喀斯特地區退耕還林工程下生態系統服務變化與關系分析

高 敏, 王 勇, 高 潔, 王家錄, 毛 泳

(1.西南大學 地理科學學院, 重慶 400715; 2.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400715; 3.安順學院資源與環境工程學院, 貴州 安順 561000)

生態系統服務是指人類從生態系統所獲得的所有益處，包括供給服務、調節服務、支持服務和文化服務[1]。生態系統服務具有很強的地域性，喀斯特地區因地質背景復雜、巖溶作用強烈等特殊的生態環境導致生態系統具有環境容量低、敏感度高、穩定性差等特點[2]。近年來，隨著喀斯特地區社會經濟的發展，城市化的加劇以及對生態系統需求的不斷增加，該區域的水土流失、石漠化、旱澇等自然災害加劇，生態系統功能退化，提供服務的能力下降，喀斯特生態系統是世界上的一個典型的脆弱生態系統[3]。

隨著國家的重視和人們生態意識的提高，1999年實施退耕還林工程。通過恢復植被、減少水土流失、增加碳儲存和改善生態環境，從而恢復受干擾的生態系統，減輕人類對自然生態系統的壓力、改善生態系統服務[4]。然而生態系統是一個整體，某一服務功能的減少或增強會導致其他生態系統服務功能朝相反方向變化(權衡)，或者朝同一方向變化(協同)，這種復雜的相互關系可能會超出可承受的范圍，產生不可逆的影響[5-7]。因此，明晰生態系統服務之間權衡和協同關系不僅是國際生態學、地理學等學科研究的熱點[8]，同時對促進區域多種生態系統服務的協調發展，提高生態系統管理效率，穩定脆弱的生態系統，合理進行國土規劃，實現區域經濟發展與生態環境保護的“雙贏”等具有重要意義。目前，在其他地區各生態系統服務的相互關系研究較多[9-14]，但在喀斯特地區大多數研究結果都局限于退耕還林(草)工程對單一生態系統服務的價值的影響[15-18]，對多種生態系統服務的相互關系研究較少[19-20]。因此，準確、全面地評價喀斯特地區退耕還林(草)工程下生態系統服務的變化和權衡與協同關系，為生態恢復以及新形勢下退耕還林工程的實施提供依據和指導。

普定縣位于貴州省安順市，是我國典型的喀斯特地區，石漠化、水土流失等情況嚴重。2000年國家林業局確定貴州省普定縣是退耕還林(草)試驗縣。從此，退耕還林工程在此縣全面展開。本文基于InVEST模型研究1990年、2000年、2010年及2017年的產水量、土壤保持、碳儲存及生境質量4種生態系統服務，并探索時空演變特征。基于3S技術探討該區主導生態系統服務在退耕還林(草)前后的時空分布特征以及識別4種生態系統服務的熱點區。采用相關系數法對4種服務之間的權衡和協同進行探究。為喀斯特地區退耕還林(草)工程的進一步實施提供理論支持。并為該地區及相關地區的可持續發展提供決策。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

普定縣城位于貴州省的西南部(105°27′49″—105°58′51″E，26°26′36″—26°31′42″N)(圖1)，距安順市28 km。轄區總面積為1 079.93 km2。截至2017年，普定縣共有3個街道、6個鎮、3個民族鄉，總人口數為50.54萬人，人口密度達到313人/km2。地處云貴高原東坡，地勢東北西最高，南部次之，中部河谷流域最低，海拔1 058～1 806 m，巖溶地貌發育非常典型,巖溶面積占全縣總面積的84%，境內植被以亞熱帶種類為主，農作物以水稻、玉米為主，屬于亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫是15.1℃，年平均日照時數是1 165 h，無霜期289 d，年平均降水1 378 mm，屬全省降雨中心地區之一[21]。

