基于格局-質量-服務的生態保護修復成效評估：以額爾齊斯河流域為例

劉 浩，郝海廣，張文國，劉 鵬，孫麗慧*

1. 中國環境科學研究院，北京 100012

2. 生態環境部衛星環境應用中心, 北京 100094

黨的十八大以來，我國先后印發了《關于推進山水林田湖生態保護修復工作的通知》《山水林田湖草生態保護修復工程指南(試行)》等文件，從中央到地方全面系統推進“山水林田湖草”系統治理試點工作，對提升生態系統質量和穩定性、維護國家生態安全發揮了重要作用[1-2]. 生態保護修復成效是指生態保護修復工程實施后在優化生態格局、提升生態系統質量和功能、減緩生態干擾、工程管理和維護等方面取得的效果，它是判斷區域生態保護修復工作有效性的重要途徑，科學準確地對生態保護修復成效進行評估，對科學指導地區開展長效生態修復工作具有重要意義. 近年來國內外學者圍繞生態保護修復及其成效評估開展了大量的理論研究與實踐探索，但成效評估對象往往多集中于“山水林田湖草”中某一個或某幾個要素，缺乏對生態保護修復成效整體性和系統性的反映，同時因評估對象的不同，評價指標間存在較大差異. 而相較于濕地與河湖岸線修復、退耕還草等以某一生態系統為修復主體的生態保護修復工程，“山水林田湖草”生態保護修復工程更具整體性和系統性[3]，其成效往往難以通過某一個或某一類指標進行反映[4].

當前“山水林田湖草”生態保護修復工程實施成效評估研究通常以評價指標或工程建設目標為評價依據，利用評估期評價指標值相對于本底值的變化率或建設目標完成情況進行分級打分賦值，最終通過定性和定量相結合的方式對實施成效進行判斷和評價[5-7]. 由于生態保護修復是協助退化、損傷或損壞的生態系統恢復的過程，即通過以人工修復為主的生態建設和修復工作減緩生態系統退化趨勢或使生態狀況達到較好水平[8]，因此選取合適的基準值或背景值作為工程建設區的生態系統原始狀態是成效評估的關鍵[9]. 目前根據背景值選擇方式的不同，生態保護成效評估方法可分為空間對比法[10-12]和時間序列對比法[13-14]，而“山水林田湖草”生態保護修復工程通常是在大尺度空間上統籌各類要素治理，空間對比法通常難以找到適宜、全面的參照系統；相比之下，時間序列對比法主要利用生態保護修復期前后的監測數據進行對比以反映區域生態系統的生態恢復情況，其因方法簡單、可操作性強等優點得到了廣泛應用. 而生態保護修復期內評價指標的增長或減少以及建設目標完成情況并不足以反映生態保護修復實施成效[15]，在生態保護修復成效評價研究中有必要以生態保護修復實施前生態系統變化趨勢作為參照，通過對比生態保護修復工程實施前后兩個階段內相關指標的變化趨勢來對生態保護修復成效進行綜合評價.

20世紀50年代以來，額爾齊斯河流域(簡稱“額河流域”)面臨草場退化等諸多生態環境問題，對區域穩定和生態安全構成了威脅[16-17]. 近年來針對額河流域面臨的突出生態環境問題，阿勒泰地區系統開展了生態保護修復工作. 2018年，新疆額河流域生態保護修復工程被列入國家第三批“山水林田湖草”生態保護修復工程試點[18-19]，系統推進額河流域“山水林田湖草”一體化保護修復. 為全面了解額河流域開展生態保護修復工程前后建設區域生態系統的變化特征，該文以額河流域生態保護修復工程所涉及的范圍為評價對象，結合2010年、2015年和2020年三期土地利用數據以及相關遙感產品數據，基于“格局-質量-服務”的評估框架和評估體系[20-21]，以生態系統格局、質量和服務為主要評價內容，揭示額河流域生態環境現狀及其變化特征，對生態保護修復成效進行全面評估，進而識別當前生態保護存在的主要問題，為額河流域后續制定有針對性的生態修復決策和生態系統管理提供科學依據和數據支持；同時，該研究中的評估方法可為開展生態保護修復工程實施監督評估提供方法支撐，滿足地區生態保護修復監管需求，進而提高生態保護修復水平，促進地區生態保護修復的健康高效發展.

