陜西省生態恢復綜合效益評估

孫澤興,李汶怡,劉嘉敏,曹淑慧,張偉娟,王 浩,*

1 陜西師范大學地理科學與旅游學院,西安 710119

2 福建師范大學馬克思主義學院,福州 350117

我國幅員遼闊,資源豐富,自然環境復雜多樣,區域生態狀況差異顯著。近年來,城市化快速發展,巨大的人口基數及其增長態勢,日益增長的物質需求,高速增長的經濟總量,對生態環境形成巨大壓力,人地矛盾幾乎無處不在,廣泛的資源開發及全球變化更加劇了這種沖突,并最終導致不同區域內呈現出了諸如植被退化、水土流失、生物多樣性喪失等不同類型及不同程度的生態問題[1—3]。生態恢復不僅是扭轉由人類活動引起的生態環境退化和生物多樣性損失,并保證生態系統服務等生態資源可持續供給的一項主要戰略措施,更是幫助退化、受損或毀壞的生態系統恢復正常功能的過程[4]。為了有效治理我國的生態環境,恢復自然資源,20世紀90年代以來,我國針對相關生態問題開展了三北防護林、退耕還林還草、退牧還草、京津風沙源治理和天然林保護等一系列的重大生態恢復工程[5—7]?？傮w來說,目前的生態恢復工程取得了顯著成效,不同生態問題得到了有效改善,相應生態資源得到了極大恢復[8—10]。但如何更為全面的評估生態恢復效果,不同區域內如何更好的因地制宜繼續開展生態恢復工作,仍是目前相關研究的熱點內容之一。

針對生態恢復效益評估,眾多學者從不同角度開展了大量研究[11—13]。Wang等基于植被凈初級生產力指標,分析了我國5大脆弱生態區生態恢復效果。劉國彬等圍繞黃土高原水土流失問題,選取土壤侵蝕相關參數對黃土高原生態恢復成效進行研究。吳丹等以京津風沙治理工程為研究對象,針對研究區防風固沙服務,評估了相關生態工程的實施效果。這些涉及不同地區、不同對象的生態恢復效益研究,有利于明晰各個區域的生態恢復狀況,并為生態恢復工程的進一步實施和生態系統管理提供決策依據。然而,大部分研究在評估過程中沒有形成系統的理論框架,其選取的指標往往相對單一,常常僅側重于某一個領域,無法形成對研究區生態恢復效益的綜合性評價與整體認知[14—16]。因此,針對區域生態恢復效益評估,構建一套系統、全面的綜合效益評估框架,對于實現區域內生態恢復效果的科學認識和生態恢復措施的進一步實施調整具有現實意義。陜西省地處我國內陸腹地,黃河流域中游,橫跨中溫帶、暖溫帶及北亞熱帶3個氣候帶,省內高原、山地、平原和盆地錯落分布,其自然環境復雜、生態資源豐富[17]。長久以來,由于人口增加,城鎮擴張和林、牧業利用等人類活動的持續影響,該區域植被破壞嚴重、土壤侵蝕強烈、生物多樣性持續降低。為應對和解決相關環境問題,陜西省范圍內接連實施了以退耕還林、天然林保護等為代表的一系列生態工程和恢復措施,并取得了較好的成效[17—19]。復雜的人類活動對區域內生態環境的時空分布格局造成了顯著影響,然而在作為生態工程重點實施區域的陜西地區,從區域尺度上對陜西省生態恢復的綜合效益進行評估總結的研究仍相對有限[20—23]。因此,以陜西省為研究區,開展生態恢復綜合效益評估工作,將為該地區生態恢復的成果梳理和經驗總結提供理論依據,為地區未來生態恢復工作的開展提供意見和建議。

綜上所述,本研究以陜西省為研究區,基于空間遙感數據和生態模型估算等理論、方法,嘗試從生態系統結構、質量和服務3個方面綜合評估區域內2000—2015年生態恢復效益,并期望達到以下目的：(1) 基于土地利用、植被覆蓋度及生態系統服務綜合指數的時空變化分析結果,分別展現2000—2015年這近16年來陜西省在生態系統結構、質量和服務方面的生態恢復成效；(2)結合冷、熱點分析、氣象數據、生態工程實施區域等數據和方法手段,分析研究區生態恢復工程的有效性及合理性,為未來該區域生態恢復措施的實施提供意見及建議,以達到將生態恢復效果最大化的目的。

