吴 丹，曹 巍，黄 麟，呼和涛力

(1.常州大学 城乡矿山研究院，江苏 常州 213000； 2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101)

1 研究背景

森林是陆地生态系统的主体，是人类赖以生存和发展的重要物质基础[1]。森林不仅为人类的生产和生活提供多种宝贵的木材和原材料，而且在调节气候、固碳释氧、涵养水源、保持水土、美化环境、维护生物多样性、减缓自然灾害等方面发挥重要作用[2-3]。长期过度采伐与不合理经营，导致森林资源锐减、生态功能退化，引发了一系列的资源与环境问题，造成了严重的生态经济后果[4-5]。自1998年特大洪涝灾害后，国家开始实施天然林资源保护工程(天保工程)，通过调整和优化林区经济结构，改善长江、黄河流域的生态环境，保障国民经济和社会可持续发展[6-8]。天保工程范围内的天然林分布区，既是长江、黄河、澜沧江、松花江、嫩江、黑龙江水系及其主要支流和众多湖库的重要源头和水源涵养区，也是三峡大坝、小浪底水库和丹江口水库等水利枢纽的绿色屏障。实施天保工程，大幅提升森林质量和生态功能，对构建长江上游和黄河中上游、东北和华北地区生态屏障，增加森林碳汇及应对全球气候变化具有不可替代的作用。

许多学者从森林资源面积变化[9-10]、植被覆盖度[11-12]、植被碳储量[13-14]、生态系统服务物质量[15-16]、景观格局指数[17-18]等方面开展了天保工程实施效果评估。然而，上述研究主要针对天保工程区生态环境的单因素分析，未能形成一套系统、全面、针对性的评估方法与指标体系；时间尺度上缺乏长时间序列基础数据；且研究范围大多为局部地区，空间尺度上难以体现区域差异，缺乏对整个天保工程区生态系统状况全面、科学、准确的把握。

随着大规模、区域性生态保护与修复工程的不断深化，以及国家加强生态保护与生态文明战略的不断推进，大尺度生态保护与修复的成效评估已成为一项重要的科技需求[18]。因此，本研究通过定量分析天保工程区2000—2015年生态系统格局、质量(植被覆盖度、净初级生产力)、服务(水源涵养、土壤保持、防风固沙)的时空变化特征，探讨其驱动因素，旨在为科学评估生态工程的生态效应、制定有效的生态系统管理策略提供理论依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

天保工程实施范围包括3个工程分区(图1)，面积约占国土面积的37%。其中，长江上游区以三峡库区为界，包括云南、四川、贵州、重庆、湖北、西藏6个省(自治区、直辖市)；黄河上中游区以小浪底库区为界，包括陕西、甘肃、青海、宁夏、内蒙古、山西、河南7个省(自治区)；东北、内蒙古等重点国有林区包括内蒙古、吉林、黑龙江(含大兴安岭)、海南、新疆5个省(自治区)及新疆生产建设兵团的86个国有重点森工企业、16个地方森工企业、23个县、12个县级林业局(场)。工程建设目标主要是解决天然林的休养生息和恢复发展问题，从根本上遏制生态环境恶化，保护生物多样性，最终实现林区资源、经济、社会的可持续发展。

图1 天保工程实施范围Fig.1 Implementation scope of the Natural Forest Protection Project

2.2 数据与方法

2.2.1 数据来源与处理

土地利用遥感监测数据(2000年、2015年)来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http：//resdc.cn/)，空间分辨率为1 km。该数据以Landsat TM/ETM+遥感影像为主要数据源，以中巴资源卫星、环境1号卫星等图像为补充，通过人工目视解译生成土地利用数据，包括6个一级类型和25个二级类型。结合外业调查开展精度验证，土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%，二级类型综合评价精度达到91.2%[19]。根据土地利用特点，将其类型归并为森林、草地、农田、水体与湿地、聚落、其他等6个生态系统类型(表1)，生成天保工程区生态系统空间分布数据，进而评价分析其生态系统宏观结构及其时空变化。

