大寧河流域生態系統服務權衡關系梯度效應

勾蒙蒙,李 樂,劉常富,2,*,肖文發,2,王 娜,歐陽帥,胡建文

1 中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所,國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 2 南京林業大學南方現代林業協同創新中心,南京 210037 3 中南林業科技大學生命科學與技術學院,長沙 410004

生態系統服務是指生態系統形成和維持人類生存和發展的自然條件與效用,是人類通過生態系統功能直接或間接獲得產品和服務的總和[1—2]。地球進入人類世以來,隨著經濟社會迅速發展和人口數量急增,愈發劇烈的人類干擾引發了水土流失、面源污染、生物多樣性減少等一系列生態環境問題,對生態系統功能和服務產生了嚴重影響[3]。究其原因,主要是人類與自然博弈過程中需求偏好使生態系統服務間往往表現出相互交織、復雜的非線性關系(即權衡關系),具體表現為過度消費或追求單一生態系統服務會直接或間接導致其他生態系統服務供應減少[4—5]。例如,海河流域開展的三北防護林和京津風沙源治理工程等有效提高了防風固沙服務,但減弱了水資源供給服務[6]。因此,科學認知生態系統服務權衡關系是生態系統服務研究的重要領域與核心問題,也是可持續生態系統管理的前提和基礎[7—8]。

隨著生態系統服務相關研究不斷深入,國內外學者在生態系統服務權衡空間制圖、量化表達、優化調控等方面取得了諸多進展[9—10],相關研究成果也已應用到生態保護修復工作中。但多數研究仍忽略了具體的變量對生態系統服務及其權衡關系的影響,缺乏生態系統服務權衡空間分異規律的有效探討[11],因此基于全域的分析結果難以適應局部生態保護修復需求。事實上,受地形、植被覆蓋、人類活動等差異的影響,生態系統服務權衡關系往往會表現出一定的梯度效應,即區域內和區域間的生態系統服務及其權衡關系具有明顯的空間分異規律,尤其是對山區而言[12—13]。近年來,生態系統服務空間分異規律逐漸成為研究的熱點[14]。徐彩仙等[15]從高程、坡度、地形起伏度等方面分析了白龍江流域生態系統服務的地形梯度分布特征。劉曉娜等[16]從植被覆蓋度和土地開發程度變化入手研究了北京灣生態系統服務的梯度效應。上述研究大多分析了外部驅動因素對生態系統服務的影響,但生態系統服務權衡關系對不同驅動因素的梯度響應仍未得到有效探討?？紤]到不同的驅動因素具有尺度差異性,生態系統服務供給、分布和權衡關系在不同的空間尺度也可能有所不同[17]。目前涉及生態系統服務權衡關系的相關研究多集中在區域尺度上,基于環境因子分異的子區域尺度上權衡關系研究仍相對較少,因此區域尺度的研究結果在生態系統的精細化管理方面仍具有一定的缺陷[18]。

大寧河流域是三峽庫區重要的水源涵養區和生物多樣性豐富區,在保持水土、改善水質和維護三峽庫區生態安全等方面具有極其重要的作用。與此同時,該流域也是典型的山地流域,環境空間分異明顯,生態環境脆弱導致的水土流失、石漠化現象仍較為嚴重[19]?；诖?本文以大寧河流域為研究區域,利用CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型、InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型、RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)模型等對2018年的糧食生產、碳固持、土壤保持、產水量等4種生態系統服務進行量化評估,進一步選取海拔、降雨量和植被覆蓋度3個典型的環境梯度因子,深入探討生態系統服務及其權衡關系的梯度效應,以期推動生態系統服務精細管控和區域可持續發展。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

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

大寧河流域(108°47′—110°09′E,31°04′—31°44′N)地處三峽庫區腹地,是三峽庫區內最大的流域,總面積約為4359 km2(圖1)。該流域為典型的喀斯特地貌,地貌類型以山地和丘陵為主,海拔范圍為42—2761 m,在空間上呈現北部、東部高而中部、南部低的分布格局。大寧河流域屬亞熱帶季風性氣候,年平均溫度約為16.6℃,年降雨量約為1224 mm。主要的土壤類型為黃壤、黃棕壤和棕壤。流域內土地利用類型以林地和耕地為主,占流域總面積的比例分別為60.23%和24.06%,其中林地主要分布在北部、東部海拔較高的地區,耕地則呈現空間總體破碎、中部集中的分布趨勢。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

