吳 丹，曹 巍，黃 麟，呼和濤力

(1.常州大學(xué) 城鄉(xiāng)礦山研究院，江蘇 常州 213000； 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

1 研究背景

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。森林不僅為人類的生產(chǎn)和生活提供多種寶貴的木材和原材料，而且在調(diào)節(jié)氣候、固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、保持水土、美化環(huán)境、維護(hù)生物多樣性、減緩自然災(zāi)害等方面發(fā)揮重要作用[2-3]。長期過度采伐與不合理經(jīng)營，導(dǎo)致森林資源銳減、生態(tài)功能退化，引發(fā)了一系列的資源與環(huán)境問題，造成了嚴(yán)重的生態(tài)經(jīng)濟(jì)后果[4-5]。自1998年特大洪澇災(zāi)害后，國家開始實(shí)施天然林資源保護(hù)工程(天保工程)，通過調(diào)整和優(yōu)化林區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，改善長江、黃河流域的生態(tài)環(huán)境，保障國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展[6-8]。天保工程范圍內(nèi)的天然林分布區(qū)，既是長江、黃河、瀾滄江、松花江、嫩江、黑龍江水系及其主要支流和眾多湖庫的重要源頭和水源涵養(yǎng)區(qū)，也是三峽大壩、小浪底水庫和丹江口水庫等水利樞紐的綠色屏障。實(shí)施天保工程，大幅提升森林質(zhì)量和生態(tài)功能，對構(gòu)建長江上游和黃河中上游、東北和華北地區(qū)生態(tài)屏障，增加森林碳匯及應(yīng)對全球氣候變化具有不可替代的作用。

許多學(xué)者從森林資源面積變化[9-10]、植被覆蓋度[11-12]、植被碳儲量[13-14]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量[15-16]、景觀格局指數(shù)[17-18]等方面開展了天保工程實(shí)施效果評估。然而，上述研究主要針對天保工程區(qū)生態(tài)環(huán)境的單因素分析，未能形成一套系統(tǒng)、全面、針對性的評估方法與指標(biāo)體系；時間尺度上缺乏長時間序列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；且研究范圍大多為局部地區(qū)，空間尺度上難以體現(xiàn)區(qū)域差異，缺乏對整個天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況全面、科學(xué)、準(zhǔn)確的把握。

隨著大規(guī)模、區(qū)域性生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程的不斷深化，以及國家加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)與生態(tài)文明戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，大尺度生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的成效評估已成為一項(xiàng)重要的科技需求[18]。因此，本研究通過定量分析天保工程區(qū)2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量(植被覆蓋度、凈初級生產(chǎn)力)、服務(wù)(水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙)的時空變化特征，探討其驅(qū)動因素，旨在為科學(xué)評估生態(tài)工程的生態(tài)效應(yīng)、制定有效的生態(tài)系統(tǒng)管理策略提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

天保工程實(shí)施范圍包括3個工程分區(qū)(圖1)，面積約占國土面積的37%。其中，長江上游區(qū)以三峽庫區(qū)為界，包括云南、四川、貴州、重慶、湖北、西藏6個省(自治區(qū)、直轄市)；黃河上中游區(qū)以小浪底庫區(qū)為界，包括陜西、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、河南7個省(自治區(qū))；東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)包括內(nèi)蒙古、吉林、黑龍江(含大興安嶺)、海南、新疆5個省(自治區(qū))及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的86個國有重點(diǎn)森工企業(yè)、16個地方森工企業(yè)、23個縣、12個縣級林業(yè)局(場)。工程建設(shè)目標(biāo)主要是解決天然林的休養(yǎng)生息和恢復(fù)發(fā)展問題，從根本上遏制生態(tài)環(huán)境惡化，保護(hù)生物多樣性，最終實(shí)現(xiàn)林區(qū)資源、經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 天保工程實(shí)施范圍Fig.1 Implementation scope of the Natural Forest Protection Project

2.2 數(shù)據(jù)與方法

2.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)(2000年、2015年)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//resdc.cn/)，空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)以Landsat TM/ETM+遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，以中巴資源衛(wèi)星、環(huán)境1號衛(wèi)星等圖像為補(bǔ)充，通過人工目視解譯生成土地利用數(shù)據(jù)，包括6個一級類型和25個二級類型。結(jié)合外業(yè)調(diào)查開展精度驗(yàn)證，土地利用一級類型綜合評價精度達(dá)到94.3%，二級類型綜合評價精度達(dá)到91.2%[19]。根據(jù)土地利用特點(diǎn)，將其類型歸并為森林、草地、農(nóng)田、水體與濕地、聚落、其他等6個生態(tài)系統(tǒng)類型(表1)，生成天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)，進(jìn)而評價分析其生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)及其時空變化。