圖1 研究區DEM

1.2 數據來源

本文應用InVEST模型中的產水量、土壤保持、碳儲存和生境質量4個模塊。InVEST模型所涉及的土地利用類型數據，氣象數據來源于普定縣國土資源局、安順市氣象局、中國氣象數據網；土壤數據來源于“黑河計劃數據管理中心”并經實地調研糾正所得(http:∥westdc.westgis.ac.cn)；DEM數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)。

2 研究方法

2.1 生態系統服務測算

2.1.1 產水量服務 本文采用InVEST模型中的產水模塊計算普定縣的產水量。該模塊基于水量平衡原理，利用降雨量減去實際蒸散發后的水量得出每個柵格的產水量[22]，計算公式如下：

(1)

式中：Y(x)為柵格單元x的年產水量(mm)；AET(x)為柵格單元x的年實際蒸發量(mm)；P(x)為柵格單元x的年降水量(mm)[22]。

2.1.2 土壤保持服務 土壤保持模塊不僅可以根據土壤流失方程計算潛在土壤流失和實際土壤侵蝕，還可以估算地塊自身產生的沉積物保留量與該地塊攔截上游地塊的沉積物量之和[22]。計算公式如下：

SRET=(RKLS-USLE)+ups_retain

(2)

RKLS=R×K×LS

(3)

USLE=R×K×LS×C×P

(4)

式中：SRET為地塊沉積物保持量(t)；ups_retain為攔截上游地塊的沉積物量(t)；RKLS為潛在土壤流失量(t)。USLE為實際土壤侵蝕量(t)；R(根據章文波算法[23])為多年平均降雨侵蝕力[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K，LS，C，P分別為土壤可蝕性因子、坡長坡度因子、植被覆蓋因子、水土保持措施因子[24]。

2.1.3 碳儲量服務 陸地生態系統碳儲量模塊取決于4大碳庫，即：地上生物碳(Cabove)、地下生物碳(Cbelow)、土壤碳(Csoil)和死亡有機碳(Cdead)[22]。碳儲存模塊使用土地利用/覆蓋類型或植被類型作為評估單元，并且4個碳庫是將平均碳密度乘以每個評估單位的面積，以估算區域生態系統碳儲量。計算公式如下：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(5)

式中：Ctot為總的碳儲量(t/hm2)。模型所需碳庫表中的碳密度數據，主要參考相近區域的相關文獻所得[25-26]。

2.1.4 生境質量服務 生境質量模塊是根據一個地區土地利用方式和格局的情況建立的。該模塊的生境質量是在計算生境退化程度上進行的[27]。生境質量計算公式如下：

(6)

式中：Dxj為生境退化程度；Qxj，Hj分別為土地利用類型圖j中柵格x的生境質量和生境屬性；k為半飽和常數，通常設定為生境退化程度最大值的1/2[27]。

2.2 生態系統服務變化指數(ESCI)

生態系統服務變化指數(ESCI)表示各生態系統服務在一定時間段內的相對增益或損失。ESCI值為0表示生態系統服務即無增益也無減損；為負數時表示減損狀態；正數時表示增益狀態[28]。其計算公式為：

(7)

式中：ESCIX為單個生態系統服務變化指數；ESCURX，ESHISX為最后和初始狀態下的生態系統服務[28]。

2.3 主導生態系統服務

本文使用z-sore方法[29]來標準化4種生態系統服務，并利用Envi軟件的波段運算功能計算出各柵格中4種生態系統服務的最大值，以此代表各柵格的主導生態系統服務，并對其進行空間化制圖。

2.4 相關性分析

計算生態系統服務之間的相關系數矩陣，并在SPSS 20.0中測試回歸系數。當生態系統服務間的相關系數為正，且通過0.10(或0.05)水平的顯著性檢驗，生態系統服務之間存在協同關系；相反，如果為負時，為權衡關系。

