汶川地震重災區恢復期生態系統健康評價

朱捷緣,盧慧婷,,王慧芳,,嚴 巖,唐立娜,*

1 中國科學院城市環境研究所,城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

2008年的“5.12”汶川大地震對區域生態系統造成極大的破壞,災區總面積約50萬km2[1- 2],受損生態系統的空間分布與地震烈度高度相關,在9級烈度區域就導致65584 hm2大熊貓生境喪失,97748 hm2森林生態系統受損[3]。地震造成植被破壞、生物棲息地受損、水土流失加劇等問題[2- 6]。在震區生態恢復研究方面,楊斌等[7]對汶川縣震后5年生態環境質量恢復評價研究的結果表明2013年汶川縣 55.84%的區域環境質量得到了明顯改善；楊渺等[8]對汶川地震極重災區10個縣市震后5年的生態服務功能評估結果表明區域生態服務功能得到了一定程度的恢復,但未達到震前水平。震后10年來,不同地震烈度區的生態恢復效果如何？ 生態系統服務功能和生態系統健康如何變化？這是對震區后期生態恢復策略制定具有重要意義的關鍵科學問題,已有的研究對不同地震烈度級別區的生態恢復效果缺乏綜合比較。

生態系統健康是描述相對于理想或目標狀態的生態系統狀況,是保證生態系統功能正常發揮的前提[9- 10],尤其是在強烈依賴自然資源的西南震區,生態系統的健康程度直接影響震區生態安全和可持續發展。因此,本文首先利用遙感數據識別震后恢復期生態系統類型、格局以及質量變化,然后運用InVEST(Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs,InVEST)模型定量評估關鍵的生態系統服務功能格局和變化,最后耦合災區生態系統活力、組織力以及關鍵的生態系統服務,綜合定量評估不同地震烈度區的生態系統健康狀況,以期為現階段制定震區生態恢復策略提供科學依據。

1 研究區

本研究范圍為四川省的汶川地震極重災區和重災區,包括39個縣市區(圖1,地震烈度數據來自中國地震局),總面積9756025.56 hm2。該區域位于青藏高原向成都平原的過渡地帶,地貌類型多樣,海拔在311—6117 m之間,分布多種植被類型,岷山和邛崍山系是全球生物多樣性保護熱點與關鍵地區[11- 12],該區域也是岷江、沱江、嘉陵江、涪江的發源地。汶川地震受損生態系統的空間分布與地震烈度高度相關,主要分布在地震烈度Ⅹ度及以上區域[3],綿竹、汶川、安縣和什邡等是受損最嚴重的區域。

圖1 四川省汶川地震重災區范圍及地震烈度分布Fig.1 Wenchuan earthquake hard-hit disaster areas with different magnitude in Sichuan province

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究采用的數據及其來源為：(1)2010年、2015年地震重災區生態系統類型(90 m)、歸一化植被指數NDVI、植被覆蓋度柵格數據(250 m),來源于國家重點研發計劃“西南生態安全格局形成機制及演變機理”,將研究區生態系統類型一共劃分為8個一級和 18 個二級類(表1)；(2)DEM數據(90 m),來自中國科學院地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)；(3)1∶100萬土壤類型數據,來自中國土壤數據集(http://westdc.westgis.ac.cn)；(4)四川、甘肅、陜西、重慶等80個氣象站點1990—2015年的日值降雨數據,來自中國氣象局氣象中心,通過預處理、Kriging空間插值得到研究區年均降水量、月均降水量空間分布柵格數據；(5)月參考蒸散發柵格數據(1 km),來自CGIAR CSI dataset(http://www.cgiar-csi.org/data)；(7)四川省自然保護區數據,來自全國及各地區主體功能區劃。

2.2 生態系統健康評價方法

生態系統健康是描述相對于理想或目標狀態的生態系統狀況,是保證生態系統功能正常發揮的前提,與人類的可持續生計和可持續發展密切相關[9- 10,13]。結構和功能的完整性、具有抵抗干擾和恢復能力、穩定性和可持續性是生態系統健康的特征[14-15]。Rapport等[10]提出從生態系統活力—組織性—彈性(Vigor-Organization-Resilience model,VOR)三個層面來評價生態系統健康得到了廣泛應用,但是區域尺度的生態系統健康評價需要基于生態系統的結構、功能過程來確定指標[16- 18]。本研究基于VOR模型,耦合災區關鍵的生態系統服務,定量評估災區震后恢復期的生態系統健康狀況,方法如下：

