傅伯杰 呂一河 高光耀

①中國(guó)科學(xué)院院士，②副研究員，③助理研究員，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085

＊國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2009CB421100）

中國(guó)主要陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)安全研究的重要進(jìn)展＊

傅伯杰①呂一河②高光耀③

①中國(guó)科學(xué)院院士，②副研究員，③助理研究員，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085

＊國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2009CB421100）

生態(tài)系統(tǒng)過程 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) 生態(tài)安全 人類福祉 綜合評(píng)估

介紹了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“中國(guó)主要陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與生態(tài)安全（2009—2013）”執(zhí)行三年多來的重要研究進(jìn)展，包括生態(tài)系統(tǒng)過程與服務(wù)機(jī)理、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域綜合研究、國(guó)家尺度生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化與生態(tài)安全等四個(gè)方面。最后概要介紹了項(xiàng)目的后續(xù)研究計(jì)劃。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用［1］。它不僅包括生態(tài)系統(tǒng)為人類所提供的食物、淡水及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原料，更重要的是支撐與維持了地球的生命支持系統(tǒng)，維持生命物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)與水文循環(huán)，維持生物物種的多樣性，凈化環(huán)境，維持大氣化學(xué)的平衡與穩(wěn)定。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。由于人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其重要性缺乏充分認(rèn)識(shí)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期壓力和破壞，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的喪失和退化將對(duì)人類福祉產(chǎn)生重要影響，威脅人類的安全與健康，直接威脅著區(qū)域，乃至全球的生態(tài)安全。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究已成為國(guó)際生態(tài)學(xué)和相關(guān)學(xué)科研究的前沿和熱點(diǎn)。

長(zhǎng)期的生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)利用和巨大的人口壓力，使中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)嚴(yán)重退化，生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出由結(jié)構(gòu)性破壞向功能性紊亂的方向發(fā)展［2］。由此引起的水資源短缺、水土流失、沙漠化、生物多樣性減少等生態(tài)問題持續(xù)加劇，對(duì)中國(guó)生態(tài)安全造成嚴(yán)重威脅。國(guó)務(wù)院2006年1月發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》把生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)重建列為環(huán)境領(lǐng)域的四個(gè)優(yōu)先主題之一，明確提出了構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)價(jià)體系。因此，開展中國(guó)主要類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)安全研究，是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)、生態(tài)功能區(qū)劃和建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，保障中國(guó)生態(tài)安全的國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。

在這樣的大背景下，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“中國(guó)主要陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與生態(tài)安全”得以立項(xiàng)。該項(xiàng)目面向國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題，選擇對(duì)保障中國(guó)生態(tài)安全起關(guān)鍵作用的森林、濕地、草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型，針對(duì)中國(guó)面臨的主要生態(tài)問題，從生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域和全國(guó)三個(gè)尺度研究水源涵養(yǎng)與水文調(diào)節(jié)、水土保持與防風(fēng)固沙、生物多樣性保育、碳固定等重要生態(tài)服務(wù)。項(xiàng)目總體目標(biāo)是揭示主要陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過程與服務(wù)功能相互作用機(jī)理，建立生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域和國(guó)家三個(gè)尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)和模型，闡明中國(guó)主要陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域格局、變化過程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，編制中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估系列圖，劃分生態(tài)功能區(qū)，并提出生態(tài)補(bǔ)償和生態(tài)安全對(duì)策。

項(xiàng)目于2009年立項(xiàng)，2010年順利通過科技部中期評(píng)估。執(zhí)行三年多來，建立了生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)與試驗(yàn)體系，在生態(tài)系統(tǒng)過程與服務(wù)機(jī)理、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域綜合研究、國(guó)家尺度生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化與生態(tài)安全等方面取得重要進(jìn)展。本文將對(duì)相關(guān)的主要研究工作進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 生態(tài)系統(tǒng)過程與服務(wù)機(jī)理

1.1 森林生態(tài)系統(tǒng)

（1）不同森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和固碳效應(yīng)

南亞熱帶不同演替森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 利用壕溝斷根法在鼎湖山研究南亞熱帶馬尾松針葉林、針闊葉混交林和季風(fēng)常綠闊葉林等三種不同演替階段的森林土壤呼吸特征，區(qū)分土壤異氧呼吸和自養(yǎng)呼吸的貢獻(xiàn)，計(jì)算不同演替階段森林生態(tài)系統(tǒng)的碳收支。結(jié)果表明：馬尾松林、針闊葉混交林和季風(fēng)常綠闊葉林年均土壤總呼吸速率分別為425，428和518 mg·m－2·h－1（CO2），而土壤異氧呼吸量變化不大，速率分別為（318±101），（330±128）和（328±124）mg·m－2·h－1（CO2）；隨著演替的進(jìn)行，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力逐步提高，從演替早期到頂極群落，凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）從368上升至827 mg·m－2·h－1（CO2）。Huang等［3］進(jìn)一步研究了土壤磷素缺失對(duì)三種演替階段森林生產(chǎn)力的影響，發(fā)現(xiàn)全球變化導(dǎo)致干旱時(shí)間延長(zhǎng)，將抑制磷酸酶的活性，造成磷素供應(yīng)的進(jìn)一步缺失，從而影響南方森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。

中亞熱帶人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 Wen等［4］在千煙洲基于五年的渦度相關(guān)通量觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)中亞熱帶人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力存在如下規(guī)律：季節(jié)性干旱降低了總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（GEP）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸（RE）和NEP；每月的GEP和RE均與大氣溫度呈指數(shù)關(guān)系，月和年尺度上的RE與相應(yīng)的GEP存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；每年的NEP在306～430 g·m－2（C）之間，平均值為395 g·m－2（C），NEP的年際變化主要受氣溫影響，RE／GEP受降雨與蒸發(fā)散的比值影響。

溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力與固碳能力 基于MODIS衛(wèi)星資料，結(jié)合地面觀測(cè)，定量分析長(zhǎng)白山溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)及其與氣候因子間關(guān)系。結(jié)果表明：溫度是長(zhǎng)白山闊葉紅松林土壤呼吸的主要驅(qū)動(dòng)因子和限制因子，但過于干旱或濕潤(rùn)的土壤也會(huì)抑制呼吸的進(jìn)行；長(zhǎng)白山闊葉紅松林的總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）可以達(dá)到1 191 g·m－2（C），NEP可達(dá)258 g·m－2（C）；與全球其他溫帶森林相比，長(zhǎng)白山溫帶針闊混交林具有較高的光合生產(chǎn)能力和固碳服務(wù)功能；在未來降水減少，氣候干燥情景下，森林的光合生產(chǎn)能力可能會(huì)顯著降低。

（2）森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)與水土保持功能

中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)降水分配和水分利用特征

在千煙洲對(duì)中亞熱帶代表性人工林——濕地松的降水分配特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：人工林樹干流不足降雨量的2.0%，穿透降雨約占92.0%；地表徑流占15.0%～17.0%，樹冠截留6.6%；穿透降雨是林內(nèi)降水的主要部分，且有83.0%的降水保持在森林內(nèi)，包括林冠、土壤和枯枝落葉等；林內(nèi)相對(duì)降雨量即降雨系數(shù)變化較大，主要受降水強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間等因素影響。利用Granier熱擴(kuò)散技術(shù)對(duì)中亞熱帶重要樹種的水分利用特征進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)：主要樹種的樹干液流具有明顯的時(shí)間動(dòng)態(tài)，晴天顯著高于陰雨天，夏季顯著高于春秋兩季，冬季液流活動(dòng)微弱；在土壤供水充分的條件下，影響液流日動(dòng)態(tài)和季節(jié)動(dòng)態(tài)的主要?dú)庀笠蜃右来螢檩椛洹⑺麎禾澣?、層頂濕度等?/p>

溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)效應(yīng) 在長(zhǎng)白山定位研究站森林坡面徑流場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果表明：原始針闊葉混交林降水年截流率為21%，森林類型對(duì)降水截留的過程呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，單次降雨事件中林冠截雨的極值為13 mm左右；長(zhǎng)白山地區(qū)年際間水熱條件變化幅度較小，即使在降水最少的年份，森林土壤也沒有明顯的水分虧缺現(xiàn)象，但年內(nèi)的土壤水分干濕交替變化明顯；在相對(duì)干旱的月份，森林蒸散并沒有降低，這主要是由于降水較少的年份具有相對(duì)較高的凈輻射和空氣飽和水汽壓差，兩者對(duì)土壤水份變化響應(yīng)不敏感，使得蒸散量反而較高。

氣候變化對(duì)南亞熱帶森林水文功能的影響 最近幾十年來，無論氣溫還是降雨都在顯著發(fā)生變化，它將影響地表水文過程，研究森林水文特征對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。Zhou等［5］基于鼎湖山自然保護(hù)區(qū)長(zhǎng)期的水文過程監(jiān)測(cè)和SWAT模型，對(duì)氣候變化，尤其是氣溫升高及暴雨頻率的增加如何影響土壤水分動(dòng)態(tài)及水文變量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：1950—2009年間年總降水量變化很小，但降雨格局發(fā)生了顯著改變，主要表現(xiàn)在暴雨頻度的上升以及無雨日數(shù)的增加；氣候變化使得土壤水分含量明顯降低，旱季地表徑流量下降，但雨季地表徑流量上升；氣候變化已經(jīng)導(dǎo)致該流域以及中國(guó)南方其他地區(qū)嚴(yán)重干旱和洪澇等極端水文事件的大量發(fā)生。

（3）人工林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性維持

Wang等［6］對(duì)桉林、大葉相思、鄉(xiāng)土林、針葉林等華南人工林林下植被一年內(nèi)種子雨、土壤種子庫和天然萌發(fā)幼苗進(jìn)行測(cè)定，并開展人工林下播種種子和移栽幼苗實(shí)驗(yàn)，研究人工林生物多樣性維持機(jī)制與限制因素。結(jié)果表明：種子雨、土壤種子庫和天然萌發(fā)幼苗在不同樹種的人工林林下植被更新的作用中都沒有表現(xiàn)出顯著差異；保留林下植被有利于種子的萌發(fā)，但不利于實(shí)生苗和移栽苗的存活與生長(zhǎng)，種子萌發(fā)和幼苗存活所需的微生境特征是對(duì)立的；樹種的耐陰性是影響人工林物種多樣性的關(guān)鍵因子；陽生性和中生性植物在豆科混交林和針葉林中長(zhǎng)勢(shì)較好，而陰生性幼苗的生長(zhǎng)在鄉(xiāng)土混交林和針葉林中更具優(yōu)勢(shì)。本研究說明，為了增加南方人工林的物種多樣性，靠自然入侵和自然更新過程難于實(shí)現(xiàn)，借助林分改造人為增加演替后期種類是一個(gè)關(guān)鍵過程，且必須根據(jù)所種植物的耐陰性進(jìn)行。

1.2 草地與荒漠生態(tài)系統(tǒng)

（1）初級(jí)生產(chǎn)力和碳固定的維持機(jī)制

水分對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的影響 水分是內(nèi)蒙古高原草原生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵限制因子。Yang等［7］的研究發(fā)現(xiàn)：初級(jí)生產(chǎn)力隨著年平均降水量的增加而增加，但其變異性逐漸降低，穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)；冬季降水是草原植物的一個(gè)重要水分來源，占典型草原群落植物可利用水分總量的15%～45%；過度放牧引起的物種組成改變，降低了植物對(duì)深層土壤水分的利用，進(jìn)一步加劇干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響；植物在水分來源上的生態(tài)位互補(bǔ)性，是高生物多樣性群落具有較高初級(jí)生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要機(jī)制。

氮沉降對(duì)內(nèi)蒙古典型草原有機(jī)碳分解的影響 Liu

等［8］利用多年氮素添加實(shí)驗(yàn)樣地，對(duì)內(nèi)蒙古典型草原中的優(yōu)勢(shì)植物（大針茅和冷蒿）的葉片凋落物進(jìn)行原位分解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：凋落物的分解通常隨著凋落物質(zhì)量（N）的改善而加快，但這種增加會(huì)被土壤中N的可利用性增加引起的反作用抵消；土壤N可利用性增加對(duì)凋落物分解的負(fù)效應(yīng)主要是由于土壤微生物活性和生物量的降低造成的；N沉降可促進(jìn)凋落物的養(yǎng)分循環(huán)，進(jìn)而增加中國(guó)北方半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。

草地利用方式對(duì)內(nèi)蒙古典型草原初級(jí)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的影響 利用在內(nèi)蒙古典型草原建立的長(zhǎng)期放牧控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同草地利用方式和放牧強(qiáng)度對(duì)草原群落生產(chǎn)力和可持續(xù)性的影響。結(jié)果表明：在物種、功能群和群落水平，傳統(tǒng)草地利用方式（連續(xù)每年進(jìn)行放牧或割草處理）下，群落地上生物量與放牧強(qiáng)度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而混合利用方式（放牧和割草處理每年輪換一次）下，群落地上生物量與放牧強(qiáng)度無明顯相關(guān)性；隨著放牧強(qiáng)度的增加，群落初級(jí)生產(chǎn)力顯著降低，變異性增加；放牧強(qiáng)度的增加，使得生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干旱的抗性增加，降低了生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力和固碳能力，過度放牧對(duì)草原群落的恢復(fù)力具有顯著影響；混合利用方式下，降水量增加更有助于減緩放牧對(duì)草地群落生產(chǎn)力的負(fù)面影響。

（2）生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和服務(wù)功能的關(guān)系與機(jī)制

氮沉降對(duì)典型草原生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響 氮沉降是近年來倍受關(guān)注的全球性環(huán)境問題。國(guó)際上主流觀點(diǎn)認(rèn)為，氮沉降的過量增加會(huì)導(dǎo)致生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能降低。Bai等［9］通過長(zhǎng)期氮素添加實(shí)驗(yàn)，研究了不同組織水平（植物種、功能群、群落）上氮素添加對(duì)內(nèi)蒙古典型草原成熟和退化草地群落生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。結(jié)果表明：對(duì)于成熟草原群落，氮沉降導(dǎo)致物種多樣性顯著降低，多年生禾草和雜類草被一年生植物替代，而對(duì)于退化群落，氮素添加則顯著增加了群落地上生物量和恢復(fù)進(jìn)程；內(nèi)蒙古草原群落對(duì)氮素添加做出響應(yīng)的添加閾值為1.75 g·m－2·a－1（N），達(dá)到飽和的氮素添加量為10.5 g·m－2·a－1（N）；土壤水分與氮素的耦合作用共同決定了物種多樣性、功能群組成和群落初級(jí)生產(chǎn)力。Lan等［10］的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：氮素添加導(dǎo)致群落地上生物量的年內(nèi)和年際變異增加，降低了群落對(duì)干旱的抗性和穩(wěn)定性；隨著實(shí)驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，氮素添加?dǎo)致物種喪失的閾值逐漸降低，稀有種喪失的N閾值顯著低于常見種；物種初始多度和基于植物功能性狀的不同資源利用策略是氮素添加導(dǎo)致物種喪失的主要原因。

