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黄河流域生态质量时空变化分析

北极星环境修复网  来源:环境科学研究  作者:​计伟,刘海江等  2021/7/29 9:50:34  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘要

黄河流域在我国社会经济发展和生态安全格局构建方面具有十分重要的地位,流域的生态保护和高质量发展上升为国家重大战略,同时也面临着生态系统退化、水土流失、湿地萎缩等生态问题.为了解黄河流域生态质量状况及其时空变化特征,分析了黄河流域生态格局、植被、生物多样性、生态系统功能和服务价值、县域生态质量等多方面的数据和文献资料。结果表明:①黄河流域大部分县区生态质量状况一般,植被覆盖度由东南向西北递减,上游地区生态系统服务价值高于中游和下游;② 2000—2018年农田生态系统面积占比持续下降,森林、水域面积占比略有增加,聚落面积占比持续上升,20世纪80年代以来整体植被覆盖和生产力状况得到改善,重要生态功能区的生态系统服务价值明显提升;③大部分地区生态状况改善幅度有限,局部仍有退化,流域的生物多样性依然受到严重威胁。因此,建议在恢复植被覆盖的基础上,开展优化生态结构、维护生态过程的相关研究,重点关注生态敏感地区生态保护成效的评估和提升,农耕地区农田生产力对自然生态系统的影响,以及城镇化过程对生态系统服务和生态安全的影响;同时建立黄河流域生态质量综合监测体系,开展监测指标与技术方法的机理和应用研究,这不但是流域生态质量时空变化分析的基础,也是生态保护恢复和管理工作的支撑。

黄河流域是我国北方重要的生态屏障,在国家“两屏三带”生态安全战略格局中,是连接青藏高原、黄土高原和北方防沙带的生态廊道;同时黄河流域也是资源丰富、人口众多、开发历史悠久、具有巨大发展潜力的地区,在我国社会经济发展和生态安全方面具有十分重要的地位。由于独特的地理位置和气候条件,黄河流域生态十分脆弱,上游面临生态系统退化、水源涵养功能降低的问题,中游黄土高原水土流失严重,下游生态流量偏低、湿地萎缩。因此,黄河流域一直是我国生态保护和建设的重点地区,针对流域突出的生态问题我国先后开展了退耕还林(还草)、水土保持、“三北”防护林等生态工程和三江源、黄河湿地等自然保护区的建设。2019年,我国提出黄河流域的生态保护和高质量发展是重大国家战略,而掌握流域的生态质量状况和变化特征是战略实施的首要工作。

20世纪80年代以来,我国学者在黄河流域的生态环境变化、生态安全、生态修复等方面做了大量研究工作,但大多针对单个生态要素开展,综合反映流域整体生态质量特征和变化的相关研究仍较缺乏。当前的生态保护策略只是针对区域存在的特定问题,尚未在全流域形成统一战略与布局。全面了解黄河流域的生态质量状况及其时空变化特征,不但能为下一阶段流域的生态质量研究提供参考,也是流域生态保护和管理工作的基础,是推进黄河流域高质量发展的保障。区域生态质量特征是指一定时空范围内生态系统要素、结构和功能的综合特征,既可以反映流域生态系统的状况和生产能力,也可以反映生态系统结构和功能的稳定性、抗干扰和恢复能力。针对黄河流域植被退化、生态功能降低、物种减少等突出生态问题,笔者从生态格局、植被、生物多样性、生态系统功能和服务价值、县域生态质量等多方面对黄河流域长时间尺度的生态质量状况进行了分析和总结,以更全面地反映黄河流域生态质量的综合特征,为黄河流域生态保护、修复和管理工作提供参考。

