植被恢复对黄土高原生态系统服务的影响研究—以中国泾河流域为例

【摘要】  

    评估生态系统服务对环境发展至关重要。泾河流域是中国黄土高原水土流失严重的典型流域，本研究探讨了“退耕还林”工程实施以来泾河流域植被恢复过程中生态系统服务的变化特征。本研究选择植被覆盖度（ FVC ）作为 2000 年至 2020 年植被恢复变化的指标。生态系统服务模拟基于水土评估工具（ SWAT ）、卡内基 - 埃姆斯 - 斯坦福方法（ CASA ）模型、生态系统服务与权衡综合评估（ InVEST ）。利用 Mann-Kendall 检验、皮尔逊相关系数和灰色关联度分析（ GRA ）揭示了泾河流域植被覆盖度的时空异质性及其对生态系统服务的响应。结果表明（ 1 ）自实施全球森林和草地保护计划以来，森林和草地面积显著增加。植被恢复面积所占比例为 95.15% ；（ 2 ）在全流域尺度上，植被恢复与水土保持（ SC ）、水量（ WY ）、净初级生产力（ NPP ）和生境质量（ HQ ）呈协同关系，而在子流域尺度上，植被恢复与 SC 和 HQ 在部分子流域转化为权衡关系。 (3 ）泾河流域植被恢复对 SC 、 WY 、 NPP 和 HQ 均有积极影响。与植被恢复的相关性顺序为 SC>HQ>NPP>WY ，表明泾河流域植被恢复与 SC 的相关性最高。本研究表明，自实施全球森林增长计划以来，泾河流域植被覆盖率显著恢复，促进了生态系统服务水平的提高。  

【 研究背景 】  

    生态系统是维持人类生存和发展的基础，通过提供自然资源满足人类的需求。随着人类社会的迅速发展，生态系统结构遭到破坏，引发了一系列生态问题。为解决这些问题，生态修复和生态系统服务的研究备受关注。植被恢复与 ES 效应的研究也逐渐成为全球关注的焦点之一，涉及土壤保持、碳固存、水产出等多个方面。  

    在中国“退耕还林”（ GFGP ）政策引导下，黄土高原植被大规模恢复，不仅提高了植被覆盖率，还增强了生态系统服务功能，如土壤保持、水产出、碳固存等。这对于解决黄土高原的水土流失和生态环境问题具有积极作用。然而，植被恢复对生态系统服务的影响涉及复杂的相互关系，需要综合考虑多个因素。  

    本研究选择了泾河流域作为研究区域（图 1 ），采用 SWAT 、 InVEST 和 CASA 等模型对植被恢复与生态系统服务的关系进行综合评估。研究发现，植被恢复对生态系统服务产生了积极影响，包括改善土壤保持能力、增加水资源供给、促进碳固存等。然而，在综合分析中，需要注意不同尺度和不同生态系统服务之间的协同作用和权衡关系。本研究的结果为未来在黄土高原进行更有效的植被恢复和生态系统管理提供了科学依据。  

图 1.  泾河流域  DEM  的位置和空间分布

【 研究方法 】

1 、部分植被覆盖度

    本研究选择 FVC 作为指标来表示 2000~2020 年植被恢复的变化情况，可分为 5 个等级（表 1 ）。计算公式如下：  

其中 NDVI 是像素的归一化差异植被指数； NDVI _soil 和   NDVI _avg 分别是研究区域纯土壤像素的最小值和纯植被像素的最大值。以累积直方图的 5% 和 95% 作为置信区间，确定研究区域的 NDVI _soil 值和   NDVI _avg 值。  

表 1. FVC 类别标准

2 、生态系统服务功能

2.1 水土保持  

    本研究选用 SWAT 模型模拟水土流失。计算公式如下：  

    其中 sed _c 为土壤保持量（ t ）； sed _q  为潜在土壤侵蚀量（ t ）； sed _a 为实际土壤侵蚀量（ t ）； Q _surf   为地表径流量（ mm?ha ^-1 ）； q _peak   为峰值径流速率（ m3?s ^-1 ）； area _hru 为水文响应单元（ HRU ）面积； K _USLE   是  USLE （通用土壤流失方程）土壤侵蚀系数； C _USLE 是 USLE 覆盖和管理系数； P _USLE 是 USLE 支持实践系数； LS _USLE 是 USLE 地形系数； CFRG 是粗碎系数。  

