華北地區(qū)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的水資源效應(yīng)研究

孫思琦，陳永喆，王聰，胡慶芳，呂一河

（1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2.城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；4.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；5.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029）

一、前言

植被保護(hù)與恢復(fù)旨在通過適當(dāng)措施來維持植被的合理結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)過程，使生態(tài)系統(tǒng)在健康、穩(wěn)定、可持續(xù)狀態(tài)下為人類提供重要的生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)[1,2]。數(shù)十年來，我國開展的多個大規(guī)模的植被生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程[3]，在提高植被覆蓋度、改善景觀結(jié)構(gòu)和土地利用格局的同時，形成了維持生態(tài)系統(tǒng)碳固定、土壤保持、洪水調(diào)蓄等重要的服務(wù)功能。有關(guān)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的研究，從政策、策略引申到技術(shù)與方法[4]，更多地關(guān)注了生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)過程的生態(tài)效應(yīng)[5]以及對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力、脆弱性、穩(wěn)定性等生態(tài)系統(tǒng)特性的影響[6～8]。在以新型城鎮(zhèn)化為標(biāo)志的經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展過程中，水資源短缺成為制約自然-社會生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[9]，在干旱、半干旱區(qū)實(shí)施生態(tài)工程建設(shè)對水資源的影響效應(yīng)備受關(guān)注。華北地區(qū)位于半濕潤半干旱地區(qū)，城鎮(zhèn)化率較高，又是農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，居民生活和農(nóng)田灌溉的水資源需求量大，因而地下水超采嚴(yán)重、水資源相對短缺[10]。

水資源效應(yīng)研究有助于評價水資源有限區(qū)域的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)策略的成本及成效，利用評價結(jié)果指導(dǎo)植被保育與恢復(fù)過程中的水資源配置，從而制定適應(yīng)當(dāng)?shù)厮Y源條件的植被保育與恢復(fù)策略，促進(jìn)植被恢復(fù)的可持續(xù)管理并保障社會用水需求。目前，針對華北地區(qū)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)影響而開展的植被變化及其水資源效應(yīng)的整體性、綜合性評估研究較少。以華北地區(qū)的子區(qū)域?yàn)閷ο螅芯苛酥脖粎⒘颗c水分量之間的關(guān)系，獲得了地表徑流隨植被覆蓋度的增加而減少[11]、植被生產(chǎn)力對蒸散發(fā)具有顯著影響等結(jié)論[12]。針對全國及其他區(qū)域的研究表明，植被的擴(kuò)張主要以引起冠層蒸騰方式來影響大氣與土壤之間的物質(zhì)循環(huán)及能量流動[13～15]，導(dǎo)致了徑流減少，也使生態(tài)系統(tǒng)與人類之間的用水需求發(fā)生潛在沖突[16]。相比植樹造林，自然恢復(fù)的保護(hù)措施所需耗水量較少[17,18]，可計算人工林的水分承載力閾值來協(xié)調(diào)植被恢復(fù)面積與水資源供給之間的權(quán)衡關(guān)系[19]。綜合來看，植被恢復(fù)過程需全面考慮水文循環(huán)變化條件下的水資源效應(yīng)問題，應(yīng)權(quán)衡植被恢復(fù)與水資源可持續(xù)利用需求。

本文結(jié)合多源水參量數(shù)據(jù)，定量研究華北地區(qū)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)區(qū)的水資源和植被參量變化之間的關(guān)系，以量化植被保育與恢復(fù)措施對水資源的影響程度；考慮華北地區(qū)水土資源條件和植被保育與恢復(fù)需求，提出適應(yīng)水土資源條件的植被保育與恢復(fù)策略，以期為區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展提供基礎(chǔ)參考。

二、研究方法與數(shù)據(jù)來源

（一）研究區(qū)概況

以華北地區(qū)（包括北京市、天津市、河北省、河南省、山西省、山東省）的5類生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程區(qū)域作為對象研究，分別是自然保護(hù)區(qū)（NA）、天然林保護(hù)工程（NFPP）、京津風(fēng)沙源（BTSSCP）、三北防護(hù)林（TNSFP）、退耕還林工程（GFG）。這5類工程的總面積為3.49×105km2，約占華北地區(qū)總面積的50.4%，集中分布在河北北部、山西大部、河南西南部；關(guān)于面積占比，GFG為36.8%，TNSFP為22.8%，NFPP為17.37%，BTSSCP為15.67%，NA為4.74%。研究區(qū)域的地勢北高南低，平均海拔為882.8 m，包含太行山山脈、部分黃土高原；年均降水量約為638.9 mm，涉及海河流域、淮河流域、黃河流域下游。

