臥龍自然保護(hù)區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化研究

曹夢琪,蔡英楠,張 麗,徐建英

首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100048

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services, ESs)是指生態(tài)系統(tǒng)形成和提供給人們生存發(fā)展的直接產(chǎn)品或間接惠益。根據(jù)聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供應(yīng)、調(diào)節(jié)、文化和支持服務(wù)4種類型[1]。一定時(shí)間和空間尺度上的生物與非生物特征及其生態(tài)過程構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的差異,成為了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的基礎(chǔ)[2]。不同區(qū)域的地形地貌特征、土地利用變化、氣候變化以及人類活動(dòng)等因素會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與空間特征,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布差異和變化[3- 9]。全面了解特定時(shí)空下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空差異,可為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)、管理和優(yōu)化提供依據(jù),促進(jìn)自然資源的管理保護(hù)以及針對(duì)性的生態(tài)恢復(fù)[10- 14]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[15- 17],國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究,業(yè)已形成相對(duì)成熟便捷的數(shù)量評(píng)估模型,如CASA、RUSLE和InVEST等,研究主題包括生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分布和變化趨勢[18- 19]、時(shí)空格局和熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別[20]以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的驅(qū)動(dòng)因素分析[21-24]等方面。鑒于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化分析對(duì)于生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的顯著意義,這些研究往往關(guān)注生態(tài)環(huán)境比較脆弱的區(qū)域或人類干擾比較顯著的區(qū)域,如王曉峰等研究了新疆地區(qū)3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分區(qū)差異[18];潘竟虎等以干旱內(nèi)陸河流域典型地區(qū)嘉峪關(guān)-酒泉地區(qū)為例,定量分析了2000和2010年4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化[19];許丁雪等研究了張家口-承德地區(qū)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動(dòng)作用[21],上述研究揭示我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化并為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)提供了借鑒。而冉鳳維[20]等、María Anaya-Romero[22]等、蘇常紅[23]等、潘梅[24]等學(xué)者分別研究了人口集中、人類干擾比較顯著的鄱陽湖地區(qū)、地中海地區(qū)、汾河流域和京津冀地區(qū),強(qiáng)調(diào)了人類活動(dòng)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的影響,分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的驅(qū)動(dòng)力。自然保護(hù)區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵地區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的重點(diǎn)區(qū)域,目前的相關(guān)研究主要集中于對(duì)各種保護(hù)項(xiàng)目和措施的成效分析[25- 26],少有針對(duì)保護(hù)區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量研究[27]。同其他區(qū)域相比,保護(hù)區(qū)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力尤為顯著[28],是我國生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn),也是我國諸多生態(tài)保護(hù)/建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域。因此,對(duì)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行定量研究,結(jié)合區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)特征和生態(tài)保護(hù)/建設(shè)項(xiàng)目探討分析其時(shí)空變化特征以及自然和人為驅(qū)動(dòng)因素,可以為自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、恢復(fù)和管理提供決策依據(jù)和建議。

本研究擬以臥龍自然保護(hù)區(qū)為例進(jìn)行研究。臥龍自然保護(hù)區(qū)位于四川省汶川縣,主要保護(hù)西南高山林區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)及大熊貓等珍稀動(dòng)物,因大熊貓的保護(hù)在國內(nèi)外著稱,隸屬我國主要的固碳貢獻(xiàn)區(qū)——西南林地[29]。此外,保護(hù)區(qū)位于岷江上游,是岷江流域重要的水源涵養(yǎng)地,其水源涵養(yǎng)和土壤保持功能對(duì)維持區(qū)域生態(tài)安全有重要作用。因此,針對(duì)臥龍自然保護(hù)區(qū)保護(hù)對(duì)象及其承擔(dān)的生態(tài)功能,本研究選擇碳固定(NPP)、土壤保持、水源涵養(yǎng)和生境質(zhì)量4種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行定量評(píng)估,分析主要生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施以來保護(hù)區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布和變化特征,確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的熱點(diǎn)區(qū)域,以為生態(tài)保護(hù)/建設(shè)政策的實(shí)施和保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)管理提供建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

