氣候變化對“山水林田湖草”重大生態工程的影響

趙東升,郭彩赟,郭義強,劉 磊,高 璇,張家誠,朱 瑜,張雪梅

1 中國科學院地理科學與資源研究所,中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京 100101 2 中國科學院大學,北京 100149 3 自然資源部國土整治重點實驗室,北京 100035

自2016年10月《關于推進山水林田湖草生態保護修復工作的通知》印發以來,“山水林田湖草”生態保護修復試點工程被廣泛關注,目前已經開展了諸如河北環京津、陜西黃土高原、甘肅青海祁連山、吉林長白山、湖南湘江和洞庭湖等一批“山水林田湖草”生態保護修復試點工程,這些工程涵蓋了東北森林地區、西北祁連山地、京津水源涵養區、黃土高原地區、南方丘陵山地等重要的生態功能區。這些區域多為生態脆弱地區,生態系統受損嚴重,環境問題較為突出,開展“山水林田湖草”生態保護修復工程既是建設社會主義生態文明的必然要求,也是破解生態環境難題的重要舉措,對于構建國家生態安全格局和維系民族永續發展具有重要意義。

IPCC第五次氣候評估報告指出,近百年(1909—2011年)來,中國陸地區域增溫速率高于全球平均值,達0.9—1.5°C,最近50—60年全國年平均氣溫上升速率約為0.21—0.25°C/10a[1]。隨著氣溫的上升,降水分布不均現象更加明顯,極端事件頻率顯著增加。由于正在實施的重大生態工程多位于我國生態脆弱區,水土資源配置失穩、人地矛盾突出,大多數重大生態工程在最初設計時可能未考慮氣候變化的影響,或對氣候變化的影響估計不足,在重大生態工程實施過程中不能完全遵循自然規律,如不能基于人與自然系統的全局和長遠利益角度進行科學決策,將無法保證生態工程修復的系統性和完整性,也無法就氣候變化的應對決策提出科學的指導。因此,開展關于氣候變化對重大生態工程和生態系統恢復的影響研究顯得十分緊迫。

本文針對氣候變化對高寒草地、北方林區以及風沙源區生態的影響,以實施多年的三江源生態保護工程、三北防護林工程和京津風沙源治理工程為例,分析全球氣候變化對重大生態工程的影響與反饋,并指出了工程實施過程中存在的問題,希望能為正在和即將實施的 “山水林田湖草”生態保護修復工程提供參考價值,為達到生態系統整體保護、系統修復、綜合治理的目標提供理論依據,為當前和今后一段時期內的生態文明建設提供科學支撐。

1 重大生態工程區氣候變化過程

中國的重大生態工程區氣候變化特征如表1所示。近50年來,各生態工程區氣候變化均以增溫為主要特征,且氣溫傾向率均高于同期全國平均氣溫(0.22—0.27℃/10a),大興安嶺天然林保護工程區氣溫增幅最大,達0.88℃/10a,其余工程區增幅接近,在0.31—0.36℃/10a之間。各區降水變化差異較大,三江源生態保護工程區和大興安嶺天然林保護工程區近年來年降水量不斷增加,氣候呈暖濕化趨勢；而“三北”防護林工程區和京津風沙源治理工程區則呈現暖干化趨勢,但二者的年平均風速明顯降低,對于減弱沙塵暴災害具有積極作用。

表1 重大生態工程區氣候變化特征

2 氣候變化對重大生態工程的影響

氣候變化與重大生態工程之間存在著互饋式影響。溫度升高導致的蒸發量增加、降水季節分配變化,能引發干旱、洪澇頻發、徑流量季節變化規律異常等問題,給生態工程的水資源調配、環境改善、災害防治的綜合發揮帶來嚴峻考驗[11- 15]。此外,氣候變化和極端事件可能對重大生態工程區的生態系統結構、功能和分布產生影響,從而導致關鍵物種的喪失,破壞生態系統的穩定性和可逆性,進一步加劇生態系統的脆弱性,從而影響區域的經濟發展與社會穩定,對國家安全和社會的發展構成新的挑戰。本研究選擇了實施范圍較廣、區域影響較大且對氣候變化較為敏感的4個重大生態工程,總結了氣候變化對其的影響。

