基于參照系的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化研究

張夢宇,張 黎,何洪林,任小麗,牛忠恩,呂 妍,徐 茜,常清青,劉衛(wèi)華,李 攀

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,北京 100101 3 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100190 5 天津大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院,天津 300072

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量是診斷生態(tài)系統(tǒng)是否健康的指標(biāo),是指在一個具體的時間和空間范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的總體或部分生命組分的質(zhì)量,主要表現(xiàn)在其生產(chǎn)能力、自我維持能力、受到外界干擾后的抗干擾能力以及對人類的生存及社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的影響[1-4]。一個高質(zhì)量的生態(tài)系統(tǒng)能夠在壓力下維持自身組織結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定,具有自我恢復(fù)的能力[1]。改革開放后中國人口與經(jīng)濟(jì)快速增長,耕地不斷擴(kuò)張[5],森林和草地等生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了退化[6-7],帶來自然棲息地破壞和生態(tài)系統(tǒng)功能下降等生態(tài)問題[8-10]。但自1999年以來中國實(shí)施了草地保護(hù)、天然林保護(hù)、退耕還林以及石漠化綜合治理等工程,退化的生態(tài)系統(tǒng)得到一定的恢復(fù)[11-14]。黨中央在十九大報告中將生態(tài)文明提升到戰(zhàn)略地位,要通過加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度,實(shí)施重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程,以提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。在當(dāng)前我國土地利用需求不斷增加和生態(tài)工程大規(guī)模實(shí)施的背景下,迫切需要對我國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況進(jìn)行評估,為土地利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理提供參考[15]。

我國已開展一系列與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有關(guān)的評估工作,主要包括生態(tài)系統(tǒng)功能評估[16-17]、生態(tài)系統(tǒng)健康評估[18]和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估[19]等方面,為國家和地方生態(tài)保護(hù)政策的制定提供了科學(xué)依據(jù)。在全國層面,根據(jù)“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)調(diào)查評估”項(xiàng)目研究結(jié)果,2000—2010年間食物生產(chǎn)、水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙、洪水調(diào)蓄、固碳這6項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)得到明顯改善,而生物多樣性維護(hù)功能有所下降[17]；中國生態(tài)系統(tǒng)健康水平呈現(xiàn)從西北到東南上升的格局,水分指數(shù)和土地利用強(qiáng)度的貢獻(xiàn)分別為24.5%和20.7%[18]。我國生態(tài)環(huán)境部依據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(HJ 192—2015),定期發(fā)布《全國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量報告》,公布全國省域和縣域生態(tài)環(huán)境狀況及變化評估結(jié)果。此外,國內(nèi)學(xué)者也開展了一些典型區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價方法和應(yīng)用研究。對于自然生態(tài)系統(tǒng),主要從生產(chǎn)能力、功能穩(wěn)定性和人口壓力[20],植被覆蓋度和葉面積指數(shù)[21],生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力、穩(wěn)定性和承載力[22-23]等方面評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。對于城市生態(tài)系統(tǒng),重點(diǎn)從經(jīng)濟(jì)、自然和社會環(huán)境質(zhì)量[24],結(jié)構(gòu)、功能和脅迫[25]等角度進(jìn)行評估。對于干旱區(qū)流域水文生態(tài)系統(tǒng),綜合植被覆蓋度、墾區(qū)土壤鹽漬化率、沙漠化面積比率、水土流失強(qiáng)度和生態(tài)用水比率等因素建立生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量框架[26]。計算生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量或健康綜合指數(shù)的方法主要包括求積法[27-28]、PSR模型[2,29]、主成分分析法[30]、層次分析法[31]等。然而,以往有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)功能、健康和質(zhì)量的評估往往聚焦于生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的現(xiàn)實(shí)值,其數(shù)值大小在很大程度上受氣候因子(如降水、溫度、總輻射)和地理本底條件的差異主導(dǎo)[32-33],導(dǎo)致不同地區(qū)評價結(jié)果的可比性較低,并且對于全國范圍生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其變化的認(rèn)識仍較為缺乏,尚不足以滿足國家生態(tài)系統(tǒng)管理的需求[15]。