臥龍自然保護(hù)區(qū)(東經(jīng)102°52′—103°25′,北緯30°45′—31°25′)位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi),四川盆地的西緣,岷江的上游,是青藏高原向成都平原的過渡地帶,地勢西北高、東南低,南北長約62 km,東西寬約52 km,總面積約為2000 km2(圖1)。保護(hù)區(qū)屬典型的亞熱內(nèi)陸山地氣候,年溫差小,干濕季節(jié)分明,植被和土壤隨海拔變化的垂直分布規(guī)律明顯。區(qū)內(nèi)動(dòng)植物資源豐富,擁有近4000種植物以及大熊貓、金絲猴等多種珍稀瀕危動(dòng)物。水能資源豐富,生態(tài)系統(tǒng)類型復(fù)雜多樣,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的典型區(qū)域。

圖1 研究區(qū)位置及地形示意圖Fig.1 Location and elevation of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：土壤數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)(表1)。研究時(shí)間為2000年和2015年兩個(gè)年份的5—10月,該時(shí)段降水豐沛,雨熱同期,是植被生長的最佳季節(jié)。

表1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.3 研究方法

1.3.1碳固定(NPP)

本研究碳固定服務(wù)用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)予以指代。采用朱文泉[30]改進(jìn)的CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算研究區(qū)2000年和2015年的NPP,其計(jì)算公式如下：

NPP=APAR×ε

(1)

APAR=SOL×FPAR×0.5

(2)

ε=Tε1×Tε2×Wε×εmax

(3)

式中,APAR表示植被吸收光合有效輻射(MJ/m2);ε表示實(shí)際光能利用率(gC/MJ);SOL表示太陽總輻射量(MJ/m2),FPAR 表示植被層對(duì)入射的光合有效輻射(PAR)的吸收率,可通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)對(duì)其進(jìn)行估算;常數(shù)0.5表示植被所利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例;Tε1和Tε2表示溫度對(duì)光能利用率的影響;Wε表示水分條件對(duì)光能利用率的影響;εmax表示在理想狀態(tài)下植被的最大光能利用率(參考朱文泉等的研究成果)。

1.3.2土壤保持

修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)經(jīng)眾多學(xué)者采用來評(píng)估土壤保持量,均取得較好效果[31- 33],計(jì)算公式如下：

Am=R×K×LS×C×P

(4)

Ap=R×K×LS

(5)

Ac=Ap-Am

(6)

式中,Am為實(shí)際土壤侵蝕量(t hm-2a-1),指當(dāng)前地表覆蓋和水土保持措施下的土壤侵蝕量;Ap為潛在土壤侵蝕量(t hm-2a-1),指在沒有植被覆蓋和水土保持措施情況下可能產(chǎn)生的土壤侵蝕量(C=1,P=1);Ac為土壤保持量(t hm-2a-1);R為降雨侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1);K為土壤侵蝕因子(t hm2h MJ-1hm-2mm-1);LS為坡長坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。

(1)降雨侵蝕因子R采用 Wischmeier 等提出的基于月尺度降雨量數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[34- 35]：

(7)

式中,pi為第i個(gè)月的降水量(mm),p為年降水量(mm)。

(2)土壤侵蝕因子K采用EPIC模型進(jìn)行估算,計(jì)算公式如下[36]：

K=(-0.01383+0.51575×KEPIC)×0.1317

(8)

式中,ms為砂粒含量;msilt為粉粒含量;mc為粘粒含量;orgC為有機(jī)質(zhì)含量。

(3)坡長坡度因子LS的計(jì)算公式如下[32]：

L=(λ/22.1)m

(9)

(10)

(11)

式中,λ為坡長(m);m為坡長效應(yīng)指數(shù);θ為坡度(°)。

(4)植被覆蓋因子C的計(jì)算公式如下[37]：

(12)

(13)

式中,f為植被覆蓋度;NDVI為植被歸一化指數(shù),NDVIsoil和NDVIveg分別為土壤和植被的NDVI。

(5)水土保持措施因子P指在采取保持措施情況下與順坡耕作時(shí)土壤流失量的比值。P=0表示不發(fā)生侵蝕,P=1表示未采取任何水土保持措施。由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù),本研究不考慮P因子影響,P值定義為1。