2.5 生態系統服務熱點區

將普定縣的產水量、土壤保持、碳儲量和生境質量服務超過當年平均值的區域認定為這種服務的熱點。其中，“1，2，3，4類服務熱點”對應的是能夠提供超過區域平均值的1，2，3，4類服務的區域[30]。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務變化狀況

為了解普定縣退耕還林(草)政策下1990—2017年的4種生態系統服務的變化情況，將1990年、2000年和2010年數據作為生態系統服務的初始狀況，2000年、2010年和2017年數據作為生態系統服務的最終狀況。獲得了1990—2000年、2000—2010年和2010—2017年3個時段的4種生態系統服務的ESCI(表1)。利用ArcGIS 10.2對4種生態系統服務的ESCI進行空間化制圖(圖2)。

表1 2000-2017年普定縣4種生態系統服務的ESCI

土壤保持在3個時段內ESCI的數值及總體分布格局大致相似，3個時段的增益面積、無增益無損失面積、損失面積比例見表2。3個時段無增益無損失面積比例最大，損失面積比例最小。3個時段增益地區主要集中在普定縣草地、林地及灌叢覆被處，并與坡度大于25°所在地相吻合，這與該縣在坡度大于25°地方實施退耕還林政策有關。既無增益也無損失范圍主要集中在普定縣較為平坦的中部、南部及西北部的土壤保持量較低的耕地地區。損失地區主要集中在中部、最南部的小部分地區及西南地區，這些地區主要為城市建設用地，且隨著西南及南部村落的發展，損失面積逐漸擴大。損失區除集中地外，還呈現分散的形式分布在普定縣的各個地區，這些分散地區也主要位于村落及公路建設用地處。1990—2000年時段的中部流域地區出現了較大面積的損失，是由于在1990年此地為耕地和草地，還未建成水庫，水庫的土壤保持能力小于耕地及草地地區。

圖2 研究時段內普定縣各生態系統服務ESCI空間分布

產水量在3個時段內ESCI的最小值變化較小，最大值變化較大，表明局部地區的產水量服務變化明顯。3個時段增益面積、無增益無損失面積、損失面積比例見表2，增益面積比例在逐漸減小，無增益無損失面積比例除2000—2010年時段外，其余兩時段所占面積比例最大。產水量在不同的時段內ESCI的分布格局變化明顯。1990—2000年增益地區主要集中在普定縣的東北部、中部、西南部及南部小部分地區，這些地區主要為城市建設用地、裸地地區。建設用地產水量大是由于下墊面為硬質地表，下滲幾乎為零。裸地產水量大是由于該地基巖裸露，無土壤和植被的覆蓋，難以涵養水源。1990—2000年損失地區主要集中在北部大部分地區。其中，中部流域地區出現了較大面積的損失，是由于在1990年還未建成水庫，原本的耕地及草地產水量大于水庫。2000—2010年全縣呈現大面積的損失。因為InVEST模型的產水模塊是基于水量平衡原理的，年降水量是極度敏感因子，降雨量的多少對產水量有著很大的影響。2010年平均降雨量少于2000年平均降雨量(減少300 mm左右)，因此產水量較少，ESCI出現減損狀態。2010—2017年全縣由大面積損失轉為大面積的無增益無損失狀態。因為2017年降雨量相較于2010年相持平，因此無增益無損失面積比例較大。增益地區在東南部也有所增加，這與此地城鎮化發展有關。

碳儲存在3個時段內ESCI的最小值無變化，最大值變化較大，相差1倍多，表明局部地區的碳儲存服務變化大。3個時段增益面積、無增益無損失面積、損失面積比例見表2，3個時段無增益無損失面積比例最大。碳儲存在3個時段的空間分布上表現出南北相反的分布格局：1990—2000年增益地區分布在南部及西南部地區的耕地地區，隨著南部及西南部城鎮化的發展，碳儲存服務降低，在2000—2010年及2010—2017年時段轉為損失地區。無增益無損失范圍主要集中在耕地及草地地區。1990—2000年損失地區分布在中部流域地段及東北部地區，流域地段是由于1990年水庫未修建，水體的碳儲量低于原本耕地的碳儲量，以及普定縣政府實施的流域附近退耕種草政策有關，而草地的碳儲量低于農田的碳儲量[25-26]。東北部地區由于持續的毀林開荒，農田碳儲量低于林地的碳儲量，因而呈現減損狀態。2000—2010年及2010—2017年東北及西北部地區碳儲量呈現增益狀態，是由于退耕還林政策的實施，土地利用類型由耕地、裸地轉為了林地。

