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地理研究 >

2023 , Vol. 42 >Issue 7: 1904 - 1920

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj020221028

长江上游地区生态恢复程度及植被恢复潜力空间差异分析

  • 张雄一 , 1, 2 ,
  • 邵全琴 , 1, 2 ,
  • 宁佳 1 ,
  • 刘树超 1, 2 ,
  • 牛丽楠 1, 2 ,
  • 杨雪清 3 ,
  • 黄海波 1
展开
  • 1.中国科学院地理科学与资源研究所 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
  • 3.国家林业和草原局调查规划设计院，北京 100714
邵全琴（1962-），女，江苏常州人，研究员，博士生导师，研究方向为生态系统监测与评估。E-mail:

张雄一（1995-），男，河南泌阳人，博士研究生，研究方向为GIS应用与生态环境评估。E-mail:

收稿日期: 2022-09-27

  录用日期: 2023-02-02

  网络出版日期: 2023-07-04

基金资助

国家社会科学基金重大项目(20&ZD096)

收起

Spatial difference analysis of ecological restoration degree and vegetation restoration potential in the upper reaches of the Yangtze River

  • ZHANG Xiongyi , 1, 2 ,
  • SHAO Quanqin , 1, 2 ,
  • NING Jia 1 ,
  • LIU Shuchao 1, 2 ,
  • NIU Linan 1, 2 ,
  • YANG Xueqing 3 ,
  • HUANG Haibo 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
  • 3. Investigation, Planning and Design Institute of National Forestry and Grassland Administration, Beijing 100714, China

Received date: 2022-09-27

  Accepted date: 2023-02-02

  Online published: 2023-07-04

Fold

摘要

长江上游地区是长江流域生态安全屏障关键区，是长江流域土壤保持和水源涵养的重要功能区，对中国西部地区和长江经济带的发展起着重要作用，定量分析长江上游地区生态恢复程度及植被恢复潜力，对于保障国家生态安全具有重要意义。本文基于气象、土壤、遥感等多源数据，结合模型模拟从生态系统质量和生态系统服务两方面量化了2000—2019年长江上游地区生态恢复程度及空间差异，厘定了气候要素与人类活动对长江上游地区生态系统变化的贡献程度，并探究了植被恢复潜力，结果表明：① 长江上游地区生态系统质量整体向好发展，植被覆盖度和植被净初级生产力均呈稳定增加态势，增速分别为0.15 %/a、3.77 gC/（m2·a）；生态系统服务增减有所差异，土壤保持量呈逐年增加趋势，增速为2.72 t/（hm2·a），水源涵养量呈逐年下降趋势，年均减少2.37万m3/km2。② 生态系统整体呈恢复转好态势，但仍存在面积占9.76%的区域生态系统状况变差。生态恢复程度较高的区域主要分布在长江上游地区的东部和南部金沙江流域与乌江流域交界区域。较明显转差区域主要分布在西部的金沙江流域。③ 气候要素是影响长江上游地区生态系统变化的主要因素，气候要素和人类活动对生态系统变化的贡献率分别为78.78%和21.22%。④ 长江上游地区森林、草地、荒漠生态系统仍有8.73%的恢复潜力，位于金沙江流域和岷-沱江流域的青藏高原部分区域恢复潜力较大。本研究通过定量化评估生态恢复状况及植被恢复潜力，可为长江上游地区的生态环境建设和管理提供决策参考。

关键词： 生态恢复程度; 人类活动; 气候要素; 贡献率; 植被恢复潜力; 长江上游地区

本文引用格式

张雄一 , 邵全琴 , 宁佳 , 刘树超 , 牛丽楠 , 杨雪清 , 黄海波 . 长江上游地区生态恢复程度及植被恢复潜力空间差异分析[J]. 地理研究, 2023 , 42(7) : 1904 -1920 . DOI: 10.11821/dlyj020221028

Abstract

The upper reaches of the Yangtze River are important functional areas for soil and water conservation and play a crucial role in the development of western China and the Yangtze River Economic Belt. Therefore, it is necessary to conduct quantitative analyses of ecological restoration degree and vegetation restoration potential for national ecological security. Based on meteorological, soil, remote sensing and other multi-source data, combined with model simulations, this study quantified the degree of ecological restoration and spatial differences from 2000 to 2019 from the perspectives of ecosystem quality and ecosystem services, determined the contribution rate of climatic factors and human activities to ecosystem changes, and explored the potential of vegetation restoration. The research results showed that: (1) The quality of the ecosystem has been improving in the upper reaches of the Yangtze River, and the vegetation coverage and net primary productivity of vegetation increased steadily, with growth rates of 0.15%/a and 3.77 g C/m²/a. There were differences in the increase and decrease of ecosystem services. Soil conservation increased, with a growth rate of 2.72 t/hm²/a, and water conservation decreased year by year, with an annual reduction of 23,700 m³/km². (2) The ecosystem as a whole was recovering and improving, but there was still a deterioration of the ecosystem, which accounted for 9.76% of the study area. The areas with higher ecological degree recovery were mainly distributed in the eastern and southern parts (the junction of the Jinsha River Basin and the Wujiang River Basin) of the study area, while the areas with obvious deterioration were mainly in the Jinsha River Basin in the west. (3) Climate was the main factor affecting ecosystem changes in this region. The contribution rates of climate factors and human activities to ecosystem changes were 78.78% and 21.22%, respectively. (4) The forest, grassland, and desert ecosystems still had 8.73% of restoration potential, and the areas with greater restoration potential were mainly concentrated in the Jinsha River Basin and the Minjiang-Tuojiang River Basin located in parts of the Qinghai-Tibet Plateau. This study can provide a decision-making reference for ecological environment construction and management in the upper reaches of the Yangtze River by quantitatively evaluating the ecological restoration status and vegetation restoration potential.

