基于格局-质量-服务的生态保护修复成效评估：以额尔齐斯河流域为例

刘 浩，郝海广，张文国，刘 鹏，孙丽慧*

1. 中国环境科学研究院，北京 100012

2. 生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094

党的十八大以来，我国先后印发了《关于推进山水林田湖生态保护修复工作的通知》《山水林田湖草生态保护修复工程指南(试行)》等文件，从中央到地方全面系统推进“山水林田湖草”系统治理试点工作，对提升生态系统质量和稳定性、维护国家生态安全发挥了重要作用[1-2]. 生态保护修复成效是指生态保护修复工程实施后在优化生态格局、提升生态系统质量和功能、减缓生态干扰、工程管理和维护等方面取得的效果，它是判断区域生态保护修复工作有效性的重要途径，科学准确地对生态保护修复成效进行评估，对科学指导地区开展长效生态修复工作具有重要意义. 近年来国内外学者围绕生态保护修复及其成效评估开展了大量的理论研究与实践探索，但成效评估对象往往多集中于“山水林田湖草”中某一个或某几个要素，缺乏对生态保护修复成效整体性和系统性的反映，同时因评估对象的不同，评价指标间存在较大差异. 而相较于湿地与河湖岸线修复、退耕还草等以某一生态系统为修复主体的生态保护修复工程，“山水林田湖草”生态保护修复工程更具整体性和系统性[3]，其成效往往难以通过某一个或某一类指标进行反映[4].

当前“山水林田湖草”生态保护修复工程实施成效评估研究通常以评价指标或工程建设目标为评价依据，利用评估期评价指标值相对于本底值的变化率或建设目标完成情况进行分级打分赋值，最终通过定性和定量相结合的方式对实施成效进行判断和评价[5-7]. 由于生态保护修复是协助退化、损伤或损坏的生态系统恢复的过程，即通过以人工修复为主的生态建设和修复工作减缓生态系统退化趋势或使生态状况达到较好水平[8]，因此选取合适的基准值或背景值作为工程建设区的生态系统原始状态是成效评估的关键[9]. 目前根据背景值选择方式的不同，生态保护成效评估方法可分为空间对比法[10-12]和时间序列对比法[13-14]，而“山水林田湖草”生态保护修复工程通常是在大尺度空间上统筹各类要素治理，空间对比法通常难以找到适宜、全面的参照系统；相比之下，时间序列对比法主要利用生态保护修复期前后的监测数据进行对比以反映区域生态系统的生态恢复情况，其因方法简单、可操作性强等优点得到了广泛应用. 而生态保护修复期内评价指标的增长或减少以及建设目标完成情况并不足以反映生态保护修复实施成效[15]，在生态保护修复成效评价研究中有必要以生态保护修复实施前生态系统变化趋势作为参照，通过对比生态保护修复工程实施前后两个阶段内相关指标的变化趋势来对生态保护修复成效进行综合评价.

20世纪50年代以来，额尔齐斯河流域(简称“额河流域”)面临草场退化等诸多生态环境问题，对区域稳定和生态安全构成了威胁[16-17]. 近年来针对额河流域面临的突出生态环境问题，阿勒泰地区系统开展了生态保护修复工作. 2018年，新疆额河流域生态保护修复工程被列入国家第三批“山水林田湖草”生态保护修复工程试点[18-19]，系统推进额河流域“山水林田湖草”一体化保护修复. 为全面了解额河流域开展生态保护修复工程前后建设区域生态系统的变化特征，该文以额河流域生态保护修复工程所涉及的范围为评价对象，结合2010年、2015年和2020年三期土地利用数据以及相关遥感产品数据，基于“格局-质量-服务”的评估框架和评估体系[20-21]，以生态系统格局、质量和服务为主要评价内容，揭示额河流域生态环境现状及其变化特征，对生态保护修复成效进行全面评估，进而识别当前生态保护存在的主要问题，为额河流域后续制定有针对性的生态修复决策和生态系统管理提供科学依据和数据支持；同时，该研究中的评估方法可为开展生态保护修复工程实施监督评估提供方法支撑，满足地区生态保护修复监管需求，进而提高生态保护修复水平，促进地区生态保护修复的健康高效发展.

