張毅茜,馮曉明,王曉峰,傅伯杰,周潮偉

1 長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710054 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 3 北京師范大學(xué)陸地表層系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 北京 100875

生態(tài)恢復(fù)是恢復(fù)受干擾的生態(tài)系統(tǒng),減輕人類對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的壓力和改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最昂貴和最廣泛的保護(hù)行為之一[1-3],具體指生態(tài)系統(tǒng)可以恢復(fù)到確定的擾動(dòng)前狀態(tài),是改善生物多樣性、結(jié)構(gòu)屬性和功能特性以及消除退化的一種手段[4]。全球變化和人口持續(xù)增長(zhǎng)以及人類對(duì)于自然資源的不合理利用,導(dǎo)致了環(huán)境污染、植被破壞、土地退化、水資源短缺、氣候變化、生物多樣性喪失等生態(tài)退化問題[5-6]。面對(duì)這些問題,生態(tài)恢復(fù)的實(shí)施范圍持續(xù)擴(kuò)大,另一方面,通過主要的國(guó)際協(xié)定和公約,對(duì)生態(tài)恢復(fù)的資金投入不斷增加[4]。重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)是生態(tài)條件已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展的限制因素或社會(huì)按目前模式繼續(xù)發(fā)展將威脅到生態(tài)安全的區(qū)域[7]。中國(guó)重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)類型多、范圍廣,主要生態(tài)環(huán)境問題突出[8],自20世紀(jì)70年代以來(lái),水土流失嚴(yán)重、土地荒漠化、森林資源匱乏、草場(chǎng)退化等生態(tài)問題頻發(fā)。為應(yīng)對(duì)嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī),改善人類福祉,中國(guó)實(shí)施了一系列生態(tài)恢復(fù)政策[9],如三北防護(hù)林體系、天然林保護(hù)和退耕還林、京津風(fēng)沙源治理等生態(tài)恢復(fù)工程[10-13]。研究表明,生態(tài)恢復(fù)取得了良好成效,1999年以來(lái)退耕還林面積達(dá)3.35×105km2,占人工林面積的42.5%；京津地區(qū)沙塵天氣明顯減少,風(fēng)沙危害進(jìn)一步減輕[14]。然而,這些恢復(fù)的人工生態(tài)系統(tǒng)需要持續(xù)的資源投入和人力物力支持。全面及時(shí)地掌握生態(tài)恢復(fù)成效及存在問題,有助于生態(tài)工程部署的科學(xué)性和空間針對(duì)性,以便更好的實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程[15]。

生態(tài)恢復(fù)帶來(lái)效益的提升。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于恢復(fù)效益評(píng)價(jià)的研究多集中在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生物多樣性的聯(lián)系以及生態(tài)恢復(fù)的定義、評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選原則和評(píng)價(jià)方法上[16-18],恢復(fù)效益的研究也由初期單純關(guān)注生態(tài)效益轉(zhuǎn)為兼顧社會(huì)需求和經(jīng)濟(jì)效益[19]。國(guó)際上,千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估報(bào)告評(píng)估了過去50年間的全球生態(tài)系統(tǒng)變化,提出了扭轉(zhuǎn)生態(tài)系統(tǒng)退化局面的策略[20]。Dodds等[21]對(duì)美國(guó)本土生態(tài)恢復(fù)效果的評(píng)估表明恢復(fù)實(shí)施10年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提高幅度在31%—93%之間；Koch和Hobbs等證實(shí)在西澳洲實(shí)施的紅柳桉樹林恢復(fù)項(xiàng)目使得區(qū)域固碳服務(wù)和水源涵養(yǎng)能力得到顯著改善[22]。在國(guó)內(nèi),中科院地理科學(xué)與資源研究所先后開展了西部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估、三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)一期工程評(píng)估、重大生態(tài)工程區(qū)生態(tài)環(huán)境十年變化調(diào)查與評(píng)估等；中國(guó)林科院開展了三北防護(hù)林建設(shè)、退耕還林等重大林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),發(fā)布了系列“退耕還林工程生態(tài)效益監(jiān)測(cè)國(guó)家報(bào)告”[23]。游旭等[24]以峨山縣為例,研究縣域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP,Cross ecosystem product)的特征與變化趨勢(shì),將生態(tài)保護(hù)效益納入經(jīng)濟(jì)發(fā)展考核體系。Lu等[12]對(duì)中國(guó)6個(gè)生態(tài)恢復(fù)實(shí)施區(qū)域的森林、灌叢和草地生態(tài)系統(tǒng)的生物量和土壤碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行了研究,評(píng)估了這些項(xiàng)目在2001年至2010年間對(duì)中國(guó)碳匯的貢獻(xiàn)。綜上,全面精確地評(píng)價(jià)生態(tài)恢復(fù)工程所取得的生態(tài)服務(wù)工程效益,是為新一輪的工程實(shí)施提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)的重要途徑[23]。盡管目前生態(tài)恢復(fù)效益的研究已取得了豐碩的成果,但是研究仍有不足,如多集中在以小區(qū)域或生態(tài)恢復(fù)工程典型區(qū)域進(jìn)行分析,或是計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值量對(duì)其進(jìn)行評(píng)估,或是采用間接指標(biāo)等[18],對(duì)工程措施的有效性評(píng)價(jià)、工程的區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)和具體工程措施的貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)等方面尚存不足。因此,仍需要對(duì)生態(tài)恢復(fù)效益的評(píng)估指標(biāo)和方法進(jìn)行進(jìn)一步的分析,力求更好地解決重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。