Key words： ecological restoration degree; human activity; climate factor; contribution rate; vegetation restoration potential; upper reaches of the Yangtze River

1 引言

长江流域横跨中国19个省、自治区、直辖市，是全国人口稠密，经济高度发达的地区。长江上游地区作为长江流域重要的水源涵养地和生态安全屏障，是西部发展和长江经济带发展重要的先行区和示范区。长江上游地区地处复杂多样的自然环境和气候条件，自然资源和生物资源丰富，占据了长江45.9%的平均径流总量，集中了长江经济带72%的水电装机容量、60%的物种数量以及47.3%的生态服务价值[1]，其生态环境持续改善，有助于保障长江流域生态环境安全，进而保障国家生态安全和国民经济高质量发展。但长江上游地区也是全国生态极度敏感区，部分地区生态环境十分脆弱。20世纪中后期随着人口增加、经济快速发展和城镇化进程日益加快，长江上游地区土地资源过度开发利用，自然生态系统退化严重，大量的森林植被破坏，森林覆盖率持续降低，水土流失日益加剧，地沉、滑坡、泥石流灾害频发，造成河道、湖泊淤积，河床抬高，中下游的“悬河”和“悬湖”增多[2]。为恢复长江上游地区植被，防止水土流失，1989年长江流域防护林体系建设工程总体规划和长江上游水土保持重点防治工程正式实施。随后长江上游地区陆续实施了天然林保护工程、退耕还林还草工程、三江源生态保护和建设工程等一系列国家重大生态工程，地方政府也积极开展长江上游生态屏障山水林田湖草生态保护修复工程和其他生态环境保护工作，但长江上游整体生态系统依然脆弱，部分地区生态环境仍呈退化趋势，水土流失严重、生物多样性面临严峻挑战[3]。
生态系统为人类提供满足自身需求的直接或间接的惠益，主要包括了供给服务、调节服务、支持服务和文化服务等多种生态系统服务，保障了人类的生存和发展[4]。但随着气候变化、全球人口的持续增长以及人类对自然资源的不合理开发利用，极端气候事件频发、土地退化、环境污染、生物多样性锐减等一系列问题逐渐突显，生态系统退化已成为全球面临的严重问题之一[5]。为保护和修复生态系统，中国先后启动了三北防护林体系建设工程、天然林保护工程、退耕还林（草）等一系列重大生态工程[6]。目前整体上全国生态环境恶化趋势基本得到遏制，生态系统稳定向好发展，但自然生态系统总体仍较为脆弱，部分地区仍有退化趋势[7]。因此科学合理评估全国生态工程实施后取得的生态成效，全面了解生态系统的恢复状况，以便动态调整生态工程实施方案、提高工程实施成效，是国家的重大迫切需求。生态恢复是指协助已退化、损害或彻底破坏的生态系统恢复、重建和改善的过程[8]。国内外学者有关生态恢复评价的研究包括从生态系统自身的结构、功能、质量等方面进行效果评价，从生态系统恢复对生态环境产生的影响方面进行效应评价，从生态系统恢复产生的生态价值、社会价值、经济价值进行效益评价。学者们大多运用不同的评价模型对恢复过程中生态效应或取得的生态效益进行综合评价，研究的对象主要集中在典型的生态脆弱区、环境破坏严重区、生态退化区等重点区域[9⇓-11]。不过，到目前为止学界针对生态恢复评价还没有统一的标准。本文基于宏观生态系统视角选择生态系统质量为主要评价指标，同时结合生态系统服务来构建生态系统恢复程度评价方法。在生态系统质量方面，基于单个或多个植被指数，如植被净初级生产力[12]、植被覆盖度[13]、叶面积指数[14]、归一化植被指数[15]等来分析生态系统质量的演变规律。在生态系统服务方面，可根据研究区特点选其首要的生态系统服务类型。植被恢复是生态修复的主要环节和首要目标[16]，也是生态恢复最直接的效果体现[17]，植被恢复潜力指植被现状与相同生态地理分区内顶极植被状况之间的差距[16]，评估植被恢复潜力是生态工程实施的重要前提和依据。在植被恢复潜力研究方面，国内外学者大多基于相似生境原则，利用植被指数对植被的恢复潜力进行探究，首先根据评估对象各区域特点划分相似生境单元，在划分的相似生境单元内利用百分位法[16,18⇓-20]或选择自然保护区[21]等特定区域作为理想参照，根据理想参照的植被覆盖度情况，量化评估对象与理想参照的差距。本文选择植被覆盖度作为植被恢复潜力的评估指标，选取研究区内自然保护区的植被覆盖状况作为地带性顶极本底，根据研究区所处的不同生态地理分区构建植被恢复潜力评价方法。目前有关长江上游地区生态系统的研究主要集中生态系统服务的价值估算、生态保护措施以及生态安全风险等方面[22⇓⇓-25]，生态恢复程度和植被恢复潜力的研究鲜有提及。近20年国家和地方政府投入大量的资金对长江上游的生态环境进行治理，这些生态工程的实施成效如何，生态恢复程度如何，哪些区域还存在较大的恢复潜力?因此，探究长江上游地区生态恢复状况以及植被恢复潜力的空间差异，有利于动态监测生态工程修复成效，科学实施和动态调整长江上游地区生态修复策略，保障国家生态安全。
本文在邵全琴等[26]提出的重大生态工程实施生态效益评估理论框架的基础上，选取植被覆盖度、植被净初级生产力作为生态系统质量评价指标，选取土壤保持服务和水源涵养服务作为衡量长江上游重要生态系统服务的评价指标，基于地面和遥感数据，结合InVEST模型中的产水量计算和修正通用土壤流失方程（RUSLE）模拟，探究2000—2019年长江上游地区生态恢复程度的空间差异和植被恢复潜力，厘定气候要素与人类活动对生态系统变化的贡献率，以期为长江上游地区生态环境建设和管理提供科学依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