1 研究区概况

额河流域位于我国西北边疆阿勒泰地区(85°31′E~91°01′E、45°00′N~49°10′N)，区域总面积约11.80×104km2，占新疆总面积的7.2%. 该流域地势西高东低，大致可分为北部山区、中部丘陵河谷平原区、南部荒漠(戈壁)沙漠区三个地貌单元，主要有额尔齐斯河、乌伦古河和吉木乃县诸河三大水系，其中额尔齐斯河是我国流入北冰洋的唯一国际性河流. 额河流域生态区位极其重要，是新疆乃至中亚地区重要的生态屏障，也是关系我国生态大国形象和生态权益的重要区域[22]，更是支撑我国争取国际北冰洋权益重要的战略支点[23-24]. 工程建设区涉及额河流域全域，共分为三大生态保护与修复分区(见图1)，基于各片区面临的突出生态环境问题，有侧重地开展生态保护修复工程.

图 1 额河流域“山水林田湖草”生态保护修复工程分区Fig.1 Subarea map of ‘mountains-rivers-forestsfarmlands-lakes-grasslands’ ecological protection and restoration pilot project area in Irtysh River Basin

2 研究数据与研究方法

2.1 研究方法

基于生态系统“状态-趋势”的评价模式和“格局-质量-服务”的评估框架(见图2)，结合工程建设区生态环境特征，建立生态系统评估指标体系和评价方法，从生态系统格局、生态系统质量和生态系统服务三方面对工程建设区在生态保护修复工程实施前后相同时间尺度内，即非生态保护修复期内(2010−2015年)与生态保护修复期内(2015−2020年)生态系统变化时空特征进行对比和分析，直观反映工程建设区的生态治理效果，其中生态系统格局主要反映不同生态系统类型在空间上的分布与配置；生态系统质量主要反映自然生态系统的优劣程度；生态系统服务主要反映生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用.

图 2 研究技术路线Fig.2 Research technology roadmap

2.1.1生态系统格局

生态系统格局评价选取土地覆被状况指数(land cover situation index, LCSI)和土地覆被转类指数(land cover change index, LCCI)两个指标. 其中，土地覆被状况指数可以用来衡量工程建设区土地覆被状况，土地覆被转类指数可以定量表征工程建设区土地覆被与宏观生态状况转好和转差的程度，计算公式如下：

式中： L CSI为 土地覆被状况指数，%；Ci为第i类(林地、草地和水体等)生态用地面积，km2； LCCI为土地覆被类指数，%，正值表示生态结构转好，负值表示转差；a和b分 别为生态系统转变前后的类型；Aab为第a类生态系统转化为第b类生态系统的面积，km2；Da和Db分别为生态系统类型转变之前和转变之后的生态级别，水体、林地、草地、耕地、建设用地和裸地的生态级别参照《三江源生态保护和建设生态效果评估技术规范》(DB 63/T 1342−2014)分别赋值为1、2、3、4、5、6.

2.1.2生态系统质量

生态系统质量已被广泛用来分析和表示生态工程对生态环境改善和生态系统质量提升的成效[25]. 现有的生态系统质量评价体系按指标数量可以分为两类，其中基于少数关键指标构建形成的生态系统质量评价体系相较于传统的生态质量评估方法指标更少、复杂度较低、操作性更强[26]，基于生态系统生产力、植被覆盖程度等关键指标构建的综合指标等已逐渐成为生态系统质量评估的主要方法[27]. 该文参考《全国生态状况调查评估技术规范−生态系统质量评估》(HJ 1172−2021)，选取生态系统质量指数(ecosystem quality index, EQI)对工程建设区生态系统质量进行评价. EQI由植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)、叶面积指数(leaf area index, LAI)和净初级生产力(net primary productivity, NPP)的相对密度构建，计算公式如下：

式中：E QIl,j为 第l年 第j分区生态系统质量； LAIl,j、FVCl,j、 NPPl,j分 别为第l年 第j分区的LAI相对密度、FVC相对密度和NPP相对密度的归一化值，其中FVC基于NDVI数据采用像元二分模型进行计算；RVIl,j,k为第l年 第j分区 第k类 植 被生 态系 统生 态 参数的相对密度；Fl,j,k为第l年 第j分区第k类植被生态系统生态参数值.

