中國(guó)重大生態(tài)工程近40年生態(tài)成效整合分析

王 嵐,曹 巍,黃 麟,*

1 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地理科學(xué)與資源研究所 陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

相關(guān)管理部門、科研機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)研究者,依據(jù)不同評(píng)估目的構(gòu)建差異化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用站點(diǎn)監(jiān)測(cè)、遙感反演、模型模擬等數(shù)據(jù),采用實(shí)證調(diào)查、層次分析、價(jià)值估算等方法,相繼開展了TNP[10]、GFGP[14]、NFP[15]、NNR[16]、RGP[11]、SP[4]、TPP[5—6]、TRP[9]、KP[8]、BTP[17]等生態(tài)工程的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效應(yīng)的評(píng)估。然而,由于氣候變化、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、工程執(zhí)行力度等影響使得工程成效呈現(xiàn)顯著區(qū)域差異,同時(shí),由于評(píng)估目標(biāo)和指標(biāo)不一致,數(shù)據(jù)來(lái)源各不相同,指標(biāo)量化、評(píng)估方法等差異,使得同一評(píng)估對(duì)象的不同評(píng)估結(jié)果之間或被高估或被低估,存在極大的不確定性[4]?，F(xiàn)有研究的不足之處主要體現(xiàn)在:第一,評(píng)估數(shù)據(jù)欠缺或存在誤差,遙感數(shù)據(jù)信息提取精度有限,或沒(méi)有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù),或監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)不足,導(dǎo)致空間插值誤差[18];第二,評(píng)估的空間與時(shí)間基準(zhǔn)值難以確定,參照生態(tài)系統(tǒng)選取難度較大,基準(zhǔn)或參照極大程度決定了評(píng)估結(jié)果;第三,欠缺動(dòng)態(tài)時(shí)空趨勢(shì)變化分析,較多評(píng)估基于工程前、后某一指標(biāo)值的絕對(duì)值比較,而忽略了時(shí)空尺度的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性[10—12];第四,成效綜合評(píng)估方法體系欠缺,如何將多來(lái)源、多度量的各指標(biāo)整合表達(dá)工程綜合成效未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí),可利用價(jià)值化、能值化、歸一化等方法;第五,評(píng)估內(nèi)容或評(píng)估目標(biāo)單一,缺乏對(duì)生態(tài)工程成效整體性和系統(tǒng)性的反映,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各要素之間的關(guān)聯(lián)性、工程對(duì)山水林田湖草沙系統(tǒng)整體保護(hù)修復(fù)目標(biāo)性體現(xiàn)不足[4—6,8,17]。

故而,在注重定性定量結(jié)合、長(zhǎng)期短期兼顧、整體局部覆蓋的基礎(chǔ)上,需全面評(píng)估生態(tài)工程的整體成效。本文擬回答以下問(wèn)題:(1)工程生態(tài)成效整體上是正向還是負(fù)向,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量是否恢復(fù)與提高,生態(tài)系統(tǒng)功能是否改善與促進(jìn)?(2)工程區(qū)生態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因子對(duì)工程成效的貢獻(xiàn)率大小如何,在空間上表現(xiàn)出什么分異規(guī)律?(3)不同生態(tài)工程成效評(píng)估差異如何,引起評(píng)估差異的原因有哪些?通過(guò)對(duì)10項(xiàng)重大生態(tài)工程近40年成效評(píng)估相關(guān)正式發(fā)表文獻(xiàn)的整合分析,全面認(rèn)識(shí)工程的主要生態(tài)成效,分析了產(chǎn)生成效的驅(qū)動(dòng)因素及貢獻(xiàn)差異,并總結(jié)存在差異的原因,以期為新時(shí)期全國(guó)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程規(guī)劃、山水林田湖草工程的實(shí)施提供借鑒與啟示。

1 重大生態(tài)工程概況

根據(jù)我國(guó)10項(xiàng)重大生態(tài)工程的規(guī)劃,工程覆蓋全國(guó)31個(gè)省域(圖1,表1,數(shù)據(jù)源于各工程規(guī)劃),其中,退耕還林還草工程涵蓋省域數(shù)量最多,包括25個(gè)省域及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán),其次為天然林保護(hù)工程(18個(gè)省域)和三北防護(hù)林體系建設(shè)工程(13個(gè)省域)。工程覆蓋區(qū)域超過(guò)全國(guó)陸地國(guó)土面積的90%,其中,陜西北部、內(nèi)蒙中西部、青海三江源區(qū)、四川西南部和云南北部等區(qū)域工程數(shù)量最多,實(shí)施數(shù)量達(dá)到5個(gè)左右。工程未覆蓋到的區(qū)域主要分布在沿海地區(qū)。