表1 土地利用类型归并体系Table 1 Merge system of land use types

气象数据来源于国家气象科学数据共享服务平台(http：//data.cma.cn/)，主要包括2000—2015年天保工程区内及其周边国家气象台站的日均降水、气温、风速、日照时数等。采用ANUSPLINE软件将站点观测数据插值至空间分辨率为1 km的栅格数据。土壤数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http：//resdc.cn/)，包括土壤类型与土壤质地。DEM数据来源于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)，空间分辨率为90 m。所有栅格数据均统一至1 km的空间分辨率参与计算。

2.2.2 研究方法

2.2.2.1 植被覆盖度

植被覆盖度是植被投影面积在单位面积上所占的比例，是衡量地表植被状况的一个重要指标。收集2000—2015年MODIS 16 d 250 m空间分辨率的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)数据(MOD13Q1)，通过格式转换、拼接、重投影、重采样等处理，采用最大合成法得到NDVI 1 km逐年数据。根据像元二分理论[20]模型估算植被覆盖度，即

(1)

式中：fc为像元植被覆盖度；NDVI为该像元的归一化植被指数；NDVIveg为纯植被像元的NDVI值；NDVIsoil为完全无植被覆盖像元的NDVI值。

2.2.2.2 净初级生产力

植被净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)是绿色植物在单位时间和单位面积上所积累的有机干物质总量，是反映植物生产能力的一个重要指标。收集2000—2015年MODIS 1 km年NPP产品(MOD17A3)，该数据利用BIOME-BGC模型和光能利用率模型建立的NPP估算模型模拟得到陆地生态系统年NPP[21]。通过格式转换、拼接、重投影等处理，得到天保工程区NPP年值数据集。

2.2.2.3 水源涵养服务

水源涵养是生态系统通过其特有的结构与水相互作用，对降水进行截留、渗透、蓄积等再分配的复杂过程，主要功能表现在增加可利用水资源、减少土壤侵蚀、调节径流和净化水质等方面。以水源涵养量作为生态系统水源涵养服务的评估指标。

采用降水贮存量法[22]估算森林、草地、湿地生态系统水源涵养量，表达式分别为：

Q=AJR；

(2)

J=J0K；

(3)

R=R0-Rg。

(4)

式中：Q为与裸地相比较，森林、草地、湿地生态系统涵养水分的增加量(m3)；A为生态系统面积(hm2)；J为产流降雨量(mm)；J0为降雨量(mm)；K为产流降雨量占降雨总量的比例；R为与裸地相比较，生态系统减少径流的效益系数；R0为产流降雨条件下裸地降雨径流率；Rg为产流降雨条件下生态系统降雨径流率。

收集已发表文献的实测降雨产流临界值，累积单次降雨量大于降雨产流临界值的数值，得到单点产流降雨量占降雨总量的比例(K值)；再与多年平均河川径流系数建立线性关系，得到区域K值的空间分布。森林R值通过文献资料整理得到，草地R值由草地植被覆盖度计算得到[23]，湿地R值采用孟宪民等[24]的研究结果。

2.2.2.4 土壤保持服务

土壤保持是生态系统通过其结构与过程减少水蚀所导致的土壤侵蚀的作用，是生态系统提供的重要调节服务之一。水土保持服务主要与气候、土壤、地形和植被有关。以土壤保持量(潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值)作为生态系统土壤保持服务的评估指标。

基于修正的通用水土流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE)计算单位面积的水土流失量，即土壤侵蚀模数[25]。RUSLE模型包含降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长因子、坡度因子、植被覆盖因子以及水土保持措施因子。土壤保持量估算公式为

Ac=Ap-Ar=RKLS(1-C)P。

(5)