(1)

式中,EHIi表示柵格i的生態系統健康指數,Vi、Oi、Ri、Si分別表示柵格i的生態系統活力指數、組織力指數、恢復力指數、生態系統服務指數。

表1 研究區生態系統分類體系

生態系統活力V指根據營養循環和生產力所提供的能量[19],一般用植被生產力表示[20]。由于歸一化植被指數(NDVI)與植被生產力高度正相關[21-22],本文選取研究區植被生長季(5—9月)的NDVI作為生態系統活力指標。

組織力O指生態系統物種組成結構及其物種間的相互關系,反映生態系統結構的復雜性。本研究選取景觀水平上的蔓延度指數(CONTAG)、Shannon多樣性指數(SHDI)和斑塊類型水平上的森林聚集度指數(COHESION)三個指標的綜合值來衡量生態系統組織力。蔓延度指數指斑塊類型在空間分布上的集聚程度,該指標單位為%,取值范圍為(0,100],指標值越大,表明斑塊集聚程度越高。Shannon多樣性指數在計算生態群落多樣性時應用十分廣泛,SHDI無量綱,取值范圍為SHDI≥0。聚集度指數度量的是相關斑塊類型的自然聯通度,該指標沒有單位,取值范圍[0,100),值越小表明斑塊類型分布越分散。在FRAGSTATS 4.2中計算各縣2010年和2015年的CONTAG、SHDI、COHESION指數,分別標準化到[0,1]之間,當年的生態系統組織力指數由標準化處理之后的CONTAG、SHDI、COHESION均值得到。

恢復力R指生態系統在脅迫下維持其結構和功能的能力。常用生態系統彈性作為恢復力評價指標。一個健康的生態系統,對外部的干擾具有抵抗力和彈性,使得生態系統的組織結構和生產力在很長一段時間內保持相對穩定狀態[23]。生態系統系統彈性大小與地形、氣候、土壤以及植被狀況密切相關[24],在參照相關文獻[18,25- 26]的基礎上確定研究區各生態系統的彈性系數(表2)。

一個健康的生態系統應具備良好的生態系統服務供給能力[27]。由于震區是岷山-橫斷山重要生態功能區和生物多樣性保護關鍵地區,本文選取土壤保持、水源涵養、生境質量等三類生態系統服務作為生態系統服務評估內容,采用InVEST模型 v3.4.4版本進行評估。土壤保持服務采用SDR(Sediment Delivery Ratio,SDR)模塊計算,主要參數包括土壤可蝕性因子、降雨侵蝕力因子、植被覆蓋和經營管理因子和水土保持措施因子。水源涵養服務采用SWY(Seasonal Water Yield,SWY)模塊,主要參數包括月均降雨量與月均降雨次數、月參考蒸散發量、土壤水文分類、各植被類型的月作物系數Kc和徑流曲線數CN值,本文用結果數據中的基流量(Baseflow)來衡量研究區的水源涵養能力。生境質量采用HQ(Habitat Quality,HQ)模塊,主要參數包括各期脅迫因子圖層(本文將水田、旱地、居住地、工礦交通用地作為脅迫因子)、脅迫強度、最大脅迫距離、各生境類型適宜度及其對脅迫因子的敏感度。各模塊所需的部分參數結合研究區特征并參考相關文獻[28- 38]確定。每個柵格的生態系統服務指數由標準化后的土壤保持、水源涵養、生境質量圖層求均值得到。

表2 研究區各生態系統類型彈性系數

由于各評價指標的量綱各異,無法直接進行生態系統評價,將各指標標準化處理到 0—1之間,最后基于柵格單元在ARCGIS10.3中計算每個柵格的生態系統健康指數。生態系統健康指數(EHI)評價結果在柵格圖層上呈現0—1之間連續變化的值,值越靠近1,生態系統就越相對完整和健康,將當年的EHI評價結果劃分為[0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1]等5個區間。

3 結果與分析

3.1 生態系統類型變化

震區生態系統類型分布差異明顯,森林、灌木、草地、冰川積雪、裸地主要分布在龍門山地震斷裂帶核心區域和西部高山地區,農田和城鎮主要分布在龍門山山前平原和與龍門山山脈接壤的淺丘地區。2010—2015年震區各生態系統變化如表3所示。

