陜西省生態(tài)恢復(fù)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(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,西安 710119

2 福建師范大學(xué)馬克思主義學(xué)院,福州 350117

我國幅員遼闊,資源豐富,自然環(huán)境復(fù)雜多樣,區(qū)域生態(tài)狀況差異顯著。近年來,城市化快速發(fā)展,巨大的人口基數(shù)及其增長態(tài)勢,日益增長的物質(zhì)需求,高速增長的經(jīng)濟(jì)總量,對生態(tài)環(huán)境形成巨大壓力,人地矛盾幾乎無處不在,廣泛的資源開發(fā)及全球變化更加劇了這種沖突,并最終導(dǎo)致不同區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)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(tài)問題[1—3]。生態(tài)恢復(fù)不僅是扭轉(zhuǎn)由人類活動(dòng)引起的生態(tài)環(huán)境退化和生物多樣性損失,并保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等生態(tài)資源可持續(xù)供給的一項(xiàng)主要戰(zhàn)略措施,更是幫助退化、受損或毀壞的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)正常功能的過程[4]。為了有效治理我國的生態(tài)環(huán)境,恢復(fù)自然資源,20世紀(jì)90年代以來,我國針對相關(guān)生態(tài)問題開展了三北防護(hù)林、退耕還林還草、退牧還草、京津風(fēng)沙源治理和天然林保護(hù)等一系列的重大生態(tài)恢復(fù)工程[5—7]?？傮w來說,目前的生態(tài)恢復(fù)工程取得了顯著成效,不同生態(tài)問題得到了有效改善,相應(yīng)生態(tài)資源得到了極大恢復(fù)[8—10]。但如何更為全面的評估生態(tài)恢復(fù)效果,不同區(qū)域內(nèi)如何更好的因地制宜繼續(xù)開展生態(tài)恢復(fù)工作,仍是目前相關(guān)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。

針對生態(tài)恢復(fù)效益評估,眾多學(xué)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(chǎn)力指標(biāo),分析了我國5大脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)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(guān)參數(shù)對黃土高原生態(tài)恢復(fù)成效進(jìn)行研究。吳丹等以京津風(fēng)沙治理工程為研究對象,針對研究區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù),評估了相關(guān)生態(tài)工程的實(shí)施效果。這些涉及不同地區(qū)、不同對象的生態(tài)恢復(fù)效益研究,有利于明晰各個(gè)區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)狀況,并為生態(tài)恢復(fù)工程的進(jìn)一步實(shí)施和生態(tài)系統(tǒng)管理提供決策依據(jù)。然而,大部分研究在評估過程中沒有形成系統(tǒng)的理論框架,其選取的指標(biāo)往往相對單一,常常僅側(cè)重于某一個(gè)領(lǐng)域,無法形成對研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)效益的綜合性評價(jià)與整體認(rèn)知[14—16]。因此,針對區(qū)域生態(tài)恢復(fù)效益評估,構(gòu)建一套系統(tǒng)、全面的綜合效益評估框架,對于實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)生態(tài)恢復(fù)效果的科學(xué)認(rèn)識和生態(tài)恢復(fù)措施的進(jìn)一步實(shí)施調(diào)整具有現(xiàn)實(shí)意義。陜西省地處我國內(nèi)陸腹地,黃河流域中游,橫跨中溫帶、暖溫帶及北亞熱帶3個(gè)氣候帶,省內(nèi)高原、山地、平原和盆地錯(cuò)落分布,其自然環(huán)境復(fù)雜、生態(tài)資源豐富[17]。長久以來,由于人口增加,城鎮(zhèn)擴(kuò)張和林、牧業(yè)利用等人類活動(dòng)的持續(xù)影響,該區(qū)域植被破壞嚴(yán)重、土壤侵蝕強(qiáng)烈、生物多樣性持續(xù)降低。為應(yīng)對和解決相關(guān)環(huán)境問題,陜西省范圍內(nèi)接連實(shí)施了以退耕還林、天然林保護(hù)等為代表的一系列生態(tài)工程和恢復(fù)措施,并取得了較好的成效[17—19]。復(fù)雜的人類活動(dòng)對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的時(shí)空分布格局造成了顯著影響,然而在作為生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域的陜西地區(qū),從區(qū)域尺度上對陜西省生態(tài)恢復(fù)的綜合效益進(jìn)行評估總結(jié)的研究仍相對有限[20—23]。因此,以陜西省為研究區(qū),開展生態(tài)恢復(fù)綜合效益評估工作,將為該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的成果梳理和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提供理論依據(jù),為地區(qū)未來生態(tài)恢復(fù)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(qū),基于空間遙感數(shù)據(jù)和生態(tài)模型估算等理論、方法,嘗試從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)3個(gè)方面綜合評估區(qū)域內(nèi)2000—2015年生態(tài)恢復(fù)效益,并期望達(dá)到以下目的：(1) 基于土地利用、植被覆蓋度及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)的時(shí)空變化分析結(jié)果,分別展現(xiàn)2000—2015年這近16年來陜西省在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)方面的生態(tài)恢復(fù)成效；(2)結(jié)合冷、熱點(diǎn)分析、氣象數(shù)據(jù)、生態(tài)工程實(shí)施區(qū)域等數(shù)據(jù)和方法手段,分析研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)工程的有效性及合理性,為未來該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)措施的實(shí)施提供意見及建議,以達(dá)到將生態(tài)恢復(fù)效果最大化的目的。