1 研究區概況

額河流域位于我國西北邊疆阿勒泰地區(85°31′E~91°01′E、45°00′N~49°10′N)，區域總面積約11.80×104km2，占新疆總面積的7.2%. 該流域地勢西高東低，大致可分為北部山區、中部丘陵河谷平原區、南部荒漠(戈壁)沙漠區三個地貌單元，主要有額爾齊斯河、烏倫古河和吉木乃縣諸河三大水系，其中額爾齊斯河是我國流入北冰洋的唯一國際性河流. 額河流域生態區位極其重要，是新疆乃至中亞地區重要的生態屏障，也是關系我國生態大國形象和生態權益的重要區域[22]，更是支撐我國爭取國際北冰洋權益重要的戰略支點[23-24]. 工程建設區涉及額河流域全域，共分為三大生態保護與修復分區(見圖1)，基于各片區面臨的突出生態環境問題，有側重地開展生態保護修復工程.

圖 1 額河流域“山水林田湖草”生態保護修復工程分區Fig.1 Subarea map of ‘mountains-rivers-forestsfarmlands-lakes-grasslands’ ecological protection and restoration pilot project area in Irtysh River Basin

2 研究數據與研究方法

2.1 研究方法

基于生態系統“狀態-趨勢”的評價模式和“格局-質量-服務”的評估框架(見圖2)，結合工程建設區生態環境特征，建立生態系統評估指標體系和評價方法，從生態系統格局、生態系統質量和生態系統服務三方面對工程建設區在生態保護修復工程實施前后相同時間尺度內，即非生態保護修復期內(2010?2015年)與生態保護修復期內(2015?2020年)生態系統變化時空特征進行對比和分析，直觀反映工程建設區的生態治理效果，其中生態系統格局主要反映不同生態系統類型在空間上的分布與配置；生態系統質量主要反映自然生態系統的優劣程度；生態系統服務主要反映生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用.

圖 2 研究技術路線Fig.2 Research technology roadmap

2.1.1生態系統格局

生態系統格局評價選取土地覆被狀況指數(land cover situation index, LCSI)和土地覆被轉類指數(land cover change index, LCCI)兩個指標. 其中，土地覆被狀況指數可以用來衡量工程建設區土地覆被狀況，土地覆被轉類指數可以定量表征工程建設區土地覆被與宏觀生態狀況轉好和轉差的程度，計算公式如下：

式中： L CSI為 土地覆被狀況指數，%；Ci為第i類(林地、草地和水體等)生態用地面積，km2； LCCI為土地覆被類指數，%，正值表示生態結構轉好，負值表示轉差；a和b分 別為生態系統轉變前后的類型；Aab為第a類生態系統轉化為第b類生態系統的面積，km2；Da和Db分別為生態系統類型轉變之前和轉變之后的生態級別，水體、林地、草地、耕地、建設用地和裸地的生態級別參照《三江源生態保護和建設生態效果評估技術規范》(DB 63/T 1342?2014)分別賦值為1、2、3、4、5、6.

2.1.2生態系統質量

生態系統質量已被廣泛用來分析和表示生態工程對生態環境改善和生態系統質量提升的成效[25]. 現有的生態系統質量評價體系按指標數量可以分為兩類，其中基于少數關鍵指標構建形成的生態系統質量評價體系相較于傳統的生態質量評估方法指標更少、復雜度較低、操作性更強[26]，基于生態系統生產力、植被覆蓋程度等關鍵指標構建的綜合指標等已逐漸成為生態系統質量評估的主要方法[27]. 該文參考《全國生態狀況調查評估技術規范?生態系統質量評估》(HJ 1172?2021)，選取生態系統質量指數(ecosystem quality index, EQI)對工程建設區生態系統質量進行評價. EQI由植被覆蓋度(fractional vegetation cover,FVC)、葉面積指數(leaf area index, LAI)和凈初級生產力(net primary productivity, NPP)的相對密度構建，計算公式如下：

式中：E QIl,j為 第l年 第j分區生態系統質量； LAIl,j、FVCl,j、 NPPl,j分 別為第l年 第j分區的LAI相對密度、FVC相對密度和NPP相對密度的歸一化值，其中FVC基于NDVI數據采用像元二分模型進行計算；RVIl,j,k為第l年 第j分區 第k類 植 被生 態系 統生 態 參數的相對密度；Fl,j,k為第l年 第j分區第k類植被生態系統生態參數值.