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)完整性[4,34-36]和穩(wěn)定性[37]理論,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估不僅應(yīng)綜合考慮一定時間、空間范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、穩(wěn)定性特征,以及人類脅迫或干擾狀況,從而反映生態(tài)系統(tǒng)的整體質(zhì)量狀態(tài)；還應(yīng)分區(qū)、分類型地開展評估參照生態(tài)系統(tǒng)(簡稱參照系)的設(shè)定,使得評估結(jié)果在不同時間和空間上具有較好的可比性[15]。由于現(xiàn)實(shí)世界中很難找到完全不受人類影響的理想?yún)⒄障?將與待評估生態(tài)系統(tǒng)具有相似植被、土壤、氣候條件且受人類活動影響相對較小的自然生態(tài)系統(tǒng)作為參照系具有較好的合理性與可行性。參照生態(tài)系統(tǒng)主要包括：(1)極小干擾參照狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)最大程度地保留了完整性,幾乎沒有人類活動；(2)歷史條件參照狀態(tài),在人類干擾之前的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)；(3)最佳可達(dá)狀態(tài),在某一特定地理和氣候本底條件下,生態(tài)系統(tǒng)所能達(dá)到的最佳狀態(tài),可以根據(jù)分位數(shù)法選取同一條件區(qū)域內(nèi)一組參照點(diǎn)作為參照系[38-40]。針對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)可獲取性狀況,將我國國家自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)、中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)野外觀測臺站永久觀測樣地等較少受人類活動干擾且狀態(tài)優(yōu)良的生態(tài)系統(tǒng)作為參照系,是當(dāng)前我國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估的一種新思路[15]。

本文利用基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法,以中國陸地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,綜合土地覆蓋數(shù)據(jù),降水、氣溫、總輻射的年度氣候數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、固碳、水源涵養(yǎng)和土壤保持四項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)功能數(shù)據(jù),評估1990、2000、2010、2015年四期生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,重點(diǎn)分析參照生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化特征,基于參照系的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的空間格局,以及生態(tài)工程大規(guī)模實(shí)施前后的兩個時段(即1990—2000年和2000—2015年)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化特征及其歸因,以期為我國生態(tài)工程的成效評估提供依據(jù),為土地利用和生態(tài)系統(tǒng)管理提供支撐。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1土地覆蓋數(shù)據(jù)

采用1990年、2000年、2010年、2015年空間分辨率為1 km的土地覆蓋數(shù)據(jù)(ChinaCover)[41]計算生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指數(shù)。該數(shù)據(jù)是基于國產(chǎn)環(huán)境災(zāi)害衛(wèi)星(HJ-1A/B)和美國陸地衛(wèi)星(Landsat OLI)數(shù)據(jù),采用面向?qū)ο蟮亩喑叨确指钆c變化檢測的分類方法進(jìn)行制圖,一級地類的精度達(dá)94%。

1.1.2環(huán)境要素數(shù)據(jù)

采用1990—2015年1 km分辨率的氣候要素(年均溫、年降水、年總輻射)數(shù)據(jù)分析氣候因子對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的影響。其中,氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)基于中國地面氣候日值數(shù)據(jù)集和全球歷史氣候網(wǎng)格數(shù)據(jù)集采用ANUSPLIN軟件插值計算生成[42],總輻射數(shù)據(jù)由日照時數(shù)計算生成[43]。根據(jù)《1∶1000000 中國植被圖集》和中國生態(tài)地理分區(qū)生成168個評估單元,數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。

1.1.3生態(tài)系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)

1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)數(shù)據(jù)由生態(tài)系統(tǒng)過程模型(Carbon Exchange between Vegetation,Soil,and Atmosphere—Ecosystem services,CEVSA-ES[44])模擬得到。CEVSA-ES模型模擬的NPP、NEP、土壤含水量和土壤保持量與觀測數(shù)據(jù)具有較好的一致性,二者線性擬合的決定系數(shù)分別為0.96、0.81、0.47、0.52[44]。模擬結(jié)果的空間分辨率為0.05°。

1.1.4其他數(shù)據(jù)

1990—2015年GLASS LAI數(shù)據(jù)[45-46]用于分析植被生長狀況,數(shù)據(jù)源自在國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,其空間分辨率為1 km,時間分辨率為8 d。本文將其計算為年最大LAI(LAImax)。國家自然保護(hù)區(qū)空間分布數(shù)據(jù)(截至2013年9月)用于選取參照系,數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。CERN野外觀測臺站地理位置數(shù)據(jù)從國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://rs.cern.ac.cn/data/initDRsearch?cid=STA_DP2011)獲取。采用1990—2015年1 km分辨率的植被覆蓋度數(shù)據(jù)計算生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指數(shù),該數(shù)據(jù)是以基于MODIS NDVI數(shù)據(jù),利用像元二分模型計算得到,在計算過程中利用ChinaCover產(chǎn)品對純土壤、植被像元的NDVI進(jìn)行了改進(jìn)[41]。