本文主要涉及的數據有土地利用數據、歸一化植被指數(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)數據、地形數據、土壤數據、氣象數據、社會經濟統計數據等6類。30 m空間分辨率土地利用數據來源于資源環境數據云平臺(https://www.resdc.cn/),包含耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地等6類土地利用類別。NDVI數據以Landsat 8遙感數據為數據源,經過輻射定標、大氣校正等預處理后,通過組合近紅外波段和紅外波段的方式獲取。數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m。土壤數據通過1∶100萬中國土壤數據庫獲取,該數據主要包含土壤類型、質地、土壤有機碳含量、各粒徑比例等。氣象數據來源于國家氣象科學數據中心(https://data.cma.cn/),包括日降雨量、平均氣溫、平均風速、日照時數等,采用ANUSPLIN軟件進行空間插值生成空間分辨率為30 m的柵格數據。社會經濟統計數據來源于《巫山縣2019年統計年鑒》、《巫溪縣2019年統計年鑒》、《奉節縣2019年統計年鑒》。

2.2 典型年份選取

圖2 大寧河流域2000—2018年降雨量距平百分比Fig.2 Percent of precipitation anomaly during 2000 to 2018 in the Daning River Basin

2000—2018年期間,大寧河流域平均降雨量為1092.39 mm,降雨量呈現明顯的年際變化(圖2)。根據《水文情報預報規范(SL250—2000)》[20],采用距平百分比法對大寧河流域降雨量進行豐枯劃分,其中距平百分比大于15%為豐水年,小于-15%為枯水年,處于-15%—15%范圍內為平水年。根據劃分結果,大寧河流域多數年份為平水年,雖然降雨呈波動變化趨勢,但近幾年波動相對平穩,且均為平水年。因此,綜合考慮平水年典型性、數據可用性、研究時效性等因素,本文選取2018年為平水年典型年份開展生態系統服務權衡關系梯度效應分析。

2.3 生態系統服務評估

2.3.1糧食生產

糧食生產是自然生態系統,特別是農業生態系統最重要的供給服務之一,采用NDVI校正法將縣域內糧食產量重新分配至柵格尺度[21],公式如下：

(1)

式中,FSi為第i個柵格分配的糧食產量(kg/hm2)；Ysum為區縣主要糧食作物的總產量(kg)；NDVIi和NDVIsum分別為第i個耕地柵格的NDVI和所在區縣耕地NDVI的總和。

2.3.2碳固持

碳固持指的是陸地生態系統通過光合作用將大氣中的CO2捕獲并封存的過程,可有效緩解溫室效應和全球氣候變化[22]。在本文中,將凈初級生產力作為碳固持服務的表征指標,采用CASA模型進行評估,公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中,NPP(x,t)為像元x在t月的凈初級生產力(g C/m2)；APAR(x,t)為像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)為像元x在t月的實際光能利用率(g C MJ-1)。

2.3.3土壤保持

土壤保持是指潛在土壤侵蝕與實際土壤侵蝕的差值,采用RUSLE模型進行評估,公式如下：

SR=R×K×LS×(1-C×P)

(3)

式中,SR為年土壤保持量(t/hm2)；R為降雨侵蝕力(MJ mm hm-2h-1),采用章文波等[23]提出的基于日降雨量的經驗模型進行計算；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1),利用EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型進行計算；LS為坡長坡度因子,無量綱；C為植被覆蓋因子,無量綱；P為水土保持措施因子,無量綱。

2.3.4產水量

采用InVEST模型中產水模塊評估大寧河流域的產水量,公式如下：

(4)

(5)

PETx=Kc,x×ET0,x

(6)

(7)

式中,WYx為柵格x的年產水量(mm)；AETx為柵格x的年實際蒸發量(mm)；Px為柵格x的年降雨量(mm)；PETx為柵格x的年潛在蒸發量(mm)；ω是表示自然氣候-土壤性質的非物理參數,無量綱；Kc,x為柵格x的作物蒸散發系數,無量綱；ET0,x為柵格x的參考作物蒸散(mm)；Z為Zhang系數[24],代表了區域降水分布及其他水文地質特征；AWCx為柵格x的土壤有效含水量。