研究區(qū)域具有多樣的植被類型，包括三大植被帶：臨接內(nèi)蒙古高原的冀北高原和冀北山地的溫帶草原地帶，位于華北平原、西部太行山脈東麓及秦嶺東延山地的暖溫帶落葉闊葉林地帶，南部豫西、豫南山地區(qū)域的北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林地帶[20]；受溫帶季風(fēng)氣候影響顯著，屬于半濕潤半干旱地區(qū)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，秋冬季較短，光照充足，適宜植被生長。此外，區(qū)域人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，強(qiáng)烈的人類活動干擾導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

（二）研究方法及數(shù)據(jù)來源

首先應(yīng)用水量平衡公式表達(dá)各水分量之間的關(guān)系（水盈余量=降水量-徑流量-蒸散發(fā)量），反映無人類用水情況下陸地水儲量的變化[21]；其次利用線性擬合方式，計算近20年來植被參量、各水分量的年際變化趨勢及速率，通過P值判斷變化是否顯著（P＜0.05視為顯著變化）；最后通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)和莫蘭指數(shù)，量化植被參量與各水分量變化之間的時間/空間相關(guān)性[22]。具體計算過程如圖1所示。

圖1 研究采用的技術(shù)路線圖

選取降水量、徑流量、蒸散發(fā)的多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，將空間分辨率統(tǒng)一為0.1°、時間分辨率統(tǒng)一為月尺度，以各數(shù)據(jù)產(chǎn)品的平均值作為最終的氣候因子空間分布數(shù)據(jù)[23,24]，將12個月份值相加作為年尺度數(shù)值。植被參量為可表征植被生長狀況的葉面積指數(shù)（LAI）、可代表植被生物量的凈初級生產(chǎn)力（NPP），LAI每個像元的年最大值作為當(dāng)年的LAI值。生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程區(qū)域包括NA、NFPP、BTDSS、TNSFP、GFG，邊界數(shù)據(jù)來源詳見表1。

表1 研究數(shù)據(jù)信息及來源

三、研究結(jié)果

（一）生態(tài)保育與恢復(fù)下的植被參量變化

計算得到了2002—2018年華北地區(qū)NPP、LAI的變化情況，可從生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)兩方面揭示中長期植被恢復(fù)的效果及變化特征。NPP、LAI均表現(xiàn)為顯著增加的趨勢（P＜0.05），增加速率分別為7.63 kg·C/（m2·a-2）、0.04/a2，年均值分別由433.8 kg·C/（m2·a-2）、1.9/a2增加至557.2 kg·C/（m2·a-2）、2.61/a2（見圖2）。從空間計算結(jié)果看，過去20年各省份的NPP、LAI均有增長，平均幅度分別為17.83%、27.55%；北京市的NPP、山西省的LAI增幅最高。在生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程內(nèi)，NPP顯著增加的面積比例為48.6%，LAI顯著增加的面積比例為73%；NPP顯著降低的面積比例為1.9%，LAI顯著降低的面積比例為1.5%。整體上，華北地區(qū)的植被保護(hù)和恢復(fù)工程效果顯著，山西省和北京市尤為突出。對比工程區(qū)內(nèi)外的LAI、NPP變化趨勢及速率，可呈現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程對植被的保護(hù)成效：工程區(qū)內(nèi)的NPP、LAI增加速率分別為7.63 kg·C/（m2·a-2）、0.04/a2，工程區(qū)外的NPP、LAI增加速率分別為3.32 kg·C/（m2·a-2）、0.02/a2；工程區(qū)內(nèi)兩類植被參量的變化速度均高于工程區(qū)外，其中工程區(qū)內(nèi)的NPP增度約為工程區(qū)外的2.3倍。

圖2 華北地區(qū)NPP和LAI的變化趨勢（2002—2018年）

（二）生態(tài)保育與恢復(fù)下的水參量變化

由圖3可見，生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)區(qū)的降水量、徑流都呈不顯著的增加趨勢，年均降水量約為583.7 mm，均在2003年達(dá)到峰值；蒸散發(fā)顯著增加（5.71 mm/a2，P＜0.05），水分盈余量顯著下降（-3.08 mm/a2，P＜0.05）。按照水量平衡方程分析，蒸散發(fā)的大幅度增加是引起水分盈余量下降的主要原因。

圖3 華北生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)區(qū)的水參量變化趨勢（2002—2018年）

