大興安嶺天保工程區生態系統服務變化研究

　　摘要：利用Landsat和MODIS遙感數據和InVEST模型，評估了1990―2015年大興安嶺天保工程區實施前后生態系統土壤風蝕量、生境質量和碳儲量的時空變化，并通過地理探測器方法對生態系統服務時空變化分布與趨勢進行驅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，生態系統類型、植被類型對生境質量、碳儲量空間異質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;生態系統服務;遙感數據;地理探測器;大興安嶺地區

　　森林生態系統是保證健康環境的重要部分，森林提供的生態系統服務是維持社會經濟發展和健康生態系統的基礎[1]。由于社會經濟發展與人口增長，土地退化、土壤侵蝕和毀林造成的生態環境惡化問題一直困擾著中國生態安全[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展問題，保護環境與促進社會和諧發展[3]。眾多學者對國內天保工程生態系統服務進行了評析。范琳等[4]通過建立森林生態系統綜合評價指標體系，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系統類型、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。傳統的天保工程生態系統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。定量分析生態系統服務對生態保護與修復、區域可持續發展具有科學指導意義。大興安嶺天保工程區自然條件優越，是中國重要的生態屏障，是中國木材的重要產區和戰略資源儲備基地;是黑龍江水系的源頭，穩定的森林生態系統為中下游地區提供了寶貴的工農業生產和生活用水。以往對大興安嶺天保工程區研究多集中在生態系統類型變化研究[7]，生態系統服務時空變化格局分析[8]，或者單一生態系統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系統服務的全面評估與原因分析。本研究利用長期定位觀測、遙感數據與InVEST模型，對比大興安嶺天保工程區生態系統類型變化，從土壤風蝕量、生境質量、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系統服務演變情況，探討生態系統服務時空變化的影響因素。以期為今后工程區規劃和行動、自然資源合理開發利用、區域生態文明建設提供重要的科學基礎。

　　1研究數據與方法

　　1.1 研究區概況

　　大興安嶺天保工程區位于118°14′~127°44′E、45°13′~53°56′N，行政范圍包括內蒙古自治區興安盟、呼倫貝爾市和黑龍江省大興安嶺地區，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。

　　1.2 數據源及處理

　　本文涉及的數據包括：①1990、2000、2015年的生態系統類型數據來源于國家地球系統科學數據中心

　　，三期土地覆被數據以Landsat為數據源，采用面向對象方法得到，將研究區劃分為森林、草地、農田、濕地、城鎮及裸地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，得到大興安嶺地區土地覆被數據。②30m分辨率數字高程模型(DEM)數據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土壤數據：土壤質地數據來源于地理空間數據云，土壤深度數據來自于全國第二次土壤普查數據集。

　　④MODISNDVI數據，來自MOD13A3的植被指數數據集，時間分辨率為月，空間分辨率為250m×250m，來源自NASA/EOSLPDAAC數據分發中心的MODIS產品，湖泊分布、河流分布、居民地和道路分布數據均采用ArcGIS10.6從生態系統類型數據中提取。⑤氣象數據：日最高均溫、日最低均溫來自于中國氣象數據網，采用克里格插值的方法生成1km柵格數據，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據來自于中科院資源環境數據中心，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實際情況，選取生態系統類型、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 生態系統服務變化評估方法

　　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[10]。

　　1.3.2生境質量InVEST模型生物多樣性模塊采用生境質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量的影響程度。采用因子層次分析法對天保工程區進行生境質量評價。

　　2結果分析

　　2.1 生態系統類型變化特征

　　大興安嶺天保工程區生態系統類型包括森林、草地、濕地、農田、城鎮和其它，以森林為主，森林比另外5種生態系統的分割度低，聚合程度高，連通性好，主要分布在大興安嶺中心地區。1990―2015年，森林面積呈現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%，面積減少的生態系統類型還有草地、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%，面積減少的生態系統類型主要有草地、濕地。大興安嶺天保工程實施之后，森林生態系統得到很大程度的恢復與改善，森林總面積不斷增加。1990―2015年，農田、城鎮、其它生態系統面積一直呈增加趨勢。

　　2.2 生態系統服務時空分布特征

　　從空間分布來看，3個時期研究區生態系統的土壤風蝕量、生境質量、碳儲量表現出一致性與差異性，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，生境質量差，碳儲量低。在時空分布上，土壤風蝕量呈現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。生境質量呈現先減少后增加的趨勢，1990、2000、2015年生境質量平均值分別為60.00、59.03、59.32。1990―2000年，研究區四周生境質量有變好趨勢，中部呈現變差趨勢，總體變差，占比1.62%，2000―2015年，生境質量整體有變好趨勢，增加0.49%。1990―2015年研究區內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平均碳儲量則呈現出一直下降趨勢。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 生態系統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，其余因素與生態系統服務均顯著相關(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，生態系統類型、植被類型對生境質量、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變化中，溫度、降水2種氣候因子對土壤風蝕量、生境質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同土壤類型，各年度解釋能力達到0.26~0.29;除生態系統類型與植被類型、生態系統類型與土壤類型外，其余因素兩兩交互作用對生境質量各年度的解釋能力均超過0.99;生態系統類型協同降水量、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，生態系統類型發生較大變化，森林面積顯著提高，生態系統服務能力得到改善。1990―2015年，土壤風蝕量呈現先增加后減少的趨勢，相反，生境質量先減少后增加，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系統有顯著成效。但是對比1990年，2015年的土壤風蝕量、生境質量、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，這與大興安嶺地區氣候寒冷，生態系統服務恢復能力較其他溫暖濕潤區較低有關。

　　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系統服務的恢復與改善。

　　3)根據地理探測器統計結果q值分析，土壤風蝕量主要受植被類型、土壤類型的影響，生態系統類型、植被類型對生境質量、碳儲量空間異質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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