2.1 高寒草地重大生態工程

三江源位于青藏高原腹地,有“中華水塔”之稱,是長江、黃河和瀾滄江的源頭,分布著廣闊的高寒草地,是高原生物多樣性最集中的地區和青藏高原生態安全屏障的重要組成。近年來,由于氣候變化和人類活動的雙重影響,該地區生態系統功能持續下降,影響了源區中下游的可持續發展。為了改變這種不利情況,我國規劃實施了三江源區生態保護和建設工程。

1980年以來,三江源地區的氣候總體上向暖濕轉變。1982—2013年期間,三江源植被NPP呈現上升趨勢,草地生產力也表現為線性增加趨勢。暖濕的氣候對三江源地區的生態景觀變化具有正面效應,貢獻率約為87%,人類活動(工程)的貢獻率為13%[16]；其中在1998—2012年間,由于生長季溫度的上升,三江源地區的植被覆蓋度有所提高[17]；氣溫升高使得冰川退縮和冰川融水增多,濕地和水域面積的徑流量增加,導致雪線以下草地NPP的增加,以及地下水庫徑流調節作用的增強[18]。未來三江源地區的氣溫和降水將會持續上升,冰川大面積消融,草地面積增加,從而擠占其他景觀類型分布區域[19]；2005—2013年自工程實施以來,三江源區域草地平均產草量比工程實施前17年的平均產草量提高了20.31%,從2003年減蓄措施實施后10年內,平均載畜壓力比15年前下降了36.1%,氣候變化和生態保護建設工程是草地產量提高和載蓄壓力減輕的主要原因[20]。截止到2015年,三江源氣候變化貢獻了長江源地區年尺度植被NDVI增加的41.5%,比生態保護工程對其的影響小17.0%[21]。總體而言,自三江源生態保護工程開始以來,該地區的生態系統總體表現為“初步遏制,局部好轉 ”的態勢[22],并且氣候變化對生態保護工程起著積極正面的促進作用。

也有研究指出,1982—2013年之間,人類活動在2010年之前積極效應顯著,2010年之后效應減退,所以認為生態保護工程缺乏長期效應[23]。正在實施的三江源生態保護工程對生態環境惡化趨勢尚未得到根本性遏制,環境治理的速度跟不上生態惡化的速度,仍存在著諸多問題。首先,盡管植被覆蓋度和草地生產力有所提高,但土壤保持功能沒有實質性的提高,區域冰川融水和降水增多,增加了土壤侵蝕的敏感性,導致水體流失現象嚴峻[24]；草地退化的好轉僅是植被長勢的好轉,草地面積退化趨勢未能得到有效遏制,該區域草地仍在以每年近8萬畝的速度退化和沙化[25]。其次,三江源生態保護工程生態移民安置問題突出,該區經濟基礎薄弱,產業結構單一,工程實施圍欄禁牧,退牧還草等措施后,移民的長遠生計面臨很大問題,生態移民回流現象嚴重[26]。最后,三江源生態體系的法規建設還不健全,生態保護的專業化隊伍建設不能滿足需求,并且科技力量支撐不夠[27]。

總體而言,三江源地區整體生態狀況趨于好轉,一系列生態工程的實施對于恢復植被覆蓋度、草地生產力、水源涵養能力以及提升生態系統生物多樣性起到了積極作用。許多研究表明,當今三江源地區氣候主要向暖濕轉變,其中氣溫對草地生產力和高寒草地植被覆蓋起重要作用,而降水對生產力的增加起關鍵作用。因此,暖濕化的氣候變化趨勢對工程區實施效果和生態景觀變化具有正面效應。但是區域生態系統的健康狀況遠未達到理想狀態,在未來必須擴大工程的實施范圍,加大生態環境保護和建設力度,尊重客觀自然規律,堅持生態自然修復為主,人工手段為輔的原則,充分利用氣候變化的優勢條件,方能實現“整體恢復,全面好轉,生態健康,功能穩定”的最終目標[25,27]。