长江发源于青藏高原唐古拉山，流经青、藏、川、滇、渝、鄂、湘、赣、皖、苏、沪等11个省（自治区、直辖市），自发源地至湖北宜昌为上游段，长4504 km，约占全长的70%。长江上游地区（90°E~105°E，25°N~36°N）总面积为97.9万km2，占全流域面积的58.9%（图1）。地貌复杂，多山地丘陵，地势西高东低，处于青藏高原到华中丘陵平原区的过渡地带，区内主要由青藏高原、云贵高原、四川盆地组成。长江上游地区气候温和，年均气温在14~18℃之间，年均温差大。年均降水在800~1800 mm之间，雨量较为充沛。气候类型多样，有寒带气候、热带湿润季风气候、亚热带西南季风气候、亚热带高原季风型气候和中亚热带湿润气候。植被类型丰富，有稀疏草原、高山草甸、寒温性针叶林、落叶阔叶混交林、常绿阔叶林和山地常绿针阔叶混交林等，主要以栽培植被、灌丛、草甸及针叶林为主。随着一系列生态工程的实施，植被状况有所改善，但长江上游生态环境整体较为脆弱，自然灾害频发，生态问题仍然突出。本文按自然流域将长江上游地区划分为金沙江流域、岷-沱江流域、嘉陵江流域、乌江流域和上游干流区。
图1 研究区概况