1 方法及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)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(gè)氣候帶,南北氣候差異較大 (圖1)。陜南屬于北亞熱帶氣候,關(guān)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(qū),從北至南依次為黃土高原區(qū)(陜北地區(qū))、關(guān)中平原區(qū)(關(guān)中地區(qū))、秦巴山區(qū)(陜南地區(qū))。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(tài)系統(tǒng)、物種和遺傳基因的多樣性,在中國乃至東亞地區(qū)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(guān)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)評價(jià)的共計(jì)150余篇文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分析結(jié)果表明在有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化研究中,有近45%的文獻(xiàn)選取土地利用作為研究的主要指標(biāo)[24—25]。而在評估生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量方面,有超過40%的文獻(xiàn)選取植被覆蓋度作為核心指標(biāo)之一[26—27]?；谖墨I(xiàn)調(diào)查結(jié)果,結(jié)合研究特點(diǎn)及實(shí)際數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的評估指標(biāo),并選取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)評估研究區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化[28—29]。

1.2.1土地利用

本研究分別選取研究區(qū)2000、2005、2010和2015年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將研究區(qū)主要土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和裸地6種類型。利用變化貢獻(xiàn)率[30]以及變化強(qiáng)度指數(shù)[31]來表征陜西省2000—2015年間土地利用的結(jié)構(gòu)變化,同時(shí)利用轉(zhuǎn)移矩陣以更好地體現(xiàn)單一土地利用類型轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出及其年際變化。變化貢獻(xiàn)率、變化強(qiáng)度及轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算方法如下：

變化貢獻(xiàn)率,指某一土地利用類型發(fā)生變化的面積與同一時(shí)期內(nèi)所有發(fā)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(xiàn)率,Ubi指的是b時(shí)段第i種土地利用類型的面積,Uai是指a時(shí)段第i種土地利用類型的面積(b>a)。

變化強(qiáng)度,是指某一土地利用類型發(fā)生變動(dòng)的面積與該研究區(qū)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(qiáng)度,B為研究區(qū)土地利用類型總面積。

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

圖2 土地利用轉(zhuǎn)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(xiàn),通過如下公式計(jì)算獲得：

(3)

式中,Dij表示土地利用類型i轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù))構(gòu)建像元二分模型對植被覆蓋進(jìn)行反演[33—37]。計(jì)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(qū)域NDVI數(shù)值,NDVIv指的是完全被植被覆蓋區(qū)域NDVI數(shù)值。

