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2023 , Vol. 78 >Issue 5: 1104 - 1118

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202305004

高原生态与植被

青藏高原生态系统功能稳定性演化特征及分区

  • 王欠鑫 , 1, 2 ,
  • 曹巍 , 1 ,
  • 黄麟 1
展开
  • 1.中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101
  • 2.中国科学院大学，北京 100049
曹巍(1982-), 男, 湖北武汉人, 博士, 副研究员, 主要从事区域生态系统评估研究。E-mail:

王欠鑫(2000-), 女, 四川广元人, 硕士生, 主要从事生态环境遥感与信息系统研究。E-mail:

收稿日期: 2022-11-28

  修回日期: 2023-05-06

  网络出版日期: 2023-05-27

基金资助

第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0404)

收起

Evolutionary characteristics and zoning of ecosystem functional stability on the Qinghai-Tibet Plateau

  • WANG Qianxin , 1, 2 ,
  • CAO Wei , 1 ,
  • HUANG Lin 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2022-11-28

  Revised date: 2023-05-06

  Online published: 2023-05-27

Supported by

The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research Program(2019QZKK0404)

Fold

摘要

作为地球“第三极”的青藏高原是中国重要的生态安全屏障区，也是全球气候变化的生态敏感区，日益加剧的气候变化对其生态系统功能及稳定性也构成了重大挑战。本文首先分析了2000—2020年青藏高原生态系统格局及其水源涵养、土壤保持、防风固沙等关键功能的时空变化特征，明晰了生态系统功能及其重要性的区域差异，进一步评估了生态系统功能的稳定性状态，将为青藏高原打造生态文明高地、实施保护和修复工程奠定科学基础。结果表明：① 2000—2020年青藏高原湿地面积增加而草地面积明显减少，水源涵养和防风固沙能力有所改善，年变化率分别为3.57 m3/(hm2·a)、0.23 t/(hm2·a)，但土壤保持量整体却呈下降趋势，年变化率为-0.16 t/(hm2·a)；② 青藏高原水源涵养、土壤保持和防风固沙功能的核心区面积占比分别为12.7%、13.9%和14.2%，其中水源涵养核心功能区以藏东南、三江源、若尔盖为主，防风固沙核心功能区集中在高原中西部，土壤保持核心功能区则环绕高原；③ 2000—2020年青藏高原水源涵养、土壤保持以及防风固沙功能在高原东南部、中部呈现较高的稳定性，而在高原西部稳定性相对较弱，结合稳定性评估与生态保护修复实践，可将青藏高原区划为三大类16个生态系统功能区，针对不同核心生态系统功能与不同分区开展差异化的生态保护与修复。

关键词： 青藏高原; 生态系统功能; 重要性; 稳定性; 时空变化

本文引用格式

王欠鑫 , 曹巍 , 黄麟 . 青藏高原生态系统功能稳定性演化特征及分区[J]. 地理学报, 2023 , 78(5) : 1104 -1118 . DOI: 10.11821/dlxb202305004

Abstract

As the third pole of earth, the Qinghai-Tibet Plateau is an important ecological security barrier in China and an ecologically sensitive area of global climate change. The increasing climate change has posed a major challenge to its ecosystem function and stability. This paper first analyzes the spatiotemporal variation characteristics of the ecosystem pattern of the Qinghai-Tibet Plateau and its key functions including water conservation, soil conservation, windbreak and sand fixation from 2000 to 2020, clarifies the regional differences in ecosystem functions and their importance, and further evaluates the stability of ecosystem functions. And there is no doubt that the stable state will lay a scientific foundation for the plateau to build an ecologically civilized highland and launch protection and restoration projects. The results show that: (1) From 2000 to 2020, the wetland area of the study area increased and the grassland area decreased significantly. The water conservation and windbreak and sand fixation capacity were improved, and the annual change rates were 3.57 m3/(hm2·a) and 0.23 t/(hm2·a), respectively. However, the overall soil conservation showed a downward trend with an annual change rate of -0.16 t/(hm2·a). (2) The core areas of water conservation, soil conservation and windbreak and sand fixation accounted for 12.7%, 13.9% and 14.2%, respectively. The core water conservation barrier areas were mainly located in southeast Tibet, Sanjiangyuan and Ruoergai. The core windbreak and sand fixation areas were concentrated in the central and western parts of the plateau, and the core soil conservation areas surrounded the plateau. (3) From 2000 to 2020, the water conservation, soil conservation, and wind protection and sand-fixation functions have shown relatively high stability in the southeastern and central parts of the plateau, while relatively weak stability in the western part of the plateau. Combining stability assessment and ecological protection and restoration practices, we can divide the Qinghai-Tibet Plateau into three major categories of 16 ecosystem function zones and carry out differentiated ecological protection and restoration for different core ecosystem functions and zones.

