气候变化对“山水林田湖草”重大生态工程的影响

赵东升,郭彩赟,郭义强,刘 磊,高 璇,张家诚,朱 瑜,张雪梅

1 中国科学院地理科学与资源研究所,中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101 2 中国科学院大学,北京 100149 3 自然资源部国土整治重点实验室,北京 100035

自2016年10月《关于推进山水林田湖草生态保护修复工作的通知》印发以来,“山水林田湖草”生态保护修复试点工程被广泛关注,目前已经开展了诸如河北环京津、陕西黄土高原、甘肃青海祁连山、吉林长白山、湖南湘江和洞庭湖等一批“山水林田湖草”生态保护修复试点工程,这些工程涵盖了东北森林地区、西北祁连山地、京津水源涵养区、黄土高原地区、南方丘陵山地等重要的生态功能区。这些区域多为生态脆弱地区,生态系统受损严重,环境问题较为突出,开展“山水林田湖草”生态保护修复工程既是建设社会主义生态文明的必然要求,也是破解生态环境难题的重要举措,对于构建国家生态安全格局和维系民族永续发展具有重要意义。

IPCC第五次气候评估报告指出,近百年(1909—2011年)来,中国陆地区域增温速率高于全球平均值,达0.9—1.5°C,最近50—60年全国年平均气温上升速率约为0.21—0.25°C/10a[1]。随着气温的上升,降水分布不均现象更加明显,极端事件频率显著增加。由于正在实施的重大生态工程多位于我国生态脆弱区,水土资源配置失稳、人地矛盾突出,大多数重大生态工程在最初设计时可能未考虑气候变化的影响,或对气候变化的影响估计不足,在重大生态工程实施过程中不能完全遵循自然规律,如不能基于人与自然系统的全局和长远利益角度进行科学决策,将无法保证生态工程修复的系统性和完整性,也无法就气候变化的应对决策提出科学的指导。因此,开展关于气候变化对重大生态工程和生态系统恢复的影响研究显得十分紧迫。

本文针对气候变化对高寒草地、北方林区以及风沙源区生态的影响,以实施多年的三江源生态保护工程、三北防护林工程和京津风沙源治理工程为例,分析全球气候变化对重大生态工程的影响与反馈,并指出了工程实施过程中存在的问题,希望能为正在和即将实施的 “山水林田湖草”生态保护修复工程提供参考价值,为达到生态系统整体保护、系统修复、综合治理的目标提供理论依据,为当前和今后一段时期内的生态文明建设提供科学支撑。

1 重大生态工程区气候变化过程

中国的重大生态工程区气候变化特征如表1所示。近50年来,各生态工程区气候变化均以增温为主要特征,且气温倾向率均高于同期全国平均气温(0.22—0.27℃/10a),大兴安岭天然林保护工程区气温增幅最大,达0.88℃/10a,其余工程区增幅接近,在0.31—0.36℃/10a之间。各区降水变化差异较大,三江源生态保护工程区和大兴安岭天然林保护工程区近年来年降水量不断增加,气候呈暖湿化趋势；而“三北”防护林工程区和京津风沙源治理工程区则呈现暖干化趋势,但二者的年平均风速明显降低,对于减弱沙尘暴灾害具有积极作用。

表1 重大生态工程区气候变化特征

2 气候变化对重大生态工程的影响

气候变化与重大生态工程之间存在着互馈式影响。温度升高导致的蒸发量增加、降水季节分配变化,能引发干旱、洪涝频发、径流量季节变化规律异常等问题,给生态工程的水资源调配、环境改善、灾害防治的综合发挥带来严峻考验[11- 15]。此外,气候变化和极端事件可能对重大生态工程区的生态系统结构、功能和分布产生影响,从而导致关键物种的丧失,破坏生态系统的稳定性和可逆性,进一步加剧生态系统的脆弱性,从而影响区域的经济发展与社会稳定,对国家安全和社会的发展构成新的挑战。本研究选择了实施范围较广、区域影响较大且对气候变化较为敏感的4个重大生态工程,总结了气候变化对其的影响。