2.2 北方林區重大生態工程

為改善我國北方林區的生態環境,減少自然災害、維護生存空間,我國政府于1979年規劃了三北防護林體系工程。對三北防護林工程區內的氣候變化分析發現,過去幾十年該區氣候呈暖干化的趨勢,且未來也將延續這種趨勢[28]。三北防護林工程的生態系統功能集中于治理沙化土地、抵御風沙侵蝕、保護農田和恢復牧場等[8],間接功能則包括固碳釋氧[29]、涵養水源[30]、防風固沙[31]等。在氣候暖干化背景下,三北防護林工程區將面臨干旱面積擴大、荒漠化程度加劇、區域植被逆向演替以及現存防護林在氣候變化的干擾下衰退的風險。葉佳琦等研究發現,三北防護林工程區域的草地、濕地、森林生境對氣候變化存在顯著的響應差異,氣候暖干化對森林和濕地的植被覆蓋狀況有明顯促進作用,草原比濕地和森林對暖干化氣候的響應更為強烈[32]

通過比較2000年和2012年的植被覆蓋度數據,Tian發現三北防護林有效改善了內蒙古的植被恢復,在15.38%的植被顯著增加區域中,氣候變化和生態工程建設兩種因素發揮的作用各占一半,而在1.64%的植被顯著退化區域中,極少部分由氣候變化引起,多數由人口增長、城市擴張等因素引起[33]；通過對近40年來中國林業生態工程對森林生態系統功能影響的分析表明,相對于其它工程,三北防護林工程實施歷史長,工程區內森林生態系統結構和功能相對完整,對于凈化大氣環境、固碳釋氧、緩沖氣候變化影響等方面發揮了積極的作用[34]。氣候變化將導致工程區脈動式降水的頻率和和強度發生變化,使得群落中各功能群達到生物量峰值的時間發生改變。氣候暖干化增加了河流、湖泊的水體蒸發量,降低了水源涵養量和河流徑流量,減少了水資源的有效性,進而導致部分工程區極端氣候頻發,樹木大面積死亡,對工程區植物群落和生態功能產生不利影響[35]。

受氣候變化導致的年均降水量降低,干旱影響可能增強[36],三北防護林部分區域出現廣分布、大面積、多樹種的明顯衰退跡象[37],地方大量開采地下水造成水位下降也加劇了林分退化速度[38],甚至出現大面積枯死現象,還有些區域樹種長成“小老頭樹”[39]。出現“小老頭樹”是因為西北大部分地區適合草灌類植被生長,而三北防護林都是以喬木為主(例如楊樹和云杉),喬木的生長需要大量的水分,造林會減少土壤含水量,地下水位降低,使局部地區荒漠化更加嚴重[40]。有些地區造林并未考慮地理地帶性差異,致使造林成本較高、成活率低和維護困難,許多地方造林不見林[41],這在一定程度上違背了生態適宜的原則；同時三北地區防護林建設存在樹種單一、造林密度偏大、多樣性較低的問題,致使防護林受到病蟲害感染的風險極高[42]。在氣候暖干化的背景下,這些不利影響可能會進一步被放大,影響三北防護林生態效益的充分發揮。

總體上,三北防護林對生態環境的保護具有積極的效果,該區氣候變化被認為有暖干化與暖濕化兩種趨勢,暖濕化對于三北工程部分地區植被覆蓋增加與固碳釋氧、防風固沙、凈化大氣等生態功能具有正面效應。氣候的暖干化則不利于三北防護林工程,水分的減少會造成林分退化、植被死亡,進而影響植被群落、生態功能和生態系統服務,而城市擴張、地下水開采和工程管理不善等人類因素又加劇了這一狀況。

2.3 風沙治理重大生態工程

我國北方是重要的生態安全屏障,具有十分重要的戰略地位,但由于人為活動導致的土壤風蝕加劇,土地生產力下降,沙塵暴頻發,嚴重威脅了當地及周邊居民的生產和生活。為減少中國北方風沙天氣,改善和優化周邊地區的生態環境狀況,有效固土防沙,我國政府于2000年啟動了京津風沙源治理工程,這是中國抗擊風沙的重要生態工程。

