经过一次变换为：
ET＝Pr-(Rout-Rin)-ΔRW
当降水量给定时，ET受年径流的流入流出量和河流水库蓄水年变化量的影响。考虑到本发明的目的，假设人类需水量(HWD)完全来自径流，即上述等式中的Rout、Rin和ΔRW，则水量平衡方程经过二次变换为：
ET＝Pr-HWD
其中，Pr和HWD分别表示年降水量和人类需水量的平均值，可分别从统计资料中获取。人类需水量包括林业、畜牧业、渔业、工业、城市公共、生活和生态环境用水，但农田灌溉用水不包括在内，因为它被包括在农田净初级生产力的蒸散发里。此处的ET即区域人类-自然耦合系统水资源允许的植被承载力或生态修复(用NPP表示)阈值对应的蒸散发量。
步骤S112：建立蒸发量与净初级生产力的函数关系，具体关系如下：
NPP＝f(ET)
式中，ET和NPP为遥感监测获得的蒸散发和净初级生产力数据；
步骤S113：基于函数关系及水量平衡方程计算的区域水资源允许的生态修复阈值对应的蒸散发量，反推计算得到水资源限制下区域生态修复阈值。
优选的，所述步骤S120：计算水资源限制下生态系统修复阈值，包括：
步骤S121：获取GDP总值的栅格数据，根据所述GDP总值的栅格数据得到对应的用水量栅格数据；
步骤S122：获取实际降水量栅格数据，将所述实际降水量栅格数据减去所述用水量栅格数据得到蒸散量栅格数据；
步骤S123：根据步骤S112中建立的蒸发量与净初级生产力的函数关系，生成水资源允许的生态系统净初级生产力栅格数据；
步骤S124：利用ArcGIS工具输入水资源允许的生态系统净初级生产力栅格数据、土地利用类型栅格数据，获得水资源限制下生态系统修复阈值。
优选的，所述步骤S121：获取GDP总值的栅格数据，根据所述GDP总值的栅格数据得到对应的用水量栅格数据，包括：
步骤S11：获取近一期目标地区的GDP总值的栅格数据；
步骤S12：获取近一期目标地区用水量信息，将GDP总值的栅格数据乘以用水量得到用水量数据；
步骤S13：将所述用水量数据乘以单位转化系数k，得到对应的用水量栅格数据。
优选的，所述步骤S200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数，包括：
步骤S210：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制通过坡度及坡向对太阳辐射、水资源、土壤以及植被的影响，得到影响结果；
步骤S220：基于影响结果得到对应的土地利用类型以及对应的坡度值；
步骤S230：根据所述对应的土地利用类型以及对应的坡度值获得坡度值的坡面径流截留系数。
优选的，所述步骤S300，将水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果，包括：
步骤S310：计算人类需水量，得到用水量栅格数据；
步骤S320：获取目标地区降水资源及降水栅格数据，计算降水资源扣除人类需水量后可供生态系统的用水量及其对应的植被承载能力，得到水资源允许的净初级生产力，并利用ArcGIS中的栅格计算器生成净初级生产力的栅格数据；
步骤S330：获取实际净初级生产力，判断所述水资源允许的净初级生产力是否大于所述实际净初级生产力；
步骤S340：若是，则计算所述水资源允许的净初级生产力与所述实际NPP的差值，并使用ArcGIS中的栅格计算器得到净初级生产力差值的栅格数据；
步骤S350：基于所述初级生产力差值对NPP差值的图层、土地利用类型图层和坡度图层进行重采样使其分辨率一致；
步骤S360：识别净初级生产力差值对应的土地利用类型以及坡度值，得到代表ΔNPP、LULC和坡度组合数字；
步骤S370：基于组合数字识别水资源及坡度双重限制下的生态修复阈值，在excel中拆分结果，得到每个土地利用类型对应的净初级生产力差值以及坡度值；
步骤S380：基于每个土地利用类型对应的初级生产力差值以及坡度值，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。
优选的，所述步骤S330还包括：若否，则需要对目标地区的生态修复工程进行调整。
另一方面，本发明还提供了一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价系统，包括：
第一计算模块：用于计算水资源限制下生态修复阈值；
第二计算模块：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；