2.1 高寒草地重大生态工程

三江源位于青藏高原腹地,有“中华水塔”之称,是长江、黄河和澜沧江的源头,分布着广阔的高寒草地,是高原生物多样性最集中的地区和青藏高原生态安全屏障的重要组成。近年来,由于气候变化和人类活动的双重影响,该地区生态系统功能持续下降,影响了源区中下游的可持续发展。为了改变这种不利情况,我国规划实施了三江源区生态保护和建设工程。

1980年以来,三江源地区的气候总体上向暖湿转变。1982—2013年期间,三江源植被NPP呈现上升趋势,草地生产力也表现为线性增加趋势。暖湿的气候对三江源地区的生态景观变化具有正面效应,贡献率约为87%,人类活动(工程)的贡献率为13%[16]；其中在1998—2012年间,由于生长季温度的上升,三江源地区的植被覆盖度有所提高[17]；气温升高使得冰川退缩和冰川融水增多,湿地和水域面积的径流量增加,导致雪线以下草地NPP的增加,以及地下水库径流调节作用的增强[18]。未来三江源地区的气温和降水将会持续上升,冰川大面积消融,草地面积增加,从而挤占其他景观类型分布区域[19]；2005—2013年自工程实施以来,三江源区域草地平均产草量比工程实施前17年的平均产草量提高了20.31%,从2003年减蓄措施实施后10年内,平均载畜压力比15年前下降了36.1%,气候变化和生态保护建设工程是草地产量提高和载蓄压力减轻的主要原因[20]。截止到2015年,三江源气候变化贡献了长江源地区年尺度植被NDVI增加的41.5%,比生态保护工程对其的影响小17.0%[21]。总体而言,自三江源生态保护工程开始以来,该地区的生态系统总体表现为“初步遏制,局部好转 ”的态势[22],并且气候变化对生态保护工程起着积极正面的促进作用。

也有研究指出,1982—2013年之间,人类活动在2010年之前积极效应显著,2010年之后效应减退,所以认为生态保护工程缺乏长期效应[23]。正在实施的三江源生态保护工程对生态环境恶化趋势尚未得到根本性遏制,环境治理的速度跟不上生态恶化的速度,仍存在着诸多问题。首先,尽管植被覆盖度和草地生产力有所提高,但土壤保持功能没有实质性的提高,区域冰川融水和降水增多,增加了土壤侵蚀的敏感性,导致水体流失现象严峻[24]；草地退化的好转仅是植被长势的好转,草地面积退化趋势未能得到有效遏制,该区域草地仍在以每年近8万亩的速度退化和沙化[25]。其次,三江源生态保护工程生态移民安置问题突出,该区经济基础薄弱,产业结构单一,工程实施围栏禁牧,退牧还草等措施后,移民的长远生计面临很大问题,生态移民回流现象严重[26]。最后,三江源生态体系的法规建设还不健全,生态保护的专业化队伍建设不能满足需求,并且科技力量支撑不够[27]。

总体而言,三江源地区整体生态状况趋于好转,一系列生态工程的实施对于恢复植被覆盖度、草地生产力、水源涵养能力以及提升生态系统生物多样性起到了积极作用。许多研究表明,当今三江源地区气候主要向暖湿转变,其中气温对草地生产力和高寒草地植被覆盖起重要作用,而降水对生产力的增加起关键作用。因此,暖湿化的气候变化趋势对工程区实施效果和生态景观变化具有正面效应。但是区域生态系统的健康状况远未达到理想状态,在未来必须扩大工程的实施范围,加大生态环境保护和建设力度,尊重客观自然规律,坚持生态自然修复为主,人工手段为辅的原则,充分利用气候变化的优势条件,方能实现“整体恢复,全面好转,生态健康,功能稳定”的最终目标[25,27]。