表1 土地利用類型歸并體系Table 1 Merge system of land use types

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http：//data.cma.cn/)，主要包括2000—2015年天保工程區(qū)內(nèi)及其周邊國家氣象臺站的日均降水、氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)等。采用ANUSPLINE軟件將站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)插值至空間分辨率為1 km的柵格數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//resdc.cn/)，包括土壤類型與土壤質(zhì)地。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn/)，空間分辨率為90 m。所有柵格數(shù)據(jù)均統(tǒng)一至1 km的空間分辨率參與計(jì)算。

2.2.2 研究方法

2.2.2.1 植被覆蓋度

植被覆蓋度是植被投影面積在單位面積上所占的比例，是衡量地表植被狀況的一個重要指標(biāo)。收集2000—2015年MODIS 16 d 250 m空間分辨率的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)數(shù)據(jù)(MOD13Q1)，通過格式轉(zhuǎn)換、拼接、重投影、重采樣等處理，采用最大合成法得到NDVI 1 km逐年數(shù)據(jù)。根據(jù)像元二分理論[20]模型估算植被覆蓋度，即

(1)

式中：fc為像元植被覆蓋度；NDVI為該像元的歸一化植被指數(shù)；NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

2.2.2.2 凈初級生產(chǎn)力

植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)是綠色植物在單位時間和單位面積上所積累的有機(jī)干物質(zhì)總量，是反映植物生產(chǎn)能力的一個重要指標(biāo)。收集2000—2015年MODIS 1 km年NPP產(chǎn)品(MOD17A3)，該數(shù)據(jù)利用BIOME-BGC模型和光能利用率模型建立的NPP估算模型模擬得到陸地生態(tài)系統(tǒng)年NPP[21]。通過格式轉(zhuǎn)換、拼接、重投影等處理，得到天保工程區(qū)NPP年值數(shù)據(jù)集。

2.2.2.3 水源涵養(yǎng)服務(wù)

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)通過其特有的結(jié)構(gòu)與水相互作用，對降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積等再分配的復(fù)雜過程，主要功能表現(xiàn)在增加可利用水資源、減少土壤侵蝕、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等方面。以水源涵養(yǎng)量作為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的評估指標(biāo)。

采用降水貯存量法[22]估算森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量，表達(dá)式分別為：

Q=AJR；

(2)

J=J0K；

(3)

R=R0-Rg。

(4)

式中：Q為與裸地相比較，森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量(m3)；A為生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2)；J為產(chǎn)流降雨量(mm)；J0為降雨量(mm)；K為產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例；R為與裸地相比較，生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)；R0為產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。

收集已發(fā)表文獻(xiàn)的實(shí)測降雨產(chǎn)流臨界值，累積單次降雨量大于降雨產(chǎn)流臨界值的數(shù)值，得到單點(diǎn)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例(K值)；再與多年平均河川徑流系數(shù)建立線性關(guān)系，得到區(qū)域K值的空間分布。森林R值通過文獻(xiàn)資料整理得到，草地R值由草地植被覆蓋度計(jì)算得到[23]，濕地R值采用孟憲民等[24]的研究結(jié)果。

2.2.2.4 土壤保持服務(wù)

土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)與過程減少水蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用，是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要調(diào)節(jié)服務(wù)之一。水土保持服務(wù)主要與氣候、土壤、地形和植被有關(guān)。以土壤保持量(潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量的差值)作為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)的評估指標(biāo)。

基于修正的通用水土流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE)計(jì)算單位面積的水土流失量，即土壤侵蝕模數(shù)[25]。RUSLE模型包含降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋因子以及水土保持措施因子。土壤保持量估算公式為

Ac=Ap-Ar=RKLS(1-C)P。

(5)

式中：Ac為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量(t/(hm2·a))；Ap為潛在土壤侵蝕量(t/(hm2·a))；Ar為實(shí)際土壤侵蝕量(t/(hm2·a))；R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm/(hm2·h·a))；K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；L為坡長因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

采用日降雨量擬合模型估算降雨侵蝕力[26]，根據(jù)侵蝕生產(chǎn)力評價模型EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)估算土壤可蝕性[27]，坡度、坡長因子根據(jù)McCool等[28]和Liu等[29]的算法計(jì)算，植被覆蓋因子根據(jù)蔡崇法等[30]的算法計(jì)算，水土保持措施因子根據(jù)不同土地利用方式的耕作措施進(jìn)行賦值。

