長江流域2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及服務(wù)變化特征

丁肇慰， 肖能文， 高曉奇， 鄭 華， 肖 燚， 孔令橋， 歐陽志云， 李若男

1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心， 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室， 北京 100085

2.中國科學院大學， 北京 100049

3.中國環(huán)境科學研究院， 國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室， 北京 100012

流域生態(tài)系統(tǒng)是人類主要生境[1]，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，流域生態(tài)系統(tǒng)不斷受到人類活動干擾，改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能[2]，影響流域生態(tài)環(huán)境安全與社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3]. 分析流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的演變特征，有助于揭示流域生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀、變化趨勢以及驅(qū)動力，為強化流域生態(tài)系統(tǒng)管理、改善流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和提升流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供科學依據(jù).

圍繞人類活動與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能間的相互關(guān)系，學者們已開展了較為廣泛的研究，主要集中在生態(tài)系統(tǒng)格局演變特征、人類活動對不同生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量及植物功能性狀的影響[4-6]，土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響等方面[7-8]. 但這些研究往往從單一的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量或功能角度進行分析，較少從生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系入手，同步分析二者的變化特征. 而除了生態(tài)系統(tǒng)格局變化之外，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化也是驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的核心因素，將流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)演變開展同步分析，不僅有助于闡明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的演變規(guī)律，還有助于進一步闡明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的主要原因.

長江流域在我國生態(tài)安全格局與社會經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位. 近年來，尤其是2000年以來長江流域?qū)嵤┝送烁€林、天然林保護等一系列生態(tài)保護工程，并取得顯著成效[9-10]，但高強度的開發(fā)建設(shè)活動也給流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及生物多樣性帶來巨大影響. 該文通過分析2000—2015年長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，旨在明確長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)的現(xiàn)狀特征及時空變化規(guī)律，探討生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)變化的主要驅(qū)動因素，為長江經(jīng)濟帶生態(tài)系統(tǒng)保護與修復提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

長江流域總面積約為178×104km2. 流域內(nèi)自然資源豐富[11]，水資源總量占全國河流徑流總量的36%[12]；長江流域生態(tài)功能重要，是WWF確定的全球35個重點生態(tài)區(qū)域之一[13]，主要生態(tài)系統(tǒng)類型有森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田等.

長江流域人類開發(fā)活動劇烈. 流域內(nèi)農(nóng)業(yè)、航運、工礦業(yè)發(fā)展迅速，流域國民生產(chǎn)總值約占全國的40%[14-16]，糧食產(chǎn)量占全國的40%[17]，航運規(guī)模位居世界內(nèi)河水系第一[18]，礦業(yè)儲量與輕工業(yè)產(chǎn)量均占全國的50%以上. 人類活動對森林、灌叢、草地等生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大干擾，引發(fā)水土流失[19]、土地沙化、洪澇災害[20]等諸多生態(tài)問題.

自20世紀90年代開始，長江流域?qū)嵤┝送烁€林、天然林保護、長江防護林等生態(tài)保護工程，長江流域森林、灌叢、草地生態(tài)系統(tǒng)得到有效恢復，土壤保持、固碳等生態(tài)系統(tǒng)功能得到進一步提升[21]. 但目前長江上游生態(tài)脆弱區(qū)植被退化、水土流失和土地沙化現(xiàn)象依然存在[22]，中下游城鎮(zhèn)及工礦業(yè)集聚區(qū)內(nèi)水環(huán)境污染、濕地退化和生物多樣性喪失均較嚴重，洪澇災害突出[23].

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法

采用相對生物量密度或相對植被覆蓋度指數(shù)，對研究區(qū)森林、灌叢、草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進行評估. 評估步驟分為3步： ①基于氣候條件、地形、土壤等因素，對生態(tài)系統(tǒng)立地條件進行分區(qū)； ②確定參考生態(tài)系統(tǒng)及其生物量或者植被覆蓋度；③基于生物量密度或者相對植被覆蓋度評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量.

首先，參考長江流域2000年與2015年生態(tài)系統(tǒng)類型圖，根據(jù)中國森林立地分類系統(tǒng)[24]對研究區(qū)森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)的立地條件進行分區(qū)，并根據(jù)草原綜合順序分類系統(tǒng)[25]對研究區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)立地條件進行分區(qū)，最終將長江流域森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)的立地條件劃定為36個類型區(qū)，草地生態(tài)系統(tǒng)立地條件劃定為40個類型區(qū).