2.4 生態系統服務權衡分析

在生態系統服務評估的基礎上,進一步對不同海拔、降雨量及植被覆蓋度梯度下生態系統服務權衡關系進行分析。在ArcGIS軟件中采用自然斷點法將海拔、降雨和植被劃分為3類,其中海拔梯度為>1000 m、1000—1600 m、>1600 m；降雨量梯度為>1100 mm、1100—1600 mm、>1600 mm；植被覆蓋度梯度為>30%、30%—70%、>70%。自然斷點法是目前常用的環境梯度劃分方法,具有最小化組內差異、最大化組間差異的優勢[25]。為進一步闡述梯度劃分的合理性,本文繪制了降雨量、植被覆蓋度及土地利用組成隨海拔梯度變化圖(圖3),可以看出不同海拔梯度上的降雨量、植被覆蓋度和土地利用組成等均存在非常大的差異,且降雨量、植被覆蓋度在不同海拔梯度上的分布與自然斷點法劃分結果具有規律一致性。此外,土地利用是決定生態系統服務及其權衡關系重要的因素之一,在不同的梯度分布下,土地利用的組成及其比例均存在較大的差異,從而對生態系統結構、功能、服務及其權衡關系產生了影響,因此基于自然斷點法劃分的梯度可進一步被用于生態系統服務權衡關系梯度效應研究。

圖3 降雨量、植被覆蓋度及土地利用組成隨海拔梯度變化圖Fig.3 Changes of precipitation, vegetation cover fraction and land use composition along the elevation gradient

采用均方根偏差(Root Mean Squared Deviation,RMSD)方法對不同梯度下生態系統服務權衡關系進行量化。該方法通過描述生態系統服務標準差與平均生態系統服務標準差的平均差異,將權衡傳統的負相關關系拓展到變化幅度的不均勻率,從而量化任意兩個或兩個以上生態系統服務的權衡關系[26—27]。公式如下：

(8)

(9)

式中,ESstd歸一化后的生態系統服務；ESobs為單項生態系統服務的實際值；ESmin和ESmax分別為單項生態系統服務中的最小值和最大值。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務空間分布特征

從空間分布上來看,大寧河流域2018年糧食生產、碳固持、土壤保持、產水量空間分布具有顯著差異(圖4)。具體來說,糧食生產服務在0—4264.83 kg/hm2之間,在中部和南部呈現集中分布趨勢,在北部呈現破碎化趨勢,且高值區主要分布在北部。碳固持服務范圍為4.13—706.65 g C/m2,均值為293.64 g C/m2,在空間上呈現由西北向東南逐漸遞減的分布規律,其在東部的高值區與神農架自然保護區有較高的空間重疊。土壤保持服務的空間分布上主要受降雨、地形、植被等因素的影響,其高值區主要分布在西部和東部,中部區域海拔低,坡度較小,因此水土保持服務相對較小。產水量范圍為0—1299.16 mm,其空間分布與土壤保持服務具有一定的相似性。

圖4 大寧河流域生態系統服務空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem services in the Daning River Basin

3.2 生態系統服務梯度效應

如圖5所示,2018年大寧河流域4種生態系統服務具有明顯的沿環境梯度變化格局。其中糧食生產隨海拔、降雨量的增加呈顯著下降的趨勢,但隨著植被覆蓋度的增加呈現顯著上升后下降的趨勢,當植被覆蓋度達到70%以上,糧食生產供給能力明顯不足。碳固持服務隨海拔梯度的增加呈先增加后減少的趨勢,當海拔處于1000—1600 m時,碳固持達到最大,為330.19 g C/m2；在降雨量和植被覆蓋度梯度下,碳固持服務呈現隨梯度增加而顯著增加的趨勢。土壤保持服務隨海拔、降雨量和植被覆蓋度梯度分布規律一致,均隨著梯度的增加顯著下降。產水量隨海拔和降雨量梯度的增加表現為先顯著上升后顯著下降的趨勢,當海拔處于1000—1600 m以及降雨量處于1100—1600 mm范圍內產水量達到最大,分別為571.63 mm、662.57 mm；在植被覆蓋度梯度下,產水量表現為隨著植被覆蓋度的增加也顯著增加。總地來說,高海拔(>1600 m)、高降雨量(>1600 mm)、高植被覆蓋度(> 70%)梯度下的糧食生產服務顯著低于低海拔(<1000 m)、低降雨量(<1100 mm)和低植被覆蓋度(<30%)梯度,而碳固持服務、土壤保持和產水量則顯著高于低海拔、低降雨量和低植被覆蓋度梯度。

圖5 生態系統服務隨海拔、降雨量和植被覆蓋度梯度變化Fig.5 Changes of four ecosystem services along the gradient of elevation, precipitation, and vegetation cover fraction