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS(2020)4619号）绘制，底图边界无修改。

Fig. 1 Overview of the study area

2.2 研究方法

2.2.1 生态恢复程度评估方法

本文基于邵全琴等[26]提出的重大生态工程效益评估方法从生态系统质量和生态系统服务两个方面评估长江上游地区生态恢复程度。其中生态系统质量选取植被净初级生产力和植被覆盖度作为评价指标，生态系统服务选取长江上游地区重要的土壤保持服务和水源涵养服务作为评价指标。
（1）生态系统质量。植被覆盖度：采用MODIS官网提供的长江上游地区时间分辨率为16天，空间分辨率为250 m的2000—2019年MOD13Q1 NDVI数据产品（https://lpdaac.usgs.gov/products/mod13q1v061），通过MRT工具进行格式转换、投影转换、图像拼接以及利用TIMESAT工具进行S-G滤波等预处理，进而根据像元二分模型和最大合成法计算得到250 m植被覆盖度数据集[27]，经重采样得到2000—2019年长江上游地区1 km分辨率植被覆盖度数据集。
植被净初级生产力：采用MODIS官网提供的长江上游地区时间分辨率为1年，空间分辨率500 m的2000—2019年MOD17A3数据产品（https://lpdaac.usgs.gov/products/mod17a3hgfv006），经重采样后得到2000—2019年长江上游地区1 km植被净初级生产力数据集。
（2）生态系统服务。水源涵养服务：利用InVEST模型中的产水量计算方法[28]，具体公式如下：
Q w r = P - E T - R
式中： Q w r为水源涵养量（mm）；P为降水量（mm），数据来自国家气象信息中心提供的地面气象站观测数据，通过ANUSPLIN插值并结合国家气象信息中心提供的0.25°×0.25°日值降水格点数据融合得到；ET为地表实际蒸散量（mm），数据来自国家青藏高原科学数据中心的中国1 km逐月潜在蒸散发数据集[29]；R为地表径流量（mm），由降水量乘以地表径流系数获得。
土壤保持服务：采用修正通用水土流失方程[30]计算得到，公式如下：
A = R × K × L S × ( 1 - C × P )
式中：A为土壤保持量（t/(hm2·a)）；R为降雨侵蚀力因子（(MJ·mm)/(hm2·h·a)），基于国家气象站观测数据利用半月降雨侵蚀力模型计算得到[31]；K为土壤可蚀性因子（(MJ·mm)/(hm2·h·a)），根据中国1:100万土壤数据集，利用侵蚀生产力评价模型（EPIC）得到[32]；LS为坡度坡长因子（无量纲），基于DEM数据，利用Liu等研究方法计算得到[33]；C为植被覆盖因子（无量纲），取值范围为0~1，基于MODIS NDVI数据集，采用蔡崇法计算得到[34]；P为水土保持措施因子（无量纲），取值范围为0~1[35]。
（3）生态系统恢复态势。采用最小二乘法计算植被覆盖度、植被净初级生产力、土壤保持、水源涵养的年际变化斜率，公式为：
∂ = n × ∑ i = 1 n i × M - ∑ i = 1 n i ∑ i = 1 n M n × ∑ i = 1 n i 2 - ∑ i = 1 n i 2
式中： ∂为评估时段内指标的斜率；n为评估时长（n=20）；i为评估年份；M为第i年像元变量值。
将植被覆盖度、植被净初级生产力、土壤保持、水源涵养变化斜率（ ∂）分为转好、基本稳定和转差3类，其中 ∂>0.05为转好，-0.05≤ ∂≤0.05为稳定， ∂<-0.05为转差，并根据表1判断生态系统恢复态势[26]。
表1 生态恢复态势判断依据表

Tab. 1 Judging basis of ecological recovery situation

判断标准
2000—2010年 2010—2019年
持续转好 ∂ > 0.05 ∂ > 0.05
先转好后稳定 ∂ > 0.05 -0.05 ≤ ∂ ≤ 0.05
先转好后转差 ∂ > 0.05 ∂ < -0.05
先稳定后转好 -0.05 ≤ ∂ ≤ 0.05 ∂ > 0.05
持续稳定 -0.05 ≤ ∂ ≤ 0.05 -0.05 ≤ ∂ ≤ 0.05
先稳定后转差 -0.05 ≤ ∂ ≤0.05 ∂ < -0.05
先转差后转好 ∂ < -0.05 ∂ > 0.05
先转差后稳定 ∂ < -0.05 -0.05 ≤ ∂ ≤ 0.05
持续转差 ∂ < -0.05 ∂ < -0.05
通过最小二乘法计算2000—2019年植被覆盖度、植被净初级生产力、土壤保持、水源涵养4项指标的变化斜率，根据转好、转差、基本稳定的分级标准，分别获得2000—2019年长江上游地区4项指标的转好、转差和基本稳定的3类空间分布数据，根据表2将4项指标的3类分布数据进行空间叠加分析，得出2000—2019年长江上游地区生态系统恢复程度的空间分布状况。
表2 生态恢复程度判断依据表

Tab. 2 Judging basis of ecological restoration degree

序号 判断条件 生态恢复程度
1 Si ≥ 3 基本稳定
2 Si < 3 and Wi = 2 有所转差
3 Si < 3 and Wi = 3 较明显转差
4 Si < 3 and Wi = 4 明显转差
5 Bi = 4 恢复程度高
6 Bi = 3 恢复程度较高
7 Si < 3 and Wi < 2 and Bi = 2 恢复程度中等
8 Si < 3 and Wi < 2 and Bi = 1 部分要素恢复与部分要素转差

注：Wi表示转差的指标个数，Bi表示转好的指标个数，Si表示基本稳定的指标个数，i ≤ 4。

2.2.2 人类活动与气候因素对生态系统变化贡献率厘定方法

生态系统变化主要受到人类活动与气候因素的影响，本文利用植被净初级生产力，通过残差趋势法厘定长江上游地区人类活动与气候因素的贡献率。
以长江上游地区植被净初级生产力（NPPac）为因变量、气温（temp）数据和降水（pre）数据为自变量，构建二元线性回归模型，计算回归模型各参数：
N P P a c = m + n × t e m p + q × p r e
式中：NPPac为植被净初级生产力的实际值，表征气候因素对植被净初级生产力的影响；temp为气温数据；pre为降水数据。
基于气温和降水数据以及公式（4）计算的回归模型参数结果，得到植被净初级生产力的预测值（NPPca）[27]：
N P P c a = m + n × t e m p + q × p r e
N P P h u = N P P a c - N P P c a
R c = s l o p e N P P c a / s l o p e N P P a c
R h = s l o p e N P P h u / s l o p e N P P a c
式中：NPPca为植被净初级生产力预测值；NPPhu为人类活动对植被净初级生产力的影响；slopeNPPca、slopeNPPac、slopeNPPhu分别为NPPca、NPPac、NPPhu的年际倾斜率；Rc为气候因素对植被恢复的贡献率；Rh为人类活动对植被恢复的贡献率。

