王玉純, 趙軍, 付杰文

退耕還林還草工程對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

王玉純1, 趙軍2,*, 付杰文2

1. 安徽建筑大學(xué), 公共管理學(xué)院, 合肥 230601 2. 西北師范大學(xué), 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

探討人類活動(dòng)尤其是大型工程、政策對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響是國際上地理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)領(lǐng)域。利用土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等, 結(jié)合InVEST產(chǎn)水量模型、CASA模型和RUSLE模型, 對(duì)石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施期間的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水、凈初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)和土壤保持服務(wù)進(jìn)行精準(zhǔn)測度, 分析其演變特征, 并進(jìn)一步細(xì)化對(duì)比了工程實(shí)施區(qū)與非工程實(shí)施區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的差異。結(jié)果表明: (1)石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施期間(2000—2015年), 林、草地面積有所增加, 耕地和未利用地面積有所減少; 面積變化比例最大的土地轉(zhuǎn)化類型為“未利用地—草地”、“未利用地—林地”、“耕地—草地”和“耕地—林地”。(2)石羊河流域在退耕還林還草工程實(shí)施期間整體生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)和土壤保持服務(wù)有不同程度衰退, 但是NPP有較為明顯增加; 各服務(wù)在空間分布上具有一致性, 均呈現(xiàn)出南高北低, 由西南向東北階梯遞減的趨勢。(3)石羊河流域“退耕區(qū)”產(chǎn)水、NPP和土壤保持總量和平均量均呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢, 而“非退耕區(qū)”除了NPP總量和平均量有所增加以外, 其余兩類服務(wù)均有不同程度的減少; 各退耕模式中, “荒地造林”區(qū)對(duì)各類服務(wù)的提升最為明顯, “退耕還林”區(qū)產(chǎn)水總量和平均量均有所減少。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 生態(tài)恢復(fù); 退耕還林還草工程; 石羊河流域

0 前言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用, 為人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有收益, 是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1-5]。隨著人類改造和利用自然環(huán)境的能力逐漸增強(qiáng), 全球人口增長、資源短缺、環(huán)境污染等諸多問題的出現(xiàn), 直接導(dǎo)致了人類的可持續(xù)發(fā)展面臨著極大的挑戰(zhàn)[6]。聯(lián)合國于2001年啟動(dòng)的“全球生態(tài)系統(tǒng)千年評(píng)估計(jì)劃”發(fā)現(xiàn), 全球有60%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)正在退化。在嚴(yán)峻的生態(tài)形勢下, 人們逐漸認(rèn)識(shí)到生態(tài)恢復(fù)工作的必要性[7]。

人類活動(dòng)例如大型的工程、重要的政策等都會(huì)干預(yù)生態(tài)過程, 影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[8-9]。生態(tài)恢復(fù)工程作為人類活動(dòng)的一種, 通過改變土地利用/土地覆被的類型、結(jié)構(gòu)和空間格局對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響[10]。而生態(tài)恢復(fù)工程通常是一個(gè)長期的、循序漸進(jìn)的過程, 及時(shí)掌握工程背景下生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)程度、發(fā)展方向等方面的信息, 準(zhǔn)確評(píng)估生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化, 不僅能為進(jìn)一步調(diào)整和改進(jìn)恢復(fù)方案提供依據(jù), 并且能為生態(tài)系統(tǒng)管理提供決策支持[11]。

我國是較早開始生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐的國家之一。90年代末至今實(shí)施的退耕還林還草工程是我國乃至全球重要的生態(tài)恢復(fù)工程, 對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善起到重要作用。黨的十八大以后, 國家重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)問題, 多次對(duì)退耕還林還草工作提出要求; 在十八屆三中全會(huì)中提出, “將穩(wěn)定和擴(kuò)大退耕還林范圍作為全面深化改革重點(diǎn)任務(wù)之一”; 2014年, 國家批準(zhǔn)實(shí)施《新一輪退耕還林還草總體方案》; 2017年召開的黨的十九大要求重視生態(tài)環(huán)境建設(shè), 強(qiáng)調(diào)人與自然和諧共生方略, 要求進(jìn)一步“擴(kuò)大退耕還林還草”。自工程實(shí)施以來, 相關(guān)研究迅速增多[12-15]。尤其是隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的深入, 開始有學(xué)者關(guān)注到退耕還林還草工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的影響, 但是大部分學(xué)者僅關(guān)注工程對(duì)某一項(xiàng)服務(wù)的影響[16-18], 缺少對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響的探究, 且大都是將工程實(shí)施區(qū)域與研究區(qū)內(nèi)非工程實(shí)施區(qū)域融為一體, 統(tǒng)一評(píng)判工程的生態(tài)效應(yīng), 缺乏針對(duì)性和準(zhǔn)確性; 另外, 退耕還林、草和荒地造林、種草是不同的人工干預(yù)模式, 由于原先的下墊面性質(zhì)不同, 會(huì)形成不同的景觀格局結(jié)構(gòu), 產(chǎn)生不同的生態(tài)效果, 但目前未見有細(xì)化不同退耕還林還草模式的研究[19-21]。

