环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (5): 1308-1314  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.03.24

引用本文  

丁肇慰, 肖能文, 高晓奇, 等. 长江流域2000—2015年生态系统质量及服务变化特征[J]. 环境科学研究, 2020, 33(5): 1308-1314.
DING Zhaowei, XIAO Nengwen, GAO Xiaoqi, et al. Changes of Ecosystem Quality and Services between 2000 and 2015 in Yangtze River Basin[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(5): 1308-1314.

基金项目

科技部重点研发计划项目(No.2016YFC0500206-1);生物多样性调查评估项目(No.2019HJ2096001006)
National Key Research and Development Program of China (No.2016YFC0500206-1); Biodiversity Survey and Assessment Project of the Ministry of Ecology and Environment, China(No.2019HJ2096001006)

责任作者

肖能文(1973-), 男, 湖南桃江人, 研究员, 博士, 主要从事生物多样性评估与生态修复研究, xiaonw@163.com.

作者简介

丁肇慰(1991-), 女, 河南开封人, zwding_st@rcees.ac.cn

文章历史

收稿日期:2020-02-05
修订日期:2020-03-08
长江流域2000—2015年生态系统质量及服务变化特征
丁肇慰1,2, 肖能文3, 高晓奇3, 郑华1, 肖燚1, 孔令桥1, 欧阳志云1, 李若男1    
1. 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国环境科学研究院, 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室, 北京 100012
摘要:分析生态系统质量与服务现状及变化特征,有助于准确了解流域生态系统状况与趋势,为流域生态保护与修复的高效管理提供参考依据.采用相对生物量密度与相对植被覆盖度指数以及生态系统服务(土壤保持、防风固沙、洪水调蓄、粮食生产)评估模型,评估2000—2015年长江流域生态系统质量及服务变化特征.结果表明:①2000—2015年,长江流域森林、灌丛以及草地生态系统质量提升显著,56.56%的森林、45.65%的灌丛以及19.26%的草地生态系统质量得到不同程度的提高.②研究期间,长江流域粮食生产、洪水调蓄、土壤保持、防风固沙均呈显著上升趋势,其中粮食生产能力增加13.7%,洪水调蓄功能提升10.1%,土壤保持服务提高19.5%,防风固沙总量增加30.0%.③长江流域生态系统质量不高,处于低与差质量等级的生态系统面积比例在25%~35%之间;受不同类型的自然和人类活动影响,长江流域生态系统质量与服务均存在局部退化现象.研究显示,在生态质量与服务评估的基础上,分区域、分类型实施不同的生态系统保护与恢复途径,是今后长江流域加强生态系统管理的重要途径.
关键词生态系统质量    生态系统服务    人类活动    长江流域    
Changes of Ecosystem Quality and Services between 2000 and 2015 in Yangtze River Basin
DING Zhaowei1,2, XIAO Nengwen3, GAO Xiaoqi3, ZHENG Hua1, XIAO Yi1, KONG Lingqiao1, OUYANG Zhiyun1, LI Ruonan1    
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Environmental Protection Key Laboratory of Regional Eco-Process and Function Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: Analysis of ecosystem quality and services and their changes can provide important information on ecosystem management. Using the Relative Biomass Density Index, Relative Vegetation Coverage Index and assessment models of ecosystem service (soil retention, sandstorm prevention, flood regulation and grain yield), the changes of ecosystem quality and services in the Yangtze River Basin from 2000 to 2015 were analyzed. During this period, the ecosystem quality and services increased generally in the Yantze River Basin. The quality improvement areas of forest, shrub and grassland ecosystems accounted for 56.56%, 45.65% and 19.26%, respectively. Correspondingly, grain yield, flood regulation, soil retention and sandstorm prevention increased by 13.7%, 10.1%, 19.5% and 30.0%, respectively. However, the overall ecosystem quality in the Yangtze River Basin was relatively low. The area proportion of ecosystems with poor and low quality grades was between 25% and 35%. Because of different nature and human activities impact, ecosystem quality and ecosystem services declined in some regions. Our results highlighted the importance of adopting differentiated ecosystem management approach in different subregions and different types of ecosystem degradation.
Keywords: ecosystem quality    ecosystem services    human activities    Yangtze River Basin    

流域生态系统是人类主要生境[1],随着社会经济发展,流域生态系统不断受到人类活动干扰,改变生态系统结构与功能[2],影响流域生态环境安全与社会经济的可持续发展[3].分析流域生态系统结构与功能的演变特征,有助于揭示流域生态系统现状、变化趋势以及驱动力,为强化流域生态系统管理、改善流域生态系统质量和提升流域生态系统服务提供科学依据.