2.2.3 生态恢复潜力评估方法

选择植被覆盖度作为植被恢复潜力分析指标，基于“地带性顶极生态本底-生态现状-生态恢复潜力”的生态恢复潜力评估方法[6,26,27]，对长江上游地区植被恢复潜力进行探究。根据郑度的中国生态地理分区[36]，将长江上游地区划分为不同的生态地理分区，以分区内各国家级和省级自然保护区的植被覆盖状况为顶极本底。
将不同分区的自然保护区内森林、草地、荒漠生态系统类型的植被覆盖度作为因变量，气温和降水作为自变量构建二元线性回归方程：
F v c i j = a i j + b i j × t e m p i j + c i j × p r e i j
式中：Fvcij为第i生态地理分区自然保护区内第j种生态系统类型平均植被覆盖度（%）；tempij第i生态地理分区自然保护区内第j种生态系统类型平均气温（℃）；preij第i生态地理分区自然保护区内第j种生态系统类型平均降水量（mm）。
利用公式（9）求出的aij、bij、cij值结合气温、降水数据模拟长江上游地区顶极生态本底。对比每个象元上模拟出的顶极生态本底与研究时段内植被覆盖度的最大值，如果模拟值小于最大值，则用最大值替代模拟值来修正顶极生态本底（顶极植被覆盖度）。长江上游地区生态恢复潜力计算公式如下：
E I = E t - E p
式中： E I为长江上游地区生态恢复潜力； E t为模拟的顶极植被覆盖度； E p为研究段内现状植被覆盖度。 E I值越大说明现状与顶极之间的差距越大，恢复潜力也越大。

3 结果分析

3.1 长江上游地区生态系统质量时空变化

3.1.1 长江上游地区植被覆盖度时空变化

2019年长江上游地区平均植被覆盖度为78.19%，呈现西低东高的分布格局，受限于气温和降水条件，长江源头植被覆盖度较低，部分区域低于10%。2000—2019年长江上游地区植被覆盖度年均变化速率为0.15%/a，整体呈稳定增加态势。其中乌江流域植被覆盖度年均增长速率最快，为0.39%/a，岷-沱江流域年均增长速度最低，为0.05%/a。植被覆盖度增加的区域主要分布长江上游地区的东部和南部，减少的区域主要集中在长江上游的西部和中部的岷-沱江流域（图2a1）。对植被覆盖度变化斜率进行显著性检验，增加和减少趋势通过0.05显著性检验的区域占总面积的12.41%和4.99%，变化未通过显著性检验的区域占60.97%（图2b1）。
图2 2000—2019年植被覆盖度和植被净初级生产力变化斜率及其显著性检验空间分布

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS(2020)4619号）绘制，底图边界无修改。

Fig. 2 Spatial distribution of change slope and their significance tests in vegetation coverage and net primary productivity from 2000 to 2019

3.1.2 长江上游地区植被净初级生产力时空变化

2019年长江上游地区平均植被净初级生产力为548.20 gC/m²，呈现自西向东逐渐升高的分布态势。2000—2019年长江上游地区植被净初级生产力年均变化速率为3.77 gC/(m²·a)，呈逐年增加趋势。其中嘉陵江流域和上游干流区植被净初级生产力增长速率最快，为7.28 gC/(m²·a)和6.06 gC/(m²·a)，金沙江流域的增长速度最低，为1.99 gC/(m²·a)。植被净初级生产力增加的区域主要分布在长江上游地区的中东部，嘉陵江流域的东北部和西南区域、岷-沱江流域的东南部、金沙江流域东南边缘与乌江流域的交界及周边地区。减少的区域零散分布在金沙江流域的南部、乌江流域的中部及南部、岷-沱江流域的中东部（图2a2）。长江上游地区植被净初级生产力变化斜率增加和减少趋势通过0.05显著性检验的区域占总面积的37.50%和0.45%，变化未通过显著性检验的区域占38.56%（图2b2）。

3.2 长江上游地区生态系统服务时空变化

3.2.1 长江上游地区土壤保持服务时空变化

2019年长江上游地区平均单位面积土壤保持量为112.58 t/hm²，但四川盆地及南部区域土壤保持量存在较多低值区。2000—2019年土壤保持年均变化速率为2.72 t/(hm²·a)，总体呈逐年增加趋势（图3a1，见第1911页）。其中岷-沱江流域增长速率最快，为2.74 t/(hm²·a)，金沙江流域的增长速度最低，为1.97 t/(hm²·a)。对土壤保持变化斜率进行显著性检验，增加和减少趋势通过0.05显著性检验的区域分别占总面积的31.30%和0.08%，变化未通过显著性检验的区域占38.42%（图3b1）。2019年长江上游水蚀区平均土壤水蚀模数为13.05 t/hm²。2000—2019年土壤水蚀模数年均变化速率为-0.54 t/(hm²·a)，总体呈逐年递减趋势（图3a2）。其中乌江流域减少速率最快，为-1.06 t/(hm²·a)，岷-沱江流域的减少速率最低，为-0.35 t/(hm²·a)。长江上游地区水蚀模数变化斜率减少和增加趋势通过0.05显著性检验的区域占总面积的26.53%和1.28%，变化未通过显著性检验的区域占48.80%（图3b2）。
图3 2000—2019年土壤保持量、土壤水蚀模数和水源涵养量变化斜率及其显著性检验空间分布