自工程實施已來,京津風沙源區的中部和西部縣、市(旗)的植被覆蓋度有不同程度的降低[43],該區東部、中部和南部地區植被蓋度變高、降水有所增加、風場強度相對變小[44]。沙化土地動態分析顯示,在2000—2010年,京津風沙源治理工程區沙化面積總體上先減少后增加,相比2000年,2015年京津風沙源區有51%的區域植被覆蓋度增加,49%區域植被覆蓋度未變或降低。覆蓋度未變或降低區域主要集中在京津風沙源區的中部和西部縣、市(旗),其中降水變化是決定京津風沙源區植被生長狀況重要因子[45]。渾善達克沙地在1994—2001年,沙地退化主要驅動力為氣候變化和放牧強度,濕地萎縮主要受降雨變化的影響,2001—2014年,沙地植被逐漸恢復,這一階段濕地的退化主要受風速增加、溫度升高等自然因素和人為放牧等因素共同影響[46]。近50 年來,京津風沙源治理工程區沙塵暴發生頻次呈顯著下降的趨勢,風速和相對濕度的變化是影響沙塵暴減少的最重要氣象因子。近30 年來,沙塵暴變化主要受到植被覆蓋與相對濕度的影響,貢獻率分別為32.7%和44.5%[10]。

在京津風沙源區,人工草地種植能最大程度的增加群落的地上生物量,快速恢復草地生產功能,但群落地下生物量大幅下降,降低了群落總生物量,造成草地生物質碳庫流失,并顯著降低了植物群落的物種多樣性。長期圍封禁牧措施對草地物種多樣性的抑制作用相對較小,但長期的工程干預很有可能對工程區的植物群落物種多樣性造成負面影響[47],在氣候變化條件下,這種不利影響可能會被進一步放大。自2000年以來,京津風沙源區內NDVI呈增加趨勢,NDVI下降區域主要集中在沙源區西南至東北條帶上,干旱是NDVI下降的主要原因。其中2007年和2009年的夏季干旱造成NDVI分別減少了約13.06%和23.55%,抵消了生態恢復措施的積極效應。京津風沙源治理工程一期(2001—2010年)凈固碳量為63.75—64.38 Tg C,年均凈固碳量為6.38—6.44 Tg C[48]。

總體來說,京津風沙源治理工程區整體生態狀況趨于好轉,一系列生態工程的實施對于恢復自然植被和提升生態系統防風固沙服務起到了積極作用[44]。但也有研究表明,溫度的升高和降水的減少對工程區植被生長有不同程度的負面影響,其中降水量起主導作用,氣溫為次要因素[9,45]。氣候的暖干化會導致地表水減少,人們開采地下水又加劇地表水的萎縮[46],氣候變化與人類活動共同對京津風沙源治理工程的效果產生不利影響。未來需進一步保護植被多樣性,避免種植需水量較多的高大喬木,以低矮植被為主,保護現有的林草植被,順應當地氣候進行生態改良。

3 主要問題與未來發展方向

了解氣候變化對重大生態工程實施的影響及存在問題,有助于科學優化“山水林田湖草”生態保護修復工程的實施方案、保障工程實施效果,確保后續生態工程部署更具科學性和針對性,這不僅是國家重大迫切的需求,也將促進恢復生態學的科學實踐和理論創新。通過氣候變化對三江源生態保護、三北防護林、京津風沙源治理等工程影響研究的梳理,發現目前各項重大生態工程存在以下幾方面的問題。

3.1 主要問題

(1)氣候變化對重大生態工程的影響研究不足

綜觀已有氣候變化與重大生態工程影響的研究發現,大部分研究聚焦于重大生態工程地區的氣候因子變化趨勢[49]、工程的生態效益[50]、工程的氣候效應等方向,小部分關注氣候變化對生態工程影響的研究集中于對區域植被覆蓋度[17]、植被生產力[23]、土壤侵蝕[24]、水體與徑流變化[51]方面,少有涉及對區域生態系統結構、功能、生物多樣性與脆弱性等方面的影響研究。此外,已有文獻中關于氣候變化對多個重大生態工程影響的研究有所偏倚,對三江源生態保護工程的研究數量相對較多,而對其他生態工程的研究則在數量與綜合性上有所欠缺。綜合來看,現有研究難以系統全面闡述氣候變化對重大生態工程的影響,無法滿足多系統、多工程、多時段的關注需求。

另外,由于缺乏針對重大生態工程理論的研究方法,已有研究中多使用常規生態研究方法對工程實施地區進行分析,而忽略了重大生態工程中人類參與的因素,和部分植被具有人工屬性的特點。相對于自然生態系統,重大生態工程對于氣候變化的響應更為敏感,因此已有研究得出的結論有可能存在偏差,面向氣候變化下重大生態工程影響研究的科學理論與技術方法亟待完善。

