石羊河流域草地覆蓋與其生態服務功能變化

高 超，趙 軍，李傳華，魏 偉，王建邦，康重陽

（西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070）

氣候變化和人類開發等多因素影響，可能導致草地生態環境退化，直接影響區域生態、經濟和社會的可持續發展[1-2]。分析草地較長時間序列的生長情況，并對同期草地提供的生態系統服務進行評估，探索草地覆蓋狀況對生態系統服務的影響，可為認識草地生態系統服務規律、提升生態系統科學管理能力提供理論參考[3]。

目前，生態系統服務是學術界的研究熱點之一[4-5]，前人從不同角度針對植被展開研究，但已有研究多基于特定時間段來分析植被變化的空間格局，或以較短時序分析植被的變化過程和特征，也有學者從生態恢復與生態效益方面進行探討[6-9]。植被作為生態系統服務產生和傳遞的重要基礎，氣候變化和人為擾動的影響結果直接體現在植被上。因此，植被的生長狀況勢必對區域內生態系統服務產生重要影響，在分析生態系統服務變化時，有必要明確植被變化對其產生的影響和趨勢[10]。

石羊河流域是干旱區內陸河流域，是中國西北生態安全屏障的重要組成部分，水資源、水土保持及植被恢復與保護等問題是區域生態和社會經濟發展的重要指標。然而石羊河流域生態問題嚴重，水土資源作為區域的生態基礎至關重要，水土資源不足引起的草地生態環境退化勢必影響草地的固碳服務，進而加重人工固碳或減少排放的任務量。因此，本研究選擇草地的產水量、土壤保持、固碳服務等主要生態系統服務功能，探討草地植被覆蓋變化對生態系統服務的影響，以期為石羊河流域草地植被生態系統保護和科學管理提供參考。

1 數據來源與評估方法

1.1 研究區概況

石羊河流域地理位置為 101°41′-104°16′ E、36°29′-39°27′ N，總面積 4.16 × 104km2，平均海拔約2 000 m，屬于典型的大陸溫帶干旱氣候，其上、中、下游的氣候特征具有明顯分異：上游祁連山高寒半干旱濕潤區，年均氣溫約0 ℃，常年平均降水量為 300～600 mm，年蒸發量為 700～1 200 mm，是流域主要水源供給地，該區草地主要為高山和亞高山草甸，植被茂密，水土保持及碳固定能力較強；中游走廊平原干旱區，是流域內的主要灌溉農業區，年均溫不足7.8 ℃，年降水量150～300 mm，年蒸發量 1 300～2 000 mm，干旱程度明顯大于上游區域，且為流域的主要耗水區，該區草地主要為荒漠草原，水土保持能力較差；下游溫暖干旱區，主要為民勤綠洲和荒漠，多年平均氣溫為7.6 ℃，年均降水量不足150 mm，年蒸發量 2 000～2 600 mm，區域降水少且蒸發強，屬于重度缺水區，成為生態環境問題最為突出的區域。綜合來看，中下游草地均屬荒漠草原和干草原植被類型。

1.2 數據來源

植被覆蓋度 (fractional vegetation cover, FVC)以MODIS-NDVI產品數據計算獲得，歸一化植被指數 (normalized difference vegetation index, NDVI)產品空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，以最大值合成法得到年數據。固碳服務以MODIS-NPP產品數據獲得，NPP產品空間分辨率為1 000 m，時間分辨率為1 a。以上MODIS數據均來自https://modis.gsfc.nasa.gov/。產水服務與土壤服務采用InVEST模型計算，所使用的基礎數據如表1所列，對獲得的原始數據進行處理和計算得到模型的輸入參數。

1.3 評估方法

本研究以NDVI計算植被覆蓋度，基于InVEST模型的產水量模塊、土壤侵蝕模塊，基于植物光合作用方程，定量評估石羊河流域草地生態系統的產水服務、土壤保持服務和固碳服務的時空變化特征。

氣象數據等實測數據和土地利用等產品數據均滿足本研究要求(表1)。植物蒸散系數、土壤保持措施因子及植被覆蓋和管理因子等經驗參數，以相近研究區、模型參數可借鑒性、文獻的新近性為原則，通過分析大量文獻獲得。Zhang系數、匯水累計閾值和坡度閾值需多次模擬，使其與研究區實際情況相符。多次模擬后分別取9.433、800和25。

1.3.1 草地覆蓋變化分析

植被覆蓋度基于NDVI數據、以像元二分模型計算獲得，公式如下：

式中：FVC為植被覆蓋度，NDVIsoil和NDVIveg分別為純裸土和純植被對應的NDVI值，結合前人研究和具體情況，取生長季內植被NDVI最小值0.076和最大值0.818代替NDVI和NDVI[19]。

