淇河流域生態系統服務權衡及空間分異機制的地理探測

李 理,趙 芳,朱連奇,*,何莎莎,葉露培

1 河南大學環境與規劃學院, 開封 475004 2 北京師范大學政府管理學院， 北京 100875 3 南京師范大學地理科學學院, 南京 210023

生態系統服務(Ecosystem Services,ES)是指人類為滿足自身需求從生態系統中所獲取的直接或間接收益[1-2],主要包含供給服務、調節服務、支持服務和文化服務等4種服務類型[3]。自1997年Constanza等率先估算全球尺度生態系統服務以來,國內外學者陸續對全球[4]、國家[5]、區域[6]、省市[7]、山區[8]、流域[9]等不同空間尺度生態系統服務進行評估,并測度冰川[10]、森林[11]、草地[12]和濕地[13]等類型生態系統服務。不同生態系統服務受到自然環境和人為干擾的綜合影響呈現此消彼長的權衡關系和互相增益的協同關系[14-16],正確認知生態系統服務相互關系是制定多種生態系統服務可持續管理決策的前提,有助于區域生態系統服務效益最優化,從而實現經濟發展與生態環境保護雙贏[17]。權衡全球或區域尺度上生態系統服務相互關系成為學界研究的熱點[18],統計描述法、空間統計制圖法、情景分析法和模型模擬法是權衡與協同常用分析方法[19-20],如王鵬濤運用二階偏相關分析逐像元計算土壤保持、NPP和產水的相關系數,研究表明3種服務皆以權衡關系為主導[21]；錢彩云利用雙變量空間自相關測度白龍江流域產水量、土壤保持、碳儲量和糧食生產權衡程度,高高集聚和低低集聚為協同關系、高低集聚和低高集聚為權衡關系,識別空間尺度上生態系統服務關聯特征[22]。以往研究多集中于測度時間尺度上生態系統服務兩兩之間權衡關系并進行空間可視化,生態系統服務整體間權衡程度研究相對薄弱[23-24]。在此情形下,亟需評估區域層面上生態系統整體權衡關系及空間特征,對生態系統服務兩兩之間非線性權衡關系研究進行補充,揭示生態系統服務權衡程度及空間差異,為制定流域生態環境保護政策提供科學依據。因此,本文以淇河流域為對象研究生態系統服務權衡及空間分異機制,探討小流域生態系統服務類型之間的權衡與協同規律。

自然和人文因素綜合影響生態系統服務的形成及其權衡關系,探究生態系統服務關系的外部驅動機制受到學界的廣泛關注[25],如張宇碩通過層次分析法構建結構方程模型分析京津冀濕地生態系統服務的影響因素,結果得出氣候、土壤等內部驅動力對生態系統服務起促進作用,外部驅動力抑制生態系統服務提升[26]；郭慧基于生態系統服務價值的均衡因子和產量因子測度方法,評估了1990—2015年北京市門頭溝區生態承載力,發現均衡因子和產量因子較通用因子更好體現區域生態承載力[27]。上述研究大多通過分析外部驅動因素對各項生態系統服務的影響程度,但對于生態系統服務關系對環境變量的響應機制亟需厘清[28],已有研究表明植被覆蓋度[29]、土地利用類型[30]、地形[31]、人類活動影響[32]對生態系統服務之間相互關系的作用方向及影響程度存在差別,研究手段多為統計學方法,對外部驅動因素在空間尺度上影響生態系統服務動態權衡關系解釋程度不夠[33]。地理探測器是一種新型的空間統計方法,能有效識別同一地域單元上相鄰要素之間空間關聯程度[34-35],主要用于測度驅動因子影響程度及其交互作用,已廣泛應用于城市建設用地驅動[36]、生態系統服務價值空間分異[37]、糧食安全[38]、疾病監測[39]、貧困化差異機制[40]等方面。流域是具有明顯物理邊界且綜合性極強的地理單元,運用地理探測器分析流域尺度生態系統服務權衡關系的外部驅動因素,有助于識別生態系統服務權衡關系影響因素的地理影響及交互作用,能夠為流域的生態環境規劃及決策提供科學依據和實證分析。

