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文章简介
01 文章摘要
02 研究背景、目标及创新点
2.1 研究背景
2.2 研究现状
03 研究区域与数据集
3.1 研究区域
3.2 研究数据
04 研究方法
4.1 趋势分析
4.2 残差趋势分析
4.3 偏相关
4.4 生态系统服务评价
4.5 约束线的定义和提取
05 研究结果
5.1 植被…目录
文章简介
01 文章摘要
02 研究背景、目标及创新点
2.1 研究背景
2.2 研究现状
03 研究区域与数据集
3.1 研究区域
3.2 研究数据
04 研究方法
4.1 趋势分析
4.2 残差趋势分析
4.3 偏相关
4.4 生态系统服务评价
4.5 约束线的定义和提取
05 研究结果
5.1 植被动态与ERPs的贡献
5.2 实施生态恢复项目ERPs后的生态系统服务变化
5.3 植被覆盖对生态系统服务的约束效应
06 研究讨论
6.1 生态恢复项目ERPs和气候变化对青藏高原QTP植被动态的交互影响
6.2 植被覆盖对生态系统服务限制效应的内在机制
6.3 对可持续生态恢复项目ERPs的启示
6.4 局限性及未来研究
07 研究结论
08 文章引用 文章简介
论文名称Vegetation cover dynamics and its constraint effect on ecosystem services on the Qinghai-Tibet Plateau under ecological restoration projects青藏高原生态恢复项目下植被覆盖动态及其对生态系统服务的约束效应
第一作者及其单位Zhongxu Zhao中国科学院地理科学与资源研究所
通讯作者及其单位Erfu Dai中国科学院地理科学与资源研究所
文章发表期刊《Journal of Environmental Management》中科院2区Top期刊|最新影响因子8.7
期刊平均审稿速度6.2个月参考
文章关键词生态恢复项目;恢复阈值;生态系统服务;约束线;高山生态系统
01 文章摘要 世界范围内实施生态恢复项目ERPs旨在恢复退化生态系统促进生态系统的可持续发展。近年来一系列生态恢复项目已在青藏高原QTP独特的高山生态系统中实施以增强植被覆盖。然而目前对生态恢复项目生态效益的评估相对单一未来生态恢复项目实施的规模和范围无法确定。该研究量化了自生态恢复项目实施以来归一化植被指数NDVI的趋势。评估了生态恢复项目实施前后四种主要生态系统服务的变化包括防风侵蚀、保持土壤、水资源产量和净初级生产力NPP。进一步利用约束线方法探讨了NDVI与生态系统服务之间的关系以确定NDVI作为生态恢复项目实施的阈值参考。结果显示1自生态恢复项目实施以来QTP区域的NDVI显著增加了21.80%。2生态恢复项目实施后2000年至2020年平均总生态系统服务指数TES从0.269增加到0.285。土壤保持和水资源产量平均增加但NPP和防沙能力略有下降。3NDVI对土壤保持和NPP没有显著的约束效应但对防风侵蚀和水资源产量有显著的约束效应。4NDVI对TES的约束线呈S型。生态恢复项目实施后当NDVI为0.65-0.75时TES逐渐达到阈值。我们的研究结果确定了生态恢复项目的显著贡献以及植被覆盖对生态系统服务的约束效应的阈值可为政府制定可持续的生态恢复项目提供参考。
02 研究背景、目标及创新点
2.1 研究背景 随着人类活动的加剧和生态系统的不断退化全球范围内面临着严重的环境问题如水土流失、生物多样性丧失等这些问题对人类福祉产生了负面影响。为了解决这些问题全球各地开始实施生态恢复项目旨在恢复受损的生态系统并改善生态系统服务。然而不同地区的生态恢复项目效果存在差异需要深入研究和评估。