為此,研究基于流域產(chǎn)水服務(wù)模型[25](the Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tools,InVEST)、修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)[25-26]和Carnegie-Ames-Stanford Approach(CASA)等模型[27]計(jì)算脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量,利用指標(biāo)綜合法[11]建立生態(tài)恢復(fù)綜合效益評(píng)估體系,評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)恢復(fù)工程的變化。分析生態(tài)恢復(fù)對(duì)研究區(qū)及未來(lái)人類福祉的影響,為今后大規(guī)模生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施提供科學(xué)參考[28]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)圖Fig.1 Study area

研究區(qū)涵蓋中國(guó)的大部分省份,約占國(guó)土面積的82.94%(圖1)。生態(tài)系統(tǒng)類型多樣、自然環(huán)境復(fù)雜[29]。多年氣溫在-25.7—33.7℃,降水量東南多西北少。地勢(shì)上西高東低,橫跨一二三級(jí)階梯。氣候類型多樣,從南至北依次屬于熱帶季風(fēng)、亞熱帶季風(fēng)、溫帶季風(fēng)、溫帶大陸和高山草原氣候,溫度帶從濕潤(rùn)區(qū)過渡到干旱半干旱再到半濕潤(rùn)區(qū)[30]；主要地貌類型有黃土地貌、河流地貌、海岸地貌、喀斯特地貌等[31]。全區(qū)可分為北方風(fēng)沙區(qū)、西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、黃土高原區(qū)和喀斯特區(qū)。各區(qū)生態(tài)問題突出,區(qū)域差異顯著。北方風(fēng)沙區(qū)位于研究區(qū)東北部,跨越干旱、半干旱和半濕潤(rùn)氣候帶。主要生態(tài)問題是受風(fēng)沙和水流影響而造成的土壤退化[32],重點(diǎn)實(shí)施三北防護(hù)林、退耕還林還草和京津冀風(fēng)沙源治理工程；黃土高原區(qū)位于中部,總面積6.4×105km2,水土流失嚴(yán)重,國(guó)家先后實(shí)施了小流域治理工程、水土保持重點(diǎn)工程、退耕還林還草等一系列生態(tài)工程[33]；喀斯特區(qū)位于南端,是世界上最大的碳酸鹽巖裸露區(qū)之一[34],該區(qū)域?qū)嵤┦C合治理生態(tài)工程[18]。西北干旱區(qū)是全球同緯度最干旱地區(qū)之一,地域遼闊,地形復(fù)雜,是生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重脆弱地區(qū)[35],多年平均降水量小于200 mm[36]。青藏高寒區(qū)是我國(guó)海拔最高的地區(qū)[37],約占研究區(qū)總面積的32.3%[38]。該區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)活躍, 氣候環(huán)境復(fù)雜, 生態(tài)環(huán)境十分脆弱,表現(xiàn)為冰川退縮、土地退化、鹽漬化、水土流失和生物多樣性威脅等生態(tài)問題[39-40]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究中用到氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)以及各類社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等：①氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),利用ANUSPLIN軟件[23,41]基于薄盤樣條法TPS(Thin Plate Spline)[42]對(duì)月均溫和降水量進(jìn)行插值,獲得研究區(qū)每個(gè)像元年氣象數(shù)據(jù)。插值結(jié)果通過廣義交叉驗(yàn)證,驗(yàn)證精度滿足數(shù)據(jù)分析要求；②社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(2000—2015年)的人口數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)等來(lái)源于國(guó)家數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http://data.stats.gov.cn/)各省統(tǒng)計(jì)年鑒；③生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn/)2000、2005、2010和2015年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集在遙感解譯獲取的1∶10萬(wàn)比例尺土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行辨識(shí)和研究,經(jīng)過重分類形成,分辨率為1 km；④固碳(NPP)數(shù)據(jù)來(lái)源于全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)(http://www.geodoi.ac.cn/WebCn/Default.aspx)共享的北緯18°以北中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)逐月凈初級(jí)生產(chǎn)力1 km柵格數(shù)據(jù)集,分辨率為1 km。