石羊河流域位于我國西北干旱半干旱區(qū), 處于自然環(huán)境脆弱帶和氣候敏感區(qū), 生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)環(huán)境問題突出, 是我國各類生態(tài)恢復(fù)工程的重點(diǎn)實(shí)施地區(qū)[22]。退耕還林還草工程在石羊河流域?qū)嵤?0年來, 其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生何種影響, 仍不明晰。因此, 本文以退耕還林還草工程實(shí)施背景下的石羊河流域?yàn)檠芯繉?duì)象, 采用RS和GIS技術(shù), 結(jié)合InVEST產(chǎn)水量模型、CASA模型和RUSLE模型, 在模型參數(shù)本地化的基礎(chǔ)上, 定量對(duì)比分析了工程實(shí)施期間2000-2015年工程實(shí)施區(qū)和非工程實(shí)施區(qū)產(chǎn)水、凈初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)和土壤保持3種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化情況, 一方面有助于更客觀、深入理解大規(guī)模人類工程活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響的機(jī)理, 另一方面也為后期科學(xué)的實(shí)施退耕還林還草工程提供一定的參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于我國西北干旱區(qū)東端, 河西走廊東部, 祁連山北麓, 介于101°22′—104°16′E、36° 29′—39°27′N之間, 流域面積4.16×104 km2(圖1)。流域內(nèi)行政區(qū)包括武威市的涼州區(qū)、民勤縣全部和古浪縣大部分地區(qū)及天?？h部分地區(qū), 金昌市的永昌縣及金川區(qū)全部, 以及張掖市肅南裕固族自治縣和山丹縣的部分地區(qū); 東南與甘肅省白銀、蘭州兩市相連, 西北與甘肅省張掖市毗鄰, 西南緊靠青海省, 東北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤[23]。

石羊河流域是我國內(nèi)陸河流域人口最密集的地區(qū)之一, 由于特殊的自然地理?xiàng)l件和不合理的人類活動(dòng), 致使該流域出現(xiàn)了眾多生態(tài)問題, 其中, 最主要的有水資源短缺, 植被覆蓋度低、植被退化嚴(yán)重, 土壤侵蝕、水土流失、沙漠化這三類?？紤]到退耕還林還草工程的初衷就是通過植被恢復(fù)改善我國西部地區(qū)水土流失情況, 結(jié)合石羊河流域目前主要存在的主要生態(tài)問題, 本文選取產(chǎn)水服務(wù)、凈初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)服務(wù)和土壤保持服務(wù)這三種區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來進(jìn)行研究。

1.2 研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究所需的主要數(shù)據(jù)有: 研究區(qū)氣象數(shù)據(jù), 地形數(shù)據(jù), 土地利用/覆被類型數(shù)據(jù), NDVI數(shù)據(jù), 土壤數(shù)據(jù)等。

氣象數(shù)據(jù)(降水、氣溫、太陽輻射等)選用了石羊河流域及其周邊60個(gè)氣象站點(diǎn)1998—2002年和2013—2017年的月地面觀測數(shù)據(jù), 用于計(jì)算2000和2015年多年平均降水、氣溫和太陽輻射量, 數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma. gov.cn)(圖1)。通過ANUSPLIN軟件進(jìn)行插值, 經(jīng)過廣義交叉驗(yàn)證, 數(shù)據(jù)精度滿足研究要求。

土壤數(shù)據(jù)采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(http://westdc.westgis.ac.cn/data/)。

地形數(shù)據(jù)為90m分辨率的SRTM數(shù)據(jù), 通過美國USGS網(wǎng)站(http://earthexplorer.usgs.gov/)下載, 然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪和填洼等處理。

NDVI數(shù)據(jù)來源于MODIS遙感數(shù)據(jù)集2000、2015年MOD13Q1產(chǎn)品, 空間分辨率為250m, 為時(shí)間分辨率16d的歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)(https://lpdaac.usgs. gov/products/)。通過MRT軟件進(jìn)行影像拼接、格式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。