2.2 研究现状 目前已有大量的研究关注生态恢复项目的效果及其对生态系统服务的影响。全球范围内已经实施了各种生态恢复项目并对其效果进行了评估。在中国政府实施了一系列大规模的生态恢复项目如退耕还林工程、天然林保护工程等已经取得了一定的成效。然而由于生态系统的复杂性和不确定性生态恢复项目的效果存在一定的不确定性和差异性。尽管已经进行了大量的生态恢复项目并对其效果进行了评估但在全球范围内和特别是中国的一些地区仍然存在一些研究空白。首先尽管已经有许多关于生态恢复项目的效果评估但对于其对生态系统服务的具体影响仍有待深入研究尤其是在不同地区和不同生态系统类型下的影响差异。其次对于生态恢复项目的长期效果和可持续性问题仍然缺乏系统的研究和分析。此外对于生态恢复项目中各种恢复措施的效果及其相互关系的研究还比较有限需要进一步探讨。最后对于如何在不同地区和不同生态系统类型下制定适合的生态恢复策略和措施以及如何提高生态恢复项目的效率和效果也需要更深入的研究和探讨。
2.3 研究目的 该研究的目标是1量化自执行ERPs项目以来植被覆盖变化的趋势比较项目启动时和现在的情况并分析ERPs在优化植被覆盖区域方面的贡献2比较QTP实施ERPs前后关键生态系统服务的变化3确定植被覆盖对生态系统服务影响的阈值。研究结果将有助于确定植被覆盖和生态系统服务的最佳组合并为未来的ERPs投资和实施提供参考。
03 研究区域与数据集
3.1 研究区域 青藏高原位于亚洲中部和中国西南地区北纬73°19′至104°47′东经26°00′至39°47′总面积约为2.6 × 10^6平方公里平均海拔超过4000米。青藏高原是全球海拔最高的自然地理单元被称为“世界屋脊”和“第三极”。作为亚洲多条大河的发源地其自然环境对于区域水相关生态系统服务至关重要。青藏高原的高山生态系统提供了碳储存、氧释放、气候调节和生物多样性维护等重要生态系统服务。青藏高原的土地利用以森林、草地和未利用地为主草地是最主要的土地利用类型其中高山草甸和高山草原是主要的草地植被类型。自上世纪80年代以来青藏高原实施了多个生态恢复项目包括草地保护和森林保护项目旨在保护高山草地生态系统和森林资源。这些项目主要分布在西藏西部、青海南部、四川西部和高原东南地区。 图1|(a) 三江源自然保护区的地理位置以及 (b) 数字高程和 (c) 土地利用的空间分布
3.2 研究数据 该研究的数据用于评估2000年至2020年间的植被覆盖和气候变化动态以及四种生态系统服务评估模型参数的输入。该研究利用了各种数据集包括归一化植被指数NDVI、土地利用和覆盖、气候、土壤特性和数字高程模型DEM数据见表1
表1|数据描述、分辨率和时间段 04 研究方法 植被覆盖的变化受人类活动和气候变化的共同影响。为了评估生态恢复工程计划ERPs对植被恢复的贡献有必要将气候因素和人类活动的影响分离开来。残差趋势法广泛用于量化气候变化和人类活动对植被覆盖变化的贡献。
4.1 趋势分析 使用Theil-Sen趋势分析和Mann Kendall非参数统计测试来测量植被覆盖的长期变化趋势。Theil-Sen趋势用于反映时间序列数据的变化趋势Mann Kendall用于测试变化趋势的显著性。这种方法不要求数据遵循正态或线性分布能够有效去除噪声干扰。公式如下 其中i和j是时间序列Xj和Xi是第j年和第i年的NDVI。斜率的正值表示上升趋势负值表示下降趋势。
4.2 残差趋势分析 残差趋势分析方法用于区分影响植被覆盖变化的自然因素和人类活动因素。通过建立降水、温度和NDVI之间的多元线性回归模型使用回归模型参数计算预测NDVINDVIpre。 其中a和b分别代表NDVI观测值对降水和温度的回归系数c是回归常数。NDVI观测值与预测值之间的差异NDVIres反映了人类活动对植被变化的贡献。公式如下 生态恢复工程计划ERPs对植被恢复区Slope NDVI 0的贡献是根据NDVI pre和NDVI res的不同变化趋势组合计算的。 4.3 偏相关 地理系统是一个复杂的多因素系统。任何驱动因素的变化都会影响其他因素。虽然残差趋势法只能计算人类活动和气候变化对NDVI变化的总体贡献但偏相关分析可以具体展示每个气象要素对NDVI的影响并分别量化温度和降水的影响。在像素尺度上使用偏相关分析探讨温度和降水与植被变化之间的关系。