1.2 基于參照系的國家生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價方法

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)完整性和穩(wěn)定性理論[4,34-37],本文從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、穩(wěn)定性和人類脅迫四個方面構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價指標(biāo)(表1),將生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)(Ecosystem quality Index,ESQI)表示為生態(tài)系結(jié)構(gòu)指數(shù)、功能指數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)統(tǒng)和脅迫指數(shù)的加權(quán)和(公式1)。ESQI高表示人類脅迫小,生態(tài)系統(tǒng)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)良,并具有良好且穩(wěn)定的功能。

表1 國家生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)體系Table 1 Indicator framework for national ecosystem quality

(1)

式中,xi為一級指標(biāo),包括標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化功能指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)定性指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化脅迫指數(shù)。ωi為對應(yīng)的權(quán)重,根據(jù)熵權(quán)法計算[47-48],分別為0.299、0.335、0.317和0.048。

生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)用生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指數(shù)(Ecosystem Structure Index,EStrI)表示,由不同土地覆蓋類型覆蓋率的加權(quán)和表示,參照生態(tài)環(huán)境部2015年發(fā)布的生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范,森林、草地、水域濕地、耕地、建設(shè)用地、未利用地的權(quán)重分別設(shè)為0.35、0.21、0.28、0.11、0.04和0.01。

(2)

式中,flc為土地覆蓋類型lc的覆蓋率,ωlc為單位面積的土地覆蓋類型lc的權(quán)重。

生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)由生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)(Ecosystem Function Index,EFunI)表示,設(shè)定為四項(xiàng)重要生態(tài)系統(tǒng)功能(包括物質(zhì)生產(chǎn)、固碳、水源涵養(yǎng)和土壤保持功能)指標(biāo)的加權(quán)和。分別采用凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity,NPP)、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net ecosystem productivity,NEP)、土壤含水量及土壤保持量表征物質(zhì)生產(chǎn)、固碳、水源涵養(yǎng)和土壤保持功能。NPP、NEP和土壤含水量采用min—max標(biāo)準(zhǔn)化到0—1之間。由于土壤保持量呈現(xiàn)明顯的右偏態(tài)分布,本文對其數(shù)值取對數(shù)后再采用min—max標(biāo)準(zhǔn)化到0—1之間。最后利用熵權(quán)法確定四個功能指標(biāo)的權(quán)重。

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)(Ecosystem Stability Index,EStaI)用待評估時間點(diǎn)的前十年NPP的時間穩(wěn)定性指數(shù)表示。該指數(shù)假設(shè)生態(tài)系統(tǒng)越接近長時間序列的平均狀態(tài)就越穩(wěn)定,能較好地綜合反映生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力和恢復(fù)力[49]?？紤]到中國大規(guī)模實(shí)施了生態(tài)工程并具有城市擴(kuò)張的背景,生態(tài)系統(tǒng)具有一定的恢復(fù)或退化的趨勢,本研究采用去除時間趨勢后的生產(chǎn)力時間穩(wěn)定性(公式3)來表征中國生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性指數(shù),并采用min—max方法將其標(biāo)準(zhǔn)化到0—1之間。

(3)

式中,meanfun為生態(tài)系統(tǒng)功能的多年平均值,stddetrend_fun為去趨勢后生態(tài)系統(tǒng)功能的標(biāo)準(zhǔn)差。

人類脅迫指標(biāo)用人類干擾指數(shù)(Human Interference Index,HII)表示,考慮每種土地覆蓋類型的面積(覆蓋率)及其對生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度[50-51],同時考慮周圍土地類型對其干擾的距離效應(yīng)[52]。采用min—max標(biāo)準(zhǔn)化方法將其負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)化到0—1之間。

(4)

表2 土地覆蓋類型的人類干擾度范圍Table 2 The range of human interference index of different land cover types

