大兴安岭天保工程区生态系统服务变化研究

　　摘要：利用Landsat和MODIS遥感数据和InVEST模型，评估了1990―2015年大兴安岭天保工程区实施前后生态系统土壤风蚀量、生境质量和碳储量的时空变化，并通过地理探测器方法对生态系统服务时空变化分布与趋势进行驱动因子探测和交互作用探测分析。结果表明：①从空间分布来看，额尔古纳市南部、鄂温克族自治旗西北部、科尔沁右翼前旗的土壤风蚀量大，生境质量差，碳储量低。②2000年天保工程实施之后，森林面积显著增加，土壤风蚀量减少1.14%，生境质量增加0.49%，碳储量减少幅度为0.12%，低于2000年以前的0.64%。③土壤风蚀量主要受植被类型、土壤类型的影响，生态系统类型、植被类型对生境质量、碳储量空间异质性的影响显著大于其他因素，海拔、坡度2种地形因子对土壤风蚀量、碳储量的解释能力很小。温度、降水2种气候因子对土壤风蚀量、生境质量和碳储量的解释能力不固定，但仍是不可或缺的因素。

　　关键词：天然林保护工程;生态系统服务;遥感数据;地理探测器;大兴安岭地区

　　森林生态系统是保证健康环境的重要部分，森林提供的生态系统服务是维持社会经济发展和健康生态系统的基础[1]。由于社会经济发展与人口增长，土地退化、土壤侵蚀和毁林造成的生态环境恶化问题一直困扰着中国生态安全[2]。为了减少这些问题的影响，国务院2000年实施了世界上最大和最全面的生态保护工程—天然林保护工程(天保工程)，天保工程森林面积占中国天然林面积的53%，主要目标是解决天然林的恢复发展问题，保护环境与促进社会和谐发展[3]。众多学者对国内天保工程生态系统服务进行了评析。范琳等[4]通过建立森林生态系统综合评价指标体系，对山西省天保工程进行了效益评价。肖中琪等[5]结合遥感与随机森林，分析了新疆天山西部天保工程生态系统类型、森林生物量的时空变化。

　　黄继红等[6]选取6项服务、9项指标对陕西省宁陕县天保工程的显著成效进行了分析。传统的天保工程生态系统服务研究侧重于及价值量及时空变化研究，但是很少有人对其中的原因进行定量分析。定量分析生态系统服务对生态保护与修复、区域可持续发展具有科学指导意义。大兴安岭天保工程区自然条件优越，是中国重要的生态屏障，是中国木材的重要产区和战略资源储备基地;是黑龙江水系的源头，稳定的森林生态系统为中下游地区提供了宝贵的工农业生产和生活用水。以往对大兴安岭天保工程区研究多集中在生态系统类型变化研究[7]，生态系统服务时空变化格局分析[8]，或者单一生态系统服务时空变化与原因分析[9]。

　　目前缺乏对天保工程实施前后生态系统服务的全面评估与原因分析。本研究利用长期定位观测、遥感数据与InVEST模型，对比大兴安岭天保工程区生态系统类型变化，从土壤风蚀量、生境质量、碳储量3个方面评估1990―2015年天然林保护工程实施前后生态系统服务演变情况，探讨生态系统服务时空变化的影响因素。以期为今后工程区规划和行动、自然资源合理开发利用、区域生态文明建设提供重要的科学基础。

　　1研究数据与方法

　　1.1 研究区概况

　　大兴安岭天保工程区位于118°14′~127°44′E、45°13′~53°56′N，行政范围包括内蒙古自治区兴安盟、呼伦贝尔市和黑龙江省大兴安岭地区，面积约为26万km2。属于温带大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏季短暂多雨，太阳辐射资源丰富，全年均温−2.5~6.8℃，年均降水量310~750mm，该区跨寒温带针叶林、温带针阔叶混交林和温带草原三大植被区域，植被类型以森林为主，其中主要分布针叶林、阔叶林以及针阔混交林，是中国的重点林区。

