黃河流域生態質量時空變化分析

摘要

黃河流域在我國社會經濟發展和生態安全格局構建方面具有十分重要的地位，流域的生態保護和高質量發展上升為國家重大戰略，同時也面臨著生態系統退化、水土流失、濕地萎縮等生態問題.為了解黃河流域生態質量狀況及其時空變化特征，分析了黃河流域生態格局、植被、生物多樣性、生態系統功能和服務價值、縣域生態質量等多方面的數據和文獻資料。結果表明：①黃河流域大部分縣區生態質量狀況一般，植被覆蓋度由東南向西北遞減，上游地區生態系統服務價值高于中游和下游；② 2000—2018年農田生態系統面積占比持續下降，森林、水域面積占比略有增加，聚落面積占比持續上升，20世紀80年代以來整體植被覆蓋和生產力狀況得到改善，重要生態功能區的生態系統服務價值明顯提升；③大部分地區生態狀況改善幅度有限，局部仍有退化，流域的生物多樣性依然受到嚴重威脅。因此，建議在恢復植被覆蓋的基礎上，開展優化生態結構、維護生態過程的相關研究，重點關注生態敏感地區生態保護成效的評估和提升，農耕地區農田生產力對自然生態系統的影響，以及城鎮化過程對生態系統服務和生態安全的影響；同時建立黃河流域生態質量綜合監測體系，開展監測指標與技術方法的機理和應用研究，這不但是流域生態質量時空變化分析的基礎，也是生態保護恢復和管理工作的支撐。

黃河流域是我國北方重要的生態屏障，在國家“兩屏三帶”生態安全戰略格局中，是連接青藏高原、黃土高原和北方防沙帶的生態廊道；同時黃河流域也是資源豐富、人口眾多、開發歷史悠久、具有巨大發展潛力的地區，在我國社會經濟發展和生態安全方面具有十分重要的地位。由于獨特的地理位置和氣候條件，黃河流域生態十分脆弱，上游面臨生態系統退化、水源涵養功能降低的問題，中游黃土高原水土流失嚴重，下游生態流量偏低、濕地萎縮。因此，黃河流域一直是我國生態保護和建設的重點地區，針對流域突出的生態問題我國先后開展了退耕還林(還草)、水土保持、“三北”防護林等生態工程和三江源、黃河濕地等自然保護區的建設。2019年，我國提出黃河流域的生態保護和高質量發展是重大國家戰略，而掌握流域的生態質量狀況和變化特征是戰略實施的首要工作。

20世紀80年代以來，我國學者在黃河流域的生態環境變化、生態安全、生態修復等方面做了大量研究工作，但大多針對單個生態要素開展，綜合反映流域整體生態質量特征和變化的相關研究仍較缺乏。當前的生態保護策略只是針對區域存在的特定問題，尚未在全流域形成統一戰略與布局。全面了解黃河流域的生態質量狀況及其時空變化特征，不但能為下一階段流域的生態質量研究提供參考，也是流域生態保護和管理工作的基礎，是推進黃河流域高質量發展的保障。區域生態質量特征是指一定時空范圍內生態系統要素、結構和功能的綜合特征，既可以反映流域生態系統的狀況和生產能力，也可以反映生態系統結構和功能的穩定性、抗干擾和恢復能力。針對黃河流域植被退化、生態功能降低、物種減少等突出生態問題，筆者從生態格局、植被、生物多樣性、生態系統功能和服務價值、縣域生態質量等多方面對黃河流域長時間尺度的生態質量狀況進行了分析和總結，以更全面地反映黃河流域生態質量的綜合特征，為黃河流域生態保護、修復和管理工作提供參考。

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黃河流域概況

黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東九省區，干流全長5 464 km。黃河流域面積79.5×104km2(包括內流區面積4.2×104km2)，地勢西高東低，高差懸殊，形成自西而東、由高及低的三級階梯. 黃河上游指甘肅河口鎮以上地區，屬一級階梯青藏高原，流域面積42.8×104km2，海拔均在3000 m以上，其中龍羊峽水庫以上為黃河源區，總面積約13.2×104km2，海拔在4000 m以上；河口鎮至河南桃花峪為黃河中游，主要為二級階梯黃土高原地區，流域面積34.4×104km2，海拔一般為1 000~ 2 000m，地貌起伏不平，坡陡溝深；桃花峪以下為黃河下游，主要為三級階梯華北平原，流域面積2.3×104km2，海拔不超過100m，地勢低平。