土地利用數(shù)據(jù)包括2000、2005、2010、2015年四期, 來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:/ /www.resdc.cn), 通過實(shí)地考察及其他高分辨率影像驗(yàn)證。為了使土地利用分類適合本研究需求, 以國家土地利用分類系統(tǒng)為基礎(chǔ), 將土地利用數(shù)據(jù)的二級(jí)類合并得到6個(gè)一級(jí)類, 即分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法

2.1.1 產(chǎn)水服務(wù)

InVEST產(chǎn)水量模型是根據(jù)水量平衡的原理, 用各柵格的降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)后的水量, 進(jìn)而得到該柵格產(chǎn)水量。具體計(jì)算公式如下:

圖1 石羊河流域區(qū)位、高程和氣象站點(diǎn)分布圖

Figure 1 Location of Shiyang River Basin and meteorological station distribution

式中,Y為j類土地利用/覆被類型、柵格x的產(chǎn)水量; AET為j類土地利用/覆被類型、柵格x的年實(shí)際蒸散量;P為柵格x中的年降水量。采用Zhang等提出的(Budyko curve)水熱耦合平衡假設(shè)公式[24]:

式中,R,j是土地利用/覆被類型、柵格處的布德科干燥度指數(shù)。ω是用于描述自然的氣候-土壤屬性的非物理參數(shù)(無量綱)[25-26]。

2.1.2 NPP

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary production, NPP), 指植被在單位時(shí)間、單位面積累積的有機(jī)物數(shù)量。本文利用CASA模型來估算NPP。CASA (Carnegie Ames Stanford Approach)模型是由植物的光合有效輻射(APAR)和實(shí)際光能利用率(ε)兩個(gè)因子來表示[27-28], 計(jì)算公式如下:

(,)=(,)×ε(,) (3)

式中:(,)表示像元在月吸收的光合有效輻射(g C·m-2·month-1),(,)表示像元在月的實(shí)際光能利用率(g C·MJ-1)。

2.1.3 土壤保持服務(wù)

生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)常用土壤保持量(Soil conservation, SC)來體現(xiàn)。本研究選用RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)模型計(jì)算土壤保持量, 以評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)能力。計(jì)算公式如下:

=–=×××–×××××(6)

式中:為土壤保持量(t·h-2·yr-1), 由潛在侵蝕()與實(shí)際土壤侵蝕()之差決定。代表降雨侵蝕力因子,代表土壤可蝕性因子,為坡長因子,為坡度因子,為植被覆蓋因子,是水土保持因子。各參數(shù)計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[29]。

2.2 石羊河流域退耕還林還草工程區(qū)域識(shí)別

退耕還林還草工程是1999年以來影響石羊河流域乃至整個(gè)西部地區(qū)土地利用變化的最重要的政策措施。由于工程實(shí)施范圍數(shù)據(jù)不屬于公開數(shù)據(jù), 無法直接獲得, 因此, 本文基于石羊河流域 2000—2015年的土地利用類型變化數(shù)據(jù), 對(duì)石羊河流域第一輪(截止2014年)退耕還林還草工程實(shí)施區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。

退耕還林還草工程的內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面, 一是將坡耕地、水土流失嚴(yán)重的耕地, 退耕還林草; 二是宜林宜草的荒山、荒地造林草。因此本研究將工程細(xì)分為“退耕還林”、“退耕還草”、“荒地造林”、“荒地種草”四種植被恢復(fù)類型。由于土地分類方式的差異, 工程中所涉及的“荒山、荒地”, 在本文中歸類為未利用地類別。雖然石羊河流域還有其他局部、小范圍的生態(tài)恢復(fù)工程, 或者由于農(nóng)戶的個(gè)人行為也可能會(huì)造成部分林草地的增加, 但是總體來說退耕還林還草工程是該區(qū)域范圍內(nèi)涉及面最廣、力度最大的生態(tài)恢復(fù)工程, 因此, 為了便于研究, 本文將所有耕地和未利用地轉(zhuǎn)化為林、草地的區(qū)域統(tǒng)一視為退耕還林還草工程實(shí)施區(qū)域, 簡稱“退耕區(qū)”, 并利用GIS手段, 進(jìn)一步識(shí)別出“退耕還林”、“退耕還草”、“荒地造林”、“荒地種草”四種植被恢復(fù)類型; 其他地類沒有發(fā)生變化的區(qū)域以及耕地、未利用地增加等非植被恢復(fù)的區(qū)域統(tǒng)一視為非退耕還林還草工程實(shí)施區(qū)域, 簡稱“非退耕區(qū)”。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于土地利用類型變化的退耕還林還草工程區(qū)域識(shí)別

