國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化動(dòng)態(tài)分析

徐 潔,謝高地,*,肖 玉,李 娜,江 源,陳文輝

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 3 中國(guó)航天科工信息技術(shù)研究院,北京 100070 4 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875 5 浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院,臨安 311300 6 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,臨安 311300

20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞,引發(fā)了越來(lái)越多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,為此我國(guó)實(shí)施了一系列帶有生態(tài)補(bǔ)償性質(zhì)的生態(tài)建設(shè)工程。國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)(National Key Ecological Function Areas,NKEFA)是指承擔(dān)重要生態(tài)功能,關(guān)系全國(guó)或較大范圍區(qū)域的生態(tài)安全,需要在國(guó)土空間開(kāi)發(fā)中限制進(jìn)行大規(guī)模高強(qiáng)度工業(yè)化城鎮(zhèn)化開(kāi)發(fā),以保持并提高生態(tài)產(chǎn)品供給能力的區(qū)域。2011年6月國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃的通知,按照生態(tài)脆弱性和生態(tài)重要性?xún)蓚€(gè)指標(biāo),劃定了25個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),包括涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、生物多樣性維護(hù)4種類(lèi)型。已有研究主要關(guān)注重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)補(bǔ)償[1-2]和轉(zhuǎn)移支付機(jī)制[3-7],且多以森林為主的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)或單個(gè)生態(tài)功能區(qū)為研究對(duì)象[8-11],缺乏對(duì)整個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)分析[12]。此外,有關(guān)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的研究多局限于功能區(qū)內(nèi)部的區(qū)域差異[13-17],研究結(jié)果缺乏可比性、針對(duì)性。因此本研究強(qiáng)調(diào)將重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)放在全國(guó)范圍內(nèi),通過(guò)其與非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的對(duì)比,分析其區(qū)域特征,對(duì)其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是多種因素共同作用的結(jié)果,包括自然因素和人為因素,可以通過(guò)氣候、地形、生物量、土地覆被和植被數(shù)據(jù)來(lái)反映。植被在地球環(huán)境系統(tǒng)的形成過(guò)程中起著積極作用[18],是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[19],是保障生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)。Li 等[20]基于土地覆被、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)探究毛烏素沙地的生態(tài)環(huán)境變化；黃麟等[21]基于NDVI的變化分析探究了國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化。因此從植被的角度掌握國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有重要作用。植被覆蓋度是反映植被覆蓋情況的最直接指標(biāo)。生物量是用于表征生物群落中植被活動(dòng)的關(guān)鍵變量,能直接反映生態(tài)系統(tǒng)在自然環(huán)境條件下的供給能力[22-26]。凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是衡量一定時(shí)間內(nèi)植物所生產(chǎn)的物質(zhì)的指標(biāo),人類(lèi)活動(dòng)對(duì)NPP的占用明顯影響了自然生態(tài)系統(tǒng),同時(shí)還對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)產(chǎn)生間接影響。

國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付于2008年開(kāi)始試點(diǎn),2017年涉及區(qū)縣數(shù)量增加到819個(gè),轉(zhuǎn)移支付資金從2008年的60.5億元增加到627億元。采用生態(tài)環(huán)境指數(shù)(EI)對(duì)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)涉及縣(市、區(qū))的生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行評(píng)價(jià),但該指標(biāo)針對(duì)性較弱。為了消除轉(zhuǎn)移支付政策對(duì)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的影響,更為客觀地評(píng)價(jià)其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化,轉(zhuǎn)移支付政策實(shí)施之前5—10年的國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量本底評(píng)估對(duì)生態(tài)補(bǔ)償政策的制定具有重要的參考價(jià)值。因此,本文對(duì)2000、2010年國(guó)家重點(diǎn)/非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化及其相互關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,為生態(tài)保護(hù)和生態(tài)補(bǔ)償政策的制定提供科學(xué)、可靠的基礎(chǔ),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)總面積為3.86×106km2,廣泛分布于除東部沿海地區(qū)以外的大部分省份,占全國(guó)陸地國(guó)土面積的40.2%(圖1)。氣候類(lèi)型包括熱帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候、溫帶大陸性氣候和高原山地氣候。年均溫度-2.8—27℃,從南向北逐漸降低,年均降水量為15—1600 mm,自東南向西北逐漸降低。

