Chen, X., Yu, L., Du, Z., Xu, Y., Zhao, J., Zhao, H., Zhang, G., Peng, D., Gong, P., 2022. Distribution of ecological restoration projects associated with land use and land cover change in China and their ecological impacts. Sci. Total Environ. 825, 153938. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153938
摘要：中国容易发生广泛的土地退化，因此自改革开放以来一直在实施生态恢复项目（ERPs）。ERPs的范围，以及包括增树项目（TGPs）、增草项目（GGPs）和增灌木项目（SGPs）在内的各种种植工作，在很大程度上仍然未知。此外，ERPs在防止土壤侵蚀和改善生物多样性方面的好坏参半还不为人所知。基于土地利用和土地覆盖（LULC）产品和基于轨迹的变化检测方法，成功生成了第一张与土地利用和土地覆盖变化（LUCC）及其三个子类别相关的ERPs全国地图。然后，应用生态系统服务综合评估和权衡（InVEST）模型来评估沉积物保留和栖息地质量的动态。此外，探索了ERPs生态影响的异质模式。结果表明，在过去40年中，全国范围内的ERP总面积为9.54×106hm2，主要分布在中国西北部省份。在三个ERP子类别中，TGP占最大面积（48.55%），其次是GGP（47.50%）和SGP（3.96%）。全国平均沉积物保留率显著增加，而全国平均生境质量显著下降。ERP驱动的栖息地质量增长被一些地区，特别是中国东北地区的经济发展政策所诱发的LUCC部分抵消。建设用地扩建与ERP实施对保泥量的同步作用，使得ERP建设与保泥改善的同步性不大。该研究还提出了ERP实施的最佳方向。
研究目的与内容
旨在利用基于卫星的土地利用和土地覆盖（LULC）时间序列产品和谷歌地球引擎（GEE）平台上基于轨迹的变化检测方法，绘制1980年至2015年的ERPs和三个ERP子类别的国家地图。应用地理统计学方法来突出热点。此外，鉴于这些生态恢复措施主要以土壤侵蚀控制和生物多样性保护为目标，该研究使用InVEST模型考察了过去40年中国沉积物保留和栖息地质量的动态。最后，试图通过应用空间自相关方法来理解ERPs实施与这两个生态指标动态之间相互作用的异质模式。绘制的第一个基于卫星的ERPs和三个ERP子类别的国家观测图，以及基于生态影响分析提出的最佳实施方向，应有助于未来的决策，并加强可持续的景观规模管理。
材料和方法
2.1. 研究区域
图1.（a）中国的四个自然地理边界，（b）中国在世界上的位置，（c）中国的数字高程模型（DEM）地图，以及（d）2018年中国的土地利用和土地覆盖（LULC）地图。
2.2. 数据处理
使用了1980年至2018年的3000万年LULC数据集（CLUD-a）（Xu, Y., Yu, L., Peng, D., Zhao, J., Cheng, Y., Liu, X., Li, W., Meng, R., Xu, X., Gong, P., 2020.）。CLUD-A一级分类包括农田、林地、草地、灌木丛、湿地、水域、建设用地、未使用土地和冰雪。值得注意的是，未使用的土地代表沙漠、裸露的土壤和裸露的岩石。此外，降雨侵蚀度数据集、土壤侵蚀性数据集、高程图和流域形状也是计算修订的通用土壤流失方程 （RUSLE） 模型时所需的输入图层。土壤侵蚀性数据集，即世界土壤协调数据库（HWSD），可从联合国粮食及农业组织（FAO）土壤门户网站获取。