2.2 水资源产量  

    本研究利用 InVEST 模型的水产量模块对 WY 进行了模拟和分析。计算公式如下：  

其中 Y _x 为当年的供水量（毫米）； AET _x  为当年的实际蒸发量（毫米）； P _x 为当年的年降水量（毫米）。  

2.3 净初级生产力  

    本研究利用 CASA 模型，通过光能利用效率原理，模拟植被吸收的光合有效辐射及其与光合有效辐射的转化率，从而估算研究区域的净初级生产力。其表达式如下：  

    其中 NPP ( x ,  t ) 为第 t 月第 x 个图元的净初级生产力（ g.C.m ² ）； APAR ( x ,  t ) 为第 t 月第 x 个图元吸收的光合有效辐射（ MJ/m ² ）； ε ( x ,  t ) 为反映第 t 月第 x 个网格中光能用于生产有机化合物效率的因子（ g.C.MJ ）。  

2.4 生境质量  

    本研究利用 InVEST 模型的生境质量模块对荆河流域的 HQ 进行了模拟和分析。计算公式如下：  

    其中 Q _xj 为土地利用类型 j 中 x 网格的 HQ ； H _j  为土地利用类型 j 中的生境适宜性； D _xj 为土地利用类型 j 中 x 网格的生境退化度； z 为归一化常数； k 为半饱和参数。  

3 、数据检验方法

    曼 - 肯德尔（ MK ）趋势检验是一种非参数时间序列检验方法，广泛用于长期序列数据的趋势分析。 MK 检验中的 R 值反映了检验序列与时间之间的相关性， P 值代表检验结果的显著性水平。根据  R  值和  P  值将检验结果分为九类，以确定趋势变化（表 2 ）。  

表 2.  使用  Mann-Kendall (MK)  趋势检验进行的 R 值和 P 值趋势分类

4. 权衡关系

    研究采用皮尔逊相关系数 R 来确定 FVC 和 ES 之间的权衡和协同关系。具体计算方法：  

    指整个研究期间 FVC 和 ES 的平均值。根据β - 值和  Z- 值将测试结果分为九类，以确定趋势变化（表  3 ）。

表 3.  以 R 值和 P 值表示的权衡关系分类

5 、灰色关联度分析

灰色关联度分析法（ GRA ）是一种多元统计分析方法，根据各因素在发展趋势上的异同来评估其相关程度。本研究通过 GRA  分析泾河流域植被恢复与生态服务功能的相关性。  

【 研究结果 】

1 、植被恢复的时空格局

        2000-2020  年间，泾河流域的年植被恢复系数（ FVC ）呈小幅上升趋势（图  2 （ a ））， FVC 发生了显著变化。自 2000 年以来，高和较高 FVC 的比例明显增加，低和较低 FVC 面积急剧下降。与其他类别相比，中等 FVC 的比例看起来较为稳定，在 21.85%  至 49.63%  之间波动，并在 2020 年达到低点。 21 年间，泾河流域低、低、中、高、高植被覆盖率分别由 5.28% 、 37.38% 、 39.02% 、 10.50% 、 7.81% 变为 0.13% 、 4.87% 、 21.85% 、 43.65% 、 29.51% 。结果表明泾河流域的植被覆盖率有了很大的提高，全球森林增长计划在该流域得到了很好的实施。  

    在各子流域方面，到 2020 年，大部分子流域已由中低 FVC 转变为中高 FVC 。北部的一些子流域，如 1 号、 2 号、 3 号和 4 号，仍保持中低植被覆盖率水平（图 4 ）。泾河流域南部的植被覆盖率要好于北部（图 3 ）。结果表明，森林覆盖率增长的总体趋势是由南向北、由下游向上游。自 2000 年以来，中等速生林面积比例保持稳定（图 2 （ b ）），空间分布呈北移趋势（图 3 ），可视为低速生林向高速生林的过渡状态，预计未来泾河流域植被覆盖率将继续增加。  

图 2. 2000 年至 2020 年泾河流域森林覆盖率变化趋势

注：（ a ）年平均值；（ b ）森林覆盖率类别  

图 3.  泾河流域森林覆盖率的空间分布

注：（ a ） 2000  年；（ b ） 2010  年；（ c ） 2020  年  

图 4.  泾河流域各子流域的 FVC 类别比例  

注：（ a ） 2000 年；（ b ） 2010 年；（ c ） 2020 年  

2 、生态系统服务的时空模式

2.1 水土保持服务  

    泾河流域 SC 的时空分布见图 5 （ a ）和图 6 （ a ）。泾河流域 SC 空间分布差异较大，多年平均值在 0~625.737 吨 / 公顷之间，全流域 21 年平均 SC 为 105.01 吨 / 公顷。 低值区主要分布在流域北部和中部的 1 、 2 、 3 、 4 、 9 、 23 和 29 小流域。  