1 方法及數據

1.1 研究區概況

陜西省地處黃河流域和長江流域的中部,土地面積20.6萬km2,橫跨3個氣候帶,南北氣候差異較大 (圖1)。陜南屬于北亞熱帶氣候,關中及陜北大部屬暖溫帶氣候,陜北北部長城沿線屬中溫帶氣候[17]。全省年平均氣溫9—16℃,年平均降水量340—1240 mm。陜西省地勢南北高、中間低,有高原、山地、平原和盆地等多種地形[20]。北山和秦嶺把陜西分為三大自然區,從北至南依次為黃土高原區(陜北地區)、關中平原區(關中地區)、秦巴山區(陜南地區)。陜西生物資源豐富,多樣性突出,秦嶺巴山素有“生物基因庫”之稱,其生態系統、物種和遺傳基因的多樣性,在中國乃至東亞地區具有典型性和代表性。

圖1 陜西省示意圖

1.2 研究方法

本研究選取了近年來有關生態系統結構、質量和服務評價的共計150余篇文獻進行統計分析,分析結果表明在有關生態系統的結構變化研究中,有近45%的文獻選取土地利用作為研究的主要指標[24—25]。而在評估生態系統的質量方面,有超過40%的文獻選取植被覆蓋度作為核心指標之一[26—27]?；谖墨I調查結果,結合研究特點及實際數據準備情況,本研究分別選取土地利用和植被覆蓋度作為衡量研究區生態系統結構和質量的評估指標,并選取生態系統服務綜合指數評估研究區主要生態系統服務變化[28—29]。

1.2.1土地利用

本研究分別選取研究區2000、2005、2010和2015年土地利用數據進行分析,將研究區主要土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和裸地6種類型。利用變化貢獻率[30]以及變化強度指數[31]來表征陜西省2000—2015年間土地利用的結構變化,同時利用轉移矩陣以更好地體現單一土地利用類型轉入轉出及其年際變化。變化貢獻率、變化強度及轉移矩陣的計算方法如下：

變化貢獻率,指某一土地利用類型發生變化的面積與同一時期內所有發生變化的土地利用類型總面積的百分比,公式如下：

(1)

式中,Ai指的是第i種土地利用類型的變化貢獻率,Ubi指的是b時段第i種土地利用類型的面積,Uai是指a時段第i種土地利用類型的面積(b>a)。

變化強度,是指某一土地利用類型發生變動的面積與該研究區域總面積的百分比,公式如下：

(2)

式中,Ti表示的是第i種土地利用類型的變化強度,B為研究區土地利用類型總面積。

轉移矩陣,在某一研究區的一定時間段內,各土地利用類型面積存在著相互之間的轉移,當一種土地利用類型的部分轉成其他土地利用類型時,轉成部分的土地面積即為該土地利用類型的轉出部分,同理,其他土地利用類型轉成該土地利用類型時,轉成部分的土地面積即為該土地利用類型的轉入部分[32](圖2)。

圖2 土地利用轉移矩陣示意圖

此外,為全面了解土地利用對各地類增加面積的貢獻,通過如下公式計算獲得：

(3)

式中,Dij表示土地利用類型i轉成土地利用類型j的面積占j地類增加面積的百分比,Bij表示土地利用類型i轉成土地利用類型j的面積。

1.2.2植被覆蓋度

本研究基于NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,歸一化植被指數)構建像元二分模型對植被覆蓋進行反演[33—37]。計算公式如下：

(4)

(5)

式中,NIR指的是近紅外波段的反射率值,R指的是紅外波段的反射率值。fci指的是像元i的植被覆蓋度,NDVIs指的是裸土或者沒有植被覆蓋區域NDVI數值,NDVIv指的是完全被植被覆蓋區域NDVI數值。

1.2.3生態系統服務

本研究選取碳固定、水土保持、水源涵養和棲息地提供四種服務進行評估,并根據生態系統服務綜合指數法對四種服務的總值進行了估算[38—39]。生態系統服務綜合指數法利用NPP(Net Primary Productivity,植被凈初級生產力)與環境變量因子建立的因果關系構建模型并進行空間制圖,該方法已有效應用于不同尺度的生態系統服務變化研究[40—42],其各服務的空間制圖模擬方法如表1所示：