3.3 兩兩生態系統服務權衡關系梯度效應

從流域整體上來看,不同生態系統服務對之間的權衡關系存在一定差異(圖6；表1)。碳固持和產水量散點分布在1：1線附近,表明碳固持和產水量為弱權衡關系(RMSD=0.11±0.09)；土壤保持和糧食生產的RMSD值為0.14±0.09,二者之間存在中等程度權衡關系；碳固持與土壤保持、碳固持與糧食生產、土壤保持與產水量、產水量與糧食生產之間的RMSD值均大于0.26,表明其為強權衡關系。

表1 大寧河流域兩兩生態系統服務均方根偏差值

圖6 不同梯度下兩兩生態系統服務散點圖Fig.6 Scatter plot of paired ecosystem services along different gradients

從不同梯度下兩兩生態系統服務散點圖分布和RMSD結果來看,不同的海拔、降雨量、植被覆蓋度梯度下生態系統服務散點偏離1∶1線的距離以及RMSD值均不同,表明生態系統服務權衡關系具有明顯的梯度效應和梯度敏感性(圖6；表2)。海拔梯度下兩兩生態系統服務對的RMSD均呈現出顯著差異,碳固持與產水量、碳固持與糧食生產的權衡關系隨著海拔的增加呈現增加的趨勢,但土壤保持與糧食生產權衡關系呈相反趨勢。其余生態系統服務對雖然隨著海拔梯度的增加呈現先增后減或先減后增的趨勢,但進一步縮小海拔梯度范圍時,梯度效應仍比較明顯。當合并1000—1600 m和>1600 m海拔梯度時,碳固持與糧食生產的權衡關系在海拔大于1000 m時發生顯著的增強。在降雨量梯度下,隨著降雨量的增加,生態系統服務之間的權衡關系總體上呈減弱的趨勢,其中土壤保持與產水量、產水量與糧食生產之間的關系隨著降雨量的增加呈現顯著下降的趨勢。植被覆蓋度直接參與了生態系統服務形成過程,其梯度變化對生態系統服務之間權衡關系也具有重要的影響,除土壤保持與糧食生產權衡關系外,隨著植被覆蓋度的增加,兩兩生態系統服務對之間的權衡關系均呈顯著增加的趨勢。

表2 不同梯度下兩兩生態系統服務均方根偏差值

3.4 多種生態系統服務權衡關系梯度效應

如圖7所示,大寧河流域多種生態系統服務權衡的RMSD值為0.25±0.08,表明生態系統服務間存在強權衡關系。在海拔梯度下,當海拔<1000 m和>1600 m時,4種生態系統服務之間的權衡最小,RMSD值分別為0.24±0.07、0.24±0.09,最大權衡的RMSD值出現在海拔范圍1000—1600 m。在降雨量和植被覆蓋度梯度下,4種生態系統服務權衡的RMSD值隨著梯度的變化呈一致的變化趨勢,具體表現為隨降雨量梯度增加呈權衡減弱趨勢,而隨植被覆蓋度梯度增加呈權衡加強趨勢。

圖7 不同梯度下多種生態系統服務均方根偏差值Fig.7 Root mean squared deviation values for multiple ecosystem services under different gradients藍色虛線為流域的均方根偏差值

4 討論與結論

4.1 討論

厘清環境因子對生態系統服務及其權衡關系的影響,有助于進一步加強生態系統服務認知,為合理調節人類活動,因地制宜開展生態系統管理提供依據[28]。一般來說,地形、降水、植被覆蓋等生態環境因子,以及人口密度、發展水平等社會經濟因子與生態系統服務具有一定的關聯性,其主要通過影響生態系統的結構、功能決定了生態系統服務空間分布[29]。考慮到大寧河流域所在的巫溪縣、巫山縣、奉節縣經濟水平一般,且難以獲取高精度的社會經濟因子空間柵格數據,因此在本文中只選取了海拔、降雨量、植被覆蓋度3個典型的環境因子進行分析。

大寧河流域海拔呈北高南地、西高東低的趨勢,林地主要分布在北部和東部海拔較高的地區,而農田主要分布在中部和南部以丘陵地貌為主的低海拔地區,因此糧食生產服務高值區集中分布在中部和南部區域,而北部區域則較為分散,且隨著海拔梯度的增加呈現降低的趨勢。降雨量是決定陸地生態系統生產力重要的氣候因素,降雨量增加能夠顯著增加生態系統碳固持[30],加之植被覆蓋度與生產力之間存在高度線性關系[31],因此碳固持服務隨降雨量和植被覆蓋度梯度呈顯著增加的趨勢。在本文中,土壤保持量通過潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值獲得,二者均受到受降雨量、地形因子和土壤可蝕性影響,實際土壤侵蝕量很大程度上還依賴于植被覆蓋因子[32]。大寧河流域高海拔、高降雨量區域內的林地覆蓋比例較高,因此具有較高的植被覆蓋度,有效加強了土壤保持服務,與三峽庫區開展的水土保持研究結果一致[33—34]。產水量隨植被覆蓋度的增加呈現增加的趨勢,但隨海拔、降雨量梯度增加并未顯示一致規律,可能與產水量復雜的植被和降雨相互作用關系有關[35]。