生物多樣性對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響 利用內(nèi)蒙草原站建立的植物功能群剔除控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究。結(jié)果表明：群落生物量的變化依賴于植物功能群多樣性和功能群組成，隨著被剔除功能群數(shù)量的增加，群落初級(jí)生產(chǎn)力顯著降低，但其變異性顯著增加；生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的維持依賴于物種和功能群之間的補(bǔ)償作用，隨著實(shí)驗(yàn)處理年限增加，物種和功能群間的補(bǔ)償效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；補(bǔ)償作用的強(qiáng)度主要受物種和功能群的資源利用策略、更新方式和傳播能力的影響，植物功能性狀決定了補(bǔ)償作用的大小和強(qiáng)度。

溫帶草原區(qū)域尺度上土壤微生物功能多樣性的驅(qū)動(dòng)機(jī)制 以往研究表明土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性在小區(qū)域局部尺度上主要受植物物種組成和土壤屬性的影響。但是，關(guān)于較大的空間尺度上土壤微生物的功能多樣性的驅(qū)動(dòng)因素研究不多。Liu等［11］在呼倫貝爾草原的研究發(fā)現(xiàn)：土壤微生物的功能多樣性在區(qū)域尺度上主要受植被的生物量、土壤含水量和土壤N／P比值的影響，而植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性不再是重要的驅(qū)動(dòng)因子；溫帶草原植被生物量主要受土壤水分和氮素的可獲得性的限制，而植被生物量可以很好地指示資源的可獲得性，可以認(rèn)為土壤微生物的功能多樣性在區(qū)域尺度上主要受資源的可獲得性驅(qū)動(dòng)。

（3）水土保持與防風(fēng)固沙效應(yīng)

草地生態(tài)系統(tǒng)的水土保持效應(yīng) 利用在內(nèi)蒙古典型草原建立的三個(gè)長(zhǎng)期圍封樣地（1979，1999和2005年圍封）和2004年建立的大型放牧控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在無放牧、中度放牧和重度放牧等三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置徑流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究自然降雨條件下放牧強(qiáng)度對(duì)典型草原地表徑流和碳、氮流失的影響。結(jié)果表明：隨著放牧強(qiáng)度增加，地表徑流和碳、氮流失逐漸加劇，重度放牧引起的地表徑流、產(chǎn)沙量、碳流失和氮流失分別為輕度放牧的28，21，19和19倍；地形和圍封年限對(duì)地表徑流量和養(yǎng)分流失的影響顯著。基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，估算了錫林河流域退化草地的水土流失量，其中地表徑流為5 184萬t／a，產(chǎn)沙量為23.4萬t／a，土壤碳、氮流失量分別為3 235t／a和911.5 t／a。

沙化草地的防風(fēng)固沙效應(yīng) 在科爾沁沙地選擇典型流動(dòng)沙地、半流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地為研究樣地，研究不同恢復(fù)階段沙質(zhì)草地植被的防風(fēng)固沙效應(yīng)。結(jié)果表明：流動(dòng)、半流動(dòng)、半固定和固定沙地的總輸沙量分別為88.75，18.53，6.94和1.62 g·h－1·cm－2；大風(fēng)天氣下，流動(dòng)沙地總輸沙量的81%，半流動(dòng)沙地總輸沙量的76%，半固定沙地總輸沙量的68%和固定沙地總輸沙量的67%集中在10 cm以下的高度內(nèi)，各樣地0～20 cm氣流層內(nèi)的輸沙量與垂直高度均呈負(fù)指數(shù)關(guān)系；風(fēng)沙活動(dòng)期的輸沙量隨同期植被蓋度的增大呈指數(shù)減小。

1.3 濕地生態(tài)系統(tǒng)

（1）濕地變化對(duì)水文調(diào)節(jié)功能的影響

以遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，經(jīng)野外考察與實(shí)地驗(yàn)證，恢復(fù)了三江平原1976，1986，1995和2005年的生態(tài)系統(tǒng)格局，構(gòu)建了三江平原自然環(huán)境背景、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地覆被、遙感和植被類型等5個(gè)數(shù)據(jù)集，分析了三江平原景觀結(jié)構(gòu)變化和對(duì)濕地水文調(diào)節(jié)功能的影響。結(jié)果表明：①近50年來三江平原景觀生態(tài)以濕地景觀為主，并逐漸被農(nóng)田景觀所替代；20世紀(jì)90年代以前主要是濕地向旱田的轉(zhuǎn)化，之后主要是旱田向水田的轉(zhuǎn)化；濕地破碎化程度不斷加重，土地利用政策的改變是景觀結(jié)構(gòu)變化的最重要因素，而人口增加是三江平原生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變的最直接因素［12］。②與1954年相比，濕地墾殖和退化導(dǎo)致三江平原濕地蓄水能力減少98.42億m3，區(qū)域最大持水量減少10.62億m3，補(bǔ)給地下水能力降低77%；濕地墾殖和退化使得其持水能力減少21%～36%，徑流調(diào)節(jié)能力減弱。

對(duì)三江平原典型流域（撓力河和別拉洪河流域）的分析表明：撓力河流域濕地面積喪失率達(dá)87.3%，斑塊數(shù)從20增加到2 866（圖1）；別拉洪河流域濕地面積喪失率為75.3%，斑塊數(shù)從8增加到2 455；流域徑流有顯著的降低趨勢(shì)，降水量無明顯減少，人類活動(dòng)導(dǎo)致水文過程更加復(fù)雜；1966年后隨著人類活動(dòng)的不斷加劇，對(duì)徑流的影響不斷增強(qiáng)，徑流表現(xiàn)出顯著的突變點(diǎn)；20世紀(jì)70年代以來，流域上游和下游水文站之間的徑流深差值呈減少趨勢(shì)，說明因沼澤濕地墾殖，其對(duì)徑流調(diào)節(jié)功能的不斷減弱（圖2）；面積的不斷減少，是導(dǎo)致流域濕地徑流調(diào)節(jié)功能不斷降低的主要原因。

圖1 撓力河流域（a）初始年代的濕地基質(zhì)景觀和（b）現(xiàn)狀階段的廊帶景觀

圖2 撓力河流域上游（寶清站）和下游（菜嘴子站）水文站徑流變化曲線

（2）濕地變化對(duì)生物多樣性的影響

濕地景觀變化與鳥類多樣性 采用GAP分析方法，對(duì)三江平原土地利用圖、地形圖、植被類型圖、土壤類型圖和地貌類型圖進(jìn)行疊加，結(jié)合實(shí)地野外考察，生成研究區(qū)生境分布圖。利用景觀生態(tài)學(xué)的理論與方法研究生境類型和破碎化對(duì)濕地鳥類多樣性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著生境類型的增加，濕地鳥類物種豐富度先減小后增加，這主要是由于受人類活動(dòng)干擾造成；濕地生境類型多樣性與鳥類多樣性的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，呈接近于正態(tài)分布的規(guī)律；隨著濕地破碎度的增加，濕地鳥類豐富度逐漸減少，不同濕地生境鳥類物種也不同；在區(qū)域尺度上，濕地鳥類比其他動(dòng)物對(duì)生境破碎化的耐受性更高。