圖1 國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)分布情況Fig.1 Distribution of national key ecological function areas in China25個(gè)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)類(lèi)型、代碼、名稱(chēng)及縮寫(xiě)說(shuō)明,水源涵養(yǎng)型：1.大小興安嶺森林生態(tài)功能區(qū)(XAL)、2.長(zhǎng)白山森林生態(tài)功能區(qū)(CBS)、3. 阿爾泰山地森林草原生態(tài)功能區(qū)(AET)、4. 祁連山冰川與水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)(QLS)、5. 甘南黃河重要水源補(bǔ)給生態(tài)功能區(qū)(GN)、6. 若爾蓋草原濕地生態(tài)功能區(qū)(REG)、7. 三江源草原草甸濕地生態(tài)功能區(qū)(SJY)、8. 南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)(NL)；水土保持型：9. 黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)(HTGY)、10. 大別山水土保持生態(tài)功能區(qū)(DBS)、11. 三峽庫(kù)區(qū)水土保持生態(tài)功能區(qū)(SX)、12. 桂黔滇喀斯特石漠化防治生態(tài)功能區(qū)(GQD)；防風(fēng)固沙型：13. 呼倫貝爾草原草甸生態(tài)功能區(qū)(HLBR)、14. 科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)(KEQ)、15. 渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)(HSDK)、16. 陰山北麓草原生態(tài)功能區(qū)(YS)、17. 阿爾金草原荒漠化防治生態(tài)功能區(qū)(AEJ)、18. 塔里木河荒漠化防治生態(tài)功能區(qū)(TLM)；生物多樣性維護(hù)型：19.藏西北羌塘高原荒漠生態(tài)功能區(qū)(ZXB)、20. 藏東南高原邊緣森林生態(tài)功能區(qū)(ZDN)、21. 川滇森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)(CD)、22. 秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)(QB)、23. 武陵山區(qū)生物多樣性及水土保持生態(tài)功能區(qū)(WLS)、24. 三江平原濕地生態(tài)功能區(qū)(SJPY)、25. 海南島中部山區(qū)熱帶雨林生態(tài)功能區(qū)(HND)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要數(shù)據(jù)包括樣地生物量、遙感影像、土地覆被、氣象數(shù)據(jù)、中國(guó)數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)、糧食產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)邊界,具體數(shù)據(jù)來(lái)源如下：(1)樣地生物量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)綜合中心,包括森林、草地和農(nóng)田生物量樣地?cái)?shù)共1120個(gè),樣本采集時(shí)間為2004年植被生長(zhǎng)階段,包括植被類(lèi)型、實(shí)際鮮重和干重(包括樹(shù)枝、葉、根)、選定地點(diǎn)和日期、緯度、經(jīng)度、海拔、年平均氣溫、年降水量等。(2)遙感影像選取2000年和2010年的MODIS影像,包括：MOD13Q1用于提取NDVI數(shù)據(jù)(空間分辨率為250 m、時(shí)間分辨率為16d)；MOD15A2用于提取葉面積指數(shù)(LAI)數(shù)據(jù)(空間分辨率為1 km、時(shí)間分辨率為8d)；MOD17A3用于提取NPP(空間分辨率1 km、時(shí)間分辨率8d)。(3)2000、2010年土地覆被數(shù)據(jù)(空間分辨率1 km)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所。(4)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái),包括726個(gè)國(guó)家站點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)據(jù)。(5)DEM數(shù)據(jù)(空間分辨率90 m)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。(6)糧食產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局。(7)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)數(shù)據(jù)利用1∶100萬(wàn)全國(guó)縣域數(shù)據(jù)和2010年《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》中國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)名錄生成。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋度

植被覆蓋度是反映地表植被群落生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo),對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的變化有著重要指示作用[27-28]。采用最大值合成法[29],根據(jù)NDVI月合成產(chǎn)品得出年最大NDVI,根據(jù)像元二分模型理論,一個(gè)像元的NDVI值是由綠色植被部分的信息與無(wú)植被覆蓋部分的信息組合而成。植被覆蓋度計(jì)算公式為：

(1)

式中,NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為完全無(wú)植被覆蓋像元的NDVI值。在本研究中取累積頻率95%時(shí)的NDVI值為NDVIveg,累積頻率5%時(shí)的NDVI值為NDVIsoil。