评价模块：与所述第一计算模块以及所述第二计算模块连接，用于将所述水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统，能够更加准确地识别与量化多资源因素限制下生态修复潜力，有效减少对生态修复潜力的高估及因此导致的决策失误，可以因地制宜指导生态修复工程实施范围及强度的调整与优化，使其可持续开展，为目前正处于研究热点的多资源因素限制下生态修复潜力评估提供了技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法流程图；
图2为本发明实施例提供的用于评估水资源允许的区域NPP阈值的流程图；
图3为本发明实施例提供的水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一方面，参见附图1所示，本发明实施例公开了一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，方法包括以下步骤：
步骤S100：计算水资源限制下生态修复阈值；包括：步骤S110，计算水资源限制下区域生态修复阈值；步骤S120，计算水资源限制下生态系统修复阈值。
步骤S200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，量化地形因素制约生态修复潜力，得到坡度限制下生态修复阈值；
步骤S300：基于所述水资源限制下生态修复阈值以及所述坡度限制下生态修复阈值评价水资源及坡度双重限制下生态修复潜力，得到评价结果。
在一个具体实施例中，步骤S100：计算水资源限制下生态修复阈值，包括：
该部分分为水资源限制下区域生态修复阈值识别方法构建和水资源限制下生态系统修复阈值识别方法构建。二者的区别在于评估生态修复阈值的范围不一样，区域生态修复阈值的评估范围是一个地区，生态系统生态修复阈值的评估范围是某个或某类生态系统。如自然保护区生态修复潜力是指整个自然保护区还有多少进一步生态修复的空间，而自然保护区中林地生态系统生态修复潜力是指这个自然保护区中林地生态系统(而不是整个区域)还有多少进一步生态修复的空间。构建水资源限制下区域及生态系统生态修复阈值识别方法即可对整个区域生态修复阈值总值有整体评估，又可评估单位面积(网格尺度)某个生态系统的生态修复阈值。
首先，构建水资源限制下区域生态修复阈值识别方法。水资源限制下区域生态修复阈值识别方法基于水文循环，用通用水量平衡方程表示：
ET＝Pr-(Rout-Rin)-ΔRW-ΔSW-ΔGW
其中，ET表示年蒸散量，为未知量；Pr指年降水量；Rout和Rin分别为年流出和流入；ΔRW、ΔSW和ΔGW分别是河流-水库蓄水量、土壤蓄水量和用于植被生长的地下水抽取量的年度变化量(Feng et al.,2016)，Pr、Rout、Rin、RW、ΔSW和ΔGW需要通过资料查找获取。
在一个具体实施例中，将ΔGW以及ΔSW均设置为零。否则，在将观测到的年径流减少转化为蒸散发增加时，不能忽略土壤水分的变化。因此，水量平衡公式经过一次变换为：
ET＝Pr-(Rout-Rin)-ΔRW
当降水量给定时，ET受年径流的流入流出量和河流水库蓄水年变化量的影响。考虑到本发明的目的，假设人类需水量(HWD)完全来自径流，即上述等式中的Rout、Rin和ΔRW，则水量平衡方程经过二次变换为：
ET＝Pr-HWD
其中，Pr和HWD分别表示年降水量和人类需水量的平均值，可分别从统计资料中获取。人类需水量包括林业、畜牧业、渔业、工业、城市公共、生活和生态环境用水，但农田灌溉用水不包括在内，因为它被包括在农田净初级生产力的蒸散发里。此处的ET即区域人类-自然耦合系统水资源允许的植被承载力或生态修复(用NPP表示)阈值对应的蒸散发量。
在一个具体实施例中，参见附图2所示，表示用于评估水资源允许的区域NPP阈值的流程图。根据2000、2005年、2010年和2015年某地区NPP和ET的历史MODIS遥感数据，将年ET与NPP关联起来考虑线性回归，得到NPP＝f(ET)＝a×ET+b，其中a、b为NPP与ET一般线性回归方程的拟合系数，是未知量，需要通过NPP与ET数据线性拟合得到。当年降水量刚好能满足生态系统生产和人类活动所需的水资源量时，即可得到NPP阈值。对于区域尺度，降水和人类需水量数据来自区域统计年鉴和水资源公报。得到区域总蒸散发量后，利用函数关系式NPP＝f(ET)＝a×ET+b计算水资源允许的区域NPP阈值。最后，将计算出的区域NPP阈值与区域实际NPP进行比较；当区域实际NPP低于水资源允许的NPP阈值时，表明该区域仍有进一步生态修复的潜力；当实际NPP高于NPP阈值时，说明当地生态修复工程已经超过当地水资源允许的区域NPP阈值，需调整生态修复工程实施强度和范围，使其在NPP阈值范围内可持续开展。
