大興安嶺天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務變化研究

　　摘要：利用Landsat和MODIS遙感數(shù)據(jù)和InVEST模型，評估了1990―2015年大興安嶺天保工程區(qū)實施前后生態(tài)系統(tǒng)土壤風蝕量、生境質(zhì)量和碳儲量的時空變化，并通過地理探測器方法對生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化分布與趨勢進行驅(qū)動因子探測和交互作用探測分析。結果表明：①從空間分布來看，額爾古納市南部、鄂溫克族自治旗西北部、科爾沁右翼前旗的土壤風蝕量大，生境質(zhì)量差，碳儲量低。②2000年天保工程實施之后，森林面積顯著增加，土壤風蝕量減少1.14%，生境質(zhì)量增加0.49%，碳儲量減少幅度為0.12%，低于2000年以前的0.64%。③土壤風蝕量主要受植被類型、土壤類型的影響，生態(tài)系統(tǒng)類型、植被類型對生境質(zhì)量、碳儲量空間異質(zhì)性的影響顯著大于其他因素，海拔、坡度2種地形因子對土壤風蝕量、碳儲量的解釋能力很小。溫度、降水2種氣候因子對土壤風蝕量、生境質(zhì)量和碳儲量的解釋能力不固定，但仍是不可或缺的因素。

　　關鍵詞：天然林保護工程;生態(tài)系統(tǒng)服務;遙感數(shù)據(jù);地理探測器;大興安嶺地區(qū)

　　森林生態(tài)系統(tǒng)是保證健康環(huán)境的重要部分，森林提供的生態(tài)系統(tǒng)服務是維持社會經(jīng)濟發(fā)展和健康生態(tài)系統(tǒng)的基礎[1]。由于社會經(jīng)濟發(fā)展與人口增長，土地退化、土壤侵蝕和毀林造成的生態(tài)環(huán)境惡化問題一直困擾著中國生態(tài)安全[2]。為了減少這些問題的影響，國務院2000年實施了世界上最大和最全面的生態(tài)保護工程—天然林保護工程(天保工程)，天保工程森林面積占中國天然林面積的53%，主要目標是解決天然林的恢復發(fā)展問題，保護環(huán)境與促進社會和諧發(fā)展[3]。眾多學者對國內(nèi)天保工程生態(tài)系統(tǒng)服務進行了評析。范琳等[4]通過建立森林生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標體系，對山西省天保工程進行了效益評價。肖中琪等[5]結合遙感與隨機森林，分析了新疆天山西部天保工程生態(tài)系統(tǒng)類型、森林生物量的時空變化。

　　黃繼紅等[6]選取6項服務、9項指標對陜西省寧陜縣天保工程的顯著成效進行了分析。傳統(tǒng)的天保工程生態(tài)系統(tǒng)服務研究側重于及價值量及時空變化研究，但是很少有人對其中的原因進行定量分析。定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務對生態(tài)保護與修復、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有科學指導意義。大興安嶺天保工程區(qū)自然條件優(yōu)越，是中國重要的生態(tài)屏障，是中國木材的重要產(chǎn)區(qū)和戰(zhàn)略資源儲備基地;是黑龍江水系的源頭，穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)為中下游地區(qū)提供了寶貴的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水。以往對大興安嶺天保工程區(qū)研究多集中在生態(tài)系統(tǒng)類型變化研究[7]，生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化格局分析[8]，或者單一生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化與原因分析[9]。

　　目前缺乏對天保工程實施前后生態(tài)系統(tǒng)服務的全面評估與原因分析。本研究利用長期定位觀測、遙感數(shù)據(jù)與InVEST模型，對比大興安嶺天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型變化，從土壤風蝕量、生境質(zhì)量、碳儲量3個方面評估1990―2015年天然林保護工程實施前后生態(tài)系統(tǒng)服務演變情況，探討生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化的影響因素。以期為今后工程區(qū)規(guī)劃和行動、自然資源合理開發(fā)利用、區(qū)域生態(tài)文明建設提供重要的科學基礎。

　　1研究數(shù)據(jù)與方法

　　1.1 研究區(qū)概況

　　大興安嶺天保工程區(qū)位于118°14′~127°44′E、45°13′~53°56′N，行政范圍包括內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟、呼倫貝爾市和黑龍江省大興安嶺地區(qū)，面積約為26萬km2。屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長寒冷，夏季短暫多雨，太陽輻射資源豐富，全年均溫−2.5~6.8℃，年均降水量310~750mm，該區(qū)跨寒溫帶針葉林、溫帶針闊葉混交林和溫帶草原三大植被區(qū)域，植被類型以森林為主，其中主要分布針葉林、闊葉林以及針闊混交林，是中國的重點林區(qū)。