為盡可能消除評價結(jié)果空間不可比問題,依據(jù)每個評估單元內(nèi)較少受人類活動明顯干擾且優(yōu)良的參照系,計算基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)(ESQI′；公式5)。

ESQI′=ESQI/ESQIref

(5)

ESQIref為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的參照值,ESQI為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值。當(dāng)ESQI′≥1時,表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)于參照系；反之生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量劣于參照系。根據(jù)分位數(shù)將ESQI′劃分為優(yōu)良(80%—100%)、較好(60%—80%)、中等(40%—60%)、較差(20%—40%)、很差(0%—20%)五個等級。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的參照值是指某一時期某個評估單元內(nèi)的參照系的質(zhì)量的平均值。本研究中針對每個具有相似地理和氣候條件的評估單元,按照下面方法的優(yōu)先次序篩選出評估單元內(nèi)適合作為參照生態(tài)系統(tǒng)的備選區(qū)域：(1)具有CERN野外觀測臺站或國家自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)等較少受人類影響的生態(tài)系統(tǒng)；(2)凈初級生產(chǎn)力主要受氣候因子控制的生態(tài)系統(tǒng)；(3)評估單元內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)良的生態(tài)系統(tǒng)。在這些備選區(qū)域內(nèi)選擇未發(fā)生土地利用變化且生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量相對優(yōu)良的區(qū)域作為參照系,下文分別簡稱為CERN參照、國家自然保護(hù)區(qū)參照、最受氣候影響區(qū)參照和評估單元參照。

2 結(jié)果

2.1 參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化特征

對1990年、2000年、2010年、2015年不同類型參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)參照值進(jìn)行統(tǒng)計,其占評估單元總體的分位數(shù)平均值如表3所示?？傮w上,參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)數(shù)值位于評估單元89%分位數(shù),其中脅迫標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)、功能標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)、穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)四個分量的參照值分別位于76%、80%、75%和69%。按照不同類型的參照系來看,以國家自然保護(hù)區(qū)為參照的評估單元數(shù)最多,參照系的人類干擾標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)位于評估單元的90.8%分位數(shù),在四類參照系中的受干擾程度最低。以CERN永久樣地為基準(zhǔn)的參照生態(tài)系統(tǒng)具有相對較好的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性,均位于評估單元分位數(shù)的60%以上。對于最受氣候影響的參照系,其結(jié)構(gòu)指數(shù)所處于評估單元的分位數(shù)水平(77%)>功能指數(shù)(69.7%)>穩(wěn)定性指數(shù)(68.3%)。以評估單元優(yōu)良值為基準(zhǔn)的參照生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量位于評估單元的91.6%分位數(shù)?？梢钥闯?在具有相似氣候和地理?xiàng)l件的評估單元內(nèi),參照系具有較低的人類脅迫和良好的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性,說明本研究根據(jù)CERN生態(tài)系統(tǒng)永久樣地、國家自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)、最受氣候影響區(qū)來選取受人類干擾較少且優(yōu)良的生態(tài)系統(tǒng)作為參照系是合理可行的。

表3 不同類型參照系的質(zhì)量參照值位于相應(yīng)評估單元分位數(shù)的平均值Table 3 The average of quantile of the reference value of different indicator in the corresponding assessment unit for different reference system

ESQref的四期平均值總體上呈現(xiàn)東南高(0.9)、西北低(0.07),濕潤區(qū)高(0.62以上)、干旱區(qū)低(0.35以下)的格局(圖2)。全國參照生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量平均值在生態(tài)工程大規(guī)模實(shí)施前后的兩個時段(即1990—2000年和2000—2015年)分別呈下降和上升的趨勢(圖1)。1990—2000年全國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的參照值下降了0.0013,ESQref下降的參照系主要集中在兩個區(qū)域,一是在暖溫帶亞濕潤地區(qū)、中溫帶半干旱地區(qū)、北亞熱帶濕潤地區(qū)以及中國中部多種生態(tài)地理分區(qū)的交界處(圖1),該區(qū)域年降水量減少123 mm,ESQref平均下降了0.06；二是中溫帶亞濕潤地區(qū)和寒溫帶濕潤地區(qū),該區(qū)域年降水量下降162.40 mm,年平均氣溫下降1.20℃,ESQref平均下降0.013。而ESQ增加的區(qū)域主要分布于三個區(qū)域,其中中亞熱帶濕潤地區(qū)年降水量平均增加212 mm,總輻射平均增加35.03 MJ/m2,ESQref平均增加0.053；青藏高原溫帶干旱地區(qū)和青藏高原亞寒帶半干旱地區(qū)的東部地區(qū)年降水量增加46 mm,年平均氣溫上升0.57℃,ESQref平均增加了0.018；而暖溫帶干旱地區(qū)和中溫帶干旱地區(qū)的西部區(qū)域受年降水量增加(+22 mm)影響,ESQref平均增加0.021(圖1)。