1.3.2生物量估算

植被生物量是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的綜合反映。多元線性回歸模型由于具有良好的可解釋性成為遙感地學(xué)參數(shù)建模最普遍的數(shù)學(xué)方法之一[30-31],公式如下[32]：

Yij=Bi0+Bi1xi1+Bi2xi2+…+Bijxij

(2)

式中,xi1,xi2,…,xij為i種植被類(lèi)型中j個(gè)不同的變量,本文中i=8,j≤8,Bi0,Bi1, …,Bij為模型的參數(shù)。植被生物量的影響因素包括地理要素(如海拔高度、經(jīng)度、緯度)、環(huán)境要素(年均降雨量和年均溫)、能直接反映植被生長(zhǎng)狀況的遙感因子(如：LAI和NDVI)[33-35]、籽實(shí)干重等。首先建立各植被類(lèi)型生物量與以上8個(gè)變量之間的相關(guān)關(guān)系,最終選擇至少在0.05水平上與生物量顯著相關(guān)的變量因子分別建立多元逐步回歸模型(表1)。

表1 多元線性回歸模型

多元線性回歸方程自變量說(shuō)明：E:高程,Elevation; LAT:緯度,Latitude; LON:經(jīng)度,Longitude;P:年均降水量,Annual Precipitation;T:年均溫度,Annual Average Temperature; LAI:葉面積指數(shù),Leaf Area Index; NDVI:歸一化植被指數(shù),Normalized Difference Vegetation Index;G:籽實(shí)干重,Grain dry weight

農(nóng)田植物生長(zhǎng)周期短,不適宜連續(xù)數(shù)據(jù)估計(jì),但是谷物干重與生物量之間存在顯著的相關(guān)性。濕地和沙漠生物量密度分別估計(jì)為20 g/m2、400 g/m2[36]。同時(shí)選取相對(duì)評(píng)價(jià)誤差模型(Relative Estimation Error,REE)對(duì)最終估算精度進(jìn)行評(píng)價(jià),公式如下[37]：

(3)

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,用樣本中未參與模擬的10%的樣本觀測(cè)值與模型估算值進(jìn)行對(duì)比分析,檢驗(yàn)樣本中模擬值和檢驗(yàn)值具有很好的相關(guān)性(圖2),相對(duì)誤差為67 g/m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地覆被變化分析

圖2 生物量觀測(cè)值與模擬值的回歸分析 Fig.2 Relationship between observed biomass (g/m2) and multiple regression model predictions (g/m2)

從土地覆被類(lèi)型來(lái)看,濕地和水體、林地、灌叢、草地屬于生態(tài)用地,且生態(tài)等級(jí)依次降低[20]。國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)土地覆被類(lèi)型以生態(tài)用地為主,但是生態(tài)用地占比由2000年的68.57%下降到2010年的68.49%。其中,濕地和水體、草地均減少了0.32%,濕地和水體主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾透?草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、沙地和裸地。各土地?lèi)型中城鎮(zhèn)聚落面積增加幅度大,增加比例達(dá)41.73%,主要來(lái)源于耕地、林地和草地的轉(zhuǎn)化(表2)。各個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)中有21個(gè)的土地覆被類(lèi)型以生態(tài)用地為主,其中藏東南、藏西北土地覆被類(lèi)型沒(méi)有發(fā)生變化。甘南、桂黔滇、黃土高原、三峽、陰山、川滇、秦巴、武陵山的生態(tài)用地比例增加,但是城鎮(zhèn)聚落增加比例最高,在40%以上。大小興安嶺、若爾蓋、長(zhǎng)白山、三江源、大別山、呼倫貝爾、渾善達(dá)克、科爾沁、海南島、南嶺、三江平原的生態(tài)用地占比有所下降,且多以城鎮(zhèn)聚落增加的比率最高,在20%以上。祁連山、阿爾金、阿爾泰、塔里木的生態(tài)用地占比相對(duì)較低,其中祁連山、阿爾金的生態(tài)用地比例有所提高,阿爾泰、塔里木相反,阿爾泰耕地面積增加比例高達(dá)28.27%,塔里木則以城鎮(zhèn)聚落的增加占主導(dǎo)。