　　1.2 數(shù)據(jù)源及處理

　　本文涉及的數(shù)據(jù)包括：①1990、2000、2015年的生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心

　　，三期土地覆被數(shù)據(jù)以Landsat為數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο蠓椒ǖ玫剑瑢⒀芯繀^(qū)劃分為森林、草地、農(nóng)田、濕地、城鎮(zhèn)及裸地6個一級類，落葉針葉林、針闊混交林、草叢、湖泊、河流等40個二級類，空間分辨率為30m，利用ArcGIS10.6裁剪，得到大興安嶺地區(qū)土地覆被數(shù)據(jù)。②30m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(https://search.asf.alaska.edu/#/)，利用ArcGIS10.6提取高程、坡度、坡向等地形因子。③土壤數(shù)據(jù)：土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，土壤深度數(shù)據(jù)來自于全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)集。

　�、躆ODISNDVI數(shù)據(jù)，來自MOD13A3的植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，時間分辨率為月，空間分辨率為250m×250m，來源自NASA/EOSLPDAAC數(shù)據(jù)分發(fā)中心的MODIS產(chǎn)品，湖泊分布、河流分布、居民地和道路分布數(shù)據(jù)均采用ArcGIS10.6從生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)中提取。⑤氣象數(shù)據(jù)：日最高均溫、日最低均溫來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用克里格插值的方法生成1km柵格數(shù)據(jù)，年平均降水、年平均氣溫、植被類型、土壤類型空間分布柵格數(shù)據(jù)來自于中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，用于影響因素分析。參考相關文獻[9~14]，并結合大興安嶺天保工程區(qū)實際情況，選取生態(tài)系統(tǒng)類型、降水量、溫度、植被類型、海拔、坡度、土壤類型作為影響因素。

　　1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務變化評估方法

　　1.3.1土壤風蝕量土壤風蝕量采用修正風蝕方程(RWEQ)進行估算。在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表粗糙度、土壤可蝕性、土壤結皮等要素情況下，RWEQ模型可較好定量評估土壤侵蝕模數(shù)[10]。

　　1.3.2生境質(zhì)量InVEST模型生物多樣性模塊采用生境質(zhì)量表征生物多樣性維持。對不同因子賦權重以確定不同因子對生境質(zhì)量的影響程度。采用因子層次分析法對天保工程區(qū)進行生境質(zhì)量評價。

　　2結果分析

　　2.1 生態(tài)系統(tǒng)類型變化特征

　　大興安嶺天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型包括森林、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)和其它，以森林為主，森林比另外5種生態(tài)系統(tǒng)的分割度低，聚合程度高，連通性好，主要分布在大興安嶺中心地區(qū)。1990―2015年，森林面積呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。1990―2000年，森林面積減少了0.29%，2000年森林面積為173632.71km2，主要是向農(nóng)田轉化，轉出面積為895.50km2，占總轉出面積的41.21%，面積減少的生態(tài)系統(tǒng)類型還有草地、濕地。

　　2015年，森林面積達175185.50km2，增加了0.89%，2000―2015年，森林主要是由濕地、草地轉化而來，分別占總轉入面積的44.47%、30.13%，面積減少的生態(tài)系統(tǒng)類型主要有草地、濕地。大興安嶺天保工程實施之后，森林生態(tài)系統(tǒng)得到很大程度的恢復與改善，森林總面積不斷增加。1990―2015年，農(nóng)田、城鎮(zhèn)、其它生態(tài)系統(tǒng)面積一直呈增加趨勢。

　　2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務時空分布特征

　　從空間分布來看，3個時期研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的土壤風蝕量、生境質(zhì)量、碳儲量表現(xiàn)出一致性與差異性，額爾古納市南部、鄂溫克族自治旗西北部、科爾沁右翼前旗的土壤風蝕量大，生境質(zhì)量差，碳儲量低。在時空分布上，土壤風蝕量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，1990、2000、2015年的土壤風蝕量均值分別為912.49、1084.08、1071.71t/km2。1990―2000年，土壤風蝕量增加了171.59t/km2，占比18.80%，增加區(qū)域主要分布在呼瑪縣東部、額爾古納市、牙克石市以及鄂溫克族自治旗北部。