2 研究方法

2.1 生態(tài)恢復(fù)綜合效益評(píng)估體系的建立

傳統(tǒng)的綜合效益構(gòu)建方法主要是以貨幣作為中間媒介,通過構(gòu)建各服務(wù)指標(biāo)和市場(chǎng)價(jià)值的比例關(guān)系,以加法等進(jìn)行區(qū)域總服務(wù)的合成計(jì)算[43]。但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和貨幣數(shù)值關(guān)系的構(gòu)建也帶來(lái)了合成結(jié)果的不確定性[44]。為此,考慮科學(xué)性、重要性、可操作性等原則,結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)與生態(tài)定位以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生物多樣性的自身特點(diǎn),選擇服務(wù)物質(zhì)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo),借鑒前人生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合指數(shù)計(jì)算法[45],構(gòu)建如下表1所示的生態(tài)恢復(fù)綜合效益評(píng)估體系。

表1 生態(tài)恢復(fù)綜合效益評(píng)估體系指標(biāo)

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算

基于InVEST模型[25]、RUSLE模型[26-27]、CASA模型[46-47]等計(jì)算產(chǎn)水、土壤保持、固碳服務(wù)時(shí)空變化特征物質(zhì)量作為生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)；結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒計(jì)算社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)；經(jīng)歸一化綜合得到生態(tài)恢復(fù)綜合效益指標(biāo)。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)估算與制圖中,將空間分辨率統(tǒng)一為8 km×8 km,地理坐標(biāo)和投影統(tǒng)一為WGS84坐標(biāo)和Albert投影。具體方法如下。

2.2.1土壤保持

土壤保持服務(wù)(Soil conservation service,SC)是指生態(tài)系統(tǒng)防止土壤流失的侵蝕調(diào)控能力及對(duì)泥沙的儲(chǔ)積保持能力。RUSLIE模型考慮了地塊自身攔截上坡土壤侵蝕物的能力,使土壤保持量的計(jì)算更為準(zhǔn)確。具體計(jì)算公式如下。

RKLS=R×K×LS

(1)

USLE=R×K×LS×P×C

(2)

SD=RKLS-USLE

(3)

式(1)—(3)中,RKLS是基于研究區(qū)特定地貌氣候條件及裸地情形下的潛在土壤侵蝕量(t)；USLE是考慮了管理、工程措施的實(shí)際土壤侵蝕量(t)；SD為土壤保持量(t)；R為降雨侵蝕因子MJ mm hm-2h-1a-1；K為土壤可蝕性因子t hm2h hm-2MJ-1mm-1；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為土壤保持措施因子[48-49]。

2.2.2產(chǎn)水服務(wù)

InVest模型中產(chǎn)水模塊基于水量平衡原理,利用區(qū)域水分的輸入量(降水量)與輸出量(蒸散發(fā)量)的差值得到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水量。該模型適用范圍廣(全球范圍),并在國(guó)內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用[50]。其計(jì)算公式如下式(4)—(6)。

式(4)中,WY為流域產(chǎn)水量(mm),PPT為年降水量(mm),ΔS為流域土壤含水量的變化(mm),在長(zhǎng)時(shí)間變化尺度可以忽略不計(jì),因此流域長(zhǎng)時(shí)間尺度的產(chǎn)水量主要由降水量及實(shí)際蒸散量決定。PET代表年潛在蒸散量(mm)；ET為實(shí)際蒸散量(mm),植被蒸散量由經(jīng)驗(yàn)式求得,流域水體蒸散量由降水與潛在蒸散量的最小值求得。式(5)中植被可利用水系數(shù)(w)代表植被在蒸騰過程中利用土壤水分的能力,根據(jù)前人校正結(jié)果,將覆蓋率>30%的林地w設(shè)置為2.0,覆蓋率<30%的林地w設(shè)置為1.0,草地及耕地為0.5,人工用地及裸地為0.1[51-54]：