黃河流域的自然植被分布受海洋季風影響，自東南向西北依次出現森林草原、干草原和荒漠草原3種植被類型地帶。由于復雜的地貌特征、多樣的植被類型和差異明顯的氣候特點，黃河流域發育出種類豐富的生態系統類型。有學者按照地形、植被覆蓋、水文等特征對黃河流域進行生態分區，其中，上游主要為草原、灌叢、荒漠、灌溉農業區，中游主要為草原、森林、灌叢、旱作農業區，下游主要為旱作農業、濕地區。

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黃河流域生態質量時空變化特征

黃河流域生態質量時空變化分析數據及來源：①生態格局分析數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心的中國陸地生態系統類型空間分布數據集，該數據集將陸地生態系統分為7類，即農田、森林、草地、水體與濕地、荒漠、聚落和其他；該文中分析數據包括2000年、2005年、2010年、2015年、2018年五期，數據格式為分辨率30 m的柵格數據. ②縣域生態質量數據來源于《中國生態環境狀況公報》，包括2017年、2018年、2019年三期，生態質量評價和分級方法參照《生態環境狀況評價技術規范》。 ③文獻資料主要來源于中國科學引文數據庫和中國知網數據庫，以黃河、植被覆蓋(ndvi)、凈初級生產力(npp)、生物多樣性(物種多樣性)、生態系統服務和功能、生態工程等關鍵詞為主題，采用模糊匹配方式對1980—2020年間的相關論文進行檢索并篩選，收集文獻共273篇。

2.1 生態格局

黃河流域生態系統類型以草地生態系統、農田生態系統和森林生態系統為主，2018年三者面積占全流域面積的比例分別為48.35%、25.08%和13.46%，其中草地在中上游地區廣泛分布；農田主要分布在上游的寧夏平原、河套平原，中游的汾渭平原和下游地區；森林主要分布在中上游的山區(見圖 1)。2000—2018年，流域內農田生態系統面積占比持續下降，森林、水域面積占比略有增加，草地面積占比先降后升；聚落面積占比持續上升，從2000年的2.20%增至2018年的3.57%(見圖 2)。

圖 1 2018年黃河流域生態系統類型分布

圖 2 2000—2018年黃河流域生態系統類型面積占比

黃河流域上游地區以草地生態系統為主，面積占比約為60%；中游地區以農田、草地和森林生態系統為主；下游地區以農田生態系統為主，面積占比超過65%。 2000—2018年，上游地區農田、荒漠生態系統面積略有下降，森林、草地、水域、聚落面積增加；中游地區農田面積下降明顯，聚落面積持續增加，其他類型面積較為穩定；下游地區農田、草地面積持續下降，水域、聚落面積穩定增加。根據邵全琴等提出的土地覆被轉類指數計算方法，得到黃河流域2000—2018年縣域尺度的生態系統轉類指數，結果顯示，流域西部和中部地區轉類指數高于東部地區，青海省生態系統狀況轉好趨勢顯著，河南省、山西省生態系統狀況以轉差趨勢為主(見圖 3)。

圖 32000—2018年黃河流域縣域生態系統轉類指數

2.2 植被

植被是敏感的環境變化指示器，能直觀地反映生態系統的狀況和變化。受日照、降水等氣象條件和地形條件影響，黃河流域植被覆蓋度表現出由東南向西北遞減的趨勢。20世紀80年代以來，黃河流域植被覆蓋度整體表現出增長趨勢，由于數據源、研究時段和分析手段的不同，各研究結果存在時空上的差異，但大部分研究認為流域內植被覆蓋度和npp增加的區域面積大于減少的區域面積，流域整體植被狀況得到改善(見表 1)。從時間變化上看，黃河流域植被覆蓋度變化可以分為3個階段：20世紀80年代至90年代末總體上表現出增加趨勢，20世紀90年代末至21世紀初期植被覆蓋度波動較大，2004年后植被覆蓋度持續增長. 黃河流域的局部地區或個別年份也存在植被退化現象，例如，在一些不易開展生態保護和建設的干旱、高寒地區，植被覆蓋受干旱氣候影響呈下降趨勢，也有研究認為2000—2010年整個流域27.7%的區域表現出植被退化趨勢，24.5%的區域植被持續退化，14%的區域無法確定植被的變化趨勢。