生境變化與魚類多樣性 將水文動(dòng)態(tài)、江湖阻隔、水域面積萎縮、捕撈強(qiáng)度、漁業(yè)干擾措施等因素歸為魚類資源變化的直接驅(qū)動(dòng)力，把圍墾、漁業(yè)措施等管理與政策因素歸為魚類資源變化的間接驅(qū)動(dòng)力，分析長(zhǎng)江中游湖泊濕地生境變化對(duì)魚類多樣性的影響。結(jié)果表明：濕地片段化（湖泊通江與隔離）導(dǎo)致長(zhǎng)江中游部分湖泊魚類物種總數(shù)及洄游性種類減少；水文變化直接影響水生植物的分布和生物量，是長(zhǎng)江中游魚類生物多樣性及魚類種群變化的關(guān)鍵控制因素。

（3）濕地變化對(duì)固碳能力的影響

（4）濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)體系與初步評(píng)估

以調(diào)節(jié)徑流、調(diào)節(jié)氣候和地下水交換為指標(biāo)建立濕地水文功能評(píng)價(jià)體系，基于物種多樣性、種 面積關(guān)系、景觀異質(zhì)性以及生境適宜性等指標(biāo)建立濕地生物多樣性功能評(píng)價(jià)體系，濕地碳匯評(píng)價(jià)指標(biāo)包括土壤碳匯、植物碳匯和水體碳匯。以上述指標(biāo)為基礎(chǔ)，初步評(píng)估了鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的趨勢(shì)。結(jié)果表明：過去50年鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一直在減少，其主要驅(qū)動(dòng)因素是濕地圍墾、水污染與自然資源的過度利用；生物多樣性與洪水調(diào)節(jié)功能是鄱陽湖目前最重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；鄱陽湖濕地植被可顯著促進(jìn)碳吸收與存儲(chǔ)，總有機(jī)碳存儲(chǔ)潛力高達(dá)3 200萬t。

2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域綜合研究

2.1 不同尺度生態(tài)系統(tǒng)的水土保持功能

在生態(tài)系統(tǒng)水平尺度，Wei等［15］通過在甘肅定西安家坡小流域的長(zhǎng)期野外定位觀測(cè)和資料分析，研究了植被覆蓋、坡度和降雨特征對(duì)水土保持功能的綜合影響。結(jié)果表明：不同植被類型的侵蝕模數(shù)次序?yàn)槠赂兀灸敛莸兀居退闪值兀净牟莸兀竟嗄玖值?；在植被和坡度雙重作用下，徑流和侵蝕的產(chǎn)生和變化過程趨于復(fù)雜化；土壤流失對(duì)極端降雨的敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表徑流對(duì)極端降雨的敏感性，沙棘林抵御極端降雨事件的能力最強(qiáng)，其次為荒草和油松林地，坡耕地和苜蓿地侵蝕最嚴(yán)重；干旱年各生態(tài)系統(tǒng)類型的水土保持功能都劣于平水年和濕潤(rùn)年。

在景觀尺度，Liu等［16］在陜西延安羊圈溝小流域研究了不同植被格局的水土流失效應(yīng)。結(jié)果表明：山杏幼林＋雜草格局的水土保持效應(yīng)大于刺槐成林＋灌叢格局，荒草地效益最差；山杏幼林＋雜草的產(chǎn)流隨小區(qū)長(zhǎng)度增大而增加，其余兩組格局相反，刺槐成林＋灌叢和荒草的產(chǎn)沙隨長(zhǎng)度增加而降低，而山杏幼林＋雜草則隨長(zhǎng)度先降低后增加，不同的植被覆蓋和退耕年限使得坡面植被水土保持效應(yīng)的尺度特征具有不確定性；恢復(fù)階段和土壤屬性對(duì)植被覆蓋的水土流失效應(yīng)具有重要影響。

在坡面尺度，F(xiàn)u等［17］基于137Cs示蹤技術(shù)研究了羊圈溝小流域荒草＋灌叢、荒草＋幼林＋成林＋荒草和荒草＋成林＋荒草等不同坡面土地利用組合的土壤侵蝕效應(yīng)，結(jié)果表明：坡中部位林地和草地結(jié)構(gòu)能夠抑制土壤侵蝕，侵蝕量較??；坡面土壤侵蝕量受土地利用類型分布和坡位共同影響。在小流域尺度，1980年以前、1984年、1996年和2006年羊圈溝小流域的平均侵蝕強(qiáng)度分別為7 077.6，6 007.8，5 553.7和4 370.0t·km－2·a－1，植被結(jié)構(gòu)優(yōu)化導(dǎo)致土壤侵蝕降低，土壤保持功能增強(qiáng)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳功能的尺度特征

Wang等［18］在陜北羊圈溝小流域的研究表明，隨著生態(tài)系統(tǒng)類型的轉(zhuǎn)變和系統(tǒng)演替，斑塊、坡面和小流域尺度上土壤固碳能力發(fā)生相應(yīng)變化，具有明顯的尺度特征。斑塊尺度上，坡耕地退耕向荒草地和灌木林地的轉(zhuǎn)變，荒草地類型隨著系統(tǒng)的順行演替，都能顯著增加土壤有機(jī)碳固定能力。坡耕地還林初期有機(jī)碳變化不明顯，隨著林齡增加，有機(jī)碳累積增加，差異逐漸顯著。坡面尺度上，林地、草地、灌叢等生態(tài)系統(tǒng)的不同空間配置模式會(huì)引起碳固定功能的差異。不同的土地利用格局下（Ⅰ草地＋坡耕地＋林地，Ⅱ坡耕地＋草地＋林地，Ⅲ坡耕地＋林地＋草地），1998—2006年SOC均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，分別增加8.6%，24.6%和21.4%。流域尺度上，0～5 cm深度內(nèi)，土地利用對(duì)SOC存在顯著性影響；隨著小流域綜合治理和生態(tài)恢復(fù)，1998—2006年土壤表層有機(jī)碳固定功能提高19%，固碳速率為19.92 t·km－2·a－1（C）。同時(shí)，土壤固碳功能還受到侵蝕作用的影響，使得生態(tài)系統(tǒng)類型變化和演替的固碳效應(yīng)在空間上復(fù)雜化。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)與水文調(diào)節(jié)功能的區(qū)域效應(yīng)

（1）陜北地區(qū)人工造林對(duì)土壤水分的影響

Jin等［19］從流域和區(qū)域尺度上分析了陜北地區(qū)人工造林對(duì)土壤水分分布的影響。結(jié)果表明：在不同降雨量的小流域，土壤水分在造林后呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)，主要規(guī)律為在降雨量較多地區(qū)造林會(huì)增加土壤水分含量；在降雨量中等地區(qū)，土壤水分隨造林進(jìn)程先增后減少；而在降雨量較少地區(qū)，土壤水分在造林后變化較小，隨林齡增加土壤水分無明顯變化趨勢(shì)。在區(qū)域尺度，土壤水分平均值與林地密度、郁閉度和降水量呈正相關(guān)，而與緯度和林齡呈負(fù)相關(guān)，與經(jīng)度、海拔、草本蓋度和坡度坡向無顯著相關(guān)關(guān)系。區(qū)域尺度上土壤水分隨著林齡呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，在降水較為充足的低緯度地區(qū)土壤水分會(huì)隨著林齡的增加而增加，在高緯度地區(qū)，土壤水分隨著林齡的增加逐漸降低?；谝陨辖Y(jié)果，在黃土高原刺槐造林中可根據(jù)降雨量選擇造林區(qū)域，造林區(qū)域降雨量應(yīng)在500 mm以上才能確保土壤水分的可持續(xù)利用以及生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

