中国北方草地生态系统服务评估和功能区划助力生态安全屏障建设

生态系统服务及其价值评估

生态系统服务评估

生态系统服务是指生态系统提供的用以维持和实现人类生存与发展的环境条件和过程,是人类从生态系统获得的惠益,是人类赖以生存和发展的基础。生态系统服务包括 4 个维度:支持服务、供给服务、调节服务和文化服务。生态功能指生态系统各组分(如物质库)的大小及其过程(如物质循环、能量流动)的速率,包括初级生产力、碳固持、水源涵养、防风固沙、生物多样性维持等,其核心内涵是生态系统的支持服务和调节服务。生产功能是指生态系统为人类提供各种消费产品和资源(供给服务),包括家畜产品、牧草产品、食用和药用植物等。

为准确评估我国草地生态系统的碳储量现状和变化,中国科学院战略性先导科技专项“生态系统固碳现状、速率、机制和潜力”(以下简称“碳专项”)设立了“中国草地生态系统的固碳现状、变化和机制”研究课题(2011—2015 年)(以下简称“草地课题”)。该课题在全国不同草地类型共设置了 4 207 个调查样地,采用统一的调查、取样和测试方法,通过数据集成分析并结合遥感和模型手段,估算了我国草地初级生产力、植被和土壤的固碳现状与潜力。本文中,全国草地的初级生产力、植被和土壤碳储量及固碳速率采用了作者主持的碳专项草地课题的部分研究结果。同时,参考其他相关研究的结果,估算了草地生态系统的水源涵养、防风固沙和生物多样性维持服务。

初级生产力。全国天然草地植被地上生物量为 5.43 亿吨,地下生物量为 48.36 亿吨,其中内蒙古、新疆、青海、西藏、四川、甘肃、黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西和陕西 13 个省份地上和地下生物量分别占全国总地上、地下生物量的 68.13% 和 83.8%。基于植被生产力实测数据,估算出的我国草地植被净初级生产力(NPP)为 1.474×10⁹ t · a^-1,平均为 4.99 t · hm^-2 · a^-1,但不同草地类型之间 NPP 的差异非常大。

碳固持。中国草地总碳储量为 28.95 Pg C,其中植被碳库储量为 1.82 Pg C,土壤有机碳库储量为 27.13 Pg C。从空间分布来看,我国草地碳密度和碳储量均呈现从西北向东南逐渐降低的趋势(图 2)。其中,内蒙古、新疆、青海和西藏 4 个省份草地分布面积最广,草地碳储量最大,分别为 6.80、6.13、5.68 和 5.40 Pg C,合计占我国草地总碳储量的 60%。其次是四川、黑龙江、云南和甘肃,碳储量分别为2.97、2.28、1.70 和 1.46 Pg C,贡献了全国草地碳储量的 21%。其他 23 个省份由于草地分布面积较小或总碳密度相对较低等原因,草地碳储量仅占全国草地碳储量的 19%。与森林不同,草地植被碳的绝大部分被储存在地下根系中,根系碳储量占草地植被碳储量的 92%。土壤碳库作为草地生态系统碳储量最主要的组成部分,其碳密度为植被碳密度的 19 倍。我国草地植被平均固碳速率为 250 t C · hm^-2 · a^-1,年固碳量为 1 215 Tg C。这与遥感模型反演结果基本一致——基于 1981—2013 年遥感植被指数(NDVI)数据和 CASA 模型反演估算我国草地植被年固碳量为 1 160 Tg C。从草地类型上,高寒草地植被年固碳量为 734 Tg C,温性草地为 182 Tg C,暖性和热性草丛/灌草丛为 56 Tg C,隐域性草甸类草地等为 233 Tg C。各省份中,草地面积大的省份其年净固碳量也高,其中西藏、青海、四川、内蒙古和新疆分别占全国草地年固碳量的 34%、20%、12%、9% 和 9%。

水源涵养。基于土地覆被、降水、NDVI 等数据,采用降水贮存量法估算的中国草地 1980—2000 年平均水源涵养量为 1.1617×10¹¹ m³ · a^-1,其中我国北方草地为 3.747×10¹⁰ m³ · a^-1。2000—2010 年中国草地平均年水源涵养量为 1.1838×10¹¹ m³ · a^-1,其中北方草地为 4.093×10¹⁰ m³ · a^-1 。北方草地水源涵养服务的空间异质性较大,主要集中在青藏高原和内蒙古高原中东部区域,其中西藏草地 1990—2010 年平均水源涵养量为 2.749×10¹⁰ m³ · a^-1 ;内蒙古锡林河流域草地(9 786 km²)水源涵养量为 4×10⁷ m³ · a^-1。

防风固沙。防风固沙是干旱与半干旱草地提供的重要生态系统服务,其物质量可以通过风蚀模型,如修正的风蚀方程模型(RWEQ)和土壤流失方程(RUSLE),进行估算。相关研究对我国北方草地部分区域开展了防风固沙量的估算。例如,孙建等 利用修正的通用土壤流失方程估算 1984—2013 年青藏高原草地防风固沙量为 2.72×10⁷ t · a^-1;孙文义等估算黄土高原草地 1990—2010 年防风固沙量为 7.7×10⁹ t · a^-1;王洋洋等利用 RWEQ 模型估算的宁夏草地 2000—2015 年防风固沙量为 7.298×10⁶—4.120×10⁷ t · a^-1;江凌等对内蒙古草地的防风固沙量估算值为5.758×10⁹ t · a^-1。

