“一帶一路”地區生態系統服務關系的時空分異與區域響應

徐建英,陳吉星,劉焱序,樊斐斐,魏建瑛

1 首都師范大學資源環境與旅游學院, 北京 100048 2 北京師范大學地理科學學部,地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875

生態系統服務是指人類直接或間接從生態系統中獲得的所有惠益[1-2],包括供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4個方面[3],不同生態系統服務間的關系可具體表現為相互增益協同和此消彼長的權衡關系[4-6]。國內外大量研究表明,生態系統服務間權衡與協同關系普遍存在[7-10],如供給服務與固碳釋氧、水源涵養和土壤保持等支持或調節服務間存在權衡關系,而支持服務與調節服務間往往表現為協同關系[11]。值得注意的是,生態系統服務間的關系并不是一成不變的[12],景觀結構與人類活動等區域差異往往造成生態系統服務之間關系具有復雜的時空變異特征[10]。

目前,學界已經普遍認識到生態系統服務間的關系具有區域異質性[10,13]。如Chisholm等[14]在南非的研究發現,植樹造林產生的固碳釋氧服務有利于緩解全球氣候變化,但是對產水和生物多樣性產生負面的影響,說明碳固定與淡水供給和生物多樣性間存在權衡關系。但錢彩云等[15]研究表明,甘肅白龍江流域碳固定與淡水供給間為協同關系。武文歡等[16]對鄂爾多斯市研究發現產水量與土壤保持存在協同關系,但Jia等[17]研究則表明陜西北部產水量與土壤保持間為權衡關系。在當前的研究中,仍缺少采用統一計量標準,對不同區域間生態系統服務間關系的對比分析。生態系統服務間關系出現時空變異的內在機理有待進一步明晰,如何識別生態系統服務權衡關系對土地利用、社會發展等驅動因素的響應及服務間關系變化的關鍵驅動指標,已成為生態系統服務研究的前沿議題。

在氣候變化與城市化進程的推動下,“一帶一路”沿線國家土地利用快速變化,土地資源亟待優化,“綠色絲綢之路”倡議的提出,為傳播我國生態文明理念并協助“一帶一路”區域國家應對氣候變化提供生態環保合作的基礎框架。然而“一帶一路”沿線國家處于不同氣候區和不同的社會發展階段下,不同類型的土地利用方式、土地利用空間格局和不同程度的土地利用強度對生態系統服務產生了不同的作用[18],生態系統服務及其相互關系存在區域異質性,制訂服務于洲際的生態政策和實現土地利用方式的優化,必須充分把握區域差異規律。因此,本文評估了“一帶一路”區域土壤保持、水產量、碳固定和生境質量四種生態系統服務時空分布規律,探究在不同生態區、不同國家、不同人口規模下生態系統服務間關系的地域分異規律,旨在為“一帶一路”區域多國土地資源的優化配置和區域生態系統服務的提升提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區與數據來源

1.1.1研究區概況

“一帶一路”是“絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的簡稱,空間范圍以亞歐大陸為核心,延伸到非洲和大洋洲。區域氣候差異明顯,東部季風氣候顯著,大陸性氣候分布廣泛,多數國家處于干旱和半干旱地區,南北跨度大,跨越了熱帶、溫帶和寒帶。地形復雜多樣,主要為高原和山地,平原面積狹小分布在大陸周圍,地勢起伏大。在氣候與地形的驅動下,主要的生態區有熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林、溫帶落葉和混交林、沙漠和沙漠灌木、山地草原和灌木、溫帶草原和灌木和泰加林等。本文研究區包括中國在內的65個國家(圖1),多數國家為發展中國家,其總人口超過44億,占全世界人口的63%。

1.1.2數據來源

本文使用的基礎數據包括：土地利用數據,高程數據,土壤數據,NPP數據,氣象數據,流域及人口數據(表1)。利用ArcGIS將所有數據統一為Winkel_Tripel投影坐標,分辨率為1 km。

圖1 研究區位置Fig.1 location of the study area

表1 數據來源

1.2 生態系統服務估算

1.2.1土壤保持

土壤保持量(Soil Retention, SR)為潛在侵蝕量與實際侵蝕量之差[5,15-16],本文采用InVEST模型中的SDR模塊,估算潛在土壤侵蝕量和實際侵蝕量。

