科爾沁沙地關鍵生態系統服務的約束關系分析

金海珍,于德永,*,郝蕊芳,黃 婷

1 北京師范大學地理科學學部,北京 100875 2 北京林業大學水土保持學院,北京 100083

生態系統服務是指人類從自然生態系統中獲得的直接和間接利益[1],是生態系統所形成并維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[2],包括供給服務(如維持人類生存的糧食、淡水等),調節服務(如洪水調節、氣候調節等),支持服務(如維持地球生命生存環境的養分循環)和文化服務(如精神、娛樂和文化收益)[3]。各項生態系統服務間是相互影響的,它們的可持續供給對維持整個生態系統穩定和提高人類福祉具有重要意義。由于生態系統服務的類型豐富,空間分布的異質性和人類對生態系統服務的需求偏好[4],生態系統服務之間形成了復雜的關系。科學認知和理解生態系統服務之間的關系是區域生態系統服務管理和優化的關鍵[5]。目前,生態系統服務間關系的研究多為二元化方法,即此消彼長的權衡關系與相互促進的協同關系[6-7]。研究內容多包括權衡與協同特征的識別、時空變化的分析和驅動因子的探究等[8-11]。例如,Shen等采用空間疊加和統計方法定性分析京津冀城市群生態系統服務在不同服務簇中權衡與協同的空間分布格局[12]。Raudsepp-Hearne等利用相關系數反映加拿大魁北克城市景觀供給服務和調節服務之間權衡關系的強度[13]。Kubiszewski等通過模擬未來情景下土地利用情況,估算生態系統服務的未來價值及服務間可能存在的關系[14]。然而國內外關于權衡與協調的研究存在一些局限。權衡與協調關系的相關分析是假設生態系統服務之間的關系是單調的,這種二元化的分析忽略了生態系統受多種因素共同影響的復雜性,樣本點往往呈現散點云的分布,而不全是圍繞著某一條線分布；其次,二元化的權衡與協同分析表征生態系統服務間的定量關系,卻難以科學地解釋背后的生態學機理。約束線分割法,被證明是分析生態系統服務非線性特征的適宜方法[5,15-17],但現階段關于約束關系的量化及驅動機制的案例研究還有待于進一步深化。科爾沁沙地作為我國四大沙地(毛烏素沙地,渾善達克沙地,科爾沁沙地和呼倫貝爾沙地)之一,人地矛盾突出。近二十年來,政府致力于實施一系列生態工程調整土地利用類型,提高生態環境質量[18-19]。這些工程取得良好的效果,但2000—2015年間科爾沁沙地地區生態赤字仍在不斷增加,大面積的農業灌溉對水資源造成壓力,導致水資源可利用性減小[20-22]。李佳鳴等的研究指出,科爾沁地區生態恢復效率較低,其生態系統服務價值的提升滯后于內蒙古整體水平[23]。而有關科爾沁沙地的研究中,多以價值量評估生態系統服務,不僅較少利用模型評估生態系統服務物質的量,還缺乏服務間的非線性關系的討論。

鑒于此,本研究基于遙感數據評估了2000—2018年科爾沁沙地長時間序列下的四種關鍵生態系統服務(凈初級生產力、產水服務、土壤保持服務和風力侵蝕負服務)；揭示沙地關鍵生態系統服務的非線性約束關系,闡明約束作用關系的生態學意義,以期為實現科爾沁沙地的土地利用優化提供決策支持。

1 研究區概況

科爾沁沙地(117°49′—123°42′E,41°41′—46°05′N)位于內蒙古自治區東南部,地處東北平原向內蒙古高原的過渡地帶,是北方農牧交錯帶的典型地區之一。總面積為12.29 × 104km2(沙化土地面積為1.79×104km2)[21],包括內蒙古自治區的15個縣級行政縣(圖1)。沙地地勢西高東低,海拔高度范圍為86 m 至 1935 m,北部是大興安嶺及其丘陵地區,中部是沖積平原,南部是黃土丘陵區。土地利用主要以耕地、草地和林地為主。科爾沁沙地主要分布的河流有西遼河、老哈河和烏爾吉木倫河等；主要土壤類型有栗鈣土、沙土、草甸土和鹽堿土等；原生植被景觀為典型草原到森林草原的過渡類型。該區域位于干旱與半干旱區,對氣候變化敏感,年降雨量350 mm左右,主要集中在夏季(6、7、8月)；年平均風速3.5—4.5 m/s。在干旱多風等氣候因素和過度的草地開墾等人類活動影響下,科爾沁沙地生態環境脆弱。除了國家層面的生態工程,在科爾沁沙地還特別地實施了2004年“雙百萬畝”綜合治理工程和2014年“雙千萬畝”綜合治理工程[24]。總的來說,沙地得到一定改善,但是仍有部分“遠沙大沙”沒有得到有效治理,沙漠化形勢依舊嚴峻[25]。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本文主要的數據說明與來源如表1所示。利用MRT(Modis Reprojection Tool)投影工具軟件對歸一化植被指數(normalized difference vegetation,NDVI)遙感數據進行鑲嵌和定義投影等批處理,再通過最大值合成得到每月合成影像；選取研究區以及周邊16個氣象臺站的降水、氣溫、風速和日照時數等地面氣候資料,采用克里金插值法進行插值得到柵格數據；土地利用數據按照一級分類系統劃分,包含林地、草地、水域、農田、建設用地和未利用地六大類。所有數據經重采樣,空間分辨率為250 m,坐標與投影均保持一致(UTM Zone 50N,WGS 1984)。

