北京灣過渡帶生態系統服務地形梯度效應評價

陳 龍, 劉春蘭, 裴 廈, 劉曉娜, 寧楊翠

(北京市環境保護科學研究院 國家城市環境污染控制工程技術研究中心, 北京 100037)

山地平原過渡帶是山地與平原兩大地域單元的交接地帶，具有明顯的自然地理邊緣效應，顯著的地形起伏特征使生態系統服務呈現明顯的空間分異規律[1-2]，同時也是人類干擾強度較大的區域和城鎮發展的重要區域，屬于自然地理脆弱區或敏感區[3]，其生態過程具有顯著的梯度變化[4]。

國內關于過渡帶生態系統服務的相關研究較少，主要集中于城郊(城鄉)過渡帶、山地平原過渡帶(交錯帶)、綠洲荒漠交錯帶和農牧交錯帶等領域[2,4-8]，將過渡帶作為一個研究區，利用價值化方法評估生態系統服務價值的變化，不涉及生態過程或生態功能，未表現出過渡帶的梯度效應。國外相關研究多傾向于城市—鄉村過渡帶[9-10]，研究表明，生態系統服務隨城市化水平的提高一般呈現遞降的趨勢[11-12]，如Kroll等[13]認為食物、水和能源3種服務的供給沿城市—鄉村梯度呈明顯遞增趨勢，以食物供給最為明顯；而Larondelle等[14]則認為如果城區包含大量的成熟森林，也可以提供比其他地區更高的碳存儲和生物多樣性服務。此外，生態系統服務還呈現出空間梯度性，隨經度和緯度呈明顯的梯度變化，在水生和濕地生態系統尤其顯著[15]。總體來說，過渡帶作為獨特的自然單元，目前尚缺乏生態系統服務梯度效應的系統研究，亟需加強中小尺度上的案例，為相關理論提供實證。

地形是山地平原過渡帶土地利用空間分異的主導控制因子，通過立地條件影響陸地生態系統物質與能量的再分配，并通過干擾發生頻率及強度來影響生態系統服務的供給與消費[16-17]。地形與生態系統服務存在緊密聯系，但在我國探討生態系統服務隨地形梯度變化的研究相對較少[2,18-19]，部分研究基于高度、坡度、坡向的多種地形因子梯度的土地利用變化和生態系統服務價值變化結合開展研究[20-21]，而對過渡帶的相關研究鮮有報道[22]。北京市沿房山、門頭溝、昌平、懷柔、密云和平谷的山地與平原交界處存在一個帶狀的過渡區域，海拔高差近2 000 m，分布有中山、低山、丘陵、臺地和平原等多種地貌，是典型的山區平原過渡帶，同時也是鄉村—城市過渡帶，人口眾多，存在諸多利益相關者，是保護和發展矛盾集中的分布區域，是開展生態系統服務地形梯度效應的優選區域。本文以該區域為案例，揭示生態系統服務的地形梯度效應，對于促進生態系統服務利益最大化以及國土空間布局優化，保障首都生態安全具有重要意義。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

北京位于太行山、燕山與華北平原的交界區域，兩大山脈從西北面向東南形成一個敞開的半圓形山灣，美國地質學家Bailey Willis將其稱為“北平灣(北京灣)”，我國著名歷史地理學家侯仁之先生對此也進行了詳細描述[23]，該區域不但是山區向平原過渡的區域，也是鄉村向城市的過渡區域，本研究將這一區域稱為“北京灣過渡帶”，介于東經115°25′—117°30′，北緯39°30′—40°48′(圖1)。

從地理分布上看，北京灣過渡帶與淺山地區高度重合，如俞孔堅等[24]認為北京的淺山區(海拔100～300 m的區域)即是山地和平原的過渡地帶。因此，根據區域地形地貌特征，參考俞孔堅等[25]相關研究，以及《北京市限建區規劃(2016—2020年)》和《北京城市總體規劃(2016—2035年)》等相關規劃，本研究將海拔100～300 m的淺山區所涉及的鄉鎮和街道辦事處作為研究區(去除包含淺山區面積較小的鄉鎮和街道辦事處)，共涉及北京市11個區，85個鄉鎮及街道辦事處，1 601個村及社區，面積共計7 416.6 km2，占北京市總面積的45.19%。其中，林地面積最大，占68%，建設用地其次，占11%，草地和耕地各占9%，水域和濕地占3%，未利用地僅占1%。