非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)(National Key Ecological Function Areas,non-NKEFA)土地覆被類(lèi)型同樣以生態(tài)用地為主,但是所占比例明顯低于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。生態(tài)用地占比由2000年的52.38%下降到2010年的52.19%。其中,草地、灌叢、林地均有所減少,分別減少了0.84%、0.14%、0.01%,草地和灌叢主要轉(zhuǎn)換為農(nóng)田,林地主要轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)聚落和農(nóng)田。各土地覆被類(lèi)型中城鎮(zhèn)聚落增加比例最大,高達(dá)63.24%(表3)。整體來(lái)看,2000—2010年間重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)土地覆被類(lèi)型變化相對(duì)于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)來(lái)講轉(zhuǎn)換程度較少,生態(tài)用地降低幅度較小,但是建設(shè)用地的增加比例在各土地覆被類(lèi)型變化比例中均為最大,說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)用地的占用在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)均有發(fā)生。

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析

2.2.1植被覆蓋度變化分析

植被覆蓋變化是生態(tài)環(huán)境變化的直接結(jié)果,地表植被覆蓋變化對(duì)于評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。受氣候等因素的影響,全國(guó)的植被覆蓋度由東南沿海向西北逐漸降低(圖3)。由表4可知,華東、華中、東北、華南的植被覆蓋度相對(duì)較高,其中重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)各分區(qū)的植被覆蓋度均在90%以上,且均高于相應(yīng)分區(qū)內(nèi)的非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。西北地區(qū)的植被覆蓋度最低,重點(diǎn)/非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的差異較小。西南地區(qū)非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的植被覆蓋度高于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。2000—2010年只有東北地區(qū)內(nèi)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋度有所下降,其余地區(qū)的植被覆蓋度均呈上升趨勢(shì),西北地區(qū)升高程度最為明顯,其中西北非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)升高比例達(dá)25.19%。

表2 2000—2010年重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

WL:濕地和水體,wetland and water areas; FoL:林地,forest land; BL:灌叢,bush land; GL:草地,grassland; FaL:農(nóng)田,farmland; RS:農(nóng)村聚落,rural settlements; US:城鎮(zhèn)聚落,urban settlements; SL:荒漠, sand areas and bare land

表3 2000—2010年非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

Table 3 Transitions in percentages of the total land covers of non-national key ecological function areas under observed during 2000—2010

20002010WLFoLBLGLFaLRSUSSL轉(zhuǎn)為生態(tài)用地比例Ratio of conversion to ecological land 總量占比Total ratio(2000)變化率Change ratio/%WL96.89 0.05 0.01 0.68 1.18 0.09 0.70 0.40 0.74 3.86 0.51 FoL0.04 99.24 0.09 0.15 0.16 0.03 0.28 0.01 0.27 19.12 -0.01 BL0.06 0.59 98.55 0.33 0.30 0.01 0.13 0.03 0.99 5.13 -0.14 GL0.11 0.21 0.16 98.39 0.81 0.02 0.14 0.17 0.48 24.28 -0.84 FaL0.31 0.22 0.05 0.30 97.36 0.45 1.28 0.03 0.88 26.15 -1.28 RS0.04 0.004 00.003 0.04 97.98 1.93 00.05 2.06 4.46 US0.21 0.04 0.01 0.02 0.07 0.06 99.58 0.02 0.28 0.81 63.24 SL0.10 0.02 0.002 0.20 0.35 0.002 0.10 99.23 0.32 18.60 -0.41總量占比Total ratio(2010)3.88 19.11 5.12 24.07 25.81 2.15 1.32 18.52

重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)中長(zhǎng)白山的植被覆蓋度最高,2000、2010年分別達(dá)到96.2%、95.9%,其余植被覆蓋率高于90%的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)多為東北或東南一帶的水源涵養(yǎng)型和生物多樣性維護(hù)型生態(tài)功能區(qū)。阿爾金的植被覆蓋度最低,2000、2010年分別為3.9%、5.9%。2000—2010年,80%的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的植被覆蓋度增加,阿爾金和塔里木的平均植被覆蓋度增幅最明顯,分別增加50.7%、46.5%。長(zhǎng)白山、陰山、藏東南、川滇、海南島的植被覆蓋度有所降低,但降幅不大,均低于5.1%。

