基于生态系统服务视角的山水林田湖草生态保护与修复——以洞庭湖流域为例

孔令桥,郑 华,*,欧阳志云

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049

山水林田湖草是一个生命共同体。山水林田湖草系统理念体现了对生态系统整体性和系统性的尊重,反映了山水林田湖草各生态系统之间的协同性和有机联系,是生态保护修复的重要理念和指导思想[1]。现有研究对山水林田湖草生命共同体理念的内涵、山水林田湖草整体保护与系统修复方法进行了探索[1- 8],指出山水林田湖草系统保护修复需强调区域生态系统的森林、草地、湿地、河流、湖泊、农田等要素间相互依存、相互制约的关系,通过保护与修复受损生态系统结构、优化区域生态系统格局,维护和增强生态系统服务,以维持生态系统较高的稳定性,最终实现生态系统良好的可持续性[1]。统筹山水林田湖草系统治理需实施以生态系统服务提升为导向的保护修复,以提升生态保护与修复工程的系统性和整体性,确保生态系统健康和可持续发展,保障生态产品和服务的可持续供给[2]。

生态系统服务是指人类从生态系统获得惠益。生态系统具有水源涵养、土壤保持、防风固沙、洪水调蓄以及保护生物多样性等服务功能,为支撑经济社会发展发挥基础保障作用[9]。森林、草地等生态系统通过其特有的结构,对降水进行截留、渗透、蓄积,并通过蒸散发,实现对水流、水循环的调控,从而实现缓和地表径流、补充地下水、减缓河流流量的季节波动、滞洪补枯、保证水质等,即水源涵养功能；森林、草地等生态系统还能通过其结构与过程减少由于水蚀所导致的土壤侵蚀作用,即土壤保持功能；湿地生态系统通过暂时蓄积洪峰水量,而后缓慢泄出,削减并滞后洪峰,从而减轻河流水系洪水威胁的作用,实现洪水调蓄功能；同时,农田生态系统还为人类提供粮食和畜牧产品等。在流域尺度统筹考虑流域上下游森林、草地、湿地、农田等生态系统的相互依存关系,以维护重要生态系统服务为核心目标,突出生态系统服务提升和主要生态问题的解决,分析山水林田湖草整体保护和系统修复框架和途径,从而有效实现山水林田湖草整体保护和系统修复,确保生态产品和服务的持续供给,对维护流域生态安全具有重要意义。

洞庭湖为我国第二大淡水湖,是长江流域重要的调蓄湖泊。洞庭湖流域是长江流域中游的重要子流域之一,生态系统服务极其重要,也是我国重要的农产品提供区域。近年来由于自然灾害和人类不合理开发利用等多重因素影响,局部生态系统服务退化严重,人与自然矛盾突出,对流域自然生态系统平衡和经济社会持续发展造成威胁[10]。以洞庭湖流域为例开展山水林田湖草生态保护与修复研究具有较高的典型性和代表性,对维护我国生态安全和经济社会可持续发展具有重要意义。

本文首先提出基于生态系统服务视角的山水林田湖草系统保护与修复框架,然后以洞庭湖流域为对象,基于该框架开展流域生态安全格局分析,提出山水林田湖草生态保护与修复建议,为流域尺度进行山水林田湖草整体保护和系统修复以协调多种生态系统服务持续有效供给提供可借鉴的思路和途径。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

洞庭湖流域是长江流域中游重要的子流域之一,总面积约26万km2,主要包括湖南省、贵州东部、广西省、湖北省和江西省的部分地区。地貌类型主要有平原、丘陵和山地,生态系统类型多样,森林、灌丛、草地、湿地、农田和城镇分别占比43.19%、16.41%、3.92%、3.51%、29.35%和3.37%(图1)。洞庭湖流域提供了重要的水文调节、洪水调蓄、水质净化等生态系统调节服务,在维护长江流域生态安全上占据重要地位,同时也是我国重要的农产品提供区域,具备重要的生态系统供给服务功能。