2.1.3生態系統服務

工程建設區屬于阿爾泰山地水源涵養與生物多樣性保護重要區以及準噶爾盆地東部生物多樣性保護與防風固沙重要區，具有防風固沙、水源涵養等重要生態功能，考慮到研究數據的可獲取性以及空間表達等因素，該研究對水源涵養服務、土壤保持服務和防風固沙服務進行評價.

2.1.3.1水源涵養服務

水源涵養量通過水量平衡方程[28]進行計算，計算公式如下：

式中：Qwr為 水源涵養量，mm/a；P為年降雨量，mm/a，為避免氣象因素對評價結果造成的影響，該研究用多年平均降雨量進行代替；RR為地表徑流量，mm/a，該值通常由多年年降雨量與地表徑流系數的乘積表示，其中地表徑流系數基于《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南(試行)》進行賦值；ET為蒸散發量，mm/a.

2.1.3.2土壤保持服務

土壤保持服務采用修正通用土壤流失方程[29]進行計算，計算公式如下：

式中：Qsc為 土壤保持量，t/a；Qse_p為潛在土壤侵蝕量，t；Qse_a為實際土壤侵蝕量，t；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h)；L、S分別為坡長、坡度因子；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；C為植被覆蓋因子. 各因子計算方法參考《生態保護紅線劃定指南》(環辦生態〔2017〕48號).2.1.3.3防風固沙服務防風固沙服務采用《區域生態質量評價辦法(試行)》(環監測〔2021〕99號)中的防風固沙指數進行表示，計算公式如下：

式中：Qsr為 防風固沙指數； NDVIm為 評價年全年m像元NDVI的最大值(以C計)，kg/m2； N PPm為評價年全年m像元NPP的累積值(以C計)，kg/m2； NPPmax為工程建設區內最好氣象條件下的植被凈初級生產力，選取近5年NPP累積值的最大值，kg/m2.

2.1.4成效綜合指數

該研究采用綜合指數法反映工程建設區的生態保護修復成效. 參考《自然保護區生態環境保護成效評估標準(試行)》(HJ 1203?2021)中對生態系統結構、生態系統服務和環境質量的評分標準，對工程建設區各評估指標變化情況進行分級賦值，最后通過加權求和的方式計算生態保護修復成效綜合指數，計算公式如下：

式中：EC為生態保護修復成效綜合指數，取值區間為[0，50]；Cn和vn為各評價指標的分值和權重，取值方式如表1所示.

2.2 研究數據

該研究使用的主要數據及其來源如表2所示. 根據研究需要，將土地利用數據重分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地和裸地等六類；MODIS產品數據在MODIS重投影工具和ArcGIS軟件中通過重投影、鑲嵌、裁剪、單位換算等處理得到工程建設區的NDVI、LAI、NPP和ET等數據. 為了不同空間分辨率的柵格影像之間便于運算，在實際計算過程中應用最鄰近法將研究數據重采樣至統一的空間分辨率.

表 1 生態保護修復成效綜合指數評分標準Table 1 Scoring standard of comprehensive index of ecological protection and restoration effectiveness

表 2 研究數據及其來源Table 2 Study data and sources

3 結果與分析

3.1 生態系統格局變化

工程建設區土地利用類型面積變化情況如表3所示，耕地、建設用地和水域面積均保持增長的變化態勢，尤其是在生態保護修復期內面積增幅較大，其中水域面積持續增長顯著，由2010年的1 802.02 km2持續增至2020年的1 994.84 km2；除南部工程分區外，其他各工程分區內裸地面積均不同程度有所減少. 對于林地、草地等其他生態用地，在非生態保護修復建設期內，除中部工程分區內林地面積略有增長外，其他各工程分區內林地和草地面積均有所減少；在生態保護修復建設期內，北部及中部工程分區內林地面積繼續減少，南部工程分區內林地面積略有增長，而在北部工程分區內草地面積明顯增加，中部和南部工程分區則與之相反，草地面積均明顯減少.