1.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

本研究選取碳固定、水土保持、水源涵養(yǎng)和棲息地提供四種服務(wù)進(jìn)行評估,并根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)法對四種服務(wù)的總值進(jìn)行了估算[38—39]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)法利用NPP(Net Primary Productivity,植被凈初級生產(chǎn)力)與環(huán)境變量因子建立的因果關(guān)系構(gòu)建模型并進(jìn)行空間制圖,該方法已有效應(yīng)用于不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化研究[40—42],其各服務(wù)的空間制圖模擬方法如表1所示：

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間制圖方法

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

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(6)

式中,x為柵格數(shù)據(jù)中的具體像元,t為時(shí)間；NPP(x,t)為像元x上的植被在時(shí)間t內(nèi)的凈初級生產(chǎn)力；APAR(x,t)是像元x上的植被在時(shí)間t內(nèi)吸收的光合有效輻射；ε(x,t)是像元x上的植被在時(shí)間t內(nèi)的實(shí)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(guān)系數(shù)公式計(jì)算各指標(biāo)變化趨勢,并確定其變化顯著性[45—46],具體的計(jì)算公式為：

(7)

式中,r為相關(guān)系數(shù)；i為2000至2015年份；xi為時(shí)間i時(shí)的指標(biāo)變量；yi為時(shí)間i時(shí)的年份順序,即1至n,n=16。r的值域在-1到1之間,當(dāng)0r0.05為顯著相關(guān)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究中涉及的土地利用、NDVI等數(shù)據(jù)均來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心 (http://www.resdc.cn/Default.aspx),其數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km。氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),基于臺站氣象數(shù)據(jù),在ArcGIS軟件中進(jìn)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(shù)據(jù)。研究中涉及的土壤入滲能力、地表粗糙度、坡度數(shù)據(jù)、土壤侵蝕因子等土壤數(shù)據(jù)來自于中國土壤數(shù)據(jù)庫(http://vdb3.soil.csdb.cn/),為確保研究相關(guān)數(shù)據(jù)在空間尺度上的匹配性,所有柵格數(shù)據(jù)均被重采樣為1 km分辨率。

2 結(jié)果

2.1 土地利用變化

根據(jù)陜西省2000—2015年際土地利用變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2),研究區(qū)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(gè)研究區(qū)的面積比例僅為4.60%左右。在近16年內(nèi),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(shè)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(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)的變化貢獻(xiàn)率是41.44%。面積增加最大的是建設(shè)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(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)變化貢獻(xiàn)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(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)的變化貢獻(xiàn)率為22.32%。

表2 陜西省2000—2015年土地利用年際變化表

研究區(qū)2000—2015年土地利用空間分布結(jié)果表明(圖3),研究區(qū)的耕地主要分布在關(guān)中及陜北地區(qū)。林地的面積在陜南秦嶺地區(qū)有所擴(kuò)大,而陜北地區(qū)主要以草地為主。建設(shè)用地集中分布在關(guān)中地區(qū)尤其是西安市及其周圍地區(qū),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(jìn)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(zhuǎn)移矩陣分析結(jié)果如表3所示。其中,在扣除各土地利用類型轉(zhuǎn)出的面積之后,林地、水體和建設(shè)用地均呈現(xiàn)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(shè)用地。建設(shè)用地面積增加的主要來源是耕地,其貢獻(xiàn)率達(dá)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(xiàn)率分別為56.00%和42.68%。

表3 陜西省2000—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

同時(shí),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(xiàn)負(fù)向的凈變化。負(fù)向凈變化比例最大的為裸地,達(dá)到了-3.71%,其主要轉(zhuǎn)出類型為草地、耕地以及建設(shè)用地。負(fù)向凈變化比例第二大的土地利用類型為耕地,其主要轉(zhuǎn)出類型為建設(shè)用地,其次是草地和林地。負(fù)向凈變化最小的為草地,比例僅為-0.35%,其中有相當(dāng)一部分草地轉(zhuǎn)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,其結(jié)果如圖4所示,年平均植被覆蓋度總體上在波動(dòng)中呈現(xiàn)增加趨勢,且在2003—2013年間上升趨勢相對較為平穩(wěn)。平均植被覆蓋度在2000年為最低值,為76.23%。在2013年達(dá)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(jié)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(qū)主要集中分布在榆林市、延安市等陜北黃土高原地區(qū)。隨著向南的不斷推進(jìn),平均植被覆蓋度逐步增大,在關(guān)中地區(qū)以及陜南地區(qū)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(xiàn)出由南向北遞減的趨勢。

