哈長城市群生態系統服務時空特征及其權衡/協同關系研究

于 媛, 韓 玲, 李明玉, 相恒星, 王宗明,3, 張世棟, 楊 桄

(1.延邊大學 地理與海洋科學學院, 吉林 延吉 133002;2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所 濕地生態與環境重點實驗室,長春 130102; 3.國家地球系統科學數據中心, 北京 100101; 4.空軍航空大學, 長春130000)

生態系統服務是指生態系統所形成和維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用[1]，也泛指人類直接或間接從生態系統中所得到的各種收益[2]。不同的生態系統服務在變化過程中存在著復雜的相互關系，主要表現為此消彼長的權衡關系和彼此增益的協同關系[3-4]。其中權衡指的是某些土地覆被類型生態系統服務的供給，因其他類型的過度使用使其逐漸減少的情形[5-6]；協同指的是兩種及兩種以上的生態系統服務在發展的過程中同時增強的情景[7-8]。當今社會，由于缺乏對生態系統服務重要性的認知，長期的環境破壞導致生態系統服務的日漸退化，同時也威脅著人類的安全與健康[9]。因此，認清生態系統服務間的變化特征，對實現區域經濟穩定發展及生態環境保護的“共贏”有著深遠意義[10-11]。

伴隨千年生態系統服務評定[12]的展開，有關生態系統服務權衡協同關系的研究達到了一個新的高潮[13-15]。Kragt等[16]引用APSIM模型，解析澳大利亞全國的農產品供給與生態系統服務間的權衡關系，進一步將研究成果應用到農業生產中；Richards等[17]運用帕累托曲線分析了熱帶沿海地區的生境質量與各生態指標間的權衡協同關系。饒勝等[18]應用極值法探討草原生態系統中畜牧產品與防風固沙間的權衡關系，從中得到了適用于該地區的最優生物量分配方案；葛菁等[19]研究了多種不同土地覆被情景下雅礱江二灘水利樞紐區降低面源污染、水庫泥沙淤積等生態系統服務間的響應機理。盡管關于生態系統服務的權衡協同研究愈加受到學者們的廣泛關注，并發表了大量研究成果，但關于其內部復雜性及區域異質性研究還很薄弱。

哈長城市群作為二級城市群之首，是我國北方重要的林、糧、牧的產出基地，也是我國首要的生態功能保護區，具有人類過度干擾、土地開發程度高、生態環境脆弱和社會經濟發展相對落后等特征。目前為止，還未有專家學者針對哈長城市群的生態系統服務權衡協同關系展開研究，因此，本研究基于遙感、土壤、氣象、數字高程模型(DEM)等多源數據，以哈長城市群為例，基于InVEST模型定量測算研究區2000年、2010年、2015年土壤保持、生態系統碳儲量以及產水量3種關鍵生態系統服務，采用相關系數法，探究研究區3種生態系統服務間的權衡協同關系，通過建立生態系統服務權衡協同度模型(ESTD)用以表征相互作用程度和方向，并引入堆積柱狀圖對比不同土地覆被類型的生態系統服務變化特征，以期為后續研究提供一定的參照作用，并為實現區域可持續發展與生態保護的“雙贏”提供參考建議。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

哈長城市群處于東北地區腹地，位于122°24′—131°18′E，42°00′—48°55′N。橫跨黑龍江、吉林二省，包括10個地級市，1個自治州，面積約32.22萬km2，2015年末全區總人口約4 768萬人，GDP生產總值約24 836億元(2015年)。氣候為溫帶季風氣候，氣溫年較差較大，植被類型以溫帶落葉闊葉林為主。主要地形有山地和平原，東西高程差異較大。山地主要分布在東南地區，以長白山為主，土地覆被類型主要為林地、草地；平原主要分布在中西部，以松嫩平原為主，土地覆被類型以耕地、人工表面為主。哈長城市群作為新興城市群，其快速的城鎮化進程及高強度的耕地擴張對哈長城市群的土地覆被類型改變強度增大，使原本脆弱的生態環境變得更加脆弱，區域內部的生態服務功能明顯下降，已嚴重威脅到了哈長城市群一體化的可持續發展。