2.2 北方林区重大生态工程

为改善我国北方林区的生态环境,减少自然灾害、维护生存空间,我国政府于1979年规划了三北防护林体系工程。对三北防护林工程区内的气候变化分析发现,过去几十年该区气候呈暖干化的趋势,且未来也将延续这种趋势[28]。三北防护林工程的生态系统功能集中于治理沙化土地、抵御风沙侵蚀、保护农田和恢复牧场等[8],间接功能则包括固碳释氧[29]、涵养水源[30]、防风固沙[31]等。在气候暖干化背景下,三北防护林工程区将面临干旱面积扩大、荒漠化程度加剧、区域植被逆向演替以及现存防护林在气候变化的干扰下衰退的风险。叶佳琦等研究发现,三北防护林工程区域的草地、湿地、森林生境对气候变化存在显著的响应差异,气候暖干化对森林和湿地的植被覆盖状况有明显促进作用,草原比湿地和森林对暖干化气候的响应更为强烈[32]

通过比较2000年和2012年的植被覆盖度数据,Tian发现三北防护林有效改善了内蒙古的植被恢复,在15.38%的植被显著增加区域中,气候变化和生态工程建设两种因素发挥的作用各占一半,而在1.64%的植被显著退化区域中,极少部分由气候变化引起,多数由人口增长、城市扩张等因素引起[33]；通过对近40年来中国林业生态工程对森林生态系统功能影响的分析表明,相对于其它工程,三北防护林工程实施历史长,工程区内森林生态系统结构和功能相对完整,对于净化大气环境、固碳释氧、缓冲气候变化影响等方面发挥了积极的作用[34]。气候变化将导致工程区脉动式降水的频率和和强度发生变化,使得群落中各功能群达到生物量峰值的时间发生改变。气候暖干化增加了河流、湖泊的水体蒸发量,降低了水源涵养量和河流径流量,减少了水资源的有效性,进而导致部分工程区极端气候频发,树木大面积死亡,对工程区植物群落和生态功能产生不利影响[35]。

受气候变化导致的年均降水量降低,干旱影响可能增强[36],三北防护林部分区域出现广分布、大面积、多树种的明显衰退迹象[37],地方大量开采地下水造成水位下降也加剧了林分退化速度[38],甚至出现大面积枯死现象,还有些区域树种长成“小老头树”[39]。出现“小老头树”是因为西北大部分地区适合草灌类植被生长,而三北防护林都是以乔木为主(例如杨树和云杉),乔木的生长需要大量的水分,造林会减少土壤含水量,地下水位降低,使局部地区荒漠化更加严重[40]。有些地区造林并未考虑地理地带性差异,致使造林成本较高、成活率低和维护困难,许多地方造林不见林[41],这在一定程度上违背了生态适宜的原则；同时三北地区防护林建设存在树种单一、造林密度偏大、多样性较低的问题,致使防护林受到病虫害感染的风险极高[42]。在气候暖干化的背景下,这些不利影响可能会进一步被放大,影响三北防护林生态效益的充分发挥。

总体上,三北防护林对生态环境的保护具有积极的效果,该区气候变化被认为有暖干化与暖湿化两种趋势,暖湿化对于三北工程部分地区植被覆盖增加与固碳释氧、防风固沙、净化大气等生态功能具有正面效应。气候的暖干化则不利于三北防护林工程,水分的减少会造成林分退化、植被死亡,进而影响植被群落、生态功能和生态系统服务,而城市扩张、地下水开采和工程管理不善等人类因素又加剧了这一状况。

2.3 风沙治理重大生态工程

我国北方是重要的生态安全屏障,具有十分重要的战略地位,但由于人为活动导致的土壤风蚀加剧,土地生产力下降,沙尘暴频发,严重威胁了当地及周边居民的生产和生活。为减少中国北方风沙天气,改善和优化周边地区的生态环境状况,有效固土防沙,我国政府于2000年启动了京津风沙源治理工程,这是中国抗击风沙的重要生态工程。