生物多样性维持。据不完全统计,全国草地植物共计 254 科、4 000 多属、9 700 多种。其中,有毒植物 52 科、138 属、316 种。另外,我国草原区繁衍的野生动物达 2 000 多种,其中国家一级保护动物 14 种、二级保护动物 30 多种。丰富的生物多样性资源构成了我国野生动植物资源基因库,特别是耐旱、耐寒、耐盐和药用植物最重要的基因库。目前,受长期过度放牧、开垦、气候变化、环境污染以及生物入侵等因素的影响,我国草地生物多样性明显降低,进而引起草地生态功能下降和生态系统稳定性的降低。

生态系统服务价值评估

生态系统服务价值评估是制定区域生态环境保护、生态经济核算和生态补偿决策,开展生态功能区划,保护和恢复自然生态系统的重要依据和基础。自 1997 年 Costanza 等首次对全球主要生态系统类型开展服务价值评估以来,国内外研究学者对草地生态系统服务价值开展了大量相关研究工作。我国全国草地生态价值核算可信度较高范围为 0.87 万亿—7.5 万亿元人民币。

依据相关文献值进行估算,我国平均单位面积草地生态服务价值为 1 920.5—4 475.8 元/hm^-2。按北方草地面积约 3×10⁸ hm² 换算,北方草地生态服务价值为 5 764.5 亿—13 452.0 亿元人民币。不同区域和草地类型的生态系统服务价值相差悬殊。其中,沼泽类草地生态系统服务价值最高,其次为暖性灌草丛、暖性草丛、低地草甸、温性草甸草原、温性草原、高寒草甸、高寒草原等,而高寒荒漠价值最低。从区域上看,内蒙古东部的呼伦贝尔、科尔沁和锡林郭勒草原,新疆西北部及青藏高原东部、东北部等地区的单位面积服务价值较高,而内蒙古中西部和青藏高原西部地区单位面积服务价值较低。

生态功能区划原则与方法

生态功能区划是根据区域生态系统类型、生态环境敏感性、生态系统受胁迫过程与效应,以及生态系统结构、过程和服务等特征的空间分异规律而进行的地理空间分区。1976 年,美国生态学家 Bailey 首次从生态系统角度提出并编制美国生态区划方案。此后,国内外生态学家和国际组织对生态区划原则、指标体系、分区方法等进行了细化和完善。我国生态区划起步相对较晚,最具代表性的是傅伯杰等开展的中国生态功能区划。2008 年,环境保护部和中国科学院联合发布《全国生态功能区划》,将全国划分为 3 类 31 个生态功能一级区,9 类 67 个生态功能二级区,以及 208 个生态功能三级区。该区划明确了保障国家生态安全的重要区域,为我国自然资源合理管理和可持续利用、经济社会与生态保护协调、健康发展提供了科学指导。2012 年,谢高地等在基于已有三级生态区划方案,以中国县域尺度为最小区划单元,将中国分成 33 个水源涵养功能区、57 个水土保持功能区、19 个防风固沙功能区、11 个沿海防护功能区、62 个产品提供功能区和 86 个生物多样性保护功能区。贾慎修等在 20 世纪 80—90 年代开展的全国首次草原普查的基础上,结合地貌、土壤、植被等生态因素,以草地资源空间分异规律为原则,提出了我国首个草地资源区划。该区划将全国草地分为 7 个区、29 个亚区、74 个小区。然而,该区划以自然区划为主,未考虑人类活动和气候变化对草地生态系统结构、功能和服务的影响。

当前,面向生态文明、“美丽中国”建设和统筹山水林田湖草一体化保护和修复的国家重大战略需求,亟待构建我国草地特别是北方草地的主体功能区划;综合考虑草地生态服务和生态承载力,科学指导和合理配置草地的生态功能和生产功能,进而为制定区域国土空间规划,科学布局北方草地重要生态系统保护和修复重大工程,统筹推进生态保护和修复工作提供重要的科技支撑。

我国北方草地生态功能区划原则。生态要素区域分异原则。以气候、地形、土壤、植被等自然要素的地域分异规律为依据。主导性原则。以草地类型区域分异为基础,气候、地貌等因素差异服从主要草地类型的分异,同时兼顾不同草地类型的生态系统服务,且非主导功能服从主导功能。生态优先和绿色发展相结合原则。坚持生态优先、因地制宜的原则,兼顾草地生产和社会经济条件、草地利用强度、畜牧业布局和发展方向及草地经营管理、培育技术、自然保护地和国家公园等,合理配置生态功能和生产功能。分级区划原则。照顾行政区界,特别是县域的完整性。

我国北方草地生态功能区划方法。以草地类型、中国草地资源区划和生态服务功能区划为基础,综合考虑气候湿润度、地形、土壤、植被覆盖度等重要生态参数,生态系统服务(包括初级生产力、碳固持、水源涵养、防风固沙、生物多样性维持等),以及土地沙化、盐渍化等生态敏感性评价,兼顾县界完整性确定分区方案和各分区之间的界线(图 3)。

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