Key words： Qinghai-Tibet Plateau; ecosystem function; importance; stability; spatiotemporal variation

1 引言

生态系统服务是人类直接或者间接从生态系统功能中获得的产品和服务，对于地球生命支持系统的运转不可或缺[1]，是人类社会赖以生存和发展的基础。由于人类活动对生态系统的干扰日益加剧，生态系统服务功能不断衰减[2]。通过近20年生态保护和修复，中国各类自然生态系统恶化趋势基本得到遏制，重点生态功能区生态服务功能稳步提升，国家生态安全屏障骨架基本构筑[3]。然而，中国自然生态系统总体仍较为脆弱，部分地区重发展、轻保护所积累的矛盾愈加凸显[4-5]。中国在不同区域的生态建设目标与生态保护重点各不相同，导致在实际研究生态系统功能问题上，研究人员往往会根据生态系统服务和资源环境条件的空间分异规律，对区域生态系统功能区进行划分[6]。中国对于生态系统稳定性的研究起步较晚[8]，黄建辉[9]、柳新伟等[10]最早对生态系统稳定性进行了理论阐述，陈集景等[11]综述了陆地生态系统稳定性的定义、空间格局及其影响机制，并提出目前研究存在的一些问题，此外针对一系列区域生态环境稳定性的评价模型[12]和评估方法[13-14]也为区域生态空间结构的调整和管控提出了策略。生态系统功能的好坏对维护生态系统的稳定性至关重要，但很少有学者从定量的角度评估生态系统功能的稳定性，如何促进区域生态质量和服务功能的稳步提升，全面构筑生态安全屏障，仍是今后较长时期生态保护和修复的核心目标。
青藏高原作为全球生物多样性保护热点地区和全球气候变化的敏感区，是中国乃至亚洲水资源的战略要地以及生态安全屏障的战略高地[15]。对于青藏高原生态功能，现有研究往往局限于某一种服务功能[16]或是某一典型区域服务功能的评估，比如三江源[17-18]、那曲市[19]、长江源区[20]、玉树州[21]等。然而，由于缺乏长时间序列上青藏高原生态系统主要功能及其变化的分析，难以全面掌握高原生态系统功能的整体状况，难以明晰生态系统功能重要性及稳定性变化，不利于深入地生态保护和修复，并且目前对青藏高原生态系统功能重要性和稳定性研究也并不多见。水源涵养、土壤保持、防风固沙、碳固定和生物多样性保护是青藏高原生态安全屏障的主要功能[15,22]，故而本文基于水源涵养、防风固沙、土壤保持核心功能量化估算及时空变化分析，评估其生态系统功能及重要性、稳定性，并对青藏高原具有重要生态系统功能的生态系统进行分区，研究结果可为青藏高原生态系统功能维护、不同区域生态系统的保护与修复提供必要的科学支撑，对青藏高原地区的可持续发展至关重要。