1.2 數據來源

本研究以Landsat TM/OLI影像(http:∥glovis.usgs.gov)為基準提取哈長城市群2000年、2010年、2015年3期土地覆被數據。輔助數據涵蓋：(1) 30 m分辨率的DEM，源于國際科學數據服務平臺；(2) 氣溫降水數據，源于中國氣象科學數據共享服務網提供的“中國地面氣候資料月值數據集”，獲取研究區各氣象站點歷年的平均氣溫及年降水量等數據。(3) 土壤數據源于國家地球系統科學數據中心的吉林省和黑龍江省土壤數據集；(4) 碳密度數據參考李慧穎等[20]的研究。

2 研究方法

2.1 分類方法及精度評價

根據哈長城市群土地覆被的分布特征，參考Wang等[21]的分類方法，形成適用于哈長城市群的分類體系。共分為建設用地、林地、草地、耕地、濕地、裸地6個一級類。應用eCognition軟件進行面向對象的多尺度分割；基于數字高程模型(DEM)和大量的野外驗證點，以監督分類、決策樹分類、目視解譯3種方法相結合開展不同土地覆被信息的提取，以獲取研究區不同時期土地覆被的空間分布數據[22]。經過大量野外驗證點和高空間分辨率遙感影像的反復驗證，3期土地覆被的分類精度均高于90.5%，滿足本研究需求。

2.2 生態系統服務定量評估方法

2.2.1 土壤保持量估算 InVEST模型中的泥沙輸移模塊(SDR)是以像元尺度的通用土壤流失方程(USLE)方法[23]為基礎，以柵格為基礎單元估算土壤流失量，用以表示哈長城市群的泥沙流失量。其計算公式為：

SD=RKLS-ULSE

RKLS=R×K×LS

ULSE=R×K×LS×C×P

式中:SD為土壤保持量；RKLS為潛在土壤侵蝕量；ULSE為實際土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕因子[24]；K為土壤可蝕性因子[25]；LS為坡長坡度因子[26]；C為植被覆蓋與作物管理因子[27]；P為水土保持措施因子[28]。該評價方法已成功應用于遼寧省[20]，并取得了良好的評估結果。

2.2.2 生態系統碳儲量估算 陸地生態系統中的碳存儲，一般分為以下4種基本碳庫：地上部分碳、地下部分碳、死亡有機碳及土壤碳[29]。以各土地覆被類型作為評估單元，應用InVEST模型中的生態系統碳儲量模塊將4種基本碳庫的平均碳密度乘上各評估單元面積來估算哈長城市群的生態系統碳儲量，計算公式如下[29]:

Ci=Ci(above)+Ci(below)+Ci(dead)+Ci(soil)

式中:i為某一種生態系統類型；Ci為第i種生態系統類型的碳密度(t/hm2)；Ci(above)，Ci(below)，Ci(dead)，Ci(soil)分別為第i種類型的地上部分生態系統碳儲量,地下部分生態系統碳儲量,死亡有機生態系統碳儲量和土壤生態系統碳儲量(t/hm2)[30]。該評價方法已成功應用于嫩江流域[30]，并取得了良好的評估結果。

2.2.3 產水量估算 InVEST模型中的產水模塊是水量均衡原理為基準，同時關注氣候、植被、土壤等影響因素，以柵格為基礎單元來評定研究區不同景觀類型的產水能力。計算公式如下[26,31]：

式中:AETi為柵格單i的實際蒸散量；Pi為柵格單元i的年降水量[32]。

PETi=Ki×ETi

式中：PETi為年潛在蒸散量；wi為自然氣候表示土壤性質的非物理參數[33]；AWCi為植被可利用的體積含水量(mm)；Z為Zhang系數[34](無量綱),本研究取值3.2；Ki為植被的蒸散系數[35]；ETi為第i個柵格單元的潛在蒸散量。

