基于生態系統服務視角的生態風險評估及生態修復空間辨識
——以長江源區為例

付夢娣, 唐文家, 劉偉瑋, 何躍君, 朱彥鵬,*

1 中國環境科學研究院, 國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室, 北京 100012

2 青海省生態環境監測中心, 西寧 810007

3 北華航天工業學院, 廊坊 065000

隨著生態文明體制改革的不斷深入,推動山水林田湖草整體保護、系統修復和綜合治理已得到廣泛的研究與發展。辨識生態修復空間是進行生態修復與重建的重要前提,有助于實現生態環境的精準治理,有利于維護和提升區域生態系統服務,增進人類福祉。目前生態修復空間辨識研究,多以行政單元[1]、自然保護地[2]或單一生態系統[3- 4]為研究對象,缺乏系統性、整體性考慮,不能正確認識區域生態問題性質及產生的根源,生態修復空間范圍及規模的判定缺少科學依據[5]。如何從生態系統整體性和流域系統性出發,構建以問題為導向的生態修復空間辨識指標體系,已成為生態學研究的熱點問題之一。在系統梳理生態空間評價理論及相關研究基礎上,已有研究在以下三方面取得較大科學共識：①綜合考慮自然生態系統結構和功能的完整性,以流域、山體山脈等相對完整的自然地理區域為基本單元開展生態保護修復研究是最合適的[6- 7]。②生態系統服務是聯系生態系統過程與社會福祉的有效工具,將其引入到生態風險評價中,在發現問題階段中可明確保護對象及其屬性,在風險分析階段可聯系生態系統結構過程作用,在風險表征階段及后續階段能可提供清晰明確的評價結果,加強風險交流和管理[8]。③在科學診斷自然生態系統退化的面積、分布、程度基礎上,按照“一塊區域、一個問題、一種技術、一項工程”的思路[9],識別生態修復工程的重點區域,精細化制定生態保護修復方案,科學確定工程的布局、任務與時序[10- 11]。

長江是中華民族的母親河,也是中華民族發展的重要支撐。長江源區占長江流域總面積的7.8%,干流長度占長江總長度的18.6%,多年平均水量占長江流域水資源總量的25%。區域內發育和保持著世界上原始、大面積的高寒生態系統,尤其是冰川雪山、高海拔濕地、高寒草原草甸具有極其重要的水源涵養功能。近幾十年,由于受到氣候變化與人類活動的共同影響,源區生態系統持續退化,嚴重威脅著中下游地區的生態安全與可持續發展。為遏制源區生態系統的持續退化,國家實施了青海三江源生態保護和建設一期、二期工程等重大工程,以及退牧還草、退耕還林、天然林資源保護等專項工程。由于缺乏系統性、整體性考慮,工程的實施未能根本性扭轉植被退化局面、遏制土壤水蝕增加趨勢[12]。本研究圍繞長江源區生態保護修復的科學決策和精準施策需要,開展區域主導生態系統服務評估,構建基于生態系統服務逆向轉化的生態風險評估模型,綜合生態風險評估和植被退化評價結果,識別長江源區生態修復區,以期為青藏高寒區生態系統服務功能維護和提升、退化草地的修復治理提供技術支撐,解決科研成果不落地的問題。

1 研究區概況

長江源區(直門達水文站以上流域)位于青藏高原腹地,平均海拔4716 m,涉及玉樹市、雜多縣、稱多縣、治多縣、曲麻萊縣、格爾木市,總面積14.75萬km2(圖1)。研究區多年平均氣溫-5.6—7.8 ℃,平均降水量為286—887.42 mm,年平均徑流量約130億m3,主要源流有當曲、沱沱河、楚瑪爾河。草地植被以線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、和紫花針茅(Stipapurpurea)為主,具有稀疏、低矮、結構簡單等特點。野生植物形態以矮小的草本和墊狀灌叢為主,喬木有大果圓柏(Sabinatibetica)、青海云杉(Piceacrassifolia)等。國家級重點保護動物有50種,其中國家一級重點保護動物有雪豹(Pantherauncia)、金錢豹(Pantherapardus)、藏羚(Pantholopshodgsonii)等16種,國家二級重點保護動物40種。