淇河流域位于中國第二級階梯向第三級階梯過渡區域,地處太行山與華北平原的地理過渡地帶,具備豐富的水源涵養功能及供給服務能力[41]。本文以淇河流域為研究對象,利用CASA模型、InVEST模型測度2000—2015年流域內固碳、土壤保持、水源供給等生態系統服務,刻畫流域尺度生態系統服務時空變化特征,運用空間疊置法度量不同時段生態系統服務空間權衡程度,進一步利用相關性分析精準分析生態系統服務兩兩之間權衡關系,結合地理探測器中因子探測和交互探測模塊分析生態系統服務權衡關系外部驅動機制,從而量化自然環境和人為擾動對生態系統服務權衡的影響程度,為改善區域生態環境質量及提升人類福祉提供理論依據和實證分析。

1 研究區概況

圖1 研究區位置及高程示意圖Fig.1 Location and elevation of the study area

淇河流域(35°32′—36°15′N, 113°15′—114°23′E)地處華北平原西南部和太行山南段之間,源于山西省陵川縣方腦嶺,經河南省匯入海河支流衛河,流域面積2227 km2,呈現西高東低分布態勢(圖1)。研究區主要氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年均降水量574 mm,年均氣溫11.9℃,夏季降水集中；復雜的地形使淇河流域生態環境脆弱,多樣的地貌類型使流域生態系統服務呈現復雜的變化。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

2000、2005和2010年淇河流域土地覆被/利用數據均來自中國地球系統數據共享平臺-黃河中下游科學數據中心(http://www.geodata.cn/),2015年土地利用數據在參考研究區歷年土地利用類型圖的基礎上對LANDSAT5多波段遙感影像(來源于地理空間數據云,http://www.gscloud.cn/)進行人機交互目視解譯并進行實地勘察,其Kappa系數為86%；研究區內9個氣象站點的氣溫和降水數據來于河南省氣象局及中國氣象科學數據共享網(http://cdc.cma.gov.cn)；土壤數據來源于國家地球系統數據共享平臺-黃河下游科學數據中心(http://henu.geodata.cn)；植被NDVI數據來源于美國國家航空航天局 (NASA) 16 d合成的空間分辨率為250 m MOD13Q1產品,利用最大合成法提取每年7月中NDVI的最大值,從而合成逐年NDVI數據；DEM數據來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn),分辨率為30m；土地利用強度和人類活動影響通過文獻計算得到[42-43]。

2.2 生態系統服務評估方法

本文利用CASA模型和InVEST模型等生態系統服務評估模型,定量估算淇河流域固碳、土壤保持與水源供給服務時空變化特征。固碳利用CASA(Carnegie Ames-Stanford Approach)生態系統碳循環過程模型估算生態系統凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP),參數確定及模型計算方法,具體見參考文獻[44]；土壤保持服務利用InVEST模型中SDR(Sediment Delivery Ratio Model)模塊進行計算,結合土地利用/覆被數據、DEM、土壤數據和降水等多種數據對土壤流失方程進行修正,模型中所需的降雨侵蝕力因子(R)是利用Kriging插值得到并運用Wischmeier的月尺度經驗模型進行計算得到[45],土壤可蝕性因子(K)是通過Williams等提出的EPIC模型對流域內1∶100萬土壤數據集進行計算,植被覆蓋因子(C)參考蔡崇法的計算方法得到[46],水土保持措施因子(P)參考以往的研究并結合研究區土地利用情形及農業生產活動確定[47-48]；水源供給服務根據InVEST模型中產水量模塊計算得到,該模塊是根據水量平衡原理并通過Budyko曲線[49]和年降雨量計算得到,相關參數通過文獻[50-51]進行修正。

2.3 生態系統服務權衡與協同量化方法

基于Matlab平臺對固碳、土壤保持和水源供給服務逐像元進行相關性分析,量化固碳與土壤保持、固碳與水源供給及土壤保持和水源供給服務間的權衡協同程度并進行可視化表達。進一步利用t檢驗法對生態系統服務權衡強度進行顯著性分析,若P<0.01,則權衡/協同度通過了極顯著性檢驗,若0.01

(1)