表1 數據說明及來源Table 1 Description and resource of the study data

2.2 研究方法

2.2.1生態系統服務評估

本文定量估算了2000—2018年科爾沁沙地4種重要的生態系統服務功能,分別是凈初級生產力(NPP),產水服務(WY),土壤保持服務(SC)和風力侵蝕負服務(WE)。

NPP是地表碳循環的重要組成,表征生態系統的質量狀況。基于改進的CASA(Carnegie-Ames-Stanford-Approach)模型[26],NPP由植物吸收的光合有效輻射和實際光能利用率進行估算。CASA模型的輸入數據包括月均溫度、月降雨量、月總日照輻射、月NDVI、土地利用分類數據和相關生物參數[27]。

產水服務用產水量來表征,指降水量除去蒸騰作用部分的水源供給部分[28]。采用InVEST模型產水模塊[29],基于budyko水量平衡原理方程得到產水量。產水模塊輸入數據包括月總降水量、月潛在蒸散發(PET)、土壤深度、土壤有效水分(PAWC)、土地利用/覆蓋數據、流域矢量數據、生物參數以及Zhang系數。

土壤保持服務用土壤保持量來表征[30],即潛在土壤流失與實際土壤流失之間的差值。采用修訂土壤通用流失方程(RULSE)[30],模型輸入數據包括降水侵蝕力因子、土壤侵蝕性因子、地形因子、植被覆蓋因子和水土保持措施因子。

風力侵蝕負服務采用修訂的土壤風蝕方程(RWEQ)計算土壤風蝕量[31]。風力侵蝕是導致科爾沁沙地生態環境惡化的主要原因。模型輸入包括氣候因子、土壤可蝕性因子、土壤結皮因子、土壤糙度因子和結合殘差因子。

2.2.2生態系統服務約束線提取方法

約束線能夠刻畫在多因素影響的復雜生態系統中限制變量對響應變量的限制作用,從而使響應變量不超過某一個范圍或能夠達到的最大值[32-33]。目前主要有4種繪制方法：參數法、散點云網格法、分位數回歸法和分位數分割法[34]。本研究采取分位數分割法(圖2),首先繪制成對生態系統服務的散點圖,將x軸按照其值域平均分為100組,選取每一組中99.9%的分位數作為邊界點,最后在Origin 2019中用提取到的邊界點擬合得到約束線[16]。約束線上的點表示變量y受變量x影響時,變量y的理論最大值。

圖2 約束線提取示意圖Fig.2 Diagram of constraint line extraction

2.2.3約束線特征值分析方法

本文通過箱線圖和離散度分析約束線特征值的變化情況。箱線圖以四分位數和四分位距為基礎,能夠直觀明了的識別異常值。在R語言軟件中,使用plotbox函數確定超過上限和下限的約束線閾值。離散度即變異系數,用來分析線性約束線的特征值斜率和常數項。變異系數是標準偏差的絕對值除以平均值,變異系數越小其偏離程度越小。對多年線性約束線特征值變化趨勢分析采用Sen 趨勢分析[35]并結合Mann-Kendall 檢驗對變化趨勢進行顯著性分析[36-37],判斷其是否在長時間序列上發生顯著變化。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務時空特征