圖1 長江源區地理位置

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

①氣象數據來源于研究區及其周邊氣象臺站數據,包括氣溫、相對濕度、降水、蒸發、風速和日照等。各氣象站點的潛在蒸散(ET0)采用聯合國糧農組織(FAO)1998年對Penman-Monteith模型修訂后的版本[13]計算獲得。采用ANUSPLIN[14]對氣象數據進行空間插值。②雪深數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心的中國雪深長時間序列數據集[15]。③土地利用數據來源于青海省多期土地利用遙感監測數據集[16],空間分辨率30 m,時間序列2000年、2015年。④植被指數數據來源于MOD13Q1 16 d合成產品,空間分辨率250 m,時間序列2000—2015年。采用最大值合成法(maximum value composite, MVC)合成研究區逐年NDVI數據[17]。⑤土壤數據來源于青海省土壤信息系統空間數據庫。

2.2 研究方法

傳統的生態風險評價主要依據是點源性威脅、區域景觀格局變化等生態實體特征指標,忽略了與實體功能屬性密切相關的人類福祉因素[18]。本文將生態系統服務納入生態風險評估,結合植被長時序變化趨勢分析,在診斷植被退化的面積、分布、程度基礎上,識別生態修復工程的重點區域,有利于精細化制定生態保護修復方案。根據研究區生態特征和主要生態問題,選擇水源涵養、防風固沙、土壤保持、固碳4種主導生態系統服務,開展2000年、2015年各類生態系統服務評估；基于生態系統服務逆向轉化概率和損失量,建立長江源區生態風險等級判定矩陣,形成生態風險評估結果；基于2000—2015年逐年NDVI的趨勢檢驗分析,評價植被退化程度；綜合生態風險評估和植被退化評價結果,識別長江源區生態修復優先區。

2.2.1水源涵養功能評估

采用水量平衡方程計算水源涵養量[19],計算公式為：

式中,TQ為總水源涵養量(m3)；Pi為降雨量(mm);Ri為地表徑流量(mm)；ETi為蒸散發量(mm)；Ai為i類生態系統的面積(km2)；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。

2.2.2防風固沙功能評估

采用修正風蝕方程(RWEQ)計算防風固沙量[20-21],計算公式為：

Qsf=SLP-SL

式中,Qsf為防風固沙量(t km-2a-1)；SLP為潛在風蝕量(t km-2a-1)；SL為實際風蝕量(t km-2a-1)。

2.2.3土壤保持功能評估

采用修正通用水土流失方程(RUSLE)計算土壤保持量[22],計算公式為：

Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C)

式中,Ac為土壤保持量(thm-2a-1)；Ap為潛在土壤侵蝕量(thm-2a-1)；Ar為實際土壤侵蝕量(thm-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)；L為坡長因子,S為坡度因子,無量綱；C為土地覆蓋和管理因子,無量綱。

2.2.4固碳功能評估

選取NPP作為生態系統固碳功能的表征,采用CASA模型計算NPP[23],計算公式為：

NPP(x,t)=APAR×ε(x,t)

式中,NPP(x,t)為像元x在t月份的凈初級生產力(gC/m2)；APAR(x,t)為像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)為像元x在t月份的實際光能利用率(gC/MJ)。

2.2.5生態風險評估

對2000年和2015年各類生態系統服務做標準化處理,將各自逆向轉化區疊加分析,形成生態系統服務逆向轉化概率。如果某一柵格單元內4種生態系統服務的值均發生逆向轉化,則該柵格單元逆向轉化概率為1；如果有3種生態系統服務發生逆向轉化,則該柵格單元逆向轉化概率為0.75；以此類推,可判定逆向轉化概率0.5、0.25和0。將各類生態系統服務逆向轉化物質量疊加,按柵格單元服務物質量大小進行排列,分別將累積服務物質量占前10%、10%—20%、20%—100%的柵格單元劃分為輕度損失、中度損失和重度損失3個等級,形成生態系統服務損失量評價結果[24]。借鑒《建設工程項目管理規范》GB/T 50326—2017中的風險等級關系矩陣(表1),綜合生態系統服務逆向轉化概率和損失量,判定生態風險等級。