其中，NPP为净初级生产力；ET为蒸散量。
其次，构建水资源限制下生态系统修复阈值识别方法。区域NPP阈值揭示了当地可用水资源允许的生态修复总潜力。为评估某类生态系统的生态修复是否已经超过其对应的NPP阈值，需要构建水资源限制下生态系统修复阈值识别方法。因为农田和水生生态系统使用除降水以外的其他水来源，如灌溉，而林地和草地生态系统水源来源主要是降水。因此本发明主要识别水资源限制下林地和草地生态系统的NPP阈值，以为更可持续的生态修复工程实施提供指导。根据某地土地利用类型遥感数据分类体系，将林地的子类包括有林地、灌木林、疏林地、其他林地，草地子类包括高、中、低覆盖度草地纳入研究范围。土地利用栅格数据用于计算具体的生态系统NPP阈值，因为有关生态系统类型的原始数据及其土地利用数据也是栅格格式的。
具体的，水资源限制下生态系统修复阈值识别方法详细步骤为：
步骤一，准备国内生产总值(GDP)栅格数据(图层1，1km×1km，单位：万元/km2)。
步骤二，使用图层1乘以用水量(WC，单位：108m3/万元GDP)再乘以单位转化系数k(mm/108m3)。ArcGIS软件中的栅格计算器工具用于计算GDP用水量栅格数据(图层2，单位：mm/km2)。
具体的，步骤一、二的作用在于计算栅格尺度的人类需水量。
步骤三，降水量图层减去图层2，得到ET栅格数据图层，即图层3(单位：mm/yr)。通过NPP＝f(ET)函数关系，利用ArcGIS中的栅格计算器工具生成NPP阈值栅格图层(图层4)。
具体的，步骤三的作用是计算降水资源扣除人类需水量后可供生态系统的用水量及其对应的植被承载能力，即水资源允许的NPP阈值。
步骤四，利用ArcGIS软件中的区域统计表(Zonal Statistics as Table)工具，输入NPP阈值图层、土地利用类型图层(LUCC，100m×100m)以获得水资源允许的生态系统NPP阈值(图层5)。
具体的，步骤四的作用是识别生态系统类型对应的水资源限制下的生态修复阈值。
以上水资源限制下生态系统修复阈值识别方法为水资源及地形因素双重限制下生态修复潜力识别提供技术基础。所有栅格数据都是某地区尺度，但可基于不同研究目的推广到其他尺度。
其中，WC：耗水量；Pr：降水量；ET：蒸散量；k：从108m3到mm/yr的单位转换系数。
步骤S200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，量化地形因素制约生态修复潜力，得到坡度限制下生态修复阈值，包括：
首先是识别地形因素对生态修复潜力的制约机制。地形因素主要通过坡度和坡向对太阳辐射、水资源、土壤和植被的直接影响来影响生态恢复。
(1)对太阳辐射的影响
坡向被认为是温带地区森林生态系统环境条件影响最大的驱动因素。北半球纬度在30-55°左右的朝北斜坡比朝南斜坡接收到的直射阳光要少。面向赤道的斜坡往往会有更长的时间跨度接收太阳辐射。植被和相关非生物因素的主要方面相关变化主要是由净入射太阳辐射(日照)的差异驱动的，在北半球的南坡比北坡高出50％。上升主要是作为日射入射角的函数，这表明朝南的方向更直接面向太阳，因此接受更高强度及更长时间的日照的，反之亦然。
(2)对水资源可用性的影响
坡向和坡角的差异会导致水资源可用性存在显著差异，包括降水、地表径流和土壤水分等。落在斜坡上并被现有植被吸收的降水量取决于斜坡的陡峭程度，而不是朝北或朝南的坡向。雨水在陡峭的斜坡上流速更快，植被没有时间吸收。落在不太陡峭的斜坡上的雨水在土壤中停留的时间更长，并被植被利用，进而会有更大的植被和/或具有更高水资源需求的植物群落。这种联系会影响土壤养分含量，因为植被可能会吸收特定的养分并将其返回土壤。北半球朝南的土壤水分含量和持水能力下降，南半球则相反。
(3)对植被的影响
研究发现植被结构和丰度在朝南斜坡的上部较大，但在朝北斜坡上随着海拔的升高而减少。相反，发现物种多样性在朝南的斜坡上更高，并且从低海拔到高海拔增加。植被属性并未显示出对地形因素的同质响应。此外，坡向在连续变化和生物入侵率方面也是必不可少的。由于有利于新物种生长的温度，南部比北部更容易受到外来物种的入侵。这可能是由于下降到具有较低冠层覆盖率的地表辐射量增加，导致南部大多数森林生物的幅度比北部增加。
