中國退耕還林還草對生態系統服務權衡與協同的影響

黃 麟,祝 萍,曹 巍

中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101

生態系統為人類提供支持、調節、供給、文化等多種服務。近百年,劇烈的土地利用與土地覆蓋變化改變了陸地生態系統的格局、過程、功能,導致生態系統服務及其相互關系的極大變化。生態系統服務以多種復雜方式相互作用,此消彼長的權衡、相互增益的協同是生態系統服務之間的典型關系[1- 4]。權衡通常出現在供給與調節服務之間[5]或兩種調節服務之間[6-7]。探討生態系統服務的時空動態及其相互關系,分析其類型特征、響應速率、時空格局、區域差異和驅動機制等[8-9],是可持續性研究領域的緊迫問題,可為土地利用決策和區域生態系統管理提供理論依據[10-11],通過增強協同效應、削弱權衡效應[8]實現生態系統服務利益最大化具有重要意義。然而,目前關于生態系統服務相互作用、相互聯系的機理研究及尺度效應尚不明確,仍不足以支持當前的土地利用決策,生態系統服務權衡與協同關系的時空動態變化特征及驅動機制有待深入研究[4,9,12]。

生態修復工程對生態系統服務相互關系的影響是近年來的研究焦點。覆蓋范圍最廣、影響人數最多的退耕還林還草工程,通過提供現金和糧食補貼在耕地上造林、種草,以增加植被覆蓋、控制水土流失、改善農民生計[13-14]。正如預期,工程在增加植被覆蓋度與碳蓄積[15-17]、控制土壤侵蝕[18-19]、增加季節產水量[11]、減少河流年輸沙量[20]、促進非農就業[21-22]等方面發揮了重要作用。然而,局部研究也得出工程對其他生態系統服務產生不利影響,比如導致耕地面積減少、威脅糧食安全[23-25]、加劇社會不平等[26],加劇黃土高原缺水并影響水沙關系[27],對西北土壤肥力和植被覆蓋不利[28],導致四川的生物多樣性損失和天然林損毀[29]。因此,退耕還林還草工程雖然提升了部分關鍵生態系統功能,卻造成了生產和生態用地之間的潛在沖突,改變了生態系統服務之間的相互作用[30],降低了生態系統服務協同效應,使其對生態系統服務及其相互關系的影響存在爭議[11]。

退耕還林還草增加了調節服務、減少了供給服務,可能加劇糧食生產與生態保護之間的權衡[23-25]。工程規劃了退耕還林還草目標,但是,尚不清楚哪種方式能更好地增加生態系統服務的提供、同時最大限度地減少生態系統服務的權衡[11]。迄今為止,針對退耕還林還草影響生態系統服務之間關系的研究集中在黃土高原、云貴高原等區域,然而較少關注其時空尺度變化[1,31]。已有研究表明,退耕還林導致黃土高原植被覆蓋與產流、土壤含水量的權衡[23],土壤含水量與林下植物多樣性之間的權衡最高,且沿降水梯度、隨林齡增加而變化[32]。碳固定、土壤保持和水文調節服務之間的關系不僅是權衡或協同,還有約束效應,其中降水供給是關鍵制約因素[31]。最大限度地減少生態系統碳與水服務之間不必要的權衡,被認為是促進黃土高原可持續發展的必要條件[33]。因此,考慮各類生態系統服務相關關系進而制定優化的退耕還林還草空間規劃及相應方案,以提高生態修復效果、減少負面影響[11]。

可持續發展目標下,我們面臨著保障糧食供給的同時減弱其對生態環境負面影響的挑戰。退耕還林還草一期工程始于1999年,并于2014年啟動新一輪工程,林草植被恢復同時具有正、負效應,對于權衡綠色生態空間和糧食生產空間的土地利用與管理優化帶來更大的挑戰[11,25,30]。本研究擬解決以下問題：(1)退耕還林還草地塊上生態系統調節或支持功能是否有所提升？(2)退耕還林還草工程對工程縣域的糧食供給服務有何影響？(3)哪些區域的工程縣域糧食供給損失最小、調節服務收益最大？通過量化生態系統水源涵養、土壤保持、防風固沙和糧食生產,分析成對的生態系統服務之間的權衡與協同關系及其影響因素,明確協同高、權衡低的退耕還林還草最佳目標縣域,探索哪些區域存在突出的權衡問題,對于退耕還林還草工程的持續滾動實施、從空間角度提出平衡綠色和糧食的土地利用方案,具有極為重要的科學意義。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