2 数据与方法

2.1 研究区域与数据来源

青藏高原是全世界最高、最年轻而水平地带性和垂直地带性紧密结合的自然地理单元。地形复杂，地势西高东低[23-24]。高原腹地年平均温度在0 ℃以下，大部分地区最暖月平均温度也不足10 ℃。青藏高原生态系统类型包括草地、森林、农田、湿地、城镇以及荒漠，以草地生态系统为主，约占高原面积的59%，森林约占10.4%，集中分布在高原东南部，荒漠约占10.4%，主要分布在高原北部。
本文的数据来源如下：
（1）生态系统类型数据。① 中国科学院资源环境科学数据中心的土地利用与土地覆盖变化数据集（LUCC）[25]（数据源ⅰ）；② 基于谷歌地球引擎（GEE）卫星数据的中国年度土地覆盖数据集（CLCD）[26]（数据源ⅱ）；③ GlobeLand30的中国区域数据[27]（数据源ⅲ）。基于前述土地利用与覆盖类型，转换为农田、森林、草地、湿地、聚落等生态系统类型，得到空间分辨率为30 m的2000年、2010年、2020年青藏高原生态系统空间分布数据，在此基础上计算LUCC和CLCD以及GLobeland 30生态系统类型分类一致的空间分布数据（数据源ⅳ）。
（2）土壤数据。1∶100万土壤类型图所附的土壤属性表和空间分布数据来源于西部环境与生态科学数据中心，采用Nomo图法估算得到土壤可蚀性因子。
（3）气象数据。在中国气象科学数据共享服务网（http://data.Cma.cn）收集2000—2020年青藏高原的降雨量、气温、风速等国家气象台站日值观测数据，将日值观测数据进行合成得到月尺度和年尺度的观测数据集，采用ANUSPLIN插值平台，根据不同要素的特点，选择引入不同协变量（高程、坡度、坡向等）以及样条次数进行空间插值，采用国家基准站和基本站的观测数据进行验证，遴选出插值结果精度最高的插值方案得到降雨量、气温、风速等的格点数据集，空间分辨率为1 km，再采用章文波等[28]的方法估算降雨侵蚀力。
（4）地形数据。数字高程模型（DEM）数据来源于地理空间数据云平台（https://www.gscloud.cn），下载SRTM3V4.1版本的DEM数据，空间分辨率为90 m，根据McCool等[29]和Liu等[30]的核心算法计算坡度和坡长因子。
（5）自然保护区与生态保护和修复重大工程数据。自然保护区数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心全国自然保护区边界数据，生态保护和修复重大工程数据收集来源于国家林业和草原局政府网（https://www.forestry.gov.cn/）发布的《北方防沙带生态保护和修复重大工程建设规划（2021—2035年）》《东北森林带生态保护和修复重大工程建设规划（2021—2035年）》《南方丘陵山地带生态保护和修复重大工程建设规划（2021—2035年）》《青藏高原生态屏障区生态保护和修复重大工程建设规划（2021—2035年）》等。

2.2 生态功能量化方法

2.2.1 水源涵养功能量化

本文利用改进参数的降水贮存量法估算青藏高原森林、草地、湿地等的水源涵养量，该方法适用于较大时空尺度生态系统水源涵养量的估算，具体参数改进与计算过程详见参考文献[31]。

2.2.2 土壤保持功能量化

利用土壤保持量评估土壤保持功能变化，该指标为没有植被覆盖状况下潜在土壤侵蚀模数与现实状况下土壤侵蚀模数的差值[32]。计算公式如下：
A r e t e n t i o n = A p o t - A a c t
式中： A r e t e n t i o n为土壤保持量（t/hm2）； A p o t为潜在土壤侵蚀模数（t/hm2）； A a c t为现实状况下的土壤侵蚀模数（t/hm2），其中土壤侵蚀模数采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE）来计算[33]。

2.2.3 防风固沙功能量化

防风固沙是生态系统通过其结构与过程减少风蚀导致土壤侵蚀的作用[34]，主要与风速、土壤、地形和植被等因素密切相关，本文用防风固沙量作为防风固沙功能服务的评估指标，该指标为裸土条件下的潜在风蚀量与有植被覆盖条件下实际风蚀量的差值。计算公式如下：
S L s v = S L s - S L v
式中： S L s v表示潜在防风固沙量（kg/m2）； S L s表示潜在土壤风蚀量（kg/m2）； S L v表示实际土壤风蚀量（kg/m2），其中土壤风蚀量则采用修正的风蚀方程（RWEQ）来计算[35-36]。