图1 洞庭湖流域Fig.1 Dongting Lake Basin

1.2 研究方法

通过生态系统服务重要性和生态问题格局分析,明确生态保护重要区域,识别山水林田湖草生态保护与修复的重点区域。

1.2.1生态系统服务评价方法

(1) 生态系统水源涵养功能

水源涵养指一段时间内生态系统保留的水分。根据InVEST模型中的计算方法,使用水量平衡方程进行评估[11]：

式中,TQ为总水源涵养量(m3)；Pi为降雨量(mm)；Rfi为实际地表径流量(mm)；ETi为实际蒸散发(mm)；Ai为i类生态系统的面积；i为研究区第i类生态系统类型；j为研究区生态系统类型数。地表径流量使用降雨量乘以地表径流系数得到[12]。

(2) 生态系统土壤保持功能

土壤保持是指生态系统在一定时期内保留的土壤。它主要与气候、土壤、地形和植被有关。以土壤保持量作为生态系统土壤保持功能的评价指标,即潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值。采用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量和土壤保持量,主要考虑了降雨、土壤、地形和植被覆盖对土壤侵蚀以及土壤保持的影响。计算方法如下[13]：

季羡林先生曾经说过：“在欧洲，英国算得上散文、随笔的大国……法国次之，而德国则颇有逊色[4]。”虽说在季老眼里，法国的散文稍逊于英国，然而当人们谈论起近代欧洲哲理性散文时，法国可以算是冠绝一时。钱钟书曾在《围城》中说道：“法国人的思想是有名的清楚，他们的文章也明白干净……[5]”谈到法国散文大家，就不得不提蒙田，他一生只写了一部作品，即世上第一部用法语书写的散文集《蒙田随笔》，该著作和培根的《人生论》、帕斯卡尔的《思想录》，并称欧洲近代三大哲理散文。

SC=R×K×LS×(1-C)

式中,SC为土壤保持量(t hm-2a-1)；R为降雨侵蚀力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K为土壤可蚀性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；LS为地形因子；C为植被覆盖因子。

(3) 生态系统固碳功能

碳固定是指陆地生态系统对碳的吸收,从而减缓大气中二氧化碳的增长速度[14]。通过评估森林、灌丛和草地生态系统的生物碳储量变化以及陆地生态系统平均年固碳量对生态系统固碳功能进行定量评价。不同生态系统类型的生物碳储量(BCSin)用以下公式计算：

BCDijm=Bijm×CCi

ACS=(∑BCSit2-∑BCSit1)/(t2-t1)

式中,BCDijm是第m年第j个像元第i类生态系统的生物碳密度。第i类生态系统表示森林、灌丛或草地。BCDijm的单位是C/km2。ARi是每个像元的面积。Bijm(t/km2)是第m年第j个像元第i类生态系统的生物量密度。CCi是第i类生态系统的生物量碳含量,森林和灌丛赋值为0.5,草地赋值为0.45[15]。ACS(TgC/a)是年份t1至年份t2陆地生态系统的平均年碳汇。

(4) 生态系统洪水调蓄功能

洪水调蓄量与暴雨降水量(>50 mm)、地表径流量和生态系统类型等因素密切相关。洪水调蓄主要通过以下方程计算得到[16]：

式中,FQ为洪水调蓄量(m3)；Pri为暴雨降雨量(mm)；Rri为暴雨径流量(mm)；Ai为i类生态系统的面积。i为研究区第i类生态系统类型；j为研究区生态系统类型数(包括森林,灌丛,草地和湿地)。

生物多样性保护功能是生态系统在维持物种、基因多样性中发挥的作用,采用物种分布模型进行评估。具体评价方法见参考文献[17]。

1.2.2生态问题空间特征

由于流域生态系统土壤保持功能的退化,洞庭湖流域局部区域面临着较严重的水土流失和石漠化问题。通过分析土壤侵蚀敏感区域和石漠化敏感区域,识别生态敏感脆弱区域。

采用通用水土流失方程评估土壤侵蚀量[13],使用水蚀强度指标评价土壤侵蚀强度。通过石漠化敏感性评估识别容易产生石漠化的区域,评估石漠化对人类活动的敏感程度。具体评价方法见参考文献[18]。