表1 中國(guó)典型重大生態(tài)工程概況Table 1 Overview of typical major ecological projects in China

圖1 中國(guó)典型重大生態(tài)工程分布示意圖Fig.1 Distribution of typical major ecological projects in China

從規(guī)劃執(zhí)行情況來(lái)看,TNP 過(guò)去40 年累計(jì)造林面積0.46億hm2,達(dá)到總體規(guī)劃目標(biāo)“0.36億hm2”,執(zhí)行率達(dá)118.2%[10];遙感估算GFGP的退耕還林還草面積為0.13億hm2,接近目標(biāo)“0.15億hm2”,面積完成率達(dá)87%[18];NNR實(shí)施以來(lái),我國(guó)截至2018年共建立各類不同級(jí)別的自然保護(hù)區(qū)2750個(gè),超過(guò)規(guī)劃目標(biāo)2500個(gè);SP初步遏制了草地退化趨勢(shì),草地平均覆蓋度增加5.6%,但難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)“草地植被蓋度平均提高20%—40%”[4];針對(duì)TPP “退化草地得到有效保護(hù)與治理,草甸、草原覆蓋度提高”的規(guī)劃目標(biāo),西藏高原退化草地面積比例由56%下降至36.1%,草甸類植被覆蓋度增加1.71%[5];TRP年徑流量達(dá)45.76億m3,基本接近綜合治理目標(biāo)“干流阿拉爾多年平均下泄水量達(dá)到46.5億m3”[9,19];BTP營(yíng)造林902.9萬(wàn)hm2,完成規(guī)劃目標(biāo)“至2022年?duì)I造林586.7萬(wàn)hm2”;KP至2015年石漠化治理面積達(dá)2.25萬(wàn)km2,已完成規(guī)劃目標(biāo)“到2020年石漠化治理面積不少于2萬(wàn)km2”[8]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)與Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中,開展兩次文獻(xiàn)檢索。初次檢索關(guān)鍵詞設(shè)定為生態(tài)工程(ecological engineering/project/program)、評(píng)估(assessment)、三北(Three North, shelter forest)、退耕還林(grain for green, return farmland to forest)、退耕還草(return farmland to grassland)、天然林保護(hù)(natural forest protection)、退牧還草(return rangeland to grassland)、三江源(Sanjiangyuan, River′s source region)、西藏高原(Tibet Plateau)、塔里木河(Tarim River)、石漠化區(qū)(Karst)、京津風(fēng)沙源(Beijing-Tianjin Sand Source)、貢獻(xiàn)率(contribution)等。

根據(jù)初次檢索結(jié)果,篩選出工程成效相關(guān)的高頻關(guān)鍵詞,再進(jìn)行二次檢索,高頻關(guān)鍵詞包括植被覆蓋度(vegetation coverage)、森林面積(forest area)、森林蓄積量(forest volume)、生物量(biomass)、生產(chǎn)力(production)、固碳(carbon)、土壤保持量(soil conservation)、水源涵養(yǎng)量(water, hydrology)、生物多樣性(biodiversity)等。

再根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)篩選檢索:①所有文獻(xiàn)均是正式發(fā)表研究論文,含專著和會(huì)議報(bào)告等;②以地面對(duì)比調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為主,遙感、模型結(jié)果為輔;③包含評(píng)價(jià)指標(biāo)在工程實(shí)施前后一段時(shí)間的具體數(shù)值,若是以圖表方式表征的數(shù)據(jù),則需要對(duì)圖表進(jìn)行轉(zhuǎn)化;④文獻(xiàn)中要有研究區(qū)地理位置和工程實(shí)施時(shí)間范圍。最終,篩選出符合本文目標(biāo)的中英文文獻(xiàn)共180多篇(圖2)。從篩選后的文獻(xiàn)中提取所需數(shù)據(jù),匯總整理分析。

男性檢驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值有8個(gè)單詞存在顯著性差異（占比57%），女性檢驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值有10個(gè)存在顯著性差異（占比71%），明顯高于F1差異顯著比重。說(shuō)明男性學(xué)生和女性學(xué)生在舌位的前后和嘴唇的圓展方面問(wèn)題較多。所有數(shù)據(jù)中，V1均小于V2，無(wú)一例外。這一現(xiàn)象說(shuō)明，貴州民族學(xué)生，無(wú)論男生還是女生，舌位通常比母語(yǔ)發(fā)音人更靠后，唇形更圓。