2.1.3生态系统服务

工程建设区属于阿尔泰山地水源涵养与生物多样性保护重要区以及准噶尔盆地东部生物多样性保护与防风固沙重要区，具有防风固沙、水源涵养等重要生态功能，考虑到研究数据的可获取性以及空间表达等因素，该研究对水源涵养服务、土壤保持服务和防风固沙服务进行评价.

2.1.3.1水源涵养服务

水源涵养量通过水量平衡方程[28]进行计算，计算公式如下：

式中：Qwr为 水源涵养量，mm/a；P为年降雨量，mm/a，为避免气象因素对评价结果造成的影响，该研究用多年平均降雨量进行代替；RR为地表径流量，mm/a，该值通常由多年年降雨量与地表径流系数的乘积表示，其中地表径流系数基于《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南(试行)》进行赋值；ET为蒸散发量，mm/a.

2.1.3.2土壤保持服务

土壤保持服务采用修正通用土壤流失方程[29]进行计算，计算公式如下：

式中：Qsc为 土壤保持量，t/a；Qse_p为潜在土壤侵蚀量，t；Qse_a为实际土壤侵蚀量，t；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h)；L、S分别为坡长、坡度因子；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；C为植被覆盖因子. 各因子计算方法参考《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号).2.1.3.3防风固沙服务防风固沙服务采用《区域生态质量评价办法(试行)》(环监测〔2021〕99号)中的防风固沙指数进行表示，计算公式如下：

式中：Qsr为 防风固沙指数； NDVIm为 评价年全年m像元NDVI的最大值(以C计)，kg/m2； N PPm为评价年全年m像元NPP的累积值(以C计)，kg/m2； NPPmax为工程建设区内最好气象条件下的植被净初级生产力，选取近5年NPP累积值的最大值，kg/m2.

2.1.4成效综合指数

该研究采用综合指数法反映工程建设区的生态保护修复成效. 参考《自然保护区生态环境保护成效评估标准(试行)》(HJ 1203−2021)中对生态系统结构、生态系统服务和环境质量的评分标准，对工程建设区各评估指标变化情况进行分级赋值，最后通过加权求和的方式计算生态保护修复成效综合指数，计算公式如下：

式中：EC为生态保护修复成效综合指数，取值区间为[0，50]；Cn和vn为各评价指标的分值和权重，取值方式如表1所示.

2.2 研究数据

该研究使用的主要数据及其来源如表2所示. 根据研究需要，将土地利用数据重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和裸地等六类；MODIS产品数据在MODIS重投影工具和ArcGIS软件中通过重投影、镶嵌、裁剪、单位换算等处理得到工程建设区的NDVI、LAI、NPP和ET等数据. 为了不同空间分辨率的栅格影像之间便于运算，在实际计算过程中应用最邻近法将研究数据重采样至统一的空间分辨率.

表 1 生态保护修复成效综合指数评分标准Table 1 Scoring standard of comprehensive index of ecological protection and restoration effectiveness

表 2 研究数据及其来源Table 2 Study data and sources

3 结果与分析

3.1 生态系统格局变化

工程建设区土地利用类型面积变化情况如表3所示，耕地、建设用地和水域面积均保持增长的变化态势，尤其是在生态保护修复期内面积增幅较大，其中水域面积持续增长显著，由2010年的1 802.02 km2持续增至2020年的1 994.84 km2；除南部工程分区外，其他各工程分区内裸地面积均不同程度有所减少. 对于林地、草地等其他生态用地，在非生态保护修复建设期内，除中部工程分区内林地面积略有增长外，其他各工程分区内林地和草地面积均有所减少；在生态保护修复建设期内，北部及中部工程分区内林地面积继续减少，南部工程分区内林地面积略有增长，而在北部工程分区内草地面积明显增加，中部和南部工程分区则与之相反，草地面积均明显减少.

