基于生态系统服务的黄土高原退耕还林空间效应与优化技术-以延河流域为例

Considering the problem of overall improvement and local degradation of ecological environment due to vegetation restoration on the Loess Plateau, from the point of view of ecosystem service evaluation, by integrating with spatial analysis, model simulation, investigation and experimental observation, this project will studied spatial effects and formation mechanism of the Grain for Green project (GFGP), and explore the optimization technique of integrated ecosystem service function. Yanhe River Basin, a typical ecological restoration area, will be considered as a case study. The spatial distribution and hot spots of four ecosystem services (carbon storage, water yield, soil conservation and food supply), and key areas of multiple ecosystem services are identified by applying spatial statistical method. According to field investigation, this project will reveal the dynamic characteristics of four ecosystem services in key areas of multiple ecosystem services at different levels by selecting simulation scenarios based on the understanding of characteristics and existing models of GFGP. By the experimental observation, this project will also clarified main influencing factors and formation mechanism of spatial effects of GFGP, explore the reasons of spatial differences on the changes of ecosystem services, and then put forward to optimization scheme to consolidate and improve the achievements of GFGP. This study can contribute to comprehensive ecosystem service assessment and integration research, and also provide the decision-making basis for the overall improvement of ecosystem function and its sustainability on the Loess Plateau.

针对植被恢复下黄土高原地区存在的生态环境整体改善、局部退化问题，以典型生态退耕区-延河流域为例，从生态系统服务评估角度，利用空间分析、模型模拟、调查研究和实验观测相结合的手段，研究退耕还林的空间效应及其形成机理，探索退耕还林下综合生态系统服务的提升技术。采用空间统计方法辨识多种生态系统服务（碳储量、产水量、土壤保持和食物供给）的空间分布特征、热点区域，以及生态系统多重服务重要区的分布格局；通过实地调查，在确立不同级别重要区退耕还林特点及现存模式基础上，筛选退耕还林优化模拟情景，揭示不同级别重要区生态系统服务的动态变化特征；利用实验观测数据，明晰退耕还林空间效应的关键影响因子及形成机理，探讨生态系统服务变化的空间差异性原因，进而提出具有空间针对性的退耕还林成果巩固与优化方案，为综合生态系统服务评估与区域集成研究提供科学支撑，同时也为黄土高原地区生态系统功能提升和可持续性发展提供决策依据。

受生态系统服务权衡关系影响，大规模退耕还林工程的实施使黄土高原地区生态环境存在整体改善局部退化问题。本项目结合地理空间分析技术和野外采样调查结果，从生态系统服务评估角度系统分析了黄土高原退耕还林的空间效应特征、时空格局变化及其驱动要素，并试图从空间优化角度解决退耕还林带来的不利影响。主要结论如下：（1）除粮食供给服务外，黄土高原地区的年均NPP、土壤保持服务和产水量服务均表现为东南部低而西北部高的空间特征，且随着退耕还林的实施，NPP的热点区逐渐向东北方向延伸；（2）黄土高原多重生态系统服务供给能力较高的地区主要分布在黄土高原的东部和南部地区，但其分布面积较小且相对稳定。退耕还林仅能增强多重生态系统服务的低水平供给区，对高水平供给区的影响较小；（3）受植被蒸散耗水影响，并不是所有的地区都适合进行退耕还林。退耕还林仅增强了榆林、延安等黄土高原中部地区的多重生态系统服务供给能力，在其西南部地区，随着退耕还林工程的实施，多重生态系统服务功能反呈下降状态；（4）多重生态系统服务重要区的驱动因子存在一定的空间尺度效应。在样点尺度上，优势树种对多重生态系统服务的供给具有极显著影响，其次是土地利用类型和植被盖度；而区域尺度上，多重生态系统服务供给能力主要受降水格局影响，其次是海拔、温度等地带性因子；（5）黄土高原退耕还林的最佳实施区域主要分布在黄土高原的东北向西南方向的带状区域内。在这里实施退耕还林可使粮食损失量比在黄土高原其他地区实施该项目粮食损失量减少42%，同时所获得的生态系统服务价值比其他地区高33%。该结果可为退耕还林工程的进一步实施和优化方案的制定提供决策依据。