與生態系統服務分布特征一致,生態系統服務之間的復雜關系同樣受到自然因素和人類因素的共同作用影響。本文采用RMSD方法量化了生態系統服務之間的權衡關系,通過分析不同梯度下生態系統服務之間的RMSD值及其梯度變異規律,有助于加強生態系統服務權衡關系理解。綜合來看,在流域上碳固持與糧食生產為強權衡關系,主要由于農田和林地分布具有不均衡性。與以往研究不同的是,在本文中碳固持與產水量為弱權衡關系,而碳固持與土壤保持量為強權衡關系,原因在于碳固持高的地方降雨量比較充沛,相應地導致了產水量和土壤侵蝕量的增加,即降水對碳固持存在閾值效應[9,36]。生態系統服務權衡梯度效應分析結果表明,隨著植被覆蓋度增加,生態系統服務權衡趨于加強,表明植被覆蓋度是大寧河流域生態系統服務權衡的主要驅動因素,植被對生態系統服務的約束效應調整了生態系統服務產生和傳遞過程,從而改變了生態系統服務之間的關系[37],側面反映了長期以“變綠”為主要目標的生態保護修復工程可能會導致生態系統服務權衡加強,強調了生態保護修復過程中的協調理念。相對于植被覆蓋度梯度,降雨量梯度的增加有效增加了碳固持、土壤保持和產水量服務等,從而導致生態系統服務權衡關系呈現隨梯度的增加而減弱的趨勢。在海拔梯度下,海拔梯度的變化只對部分生態系統服務對產生了同向影響,其原因在于海拔梯度的增加往往伴隨降雨量、植被覆蓋度等自然因素的改變,即在海拔梯度下,多種環境因子的交互作用決定了生態系統服務權衡關系[13]。因此,在未來生態系統管理和政策制定過程中,既要考慮流域內生態系統服務總體權衡,又要統籌不同立地條件、不同氣候、不同植被覆蓋影響下生態系統服務的權衡梯度效應,從而制定分類分區管理政策,達到生態系統服務局部協調和整體優化的目標。

雖然本文采用空間代替時間方法研究了典型平水年份生態系統服務及其權衡關系的梯度效應,但生態系統服務之間的關系及其驅動因素仍具有較強的時間尺度依賴性[12,28],相對于海拔和植被覆蓋度,降雨量在時間尺度上仍具有較大的空間分布不均衡性,因此未來有待于結合多時間序列數據進行分析。

4.2 結論

本文基于大寧河流域2018年糧食生產、碳固持、土壤保持和產水量4個生態系統服務評估結果,在海拔、降雨量、植被覆蓋度3個環境因子的梯度下探究了生態系統服務的梯度分異規律,采用RMSD方法定量刻畫了不同梯度下兩兩生態系統服務以及多種生態系統服務權衡關系的梯度變化趨勢。結論如下：

(1)大寧河流域生態系統服務具有較強的空間異質性。糧食生產高值區主要分布在海拔較低的中部和南部地區；碳固持呈由西北向東南遞減的趨勢；土壤保持和產水量高值區分布有一定相似性,主要分布在西部和東部地區。

(2)生態系統服務隨海拔、降雨量和植被覆蓋度的變化表現出一定的梯度效應。糧食生產隨海拔、降雨量和植被覆蓋度的增加呈下降的趨勢,而土壤保持隨3種環境因子的增加呈上升趨勢,碳固持和產水量總體上表現為隨環境因子增加而增加的趨勢。

(3)大寧河流域碳固持和產水量為弱權衡關系,土壤保持和糧食生產為中度權衡關系,其余生態系統服務對為強權衡關系。

(4)環境因子的梯度效應顯著影響了生態系統服務之間的權衡關系。植被覆蓋度梯度增加推動了生態系統服務權衡度增加,而降雨量梯度增加顯著減少了生態系統服務權衡趨勢；海拔梯度的增加顯著增加了碳固持與土壤保持量、土壤保持與糧食生產的權衡關系,削弱了碳固持與產水量的權衡關系。

致謝：本研究得到湖北秭歸三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站的支持。