20世紀80年代以來，黃河流域上游地區植被覆蓋整體表現出改善趨勢，局部地區和個別時段存在波動甚至減少的現象，例如，2000—2018年甘肅段甘南州部分地區植被覆蓋顯著減少，青海省1999—2018年土地退化面積表現為先減少再增加，整體退化面積呈增加趨勢；中游地區植被覆蓋度一方面在退耕還林還草等生態工程的影響下快速增加，另一方面城市化、工業化、能源開采等活動也導致局部地區植被退化，例如，黃土高原npp在2000年后顯著增長，黃土高原西北部、經濟發展相對比較快的關中地區、省會(首府)城市及其地區中心城市植被生長季ndvi顯著減少，汾渭盆地太原至西安一線的帶狀區域及一些城市的城郊區域植被退化趨勢明顯；下游地區植被覆蓋度分析以黃河三角洲為主要研究對象，npp均值和總量呈先下降又略微增長的特征，整體仍表現出下降趨勢，濕地植被面積縮減是npp降低的主要原因。

利用遙感技術評價植被覆蓋和生長狀況受到影像分辨率、陰影、水汽等因素的影響，導致評價結果可能存在誤差；同時現有ndvi、npp等數據產品空間分辨率較低，只能反映植被特征的大致分布規律，因此加強地面監測和驗證工作，同時提高數據產品及模型模擬的空間精度，才能更好地揭示黃河流域植被的時空變化特征。除氣溫和降水的影響外，人類活動對植被覆蓋具有建設和破壞的雙重影響，在中下游農田比例高的地區，植被改善與農田作物產量提高密切相關，但已有植被覆蓋變化研究尚未進一步區分農田和自然植被的變化差異，因此建議在農耕區開展農田生產力變化及其對自然生態系統的影響研究。

2.3 生物多樣性

黃河流域景觀類型多樣，生物資源豐富，已有生物多樣性研究以典型地區的生境變化和物種多樣性調查為主。由于人類活動和環境變化的影響，黃河流域的物種多樣性受到了干擾和破壞，在植被覆蓋面積整體增加的情況下，大部分地區的生物多樣性喪失問題依然嚴重。例如，黃河流域上游地區由于荒漠化等原因導致高寒草甸物種豐富度指數和多樣性指數均呈下降趨勢；中下游河岸帶由于人為干擾造成生境破碎，進而導致植物種類減少、結構簡單、多樣性降低；黃河干流的魚類資源調查結果顯示，魚類種群數量較小、分布不均勻、物種多樣性和資源量均呈明顯下降趨勢，特有種魚類退化尤為顯著。

黃河流域的濕地生態系統對生物多樣性意義重大，不但植被群落類型繁多，而且是鳥類重要的棲息地和遷徙通道上的重要節點，物種的多樣性和珍稀性價值均較高。但黃河源區的首曲濕地在氣候變暖的影響下，濕地水分喪失加劇，生境發生旱化，人工排水加劇了濕地向雜草型退化方向的演替；下游的鄭州黃河濕地由于城鎮化壓力較大，植物物種數下降，已成為典型的河岸濕地生態系統退化區域；黃河三角洲由于人工墾殖、土壤鹽漬化、水體富營養化等影響，沼澤植被萎縮、自然生境脆弱，導致物種及遺傳多樣性均受到嚴重威脅。