2.3 生态功能评估方法

2.3.1 生态功能重要性评估

生态系统功能受人类活动影响，同时也与人类的自身利益息息相关，因此本文依据《生态保护红线划定指南》[34]中的生态系统功能重要性评估方法对主要生态功能进行了重要性识别，以水源涵养功能为例，对归一化的水源涵养功能量进行从高到低排序并计算累加值，将累加的水源涵养功能量占其功能总量比例50%与80%所对应的栅格值作为生态系统功能评估分级的分界点，根据这两个分界点，在ArcGIS中将水源涵养功能重新划分为极其重要区域、重要区域和一般重要区域3个级别，极重要区域为生态功能的核心区域。

2.3.2 生态功能变化趋势分析

采用最小二乘法来计算水源涵养、土壤保持和防风固沙的年变化趋势，计算公式如下：
S = n × ∑ i = 1 n i × X i - ∑ i = 1 n i ∑ i = 1 n X i n × ∑ i = 1 n i 2 - ( ∑ i = 1 n i ) 2
式中： S为某一生态功能的变化趋势，如果大于0，说明该生态系统功能在此时间段的变化趋势是呈增加趋势，反之则呈减少趋势； X i为第i年的生态系统服务值； n为总年数。
生态系统是形成各类功能的载体，然而不同生态系统数据存在一定的差异，因此本文对于不同生态系统功能变化研究仅考虑LUCC和CLCD以及GLobeland30数据在2010年分类完全一致的区域。

2.3.3 生态功能稳定性评估

生态系统稳定性指数公式如下：
E S I i = 10 ,                                                                                                                                               c v i ≥ c v m a x 10 + ( c v m a x - c v i ) ( 100 - 10 c v m a x - c v m i n ) ,           c v m i n < c v i < c v m a x 100 ,                                                                                                                                           c v i ≤ c v m i n
式中： E S I i为某一像元 i的某一类生态功能稳定性，数值越大稳定性越高； c v i为某一像元 i的某一类生态功能多年变异系数； c v m a x为研究区域某一类生态功能多年变异系数的上限； c v m i n为研究区域某一类生态功能多年变异系数的下限。
根据生态系统功能稳定性分布特点，采用等间距分割法对每个生态系统功能稳定性进行分类，当ESI > 95时，生态系统功能稳定性为极稳定，ESI在85~95时为稳定，ESI在75~85为弱稳定，ESI在65~75为不稳定，ESI < 65为极不稳定。将各生态系统功能稳定性与CLCD数据2000—2020年来不变的生态系统类型进行综合制图，得到各生态系统功能的稳定性类型，其中A、B、C分别表示水源涵养、土壤保持、防风固沙功能，a、b、c则表示生态功能稳定性为弱稳定、稳定、极稳定，I~V依次代表农田、森林、草地、湿地、荒漠生态系统类型。

2.4 生态系统功能分区方法

中国在国家生态安全格局构建上，日渐形成了以自然保护区为核心，重点生态功能区、生物多样性保护优先区为重要补充的自然保护地体系[37]。因此，本文基于青藏高原各功能核心区域分布、稳定性评估的类型以及生态系统类型，将自然保护区作为重要区域、青藏高原生态保护和修复重大工程区域作为具有生态问题并重点需要修复区域，再结合不同的地理单元、行政单元的特点将青藏高原划分为3大类16个区域：A1~A6是以水源涵养为核心的生态系统功能区，B1~B5是以土壤保持为核心的生态系统功能区，C1~C5是以防风固沙为核心的生态系统功能区。然后针对不同的类型ABC、不同的地理单元（1~6）以及其核心生态功能定位、面临的主要生态问题等，确定不同区域需采取不同的措施，比如针对气候变化敏感的应对或适应措施、针对人类开发建设的修复措施、针对草原湿地退化的生态保护措施、针对生态资源的资产管理措施等。

3 结果分析

3.1 生态系统宏观格局变化

2000—2020年青藏高原湿地生态系统面积显著增加，约增加2079.4~11769.8 km2，草地生态系统面积明显减少，约减少2194.7~9807.9 km2（表1）。2000—2010年与2010—2020年相比，草地面积呈现明显的持续减少趋势，湿地面积呈现显著地持续增加趋势。由于不同来源生态系统类型数据的差异，农田、森林的面积变化趋势差异较大，以减少为主。
表1 2000—2020年青藏高原生态系统类型面积变化(km2)

Tab. 1 Changes in the area of ecosystem types on the Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2020 (km2)