從石羊河流域土地類型變化圖(圖2)可以看出, 2000年到2015年, 全流域林地面積增加了507.07 km2, 占比增加了22.17%; 草地面積增加了703.54 km2, 占比增加了6.47%; 耕地面積減少了193.88 km2, 占比減少了2.65%; 未利用地減少1156.95 km2, 占比減少了6.33%; 另外, 建設(shè)用地增加117.51 km2, 水域面積增加22.71 km2?？梢钥闯? 石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施期間林、草地面積和所占比例顯著增加, 耕地和未利用地面積和所占比例均有不同程度減少。

圖2 石羊河流域2000—2015年土地利用類型變化圖(km2)

Figure 2 Change of land use types in Shiyang River Basin in 2000 to 2015 (km2)

通過土地類型轉(zhuǎn)化表(1)可以看出, 石羊河流域2000—2015年, 其他類型轉(zhuǎn)為林地的面積為539.57 km2,林地轉(zhuǎn)為其他類型的面積為32.50 km2; 其他類型轉(zhuǎn)為草地的面積為872.44 km2, 草地轉(zhuǎn)為其他類型的面積為168.90 km2; 其他類型轉(zhuǎn)為耕地的面積為340.67 km2, 耕地轉(zhuǎn)為其他類型的面積為534.55 km2; 其他類型轉(zhuǎn)為未利用地的面積為72.32 km2, 未利用地轉(zhuǎn)為其他類型的面積為1229.27 km2; 其他類型轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積為121.59 km2, 建設(shè)用地轉(zhuǎn)為其他類型的面積為4.08 km2; 其他類型轉(zhuǎn)為水域的面積為25.66 km2, 水域轉(zhuǎn)為其他類型的面積為2.95 km2。由數(shù)據(jù)分析可知, 退耕還林還草工程期間, 面積變化最大的四種地類轉(zhuǎn)化類型為“未利用地－草地”、“未利用地－林地”、“耕地—草地”和“耕地—林地”, 這反映出退耕還林還草工程在石羊河流域的有效實(shí)施。

根據(jù)石羊河流域2000—2015年土地利用數(shù)據(jù)識(shí)別出區(qū)域退耕還林還草工程實(shí)施范圍, 可以看出, 除了流域內(nèi)的天?？h以外, 其余縣區(qū)均實(shí)施了退耕還林還草工程, 其中, 民勤、古浪縣是工程實(shí)施的主要區(qū)域, 民勤縣四種退耕模式均有分布, 主要以“退耕還草”和“荒地種草”類型為主, 古浪縣主要以“退耕還林”和“退耕還草”為主。

3.2 退耕還林還草工程實(shí)施期間整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化分析

根據(jù)InVEST產(chǎn)水量模型、CASA模型和RUSLE模型計(jì)算得到石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施期間產(chǎn)水、NPP和土壤保持量變化情況, 如表(2), 可以看出, 2000—2015年, 石羊河流域平均產(chǎn)水量和產(chǎn)水總量均有輕微減少, 其中, 產(chǎn)水總量減少了0.06×109m3; NPP的平均值和總量均有所增加, 其中, NPP總量增加了39%; 平均土壤保持量和土壤保持總量有較為明顯降低, 其中土壤保持總量減少了23.5%。以上結(jié)果表明, 整體來說, 石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施期間(2000—2015年)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水和土壤保持服務(wù)有不同程度衰退, 但是凈初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)服務(wù)有較為明顯增加。

表1 石羊河流域2000—2015年土地利用類型轉(zhuǎn)化表(km2)

圖3 石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施范圍圖

Figure 3 Implementation scope of GFGP in Shiyang River Basin

從空間分布變化圖可以看出, 研究區(qū)(圖4), 產(chǎn)水、NPP和土壤保持量均呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的分布情況, 這主要是由于石羊河流域內(nèi)水、熱條件空間分布不均造成的。南部是石羊河流域上游區(qū)域, 位于祁連山北部, 多為山地地貌, 河網(wǎng)密集, 屬于山區(qū)河流, 平均海拔3000 m左右, 降水量多, 蒸發(fā)少, 植被主要是森林、草地, 植被覆蓋度好、郁密度高, 土壤保持能力強(qiáng), 因此該區(qū)域?yàn)?類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高值區(qū)。位于中部和北部的石羊河流域中下游地區(qū), 海拔較低, 降水量小、蒸發(fā)量大, 地類以未利用地和耕地為主, 植被覆蓋度低, 植被攔截與過濾作用的持留能力低, 另外, 該區(qū)域主要土壤類型為荒漠風(fēng)沙土, 自身的抗土壤侵蝕能力差, 且該區(qū)域人口相對(duì)密集, 人類干預(yù)和影響因素較大, 土壤保持能力較弱, 因此, 中北部地區(qū)為3類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的低值區(qū)。