生境質量在3個時段內ESCI的數值變化不明顯，增益面積、無增益無損失面積、損失面積比例見表2，除2000—2010年時段損失面積比例最大外，其余兩時段無增益無損失面積比例最大。3個時段ESCI時空分布的增益范圍都主要分布在水體、林地、草地所在地。無增益無損失主要集中在耕地所在地。損失地區主要分布在南部、西南部、東部的建設用地和西部及東部的裸地處。1990—2000年損失所占面積較小，到2000—2010年時，損失范圍明顯增大，面積增加，這個時段為該地迅速發展時期，并從發展中心向南部及西南部拓展，生境質量呈現連片式惡化，但在2010—2017年的發展時段里，可以看出這種連片式的惡化得以緩解和隔斷，根據土地利用轉移結果，這與此地植樹種草有著很大的關系。

表2 2000-2017年普定縣4種生態系統服務所占面積比例 %

3.2 主導生態系統服務

4種主導生態系統服務的分布格局也展現出顯著的空間差異(圖3)，但在4個年份中各主導生態系統分布格局大致相同。以土壤保持服務為主導的地區呈東北—西南走向貫穿普定縣中部及最北部。這些地區為普定縣坡度大于25°的山地林地地區。以產水量服務為主導的地區主要分布在城鎮、村落和裸地地區，2000年后在西部及東北部的地區，以產水量服務為主導的地區逐步被碳儲量服務和生境質量服務替代。根據土地利用轉移矩陣結果，西部的小部分柵格處土地利用方式由裸地轉化為了林地，東北部由裸地轉化為了草地。以碳儲量服務為主導的地區從2010—2017年分布范圍逐漸擴大，主要呈條帶狀分布在林地，且隨著退耕還林面積的增加，碳儲量分布也在不斷擴大。以生境質量服務為主導的地區無論在1990年還是2017年都占據著較大的面積，在全縣的各個方位都有分布。水域、林地、草地、農田都有以生境質量為主導的服務。4種主導生態系統服務的面積比例見表3。4個年份中以生境質量為主導的服務所占面積比例最大。以產水量為主導的服務所占面積比例最小。在2000年實施退耕還林(草)工程后，產水量主導的生態系統服務面積比例在逐年降低，以碳儲量主導的生態系統服務比例在逐年增加。土壤保持主導的服務和生境質量主導的服務所占比例面積未發生較明顯的變化。

3.3 生態系統服務的權衡與協同

普定縣土壤保持與碳儲存、土壤保持與生境質量、碳儲存與生境質量具有明顯的協同關系。基于0.01水平的顯著性檢驗，1990年、2000年、2010年、2017年三者相關系數見表4。土壤保持與產水量表現出較好的協同關系，并通過了0.05水平上的顯著性檢驗，相關系數見表4。