1.3.3生境質(zhì)量

生境質(zhì)量指生態(tài)系統(tǒng)為物種生存繁衍提供的條件或潛力[38]。本文中特指保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可為大熊貓生存繁衍所利用的環(huán)境條件狀況。InVEST模型生境質(zhì)量模塊以土地覆被為基礎(chǔ),利用外界威脅強(qiáng)度(影響的距離和權(quán)重)、生境適宜性、生境類型對(duì)威脅的敏感性進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估。參照以往研究成果[39-41]和保護(hù)區(qū)實(shí)際情況,本研究選取耕地、主要道路、鄉(xiāng)村小路和城鎮(zhèn)居民用地作為威脅源(表2)并對(duì)各土地利用類型的生境適宜性進(jìn)行打分以及對(duì)威脅源敏感性賦值(表3)。生境適宜性得分為0—1,其中1表示該生境具有最高適宜性,而非生境取值為0。計(jì)算公式如下：

表2 威脅源的最大影響距離及權(quán)重

表3 土地利用類型對(duì)威脅源的敏感性參數(shù)

(14)

(15)

式中,Qxj是土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量;Dxj是土地利用類型j中柵格x的生境脅迫水平;k為計(jì)算的半飽和參數(shù);Hj為土地利用類型j的生境適宜性;R為脅迫因子;Yr為脅迫因子r所占的柵格數(shù);Wr為脅迫因子權(quán)重,值為0—1;ry為柵格y的脅迫因子值;irxy為ry對(duì)柵格x的脅迫水平;βx為柵格x的可達(dá)性水平;Sjr為土地利用類型j對(duì)脅迫因子r的敏感性。

基于以上模型計(jì)算結(jié)果,根據(jù)歐陽志云[39]等提出的大熊貓生境自然環(huán)境因素評(píng)價(jià)準(zhǔn)則中的適宜海拔和坡度對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正,將研究區(qū)海拔和坡度分為適宜和不適宜兩部分,與模型結(jié)果進(jìn)行疊加。

1.3.4水源涵養(yǎng)

計(jì)算水源涵養(yǎng),首先通過水量平衡原理得到保護(hù)區(qū)產(chǎn)水量,再根據(jù)土壤深度、土壤飽和導(dǎo)水率、地形指數(shù)和流速系數(shù)等對(duì)產(chǎn)水量進(jìn)行修正得到水源涵養(yǎng)量,計(jì)算公式如下[42- 43]：

Y=P-ET

(16)

WR=min(1,249/V)×min(1,0.9×D/3)×min(1,Ksoil/300)×Y

(17)

(18)

式中,Y為產(chǎn)水量(mm);P為降水量(mm);ET為蒸發(fā)量(mm);WR為多年平均水源涵養(yǎng)量(mm);V為流速系數(shù)(采用模型參數(shù)表數(shù)據(jù)[44]);D為地形指數(shù),無量綱;Ksoil為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d);Wpc(Watershed pixel count)為集水區(qū)柵格數(shù),無量綱;Sd(Soil depth)為土壤深度(mm);Ps(Percent slope)為百分比坡度。由于缺乏2000年ET數(shù)據(jù),本研究使用2001年數(shù)據(jù)代替。

1.3.5地形位指數(shù)

地形位指數(shù)是復(fù)合分析海拔和坡度屬性信息的指標(biāo),能夠綜合反映空間內(nèi)某點(diǎn)的地形條件。其計(jì)算公式如下[45]：

(19)

式中,T為地形位指數(shù),E及E0分別為空間內(nèi)任一柵格的高程(m)和平均高程(m),S和S0分別為空間內(nèi)任一柵格的坡度值(°)和平均坡度值(°)。一般地,海拔低、坡度小的柵格地形位指數(shù)小,反之越大;海拔低坡度大或海拔高坡度小的柵格,其地形位指數(shù)居中。本研究根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)地形位指數(shù)劃分為10個(gè)梯度(表4)。

表4 地形位指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.6熱點(diǎn)分析方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)被定義為具有高服務(wù)多樣性、高生物物理或貨幣服務(wù)價(jià)值或高服務(wù)能力的區(qū)域[18]。熱點(diǎn)區(qū)域的識(shí)別,可進(jìn)一步分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的強(qiáng)弱。本研究將保護(hù)區(qū)內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)超過各自平均值的柵格定義為該類服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)域,將這四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)進(jìn)行疊加分析,即可得到臥龍自然保護(hù)區(qū)多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)的分布狀況。在本研究中,若某柵格單元內(nèi)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的值均未超過各自平均值,則將其定義為非熱點(diǎn)區(qū),若僅有一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的值超過平均值,則將其定義為I類熱點(diǎn)區(qū),以此類推,可得到II類、III類、Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)[18-20]。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化