（2）區(qū)域人工造林對(duì)水文調(diào)節(jié)功能的影響

“未名生科一號(hào)”的建成，將為北京大學(xué)的尖端科研計(jì)算開拓新的發(fā)展空間。它既實(shí)現(xiàn)了高性能計(jì)算平臺(tái)兩級(jí)架構(gòu)的建設(shè)思路，提升了平臺(tái)對(duì)重大科研的支撐能力，又有效改善了生命科學(xué)的研究手段，對(duì)生物物理、定量生物學(xué)、結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)和分子醫(yī)學(xué)等前沿交叉學(xué)科的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。

中國(guó)大規(guī)模的植樹造林是否導(dǎo)致水資源減少一直是有爭(zhēng)議的議題。Zhou等［20］以廣東省為研究區(qū)，收集了廣東全省水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)50年來的監(jiān)測(cè)資料，通過定量分析降雨量、潛在蒸散量、人為耗水量、水庫截留量等因素，揭示了廣東省大規(guī)模造林活動(dòng)對(duì)產(chǎn)水量的影響。結(jié)果表明，在過去50年時(shí)間，盡管有大規(guī)模的造林活動(dòng)，特別是20世紀(jì)80年代末以來，全省森林覆蓋率增加了1倍，廣東省的總產(chǎn)水量并未出現(xiàn)顯著變化，但產(chǎn)水量格局有所變化，造林使干季產(chǎn)水量顯著增加，這種雨量的再分配使全年的總產(chǎn)水量基本不變，而年內(nèi)的變異性也顯著下降，即全年時(shí)間的產(chǎn)水量變得更為均勻一致。這一結(jié)論證實(shí)，在降雨量超過潛在蒸散量地區(qū)，建設(shè)大規(guī)模碳匯林不會(huì)帶來水資源供應(yīng)的下降。Feng等［21］在建立的月尺度蒸散發(fā)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合水量平衡理論分析了黃土高原地區(qū)退耕還林還草前后生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)服務(wù)的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：退耕還林還草導(dǎo)致黃土高原地區(qū)產(chǎn)水量減少，1999—2007年間黃土高原26%的區(qū)域出現(xiàn)了產(chǎn)水量顯著降低（P＜0.05），減少范圍為1～48 mm，其中6%的退耕區(qū)域產(chǎn)水量下降趨勢(shì)達(dá)到極其顯著水平（P＜0.01）；在氣候因素的綜合作用下，退耕導(dǎo)致產(chǎn)水量減少的趨勢(shì)受到抑制，僅有4%的區(qū)域出現(xiàn)產(chǎn)水量顯著下降（P＜0.05），受氣候波動(dòng)的影響，35%的地區(qū)產(chǎn)水量有不顯著的增加，增加量為1～10 mm／a；產(chǎn)水量的年際波動(dòng)與降雨有很大關(guān)系，產(chǎn)水量變化的絕對(duì)量在濕潤(rùn)年份較高，干旱年份較低，但由于干旱年份產(chǎn)水量小，微小的產(chǎn)水量變化會(huì)造成相對(duì)較高的產(chǎn)水量波動(dòng)。研究表明，評(píng)估退耕對(duì)于黃土高原地區(qū)產(chǎn)水量的影響必須考慮短期的氣候波動(dòng)和長(zhǎng)期的氣候變化。

（3）森林水源涵養(yǎng)效應(yīng)的區(qū)域比較

Wang等［22］選擇森林覆蓋率和徑流系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)中國(guó)北方森林流域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行比較與綜合分析。結(jié)果表明：在黃土高原地區(qū)，小尺度（＜50 km2）和中尺度（50～1 000 km2）上森林覆蓋率與年平均降水量無顯著相關(guān)性，但在大尺度上（＞1 000 km2），兩者呈顯著正相關(guān)。森林覆蓋率與徑流呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于黃土高原地區(qū)潛在蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，植被蒸騰耗水強(qiáng)烈，森林覆蓋率增加將會(huì)減少徑流量。在西北山地區(qū)，森林覆蓋率與年平均降水量呈正相關(guān)，但與徑流無顯著相關(guān)性。在東北地區(qū)，森林覆蓋率與徑流系數(shù)呈顯著正相關(guān)，但森林覆蓋率與降水的相關(guān)性不顯著。東北地區(qū)流域尺度徑流主要取決于緯度、年平均降水量、森林覆蓋率和潛在蒸散發(fā)量。在研究不同區(qū)域森林 產(chǎn)水關(guān)系時(shí)，不僅要關(guān)注森林覆蓋率，也要關(guān)注森林蒸散發(fā)的影響。

2.4 區(qū)域生物多樣性維持功能評(píng)估與保護(hù)

Xu等［23］基于遙感和系統(tǒng)性保護(hù)方法，通過分析汶川地震對(duì)大熊貓棲息地的影響，研究了自然災(zāi)害對(duì)岷山地區(qū)生物多樣性維持功能的影響與保護(hù)對(duì)策。結(jié)果表明：研究區(qū)大熊貓棲息地面積損失比例為23%，震后大熊貓生境斑塊數(shù)目是震前的4.6倍，平均斑塊面積僅為震前的0.17，表明地震及其次生災(zāi)害使大熊貓生境更加破碎化；自然保護(hù)區(qū)內(nèi)外大熊貓生境喪失差異較大，保護(hù)區(qū)外的大熊貓生境喪失比例為13.6%，而保護(hù)區(qū)內(nèi)達(dá)到32.5%，且地震前后保護(hù)區(qū)內(nèi)平均斑塊面積較保護(hù)外降低更多，表明保護(hù)區(qū)內(nèi)大熊貓生境損失較保護(hù)區(qū)外更嚴(yán)重；地震后大熊貓低海拔生境較高海拔更完整，保護(hù)區(qū)外的大熊貓生境比較完整，而保護(hù)區(qū)內(nèi)的生境連通性差。根據(jù)以上研究，提出保護(hù)區(qū)外的關(guān)鍵地區(qū)3個(gè)，連接地區(qū)2個(gè)，通過擴(kuò)大自然保護(hù)區(qū)使這些區(qū)域的生境得到保護(hù)。

2.5 黃土高原植被恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評(píng)估

植被恢復(fù)是區(qū)域退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的主要措施，其綜合生態(tài)效益是衡量植被恢復(fù)成效的關(guān)鍵，是國(guó)際上恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿。自1999年退耕還林還草工程實(shí)施以來，黃土高原的景觀發(fā)生了顯著變化，然而區(qū)域尺度的景觀變化及其帶來的綜合生態(tài)效益還缺乏定量的分析與評(píng)估。Lü等［24］采用遙感、模型模擬和多元統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法，定量評(píng)估了黃土高原2000—2008年退耕還林還草工程的生態(tài)效益和主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化。結(jié)果表明：林、草和聚落用地分別增加4.9%，6.6%和8.5%，農(nóng)田減少10.8%。土地覆被的變化和植被恢復(fù)提升了生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)固碳增加35.3 Tg，其中67.3%為植被固碳，年平均土壤保持率達(dá)到63.3%，區(qū)域糧食生產(chǎn)增長(zhǎng)18%，但由于林草植被面積增加和氣候變化的影響，該地區(qū)年平均產(chǎn)水量減少10.3 mm（圖3）。研究還討論了主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系，進(jìn)一步探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)問題，提出考慮人與自然耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)反饋關(guān)系的適應(yīng)性管理是區(qū)域生態(tài)恢復(fù)可持續(xù)性的關(guān)鍵。