表 3 2010年、2015年和2020年額河流域工程建設區及各工程分區土地利用面積的變化Table 3 Changes in land use area of the project construction area and each project sub-area in 2010, 2015 and 2020 in Irtysh River Basin km2

工程建設區土地利用類型集中變化區域主要位于阿爾泰山脈南麓的兩河(額爾齊斯河和烏倫古河)流域，相較于非生態保護修復期，生態保護修復期內土地利用面積變化程度更為明顯，空間分布更具聚集性〔見圖3(a)〕；從土地利用類型轉入轉出關系上來看〔見圖3(b)〕，主要是林地、草地、耕地和裸地之間的相關轉化. 在非生態保護修復期內，分別有約335.76 km2的草地和148.55 km2的裸地轉為了耕地，集中分布于烏倫古河三角洲以及額爾齊斯河右岸與眾支流的交匯處等農業生產活動集中區域. 在生態保護修復期內，烏倫古河上游各支流交匯處以及額爾齊斯河上游段的大量裸地恢復為了草地，同時烏倫古河中段南側的古爾班通古特沙漠地區大量草地退化為了裸地；同時期農業生產活動集中地區耕地面積繼續擴張，分別有482.29 km2的裸地和374.39 km2的草地轉為了耕地.

圖 3 2010年、2015年、2020年額河流域土地利用變化空間分布及弦圖Fig.3 Spatial distribution map, chordal graph of land use change of Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

3.2 生態系統質量變化

基于《全國生態狀況調查評估技術規范?生態系統質量評估》(HJ 1172?2021)的分級標準將工程建設區生態系統質量(EQI)分為優(EQI≥75)、良(55≤EQI<75)、中(35≤EQI<55)、低(20≤EQI<35)和差(EQI<20)共5級(見圖4). “優”生態系統質量等級區域主要集中分布于阿勒泰地區西北部的布爾津河上游以及喀納斯湖所在地區；“良”生態系統質量等級區域主要集中在額爾齊斯河諸多支流沿岸；“中”和“低”生態系統質量等級區域主要位于阿勒泰地區的山地等高海拔地區以及兩河下游；而中南部地區為中國第二大沙漠即古爾班通古特沙漠，區域戈壁廣布、植被稀疏，“差”生態系統質量等級區域主要分布于此.

工程建設區及各工程分區內生態系統質量等級面積占比如圖5所示，由北向南各工程分區的生態系統質量等級逐漸降低. 2010?2020年，工程建設區、北部及中部工程分區各生態系統質量等級面積占比的變化特征基本相同，“低”和“良”生態系統質量等級面積占比分別表現為持續減少和持續增長. 在非生態保護修復期內，“優”和“差”生態系統質量等級分別呈現減少和增長的變化態勢. 在開展生態保護修復工程后，各工程分區內“優”生態系統質量等級面積占比有所增長，甚至顯著高于2010年，相應地，“差”生態系統質量等級面積占比明顯減少.

圖 4 2010年、2015年、2020年額河流域生態系統質量指數(EQI)等級空間分布Fig.4 Spatial distribution map of ecosystem quality index grade of Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

3.3 生態系統服務變化

工程建設區各類生態系統服務空間分布如圖6所示，各生態系統服務的高值區域與生態系統質量等級較高區域在空間分布上具有較強的一致性(見圖4)，其中，高水源涵養服務和高防風固沙服務多位于工程建設區北部阿爾泰山以及吉木乃縣境內薩吾爾山北麓的山地地區，高土壤保持服務地區則更多集中分布于喀納斯湖的東北部區域. 為便于對工程建設區內不同時期各生態系統服務進行定量比較，該研究基于《生態保護紅線劃定指南》(環辦生態〔2017〕48號)中生態系統服務重要性分級方法，將各生態系統服務累加服務值占各生態系統服務總值比例的50%與80%所對應的柵格值，作為各生態系統服務功能評估分級的分界點，將工程建設內各生態系統服務重要性共分為3級，即極重要、重要和一般重要(見圖7).2010?2020年，與防風固沙服務和水源涵養服務相比，土壤保持服務極重要區域和重要區域面積占比較低，且均呈現減少的變化態勢，一般重要區域面積占比保持增長，工程建設區土壤保持服務重要性整體有所下降；防風固沙服務極重要區域和重要區域面積占比呈現先較少再增長的變化態勢，而一般重要區域面積占比變化態勢與之相反，但整體有所增長；水源涵養服務重要性各等級面積占比則變化不大.