自工程实施已来,京津风沙源区的中部和西部县、市(旗)的植被覆盖度有不同程度的降低[43],该区东部、中部和南部地区植被盖度变高、降水有所增加、风场强度相对变小[44]。沙化土地动态分析显示,在2000—2010年,京津风沙源治理工程区沙化面积总体上先减少后增加,相比2000年,2015年京津风沙源区有51%的区域植被覆盖度增加,49%区域植被覆盖度未变或降低。覆盖度未变或降低区域主要集中在京津风沙源区的中部和西部县、市(旗),其中降水变化是决定京津风沙源区植被生长状况重要因子[45]。浑善达克沙地在1994—2001年,沙地退化主要驱动力为气候变化和放牧强度,湿地萎缩主要受降雨变化的影响,2001—2014年,沙地植被逐渐恢复,这一阶段湿地的退化主要受风速增加、温度升高等自然因素和人为放牧等因素共同影响[46]。近50 年来,京津风沙源治理工程区沙尘暴发生频次呈显著下降的趋势,风速和相对湿度的变化是影响沙尘暴减少的最重要气象因子。近30 年来,沙尘暴变化主要受到植被覆盖与相对湿度的影响,贡献率分别为32.7%和44.5%[10]。

在京津风沙源区,人工草地种植能最大程度的增加群落的地上生物量,快速恢复草地生产功能,但群落地下生物量大幅下降,降低了群落总生物量,造成草地生物质碳库流失,并显著降低了植物群落的物种多样性。长期围封禁牧措施对草地物种多样性的抑制作用相对较小,但长期的工程干预很有可能对工程区的植物群落物种多样性造成负面影响[47],在气候变化条件下,这种不利影响可能会被进一步放大。自2000年以来,京津风沙源区内NDVI呈增加趋势,NDVI下降区域主要集中在沙源区西南至东北条带上,干旱是NDVI下降的主要原因。其中2007年和2009年的夏季干旱造成NDVI分别减少了约13.06%和23.55%,抵消了生态恢复措施的积极效应。京津风沙源治理工程一期(2001—2010年)净固碳量为63.75—64.38 Tg C,年均净固碳量为6.38—6.44 Tg C[48]。

总体来说,京津风沙源治理工程区整体生态状况趋于好转,一系列生态工程的实施对于恢复自然植被和提升生态系统防风固沙服务起到了积极作用[44]。但也有研究表明,温度的升高和降水的减少对工程区植被生长有不同程度的负面影响,其中降水量起主导作用,气温为次要因素[9,45]。气候的暖干化会导致地表水减少,人们开采地下水又加剧地表水的萎缩[46],气候变化与人类活动共同对京津风沙源治理工程的效果产生不利影响。未来需进一步保护植被多样性,避免种植需水量较多的高大乔木,以低矮植被为主,保护现有的林草植被,顺应当地气候进行生态改良。

3 主要问题与未来发展方向

了解气候变化对重大生态工程实施的影响及存在问题,有助于科学优化“山水林田湖草”生态保护修复工程的实施方案、保障工程实施效果,确保后续生态工程部署更具科学性和针对性,这不仅是国家重大迫切的需求,也将促进恢复生态学的科学实践和理论创新。通过气候变化对三江源生态保护、三北防护林、京津风沙源治理等工程影响研究的梳理,发现目前各项重大生态工程存在以下几方面的问题。

3.1 主要问题

(1)气候变化对重大生态工程的影响研究不足

综观已有气候变化与重大生态工程影响的研究发现,大部分研究聚焦于重大生态工程地区的气候因子变化趋势[49]、工程的生态效益[50]、工程的气候效应等方向,小部分关注气候变化对生态工程影响的研究集中于对区域植被覆盖度[17]、植被生产力[23]、土壤侵蚀[24]、水体与径流变化[51]方面,少有涉及对区域生态系统结构、功能、生物多样性与脆弱性等方面的影响研究。此外,已有文献中关于气候变化对多个重大生态工程影响的研究有所偏倚,对三江源生态保护工程的研究数量相对较多,而对其他生态工程的研究则在数量与综合性上有所欠缺。综合来看,现有研究难以系统全面阐述气候变化对重大生态工程的影响,无法满足多系统、多工程、多时段的关注需求。

另外,由于缺乏针对重大生态工程理论的研究方法,已有研究中多使用常规生态研究方法对工程实施地区进行分析,而忽略了重大生态工程中人类参与的因素,和部分植被具有人工属性的特点。相对于自然生态系统,重大生态工程对于气候变化的响应更为敏感,因此已有研究得出的结论有可能存在偏差,面向气候变化下重大生态工程影响研究的科学理论与技术方法亟待完善。