由圖4可見，蒸散發(fā)在華北地區(qū)各省份表現(xiàn)出顯著增加的趨勢（P＜0.05），同時水儲量均表現(xiàn)出下降趨勢；降水和徑流的變化表現(xiàn)出空間異質(zhì)性，如北京市的降水量顯著增加（8.64 mm/a）使得蒸散發(fā)快速增加（7.07 mm/a）情況下的水儲量緩慢下降（1.85 mm/a），山西省降水量的下降（-5.1 mm/a）使得蒸散發(fā)緩慢增加情況下（3.48 mm/a）的水儲量快速降低（5.94 mm/a）。因此，降水量、蒸散發(fā)共同決定了水儲量的變化趨勢，但整體來看降水量變化不顯著，而蒸散發(fā)在過去20年中起到主要作用。

圖4 華北地區(qū)各省份的水參量變化趨勢（2002—2018年）

（三）植被與水分量變化的相關(guān)性分析

自然生態(tài)系統(tǒng)的植被生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)影響了水分循環(huán)與再分配。由皮爾遜相關(guān)系數(shù)得出，ET與LAI、NPP呈顯著正相關(guān)，年際變化趨勢均為顯著增加；WD與LAI、NPP呈顯著負(fù)相關(guān)，年際變化趨勢為顯著下降（見圖5和圖6）。

圖5 植被參量與水分量相關(guān)性分析

圖6 植被參量與ET和WD的年際變化趨勢

將4種參量空間變化趨勢進(jìn)行雙因素莫蘭指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，LAI、NPP與ET的顯著關(guān)系中以“高-高”“低-低”為主，分別占有顯著性關(guān)系區(qū)域的76.1%、72.7%；與WD的顯著關(guān)系中以“低-高”“高-低”為主，分別占有顯著性關(guān)系區(qū)域的74.9%、69.4%（見圖7）。這就在空間上驗(yàn)證了LAI、NPP與ET的正相關(guān)，與WD的負(fù)相關(guān)關(guān)系。整體而言，在生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)區(qū)內(nèi)，自然生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的迅速增加一方面與氣候有關(guān)，但更重要的影響來自植被恢復(fù)；這是山西中部、河北北部水分盈余量加速下降的主要原因。

圖7 植被參量與ET和WD的雙因素莫蘭指數(shù)分析

四、進(jìn)一步的討論

人類活動是植被恢復(fù)最主要的影響因素[35]。過去20年，華北地區(qū)生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程成效顯著，植被葉面積指數(shù)、NPP均有顯著提升；區(qū)域內(nèi)的蒸散發(fā)表現(xiàn)出顯著增加趨勢，在降水、徑流變化不顯著的情況下，水盈余量逐漸降低。然而，各水分量變化趨勢表現(xiàn)出了空間異質(zhì)性，如北京市在蒸散發(fā)增長迅速、降水量同時增加的情況下水儲量下降緩慢，山西省因降水量下降而使水儲量加速降低。這樣的空間分異特征體現(xiàn)了不同區(qū)域的資源稟賦差異，也與植被恢復(fù)程度有著直接關(guān)聯(lián)[12]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證植被變化對水參量的影響，對比了兩個典型流域（沁丹河、伊洛河）的實(shí)測徑流值在實(shí)施植被恢復(fù)工程前后的變化情況：2000年實(shí)施植被恢復(fù)工程前的徑流系數(shù)高于實(shí)施后（見圖8），說明植被的大面積恢復(fù)使自然生態(tài)系統(tǒng)以蒸散發(fā)的形式消耗水分（即生態(tài)需水量增加），同時植被攔截作用分散了一部分降水，使徑流表現(xiàn)為減少趨勢，最終導(dǎo)致水盈余量降低。植物生長與耗水量之間總是存在一個權(quán)衡關(guān)系[36]，在半干旱、干旱地區(qū)尤為明顯；增加植被覆蓋在許多方面有利于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)[37,38]，如控制土壤侵蝕[39]、增強(qiáng)碳固持能力，但經(jīng)由蒸騰作用消耗了更多的水分。因此，對于將水分作為限制資源的地區(qū)，因缺乏寬裕的可利用水資源，過度的植被恢復(fù)可能會威脅生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[40]；在植被恢復(fù)過程中需要綜合考慮植被生態(tài)需水量對產(chǎn)流的限制，設(shè)置植被恢復(fù)閾值，平衡人地用水需求，才能實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù)過程中生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)水資源的優(yōu)化配置及可持續(xù)利用。