SR=RKLS-USLE

(1)

RKLS=R×K×LS

(2)

USLE=R×K×LS×C×P

(3)

式中,SR為土壤保持量；RKLS為在研究區特定條件下裸地的土壤侵蝕量；USLE為考慮植被覆蓋管理和水土保持措施下,現狀土地利用的土壤侵蝕量；R為降水侵蝕性因子,使用了Fournier指數的基本公式[19]；K為土壤可侵蝕性因子,計算采用EPIC模型[20]；LS為坡度坡長因子。C為植被覆蓋和作物管理因子,參考Borrelli等[21]估算全球土壤侵蝕量的賦值方法；P為水土保持措施因子,假設所有土地類型都受到水土保持的管理,將P賦值為1。

(4)

(5)

SN1=1-SAN/100

(6)

式中,P為年降水量；Pi為i月的降水量；SAN為沙粒含量(%)；SIL為粉砂含量(%)；CLA為黏粒含量(%)；C0為有機碳含量(%)。

1.2.2產水量

本文采用InVEST模型中的產水模塊計算一帶一路區域的產水量(Water Yield, WY)[22]。產水量評估模塊基于Budyko水熱耦合平衡假設(1974)和年平均降水量數據,公式如下：

(7)

式中,Y(x)為研究區每個柵格單元x的年產水量(mm)；AET(x)為柵格單元x的年實際蒸散量(mm)；P(x)為柵格單元x的年降水量(mm)。

(8)

式中,PET(x)為潛在蒸散量；ω(x)為自然氣候-土壤性質的非物理參數,是一個經驗參數。

PET(x)=Kc(lx)×ET0(x)

(9)

(10)

式中,ET0(x)為柵格單元x的參考作物蒸散；Kc(lx)為柵格單元x中特定土地利用類型的植物(植被)蒸散系數；AWC(x)為土壤有效含水量(mm)；Z為經驗常數。

1.2.3碳固定

NPP是指綠色植物在單位面積、單位時間內所積累的有機物數量,是地表碳循環的主要組成部分,也是判定生態系統碳源/匯和調節生態過程的主要因子[23]。本研究碳固定(Carbon Storage)服務用植被凈初級生產力(NPP)予以指代[24]。由于NPP產品缺少2015年數據,本研究使用2014年數據替代。

1.2.4生境質量

生境質量(Habitat Quality ,HQ)地圖是由InVEST生境質量模型結合土地覆被和生物多樣性威脅因素的信息而生成,以耕地、道路、城鎮和河流作為生境脅迫因子,打分形成敏感性參數(表2)[25-26]。計算公式如下：

(11)

(12)

式中,Qxj為LULC類型j中的柵格x的生境質量；Dxj為LULC或生境類型j中柵格x的總威脅水平；K和Z為比例因子；Hj為LULC類型j的生境適宜度；R為脅迫因子；Yr為脅迫因子r所占的柵格數；Wr為威脅因子權重,值在0—1之間；ry為柵格y的脅迫因子值；irxy為柵格y的脅迫因子值ry對柵格x的脅迫水平；βx為柵格x的可達性水平；Sjr為生境類型j對脅迫因子r的敏感性(表2)。

表2 生境類型對威脅的敏感性參數

1.3 生態系統服務間關系分析

為了表征生態系統服務間的權衡/協同關系,本研究利用SPSS軟件,對2000和2015年研究區土壤保持、產水量、碳固定和生境質量兩兩服務間的相關性系數進行計算[27],正相關表明生態系統服務間為相互增益的協同關系,負相關則生態系統服務間表現為此消彼長的權衡關系[5]。

為了研究生態系統服務間的空間權衡與協同關系,本文以次一級小流域為基本單位,對生態系統服務進行分區統計并將統計結果賦值到流域矢量圖上,基于GeoDA軟件,利用Weight模塊構建空間權重矩陣,在 Space 模塊下的雙變量局部莫蘭指數(Bivariate Local Moran′sI)對生態系統服務進行雙變量空間自相關分析[15]。高高集聚和低低集聚表示空間協同,高低集聚和低高集聚表示空間權衡。Moran′sI指數計算如下：