2000—2015年全國參照生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量值平均增加了0.0306,ESQref增加的參照系集中分布在中溫帶亞濕潤地區(qū)、中溫帶濕潤地區(qū),中溫帶半干旱地區(qū)、暖溫帶亞濕潤地區(qū)以及北亞熱帶濕潤地區(qū)(圖1)。受氣溫上升影響,中溫帶亞濕潤地區(qū)和中溫帶濕潤地區(qū)的ESQref增加了0.117；中溫帶半干旱地區(qū)和暖溫帶亞濕潤地區(qū)ESQref平均增加0.136。而北亞熱帶濕潤地區(qū)ESQref的增加(+0.123)主要與該區(qū)域年降水量增加(+380 mm)有關(guān)。該時段青藏高原亞寒帶半干旱地區(qū)東部地區(qū)受年降水量下降(-293 mm)影響,ESQref平均下降0.003(圖1)。

圖1 參照生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化及其主要?dú)夂蛴绊懸蜃覨ig.1 Changes in the quality of reference ecosystems and their main climate influencing factors

2.2 基于參照系的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的空間分布特征

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值(ESQ)和基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量(ESQ′)四期均值的空間分布如圖2所示。ESQ的全國平均值為0.305,與ESQref具有一致的空間分異規(guī)律。ESQ′平均值為0.72,表明在全國水平上,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值與參照值的平均差距為28%。ESQ′優(yōu)良的地區(qū)主要分布在青藏高原亞寒帶、溫度半干旱地區(qū)、亞寒帶亞濕潤地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng),暖溫帶、中溫帶干旱地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng),南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶濕潤地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的東部和北部,中溫帶、寒溫帶濕潤地區(qū)和中溫帶亞濕潤地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)。以西北地區(qū)為例,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值評估結(jié)果“較好”和“良好”水平的區(qū)域僅占17.72%,而基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估結(jié)果中,二者比例占41.16%(圖2)。例如,三江源草原草甸濕地生態(tài)功能區(qū)雖然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值較低,但該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)優(yōu)于參照系(生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)現(xiàn)實(shí)值/參照系=1.25)且生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)接近參照系(生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)現(xiàn)實(shí)值/參照系=0.92),因此ESQ接近參照系的質(zhì)量。這表明基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量在一定程度上克服了質(zhì)量好壞受氣候、自然地理?xiàng)l件主導(dǎo)的問題。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的空間分布和分區(qū)統(tǒng)計Fig.2 Spatial distribution and regional statistics of ecosystem quality

2.3 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化原因分析

圖3為1990—2000年和2000—2015年兩個時段ESQ′變化的空間分布。相對于參照系ESQ(ESQref)的變化而言,1990—2000年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體下降了1.2%,而2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量上升了3.69%。其中,ESQ′轉(zhuǎn)變比較明顯的區(qū)域主要分布在陜西-甘肅-寧夏(簡稱陜-甘-寧)、東北和西南石漠化治理工程區(qū)。

圖3 基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量(ESQ′)的變化Fig.3 Changes in ecosystem quality based on reference system

對于陜-甘-寧地區(qū),1990—2000年因總輻射量增加(+101.74 MJ/m2)會提升生態(tài)系統(tǒng)功能,參照值相應(yīng)增加0.01,而農(nóng)田擴(kuò)張導(dǎo)致該區(qū)域受人類干擾加劇,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指數(shù)下降,同時引起葉面積指數(shù)下降(-0.13)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降(-0.11),從而引起該區(qū)域質(zhì)量變化偏離參照系質(zhì)量變化。2000—2015年該區(qū)域ESQ′平均增加0.133,特別是黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)(+0.203)。在ESQref平均增加0.041的背景下,退耕還林還草工程的大規(guī)模實(shí)施增加了該地區(qū)的林草地比例,這促使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以改善(生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指數(shù)增加0.089；LAI增加0.429),生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)分別增加了0.139和0.186,以致生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的增加量反而大于參照生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化(表5)。