整體來看，黃河流域生物多樣性研究基礎相對較薄弱，目前的研究以物種多樣性為主，生態系統多樣性和遺傳多樣性研究相對較少，且缺乏多樣性的時空變化分析；由于缺乏物種和種群的長期監測數據，物種數量和規模的變化只能通過零星調查或生境狀況變化來反映。因此亟需在國家公園、自然保護區、重點生態功能區等范圍內優先開展重點物種的定期調查和長期監測，并在未來推廣至全流域，為黃河流域的生物多樣性保護和恢復工作提供數據支撐和決策依據。

黃河流域生態功能區位十分重要，在2010年國務院發布的《全國主體功能區規劃》中，三江源草原草甸濕地、若爾蓋草原濕地、甘南黃河重要水源補給、黃土高原丘陵溝壑水土保持等國家重點生態功能區均涉及黃河流域；原環境保護部2015年發布的《全國生態功能區劃》中還將黃河流域的陰山北部、鄂爾多斯高原、黑河中下游地區劃為防風固沙重要區，將西鄂爾多斯—賀蘭山—陰山地區和黃河三角洲濕地劃為生物多樣性保護重要區。

針對黃河流域典型地區的生態系統功能評估和服務價值核算已取得了大量研究成果，由于評估的指標體系、計算方法和時空尺度不同，導致研究結果存在一定差異，但整體來看黃河中上游地區生態系統服務價值的改善趨勢顯著。例如：劉耕源等對黃河流域生態系統服務價值的核算結果表明，上游地區生態系統服務價值最大，中游次之，下游最小，2000—2015年流域整體生態系統服務價值有顯著改善；上游的瑪多縣、甘南藏族自治州等地區生態系統服務價值明顯增加；中游黃土高原生態系統服務價值增速顯著提高，總價值呈持續增加態勢，土壤保持、水文調節服務價值增強，植被固碳服務價值提高，特別是黃土丘陵溝壑區，植被恢復明顯，生物量(植被固碳)和糧食產量顯著增加。值得注意的是，下游的山東省和河南省2000—2015年生態系統服務價值明顯下降，在整體水域面積增加的情況下，濕地仍然面臨生境退化、生態系統服務價值減少的壓力，如黃河三角洲濱海濕地碳儲量減少，生態系統服務價值整體下降。

也有研究認為黃河流域目前生態系統服務價值的改善只是低水平的提升，例如，黃河源區2000年生態系統服務價值有所改善，但對比1977年仍有較大差距；同時中上游也有局部地區的生態系統服務功能有所下降，如20世紀90年代以來黃土高原生態系統服務功能在整體改善的情況下，中部局部地區變差趨勢明顯。生態系統功能本身是極其復雜的綜合過程，已有研究大多是在生態系統類型面積變化的基礎上分析生態系統服務價值的變化，隨著生態保護工作的深入開展，未來可以從改善生態結構、維護生態過程等方面探索提高生態系統服務水平的技術和方法，為生態保護成效評估、生態補償決策等工作提供支撐和依據。

2.5 縣域生態質量特征

黃河流域縣域生態質量狀況以“一般”和“良”為主，二者在黃河流域的面積占比分別為44.3%和37.6%。其中，黃河源區及中游地區生態質量以“良”為主，其余大部分地區生態質量“一般”。黃河中游部分縣域生態質量為“較差”和“差”，在黃河流域的面積占比分別為15.6%和0.2%. 渭河流經部分縣域的生態質量為“優”，在黃河流域的面積占比為2.3%(見圖 4)。

圖 42019年黃河流域縣域生態質量狀況

2017—2019年，黃河流域生態質量呈“優“良”和“一般”的縣域個數呈增加趨勢，“優”和“良”的面積占比呈增加趨勢，“一般”的面積占比保持穩定，“較差”和“差”的面積占比呈下降趨勢(見表 2)。

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生態保護和修復工程

為遏制黃河流域生態惡化態勢，我國先后啟動了小流域治理、水土保持、天然林保護、退牧還草、退耕還林(還草)、坡耕地整治、濕地保護等生態保護和修復工程，經過數十年的建設，工程的實施為提高區域植被覆蓋面積、提升生態系統功能、保護濕地生物多樣性做出了重要貢獻(見表 3)。20世紀90年代黃河流域氣候相對干燥，不利于植被生長，但是植被覆蓋度總體處于上升趨勢，這與植樹造林、水土流失治理等生態保護和建設工作的開展密不可分。