3.4 各工程分區成效評價

工程建設區及各工程分區內評估指標變化情況如圖8所示. 在非生態保護修復期內，除了土地覆被轉類指數外，工程建設區內各項評估指標均有所下降，即生態用地面積占比減少、生態系統質量降低、生態系統服務下降；在經過系統地生態保護修復后，工程建設區內各項指標均有所增長，其中生態系統質量指數(11.01%)和防風固沙服務指數(13.49%)增長明顯.

圖 5 2010年、2015年、2020年額河流域各工程分區生態系統質量等級面積占比Fig.5 Area proportion map of ecosystem quality grade of each project area in Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

北部工程分區主要為阿爾泰山脈南麓的山地丘陵地區，作為額爾齊斯河的發源地，該地區林地和草地廣布，生態本底良好，屬于國家級及省級禁止開發區. 在非生態保護修復期內，該工程分區由于農田開發等人類活動存在生態系統退化、生態系統服務功能退化等問題；由于該工程分區主要以保護性開發為主，人類強度較低，在生態保護修復期內，通過退耕還林還草還濕等措施，加大林草植被修復，擴大生態用地面積，同時加強退化、老化林地的更新撫育，強化低效林改造和宜林地造林，該工程分區生態系統質量、生態系統服務得到明顯提升.

中部工程分區包含額爾齊斯河流域和烏倫古河流域，地形以山地丘陵和山前沖積平原為主，主要起到“兩河一湖”生態緩沖調節作用. 該工程分區內地勢平坦、水資源豐富，是人類生產生活的集中區域，城鎮和農牧區農業開發、大型引水設施修建、礦山開采等人類活動造成了濕地萎縮、河谷生態退化等生態問題[19,24]；在生態保護修復期內主要圍繞“兩河一湖”主要河道開展綜合治理，重建河湖生態緩沖帶，修復河湖濕地生境. 通過圖4對比可以看出，2020年兩河下游地區生態系統質量明顯提升，同時防風固沙指數提升明顯，而其他各項指標下降的變化趨勢相較非生態保護修復期并未好轉.

圖 6 2010年、2015年、2020年額河流域生態系統服務空間格局Fig.6 Spatial distribution of each ecosystem service in Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

圖 7 2010年、2015年、2020年額河流域生態系統服務重要性分級面積占比Fig.7 Proportion of different ecosystem service importance levels in Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

圖 8 2010—2015年與2015—2020年額河流域各工程分區成效評價指標變化對比Fig.8 Comparison of changes in effectiveness evaluation indicators of each project sub-area in Irtysh River Basin between 2010-2015 and 2015-2020

南部工程分區主要為阿勒泰地區南部的低山丘陵荒漠區，屬于國家級重點開發區以及自治區級禁止開發區，區域內常年無地表徑流，植被類型以小半喬木梭梭、灌木沙拐棗等典型的沙生植物為主，植被群落蓋度較低[30]. 由于該工程分區生態系統本底十分脆弱，在生態保護修復期內，除生態系統質量指數和防風固沙指數兩項指標出現反彈開始增長外，其他各項指標均呈現明顯減少的變化趨勢.

基于上述各評價指標的變化情況，對工程建設區及各分區生態保護修復成效進行綜合打分，額河流域“山水林田湖草”生態保護修復工程建設實施后，工程建設區生態保護修復成效綜合指數由14.93增至48.02，其他各工程分區內指數變化情況由北至南逐漸變差，其中北部工程分區由18.44增至48.53，中部工程分區由12.84增至22.80，南部工程分區由16.88減至16.67.