圖3 黃土高原2000—2008年（a）平均產(chǎn)水量和（b）土壤侵蝕變化

3 國(guó)家尺度生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與服務(wù)

3.1 近30年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)變化

重建和收集得到1970，1990，1995，2000和2005年五期全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)集，分析30年來中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)變化典型特征以及變化區(qū)域分異特征與成因。結(jié)果表明：30年來全國(guó)尺度生態(tài)系統(tǒng)變化呈現(xiàn)森林、草地和水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)面積減少，而農(nóng)田、聚落、荒漠以及其他生態(tài)系統(tǒng)面積擴(kuò)展的局面；1995—2000年的5年間，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)變化可劃分為12個(gè)動(dòng)態(tài)變化區(qū)，城市化和土地利用變化方向的國(guó)家宏觀調(diào)控與管理政策如耕地保護(hù)、退耕還林還草是導(dǎo)致該時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的主要原因；2000—2005年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)變化可劃分為15個(gè)動(dòng)態(tài)變化區(qū)，驅(qū)動(dòng)因素主要包括國(guó)家宏觀國(guó)土開發(fā)戰(zhàn)略、社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展與快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致城鄉(xiāng)建設(shè)用地大規(guī)模增長(zhǎng)，西部開發(fā)生態(tài)退耕政策與天然林保護(hù)工程實(shí)施驅(qū)動(dòng)中西部地區(qū)林地大面積增加，氣候變暖導(dǎo)致可耕作區(qū)域的北移以及耕作政策與技術(shù)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致北方大面積草地開墾［25］。

3.2 全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估

水源涵養(yǎng)功能 初步建立國(guó)家尺度生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開展全國(guó)尺度的ET、地表徑流和土壤持水力的數(shù)據(jù)收集、分析工作，基于交互式數(shù)據(jù)語言開展土壤持水、蒸散發(fā)、降水和徑流等關(guān)鍵水循環(huán)要素的可視化和統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：在LUCC和氣候變化等因素的共同作用下，除華北地區(qū)年蒸散發(fā)量有下降趨勢(shì)外，全國(guó)其他5個(gè)片區(qū)的年蒸散發(fā)量都有所增加，變化最大的地區(qū)依次為中南、西南、華東、東北、華北和西北；除西北地區(qū)土壤含水量增加外，全國(guó)各個(gè)地區(qū)土壤含水量都是降低的，其中東北地區(qū)土壤水分降低最大；土壤含水量在1，2，12月份較大，5月份土壤含水量最低。

土壤保持功能 對(duì)中國(guó)1990—2005年生態(tài)系統(tǒng)土壤保護(hù)功能的評(píng)估結(jié)果表明：①水力侵蝕敏感性較高地區(qū)主要分布在黃土高原地區(qū)，其次是中國(guó)西南部和東南部地區(qū)，1990—2005年土壤水力侵蝕敏感性總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。②風(fēng)力侵蝕敏感性較高地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古、新疆和甘肅地區(qū)，其次是中國(guó)青藏高原中部和北部柴達(dá)木盆地，1990—2005年總體上土壤風(fēng)力侵蝕敏感性在增強(qiáng)。③中國(guó)土壤保持的極重要區(qū)域面積約45萬km2，重要區(qū)域面積約92萬km2，中等重要區(qū)域面積約202萬km2，極重要區(qū)主要包括環(huán)四川盆地丘陵區(qū)、三峽庫區(qū)、皖南山區(qū)、武夷山脈、南嶺山脈、云貴高原東南部以及海南中部和臺(tái)灣東部山區(qū)等。④中國(guó)防風(fēng)固沙極強(qiáng)區(qū)面積為48.7萬km2，強(qiáng)度區(qū)面積為27.2萬km2，中度風(fēng)蝕區(qū)面積為65.3萬km2，極強(qiáng)區(qū)主要分布在新疆沙漠區(qū)域及內(nèi)蒙古、青海、甘肅、寧夏以及西藏北部地區(qū)等。

碳固定功能 基于IPCC方法框架，建立中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯核定技術(shù)體系，開展全國(guó)尺度生態(tài)系統(tǒng)碳調(diào)節(jié)功能及其變化特征研究，包括近30年森林固碳功能的變化、草地碳固定功能及其變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等。結(jié)果表明：①從20世紀(jì)70年代初到90年代末，中國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量由3.85 Pg（C）增加到4.66 Pg（C），凈增加0.81 Pg（C）。②中國(guó)草原植被碳儲(chǔ)量為3.32 Pg（C），占全球草地植被碳儲(chǔ)量（27.9～75.0Pg（C））的4.4%～11.9%。③80年代以后中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)一直是CO2的匯，而且對(duì)CO2的吸收能力正在逐步增強(qiáng)。④1982—2003年NEP年際變化趨勢(shì)表現(xiàn)為一定的空間分異特性，NEP增加的區(qū)域主要有東北、華北、西南及新疆西北部，NEP降低的區(qū)域分布在華南及農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)等（圖4）。

圖4 全國(guó)多年平均（a）凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）和（b）凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）空間格局（1982—2003年）

生物多樣性保育功能 針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護(hù)服務(wù)功能，初步建立國(guó)家尺度生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保育功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開展全國(guó)尺度的生態(tài)多樣性數(shù)據(jù)集成與分析工作，初步篩選出166個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，劃出中國(guó)生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。全國(guó)生物多樣性保護(hù)的極重要區(qū)域面積為106.5萬km2，重要區(qū)面積為105.3萬km2，中等重要區(qū)面積131.9萬km2，極重要區(qū)主要包括三江平原濕地、長(zhǎng)白山、祁連山南麓、橫斷山區(qū)、青藏高原東部切割山地、青海南部三江源地區(qū)、秦嶺山區(qū)、神農(nóng)架林區(qū)、武陵山區(qū)、洞庭湖和鄱陽湖濕地、南嶺山地、十萬大山、云南西雙版納、海南島中部山區(qū)等。

3.3 中國(guó)造林的碳蓄積過程

Huang等［26］綜合應(yīng)用理論生長(zhǎng)方程、尺度轉(zhuǎn)換、森林計(jì)測(cè)、傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法等，以地面調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和森林清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了中國(guó)過去60年人工造林活動(dòng)對(duì)人工林生物量和土壤有機(jī)碳庫的影響，并預(yù)測(cè)未來40年造林活動(dòng)的碳增匯潛力。結(jié)果表明：1950年至2010年，中國(guó)人工造林的碳蓄積凈增量為1.686 Pg（C），其中1.689 Pg（C）蓄積增量來源于生物量，0.003 Pg（C）源于土壤凈釋放；2010年，人工林碳蓄積總量為7.894 Pg（C），其中21.4% 蓄積于生物量碳庫，78.6% 蓄積于土壤有機(jī)碳庫；2010年至2050年，規(guī)劃新造林的碳蓄積潛力可達(dá)到2.51 Pg（C）；至2050年，中國(guó)造林活動(dòng)凈蓄積碳可達(dá)3.169 Pg（C），人工林碳蓄積量可達(dá)10.395 Pg（C），包括3.055 Pg（C）生物量碳和7.34 Pg（C）土壤有機(jī)碳，造林導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳變化量為0.114 Pg（C）；中國(guó)各區(qū)域人工造林碳蓄積呈現(xiàn)相似的發(fā)展態(tài)勢(shì)，即2000年之前主要表現(xiàn)為生物量增加和土壤碳損失，之后表現(xiàn)為生物量和土壤碳的凈增加。