利用ArcGIS空間疊置分析, 得到石羊河流域退耕還林還草工程完成前后產(chǎn)水(圖4)、NPP(圖5)和土壤保持量(圖6)空間變化圖。對(duì)比工程實(shí)施范圍圖可以看出: 產(chǎn)水量明顯變化的區(qū)域和退耕還林還草工程實(shí)施范圍基本重合, 而非退耕還林還草工程實(shí)施區(qū)域產(chǎn)水量變化并不明顯, 這說明退耕還林還草工程對(duì)實(shí)施區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)產(chǎn)生了顯著影響。NPP顯著變化的區(qū)域并不完全與退耕還林還草工程范圍相重合。對(duì)比NDVI數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn), 植被覆蓋度較高的區(qū)域NPP變化相對(duì)明顯, 大部分呈增加趨勢。

表2 石羊河流域2000-2015年產(chǎn)水、NPP和土壤保持量變化情況

圖4 石羊河流域平均產(chǎn)水量分布圖(a.2000年, b.2015年, c.2000-2015年變化量)

Figure 4 Average water yield in Shiyang River Basin (a.2000, b.2015, c. change in 2000-2015)

圖5 石羊河流域NPP分布圖(a.2000年, b.2015年, c.2000-2015年變化量)

Figure 5 Average NPP in Shiyang River Basin (a.2000, b.2015, c. change in 2000-2015)

圖6 石羊河流域平均土壤保持量分布圖(a.2000年, b.2015年, c.2000-2015年變化量)

Figure 6 Average soil conservation in Shiyang River Basin (a.2000, b.2015, c. change in 2000-2015)

3.3 “退耕區(qū)”與“非退耕區(qū)”生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化分析

退耕還林還草工程改變了區(qū)域土地利用/土地覆被類型, 而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化是由氣候變化和土地利用/土地覆被類型的變化共同引起的[30]。想要準(zhǔn)確、有針對(duì)性地分析退耕還林還草工程對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響, 就得排除氣候變化因素, 對(duì)比研究“退耕區(qū)”(工程實(shí)施區(qū))與“非退耕區(qū)”(非工程實(shí)施區(qū))生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的差異。因?yàn)闅夂蛞蛩赝瑫r(shí)影響“退耕區(qū)”和“非退耕區(qū)”, 但是工程通過改變土地利用覆被只對(duì)“退耕區(qū)”產(chǎn)生影響。由于2000年為工程實(shí)施起始年, 無“退耕區(qū)”與“非退耕區(qū)”之區(qū)別, 因此, 為了準(zhǔn)確反映出工程的實(shí)施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響, 本文對(duì)比2000年與2015年工程實(shí)施相同區(qū)域, 和非工程實(shí)施區(qū)域各服務(wù)量變化情況。

3.3.1 “退耕區(qū)”與“非退耕區(qū)”產(chǎn)水服務(wù)變化分析

對(duì)比石羊河流域“退耕區(qū)”和“非退耕區(qū)”產(chǎn)水服務(wù)變化(表3, 圖7)可以看出, “退耕區(qū)”的產(chǎn)水總量有所增加, 由2000年的0.607×108m3增加到2015年的1.101×108m3, “非退耕區(qū)”產(chǎn)水總量有所減少, 由2000年的22.86×108m3減少到2015年的21.762×108m3; “退耕區(qū)”平均產(chǎn)水量有明顯的增加, 而“非退耕區(qū)”的平均產(chǎn)水量變化相對(duì)較小; 各退耕類型中, “退耕還林”區(qū)產(chǎn)水總量和平均產(chǎn)水量均有所降低; “退耕還草”區(qū)產(chǎn)水總量和平均產(chǎn)水量略有增加; “荒地造林”和“荒地種草”區(qū)產(chǎn)水總量和平均產(chǎn)水量均有較為明顯增加。

表3 石羊河流域“退耕區(qū)”與“非退耕區(qū)” 2000—2015年產(chǎn)水量變化

圖7 石羊河流域“退耕區(qū)”產(chǎn)水量2000—2015年變化圖

Figure 7 Changes of water yield in GFGP area of Shiyang River Basin 2000-2015

根據(jù)以上分析可知, 在研究區(qū)實(shí)施“退耕還林”會(huì)造成產(chǎn)水服務(wù)的衰退, 因?yàn)橄噍^于耕地, 林地的蒸散發(fā)量大, “退耕還林”后植被的生態(tài)需水量增加, 故使得產(chǎn)水量有所減少; “荒地造林”和“荒地種草”使得生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)有所增加, 是因?yàn)榛牡刂脖桓采w度低, 地面蒸散發(fā)量大, 在該區(qū)域進(jìn)行植被恢復(fù)“造林、種草”之后, 增加了地表植被覆蓋度, 減少了地面蒸散發(fā), 故這些區(qū)域產(chǎn)水量有明顯增加。