(2)重大工程缺乏适应气候变化的理念

气候暖干化对于生态工程区植被产生了负面影响,而暖湿化则对植被产生了正面影响。气候变化下热量资源增加、光能资源充分、山区降水资源充沛的特点对生态工程具正面影响,而干旱加剧、暴雨冰雹增多、霜冻危害加重、大风增多则具负面影响[45]。研究认为三北防护林工程中草场退化与树木缓慢生长甚至死亡是由于忽视了植被的气候适应性[52],所有重大生态工程都需开展适应气候变化的科学研究,但我国在生态保护工程的气候可行性论证、气候变化和人为干预作用下区域生态响应与应对技术方面开展的研究工作尚不多,这可能是由于生态工程实施时间早、时间跨度大所导致。以三北防护林工程为例,1978年以来三北防护林工程地区总体呈现暖干化趋势,其中防护林建设前(1960—1977)为偏冷干期,1978—1995年区域气温与降水逐步升高,1996年后表现为显著暖干趋势[8]。工程实施早期,气候变化对生态工程影响不显著,因此建设中忽视了适应气候变化的理念,导致了建设工程后期生态系统功能的退化。

(3)缺乏有效区分气候变化和工程实施效果的评估方法

生态工程下生态系统的退化与恢复的动态过程是气候变化与人为活动共同作用的结果,目前能够定量划分生态工程地区各类植被生产力动态驱动因子的研究仍然比较少见。气候变化与生态工程实施同时对区域生态系统产生作用,主要表现为相互促进、相互抵消或加速恶化。黄麟等[8]通过分析三北防护林工程区生态系统防风固沙服务量变化评价工程防风固沙效应,认为以风场减弱为主的气候变化对生态系统防风固沙服务变化起到了主要作用,气候变化背景下生态工程的正面作用也十分明显。张宝庆等[53]通过监测黄土高原植被建设成效,认为大规模植被建设措施的实施促进了该地区植被恢复,但也使研究区植被覆盖对气候等自然因子的变化敏感度降低。刘凤和曾永年[54]利用CASA改进模型估算青海高原植被NPP,并探讨了不同区域生态保护工程建设的成效,结果表明,气候与不同生态保护工程的实施对区域NPP时空格局及变化趋势存在不同程度的影响。已有研究多利用遥感图像提取植被覆盖度数据,评估的生态系统要素主要是植被面积与覆盖度,利用生态模型或统计学方法分离气候与人类活动的影响,这些方法缺乏基础的理论指导,实践效果也可能存在较大的偏差,这是由于气候变化的复杂性与生态系统功能的多样性所共同决定的。而科学区分气候变化和生态工程的影响,对于准确评估生态工程的作用至关重要,因此亟待发展气候变化和工程实施效果的评估理论与方法,以支持“山水林田湖草”生态保护修复工程等重大生态工程建设实施。

(4)缺乏气候变化未来风险预估,无法进行规划适应

三北防护林工程、京津风沙源治理工程覆盖的北方地区,大部分属于我国干旱半干旱区,受气候因子尤其是水分因子的影响大,生态环境脆弱,为气候变化高风险区域。针对各重大生态工程,已有一些研究对工程地区的未来气候变化趋势进行了模拟和分析,但是对未来气候变化下生态系统脆弱性与风险的研究依然比较少。而各类以适应气候变化为目的的管理行动,被认为可以有效减少气候变化对陆地生态系统造成的不利影响,降低气候变化风险,提高生态系统及其物种适应气候变化的能力[55]。由于缺乏对气候变化未来风险的分析,难以评价未来重大生态工程中生态系统面临的风险与管理措施对生态系统恢复的绩效,无法为决策者提供进行规划适应的理论依据。