式中：ESstd為生態系統服務標準化的值(介于0—1),ESpixel、ESmax、ESmin分別為某類型生態系統服務任意柵格值、最大值和最小值,按照自然斷裂點法將服務標準化的值分類為高、中、低；CODE為三位數疊置代碼,碳為固碳、水為水源供給、土為土壤保持,代碼序列依次為固碳、水源供給和土壤保持,值介于111和333之間,分別對應服務類型的供給能力,即低、中、高。參考張靜靜等[14]研究將一種生態系統服務能力高而其它生態系統服務能力較低視為強權衡,兩種生態系統服務供給能力高而另一種生態系統服務能力低定義為弱權衡；高協同表現為各項生態系統服務都處于較高水平、如供給能力組合中333、332等,低協同是各項生態系統服務都處于較低水平,如111、221等,具體分級標準見表1：

表1 生態系統服務權衡/協同劃分標準

2.4 地理探測器

地理探測器能有效分析同一地域單元上兩個要素之間的地理關聯性以及不同區域變量的差異性,可以揭示區域尺度上要素之間的因果性[54-55]。本文利用地理探測器中因子探測和交互探測兩個模塊,其中環境變量通過自然斷裂點法進行分類,以此探測各影響因素對生態系統服務權衡關系的影響及交互作用影響程度,公式如下：

(3)

3 結果分析

3.1 淇河流域生態系統服務時空變化特征

淇河流域固碳、土壤保持與水源供給空間分布及變化趨勢(圖2)。近15年來研究區平均固碳、土壤保持及水源供給量分別為375.55 gC m-2a-1、396.72 t hm-2a-1和67.26 mm/a,且各項生態系統服務空間分布上存在差別：固碳含量表現為西北高、東南低,高值區集中分布淇河上游地區,低值區分布于下游區域；土壤保持量高值區集聚態勢不顯著,流域中上游、中下游分布較廣；水源供給量高值區主要分布于流域四至及中下游區域,低值區分布范圍較廣。2000—2015年間固碳含量以18.20 gC m-2a-1的速率遞減,超過90%的區域呈減少態勢,淇河上游及下游地區減幅最大；土壤保持量遞減速率為1.2 t hm-2a-1,減少幅度主要集中于[-8,-0],流域內土壤保持含量均以一定速率遞減；水源供給服務遞減率為0.16mm/a,95%的區域產水量減少,流域中下游區域產水量增加較為明顯。

圖2 生態系統服務空間分布及變化速率Fig.2 Spatial distribution and change rate of ecosystem services

3.2 生態系統服務權衡與協同關系定量分析

3.2.1生態系統服務權衡分析

由圖3和表3可知,2000—2015年淇河流域生態系統服務關系以低協同和強權衡關系為主,其中低協同主要分布于流域上游和下游,固碳、土壤保持和水源供給等生態系統服務整體較低；研究區中下游生態系統服務關系以強權衡為主導,表示一類生態系統服務供給能力較高而其它類型較低；從各時期生態系統服務權衡與協同關系像元個數及所占比例來看,強權衡僅在2000年像元個數占比低于50%,其它時期均高于50%,表明淇河流域生態系統服務以強權衡為主導；在弱權衡方面,2005年像元數量最多(1519個)、2015年次之(813個)、2000年最少(451個)；高協同是生態系統服務都處于較高水平,生態系統服務關系達到最理想的狀態,2015年占比最多(10.74%)、2005年次之(10.63%)、2000年最少(7.43%)；低協同在2000年所占比例最高(50.64%)、2010年次之(37.20%)、2005年最低(31.69%),反映固碳、土壤保持和水源供給服務都處于較低水平,也是生態系統服務關系中最不理想的狀態。研究時段內,低協同分布的面積減少了16.21%,強權衡、高協同和弱權衡分別增加了11.85%、3.31%和1.05%,表明流域內生態系統服務協同程度加強,生態環境呈好轉趨勢。

圖3 2000—2015年淇河流域生態系統服務權衡/協同關系Fig.3 Ecosystem services trade-offs/synergies from 2000 to 2015 in the Qi River Basin