3.3.2 “退耕區(qū)”與“非退耕區(qū)”NPP變化分析

對(duì)比石羊河流域“退耕區(qū)”和“非退耕區(qū)”NPP變化(表4, 圖8)可以看出, “退耕區(qū)”和“非退耕區(qū)”NPP總量和平均NPP均有所增加, “退耕區(qū)”NPP總量由2000年的4.413×104tC·a-1增加到2015年的7.669× 104tC·a-1, 增加了75%, “非退耕區(qū)”由2000年的149.741×104tC·a-1增加到2015年的245.778×104tC·a-1增加了64%; 各退耕類型中, “退耕還林”和“荒山造林”對(duì)NPP提升較為明顯。“退耕還草”和“荒地種草”區(qū)平均NPP有所增加, 但是并不明顯。

3.3.3 “退耕區(qū)”與“非退耕區(qū)”土壤保持服務(wù)變化分析

“退耕區(qū)”土壤保持總量由2000年的1032.26× 104t·a-1增加到2015年的1575.77×104t·a-1, 共增加了30%; 而“非退耕區(qū)”土壤保持總量由2000年的196971.14×104t·a-1減少到2015年的150829.87×104t·a-1, 共減少了23%(表5, 圖9); 各退耕類型中, “退耕還林”對(duì)區(qū)域平均土壤保持量提升最大, 其次是“荒地造林”, “退耕還草”和“荒地種草”對(duì)土壤保持服務(wù)提升不顯著?？傮w來說, “退耕區(qū)”的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力有所加強(qiáng), 而“非退耕區(qū)”土壤保持總量和平均土壤保持量均明顯減少, 土壤保持能力持續(xù)衰退, 這反映出退耕還林還草工程的實(shí)施總體來說提升了“退耕區(qū)”的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)能力。

表4 石羊河流域“退耕區(qū)”及“非退耕區(qū)”2000—2015年NPP變化

圖8 石羊河流域“退耕區(qū)”NPP 2000—2015年變化圖

Figure 8 Changes of NPP in GFGP area of Shiyang River Basin 2000-2015

4 討論

退耕還林還草工程作為大型生態(tài)恢復(fù)工程, 其目的就是恢復(fù)和改善區(qū)域退化的生態(tài)系統(tǒng)[31-32]。已有研究表明退耕還林還草工程能夠有效改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[33], 但是也有研究發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)退耕還林還草工程的實(shí)施雖然增加了植被覆蓋度, 但是同時(shí)也增加了植被生態(tài)需水量, 使得原本就干旱缺水的黃土高原地區(qū)產(chǎn)水量進(jìn)一步減少, 并且接近用水危機(jī)狀態(tài)[18.34]。因此, 有部分學(xué)者對(duì)在干旱區(qū)進(jìn)行大規(guī)模植被恢復(fù)工程持有反對(duì)態(tài)度。石羊河流域位于干旱區(qū), 降水稀少、蒸發(fā)量大, 水資源匱乏, 生態(tài)環(huán)境脆弱, 因此, 明晰退耕還林還草工程對(duì)石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生何種影響, 是否取得較好的生態(tài)效益具有重要意義。

從生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)角度分析, 在退耕還林還草工程實(shí)施期間(2000—2015年), 石羊河流域整體產(chǎn)水量有輕微減少, 但是工程實(shí)施區(qū), 即“退耕區(qū)”的產(chǎn)水總量和平均產(chǎn)水量均有所增加, 而“非退耕區(qū)”的產(chǎn)水總量和平均產(chǎn)水量均有所減少。對(duì)比說明, 通過工程的實(shí)施, “退耕區(qū)”的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)能力有所提升, 并沒有出現(xiàn)與黃土高原類似的產(chǎn)水量明顯減少的情況。這是因?yàn)? 不同于黃土高原區(qū)以“退耕還林”為主的工程模式, 石羊河流域內(nèi)“荒地造林”、“荒地種草”和兩種模式占有較大比例, 在這兩種模式下, 由于荒地植被覆蓋度增加, 減少了地表蒸散發(fā), 增加了產(chǎn)水量, 其次, 石羊河流域退耕還林還草工程中, “種草”面積遠(yuǎn)大于“造林”面積, 由于草地生態(tài)耗水和蒸散發(fā)遠(yuǎn)小于林地, 但草地的產(chǎn)水能力大于耕地和未利用地, 故整體上來說“退耕區(qū)”產(chǎn)水服務(wù)能力有所增強(qiáng)。