WY=PPT-PET±ΔS

(4)

(5)

ET=min(P,PET)

(6)

2.2.3固碳服務(wù)

固碳數(shù)據(jù)來(lái)自北緯18°以北中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)31年逐月凈初級(jí)生產(chǎn)力1 km柵格數(shù)據(jù)集(1985—2015),該數(shù)據(jù)集運(yùn)用1985—2015年中國(guó)陸地逐月氣象數(shù)據(jù)、全國(guó)土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)和基于MODIS和AVHRR遙感影像的土地覆被和植被指數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,輸入CASA模型計(jì)算而來(lái)。計(jì)算公式如下所示。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(7)

式(7)中,NPP(x,t)表示像元x在t時(shí)間內(nèi)的凈初級(jí)生產(chǎn)力(g C m-2)；APAR(x,t)和ε(x,t)分別表示像元x在時(shí)間t內(nèi)吸收的光合有效輻射(MJ/m2)和實(shí)際光能利用率(g C MJ-1)。

2.2.4食物供給

食物供給服務(wù)以統(tǒng)計(jì)年鑒農(nóng)業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。選擇統(tǒng)計(jì)年鑒里相應(yīng)年份的糧食、大麥、棉花、油料、花生、油菜籽、芝麻、葵花籽、胡麻籽、糖料、麻類、蔬菜等主要作物的產(chǎn)量作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù),以相應(yīng)權(quán)重計(jì)算得到2000年到2015年的食物供給服務(wù)數(shù)據(jù)[47,55]。結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)食物供給的空間化。計(jì)算公式如下：

Yi=PREP/SUM(PREP)×Xi

(8)

式中,Yi代表柵格化的結(jié)果,Xi表示收集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),PREP為進(jìn)行權(quán)重計(jì)算的降水?dāng)?shù)據(jù)、GDP數(shù)據(jù)[19]。利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、NDVI、土地利用、降水等多源數(shù)據(jù)。在GIS技術(shù)及地學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的共同支持下[56],建立大尺度的基于柵格的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間分布化模型,并在此基礎(chǔ)上得到柵格化的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化趨勢(shì)分析

Sen+MK檢驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用在長(zhǎng)時(shí)間序列的變化檢驗(yàn)中,包括對(duì)降水量、氣溫、徑流量等地理要素的時(shí)間變化特征分析。Theil-Sen估計(jì)量,也稱為Sen的斜率估計(jì)量,該方法可以很好的減少噪聲的干擾,即使對(duì)于正態(tài)分布的數(shù)據(jù)也可以與簡(jiǎn)單的最小二乘法相較；Mann-Kendall方法本身對(duì)序列分布無(wú)要求且對(duì)異常值不敏感,可以進(jìn)行突變檢驗(yàn)和趨勢(shì)分析[57]。將二者結(jié)合比線性回歸和相關(guān)分析更有優(yōu)勢(shì),所用數(shù)據(jù)不需服從整體分布,避免誤差能力強(qiáng),因此引入該方法完成趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)。

Sen趨勢(shì)度計(jì)算公式為：

(9)

使用趨勢(shì)度β來(lái)判斷時(shí)間序列趨勢(shì)的升降,當(dāng)β>0時(shí),時(shí)間序列呈上升的趨勢(shì),反之呈下降的趨勢(shì)[58]。

在Mann-Kendall檢驗(yàn)中,原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)(X1,…,Xn)是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備選假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn),對(duì)于所有的k,j≤n,且k≠j,Xk和Xj的分布是不相同的,檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量計(jì)算如下：

(10)

(11)

S為正態(tài)分布,其均值為0,方差Vx(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)n>10時(shí),標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)系統(tǒng)變量通過下式計(jì)算：

(12)

這樣,在雙邊的趨勢(shì)檢驗(yàn)中,在給定的α置信水平上,如果|Z|≥Z1-1/2α,則原假設(shè)是不可接受的,即在α置信水平上,時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。對(duì)于統(tǒng)計(jì)量Z,大于0是上升趨勢(shì),小于0是下降趨勢(shì),|Z|在大于等于1.28、1.64和2.32時(shí),分別表示通過了置信度90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)[57]。

在研究中利用MATLAB實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)服務(wù)和綜合指標(biāo)變化趨勢(shì)的分析。時(shí)間長(zhǎng)度為16(2000—2015年),選擇顯著水平α=0.05,Z1-1/2α=Z0.975=1.96。當(dāng)β>0、|Z|>1.96為顯著上升趨勢(shì),β<0、|Z|>1.96為顯著下降趨勢(shì)；β>0、|Z|≤1.96為上升但不顯著,β<0、|Z|≥1.96為下降但不顯著趨勢(shì)。