對2000-2015年草地覆蓋變化進行分級，結合已有研究及研究區實地考察，將草地現狀分為5類[20]。其中，植被覆蓋度之差＜-20%為明顯退化，在-20%～-5%為較明顯退化，在-5%～5%為無變化，在5%～15%為輕微改善，植被覆蓋度之差＞15%為較明顯改善。

表1 InVEST 模型參數來源說明Table 1 InVEST data source

1.3.2 生態系統服務評估

1) 產水服務

產水量模塊基于Budyko水熱耦合平衡假設(1974年)和年平均降水量數據，以水量平衡法計算產水量。公式如下：

式中：AET(x)表示柵格單元x的年實際蒸散量，P(x)表示柵格單元x的年降水量。

水量平衡公式中，植被蒸散發(實際蒸散量與降水的比值)采用Budyko水熱耦合平衡假設公式：

式中：PET(x)表示潛在蒸散量、ω(x)表示自然氣候-土壤性質的非物理參數，其中PET(x)定義為：

式中：ET0(x)表示柵格單元x的參考作物蒸散，Kc(lx)為柵格單元植物蒸散系數。

式中：AWC(x)為植物可利用含水量(mm)，由土壤質地和土壤有效深度決定，Z為經驗常數，反映區域降水分布及其他水文地質特征。

2) 土壤保持服務

土壤保持服務以土壤侵蝕和土壤保持量為指標，土壤保持量定義為裸地條件下的土壤侵蝕量RKLS與植被覆蓋情況下的土壤侵蝕量USLE之差。公式如下：

式中：USLE為實際土壤侵蝕，RKLS為潛在土壤侵蝕，R為降水可蝕量因子，K為土壤可蝕性因子，LS為坡度坡長因子，C為作物/植被和管理因子，P為土壤保持措施因子，SD為土壤保持量。

3) 固碳服務

植被吸收空氣中的二氧化碳，通過光合作用產生有機物并釋放氧氣，化學反應方程式為：

根據上式計算得出：植物干物質生產與CO2消耗比例為1∶1.62，因此固碳量為：

2 結果與分析

2.1 石羊河流域草地覆蓋度的時空特征

2000-2015年期間石羊河流域草地覆蓋度最大值不斷減小，最小值卻呈現增加趨勢，平均值呈現先增加后減少趨勢(表2)。結合2000-2015年土地利用數據的草地面積變化統計，造成這種情況的原因是草地面積在不斷減少，尤其是低覆蓋度草地的不斷消失，使得植被覆蓋度的最小值在不斷增加。植被覆蓋度的均值先增加后減少，2005-2015年草地覆蓋度整體開始減小(最大值減小，最小值增加，均值減小)，2010-2015 年減小最為嚴重。上述結果表明：石羊河流域草地生態系統質量下降。

從草地覆蓋變化趨勢看，石羊河流域草地覆蓋有顯著減小，且主要集中在上游(圖1)。石羊河上游地區，西南區域顯著減小，所屬子流域為西大河流域和東大河流域，以及西營河流域西部；中部靠南也有顯著減小，北部卻有較顯著改善；雜木河流域、黃羊河流域及古浪河流域也呈較顯著或顯著減小；東南部大靖河流域呈輕微改善或較顯著改善。石羊河流域中游，西部以減小趨勢為主，中部及東部呈改善趨勢。石羊河流域下游，草地覆蓋無明顯變化。

表2 2000-2015年石羊河流域草地面積及植被覆蓋度變化Table 2 Changes of the grassland area and FVC in Shiyang River basin in 2000-2015

圖1 2000-2015 年草地覆蓋變化趨勢Figure 1 Change trend of FVC in 2000-2015 grassland

2.2 石羊河流域草地生態系統服務的時空特征

2.2.1 產水量的時空特征

在2000-2015年，石羊河流域草地產水量總體呈上升趨勢。從流域尺度年際變化來看，產水量呈先減少后增加趨勢，在2010年達到最低766.93 mm·hm-2，在 2015 年達到最高值 926.71 mm·hm-2，多年平均值為853.79 mm·hm-2。子流域產水量的變化趨勢大致與流域類似，均呈先減少后增加趨勢。

從空間分布上來看，草地覆蓋茂密的中上游區域差異較大。其中產水量較高的子流域為古浪河、雜木河及黃羊河流域，均達到110 mm·hm-2以上；金塔河、西大河、大靖河及中下游流域產水較少，產水量在70～110 mm·hm-2，其中金塔河流域產水量最小，低于下游流域的產水量。

