基于生態系統服務視角的山水林田湖草生態保護與修復
——以洞庭湖流域為例

孔令橋,鄭 華,*,歐陽志云

1 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 2 中國科學院大學, 北京 100049

山水林田湖草是一個生命共同體。山水林田湖草系統理念體現了對生態系統整體性和系統性的尊重,反映了山水林田湖草各生態系統之間的協同性和有機聯系,是生態保護修復的重要理念和指導思想[1]。現有研究對山水林田湖草生命共同體理念的內涵、山水林田湖草整體保護與系統修復方法進行了探索[1- 8],指出山水林田湖草系統保護修復需強調區域生態系統的森林、草地、濕地、河流、湖泊、農田等要素間相互依存、相互制約的關系,通過保護與修復受損生態系統結構、優化區域生態系統格局,維護和增強生態系統服務,以維持生態系統較高的穩定性,最終實現生態系統良好的可持續性[1]。統籌山水林田湖草系統治理需實施以生態系統服務提升為導向的保護修復,以提升生態保護與修復工程的系統性和整體性,確保生態系統健康和可持續發展,保障生態產品和服務的可持續供給[2]。

生態系統服務是指人類從生態系統獲得惠益。生態系統具有水源涵養、土壤保持、防風固沙、洪水調蓄以及保護生物多樣性等服務功能,為支撐經濟社會發展發揮基礎保障作用[9]。森林、草地等生態系統通過其特有的結構,對降水進行截留、滲透、蓄積,并通過蒸散發,實現對水流、水循環的調控,從而實現緩和地表徑流、補充地下水、減緩河流流量的季節波動、滯洪補枯、保證水質等,即水源涵養功能；森林、草地等生態系統還能通過其結構與過程減少由于水蝕所導致的土壤侵蝕作用,即土壤保持功能；濕地生態系統通過暫時蓄積洪峰水量,而后緩慢泄出,削減并滯后洪峰,從而減輕河流水系洪水威脅的作用,實現洪水調蓄功能；同時,農田生態系統還為人類提供糧食和畜牧產品等。在流域尺度統籌考慮流域上下游森林、草地、濕地、農田等生態系統的相互依存關系,以維護重要生態系統服務為核心目標,突出生態系統服務提升和主要生態問題的解決,分析山水林田湖草整體保護和系統修復框架和途徑,從而有效實現山水林田湖草整體保護和系統修復,確保生態產品和服務的持續供給,對維護流域生態安全具有重要意義。

洞庭湖為我國第二大淡水湖,是長江流域重要的調蓄湖泊。洞庭湖流域是長江流域中游的重要子流域之一,生態系統服務極其重要,也是我國重要的農產品提供區域。近年來由于自然災害和人類不合理開發利用等多重因素影響,局部生態系統服務退化嚴重,人與自然矛盾突出,對流域自然生態系統平衡和經濟社會持續發展造成威脅[10]。以洞庭湖流域為例開展山水林田湖草生態保護與修復研究具有較高的典型性和代表性,對維護我國生態安全和經濟社會可持續發展具有重要意義。

本文首先提出基于生態系統服務視角的山水林田湖草系統保護與修復框架,然后以洞庭湖流域為對象,基于該框架開展流域生態安全格局分析,提出山水林田湖草生態保護與修復建議,為流域尺度進行山水林田湖草整體保護和系統修復以協調多種生態系統服務持續有效供給提供可借鑒的思路和途徑。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

洞庭湖流域是長江流域中游重要的子流域之一,總面積約26萬km2,主要包括湖南省、貴州東部、廣西省、湖北省和江西省的部分地區。地貌類型主要有平原、丘陵和山地,生態系統類型多樣,森林、灌叢、草地、濕地、農田和城鎮分別占比43.19%、16.41%、3.92%、3.51%、29.35%和3.37%(圖1)。洞庭湖流域提供了重要的水文調節、洪水調蓄、水質凈化等生態系統調節服務,在維護長江流域生態安全上占據重要地位,同時也是我國重要的農產品提供區域,具備重要的生態系統供給服務功能。