1.2 研究方法

1.2.1 生態系統服務評估方法 根據研究區特點及生態系統服務的研究現狀，選擇了9項生態系統服務，進行梯度效應研究。包括一項供給服務(食物供給)、6項調節服務(水源涵養、水質凈化、空氣凈化、碳存儲、土壤保持、土壤質量調節)、一項文化服務(休閑游憩)和一項支持服務(生物多樣性)。其中休閑游憩服務利用百度地圖抓取自然景點分布(人工去除人文景點)，采用核密度分析得到研究區景點的分布密度，表征休閑游憩服務；除此之外，其他服務的評估方法較為成熟，不再贅述。本文所選生態系統服務的評估指標、評估方法及數據來源見表1，土地利用數據統一采用2015年遙感解譯數據。

1.2.2 梯度效應分析方法 將各生態系統服務的評估結果統一為1 km×1 km的網格單元，共計6 779個單元，對每個單元進行編號，隨機選取總數10%作為樣本，分析各生態系統服務隨地形因子變化的梯度效應，地形因子考慮海拔和坡度兩個因子。由于梯度效應的復雜性，生態系統服務與地形因子并非簡單的線性關系，采用非參數方法更為靈活，有助于揭示可能被遺漏的結構。此處采用雙變量散點圖疊加局部加權回歸(LOESS)的數據平滑方法對其梯度效應做初步判斷，同時識別各服務隨地形因子變化的突變點(Change point)，繼而分析突變點之間各服務變化的梯度性，并對其趨勢進行顯著性檢驗。將改變趨勢的突變點稱為關鍵突變點，將變化趨勢發生逆轉的突變點稱為臨界突變點。局部加權回歸及圖形繪制采用R語言ggplot2包；突變點識別采用R語言的IDetect包，該方法可識別一組連續變量中突變點的數量和位置，其原理和計算方法詳見參考文獻[40]；趨勢性檢驗基于M-K非參數檢驗，采用R語言trend包。

圖1 研究區位置、地形及土地利用現狀

表1 生態系統服務指標及評估方法

2 結果與分析

2.1 食物供給

食物供給服務與耕地密切相關，在靠近平原的區域供給較高，具體為順義、密云、平谷和房山的過渡帶區域，在山區總體供給較低，總體沿山地平原過渡帶呈遞增趨勢(圖2A)。食物供給服務隨海拔的升高而降低，共識別得到兩個突變點，分別是海拔144，354 m(圖2B)。當海拔在144 m以下時，食物供給服務隨海拔呈線性下降，且趨勢性顯著(p<0.05)；海拔在144～354 m時下降趨勢變緩，趨勢性同樣顯著(p<0.05)，因此海拔144 m僅表明下降速率放緩，但不影響下降趨勢；海拔在354 m以上時，食物供給服務無明顯趨勢(p>0.05)。食物供給服務隨坡度的增加而降低，識別一個突變點為28.9°(圖2C)。當坡度<28.9°時，食物供給服務隨海拔呈顯著下降趨勢(p<0.05)；坡度>28.9°時，食物供給服務無顯著變化趨勢(p>0.05)。

圖2 食物供給服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.2 生物多樣性

生境質量與食物供給相反，在靠近山區人為干擾較少的區域較高，越靠近平原區則生境質量越低，沿山地平原過渡帶呈遞降趨勢。生境質量較高的區域主要位于密云的云蒙山地區、密云水庫地區及房山部分山區(圖3A)。生境質量總體隨海拔的上升而提高，共識別得到兩個突變點為316 m和381 m(圖3B)。結合LOESS曲線可判斷當海拔在316 m以下時，生境質量隨海拔幾乎呈線性提高，且趨勢性顯著(p<0.05)，316 m以上時提高幅度變緩，趨勢性同樣顯著(p<0.05)，因此316 m僅影響升高速率，而不影響趨勢性，到381 m以上時才無明顯增加趨勢(p>0.05)。生境質量總體隨坡度增加而提升，識別一個突變點23.8°(圖3C)。坡度小于23.8°時，增加趨勢顯著(p<0.05)，坡度大于23.8°時，趨勢不明顯(p>0.05)。

