廣東南嶺生態(tài)功能區(qū)系統(tǒng)服務(wù)功能與人為擾動(dòng)因素研究

王秀明，蘇耀明，許乃中，梁煒，趙鵬，張玉環(huán)

(生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東廣州 510655)

《全國(guó)主體功能區(qū)劃》確定了水源涵養(yǎng)型、水土保持型、防風(fēng)固沙型、生物多樣性維持型四類(lèi)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，建立了國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，僅2018年中央財(cái)政即對(duì)各地國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)撥款1369.89億元。在接受生態(tài)補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)保護(hù)成效如何？其生態(tài)服務(wù)功能是否持續(xù)改善？目前《生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定技術(shù)指南》[1]提出了植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)定量指標(biāo)評(píng)價(jià)、模型評(píng)價(jià)兩種方法。其中NPP定量評(píng)價(jià)法被廣泛應(yīng)用于各地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)價(jià)[2-3]及生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)劃定[4-6]。張立偉等[7]利用該方法分析了國(guó)內(nèi)11個(gè)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化。在模型評(píng)價(jià)法方面，黃麟等[8]、侯鵬等[9]利用降水儲(chǔ)量法、水土流失方程、土壤風(fēng)蝕方程等模型評(píng)價(jià)法定量分析了國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙等服務(wù)功能變化情況。比較而言，模型評(píng)價(jià)法考慮因素相對(duì)完善，對(duì)數(shù)據(jù)需求量較大，在參數(shù)適用、應(yīng)用條件好的情況下準(zhǔn)確度較高；定量評(píng)價(jià)法需要參數(shù)較少，操作較簡(jiǎn)單，但其使用范圍具有地域性。限于數(shù)據(jù)的可獲得性，本文以NPP定量評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

本文以廣東省南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)為研究區(qū)，包括韶關(guān)市、河源市、梅州市共11個(gè)縣、市，總面積達(dá)23 515km2。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量為1500mm～2000mm，季節(jié)分配較均勻；區(qū)域地帶性土壤為紅壤；地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，自然植被垂直分布明顯。南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)是廣東省最重要的生態(tài)屏障，是北江、西江等河流的源頭區(qū)，研究其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化趨勢(shì)及受人為因素的影響有利于科學(xué)評(píng)價(jià)其保護(hù)成效，可為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)補(bǔ)償提供核算依據(jù)，同時(shí)也可為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)保護(hù)措施和開(kāi)發(fā)利用管理要求提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究主要涉及數(shù)據(jù)包括MODIS系列數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地、土地利用數(shù)據(jù)等，其中：(1)MODIS系列產(chǎn)品MOD13Q1、MOD16A2來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局網(wǎng)站，空間分辨率為250m，時(shí)間分辨率分別為16d、8d；(2)DEM數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云；(3)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心網(wǎng)站，包括廣東省內(nèi)及周邊91個(gè)氣象站逐日氣溫、降水、日照數(shù)據(jù)；(4)土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心；(5)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星中心，將研究區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類(lèi)。

1.2 NPP計(jì)算模型

目前NPP計(jì)算的模型主要有三類(lèi)，即氣候生產(chǎn)力模型、生理生態(tài)過(guò)程模型和光能利用率模型。其中光能利用率模型可直接利用遙感手段獲得所需數(shù)據(jù)，且該模型在估算中考慮了NPP和植被覆蓋度等生態(tài)參數(shù)的差異，使得測(cè)算結(jié)果能更真實(shí)地反映實(shí)際情況，適合全球及區(qū)域尺度上的NPP估算。本文利用CASA模型[10]計(jì)算NPP，公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

(3)

ε(x,t)=εmax×T1(x,t)×T2(x,t)×W(x,t)

(4)

T1(x,t)=0.8+0.02×Topt(x)-0.0005×[Topt(x)]2

(5)

T2(x,t)=

(6)

(7)

其中，APAR(x,t)表示x象元處t月植被所吸收的光合有效輻射；SOL(x,t)表示t月在x象元處的太陽(yáng)總輻射量，F(xiàn)PAR(x,t)表示植被層對(duì)入射光和有效輻射的吸收比例；FPARmax、FPARmin分別為0.95和0；T1(x,t)表示高溫和低溫時(shí)內(nèi)在生化作用對(duì)光合作用的限制而降低的第一性生產(chǎn)力；T2(x,t)表示環(huán)境溫度從最適溫度項(xiàng)高溫和低溫變化時(shí)植物光合利用率減少的趨勢(shì)；W(x,t)表示水分脅迫系數(shù)；Topt(x)表示某一區(qū)域一年內(nèi)植被指數(shù)(NDVI)達(dá)到最高值時(shí)的當(dāng)月平均溫度；ET(x,t)為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量；ETP(x,t)為區(qū)域潛在蒸散量。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)方法

(1)水源涵養(yǎng)服務(wù)