(13)

式中,zi是要素i的屬性與其平均值(xi-X)的偏差,wi,j是要素i和j之間的空間權重,n等于要素總數,S0是所有空間權重的聚合。Moran′sI>0表示空間正相關性,其值越大空間相關性越明顯；Moran′sI<0表示空間負相關性,其值越小空間差異越大；Moran′sI= 0,空間呈隨機性。

1.4 生態系統服務關系地域分異規律分析

為了探究“一帶一路”生態系統服務間權衡與協同關系的區域差異,首先采集19123個隨機樣點(20000個點刪除空值),提取各樣點上2000年、2005年、2010年和2015年4種生態系統服務值和人口數量,然后將生態區和行政區關聯到樣點并輸出為表格。在區域對比中,本研究選取6個主要的生態區(TSF：熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林；TMF：溫帶落葉和混交林；TG：泰加林；TGS：溫帶草原和灌木；MGS：山地草原和灌木；DXS：沙漠和沙漠灌木),按照地區選取了9個面積較大的國家(俄羅斯、中國、印度尼西亞、印度、哈薩克斯坦、沙特阿拉伯、埃及、烏克蘭和希臘),并將人口數量分為4個等級<10、10—100、100—1000和>1000人。在SPSS軟件中計算不同生態區、不同行政區和不同人口規模下生態系統服務間的相關性系數,得到不同地域中生態系統服務間關系的區域響應規律。

2 結果

2.1 生態系統服務的時空變化

圖2 2000年與2015年“一帶一路”生態系統服務的時空變化Fig.2 The spatial distributions and temporal change of 4 ESs in 2000 and 2015 year

在研究中,將2000年數據作為生態系統服務評估起點,2015年數據作為生態系統服務評估終點。圖2表示了2000和2015年的4種生態系統服務的空間格局和2000年到2015年4種生態系統服務的增益和減損情況。2000和2015年4種生態系統服務的空間格局整體變化不大,局部發生了較為明顯的變化。土壤保持量為0 t、碳固定值小于0.5 t/hm2和生境質量得分在0—0.2的區域分布大體保持一致,分布于陸地內部和西南部,主要位于中國的西北部、蒙古、中亞和西亞地區,屬于干旱地區,植被為沙漠灌木,沙漠廣布。產水量的低值區(0—200 mm)除和其他3種生態系統服務分布一致的區域,還包括西西伯利亞地區。土壤保持高值區與山區分布大體保持一致。產水量大于1000 mm的區域分布在南亞、東南亞和東亞,集中于印度北部、尼泊爾、孟加拉國、不丹,東南亞國家和中國的南部,并在中緯度地帶大致呈現又沿海向內陸產水量逐漸減少的趨勢,與降水量的分布規律吻合。在東南亞、青藏高原南部邊緣和東歐地區碳固定大于10 t/hm2,擁有較高的固碳量主要是由于它們的植被為熱帶或溫帶森林,植被覆蓋率高[26]。生境質量得分在0.90—1的區域分布在亞歐大陸的北部、東北部和東南部,主要分布在俄羅斯和東南亞地區,俄羅斯中西部生態威脅因子少,自然生境質量得分高。

印度河流域上游和恒河流域中下游土壤保持量有明顯的增加。2000—2015年印度河流域產水量增加明顯。區域大部分地區碳固定有所增益,主要增益區域分布于南歐和東歐的部分國家,如希臘和保加利亞。2000—2015年間,生境質量有改善的區域主要集中在亞歐大陸中部、中國的西北部、阿富汗和巴基斯坦。東亞、東南亞和東歐生境質量降低明顯,尤以中國的東部和中部最為顯著,且表現為自西向東生境質量減損趨于嚴重的空間態勢,人類活動和土地利用類型的變更可能是導致生境質量發生變化的主要原因。