年份 数据源 生态系统类型
农田 森林 草地 湿地 城镇 荒漠 其他
2000—2010年 i -147.4 -154.2 -715.7 602.5 432.1 -52.9 36.2
ii -516.6 4546.6 -1441.5 7705.5 47.1 -18980.8 8639.7
iii -75.9 241.7 -36284.7 7197.6 202.0 21188.9 7534.0
iv -420.5 -3249.8 -16470.0 1722.4 6.2 16458.5 259.6
2010—2020年 i -130.5 -106.1 -1478.9 1476.9 591.8 -553.2 201.6
ii -939.2 2499.9 -1748.5 4064.2 24.8 6901.9 -10803.3
iii 3885.9 -294.9 -83176.1 7741.2 2038.7 56565.5 13241.2
iv -269.1 -10938.3 -214780.0 7247.4 2.2 47699.7 -5776.2
2000—2020年 i -277.9 -260.4 -2194.7 2079.4 1024.0 -606.1 237.8
ii -1455.9 7046.6 -3190.0 11769.8 71.9 -12078.9 -2163.6
iii 3810.0 -53.3 -9807.9 3815.4 2240.7 77754.4 20775.2
iv -689.6 -14188.1 -231250.0 8969.8 8.4 64158.2 -5516.6
3套数据在2000年、2010年、2020年的生态系统类型一致的区域面积分别占高原面积的59.9%、59.8%、52.7%。结果表明，青藏高原农田、草地、森林面积皆呈减少趋势，而湿地、城镇、荒漠面积都有不同程度的增加（图1）。
图1 2020年青藏高原不同数据源类型一致的生态系统空间分布

注：基于自然资源部标准地图服务网站GS(2020)4630号标准地图制作，底图边界无修改。

Fig. 1 Spatial distribution of ecosystems with different data source types in the Qinghai-Tibet Plateau in 2020

3.2 生态系统功能及时空变化

3.2.1 生态系统功能分布特征

2000—2020年青藏高原生态系统功能物质量中，水源涵养量约1186.98亿m3/a，单位面积水源涵养量约459.38 m3/(hm2·a)，整体呈现东南部高、西北部低，自东南部向西北部逐渐降低的空间分布特征（图2a），水源涵养功能的极重要与重要区域主要分布在藏东南，分别占青藏高原面积的比例为12.7%、24.6%（图2d）。土壤保持量约为127.98亿t/a，单位面积土壤保持量约49.60 t/(hm2·a)，高值多分布于高原南部（图2b），土壤保持功能的极重要与重要区域占比为13.9%、22.0%（图2e）。防风固沙量为20.34亿t/a，单位面积约8.29 t/(hm2·a)，高值集中于高原中部而低值多出现在西北部和东南部（图2c），极重要与重要区域主要位于中西部（图2f），对应面积占比分别为14.2%与25.4%。
图2 2000—2020年青藏高原生态系统水源涵养、土壤保持、防风固沙功能的多年平均单位面积物质量及其重要性分类的空间分布

Fig. 2 Spatial distribution of annual mean mass per unit area and its importance classification of water conservation, soil conservation, windbreak and sand fixation functions in the Qinghai-Tibet Plateau ecosystem from 2000 to 2020

作为“亚洲水塔”，青藏高原生态系统水源涵养生态系统功能核心区集中分布在藏东南林区、三江源区、高原中部那曲地区，生态系统土壤保持功能核心区主要分布于高原东部、一江两河、及西北角区域，防风固沙功能核心区域则位于藏北羌塘高原、柴达木盆地以及共和盆地等荒漠地区。

3.2.2 生态系统功能时空变化

2000—2020年青藏高原生态系统水源涵养功能量整体呈现波动中上升趋势，年变化率为3.57 m3/(hm2·a)（图4a）。森林的水源涵养功能量远高于其他生态系统类型，且呈不断上升趋势，草地水源涵养功能量基本不变，湿地水源涵养功能量则呈轻微下降趋势（图4b）。2000—2020年生态系统土壤保持功能量整体呈波动中下降趋势，年变化率为-0.16t/(hm2·a)（图4d)。2000—2020年森林土壤保持功能量不断波动但整体基本不变，远高于其他生态系统类型，草地土壤保持功能量呈轻微下降趋势，荒漠和农田土壤保持功能量变化较小（图4e）。2000—2020年生态系统防风固沙功能量整体呈现波动中上升趋势，年变化率为0.23 t/(hm2·a)（图4g）。草地防风固沙功能量高于其他生态系统类型，在2002年达到最低后呈波动中不断上升趋势，荒漠与农田的防风固沙功能量变化趋势与草地生态系统类型基本一致，而森林的防风固沙功能量基本不变（图4h）。
图3 2000—2020年青藏高原重要生态系统功能核心区域分布