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)其特有的結(jié)構(gòu)與水互相作用，對(duì)降水進(jìn)行截留、滲透、蓄積，并通過(guò)蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流、水循環(huán)的調(diào)控，主要表現(xiàn)在緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水、減緩河流流量的季節(jié)波動(dòng)、滯洪補(bǔ)枯、保證水質(zhì)等方面。水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù)(WR)計(jì)算公式如下：

WR=NPP×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(8)

式中，WR為水源涵養(yǎng)服務(wù)功能指數(shù)，F(xiàn)sic為土壤滲流能力因子，F(xiàn)pre為年降水量，F(xiàn)slo為歸一化后的坡度數(shù)據(jù)。

(2)水土保持服務(wù)

水土保持是生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)其結(jié)構(gòu)與過(guò)程減少由于水蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用，是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要條件服務(wù)之一。水土保持功能主要與氣候、土壤、地形和植被有關(guān)。水土保持服務(wù)能力指數(shù)(Spro)計(jì)算公式如下：

Spro=NPP×(1-K)×(1-Fslo)

(9)

式中，Spro為水土保持功能指數(shù)，K是土壤可蝕性因子，其余因子同上。

(3)生物多樣性保護(hù)服務(wù)能力指數(shù)

生物多樣性服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)在維持基因、物種、生態(tài)系統(tǒng)多樣性方面發(fā)揮的作用，是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要功能之一。生物多樣性保護(hù)服務(wù)能力指數(shù)(Sbio)計(jì)算公式如下：

Sbio=NPP×Fpre×Ftem×(1-Fslo)

(10)

式中，Sbio為生物多樣性保護(hù)服務(wù)功能指數(shù)，F(xiàn)tem是年均氣溫，其余因子同上。

1.4 人類(lèi)擾動(dòng)指數(shù)構(gòu)建

參考相關(guān)研究[7,11]，利用人類(lèi)擾動(dòng)指數(shù)評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，即根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型所占比例進(jìn)行加權(quán)求和，其值的大小綜合反映了某一地區(qū)的擾動(dòng)程度，計(jì)算方法如下：

(11)

式中，Ai表示第i級(jí)生態(tài)系統(tǒng)人類(lèi)擾動(dòng)程度分級(jí)指數(shù)；Pi表示第i級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積所占的百分比；D為生態(tài)系統(tǒng)人類(lèi)擾動(dòng)指數(shù)，范圍為0～1，其中裸地取值為0，林地、草地、水域取值為1，農(nóng)田為2，城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)、工礦和交通用地為3。

2 相關(guān)結(jié)果分析

2.1 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力

2000年、2017年，研究區(qū)內(nèi)單位面積NPP較低的區(qū)域主要分布在城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)較為集中的區(qū)域，較高的區(qū)域主要分布在平遠(yuǎn)、蕉嶺縣北部、連平、和平縣交界處，均屬于山體較為完整、森林分布連續(xù)的區(qū)域。

2000年、2017年，研究區(qū)內(nèi)單位面積NPP平均值分別為1542.70gC/m2·a、1291.82gC/m2·a，2017年單位面積NPP下降幅度為16.3%，與姜春等[12]、李恒凱等[13]分別對(duì)廣東省、南嶺山地森林區(qū)NPP演變趨勢(shì)的分析一致；NPP減少為50%以上、20%～50%的區(qū)域占比分別為4.03%、35.67%，僅17.66%的區(qū)域呈現(xiàn)NPP不同幅度的增加。與研究區(qū)外區(qū)域比較，廣東省其他區(qū)縣2000年、2017年NPP平均值分別為1186.03gC/m2·a、979.39gC/m2·a，即兩個(gè)階段內(nèi)重點(diǎn)功能區(qū)內(nèi)部植被凈初級(jí)生產(chǎn)力明顯高于其他地區(qū)。

2.2.1水源涵養(yǎng)服務(wù)指數(shù)

2000年，水源涵養(yǎng)服務(wù)指數(shù)高值區(qū)主要分布在平遠(yuǎn)北部、蕉嶺西南和東北部、興寧縣南部、連平、和平交界區(qū)域、仁化中部等。2017年，僅平遠(yuǎn)、蕉嶺縣局部地區(qū)WR指數(shù)仍保持較高水平，其余區(qū)域WR指數(shù)均有明顯下降。兩個(gè)時(shí)期，研究區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)指數(shù)平均值分別為12.60、9.73，均明顯高于廣東省其他地區(qū)(10.94、9.00)。2017年研究區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)指數(shù)比2000年下降了22.8%，WR指數(shù)下降幅度在50%以上、20%～50%的區(qū)域面積占比分別為12.24%、33.49%；僅22.0%的區(qū)域呈現(xiàn)WR指數(shù)上升。

>>生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化趨勢(shì)及受人為因素的影響研究有利于科學(xué)評(píng)價(jià)其保護(hù)成效，為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)基礎(chǔ)。

2.2.2水土保持服務(wù)指數(shù)