表1 生態系統服務空間制圖方法

其中NPP使用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)光能利用率模型進行估算[43—44],其計算公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(6)

式中,x為柵格數據中的具體像元,t為時間；NPP(x,t)為像元x上的植被在時間t內的凈初級生產力；APAR(x,t)是像元x上的植被在時間t內吸收的光合有效輻射；ε(x,t)是像元x上的植被在時間t內的實際光能利用率。

1.2.4變化趨勢及顯著性分析

本研究利用pearson相關系數公式計算各指標變化趨勢,并確定其變化顯著性[45—46],具體的計算公式為：

(7)

式中,r為相關系數；i為2000至2015年份；xi為時間i時的指標變量；yi為時間i時的年份順序,即1至n,n=16。r的值域在-1到1之間,當0r0.05為顯著相關。

1.3 數據來源

本研究中涉及的土地利用、NDVI等數據均來自資源環境科學與數據中心 (http://www.resdc.cn/Default.aspx),其數據空間分辨率為1 km。氣象數據來自于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),基于臺站氣象數據,在ArcGIS軟件中進行克里金插值,得到空間分辨率為1 km的溫度、降水空間分布數據。研究中涉及的土壤入滲能力、地表粗糙度、坡度數據、土壤侵蝕因子等土壤數據來自于中國土壤數據庫(http://vdb3.soil.csdb.cn/),為確保研究相關數據在空間尺度上的匹配性,所有柵格數據均被重采樣為1 km分辨率。

2 結果

2.1 土地利用變化

根據陜西省2000—2015年際土地利用變化統計結果(表2),研究區主要土地利用類型為草地,耕地以及林地,其他的土地利用類型占整個研究區的面積比例僅為4.60%左右。在近16年內,陜西省耕地面積大幅減小,其次為草地和裸地面積,林地和建設用地面積明顯增加,水體也有小幅度的增加。其中面積減少最明顯的是耕地,其面積比例由2000年的34.93%降低至2015年的33.88%,其中2005年降低至34.18%,2010年降低至34.09%,對本研究區的土地利用結構的變化貢獻率是41.44%。面積增加最大的是建設用地,由2000年的1.49%增加到2015年的2.14%,其中2005年增加至1.65%,2010年增加至1.69%,對本研究區的土地利用結構變化貢獻率是25.78%。林地的面積占比由22.62%增加到了23.18%,對本研究區的土地利用結構的變化貢獻率為22.32%。

表2 陜西省2000—2015年土地利用年際變化表

研究區2000—2015年土地利用空間分布結果表明(圖3),研究區的耕地主要分布在關中及陜北地區。林地的面積在陜南秦嶺地區有所擴大,而陜北地區主要以草地為主。建設用地集中分布在關中地區尤其是西安市及其周圍地區,且面積上有明顯的增加,說明西安及其周邊城市的城市化進程不斷加快。

圖3 陜西省2000—2015年土地利用空間分布

陜西省2000—2015年間各土地利用轉移矩陣分析結果如表3所示。其中,在扣除各土地利用類型轉出的面積之后,林地、水體和建設用地均呈現出凈增加的趨勢,其較2000年的凈增長比例分別是2.50%、5.30%和44.04%,凈增長比率最為顯著的是建設用地。建設用地面積增加的主要來源是耕地,其貢獻率達到了68.32%。凈增長比例最小的土地利用類型為林地,但值得注意的是,林地的增加面積主要來自于耕地和草地,二者對林地的增加面積貢獻率分別為56.00%和42.68%。

表3 陜西省2000—2015年土地利用轉移矩陣

同時,陜西省主要土地利用類型中,裸地、耕地和草地在2000—2015年間呈現負向的凈變化。負向凈變化比例最大的為裸地,達到了-3.71%,其主要轉出類型為草地、耕地以及建設用地。負向凈變化比例第二大的土地利用類型為耕地,其主要轉出類型為建設用地,其次是草地和林地。負向凈變化最小的為草地,比例僅為-0.35%,其中有相當一部分草地轉化為了林地。

2.2 植被覆蓋變化

對陜西省2000—2015年平均植被覆蓋度進行了統計分析,其結果如圖4所示,年平均植被覆蓋度總體上在波動中呈現增加趨勢,且在2003—2013年間上升趨勢相對較為平穩。平均植被覆蓋度在2000年為最低值,為76.23%。在2013年達到最大值,接近89.08%。年均植被覆蓋總體以每年0.73%的速率增加,但在2013—2015年卻呈下降趨勢。