围绕人类活动与生态系统结构、功能间的相互关系,学者们已开展了较为广泛的研究,主要集中在生态系统格局演变特征、人类活动对不同生态系统的质量及植物功能性状的影响[4-6],土地利用变化对生态系统功能的影响等方面[7-8].但这些研究往往从单一的生态系统质量或功能角度进行分析,较少从生态系统质量与生态系统服务之间的关系入手,同步分析二者的变化特征.而除了生态系统格局变化之外,生态系统质量变化也是驱动生态系统服务变化的核心因素,将流域生态系统质量与服务演变开展同步分析,不仅有助于阐明生态系统服务的演变规律,还有助于进一步阐明生态系统服务变化的主要原因.

长江流域在我国生态安全格局与社会经济发展中具有重要的战略地位.近年来,尤其是2000年以来长江流域实施了退耕还林、天然林保护等一系列生态保护工程,并取得显著成效[9-10],但高强度的开发建设活动也给流域生态系统结构、功能以及生物多样性带来巨大影响.该文通过分析2000—2015年长江流域生态系统质量与生态系统服务的变化,旨在明确长江流域生态系统质量与服务的现状特征及时空变化规律,探讨生态系统质量与服务变化的主要驱动因素,为长江经济带生态系统保护与修复提供依据.

1 研究区域概况

长江流域总面积约为178×104 km2.流域内自然资源丰富[11],水资源总量占全国河流径流总量的36%[12];长江流域生态功能重要,是WWF确定的全球35个重点生态区域之一[13],主要生态系统类型有森林、灌丛、草地、湿地、农田等.

长江流域人类开发活动剧烈.流域内农业、航运、工矿业发展迅速,流域国民生产总值约占全国的40%[14-16],粮食产量占全国的40%[17],航运规模位居世界内河水系第一[18],矿业储量与轻工业产量均占全国的50%以上.人类活动对森林、灌丛、草地等生态系统带来巨大干扰,引发水土流失[19]、土地沙化、洪涝灾害[20]等诸多生态问题.

自20世纪90年代开始,长江流域实施了退耕还林、天然林保护、长江防护林等生态保护工程,长江流域森林、灌丛、草地生态系统得到有效恢复,土壤保持、固碳等生态系统功能得到进一步提升[21].但目前长江上游生态脆弱区植被退化、水土流失和土地沙化现象依然存在[22],中下游城镇及工矿业集聚区内水环境污染、湿地退化和生物多样性丧失均较严重,洪涝灾害突出[23].

2 研究方法 2.1 生态系统质量评估方法

采用相对生物量密度或相对植被覆盖度指数,对研究区森林、灌丛、草地生态系统质量进行评估.评估步骤分为3步:①基于气候条件、地形、土壤等因素,对生态系统立地条件进行分区;②确定参考生态系统及其生物量或者植被覆盖度;③基于生物量密度或者相对植被覆盖度评估生态系统质量.

首先,参考长江流域2000年与2015年生态系统类型图,根据中国森林立地分类系统[24]对研究区森林、灌丛生态系统的立地条件进行分区,并根据草原综合顺序分类系统[25]对研究区草地生态系统立地条件进行分区,最终将长江流域森林、灌丛生态系统的立地条件划定为36个类型区,草地生态系统立地条件划定为40个类型区.

然后,在生态系统立地条件分区结果的基础上,在同一类型立地条件分区内选取人为干扰较小的森林、灌丛或草地(以自然保护区内生态系统为主)作为参考生态系统,通过样方调查确定参考森林、灌丛生态系统的生物量以及参考草地生态系统的植被覆盖度,累计调查森林样方382个、灌丛样方396个、草地样方142个.

最后,采用相对生物量密度指数评价研究区森林、灌丛生态系统质量,采用相对植被覆盖度密度指数评价研究区草地生态系统质量[6].具体评价方法如式(1)所示:

$ {R_i} = {Q_i}/{Q_{{\rm{cc}}i}} \times 100\% $ (1)

式中,Ri为像元i的相对生物量密度或相对植被覆盖度指数,Qi为像元i的生物量密度(g/m3)或植被覆盖度(%),Qcci为像元i所在同类型一立地条件分区中参考生态系统的生物量密度(g/m3)或植被覆盖度(%).