　　2000―2015年，土壤風蝕量減少了12.37t/km2，占比1.14%，減少區(qū)域主要分布在額爾古納市南部、鄂溫克自治旗、科爾沁右翼前旗中部及東南部。生境質(zhì)量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，1990、2000、2015年生境質(zhì)量平均值分別為60.00、59.03、59.32。1990―2000年，研究區(qū)四周生境質(zhì)量有變好趨勢，中部呈現(xiàn)變差趨勢，總體變差，占比1.62%，2000―2015年，生境質(zhì)量整體有變好趨勢，增加0.49%。1990―2015年研究區(qū)內(nèi)大部分面積總碳儲量保持不變，從1990年的6222.74Tg到2000年的6190.44Tg再到2015年的6182.86Tg，大興安嶺天保工程區(qū)平均碳儲量則呈現(xiàn)出一直下降趨勢。但從下降幅度0.64%到0.12%，2000―2015年碳儲量的下降幅度比1990―2010年的緩慢。

　　2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務時空分布影響因素

　　除海拔、坡度與土壤風蝕量，坡度與碳儲量不顯著相關外，其余因素與生態(tài)系統(tǒng)服務均顯著相關(P<0.01)。植被類型、土壤類型對土壤風蝕量的解釋能力明顯大于其他因子，生態(tài)系統(tǒng)類型、植被類型對生境質(zhì)量、碳儲量的解釋能力明顯大于其他因子。海拔、坡度2種地形因子對土壤風蝕量、碳儲量的解釋能力很小。由于年際間氣候處于動態(tài)變化中，溫度、降水2種氣候因子對土壤風蝕量、生境質(zhì)量和碳儲量的解釋能力不固定，但仍是不可或缺的因素。

　　在因子間的交互作用方面，各因子表現(xiàn)出較強的交互作用，對土壤風蝕量解釋能力最大的是植被類型協(xié)同土壤類型，各年度解釋能力達到0.26~0.29;除生態(tài)系統(tǒng)類型與植被類型、生態(tài)系統(tǒng)類型與土壤類型外，其余因素兩兩交互作用對生境質(zhì)量各年度的解釋能力均超過0.99;生態(tài)系統(tǒng)類型協(xié)同降水量、溫度、植被類型、土壤類型均能對碳儲量達到很好的解釋作用，各年度解釋力達到0.89~0.93。

　　3討論

　　自2000年大興安嶺天保工程實施以來，生態(tài)系統(tǒng)類型發(fā)生較大變化，森林面積顯著提高，生態(tài)系統(tǒng)服務能力得到改善。1990―2015年，土壤風蝕量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，相反，生境質(zhì)量先減少后增加，碳儲量則一直減少，但2000年后的減少幅度小于2000年前。說明大興安嶺天保工程的實施對生態(tài)系統(tǒng)有顯著成效。但是對比1990年，2015年的土壤風蝕量、生境質(zhì)量、碳儲量分別增加159.22t/km2，減少0.68，減少39.88Tg，恢復能力較慢，沒有恢復到1990年的水平，這與大興安嶺地區(qū)氣候寒冷，生態(tài)系統(tǒng)服務恢復能力較其他溫暖濕潤區(qū)較低有關。

　　土壤論文范例：綠肥不同還田方式對土壤溫室氣體排放的影響

　　4結論

　　1)從空間分布來看，額爾古納市南部、鄂溫克族自治旗西北部、科爾沁右翼前旗的土壤風蝕量大，生境質(zhì)量差，碳儲量低。

　　2)2000年天保工程實施之后，森林面積顯著增加，土壤風蝕量減少1.14%，生境質(zhì)量增加0.49%，碳儲量減少幅度為0.12%，低于2000年前的0.64%。說明天保工程的實施有助于生態(tài)系統(tǒng)服務的恢復與改善。

　　3)根據(jù)地理探測器統(tǒng)計結果q值分析，土壤風蝕量主要受植被類型、土壤類型的影響，生態(tài)系統(tǒng)類型、植被類型對生境質(zhì)量、碳儲量空間異質(zhì)性的影響顯著大于其他因素，是時空變化的重要因素。海拔、坡度2種地形因子對土壤風蝕量、碳儲量的解釋能力很小。溫度、降水2種氣候因子對土壤風蝕量、生境質(zhì)量和碳儲量的解釋能力不固定，但仍是不可或缺的因素。

　　參考文獻(References)：

　　CaoSX,LiuYJ,SuWetal.ThenetecosystemservicesvalueinmainlandChina[J].ScienceChinaEarthSciences,2018,61:595-603.

　　作者：鄭樹峰1,2，王麗萍2，臧淑英1

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