2000—2018年科爾沁沙地4種生態系統服務均值空間分布及變化量如圖3所示。植被凈初級生產力多年平均值為256.5 gC/m2,空間分布具有明顯的異質性。植被凈初級生產力的高值區主要集中在研究區西北部的草地和林地,低值區主要分布在中部和西南部。從變化量來看,植被凈初級生產力在東南部和中部增量高,最高可達25.3 gC/m2；在西部有所減少。產水服務的多年供給平均值為211.9 mm,空間格局差異明顯。產水量高值區主要集中在科爾沁沙地東部,最高值可達522.2 mm；低值區分布在西北部。從變化量來看,中部偏東南地區及北部部分地區產水服務呈增加趨勢；相反地,東部邊緣地區和西部為產水量減少區域。土壤保持服務多年平均值達到196.84 t/km2,空間分布差異較小,高值區主要分布在坡度較高的西北和西南地區。從變化量來看,土壤保持服務整體呈增加趨勢,增量最高值分布在西北大片區域和西南小片區域；局地地區土壤保持服務減少量稍小,約26.3 t/km2。風力侵蝕量的多年供給平均值為3.8 t/m2,空間分布明顯差異。風力侵蝕高值區呈條帶狀分布在南部的沙地,土壤類型多為風沙土,涉及翁牛特旗、奈曼旗和科爾沁左翼后旗等旗縣。從變化量來看,大部分地區風力侵蝕量有所減少,其中中部地區明顯改善,風力侵蝕強度較大減少；南部沙地是風力侵蝕量增加的高值區,該地區的風力侵蝕情況仍在加劇。

圖3 科爾沁沙地四種生態系統服務多年平均值及變化量空間分布Fig.3 Spatial distribution of the mean value and change slope of four ecosystem services in Horqin Sandy Land NPP:net primary productivity;WY:water yield;SC:soil conservation;WE:wind erosion

3.2 生態系統服務約束關系

不同水平下的生態系統服務兩兩之間的約束線提取結果如圖4所示。植被凈初級生產力與產水量、土壤保持量和風力侵蝕量,產水量與土壤保持量和風力侵蝕量,在景觀水平和類水平上的約束線類型一致,兩兩之間呈現為拋物線類型。土壤保持量與風力侵蝕量,在景觀水平和類水平上均呈現線性約束線。

圖4 景觀水平和類水平(森林、草地和耕地)生態系統服務約束關系Fig.4 Constraint line of the paired ESs at landscape level and class level (forest,grassland and farmland)

3.2.1植被凈初級生產力和產水量的約束關系

在景觀水平和類水平上,2000—2018年植被凈初級生產力與產水量的約束線均呈拋物線類型(圖4),約束線的形狀在各個水平上幾乎沒有變化。隨著植被凈初級生產力的增加,其對產水量的約束作用先減少后增加,即當植被凈初級生產力未超過閾值時,植被凈初級生產力逐漸增加,其對產水量的約束作用逐漸減小；當植被凈初級生產力超過閾值時,植被凈初級生產力逐漸增加,植被生長消耗較多水分,在降水量總量有限的情況下,產水量減少,因此植被凈初級生產力對產水量的約束作用逐漸增強。

3.2.2植被凈初級生產力和土壤保持量的約束關系

植被凈初級生產力與土壤保持量的約束線在景觀水平和類水平上均呈拋物線類型(圖4),但大多數年份的約束線峰值不夠明顯,且約束線上的值主要處于閾值左側,植被凈初級生產力對土壤保持量的約束作用隨著植被凈初級生產力增加而逐漸減小。在一定程度上,植被凈初級生產力增加,能夠提升水土保持能力,有效減少水分對土壤的侵蝕作用。但是植被凈初級生產力超過閾值時,降水一方面促進植被生長,維持較高的植被凈初級生產力,但另一方面較多降水也會增加土壤侵蝕程度,使得土壤保持能力降低。植被凈初級生產力與土壤保持量約束線形狀在耕地和林地、草地兩個水平上有較明顯差異；耕地水平的約束線閾值低于林地和草地水平的閾值,表明在相同植被凈初級生產力的情況下,耕地提供的土壤保持能力較低。

3.2.3植被凈初級生產力和風力侵蝕量的約束關系

植被凈初級生產力與風力侵蝕量的約束線與產水量相似,在景觀水平和類水平上均呈開口向下的拋物線,駝峰閾值顯著(圖4)。一般而言,高植被生產力代表較好的植被覆蓋狀況,一定程度上能夠減少風速,同時發達的植被根系能夠增強土壤抵抗風力侵蝕的能力[38]。但是在植被凈初級生產力閾值的左側,植被凈初級生產力較低,土壤植被覆蓋狀況較差,因此受風場強度等氣候因子驅動,盡管植被凈初級生產力增加,風力侵蝕量也仍然增加。