表4 2000、2010年中國(guó)七大地理分區(qū)植被覆蓋度/%

采用七大分區(qū)：東北(黑龍江省、吉林省、遼寧省)；華東(上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、山東省、臺(tái)灣省)；華北(北京市、天津市、山西省、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū))；華中(河南省、湖北省、湖南省)；華南(廣東省、廣西壯族自治區(qū)、海南省、香港特別行政區(qū)、澳門(mén)特別行政區(qū))；西南(四川省、貴州省、云南省、重慶市、西藏自治區(qū))；西北(陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū))

圖3 2000、2010年全國(guó)植被覆蓋度空間分布Fig.3 Spatial distribution of vegetation coverage of China in 2000, 2010

2.2.2生物量變化分析

生物量是用于表征生物群落中植被活動(dòng)的關(guān)鍵變量。我國(guó)生物量密度東南高于西北(圖4),重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的平均生物量均顯著高于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),其中華北地區(qū)的高出比例最多。華南地區(qū)的平均生物量最高,西北地區(qū)最低。生物量總量只有東北、華北、西北地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的高于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的,以華北地區(qū)的高出比例最多。2000—2010年,平均生物量與生物量總量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),各分區(qū)中非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)上升趨勢(shì)均高于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)(表5),其中東北地區(qū)非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的平均生物量增長(zhǎng)比例最大,高達(dá)51.5%。

重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)陸地植被生物量由2000年的7.61 Pg(1Pg=1015g)上升到2010年的8.96 Pg,平均生物量密度由290 kg/hm2上升到335 kg/hm2。其中大小興安嶺的生物量總量最大,2000、2010年分別達(dá)2.22、2.65 Pg,陰山的生物量總量最低,分別為0.02、0.03 Pg。生物量密度較大的功能區(qū)主要位于南方,2000、2010年海南島的生物量密度分別高達(dá)1195、1267 kg/hm2,阿爾金的生物量密度最低,僅為10.4、14.0 kg/hm2?？傮w來(lái)看,2000—2010年間重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生物量質(zhì)量有所提高。

表5 2000、2010年七大地理分區(qū)生物量

圖4 2000、2010年全國(guó)生物量密度空間分布Fig.4 Spatial distribution of biomass of China in 2000, 2010

2.2.3NPP變化分析

NPP可用于表征每年陸地生態(tài)系統(tǒng)增加的生產(chǎn)力[38],能夠反映生物質(zhì)資源的生產(chǎn)力更新能力,我國(guó)NPP由東南向西北遞減(圖5)。華東地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的平均NPP最大,由2000年的93.8 kg/hm2上升到2010年的95.4 kg/hm2,西北地區(qū)非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的平均NPP最小,2000、2010年分別為10.6、14.7 kg/hm2。總體來(lái)看,華東、華南地區(qū)的平均NPP較高,東北、西北地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的NPP總量高于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。2000—2010年華南地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、西南地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的NPP均值和NPP總量均有所下降,下降比例分別為6.83%、0.45%、7.62%,其余地區(qū)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)上升比例均顯著高于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)(表6)。氣候變化,尤其是降水和溫度變化及其配合狀況對(duì)植被的生長(zhǎng)具有重要影響。2000—2010年全國(guó)年均降水量和年均溫度整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且NPP與降水和溫度主要呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[39-43]。因此,2000—2010年NPP應(yīng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

表6 2000、2010年七大地理分區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力

2000—2010年重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的NPP總量由2000年的0.85 Pg增加到2010年的0.90 Pg,平均NPP由40.1 kg/hm2增加到42.0 kg/hm2。與生物量相同,大小興安嶺的NPP總量最大,分別達(dá)0.20、0.22 Pg。阿爾金的NPP總量最低,分別為0.01、0.03 Tg(1 Tg=1012g)。平均NPP最大的功能區(qū)同樣位于南方,海南島的平均NPP高達(dá)155.7、158.9 kg/hm2,阿爾金的平均NPP最低,僅為0.02、0.04 kg/hm2。

圖5 2000、2010年全國(guó)凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布Fig.5 Spatial distribution of NPP of China in 2000, 2010