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS(2020)4619号）绘制，底图边界无修改。

Fig. 3 Spatial distribution of change slope and their significance tests in soil conservation, soil water erosion modulus, and water source conservation from 2000 to 2019

3.2.2 长江上游地区水源涵养服务时空变化

2019年长江上游地区平均单位面积水源涵养为278.15 万m³/km²，自西向东呈增加态势，由南向北呈先增加后减小趋势。2000—2019年长江上游地区水源涵养年均变化速率为-2.37 万m³/(km²·a)，整体呈逐年下降趋势（图3a3）。其中嘉陵江流域和岷-沱江流域水源涵养呈上升态势，年均变化速率为0.52 万m³/(km²·a)和1.02 万m³/(km²·a)；金沙江流域、乌江流域和上游干流区呈下降趋势，乌江流域的下降趋势最明显，为-6.75 万m³/(km²·a)。水源涵养减少的区域零散分布在金沙江流域的中部和南部、乌江流域的大部分地区和上游干流区的东北部。长江上游地区水源涵养变化斜率增加和减少趋势通过0.05显著性检验的区域占总面积的6.79%和18.69%，变化未通过显著性检验的区域占66.57%（图3b3）。

3.3 长江上游地区生态系统恢复态势和恢复程度

3.3.1 长江上游地区生态系统恢复态势

（1）长江上游地区生态系统质量。长江上游地区2010—2019年年均植被覆盖度较2000—2010年增加了1.42%，其分布具有明显的空间异质性。其中乌江流域增加最多，岷-沱江流域增加最少，分别为3.63%和0.53%（图4a1）。两时段内植被覆盖度持续转好的面积占18.30%，主要分布在长江上游地区的东部及南部区域，持续转差的面积占4.97%，零散分布在长江上游地区的西部及中部部分地区（图4a2）。
图4 2010—2019年较2000—2010年植被覆盖度和植被净初级生产力变化量及恢复态势空间分布

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS(2020)4619号）绘制，底图边界无修改。

Fig. 4 Spatial distribution of changes and restoration trends in vegetation coverage and net primary productivity from 2010 to 2019 compared with 2000 to 2010

2010—2019年植被净初级生产力较2000—2010年增加了32.86 gC/m²，其中嘉陵江流域增加最多，为71.82 gC/m²，金沙江流域增加最少，为15.06 gC/m²，增加明显的区域集中分布在嘉陵江流域、长江干流区以及岷-沱江流域的东南部（图4b1）。两时段内植被净初级生产力持续转好的面积占48.75%，主要分布在长江上游流域的中部及南部区域，持续转差的面积仅占0.90%，主要分布在金沙江流域的中部以及岷-沱江流域的中部地区（图4b2）。
（2）长江上游地区生态系统服务。2010—2019年单位面积土壤保持量较2000—2010年增加了28.26 t/hm²，其中岷-沱江流域增加最多，为39.37 t/hm²，乌江流域和上游干流区增加最少，为22.65 t/hm²和22.15 t/hm²（图5a1）。两时段内单位土壤保持服务持续转好的面积占11.55%，主要分布在长江上游流域的东北部及南部区域，持续转差的面积占2.14%，主要分布在金沙江流域的中部以及岷-沱江流域的西部地区（图5a2）。
图5 2010—2019年较2000—2010年土壤保持、土壤水蚀模数和水源涵养变化量及恢复态势空间分布

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS(2020)4619号）绘制，底图边界无修改。

Fig. 5 Spatial distribution of changes and recovery trends in soil conservation, soil water erosion modulus, and water source conservation from 2010 to 2019 compared with 2000 to 2010

2010—2019年单位面积土壤水蚀模数较2000—2010年减少了8.31 t/hm²，其中乌江流域水蚀模数降低最多，为12.33 t/hm²，金沙江流域降低最少，为6.82 t/hm²（图5b1）。两时段内单位面积水蚀模数持续转差的面积仅占0.6%，主要分布在金沙江流域的中部、南部区域和岷-沱江流域的中部地区；持续转好的面积为2.30%，主要分布在长江上游地区的南部（图5b2）。
2010—2019年单位面积水源涵养量较2000—2010年降低了14.44万m³/km²，其中金沙江流域、上游干流区和乌江流域单位面积水源涵养量均降低，分别降低31.40万m³/km²、19.91万m³/km²和56.26万m³/km²；岷-沱江流域和嘉陵江流域分别增加了24.66万m³/km²和22.26万m³/km²（图5c1）。两时段内水源涵养服务持续转好的面积占10.59%，主要分布在金沙江流域的南部，持续转差的面积占31.42%，主要分布在金沙江流域的中部及南部、岷-沱江流域的西部以及长江上游的东部边缘地区（图5c2）。