2.2 水资源供给服务  

        2000~2020 年全流域年均水资源量具有较强的时空异质性（图 5 （ b ）和图 6 （ b ）），在研究期内年均水资源量逐渐增加。 WY 分布呈现明显的南北向特征，高产水区主要分布在流域西南部，低产水区分布在流域东部和北部。多年平均 WY 值在 0 至 604.469 毫米之间，全流域平均值为 282.8179 毫米。 WY 低值区主要集中在 1 号、 2 号、 3 号、 6 号和 8 号子流域。高值区分布在 11 号、 19 号、 26 号、 28 号、 29 号、 30 号、 31 号、 33 号和 38 号子流域。  

2.3 净初级生产力  

        2000~2020  年，全流域年平均净初级生产力稳步上升，泾河流域多年平均净初级生产力在 77.9752~1514.03gC/m ²   之间，平均值为 482.1627gC/m ² （图 6 （ c ））。低值区主要集中在 1 号、 2 号、 3 号、 4 号、 5 号、 6 号、 9 号、 10 号子流域。中等价值区主要集中在 7 号、 12 号、 13 号、 17 号、 19 号和 22 号子流域。高值区分布在 16 号、 31 号、 32 号、 33 号、 35 号、 36 号和 37 号子流域（图 5 （ c ））。结果表明，泾河流域南部和东部的 NPP 高于西部和北部，换言之， NPP 较高的区域更多集中在流域下游。  

2.4 生境质量  

    泾河流域多年平均生境质量空间分布见图 5 （ d ）和图 6 （ d ）。泾河流域 HQ 主要分布在中高值区，多年平均值为 0.584 。高值区主要分布在 6 号、 8 号、 15 号、 16 号、 27 号、 34 号和 36 号子流域。低价值区分散在建成区内，主要集中在 11 号、 14 号、 25 号、 26 号、 30 号、 38 号和 39 号分流域。值得注意的是，在城市化发展和 GFGP 实施的双重作用下，高 HQ 和低 HQ 区域在增加，而中等 HQ 区域在减少，呈现出两极分化的趋势。  

图 5.  泾河流域多年平均 ES  值

（ a ） SC ；（ b ） WY ；（ c ） NPP ；（ d ） HQ

图 6.  泾河流域多年平均 ES  值的空间分布  

（ a ） SC ；（ b ） WY ；（ c ） NPP ；（ d ） HQ

【 相关讨论 】  

1 、植被恢复和生态系统服务变化趋势

        2000 年到 2020 年期间，泾河流域的森林覆盖率发生显著变化，总体变化率为 78.04% ，其中植被恢复区占 95.15% ，不变区占 0.01% ，而退化面积占 4.84% 。主要的变化区域分布在不同子流域，且受到湿暖气候变化和 GFGP 实施的共同影响。退耕还林还草和建设用地扩大是黄土高原土地利用变化的主要原因，直接影响植被覆盖率。在泾河流域的子流域中，特别是在 36 号、 37 号、 38 号和 39 号子流域，植被覆盖率的变化较小。  

    对于泾河流域的水文要素（ SC 、 WY 、 NPP 、 HQ ）的分析显示，在这 21 年间，泾河流域整体水文状况呈上升趋势。具体而言，泾河流域的地表水（ SC ）变化相对平缓，无明显减少的面积占比为 7.32% ，而无明显变化和增加的面积分别占 5.57% 和 87.11% 。流域水源（ WY ）的变化主要体现在南北差异，总体呈上升趋势，其中 84.69% 的地区 WY 上升， 8.51% 的地区 WY 下降。植被生产力（ NPP ）在整个流域呈现明显的增长趋势，主要分布在 34 号、 36 号、 38 号和 39 号子流域。此外，流域的生态服务（ HQ ）总体变化不大，但在一些城市化水平较高和人口密集的地区， HQ 退化明显较高，主要分布在 30 号、 35 号、 37 号和 38 号子流域。  

    从 1999 年以来， GFGP 的实施改善了各种生态服务，并提高了植被覆盖率。通过分析 FVC 与各生态服务之间的关系，发现 FVC 与 SC 、 WY 、 NPP 、 HQ 之间存在显著的正相关关系，表明泾河流域的植被覆盖在空间上呈集群分布。此外，虽然 FVC 与 SC 、 WY 、 HQ 的关系较为复杂，但 FVC 与 NPP 之间的线性关系较好，这为在数据支持不足的地区利用 FVC 估算 NPP 提供了可行性。总体而言，人类活动和生态政策的实施导致了泾河流域生态系统的整体改善。  

图 7. 2000-2020  年泾河流域生态系统服务年际变化趋势  

图 8. 2000  至  2020  年荆河流域的变化趋势比例

图 9.  泾河流域分流域  FVC  和  ESs  年平均值散点图  

2 、植被恢复对环境系统的影响

2.1 权衡关系  

    本研究计算了  2000-2020  年泾河流域植被恢复与生态系统服务之间的相关系数，并分析了两者之间的权衡关系。在全流域尺度上，植被覆盖度（ FVC ）与地表水（ SC ）、水源（ WY ）、植被生产力（ NPP ）、生态服务（ HQ ）之间表现出协同关系占主导地位。此外，观察到 FVC 与 SC 、 WY 、 NPP 和 HQ 之间存在极不显著的正相关关系（ R > 0 ， P > 0.05 ）。  