生态系统退化问题评价方法为：(1)根据森林和灌丛质量来评估森林和灌丛的退化状况,即评价区域森林或灌丛生物量和同一自然地理带内未退化的同一类型最大森林或灌丛生物量的比值；(2)根据草地质量来评估草地的退化状况,即评价区域草地植被覆盖度和同一自然地理带内未退化的最大草地植被覆盖度的比值。

1.2.3生态保护重要性评价方法

以生态系统服务功能量为基础确定各生态系统服务功能重要性级别,按栅格单元服务功能值大小进行降序排列,分别将累积服务功能量占前50%、50%—75%、75%—90%、90%—100%的栅格单元划分为极重要、较重要、中等重要、一般地区4个等级,形成各服务功能重要性评价结果。然后进行空间叠加处理：(1)将各单项生态系统服务功能重要性图层进行空间叠加,形成生态系统服务功能重要性综合图层；(2)将各单项生态敏感性图层进行空间叠加,形成生态敏感性图层；(3)将生态系统服务功能重要性图层与生态敏感性图层进行空间叠加,形成生态保护重要性图层。

2 结果分析

2.1 生态系统服务视角的山水林田湖草系统保护与修复框架

基于山水林田湖草生命共同体理念,从人类福祉所需的生态系统服务视角,提出了山水林田湖草系统治理框架(图2)。该框架通过明确生态系统服务需求目标、生态系统服务重要性评估和生态问题识别,构建流域生态安全格局,提出系统保护与修复方案,从而提升生态系统质量、优化生态系统格局,实现森林、灌丛、草地、湿地、农田等生态系统可持续地提供生态系统服务功能,提升人类福祉,最终实现可持续的山水林田湖草生命共同体。

图2 生态系统服务视角的山水林田湖草生态保护与修复框架Fig.2 Ecological protection and restoration framework of forest, wetland, grassland, and cropland from the perspective of ecosystem services

2.2 洞庭湖流域生态系统服务重要性及生态问题空间特征

2015年,洞庭湖流域生态系统提供的土壤保持总量为132.0亿吨,其中,森林生态系统、灌丛生态系统和草地生态系统的土壤保持功能量分别占比71.2%、15.3%和3.8%；洞庭湖流域生态系统提供的水源涵养总量为1218.5亿m3,其中,森林生态系统、灌丛生态系统、草地生态系统和湿地生态系统的水源涵养功能量分别占比57.4%、19.3%、4.2%和4.9%；洞庭湖流域生态系统提供的固碳总量为569.7 Tg,其中,森林生态系统、灌丛生态系统和草地生态系统的固碳量分别占比69.4%、20.0%和3.8%；洞庭湖流域生态系统提供的洪水调蓄总量为246.2亿m3,其中,森林生态系统、灌丛生态系统、草地生态系统和湿地生态系统的洪水调蓄量分别占比63.2%、24.1%、4.4%和5.6%。

通过生态保护重要性综合评价,得到洞庭湖流域生态保护重要性格局(图3)。生态保护极重要区包含生态系统服务功能极重要区域和生态极敏感脆弱区域,总面积为9.23万km2,占洞庭湖流域总面积的35.24%。其中,洞庭湖流域水源涵养极重要区面积为7.69万km2,土壤保持极重要区面积为2.80万km2,生物多样性保护极重要区面积为2.99万km2；洞庭湖流域生态极敏感区面积为0.37万km2。生态保护极重要区对流域生态系统服务功能的贡献最大：生态保护极重要区土壤保持功能占流域土壤保持服务功能总量的67.9%,极重要区水源涵养功能占流域水源涵养服务功能总量的61.1%,极重要区洪水调蓄功能占流域洪水调蓄服务功能总量的57.5%,极重要区固碳功能占流域固碳功能总量的59.2%。

图3 洞庭湖流域生态保护重要性评价结果Fig.3 Spatial pattern of importance of ecological conservation in Dongting Lake Basin

生态保护极重要区中森林生态系统面积最大,为6.54万km2,占比70.85%,灌丛、草地和湿地生态系统分别占比17.60%、3.55%和7.99%。洞庭湖流域生态保护极重要区内森林、灌丛、草地和湿地生态系统提供的生态系统服务功能及比例见表1和图4。