對于中國東北地區(qū),1990—2000年東北平原的ESQ′下降受NPP(-60.89 gC m-2a-1)、NEP(-139.63 gC m-2a-1)和水源涵養(yǎng)功能下降(-49.59 mm)主導(dǎo),可能與降水的減少(-210.34 mm)、溫度的下降(-0.79℃)和土地利用變化有關(guān)；而長白山地區(qū)受年均溫顯著下降(-1.25℃)影響,參照系質(zhì)量下降0.004,而該區(qū)域由6750 km2森林轉(zhuǎn)為農(nóng)田引起的穩(wěn)定性下降(-0.16)則主導(dǎo)了整個區(qū)域質(zhì)量下降(表4)。2000—2015年,雖然氣候變化的不利影響導(dǎo)致東北地區(qū)參照值下降了0.051,但長白山森林生態(tài)功能區(qū)和大小興安嶺森林生態(tài)功能區(qū)表現(xiàn)出大面積的質(zhì)量恢復(fù),ESQ′增加主要由生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性增加引起,這在很大程度上與三北防護(hù)林工程[53]有關(guān),該時段有6450 km2農(nóng)田轉(zhuǎn)換為森林。

表4 1990—2000年ESQ′轉(zhuǎn)變明顯區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、氣候因子和LAI的變化的平均值,以及主要的土地利用變化Table 4 The average value of changes in ecosystem quality,climate factors and LAI,as well as main land-use changes during 1990—2000 in the regions with obvious ESQ′ transformations

對于西南石漠化治理工程實(shí)施的縣域,1990—2000年ESQ增加的幅度低于參照值變化。而2000—2015年該地區(qū)降水和總輻射分別增加了92.77 mm和195.33 MJ/m2,參照生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量提升了0.004；這期間由于石漠化綜合治理工程的實(shí)施,該地區(qū)分別有13375 km2和5150 km2的農(nóng)田轉(zhuǎn)為森林和草地,同時又有5800 km2的草地轉(zhuǎn)換成森林,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)功能指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)分別增加了0.043、0.027和0.090,尤其是生產(chǎn)力和固碳功能分別增加了150.03 gC m-2a-1和 62.19 gC m-2a-1,最終促使整個區(qū)域ESQ的增幅(+0.051)遠(yuǎn)高于參照系。

3 討論

2000年前后中國實(shí)施了天然林資源保護(hù)、退耕還林還草、京津風(fēng)沙源治理等一系列重大生態(tài)建設(shè)工程,這些大規(guī)模的土地利用管理引領(lǐng)了全球陸地變綠,2000—2017年中國植被葉面積的增加達(dá)到全球綠化面積增加的25%[13]。在氣候變化和人類活動的共同作用下,2000—2010年中國多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(包括食物生產(chǎn)、水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙、洪水調(diào)蓄、固碳)得到明顯改善[17]。本研究基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量(ESQ′)評估結(jié)果進(jìn)一步表明,因人類活動引起的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化在2000—2015年間增加了3.69%,尤其在黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)、青海省東部、長白山地區(qū)質(zhì)量增加明顯,這與Ouyang等研究中2000—2010年多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增加的區(qū)域一致[17]。同時,本研究還表明西南石漠化工程治理縣域和長白山地區(qū)這兩個LAI“變綠”明顯的區(qū)域[13],ESQ′也存在明顯增加。統(tǒng)計結(jié)果表明,這兩個地區(qū)實(shí)施了大量的造林工程(退耕還林工程[5,54],三北防護(hù)林工程[53]),2000—2015年分別有13375 km2和6450 km2的農(nóng)田轉(zhuǎn)為森林(表5)。此外,在中國西南喀斯特區(qū)域,隨著退耕還林還草、石漠化綜合治理等工程的實(shí)施,2000—2015年貴州和廣西省的ESQ′增加明顯,這與Tong等NDVI變化(2000—2011年與1982—2000年NDVI變化趨勢之差)的空間格局一致[55]。

表5 2000—2015年ESQ′轉(zhuǎn)變明顯區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、氣候因子和LAI的變化的平均值,以及主要的土地利用變化Table 5 The average value of changes in ecosystem quality,climate factors and LAI,as well as main land-use changes during 2000—2015 in the regions with obvious ESQ′ transformations