表 3 2010年、2015年和2020年额河流域工程建设区及各工程分区土地利用面积的变化Table 3 Changes in land use area of the project construction area and each project sub-area in 2010, 2015 and 2020 in Irtysh River Basin km2

工程建设区土地利用类型集中变化区域主要位于阿尔泰山脉南麓的两河(额尔齐斯河和乌伦古河)流域，相较于非生态保护修复期，生态保护修复期内土地利用面积变化程度更为明显，空间分布更具聚集性〔见图3(a)〕；从土地利用类型转入转出关系上来看〔见图3(b)〕，主要是林地、草地、耕地和裸地之间的相关转化. 在非生态保护修复期内，分别有约335.76 km2的草地和148.55 km2的裸地转为了耕地，集中分布于乌伦古河三角洲以及额尔齐斯河右岸与众支流的交汇处等农业生产活动集中区域. 在生态保护修复期内，乌伦古河上游各支流交汇处以及额尔齐斯河上游段的大量裸地恢复为了草地，同时乌伦古河中段南侧的古尔班通古特沙漠地区大量草地退化为了裸地；同时期农业生产活动集中地区耕地面积继续扩张，分别有482.29 km2的裸地和374.39 km2的草地转为了耕地.

图 3 2010年、2015年、2020年额河流域土地利用变化空间分布及弦图Fig.3 Spatial distribution map, chordal graph of land use change of Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

3.2 生态系统质量变化

基于《全国生态状况调查评估技术规范−生态系统质量评估》(HJ 1172−2021)的分级标准将工程建设区生态系统质量(EQI)分为优(EQI≥75)、良(55≤EQI<75)、中(35≤EQI<55)、低(20≤EQI<35)和差(EQI<20)共5级(见图4). “优”生态系统质量等级区域主要集中分布于阿勒泰地区西北部的布尔津河上游以及喀纳斯湖所在地区；“良”生态系统质量等级区域主要集中在额尔齐斯河诸多支流沿岸；“中”和“低”生态系统质量等级区域主要位于阿勒泰地区的山地等高海拔地区以及两河下游；而中南部地区为中国第二大沙漠即古尔班通古特沙漠，区域戈壁广布、植被稀疏，“差”生态系统质量等级区域主要分布于此.

工程建设区及各工程分区内生态系统质量等级面积占比如图5所示，由北向南各工程分区的生态系统质量等级逐渐降低. 2010−2020年，工程建设区、北部及中部工程分区各生态系统质量等级面积占比的变化特征基本相同，“低”和“良”生态系统质量等级面积占比分别表现为持续减少和持续增长. 在非生态保护修复期内，“优”和“差”生态系统质量等级分别呈现减少和增长的变化态势. 在开展生态保护修复工程后，各工程分区内“优”生态系统质量等级面积占比有所增长，甚至显著高于2010年，相应地，“差”生态系统质量等级面积占比明显减少.

图 4 2010年、2015年、2020年额河流域生态系统质量指数(EQI)等级空间分布Fig.4 Spatial distribution map of ecosystem quality index grade of Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

3.3 生态系统服务变化

工程建设区各类生态系统服务空间分布如图6所示，各生态系统服务的高值区域与生态系统质量等级较高区域在空间分布上具有较强的一致性(见图4)，其中，高水源涵养服务和高防风固沙服务多位于工程建设区北部阿尔泰山以及吉木乃县境内萨吾尔山北麓的山地地区，高土壤保持服务地区则更多集中分布于喀纳斯湖的东北部区域. 为便于对工程建设区内不同时期各生态系统服务进行定量比较，该研究基于《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号)中生态系统服务重要性分级方法，将各生态系统服务累加服务值占各生态系统服务总值比例的50%与80%所对应的栅格值，作为各生态系统服务功能评估分级的分界点，将工程建设内各生态系统服务重要性共分为3级，即极重要、重要和一般重要(见图7).2010−2020年，与防风固沙服务和水源涵养服务相比，土壤保持服务极重要区域和重要区域面积占比较低，且均呈现减少的变化态势，一般重要区域面积占比保持增长，工程建设区土壤保持服务重要性整体有所下降；防风固沙服务极重要区域和重要区域面积占比呈现先较少再增长的变化态势，而一般重要区域面积占比变化态势与之相反，但整体有所增长；水源涵养服务重要性各等级面积占比则变化不大.