以實施退耕還林還草一期工程的1897個縣域作為工程區邊界,縣域尺度生態系統變化反映氣候變化背景下人類活動特別是生態修復工程的綜合影響,難以拆解出具體某個工程的作用。因此,本研究基于中國科學院土地利用與土地覆被變化數據庫,提取縣域內2000—2015年耕地轉變為林地和草地的空間范圍作為退耕還林還草工程地塊,統計分析地塊上的水源涵養、土壤保持、防風固沙功能指標變化,理論上可認為是退耕還林還草工程導致的地塊變化。此外,由于工程必然導致地塊上糧食產量歸零,因此糧食供給服務以工程縣域為研究單元,分析工程對縣域糧食供給服務的影響。工程縣域按地理位置和地形地貌分為西南高山峽谷、川渝鄂湘山地丘陵、長江中下游低山丘陵、云貴高原、瓊桂丘陵山地、新疆干旱荒漠、黃土丘陵溝壑、華北干旱半干旱、東北山地及沙地9個區域。

1.2 核心生態系統功能估算

1.2.1糧食供給

工程縣域的糧食供給以糧食產量統計數據為基礎,統計數據源于2000—2015年《中國縣域統計年鑒》,空間上根據歸一化植被指數(NDVI)的時空分布特征將糧食產量分配至縣域耕地地塊得到糧食供給空間分布。首先,基于2000—2015年1 km空間分辨率、16 天時間分辨率的MODIS-NDVI數據,通過格式轉換、重投影、拼接、重采樣和S-G濾波處理,采用最大合成法得到連續時間序列的年最大NDVI數據,然后疊加縣域耕地分布得到耕地年最大NDVI空間分布,最后依據NDVI值高低將縣域糧食產量分配到每個柵格[34]。

1.2.2土壤保持

利用土壤保持量(SC,單位：t/hm2)衡量生態系統減少降水導致土壤侵蝕的能力,表征植被作用引起的水蝕減少量,即實際地表覆蓋條件下(Msc)與極度退化狀態下土壤水蝕量(Msce)的差值。采用修正通用水土流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)估算地塊尺度土壤水蝕模數：

SC=Msc-Msce

(1)

Msc=R×K×L×S×C×P

(2)

式中,R是降雨侵蝕力因子,采用基于日降雨量資料的半月降雨侵蝕力模型[35]來估算；K為土壤可蝕性因子,采用Nomo圖法計算；L是坡長因子,S是坡度因子,基于McCool等[36]和Liu等[35,37]的方法計算；C是覆蓋和管理因子,依據蔡崇法等[38]的方法計算；P為水土保持措施因子。

K=[2.1×10-4(12-OM)Ms1.14+3.25(St-2)+2.5(Pd-3)]/100×0.1317

(3)

式中,OM為土壤有機質含量百分比(%),Ms為土壤顆粒級配參數,即粉粒、極細砂與粘粒百分比之積,St為土壤結構系數,Pd為滲透等級,土壤屬性數據源于1∶100萬中國土壤數據庫。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,λ為坡長(m),θ為坡度,計算L時把道路、河流、溝塘湖泊等地表要素作為徑流的阻隔因素,改進傳統算法中通過相鄰柵格間的坡向以及坡度變化率確定坡長終止點的方法,避免坡長因子的高估。f為植被覆蓋度,利用NDVI數據和像元二分法計算得到。

1.2.3防風固沙

利用防風固沙量(SF,單位：t/hm2)衡量生態系統削弱風力、降低風蝕量的能力,表征植被作用引起的風蝕減少量,即實際地表覆蓋條件下(Msc)與極度退化狀態下(Msce)土壤風蝕量的差值。在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表土壤的粗糙度、土壤可蝕性、土壤結皮的情況下,利用修正土壤風蝕方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)估算地塊尺度土壤風蝕模數[39,40]。

SF=Msf-Msfe

(8)

(9)

式中,Qx表示x處的沙通量(kg/m),x表示地塊長度,Qmax表示風力的最大輸沙能力(kg/m),s表示關鍵地塊長度(m)。

Qmax=109.8(WF×EF×SCF×K′×COG)

(10)

式中,WF表示氣象因子；EF表示土壤可蝕性成分因子；SCF表示土壤結皮因子；K′表示土壤糙度因子,反映地表抗風蝕能力,即地表對風速減弱作用及對風沙活動的影響,其大小取決于地表粗糙元的性質,通過文獻參數整理得到不同地表類型的土壤糙度因子值；COG表示植被因子,是枯萎植被、直立殘茬和生長植被覆蓋的土壤流失比率的乘積。