2.4 Welch的T檢驗(yàn)

Welch的T檢驗(yàn)用于比較不同生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量[59],用來(lái)檢驗(yàn)樣本量較小(例如n<30),總體標(biāo)準(zhǔn)差未知的正態(tài)分布,數(shù)據(jù)處理和計(jì)算過程簡(jiǎn)便,常被用來(lái)檢驗(yàn)兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。研究中利用該方法檢驗(yàn)恢復(fù)工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。對(duì)于兩獨(dú)立樣本的T檢驗(yàn),計(jì)算公式如下

(13)

(14)

(15)

n=n1+n2-2

(16)

其中,X1和X2代表兩組數(shù)據(jù)樣本,-X1和-X2為樣本均值。n為自由度,S代表數(shù)據(jù)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。利用R軟件完成相關(guān)檢驗(yàn)[59]。檢驗(yàn)方法如下：

H0:μA=μB;H1:μA>μB;α>0.5

(17)

當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果P>0.05,就不能拒絕原假設(shè),不能認(rèn)為μA和μB有相同的變化趨勢(shì),反之,拒絕原假設(shè)。

3 結(jié)果分析

3.1 重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布格局及時(shí)空變化特征

3.1.1產(chǎn)水服務(wù)

時(shí)間變化上,2000年到2015年,產(chǎn)水服務(wù)增加23.31%。在空間上,產(chǎn)水服務(wù)由東南向西北遞減,即喀斯特區(qū)向西北干旱區(qū)。結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)類型變化結(jié)果,產(chǎn)水服務(wù)較高的是水體與濕地、森林和聚落生態(tài)系統(tǒng)。產(chǎn)水服務(wù)變化趨勢(shì)表明,顯著減少的區(qū)域集中在喀斯特區(qū)西南部分,青藏高原中部區(qū)域；西北干旱區(qū)為不顯著減少,產(chǎn)水服務(wù)不顯著增加的區(qū)域在北方風(fēng)沙區(qū),顯著增加的區(qū)域在喀斯特區(qū)的南部。

3.1.2食物供給服務(wù)

食物供給服務(wù)由統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)空間化而來(lái),主要分布于耕地,食物供給最多的區(qū)域是黃土高原區(qū)和北方風(fēng)沙區(qū),為2.19×104t和2.14×104t,青藏高原區(qū)的食物供給量較少,為0.03×104t。整體上食物供給服務(wù)逐年增加,由2000年的5.07×104t增加到2015年的7.70×104t,呈顯著增加趨勢(shì)的區(qū)域主要集中在黃土高原地區(qū)的中部,西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū)的食物供給能力較弱,為不顯著增加趨勢(shì),并且研究年限里變化也不明顯。

3.1.3土壤保持服務(wù)

土壤保持計(jì)算結(jié)果表明,在16年間,土壤保持服務(wù)變化平穩(wěn),高值出現(xiàn)在喀斯特區(qū)域與青藏高原和與黃土高原的交界處,且土壤保持服務(wù)整體上呈增加趨勢(shì),變化率為23.65%。各個(gè)區(qū)域的土壤保持服務(wù)也呈上升趨勢(shì),變化幅度不大,該服務(wù)作用最強(qiáng)的是喀斯特區(qū)域,其次是青藏高原區(qū)、黃土高原區(qū)、北方風(fēng)沙區(qū)和西北干旱區(qū)。研究區(qū)土壤保持變化趨勢(shì)多表現(xiàn)為不顯著減少。

3.1.4固碳服務(wù)

固碳服務(wù)的變化表現(xiàn)為東南高西北少,整個(gè)研究區(qū)在西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū)有較為明顯的界限,同時(shí)在新疆的北部固碳水平高于其他西北干旱區(qū)域,固碳服務(wù)表現(xiàn)最高的是喀斯特區(qū)域,其次是黃土高原區(qū)、北方風(fēng)沙區(qū)、青藏高原區(qū)和西北干旱區(qū)。從2000年到2015年,2015年固碳服務(wù)最高,為1087.17 gC/m2,2001年最低,為821.6 gC/m2,整體變化趨勢(shì)不大。從服務(wù)變化的趨勢(shì)圖中也可以看到,顯著減少和不顯著減少的區(qū)域較多,主要集中在西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū),顯著增加的區(qū)域出現(xiàn)在西南喀斯特區(qū)域的北部(圖2)。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布格局及變趨勢(shì)圖Fig.2 The distribution and change maps of ecological system services