表1 基于生態系統服務的生態風險等級判定矩陣

2.2.6植被退化趨勢評價

根據《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標》GB 19377—2003、青藏高原植被退化實際情況和相關研究,選擇歸一化植被指數(NDVI)作為植被退化的遙感監測指標[25- 26],將長江源區2000—2015年植被退化程度分為3級：未退化、輕度退化、中重度退化[27- 28](表2)。采用Sen+Mann-Kendall趨勢檢驗分析法對長江源區2000—2015年NDVI變化趨勢及空間格局進行分析[29- 30]。該方法可以對定量數據的趨勢變化進行統計意義上的顯著性檢驗,具有樣本不遵從某一特定分布、適用經過刪檢(刪去低于或高于某水平的觀測值)、規避誤差能力較強等優點[31]。

表2 基于植被覆蓋度的植被退化程度分級

Sen趨勢度計算公式為：

式中,NDVIi和NDVIj為各柵格第i年和第j年NDVI最大合成值。當β>0時,反映NDVI呈上升趨勢,反之為下降趨勢。

Mann-Kendall顯著性檢驗計算公式為：

式中,Z為檢驗結果；s為中間參數。取顯著水平α=0.05,Z1-α/2=Z0.975=1.96,|Z|≥1.96呈顯著變化,|Z|<1.96呈不顯著變化。

3 結果

3.1 生態系統服務

按照生態系統分類體系,長江源區生態系統類型有森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮、荒漠、冰川/永久積雪、裸地9大類。其中草地生態系統面積10.62萬km2,占比約72%；森林生態系統面積占比0.2%；灌叢生態系統面積占比2.28%；濕地生態系統面積占比8.8%,大于0.5 km2的湖泊約160個,主要有可可西里湖、西金烏蘭湖、庫賽湖、卓乃湖、多爾改錯、太陽湖等。

2000年、2015年單位面積水源涵養量分別為36.88、30.22 mm,水源涵養總量分別為54.39、44.27億m3；單位面積防風固沙量分別為28.96、31.52 t/hm2,防風固沙總量分別為4.27億t、4.65億t；單位面積土壤保持量分別為12.49、9.63 t/hm2,土壤保持總量分別為1.84、1.42億t；NPP分別為87.91、88.34 g Cm-2a-1, NPP總量分別為1296.4萬t、1302.74萬t。總體上,長江源區生態系統服務空間分布具有明顯的地區差異性,呈現從西北部向東南部增加的趨勢(圖2)。東南部河谷階地、凍融平原的單位面積生態系統功能量較大,西南部高山、極高山次之,北部相對平緩的山前沖積扇、高山河谷灘地、湖盆灘地單位面積生態系統功能量較小。

3.2 生態風險評估

生態系統服務逆向轉化高、中、低概率區域占比分別為49.18%、39.17、11.65%,呈現從南至北降低的趨勢。生態系統服務輕度、中度、重度損失區域占比分別為72.77%、20.56%、6.67%,東南部河谷階地、凍融平原和西南部高山、極高山生態系統服務損失量較大。綜合評估結果表明,長江源區基于生態系統服務的生態風險以1、2、3級中低風險為主。其中生態風險1級區面積1.63萬km2,占比11.07%；2級區面積5.62萬km2,占比38.14%；3級區面積3.72萬km2,占比25.2%。生態風險等級最高的5級區面積0.92萬km2,占比僅6.24%,集中分布于稱多、玉樹和唐古拉山。4級區面積2.85萬km2,占比19.35%。不同風險等級呈圈層遞減的分布格局(圖3)。

圖3 長江源區生態風險等級空間分布圖

3.3 植被退化趨勢評價

受氣候變化和人類活動的雙重影響,2000—2015年長江源區NDVI呈逐漸增加趨勢,增長率為0.013%/a。植被改善區域(Sen>0)面積8.16萬km2,占比55.02%；不顯著變化區域(Sen=0)面積0.76萬km2,占比5.16%；植被退化區域(Sen<0)面積5.9萬km2,占比39.82%。綜合Sen+Mann-Kendall趨勢檢驗分析結果,未退化草地面積14.46萬km2,占比98.09%。但是部分地區存在著顯著退化現象,中重度退化草地面積1605.12 km2,占比1.09%；輕度退化草地面積1216.37 km2,占比0.82%(圖4)。