Fig. 3 Distribution of functional core regions of important ecosystems on the Qinghai-Tibet Plateau in recent 20 years

图4 2000—2020年青藏高原水源涵养功能量、土壤保持功能量、防风固沙功能量的年际变化统计

Fig. 4 Interannual variation statistics of water conservation function, soil conservation function, windbreak and sand fixation function over the Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2020

青藏高原生态系统水源涵养功能核心区以森林为主，藏东南森林水源涵养功能量呈现明显增加趋势，大于100 m3/(hm2·a)，高原大部分区域不足10 m3/(hm2·a)，而高原东南角和北部的部分区域则呈-10 m3/(hm2·a)的减少趋势（图5a）。2000—2010年高原水源涵养功能量约444.43 m3/(hm2·a)，整体呈轻微上升趋势，年变化率约1.10 m3/(hm2·a)。2010—2020年水源涵养功能量约476.69 m3/(hm2·a)，呈较为明显的上升趋势，年变化率约7.76 m3/(hm2·a)，整体上表现为东南增加、西北减少。土壤保持功能核心区也以森林为主，一江两河区域森林土壤保持功能量呈现明显增加趋势，而高原西北部呈-5 t/(hm2·a)的减少趋势（图5b）。2000—2010年高原土壤保持功能量约50.31 t/(hm2·a)，整体呈轻微增加趋势，年变化率约0.09 t/(hm2·a)。2010—2020年土壤保持功能量约48.93 t/(hm2·a)，呈明显的下降趋势，年变化率约-0.49 t/(hm2·a)，整体上表现为南部增加，西北减少。防风固沙功能核心区则以草地与荒漠为主，柴达木盆地荒漠防风固沙功能量呈现明显增加趋势，大于2 t/(hm2·a)，藏北羌塘高原草地防风固沙功能量呈轻微增加趋势，约1 t/(hm2·a)，高原大部分区域稳定不变（图5c）。2000—2010年高原防风固沙功能量约7.05 t/(hm2·a)，整体呈轻微增加趋势，年变化率约0.05 t/(hm2·a)，整体上表现为中西部减少，四周稳定不变。2010—2020年防风固沙功能量约9.44 t/(hm2·a)，呈明显的增加趋势，年变化率约0.35 t/(hm2·a)，整体上表现为中西部增加，四周稳定不变。
图5 2000—2020年青藏高原水源涵养功能量、土壤保持功能量、防风固沙功能量的时空变化分布

Fig. 5 Spatial and temporal variations of water conservation function, soil conservation function, windbreak and sand fixation function over the Qinghai-Tibet Plateau during 2000-2020

3.3 生态系统功能稳定性分析及分区

从单个生态系统功能的稳定性来看（图6a~6c），水源涵养、土壤保持以及防风固沙系统功能在高原东南部、中部等大部分区域均很稳定，ESI指数大于85。高原西部的水源涵养功能不稳定，有的区域ESI指数不到65。高原北部土壤保持功能呈弱稳定，一江两河及高原中部和西部零星区域呈不稳定。防风固沙功能呈不稳定状态的区域相对较多，羌塘高原西北与北部部分区域防风固沙功能极不稳定，特别是尼玛县、民丰县部分区域的ESI指数低于40。从生态系统功能核心区域来看（图6d~6f），3种生态系统功能皆呈现稳定甚至极稳定状态，反映了青藏高原2000—2020年生态保护成效显著。
图6 2000—2020年青藏高原水源涵养、土壤保持、防风固沙生态系统功能稳定性分布

Fig. 6 Stability distribution of ecosystem functions for water conservation, soil conservation, windbreak and sand fixation over the Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2020