式中：Ac为生态系统土壤保持量(t/(hm2·a))；Ap为潜在土壤侵蚀量(t/(hm2·a))；Ar为实际土壤侵蚀量(t/(hm2·a))；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm/(hm2·h·a))；K为土壤可蚀性因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

采用日降雨量拟合模型估算降雨侵蚀力[26]，根据侵蚀生产力评价模型EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)估算土壤可蚀性[27]，坡度、坡长因子根据McCool等[28]和Liu等[29]的算法计算，植被覆盖因子根据蔡崇法等[30]的算法计算，水土保持措施因子根据不同土地利用方式的耕作措施进行赋值。

2.2.2.5 防风固沙服务

防风固沙是生态系统通过其结构与过程减少风蚀所导致的土壤侵蚀的作用，是生态系统提供的重要调节服务之一。防风固沙服务主要与风速、降雨、温度、土壤、地形和植被等因素相关。以防风固沙量(潜在土壤风蚀量与实际土壤风蚀量的差值)作为生态系统防风固沙服务的评估指标。

采用修正风蚀方程(Revised Wind Erosion Equation，RWEQ)定量评估生态系统防风固沙量[31]，公式为：

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为生态系统防风固沙量(t/(hm2·a))；SLp为潜在土壤风蚀量(t/(hm2·a))；SLr为实际土壤风蚀量(t/(hm2·a))；x为地块长度(m)；Qx为地块长度x处的沙通量(kg/m)；Qmax为风力的最大输沙能力(kg/m)；s为关键地块长度(m)；WF为气候因子；EF为土壤可蚀因子；SCF为土壤结皮因子；K′为地表糙度因子。

气候因子由风速、土壤湿度、雪盖等因子计算得到，其中雪盖因子通过从中国西部环境与生态科学数据中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)下载的雪深长时间序列数据集计算[32]；土壤可蚀因子和土壤结皮因子根据Fryrear等[33]方程计算；地表糙度因子采用滚轴式链条法来测定；植被覆盖因子由植被覆盖度计算。

2.2.2.6 驱动力因子分析

采用一元线性回归分析法[34]分析气温、降水等气象因子的变化特征，以反映其年际时空变化，表达式为

(9)

式中：Θslope为变化斜率；n为监测时间段的年数；vi为第i年的变量。

根据赵国松等[35]提出的人类扰动指数评价人类活动对生态系统的影响程度。盐碱地、沼泽地等自然未利用地，林地、草地、水域等自然再生利用地，耕地等人为再生利用地，城镇、居民点、工矿用地和交通用地等人为非再生利用地的人类扰动指数依次增大，表示人类活动对生态系统的威胁程度依次增加。生态系统综合人类扰动指数计算方法为

(10)

式中：D为人类扰动指数；Ai为第i级生态系统人类扰动程度分级指数；Pi为第i级生态系统面积所占百分比。

3 结果与分析

3.1 天保工程区生态系统宏观结构及其变化

2015年，天保工程区以草地和森林生态系统为主，草地生态系统面积约占全区总面积的33.25%，森林生态系统占28.38%；其次是农田和其他生态系统，分别占全区总面积的18.02%和16.31%；此外，水体与湿地占2.82%，聚落占1.23%(图2)。从各工程分区看，长江上游区以森林生态系统为主，面积占比为44.91%；黄河上中游区以草地生态系统为主，面积占比为47.90%；东北、内蒙古等重点国有林区以森林和其他生态系统为主，面积占比分别为29.42%和28.34%(图3)。2000—2015年，天保工程区森林生态系统面积净增加2 931 km2，以农田和草地转入为主；聚落生态系统面积净增加1.21万km2；水体与湿地面积净增加1 594 km2，草地面积净减少9 343 km2。从各工程分区看，3个工程分区的草地生态系统面积均有所减少，聚落生态系统面积均有所增加。长江上游区、黄河上中游区主要表现为农田生态系统面积减少、森林生态系统面积增加，东北、内蒙古等重点国有林区主要表现为农田生态系统面积增加、其他生态系统面积减少。