圖4 2000—2015年長江源區植被退化等級空間分布圖

3.4 生態修復優先區識別

采用綜合指數法,對生態風險評估和植被退化評價結果進行等權重疊加,獲得長江源區生態修復優先區評價結果。采用ArcGIS中Natural Breaks聚類方法,對評價結果進行分級。對優先級較高區域進行聚合操作(ArcGIS中aggregate polygon),得到完整連片的生態修復優先區(圖5)。優先級較低的區域面積為13.59萬km2,占比92.16%；一般的區域面積為0.87萬km2,占比5.93%；較高的區域面積為0.28萬km2,占比1.92%,主要有不凍泉(67.22 km2)、昂日曲(55.64 km2)、麻多鄉北(32.24 km2)、加巧曲(51.42 km2)、大旺路(50.21 km2)、曲果馬夏(35.18 km2)、多彩曲(24.9 km2)、稱多縣北(46.16 km2)、扎曲(30.78 km2)等地塊。

圖5 長江源區生態修復優先區空間分布圖

4 討論

基于山水林田湖草生命共同體理念,以維護和提升區域重要生態系統服務為目標,構建了基于生態系統服務逆向轉化的生態風險評估模型,結合植被退化評價結果,識別了長江源區生態修復優先區。對于優先級較低的區域,嚴格實行草畜平衡政策,使人畜與自然環境承載力相協調,實行季節性休牧和輪牧,加強保護措施,促進生態系統自然恢復。對于優先級一般的區域,以自然修復為主、生物措施與工程措施相結合,治理黑土灘、沙化土地、水土流失,實現生態系統的格局優化、系統穩定和功能提升,促進區域生物多樣性的恢復。修復期間實施嚴格的禁牧制度,待恢復后開展休牧、輪牧形式的適度利用,并加強嚴格保護。對于優先級較高區域,實施嚴格封禁措施。根據植被退化程度和立地條件,分別實施沙化地修復、黑土灘修復、草原有害生物防控工程等人工干預和保護措施,使生態系統得到有效恢復。其中,針對不同沙化土地類型,采取封沙育林育草、人工造林種草、工程治沙、復合治沙等多種措施,促進沙生植被恢復,遏制流沙危害。

青藏高原現有的草原、灌叢、森林等植被是在長期嚴酷的自然環境下形成的,在維持生態系統服務、保障區域生態安全格局和響應全球氣候變化等方面發揮著重要的作用[32]。本文將生態系統服務納入生態風險評估,構建的青藏高原生態修復空間辨識框架能為流域尺度生態安全格局構建、退化生態系統的修復治理提供研究思路和技術途徑。建議圍繞以下方面開展深入研究：①目前基于生態系統服務的生態風險評估以回顧性評估為主,需結合研究區生態特征和主要生態問題,開展動態的生態風險評估,模擬不同驅動因素、管控措施情景下生態系統服務的時空演變,進而提高風險管理的效率。②基于遙感的植被長時序變化特征分析實現了退化生態系統的定量化、可視化評價,需深入開展氣候變化和人類活動對退化生態系統的影響機制及定量模擬研究,以期對退化生態系統的驅動因素實現精準管控。③從布局優化、系統穩定、功能提升等方面篩選生態評估指標和方法,構建適用于不同區域的生態保護修復技術體系,并推動多尺度評價結果的融合與應用。

5 結論

(1)長江源區生態系統單位面積水源涵養量、土壤保持量分別下降18.06%、22.9%,單位面積防風固沙量增加8.84%,NPP未發生顯著變化。生態系統服務空間分布上呈現從西北部向東南部增加的趨勢。

(2)長江源區生態風險以1、2、3級中低風險為主,面積占比共計74.41%；4級區占比19.35%；5級區占比僅6.24%,集中分布于稱多、玉樹和唐古拉山。不同風險等級呈圈層遞減的分布格局。

(3)2000—2015年長江源區NDVI增長率為0.013%/a。絕大部分植被未發生退化,僅有部分地區存在著不同程度退化現象。其中,中重度退化面積占比1.09%；輕度退化面積占比0.82%。

(4)對于生態恢復優先級較低的區域,嚴格實行草畜平衡政策；對于優先級一般的區域,以自然修復為主、輔以人工修復,治理黑土灘、沙化土地、水土流失,修復期間禁牧,待恢復后進行劃區輪牧和草畜平衡管理；對于昂日曲、麻多鄉北、加巧曲等優先級高的地塊,嚴格封禁,根據植被退化程度和立地條件,分別實施沙化地修復、黑土灘修復、草原有害生物防控工程等人工干預和保護措施。