圖4 陜西省2000—2015年平均植被覆蓋度變化

對陜西省2000—2015年平均植被覆蓋度的空間分析結果表明(圖5),近16年來陜西省平均植被覆蓋度極小值為近似為10%,植被覆蓋的低值地區主要集中分布在榆林市、延安市等陜北黃土高原地區。隨著向南的不斷推進,平均植被覆蓋度逐步增大,在關中地區以及陜南地區植被覆蓋度相對較高?？傮w而言,陜西省的平均植被覆蓋度呈現出由南向北遞減的趨勢。

對研究區近16年來植被覆蓋度的空間變化趨勢分析表明(圖5),陜西省植被覆蓋呈現增加的區域占全省面積比例為 87.95%,其中顯著增加區域面積比例為60.29%(P<0.05)。顯著增加的區域主要分布在陜北地帶,該區域以西安市為界,西安市以北地區植被覆蓋普遍顯著增加,其中榆林市以北、延安市以南的防風治沙區和退耕還林區最為明顯。相對的,陜西省植被覆蓋減少區域面積占比為12.05%,其中顯著減少區域為1.38%(P<0.05)。這些區域主要集中在關中平原,尤其是西安市周邊地區,此外,陜南部分地區植被覆蓋度也有一定下降趨勢。

圖5 陜西省2000—2015年平均植被覆蓋度及植被覆蓋變化趨勢

2.3 生態系統服務

本研究對陜西省典型生態系統服務總值進行了估算,其最終值為無量綱數值,能夠有效代表研究區生態系統服務的變化趨勢。年均生態系統服務總值變化趨勢如圖6所示,研究區2000—2015年間生態系統服務在波動中整體持續改善,變化速率為1730/a。其中2001—2003年間服務總量波動較大,分別于2001年達到16年間最低值,于2003年達到16年間最高值。2004—2010年間研究區服務總量相對穩定增長,2011—2015年則在持續波動中略有下降。

圖6 陜西省2000—2015年年均生態系統服務總值

本研究對2000—2015年間陜西省碳固定、水土保持、水源涵養和棲息地提供四種生態系統服務的平均空間分布進行了制圖模擬,結果如圖7所示。從空間分布來說,各服務的分布基本都呈現由北向南逐漸增加的態勢。由于陜南地區靠近秦嶺,土地利用類型以林地為主,因此該區域固碳、水土保持和水源涵養能力較強。同時由于該區域地形復雜,人類活動相對較弱,特別是陜南的山地區域內,擁有較強的棲息地提供服務能力。反之,陜北地區土地利用類型以耕地和草地為主,地勢相對平坦,人類活動頻繁,因此其相關服務能力相對較弱。而陜西省關中地區,由于擁有一定規模的城市群,因此能夠在生態系統服務的均值空間分布中看出明顯的低值凹陷區。

對近16年生態系統服務總值進行時空變化分析(圖7),研究結果表明陜西省生態系統服務總值整體呈增加趨勢,增加態勢區域面積占了研究區總面積的72.72%,其中顯著增加區域占32.30%(P<0.05)。與生態系統服務均值分布結果不同的是,服務總值呈顯著上升趨勢的地區主要集中在陜北地帶。生態系統服務總值呈減少趨勢的區域僅占全省面積的27.28%,主要集中在關中地區及陜南地區。其中呈現顯著減少的區域面積比例僅為0.59%(P<0.05),主要集中在關中地區的西安市及其周邊。

3 討論

3.1 生態恢復綜合效益

在生態恢復的過程中,來自于自然和人為的因素都將對生態系統的結構組成和整體質量產生影響,這些影響將改變生態系統的演變進程,并最終體現為生態系統所能提供的不同服務產生此消彼長的變化[47]。這一客觀進程決定了生態恢復綜合效益評估是一個多屬性、多準則的問題,本研究嘗試以生態系統的結構、質量和服務為框架,選取指標對陜西省生態恢復綜合效益進行了評估。