圖1 洞庭湖流域Fig.1 Dongting Lake Basin

1.2 研究方法

通過生態系統服務重要性和生態問題格局分析,明確生態保護重要區域,識別山水林田湖草生態保護與修復的重點區域。

1.2.1生態系統服務評價方法

(1) 生態系統水源涵養功能

水源涵養指一段時間內生態系統保留的水分。根據InVEST模型中的計算方法,使用水量平衡方程進行評估[11]：

式中,TQ為總水源涵養量(m3)；Pi為降雨量(mm)；Rfi為實際地表徑流量(mm)；ETi為實際蒸散發(mm)；Ai為i類生態系統的面積；i為研究區第i類生態系統類型；j為研究區生態系統類型數。地表徑流量使用降雨量乘以地表徑流系數得到[12]。

(2) 生態系統土壤保持功能

土壤保持是指生態系統在一定時期內保留的土壤。它主要與氣候、土壤、地形和植被有關。以土壤保持量作為生態系統土壤保持功能的評價指標,即潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值。采用通用土壤流失方程計算土壤侵蝕量和土壤保持量,主要考慮了降雨、土壤、地形和植被覆蓋對土壤侵蝕以及土壤保持的影響。計算方法如下[13]：

季羨林先生曾經說過：“在歐洲，英國算得上散文、隨筆的大國……法國次之，而德國則頗有遜色[4]。”雖說在季老眼里，法國的散文稍遜于英國，然而當人們談論起近代歐洲哲理性散文時，法國可以算是冠絕一時。錢鐘書曾在《圍城》中說道：“法國人的思想是有名的清楚，他們的文章也明白干凈……[5]”談到法國散文大家，就不得不提蒙田，他一生只寫了一部作品，即世上第一部用法語書寫的散文集《蒙田隨筆》，該著作和培根的《人生論》、帕斯卡爾的《思想錄》，并稱歐洲近代三大哲理散文。

SC=R×K×LS×(1-C)

式中,SC為土壤保持量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；LS為地形因子；C為植被覆蓋因子。

(3) 生態系統固碳功能

碳固定是指陸地生態系統對碳的吸收,從而減緩大氣中二氧化碳的增長速度[14]。通過評估森林、灌叢和草地生態系統的生物碳儲量變化以及陸地生態系統平均年固碳量對生態系統固碳功能進行定量評價。不同生態系統類型的生物碳儲量(BCSin)用以下公式計算：

BCDijm=Bijm×CCi

ACS=(∑BCSit2-∑BCSit1)/(t2-t1)

式中,BCDijm是第m年第j個像元第i類生態系統的生物碳密度。第i類生態系統表示森林、灌叢或草地。BCDijm的單位是C/km2。ARi是每個像元的面積。Bijm(t/km2)是第m年第j個像元第i類生態系統的生物量密度。CCi是第i類生態系統的生物量碳含量,森林和灌叢賦值為0.5,草地賦值為0.45[15]。ACS(TgC/a)是年份t1至年份t2陸地生態系統的平均年碳匯。

(4) 生態系統洪水調蓄功能

洪水調蓄量與暴雨降水量(>50 mm)、地表徑流量和生態系統類型等因素密切相關。洪水調蓄主要通過以下方程計算得到[16]：

式中,FQ為洪水調蓄量(m3)；Pri為暴雨降雨量(mm)；Rri為暴雨徑流量(mm)；Ai為i類生態系統的面積。i為研究區第i類生態系統類型；j為研究區生態系統類型數(包括森林,灌叢,草地和濕地)。

生物多樣性保護功能是生態系統在維持物種、基因多樣性中發揮的作用,采用物種分布模型進行評估。具體評價方法見參考文獻[17]。

1.2.2生態問題空間特征

由于流域生態系統土壤保持功能的退化,洞庭湖流域局部區域面臨著較嚴重的水土流失和石漠化問題。通過分析土壤侵蝕敏感區域和石漠化敏感區域,識別生態敏感脆弱區域。

采用通用水土流失方程評估土壤侵蝕量[13],使用水蝕強度指標評價土壤侵蝕強度。通過石漠化敏感性評估識別容易產生石漠化的區域,評估石漠化對人類活動的敏感程度。具體評價方法見參考文獻[18]。