(4)对土壤性质的影响
斜坡上的土壤厚度，无论是朝北还是朝南，都取决于斜坡的陡峭程度。坡度越陡，雨水径流造成的土壤侵蚀率越高。陡坡上的土壤主要由岩石碎片组成，因为树叶等轻质有机物在分解成土壤之前会被冲走，而坡度平缓的斜坡往往会堆积更深的土壤层。在占主导地位迎风面的土壤处会发现较浅且发育良好的底层土壤。在背风坡，空气中的颗粒沉积更多。由于丘陵和山区下端沉积土壤的增加，下端的有机质和碳储量可能会增加。
其次，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法。由于数据的可得性，本实施例主要考虑水资源(降水)和坡度对生态修复潜力的影响。
基于水资源限制下生态修复阈值识别方法，评估出水资源单因素限制下NPP阈值，从NPP阈值中减去当地实际NPP(遥感监测NPP数据)(即ΔNPP＝NPP阈值-实际NPP)，正、零和负的差值结果表明有(正)与没有(0和负)额外的生态修复潜力。在有额外生态修复潜力的地区(ΔNPP>0)，本发明进一步评估坡度对生态修复潜力的限制作用。
在一个具体实施例中，考虑坡度影响地表径流，从而影响植被生长的可用水量，在降水量相同的情况下，缓坡地表径流比陡坡慢，更能截断径流，从而为植被生长提供更多水分。获得具体径流、坡面截留径流和坡面截留系数。提供1°、3°、5°、7°、9°、11°、13°、15°和17°径流和坡面截留径流，并由于某地区地形坡度比这些坡度要更加多样化。因此，通过对现有系数进行平均或趋势外推来获得其他坡度的坡面径流截留系数。如坡度2°的坡面径流截留系数是1°和3°的平均值。水资源和坡度双重限制下的生态修复潜力由水资源允许的生态修复潜力(即ΔNPP>0)乘以相应的坡面径流截留系数得到。
表1不同坡度径流量与坡面积水量比较
参见表1所示，坡度1°、3°、5°、7°、9°、11°、13°、15°、17°坡面径流和积水数据取自范世香和韩绍文；坡面径流截留系数是坡面积水与径流的比值；其他坡度系数是由现有系数求平均或趋势外推获得。
在一个具体实施例中，步骤S300：基于所述水资源限制下生态修复阈值以及所述坡度限制下生态修复阈值评价水资源及坡度双重限制下生态修复潜力，得到评价结果，包括：
在水资源限制下有额外生态修复潜力的地区，进一步考虑坡度对生态修复潜力的影响。本发明提出一种水资源和坡度双重限制下生态修复潜力评估方法，具体包括六个步骤：
步骤一，计算人类需水量。准备国内生产总值(GDP)栅格数据(图层1，1km×1km，单位为万元/km2)，利用ArcGIS软件中的栅格计算器工具，将图层1乘以万元GDP用水量(WC，单位：108m3/万元GDP)，再乘以单位转化系数k(mm/108m3)，得到万元GDP用水量栅格数据(图层2，mm/km2)。
步骤二，计算降水资源扣除人类需水量后可供生态系统的用水量及其对应的植被承载能力，即水资源允许的NPP阈值。利用ArcGIS中的栅格计算器工具将降水栅格数据图层(图层3，mm/yr，1km×1km)减去图层2得到蒸散发栅格数据图层，并根据NPP＝f(ET)函数关系计算生成NPP阈值1的栅格数据图层(图层4，单位：g C/m2，1km×1km)。
具体的，此处的步骤一、二和第一部分的水资源限制下生态修复阈值识别方法相同。
步骤三，求NPP阈值与实际NPP的差值，判断实际NPP是否超过NPP阈值。使用ArcGIS中的栅格计算器工具用图层4减去NPP遥感监测数据(图层5，单位：g C/m2，1km×1km)，得到NPP差值栅格数据图层，即图层6(ΔNPP＝图层4-图层5＝图层6，单位：g C/m2，1km×1km)。
步骤四，重采样NPP差值图层、土地利用类型图层和坡度图层，使三者具有相同的分辨率。使用ArcGIS软件中的重采样工具将图层6、土地利用和覆盖图层(LULC,图层7,30m×30m)和坡度图层(图层8,90m×90m)的分辨率重采样为相同的分辨率30m×30m。
步骤五，识别NPP差值对应的土地利用类型和坡度值。在ArcGIS软件的栅格计算器框中输入以下公式：Con("ΔNPP"<0,-1*(Abs("ΔNPP")*10000+"LULC"*100+"Slope"),Abs("ΔNPP")*10000+"LULC"*100+"Slope")，得到一串代表ΔNPP、LULC和坡度组合的数字。