評估結果表明,研究區生態系統結構、質量和服務在這近16年間,總體均呈現逐步改善和增強的趨勢。其中,以土地利用為代表的生態系統結構呈現林地不斷增加,耕地持續減少的變化結果(表3和圖4),林地增加來源大部分來自于耕地和草地等的轉化,這與研究區域內持續推行的退耕還林及天然林保護等生態恢復措施效果相吻合。結構的轉變帶來了生態系統質量的變化,研究區60.29%的區域植被覆蓋呈顯著增加趨勢(圖5)。而生態系統服務的變化同樣顯著,研究區32.30%的區域生態系統服務總量顯著增加(圖7),充分說明了近年來陜西省各項生態恢復措施成效斐然。

為了更好的闡明研究區生態系統結構、質量和服務的空間變化特點,本研究選取生態系統質量指標(植被覆蓋)和生態系統服務總量同時顯著增加及減少的地區進行空間疊加分析,分別構成生態恢復熱、冷點地區(圖8)[48]。如圖所示,陜西省生態恢復熱點地區主要集中在陜北地區,對該區域內生態系統結構指標進行分析發現,熱點地區內2000—2015年土地利用發生變化最大的轉化類型分別為耕地轉化為林地(565 km2),草地轉化為林地(419 km2),耕地轉化為草地(345 km2)(圖9)。同時以縣為單位對陜西省主要生態工程(包括退耕還林、三北防護林和天然林保護工程)實施區域進行統計,可以看出三類大型生態工程重點覆蓋區域正是陜北地區(圖8)。生態系統結構、質量及服務的變化均證實了生態恢復措施在該區域的有效性。

圖9 冷、熱點地區土地利用變化統計(前3位)

3.2 現存生態問題

盡管研究區內生態環境不斷恢復,但現存的一些生態問題仍然值得關注。土地利用變化過程中建設用地大幅增加,植被覆蓋及生態系統服務總量在城市群區域內顯著下降,各項分析結果均表明以城市擴張為代表的人類活動對區域內生態系統結構、質量和服務產生了明顯的負向影響。例如,生態恢復冷點地區就主要集中在關中地區的城市群區域,排名前三的冷點地區土地利用類型轉化情況則分別為耕地轉化至建設用地,林地轉化至建設用地和草地轉化建設用地(圖8和圖9)。

與此同時,生態系統結構、質量和服務的時空變化不僅與人類活動息息相關,同時也在一定程度受到自然因素(溫度、降水等)的影響。本研究結果表明,生態系統服務總值除了在城市分布區域顯著下降外,同時在關中及陜南地區呈現出了非顯著性的下降趨勢(圖7)?；跉庀髷祿?結合陜西省近16年來溫度、降水的變化趨勢(圖10),可以看出在關中地區,溫度呈現增加趨勢,降水則呈現下降趨勢,而陜南的生態系統服務下降區域與陜南降水呈減少趨勢的區域范圍基本吻合。暖干化的氣象因素對處于干旱半干旱區的生態系統健康發展將帶來較大的制約影響[49—50]。因此,在未來的生態恢復資源投入及實際操作中,應注意相關區域生態工程與自然因素的相互配合,因地制宜地選擇植被恢復物種及種植措施,以保證生態恢復的有效性和持續性[51—52]。

圖10 陜西省2000—2015年溫度降水變化趨勢

4 結論

1)近16年來陜西省生態系統結構、質量和服務總體均呈現逐步改善和增強的趨勢。同時,研究區城市擴張明顯,并由此引發了城市區域植被覆蓋下降、生態系統服務總值降低等負向生態影響。在未來的區域發展建設過程中,應注重改善城市建設范圍中的生態環境質量,合理規劃城市建設用地。

2)陜南地區植被覆蓋及生態系統服務總值中均值較高,特別是秦嶺地區,生態環境較為優越。陜北地區植被覆蓋及生態系統服務均呈現顯著增加趨勢,未來區域范圍內生態環境有著較大的發展潛力。堅持現有的生態恢復策略,維持區域內目前生態系統結構、質量和服務向好發展的勢頭,將對未來區域的建設發展提供有效助力。

3)盡管不同生態工程已經覆蓋了陜西省全境,但受氣象因素中水分限制的影響,生態系統服務總值在陜西省中部及東南部地區仍然呈現出了非顯著性的下降趨勢。在未來相關區域的生態恢復過程中,應注意干旱環境對生態恢復效果的影響,因地制宜地選取生態工程措施,將生態恢復的成效最大化。