然后，在生態(tài)系統(tǒng)立地條件分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上，在同一類型立地條件分區(qū)內(nèi)選取人為干擾較小的森林、灌叢或草地(以自然保護區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)為主)作為參考生態(tài)系統(tǒng)，通過樣方調(diào)查確定參考森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)的生物量以及參考草地生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋度，累計調(diào)查森林樣方382個、灌叢樣方396個、草地樣方142個.

最后，采用相對生物量密度指數(shù)評價研究區(qū)森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，采用相對植被覆蓋度密度指數(shù)評價研究區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量[6]. 具體評價方法如式(1)所示：

Ri=Qi/Qcci×100%

(1)

式中，Ri為像元i的相對生物量密度或相對植被覆蓋度指數(shù)，Qi為像元i的生物量密度(gm3)或植被覆蓋度(%)，Qcci為像元i所在同類型一立地條件分區(qū)中參考生態(tài)系統(tǒng)的生物量密度(gm3)或植被覆蓋度(%).

參考生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價分級方法[6]，將研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分為5個質(zhì)量等級，即優(yōu)(Ri≥85)、良(70 ≤Ri<85)、中(50 ≤Ri<70)、低(25 ≤Ri<50)、差(Ri<25).

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法

該研究主要選取長江流域重要的4項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行評估，即土壤保持、防風固沙、洪水調(diào)蓄和糧食生產(chǎn).

其中，土壤保持服務(wù)采用修正通用水土流失方程進行評估，計算公式：

SC=R×K×LS×(1-C)

(2)

防風固沙服務(wù)采取RWEQ模型進行評估[26]，計算公式：

Qmax_Q=109.8WF×EF×K′×SCF

(3)

SQ=150.71×(WF×EF×K′×SCF)-0.371 1

(4)

(5)

Qmax=109.8×WF×EF×K′×SCF×C

(6)

S=150.71×(WF×EF×K′×SCF×C)-0.371 1

(7)

(8)

G=SLQ-SL

(9)

式中：G為防風固沙量，kgm2；SLQ為潛在風蝕量，kgm2；SL為實際風蝕量，kgm2；Qmax_Q為潛在運轉(zhuǎn)量，kgm2；SQ為潛在地塊長度，m；Qmax為實際運轉(zhuǎn)量，kgm2；S為關(guān)鍵地塊長度，m；Z為下風向最大風蝕出現(xiàn)距離，m；WF為氣候因子，kgm；EF為土壤可蝕性因；SCF為土壤結(jié)皮因子；K′為地表粗糙度因子. 各因子的計算方法及參數(shù)見文獻[26].

洪水調(diào)蓄服務(wù)主要根據(jù)暴雨降雨量(>50 mm)、地表徑流與生態(tài)系統(tǒng)類型等因素估算，計算公式：

(10)

式中：FQ為洪水調(diào)蓄量，m3；Pri為暴雨降雨量，mm；Rri為暴雨徑流量，mm；Ai為研究區(qū)第i類生態(tài)系統(tǒng)類型；j為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型個數(shù). 各因子的計算方法及參數(shù)見文獻[27].

糧食生產(chǎn)服務(wù)以縣域為單位、利用統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)計算區(qū)域糧食產(chǎn)量，kcalkm2. 各因子的計算方法及參數(shù)見文獻[23].

2.3 數(shù)據(jù)來源

生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)：長江流域生態(tài)系統(tǒng)類型分為8類，包括森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)、荒漠和其他(冰川永久積雪和裸地). 該數(shù)據(jù)來源為國產(chǎn)環(huán)境與災害監(jiān)測衛(wèi)星(HJ-1AB)和美國陸地衛(wèi)星(Landsat OLI)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為30 m×30 m，共兩期(2000年和2015年). 采用面向?qū)ο蟮亩喑叨确指睢⒔Q策樹進行分類的方法解譯遙感影像，在此基礎(chǔ)上通過隨機抽樣方法獲取地面調(diào)查樣點進行獨立的數(shù)據(jù)精度驗證，驗證精度為85%.

數(shù)字高程模型：長江流域數(shù)字高程模型(DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云(https:www.gscloud.cn)，空間分辨率為250 m×250 m.

氣象數(shù)據(jù)：2000年和2015年月降雨量(mm)、月均氣溫(℃)、月蒸散發(fā)量(mm)、日風速(ms)等數(shù)據(jù)來源于中國氣象局; 降雨侵蝕力數(shù)據(jù)來源于北京師范大學; 太陽輻射(MJm2)數(shù)據(jù)來源于旱區(qū)寒區(qū)數(shù)據(jù)中心(http:www.cw.casnw.net). 上述數(shù)據(jù)空間分辨率均為1 km×1 km.