参考生态系统质量评价分级方法[6],将研究区生态系统质量分为5个质量等级,即优(Ri≥85)、良(70 ≤Ri<85)、中(50 ≤Ri<70)、低(25 ≤Ri<50)、差(Ri<25).

2.2 生态系统服务评估方法

该研究主要选取长江流域重要的4项生态系统服务进行评估,即土壤保持、防风固沙、洪水调蓄和粮食生产.

其中,土壤保持服务采用修正通用水土流失方程进行评估,计算公式:

$ {\rm{SC}} = R \times K \times {\rm{LS}} \times \left( {1 - C} \right) $ (2)

式中:SC为土壤保持量,t/(hm2 ·a);R为降水侵蚀力因子,MJ ·mm/(hm2 ·h ·a);K为土壤可蚀性因子,t ·hm2 ·h/(hm2 ·MJ ·mm);LS为地形因子;C为植被覆盖度因子.各因子的计算方法及参数见文献[26].

防风固沙服务采取RWEQ模型进行评估[26],计算公式:

$ {Q_{{\rm{max}}\_{\rm{Q}}}} = 109.8{\rm{WF}} \times {\rm{EF}} \times K\prime \times {\rm{SCF}} $ (3)
$ {S_{\rm{Q}}} = 150.71 \times {({\rm{WF}} \times {\rm{EF}} \times K\prime \times {\rm{SCF}})^{ - 0.371\;1}} $ (4)
$ {S_{{\rm{LQ}}}} = \frac{{2Z}}{{{{\rm{S}}_Q}^2}}{Q_{{\rm{max\_Q}}}} \times {{\rm{e}}^{ - {{(Z/{S_{\rm{Q}}})}^2}}} $ (5)
$ {Q_{{\rm{max}}}} = 109.8 \times {\rm{WF}} \times {\rm{EF}} \times K\prime \times {\rm{SCF}} \times C $ (6)
$ S = 150.71 \times {({\rm{WF}} \times {\rm{EF}} \times K\prime \times {\rm{SCF}} \times C)^{ - 0.371\;1}} $ (7)
$ {S_{\rm{L}}} = \frac{{2Z}}{{{S^2}}}{Q_{{\rm{max}}}} \times {{\rm{e}}^{ - {{(Z/S)}^2}}} $ (8)
$ G = {S_{{\rm{LQ}}}} - {S_{\rm{L}}} $ (9)

式中:G为防风固沙量,kg/m2SLQ为潜在风蚀量,kg/m2SL为实际风蚀量,kg/m2Qmax_Q为潜在运转量,kg/m2SQ为潜在地块长度,m;Qmax为实际运转量,kg/m2S为关键地块长度,m;Z为下风向最大风蚀出现距离,m;WF为气候因子,kg/m;EF为土壤可蚀性因;SCF为土壤结皮因子;K′为地表粗糙度因子.各因子的计算方法及参数见文献[26].

洪水调蓄服务主要根据暴雨降雨量(>50 mm)、地表径流与生态系统类型等因素估算,计算公式:

$ {\rm{FQ}} = \sum\limits_{i = 1}^j {({P_{{\rm{r}}i}} - {R_{{\rm{r}}i}})} \times {A_i} $ (10)

式中:FQ为洪水调蓄量,m3Pri为暴雨降雨量,mm;Rri为暴雨径流量,mm;Ai为研究区第i类生态系统类型;j为研究区生态系统类型个数.各因子的计算方法及参数见文献[27].

粮食生产服务以县域为单位、利用统计年鉴数据计算区域粮食产量,kcal/km2.各因子的计算方法及参数见文献[23].

2.3 数据来源

生态系统类型数据:长江流域生态系统类型分为8类,包括森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠和其他(冰川/永久积雪和裸地).该数据来源为国产环境与灾害监测卫星(HJ-1A/B)和美国陆地卫星(Landsat OLI)数据,数据精度为30 m×30 m,共两期(2000年和2015年).采用面向对象的多尺度分割、建立决策树进行分类的方法解译遥感影像,在此基础上通过随机抽样方法获取地面调查样点进行独立的数据精度验证,验证精度为85%.