從時(shí)間上看,2000—2015年,NPP、土壤保持、生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)4種服務(wù)均呈現(xiàn)增加趨勢,該增加趨勢在不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的均值、最高值均表現(xiàn)明顯,且4種服務(wù)的增益(即某生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)2015年比2000年增加的區(qū)域)面積均顯著大于減損(即某生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)2015年比2000年減少的區(qū)域)面積(表5)。以NPP為例,其平均值由2000年的438.95 gC/m2增加到2015年的509.94 gC/m2,最高值由2000年的1125.32 gC/m2增加到2015年的1340.69 gC/m2,增益面積占保護(hù)區(qū)的86.3%而減損面積僅占13.7%。

表5 2000—2015年臥龍自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化情況

從空間上來看,4種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從2000年到2015年均保持了相對(duì)穩(wěn)定的空間格局以及增益面積超過減損面積的良好趨勢,但具體的空間變化區(qū)域有所不同(圖2)。NPP與土壤保持呈現(xiàn)近似的空間分布格局,即西北—東南方向上由低到高分布,增益面積主要分布在低海拔區(qū),而減損面積主要分布在高海拔區(qū)。生境質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)東高西低的空間分布特點(diǎn),高值區(qū)主要位于東部,北部和西部廣大地區(qū)以及南部邊緣地區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)為零,東南地區(qū)增益明顯。水源涵養(yǎng)服務(wù)的空間分布無明顯規(guī)律,其高值零星分布在北部、東部和南部邊緣以及中部部分地區(qū),低值區(qū)不同程度地分布在全域范圍內(nèi),與生境質(zhì)量相同的是,水源涵養(yǎng)的增益區(qū)也在東南區(qū)域表現(xiàn)顯著。

圖2 臥龍自然保護(hù)區(qū)2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其變化的空間分布Fig.2 The spatial distribution of four ESs and their changes in Wolong Nature Reserve from 2000 to 2015NPP：植被凈初級(jí)生產(chǎn)力 Net Primary Productivity;ESs：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) Ecosystem Services

2.2 不同地形位梯度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化

從不同地形位梯度上各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均值的分布來看,NPP、土壤保持、生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)4種服務(wù)在2000年和2015年均各自保持相同的趨勢,且2015年各服務(wù)在不同地形位梯度上的均值均大于2000年,但在具體地形位梯度上的分布有所不同(圖3)。NPP和生境質(zhì)量均呈現(xiàn)隨地形位指數(shù)增大而遞減的趨勢,其高值多分布在較低地形位梯度即海拔較低且坡度較小的地區(qū);土壤保持隨地形位指數(shù)增大呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢,其高值主要分布在5—8級(jí)地形位梯度上;水源涵養(yǎng)呈現(xiàn)較為起伏波動(dòng)的趨勢,其高值主要分布在較低地形位梯度上,最高值分布在2級(jí)地形位上,最低值分布在9級(jí)地形位上。

從不同地形位梯度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化類型所占的面積來看(圖3),研究區(qū)內(nèi)NPP、土壤保持和水源涵養(yǎng)3種服務(wù)的變化類型均以增益為主,隨地形位指數(shù)的增大其增益面積比重均呈降低趨勢,減損和不變的面積比重均呈遞增趨勢,其中水源涵養(yǎng)的減損類型面積比增加相對(duì)顯著,在10級(jí)地形位梯度上甚至超過了50%。生境質(zhì)量在區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)表現(xiàn)為不變,其增益和減損面積比均在低地形位上相對(duì)顯著,并隨地形位指數(shù)增大而逐漸降低,因海拔高于3750 m、坡度45°以上的區(qū)域不是大熊貓生境適宜區(qū),所以高地形位梯度上生境質(zhì)量沒有發(fā)生變化。由此來看,低地形位指數(shù)地區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增益優(yōu)勢區(qū),海拔越高、坡度越大的區(qū)域減損面積相對(duì)增加。

圖3 不同地形位梯度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均值及其變化類型面積比Fig.3 The mean value of four ESs and their ratio of variation types at different terrain niche