表5 石羊河流域“退耕區(qū)”及“非退耕區(qū)”2000—2015年土壤保持量變化

圖9 石羊河流域“退耕區(qū)”土壤保持量2000—2015年變化圖

Figure 9 Changes of soil conservation in GFGP area of Shiyang River Basin 2000-2015

從凈初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)服務(wù)角度分析, 在退耕還林還草工程實(shí)施期間(2000—2015年)石羊河流域“退耕區(qū)”的 NPP總量和平均量均顯著增加, “非退耕區(qū)”則只是略有增加。這說明通過工程的實(shí)施, “退耕區(qū)”的生態(tài)系統(tǒng)固碳能力相對(duì)于“非退耕區(qū)”有明顯提升。在不同退耕模式中, “退耕還林”和“荒山造林”對(duì)平均 NPP 提升最大。退耕還林還草工程實(shí)施的核心目的是為了恢復(fù)植被, 改善工程區(qū)的植被生態(tài)狀況, 增強(qiáng)植被的生態(tài)服務(wù)功能。從石羊河流域工程實(shí)施期間 NPP 變化情況看, 工程的實(shí)施有效地恢復(fù)了工程區(qū)內(nèi)植被, 增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)服務(wù), 整體上取得了良好的生態(tài)效果。

從生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)角度分析, 在退耕還林還草工程實(shí)施期間(2000—2015年), 石羊河流域整體以及“非退耕區(qū)”土壤保持量有較為明顯減少, 而“退耕區(qū)”的土壤保持總量和平均量均有所增加。這說明通過工程的實(shí)施, “退耕區(qū)”的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力顯著增強(qiáng)。人類過度干擾會(huì)對(duì)土壤侵蝕造成顯著影響, 石羊河流域退耕還林還草工程通過植被恢復(fù), 增加了區(qū)域植被覆蓋度, 可以在一定程度上提高土壤抗御雨水沖蝕的能力, 減少土壤侵蝕; 植被恢復(fù)后凋落物的增加、植物根系的生長和分泌物、植被對(duì)地表的遮陰等作用, 都會(huì)對(duì)恢復(fù)地上的土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響, 使土壤質(zhì)地更易于保持養(yǎng)分和水分, 提高研究區(qū)的土壤保持能力。

由于僅從土地利用變化數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確區(qū)分荒地人工種草和荒地自然演替為草地這兩種情況, 因此, 在定量分析“荒地種草”模式下各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí), 可能會(huì)造成服務(wù)量被高估。未來會(huì)考慮通過與石羊河流域各所屬行政區(qū)的林業(yè)相關(guān)部門加強(qiáng)溝通與合作, 爭取掌握退耕還林還草工程規(guī)劃的荒地人工種草范圍等數(shù)據(jù), 并結(jié)合大量野外實(shí)地考察驗(yàn)證, 以獲得較為準(zhǔn)確的“荒地種草”模式的實(shí)際范圍, 更好的評(píng)估該模式下各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。另外, 本文計(jì)算了退耕還林還草工程對(duì)石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響, 但是由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜性, 服務(wù)之間關(guān)系的多重非線性, 對(duì)其背后的影響機(jī)制機(jī)理研究不夠深入, 雖然目前研究所取得的相關(guān)結(jié)論能夠?yàn)槭蚝恿饔蚧谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的退耕還林還草工程優(yōu)化調(diào)控提供一定的參考, 但退耕還林還草工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響機(jī)制及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究是后期需要進(jìn)一步完善的方向。

5 結(jié)論

本研究基于土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù), 結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型, 定量計(jì)算了石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施期間2000—2015年間產(chǎn)水、NPP和土壤保持服務(wù)及其時(shí)空分布情況, 并進(jìn)一步對(duì)比了“退耕區(qū)”和“非退耕區(qū)”這3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的差異, 得到如下結(jié)論:

(1)石羊河流域退耕還林還草工程的實(shí)施對(duì)流域土地利用變化產(chǎn)生了顯著影響。工程實(shí)施期間2000—2015年, 林、草地面積有所增加, 林地增加了22.17%, 共507.07 km2, 草地增加了6.47%, 共703.54 km2; 耕地和未利用地有所減少, 耕地減少了2.65%、共193.88 km2, 未利用地減少了6.33%, 共1156.95 km2; 面積變化比例最大的四種地類轉(zhuǎn)化類型為“未利用地—草地”、“未利用地—林地”、“耕地—草地”和“耕地—林地”, 由此可以看出, 退耕還林還草工程在石羊河流域得到了較好的實(shí)施。