2.2 整合分析

參考傅伯杰等[20]基于生態(tài)系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)—過(guò)程與功能—服務(wù)—生物多樣性”體系和邵全琴等[21]基于“結(jié)構(gòu)—質(zhì)量—服務(wù)”構(gòu)建的生態(tài)效益評(píng)估指標(biāo)體系,同時(shí)考慮評(píng)估指標(biāo)的可獲得性、可綜合性、科學(xué)性和針對(duì)性,最終基于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量—功能—生物多樣性,選取了植被覆蓋度、生物量衡量生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,碳固定、土壤保持和水源涵養(yǎng)度量生態(tài)系統(tǒng)功能,物種豐富度、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)度量生物多樣性。利用變化率和年際變化率將各指標(biāo)數(shù)據(jù)量化至統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),比較不同工程實(shí)施前、后的生態(tài)成效,正值代表正面促進(jìn)效果,負(fù)值表明負(fù)面削弱作用。

α=(xt2-xt1)/xt1

(1)

β=(xt2-xt1)/xt1/Δt

(2)

式中,α為指標(biāo)變化率,β為指標(biāo)年際變化率,xt1和xt2分別是各指標(biāo)在工程實(shí)施前和實(shí)施后的具體數(shù)值,Δt為工程實(shí)施年限。

對(duì)于生物多樣性相關(guān)指數(shù),收集到的數(shù)據(jù)主要是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上某一調(diào)查區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組結(jié)果,建立實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的數(shù)據(jù)對(duì),計(jì)算二者的響應(yīng)比RR,其計(jì)算公式為:

RR=xl/xc

(3)

式中,xl和xc分別是實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組變量x的值。

為了在圖表中看起來(lái)更加直觀,進(jìn)一步將RR對(duì)數(shù)化,取自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比lnRR,根據(jù)其正負(fù)即可判斷工程對(duì)生物多樣性的正面或負(fù)面效果。

lnRR=ln(xl/xc)=lnxl-lnxc

(4)

在對(duì)α、β及l(fā)nRR進(jìn)行合并分析之前,首先需要進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn),檢驗(yàn)各個(gè)樣本之間是否存在異質(zhì)性,即研究中效應(yīng)量的變異程度,目的是檢查各個(gè)獨(dú)立的研究結(jié)果是否具有可合并性,檢查是否是由隨機(jī)誤差導(dǎo)致的各研究之間的差異。采用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn),如檢驗(yàn)結(jié)果P<0.05或I2>50%,認(rèn)為各研究存在異質(zhì)性。經(jīng)異質(zhì)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在明顯異質(zhì)性,剔除掉誤差較大的研究。

最后以箱線圖的形式繪制變幅及對(duì)數(shù)響應(yīng)比,從而可以直觀看出工程實(shí)施后各項(xiàng)指標(biāo)的變化范圍及中位數(shù)。進(jìn)一步基于RStudio平臺(tái)采用R進(jìn)行方差分析比較不同工程的生態(tài)成效差異,在滿足方差齊次性的前提下進(jìn)行方差分析以及LSD多重檢驗(yàn),顯著性水平P=0.05。

3 工程主要生態(tài)成效

3.1 國(guó)土變綠

生態(tài)工程區(qū)植被覆蓋度(FVC)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖3)。從多年變化中值來(lái)看,TNP增幅最大,約1.26%—20.8%,年均增加0.21%/a—0.83%/a,工程區(qū)FVC近40年提高8.5%[10],約46%區(qū)域的FVC增加[22]。TPP增幅最小,約0.4%—1.93%,年均增加<0.13%/a,66.5%西藏高原的FVC增加,重點(diǎn)工程區(qū)比工程區(qū)外提高9.9%—22.5%[5—6,23]。此外,GFGP增加3.67%—31.01%,年均增加0.37%/a—1.63%/a,工程區(qū)FVC在2000—2015年期間增加4.8%—6.5%[18]。NFP增加3.1%—17.3%,年均增加0.34%/a—0.99%/a,1998—2008年NFP在西南亞區(qū)提高了9.93%[24]。KP增幅為8.2%—12%,年均增加0.08%/a—0.92%/a,工程區(qū)FVC增加17%[8,25],比非工程區(qū)高7%[26]。BTP增加0.19%—21.06%,年均增加0.1%/a—4.08%/a,工程區(qū)FVC平均提高2.3%,其中林地提高4.3%,草地提高2.4%[3]。