2.2 生態系統服務的關聯特征

2.2.1生態系統服務關系的數值體現

由表1可知,2000、2005、2010和2015年土壤保持、碳固定、產水量和生境質量四種生態系統服務之間均存在著正相關性,通過了0.01水平上的顯著性檢驗,呈相互增益的協同關系。其中碳固定與產水量的正相關性最強,相關性系數大于0.55,表現為強的協同關系,體現了水是維系植物生長的基本條件。生境質量與碳固定的相關性在0.25到0.3之間,呈較強的協同關系,碳固定量多,表明高植被覆蓋率為生物提供了良好的生存條件。2000年到2015年,生境質量與產水量的相關性系數呈下降趨勢,協同關系逐漸減弱。生境質量與土壤保持的相關性性最弱,系數在0.07—0.1之間。

表3 生態系統服務間的相關性系數

**. 在 0.01 級別(雙尾),相關性顯著

2.2.2生態系統服務關系的空間表達

基于流域尺度,對“一帶一路”區域生態系統服務間關系進行了空間制圖。統計了2000—2015年兩兩生態系統服務關系呈現為空間權衡或協同的流域數量(表4)。由表4可知,2000—2015年,大部分流域(>1400)生態系統服務間的空間關系不顯著。生境質量與碳固定的空間協同流域與協同流域較多(>160),且高低權衡流域比低高權衡流域多將近一倍,但2000—2015年間流域數量沒有明顯的變化。生境質量與土壤保持的空間協同區有略微減少,主要集中于高高集聚的流域,空間權衡區有細微的增加。2000—2015年間,生境質量與產水量的整體協同區由116個流域增加到150個流域,西亞和東歐低低協同區增加明顯。與此同時,空間權衡區也有明顯增加(2000年：128；2015年：175),其中高低權衡區在2000—2015年間增加了30流域,主要位于亞洲中部。碳固定與土壤保持呈現空間權衡和協同的流域數量總體基本不變。碳固定與水產量的協同區較多(2000年：147；2015年：196)且多數為低低權衡,并且2000—2015年低低權衡增加了49個流域。水產量與土壤保持的空間協同區較少,低高權衡區明顯多雨高低權衡區。

表4 2000—2015年生態系統服務間呈現空間權衡與協同的流域數量

HQ&CS：生境質量與碳固定 Habitat Quality & Carbon Storage；HQ&SR：生境質量與土壤保持Habitat Quality & Soil Retention；HQ&WY：生境質量與水產量 Habitat Quality & Water Yield；CS&SR：碳固定與土壤保持 Carbon Storage & Soil Retention

2.3 生態系統服務間權衡/協同關系的地域分布規律

2.3.1 不同生態區下生態系統服務間關系的差異

總體來看,2000年到2015年TSF(熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林)、TMS(溫帶落葉和混交林)、MGS(山地草原和灌木)、DXS(沙漠和沙漠灌木)4個生態區內生態系統服務間都為正相關,表現為協同關系。但生態系統服務間的協同度存在地區差異,TSF(熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林)生態區內生境質量與土壤保持、產水量和碳固定之間呈較強的協同關系,而土壤保持與產水量之間的協同關系較弱。TMF(溫帶落葉和混交林)生態區相較于其他生態區,生境質量與土壤保持(0.14—0.16)、土壤保持與產水量(0.35—0.5)呈較強的協同關系,但生境質量與產水量和碳固定之間的相關性系數在0.1左右,協同度較低。MGS(山地草原和灌木)生態區土壤保持與碳固定的協同度比其他生態區要高,而生境質量與產水量表現為較弱的協同關系。DXS(沙漠和沙漠灌木)生態區生境質量與土壤保持、碳固定與生境質量和產水量之間的協同度較高。TG(泰加林)和TGS(溫帶草原和灌木)生態區內,生態系統服務間的關系較為復雜,具體表現為2000、2005、2010和2015年間,生境質量與土壤保持,水產量與土壤保持,均呈協同關系,但生境質量與土壤保持的相關性(<0.1)較水產量與土壤保持的相關性(0.15—0.3)低,TG(泰加林)生態區內生境質量與水產量、土壤保持間的關系四個時期幾乎全部為負相關,絕對值在0.1以內,表現為較弱的權衡關系。TGS(溫帶草原和灌木)生態區生境質量與產水量相關性系數小于-0.1,權衡關系較為顯著。不同生態區氣候等自然因素存在差異,導致生態系統服務的空間差異,從而使服務間的權衡與協同關系在不同生態區出現異質性。