HWSD提供了一张分辨率为30弧秒（赤道1公里）的栅格地图，数据库中的每个网格单元记录了本研究中使用的表土（0–30厘米）参数，即砂质含量、淤泥含量、粘土含量和土壤有机碳含量。特别是，中国科学院根据从地面调查中获得的7292个剖面以及从实验室分析中收集的信息绘制了HWSD中的中国土壤图。本研究从NASA的地球观测数据池下载了数字高程模型。从资源与环境科学数据中心（RESDC）获得了中国第三级流域的形状。InVEST模型要求光栅输入具有相同的分辨率。然而，如前所述，栅格输入具有不同的单元大小，从30 m到1000 m不等。因此，使用最近邻重采样方法将所有光栅输入重采样到1000 m，以匹配最粗糙输入的单元大小（即土壤可蚀性数据集和HWSD）。此外，这些光栅输入也被重新投影到等面积的阿尔伯斯圆锥，并被剪裁到中国边界。鉴于省级政府负责起草ERP计划，县级政府负责实际实施，估算了省级和县级的ERP面积、平均沉积物保留值和平均栖息地质量值。此外，区域分析可以比像素地图更直观地表示生态指标的时空变化特征。
2.3. 方法
图2. 本研究的总体技术工作流程。
结果
3.1. 1983-2015年中国生态修复工程时空动态
采用基于轨迹的变化检测方法，生成了1983年至2015年的ERPs像素级地图，确认了三个ERP子类别（即TGP、GGP和SGP）的分布和变化。
图3. 1983年至2015年中国实施（a）ERPs、（b）TGPs、（c）GGPs和（d）SGPs的确切年份的像素地图。子图（a–d）中的红色矩形显示选定位置的范围；子图（a–d）中的黑色矩形显示选定位置的ERP和三个ERP子类别的确切年份地图；（a）中的叠加柱状图表示ERP按纬度和经度的分布；（a–d）中的柱状图表示按纬度和经度划分的三个ERP子类别的分布。五角星代表ERP和三个ERP子类别的地理中心（使用ArcGIS 10.2中提供的平均中心工具生成）。
图4. 1983 年至 2015 年按国家 （a）、省（b、d、f 和 h）和县（c、e、g 和 i）划分的 ERP 和三个 ERP 子类别的累积面积。仅按ERP累积面积和三个ERP子类别排名前10位的省份以b，d，f和h列出。
3.2. 1980-2015年中国的沉积物截留动态
使用InVEST 3.9.1中提供的SDR模块生成了1980年至2015年的年度像素级沉积物保留图。结果表明，总体而言，中国的泥沙淤积遵循明显的空间格局，即南高北低，以秦岭-淮河线为边界。2015年，中国沉积物滞留量最高的地区发生在台湾花莲市。这一时期全国平均滞留量变化趋势的结果表明，全国平均滞留量从246.55 t/hm大幅增加（slope=0.015，p=0.000）。为了进一步直观地呈现空间异质性，分析了县级平均沉积物保留率的变化趋势。结果表明，12.82%的县存在沉积物滞留量下降趋势，这些县主要位于胡焕庸线以西。相比之下，87.18%的县在水土保持方面呈上升趋势，这些县主要位于胡焕庸线以东和黄河沿岸。此外，以2015年为例，比较了六种栖息地的沉积物滞留情况。
图5. 1980-2015年中国泥沙淤积动态。（a） 2015年的像素级沉积物滞留图；（a）中的曲线表示沉积物滞留量随纬度和经度的分布；曲线周围的阴影区域是平均泥沙滞留值的标准偏差；图A1显示了1980年至2014年的年度像素级沉积物滞留图；（b，c）从1980年到2015年，各国和县的平均泥沙滞留量的变化趋势；（d） 2015年不同栖息地的泥沙淤积对比；（d）中的红色数字是五种栖息地的平均沉积物保留值；（e） 1980年至2015年五种栖息地平均沉积物滞留量的变化趋势；（e）中的地毯图显示了年平均沉积物滞留值沿y轴的分布。