表1 生态保护极重要区内各类生态系统构成及服务功能供给情况

图4 生态保护极重要区生态系统提供的服务功能量占流域服务功能总量比例Fig.4 Ratio of ecosystem services provided by forest, shrub, wetland, grassland in the important areas of ecological conservation

2.3 山水林田湖草系统保护与修复布局建议

通过分析洞庭湖流域生态保护重要性格局(图3),以维护重要生态系统服务功能为目标,洞庭湖流域生态保护的重点区域主要集中分布于：(1)洞庭湖流域西北部和中部山地(张家界中部、恩施东南部、湘西北部、益阳西部、娄底西北部和怀化东部),以水源涵养和土壤保持功能为主要保护目标；(2)洞庭湖流域南部山地(黔东南、邵阳西南部、桂林东北部、永州中部和南部),以生物多样性保护、土壤保持和水源涵养功能为主要保护目标；(3)洞庭湖流域东部山地(郴州东部、株洲东南部、萍乡、岳阳东部),以水源涵养和土壤保持功能为主要保护目标；(4)洞庭湖区,以洪水调蓄功能为主要保护目标；(5)通过生态保护极重要区内的生态系统退化问题识别(图5),发现洞庭湖流域南部和东部的森林和灌丛生态系统存在局部退化问题,主要分布于黔东南、桂林、邵阳、永州、岳阳等地。在以上生态保护极重要区域和生态系统退化区域建议通过系统保护和修复工程优化生态系统格局、维护和提升生态系统质量。具体地,在洞庭湖流域西北部、中部、东部和南部生态功能极重要和生态极敏感脆弱区分布的山地应重点推进退耕还林、减少和修复人类活动破坏(如矿区生态环境修复和农业面源污染治理),通过维护和提升该区域的森林生态系统质量,确保森林生态系统水源涵养、土壤保持、生物多样性维护等生态功能的持续有效供给；在洞庭湖区,需通过退耕还湿、岸线保护和修复、水环境治理与生态修复等工程,提升岸线生态系统质量、修复和治理湖区水环境,从而维护和提升湿地的生物多样性和洪水调蓄、水资源供给等生态功能。

图5 生态保护极重要区的生态系统质量 Fig.5 Ecosystem quality of the important areas of ecological conservation

3 讨论

基于山水林田湖草生命共同体理念,以维护和提升人类福祉所需的重要生态系统服务为目标,提出了生态系统服务视角下的山水林田湖草生态保护和系统治理框架。基于该框架,以洞庭湖流域为例,通过流域生态系统格局、生态系统质量状况分析、流域生态系统服务功能重要性评估和生态问题识别,分析流域生态安全格局。以流域生态系统质量提升和格局优化为途径,分析了洞庭湖流域生态保护极重要区域和生态系统退化区域的空间特征及可实施的系统保护与修复工程,为提升洞庭湖流域生态系统水源涵养、土壤保持、洪水调蓄和生物多样性维护等生态功能,实现可持续的山水林田湖草生命共同体提出了系统保护与修复建议。从生态系统服务视角,将森林、灌丛、草地、湿地、农田等生态系统作为一个有机整体,以这个整体系统提供生态系统服务的能力作为衡量生态保护重要性的标准,综合生态系统服务退化问题空间特征的识别,确定重点保护和修复目标和重点区域,本文构建的山水林田湖草生态保护与修复框架能为流域尺度构建生态安全格局、实现退化生态系统修复[3]提供思路和途径。通过洞庭湖流域的分析案例为流域山水林田湖草生态保护与修复重要区域的识别提供了可借鉴的指标和定量分析方法。

洞庭湖流域提供了重要的水源涵养、土壤保持、洪水调蓄和生物多样性保护功能,同时也是我国农产品供给的重要区域,但局部地区面临着较严重的土壤侵蚀问题、生态系统退化和农业面源污染问题。在识别流域生态保护与修复重点区域的基础上,需实施生态系统格局优化和生态环境质量提升工程,包括进一步加快推进退耕还林还湿工程[19]、实施生物多样性保护修复和生态功能提升工程[20],同时需综合考虑流域生态环境与社会经济发展状况,关注矿产开发、农业开发等人类活动干扰对生态系统和生态功能的破坏,加强水环境治理和农村生态环境治理、矿区生态修复等。