图2 天保工程区2015年生态系统空间分布Fig.2 Ecosystem distribution of the Natural Forest Protection Project in 2015

图3 各工程分区2015年生态系统面积Fig.3 Ecosystem areas of the Natural Forest Protection Project divisions in 2015

3.2 天保工程区生态系统质量状况及其变化

3.2.1 植被覆盖度

2000—2015年，天保工程区多年平均植被覆盖度为52.48%。长江上游区，黄河上中游区和东北、内蒙古等重点国有林区的平均植被覆盖度分别为72.28%、40.94%和46.69%。从天保工程区植被覆盖度的变化斜率看，研究时段内植被覆盖总体呈现好转态势，增加速率0.27%/a；好转区域面积约占天保工程区总面积的2/3。特别是黄河上中游区，植被覆盖度增加速率0.40%/a；长江上游区和东北、内蒙古等重点国有林区植被覆盖度增速分别为0.24%/a和0.17%/a(图4)。

图4 天保工程区2000—2015年年均植被覆盖度及其变化Fig.4 Spatial distribution and trends of annual average vegetation coverage of the Natural Forest Protection Project from 2000 to 2015

3.2.2 净初级生产力

2000—2015年，天保工程区多年平均植被净初级生产力为363.76 g/(m2·a)。长江上游区，黄河上中游区和东北、内蒙古等重点国有林区的平均植被净初级生产力分别为620.35、240.15、262.82 g/(m2·a)。从天保工程区植被净初级生产力的变化斜率看，研究时段内植被生产状况总体呈现好转态势，年均增速3.82 g/(m2·a)；转差区域面积仅占天保工程区总面积的1/4。黄河上中游区植被净初级生产力增速最快，为4.74 g/(m2·a)；其次为长江上游区，植被净初级生产力增速为3.96 g/(m2·a)；东北、内蒙古等重点国有林区植被净初级生产力增速最低，为2.78 g/(m2·a)(图5)。

图5 天保工程区2000—2015年年均植被净初级生产力及其变化Fig.5 Spatial distribution and trends of net primary productivity of the Natural Forest Protection Project from 2000 to 2015

3.3 天保工程区生态系统服务功能及其变化

3.3.1 水源涵养

2000—2015年，天保工程区森林、草地、湿地生态系统多年平均水源涵养量为 26.97×1010m3，单位面积水源涵养量为9.35万m3/km2，主要受降水分布格局与生态系统类型分布的影响，表现出明显的地域分异特征。其中长江上游区单位面积水源涵养量最高，为13.58万m3/km2；其次为东北、内蒙古等重点国有林区(9.32万m3/km2)；黄河上中游区最低，为5.29万m3/km2(图6(a))。近15 a，全区水源涵养服务基本保持稳定，长江上游区呈现轻微下降趋势，年均减少0.05万m3/km2，黄河上中游区和东北、内蒙古等重点国有林区均呈现轻微增加趋势。

3.3.2 土壤保持

2000—2015年，天保工程区生态系统多年平均土壤保持量为130.46亿t，单位面积土壤保持量为36.46 t/hm2。其中长江上游区单位面积土壤保持量最高，为72.40 t/hm2；其次为黄河上中游区(34.05 t/hm2)；东北、内蒙古等重点国有林区最低，为7.44 t/hm2(图6(b))。近15 a，全区土壤保持服务总体呈现轻微增加趋势，增速为1.00 t/hm2/a；转差区域面积占天保工程区总面积的32.15%。其中，长江上游区增速最高，为1.73 t/hm2/a；东北、内蒙古等重点国有林区增速最低，为0.13 t/hm2/a。