土壤數(shù)據(jù)：土壤類型、深度數(shù)據(jù)均來源于旱區(qū)寒區(qū)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)空間分辨率均為1 km×1 km.

生物量和植被覆蓋度數(shù)據(jù)：2000年和2015年森林、灌叢地上生物量數(shù)據(jù)來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所遙感解譯結(jié)果; 草地植被覆蓋度來源于中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(http:www.ecosystem.csdb.cn). 上述數(shù)據(jù)空間分辨率均為250 m×250 m.

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：2000年和2015年糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于縣域社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒.

3 結(jié)果與分析

3.1 長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及變化特征

分析結(jié)果(見圖1)顯示，長江流域森林、灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量整體不高. 2015年處于低和差質(zhì)量等級的森林、灌叢、草地生態(tài)系統(tǒng)面積比例分別為34.46%、44.78%、25.00%，其中，森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在平原區(qū)(四川平原、江淮平原)，灌叢生態(tài)系統(tǒng)主要分布在云南南部山區(qū)、四川平原和江淮平原，草地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在青海西部和橫斷山區(qū).

總體而言，長江流域2000—2015年森林、灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量得到一定提高，56.56%的森林、45.65%的灌叢和19.26%的草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量出現(xiàn)不同程度的提高(見圖2)，優(yōu)、良質(zhì)量等級的森林、灌叢和草地生態(tài)系統(tǒng)面積比例分別提高了27.02%、11.58%和3.17%(見表1). 其中，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量顯著改善的區(qū)域主要位于浙江中南部、江西大部、云南南部和四川西部的森林生態(tài)系統(tǒng)，四川中部、湖北西部和湖南西北部的灌叢生態(tài)系統(tǒng)以及青海中南部、四川西北部草地生態(tài)系統(tǒng)(見圖2). 長江流域局部地區(qū)仍出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量退化現(xiàn)象，主要為四川盆地周邊低山丘陵、江淮丘陵和沿江平原的森林生態(tài)系統(tǒng)，川西藏東高山深谷的灌叢生態(tài)系統(tǒng)以及三江源區(qū)北部草地生態(tài)系統(tǒng).

圖1 2015年長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量空間特征
Fig.1 The spatial distribution of ecosystem quality in Yangtze River Basin in 2015

圖2 2000—2015年長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化空間分布Fig.2 The spatial distribution of ecosystem quality change in Yangtze River Basin from 2000 to 2015

表1 長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級統(tǒng)計

3.2 長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)現(xiàn)狀及變化特征

圖3 2015年長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布Fig.3 The spatial distribution of ecosystem service in Yangtze River Basin in 2015

由圖3可見，2015年長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布不均勻. 長江中下游地區(qū)糧食產(chǎn)量較高，呈現(xiàn)從西部—中部—東部逐漸遞增的趨勢，并以東部偏南地區(qū)的糧食產(chǎn)量為最高；洪水調(diào)蓄能力較強的地區(qū)位于中下游濕地群；土壤保持能力較強的地區(qū)位于中上游四川盆地、喀斯特地區(qū)以及下游南方紅壤丘陵區(qū)；防風固沙能力較強的地區(qū)主要位于長江源頭區(qū).

圖4 2000—2015年長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化空間分布Fig.4 The spatial distribution of ecosystem service change in Yangtze River Basin from 2000 to 2015

2000—2015年，長江流域洪水調(diào)蓄、土壤保持、防風固沙、糧食生產(chǎn)服務(wù)均呈上升趨勢(見圖4). 其中，長江流域糧食生產(chǎn)能力增加13.7%，洪水調(diào)蓄功能提升10.1%，土壤保持功能提高19.5%，防風固沙功能增強30.0%.

雖然長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體呈增加趨勢，但局部地區(qū)仍然出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化趨勢. 其中，土壤保持服務(wù)局部退化區(qū)域主要分布在金沙江、嘉陵江、沱江、三峽地區(qū)及江南紅壤低山丘陵區(qū)，防風固沙服務(wù)退化區(qū)域主要分布在長江江源北部以及祁連山地. 此外，長江流域上游局部區(qū)域土壤侵蝕依然嚴重，如金沙江下游，嘉陵江流域，沱江、岷江中游，烏江上游及川東鄂西三峽庫區(qū)等，土壤平均侵蝕模數(shù)均超過 5 000 t(km2·a).