2000年、2017年水土保持服務(wù)能力指數(shù)空間分布與NPP整體一致，高值區(qū)主要分布在平遠(yuǎn)、蕉嶺北部、連平和和平縣交界區(qū)域。同樣，2000年、2017年，研究區(qū)水土保持服務(wù)指數(shù)平均值分別為1241.72、1044.28，高于廣東省其他地區(qū)25%左右。2017年研究區(qū)水土保持服務(wù)能力指數(shù)比2000年下降了15.9%，約80%區(qū)域水土保持服務(wù)能力呈現(xiàn)不同幅度的退化。

2.2.3生物多樣性保護(hù)服務(wù)指數(shù)

2000年、2017年生物多樣性保護(hù)服務(wù)能力指數(shù)空間分布與NPP基本一致。2000年、2017年，研究區(qū)生物多樣性保護(hù)指數(shù)平均值分別為1366.98、868.56，約是廣東省其他地區(qū)的2倍。2017年研究區(qū)單位面積生物多樣性保持服務(wù)指數(shù)比2000年下降了15.1%，僅0.7%的區(qū)域Spro指數(shù)有所上升。

2.3 人類(lèi)擾動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響

為研究人類(lèi)擾動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，利用ArcGIS中Create Fishnet工具將研究區(qū)劃分為2km×2km的格網(wǎng)，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)NPP、水源涵養(yǎng)、水土保持、生態(tài)多樣性保持服務(wù)指數(shù)的平均值及每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的人類(lèi)擾動(dòng)指數(shù)，進(jìn)行兩兩相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由此可見(jiàn)，人類(lèi)干擾指數(shù)與NPP及各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間均呈顯著負(fù)相關(guān)，且與2000年比較，2017年相關(guān)性增強(qiáng)，說(shuō)明人類(lèi)擾動(dòng)對(duì)各類(lèi)服務(wù)功能的影響作用逐漸增強(qiáng)。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指數(shù)與人類(lèi)擾動(dòng)指數(shù)相關(guān)關(guān)系表

3 討論與建議

3.1 討論

由于NPP受氣象因素影響較大，不同年際之間的NPP可能存在波動(dòng)性，因此僅以2000年、2017年兩年度NPP數(shù)據(jù)計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其變化趨勢(shì)分析存在一定的不確定性。

為排除研究結(jié)果的不確定性，利用中科院資源環(huán)境平臺(tái)NPP數(shù)據(jù)分析其長(zhǎng)時(shí)間序列變化趨勢(shì)，分析結(jié)果顯示，研究區(qū)NPP呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，與本文研究結(jié)果一致。同時(shí)，分析研究區(qū)及周邊氣象因素變化，結(jié)果顯示，2000年、2017年研究區(qū)周?chē)?2個(gè)氣象站平均溫度分別為20.55℃、21.21℃，年均降水量平均值為1839.83 mm、1449.61mm，即2017年平均溫度較高、降水量較低。根據(jù)榮檢等對(duì)廣西西江流域NPP的研究結(jié)果[14]，NPP與年均溫度呈正相關(guān)、與年均降水量呈負(fù)相關(guān)，即僅考慮氣候影響的情況下，本研究區(qū)2017年NPP應(yīng)高于2000年，說(shuō)明研究區(qū)NPP變化主要受人類(lèi)活動(dòng)影響。

圖1 2000—2010年研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力平均值年際變化趨勢(shì)(gc/m2)Fig.1 The net primary productivity in the study area from the year 2000 to 2010

以NPP定量指標(biāo)法評(píng)價(jià)不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化趨勢(shì)應(yīng)排除氣候等自然因素影響，才能科學(xué)評(píng)價(jià)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)保護(hù)成效。因此，下一步研究應(yīng)開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間序列區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化情況評(píng)價(jià)，并排除氣候等自然因素影響。此外，本文僅研究了人類(lèi)擾動(dòng)指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，下一步研究應(yīng)進(jìn)一步分析城鎮(zhèn)擴(kuò)張、道路建設(shè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各項(xiàng)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，以便有針對(duì)性地提出生態(tài)保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用措施。

人類(lèi)干擾是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要因素，未來(lái)南嶺地區(qū)發(fā)展應(yīng)按照國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)要求，建立以國(guó)家公園為主體的自然保護(hù)地體系，嚴(yán)守生態(tài)空間底線(xiàn)；在此基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，防止城市無(wú)序蔓延，合理控制林地等生態(tài)用地占用，建設(shè)山林、水系等生態(tài)廊道，增加生態(tài)系統(tǒng)連通性，開(kāi)展受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和山水林田湖海統(tǒng)一修復(fù)，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，筑牢北部生態(tài)屏障。

3.2 結(jié)論

2000年與2017年，重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)單位面積NPP及各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)指數(shù)均明顯高于功能區(qū)外部，說(shuō)明重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)保護(hù)取得一定成效。受到氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)影響，與2000年相比，2017年南嶺重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)單位面積植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性保護(hù)服務(wù)指數(shù)均呈整體下降趨勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有所下降。人類(lèi)干擾指數(shù)與NPP及各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間呈顯著負(fù)相關(guān)，且與2000年比較，2017年人類(lèi)擾動(dòng)對(duì)各類(lèi)服務(wù)功能的影響作用逐漸增強(qiáng)。