圖3 不同重大生態(tài)工程的工程區(qū)植被覆蓋度變化統(tǒng)計(jì)Fig.3 Vegetation coverage change statistics of different major ecological projectsn為搜集到的樣本數(shù);TNP: 三北防護(hù)林體系建設(shè)工程 Three-North shelter forest system construction project; GFGP: 退耕還林還草工程 Grain for green project;NFP: 天然林保護(hù)工程 Natural forest protection project;NNR:野生動(dòng)植物保護(hù)及自然保護(hù)區(qū)建設(shè)工程 National wildlife protection and nature reserve construction project;RGP 退牧還草工程 Returning pasture to grass project;SP 三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程 Sanjiangyuan ecological protection and construction project; TPP 西藏生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)工程 Tibet ecological security barrier protection and construction project;TRP 塔里木河流域綜合治理工程 Tarim river basin comprehensive treatment project;KP 石漠化綜合治理工程 Karst rocky desertification comprehensive treatment project;BTP 京津風(fēng)沙源治理工程 Beijing-Tianjin sand source control project

3.2 生物量變化

從生物量變幅來(lái)看,大部分工程區(qū)呈現(xiàn)不同程度的增加,僅NNR和BTP個(gè)別樣本點(diǎn)有所減少(圖4)。根據(jù)多年變化中值,GFGP增幅最大,為43.66%—186.78%,年均增加1.46%/a—43.99%/a。RGP增幅最小,為4%—30.6%,年均增加1.21%/a—13.65%/a,RGP在2000—2010年NPP增加了12.14%[11]。NNR生物量變幅為-13%—143%,年均變化率為-0.48%/a—5.97%/a,2000—2015年NNR平均植被NPP降幅為0.5%[16]。BTP變幅為-49%—68.41%,年均變化-2.04%/a—22.80%/a。

圖4 不同重大生態(tài)工程的工程區(qū)生物量變化統(tǒng)計(jì)Fig.4 Biomass change statistics of different major ecological projects

3.3 碳固定增加

21世紀(jì)初10年,我國(guó)陸地碳匯中約56%來(lái)自六大生態(tài)工程區(qū)[2]。大部分工程區(qū)的碳固定量呈現(xiàn)不同程度的增加(圖5)。TNP碳固定量增幅最大,為13.5%—144.03%,年均增加1.61%/a—9.71%/a,40年間防護(hù)林生物碳儲(chǔ)量增幅達(dá)388.44%、碳固定增量為23.1億t[10,27]。TPP增幅最小,變幅為-0.87%—3.71%,年均變化率-0.09%/a—0.37%/a,其中2000—2014年間增加1650萬(wàn)t[6]。此外,NFP增幅為7.84%—200%,年均增加1.80%/a—20.54%/a,1998—2018年碳固定量9.38億t[28],其中,東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)增加26.98%[29],西南地區(qū)增加41.43%[24]。NNR增幅0.1%—14.72%,年均增加0.01%/a—2.94%/a。GFGP、KP、BTP變幅分別為-1.35%—100%(-0.1%/a—10.03%/a)、-4.92%—28.89%(-1.64%/a—9.63%/a)、-7.41%—159.51%(-1.48%/a—15.95%/a)。

圖5 不同重大生態(tài)工程的工程區(qū)固碳量變化統(tǒng)計(jì)Fig.5 Carbon sequestration change statistics of different major ecological projects

3.4 土壤保持提升

大部分樣本點(diǎn)土壤保持量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖6)。GFGP土壤保持量增加0.06%—151.52%,年均增加<15.15%/a。NFP變幅為-0.26%—21.14%,年均變化率為-0.01%/a—1.75%/a,其中東北、內(nèi)蒙古重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)2000—2015年土壤保持量增加了21.14%[29]。NNR變幅為-22.5%—13.45%,年均變化率為-4.5%/a—1.83%/a。其中,秦嶺19個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)2010—2015年土壤保持量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)[30]。SP土壤保持量比工程實(shí)施前增加了1.77億t/a, 增幅為32.5%[31],變幅-4.81%—32.5%,年均變化率-0.96%/a—4.06%/a。BTP變幅為-26.91%—95.63%,年均變化率為-4.18%/a—7.05%/a,其中北京市增加85.18%[32]。