4 討論

通過分析2000—2015年長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和服務(wù)的空間分布及變化，揭示了長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)的時空變化特征. 與單一的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量[26]和服務(wù)[27]變化分析相比，二者的同步分析更有利于揭示人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，更清晰地識別出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化的直接原因，可為流域生態(tài)系統(tǒng)管理提供參考.

依據(jù)評估結(jié)果，長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量整體不高，低與差等級的森林、灌叢、草地面積比例均超過25%，主要分布在長江流域平原區(qū)以及青海省和橫斷山區(qū)的部分地區(qū)，究其原因：一方面，部分地區(qū)(如橫斷山區(qū))生態(tài)脆弱、地質(zhì)災害頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)容易受損，且恢復速度慢[28]；另一方面，平原區(qū)人類活動干擾強，導致生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量偏低[9]. 通過對低、差質(zhì)量等級生態(tài)系統(tǒng)的空間識別，也為下一步精準開展生態(tài)系統(tǒng)恢復提供了依據(jù).

2000—2015年，長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量改善較大，56.56%的森林、45.65%的灌叢以及19.26%的草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量得到不同程度的提高，其主要原因可能是：自20世紀90年代以來，長江流域開始實施一系列生態(tài)保護工程(如退耕護岸林、天然林保護等)，一方面增加了森林、灌叢、草地生態(tài)系統(tǒng)面積，另一方面通過有效保護手段提升了植被覆蓋度與生物量，有效遏制了植被退化趨勢. 據(jù)統(tǒng)計，長江流域2000—2015年因生態(tài)保護工程增加的森林、灌叢與草地面積達2.0×104km2，植被覆蓋度增加2.4%[10].

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵因素之一，基于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估結(jié)果，長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)出協(xié)調(diào)變化的趨勢. 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)的同步評估表明：長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也表現(xiàn)出整體改善、局部退化的趨勢，水土流失、石漠化、洪澇災害等生態(tài)問題得到緩解，與已有相關(guān)研究結(jié)論[29-30]一致. 逐步消除生態(tài)系統(tǒng)脅迫因素、提高生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，是提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要途徑.

盡管長江流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和服務(wù)呈現(xiàn)出整體改善的趨勢，但生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量偏低的現(xiàn)狀以及由此導致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較低，使得長江流域生態(tài)保護與恢復工作任重而道遠. 結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)較低的區(qū)域及局部退化的區(qū)域，提出如下保護與恢復建議：在長江源區(qū)，尤其是青海西部加強退化草地的生態(tài)恢復；針對以高強度經(jīng)濟開發(fā)活動為生態(tài)系統(tǒng)退化主要驅(qū)動力的地區(qū)，如橫斷山區(qū)北部、東部，云南南部，江西南部[27]，建議通過設(shè)置生態(tài)紅線，限制礦業(yè)、優(yōu)化交通等方式降低開發(fā)建設(shè)活動的影響；針對以自然因素(如氣候變化、自然災害等)為生態(tài)系統(tǒng)退化主要驅(qū)動力的地區(qū)，如橫斷山區(qū)中部、喀斯特特區(qū)[31]，應(yīng)該適當增加人工生態(tài)工程干預.

5 結(jié)論

a) 長江流域森林、灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體偏低，但在2000—2015年間總體得到提升，如56.56%的森林、45.65%的灌叢以及19.26%的草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量得到不同程度的提高，但局部區(qū)域也出現(xiàn)質(zhì)量下降的情況. 森林質(zhì)量退化區(qū)域主要集中在喀斯特地區(qū)、四川盆地、江淮丘陵和沿江平原，灌叢質(zhì)量退化區(qū)域主要集中在橫斷山區(qū)和沿江平原，草地質(zhì)量退化區(qū)域主要集中在三江源區(qū)和橫斷山區(qū).

b) 長江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)空間分布不均勻的特征，2000—2015年，糧食生產(chǎn)、洪水調(diào)蓄、土壤保持、防風固沙功能均呈增加趨勢. 其中，糧食生產(chǎn)能力增加13.72%，洪水調(diào)蓄功能提升10.1%，土壤保持服務(wù)提高19.5%，防風固沙功能增強30.0%. 但局部地區(qū)，如金沙江下游，嘉陵江流域，沱江、岷江中游，烏江上游及川東鄂西三峽庫區(qū)等水土流失依舊嚴重.

c) 長江流域生態(tài)保護與恢復工程的實施，促進了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的改善，進而推動生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升；但生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)局部退化問題不容忽視；分區(qū)域、分類型采用不同生態(tài)系統(tǒng)保護與恢復途徑，是今后長江流域生態(tài)系統(tǒng)管理的重要內(nèi)容.