圖3 2000—2015年不同生態區內生態系統服務的相關性Fig.3 The correlation of paired ES in different ecological region for each periodR：皮爾遜相關性系數 Pearson correlation coefficient；TSF：熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林 Tropical & Subtropical Moist Broadleaf Forests；TMF：溫帶落葉和混交林 Temperate Broadleaf & Mixed Forests；TG：泰加林Taiga；TGS：溫帶草原和灌木 Temperate Grasslands, Savannas & Shrublands；MGS：山地草原和灌木 Montane Grasslands & Shrublands；DXS：沙漠和沙漠灌木 Deserts & Xeric Shrublands

2.3.2不同國家生態系統服務權衡協同關系的差異

以行政區為單位,按照地區分別選取9個國家,統計了2000年、2005年、2010年和2015年生態系統服務的相關性(圖4)。結果發現,俄羅斯4個生態系統服務間的相關性都較低,生態系統服務間權衡與協同關系弱。中國相較于其他國家,碳固定與土壤保持(>0.2)和產水量(>0.6)之間保持著較強的協同關系。印度尼西亞土壤保持與產水量和碳固定間的相關性系數的絕對值小于0.1,且土壤保持與產水量之間總體保持權衡關系,2000和2005年土壤保持與碳固定之間也為權衡關系。哈薩克斯坦土壤保持與產水量和碳固定間的協同關系較強(>0.35)。沙特阿拉伯生境質量與土壤保持間協同關系強(>0.4),而產水量與碳固定間2000、2005和2015年均為負相關。埃及生境質量與碳固定的協同關系強,但產水量與碳固定為權衡關系。埃及和希臘在4個時期,產水量與碳固定均為權衡關系。

圖4 不同國家下生態系統服務的相關性Fig.4 The correlation of paired ES in different country for each period

2.3.3生態系統服務權衡協同關系對人口規模的響應

在不同人口規模下,生態系統服務的權衡與協同關系呈現不同的特點。人口數量小于1000時,生境質量與產水量對人口規模的響應與生境質量與土壤保持對人口規模的響應相似,表現為人口極少(<10)區域,生境質量與土壤保持和產水量的相關性系數較低,呈較弱的協同關系,隨著人口數量增加到10—100間,協同關系隨之增強,人口數在100—1000間,協同關系又有減弱。但人口數量達到1000后, 生境質量與土壤保持在2010和2015年,協同關系達到最強,而2000和2005年則表現為權衡關系。生境質量與產水量的相關性系數逐漸降低,協同關系逐漸減弱,2000、2005和2010年甚至轉為權衡關系。土壤保持與水產量的關系總體表現為隨著人口的增加,協同關系逐漸減弱,2000和2005年略有不同,在人口超過1000時,協同關系最強。隨著人口的增加,水產量與碳固定間的協同關系顯著降低。

圖5 2000—2015年不同人口規模下生態系統服務間的相關性Fig.5 The correlation of paired ES in different population size for each period

3 討論

3.1 生態系統服務的區域響應規律

生態系統服務作為鏈接自然和人類社會的橋梁和紐帶,自然生態系統和社會生態系統均是影響生態系統服務的重要因素[28]。生態系統服務的時空分布主要受到自然因素的影響,如產水量的空間分布格局與降水量分布規律吻合,亞歐大陸內陸、西亞和北非氣候干旱,降水少,因此成為產水量的低值區。而水是生命之源,產水量低的區域,往往植被覆蓋率低,碳固定低,進而導致生物生存條件差,生境質量低。所以,由于受到降水的影響,產水量、碳固定和生境質量的低值區分布大體一致。此外,土地利用變化是導致生態系統系統服務變化的主要原因[28-29],2000—2015年間,中國等東南亞國家經濟發展迅速,對土地利用強度大,因此這些區域生境質量顯著降低。

生態系統服務供給和需求往往在空間上不匹配[10],生態系統服務間相互關系出現區域異質性。如熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林生境質量與碳固定為協同關系,而溫帶草原和灌木生境質量與碳固定間則為權衡關系,這可能是由于溫帶草原區畜牧業發達,生境質量高時,對草地的利用率高,進而導致碳固定降低。必須明確生態系統服務供給與需求的動態變化和驅動機制,才能對比不同區域間生態系統服務權衡協同的關鍵環節和主導因素,明晰不同區域所承擔的社會、經濟和生態的主體功能[4]。