圖6 不同重大生態(tài)工程的工程區(qū)土壤保持量變化統(tǒng)計(jì)Fig.6 Soil conservation change statistics of different major ecological projects

3.5 水文效益加強(qiáng)

NFP水源涵養(yǎng)量明顯增加,而其他工程區(qū)有增有減(圖7)。NFP增加了7.84%—70.43%,年均增加0.66%/a—3.52%/a,其中東北和內(nèi)蒙古重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)增幅約30.21%[29]。工程實(shí)施后,TPP的年平均水源涵養(yǎng)量增加1.12%[5]。TNP在1990—2015年間增加0.37億m3[33],變幅-0.72%—1.65%,年均變化率-0.07%/a—0.07%/a。GFGP變幅為-54.83%—80.24%,年均變化率-5.48%/a—8.02%/a。NNR變幅為-64.66%—27.31%,年均變化率-0.54%/a—1.95%/a。SP變幅為-6.2%—33.33%,年均變化率-0.62%/a—4.91%/a,其中一期工程區(qū)增加22.22億m3[4]。BTP變幅為-10.47%—57.14%,年均變化率為-1.68%/a—3.28%/a。

圖7 不同重大生態(tài)工程的工程區(qū)水源涵養(yǎng)量變化統(tǒng)計(jì)Fig.7 Water conservation change statistics of different major ecological projects

3.6 生物多樣性保護(hù)

生態(tài)工程可以提高生物群落多樣性,物種豐富度(S),Pielou均勻度指數(shù)(E)和Shannon多樣性指數(shù)(H)均有明顯提升,而Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)則表現(xiàn)出一定程度降低(圖8)。工程區(qū)樣本點(diǎn)的S和H均顯著高于對(duì)照組,且增幅大于對(duì)照組。GFGP的S及其對(duì)數(shù)響應(yīng)比變幅分別為-16%—441%和-0.17—1.69,H及其對(duì)數(shù)響應(yīng)比分別增加5%—315%和0.05—1.15,E及其對(duì)數(shù)響應(yīng)比變幅分別為-5%—28%和-0.05—0.24。NNR的S及其對(duì)數(shù)響應(yīng)比變幅分別為-4%—291%和-0.04—1.36,H及其對(duì)數(shù)響應(yīng)比變幅分別為-5%—84%和-0.05—0.61,E的實(shí)驗(yàn)組基本高于對(duì)照組,但是增幅不明顯,變幅-6%—26%,其對(duì)數(shù)響應(yīng)比-0.05—0.23。D則有增有減,GFGP的D變幅-45%—65%、其對(duì)數(shù)響應(yīng)比-0.60—0.50,NNR變幅-62%—60%,其對(duì)數(shù)響應(yīng)比-0.96—0.50。D下降趨勢(shì)較明顯,可能源于部分區(qū)域S增加導(dǎo)致。

4 成效驅(qū)動(dòng)因素分解整合

氣候變化(CC)、生態(tài)工程(EP)、地形因素、其他人類活動(dòng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素等交互作用共同驅(qū)動(dòng)了工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及生物多樣性的變化[34—37]。但生態(tài)系統(tǒng)變化的影響因素主要是CC與人類活動(dòng)(主要是EP)兩大類[21]。目前定量分離CC和EP對(duì)生態(tài)系統(tǒng)變化影響的方法主要有模型參數(shù)控制法、殘差分析法和閾值分割法[21,38—39]。模型參數(shù)控制法通過(guò)控制氣候參數(shù)分別估算真實(shí)氣候(氣候變化和生態(tài)工程綜合影響)和假定平均氣候(主要受人類活動(dòng)影響)下的模型模擬指標(biāo)值,從而分離CC和EP[4]。殘差分析法認(rèn)為人類活動(dòng)的影響是氣候變率效應(yīng)后的殘余,采用多元回歸殘差分析法量化CC對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,用殘差來(lái)表示EP的影響[38,40]。閾值分割法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析法通過(guò)判定每個(gè)像素上的指標(biāo)值是否顯著變化以及是否與氣象因子顯著相關(guān)將其劃分為不同驅(qū)動(dòng)力主導(dǎo)下的變化,統(tǒng)計(jì)不同類型的變化占比進(jìn)而分離CC和EP的貢獻(xiàn)比例[39]。