步骤六，识别水资源-坡度双重限制下的生态修复潜力。在excel中拆分结果，得到每个土地利用类型对应的NPP差值、坡度值。例如，将一串数字732102拆分为73、21、02，分别对应ΔNPP、土地利用类型(有林地)和坡度值。再识别出ΔNPP>0的数字，即水资源限制下仍有生态修复潜力的生态系统对应的栅格，使用ΔNPP数值乘以表1中坡度对应的坡面径流截留系数，得到水资源-坡度双重限制下生态修复潜力。
在一个具体实施中，如732102表示该有林地生态系统栅格在水资源单因素限制下有73g C/m2的生态修复潜力，但因为其坡度为2°，其水资源-坡度双重限制下生态修复潜力为水资源限制下生态修复潜力乘以表1中的坡面径流截留系数，即73*0.762＝55.626g C/m2，这说明在坡度为2°的环境下，不考虑坡度因素的限制，该栅格林地生态修复潜力将被高估23.8％。
在一个具体实施例中，通过本发明提出的评估方法获得土地利用类型对应的生态修复潜力和坡度值。然而，并非所有土地利用类型都适合植被修复。因此，本发明参考Farrelly和Gallagher将土地利用重新分类为以下类型：
I类：生物物理上不能再种植植被的土地。
如果土地由以下一种或多种组成，则被指定为生物物理上不能再种植植被：水生生态系统、建成区、海洋。
II类：生物上不适合重新植被的土地。
如果土地包括不能生产植被的土地，如沙地、戈壁、盐碱地、湿地、裸岩质地及其他未利用土地，则认为该土地在生物学上不适合植树造林。
III类：受国家和政策保护的土地。
受国家和政策约束的土地可能对植树造林施加限制，这些地区一般包括自然保护区、有特定水质保护目标的地区等。
IV类：最有可能重新植被的土地。
这类土地包括所有可能具有重新植被潜力的土地。耕地是其中之一。但为了保证粮食生产稳定和安全，将耕地排除在植树造林潜在范围之外。因此，潜在的生态修复空间主要集中在现有林地、草地和裸地。
另一方面，参见附图3所示，本发明实施例还公开了一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价系统，包括：
第一计算模块：用于计算水资源限制下生态修复阈值；
第二计算模块：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；
评价模块：与所述第一计算模块以及所述第二计算模块连接，用于将所述水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统，能够更加准确地识别与量化多资源因素限制下生态修复潜力，有效减少对生态修复潜力的高估及因此导致的决策失误，可以因地制宜指导生态修复工程实施范围及强度的调整与优化，使其可持续开展，为目前正处于研究热点的多资源因素限制下生态修复潜力评估提供了技术支撑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：计算水资源限制下生态修复阈值；
步骤S200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；
步骤S300：将所述水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果；
其中：
所述步骤S100：计算水资源限制下生态修复阈值包括：
步骤S110：计算水资源限制下区域生态修复阈值；
步骤S120：计算水资源限制下生态系统修复阈值；
所述步骤S200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数，包括：
步骤S210：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制通过坡度及坡向对太阳辐射、水资源、土壤以及植被的影响，得到影响结果；
步骤S220：基于影响结果得到对应的土地利用类型以及对应的坡度值；
步骤S230：根据所述对应的土地利用类型以及对应的坡度值获得坡度值的坡面径流截留系数；
所述步骤S300，将水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果，包括：
步骤S310：计算人类需水量，得到用水量栅格数据；
步骤S320：获取目标地区降水资源及降水栅格数据，计算降水资源扣除人类需水量后可供生态系统的用水量及其对应的植被承载能力，得到水资源允许的净初级生产力，并利用ArcGIS中的栅格计算器生成净初级生产力的栅格数据；
步骤S330：获取实际净初级生产力，判断所述水资源允许的净初级生产力是否大于所述实际净初级生产力；
步骤S340：若是，则计算所述水资源允许的净初级生产力与所述实际净初级生产力的差值ΔNPP，并使用ArcGIS中的栅格计算器得到净初级生产力差值的栅格数据；