表3 2010—2015年地震重災區不同級別地震烈度區生態系統類型變化

從面積變化上看,總體上森林、灌叢、草地、農田、裸地的面積有不同程度的減少,森林面積減少2975.94 hm2,減幅為0.08%；農田面積減少31362.39 hm2,減幅為1.33%；濕地和城鎮面積分別增加7605.9、31268.43 hm2,由于濕地和城鎮基數較小,增幅分別為7.72%、31.35%；其他類型由于基數較大所以減幅不大。其中,28240.65 hm2的農田和1286.28 hm2的森林轉移為城鎮用地,且主要發生在Ⅶ—Ⅷ級烈度區；然而在Ⅹ—Ⅺ級烈度區,森林面積增加1309.77 hm2, 說明地震最嚴重地區內森林面積的恢復比較明顯。

3.2 生態系統健康變化

各指標要素計算結果見表4和圖2、圖3和圖4。標準化后的各要素指標值和生態系統健康指數(EHI)結果見表5,震區EHI空間評價結果見圖2。將兩期生態系統活力、EHI結果圖層分別做差值分析來評估2010—2015年的變化格局,差值按照[-1,-0.1)、[-0.1,-0.01)、[-0.01,0.01)、[0.01,0.1)、[0.1,1]區間劃分為明顯下降、稍微下降、基本不變、稍微升高、明顯升高等5個級別。

表42010—2015年不同級別地震烈度區生態系統健康各指標要素計算結果

Table4Calculationresultsofecosystemhealthindicatorsinearthquakehard-hitdisasterareaswithdifferentmagnitudefrom2010to2015

一級指標Indicators二級指標Sub-indicators年份YearⅪⅩⅨⅧⅦⅥ震區均值Mean總量Total活力Vigor歸一化植被指數20100.68180.68060.76940.72260.71700.71660.7194—20150.76680.78170.82460.77010.75150.73680.7587—組織力Organiza-tion聚集度指數201099.515399.487899.542898.754396.044998.582299.6352—201599.515699.488499.542498.752196.034898.577999.6352—蔓延度指數201050.160150.818950.210651.581255.066951.518844.8820—201549.684450.339149.927151.138654.665051.708944.4548—Shannon20101.29911.30131.25831.25061.11431.25001.5315—多樣性指數20151.31241.31331.26541.26101.12831.25341.5435—恢復力Resilience生態系統彈性20100.76210.77890.77100.71050.66110.73910.6992—20150.76330.77910.77080.70990.66090.73930.6991—生態系統服務水源涵養/201074526.090965590.922460588.744788280.2415104608.899374525.869290761.628788.5632億 m3Ecosystem sevice(m3/km2)201574026.856765401.405760833.827688997.8492103851.802873459.584090335.700488.1476億 m3土壤保持/(t/hm2)20101369.87601028.9712825.3385828.6307623.3132729.8001728.691771.1042億 t20151390.63581041.9626832.9764839.2928631.7591738.1076737.938272.0064億 t生境質量 20100.8587 0.8916 0.8749 0.7472 0.6276 0.7945 0.7136 —20150.8605 0.8915 0.8743 0.7464 0.6288 0.7948 0.7141 —

表52010—2015年不同級別地震烈度區生態系統健康指數和標準化后的各要素指標值

Table5Ecosystemhealthindexscoreandstandardscoresofecosystemhealthindicatorsinearthquakehard-hitdisasterareaswithdifferentmagnitudefrom2010to2015

年份Year指標IndicatorsⅪⅩⅨⅧⅦⅥ震區均值Mean2010活力指數0.71140.71020.80280.75400.74810.74770.7506組織力指數0.93610.94470.92080.92620.88620.92340.9067恢復力指數0.84680.86550.85660.78950.73450.82130.7769生態系統服務0.51430.53090.51980.45070.38380.47560.4315生態系統健康指數0.71980.73190.74670.69040.64130.71090.67612015活力指數0.80010.81560.86040.80350.78410.76880.7916組織力指數0.93570.94360.92020.92490.88680.92700.9073恢復力指數0.84810.86560.85650.78880.73430.82140.7768生態系統服務0.51530.53090.51950.45040.38440.47570.4317生態系統健康指數0.74490.76130.76070.70110.64860.71640.6853

圖2 2010、2015汶川地震重災區生態系統活力和健康指數Fig.2 Ecosystem vigor and health index in Wenchuan earthquake hard-hit disaster areas from 2010 to 2015