3.4 中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對(duì)氣候變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

國(guó)際上常用的全球動(dòng)態(tài)植被模型LPJ－DGVM（Lund－Potsdam－Jena dynamic global vegetation model）對(duì)中國(guó)植被格局的模擬效果較差，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的模擬偏差較大。Tao等［27－28］針對(duì)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用多源資料，對(duì)LPJ－DGVM模型進(jìn)行系統(tǒng)校正和模擬驗(yàn)證。校正后的模型能顯著提高對(duì)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)的模擬能力，對(duì)LAI，ET和徑流等影響水循環(huán)的重要變量也具有較高的精度。利用模型分析了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被動(dòng)態(tài)、碳通量、碳庫對(duì)CO2濃度升高和氣候變化的時(shí)空響應(yīng)，也研究了ET、徑流、土壤濕度等時(shí)空動(dòng)態(tài)特征。結(jié)果表明：氣候變化可導(dǎo)致東北地區(qū)森林向北退縮，被草地取代，變?yōu)樘荚?，而青藏高原和西部地區(qū)水熱條件改善，裸地和沙漠面積減小，植被覆蓋增加，固碳功能增加；1981—2100年間中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)平均固碳潛力為0.12～0.20 Gt·a－1（C），固碳潛力約從2040年開始降低；CO2濃度升高和氣候變化綜合作用下，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)ET總體上減少，土壤水分和徑流量增加，但空間分布差異較大；植被水脅迫能得到總體改善，但在局部地區(qū)可能加劇，如東北地區(qū)；中國(guó)南部和東北部徑流量會(huì)增加，而在北部和西北部地區(qū)徑流減少。

4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化與生態(tài)安全

4.1 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)過程流量的價(jià)值化評(píng)價(jià)方法

（1）森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流量過程模擬與分析

生物量生產(chǎn) 根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用能量替代法，厘定了長(zhǎng)白山溫帶森林、千煙洲中亞熱帶人工林、鼎湖山南亞熱帶常綠闊葉林和西雙版納熱帶季節(jié)雨林的生物量生產(chǎn)流量過程。結(jié)果表明：長(zhǎng)白山溫帶森林、千煙洲人工林和西雙版納雨林的生物量生產(chǎn)過程為單峰型，而鼎湖山闊葉林為雙峰型，且溫帶森林和熱帶森林的生物量生產(chǎn)流量季節(jié)變異大于亞熱帶森林（圖5）；四類森林的生物量生產(chǎn)價(jià)值累積過程呈S型曲線；千煙洲人工林生物量年生產(chǎn)價(jià)值為516.55元·hm－2·a－1，長(zhǎng)白山溫帶森林為478.90元·hm－2·a－1。

碳固定 將森林生態(tài)系統(tǒng)氣體調(diào)節(jié)服務(wù)區(qū)分為植被氣體調(diào)節(jié)服務(wù)和凈生態(tài)系統(tǒng)氣體調(diào)節(jié)服務(wù)，其中前者與凈初級(jí)生產(chǎn)力直線相關(guān)，而后者與凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力密切相關(guān)。Li等［29］基于森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用溫室氣體損失法和人工制氧成本法計(jì)算森林生態(tài)系統(tǒng)氣體調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值。結(jié)果表明：長(zhǎng)白山溫帶森林、千煙洲中亞熱帶人工林、鼎湖山南亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)在年尺度上均表現(xiàn)為CO2的凈吸收；在月尺度上，千煙洲人工林和鼎湖山闊葉林均表現(xiàn)為CO2的凈吸收，而長(zhǎng)白山溫帶森林有四個(gè)月表現(xiàn)為負(fù)向凈生態(tài)系統(tǒng)氣體調(diào)節(jié)服務(wù)；三類森林生態(tài)系統(tǒng)的凈生態(tài)系統(tǒng)氣體調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值累積過程曲線差異顯著；千煙洲人工林氣體調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值為2 363.28元·hm－2·a－1，長(zhǎng)白山溫帶森林為1 301.01元·hm－2·a－1。

（2）草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流量過程模擬與分析

圖5 森林生態(tài)系統(tǒng)生物量生產(chǎn)服務(wù)流量過程 （BNF：西雙版納熱帶季節(jié)雨林，CBF：長(zhǎng)白山溫帶森林，QYF：千煙洲中亞熱帶人工林，DHF：鼎湖山南亞熱帶常綠闊葉林）

水源涵養(yǎng) 根據(jù)草地站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，選取土壤蓄水能力法厘定了內(nèi)蒙古典型草原和海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)流量過程。結(jié)果表明：水源涵養(yǎng)服務(wù)流量過程可用土壤蓄水能力的季節(jié)變化來表征；根據(jù)服務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)程度，水源涵養(yǎng)服務(wù)可以區(qū)分為現(xiàn)實(shí)水源涵養(yǎng)服務(wù)、潛在水源涵養(yǎng)服務(wù)和剩余水源涵養(yǎng)服務(wù)，而潛在水源涵養(yǎng)服務(wù)則與現(xiàn)實(shí)水源涵養(yǎng)服務(wù)呈現(xiàn)互補(bǔ)性變化；內(nèi)蒙古草原現(xiàn)實(shí)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值變化范圍為96.64～393.41元·hm－2，潛在水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值在19.43～301.52元·hm－2之間波動(dòng)，平均剩余水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值為888.61元·hm－2。

土壤保持 采用土壤風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型研究?jī)?nèi)蒙古草原土壤保持服務(wù)流量過程。結(jié)果表明：草地生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)蝕控制服務(wù)（土壤保持）價(jià)值主要體現(xiàn)在保持土壤養(yǎng)分和減少廢棄地兩個(gè)方面，且為離散型實(shí)現(xiàn)；內(nèi)蒙古草原土壤保持量為39.42 t·hm－2·a－1，運(yùn)用化肥價(jià)格法計(jì)算的保持土壤速效和全量養(yǎng)分的價(jià)值分別為37.86元·hm－2·a－1和186 2.4 2元·hm－2·a－1，其中在生長(zhǎng)季產(chǎn)生的保持土壤養(yǎng)分價(jià)值占全年價(jià)值的67.02%；采用機(jī)會(huì)成本法計(jì)算的內(nèi)蒙古草原減少廢棄地的價(jià)值流量為0～0.051元·hm－2·d－1，其年累積價(jià)值為1.48元·hm－2·a－1。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類福祉的影響

針對(duì)人類福祉相關(guān)研究的理論需求，構(gòu)建人類福祉的理論框架、分類系統(tǒng)及與之相對(duì)應(yīng)的度量指標(biāo)體系，提煉了與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)密切相關(guān)的福祉要素和客觀指標(biāo)，在宏觀層次上建立以行政區(qū)劃為研究單元的人類福祉研究框架?？蚣芄材依?類福祉要素，17項(xiàng)代表性度量指標(biāo)，反映人類福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)聯(lián)性（表1）。

表1 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的人類福祉要素與度量指標(biāo)