    在子流域尺度上，不同子流域之间 FVC 与其他生态系统服务的协同关系存在差异。在一些子流域中，主要的权衡关系为 FVC 与 HQ ，而在其他子流域中，主要的权衡关系为 FVC 与 SC 。这种变化的原因包括土地利用变化、气候变化和人类活动等因素。因此，为了更好地实施植被恢复和生态改善，各子流域需要采取有针对性的对策，并关注不同生态系统之间的权衡协同作用。  

    图 11 和图 12 的结果显示，在 FVC 与 SC 、 WY 、 NPP 、 HQ 之间的协同作用和权衡作用中，协同作用不明显的比例最高，分别为 77.85% 、 76.04% 、 99.81% 、 52.77% 。而协同作用显著的比例相对较低，分别为 2.51% 、 0.75% 、 0.35% 、 0.21% 。这说明植被恢复与生态系统服务之间的关系在泾河流域呈现出较为复杂的非线性特征。  

图 10. FVC  和  ES  的空间相关系数

图 11. FVC  与  ES  之间权衡关系的时空分布

图 12. 2000-2020  年泾河流域权衡关系分类比例  

2.2 相关性分析  

        GFGP 的实施对黄土高原生态系统服务的影响直接体现在人类活动增加的地表植被覆盖上。研究表明，植被的增加可以减少地表径流和水土流失，减少河流沉积物和养分径流以保持土壤肥力，并从根本上改善生态系统服务。自  GFGP  实施以来，泾河流域的植被得到了显著恢复。为了评估植被恢复与生态系统服务之间的关系，通过构建  FVC 、 SC 、 WY 、 NPP  和  HQ  的年尺度数据，进行了灰色关系分析（ GRA ）。从表  4  中可以看出，泾河流域植被恢复相关因子的亲疏顺序为： SC > HQ > NPP > WY 。由此可见，泾河流域植被恢复与  SC  的密切程度最高，其次是  HQ  和  NPP ，与  WY  的密切程度最小。植被可以抵御降雨的冲击，从而减少雨水的飞溅侵蚀；降低洪水峰值；延缓地表径流；减少水流对地表的侵蚀，有效遏制流域水土流失，增强水土保持功能。同时，植被恢复意味着植物种类和数量增加；生物量增加； HQ  和  NPP  得到有效改善。在植被蒸腾作用和水土保持作用的双重作用下，植被恢复和  WY  的程度相对最低。

表 4.  植被恢复的相关因子和相关程度

3 、植被恢复对生态系统服务至关重要

        GFGP 旨在支持可持续土地管理，通过退耕还林计划促进黄土高原植被恢复。该计划自 1999 年启动，采用公共付款计划，直接动员数百万农村家庭参与，改善了植被覆盖率和生态系统服务（ ESs ）。尽管总体上有所改善，但气候变化和局部生态恢复影响导致局部区域的 ESs 恶化。植被覆盖度直接关联着地表水（ SC ）、水源（ WY ）、植被生产力（ NPP ）和生态服务（ HQ ），因此，建议将它们作为关键指标，全面了解植被恢复计划下 ESs 的变化。植被恢复对水质改善和水土流失控制起到巨大作用，增加蒸散量、减少径流，提高水土保持服务。然而，降水和植被类型选择对植被恢复效果产生影响，需要在当地气候条件下进行合适的恢复类型选择。研究还强调植被恢复对生物多样性的正面影响，但需谨慎处理经济发展与环境保护之间的平衡，未来土地利用需以保护生态系统为优先。  

4 、局限性

    本研究使用了不同数据集，其中 FVC 的空间分辨率为 500 m ， SC 为 30 m ，而 NPP 、 WY 和 HQ 为 1 km 。由于空间分辨率不一致，进行综合分析前需要重新取样，可能引入误差。此外，监测站点的气象数据通过克里格插值获取，可能与实际情况存在差异。采用植被覆盖率与生态系统服务之间的皮尔逊相关性反映植被与生态系统服务的权衡或协同作用，尽管这种相关性并非权衡或协同的直接证据，但提供了从统计学角度理解植被对生态系统服务影响的线索。然而，研究倾向将生态系统服务的变化归因于植被恢复，未充分考虑人类活动和气候变化的影响，如土地利用类型的变化、城市化扩张和干旱问题。因此，需要进一步研究其他因素对黄土高原生态系统服务的影响，以更准确地揭示植被恢复对生态系统服务的影响机制。