4.4 生态系统服务评价 使用多个模型评估生态系统服务利用InVEST模型的SDR模块基于地形和气候条件计算潜在土壤流失结合管理和工程措施计算实际土壤流失两者差异即为土壤保持量使用InVEST模型的水生产模块基于Budyko假设和降水数据的水热耦合计算每单位栅格的水生成量使用RWEQ模型计算无植被覆盖和有植被覆盖条件下的土壤风蚀差异用于衡量风沙控制能力使用CASA模型基于光合有效辐射APAR和光能利用效率计算植被生产力。为了综合评估区域生态系统服务供给能力对每个生态系统服务进行标准化并计算总生态系统服务指数TES。在2000年、2005年、2010年、2015年和2020年五个阶段评估生态系统服务以全面检验ERPs实施前后的变化。详细计算过程见补充材料。
4.5 约束线的定义和提取 在复杂的生态系统中生态系统变量之间的关系受多种因素影响数据点呈现分散的云状分布。约束线从这种云状分布中浮现传达生态信息。约束线方法用于消除多因素对响应变量的影响并揭示生态系统服务的最大潜力。通过分位数划分方法绘制NDVI与各种生态系统服务之间的约束线将X轴上的生态系统服务范围分为100部分选择每列中的99.5%分位数作为边界点生成约束线并进行拟合得到相应的约束线。
05 研究结果
5.1 植被动态与ERPs的贡献
1植被的动态空间分布 2000年至2020年青藏高原QTPNDVI归一化植被指数趋势分析显示图2aNDVI显著增加P 0.05Slope0的区域集中在高原北部和东南部占总面积的21.80%显著减少的区域P 0.05Slope0主要在西藏那曲和青海海西占3.78%。NDVI非显著减少的区域P 0.05斜率0主要分布在西藏和青藏高原东北部的新疆。 土地利用类型的NDVI变化分析显示图2b在农田中69.6%的区域NDVI呈增加趋势其中31.99%显著增加。草地是主要的土地利用类型64.75%的NDVI呈增加趋势其中显著增加的部分占总草地面积的18.13%。 基于NDVI预测值与实际值的残差分析表明人类活动对NDVI变化的贡献显著P 0.05。2000年至2020年NDVI残差显著增加的区域为4.25×10^5平方公里图2c显著减少的区域为1.29×10^5平方公里。ERPs生态恢复项目改善了21.71%的未利用地和16.40%的农田图2d以及12.85%的林地和13.79%的草地主要改善区域为草地1.92×10^5平方公里、林地5.80×10^5平方公里和未利用地3.47×10^5平方公里。 图2|(a) NDVI趋势和(c) NDVI残差趋势的空间分布 (b) 每种土地利用类型中NDVI趋势和(d) NDVI残差趋势的面积比例
2ERPs对植被恢复的贡献 在NDVI显著较高的地区中主要由生态恢复项目ERP贡献的区域分布在青藏高原的西北部和东南部图3。其中西北部是草地广泛分布并实施了大量草地保护项目的区域。相反东南部的主要植被是森林该区域实施了许多森林保护项目。总体而言草地保护项目实施区域的NDVI改善具有零星但显著的特征而在森林保护项目区域显著的NDVI改善主要集中在青藏高原东南边缘的四川和云南。在NDVI显著改善的县中超过90%的县生态工程贡献了超过50%的NDVI改善其中36.30%的县中ERP贡献了90%或更多的NDVI改善。 图3|(a) 生态恢复项目ERPs对植被恢复贡献的空间分布(b) 各县平均贡献的空间分布
5.2 实施生态恢复项目ERPs后的生态系统服务变化
