1. 文章信息
文章题目：Time and space catch up with restoration programs that ignore ecosystem service trade-offs
发表期刊：Science Advances（13.6/Q1）
发表时间：2021
作者：Ruonan Li, Hua Zheng*(State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences)
2. 文章目的及意义
在大尺度区域范围内评估生态工程的总体效果至关重要，不仅应考虑潜在的经济利益，还应考虑对人类社区的风险和成本以及可能的社区响应。此外，生态系统结构和功能的时间变化也会影响生态系统恢复的总体效果。只有考虑在不同空间尺度上生态修复对ESs的直接和间接影响，以及它们的长期时间动态，才能理解生态工程的长期有效性和可持续性。
为了揭示生态工程在土地可持续利用管理方面的复杂效益，我们以海河流域为研究区域（图1A），从时空权衡的角度分析了中国两大生态工程——三北防护林和京津风沙源治理工程的防风固沙和水资源供给情况。此外，本文还研究了生态工程的主要驱动力贡献，并阐明了这些因子之间的相互关系，以指导生态工程的设计和管理。
3. 材料和方法
3.1. 研究区
图1. A：海河流域的研究区域以及山区子流域和水文站的分布；B：防风固沙变化图，以及子流域造林提高防风固沙能力的比例柱状图（ZRB代表子牙河流域；ZhRB代表漳河流域。绿色和红色分别代表风沙侵蚀加剧和减弱的程度）
3.2. 数据源
3.3. 研究方法
本文将土地利用类型分为森林、草地、耕地、水域、人工用地和其他用地六种。采用修订的风蚀方程（RWEQ）来量化防风固沙服务。使用Pettitt检验和双质量曲线确定地表径流的突变点，并对水文和环境因子进行Mann-Kendall趋势分析。
为了确定地表径流减少的相对贡献率，本文首先利用斯皮尔曼相关性分析方法分析了径流变化与各种影响因素（包括降水；气温；参考蒸发量；森林、草地、农田、湿地和人工用地面积以及NDVI）之间的关系。然后采用多元线性回归法确定主要影响因素。最后，通过方差分析，使用均值的平方偏差和来量化每个主要因素的相对贡献。
4. 结果分析
4.1. 防风固沙服务变化
图1B. 防风固沙变化图以及子流域防沙面积增幅比例柱状图（绿色和红色分别代表风沙侵蚀加剧和减弱的程度）
4.2. 地表径流变化及驱动因素
图2. 海河流域部分子流域突变点前后的地表水径流量。对于径流量突变的子流域，蓝色和橙色散点图分别代表突变年（1998年）前后的年径流量，较大的红点代表1998年的径流量。对于径流量无突变的子流域，灰色散点图表示年径流量。各图右上方插图为Pettitt测试显示的突变点。
图3. 气象和土地利用因子的变化及其对造林地区径流减少的相对贡献。A. 1980-2015年参考蒸散发量、降水量和气温的变化；B. 1980-2015年森林面积和NDVI的变化；C. 实际蒸散发量与森林面积和森林NDVI的关系；D. 气象和土地利用因子对径流减少的相对贡献（参考蒸散发量对径流减少的贡献最大，其次是森林面积、森林质量以及外部和内部农田面积）。
4.3. 植被生长和浅层地下水深度的响应
图4. 森林质量（NDVI）显著变化的累积森林面积和森林面积比例。A. NDVI显著变化的突变森林面积累积（灰色、蓝色和橙色点虚线分别代表所有显著变化的森林面积、显著减少的森林面积和显著增加的森林面积）；B. NDVI在突变年之前发生显著变化的森林分布和面积比例；C. 骤变年后 NDVI 发生显著变化的森林分布和面积比例。
图5. 山麓平原浅层地下水与植树造林区地表径流之间的累积关系（蓝点和红线分别表示1998年以前的观测值和拟合趋势线；红点和红线分别表示1998年以后的观测值和拟合趋势线）。
5. 讨论
大规模的生态工程虽然提高了华北和东北地区的植被覆盖率，有效降低了土壤退化和水土流失的风险，但防风固沙服务也消耗了大量的水资源，造成流域地表径流减少。其原因有以下几种：
（1）人工林扩张。与天然森林相比，人工林在生长过程中会造成树冠蒸散发总量增加、地表径流减少和水平衡改变。
（2）森林数量（面积）和质量（NDVI）变化。
（3）土壤含水量变化。森林面积和质量的快速增长超出了研究区相对有限的降水的承载能力，导致地表径流减少，土壤水分加速下降。而水资源的减少又进一步抑制了森林质量。
（4）气候变化和农业用水。气候变化大大增加了生态工程的不确定性和风险。而上下游农田也通过直接从溪流和地下水源取水导致地表水减少。
（5）人为干预，如水库的建设和运营以及社会发展。从长时间尺度来看，与气象因素相比，人类活动是影响径流的次要因素。不过，这些干预措施也会在局部或短期内通过改变地表和水文循环对下游径流产生影响。
影响海河流域山区径流减少的途径非常复杂，甚至受到子流域尺度上的非本地因素影响，因此强调对生态工程进行大规模评估的必要性。由于海河流域地表水资源严重短缺，地下水占取水量的一半以上，其中大部分取自浅层地下水源。在地下水仍主导农业用水消耗的基础上，植树造林项目引起的上游径流减少将加速山麓平原浅层地下水位的下降。
合理选择植树造林的物种对生态修复效果至关重要。生物多样性保护可以提供许多其他生态系统服务的效益，这取决于本土植物物种。我们强调在实施生态工程时要考虑大规模空间权衡和时间滞后，以避免对生态系统产生灾难性的影响。
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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