圖3 2010、2015汶川地震重災區生態系統組織力、恢復力Fig.3 Ecosystem organization and resilience in Wenchuan earthquake hard-hit disaster areas in 2010 and 2015

圖4 2010、2015年汶川地震重災區生態系統服務Fig.4 Ecosystem services in Wenchuan earthquake hard-hit disaster areas in 2000 and 2015

3.2.1 生態系統活力變化

從2010—2015年的變化來看(表4),災區整體的生態系統活力均值從0.7194提高到0.7587,增幅為5.46%；各級烈度區活力均值也都明顯上升,其中Ⅹ—Ⅺ級烈度區活力增幅最大,分別為14.84%、12.47%。從空間格局來看(圖2),西南-東北走向的林灌山區生態系統活力最高,東南和中部平原地區次之。從分級面積來看,活力呈稍微升高、明顯升高的面積占比分別為55.48%、12.96%,其中明顯升高的區域分布在龍門山地震斷裂帶核心帶,集中在安州、綿竹、什邡、彭州、都江堰、崇州和江油的西部、大邑的西北部以及汶川的東南部；少數局部地區活力下降,面積占比達17.66%,主要分布在寶興、蘆山、漢源、石棉、汶川西北部和北部部分區域。總的來看,雖然2010—2015年災區各植被類型的面積在不同地震烈度區有不同程度的增減,但是大部分區域的生態系統活力得到了提高。

3.2.2 生態系統組織力和恢復力變化

2010—2015年整體上生態系統組織力變化較小(表4)。在Ⅶ—Ⅺ級烈度區,景觀蔓延度指數比稍有降低,Shannon多樣性指數稍有升高,表明災后的生態恢復和開發建設過程在一定程度上提高了景觀破碎度,同時豐富了景觀多樣性。從空間格局來看(圖3),西部高山林灌區組織力最高,東部淺丘地區次之,中部平原由于城鎮化水平高、生態斑塊破碎導致組織力最低,其中涪城區的生態系統組織力有輕微下降。各級烈度區生態系統恢復力基本無變化(表4),空間格局上表現為西部高山林灌區恢復力最高(圖3),東部淺丘和中部平原次之,西部裸巖、冰川積雪地區最低。

3.2.3 生態系統服務變化

從水源涵養服務空間格局來看(圖4),震區西南部的冰川積雪和裸巖區域水源涵養能力最高,中部和東部平原次之,西北高山林區水源涵養能力最低,由SWY模塊計算原理和震區自然狀況推斷這可能與西北高山林區降雨量偏少、森林的作物系數和蒸散量較大有關。從2010—2015年的變化來看(表4),震區的水源涵養能力稍有降低,水源涵養總量減少了0.42億 m3,減幅為0.46%；單位面積生態系統水源涵養能力均值減少了425.93 m3/km2；從不同地震烈度級別區來看, Ⅹ—Ⅺ級烈度區的單位面積生態系統水源涵養能力減幅分別為0.29%、0.67%,盡管Ⅹ—Ⅺ級烈度區植被生態恢復效果較好,但是隨著NDVI的提高,植被的作物系數增大進而導致植被作物需水量和蒸散量增加,所以其水源涵養能力降低；Ⅷ—Ⅸ級烈度區單位面積生態系統的水源涵養能力稍有提高,增幅分別為0.81%、0.40%；Ⅵ—Ⅶ級烈度區單位面積生態系統的水源涵養能力分別降低了1.43%、0.72%。

土壤保持服務明顯表現為從東南向西北遞增的空間格局(圖4),中部和東部的城鎮、耕地區域土壤保持能力最低,西部和北部高山林灌區由于植被覆蓋度較高,因此土壤保持能力較高。2010—2015年,震區土壤保持總量增加了0.9億t(表4),增幅為1.26%,單位面積生態系統土壤保持能力均值提高了9.25 t/hm2,主要受生態系統類型和NDVI的影響；同時,各級烈度區單位面積生態系統土壤保持能力均有所提高,其中Ⅺ級烈度區單位面積生態系統土壤保持能力最高,約為震區平均水平的2倍,其單位面積生態系統土壤保持能力相較2010年提高了1.52%,這得益于Ⅺ級烈度區森林面積和植被覆蓋度的提高。