01

黄河流域概况

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地,流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省区,干流全长5 464 km。黄河流域面积79.5×104km2(包括内流区面积4.2×104km2),地势西高东低,高差悬殊,形成自西而东、由高及低的三级阶梯. 黄河上游指甘肃河口镇以上地区,属一级阶梯青藏高原,流域面积42.8×104km2,海拔均在3000 m以上,其中龙羊峡水库以上为黄河源区,总面积约13.2×104km2,海拔在4000 m以上;河口镇至河南桃花峪为黄河中游,主要为二级阶梯黄土高原地区,流域面积34.4×104km2,海拔一般为1 000~ 2 000m,地貌起伏不平,坡陡沟深;桃花峪以下为黄河下游,主要为三级阶梯华北平原,流域面积2.3×104km2,海拔不超过100m,地势低平。

黄河流域的自然植被分布受海洋季风影响,自东南向西北依次出现森林草原、干草原和荒漠草原3种植被类型地带。由于复杂的地貌特征、多样的植被类型和差异明显的气候特点,黄河流域发育出种类丰富的生态系统类型。有学者按照地形、植被覆盖、水文等特征对黄河流域进行生态分区,其中,上游主要为草原、灌丛、荒漠、灌溉农业区,中游主要为草原、森林、灌丛、旱作农业区,下游主要为旱作农业、湿地区。

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黄河流域生态质量时空变化特征

黄河流域生态质量时空变化分析数据及来源:①生态格局分析数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心的中国陆地生态系统类型空间分布数据集,该数据集将陆地生态系统分为7类,即农田、森林、草地、水体与湿地、荒漠、聚落和其他;该文中分析数据包括2000年、2005年、2010年、2015年、2018年五期,数据格式为分辨率30 m的栅格数据. ②县域生态质量数据来源于《中国生态环境状况公报》,包括2017年、2018年、2019年三期,生态质量评价和分级方法参照《生态环境状况评价技术规范》。 ③文献资料主要来源于中国科学引文数据库和中国知网数据库,以黄河、植被覆盖(NDVI)、净初级生产力(NPP)、生物多样性(物种多样性)、生态系统服务和功能、生态工程等关键词为主题,采用模糊匹配方式对1980—2020年间的相关论文进行检索并筛选,收集文献共273篇。

2.1 生态格局

黄河流域生态系统类型以草地生态系统、农田生态系统和森林生态系统为主,2018年三者面积占全流域面积的比例分别为48.35%、25.08%和13.46%,其中草地在中上游地区广泛分布;农田主要分布在上游的宁夏平原、河套平原,中游的汾渭平原和下游地区;森林主要分布在中上游的山区(见图 1)。2000—2018年,流域内农田生态系统面积占比持续下降,森林、水域面积占比略有增加,草地面积占比先降后升;聚落面积占比持续上升,从2000年的2.20%增至2018年的3.57%(见图 2)。

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图 1 2018年黄河流域生态系统类型分布

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图 2 2000—2018年黄河流域生态系统类型面积占比

黄河流域上游地区以草地生态系统为主,面积占比约为60%;中游地区以农田、草地和森林生态系统为主;下游地区以农田生态系统为主,面积占比超过65%。 2000—2018年,上游地区农田、荒漠生态系统面积略有下降,森林、草地、水域、聚落面积增加;中游地区农田面积下降明显,聚落面积持续增加,其他类型面积较为稳定;下游地区农田、草地面积持续下降,水域、聚落面积稳定增加。根据邵全琴等提出的土地覆被转类指数计算方法,得到黄河流域2000—2018年县域尺度的生态系统转类指数,结果显示,流域西部和中部地区转类指数高于东部地区,青海省生态系统状况转好趋势显著,河南省、山西省生态系统状况以转差趋势为主(见图 3)。

