華北地區生態保護與恢復的水資源效應研究：過度恢復植被可能威脅生態系統可持續性_風聞

關鍵詞：區域 生態 工程

孫思琦，陳永喆，王聰，胡慶芳，呂一河

（1.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085；2.城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085；3.中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049；4.南京水利科學研究院，南京 210029；5.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029）

一、前言

植被保護與恢復旨在通過適當措施來維持植被的合理結構、功能和動態過程，使生態系統在健康、穩定、可持續狀態下為人類提供重要的生態產品和服務[1,2]。數十年來，我國開展的多個大規模的植被生態保護與修復工程[3]，在提高植被覆蓋度、改善景觀結構和土地利用格局的同時，形成了維持生態系統碳固定、土壤保持、洪水調蓄等重要的服務功能。有關生態保護與恢復的研究，從政策、策略引申到技術與方法[4]，更多地關注了生態保護與恢復過程的生態效應[5]以及對生態系統恢復力、脆弱性、穩定性等生態系統特性的影響[6～8]。在以新型城鎮化為標誌的經濟社會高速發展過程中，水資源短缺成為制約自然-社會生態系統可持續發展的重要因素[9]，在乾旱、半乾旱區實施生態工程建設對水資源的影響效應備受關注。華北地區位於半濕潤半乾旱地區，城鎮化率較高，又是農業主產區，居民生活和農田灌溉的水資源需求量大，因而地下水超採嚴重、水資源相對短缺[10]。

水資源效應研究有助於評價水資源有限區域的生態保護與恢復策略的成本及成效，利用評價結果指導植被保育與恢復過程中的水資源配置，從而制定適應當地水資源條件的植被保育與恢復策略，促進植被恢復的可持續管理並保障社會用水需求。目前，針對華北地區生態保護與恢復影響而開展的植被變化及其水資源效應的整體性、綜合性評估研究較少。以華北地區的子區域為對象，研究了植被參量與水分量之間的關係，獲得了地表徑流隨植被覆蓋度的增加而減少[11]、植被生產力對蒸散發具有顯著影響等結論[12]。針對全國及其他區域的研究表明，植被的擴張主要以引起冠層蒸騰方式來影響大氣與土壤之間的物質循環及能量流動[13～15]，導致了徑流減少，也使生態系統與人類之間的用水需求發生潛在衝突[16]。相比植樹造林，自然恢復的保護措施所需耗水量較少[17,18]，可計算人工林的水分承載力閾值來協調植被恢復面積與水資源供給之間的權衡關係[19]。綜合來看，植被恢復過程需全面考慮水文循環變化條件下的水資源效應問題，應權衡植被恢復與水資源可持續利用需求。

本文結合多源水參量數據，定量研究華北地區生態保護與恢復區的水資源和植被參量變化之間的關係，以量化植被保育與恢復措施對水資源的影響程度；考慮華北地區水土資源條件和植被保育與恢復需求，提出適應水土資源條件的植被保育與恢復策略，以期為區域生態文明建設、經濟社會高質量發展提供基礎參考。

二、研究方法與數據來源（一）研究區概況

以華北地區（包括北京市、天津市、河北省、河南省、山西省、山東省）的5類生態保護和恢復工程區域作為對象研究，分別是自然保護區（NA）、天然林保護工程（NFPP）、京津風沙源（BTSSCP）、三北防護林（TNSFP）、退耕還林工程（GFG）。這5類工程的總面積為3.49×105km2，約佔華北地區總面積的50.4%，集中分佈在河北北部、山西大部、河南西南部；關於面積佔比，GFG為36.8%，TNSFP為22.8%，NFPP為17.37%，BTSSCP為15.67%，NA為4.74%。研究區域的地勢北高南低，平均海拔為882.8 m，包含太行山山脈、部分黃土高原；年均降水量約為638.9 mm，涉及海河流域、淮河流域、黃河流域下游。

研究區域具有多樣的植被類型，包括三大植被帶：臨接內蒙古高原的冀北高原和冀北山地的温帶草原地帶，位於華北平原、西部太行山脈東麓及秦嶺東延山地的暖温帶落葉闊葉林地帶，南部豫西、豫南山地區域的北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林地帶[20]；受温帶季風氣候影響顯著，屬於半濕潤半乾旱地區，夏季高温多雨，冬季寒冷乾燥，秋冬季較短，光照充足，適宜植被生長。此外，區域人口眾多、經濟發展迅速，強烈的人類活動干擾導致生態環境較為脆弱。

（二）研究方法及數據來源

首先應用水量平衡公式表達各水分量之間的關係（水盈餘量=降水量-徑流量-蒸散發量），反映無人類用水情況下陸地水儲量的變化[21]；其次利用線性擬合方式，計算近20年來植被參量、各水分量的年際變化趨勢及速率，通過P值判斷變化是否顯著（P＜0.05視為顯著變化）；最後通過皮爾遜相關係數和莫蘭指數，量化植被參量與各水分量變化之間的時間/空間相關性[22]。具體計算過程如圖1所示。