(11)

(12)

(13)

式中,WS2為2 m處風速(m/s),WSt為2 m處臨界風速；N為風速觀測次數；Nd為試驗天數；ρ為空氣密度(kg/m3),g為重力加速度(m/s2)；SW為無量綱的土壤濕度因子；SD為雪覆蓋因子,即計算時段內積雪覆蓋深度大于25.4 mm的概率。Sa為土壤砂粒含量,Si為土壤粉砂含量,Cl為土壤粘土含量,OM為有機質含量,CaCO3為碳酸鈣含量。

1.2.4水源涵養

利用降水貯存量法計算森林、草地生態系統水源涵養量(WR,單位：m3),以生態系統水文調節效應衡量其涵養水分的能力,即與裸地相比涵養水分的增量[41]。

WR=A×J×Re

(14)

J=J0×K

(15)

Re=R0-Rr

(16)

式中,A為森林、草地和濕地生態系統面積(hm2),J為產流降水量(mm),J0為年降水量(mm),K為產流降水量占降水總量的比例,Re為與裸地相比,生態系統減少徑流的效益系數,R0為產流降水條件下裸地降水徑流率,Rr為產流降水條件下生態系統降水徑流率。通過搜集已發表文獻的實測降雨產流臨界值,以臨近國家氣象臺站實測日降水數據修正同時期的TRMM逐日3 小時降水量數據,累積單次降雨量大于降雨產流臨界值的數值得到單點產流降雨量占降雨總量的比例,再與多年平均河川徑流系數建立線性關系,得到K值空間分布,同時利用坡面徑流實測數據確定了生態系統與裸地相比減少徑流的效益系數。

1.3 生態系統服務權衡與協同關系分析

利用最小二乘法分析2000—2015年退耕還林還草工程縣域糧食供給以及工程地塊上土壤保持、水源涵養、防風固沙的年際變化趨勢。

(17)

式中,Slp為年際變化率,Xi為第i年的功能量,i=1,2,…,n。年際變化率反映2000—2015年某像元的總體變化趨勢,斜率為正表示年際變化趨勢增加,反之則為降低。

生態系統服務權衡與協同關系研究多基于相關分析、聚類分析、極值法、情景分析、圖形比較和模型模擬等方法[4,42],從定性分析、區域差異、尺度特征、情景模擬預測、動態變化及其應用等方面[43],開展時間權衡、空間權衡、可逆權衡及多種服務之間的權衡[44]。通過空間疊置分析,基于逐像元空間自相關分析方法,探討兩種服務間相關系數的絕對值大小及正負方向,判斷兩兩生態系統服務權衡與協同關系。

首先,計算兩類生態系統服務之間的相關系數、一階偏相關系數和二階偏相關系數。

相關系數計算公式如下：

(18)

一階偏相關系數計算公式如下：

(19)

式中,rij·h表示在變量i和j控制變量h后的一階偏相關系數,rij、rih、rjh分別為兩個變量的相關系數。

二階偏相關系數計算公式如下：

(20)

式中,rij·hm表示在變量i和j控制變量h和m后的二階偏相關系數,rij·h、rim·h、rjm·h分別為兩個變量的一階偏相關系數。

如果二階偏相關系數為正,表明在排除另外兩個服務的影響下,這兩個生態系統服務之間為協同關系；相關系數為負,則為權衡關系；相關系數為零,則表明無相關關系。

根據偏相關系數的零假設檢驗t檢驗方法,判斷兩兩之間相互關系的顯著性,公式如下：

(21)

式中,r是對應的偏相關系數,n是樣本觀測數,k是可控制變量數,n-k-2是自由度,當t>t0.05(n-k-2)時即P<0.05,拒絕原假設,相關性結果顯著,當t>t0.01(n-k-2)時即P<0.01,拒絕原假設,相關性結果極顯著。t0.05(n-k-2)和t0.01(n-k2)查閱t檢驗表確定。

2 結果與分析

2.1 退耕還林還草對核心生態系統功能的影響

2000—2015年,我國退耕還林還草地塊的土壤保持量與水源涵養量均上升,而防風固沙量則下降(圖1)。過去16年,地塊土壤保持功能以增強為主,38%工程縣域無變化,46%工程縣域的地塊土壤保持量增加,其中14%增勢顯著,主要分布在黃土高原、秦巴山地；約16%工程縣域的地塊土壤保持量下降,主要在云南省和湖北省。49%工程縣域的地塊水源涵養量增加,其中僅約3%增勢顯著；約10%工程縣域的地塊水源涵養量下降,主要在新疆、湖南、湖北等省域。風蝕區515個工程縣域中,26%工程縣域的地塊防風固沙量下降,其中約46%降勢顯著；僅約2%工程縣域的地塊防風固沙量增加。工程縣域糧食供給以增加為主,76%工程縣域有所增加,其中16%增勢顯著,約19%工程縣域則下降。