3.2.4產水量和土壤保持量的約束關系

各個水平上產水量和土壤保持量的約束線均呈拋物線類型,但是形狀差異明顯,其中景觀水平上和草地水平上的約束線相似度高,在耕地水平上個別年份約束線形狀變化劇烈,這與耕地的耕作方式和種植類型有關(圖4)。大部分年份,隨著產水量的增加,土壤保持量呈現下降趨勢,產水量對土壤保持量的約束作用逐漸減弱。降水是影響產水量和土壤保持量的共同關鍵因素,當降水達到產生徑流量時,會降低土壤保持能力,尤其在砂質土壤分布區域。在同等產水量的條件下,林地和草地的土壤保持量較耕地的土壤保持量大。

3.2.5產水量和風力侵蝕量的約束關系

產水量和風力侵蝕量在各個水平上的約束線均為拋物線類型,大多數年份的駝峰扁平,少部分年份的駝峰明顯(圖4)。除了耕地,其他類水平的產水量和風力侵蝕量之間約束作用較弱,隨著產水量的增加,風力侵蝕量變化不明顯。一般情況下,在土地退化嚴重的沙地,風力侵蝕作用較強。風驅動土壤發生侵蝕,同時風促進地表徑流蒸發,且砂質土壤有較強的滲透作用,使得產水量減少。研究區降水量少,常年干旱缺水,產水量的波動較小。風力侵蝕是該區域存在的突出問題,產水量的變化不足以影響風力侵蝕的趨勢性變化。耕地水平上產水量與風力侵蝕量約束關系的變化與當地部分農田采用灌溉補水、追求高作物產量的耕作方式有關[39]。在該區域應當采取保護性耕作措施,增加土壤表面粗糙度,減少風力侵蝕量；另一方面,使用節水灌溉、壟作耕作方式可以提高水資源的利用率,減少風力侵蝕量[20]。

3.2.6土壤保持量和風力侵蝕量的約束關系

在各個水平上,土壤保持量與風力侵蝕量的約束線均呈現負向線性關系,隨著土壤保持量的增加,風力侵蝕量減少 (圖4)。科爾沁沙地土壤主要為砂質土壤,流動性強,保水性差,很容易被水力和風力侵蝕破壞。在降水少的地區,植被覆蓋度低,土壤保持服務很低,風力侵蝕很容易發生,因此土壤的水蝕和風蝕這兩者很難同時發生。在降水多的地方,土壤濕度大,地表植被覆蓋度高且土壤保持量高,會遏制風蝕的發生,因此在各個水平上這兩種服務之間呈現負向的線性約束關系。

3.3 約束線特征值

3.3.1閾值特征

在景觀水平上,呈拋物線類型的非線性關系的約束線閾值統計如表2所示。由表2可知,拋物線類型的約束線閾值表現出一定的時間差異。

表2 景觀水平上拋物線型約束線閾值Table 2 The thresholds on the hump-shaped constraint lines at landscape level

由于影響產水量的土壤類型、土壤深度和地形等基本保持不變,植被凈初級生產力與產水量閾值產生時間差異的主要原因與降水量、潛在蒸散量的變化有關。植被凈初級生產力和土壤保持量受到多種因素的影響,在計算土壤保持量的RUSLE模型中,土壤可蝕性因子和地形因子在一定時間內保持穩定,降水量、土地利用變化和植被覆蓋度的變化均可能引起凈初級生產力和產水量閾值在時間上的差異。植被凈初級生產力和風力侵蝕量約束關系的影響因素主要為土壤類型、風速和植被覆蓋度。

在植被凈初級生產力有關的3對生態系統服務約束線閾值的箱線圖中(圖5),每對生態系統服務約束關系中的植被凈初級生產力的多年閾值變化范圍較為集中,相對穩定,尤其在與產水量、風力侵蝕量的約束關系上表現更為明顯。而植被凈初級生產力閾值對應的產水量、土壤保持量和風力侵蝕量閾值變化幅度大,其中土壤保持量閾值的偏離程度最大。本研究發現,植被凈初級生產力作為重要的支持服務,對其他生態系統服務起著非線性放大或縮小的重要調節作用。植被凈初級生產力微小的變化會引起產水量、土壤保持量、風力侵蝕量較大幅度的變化。

圖5 景觀水平的生態系統服務約束線(NPP-WY,NPP-SC,and NPP-WE)閾值的箱線圖Fig.5 The box plots of thresholds on the constraint lines of NPP-WY,NPP-SC and NPP-WE at landscape levelNPP1、NPP2和NPP3分別對應在NPP-WY,NPP-SC,NPP-WE中NPP的閾值;NPP:(gC/m2),WY:(mm),SC:(t/hm2),WE:(t/m2)