ETi=0.0013×0.408×TA×(TC+17)×(TD-0.0123P)0.76

式中：TA為大氣頂層輻射(MJ/mm/d)；TC為日均最高與最低溫度的平均值(℃)；TD為日均最高與最低溫度的差值(℃)；P為月均降水量(mm)。

AWCi=min(maxsoildepth,rootdepth)×PA

PA=54.509-0.132sand-0.003(sand)2-

0.055(silt)2-0.738clay+0.007(clay)2-

2.688MN+0.501(MN)2

式中：max soil depth為土壤最大深度；root depth為植被根系深度；PA為植被可利用水；sand為砂粒的百分比含量；silt為粉粒的百分比含量；clay為黏粒的百分比含量；MN為有機質的百分比含量。該評價方法已成功應用于長白山地區[36]，并取得了良好的評估結果。

2.3 生態系統服務權衡與協同度指數(ESTD)

為了更好地評估研究區內3種生態系統服務的權衡協同關系，在參考李鴻健等[37]的研究基礎上，本研究引用了生態系統服務權衡協同度(ESTD)模型進行相關評估。用以表示研究區內各生態系統服務間的相互作用和變化機理，公式如下：

式中:ESTDmn為第m,n種生態系統服務權衡協同度；ESmb為b時段第m種生態系統服務的變化量；ESma為a時段第m種生態系統服務的變化量；ESnb，ESna與此相同。ESTD表征某兩種生態系統服務變化量相互作用的程度和方向；ESTD為負時，表示第m與n種生態系統服務為權衡關系；ESTD為正時，表示二者間為協同關系。

3 結果與分析

3.1 2000-2015年哈長城市群土地覆被變化

對哈長城市群2000—2015年3個時期遙感影像進行處理，將土地覆被類型劃分為建設用地、林地、草地、耕地、濕地和裸地(圖1)。

圖1 2000-2015年哈長城市群土地覆被類型

研究區內的建設用地面積在15 a間持續增加，共增加1 462 km2，總體趨勢表現為先快后慢。15 a間林地面積增加了1 527 km2，總體趨勢持續增加，2010—2015年增加幅度大于2000—2010年。草地面積先增后減，共減少661 km2。2015年哈長城市群耕地面積占總面積的50.46%，15 a間耕地面積持續減少，共減少1 611 km2。濕地面積在2000—2015年先減后增，2000—2010年減少54 km2，2010—2015年有所恢復，增加117 km2，15 a間共增加63 km2。裸地包括采礦場、裸土、沙漠等，其面積在2000—2010年減少1 031 km2，2010—2015年增加了251 km2。

表1 2000-2015年哈長城市群土地覆被類型變化

3.2 生態系統服務的時空格局

哈長城市群2000—2015年土壤保持量空間分布格局見圖2，具體而言，哈長城市群土壤保持量的多年平均值為21 107.53 t/km2，最低值在2015年(19 844.65 t/km2)，最高值在2000年(21 934.19 t/km2)。從空間分布來看，哈長城市群的土壤保持能力呈東高西低態勢，高值地區多分布在東南部；2000—2010年土壤保持能力有所降低，降低的區域主要分布在黑龍江省的牡丹江市和哈爾濱市部分地區；2000—2010年土壤保持能力增加的區域主要分布在吉林省的吉林市、長春市和遼源市部分地區。2010—2015年土壤保持能力有所降低，降低的區域主要分布在東南部的延邊朝鮮族自治州、吉林市和長春市等。