本研究是從人類脅迫、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性四個方面評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。造林工程能直接增加植被覆蓋率,改善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[56],而退耕還林還草工程能促使生態(tài)系統(tǒng)由農(nóng)田的高人類脅迫轉(zhuǎn)為草地或森林的低人類脅迫[52]。由于森林的抗旱能力高于農(nóng)田[57],退耕還林工程同時也會增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。生態(tài)工程對生態(tài)系統(tǒng)功能的綜合效益因氣候背景而異,在降水充足的地區(qū),造林無疑會增加生態(tài)系統(tǒng)多項(xiàng)功能,如在西南喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系以協(xié)同為主[58]；然而,在降水限制區(qū)生態(tài)工程對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響還存在較大爭議,如三北防護(hù)林工程京津風(fēng)沙源治理工程增加了半干旱地區(qū)防風(fēng)固沙和土壤保持功能,但減少了地表徑流和加速了地下水的消耗[59]。綜合這些研究可以看出,生態(tài)工程在短期內(nèi)會通過減小人類脅迫、改善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能,提升穩(wěn)定性來增加生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。此外,人工林會隨時間變化生長而導(dǎo)致需水量增加,由此而產(chǎn)生的與生產(chǎn)力、固碳和土壤保持的權(quán)衡關(guān)系的增強(qiáng)(尤其是在半干旱區(qū)和干旱區(qū))在長期內(nèi)如何影響生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量還需要進(jìn)一步的考量。

根據(jù)《西部地區(qū)重點(diǎn)生態(tài)區(qū)綜合治理規(guī)劃綱要(2012-2020年)》,在西北草原荒漠化防治區(qū)、黃土高原水土保持區(qū)、青藏高原江河水源涵養(yǎng)區(qū)、西南石漠化防治區(qū)、重要森林生態(tài)功能區(qū)等五大重點(diǎn)生態(tài)區(qū),退耕還林、退牧還草、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和水土流失治理等生態(tài)治理區(qū)域面積到2020年將分別達(dá)到151.1×104km2、27.6×104km2、88×104km2、26.7×104km2、106.2×104km2的面積。同時,根據(jù)石漠化綜合治理工程“十三五”規(guī)劃,到2020年巖溶土地和石漠化土地治理面積分別達(dá)到5×104km2和2×104km2以上,建設(shè)和保護(hù)林草植被195×104hm2[60]。我國的森林覆蓋率從1998年的13.92%提升至2015年的21.63%[61],預(yù)期到2025年將增加至24.1%[62]。我國《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出,要堅持山水林田湖草治理,通過在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、國家級自然保護(hù)區(qū)等地實(shí)施生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)工程,改善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。這些工程將布局在“三生態(tài)區(qū)-四森林帶”,預(yù)期在青藏高原生態(tài)屏障區(qū)(如三江源、祁連山)治理退化草原320×104hm2,在黃河重點(diǎn)生態(tài)區(qū)(如黃土高原、秦嶺)治理水土流失和沙地280×104hm2,保護(hù)林草地80×104hm2,在長江重點(diǎn)生態(tài)區(qū)造林110×104hm2,治理水土流失和石漠化面積共600×104hm2。同時將在東北森林帶、北方防沙帶和南方丘陵帶造林約300×104hm2,并且預(yù)期將在北方防沙帶治理沙化土地750×104hm2。這些積極的生態(tài)保護(hù)工程預(yù)估將進(jìn)一步增強(qiáng)生態(tài)脆弱區(qū)和重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性,提升生態(tài)系統(tǒng)功能和質(zhì)量。受全球變暖影響,預(yù)計未來三十年(2021—2050)中國大部分地區(qū)將遭受更嚴(yán)重、更頻繁和持續(xù)時間更長的干旱,尤其在西北地區(qū)[63],而2040年后中國降水整體呈增加趨勢(集中在北方地區(qū))[64]。因此未來幾十年降水能否承載起生態(tài)工程導(dǎo)致的森林增加和生長的需求是個很大的挑戰(zhàn),未來我國半干旱半濕潤區(qū)的生態(tài)工程的布設(shè)應(yīng)關(guān)注具有變濕趨勢的地區(qū)。