3.2.2線性約束關系

土壤保持量在各個水平上對風力侵蝕量有負向線性約束關系,其特征值斜率(k)和截距(b)如表3所示,其中斜率代表著約束關系的強弱；截距表示不存在限制因子時,響應因子能夠達到的最大值。2000—2018年,各個水平上k值具有顯著的增加趨勢,土壤保持量和風力侵蝕量之間的約束關系逐漸減弱；除了耕地水平上的截距較小,其他水平上的截距平均值幾乎一致。結合耕地在其他服務約束關系中提供服務的能力,研究區的耕地應當注重產水量與土壤保持量之間的關系,選擇需水量較少、耐旱的作物能夠有效改善耕地的整體生態系統服務。

表3 生態系統服務線性約束線的斜率和截距Table 3 Slopes (k) and constant terms (b) of the linear constraint lines between paired ecosystem services

4 討論

目前關于沙地生態系統服務的研究結果表明生態恢復政策對環境質量改善有積極作用[40],但具體的政策實施方案仍需不斷優化。本文通過探究沙地生態系統服務的非線性關系,即各項服務間的約束線及其特征值,為沙地土地利用優化提供了定量依據,也為預測服務的潛在最大值提供了有效手段[41]。植被凈初級生產力與產水量的拋物線類型約束線一方面很好地解釋了科爾沁沙地在荒漠化逆轉過程中出現水資源短缺的問題,當植被凈初級生產力增加到超過閾值時,產水量反而會減小,約束作用變強。另一方面,其閾值對于優化區域整體生態系統服務的供給,合理分配資源至關重要。Hao等[42]在錫林郭勒盟的生態系統服務約束關系研究中同樣指出,植被凈初級生產力的閾值是實現植被凈初級生產力、產水、土壤水蝕控制和土壤風蝕控制協同的重要參考指標。官冬杰等[43]以重慶市濕地為研究區的結果表明,在景觀水平上水資源供給服務和水土保持服務間呈拋物線型約束關系,降水和氣溫作為主要的自然因素直接影響濕地的生態系統服務。相比于水資源高供給的濕地,科爾沁沙地產水量低導致本研究中的產水量與土壤保持量的拋物線型約束關系較弱。戴路煒等[11]關于北方農牧交錯帶多倫縣的研究結果表明,土壤保持與防風固沙服務之間為權衡關系,但無法解釋生態系統服務間相互作用的閾值特征；本研究很好地揭示了土壤保持量和風力侵蝕量線性約束關系的斜率與截距,可為政策制定者提供定量依據。

由于數據可得性限制,本文重點探討了支持服務(凈初級生產力)和調節服務(土壤保持、產水和風力侵蝕),但對供給服務和文化服務沒有涉及,政策制定者應充分注重景觀的多功能性,以整體生態系統服務最優為目標,而不是某項生態系統服務達到最大化。

5 結論

通過對科爾沁沙地生態系統服務時空變化及約束關系的研究,本文得到以下結論：

(1)2000—2018年科爾沁沙地植被凈初級生產力、產水量、土壤保持量和風力侵蝕量的多年均值分別為256.5 gC/m2,211.9 mm,26.3 t/km2和3.8 t/m2。翁牛特旗、奈曼旗和科爾沁左翼后旗等旗縣是風力侵蝕的重度區,應當重點治理。

(2)植被凈初級生產力與產水量、土壤保持量、風力侵蝕量的約束線均呈開口向下拋物線類型,隨著植被凈初級生產力的增加,三種服務均呈先增加后減小的變化趨勢,表明植被凈初級生產力對三種服務的約束效應均呈先減小后增加的變化特征。產水量與土壤保持量、風力侵蝕量的約束線也呈拋物線類型,但拋物線形狀扁平趨于直線。土壤保持量與風力侵蝕量的約束關系呈線性類型。

(3)植被凈初級生產力的變化對其他生態系統服務的動態起到放大器的作用,它的微小變化可能會引起產水量、土壤保持服務、風力侵蝕量較大幅度的變化。以植被凈初級生產力與其他類型生態系統服務的約束線閾值為基礎,合理利用或提高區域植被凈初級生產力,可以減少其動態變化對其他服務的負面約束作用,從而促進整體生態系統服務達到較優狀態。

(4)林地和草地提供土壤保持服務的能力較耕地高,應重點發展草地、林地生態系統。同時,應在耕作條件適宜的地區選擇需水量較少的農作物并實施節水灌溉,有效改善和提高耕地的生態系統服務,以提高科爾沁沙地景觀總體生態系統服務的供給能力。