3.4 各工程分区成效评价

工程建设区及各工程分区内评估指标变化情况如图8所示. 在非生态保护修复期内，除了土地覆被转类指数外，工程建设区内各项评估指标均有所下降，即生态用地面积占比减少、生态系统质量降低、生态系统服务下降；在经过系统地生态保护修复后，工程建设区内各项指标均有所增长，其中生态系统质量指数(11.01%)和防风固沙服务指数(13.49%)增长明显.

图 5 2010年、2015年、2020年额河流域各工程分区生态系统质量等级面积占比Fig.5 Area proportion map of ecosystem quality grade of each project area in Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

北部工程分区主要为阿尔泰山脉南麓的山地丘陵地区，作为额尔齐斯河的发源地，该地区林地和草地广布，生态本底良好，属于国家级及省级禁止开发区. 在非生态保护修复期内，该工程分区由于农田开发等人类活动存在生态系统退化、生态系统服务功能退化等问题；由于该工程分区主要以保护性开发为主，人类强度较低，在生态保护修复期内，通过退耕还林还草还湿等措施，加大林草植被修复，扩大生态用地面积，同时加强退化、老化林地的更新抚育，强化低效林改造和宜林地造林，该工程分区生态系统质量、生态系统服务得到明显提升.

中部工程分区包含额尔齐斯河流域和乌伦古河流域，地形以山地丘陵和山前冲积平原为主，主要起到“两河一湖”生态缓冲调节作用. 该工程分区内地势平坦、水资源丰富，是人类生产生活的集中区域，城镇和农牧区农业开发、大型引水设施修建、矿山开采等人类活动造成了湿地萎缩、河谷生态退化等生态问题[19,24]；在生态保护修复期内主要围绕“两河一湖”主要河道开展综合治理，重建河湖生态缓冲带，修复河湖湿地生境. 通过图4对比可以看出，2020年两河下游地区生态系统质量明显提升，同时防风固沙指数提升明显，而其他各项指标下降的变化趋势相较非生态保护修复期并未好转.

图 6 2010年、2015年、2020年额河流域生态系统服务空间格局Fig.6 Spatial distribution of each ecosystem service in Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

图 7 2010年、2015年、2020年额河流域生态系统服务重要性分级面积占比Fig.7 Proportion of different ecosystem service importance levels in Irtysh River Basin in 2010, 2015 and 2020

图 8 2010—2015年与2015—2020年额河流域各工程分区成效评价指标变化对比Fig.8 Comparison of changes in effectiveness evaluation indicators of each project sub-area in Irtysh River Basin between 2010-2015 and 2015-2020

南部工程分区主要为阿勒泰地区南部的低山丘陵荒漠区，属于国家级重点开发区以及自治区级禁止开发区，区域内常年无地表径流，植被类型以小半乔木梭梭、灌木沙拐枣等典型的沙生植物为主，植被群落盖度较低[30]. 由于该工程分区生态系统本底十分脆弱，在生态保护修复期内，除生态系统质量指数和防风固沙指数两项指标出现反弹开始增长外，其他各项指标均呈现明显减少的变化趋势.

基于上述各评价指标的变化情况，对工程建设区及各分区生态保护修复成效进行综合打分，额河流域“山水林田湖草”生态保护修复工程建设实施后，工程建设区生态保护修复成效综合指数由14.93增至48.02，其他各工程分区内指数变化情况由北至南逐渐变差，其中北部工程分区由18.44增至48.53，中部工程分区由12.84增至22.80，南部工程分区由16.88减至16.67.