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图 32000—2018年黄河流域县域生态系统转类指数

2.2 植被

植被是敏感的环境变化指示器,能直观地反映生态系统的状况和变化。受日照、降水等气象条件和地形条件影响,黄河流域植被覆盖度表现出由东南向西北递减的趋势。20世纪80年代以来,黄河流域植被覆盖度整体表现出增长趋势,由于数据源、研究时段和分析手段的不同,各研究结果存在时空上的差异,但大部分研究认为流域内植被覆盖度和NPP增加的区域面积大于减少的区域面积,流域整体植被状况得到改善(见表 1)。从时间变化上看,黄河流域植被覆盖度变化可以分为3个阶段:20世纪80年代至90年代末总体上表现出增加趋势,20世纪90年代末至21世纪初期植被覆盖度波动较大,2004年后植被覆盖度持续增长. 黄河流域的局部地区或个别年份也存在植被退化现象,例如,在一些不易开展生态保护和建设的干旱、高寒地区,植被覆盖受干旱气候影响呈下降趋势,也有研究认为2000—2010年整个流域27.7%的区域表现出植被退化趋势,24.5%的区域植被持续退化,14%的区域无法确定植被的变化趋势。

20世纪80年代以来,黄河流域上游地区植被覆盖整体表现出改善趋势,局部地区和个别时段存在波动甚至减少的现象,例如,2000—2018年甘肃段甘南州部分地区植被覆盖显著减少,青海省1999—2018年土地退化面积表现为先减少再增加,整体退化面积呈增加趋势;中游地区植被覆盖度一方面在退耕还林还草等生态工程的影响下快速增加,另一方面城市化、工业化、能源开采等活动也导致局部地区植被退化,例如,黄土高原NPP在2000年后显著增长,黄土高原西北部、经济发展相对比较快的关中地区、省会(首府)城市及其地区中心城市植被生长季NDVI显著减少,汾渭盆地太原至西安一线的带状区域及一些城市的城郊区域植被退化趋势明显;下游地区植被覆盖度分析以黄河三角洲为主要研究对象,NPP均值和总量呈先下降又略微增长的特征,整体仍表现出下降趋势,湿地植被面积缩减是NPP降低的主要原因。

利用遥感技术评价植被覆盖和生长状况受到影像分辨率、阴影、水汽等因素的影响,导致评价结果可能存在误差;同时现有NDVI、NPP等数据产品空间分辨率较低,只能反映植被特征的大致分布规律,因此加强地面监测和验证工作,同时提高数据产品及模型模拟的空间精度,才能更好地揭示黄河流域植被的时空变化特征。除气温和降水的影响外,人类活动对植被覆盖具有建设和破坏的双重影响,在中下游农田比例高的地区,植被改善与农田作物产量提高密切相关,但已有植被覆盖变化研究尚未进一步区分农田和自然植被的变化差异,因此建议在农耕区开展农田生产力变化及其对自然生态系统的影响研究。

2.3 生物多样性

黄河流域景观类型多样,生物资源丰富,已有生物多样性研究以典型地区的生境变化和物种多样性调查为主。由于人类活动和环境变化的影响,黄河流域的物种多样性受到了干扰和破坏,在植被覆盖面积整体增加的情况下,大部分地区的生物多样性丧失问题依然严重。例如,黄河流域上游地区由于荒漠化等原因导致高寒草甸物种丰富度指数和多样性指数均呈下降趋势;中下游河岸带由于人为干扰造成生境破碎,进而导致植物种类减少、结构简单、多样性降低;黄河干流的鱼类资源调查结果显示,鱼类种群数量较小、分布不均匀、物种多样性和资源量均呈明显下降趋势,特有种鱼类退化尤为显著。

黄河流域的湿地生态系统对生物多样性意义重大,不但植被群落类型繁多,而且是鸟类重要的栖息地和迁徙通道上的重要节点,物种的多样性和珍稀性价值均较高。但黄河源区的首曲湿地在气候变暖的影响下,湿地水分丧失加剧,生境发生旱化,人工排水加剧了湿地向杂草型退化方向的演替;下游的郑州黄河湿地由于城镇化压力较大,植物物种数下降,已成为典型的河岸湿地生态系统退化区域;黄河三角洲由于人工垦殖、土壤盐渍化、水体富营养化等影响,沼泽植被萎缩、自然生境脆弱,导致物种及遗传多样性均受到严重威胁。