3.3.2 长江上游地区生态系统恢复程度

综合分析长江上游的生态系统质量和关键生态系统服务，2000—2019年长江上游地区生态系统整体呈恢复态势，但局部地区有转差趋势。恢复程度中等的面积最大，占长江上游总面积的29.88%，呈零散分布状态，少部分集中在岷-沱江流域的北部边缘区域和嘉陵江东北部边缘地区；部分要素恢复与部分要素转差次之，占总面积的23.56%，散乱分布在整个长江上游地区；生态恢复程度较高和高的区域占总面积的18.02%和4.16%，主要分布在长江上游地区的东部和南部金沙江流域与乌江流域交界区域；较明显转差和明显转差的区域分别占1.30%和0.13%，主要分布在长江上游地区西部的金沙江流域（图6）。
图6 2000—2019年长江上游地区生态系统恢复程度空间分布

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS(2020)4619号）绘制，底图边界无修改。

Fig. 6 Spatial distribution of ecosystem restoration degrees in the upper reaches of the Yangtze River from 2000 to 2019

长江上游地区主要生态系统类型中（水体和湿地生态系统不参与生态系统恢复程度评价）草地生态系统和森林生态系统面积占比最高，农田生态系统次之。草地生态系统主要以稳定和恢复为主，其中恢复中等、基本稳定和部分要素恢复与部分要素转差的面积最多，分别占总面积的25.30%、23.67%和23.59%；其次为恢复程度较高和有所转差，分别占总面积的12.98%和10.14%；明显转差的面积仅占0.11%。森林生态系统主要以恢复为主，其中恢复程度中等面积最多，占30.95%；其次为部分要素恢复与部分要素转差和恢复程度较高，分别占22.94%和19.34%；明显转差的面积仅占0.20%。农田生态系统主要以恢复为主，恢复程度中等和恢复程度较高的面积最多，分别占37.10%和26.84%；其次为部分要素恢复与部分要素转差，占20.64%；明显转差的面积为最少，仅占0.08%（图7）。
图7 2000—2019年长江上游地区不同生态系统的生态恢复程度

Fig. 7 The degree of ecological restoration of different ecosystems in the upper reaches of the Yangtze River from 2000 to 2019

3.4 气候要素和人类活动对生态系统变化的贡献

2000—2019年长江上游地区气候要素和人类活动对生态系统变化的贡献率分别为78.78%和21.22%（表3）。人类活动贡献高的区域主要分布在岷-沱江流域、嘉陵江流域和上游干流区交界及周边地区。在长江上游地区气候因素均为植被恢复的主要影响因素，但空间上存在明显差异。人类活动对岷-沱江流域的贡献率最高，为31.85%；在金沙江流域的最低，为15.11%。
表3 2000—2019年人类活动与气候因素对植被恢复贡献率

Tab. 3 Contribution rate of human activities and climate to change of vegetation restoration from 2000 to 2019

区域 人类活动贡献率（%） 气候贡献率（%）
长江上游地区 21.22 78.78
金沙江流域 15.11 84.89
岷-沱江流域 31.85 68.15
嘉陵江流域 26.01 73.99
上游干流区 27.68 72.32
乌江流域 18.33 81.67

3.5 长江上游地区植被恢复潜力

长江上游地区森林、草地、荒漠生态系统模拟的2017—2019年顶极植被覆盖度为86.50%，分布状况与2000—2019年植被覆盖度整体分布一致，均呈西低东高的空间格局（图8a）。其中乌江流域的森林、草地、荒漠生态系统模拟顶极植被覆盖度最高，为99.23%；其次为上游干流区，植被覆盖度为99.13%；受限于北部高原地区自然资源条件、气候要素及生态本底状况，金沙江流域的整体植被覆盖度最低，为78.31%。
图8 2017—2019年森林、草地、荒漠生态系统模拟的顶极植被覆盖度与恢复潜力空间分布

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS(2020)4619号）绘制，底图边界无修改。

Fig. 8 Spatial distribution of top vegetation cover simulation and restoration potential of forest, grassland, and desert ecosystems from 2017 to 2019

从长江上游地区植被覆盖恢复潜力空间分布（图8b）可以看出，2017—2019年年均森林、草地、荒漠生态系统植被覆盖度现状与模拟的顶极植被覆盖度本底相比仍有8.73%的恢复潜力，其中草地生态系统恢复潜力最大，为11.33%，其次为荒漠生态系统，存在7.98%的恢复潜力，森林生态系统有6.19%的恢复潜力。长江上游地区恢复潜力最大为金沙江流域，2017—2019年植被覆盖度现状与顶极植被覆盖度差距为10.61%；其次为岷-沱江流域，与顶极植被覆盖度差距为8.74%，乌江流域与顶极植被覆盖度差距为5.58%；嘉陵江流域与顶极植被覆盖度差距为4.72%；上游干流区的恢复潜力最小，与顶极植被覆盖度差距为4.61%。长江上游地区森林、草地、荒漠生态系统植被覆盖度与顶极植被覆盖度整体差距不大，但金沙江流域和岷-沱江流域部分位于青藏高原的区域，恢复潜力存在较大的空间，尤其是金沙江流域的长江源头部分地区，恢复潜力达30%。