圖1 2000—2015年退耕還林還草地塊土壤保持、水源涵養、防風固沙變化與工程縣域糧食供給變化空間分布Fig.1 Spatial variation patterns of soil conservation, water regulation, sand fixation in the GFGP plots, and food provision in the GFGP counties from 2000 to 2015

不同區域比較(圖2),多年平均土壤保持量最高值在西南高山峽谷區(172.2 t hm-2a-1),最低值在華北干旱半干旱區(8.2 t hm-2a-1),其年際增加趨勢在黃土丘陵溝壑區(2.7 t hm-2a-1)極為顯著,在長江中下游低山丘陵區、瓊桂丘陵山地區、華北干旱半干旱區、東北山地及沙地區增勢緩慢,在西南高山峽谷區、云貴高原區、新疆干旱荒漠區呈現遞減趨勢。多年平均水源涵養量最高值在瓊桂丘陵山地區(22.7 m3hm-2a-1),最低值在華北干旱半干旱區(2.0 m3hm-2a-1),各區域均呈增加態勢,特別是瓊桂丘陵山地區(0.34 m3hm-2a-1)、云貴高原區(0.29 m3hm-2a-1),而新疆干旱荒漠區、華北干旱半干旱區的增勢緩慢且波動較大。多年平均防風固沙量最高值在新疆干旱荒漠區(40.7 t hm-2a-1),最低值在黃土丘陵溝壑區(8.63 t hm-2a-1),各區域均呈波動減少態勢,特別是新疆干旱荒漠區(3.75 t hm-2a-1)。

2.2 退耕還林還草地塊生態系統服務權衡與協同關系

從兩兩相關關系來看(圖3),約28%工程縣域糧食供給與地塊水源涵養之間呈現顯著相關性,其中86%工程縣域為顯著協同關系(55%極顯著),14%為顯著空間權衡關系。約21%工程縣域糧食供給與地塊土壤保持之間呈現顯著相關性,其中87%工程縣域為顯著協同關系(50%極顯著),13%為顯著空間權衡關系。風蝕區515個工程縣域中,約44%工程縣域糧食供給與地塊防風固沙之間呈現顯著相關性,其中87%工程縣域為顯著權衡關系(34%極顯著),13%為顯著空間協同關系。通過空間疊置分析,約31%工程縣域為多重生態系統服務供給區,其中43%(292個縣域)為雙重生態系統服務供給區,53%(357個縣域)為三重生態系統服務供給區,約4%(31個縣域)為四重生態系統服務供給區。

2.3 退耕還林還草影響生態系統服務權衡與協同關系的時空分異特征

不同區域生態系統供給與調節服務的相關關系差異明顯(圖4)。退耕還林還草導致工程縣域糧食供給與地塊土壤保持的相關關系呈現4種變化趨勢：1)西南高山峽谷區、川渝鄂湘山地丘陵區、云貴高原區、新疆干旱荒漠區由權衡轉變為協同；2)長江中下游低山丘陵區、華北干旱半干旱區的權衡關系輕微地減弱；3)黃土丘陵溝壑區、東北山地及沙地區的權衡增強；4)瓊桂丘陵山地區是相互增益的協同關系增強。從波動幅度和離散程度來看,新疆干旱荒漠區、西南高山峽谷區、川渝鄂湘山地丘陵區、云貴高原區均大于其他區域。

退耕還林還草導致工程縣域糧食供給與地塊水源涵養的相關關系呈現5種變化趨勢：1)西南高山峽谷區、川渝鄂湘山地丘陵區、瓊桂丘陵山地區的權衡減弱并趨向協同；2)長江中下游低山丘陵區的極顯著權衡減弱；3)云貴高原區的權衡增強；4)新疆干旱荒漠區、華北干旱半干旱區的極顯著協同減弱；5)黃土丘陵溝壑區、東北山地及沙地區從協同變為權衡而近幾年又趨于協同。

退耕還林還草導致工程縣域糧食供給與地塊防風固沙的相關關系呈現3種變化趨勢：1)新疆干旱荒漠區、東北山地及沙地區從權衡轉變為協同；2)黃土丘陵溝壑區從協同轉變為權衡；3)華北干旱半干旱區的相關關系在協同與權衡之間波動。