整体来看,黄河流域生物多样性研究基础相对较薄弱,目前的研究以物种多样性为主,生态系统多样性和遗传多样性研究相对较少,且缺乏多样性的时空变化分析;由于缺乏物种和种群的长期监测数据,物种数量和规模的变化只能通过零星调查或生境状况变化来反映。因此亟需在国家公园、自然保护区、重点生态功能区等范围内优先开展重点物种的定期调查和长期监测,并在未来推广至全流域,为黄河流域的生物多样性保护和恢复工作提供数据支撑和决策依据。

黄河流域生态功能区位十分重要,在2010年国务院发布的《全国主体功能区规划》中,三江源草原草甸湿地、若尔盖草原湿地、甘南黄河重要水源补给、黄土高原丘陵沟壑水土保持等国家重点生态功能区均涉及黄河流域;原环境保护部2015年发布的《全国生态功能区划》中还将黄河流域的阴山北部、鄂尔多斯高原、黑河中下游地区划为防风固沙重要区,将西鄂尔多斯—贺兰山—阴山地区和黄河三角洲湿地划为生物多样性保护重要区。

针对黄河流域典型地区的生态系统功能评估和服务价值核算已取得了大量研究成果,由于评估的指标体系、计算方法和时空尺度不同,导致研究结果存在一定差异,但整体来看黄河中上游地区生态系统服务价值的改善趋势显著。例如:刘耕源等对黄河流域生态系统服务价值的核算结果表明,上游地区生态系统服务价值最大,中游次之,下游最小,2000—2015年流域整体生态系统服务价值有显著改善;上游的玛多县、甘南藏族自治州等地区生态系统服务价值明显增加;中游黄土高原生态系统服务价值增速显著提高,总价值呈持续增加态势,土壤保持、水文调节服务价值增强,植被固碳服务价值提高,特别是黄土丘陵沟壑区,植被恢复明显,生物量(植被固碳)和粮食产量显著增加。值得注意的是,下游的山东省和河南省2000—2015年生态系统服务价值明显下降,在整体水域面积增加的情况下,湿地仍然面临生境退化、生态系统服务价值减少的压力,如黄河三角洲滨海湿地碳储量减少,生态系统服务价值整体下降。

也有研究认为黄河流域目前生态系统服务价值的改善只是低水平的提升,例如,黄河源区2000年生态系统服务价值有所改善,但对比1977年仍有较大差距;同时中上游也有局部地区的生态系统服务功能有所下降,如20世纪90年代以来黄土高原生态系统服务功能在整体改善的情况下,中部局部地区变差趋势明显。生态系统功能本身是极其复杂的综合过程,已有研究大多是在生态系统类型面积变化的基础上分析生态系统服务价值的变化,随着生态保护工作的深入开展,未来可以从改善生态结构、维护生态过程等方面探索提高生态系统服务水平的技术和方法,为生态保护成效评估、生态补偿决策等工作提供支撑和依据。

2.5 县域生态质量特征

黄河流域县域生态质量状况以“一般”和“良”为主,二者在黄河流域的面积占比分别为44.3%和37.6%。其中,黄河源区及中游地区生态质量以“良”为主,其余大部分地区生态质量“一般”。黄河中游部分县域生态质量为“较差”和“差”,在黄河流域的面积占比分别为15.6%和0.2%. 渭河流经部分县域的生态质量为“优”,在黄河流域的面积占比为2.3%(见图 4)。

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图 42019年黄河流域县域生态质量状况

2017—2019年,黄河流域生态质量呈“优“良”和“一般”的县域个数呈增加趋势,“优”和“良”的面积占比呈增加趋势,“一般”的面积占比保持稳定,“较差”和“差”的面积占比呈下降趋势(见表 2)。

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03

生态保护和修复工程

为遏制黄河流域生态恶化态势,我国先后启动了小流域治理、水土保持、天然林保护、退牧还草、退耕还林(还草)、坡耕地整治、湿地保护等生态保护和修复工程,经过数十年的建设,工程的实施为提高区域植被覆盖面积、提升生态系统功能、保护湿地生物多样性做出了重要贡献(见表 3)。20世纪90年代黄河流域气候相对干燥,不利于植被生长,但是植被覆盖度总体处于上升趋势,这与植树造林、水土流失治理等生态保护和建设工作的开展密不可分。