生態系統退化問題評價方法為：(1)根據森林和灌叢質量來評估森林和灌叢的退化狀況,即評價區域森林或灌叢生物量和同一自然地理帶內未退化的同一類型最大森林或灌叢生物量的比值；(2)根據草地質量來評估草地的退化狀況,即評價區域草地植被覆蓋度和同一自然地理帶內未退化的最大草地植被覆蓋度的比值。

1.2.3生態保護重要性評價方法

以生態系統服務功能量為基礎確定各生態系統服務功能重要性級別,按柵格單元服務功能值大小進行降序排列,分別將累積服務功能量占前50%、50%—75%、75%—90%、90%—100%的柵格單元劃分為極重要、較重要、中等重要、一般地區4個等級,形成各服務功能重要性評價結果。然后進行空間疊加處理：(1)將各單項生態系統服務功能重要性圖層進行空間疊加,形成生態系統服務功能重要性綜合圖層；(2)將各單項生態敏感性圖層進行空間疊加,形成生態敏感性圖層；(3)將生態系統服務功能重要性圖層與生態敏感性圖層進行空間疊加,形成生態保護重要性圖層。

2 結果分析

2.1 生態系統服務視角的山水林田湖草系統保護與修復框架

基于山水林田湖草生命共同體理念,從人類福祉所需的生態系統服務視角,提出了山水林田湖草系統治理框架(圖2)。該框架通過明確生態系統服務需求目標、生態系統服務重要性評估和生態問題識別,構建流域生態安全格局,提出系統保護與修復方案,從而提升生態系統質量、優化生態系統格局,實現森林、灌叢、草地、濕地、農田等生態系統可持續地提供生態系統服務功能,提升人類福祉,最終實現可持續的山水林田湖草生命共同體。

圖2 生態系統服務視角的山水林田湖草生態保護與修復框架Fig.2 Ecological protection and restoration framework of forest, wetland, grassland, and cropland from the perspective of ecosystem services

2.2 洞庭湖流域生態系統服務重要性及生態問題空間特征

2015年,洞庭湖流域生態系統提供的土壤保持總量為132.0億噸,其中,森林生態系統、灌叢生態系統和草地生態系統的土壤保持功能量分別占比71.2%、15.3%和3.8%；洞庭湖流域生態系統提供的水源涵養總量為1218.5億m3,其中,森林生態系統、灌叢生態系統、草地生態系統和濕地生態系統的水源涵養功能量分別占比57.4%、19.3%、4.2%和4.9%；洞庭湖流域生態系統提供的固碳總量為569.7 Tg,其中,森林生態系統、灌叢生態系統和草地生態系統的固碳量分別占比69.4%、20.0%和3.8%；洞庭湖流域生態系統提供的洪水調蓄總量為246.2億m3,其中,森林生態系統、灌叢生態系統、草地生態系統和濕地生態系統的洪水調蓄量分別占比63.2%、24.1%、4.4%和5.6%。

通過生態保護重要性綜合評價,得到洞庭湖流域生態保護重要性格局(圖3)。生態保護極重要區包含生態系統服務功能極重要區域和生態極敏感脆弱區域,總面積為9.23萬km2,占洞庭湖流域總面積的35.24%。其中,洞庭湖流域水源涵養極重要區面積為7.69萬km2,土壤保持極重要區面積為2.80萬km2,生物多樣性保護極重要區面積為2.99萬km2；洞庭湖流域生態極敏感區面積為0.37萬km2。生態保護極重要區對流域生態系統服務功能的貢獻最大：生態保護極重要區土壤保持功能占流域土壤保持服務功能總量的67.9%,極重要區水源涵養功能占流域水源涵養服務功能總量的61.1%,極重要區洪水調蓄功能占流域洪水調蓄服務功能總量的57.5%,極重要區固碳功能占流域固碳功能總量的59.2%。

圖3 洞庭湖流域生態保護重要性評價結果Fig.3 Spatial pattern of importance of ecological conservation in Dongting Lake Basin

生態保護極重要區中森林生態系統面積最大,為6.54萬km2,占比70.85%,灌叢、草地和濕地生態系統分別占比17.60%、3.55%和7.99%。洞庭湖流域生態保護極重要區內森林、灌叢、草地和濕地生態系統提供的生態系統服務功能及比例見表1和圖4。