圖3 主導生態系統服務分布情況

表3 主導生態系統服務面積比例變化 %

在退耕還林(草)的政策下，普定縣土地利用情況的改變，直接導致了其各項生態系統服務功能的變化，進而影響了生態系統服務的權衡與協同作用。林地、草地在裸地地區面積的增加導致研究區碳儲量的增加，生境質量得到改善，同時也提高了土壤抗雨水沖蝕的能力，土壤保持量得到了提升。同時，降水、溫度等自然因素也將驅動生態系統服務之間的變化。其余的未呈現顯著的權衡與協同關系，可能是由于其他土地利用類型的存在，導致在整體上關系并不明顯。例如城市建成區的地表一般由瀝青、水泥等構成，下滲幾乎為零，因此產水量大。但城市地區的碳儲存低，土壤保持少，生境質量差。隨著建設用地規模的擴展，建設用地對普定縣生態系統服務的權衡與協同關系影響更為明顯。植樹造林等可以在不同程度上增加生態系統服務的穩定性，使各項生態系統服務之間朝著協同的方向發展，而城鎮化的快速發展使各項生態系統服務之間產生更多的競爭，將不利于生態系統的平衡。

表4 1990年、2000年、2010年、2017年普定縣生態系統服務相關系數

注：*表示0.05水平上顯著，**表示0.01水平上顯著。

3.4 熱點區識別

為進一步分析4種生態系統服務在空間上供給能力的差異，對多重服務熱點區進行了統計(表5)及空間化制圖(圖4)，1990年、2000年、2010年、2017年4類服務熱點區中0類和1類服務熱點區所占比重最大。這與當地是石漠化較為嚴重的生態環境相符合。1990—2017年，4類、3類服務熱點區的面積都有所增加，其中2010年4類和3類服務熱點區的面積是1990年的兩倍，2017年4類和3類服務熱點區的面積是2010年的兩倍，反映出在縣區實行退耕還林(草)后生態環境在不斷改善。從空間分異來看，研究區的南部(馬官鎮、城關鎮、化處鎮)由于城鎮的分布及大面積耕地的存在，提供的生態系統服務能力比其他地區弱；2010—2017年南部及東部地區1類服務熱點區面積在擴展，主要是產水服務功能的上升，也表現出城鎮化的加快，但在2017年時，城鎮周圍出現了2類和3類服務熱點區，從土地利用轉移中可知，林地和草地面積在建成區的周圍增加，表明普定縣的退耕還林(草)政策的全面開展及人們對城鎮健康發展意識的提高。研究區4類和3類服務熱點區主要集中在山地林地地區和草地地區，且呈現逐年增加的趨勢。在2017年這一空間變化表現更為明顯，這和該縣在2000年后實施退耕還林有著密切的關系。

表5 多重服務熱點區面積比例 %

圖4 2000-2017年普定縣多重生態系統服務熱點區

4 結論與不足

(1) 1990—2017年，4種生態系統服務的ESCI的值域及時空變化迥異：其值域表現出不同的變化，如多年持平、年際倍增和年際倍減。在相同時間段內，4種生態系統服務各自的增益及損失狀態在空間分布上表現出明顯的差異性。在不同的研究時段內，同種生態系統服務的增益及損失狀態也不相同。

(2) 4種主導生態系統服務的分布格局也展現出顯著的空間差異，但在4個年份中各主導生態系統分布格局大致相同。在2000年實施退耕還林(草)工程后，以產水量為主導的生態系統服務范圍在縮小，以碳儲量主導的生態系統服務范圍不斷擴大。

(3) 相關系數法分析表明，普定縣土壤保持與碳儲存、土壤保持與生境質量、碳儲存與生境質量具有明顯的協同關系。土壤保持與產水量表現出較好的協同關系。

(4) 生態系統服務空間熱點制圖顯示，普定縣存在多重生態系統服務供給的熱點區，主要集中在山地林地地區和草地地區。隨著退耕還林(草)政策的全面開展，4類及3類熱點區面積逐年增加。

然而，本文在利用InVEST模型測算4種生態系統服務時，有些參數的設置參考了環境狀況相近地區的文獻數據，這在一定程度上導致了誤差的存在。并且，InVEST模型更多依賴于土地利用類型，并且對每一類型進行相同的賦值，這也會使模擬結果產生誤差。因此，要全面了解喀斯特地區的生態系統服務還需做出進一步的努力。