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黄河流域的生态工程已经取得了广泛的生态效益和社会经济效益,开展工程的生态保护成效评估对于明确工程的有效性、适宜性和贡献度等均具有重要意义。生态工程对区域生态质量的影响不仅表现在植被覆盖面积增加和生产力提高方面,还表现为生态结构的稳定和生态系统服务能力的提升,因此亟需开展如工程造林的稳定性、抗干扰和恢复能力,工程所用植物的种类和布局对生态系统服务价值的影响,以及工程对区域生物多样性的影响等研究。另外,生态工程和气候变化对生态系统可能产生相互促进、相互抵消或加速恶化的叠加影响,因此在评估生态保护成效时需要定量划分生态工程地区各类植被生产力动态驱动因子,科学区分气候变化和生态工程的影响,准确评估生态工程在区域生态质量变化中的作用。

04

结论与展望

a) 黄河流域生态系统类型以草地、农田和森林为主,受日照、降水等气象条件和地形条件影响,植被覆盖度由东南向西北递减;上游地区草地面积最大,生态系统服务价值最高,其中黄河源区县域生态质量较好;中游地区农田面积占比最高,草地次之,南部的县域生态质量好于北部;下游地区农田面积接近70%,生态系统服务价值最低. 随着退耕还林(还草)、水土保持、湿地保护等生态工程的实施,黄河流域农田面积减少,森林、水体和湿地面积增加,整体植被覆盖度和生产力状况得到改善,重要生态功能区的生态系统服务价值明显提升,西部生态系统状况转好趋势显著,生态工程取得了广泛的生态效益和社会经济效益。但是,流域大部分地区生态质量状况一般,中游部分县域生态质量为“较差”和“差”,且受气候变化和人类活动影响较大;目前的植被覆盖增加和生态系统服务价值改善只是低水平的提升,局部地区仍有生态系统状况退化的情况,特别是整个流域生物多样性丧失的问题持续存在. 同时,流域内城镇化进程加快,聚落面积持续增加,人类活动的影响不断加深,生态保护与恢复的形势依然严峻。

b) 已有的黄河流域生态质量相关研究多集中在植被覆盖变化和生态系统服务价值评价方面,对生态工程的保护和修复成效研究内容相对单一。随着生态保护工作的深入开展,在提高植被覆盖面积的基础上,优化生态结构、维护生态过程,对于提升黄河流域生态系统功能和提高生态系统服务价值将发挥越来越重要的作用。结合黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略需求,建议未来研究从以下几方面开展:在黄河源区、黄土高原、黄河三角洲等生态敏感区,重点关注生态保护成效定量评价研究以及生态工程保护恢复成果的巩固和提升,例如,在生态保护成效评估中明确气候变化对生态工程的影响,有利于更好地判断工程和气候变化在生态系统恢复中的贡献;在河套平原、汾渭平原、下游平原等传统农耕区,重点关注农田土壤质量、生产力变化及其对自然生态系统的影响;在城镇周边过渡地区,重点关注城镇化过程对生态系统服务及生态安全的影响。

c) 由于黄河流域复杂的生态系统特征和现实的生态问题,准确、全面地掌握流域生态质量状况和变化趋势依赖于长期稳定的生态系统监测和调查。特别是生物多样性保护相关研究工作,亟需在国家公园、自然保护区、重点生态功能区等范围内优先开展重点物种的定期调查和长期监测,以便及时更新物种及种群基础数据库,为合理评价生物多样性价值、深入分析生物多样性的胁迫因素等研究提供支撑。建立黄河流域生态质量综合监测体系,将遥感监测、无人机调查、地面定位站点长期观测及典型地区实地调查结合起来,开展监测指标作用机理、基值和变化临界值确定以及监测调查数据质量控制等方面的研究,也是黄河流域生态质量未来的研究方向。


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