哈長城市群2000—2015年生態系統碳儲量空間分布格局見圖3，具體而言，生態系統碳儲量多年平均值為11 866.53 t/km2，最低值在2010年(11 837.88 t/km2)，最高值在2000年(11 888.90 t/km2)。從空間分布來看，哈長城市群生態系統碳儲量呈東部高西部低的態勢，但15 a來其空間分布無明顯差異，其高值地區多分布在西北部和東南部分地區；2000—2010年區域生態系統碳儲量有所降低，降低到區域主要為大慶市和松原市。2010—2015年區域生態系統碳儲量有所增加，增加區域主要分布在黑龍江省西部的大部分地區；吉林省各區域有所增加，但不明顯。

哈長城市群2000—2015年產水量空間分布格局見圖4，具體而言，產水量多年平均值為118 055.46 m3/km2，最低值在2000年(92 952.47 m3/km2)，最高值在2010年(133 045.84 m3/km2)。從空間分布來看，哈長城市群的產水量從東南部向西北部逐漸降低，高值區多分布在吉林省的東中部，黑龍江省的產水量相對于吉林省較低。由圖4可知，2000—2010年的產水量呈增加趨勢，增加的區域主要為吉林省大部分地區。2010—2015年的產水量略有降低，降低的區域主要為吉林省大部分地區，且降幅較明顯；2010—2015年增加的區域主要為黑龍江省大部分地區。

圖2 2000-2015年哈長城市群土壤保持能力空間分布

圖3 2000-2015年哈長城市群生態系統碳儲量空間分布

圖4 2000-2015年哈長城市群產水量空間分布

3.3 不同土地覆被類型生態系統服務的差異

土地覆被對生態系統服務產生的影響，主要表現為同種土地覆被類型中不同生態系統服務間的差異和同一生態系統服務中不同土地覆被類型間的差異。本研究結合土地覆被數據，將哈長城市群3種生態系統服務的均值提取至各土地覆被類型，得出不同土地覆被類型下的生態系統服務(圖5)。不同的土地覆被類型間，林地提供的土壤保持力最高，產水量最低；草地和濕地提供的生態系統碳儲量最高，土壤保持力最低；耕地提供的產水量最高，生態系統碳儲量最低；建設用地提供的土壤保持力最高，生態系統碳儲量最低；裸地提供的產水量最高，土壤保持力最低。不同土地覆被類型提供的土壤保持能力從高至低依次為:林地>耕地>建設用地>濕地>草地>裸地；生態系統碳儲量:濕地>林地>草地>耕地>裸地>建設用地；產水量:濕地>耕地>林地>裸地>草地>建設用地。

圖5 2000-2015年哈長城市群不同土地類型的生態系統服務

3.4 生態系統服務的權衡與協同關系

3.4.1 生態系統服務關聯關系 以30 m分辨率的柵格數據為基礎，對哈長城市群土壤保持、生態系統碳儲量和產水量3種生態系統服務進行樣點采集，在研究區內獲取均勻分布的點共29 205個，在SPSS軟件支持下，對研究區3種生態系統服務做出相關性分析(表2)。其中哈長城市群的土壤保持與生態系統碳儲量及土壤保持與產水量的相關系數均大于0，表征土壤保持與二者間均是協同關系；生態系統碳儲量與產水量的相關系數小于0，表明這組服務間呈現權衡關系。15 a來，隨著哈長城市群植被覆蓋度的增多，使土壤的抗沖蝕能力顯著增強，即土壤保持能力顯著提高；植被覆蓋度的增多同時促使其蒸騰耗水的需求不斷提高，使得降水日漸成為主導土壤保持能力和產水量的首要因子。