4 讨论与结论

4.1 讨论

近年来长江上游地区实施了水土保持重点防治工程、退耕还林（草）工程、长江流域防护林体系建设工程、天然林保护工程等一系列重大生态工程，森林覆盖率得到明显提升，整体生态环境得到有效改善。研究结果表明，长江上游地区生态系统整体呈恢复和转好态势，但生态恢复程度存在明显的空间异质性，生态恢复程度较高的区域集中在长江上游的中部和东部地区，仍有部分地区的修复成效不理想，如金沙江流域的干热河谷地区受高温、低湿、水分蒸发强烈、炎热少雨影响，以及长江源头高寒地区受低温、降水少以及近几年家畜和野生动物增多引起草畜失衡的影响，部分区域依然存在生态退化问题，生态状况有待进一步提升。
虽然生态工程的实施有助于改善生态环境状况，但气候要素主要影响着长江上游地区生态系统的变化。综合本文长江上游地区生态恢复程度和植被恢复潜力研究结果，在金沙江流域的南部，位于凉山彝族自治州、迪庆藏族自治州和丽江市交界地区以及楚雄彝族自治州的北部存在生态退化且恢复潜力较大区域，并且这些区域雨热条件适宜，有利于植被恢复和生长。在金沙江流域和岷-沱江流域部分位于青藏高原的区域虽然生态退化，且有较大的恢复潜力，但受限于降水、气温条件影响，未来的生态工程建设应基于其气候和生态本底特点，根据“宜林则林、宜灌则灌，宜草则草、宜荒则荒”的原则，以自然恢复为主，人工修复为辅，进行科学动态调整。
目前对植被恢复潜力探究相对较少，已有研究仅选择区域内的高值区作为恢复参照。而本研究基于“地带性顶极本底-生态现状-生态恢复潜力”评估方法，选择相同的生态地理单元内自然保护区植被覆盖度为顶极本底，充分考虑气温和降水条件，模拟顶极本底作为恢复参照，使得结果更加合理。研究发现大部分顶极本底的选择符合理想参照的要求，但少部分自然保护区的生态本底可能略差于自然保护区外的生态状况，针对此部分本研究对顶极模拟的本底值进行了修正，使得基于顶极本底的植被恢复评估更具有科学性和合理性，可为评估区域植被恢复潜力提供方法参考，也可为重大生态工程的实施提供决策支持。同时本文结合生态系统质量和生态系统服务综合判断生态系统恢复程度，也可为后续开展生态恢复评估提供借鉴。
学界利用残差趋势分析法厘定气候要素和人类活动对生态系统状况的影响，应用较多，整体可信度较高。但研究中也发现针对农区的贡献率厘定时，仅利用植被净初级生产力单一指标存在一定局限性，尤其在四川盆地集中成片的农区表现比较明显，以后的研究中可以结合其他植被指数进行综合分析。本文基于遥感数据，结合模型模拟，从宏观尺度上探究整个长江上游地区的生态恢复程度，这可能造成对于不同区域生态恢复的演化阶段、退化程度的判断不能完全符合区域的实际特点，研究还需要完善针对不同的区域特征设置差异化的判断标准。同时本研究还应考虑长江上游一系列重大生态工程实施的范围，生态治理的成效与人类干扰的相互影响。

4.2 结论

本文聚焦2000—2019年长江上游地区生态恢复程度，厘定了气候要素和人类活动对生态系统变化的贡献，探究了植被恢复潜力空间差异。主要研究结论如下：
（1）长江上游地区生态修复成效明显，整体上生态系统呈恢复且转好态势，生态恢复程度较好区域主要分布在长江上游地区的东部和南部金沙江流域与乌江流域交界区域，金沙江流域存在部分区域恢复程度较差。
（2）长江上游地区虽然实施了一系列重大生态工程，但气候要素却是影响其生态系统变化的主要原因，气候要素对生态系统变化的贡献率为78.78%，人类活动为21.22%。人类活动贡献高的区域主要集中在岷-沱江流域、嘉陵江流域和上游干流区交界及周边地区。
（3）长江上游地区森林、草地、荒漠生态系统有8.73%的植被恢复潜力，但区域间恢复潜力差异明显，植被恢复潜力较大的区域主要集中在金沙江流域和岷-沱江流域位于青藏高原的部分地区，而长江上游干流区的植被恢复潜力最小。

真诚感谢二位匿名评审专家在论文评审中所付出的宝贵时间和精力，两位专家对本文摘要、方法、讨论等部分的修改意见使本文受益匪浅。

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