步骤S350：基于净初级生产力差值对净初级生产力的差值的图层、土地利用类型图层和坡度图层进行重采样使其分辨率一致；
步骤S360：识别净初级生产力差值对应的土地利用类型以及坡度值，得到代表ΔNPP、土地利用和覆盖图层LULC和坡度组合数字；
步骤S370：基于组合数字识别水资源及坡度双重限制下的生态修复阈值，在excel中拆分结果，得到每个土地利用类型对应的净初级生产力差值以及坡度值；
步骤S380：基于每个土地利用类型对应的净初级生产力差值以及坡度值，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。
2.根据权利要求1所述的一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，其特征在于，所述步骤S110：识别水资源限制下区域生态修复阈值包括：
步骤S111：通过水量平衡方程计算蒸散量，具体公式如下：
ET＝Pr-(Rout-Rin)-ΔRW-ΔSW-ΔGW
式中，ET表示年蒸散量；Pr为年降水量；Rout为年流出；Rin为年流入；ΔRW、ΔSW以及ΔGW分别是河流及水库蓄水量、土壤蓄水量以及用于植被生长的地下水抽取量的年度变化量；
将用于植被生长的地下水抽取量ΔGW以及土壤蓄水量ΔSW设为零，将水量平衡方程经一次变换得到：
ET＝Pr-(Rout-Rin)-ΔRW
当降水量给定时，ET受年径流的流入流出量和河流水库蓄水年变化量的影响，设人类需水量来自年流出Rout、年流入Rin以及河流及水库蓄水量ΔRW，则水量平衡方程经过二次变换为：
ET＝Pr-HWD；
其中，Pr和HWD分别表示年降水量以及人类需水量的平均值；
步骤S112：建立蒸发量与净初级生产力的函数关系，具体关系如下：
NPP＝f(ET)
式中，ET表示年蒸散量，NPP为净初级生产力数据；
步骤S113：基于函数关系及水量平衡方程计算的区域水资源允许的生态修复阈值对应的蒸散发量，反推计算得到水资源限制下区域生态修复阈值。
3.根据权利要求2所述的一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，其特征在于，所述步骤S120：计算水资源限制下生态系统修复阈值，包括：
步骤S121：获取GDP总值的栅格数据，根据所述GDP总值的栅格数据得到对应的用水量栅格数据；
步骤S122：获取实际降水量栅格数据，将所述实际降水量栅格数据减去所述用水量栅格数据得到蒸散量栅格数据；
步骤S123：根据步骤S112中建立的蒸发量与净初级生产力的函数关系，生成水资源允许的生态系统净初级生产力栅格数据；
步骤S124：利用ArcGIS工具输入水资源允许的生态系统净初级生产力栅格数据、土地利用类型栅格数据，获得水资源限制下生态系统修复阈值。
4.根据权利要求3所述的一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，其特征在于，所述步骤S121：获取GDP总值的栅格数据，根据所述GDP总值的栅格数据得到对应的用水量栅格数据，包括：
步骤S11：获取近一期目标地区的GDP总值的栅格数据；
步骤S12：获取近一期目标地区用水量信息，将GDP总值的栅格数据乘以用水量得到用水量数据；
步骤S13：将所述用水量数据乘以单位转化系数k，得到对应的用水量栅格数据。
5.根据权利要求4所述的一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，其特征在于，所述步骤S330还包括：若否，则需要对目标地区的生态修复工程进行调整。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法的水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价系统，其特征在于，包括：
第一计算模块：用于计算水资源限制下生态修复阈值；
第二计算模块：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；
评价模块：与所述第一计算模块以及所述第二计算模块连接，用于将所述水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。
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