圖8 兩個典型流域水文站實(shí)測徑流與降水量變化關(guān)系

不同地區(qū)的資源稟賦存在差異性，相應(yīng)的植被恢復(fù)需要因地制宜，考慮生態(tài)恢復(fù)在水資源限制條件下的可持續(xù)性；應(yīng)設(shè)定適宜的管理及保護(hù)恢復(fù)措施，幫助生態(tài)系統(tǒng)逐漸演替為最佳狀態(tài)[41]，而不是在所有地區(qū)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這一結(jié)論在世界各地生態(tài)恢復(fù)方面具有普遍適用性[42]。對于水資源受限的區(qū)域，應(yīng)以封育措施為主，避免大面積人工林栽種，轉(zhuǎn)而以自然恢復(fù)作為主要的生態(tài)恢復(fù)方式，減少人為干擾，尊重自然生態(tài)系統(tǒng)的演替規(guī)律[43,44]。對于不宜耕作的土地，應(yīng)穩(wěn)步有序開展退耕還林還草，處理好生態(tài)保持和林草經(jīng)營的關(guān)系；可重視退耕還草，因?yàn)樽匀徊莸赜欣谒亮魇Э刂疲啾扔诹值鼐哂休^少的蒸散發(fā)量和耗水量[45]，是干旱、半干旱區(qū)重要的生態(tài)恢復(fù)措施。通過連續(xù)栽植耗水低的草種，可以改善土壤性質(zhì)，最終與長期水分的有效度相匹配[46]。對于具有明確邊界的自然保護(hù)區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格遵守保護(hù)區(qū)管理制度，科學(xué)推進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域的植被恢復(fù)，限制人類活動（包括不適宜的人工造林）[47]。對于本底生態(tài)環(huán)境較差、需要采取人工方式進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的地區(qū)，應(yīng)充分考慮居民生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水等需求，計算可承載的NPP閾值[19]，以平衡不同系統(tǒng)需水量為前提，合理配置人工植被的組成、密度、空間分布格局等[48]；以水定綠、量水而行，優(yōu)化林草植被配置（宜林則林、宜草則草、宜荒則荒），加強(qiáng)分區(qū)分類管理，減少水資源的過度消耗。

另外，華北地區(qū)各類生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程存在空間疊加分布的現(xiàn)象，使得部分地區(qū)出現(xiàn)了生態(tài)修復(fù)管理邊界不明確、管理范圍重疊等問題。需要統(tǒng)籌并整合各類生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程的實(shí)施策略和邊界，避免多種工程措施的同步實(shí)施給土地帶來的多重壓力，消除土地水分的植被超載狀態(tài)。適時開展水資源植被承載力的狀態(tài)分析和熱點(diǎn)區(qū)域劃分，根據(jù)不同區(qū)域水資源狀況調(diào)整當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)保育和恢復(fù)工程；在小于植被承載力的區(qū)域，根據(jù)當(dāng)?shù)卣邔?shí)施退耕還林還草等生態(tài)修復(fù)工程；在接近植被承載力的區(qū)域，以自然封育為主，避免人為干擾；在超出植被承載力的區(qū)域，進(jìn)行必要的疏林措施，降低水土資源壓力。

五、結(jié)語

本文利用華北地區(qū)的降水、蒸散發(fā)、徑流多源等水參量數(shù)據(jù)以及NPP、LAI等植被參量數(shù)據(jù)，基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)和莫蘭指數(shù)完成了綜合性分析，剖析了植被保育與恢復(fù)的水資源效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程成效顯著，NPP增速約是工程區(qū)外的2.3倍；植被的擴(kuò)張與蒸散量表現(xiàn)出空間和時間上的強(qiáng)相關(guān)性；植被恢復(fù)引起的蒸散量提高成為導(dǎo)致水儲量赤字或顯著降低的主要原因；自然生態(tài)系統(tǒng)的自身恢復(fù)力較為重要，在干旱、半干旱區(qū)以封育和自然恢復(fù)為主，避免過度人工造林。相關(guān)內(nèi)容為深入認(rèn)識我國干旱、半干旱、半濕潤區(qū)的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的水資源效應(yīng)提供了定量依據(jù)。

著眼研究領(lǐng)域的未來拓展，可以量化水資源限制條件下植被恢復(fù)的生產(chǎn)力和生物量閾值為主，結(jié)合氣候變化預(yù)測及“林灌草”恢復(fù)模式研究，設(shè)定多類生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)情景，計算不同策略下的水資源消耗和植被保護(hù)效率，進(jìn)而基于權(quán)衡分析選擇情景優(yōu)化的生態(tài)工程實(shí)施策略；根據(jù)不同地區(qū)的本底自然條件和水資源狀況，分區(qū)分類優(yōu)化空間配置，因地制宜完善生態(tài)工程空間戰(zhàn)略布局。