對研究區(qū)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(xiàn)增加的區(qū)域占全省面積比例為 87.95%,其中顯著增加區(qū)域面積比例為60.29%(P<0.05)。顯著增加的區(qū)域主要分布在陜北地帶,該區(qū)域以西安市為界,西安市以北地區(qū)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(fēng)治沙區(qū)和退耕還林區(qū)最為明顯。相對的,陜西省植被覆蓋減少區(qū)域面積占比為12.05%,其中顯著減少區(qū)域?yàn)?.38%(P<0.05)。這些區(qū)域主要集中在關(guān)中平原,尤其是西安市周邊地區(qū),此外,陜南部分地區(qū)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)

本研究對陜西省典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值進(jìn)行了估算,其最終值為無量綱數(shù)值,能夠有效代表研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化趨勢。年均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值變化趨勢如圖6所示,研究區(qū)2000—2015年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在波動(dòng)中整體持續(xù)改善,變化速率為1730/a。其中2001—2003年間服務(wù)總量波動(dòng)較大,分別于2001年達(dá)到16年間最低值,于2003年達(dá)到16年間最高值。2004—2010年間研究區(qū)服務(wù)總量相對穩(wěn)定增長,2011—2015年則在持續(xù)波動(dòng)中略有下降。

圖6 陜西省2000—2015年年均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值

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

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

3 討論

3.1 生態(tài)恢復(fù)綜合效益

在生態(tài)恢復(fù)的過程中,來自于自然和人為的因素都將對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和整體質(zhì)量產(chǎn)生影響,這些影響將改變生態(tài)系統(tǒng)的演變進(jìn)程,并最終體現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)所能提供的不同服務(wù)產(chǎn)生此消彼長的變化[47]。這一客觀進(jìn)程決定了生態(tài)恢復(fù)綜合效益評估是一個(gè)多屬性、多準(zhǔn)則的問題,本研究嘗試以生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)為框架,選取指標(biāo)對陜西省生態(tài)恢復(fù)綜合效益進(jìn)行了評估。

評估結(jié)果表明,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)在這近16年間,總體均呈現(xiàn)逐步改善和增強(qiáng)的趨勢。其中,以土地利用為代表的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)林地不斷增加,耕地持續(xù)減少的變化結(jié)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(zhuǎn)化,這與研究區(qū)域內(nèi)持續(xù)推行的退耕還林及天然林保護(hù)等生態(tài)恢復(fù)措施效果相吻合。結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變帶來了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化,研究區(qū)60.29%的區(qū)域植被覆蓋呈顯著增加趨勢(圖5)。而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化同樣顯著,研究區(qū)32.30%的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量顯著增加(圖7),充分說明了近年來陜西省各項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)措施成效斐然。

為了更好的闡明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)的空間變化特點(diǎn),本研究選取生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)(植被覆蓋)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量同時(shí)顯著增加及減少的地區(qū)進(jìn)行空間疊加分析,分別構(gòu)成生態(tài)恢復(fù)熱、冷點(diǎn)地區(qū)(圖8)[48]。如圖所示,陜西省生態(tài)恢復(fù)熱點(diǎn)地區(qū)主要集中在陜北地區(qū),對該區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),熱點(diǎn)地區(qū)內(nèi)2000—2015年土地利用發(fā)生變化最大的轉(zhuǎn)化類型分別為耕地轉(zhuǎn)化為林地(565 km2),草地轉(zhuǎn)化為林地(419 km2),耕地轉(zhuǎn)化為草地(345 km2)(圖9)。同時(shí)以縣為單位對陜西省主要生態(tài)工程(包括退耕還林、三北防護(hù)林和天然林保護(hù)工程)實(shí)施區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以看出三類大型生態(tài)工程重點(diǎn)覆蓋區(qū)域正是陜北地區(qū)(圖8)。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及服務(wù)的變化均證實(shí)了生態(tài)恢復(fù)措施在該區(qū)域的有效性。