不同時(shí)空尺度下CC與EP對(duì)生態(tài)系統(tǒng)變化的耦合作用仍不清晰,科學(xué)分解其作用機(jī)制仍是未來(lái)重要的研究趨勢(shì)。整體上,CC貢獻(xiàn)率更高(圖9),但在不同工程區(qū)或同一工程區(qū)不同亞區(qū),貢獻(xiàn)大小存在空間分異,相對(duì)貢獻(xiàn)率EP/CC約0.06—3.60(表2)。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),EP貢獻(xiàn)率較高的區(qū)域主要集中在黃土高原中部、華北平原以及中國(guó)東北和西南等地,而CC貢獻(xiàn)率較高的區(qū)域主要集中在青藏高原東北部[18,36,38,45,52—53]。圖9可知,CC是BTP、KP、SP、TNP的主要驅(qū)動(dòng)因素(EP/CC中值<1)。其中,BTP的EP貢獻(xiàn)率相對(duì)較高(EP/CC約0.17—3.60),EP對(duì)植被改善的貢獻(xiàn)率約74.2%,BTP應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注EP的影響[46]。黃土高原、北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶、東北地區(qū)等多個(gè)工程疊加區(qū),CC與EP整體貢獻(xiàn)相當(dāng)(EP/CC中值≈1),貢獻(xiàn)比則因具體區(qū)域和評(píng)估的時(shí)間尺度、方法、指標(biāo)差異而不同。比如,兩者對(duì)黃土高原植被恢復(fù)的貢獻(xiàn),有研究認(rèn)為CC約59.9%[38],有研究認(rèn)為EP(75%)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于CC(25%)[49]。此外,CC和EP對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)變化還產(chǎn)生交互耦合作用(26.64%)或共同作用(38.10%)[42]。

表2 工程區(qū)生態(tài)工程-氣候變化相對(duì)貢獻(xiàn)率Table 2 Relative contribution of ecological engineering-climate change in the project area

圖9 不同重大生態(tài)工程驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)率比值Fig.9 Contribution ratio of drivers of different major ecological projects

5 討論

5.1 工程正面或負(fù)面影響啟示

本文通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn),生態(tài)工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、功能和生物多樣性總體有明顯的改善和增強(qiáng)效果(各指標(biāo)變化率中值基本均>0)。具體地,FVC變化范圍均>0,表明工程對(duì)植被變綠有明顯的正面促進(jìn)效果,根據(jù)多年變化中值來(lái)看,TNP增幅最大,TPP增幅最小。GFGP生物量增幅最大,RGP增幅最小。工程區(qū)碳匯效果明顯,TNP碳固定量增幅最大,TPP增幅最小。GFGP土壤保持增幅最大,NFP水源涵養(yǎng)量增加明顯。GFGP和NNR的物種豐富度、Pielou均勻度指數(shù)、和Shannon多樣性指數(shù)均有明顯提升?？傊?工程區(qū)生態(tài)成效差異與工程區(qū)自然地域分異特征、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、工程規(guī)劃目標(biāo)及執(zhí)行力度等有關(guān)。

雖然工程正面成效顯著,但在個(gè)別樣本區(qū)域仍顯示負(fù)向影響,客觀上氣候變化或不當(dāng)?shù)娜祟惢顒?dòng)的負(fù)面干擾導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變差,或主觀上由于評(píng)估數(shù)據(jù)欠缺、評(píng)估方法或評(píng)價(jià)尺度不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致評(píng)估結(jié)果為負(fù)。具體地:(1)生物量下降。整合樣本中NNR和BTP生物量有所減少(圖4)。BTP人工飼草種植使得草場(chǎng)地下生物量顯著下降,群落總生物量顯著減少49%[54]。NNR在人類擾動(dòng)以及氣候變化的交互作用下生物量下降[16]。TNP人工林貢獻(xiàn)率僅為8.14%,森林碳貯量的凈增加量主要源于天然林,表明人工造林的成效較低[27];(2)土壤保持服務(wù)能力降低。整合樣本中BTP、NFP、NNR和SP土壤保持量有所下降(圖6)。SP在草地退化較為嚴(yán)重的瑪多、曲麻萊、雜多等地的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)減少引起土壤保持功能下降[55]。NNR部分保護(hù)區(qū)內(nèi)本底生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較低,在區(qū)域氣候相對(duì)惡劣年份時(shí)土壤保持服務(wù)下降,小秦嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)減少比例最高(72.66%)[30];(3)水文效益減弱。整合樣本中BTP、GFGP、NNR、SP和TNP水源涵養(yǎng)量有所下降(圖7)。生態(tài)工程增加植被覆蓋從而影響多種水文過(guò)程,大規(guī)模造林等工程措施導(dǎo)致蒸散量增加、土壤含水量下降從而削弱流域的產(chǎn)流產(chǎn)水服務(wù)[56—58]、導(dǎo)致陸地水儲(chǔ)量耗竭[59]。干旱半干旱區(qū)的植物耗水量若超過(guò)降雨量,人工林將大量消耗地下水資源[60]。喀斯特石漠化區(qū)約8%土壤水分顯著下降的區(qū)域主要集中在人工造林區(qū)域[8,57]。從水資源的可持續(xù)利用而言,黃土高原植被恢復(fù)已接近該地區(qū)水資源植被承載力的閾值[56],不應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大植被[61];(4)生物多樣性有所損失(圖8)。GFGP營(yíng)造人工純林,導(dǎo)致鳥類和蜜蜂多樣性損失[62]。BTP對(duì)植物多樣性水平有負(fù)面影響,香濃多樣性指數(shù)顯著下降等[54]。森林生態(tài)類自然保護(hù)區(qū)保護(hù)成效較好,野生動(dòng)植物類保護(hù)成效一般,濕地生態(tài)類、青藏高原高寒草原類自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)效果較差[63—64]。