圖1 研究採用的技術路線圖

選取降水量、徑流量、蒸散發的多種數據產品，將空間分辨率統一為0.1°、時間分辨率統一為月尺度，以各數據產品的平均值作為最終的氣候因子空間分佈數據[23,24]，將12個月份值相加作為年尺度數值。植被參量為可表徵植被生長狀況的葉面積指數（LAI）、可代表植被生物量的淨初級生產力（NPP），LAI每個像元的年最大值作為當年的LAI值。生態保護與恢復工程區域包括NA、NFPP、BTDSS、TNSFP、GFG，邊界數據來源詳見表1。

表1 研究數據信息及來源

三、研究結果（一）生態保育與恢復下的植被參量變化

計算得到了2002—2018年華北地區NPP、LAI的變化情況，可從生態系統功能和結構兩方面揭示中長期植被恢復的效果及變化特徵。NPP、LAI均表現為顯著增加的趨勢（P＜0.05），增加速率分別為7.63 kg·C/（m2·a-2）、0.04/a2，年均值分別由433.8 kg·C/（m2·a-2）、1.9/a2增加至557.2 kg·C/（m2·a-2）、2.61/a2（見圖2）。從空間計算結果看，過去20年各省份的NPP、LAI均有增長，平均幅度分別為17.83%、27.55%；北京市的NPP、山西省的LAI增幅最高。在生態保護和恢復工程內，NPP顯著增加的面積比例為48.6%，LAI顯著增加的面積比例為73%；NPP顯著降低的面積比例為1.9%，LAI顯著降低的面積比例為1.5%。整體上，華北地區的植被保護和恢復工程效果顯著，山西省和北京市尤為突出。對比工程區內外的LAI、NPP變化趨勢及速率，可呈現生態保護與恢復工程對植被的保護成效：工程區內的NPP、LAI增加速率分別為7.63 kg·C/（m2·a-2）、0.04/a2，工程區外的NPP、LAI增加速率分別為3.32 kg·C/（m2·a-2）、0.02/a2；工程區內兩類植被參量的變化速度均高於工程區外，其中工程區內的NPP增度約為工程區外的2.3倍。

圖2 華北地區NPP和LAI的變化趨勢（2002—2018年）

（二）生態保育與恢復下的水參量變化

由圖3可見，生態保護與恢復區的降水量、徑流都呈不顯著的增加趨勢，年均降水量約為583.7 mm，均在2003年達到峯值；蒸散發顯著增加（5.71 mm/a2，P＜0.05），水分盈餘量顯著下降（-3.08 mm/a2，P＜0.05）。按照水量平衡方程分析，蒸散發的大幅度增加是引起水分盈餘量下降的主要原因。

圖3 華北生態保護與恢復區的水參量變化趨勢（2002—2018年）

由圖4可見，蒸散發在華北地區各省份表現出顯著增加的趨勢（P＜0.05），同時水儲量均表現出下降趨勢；降水和徑流的變化表現出空間異質性，如北京市的降水量顯著增加（8.64 mm/a）使得蒸散發快速增加（7.07 mm/a）情況下的水儲量緩慢下降（1.85 mm/a），山西省降水量的下降（-5.1 mm/a）使得蒸散發緩慢增加情況下（3.48 mm/a）的水儲量快速降低（5.94 mm/a）。因此，降水量、蒸散發共同決定了水儲量的變化趨勢，但整體來看降水量變化不顯著，而蒸散發在過去20年中起到主要作用。

圖4 華北地區各省份的水參量變化趨勢（2002—2018年）

（三）植被與水分量變化的相關性分析

自然生態系統的植被生產和結構影響了水分循環與再分配。由皮爾遜相關係數得出，ET與LAI、NPP呈顯著正相關，年際變化趨勢均為顯著增加；WD與LAI、NPP呈顯著負相關，年際變化趨勢為顯著下降（見圖5和圖6）。

圖5 植被參量與水分量相關性分析

圖6 植被參量與ET和WD的年際變化趨勢

將4種參量空間變化趨勢進行雙因素莫蘭指數分析發現，LAI、NPP與ET的顯著關係中以“高-高”“低-低”為主，分別佔有顯著性關係區域的76.1%、72.7%；與WD的顯著關係中以“低-高”“高-低”為主，分別佔有顯著性關係區域的74.9%、69.4%（見圖7）。這就在空間上驗證了LAI、NPP與ET的正相關，與WD的負相關關係。整體而言，在生態保護與恢復區內，自然生態系統蒸散發的迅速增加一方面與氣候有關，但更重要的影響來自植被恢復；這是山西中部、河北北部水分盈餘量加速下降的主要原因。