数字高程模型:长江流域数字高程模型(DEM)来自地理空间数据云(https://www.gscloud.cn),空间分辨率为250 m×250 m.

气象数据:2000年和2015年月降雨量(mm)、月均气温(℃)、月蒸散发量(mm)、日风速(m/s)等数据来源于中国气象局; 降雨侵蚀力数据来源于北京师范大学; 太阳辐射(MJ/m2)数据来源于旱区寒区数据中心(http://www.cw.casnw.net).上述数据空间分辨率均为1 km×1 km.

土壤数据:土壤类型、深度数据均来源于旱区寒区数据中心,数据空间分辨率均为1 km×1 km.

生物量和植被覆盖度数据:2000年和2015年森林、灌丛地上生物量数据来源于中国科学院遥感与数字地球研究所遥感解译结果; 草地植被覆盖度来源于中国生态系统评估与生态安全数据库(http://www.ecosystem.csdb.cn).上述数据空间分辨率均为250 m×250 m.

社会经济数据:2000年和2015年粮食产量数据来源于县域社会经济统计年鉴.

3 结果与分析 3.1 长江流域生态系统质量及变化特征

分析结果(见图 1)显示,长江流域森林、灌丛与草地生态系统质量整体不高. 2015年处于低和差质量等级的森林、灌丛、草地生态系统面积比例分别为34.46%、44.78%、25.00%,其中,森林生态系统主要分布在平原区(四川平原、江淮平原),灌丛生态系统主要分布在云南南部山区、四川平原和江淮平原,草地生态系统主要分布在青海西部和横断山区.

注:空白为非评价生态系统.下同. 图 1 2015年长江流域生态系统质量空间特征 Fig.1 The spatial distribution of ecosystem quality in Yangtze River Basin in 2015

总体而言,长江流域2000—2015年森林、灌丛与草地生态系统质量得到一定提高,56.56%的森林、45.65%的灌丛和19.26%的草地生态系统质量出现不同程度的提高(见图 2),优、良质量等级的森林、灌丛和草地生态系统面积比例分别提高了27.02%、11.58%和3.17%(见表 1).其中,生态系统质量显著改善的区域主要位于浙江中南部、江西大部、云南南部和四川西部的森林生态系统,四川中部、湖北西部和湖南西北部的灌丛生态系统以及青海中南部、四川西北部草地生态系统(见图 2).长江流域局部地区仍出现生态系统质量退化现象,主要为四川盆地周边低山丘陵、江淮丘陵和沿江平原的森林生态系统,川西藏东高山深谷的灌丛生态系统以及三江源区北部草地生态系统.

图 2 2000—2015年长江流域生态系统质量变化空间分布 Fig.2 The spatial distribution of ecosystem quality change in Yangtze River Basin from 2000 to 2015

表 1 长江流域生态系统质量等级统计 Table 1 Area proportion of ecosystem quality class in Yangtze River Basin
3.2 长江流域生态系统服务现状及变化特征

图 3可见,2015年长江流域生态系统服务空间分布不均匀.长江中下游地区粮食产量较高,呈现从西部—中部—东部逐渐递增的趋势,并以东部偏南地区的粮食产量为最高;洪水调蓄能力较强的地区位于中下游湿地群;土壤保持能力较强的地区位于中上游四川盆地、喀斯特地区以及下游南方红壤丘陵区;防风固沙能力较强的地区主要位于长江源头区.

图 3 2015年长江流域生态系统服务空间分布 Fig.3 The spatial distribution of ecosystem service in Yangtze River Basin in 2015

2000—2015年,长江流域洪水调蓄、土壤保持、防风固沙、粮食生产服务均呈上升趋势(见图 4).其中,长江流域粮食生产能力增加13.7%,洪水调蓄功能提升10.1%,土壤保持功能提高19.5%,防风固沙功能增强30.0%.

图 4 2000—2015年长江流域生态系统服务变化空间分布 Fig.4 The spatial distribution of ecosystem service change in Yangtze River Basin from 2000 to 2015

虽然长江流域生态系统服务总体呈增加趋势,但局部地区仍然出现生态系统服务退化趋势.其中,土壤保持服务局部退化区域主要分布在金沙江、嘉陵江、沱江、三峡地区及江南红壤低山丘陵区,防风固沙服务退化区域主要分布在长江江源北部以及祁连山地.此外,长江流域上游局部区域土壤侵蚀依然严重,如金沙江下游,嘉陵江流域,沱江、岷江中游,乌江上游及川东鄂西三峡库区等,土壤平均侵蚀模数均超过5 000 t/(km2·a).