2.3 不同土地利用類型上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異

不同土地利用類型上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量存在明顯差異(圖4)。其中林地和草地既是研究區(qū)主要的土地利用類型,也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的主體,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量占保護(hù)區(qū)總量的95%以上。從時(shí)間來看,2000年不同土地利用類型上4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量均表現(xiàn)為：林地>草地>耕地>水域>建設(shè)用地>未利用地,其中NPP、土壤保持、水源涵養(yǎng)3種服務(wù)在林地上供給量分別為各自總量的49.9%、57.4%和50.5%,在草地上的供給量分別為其各自總量的48.7%、41.5%和48.9%。2015年不同土地利用類型上4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量均表現(xiàn)為：林地>草地>水域>耕地>建設(shè)用地>未利用地。林地和草地依然是貢獻(xiàn)較大的土地利用類型,但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量有所變化,其中林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量有所提升,其提供的NPP、土壤保持、水源涵養(yǎng)3種服務(wù)均達(dá)到各自總量的59%以上,而草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量有所減少,相應(yīng)3種服務(wù)的供給量均低于各自總量的40%,低于2000年。此外水域提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)比重超過了耕地。

圖4 2000年和2015年不同土地利用類型上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量比Fig.4 The ratio of ecosystem service supply on different land use types in 2000 and 2015

2.4 熱點(diǎn)區(qū)分析

研究區(qū)域不同類型熱點(diǎn)區(qū)的面積變化分析表明(表6),盡管2000年和2015年四類熱點(diǎn)區(qū)保持了相同的數(shù)量排序,即I類熱點(diǎn)區(qū)>II類熱點(diǎn)區(qū)>III類熱點(diǎn)區(qū)>Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū),但是與2000年相比,2015年Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)面積增加顯著,增加了134.59 km2,占保護(hù)區(qū)總面積的6.74%。非熱點(diǎn)區(qū)的面積也有所增加,增加面積為34.97 km2。這兩類熱點(diǎn)類型增加的面積均來自其相鄰類型的熱點(diǎn)區(qū),即Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)增加的面積主要來自III類熱點(diǎn)區(qū),而非熱點(diǎn)區(qū)增加的面積主要來自I類熱點(diǎn)區(qū)(表7),II類熱點(diǎn)區(qū)則主要轉(zhuǎn)為III類熱點(diǎn)區(qū)(104.66 km2),其次為I類熱點(diǎn)區(qū)(62.58 km2)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)的變化表明,研究區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境改善明顯,但是局部區(qū)域生態(tài)環(huán)境有所退化,且生態(tài)環(huán)境改善和退化的區(qū)域具有漸變特征,因此需要加強(qiáng)I類和III類熱點(diǎn)區(qū)的管理,預(yù)防I類熱點(diǎn)區(qū)的生態(tài)環(huán)境退化,同時(shí)促進(jìn)III類熱點(diǎn)區(qū)向Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的協(xié)同和最優(yōu)化。

表6 研究區(qū)域不同類型熱點(diǎn)區(qū)面積/km2

表7 研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣/km2

從空間分布來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)及其變化具有明顯的空間特征(圖5)。研究區(qū)域的東部和中部地區(qū)Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)面積明顯高于西部,特別是西北部區(qū)域,呈現(xiàn)由東南向西北方向由強(qiáng)變?nèi)醯奶卣?。東南部熱點(diǎn)區(qū)增加明顯,以Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)最為顯著,此外中部地區(qū),特別是河流(皮條河)兩側(cè)Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)的增加尤為顯著。

圖5 臥龍自然保護(hù)區(qū)2000和2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)分布Fig.5 Hotspots of ESs in Wolong Nature Reserve in 2000 and 2015

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化是自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素共同驅(qū)動(dòng)的結(jié)果,總體來看,2000—2015年研究區(qū)域目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力明顯加強(qiáng),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同程度有所提高,一定程度上表明研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境在持續(xù)改善和提高,但是部分區(qū)域脆弱生態(tài)環(huán)境依舊存在,空間異質(zhì)性特征明顯。研究區(qū)域的東部、東南和中部地區(qū)目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量和生態(tài)改善特征明顯,而南部邊緣、西部和西北部生態(tài)脆弱性特征明顯。研究區(qū)域目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間異質(zhì)性及其變化與區(qū)域地形、土地利用、人類活動(dòng)以及生態(tài)措施等密切相關(guān)。