1单个生态系统服务的变化 2000年至2020年生态系统服务评估发现除了2005年外生态系统服务量保持稳定趋势见表S1因此我们选择了2000年和2020年的生态系统服务进行进一步检查分别作为未实施和实施后的ERP状态。对2000年和2020年两个时期的生态系统服务进行的配对样本t检验结果显示整个地区的防风固沙和蓄水量明显增加P 0.01。相比之下NPP的检验结果显示总体呈下降趋势P 0.01。 从2000年到2020年青藏高原53.32%的地区风蚀防治效果有所增加图4增长集中在雅鲁藏布江流域的拉萨和山南以及怒江、澜沧江和金沙江流经的昌都和甘南地区。相反西藏中部和西部的阿里和纳曲以及青海西北部的海西地区出现了明显减少与2000年相比单位面积沙尘暴防治量减少了1千克或更多。 从2000年到2020年青藏高原大部分地区的蓄水量增加图4与2000年相比61.78%的地区水量有所增加。增长主要集中在青藏高原东部包括四川的阿坝和甘肃的甘南。相反在青藏高原西北边缘以及东南部的怒江和澜沧江流域一些地区的水量与2000年相比减少了100毫米以上。 从2000年到2020年青藏高原51.14%的地区土壤保持能力增强图4。增长高度集中在30°N和36°N之间的区域以及东经85°W的多边形区域包括西藏北部、青海南部、四川西北部以及山南和林芝的南部地区。土壤保持力减少的区域集中在青藏高原东南部和西部边缘。 从2000年到2020年图4青藏高原的NPP在总面积的43.12%的地区有所增加。在变化分布方面增加的地区集中在高原的中部和东部特别是在青藏高原东部的四川省的一些地区。2020年的单位NPP与2000年相比增加了50克或更多。明显减少的区域分布在青藏高原东南部的山南和林芝地区。该地区一些地方的单位NPP与2000年相比减少了100克或更多。 图4|2000年和2020年生态系统服务的空间分布及其变化的空间分布
2TES的变化 TES是一个有效的指标能够全面反映区域生态系统服务的供给能力。青藏高原的平均TES从2000年的0.269增加到2020年的0.285见图5。TES显著增加的区域集中在青藏高原东部的四川省。四川省大部分地区的TES平均增加了0.3或更多增长率超过20%。该地区服务增长的空间分布与土壤保持服务和水量服务的显著增长一致表明该地区TES的增长主要得益于土壤保持和水量服务的改善。此外TES增长区域广泛分布在西藏北部和青海南部平均TES增长了0.1或更多。TES减少的区域主要位于青藏高原的西部和北部。青海北部海西地区的一些地区TES减少了0.3或更多。空间分布与显著减少的沙尘暴防治服务的区域一致表明该地区TES的减少主要是由沙尘暴防治服务的退化引起的。 图5|(a) 2000年和(b) 2020年生态系统服务总值TES的空间分布以及(c)其变化的空间分布
5.3 植被覆盖对生态系统服务的约束效应
1植被覆盖对各个生态系统服务的约束效应 实施生态恢复项目ERPs前后NDVI与沙尘暴防治的约束线呈驼峰形状图6a和b。在ERPs实施后NDVI的阈值从0.1-0.2提高到0.4-0.5且约束效应显著增加。NDVI与土壤保持的约束关系呈指数特征图6c和d随着NDVI增加对土壤保持的约束效应逐渐减少。ERPs实施前后NDVI与土壤保持的约束线变化较小。NDVI与水量的整体约束线呈驼峰形状图6e和fERPs实施前后的约束线不同实施前拟合度更高NDVI在0.4-0.5时达到阈值。NDVI与NPP的约束线呈指数特征图6g和h随着NDVI增加对NPP的约束效应逐渐减少。ERPs实施后当NDVI达到0.7时对NPP的约束效应显著降低NPP增长更为显著。 图6|2000年(a, c, e, g)和2020年(b, d, f, h)NDVI与各生态系统服务之间的散点图蓝点、边界点红点和约束线红曲线