整体上，工程建设区生态保护修复工程成效显著，经过系统的生态保护修复建设后，工程建设区各项指标趋势向好，生态系统格局与生态系统质量显著改善，生态系统服务有不同程度的提升. 在空间上，由北至南各工程分区生态保护修复工程实施成效差异明显，由于工程建设区的中部及南部地区属于干旱生态环境区，生态系统本身极为脆弱，因此有必要减少人类活动对地区自然生态系统的干扰，控制耕地扩张规模，不断加大自然恢复力度，稳定湿地面积，有效恢复生态空间，增强生态系统服务功能.

4 讨论

构建科学准确的生态保护修复成效评估方法体系，对于反映“山水林田湖草”生态保护修复工程的实施成效及开展长效生态保护修复工作具有重要意义. 该研究基于“格局-质量-服务”的评估框架和“状态-趋势”的评价模式选取具体的评价指标评估额河流域生态保护修复成效，是在时间序列对比评估法基础上的大空间尺度生态保护修复成效评估方法的探索和实践，将为“山水林田湖草”生态保护修复工程开展生态保护修复成效评估提供方法参考. 考虑到短时间尺度内生态系统演变主要受人类活动影响[31]，该研究在评价体系构建和评价指标选取及计算中已尽可能地避免气温、降水等自然因素对评价过程的影响，因此评价结果能够客观反映研究区“山水林田湖草”生态保护修复工程实施成效. 西北干旱半干旱地区是我国生态环境脆弱地区，区域生态环境本底脆弱，实施“山水林田湖草”生态保护修复工程对于增强区域生态系统稳定性、筑牢我国西北生态安全屏障具有重要意义，目前国家“山水林田湖草”生态保护修复工程试点已实施完成，而已有相关研究主要是针对修复模式以及体系构建[32-33]，缺乏对生态保护修复成效评估的研究讨论，因此该研究将为总结区域生态保护修复成效并为后续开展有针对性的修复工作提供重要支撑.

该研究基于已有的标准规范，通过综合指数法对额河流域工程建设区生态保护修复成效进行表征. 由于该研究中生态保护修复期和非生态保护修复期内各项指标的变化特征较为显著，因此评分标准和指标权重的选择并不会对评估结果造成决定性影响. 但在相关研究和实际应用中，有必要基于修复区域的生态区位特征，设定和选取适合的评分标准和指标权重，以增强评估结果的准确性. 同时，由于生态保护修复的成效显现具有长期性特征[34]，而通常生态保护修复过程中过多采取人工修复的工程措施，导致短期内各项指标的变化更多的是人为干预的结果，在生态保护修复工程实施结束后，区域生态系统依靠其自身演替规律和内在机理，在自然恢复的背景下生态状况变化情况更能体现生态保护修复工程的实施成效，因此在长时间尺度上建立有效的生态保护修复工程实施成效评估框架是将来有待深入研究的科学问题.

5 结论

a) 从生态系统格局角度来看，额河流域工程建设区草地生态系统和水域生态系统面积恢复明显，而林地生态系统面积略有减少，但生态用地面积整体仍有所增长；生态系统类型的生态级别由“低”向“高”转移.

b) 从生态系统质量角度来看，2010−2015年额河流域工程建设区处于“差”生态系统质量等级，且生态系统质量指数平均值处于减少的变化态势，在生态保护修复工程建设实施后，2020年工程建设区内生态系统质量指数平均值(20.29)显著提升，达到“低”生态系统质量等级.

c) 从生态系统服务角度来看，额河流域工程建设区内水源涵养服务、土壤保持服务和防风固沙服务能力均有所提升，而在中部“两河一湖”生态安全维护区和南部荒漠草原生态保育区水源涵养服务和土壤保持服务能力严重下降.

d) 根据生态保护修复成效综合指数，额河流域“山水林田湖草”生态保护修复工程实施成效显著，除南部工程分区外，工程建设区及其他各工程分区生态保护修复成效综合指数均实现不同程度的增长，有必要针对区域特征和核心问题，提出针对性的生态保护修复方案，有侧重地开展生态保护修复工程建设.