(2)石羊河流域在退耕還林還草工程實(shí)施期間整體生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)和土壤保持服務(wù)有不同程度衰退, 但是NPP有較為明顯增加。工程實(shí)施期間2000—2015年, 全流域產(chǎn)水總量和平均量略有減少, 總量由2000年的2.35×109m3·a-1減少到2015年的2.29×109m3·a-1, 平均量減少了1.49 mm; NPP總量和平均量均有所增加, NPP總量由2000年的1.54× 106tC·a-1提升至2015年的2.53×106tC·a-1, 平均量增加了24.47 gC·m2·a-1; 土壤保持總量和平均土壤保持量均有所降低, 土壤保持總量由2000的20.01× 108t·a-1減少為2015年的15.30×108t·a-1, 平均量減少了115.97 t·hm-2·a-1。各服務(wù)在空間分布上具有一致性, 均呈現(xiàn)出南高北低, 由西南向東北階梯遞減的趨勢, 這主要是由垂直地帶分異造成的。

(3)石羊河流域退耕還林還草工程實(shí)施期間(2000—2015年), “退耕區(qū)”的產(chǎn)水、NPP和土壤保持總量和平均量均呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢, 而“非退耕區(qū)”除了NPP總量和平均量有所增加以外, 其余兩類服務(wù)均有不同程度的減少, 這說明退耕還林還草工程能夠提升實(shí)施區(qū)的產(chǎn)水、NPP和土壤保持服務(wù); 各退耕模式中, “荒地造林”區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水和NPP服務(wù)提升最為明顯, “退耕還林”區(qū)產(chǎn)水總量和平均量均有所減少, 因此, 在石羊河流域進(jìn)行退耕還林還草工程時(shí), 要謹(jǐn)慎對(duì)待“退耕還林”, 將工程重點(diǎn)放到其他植被恢復(fù)類型上, 以獲得更好的生態(tài)效應(yīng)。

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Effects of the Grain for Green Program on the ecosystem services of inland river basin in arid area

WANG Yuchun1, ZHAO Jun2,*, FU Jiewen2

1. School of Public Administration, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China 2. College of Geography and Environment Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China

Discussing the impact of human activities, especially large–scale projects and policies, on ecosystem services is the frontier and hotspot of international geographic and ecological research. Based on land use data, meteorological data and remote sensing data, combined with InVEST water yield model, CASA model and RUSLE model, we estimated three key ecosystem services, including water yield, NPP and soil conservation, to analyze the change characteristics during the implementation of the Grain for Green program (GFGP) in Shiyang River Basin. In addition, we further compared the differences of the three key ecosystem services between the project implementation area and the non-project implementation area. The results were as follows. (1) During the implementation of the GFGP in Shiyang River Basin (2000-2015), the area of forest and grassland increased, while the area of farmland and unused land decreased. The land conversion types with the largest proportion of area change were “unused land–grassland”, “unused land–forest”, “farmland–grassland” and “farmland–forest”. (2) The water yield service and soil conservation service of the whole basin declined in varying degrees, but NPP increased significantly. The spatial distribution of the services was consistent, showing a trend of high in the South and low in the north, and decreasing stepwise from southwest to northeast. (3) The gross and average amount of water production, NPP and soil conservation in the “GFGP area” of Shiyang River Basin showed an obvious increasing trend, while the other two types of services in the “Non–GFGP area” decreased in varying degrees except NPP. Among all the conversion modes, the improvement of various services was most obvious in “conversion unused land to forest” area, and the total and average water yield in “conversion of farmland to forest” area decreased.

ecosystem services; ecological restoration; the Grain for Green Program; Shiyang River Basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.007

X87

A

1008-8873(2021)06-056-11

王玉純, 趙軍, 付杰文. 退耕還林還草工程對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(6): 56–66.

WANG Yuchun, ZHAO Jun, FU Jiewen. Effects of the Grain for Green Program on the ecosystem services of inland river basin in arid area[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 56–66.

2020-04-30;

2020-05-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41661084); 安徽省社會(huì)科學(xué)創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目(2019CX114); 安徽建筑大學(xué)校引進(jìn)人才及博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2019QDZ34)

王玉純(1988—), 女, 江蘇徐州人, 博士, 講師, 研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感與GIS應(yīng)用, E-mail: wyc18894017342@163.com

通信作者:趙軍, 男, 博士, 教授, 研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境遙感與GIS應(yīng)用, E-mail: zhaojun@nwnu.edu.cn