圖7 植被參量與ET和WD的雙因素莫蘭指數分析

四、進一步的討論

人類活動是植被恢復最主要的影響因素[35]。過去20年，華北地區生態保護和恢復工程成效顯著，植被葉面積指數、NPP均有顯著提升；區域內的蒸散發表現出顯著增加趨勢，在降水、徑流變化不顯著的情況下，水盈餘量逐漸降低。然而，各水分量變化趨勢表現出了空間異質性，如北京市在蒸散發增長迅速、降水量同時增加的情況下水儲量下降緩慢，山西省因降水量下降而使水儲量加速降低。這樣的空間分異特徵體現了不同區域的資源稟賦差異，也與植被恢復程度有着直接關聯[12]。為了進一步驗證植被變化對水參量的影響，對比了兩個典型流域（沁丹河、伊洛河）的實測徑流值在實施植被恢復工程前後的變化情況：2000年實施植被恢復工程前的徑流係數高於實施後（見圖8），説明植被的大面積恢復使自然生態系統以蒸散發的形式消耗水分（即生態需水量增加），同時植被攔截作用分散了一部分降水，使徑流表現為減少趨勢，最終導致水盈餘量降低。植物生長與耗水量之間總是存在一個權衡關係[36]，在半乾旱、乾旱地區尤為明顯；增加植被覆蓋在許多方面有利於當地的生態系統[37,38]，如控制土壤侵蝕[39]、增強碳固持能力，但經由蒸騰作用消耗了更多的水分。因此，對於將水分作為限制資源的地區，因缺乏寬裕的可利用水資源，過度的植被恢復可能會威脅生態系統的可持續性[40]；在植被恢復過程中需要綜合考慮植被生態需水量對產流的限制，設置植被恢復閾值，平衡人地用水需求，才能實現植被恢復過程中生態系統和社會系統水資源的優化配置及可持續利用。

圖8 兩個典型流域水文站實測徑流與降水量變化關係

不同地區的資源稟賦存在差異性，相應的植被恢復需要因地制宜，考慮生態恢復在水資源限制條件下的可持續性；應設定適宜的管理及保護恢復措施，幫助生態系統逐漸演替為最佳狀態[41]，而不是在所有地區採用統一標準。這一結論在世界各地生態恢復方面具有普遍適用性[42]。對於水資源受限的區域，應以封育措施為主，避免大面積人工林栽種，轉而以自然恢復作為主要的生態恢復方式，減少人為干擾，尊重自然生態系統的演替規律[43,44]。對於不宜耕作的土地，應穩步有序開展退耕還林還草，處理好生態保持和林草經營的關係；可重視退耕還草，因為自然草地有利於水土流失控制，相比於林地具有較少的蒸散發量和耗水量[45]，是乾旱、半乾旱區重要的生態恢復措施。通過連續栽植耗水低的草種，可以改善土壤性質，最終與長期水分的有效度相匹配[46]。對於具有明確邊界的自然保護區，應嚴格遵守保護區管理制度，科學推進重點區域的植被恢復，限制人類活動（包括不適宜的人工造林）[47]。對於本底生態環境較差、需要採取人工方式進行生態恢復的地區，應充分考慮居民生活用水、農業灌溉用水等需求，計算可承載的NPP閾值[19]，以平衡不同系統需水量為前提，合理配置人工植被的組成、密度、空間分佈格局等[48]；以水定綠、量水而行，優化林草植被配置（宜林則林、宜草則草、宜荒則荒），加強分區分類管理，減少水資源的過度消耗。

另外，華北地區各類生態保護與修復工程存在空間疊加分佈的現象，使得部分地區出現了生態修復管理邊界不明確、管理範圍重疊等問題。需要統籌並整合各類生態保護與修復工程的實施策略和邊界，避免多種工程措施的同步實施給土地帶來的多重壓力，消除土地水分的植被超載狀態。適時開展水資源植被承載力的狀態分析和熱點區域劃分，根據不同區域水資源狀況調整當地的生態保育和恢復工程；在小於植被承載力的區域，根據當地政策實施退耕還林還草等生態修復工程；在接近植被承載力的區域，以自然封育為主，避免人為干擾；在超出植被承載力的區域，進行必要的疏林措施，降低水土資源壓力。

五、結語

本文利用華北地區的降水、蒸散發、徑流多源等水參量數據以及NPP、LAI等植被參量數據，基於皮爾遜相關係數和莫蘭指數完成了綜合性分析，剖析了植被保育與恢復的水資源效應。研究發現，華北地區的生態保護與恢復工程成效顯著，NPP增速約是工程區外的2.3倍；植被的擴張與蒸散量表現出空間和時間上的強相關性；植被恢復引起的蒸散量提高成為導致水儲量赤字或顯著降低的主要原因；自然生態系統的自身恢復力較為重要，在乾旱、半乾旱區以封育和自然恢復為主，避免過度人工造林。相關內容為深入認識我國乾旱、半乾旱、半濕潤區的生態保護與恢復的水資源效應提供了定量依據。

着眼研究領域的未來拓展，可以量化水資源限制條件下植被恢復的生產力和生物量閾值為主，結合氣候變化預測及“林灌草”恢復模式研究，設定多類生態保護與恢復情景，計算不同策略下的水資源消耗和植被保護效率，進而基於權衡分析選擇情景優化的生態工程實施策略；根據不同地區的本底自然條件和水資源狀況，分區分類優化空間配置，因地制宜完善生態工程空間戰略佈局。