表3 淇河流域生態系統服務權衡關系像元數量及比例/%

3.2.2生態系統服務兩兩權衡分析

基于像元尺度計算2000—2015年固碳、土壤保持和水源供給相關性并進行空間制圖,圖4表示固碳與水源供給、固碳與土壤保持及水源供給和土壤保持服務之間的權衡協同程度及顯著性檢驗分析。固碳與水源供給服務關系以權衡為主導,比重為65.2%,且通過顯著性水平檢驗僅占3.04%,表明兩者生態系統服務權衡程度處于較低狀態、顯著性水平不高,時間尺度上固碳服務的增加/減少對水源供給服務的減弱/增強的影響較為平緩,協同關系比重為34.8%,且通過顯著性檢驗為2.63%；固碳與土壤保持權衡、協同占比分別為2.63%、97.37%,主導服務類型為協同關系,其中協同度大于0.8的像元占比8.08%、0.5—0.8占比64.76%,即研究時段內固碳與土壤保持服務變化方向一致、協同程度高,通過顯著性水平的像元比重為10.56%,其中約有8.54%像元表現極顯著相關、1.68%像元為顯著相關;水源供給和土壤保持服務關系表明,權衡關系比重為90.06%,通過顯著性檢驗的像元數為5969,占比18.41%,反映淇河流域水源供給服務和土壤保持服務空間尺度上表現為此消彼長的權衡關系,即像元尺度上水源供給服務能力的增加會減損土壤保持服務供給量。

圖4 生態系統服務兩兩權衡關系及顯著性分析Fig.4 Trade-off relationship and significance analysis of ecosystem services

3.3 淇河流域生態系統服務權衡驅動力探測

3.3.1因子探測

運用地理探測器中因子探測模塊對生態系統服務權衡關系外部驅動因子進行分析,揭示自然環境因子和人類活動影響空間尺度上對權衡關系的影響機制(表4),發現生態系統服務兩兩權衡關系對不同環境變量響應程度存在差別：在固碳與土壤保持權衡方面,植被NDVI影響最強(0.306)、氣溫次之(0.247)、土地利用強度最弱(0.002)；固碳與水源供給方面,植被NDVI影響強度遠大于其它環境變量,證明固碳與水源供給權衡關系主控因子為植被NDVI；水源供給與土壤保持服務外部驅動機制表明,降水量因子解釋力最強、為0.594,氣溫次之(0.574),土地利用程度影響能力最弱(0.004),發現兩類生態系統服務關系受自然環境因子影響顯著高于人類活動及植被NDVI,主要原因為地形及氣候條件決定了水源供給及土壤保持服務供給強度,顯著影響生態系統服務相互關系。

表4 淇河流域生態系統服務權衡因子探測結果

3.3.2交互探測結果分析

生態系統服務權衡的影響過程受到外部因素多重影響,各影響因素彼此存在交互關系。由交互探測結果(表5)可以看出,兩兩因素交互探測后對各生態系統服務權衡關系因子解釋力顯著增大,從不同交互類型來看,主要表現為雙因子增強和非線性增強兩種類型：在固碳與土壤保持服務中,植被NDVI與氣溫、降水和高程交互后因子解釋力分別達到0.4以上,植被NDVI、氣溫、降水和高程相互作用后對生態系統服務關系解釋程度增強,表明生態系統服務關系受到多種因素共同作用,而非單一因子起決定性作用；在水源供給與土壤保持服務中,氣溫、降水和高程與其它環境因素交互后解釋力明顯增強,反映氣溫、降水和高程在水源供給服務與土壤保持服務關系中處于核心位置,解釋程度遠高于其它環境變量。

表5 淇河流域生態系統服務權衡各影響因素交互探測

4 結論與討論

4.1 討論

4.1.1生態系統服務權衡與協同

目前,生態系統服務權衡研究多集中于生態系統服務兩兩之間相互關系的時空權衡分析及空間表達上,缺乏對生態系統服務整體權衡機制的深入剖析。本文定量評估了淇河流域固碳、土壤保持和水源供給服務,生態系統服務整體關系以強權衡和低協同為主導,其中低協同是生態系統服務關系都處于較低水平,也是生態系統服務最不理想的狀態,迫切需要政府部門制定有關政策進行調控,促使低協同區域逐漸過渡至高協同。運用空間疊置法對于研究區域尺度上生態系統服務整體權衡關系有積極意義,但仍需進一步研究生態系統服務關系演變趨勢及局部特征。相關性結果表明,固碳與水源供給、水源供給與土壤保持以權衡為主導,固碳與土壤保持以協同關系為主,且空間格局上存在差異,其原因為約束閾值對生態系統服務關系產生一定的影響[56],如固碳較高的區域植被覆蓋水平較高,抑制了土壤侵蝕作用,這時固碳與土壤保持服務呈協同關系,而植被覆蓋度較高的區域降水量較為充沛,土壤侵蝕程度加劇,固碳與土壤保持服務表現為權衡關系[21]。另外,生態系統服務權衡關系存在尺度特征,潘競虎發現縣域尺度上各項生態系統服務表現協同關系,而區域尺度上土壤保持與水源供給、糧食生產為權衡關系[57],未來應加強流域生態系統服務權衡關系尺度特征與區域差異的研究,構建柵格-鄉鎮-縣域-流域多級評價單元,明晰各尺度上生態系統服務能力及權衡關系。本研究集中評估固碳、土壤保持和水源供給等調節服務權衡與協同關系,后期應開展其它類型生態系統服務的估測并權衡其相互關系,從而建立流域生態系統服務簇并刻畫各項服務權衡關系,為流域國土空間規劃及優化提供參考。