2.2.2.5 防風(fēng)固沙服務(wù)

防風(fēng)固沙是生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)與過程減少風(fēng)蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用，是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要調(diào)節(jié)服務(wù)之一。防風(fēng)固沙服務(wù)主要與風(fēng)速、降雨、溫度、土壤、地形和植被等因素相關(guān)。以防風(fēng)固沙量(潛在土壤風(fēng)蝕量與實(shí)際土壤風(fēng)蝕量的差值)作為生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)的評估指標(biāo)。

采用修正風(fēng)蝕方程(Revised Wind Erosion Equation，RWEQ)定量評估生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙量[31]，公式為：

SR=SLp-SLr；

(6)

SLr=Qx/x=Qmax[1-e(x/s)2]/x；

(7)

Qmax=109.8(WF·EF·SCF·K′·C) 。

(8)

式中：SR為生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙量(t/(hm2·a))；SLp為潛在土壤風(fēng)蝕量(t/(hm2·a))；SLr為實(shí)際土壤風(fēng)蝕量(t/(hm2·a))；x為地塊長度(m)；Qx為地塊長度x處的沙通量(kg/m)；Qmax為風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；s為關(guān)鍵地塊長度(m)；WF為氣候因子；EF為土壤可蝕因子；SCF為土壤結(jié)皮因子；K′為地表糙度因子。

氣候因子由風(fēng)速、土壤濕度、雪蓋等因子計(jì)算得到，其中雪蓋因子通過從中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)下載的雪深長時間序列數(shù)據(jù)集計(jì)算[32]；土壤可蝕因子和土壤結(jié)皮因子根據(jù)Fryrear等[33]方程計(jì)算；地表糙度因子采用滾軸式鏈條法來測定；植被覆蓋因子由植被覆蓋度計(jì)算。

2.2.2.6 驅(qū)動力因子分析

采用一元線性回歸分析法[34]分析氣溫、降水等氣象因子的變化特征，以反映其年際時空變化，表達(dá)式為

(9)

式中：Θslope為變化斜率；n為監(jiān)測時間段的年數(shù)；vi為第i年的變量。

根據(jù)趙國松等[35]提出的人類擾動指數(shù)評價人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度。鹽堿地、沼澤地等自然未利用地，林地、草地、水域等自然再生利用地，耕地等人為再生利用地，城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)、工礦用地和交通用地等人為非再生利用地的人類擾動指數(shù)依次增大，表示人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的威脅程度依次增加。生態(tài)系統(tǒng)綜合人類擾動指數(shù)計(jì)算方法為

(10)

式中：D為人類擾動指數(shù)；Ai為第i級生態(tài)系統(tǒng)人類擾動程度分級指數(shù)；Pi為第i級生態(tài)系統(tǒng)面積所占百分比。

3 結(jié)果與分析

3.1 天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)及其變化

2015年，天保工程區(qū)以草地和森林生態(tài)系統(tǒng)為主，草地生態(tài)系統(tǒng)面積約占全區(qū)總面積的33.25%，森林生態(tài)系統(tǒng)占28.38%；其次是農(nóng)田和其他生態(tài)系統(tǒng)，分別占全區(qū)總面積的18.02%和16.31%；此外，水體與濕地占2.82%，聚落占1.23%(圖2)。從各工程分區(qū)看，長江上游區(qū)以森林生態(tài)系統(tǒng)為主，面積占比為44.91%；黃河上中游區(qū)以草地生態(tài)系統(tǒng)為主，面積占比為47.90%；東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)以森林和其他生態(tài)系統(tǒng)為主，面積占比分別為29.42%和28.34%(圖3)。2000—2015年，天保工程區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加2 931 km2，以農(nóng)田和草地轉(zhuǎn)入為主；聚落生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加1.21萬km2；水體與濕地面積凈增加1 594 km2，草地面積凈減少9 343 km2。從各工程分區(qū)看，3個工程分區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)面積均有所減少，聚落生態(tài)系統(tǒng)面積均有所增加。長江上游區(qū)、黃河上中游區(qū)主要表現(xiàn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積減少、森林生態(tài)系統(tǒng)面積增加，東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)主要表現(xiàn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積增加、其他生態(tài)系統(tǒng)面積減少。