圖4 2000—2015年不同區域退耕還林還草地塊生態系統服務權衡與協同關系的年際變化Fig.4 The temporal changes of pairwise ecosystem services in the GFGP plots in different regions from 2000 to 2015

3 討論

退耕還林還草工程增加了對于生態系統調節功能提高至關重要的林地、草地,使得退耕還林還草地塊上糧食供給服務呈現不同程度減少[26,45],也使得這些地塊上供給與調節服務之間呈現極顯著權衡關系。然而,由于實施工程的耕地地塊多屬于水土流失、沙化、鹽堿化、石漠化嚴重并且糧食產量低而不穩的陡坡耕地[46],因此,從縣域尺度糧食供給變化來看,約80%工程縣域糧食供給增加,80%以上縣域的糧食供給與地塊水源涵養、土壤保持服務之間表現為顯著協同關系,說明大部分工程縣域能夠提供多重生態系統服務。

不同于水源涵養、土壤保持的上升趨勢及其與供給服務之間的協同關系,風蝕區防風固沙下降的工程縣域數量遠高于上升的縣域,約38%工程縣域糧食供給與地塊防風固沙之間呈現顯著權衡關系,僅6%為顯著協同關系。分析原因發現,近16年風場強度減弱特別是沙塵天氣易發生的春季風場強度減弱,以及對北方防風固沙服務最重要的草地和沙地植被恢復,是北方土壤風蝕量下降的重要原因[46]。通過與極度退化土地風蝕量對比得到的防風固沙量,其大小取決于不同生態系統類型土壤風蝕量變化的相對大小。雖然,春季植被蓋度變化與防風固沙量呈顯著正相關,然而,中度及以上植被覆蓋增加的區域呈現植被覆蓋變化與防風固沙能力的正相關關系,中度以下植被覆蓋度變化程度與防風固沙能力則呈現負相關[48-49]。因此,植被覆蓋好轉并不意味著防風固沙功能提升。

當然,北方風蝕區退耕還林還草地塊防風固沙功能下降進一步反映了干旱半干旱區開展不同生態修復措施的生態效應存在爭議,退耕還林、退耕還草、封育/封禁等都會產生差異效果[28],生態修復需遵循“宜草則草、宜荒則荒、宜林則林”原則,以及多重服務權衡與協同關系評價的重要性。本文利用逐像元空間自相關分析來說明兩兩生態系統服務之間的關系,然而,多個生態系統服務權衡的檢測仍然是有限的,很少考慮聯合權衡,一個最優的、多目標的生態系統管理必須最大限度地提高協同、盡量減少權衡。因此,還需要綜合考慮氣候調節、木材和纖維、基因和生物資源、病蟲害調控乃至文化服務等,在空間上對多個服務進行綜合評價及權衡,為區域生態修復與管理提供決策支持[11]。

對于表現為權衡關系的區域,長江中下游低山丘陵區、云貴高原區部分工程縣域退耕還林還草地塊的調節和供給服務均有不同程度的削弱,此類區域成為水源涵養、防風固沙、土壤保持、糧食供給的低值中心,同時也加大了糧食供給與生態需求的矛盾,此為造成權衡程度較高的原因之一,也由此說明退耕還林還草工程的區域適宜性和可持續性是工程持續開展必須考慮的重要因素。而對于表現為協同關系的區域,即使近年已經取得了多重生態成效,未來仍需加強生態修復與管理。

4 結論

退耕還林還草工程實施近十幾年,工程縣域糧食供給與退耕還林還草地塊的土壤保持、水源涵養、防風固沙之間權衡與協同關系的時空變化。工程縣域地塊土壤保持量與水源涵養量均上升,而防風固沙量則下降。土壤保持年際變化在黃土丘陵溝壑區、川渝鄂湘山地丘陵區等區域呈現明顯地波動增加態勢,而在西南高山峽谷區、云貴高原區、新疆干旱荒漠區等區域呈現遞減趨勢。水源涵養服務在各區域均呈現增加態勢,而防風固沙服務在各區域均呈現減少態勢。不同區域退耕還林還草導致糧食供給與土壤保持、水源涵養、防風固沙相關關系呈現差異地變化趨勢。工程縣域糧食供給與地塊防風固沙之間存在著顯著的負相關性,糧食供給與水源涵養之間、糧食供給與土壤保持之間存在著顯著的正相關性。