總之,需持續(xù)關(guān)注生態(tài)工程正負(fù)面影響,掌握工程區(qū)域差異規(guī)律。在一些生態(tài)效益良好、產(chǎn)出已達(dá)規(guī)劃目標(biāo)的地區(qū)維持當(dāng)前成效的基礎(chǔ)上調(diào)整工程修復(fù)重點(diǎn)。在天然地理?xiàng)l件較差、同等投入下回報(bào)較低的地區(qū),合理規(guī)劃投入資金,制定因地制宜的工程修復(fù)策略, 使生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化。此外,還需關(guān)注各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡,GFGP提升了區(qū)域土壤保持功能卻導(dǎo)致生物多樣性的損失[62],改善生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存但是引起水產(chǎn)量的下降[65]。TPP的FVC增加但植被根系土壤層短時(shí)期內(nèi)無(wú)法恢復(fù),導(dǎo)致土壤保持服務(wù)能力有所下降[5,66]。因此,未來(lái)生態(tài)工程規(guī)劃必須綜合考慮各項(xiàng)生態(tài)功能及服務(wù)的協(xié)同目標(biāo),避免引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡進(jìn)一步加劇。

5.2 成效驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)差異特點(diǎn)

第一,成效驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)大小存在明顯的空間分異。我國(guó)自然地域分異特征明顯,不同生態(tài)工程建設(shè)目標(biāo)存在一定的差異,生態(tài)成效驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)大小在不同生態(tài)工程區(qū)或同一工程區(qū)的不同地域也存在明顯的空間差異。EP對(duì)NPP的貢獻(xiàn)率空間差異明顯,NFP為18.7%,GFGP為14.0%,RGP最低,為10.1%[21]。SP西側(cè)主要受CC影響,東側(cè)主要受EP影響[38]。KP植被覆蓋變化主導(dǎo)因素貢獻(xiàn)率隨地理位置的變化而不同[67]。NFP從長(zhǎng)江上游區(qū)、黃河上中游區(qū)到東北、內(nèi)蒙古等重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)人類活動(dòng)干擾依次增加[68]。

第二,大尺度上的驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)率大小厘定存在很大的不確定性。現(xiàn)有研究多在較大尺度上分離CC和EP的貢獻(xiàn)率,忽略了區(qū)域內(nèi)部的空間分異、其他因素的影響及多個(gè)因素共同作用的影響,對(duì)某一區(qū)域賦以統(tǒng)一的貢獻(xiàn)率數(shù)值導(dǎo)致產(chǎn)生不確定性。研究表明,CC和EP對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)變化產(chǎn)生交互耦合作用(26.64%)或共同作用(38.10%)[42]。中國(guó)北方農(nóng)牧過(guò)渡帶植被顯著綠化面積(48.77%)中26.93%與CC有關(guān),19.80%與EP建設(shè)有關(guān),2.05%與多種因素有關(guān)[39]。KP植被覆蓋變化空間差異性受氣候、土壤、地形和人類活動(dòng)等多個(gè)具有顯著空間非平穩(wěn)性因素的驅(qū)動(dòng)[67]。總之,仍需降低研究尺度,細(xì)化生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動(dòng)因素,并通過(guò)實(shí)地調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果的精度等將有助于減少貢獻(xiàn)率厘定的不確定性。