3.2 重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)效益評(píng)估

3.2.1重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)生態(tài)效益評(píng)估

圖3 研究區(qū)生態(tài)效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分布Fig.3 The map of ecological and social economical benefits

從研究區(qū)生態(tài)效益空間分布圖(圖3)可知,研究區(qū)生態(tài)效益自東南向西北遞減,整體增加。通過統(tǒng)計(jì)分析,生態(tài)效益表現(xiàn)為上升趨勢(shì),呈不變區(qū)域面積為3.20×106km2,顯著減少區(qū)域面積4.73×105km2,不顯著減少面積1.91×106km2,不顯著增加和顯著增加面積為4.82×105km2。生態(tài)效益呈增加趨勢(shì)的區(qū)域集中在研究區(qū)中部和東南部分,占比為25.79%。

3.2.2重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益受多重因素影響。從空間分布(圖3)上看,研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的高值(0.009)集中在研究區(qū)的東部邊界區(qū)域,即黃土高原區(qū)和北方風(fēng)沙區(qū)的邊緣；同時(shí)呈現(xiàn)出逐漸向研究區(qū)內(nèi)部延伸的趨勢(shì),高值(0.009)和中高值(0.005)的分布區(qū)域有所增加。經(jīng)濟(jì)效益波動(dòng)變化,且在各個(gè)區(qū)域,喀斯特區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益最高,多年均值為0.011,其次是北方風(fēng)沙區(qū),經(jīng)濟(jì)效益為0.005；研究區(qū)2011年的經(jīng)濟(jì)效益最高,為0.009,2013年的經(jīng)濟(jì)效益較低,為0.0006,經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)為整體有減少部分有增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。

3.2.3重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)綜合效益評(píng)估

由圖4和圖5可知,2000年到2015年,綜合效益2007年最高,為0.65,2001年最低,為0.44,平均值為0.55。空間上有42.11%的區(qū)域變化不顯著,26.28%的區(qū)域綜合效益增加,喀斯特區(qū)域的綜合效益最高,各年的綜合效益指標(biāo)均高于均值,其次是黃土高原區(qū),有一半以上年份綜合效益指標(biāo)高于均值,而西北干旱區(qū)的綜合效益最低,在0.3—0.4之間。因此在研究年限里,綜合效益波動(dòng)變化,整體呈上升趨勢(shì),相較于經(jīng)濟(jì)效益,生態(tài)恢復(fù)帶來(lái)的生態(tài)效益改善對(duì)綜合效益的提高起主要作用。

圖4 研究區(qū)綜合效益分布Fig.4 The spatial and time maps of comprehensive benefits

圖5 研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)效益統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 The spatial and time statistic maps of zonal comprehensive benefits

3.3 重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型變化對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)效益的影響

3.3.1重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型時(shí)空變化

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型包括農(nóng)田、森林、草地、水體與濕地、荒漠、聚落和其他生態(tài)系統(tǒng)。自2000年到2015年,其變化分別為：減少0.07×104km2,增加0.08×104km2,減少1.97×104km2,增加0.35×104km2,增加2.64×104km2,減少1.09×104km2,增加0.06×104km2。其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)分別向森林和草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移0.47×104km2,主要集中在黃土高原區(qū)域,有1.57×104km2農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)變?yōu)榛哪鷳B(tài)系統(tǒng),集中在黃土高原區(qū)域和喀斯特區(qū)域；森林生態(tài)系統(tǒng)有0.39×104km2轉(zhuǎn)為荒漠生態(tài)系統(tǒng),草地生態(tài)系統(tǒng)有1.72×104km2轉(zhuǎn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),集中在西北干旱區(qū)；有0.04×104km2荒漠生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為水體與濕地生態(tài)系統(tǒng),有0.70×104和0.03×104km2聚落生態(tài)系統(tǒng)和其他生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

表2 生態(tài)系統(tǒng)類型變化轉(zhuǎn)移矩陣/%

結(jié)合表2可以看到,主要生態(tài)系統(tǒng)變化發(fā)生在農(nóng)田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)間,多分布在黃土高原區(qū)域和喀斯特區(qū)域。至2015年,農(nóng)田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)分別占研究區(qū)總面積的14.05%、19.14%和37.03%。推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的主要來(lái)源是草地、森林和聚落生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)類型的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出變化集中在2000年到2015年。