图7 青藏高原生态系统功能分区

Fig. 7 Service function partition of the Qinghai-Tibet Plateau ecosystem

水源涵养生态系统功能区（A）：A1、A2以森林为主，核心生态系统功能稳定，以AbⅡ、AcⅡ为主，需要增强天然林保护措施、减少森林破坏以适应气候变化；A3~A5以草地稳定型（AbⅢ）为主，应加强高寒草原综合治理等保护修复措施，其中A3还需强化甘南高寒沼泽湿地保护，A4重点保护扎陵湖、鄂陵湖、冬格措纳湖等黄河源头湿地及野生动植物，A5聚焦雅鲁藏布江上游玛旁雍措等源头湿地；A6为水源涵养叠加防风固沙生态系统功能区，需聚焦青海湖流域强化草原保护修复、沙化土地治理等措施。
土壤保持生态系统功能区（B）：B1、B2是以森林和草地为主的核心生态系统功能极稳定区，以BCⅡ、BcⅢ为主，B3是以森林、草地极稳定型为主的土壤保持和水源涵养双重生态系统功能区，应强化天然林和天然草原保护，抑制资源过度利用，提高森林、草原质量，整体提升生态系统功能；B4、B5以草地为主的土壤保持生态系统功能稳定型，需要加强防沙治沙和水土流失治理，遏制草原沙化趋势。
防风固沙生态系统功能区（C）：C1、C5以荒漠为主的防风固沙生态系统功能稳定型，应深入加强荒漠化防治，通过调整产业结构提升生态资源的质量和功能；C2以草地为主的防风固沙和水源涵养双重生态系统功能极稳定型，作为长江源需加大河湖保护和黑土滩型退化草原修复，开展沙化土地综合治理，提高草原生产力和生态系统功能；C3、C4以草地为主的防风固沙生态系统功能稳定型，应加强毒害草治理、鼠虫害防治、季节性休牧、生物治沙等措施，以遏制土地进一步退化和荒漠化，加大对中度及以上退化草原草甸修复治理。

4 讨论

（1）本文评估分析得出2000—2020年青藏高原水源涵养和土壤保持生态系统功能呈现自东南向西北逐渐降低的空间特点，这与张顺昌[38]、朱殿珍[39]等的研究结果整体一致，虽然近年来青藏高原的水源涵养和防风固沙能力有所提升，但土壤保持能力却呈下降趋势。这些趋势与青藏高原气候、地形和植被动态变化息息相关[40-41]，随着一系列生态保护工程的实施，青藏高原植被覆盖整体状况趋于好转[42]，然而青藏高原生态环境本底极为脆弱，草原生态系统面积依旧呈减少趋势，主要受城镇快速发展及人类活动干扰加剧等因素的影响[43⇓-45]。未来需要持续深入跟踪监测并评估草原生态系统总体状况，并且加强退化草原生态系统的修复与可持续管理[46]。对于青藏高原水源涵养、土壤保持以及防风固沙核心功能区，应该着重整体保护，而其他区域需要权衡合理利用自然资源与加强生态保护建设，努力实现经济社会生态效益最大化。
（2）生态系统功能稳定性受气候变化与人类活动共同影响。以往研究表明水源涵养功能与降水、温度等气候因素呈正相关[40,47]，青藏高原水源涵养功能在东南部大部分区域均为极稳定，而藏东南林区稳定性相对较弱表现为稳定（图6），该区域水源涵养量在2000—2020年间呈明显增加趋势（图5），并且降水和气温在该区域表现为极不稳定、不稳定（图8），这都增加了水源涵养功能的不稳定性，但该区域实施了藏东南“四江”流域重要地带防护林体系建设、藏东南高山河谷次生林区生态综合治理项目等多项生态保护修复项目取得了明显成效，提升了水源涵养的稳定性；高原西部羌塘高原水源涵养功能稳定性相对较差，虽然已经实施了一些生态保护和修复工程，但可能因为其多年降水呈极不稳定、弱稳定状态和耕地面积的增加、经济的不断增长[48]导致水源涵养功能尚未明显改善。降水、气温在高原柴达木盆地和阿尔金山大部分区域分别呈极不稳定、极稳定状态，柴达木自然保护区的建立、草原荒漠生态保护和修复等工程的实施使其生态系统质量有所改善，但土壤保持功能在该区域呈弱稳定，可能荒漠地区土壤保持功能稳定性对气候变化的响应更为敏感；剩余大部分地区土壤保持功能都呈极稳定，而对应区域气温、降水呈极稳定状态相对很少，这或许与实施的各项生态保护措施相关。青藏高原防风固沙功能呈不稳定状态的区域相对较多，羌塘高原西北与北部部分区域防风固沙功能极不稳定（图6），主要由于防风固沙量在该区域明显变化（图5），而藏中腹地、柴达木盆地防风固沙量也呈明显变化趋势，但防风固沙功能稳定性较好，这表明对羌塘高原腹地高寒草原进行的生态保护与修复以及柴达木盆地荒漠化的治理取得了部分成效，高原风速、降水等气候因素对防风固沙稳定性的影响难以明晰，下一步还需开展驱动因素拆解，量化更多生态系统功能变化的驱动因素，以便为青藏高原生态保护和管理提供详细的决策依据。
图8 2000—2020年青藏高原降水、风速、气温的稳定性分布