圖3 生物多樣性服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.3 水質凈化

水質凈化服務與污染物產生量和土地覆被情況相關。耕地的污染物產生量相對較大，因此其污染物凈化量也較高，總體分布與食物供給服務相似，沿山地平原過渡帶呈遞增趨勢(圖4A)。水質凈化服務總體隨海拔的升高呈下降趨勢，識別得到一個突變點為海拔322 m(圖4B)。海拔在322 m以下時，水質凈化服務隨海拔呈顯著下降趨勢(p<0.05)，海拔322 m以上時無明顯趨勢(p>0.05)。水質凈化服務總體隨坡度增加呈顯著下降趨勢(p<0.05)，識別得到突變點為11.3°，該突變點僅影響下降速率，不影響下降趨勢，僅表明坡度大于11.3°時的服務供給下降的速率要明顯低于坡度小于11.3°時的服務供給速率(圖4C)。

圖4 水質凈化服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.4 空氣凈化

空氣凈化服務與污染物濃度和植被狀況密切相關，平原地區污染物濃度較高，但植被通常較差，山區植被情況較好，但污染物濃度較低。與其他服務不同，空氣凈化服務隨山地平原過渡帶非簡單的遞增或遞降趨勢，而是受污染物濃度和植被狀況的影響，在山區平原交界區域的污染物凈化量最高(圖5A)。因此，空氣凈化服務隨海拔梯度的上升呈先增加后下降的趨勢，識別得到一個突變點為海拔213 m(圖5B)。在海拔213 m以下時隨海拔的提升呈顯著增加趨勢(p<0.05)，而海拔213 m以上時空氣凈化服務的供給發生逆轉，隨海拔的提升呈顯著下降趨勢(p<0.05)。空氣凈化服務隨坡度的增加先上升后下降，識別得到一個突變點14.8°(圖5C)。當坡度小于14.8°時呈顯著上升趨勢(p<0.05)，而大于14.8°時同樣發生逆轉，呈顯著下降趨勢(p<0.05)。

圖5 空氣凈化服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.5 土壤保持

土壤保持服務與降雨、土壤、地形和植被覆蓋等多種因子相關，總體來看，靠近山區的服務供給比靠近平原地區高，特別是平谷、房山以及密云、懷柔交界的山區土壤保持服務較高(圖6A)。與地形因子關系方面，土壤保持服務總體隨海拔的上升而增加，識別得到一個突變點為海拔377 m(圖6B)。海拔377 m以下時呈顯著增加趨勢性(p<0.05)，377 m以上則趨勢不明顯(p>0.05)。土壤保持服務總體隨坡度增加呈顯著增加趨勢(p<0.05)，識別得到突變點為5°，該突變點僅影響上升速率，不影響下降趨勢，僅表明坡度大于5°時的服務供給上升的速率要明顯高于坡度小于5°時的服務供給速率(圖6C)。

圖6 土壤保持服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.6 碳存儲

碳存儲服務主要與植被狀況相關，在密云的云蒙山地區、門頭溝和海淀交界的山區較高(圖7A)。總體隨海拔的上升而增加，突變點為377 m，以下呈顯著增加趨勢(p<0.05)，以上則趨勢不明顯(p>0.05)(圖7B)。碳存儲服務總體隨坡度的增加而增加，當坡度小于11.5°時呈顯著上升趨勢(p<0.05)，而大于11.5°時無顯著變化趨勢(p>0.05)(圖7C)。

圖7 碳存儲服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.7 水源涵養

水源涵養服務與降雨、蒸散、地形和植被等多種因子相關，在密云與平谷的交界區域以及房山西南部區域較高(圖8A)。該服務隨海拔梯度變化的突變點為283 m(圖8B)，海拔在283 m以下時，水源涵養服務隨海拔升高呈顯著增加趨勢(p<0.05)，283 m以上時發生逆轉，呈顯著下降趨勢(p<0.05)。水源涵養服務隨坡度的增加先上升后下降(圖8C)，當坡度小于10.4°時呈顯著上升趨勢(p<0.05)，而大于10.4°時發生逆轉，呈顯著下降趨勢(p<0.05)。