各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)類型分布玫瑰圖(圖6)顯示,食物供給服務(wù)主要受農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響并逐年增長(zhǎng)；森林的固碳服務(wù)最強(qiáng)；土壤保持服務(wù)表現(xiàn)最明顯的是森林；森林、水體與濕地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)能力最明顯,產(chǎn)水服務(wù)逐年增加。

3.3.2重點(diǎn)脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)顯著與不顯著區(qū)效果評(píng)價(jià)

將研究區(qū)劃分為生態(tài)恢復(fù)顯著和不顯著區(qū),顯著恢復(fù)區(qū)為轉(zhuǎn)為水域、森林和草地,不顯著恢復(fù)區(qū)主要是未發(fā)生變化或變?yōu)槠渌愋偷膮^(qū)域,如圖7所示。并對(duì)固碳、土壤保持、產(chǎn)水和食物供給服務(wù)、綜合效益進(jìn)行對(duì)比分析,采用 Welch 的T檢驗(yàn)來(lái)分析恢復(fù)顯著區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化(μA) 是否高于非顯著恢復(fù)區(qū)域(μB)。

圖6 各生態(tài)系統(tǒng)類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化玫瑰圖Fig.6 The rose diagram of ecological system services based on landuse1：農(nóng)田 Farmland；2：森林 Forest；3：草地 Pasture；4：水體與濕地 Water and wetland；5：荒漠 Desert；6：聚落 Settlement；7：其他 Others

T檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。可以看到,土壤保持、食物供給和產(chǎn)水服務(wù)的T值均小于檢驗(yàn)水平的P值0.05,兩組變量有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,原假設(shè)成立,即生態(tài)恢復(fù)顯著區(qū)土壤保持、產(chǎn)水服務(wù)和食物供給物質(zhì)量顯著高于不顯著區(qū),綜合效益的變化說明生態(tài)恢復(fù)狀況有所改善但不顯著。

圖7 生態(tài)恢復(fù)顯著區(qū)和不顯著區(qū)Fig.7 The map of restored regions and unrestored regions

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)Ecological system services indexTdfP均值 Mean values生態(tài)恢復(fù)顯著區(qū)Significant ecological restoration area 生態(tài)恢復(fù)不顯著區(qū)Insignificant ecological restoration area固碳功能Carbon sequestration-0.3022.190.77 > 0.05 180.77183.36食物供給Food supply9.2320.800.00 < 0.050.851.22產(chǎn)水服務(wù)Water production2.6929.690.01 < 0.05 67.1835.57土壤保持Soil conservation7.4229.720.00 < 0.05 1316.64576.31生態(tài)效益Ecological benefits0.1423.660.89 > 0.050.520.52經(jīng)濟(jì)效益Economy benefits1.9124.840.07 > 0.050.0020.004綜合效益Comprehensive benefits1.7629.960.09 > 0.05 0.550.52

4 討論

20世紀(jì)70年代以來(lái),中國(guó)陸續(xù)開展三北防護(hù)林、退耕還林、京津冀風(fēng)沙治理等生態(tài)恢復(fù)工程[12,14],森林和草地面積增加,植被生長(zhǎng)加速,生態(tài)破壞程度有所下降。研究計(jì)算了土壤保持、產(chǎn)水、固碳和食物供給服務(wù)物質(zhì)量,證實(shí)了生態(tài)恢復(fù)整體上改善了重點(diǎn)生態(tài)脆弱區(qū)土地利用結(jié)構(gòu),提高了區(qū)域森林覆被和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),有26.28%的區(qū)域綜合效益增加。不同生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化存在強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性特征,喀斯特區(qū)土壤保持、固碳和產(chǎn)水服務(wù)水平及綜合效益最高；森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳、土壤保持和產(chǎn)水服務(wù)都很顯著。T檢驗(yàn)結(jié)果也表明顯著恢復(fù)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化高于非顯著恢復(fù)區(qū)域,表明生態(tài)恢復(fù)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有促進(jìn)作用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化同時(shí)受氣候因子影響,以產(chǎn)水服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)最為明顯；進(jìn)一步開展重點(diǎn)生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理需要綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件和變化趨勢(shì)。