整體上，工程建設區生態保護修復工程成效顯著，經過系統的生態保護修復建設后，工程建設區各項指標趨勢向好，生態系統格局與生態系統質量顯著改善，生態系統服務有不同程度的提升. 在空間上，由北至南各工程分區生態保護修復工程實施成效差異明顯，由于工程建設區的中部及南部地區屬于干旱生態環境區，生態系統本身極為脆弱，因此有必要減少人類活動對地區自然生態系統的干擾，控制耕地擴張規模，不斷加大自然恢復力度，穩定濕地面積，有效恢復生態空間，增強生態系統服務功能.

4 討論

構建科學準確的生態保護修復成效評估方法體系，對于反映“山水林田湖草”生態保護修復工程的實施成效及開展長效生態保護修復工作具有重要意義. 該研究基于“格局-質量-服務”的評估框架和“狀態-趨勢”的評價模式選取具體的評價指標評估額河流域生態保護修復成效，是在時間序列對比評估法基礎上的大空間尺度生態保護修復成效評估方法的探索和實踐，將為“山水林田湖草”生態保護修復工程開展生態保護修復成效評估提供方法參考. 考慮到短時間尺度內生態系統演變主要受人類活動影響[31]，該研究在評價體系構建和評價指標選取及計算中已盡可能地避免氣溫、降水等自然因素對評價過程的影響，因此評價結果能夠客觀反映研究區“山水林田湖草”生態保護修復工程實施成效. 西北干旱半干旱地區是我國生態環境脆弱地區，區域生態環境本底脆弱，實施“山水林田湖草”生態保護修復工程對于增強區域生態系統穩定性、筑牢我國西北生態安全屏障具有重要意義，目前國家“山水林田湖草”生態保護修復工程試點已實施完成，而已有相關研究主要是針對修復模式以及體系構建[32-33]，缺乏對生態保護修復成效評估的研究討論，因此該研究將為總結區域生態保護修復成效并為后續開展有針對性的修復工作提供重要支撐.

該研究基于已有的標準規范，通過綜合指數法對額河流域工程建設區生態保護修復成效進行表征. 由于該研究中生態保護修復期和非生態保護修復期內各項指標的變化特征較為顯著，因此評分標準和指標權重的選擇并不會對評估結果造成決定性影響. 但在相關研究和實際應用中，有必要基于修復區域的生態區位特征，設定和選取適合的評分標準和指標權重，以增強評估結果的準確性. 同時，由于生態保護修復的成效顯現具有長期性特征[34]，而通常生態保護修復過程中過多采取人工修復的工程措施，導致短期內各項指標的變化更多的是人為干預的結果，在生態保護修復工程實施結束后，區域生態系統依靠其自身演替規律和內在機理，在自然恢復的背景下生態狀況變化情況更能體現生態保護修復工程的實施成效，因此在長時間尺度上建立有效的生態保護修復工程實施成效評估框架是將來有待深入研究的科學問題.

5 結論

a) 從生態系統格局角度來看，額河流域工程建設區草地生態系統和水域生態系統面積恢復明顯，而林地生態系統面積略有減少，但生態用地面積整體仍有所增長；生態系統類型的生態級別由“低”向“高”轉移.

b) 從生態系統質量角度來看，2010?2015年額河流域工程建設區處于“差”生態系統質量等級，且生態系統質量指數平均值處于減少的變化態勢，在生態保護修復工程建設實施后，2020年工程建設區內生態系統質量指數平均值(20.29)顯著提升，達到“低”生態系統質量等級.

c) 從生態系統服務角度來看，額河流域工程建設區內水源涵養服務、土壤保持服務和防風固沙服務能力均有所提升，而在中部“兩河一湖”生態安全維護區和南部荒漠草原生態保育區水源涵養服務和土壤保持服務能力嚴重下降.

d) 根據生態保護修復成效綜合指數，額河流域“山水林田湖草”生態保護修復工程實施成效顯著，除南部工程分區外，工程建設區及其他各工程分區生態保護修復成效綜合指數均實現不同程度的增長，有必要針對區域特征和核心問題，提出針對性的生態保護修復方案，有側重地開展生態保護修復工程建設.