2植被覆盖对总生态系统服务的约束效应 NDVI与总生态系统服务TES之间的约束线呈S形曲线图7即随着NDVI的增加NDVI对TES的约束效应先增强后减弱再次增强。在生态恢复项目ERPs实施之前当NDVI在0-0.2范围内时NDVI的增加对TES有显著的约束效应但在实施之后这一过程不明显。在ERPs实施前后当NDVI在0.2-0.8范围内时NDVI上升对TES的约束效应减弱。在实施ERPs之前当NDVI在0.7-0.8之间时TES逐渐达到阈值。当NDVI超过0.8时NDVI对TES的约束效应再次增强TES减少。ERPs实施后TES的阈值在NDVI为0.65-0.75之间达到。值得注意的是与实施前相比TES的阈值显著增加并且在比实施前阈值更小的NDVI值时达到。 图7|2000年(a)和2020年(b)之间NDVI与TES的散点图蓝点、边界点红点和约束线红曲线
06 研究讨论
6.1 生态恢复项目ERPs和气候变化对青藏高原QTP植被动态的交互影响 青藏高原QTP的高山生态系统对气候变化非常敏感。研究主要关注气候变暖以及农业和畜牧业强度增加对QTP植被动态的影响。该研究发现那曲南部、拉萨北部和日喀则的植被指数NDVI显著下降一些研究将其归因于气候变暖和干燥。尽管这些地区实施了许多生态恢复项目ERP但由于气候趋势和高山地区植被恢复的难度ERP效果不显著。 对于QTP大部分地区低温是植被的主要限制因素。在水文条件稳定的情况下较高温度可以延长植被生长季增强ERP效果。例如阿里和那曲北部的NDVI显著增加同时温度也显著上升表明气候变暖对植被恢复有积极影响。残差趋势法显示该地区NDVI改善的70%以上归因于ERPs表明在适宜气候条件下ERPs对植被恢复有显著作用。川滇东南部高原地区的ERP对植被恢复的平均贡献率也超过70%在这些地区温度和降水量没有显著变化表明在水分充足和气候稳定的地方ERPs效果显著。 残差趋势法广泛用于区分人类活动和气候变化对植被变化的贡献。利用提取的NDVI增长区域该研究量化了ERPs对QTP植被恢复的贡献。尽管研究结果因年份、数据来源和模型方法不同而有所差异但一致认为气候对植被的影响存在阈值效应。温度持续上升将增加植被呼吸作用如果水资源不足将导致植被退化。同步增加的降水和温度将促进高山植被生长但过度降水可能导致土壤侵蚀和养分流失阻碍植被恢复。一些为草地和森林实施的ERPs对当地生态系统和气候变化有调节作用能在气候条件恶化时增强生态系统稳定性并通过更好的气候调节显著改善植被覆盖。
6.2 植被覆盖对生态系统服务限制效应的内在机制 ERPs生态恢复项目的实施改变了植被的结构、数量和增长从而改变了植被覆盖与生态系统服务之间的关系。更多的植被覆盖并不总是促进生态系统服务的增长。例如退耕还林项目可以减少食物供应而蒸散和植被表面保持可能限制水产出和土壤保持服务。在青藏高原QTPERP导致NDVI与不同生态系统服务及其相互作用机制的关系发生变化。 NDVI增加对土壤保持的限制效应减弱NDVI与土壤保持之间的相关系数全年较高表明植被恢复可减轻土壤水蚀图6表S2。然而NDVI与土壤保持的限制关系在ERP实施前后未显著变化表明植被覆盖与土壤侵蚀之间存在阈值关系。当植被覆盖达到一定比例时植被可以有效拦截沉积物和降雨改善土壤性质减少土壤可蚀性。因此ERP的设计应根据阈值关系和客观条件调整项目范围和实施强度。 对于防风蚀NDVI与其呈驼峰形限制关系2000年至2020年间NDVI的影响由正相关变为负相关图6表S2。增加的植被覆盖可以降低风速并改善下垫面条件控制土壤风蚀。研究表明QTP的ERP有效限制了土壤风蚀尤其当植被覆盖超过60%时土壤风蚀得到有效控制这与我们的发现一致。 NDVI与水产出的相关系数逐渐减小表S2ERPs实施后拟合的限制线变低。尽管更高的植被覆盖改善了土壤保持和植被生产力但也增加了水消耗和蒸散导致水产出减少造成土壤保持和水产出服务之间的权衡。ERP如造林和种草最初提高了植被覆盖但蒸散和土壤水利用导致区域干旱限制了植被恢复。因此水服务与NDVI之间显著的限制关系是指导ERPs实施的重要指标。 该研究发现NDVI与NPP净初级生产力具有最显著的相关性。ERPs实施后当NDVI达到0.6时NPP几乎不受限制。QTP的植被覆盖受气候因素影响大NPP的估算主要基于温度、降水和NDVI。因此NDVI和NPP显示出一致趋势而无限制关系。尽管ERP增加了碳固定和植被生产力但达到土壤持水容量阈值后植被增加可能导致荒漠化和植被死亡引发土壤保持和水产出服务之间的权衡。因此ERPs中的植被覆盖和生产力阈值需作为项目可持续管理的重点。