　　1.2 数据源及处理

　　本文涉及的数据包括：①1990、2000、2015年的生态系统类型数据来源于国家地球系统科学数据中心

　　，三期土地覆被数据以Landsat为数据源，采用面向对象方法得到，将研究区划分为森林、草地、农田、湿地、城镇及裸地6个一级类，落叶针叶林、针阔混交林、草丛、湖泊、河流等40个二级类，空间分辨率为30m，利用ArcGIS10.6裁剪，得到大兴安岭地区土地覆被数据。②30m分辨率数字高程模型(DEM)数据来源于美国国家航空航天局(https://search.asf.alaska.edu/#/)，利用ArcGIS10.6提取高程、坡度、坡向等地形因子。③土壤数据：土壤质地数据来源于地理空间数据云，土壤深度数据来自于全国第二次土壤普查数据集。

　　④MODISNDVI数据，来自MOD13A3的植被指数数据集，时间分辨率为月，空间分辨率为250m×250m，来源自NASA/EOSLPDAAC数据分发中心的MODIS产品，湖泊分布、河流分布、居民地和道路分布数据均采用ArcGIS10.6从生态系统类型数据中提取。⑤气象数据：日最高均温、日最低均温来自于中国气象数据网，采用克里格插值的方法生成1km栅格数据，年平均降水、年平均气温、植被类型、土壤类型空间分布栅格数据来自于中科院资源环境数据中心，用于影响因素分析。参考相关文献[9~14]，并结合大兴安岭天保工程区实际情况，选取生态系统类型、降水量、温度、植被类型、海拔、坡度、土壤类型作为影响因素。

　　1.3 生态系统服务变化评估方法

　　1.3.1土壤风蚀量土壤风蚀量采用修正风蚀方程(RWEQ)进行估算。在充分考虑气候条件、植被状况、地表粗糙度、土壤可蚀性、土壤结皮等要素情况下，RWEQ模型可较好定量评估土壤侵蚀模数[10]。

　　1.3.2生境质量InVEST模型生物多样性模块采用生境质量表征生物多样性维持。对不同因子赋权重以确定不同因子对生境质量的影响程度。采用因子层次分析法对天保工程区进行生境质量评价。

　　2结果分析

　　2.1 生态系统类型变化特征

　　大兴安岭天保工程区生态系统类型包括森林、草地、湿地、农田、城镇和其它，以森林为主，森林比另外5种生态系统的分割度低，聚合程度高，连通性好，主要分布在大兴安岭中心地区。1990―2015年，森林面积呈现先减少后增加的趋势。1990―2000年，森林面积减少了0.29%，2000年森林面积为173632.71km2，主要是向农田转化，转出面积为895.50km2，占总转出面积的41.21%，面积减少的生态系统类型还有草地、湿地。

　　2015年，森林面积达175185.50km2，增加了0.89%，2000―2015年，森林主要是由湿地、草地转化而来，分别占总转入面积的44.47%、30.13%，面积减少的生态系统类型主要有草地、湿地。大兴安岭天保工程实施之后，森林生态系统得到很大程度的恢复与改善，森林总面积不断增加。1990―2015年，农田、城镇、其它生态系统面积一直呈增加趋势。

　　2.2 生态系统服务时空分布特征

　　从空间分布来看，3个时期研究区生态系统的土壤风蚀量、生境质量、碳储量表现出一致性与差异性，额尔古纳市南部、鄂温克族自治旗西北部、科尔沁右翼前旗的土壤风蚀量大，生境质量差，碳储量低。在时空分布上，土壤风蚀量呈现先增加后减少的趋势，1990、2000、2015年的土壤风蚀量均值分别为912.49、1084.08、1071.71t/km2。1990―2000年，土壤风蚀量增加了171.59t/km2，占比18.80%，增加区域主要分布在呼玛县东部、额尔古纳市、牙克石市以及鄂温克族自治旗北部。