4 讨论

通过分析2000—2015年长江流域生态系统质量和服务的空间分布及变化,揭示了长江流域生态系统质量与服务的时空变化特征.与单一的生态系统质量[26]和服务[27]变化分析相比,二者的同步分析更有利于揭示人类活动对生态系统的影响,更清晰地识别出生态系统服务退化的直接原因,可为流域生态系统管理提供参考.

依据评估结果,长江流域生态系统质量整体不高,低与差等级的森林、灌丛、草地面积比例均超过25%,主要分布在长江流域平原区以及青海省和横断山区的部分地区,究其原因:一方面,部分地区(如横断山区)生态脆弱、地质灾害频发,生态系统容易受损,且恢复速度慢[28];另一方面,平原区人类活动干扰强,导致生态系统质量偏低[9].通过对低、差质量等级生态系统的空间识别,也为下一步精准开展生态系统恢复提供了依据.

2000—2015年,长江流域生态系统质量改善较大,56.56%的森林、45.65%的灌丛以及19.26%的草地生态系统质量得到不同程度的提高,其主要原因可能是:自20世纪90年代以来,长江流域开始实施一系列生态保护工程(如退耕护岸林、天然林保护等),一方面增加了森林、灌丛、草地生态系统面积,另一方面通过有效保护手段提升了植被覆盖度与生物量,有效遏制了植被退化趋势.据统计,长江流域2000—2015年因生态保护工程增加的森林、灌丛与草地面积达2.0×104 km2,植被覆盖度增加2.4%[10].

生态系统质量是影响生态系统服务的关键因素之一,基于生态系统质量评估结果,长江流域生态系统服务表现出协调变化的趋势.生态系统质量与服务的同步评估表明:长江流域生态系统服务也表现出整体改善、局部退化的趋势,水土流失、石漠化、洪涝灾害等生态问题得到缓解,与已有相关研究结论[29-30]一致.逐步消除生态系统胁迫因素、提高生态系统质量,是提高生态系统服务的重要途径.

尽管长江流域生态系统质量和服务呈现出整体改善的趋势,但生态系统质量偏低的现状以及由此导致的生态系统服务较低,使得长江流域生态保护与恢复工作任重而道远.结合生态系统质量与服务较低的区域及局部退化的区域,提出如下保护与恢复建议:在长江源区,尤其是青海西部加强退化草地的生态恢复;针对以高强度经济开发活动为生态系统退化主要驱动力的地区,如横断山区北部、东部,云南南部,江西南部[27],建议通过设置生态红线,限制矿业、优化交通等方式降低开发建设活动的影响;针对以自然因素(如气候变化、自然灾害等)为生态系统退化主要驱动力的地区,如横断山区中部、喀斯特特区[31],应该适当增加人工生态工程干预.

5 结论

a) 长江流域森林、灌丛与草地生态系统质量总体偏低,但在2000—2015年间总体得到提升,如56.56%的森林、45.65%的灌丛以及19.26%的草地生态系统质量得到不同程度的提高,但局部区域也出现质量下降的情况.森林质量退化区域主要集中在喀斯特地区、四川盆地、江淮丘陵和沿江平原,灌丛质量退化区域主要集中在横断山区和沿江平原,草地质量退化区域主要集中在三江源区和横断山区.

b) 长江流域生态系统服务呈现空间分布不均匀的特征,2000—2015年,粮食生产、洪水调蓄、土壤保持、防风固沙功能均呈增加趋势.其中,粮食生产能力增加13.72%,洪水调蓄功能提升10.1%,土壤保持服务提高19.5%,防风固沙功能增强30.0%.但局部地区,如金沙江下游,嘉陵江流域,沱江、岷江中游,乌江上游及川东鄂西三峡库区等水土流失依旧严重.

c) 长江流域生态保护与恢复工程的实施,促进了生态系统质量的改善,进而推动生态系统服务提升;但生态系统质量与服务局部退化问题不容忽视;分区域、分类型采用不同生态系统保护与恢复途径,是今后长江流域生态系统管理的重要内容.

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