以上述理論框架為基礎(chǔ)，分析流域和區(qū)域尺度供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)時(shí)空分布特征和對(duì)人類福祉的影響。在黃河流域，分別從食物供給與薪柴供給兩方面分析供給服務(wù)的時(shí)空變化，并根據(jù)供給 消費(fèi)安全性分析，揭示兩種服務(wù)的安全格局現(xiàn)狀及變化特征。結(jié)果表明：①1995—2008年，各省食物安全狀況總體為好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，不安全縣市的比例逐年下降；各省油料和肉類的實(shí)際安全狀況好于理論安全，但消費(fèi)模式中油料和肉類消費(fèi)量尚未達(dá)到營(yíng)養(yǎng)需求；糧食安全狀況出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)需求安全好于實(shí)際消費(fèi)安全的狀況。②薪柴供給能力較低的縣市主要分布于山東、河南、寧夏和內(nèi)蒙古等流域中游和下游地區(qū)；1995—2000年，流域薪柴供給能力空間格局未出現(xiàn)顯著變化，總體供給能力降低2%左右；流域大部分地區(qū)薪柴消費(fèi)安全得以保證，缺乏區(qū)僅占全流域33%；1995—2000年，薪柴安全風(fēng)險(xiǎn)增加，除山西、河南外，其余各省薪柴安全水平下降；1995—2000年，薪柴消費(fèi)量顯著下降，除甘肅外，各省市薪柴消費(fèi)量明顯降低，能源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化。Zhen等［30］在黃土高原的固原市域的研究表明：①糧食安全、人均純收入、薪柴消費(fèi)安全均為增加的趨勢(shì)，對(duì)總福祉變化的正面貢獻(xiàn)最高；生產(chǎn)資料滿意度下降是制約農(nóng)民福祉提高的關(guān)鍵因素。②環(huán)境安全、資源安全、食物與燃料安全、收入安全等人類福祉的提高，70.0%源于耕地生產(chǎn)力的提高，約23.9%源于生態(tài)建設(shè)工程。

4.3 生態(tài)補(bǔ)償核算方法與實(shí)施途徑

劉桂環(huán)等［31］采用基于生態(tài)保護(hù)與建設(shè)成本的核算方法、基于發(fā)展機(jī)會(huì)的核算方法和基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的核算方法等生態(tài)補(bǔ)償核算方法，以官廳水庫流域?yàn)榘噶?，研究流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的建立與完善。結(jié)果表明：官廳水庫流域基于上游生態(tài)建設(shè)成本的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為24.81億元，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為1 170 .89億元，基于發(fā)展機(jī)會(huì)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為371.54億元；基于發(fā)展機(jī)會(huì)的人均補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)與張家口市農(nóng)民人均純收入相差不大，在北京市財(cái)政的承受范圍內(nèi)又能很好地激勵(lì)上游農(nóng)民保護(hù)流域水資源，更適合于官廳水庫流域。官廳水庫流域生態(tài)補(bǔ)償可分為三個(gè)階段來實(shí)施：一是基本補(bǔ)償階段，此階段主要補(bǔ)償利益相關(guān)者的直接損失和花費(fèi)；二是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整補(bǔ)償階段，主要補(bǔ)償因產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)生的費(fèi)用；三是生態(tài)效益外溢補(bǔ)償階段，主要支付生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)和管理費(fèi)用。生態(tài)補(bǔ)償主要有三個(gè)途徑，中央政府通過政策補(bǔ)償，北京市政府通過資金、智力和產(chǎn)業(yè)補(bǔ)償，河北省政府通過資金和政策補(bǔ)償。

4.4 全國(guó)生態(tài)安全評(píng)估

結(jié)合生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平，參考國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)，從生態(tài)環(huán)境、人口和經(jīng)濟(jì)方面，分別選擇EVI指數(shù)、人口密度和GDP密度等3個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建國(guó)土生態(tài)安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，針對(duì)全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃確定的9個(gè)二級(jí)區(qū)和216個(gè)三級(jí)生態(tài)功能區(qū)，開展2005—2009年生態(tài)安全狀況的動(dòng)態(tài)評(píng)估。結(jié)果表明：①由于人口、經(jīng)濟(jì)和EVI的變化，占國(guó)土面積30.95%的77個(gè)三級(jí)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)安全動(dòng)態(tài)指數(shù)為負(fù)值，其中粵西丘陵平原農(nóng)產(chǎn)品提供功能區(qū)、山南地區(qū)熱帶雨林季雨林生物多樣性保護(hù)功能區(qū)、長(zhǎng)江洪湖—黃岡段洪水調(diào)蓄功能區(qū)等下降較為明顯，三江平原農(nóng)產(chǎn)品提供功能區(qū)、京津冀大都市群等三級(jí)功能區(qū)生態(tài)安全動(dòng)態(tài)指數(shù)增加明顯。②整體上看二級(jí)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)安全狀況趨于增強(qiáng)，但是二級(jí)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)部不同區(qū)域存在較大差異，大都市群、林產(chǎn)品提供、重點(diǎn)城鎮(zhèn)群、洪水調(diào)蓄和農(nóng)產(chǎn)品提供等二級(jí)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)部生態(tài)安全動(dòng)態(tài)指數(shù)下降區(qū)域的比重較大，防風(fēng)固沙、土壤保持、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)二級(jí)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)部生態(tài)安全動(dòng)態(tài)指數(shù)升高區(qū)域的比重相對(duì)較高。③生態(tài)安全重點(diǎn)保護(hù)地區(qū)約占國(guó)土面積的57%，生態(tài)安全重點(diǎn)治理地區(qū)所占比例為21%，生態(tài)安全一般治理地區(qū)和一般保護(hù)地區(qū)面積比例相當(dāng)。當(dāng)前生態(tài)安全重點(diǎn)治理區(qū)分布在西南、西北和東北的一些生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)安全一般治理地區(qū)主要分布在東部。

5 項(xiàng)目的后續(xù)研究計(jì)劃

本項(xiàng)目在后續(xù)工作中，將充分利用已建立的各種平臺(tái)在生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域和全國(guó)三個(gè)尺度繼續(xù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過程與服務(wù)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、資料分析和模型模擬等工作，進(jìn)一步分析生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和服務(wù)的關(guān)聯(lián)及機(jī)制，突出各項(xiàng)服務(wù)在區(qū)域的對(duì)比研究；進(jìn)一步研究不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用，發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域集成方法與模型；進(jìn)一步開展全國(guó)尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)方法和模型系統(tǒng)的研究，提出國(guó)家尺度生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估的方法和結(jié)果；進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化評(píng)估和生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的理論研究，突出服務(wù)功能與人類福祉與生態(tài)安全的整體結(jié)合，結(jié)合國(guó)家重大需求提出具體的生態(tài)安全對(duì)策。

（2012年8月29日收到）

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（編輯：方守獅）

Major Research Progresses on the Ecosystem Service and Ecological Safety of Main Terrestrial Ecosystems in China

FU Bo－jie①，LüYi－h(huán)e②，GAO Guang－yao③
①CAS Member，②Associate Professor，③Research Assistant，Research Center for Eco－Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China

The major research progresses of the 973 project“Ecosystem Service and Ecological Safety of Main Terrestrial Ecosystems in China”in the past three years are introduced.The main results include the mechanism of ecosystem processes and ecosystem services，comprehensive research of regional ecosystem，integrated assessment of national ecosystem structures and services，and ecosystem service valuation and ecological safety.Besides，the future research plan of this 973 project is briefly presented.

ecosystem process，ecosystem service，ecological safety，human well－being，integrated assessment

10.3969／j.issn.0253－9608.2012.05.003