圖2 天保工程區(qū)2015年生態(tài)系統(tǒng)空間分布Fig.2 Ecosystem distribution of the Natural Forest Protection Project in 2015

圖3 各工程分區(qū)2015年生態(tài)系統(tǒng)面積Fig.3 Ecosystem areas of the Natural Forest Protection Project divisions in 2015

3.2 天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況及其變化

3.2.1 植被覆蓋度

2000—2015年，天保工程區(qū)多年平均植被覆蓋度為52.48%。長江上游區(qū)，黃河上中游區(qū)和東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)的平均植被覆蓋度分別為72.28%、40.94%和46.69%。從天保工程區(qū)植被覆蓋度的變化斜率看，研究時段內(nèi)植被覆蓋總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)態(tài)勢，增加速率0.27%/a；好轉(zhuǎn)區(qū)域面積約占天保工程區(qū)總面積的2/3。特別是黃河上中游區(qū)，植被覆蓋度增加速率0.40%/a；長江上游區(qū)和東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)植被覆蓋度增速分別為0.24%/a和0.17%/a(圖4)。

圖4 天保工程區(qū)2000—2015年年均植被覆蓋度及其變化Fig.4 Spatial distribution and trends of annual average vegetation coverage of the Natural Forest Protection Project from 2000 to 2015

3.2.2 凈初級生產(chǎn)力

2000—2015年，天保工程區(qū)多年平均植被凈初級生產(chǎn)力為363.76 g/(m2·a)。長江上游區(qū)，黃河上中游區(qū)和東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)的平均植被凈初級生產(chǎn)力分別為620.35、240.15、262.82 g/(m2·a)。從天保工程區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的變化斜率看，研究時段內(nèi)植被生產(chǎn)狀況總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)態(tài)勢，年均增速3.82 g/(m2·a)；轉(zhuǎn)差區(qū)域面積僅占天保工程區(qū)總面積的1/4。黃河上中游區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力增速最快，為4.74 g/(m2·a)；其次為長江上游區(qū)，植被凈初級生產(chǎn)力增速為3.96 g/(m2·a)；東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力增速最低，為2.78 g/(m2·a)(圖5)。

圖5 天保工程區(qū)2000—2015年年均植被凈初級生產(chǎn)力及其變化Fig.5 Spatial distribution and trends of net primary productivity of the Natural Forest Protection Project from 2000 to 2015

3.3 天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其變化

3.3.1 水源涵養(yǎng)

2000—2015年，天保工程區(qū)森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)多年平均水源涵養(yǎng)量為 26.97×1010m3，單位面積水源涵養(yǎng)量為9.35萬m3/km2，主要受降水分布格局與生態(tài)系統(tǒng)類型分布的影響，表現(xiàn)出明顯的地域分異特征。其中長江上游區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)量最高，為13.58萬m3/km2；其次為東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)(9.32萬m3/km2)；黃河上中游區(qū)最低，為5.29萬m3/km2(圖6(a))。近15 a，全區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)基本保持穩(wěn)定，長江上游區(qū)呈現(xiàn)輕微下降趨勢，年均減少0.05萬m3/km2，黃河上中游區(qū)和東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)均呈現(xiàn)輕微增加趨勢。

3.3.2 土壤保持

2000—2015年，天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多年平均土壤保持量為130.46億t，單位面積土壤保持量為36.46 t/hm2。其中長江上游區(qū)單位面積土壤保持量最高，為72.40 t/hm2；其次為黃河上中游區(qū)(34.05 t/hm2)；東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)最低，為7.44 t/hm2(圖6(b))。近15 a，全區(qū)土壤保持服務(wù)總體呈現(xiàn)輕微增加趨勢，增速為1.00 t/hm2/a；轉(zhuǎn)差區(qū)域面積占天保工程區(qū)總面積的32.15%。其中，長江上游區(qū)增速最高，為1.73 t/hm2/a；東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)增速最低，為0.13 t/hm2/a。

3.3.3 防風(fēng)固沙

2000—2015年，天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多年平均單位面積防風(fēng)固沙量為57.62 t/hm2。其中東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)最高，為105.96 t/hm2；其次為黃河上中游區(qū)(54.32 t/hm2)；長江上游區(qū)最低，為6.09 t/hm2(圖6(c))。近15 a，全區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)總體呈現(xiàn)輕微增加趨勢，增速為1.25 t/hm2/a；轉(zhuǎn)差區(qū)域面積僅占天保工程區(qū)總面積的17.90%。其中，黃河上中游區(qū)增速最高，為1.91 t/hm2/a；長江上游區(qū)增速最低，為0.02 t/hm2/a。