　　2000―2015年，土壤风蚀量减少了12.37t/km2，占比1.14%，减少区域主要分布在额尔古纳市南部、鄂温克自治旗、科尔沁右翼前旗中部及东南部。生境质量呈现先减少后增加的趋势，1990、2000、2015年生境质量平均值分别为60.00、59.03、59.32。1990―2000年，研究区四周生境质量有变好趋势，中部呈现变差趋势，总体变差，占比1.62%，2000―2015年，生境质量整体有变好趋势，增加0.49%。1990―2015年研究区内大部分面积总碳储量保持不变，从1990年的6222.74Tg到2000年的6190.44Tg再到2015年的6182.86Tg，大兴安岭天保工程区平均碳储量则呈现出一直下降趋势。但从下降幅度0.64%到0.12%，2000―2015年碳储量的下降幅度比1990―2010年的缓慢。

　　2.3 生态系统服务时空分布影响因素

　　除海拔、坡度与土壤风蚀量，坡度与碳储量不显著相关外，其余因素与生态系统服务均显著相关(P<0.01)。植被类型、土壤类型对土壤风蚀量的解释能力明显大于其他因子，生态系统类型、植被类型对生境质量、碳储量的解释能力明显大于其他因子。海拔、坡度2种地形因子对土壤风蚀量、碳储量的解释能力很小。由于年际间气候处于动态变化中，温度、降水2种气候因子对土壤风蚀量、生境质量和碳储量的解释能力不固定，但仍是不可或缺的因素。

　　在因子间的交互作用方面，各因子表现出较强的交互作用，对土壤风蚀量解释能力最大的是植被类型协同土壤类型，各年度解释能力达到0.26~0.29;除生态系统类型与植被类型、生态系统类型与土壤类型外，其余因素两两交互作用对生境质量各年度的解释能力均超过0.99;生态系统类型协同降水量、温度、植被类型、土壤类型均能对碳储量达到很好的解释作用，各年度解释力达到0.89~0.93。

　　3讨论

　　自2000年大兴安岭天保工程实施以来，生态系统类型发生较大变化，森林面积显著提高，生态系统服务能力得到改善。1990―2015年，土壤风蚀量呈现先增加后减少的趋势，相反，生境质量先减少后增加，碳储量则一直减少，但2000年后的减少幅度小于2000年前。说明大兴安岭天保工程的实施对生态系统有显著成效。但是对比1990年，2015年的土壤风蚀量、生境质量、碳储量分别增加159.22t/km2，减少0.68，减少39.88Tg，恢复能力较慢，没有恢复到1990年的水平，这与大兴安岭地区气候寒冷，生态系统服务恢复能力较其他温暖湿润区较低有关。

　　土壤论文范例：绿肥不同还田方式对土壤温室气体排放的影响

　　4结论

　　1)从空间分布来看，额尔古纳市南部、鄂温克族自治旗西北部、科尔沁右翼前旗的土壤风蚀量大，生境质量差，碳储量低。

　　2)2000年天保工程实施之后，森林面积显著增加，土壤风蚀量减少1.14%，生境质量增加0.49%，碳储量减少幅度为0.12%，低于2000年前的0.64%。说明天保工程的实施有助于生态系统服务的恢复与改善。

　　3)根据地理探测器统计结果q值分析，土壤风蚀量主要受植被类型、土壤类型的影响，生态系统类型、植被类型对生境质量、碳储量空间异质性的影响显著大于其他因素，是时空变化的重要因素。海拔、坡度2种地形因子对土壤风蚀量、碳储量的解释能力很小。温度、降水2种气候因子对土壤风蚀量、生境质量和碳储量的解释能力不固定，但仍是不可或缺的因素。

　　参考文献(References)：

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

　　作者：郑树峰1,2，王丽萍2，臧淑英1

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