2.8 休閑游憩

休閑游憩服務與自然景點的分布密切相關，在密云的云蒙山地區、平谷四座樓地區、海淀香山地區以及房山十渡地區較高(圖9A)。然而，休閑游憩服務隨海拔梯度和坡度均無明顯變化趨勢(p>0.05)，也未檢測到突變點，說明休閑游憩服務隨海拔和坡度變化無明顯梯度效應(圖9B，9C)。

2.9 土壤質量調節

土壤質量調節服務與土壤碳含量相關，在密云東部山區、房山北部山區較高(圖10A)。總體隨海拔的升高而顯著增加(p<0.05)，識別突變點為海拔338 m，海拔338 m以上土壤質量調節服務增加趨勢較338 m以下時的增加趨勢放緩(圖10B)。土壤質量調節服務與坡度梯度無明顯趨勢(p>0.05)，也未檢測到突變點，說明坡度因子對該服務影響不大(圖10C)。

圖8 水源涵養服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

圖9 休閑游憩服務空間分布及其隨海拔與坡度變化

圖10 土壤質量調節隨海拔與坡度變化

3 討論與結論

(1) 海拔梯度方面，各服務的關鍵突變點位于300 m左右，休閑游憩和土壤質量調節無關鍵突變點(表2)。空氣凈化和水源涵養具有臨界突變點，分別為海拔213 m和283 m。各服務的趨勢變化總體可以分為5類，第一類為下降—無趨勢，包括食物供給和水質凈化；第2類為增加—無趨勢，包括生物多樣性、土壤保持和碳存儲；第3類為增加—下降趨勢，包括空氣凈化和水源涵養服務；第4類為增加趨勢，為土壤質量調節；第5類為無趨勢，包括休閑游憩。

(2) 坡度梯度方面，水質凈化、土壤保持、休閑游憩和土壤質量調節無關鍵突變點，空氣凈化和水源涵養的供給分別在10°和15°發生逆轉，具有臨界突變點。趨勢變化可以分為6類，第一類為下降—無趨勢，為食物供給服務；第2類為增加—無趨勢，包括生物多樣性和碳存儲；第3類為下降趨勢，包括水質凈化；第4類為增加—下降趨勢，包括空氣凈化和水源涵養；第5類為增加趨勢，包括土壤保持；第6類為無趨勢，包括休閑游憩和土壤質量調節。

(3) 除休閑游憩服務外，其他服務均隨地形因子變化表現出一定的梯度效應。各服務隨海拔因子和坡度因子的梯度效應表現基本一致，值得關注的是水源涵養服務和空氣凈化服務，存在由增加趨勢轉變為下降趨勢的臨界點。

表2 生態系統服務隨地形因子變化的突變點及變化趨勢

注:“—”代表未發現。

山地平原過渡帶是生態環境脆弱區和敏感區，從地形梯度視角探討生態系統服務價值的分布特征及規律，有助于深入了解土地利用變化因子間的關聯性，對深化認識土地利用驅動生態系統服務價值變化具有重要意義[41]。本研究以北京灣過渡帶為研究區，選擇海拔和坡度兩個地形因子分析了主要生態系統服務的梯度效應，結果表明大部分服務都表現出明顯的地形梯度效應，特別是海拔300 m左右是部分生態系統服務發生突變的臨界點，在制定淺山區相關規劃及各區詳細規劃時對該區域要特別予以關注，通過調整土地利用結構、提升生態系統質量等手段，促進生態系統服務效益最大化。除海拔和坡度外，未來還應加強對坡向、地形起伏度等其他地形因子的梯度效應評價，從而系統地揭示山區平原過渡帶的生態系統系統服務地形梯度效應規律[2,21]。此外，北京灣也屬于鄉村—城市過渡帶，還應加強對人類活動因子的梯度效應評價，綜合考慮自然因素和人為因素的梯度變化規律，從而更好地指導北京淺山區生態系統服務優化供給并提升人類福祉。