權衡研究的最終目的是針對特定區域復雜的生態系統服務進行權衡關系科學管理,通過對比不同區域生態系統服務間的相互關系,呈強協同關系的區域,將對協同關系弱或者呈權衡關系的區域具有空間指引作用。如同為草原生態區,山地草原和灌木土壤保持與碳固定間為協同關系,而溫帶草原與灌木土壤保持與碳固定間則表現為權衡關系,山地草原處于生態脆弱區,畜牧等農業活動受到限制,而溫帶草原區畜牧業發達,這可為溫帶草原區的土地管理決策提供一定指引,促進生態系統服務間關系朝協同方向發展。當人口規模在10—100時,各個生態系統服務間的關系都呈較強的協同關系,因此研究生態系統服務間關系對人口規模的響應對區域制定人口政策有一定指導意義。

3.2 研究優勢與不足

目前,對生態系統服務間關系的研究主要集中在各類生態系統服務間的相互關系、人地耦合和表現類型上,并且大多集中在小尺度研究生態系統服務間關系的空間格局。本文基于大尺度區域,利用相關分析和空間自相關分析,定量表達了生態系統服務間的關系及其關系的空間表達,并從不同生態區,不同國家和不同人口規模下,分析了生態系統服務間關系的地域分異規律。然而,本文僅分析了生態系統服務權衡協同的空間關系,和區域間生態系統服務的權衡協同關系存在異質性的這些現象,未對這種權衡協同的空間關系和區域異質性的驅動因素進行深入探討。由于數據獲取困難,只評估了生境質量、土壤保持、碳固定和產水量這4種生態系統服務。對生境類型進行敏感性參數賦值時,不同的植被生態區對應不同的林地類型,實際賦值時對所有林地統一賦值為1,運行模型時未考慮不同植被生態區生境得分的差異,如熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林生境得分應比泰加林得分高,但為了不影響不同生態區的生態系統服務權衡關系的區域響應結論,因此在生境質量計算中不直接使用植被生態區作為賦值規則。兩種生態系統服務間相互關系可以界定為6—10種類型[30],兩種生態系統服務間關系可能受共同因素驅動,或者生態系統服務間的相互作用[31],然而這種作用與驅動因素間并非是一成不變的。在未來研究中,析取驅動因素中影響生態系統服務關系變化的關鍵閾值,準確預測“一帶一路”區域生態系統服務及其關系的未來情景十分必要。

4 結論

為明晰“一帶一路”區域生態系統服務間相互關系的區域差異性,本文分析了生境質量、土壤保持、產水量和碳固定4種生態系統服務的時空變化及它們間的權衡協同關系的地域分異特點。結果表明：

2000、2005、2010和2015年,“一帶一路”區域土壤保持、產水量、碳固定和生境質量這4種生態系統服務的空間分布有所差異,低值區的分布大致重合,高值區分布各具特點。2000—2015年間,生態系統服務的增益與減損區的分布格局不同。4種生態系統服務間的關系在數值上都變現為相互增益的協同關系,其中碳固定與產水量的協同關系強,相關性系數大于0.5,生境質量與土壤保持的協同關系較弱,相關系系數小于0.1。從生態系統服務權衡協同關系的空間表達來看,區域異質性顯著,2000到2015間其空間格局也有細微的變化。

生態系統服務權衡協同關系具有地域分異特征,且在不同尺度上表現不同,在生態區尺度下,泰加林和溫帶草原灌木與其他生態區相比差異顯著,如生境質量與碳固定,生境質量與水產量之間為權衡關系。在國家尺度下,生態系統服務間的關系在不同國家表現不同,如俄羅斯4種生態系統系統服務間的協同關系相較于其他國家整體較弱,俄羅斯、沙特、埃及和烏克蘭產水量與碳固定為權衡關系。生態系統服務間權衡與協同關系對人口有的響應程度不同,隨著人口的增加,碳固定與產水量和土壤保持和水產量的協同關系逐漸減弱,響應程度較強,而土壤保持與碳固定間的關系對人口無明顯的響應。