(2)重大工程缺乏適應氣候變化的理念

氣候暖干化對于生態工程區植被產生了負面影響,而暖濕化則對植被產生了正面影響。氣候變化下熱量資源增加、光能資源充分、山區降水資源充沛的特點對生態工程具正面影響,而干旱加劇、暴雨冰雹增多、霜凍危害加重、大風增多則具負面影響[45]。研究認為三北防護林工程中草場退化與樹木緩慢生長甚至死亡是由于忽視了植被的氣候適應性[52],所有重大生態工程都需開展適應氣候變化的科學研究,但我國在生態保護工程的氣候可行性論證、氣候變化和人為干預作用下區域生態響應與應對技術方面開展的研究工作尚不多,這可能是由于生態工程實施時間早、時間跨度大所導致。以三北防護林工程為例,1978年以來三北防護林工程地區總體呈現暖干化趨勢,其中防護林建設前(1960—1977)為偏冷干期,1978—1995年區域氣溫與降水逐步升高,1996年后表現為顯著暖干趨勢[8]。工程實施早期,氣候變化對生態工程影響不顯著,因此建設中忽視了適應氣候變化的理念,導致了建設工程后期生態系統功能的退化。

(3)缺乏有效區分氣候變化和工程實施效果的評估方法

生態工程下生態系統的退化與恢復的動態過程是氣候變化與人為活動共同作用的結果,目前能夠定量劃分生態工程地區各類植被生產力動態驅動因子的研究仍然比較少見。氣候變化與生態工程實施同時對區域生態系統產生作用,主要表現為相互促進、相互抵消或加速惡化。黃麟等[8]通過分析三北防護林工程區生態系統防風固沙服務量變化評價工程防風固沙效應,認為以風場減弱為主的氣候變化對生態系統防風固沙服務變化起到了主要作用,氣候變化背景下生態工程的正面作用也十分明顯。張寶慶等[53]通過監測黃土高原植被建設成效,認為大規模植被建設措施的實施促進了該地區植被恢復,但也使研究區植被覆蓋對氣候等自然因子的變化敏感度降低。劉鳳和曾永年[54]利用CASA改進模型估算青海高原植被NPP,并探討了不同區域生態保護工程建設的成效,結果表明,氣候與不同生態保護工程的實施對區域NPP時空格局及變化趨勢存在不同程度的影響。已有研究多利用遙感圖像提取植被覆蓋度數據,評估的生態系統要素主要是植被面積與覆蓋度,利用生態模型或統計學方法分離氣候與人類活動的影響,這些方法缺乏基礎的理論指導,實踐效果也可能存在較大的偏差,這是由于氣候變化的復雜性與生態系統功能的多樣性所共同決定的。而科學區分氣候變化和生態工程的影響,對于準確評估生態工程的作用至關重要,因此亟待發展氣候變化和工程實施效果的評估理論與方法,以支持“山水林田湖草”生態保護修復工程等重大生態工程建設實施。

(4)缺乏氣候變化未來風險預估,無法進行規劃適應

三北防護林工程、京津風沙源治理工程覆蓋的北方地區,大部分屬于我國干旱半干旱區,受氣候因子尤其是水分因子的影響大,生態環境脆弱,為氣候變化高風險區域。針對各重大生態工程,已有一些研究對工程地區的未來氣候變化趨勢進行了模擬和分析,但是對未來氣候變化下生態系統脆弱性與風險的研究依然比較少。而各類以適應氣候變化為目的的管理行動,被認為可以有效減少氣候變化對陸地生態系統造成的不利影響,降低氣候變化風險,提高生態系統及其物種適應氣候變化的能力[55]。由于缺乏對氣候變化未來風險的分析,難以評價未來重大生態工程中生態系統面臨的風險與管理措施對生態系統恢復的績效,無法為決策者提供進行規劃適應的理論依據。