圖9 冷、熱點(diǎn)地區(qū)土地利用變化統(tǒng)計(jì)(前3位)

3.2 現(xiàn)存生態(tài)問題

盡管研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境不斷恢復(fù),但現(xiàn)存的一些生態(tài)問題仍然值得關(guān)注。土地利用變化過程中建設(shè)用地大幅增加,植被覆蓋及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量在城市群區(qū)域內(nèi)顯著下降,各項(xiàng)分析結(jié)果均表明以城市擴(kuò)張為代表的人類活動(dòng)對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)產(chǎn)生了明顯的負(fù)向影響。例如,生態(tài)恢復(fù)冷點(diǎn)地區(qū)就主要集中在關(guān)中地區(qū)的城市群區(qū)域,排名前三的冷點(diǎn)地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化情況則分別為耕地轉(zhuǎn)化至建設(shè)用地,林地轉(zhuǎn)化至建設(shè)用地和草地轉(zhuǎn)化建設(shè)用地(圖8和圖9)。

與此同時(shí),生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)的時(shí)空變化不僅與人類活動(dòng)息息相關(guān),同時(shí)也在一定程度受到自然因素(溫度、降水等)的影響。本研究結(jié)果表明,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值除了在城市分布區(qū)域顯著下降外,同時(shí)在關(guān)中及陜南地區(qū)呈現(xiàn)出了非顯著性的下降趨勢(圖7)?；跉庀髷?shù)據(jù),結(jié)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(guān)中地區(qū),溫度呈現(xiàn)增加趨勢,降水則呈現(xiàn)下降趨勢,而陜南的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)下降區(qū)域與陜南降水呈減少趨勢的區(qū)域范圍基本吻合。暖干化的氣象因素對處于干旱半干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展將帶來較大的制約影響[49—50]。因此,在未來的生態(tài)恢復(fù)資源投入及實(shí)際操作中,應(yīng)注意相關(guān)區(qū)域生態(tài)工程與自然因素的相互配合,因地制宜地選擇植被恢復(fù)物種及種植措施,以保證生態(tài)恢復(fù)的有效性和持續(xù)性[51—52]。

圖10 陜西省2000—2015年溫度降水變化趨勢

4 結(jié)論

1)近16年來陜西省生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)總體均呈現(xiàn)逐步改善和增強(qiáng)的趨勢。同時(shí),研究區(qū)城市擴(kuò)張明顯,并由此引發(fā)了城市區(qū)域植被覆蓋下降、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值降低等負(fù)向生態(tài)影響。在未來的區(qū)域發(fā)展建設(shè)過程中,應(yīng)注重改善城市建設(shè)范圍中的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,合理規(guī)劃城市建設(shè)用地。

2)陜南地區(qū)植被覆蓋及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值中均值較高,特別是秦嶺地區(qū),生態(tài)環(huán)境較為優(yōu)越。陜北地區(qū)植被覆蓋及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均呈現(xiàn)顯著增加趨勢,未來區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?jiān)持現(xiàn)有的生態(tài)恢復(fù)策略,維持區(qū)域內(nèi)目前生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和服務(wù)向好發(fā)展的勢頭,將對未來區(qū)域的建設(shè)發(fā)展提供有效助力。

3)盡管不同生態(tài)工程已經(jīng)覆蓋了陜西省全境,但受氣象因素中水分限制的影響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值在陜西省中部及東南部地區(qū)仍然呈現(xiàn)出了非顯著性的下降趨勢。在未來相關(guān)區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)過程中,應(yīng)注意干旱環(huán)境對生態(tài)恢復(fù)效果的影響,因地制宜地選取生態(tài)工程措施,將生態(tài)恢復(fù)的成效最大化。