第三,不同工程區(qū)的主導(dǎo)因素各有差異。EP貢獻(xiàn)率較高的區(qū)域主要集中在黃土高原中部、華北平原、東北和西南等地,而CC貢獻(xiàn)率較高的區(qū)域主要集中在青藏高原東北部[18,36,38,45,52—53]。EP對(duì)BTP植被改善的貢獻(xiàn)率約74.2%[46],對(duì)BTP水分利用效率增加的貢獻(xiàn)超過(guò)85%,而CC僅為8.7%,因此,BTP人類活動(dòng)主導(dǎo)作用明顯[36]。總之,CC與EP的相對(duì)作用比例可以為決策者制定因地制宜的管理政策提供依據(jù)。在設(shè)計(jì)和實(shí)施重大生態(tài)工程時(shí),要充分考慮自然規(guī)律、地理地帶性差異和氣候因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,在人類活動(dòng)貢獻(xiàn)高的地方持續(xù)重點(diǎn)關(guān)注EP的影響,在自然因素作用較大的地方合理規(guī)劃工程投入,在人為因素的適度干擾下使生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù),從而使得生態(tài)工程效益最大化。

5.3 工程成效評(píng)估差異原因總結(jié)

第一,評(píng)估數(shù)據(jù)多源差異。涵蓋地面調(diào)查數(shù)據(jù)、站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感、航空遙感數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、資源清查數(shù)據(jù)、模型模擬數(shù)據(jù)等,地面調(diào)查、聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確,但是獲取周期長(zhǎng)、耗費(fèi)成本大,模型模擬數(shù)據(jù)通過(guò)輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)較易獲得,但是精度存在很大的不確定性;第二,評(píng)估技術(shù)量化差異。包括地面調(diào)查與野外觀測(cè)、遙感解譯反演、模型模擬等,模型包括開展工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持、防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)等功能量模擬的RUSLE、 RWEQ、InVEST、水量平衡等模型方法,模擬NPP時(shí)空數(shù)據(jù)的CASA、GLOPEM等模型,模擬工程氣候效應(yīng)的WRF等氣候模式;第三,評(píng)估方法體系差異。包括基于生態(tài)參照區(qū)“動(dòng)態(tài)過(guò)程本底”、“歷史動(dòng)態(tài)本底—恢復(fù)現(xiàn)狀—恢復(fù)指數(shù)”分析[4],基于分布式測(cè)算的物質(zhì)量和價(jià)值量的定量化分析[10,15],基于時(shí)間前后對(duì)比的趨勢(shì)分析及基于工程區(qū)域內(nèi)外對(duì)比的差異化分析[69]等;第四,評(píng)估尺度和參考基準(zhǔn)不一致。空間尺度由點(diǎn)及面涵蓋樣方、樣地、坡面、流域、行政區(qū)域等多種尺度,時(shí)間尺度包括工程短期、長(zhǎng)期及整體規(guī)劃期等多個(gè)時(shí)間周期,參考基準(zhǔn)涉及工程區(qū)自身變化和工程區(qū)內(nèi)外對(duì)比;第五,驅(qū)動(dòng)因素拆解方法的差異。氣候變化與生態(tài)工程是引起生態(tài)系統(tǒng)變化的兩大主要影響因素[4]。目前因子耦合作用機(jī)制以及如何科學(xué)分解仍尚不清楚。即使剔除掉氣候的影響,考慮到不同工程實(shí)施區(qū)域存在空間重疊現(xiàn)象,在拆解出工程貢獻(xiàn)率的基礎(chǔ)之上如何拆解不同工程的貢獻(xiàn)率等,都是當(dāng)前需要解決的問(wèn)題?；诖?未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注評(píng)估基準(zhǔn)和尺度的選擇、多源數(shù)據(jù)的融合及同化、驅(qū)動(dòng)因素耦合作用機(jī)制研究及作用厘定,發(fā)展具有針對(duì)性的評(píng)價(jià)技術(shù)方法庫(kù),構(gòu)建全面、長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估體系,從而降低生態(tài)工程成效評(píng)估的不確定性,為生態(tài)工程規(guī)劃、調(diào)整和實(shí)施提供借鑒和啟示。