6.3 对可持续生态恢复项目ERPs的启示 通过将严重侵蚀和沙化的土壤及一些坡耕地转为林地实施围栏禁牧、轮牧和对过度放牧的草地进行人工补植生态恢复项目ERPs在中国各地增强了碳固存、生态系统服务和居民福祉。政府计划继续投资ERPs。与黄土高原、喀斯特地貌区和北方地区的显著效益相比青藏高原QTP的ERPs效果因气候变化而异其生态系统结构、功能和服务更复杂。 本研究利用遥感数据和生态过程的生物物理模型从宏观尺度量化了ERPs实施后QTP的植被覆盖和生态系统服务变化。未来项目需基于宏观尺度发现的时空变异特征在项目实施区进行持续的气象、水文、土壤和植被观测并及时测量不同项目对高山生态系统的影响。例如研究发现高原西南部长期实施ERPs的地区植被显著减少许多生态系统服务退化。 需通过更精确的多要素观测评估植被、生态系统服务和气候变化间的关系以确定未来恢复项目的类型、模式和投资水平。对于植被恢复效果显著且生态系统服务改善的地区应及时调整恢复项目的关键阶段维护和持续监测对区域自然资源的限制效应而不是盲目扩大种草、围栏或造林的面积。
6.4 局限性及未来研究 为了评估青藏高原QTP生态恢复项目ERPs的生态效益我们结合了现有研究中的生态系统服务选择以及ERPs的目的和具体措施选择了四种具有代表性的生态系统服务。然而目前这种分类和量化方法在中国的生态恢复评估中更为常用因此难以与其他地区ERPs的国际评估结果进行比较。随着国际上广泛使用《共同国际生态系统服务分类标准》CICES在未来的ERPs生态效益评估中使用其分类和标准可以促进研究结果在全国范围内的比较分析。 其次在具体的生态系统服务评估方法上可以根据具体的恢复措施进行一定的改进。例如实际土壤风蚀量可能更直接地反映出造林和围栏禁牧等恢复措施在风蚀控制方面的作用。 最后本研究使用了来自多个来源的遥感和统计数据覆盖了整个QTP但由于数据分辨率和模型偏差等问题一些局部的显著特征可能被忽略。因此在各个样本点进行基于实地的生态监测和评估有助于更准确地确定不同恢复措施区域的生态效益。
07 研究结论 自生态恢复项目ERPs实施以来青藏高原QTP的植被覆盖整体增加。西藏西北部的草地恢复项目和青藏高原东南缘的森林恢复项目有效地提高了区域植被覆盖。在QTP的其他地区气候变暖和干燥趋势可能影响了ERPs的恢复效果。植被恢复在QTP多个生态系统服务的改善中起到了重要作用尤其是在高原东南部。NDVI对各种生态系统服务的限制效应和变化为未来ERPs的实施提供了参考特别是对TES的限制效应可以作为未来ERPs实施的阈值参考。该研究表明QTP的NDVI应保持在0.65到0.75之间以实现最佳的TES。对于不同的植被恢复区高原东南部的森林恢复项目应重点监测植被覆盖与水产出和土壤保持之间的限制关系以控制适度的造林程度。西中部地区的草地恢复项目应重点监测NPP的提高和防风蚀的效果。
08 文章引用
文献来源Zhongxu Zhao, Erfu Dai,Vegetation cover dynamics and its constraint effect on ecosystem services on the Qinghai-Tibet Plateau under ecological restoration projects,Journal of Environmental Manage-ment,Volume 356,2024,120535,ISSN 0301-4797,
https://doi.org/10. 1016/j.jenvman.2024.120535.