3.3. 1980-2015年中国生境质量动态
使用InVEST 3.9.1中提供的栖息地质量模块生成了1980年至2015年的年度像素级栖息地质量图。结果表明，总体上，我国生境质量呈现东高西低的空间格局。有两个低价值区：（1）胡焕庸线以东的平原农业区（包括山东、河南、河北南部、江苏、安徽北部、黑龙江西部、吉林西部和辽宁西部），以及（2）胡焕庸线以西的戈壁沙漠（包括内蒙古西部、新疆、甘肃北部和青海北部）。这一时期全国平均栖息地质量变化趋势的结果表明，全国平均栖息地质量经历了显著下降。县级分析表明，85.82%的县的栖息地质量呈下降趋势，尤其是在胡焕庸线以东建设用地大幅扩张的地区（如京津冀、长江三角洲和广东港澳大湾地区。相比之下，14.18%的县的栖息地质量呈上升趋势，这些县主要位于青藏高原，以及黄河和长江沿岸的重点生态保护区。此外，对5种植被覆盖类型的生境质量比较表明，2015年林地对生境质量的贡献最大（0.90），其次是水（0.80）、灌丛（0.75）、湿地（0.69）和草地（0.69），而冰雪提供的值最小（0.37）。值得注意的是，中国的城市，特别是位于胡焕庸线以东的城市，自改革开放以来迅速扩张，这威胁到城市周边的栖息地质量。因此，观察到林地栖息地质量呈显著下降趋势。
图6. 1980年至2015年中国栖息地质量动态。（a） 2015年的像素级栖息地质量地图；（a）中的曲线表示平均栖息地质量在纬度和经度上的分布；曲线周围的阴影区域是平均栖息地质量值的标准偏差；图A2显示了1980年至2014年的年度像素级栖息地质量图；（b，c）1980年至2015年，各国和县平均栖息地质量的变化趋势；（d） 2015年不同栖息地的栖息地质量比较；（d）中的红色数字是六种栖息地的平均栖息地质量值；（e） 1980年至2015年六个栖息地平均栖息地质量的变化趋势；（e）中的地毯图显示了年平均栖息地质量值沿y轴的分布。
3.4. 生态修复工程的生态影响
研究了栖息地质量与ERP之间的双变量LISA图，以及县一级的三个ERP子类别。结果表明，平均栖息地质量的变化趋势与累积ERP面积（cERPa）、累积TGP面积（cTGPa）、累积GGP面积（cGGPa）和累积SGP面积（cSGPa）之间I值的大于0，分别达到0.086、0.051、0.077和0.054。总的来说，过去40年来，中国ERP的实施有利于生境质量的改善。更具体地说，有197个县高cTGPa - 高变化趋势，主要分布在降水或水资源相对丰富的地区，如长江中上游，靠近400毫米/年降水等值线中部的地区（中国西北部，甘肃东部），以及新疆昆仑山附近雪山融水丰富的地区。相比之下，23个县是高cTGPa - 低变化趋势，主要位于三大都市圈。这些地区的建设用地扩张通常占用生态用地，抵消了绿化项目对提高栖息地质量的积极影响。值得注意的是，中国有150个县有高cGGPa - 高变化趋势，而这些县绝大多数位于西北干旱区。此外，还有197个县的高cSGPa - 高变化趋势，主要分布在云贵高原、四川盆地和西北干旱区。另请注意，在中国北方的部分地区，特别是在内蒙古中部和东部，尽管大规模实施了土地绿化项目，但没有观察到显著的栖息地质量改善。
图7. 两个生态指标和ERP以及三个ERP子类别的变化趋势之间的二元LISA图。红色面突出显示ERP和ERP子类别累积面积较高的县（第一个字母H）;这些地区被生境质量或沉积物保留率变化率高的县所包围（第二个字母H）。
讨论
4.1. 结果的影响