圖6 天保工程區(qū)2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙服務(wù)空間分布Fig.6 Spatial distribution of water source conservation，soil conservation and sand fixation services of ecosystems of the Natural Forest Protection Project from 2000 to 2015

3.4 天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動力分析

從氣候變化和人類活動兩方面分析天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動因素。2000—2015年，天保工程區(qū)氣溫、降水量均呈現(xiàn)增加趨勢，年平均氣溫與降水量變化斜率分別為0.02 ℃/a和1.60 mm/a(表2)。適度增溫、雨量增加有助于植被恢復(fù)和提高生產(chǎn)力，延長生長季，促進(jìn)植物生長發(fā)育[36-37]；因此，天保工程區(qū)多年平均植被覆蓋度與凈初級生產(chǎn)力均表現(xiàn)為好轉(zhuǎn)態(tài)勢。研究時段內(nèi)，天保工程區(qū)人口密度增加了4.20人/km2，特別是黃河上中游區(qū)(6.65人/km2)；東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)人口密度增幅最大，為10.68%；長江上游區(qū)盡管人口密度最大，其增幅最小，僅1.00%。長江上游區(qū)，黃河上中游區(qū)，東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)人類擾動指數(shù)依次降低。近15 a，天保工程區(qū)人類擾動指數(shù)增加了0.003，說明人類活動對工程區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的擾動有所增加，特別是東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)，人類擾動指數(shù)增加了0.005，增幅為1.93%。該區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)面積萎縮，開墾、城鎮(zhèn)化等人類活動對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)的提升均產(chǎn)生了一定負(fù)面影響。

表2 天保工程區(qū)2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)變化驅(qū)動力因子及其變化統(tǒng)計(jì)Table 2 Driving factors of ecosystem dynamics of the Natural Forest Protection Project from 2000 to 2015

4 結(jié)論與討論

本研究基于長時間序列遙感數(shù)據(jù)分析了2000—2015年天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、服務(wù)的時空變化特征及其驅(qū)動因素。結(jié)果表明，研究時段內(nèi)天保工程區(qū)森林、水體與濕地、聚落生態(tài)系統(tǒng)面積增加，草地生態(tài)系統(tǒng)面積減少。盡管人口密度增加、人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的擾動程度增強(qiáng)，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)均有所提升，表明天保工程實(shí)施期間區(qū)域生態(tài)環(huán)境總體改善。氣溫升高、降水增多等氣候變化是生態(tài)系統(tǒng)好轉(zhuǎn)的主要因素。不論是全區(qū)還是3個工程分區(qū)，各類評估結(jié)果具有一致性，表明時間序列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可增強(qiáng)評估結(jié)果的穩(wěn)定性，避免了僅根據(jù)少數(shù)幾個時間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的評估結(jié)果的隨機(jī)性[38]。

各工程分區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、服務(wù)的分布格局及其變化趨勢具有空間差異性。就生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量而言，黃河上中游區(qū)的植被覆蓋度與凈初級生產(chǎn)力增速最快，東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)增速最慢。就生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)而言，長江上游區(qū)水源涵養(yǎng)與土壤保持服務(wù)相對較高，東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國有林區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)相對較高。因此，今后生態(tài)工程的滾動實(shí)施應(yīng)注重差異化的生態(tài)恢復(fù)與管理手段，因地制宜，堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主；統(tǒng)籌山水林田湖草一體化保護(hù)與修復(fù)，提升生態(tài)系統(tǒng)功能，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

天保工程區(qū)局部地區(qū)同時實(shí)施了退耕還林還草、長江防護(hù)林、三北防護(hù)林等生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程，綜合疊加各項(xiàng)生態(tài)工程對生態(tài)系統(tǒng)的影響及其貢獻(xiàn)率研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。同時，生物多樣性維護(hù)、碳固定、糧食供給等亦是工程區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；由于數(shù)據(jù)資料的限制，本研究并未涉及這些方面的生態(tài)效應(yīng)，結(jié)果不夠全面。

氣候因素是植被活動年際變化的重要影響因素，氣溫和降水是影響植被生長的主要非生物因素。研究區(qū)近年來氣候呈現(xiàn)暖濕變化趨勢，有利于植被恢復(fù)與功能提升，如何量化評估氣候變化與生態(tài)工程的相對貢獻(xiàn)是未來的研究重點(diǎn)。