本研究通過考慮參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化,在一定程度上消除不同區(qū)域氣候波動差異對質(zhì)量評估的影響,為量化保護(hù)、治理等生態(tài)工程對生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了一種新途徑。例如長白山參照系無土地利用變化,其ESQ可能會隨氣候限制因子的消極變化而下降(-0.051),而整個區(qū)域的ESQ能抵消氣候變化的不利影響進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有較大的提升(+0.110)。ESQ′在量化生態(tài)工程等人為影響方面具有較大潛力,可以作為政府部門績效評估的依據(jù)之一,也能為生態(tài)系統(tǒng)和土地利用管理提供參考。

參照系的合理選取是評價生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的重要前提。本研究中大部分評估單元的參照系符合優(yōu)良生態(tài)系統(tǒng)的假設(shè),然而受到數(shù)據(jù)獲取的限制,參照系選取主要基于CERN定位觀測臺站永久樣地和國家自然保護(hù)區(qū)核心區(qū),尚不能充分利用國家林草局、國家氣象局、生態(tài)環(huán)境部、高校等其他部門野外觀測臺站的永久樣地數(shù)據(jù)。因此,僅考慮極小干擾參照系很難覆蓋全部的評估單元,本文根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲取性選擇最受氣候影響區(qū)和評估單元優(yōu)良值基準(zhǔn)作為剩余評估單元的參照系,基于多種基準(zhǔn)參照系的基礎(chǔ)上對國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評估；同時由于數(shù)據(jù)觀測和處理、模型模擬過程中存在的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差[65-67],導(dǎo)致部分評估單元的參照系并不完全符合優(yōu)良生態(tài)系統(tǒng)的假設(shè),一些功能處于評估單元內(nèi)的中等水平。未來國家不同部門野外觀測研究站網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)據(jù)共享,以及中國生態(tài)保護(hù)紅線地面觀測網(wǎng)絡(luò)的建立,形成一體化、長期、連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測體系,將為我國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估提供更多可靠的參照系數(shù)據(jù)、模型驗(yàn)證和校準(zhǔn)數(shù)據(jù),使基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估結(jié)果更具可比性和科學(xué)性,從而更好地服務(wù)于我國生態(tài)文明建設(shè)、重點(diǎn)生態(tài)區(qū)綜合治理、石漠化綜合治理、“山水林田湖草”等工程的治理成效評估和績效考核。

4 結(jié)論

本文基于1990—2015年中國土地覆蓋、植被覆蓋度、生態(tài)系統(tǒng)功能和氣候等數(shù)據(jù),計算了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、穩(wěn)定性和人類脅迫指數(shù)；根據(jù)生態(tài)地理分區(qū)和植被類型劃分的評估單元,基于CERN臺站、國家自然保護(hù)區(qū)和最受氣候影響區(qū)等參照生態(tài)系統(tǒng),結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估模型,評估了基于參照系的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其變化情況。主要研究結(jié)論如下：

(1)本研究選用的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估參照系具有較低的人類脅迫和良好的生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性,參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)總體位于評估單元89%分位數(shù)。1990—2000年和2000—2015年參照系ESQI的全國平均值分別呈下降和上升趨勢。與參照系相比,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的平均值偏低28%。

(2)1990—2000年和2000—2015年ESQ′分別下降1.2%和上升3.69%。ESQ′轉(zhuǎn)變比較明顯的區(qū)域主要分布在“陜-甘-寧”地區(qū)、長白山地區(qū)和西南石漠化治理工程實(shí)施縣域,在這些區(qū)域?qū)嵤┑耐烁€林還草工程、三北防護(hù)林工程和石漠化綜合治理工程發(fā)揮了重要作用。未來我國計劃進(jìn)一步實(shí)施生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程,加強(qiáng)山水林田湖草沙治理,這些措施將進(jìn)一步提升我國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。同時需要關(guān)注未來氣候變化以及生態(tài)系統(tǒng)功能之間的權(quán)衡關(guān)系對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的影響。

(3)針對傳統(tǒng)評估方法因包含了地理、氣候本底條件差異而存在評估結(jié)果在空間上不可比的問題,基于參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法通過考慮參照系的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化,可以在一定程度上消除不同區(qū)域氣候波動差異對質(zhì)量評估的影響,為科學(xué)量化保護(hù)、治理等生態(tài)工程對生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了一種新途徑。未來應(yīng)加強(qiáng)全國不同區(qū)域、不同類型的參照生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)觀測,為提升我國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估能力提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。