研究发现，TGP、SGP和GGP的地理中心向西北方向递增，这些生态修复的空间变化是由中国东南向西北降雨的减少决定的。具体而言，TGP的地理中心位于400毫米/年降水等值线的东南部，而GGP和SGP的地理中心位于400毫米/年降水等值线的西北部。这种模式也普遍同意学者的建议，即“降水量小于400毫米的地区应通过种植草或灌木而不是树木来进行恢复实践。城市化、工业化和生态恢复诱导的LUCC相互交织，促进了中国生境质量变化的空间变化。沪线东南部部分地区的ERP实施与栖息地质量改善没有同步，主要是因为这些地区的快速城市化和工业化。因此，大量具有高生境质量的土地利用类型被建设所占据。进行了二元空间相关性分析，以量化两个生态指标的变化趋势与建设用地扩张之间的关系。已建土地的扩张占用了其他类型的土地覆盖，也增强了泥沙淤积。方差单向分析（方差分析）试验表明，其坡度（3.03°）显著大于其他农田，这促进了沉积物保留的改善。农田的扩张通常发生在较平缓的斜坡田（2.23°）中，描述性统计数据表明，新增加的农田比未改变的农田（1.47°）更倾斜，这进一步抵消了环境回收利用方案对沉积物保留的积极影响。
4.2. ERP实施和土地使用管理的下一步
该研究致力于根据ERP实施有效性、物理地理边界、工厂适用性和行政边界的异质模式，制定中国ERP实施和土地使用管理的监管分区。在论文中详细讨论了七个子区域和后续步骤的详细说明。
图8. ERP实施和土地使用管理的监管分区。（a） 管制分区；和（b）每个管制类型区域的面积份额。
4.3 创新和不确定性
成功绘制了改革开放以来第一张ERP全国地图和ERP三个子类。这些结果应有助于评估ERPs的目标效率，例如，包括坡地是否已退役或易受侵蚀区域是否已绿化。然而，不确定性的一个来源是，通过基于轨迹的变化检测方法获得的ERP地图的精度是根据已发布的LULC产品的精度确定的。此外，由于缺乏现场记录，测试这些结果的准确性一直是一个挑战。多个生态恢复项目可能同时在同一地区实施，很难确定特定地块属于哪个项目，需要进一步研究。此外，本地植被种植和自然更新作为ERP地区本地植物更新的两个主要措施，会在某些地区造成LUCC，而在其他地区不会发生LUCC。该研究未涉及的另一个问题是，通过基于轨迹的变化检测方法获得的ERP分布不包括没有LUCC的ERP图。进一步研究全面的ERP映射是值得的。尽管InVEST模型很受欢迎，但它只估计栖息地质量和沉积物保留的年平均值，而没有考虑季节变化和反馈。因此，它对这两个生态指标中正在迅速退化和耗竭的地点了解不足，几乎没有进行监测。当然，该研究也不例外，还受到与绘图分辨率、获取局部生物物理变量的困难、LULC绘图误差、普遍缺乏更好的数据以及多源数据融合不确定性相关的模型的普遍关注的限制。
结论
提出了一项研究，分析了ERPs的动态及其在中国的生态影响。这是第一次系统地得出全国范围内的ERP和三个亚类的信息的已知调查。基于轨迹的变化检测方法，系统地得出了自生态修复工程启动以来的ERPs和三个ERP亚类的信息。我们观察到，在过去的40年中，全国的ERP总面积为9.54×106 hm2，其中中国的西北省份占了大多数。以400毫米/年的降水量为界，GGPs和SGPs在西北地区占主导地位，而TGPs在东南地区占主导地位。对两个生态指标的趋势分析表明，全国平均泥沙滞留量经历了一个显著的增长。而全国平均生境质量经历了一个显著的下降变化。然后，深入了解了ERP实施对栖息地质量和沉积物保留的异质模式。我们的结果表明，在过去40年中，ERP的实施提高了中国整体的栖息地质量。然而，建设用地扩张引起的LUCC抵消了ERPs对该地区栖息地质量的积极影响，如中国东北地区。相比之下，ERP的实施并没有对泥沙淤积改善产生显著影响，主要是因为建设用地扩张和ERP的实施都增强了泥沙淤积功能。最后，讨论了ERP在不同ERP有效性模式地区的最佳实施方向。