表1 生態保護極重要區內各類生態系統構成及服務功能供給情況

圖4 生態保護極重要區生態系統提供的服務功能量占流域服務功能總量比例Fig.4 Ratio of ecosystem services provided by forest, shrub, wetland, grassland in the important areas of ecological conservation

2.3 山水林田湖草系統保護與修復布局建議

通過分析洞庭湖流域生態保護重要性格局(圖3),以維護重要生態系統服務功能為目標,洞庭湖流域生態保護的重點區域主要集中分布于：(1)洞庭湖流域西北部和中部山地(張家界中部、恩施東南部、湘西北部、益陽西部、婁底西北部和懷化東部),以水源涵養和土壤保持功能為主要保護目標；(2)洞庭湖流域南部山地(黔東南、邵陽西南部、桂林東北部、永州中部和南部),以生物多樣性保護、土壤保持和水源涵養功能為主要保護目標；(3)洞庭湖流域東部山地(郴州東部、株洲東南部、萍鄉、岳陽東部),以水源涵養和土壤保持功能為主要保護目標；(4)洞庭湖區,以洪水調蓄功能為主要保護目標；(5)通過生態保護極重要區內的生態系統退化問題識別(圖5),發現洞庭湖流域南部和東部的森林和灌叢生態系統存在局部退化問題,主要分布于黔東南、桂林、邵陽、永州、岳陽等地。在以上生態保護極重要區域和生態系統退化區域建議通過系統保護和修復工程優化生態系統格局、維護和提升生態系統質量。具體地,在洞庭湖流域西北部、中部、東部和南部生態功能極重要和生態極敏感脆弱區分布的山地應重點推進退耕還林、減少和修復人類活動破壞(如礦區生態環境修復和農業面源污染治理),通過維護和提升該區域的森林生態系統質量,確保森林生態系統水源涵養、土壤保持、生物多樣性維護等生態功能的持續有效供給；在洞庭湖區,需通過退耕還濕、岸線保護和修復、水環境治理與生態修復等工程,提升岸線生態系統質量、修復和治理湖區水環境,從而維護和提升濕地的生物多樣性和洪水調蓄、水資源供給等生態功能。

圖5 生態保護極重要區的生態系統質量 Fig.5 Ecosystem quality of the important areas of ecological conservation

3 討論

基于山水林田湖草生命共同體理念,以維護和提升人類福祉所需的重要生態系統服務為目標,提出了生態系統服務視角下的山水林田湖草生態保護和系統治理框架。基于該框架,以洞庭湖流域為例,通過流域生態系統格局、生態系統質量狀況分析、流域生態系統服務功能重要性評估和生態問題識別,分析流域生態安全格局。以流域生態系統質量提升和格局優化為途徑,分析了洞庭湖流域生態保護極重要區域和生態系統退化區域的空間特征及可實施的系統保護與修復工程,為提升洞庭湖流域生態系統水源涵養、土壤保持、洪水調蓄和生物多樣性維護等生態功能,實現可持續的山水林田湖草生命共同體提出了系統保護與修復建議。從生態系統服務視角,將森林、灌叢、草地、濕地、農田等生態系統作為一個有機整體,以這個整體系統提供生態系統服務的能力作為衡量生態保護重要性的標準,綜合生態系統服務退化問題空間特征的識別,確定重點保護和修復目標和重點區域,本文構建的山水林田湖草生態保護與修復框架能為流域尺度構建生態安全格局、實現退化生態系統修復[3]提供思路和途徑。通過洞庭湖流域的分析案例為流域山水林田湖草生態保護與修復重要區域的識別提供了可借鑒的指標和定量分析方法。

洞庭湖流域提供了重要的水源涵養、土壤保持、洪水調蓄和生物多樣性保護功能,同時也是我國農產品供給的重要區域,但局部地區面臨著較嚴重的土壤侵蝕問題、生態系統退化和農業面源污染問題。在識別流域生態保護與修復重點區域的基礎上,需實施生態系統格局優化和生態環境質量提升工程,包括進一步加快推進退耕還林還濕工程[19]、實施生物多樣性保護修復和生態功能提升工程[20],同時需綜合考慮流域生態環境與社會經濟發展狀況,關注礦產開發、農業開發等人類活動干擾對生態系統和生態功能的破壞,加強水環境治理和農村生態環境治理、礦區生態修復等。