表2 2000-2015年哈長城市群生態系統服務的相關系數

3.4.2 生態系統服務權衡協同度 在行政區范圍內設置采樣間隔點的距離為5 km，在研究區各市域內共獲取77 412個均勻分布的點，基于哈長城市群的行政區劃圖，對哈長城市群2000—2015年生態系統服務變化量的柵格圖進行樣點采集，以估算3種生態系統服務間的權衡協同度(圖6)。協同作用是哈長城市群3種生態系統服務間的主導關系，其中土壤保持—生態系統碳儲量間的協同程度最高。南部吉林省境內的遼源市、吉林市、四平市在生態系統服務間關聯關系中，土壤保持—生態系統碳儲量的協同度最為明顯，分別為9.12，8.21，7.10，遼源市的土壤保持—產水量的協同度高于其他各市，協同度為3.76，其他服務間的協同程度較低，主要是南部地區以林地為主，隨著地表植被狀況的改善，土壤保持量與生態系統碳儲量顯著提高。北部黑龍江省境內各市多以權衡為主，協同程度較低，其中齊齊哈爾市、牡丹江市、哈爾濱市土壤保持—生態系統碳儲量的權衡度分別為2.60，1.89，1.75，主要原因是隨著城市化進程的加快及重工業的快速發展，地表植被遭到破壞，再加上降水相對較少，導致對土壤保持量和生態系統碳儲量的急劇下降。

圖6 2000-2015年哈長城市群生態系統服務間權衡協同度分布

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究從土地覆被角度出發，發現哈長城市群的生態系統服務及其權衡協同關系與土地覆被類型空間分布有著緊密關系，林地和濕地面積的增加都會對土壤保持、碳儲量和產水量產生促進作用，而建設用地的增加會致使3種服務的減少。因此，農業活動、退耕還林還水等可以在不同程度上增加生態系統服務價值量，而城鎮化的快速發展不利于維持生態系統平衡。

潘竟虎等[38]在干旱內陸河流域的研究表明碳儲量和產水量間呈現出明顯的協同作用，但本研究的結果顯示哈長城市群的碳儲量和產水量為權衡關系;Wang等[39]在黃土高原的研究結果表明，植樹造林過程不僅沒有提升降雨量，同時還造成大量水資源浪費，以上表明了生態系統服務間的權衡與協同具有一定的地理位置及時空差異性。

生態系統中存在多種多樣的服務機制，本研究僅選取了其中3種進行解析，關于哈長城市群區域內生態系統服務的權衡協同關系研究還不夠完善。在未來的研究過程中更應從數據來源、尺度方面、生態系統服務多樣性等方面進行多元化研究，以期為后續學者在進行相關研究時提供一定幫助，為哈長城市群地區制定更為全面具體的區域發展和生態保護策略提供參考意見。

4.2 結 論

本研究以處于東北腹地的哈長城市群作為研究區，計算了各年份間土地覆被類型的面積變化，利用相關模型定量測算了2000—2015年的土壤保持、生態系統碳儲量和產水量3種生態系統服務的時空分布格局及不同土地覆被類型生態系統服務的差異，并利用權衡協同度模型分析了哈長城市群3種生態系統服務間的權衡協同關系，旨為實現區域經濟穩定發展及生態環境保護的“共贏”提供參考依據。主要結論如下：

(1) 2000—2015年哈長城市群林地、濕地、建設用地面積增加，耕地、草地、裸地面積相對減少，其中，建設用地增長率最高，裸地減少率最高。

(2) 土壤保持價值量呈東高西低的空間格局，高值區多分布于東南部；生態系統碳儲量呈東高西低的格局分布，整體上與土地覆被類型分布較一致；產水量呈東南部向西北部逐漸降低的空間格局，高值地區多分布在吉林省的東中部。

(3) 不同土地覆被類型間的生態系統服務對比結果顯示，林地、草地等6種土地覆被類型的3種生態系統服務都呈現此消彼長的變化方式。

(4) 從相關性方面看，土壤保持與生態系統碳儲量、土壤保持與產水量間呈正相關關系，生態系統碳儲量與產水量間呈負相關現象；通過生態系統服務的權衡協同度分析可以看出，哈長城市群南部土壤保持—生態系統碳儲量協同度較為顯著，土壤保持—產水量次之，北部的土壤保持—生態系統碳儲量多以權衡為主。