3.2 未来发展方向

中国自然条件复杂多样,生态脆弱区(如农牧交错带、江河源区、石漠化山区等)面积较大,生态与环境的恶化成为一些地区可持续发展的障碍,正在实施的“山水林田湖草”生态保护修复工程主要位于我国的重要生态功能区和生态脆弱区,而这些地区多是气候变化的敏感区,气候变化和极端事件可能会进一步加剧生态环境的脆弱性,降低重大工程的实施效果。在这些地区实施重大生态建设工程,我国仍缺乏成熟的经验可供遵循,气候变化将使这一问题更为复杂。针对“山水林田湖草”生态保护修复工程实施过程中可能面临的一些问题,本文主要提出了以下几点建议。

(1)充分考虑地理地带性差异

有些地区的生态工程可能未考虑地理地带性差异,将造成局部地区生态环境更为恶化。只有尊重地带性差异,才能有效提高生态系统功能。在适合森林生长区种植同时具有生态效益和经济效益的混交林,加强已有的森林管护,对密度过大的林分进行抚育复壮,合理布局生态保护工程。在干旱半干旱区适宜灌木生长地区种植灌木,采用斑块状的种植方式,有利于集结降水和提高降水捕获率,并且优势灌木对深层土壤水或地下水有向上提升的作用,从而可以有效恢复土壤生境,实现其生态恢复[56]。另外,引水工程计划需要十分谨慎,不适宜的调水将破坏天然植被,加重土壤次生盐碱化。“山水林田湖草”生态保护修复工程实施要符合自然植被的空间分布规律,充分尊重自然规律、尊重地理地带性、尊重“山水林田湖草”生命共同体理念,坚持宜林则林、宜灌则灌、宜草则草的近自然恢复原则,提高生态系统功能,实现生态效益和经济效益相统一。

(2)将气候变化因素纳入工程设计和实施过程中

在“山水林田湖草”生态保护修复工程实施过程中要充分考虑气候变化风险,特别是气候变化对生态系统结构和功能,以及适宜分布区的影响,提前采取有效应对措施。如,在三江源地区,气候变化以暖湿为主,降水量的增加在促进植被生长的同时,也造成了降雨侵蚀力的明显提高,而土壤侵蚀敏感性的提高,使得土壤水蚀量有所增加,所以在实施工程时应该有科学的规划部署[2]；在全球变暖背景下,气温升高从短期来看会显著促进部分地区有机碳的固定,而从长期来看,气温的增加会增强土壤有机质的分解,完全抵消掉植物生长的固碳量。降水量的增加降低了土壤透气性、减缓了土壤有机质的分解,促进了有机碳的截获,但是过多的降水可能会引起土壤水蚀量的增加,从而减少有机碳的积累[57]。所以将气候变化因素纳入生态工程的规划和设计中,制定与气候变化变化相适宜的实施办法,在实现生态效益最大化的同时,也可以增加生态工程的固碳能力。

(3)建立稳定的生态综合监测评估机制

“山水林田湖草”重大生态保护与修复工程应大力加强生态工程监测机制的建设,特别是加强气候变化影响的监测。因为目前的生态工程监测尚未达到天、空、地一体化综合实施,也没能够建立稳定的运行机制,针对气候变化的影响未被囊括在监测项目中,导致生态工程的评价缺乏针对性和系统性,难以全面实现工程规划之初设定的目标,难以从格局、质量、服务等方面反映生态系统变化,难以区分气候变化和生态建设工程对生态系统的影响,使得工程效果无法被合理评估。在“山水林田湖草”生态保护修复工程的实施过程中,应构建全面、长期、动态的生态系统监测体系,科学评估工程的效果和气候变化的贡献,这对于工程规划、调整和实施具有非常重要的意义。

(4)构建基于气候变化的科学工程评价体系

要积极探索“山水林田湖草”重大生态工程实施效果的综合科学评价体系,把气候因素纳入到工程评价体系当中,明确气候变化对生态系统工程的促进或阻碍作用,从而更好地判断工程和气候变化在生态系统恢复中的贡献率。发展具有特色和针对性的生态保护和建设的评价方法,科学合理地部署生态建设工程,客观地评估工程实施所产生的生态成效,以及气候变化对生态保护工程效果的作用,为“山水林田湖草”生态保护修复工程的有效实施提供保障。