4.1.2生態系統服務權衡驅動機制探討

本文運用遙感、GIS和地理探測器技術,系統分析了淇河流域生態系統服務權衡關系及其空間分異的驅動機制,地理探測器有助于揭示淇河流域生態系統服務權衡程度空間分異的主要外部驅動因子及其交互作用,較以往的統計學方法,優勢在于能夠定量描述各環境變量對生態系統服務權衡關系的空間影響,對于研究生態系統服務關系的驅動機制是一種有益的嘗試,為流域生態系統服務管制及生態安全格局的建立提供依據。綜合來看,自然環境因素對生態系統服務關系影響強度顯著高于人類活動影響,植被NDVI、氣溫、降水和高程是影響淇河流域生態系統服務權衡關系的主導因子,且交互作用后因子解釋力明顯增大,表明流域內生態系統服務關系受到多種因素共同影響,而非單一因素起決定性作用。在CASA和InVEST模型參數輸入過程中需要輸入諸如植被NDVI、地形等要素,一定程度上增加了自然要素的影響程度,此外,自然環境決定生態系統服務供給強度并形成生態系統服務權衡與協同關系,這也可能對研究結果產生一定的影響。有研究表明,土地利用/覆被變化是影響生態系統服務權衡與協同關系的主導因子[58-59],本文通過計算土地利用強度和人類活動影響表征人為擾動程度,結果顯示兩者對生態系統服務關系影響程度較低,主要是生態用地提供生態系統服務,但土地利用強度及人為影響較弱,其次,數據分辨率較低也可能是影響地理探測結果的因素之一。因此,今后研究的重點應包含：(1)提高土地利用/覆被及DEM數據的分辨率,準確評估流域尺度生態系統服務能力；(2)選取自然環境-社會經濟-人類活動等多種影響因素,探究其對生態系統服務關系的影響機理；(3)基于土地利用/覆被變化,進一步測度生態系統服務權衡與協同關系的變化機制；(4)關注極端氣候變化對生態系統服務及其權衡關系的影響,建立極端氣候與生態系統服務時空匹配關系,揭示全球變化背景下生態系統服務關系變化情形,為區域生態環境建設、構建和諧的人地關系提供理論依據。

4.2 結論

(1)2000—2015年,淇河流域多年平均固碳量為375.55 gC m-2a-1,呈西北高、東南低分布趨勢,多年遞減速率為18.20 gC m-2a-1；多年平均土壤保持量為396.72 t hm2a-1,多年遞減速率為1.2 t hm-2a-1,空間差異不顯著；多年平均水源供給量為67.26 mm/a,高值區主要分布于流域四至及中下游區域,低值區分布廣泛,以0.16 mm/a的速率遞減。

(2)在生態系統服務權衡與協同關系中,以強權衡和低協同關系為主,其中強權衡主要分布于流域中下游、低協同主要分布于研究區下游及中上游：研究時段內低協同分布的面積減少了16.21%,強權衡、高協同和弱權衡分別增加了11.85%、3.31%和1.05%。生態系統服務兩兩之間關系表明,固碳與水源供給、水源供給與土壤保持服務以權衡關系為主,水源供給與土壤保持服務以協同關系為主,空間特征及顯著性水平表現為異質性。

(3)地理探測器結果表明：固碳與土壤保持方面,植被NDVI影響最強(0.306)、氣溫次之(0.241)、土地利用程度最弱(0.002)；固碳與水源供給方面,植被NDVI因子解釋力顯著高于其它因素,為0.381；水源供給與土壤保持方面,降水、氣溫和高程因子解釋力均高于0.5；交互探測后各影響因子解釋能力顯著增強,主要為雙因子增強和非線性增強兩種類型。