在生境質量方面,不考慮西部的冰川積雪和裸巖(生境適宜度為零),震區生境質量明顯表現為從東南向西北遞增的空間格局(圖4),中部和東部的城鎮、耕地區域生境質量較低,南部和北部高山林區由于森林、灌叢類型占主導并且距離建設用地、農田等脅迫因子距離較遠,因此生境質量較高。2010—2015年震區單位面積生態系統的生境質量指數無明顯變化,各級地震烈度區生境質量指數也無明顯變化。

3.2.4 生態系統健康變化

2010—2015年震區整體的生態系統健康有小幅度提升,EHI均值從0.6761上升到0.6853(表5),增幅為1.36%。從不同地震烈度級別區來看,2000年Ⅸ級烈度區EHI均值最大,為0.7467,而2015年Ⅹ級烈度區EHI均值最大,為0.7613,主要原因是Ⅹ級烈度區森林面積增加較多,且生態系統活力提升最明顯；同時,各級烈度區EHI均值均有不同程度的提升,其中Ⅹ—Ⅺ級烈度區生態EHI增幅比其他地區明顯,增幅分別為4.01%、3.48%。

從空間格局來看(圖2),西部高山林草區EHI最高,東南部淺丘和中部山前平原的農用地區次之,中部的城鎮和西部冰川積雪、裸巖的EHI最低。從分級面積來看,EHI稍微升高和明顯升高的區域面積占比分別為37.32%、5.70%,明顯升高區域主要集中在綿竹、什邡、都江堰、崇州、大邑縣的西北部等龍門山地震斷裂帶核心區域；42.23%的區域EHI基本不變；同時局部地區EHI下降,面積占比達14.75%,主要集中在寶興、漢源、石棉、涪城、廣漢、汶川的西北部和震區北部部分區域。分析其原因,主要由于這些區域重建過程中森林和灌木的減少以及城鎮和裸地的增加,導致生態系統活力和生態服務功能降低。其中寶興、漢源、石棉的森林和灌叢在2010—2015年期間共減少了623.70 hm2,城鎮和裸地共增加了503.01 hm2,EHI均值減幅為0.6%,活力指數、組織力指數、生態系統服務指數均值減幅分別為2.12%、0.08%、0.05%,應該重視這些區域未來建設過程中的生態保護工作。此外,從表5中可以比較明顯的看出各級地震烈度區標準化后的組織力指數、恢復力指數、綜合生態系統服務指數變化極其微弱,而活力指數和EHI變化較大；同時,從圖2可知,生態系統活力明顯上升和退化的區域分布格局與EHI的變化格局趨向一致,在本文的生態系統健康評價框架下,表明生態系統活力是影響震區生態系統健康狀況的主要因素。

4 結論與建議

(1)2010—2015年震區的森林、灌叢、草地、農田、裸地的面積有不同程度的減少,濕地和城鎮面積有所增加。減少的農田主要轉移為城鎮用地,且主要發生在Ⅶ—Ⅷ級地震烈度區；森林面積共減少2975.94 hm2,但是在Ⅹ—Ⅺ級烈度區域內,森林面積共增加1309.77 hm2,說明受災最嚴重地區森林面積的恢復狀況比較好。

(2)震區生態系統活力均值從0.7194提高到0.7587,增幅為5.46%；Ⅹ—Ⅺ級烈度區生態系統活力均值增幅最明顯,分別為14.84%、12.47%。就生態系統服務而言,震區生境質量指數空間格局無明顯變化；土壤保持總量增幅為1.26%；水源涵養量稍有降低,減幅為0.46%。

(4)震區EHI均值有小幅度提升,從0.6761上升到0.6853,增幅為1.36%；同時,Ⅹ—Ⅺ級烈度區EHI增幅比其他地區明顯,增幅分別為4.01%、3.48%,表明受災最嚴重的地區生態恢復比較顯著。但是,局部地區如寶興、漢源、石棉、汶川的西北部和涪城、廣漢、震區北部部分區域由于災后城鎮的擴張、森林灌叢和農田減少、生態系統活力降低導致其EHI下降。

未來應該持續關注汶川地震重災區的生態恢復效應,結合自然恢復和人工干預,加快生態恢復進程；重視生態系統健康狀況下降的局部地區的生態保護工作,構建長期的震區生態恢復監測網絡；同時,在震區中部以農田和城鎮為主的人類活動密集的平原地區,重建過程中要注意保護自然生態空間和基本農田,實施人工林草恢復時可通過合理搭配植被種類以及優化景觀空間格局來提升關鍵生態服務功能和區域的生態系統健康。