Fig. 8 The stable distribution of precipitation, wind speed and temperature over the Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2020

（3）本文的不确定性存在如下几个方面：① 仅评估分析了青藏高原的水源涵养、土壤保持、防风固沙3项主要生态功能，尚未考虑碳固定、生物多样性保护、气候变化减缓、微气候调节等高原同样重要的生态功能，因此结果有待进一步优化；② 由土地利用变化数据演变而来的生态系统类型及变化数据，由于现有多套土地利用变化数据，而不同数据之间分类系统、数据源、分类方法、精度等皆存在明显差异，这给研究结果带来极大不确定性，本文中3套土地利用数据具备一致性的区域面积仅占青藏高原面积的59.9%、59.8%、52.7%；③ 关于生态系统稳定性的各类研究，由于其内涵、定义、对象、方法不一致而产生差异性结果，既有微观尺度的种群/群落稳定性，也有宏观尺度的结构/质量稳定性，本文聚焦时空尺度的功能稳定性，故而仅从生态系统功能这方面开展评估并实现功能区划。

5 结论

本文在明晰青藏高原生态系统宏观格局变化的基础上，基于2000—2020年生态系统水源涵养、土壤保持以及防风固沙功能量的估算，辨识了高原生态系统功能类型及其核心分布区，分析了主要生态系统功能的时空动态变化趋势，定量评估了2000—2020年主要生态系统功能的稳定性，进而开展了基于稳定性评估的青藏高原生态系统功能区划。得到主要结论如下：
（1）多套数据表明，2000—2020年青藏高原生态系统宏观格局动态呈现为湿地面积显著增加、城镇与荒漠面积不同程度增加，而草地面积明显减少，农田、森林亦以减少为主。
（2）青藏高原水源涵养、土壤保持、防风固沙生态系统功能的核心区面积占比分别为12.7%、13.9%、14.2%，其中水源涵养核心功能区主要分布在藏东南、三江源、甘南、那曲，防风固沙核心功能区聚集在藏北羌塘高原、柴达木盆地、共和盆地，而土壤保持核心功能区环绕高原特别是高原东部、西北角及一江两河区域。
（3）2000—2020年青藏高原水源涵养、防风固沙生态系统功能逐步提升，特别是森林水源涵养功能和草地防风固沙功能显著增强，而青藏高原土壤保持生态系统功能却呈明显下降趋势，尤其是高原西北部年减少率约-5 t/(hm2·a)。
（4）青藏高原水源涵养、土壤保持、防风固沙生态系统功能在高原东南部、中部为极稳定、稳定，而在高原西部水源涵养功能不稳定、高原北部土壤保持功能表现为弱稳定以及羌塘高原西北与北部部分区域防风固沙功能极不稳定。基于稳定性可将高原划分为三大类16个分区，因地制宜开展差异化的生态保护修复，水源涵养生态系统功能区注重林草湿整体保护，土壤保持区强化天然林和天然草原保护修复，防风固沙则以荒漠化防治为主以遏制草原退化沙化趋势。

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