從產水量的變化速率空間分布來看，2000-2015年研究區各時間段內有明顯變化，大部分區域呈小幅度減少，但增加區域有較大幅度增長(圖2)。2000-2005年，石羊河西部區域產水量有明顯增加，流域中心明顯減少。2005-2010年，部分區域呈小幅度上漲，漲幅最大的區域與前一期減幅最大的區域相同，減少最嚴重的區域位于流域西部邊界(圖2b)。2010-2015年，變化幅度最大。區域年均最大漲幅為40%；年均最大減幅達到10%。從整個時間序列來看，僅大靖河東部及中下游西北部漲幅明顯；東大河流域下游及其西部接壤處減幅明顯，其余區域均呈小范圍浮動變化。

圖2 產水量變化速率空間分布Figure 2 Spatial distribution of change rate of water wield

2.2.2 土壤保持時空特征

在2000-2015年，石羊河流域草地土壤保持總體呈波動減少趨勢。從流域尺度年際變化來看，土壤保持 2015 年達到最低 115.77 t·hm-2，2000年達到最高值 200.81 t·hm-2，多年平均值為 150.64 t·hm-2。從子流域尺度來看，黃羊河流域、古浪河流域、下游流域及大靖河流域呈不同幅度持續減少，其余子流域呈不同程度的波動減少，其中下游流域因其土壤保持量小，變化不明顯。2000-2005年，各子流域土壤保持均大幅減少，其中黃羊河流域、金塔河流域、雜木河流域及西營河流域減幅最大，古浪河流域與大靖河流域減幅較小。2005-2010年，雜木河流域、西營河流域及東大河流域均有明顯漲幅，黃羊河流域、金塔河流域及大靖河流域有小幅度減少。2010-2015年，除古浪河流域及中下游有小幅度減少、大靖河流域有小幅度增加外，其余子流域均呈大幅度減少趨勢。

從空間分布來看，除中下游流域草地覆被較少，土壤保持量極低外，石羊河上游各子流域之間土壤保持差異明顯。從土壤保持變化速率空間分布來看，2000-2015年各時段均有明顯變化但總體呈減少趨勢(圖3)。2000-2005年，石羊河流域北部土壤保持有小幅度增加，南部及東南部有不同程度減少，西大河流域、東大河流域、西營河流域及金塔河流域的中部區域減幅明顯，東大河流域、西大河流域的下游及其與下游流域接壤處也有較大減幅。2005-2010年，整個流域土壤保持變化量分區明顯，流域西南區域的5個子流域上游均明顯增長，流域東南區域明顯減少，下游流域小幅度減少。2010-2015年，流域西南部區域與前一期變化相反，流域東南區域無明顯分異但總體減少，下游流域與前一期變化相仿。

2.2.3 固碳服務時空特征

2000-2015 年，石羊河流域草地固碳量總體呈減少趨勢。從流域尺度年際變化來看，固碳量在2000 年達到最高值 194.25 g·m-2，2010 年達到最低值 139.01 g·m-2，多年平均值為 155.92 g·m-2。從子流域角度看，各子流域固碳量均呈減少趨勢且在2000-2005年顯著減少。

從空間分布來看，石羊河流域草地固碳量呈整體退化趨勢，在空間上退化程度并無太大的分異特征(圖4)。這說明影響草地固碳能力的擾動因子持續影響全域草地，并無局部擾動。從固碳能力上看，上游高固碳量區域不斷減小，且單位面積固碳能力也在不斷減小；中游與下游交界處也有部分區域固碳能力從中等向低等退化。對比同期植被覆蓋度分布情況，上游草地固碳能力的退化趨勢與草地植被覆蓋度變化趨勢大致相同：2005年以前東南部地區草地固碳功能退化最強烈，2005年以后西南部地區草地固碳功能退化超過東南部。

圖3 土壤保持變化速率空間分布Figure 3 Spatial distribution of change rate of soil conservation

2.3 石羊河流域草地覆蓋變化對生態系統服務的影響

為了更好地分析草地覆蓋變化對各項生態系統服務的影響，以Pearson相關系數分別分析草地覆蓋度與各項生態系統服務的相關性，并分上、中、下游分析草地覆蓋度與各項生態系統服務的相關性，探索石羊河流域不同流域段草地覆蓋對各項生態系統服務的影響差異。最后綜合分析草地植被對草地生態系統服務的綜合影響。