明確恢復(fù)成效對(duì)于后期實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程具有重要借鑒意義。目前在全國(guó)尺度上對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)的研究相對(duì)缺乏,本文選擇大尺度的研究區(qū)和連續(xù)的時(shí)間間隔,從宏觀上得到研究區(qū)生態(tài)狀況變好,生態(tài)恢復(fù)綜合效益改善20.86%。Feng等證實(shí)2000—2008年黃土高原地區(qū)固碳服務(wù)提升明顯,退耕還林還草的實(shí)施是黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改善的主要驅(qū)動(dòng)因素[1]。研究也得到黃土高原區(qū)固碳服務(wù)提高29.35%,食物供給服務(wù)提升明顯。青藏高寒區(qū)的食物供給服務(wù)增加87.38%,固碳服務(wù)增加28.53%,張惠遠(yuǎn)[39]、孫鴻烈等[40]的分析表明青藏高原區(qū)自2001年,森林覆蓋率提高0.8%,多數(shù)自然地帶內(nèi)的凈初級(jí)生產(chǎn)力呈增加趨勢(shì)；李昊等[41]證實(shí)西南喀斯特地區(qū)生態(tài)恢復(fù)工程對(duì)于遏制水土流失等起到積極的作用,研究同樣證實(shí)生態(tài)恢復(fù)促進(jìn)喀斯特區(qū)綜合效益提高1.12%,是改善效果最好的區(qū)域；姚俊強(qiáng)等[35]、Li等[31]、Guo等[32]、Wu等[60]研究的西北干旱區(qū)生態(tài)狀況暖濕化和北方風(fēng)沙區(qū)水土保持綜合效益的改善與本次研究中北方風(fēng)沙區(qū)恢復(fù)效果良好和西北干旱區(qū)需加以重視的結(jié)果一致。綜上可知,之前的研究多以恢復(fù)典型區(qū)或恢復(fù)工程為例,而本次研究結(jié)果既證實(shí)了黃土高原區(qū)食物供給服務(wù)顯著、青藏高原多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)提升、喀斯特區(qū)生態(tài)恢復(fù)效果在各區(qū)中最顯著、北方風(fēng)沙區(qū)土壤保持提高和西北干旱區(qū)固碳、食物供給服務(wù)良好并需進(jìn)一步加強(qiáng)；也得出脆弱區(qū)土壤保持、食物供給和產(chǎn)水服務(wù)分別提高23.65%、53.45%和23.31%,表明生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施的重要作用。

生態(tài)恢復(fù)效益評(píng)估和優(yōu)化是目前研究關(guān)注較多的一個(gè)方面?？v觀全文還有許多不足,文中評(píng)估指標(biāo)體系建立較為基礎(chǔ),沒有考慮其他復(fù)雜因素。同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最終目的是實(shí)現(xiàn)人口惠宜[28]以及可持續(xù)發(fā)展,在下一步的研究中將繼續(xù)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化方向與人類福祉是否具有一致性,尋找出最高效的生態(tài)恢復(fù)方略,在人地關(guān)系和諧發(fā)展的背景下,用最少的投入獲得最大的人類福祉效益。

5 結(jié)論

(1)2000—2015年間,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體提高20.86%,呈現(xiàn)東南高西北少的空間分布格局,其中食物供給增長(zhǎng)53.45%,土壤保持增加23.65%,產(chǎn)水服務(wù)提高23.31%；固碳服務(wù)變化率為-16.98%?？傮w上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈上升趨勢(shì),喀斯特區(qū)域的土壤保持、固碳和產(chǎn)水服務(wù)水平較高；黃土高原區(qū)、北方風(fēng)沙區(qū)和喀斯特區(qū)的食物供給服務(wù)較好。而西北干旱區(qū)的土壤保持、固碳和產(chǎn)水服務(wù)較弱。

(2)不同區(qū)域效益評(píng)價(jià)指標(biāo)值位于0—1之間,研究區(qū)綜合效益空間分布為：喀斯特區(qū)(0.81)>黃土高原區(qū)(0.62)>北方風(fēng)沙區(qū)(0.53)>青藏高原區(qū)(0.50)>西北干旱區(qū)(0.37),總體空間分布為東南向西北遞減,生態(tài)恢復(fù)使26.28%的區(qū)域綜合效益改善,生態(tài)水平提高。

(3)生態(tài)系統(tǒng)類型的變化集中在農(nóng)田、草地、荒漠和聚落生態(tài)系統(tǒng)。森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳、土壤保持和產(chǎn)水服務(wù)作用明顯,證實(shí)了其在生態(tài)恢復(fù)中的重要作用；T檢驗(yàn)的結(jié)果也反映了在生態(tài)恢復(fù)工程的作用下,研究區(qū)生態(tài)狀況逐漸改善,綜合效益向良好方向發(fā)展。因此,生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施提高了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平,促進(jìn)恢復(fù)效益的改善。