2.2.4生態(tài)環(huán)境變化整體分析

綜合七大分區(qū)重點(diǎn)/非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的對(duì)比分析來(lái)看,重點(diǎn)/非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)土地覆被類(lèi)型均以生態(tài)用地為主,但是前者生態(tài)用地占比低于后者,2000—2010年生態(tài)用地占比均有所下降,且重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)下降比例高于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。華東、華南、華中水熱條件較好的地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積占比較小,導(dǎo)致相應(yīng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的總量低于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),但是平均狀況一般高于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。同2000年相比,2010年各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但是非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)所有指標(biāo)的增長(zhǎng)率均高于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),說(shuō)明重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)保護(hù)的重要性相對(duì)較大。按生態(tài)功能區(qū)的類(lèi)型來(lái)看(圖6),水土保持型的植被覆蓋度最高,生物多樣性維護(hù)型的平均生物量密度、平均NPP最高,水源涵養(yǎng)型的生物量總量、NPP總量最高,防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)由于多位于西北內(nèi)陸地區(qū),整體上各項(xiàng)指標(biāo)均為最低?？偟膩?lái)說(shuō),2000—2010年間國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善,但是改善程度略低于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),說(shuō)明重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)仍有很大的提升空間。

圖6 2000、2010年國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生物量密度與生物量總量、平均NPP與NPP總量對(duì)比分析Fig.6 Average biomass and total biomass, average net primary productivity (NPP) and total NPP of NKEFA in 2000, 2010

3 結(jié)論

2000—2010年間全國(guó)生態(tài)用地的比例有所下降,其中非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)用地占比低于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),且2000—2010年生態(tài)用地下降比例也高于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。從七大地理分區(qū)來(lái)看,東北、華北、華東、華中地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的平均植被覆蓋度、平均生物量、平均NPP高于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。西南地區(qū)則相反,其余分區(qū)在2000、2010年有所差異。從生物量總量、NPP總量來(lái)看,華東、華南、華中水熱條件較好的地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)低于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),主要與該區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積占比較低有關(guān)。我國(guó)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)主要位于生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱的地區(qū),生態(tài)脆弱性較強(qiáng),生態(tài)保護(hù)的重要性相對(duì)較大。就不同類(lèi)型的功能區(qū)而言,水土保持型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的植被覆蓋度最高,生物多樣性維護(hù)型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的平均生物量密度、平均NPP最高,水源涵養(yǎng)型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生物量總量、NPP總量最高,防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)由于多位于西北內(nèi)陸地區(qū),植被覆蓋度、生物量密度和生物量總量最低。雖然2000—2010年重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提升,但是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的增長(zhǎng)率低于非重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),部分分區(qū)內(nèi)的指標(biāo)還存在降低的趨勢(shì),應(yīng)進(jìn)一步采取切實(shí)有效的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程措施,保護(hù)好重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)環(huán)境本底,改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,以提高其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。

4 討論

遙感信息能夠較好地反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間異質(zhì)性。MODIS的NPP產(chǎn)品是基于全球尺度估算的結(jié)果,對(duì)于某些具體區(qū)域如中國(guó)存在誤差。今后的研究中應(yīng)注重建立適用于中國(guó)區(qū)域的NPP估算模型。對(duì)生物量的估算結(jié)果由于不同的統(tǒng)計(jì)口徑和數(shù)據(jù)方法存在差異,選取利用相似方法的已有研究進(jìn)行對(duì)比。已有研究中估算中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被的生物量總量為29.64[44]、31.2[45]、30.53 Pg[46],和本研究中估算值18.47—22.7 Pg具有可比性。由于各類(lèi)型面積、生物量估算口徑及統(tǒng)計(jì)年代存在差異,因此各類(lèi)型總植被生物量干重也存在不同。原因包括以下方面：(1)遙感數(shù)據(jù)的不確定性導(dǎo)致生物量與樣地?cái)?shù)據(jù)類(lèi)型存在差異。其次,遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率決定了估算精度,我國(guó)屬于大區(qū)域尺度,只能反映生物量的大致分布規(guī)律。同時(shí)遙感影像受云,水汽等的影響,不能完全真實(shí)地反映地面情況,導(dǎo)致估算結(jié)果存在誤差。(2)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生長(zhǎng)環(huán)境是復(fù)雜多樣的,包括水熱、經(jīng)緯度和地形、土壤、人為活動(dòng)等影響,本模型中未完全包括。今后的研究應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù),提高模型模擬的空間精度,更好地揭示出全國(guó)尤其是重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間動(dòng)態(tài)變化。