2.3.1 草地植被與產水量

草地植被與全流域和上游的產水量之間存在顯著(P＜0.001)正相關，且全流域和上游的相關性強于中下游流域(表3)。從InVEST模型產水量輸入參數來看，降水是影響產水量的主要因素，這與吳健等[21]研究結果相符。降水同樣影響植被覆蓋，石羊河流域降水量與草地分布均呈由西南向東北遞減。在石羊河流域上游，水源充沛，水資源的消耗在區域環境的承受范圍內；石羊河下游重度缺水且草地稀少，多為耐旱性草本植物，因此石羊河流域下游草地植被與產水量的相關性比中游更好。從植被恢復的角度來看，中游水資源的合理利用對全流域更為重要。

圖4 固碳量空間分布Figure 4 Spatial distribution of carbon sequestration

2.3.2 草地植被與土壤保持

草地植被與土壤保持在全流域、上游及中游存在顯著 (P＜0.001)正相關，在下游存在顯著 (P ＜0.001)負相關(表4)。在InVEST土壤保持模塊輸入參數中，降水侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長因子在一定時間內基本保持穩定，對于草地也無土壤保持措施，因此植被覆蓋因子和經營管理因子易受人類活動干擾，從而影響流域的土壤保持。石羊河流域上游西部，草地覆蓋減小顯著，上游中部及東部部分區域有較顯著改善，對比流域土壤保持變化速率發現，流域上游西部可能為植被覆蓋因子和經營管理因子共同影響；流域上游中部及東部區域為經營管理因子影響土壤保持量。石羊河流域中游，西部草地覆蓋與土壤保持變化均呈減小趨勢；中部及東部變化趨勢相反，說明經營管理因子主要影響土壤保持。石羊河流域下游，草地覆蓋與土壤保持變化趨勢相反，草地分布細碎，經營管理效果微弱，因此影響因子主要為草地覆蓋。

2.3.3 草地植被與固碳服務

草地覆蓋與固碳服務之間除2000年的中游外其余年份的流域均存在顯著(P＜0.001)正相關關系，且相關系數遠高于草地覆蓋與產水量和土壤保持(表5)。草地覆蓋度的計算與固碳服務的計算中均用到NDVI指數，草地覆蓋與固碳服務之間存在共線性。因此，石羊河流域草地植被與固碳服務的相關系數均較大。對比2000—2015年石羊河流域草地覆蓋與固碳服務的變化趨勢，西營河流域和金塔河流域部分區域呈相反變化趨勢，草地覆蓋有所改善，但固碳服務量仍呈減少趨勢。從CASA模型的參數分析，溫度和水分可能會影響NPP量，由于產水量的減少幅度不大，溫度可能是造成NPP減少的主要原因。

表4 草地植被覆蓋度與土壤保持相關系數Table 4 FVC and SDR correlation coefficient fractional

表5 草地植被覆蓋度與固碳服務相關系數Table 5 FVC and carbon sequestration correlation coefficient fractional

3 討論與結論

對石羊河流域2000、2005、2010、2015年的草地覆蓋、產水量、土壤保持、固碳能力進行評估，并分析草地覆蓋對生態系統服務的影響，研究表明：石羊河流域草地生態系統質量下降，草地覆蓋減小明顯。西南部上游產水量、土壤保持及固碳能力較強，東北部下游生態系統服務能力較弱。流域內產水量有先減少后增加趨勢，土壤保持和固碳能力均呈減少趨勢。除草地覆蓋度與流域上游產水量相關性呈顯著(P＜0.001)正相關關系。石羊河流域上游草地植被覆蓋減小顯著，引起草地生態系統服務能力下降。閆俊杰等[22]在伊犁河谷的研究也指出，草地覆蓋度退化引起了生態服務價值的損失，其中高覆蓋度草地退化造成的影響最為嚴重，與本研究的結論一致。改善上游的草地生態系統對于提高全流域草地生態系統服務至關重要。

本研究以MOD-NDVI產品數據分析石羊河流域草地植被覆蓋變化，以InVEST模型的產水量模塊和土壤侵蝕模塊分析研究區草地產水服務和土壤保持服務變化，以MOD-NPP產品數據分析流域草地固碳服務。在生態系統服務評估上，InVEST模型雖較其他方法有一定優勢，但已有的數據很難完全滿足其要求。石羊河流域及周邊的氣象站點較少，且土壤數據較難獲得，為保證精度，土地利用數據僅使用了較權威的中國科學院數據(每5年一期)而沒有自行解譯更小時間間隔的數據。國內外均有研究認為，生態系統服務之間的相互關系隨時間變化且存在一定規律，并表現出階段性和差異性[23-24]。因此，若能縮小研究時間間隔，或許能更好反映生態系統服務的時間變化。