3.2 未來發展方向

中國自然條件復雜多樣,生態脆弱區(如農牧交錯帶、江河源區、石漠化山區等)面積較大,生態與環境的惡化成為一些地區可持續發展的障礙,正在實施的“山水林田湖草”生態保護修復工程主要位于我國的重要生態功能區和生態脆弱區,而這些地區多是氣候變化的敏感區,氣候變化和極端事件可能會進一步加劇生態環境的脆弱性,降低重大工程的實施效果。在這些地區實施重大生態建設工程,我國仍缺乏成熟的經驗可供遵循,氣候變化將使這一問題更為復雜。針對“山水林田湖草”生態保護修復工程實施過程中可能面臨的一些問題,本文主要提出了以下幾點建議。

(1)充分考慮地理地帶性差異

有些地區的生態工程可能未考慮地理地帶性差異,將造成局部地區生態環境更為惡化。只有尊重地帶性差異,才能有效提高生態系統功能。在適合森林生長區種植同時具有生態效益和經濟效益的混交林,加強已有的森林管護,對密度過大的林分進行撫育復壯,合理布局生態保護工程。在干旱半干旱區適宜灌木生長地區種植灌木,采用斑塊狀的種植方式,有利于集結降水和提高降水捕獲率,并且優勢灌木對深層土壤水或地下水有向上提升的作用,從而可以有效恢復土壤生境,實現其生態恢復[56]。另外,引水工程計劃需要十分謹慎,不適宜的調水將破壞天然植被,加重土壤次生鹽堿化。“山水林田湖草”生態保護修復工程實施要符合自然植被的空間分布規律,充分尊重自然規律、尊重地理地帶性、尊重“山水林田湖草”生命共同體理念,堅持宜林則林、宜灌則灌、宜草則草的近自然恢復原則,提高生態系統功能,實現生態效益和經濟效益相統一。

(2)將氣候變化因素納入工程設計和實施過程中

在“山水林田湖草”生態保護修復工程實施過程中要充分考慮氣候變化風險,特別是氣候變化對生態系統結構和功能,以及適宜分布區的影響,提前采取有效應對措施。如,在三江源地區,氣候變化以暖濕為主,降水量的增加在促進植被生長的同時,也造成了降雨侵蝕力的明顯提高,而土壤侵蝕敏感性的提高,使得土壤水蝕量有所增加,所以在實施工程時應該有科學的規劃部署[2]；在全球變暖背景下,氣溫升高從短期來看會顯著促進部分地區有機碳的固定,而從長期來看,氣溫的增加會增強土壤有機質的分解,完全抵消掉植物生長的固碳量。降水量的增加降低了土壤透氣性、減緩了土壤有機質的分解,促進了有機碳的截獲,但是過多的降水可能會引起土壤水蝕量的增加,從而減少有機碳的積累[57]。所以將氣候變化因素納入生態工程的規劃和設計中,制定與氣候變化變化相適宜的實施辦法,在實現生態效益最大化的同時,也可以增加生態工程的固碳能力。

(3)建立穩定的生態綜合監測評估機制

“山水林田湖草”重大生態保護與修復工程應大力加強生態工程監測機制的建設,特別是加強氣候變化影響的監測。因為目前的生態工程監測尚未達到天、空、地一體化綜合實施,也沒能夠建立穩定的運行機制,針對氣候變化的影響未被囊括在監測項目中,導致生態工程的評價缺乏針對性和系統性,難以全面實現工程規劃之初設定的目標,難以從格局、質量、服務等方面反映生態系統變化,難以區分氣候變化和生態建設工程對生態系統的影響,使得工程效果無法被合理評估。在“山水林田湖草”生態保護修復工程的實施過程中,應構建全面、長期、動態的生態系統監測體系,科學評估工程的效果和氣候變化的貢獻,這對于工程規劃、調整和實施具有非常重要的意義。

(4)構建基于氣候變化的科學工程評價體系

要積極探索“山水林田湖草”重大生態工程實施效果的綜合科學評價體系,把氣候因素納入到工程評價體系當中,明確氣候變化對生態系統工程的促進或阻礙作用,從而更好地判斷工程和氣候變化在生態系統恢復中的貢獻率。發展具有特色和針對性的生態保護和建設的評價方法,科學合理地部署生態建設工程,客觀地評估工程實施所產生的生態成效,以及氣候變化對生態保護工程效果的作用,為“山水林田湖草”生態保護修復工程的有效實施提供保障。