研究區(qū)域目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分布在不同地形位梯度上分異明顯,除土壤保持外,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高值分布區(qū)和主要增益區(qū)均以低海拔低坡度區(qū)域?yàn)橹?這可能與兩個(gè)因素有關(guān)：一是研究區(qū)域?yàn)榈湫偷母呱綅{谷區(qū),氣候和植被垂直分異特征明顯,高海拔林線以上發(fā)育高山草甸、冰川雪地和裸地(未利用土地),而低海拔和低坡度區(qū)域的水熱條件更有利于植被的生長和發(fā)育;其次高山峽谷區(qū)土地資源緊張,低海拔低坡度區(qū)域也是人類活動(dòng)的主要分布區(qū),居民點(diǎn)和耕地資源集中分布,但2000年前后研究區(qū)域大力推進(jìn)退耕還林,部分耕地轉(zhuǎn)化為林地,近十五年的生態(tài)恢復(fù)效果明顯。作為我國生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)的重大舉措,退耕還林/還草政策的生態(tài)效應(yīng)在各區(qū)域正在逐步顯現(xiàn)[21,23],是近期我國生態(tài)改善的主要驅(qū)動(dòng)力之一。

土地利用類型及變化作為影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化的關(guān)鍵因子,通過直接或間接影響生態(tài)系統(tǒng)的格局與過程,改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供能力[46]。林地作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量較高的土地利用類型,是研究區(qū)域目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增加和協(xié)同關(guān)系提高的主力,也是未來生態(tài)改善措施首選的土地利用類型。盡管草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)貢獻(xiàn)較為突出,但是近年來其供給能力有所下降。研究區(qū)域的草地主要為林線以上的高山草甸,是在低溫大風(fēng)及瘠薄土壤等生態(tài)環(huán)境條件下發(fā)育的植被類型。草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力下降,可能和研究區(qū)域人類活動(dòng)有關(guān),高山草甸是當(dāng)?shù)啬翗I(yè)(牦牛等)和眾多中草藥資源主要分布場所,人類利用程度的增加和干擾增強(qiáng),可能是高山草甸生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給力降低的主要原因。因此在生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工作中,除了目標(biāo)物種(大熊貓)及其生境(林地)外,應(yīng)該加強(qiáng)草地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù),避免該脆弱生態(tài)系統(tǒng)的退化和過度利用。

研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)既需要考慮時(shí)空異質(zhì)性,又要考慮自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力。從研究結(jié)果來看,以下三類區(qū)域應(yīng)采取措施,加強(qiáng)保護(hù)、恢復(fù)或管理：一是以Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)為代表的生態(tài)保護(hù)區(qū),特別是東南部區(qū)域,應(yīng)該加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的保護(hù);其次是以I類熱點(diǎn)區(qū)和III類熱點(diǎn)區(qū)為代表的生態(tài)恢復(fù)區(qū),預(yù)防生態(tài)環(huán)境的退化,促使其向多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同的方向轉(zhuǎn)化;三是以低海拔低梯度區(qū)域和高海拔草地為代表的生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū),人類活動(dòng)對(duì)于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和退化有決定性作用,建議合理引導(dǎo)或控制人類活動(dòng),維護(hù)已經(jīng)取得的生態(tài)恢復(fù)成果,防止脆弱生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步退化。

4 結(jié)論

本研究以臥龍自然保護(hù)區(qū)為例,定量評(píng)估了2000年和2015年碳固定、土壤保持、生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)4種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布格局及變化特征,分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力,提出了分區(qū)管理的建議,對(duì)保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)和管理有一定的借鑒作用。研究結(jié)果揭示了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的時(shí)空異質(zhì)性,表明在一定的區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境改善和退化可能并存,生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)須因地制宜,甄別關(guān)鍵區(qū)域,制定針對(duì)性的政策。其次生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化既受自然因素的控制,又受人為因素的影響,生態(tài)恢復(fù)/建設(shè)工程不僅要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力較高的生態(tài)系統(tǒng)類型(如林地),也要關(guān)注人類活動(dòng)干擾較大的相對(duì)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)類型(如研究區(qū)域的草地),保護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。

本文也存在如下不足：一是由于數(shù)據(jù)獲取困難,本研究僅選取了4種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),未來需增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,特別是與保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和人類活動(dòng)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型;二是需要延長研究年份,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)變化與土地利用類型的連續(xù)變化相聯(lián)系,定量評(píng)估生態(tài)建設(shè)工程對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的貢獻(xiàn);三是由于篇幅所限,僅考慮了4種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化,沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系,特別是生境質(zhì)量與其他類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系。在以后工作中,須逐步增加數(shù)據(jù)的獲取分析,拓展并深化研究主題,為提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平,促進(jìn)生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)提供借鑒。