黃河流域的生態工程已經取得了廣泛的生態效益和社會經濟效益，開展工程的生態保護成效評估對于明確工程的有效性、適宜性和貢獻度等均具有重要意義。生態工程對區域生態質量的影響不僅表現在植被覆蓋面積增加和生產力提高方面，還表現為生態結構的穩定和生態系統服務能力的提升，因此亟需開展如工程造林的穩定性、抗干擾和恢復能力，工程所用植物的種類和布局對生態系統服務價值的影響，以及工程對區域生物多樣性的影響等研究。另外，生態工程和氣候變化對生態系統可能產生相互促進、相互抵消或加速惡化的疊加影響，因此在評估生態保護成效時需要定量劃分生態工程地區各類植被生產力動態驅動因子，科學區分氣候變化和生態工程的影響，準確評估生態工程在區域生態質量變化中的作用。

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結論與展望

a) 黃河流域生態系統類型以草地、農田和森林為主，受日照、降水等氣象條件和地形條件影響，植被覆蓋度由東南向西北遞減；上游地區草地面積最大，生態系統服務價值最高，其中黃河源區縣域生態質量較好；中游地區農田面積占比最高，草地次之，南部的縣域生態質量好于北部；下游地區農田面積接近70%，生態系統服務價值最低. 隨著退耕還林(還草)、水土保持、濕地保護等生態工程的實施，黃河流域農田面積減少，森林、水體和濕地面積增加，整體植被覆蓋度和生產力狀況得到改善，重要生態功能區的生態系統服務價值明顯提升，西部生態系統狀況轉好趨勢顯著，生態工程取得了廣泛的生態效益和社會經濟效益。但是，流域大部分地區生態質量狀況一般，中游部分縣域生態質量為“較差”和“差”，且受氣候變化和人類活動影響較大；目前的植被覆蓋增加和生態系統服務價值改善只是低水平的提升，局部地區仍有生態系統狀況退化的情況，特別是整個流域生物多樣性喪失的問題持續存在. 同時，流域內城鎮化進程加快，聚落面積持續增加，人類活動的影響不斷加深，生態保護與恢復的形勢依然嚴峻。

b) 已有的黃河流域生態質量相關研究多集中在植被覆蓋變化和生態系統服務價值評價方面，對生態工程的保護和修復成效研究內容相對單一。隨著生態保護工作的深入開展，在提高植被覆蓋面積的基礎上，優化生態結構、維護生態過程，對于提升黃河流域生態系統功能和提高生態系統服務價值將發揮越來越重要的作用。結合黃河流域生態保護和高質量發展的國家戰略需求，建議未來研究從以下幾方面開展：在黃河源區、黃土高原、黃河三角洲等生態敏感區，重點關注生態保護成效定量評價研究以及生態工程保護恢復成果的鞏固和提升，例如，在生態保護成效評估中明確氣候變化對生態工程的影響，有利于更好地判斷工程和氣候變化在生態系統恢復中的貢獻；在河套平原、汾渭平原、下游平原等傳統農耕區，重點關注農田土壤質量、生產力變化及其對自然生態系統的影響；在城鎮周邊過渡地區，重點關注城鎮化過程對生態系統服務及生態安全的影響。

c) 由于黃河流域復雜的生態系統特征和現實的生態問題，準確、全面地掌握流域生態質量狀況和變化趨勢依賴于長期穩定的生態系統監測和調查。特別是生物多樣性保護相關研究工作，亟需在國家公園、自然保護區、重點生態功能區等范圍內優先開展重點物種的定期調查和長期監測，以便及時更新物種及種群基礎數據庫，為合理評價生物多樣性價值、深入分析生物多樣性的脅迫因素等研究提供支撐。建立黃河流域生態質量綜合監測體系，將遙感監測、無人機調查、地面定位站點長期觀測及典型地區實地調查結合起來，開展監測指標作用機理、基值和變化臨界值確定以及監測調查數據質量控制等方面的研究，也是黃河流域生態質量未來的研究方向。