3.3.3 防风固沙

2000—2015年，天保工程区生态系统多年平均单位面积防风固沙量为57.62 t/hm2。其中东北、内蒙古等重点国有林区最高，为105.96 t/hm2；其次为黄河上中游区(54.32 t/hm2)；长江上游区最低，为6.09 t/hm2(图6(c))。近15 a，全区防风固沙服务总体呈现轻微增加趋势，增速为1.25 t/hm2/a；转差区域面积仅占天保工程区总面积的17.90%。其中，黄河上中游区增速最高，为1.91 t/hm2/a；长江上游区增速最低，为0.02 t/hm2/a。

图6 天保工程区2000—2015年生态系统水源涵养、土壤保持、防风固沙服务空间分布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 天保工程区生态系统变化的驱动力分析

从气候变化和人类活动两方面分析天保工程区生态系统变化的驱动因素。2000—2015年，天保工程区气温、降水量均呈现增加趋势，年平均气温与降水量变化斜率分别为0.02 ℃/a和1.60 mm/a(表2)。适度增温、雨量增加有助于植被恢复和提高生产力，延长生长季，促进植物生长发育[36-37]；因此，天保工程区多年平均植被覆盖度与净初级生产力均表现为好转态势。研究时段内，天保工程区人口密度增加了4.20人/km2，特别是黄河上中游区(6.65人/km2)；东北、内蒙古等重点国有林区人口密度增幅最大，为10.68%；长江上游区尽管人口密度最大，其增幅最小，仅1.00%。长江上游区，黄河上中游区，东北、内蒙古等重点国有林区人类扰动指数依次降低。近15 a，天保工程区人类扰动指数增加了0.003，说明人类活动对工程区自然生态系统的扰动有所增加，特别是东北、内蒙古等重点国有林区，人类扰动指数增加了0.005，增幅为1.93%。该区自然生态系统面积萎缩，开垦、城镇化等人类活动对生态系统质量与服务的提升均产生了一定负面影响。

表2 天保工程区2000—2015年生态系统变化驱动力因子及其变化统计Table 2 Driving factors of ecosystem dynamics of the Natural Forest Protection Project from 2000 to 2015

4 结论与讨论

本研究基于长时间序列遥感数据分析了2000—2015年天保工程区生态系统宏观结构、质量、服务的时空变化特征及其驱动因素。结果表明，研究时段内天保工程区森林、水体与湿地、聚落生态系统面积增加，草地生态系统面积减少。尽管人口密度增加、人类活动对生态系统的扰动程度增强，研究区生态系统质量与服务均有所提升，表明天保工程实施期间区域生态环境总体改善。气温升高、降水增多等气候变化是生态系统好转的主要因素。不论是全区还是3个工程分区，各类评估结果具有一致性，表明时间序列基础数据可增强评估结果的稳定性，避免了仅根据少数几个时间节点数据而导致的评估结果的随机性[38]。

各工程分区的生态系统质量、服务的分布格局及其变化趋势具有空间差异性。就生态系统质量而言，黄河上中游区的植被覆盖度与净初级生产力增速最快，东北、内蒙古等重点国有林区增速最慢。就生态系统服务而言，长江上游区水源涵养与土壤保持服务相对较高，东北、内蒙古等重点国有林区防风固沙服务相对较高。因此，今后生态工程的滚动实施应注重差异化的生态恢复与管理手段，因地制宜，坚持保护优先、自然恢复为主；统筹山水林田湖草一体化保护与修复，提升生态系统功能，增强生态系统稳定性。

天保工程区局部地区同时实施了退耕还林还草、长江防护林、三北防护林等生态保护与修复工程，综合叠加各项生态工程对生态系统的影响及其贡献率研究有待进一步加强。同时，生物多样性维护、碳固定、粮食供给等亦是工程区重要的生态系统服务；由于数据资料的限制，本研究并未涉及这些方面的生态效应，结果不够全面。

气候因素是植被活动年际变化的重要影响因素，气温和降水是影响植被生长的主要非生物因素。研究区近年来气候呈现暖湿变化趋势，有利于植被恢复与功能提升，如何量化评估气候变化与生态工程的相对贡献是未来的研究重点。