黃河源瑪曲縣生態格局及生態服務價值演變分析

趙偉明，楊憶昕，黃 草，3，丁世星，趙志堯

(1.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007；2.長沙理工大學 水利與環境工程學院，湖南 長沙 410114；3.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114）

1 引言

生態系統為人類福祉、健康、生存發揮了至關重要的作用［1］。生態服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用［2］,通過計算生態服務價值(ESV)可以定量評估生態服務功能。區域生態格局是指能夠保護和恢復生物多樣性,維持生態系統結構和過程的完整性,實現對區域生態環境問題有效解決的區域性空間格局［3-4］。合理分析區域生態格局并充分評價生態服務價值,有利于為區域生態環境保護、生態功能區劃、生態補償決策提供重要依據［5］。

濕地是陸生生態系統與水生生態系統之間交錯的一種過渡生態系統［6］,被譽為“地球之腎”,濕地生態保護區在水源涵養、氣候調節、物種貯存等方面具有極大價值。鑒于濕地生態保護區的重要性,近年來諸多學者分別對其生態格局和ESV展開研究［6-13］。褚琳等［6］基于瑪曲縣的土地覆蓋類型轉移矩陣,采用回歸分析法研究瑪曲縣生態環境變化,認為2000—2010 年瑪曲縣生態環境受降水及溫度影響而明顯退化。但該研究的時間尺度較短,難以體現生態格局及ESV的演變規律。薛鵬飛等［7］采用遙感圖像分析、地理信息系統空間分析和景觀生態指數分析方法研究瑪曲縣1995—2018 年濕地景觀格局的演變趨勢,該研究在時間尺度上有所拓展,但僅以濕地為研究對象,未針對不同土地覆蓋類型的生態過程進行探討,不能充分體現生態格局變化。綜上,關于高寒濕地生態保護區的生態格局及ESV演變的研究仍需要進一步完善。

瑪曲濕地是青藏高原濕地面積較大、特征明顯、最原始、最具代表性的高寒沼澤濕地,被譽為“黃河之腎”。然而,瑪曲縣因水土流失、干旱荒漠化而曾出現嚴重的濕地退化現象,地表水位逐年下降,水源涵養功能降低,氣候調節、水土保持及生物多樣性維持受到顯著影響,生態保護及恢復面臨嚴峻挑戰［8］。本文基于瑪曲縣1995—2020 年的土地覆蓋類型數據,采用當量因子法分析ESV的演變規律,結合地理探測器法探討ESV空間分布的影響因素,以期為瑪曲縣生態保護提供參考。

2 研究區概況

瑪曲縣地處甘肅省甘南藏族自治州西南部,位于東經100°45′—102°29′、北緯33°06′—34°31′。境內平均海拔約3 700 m,屬大陸性高寒濕潤氣候區,每年分為冷暖兩季,冷季漫長陰冷,達300 余d；暖季光照充足,雨水豐沛,年均氣溫1.2 ℃,7 月氣溫最高(為10.8 ℃),1 月氣溫最低(為-9.4 ℃),年均降水量611.9 mm。境內分布兩大山系,阿尼瑪卿山自西向東橫亙瑪曲縣中部,西傾山自北向南綿延入瑪曲縣北部。土壤有高山草甸土、亞高山草甸土、沼澤土、泥炭土、草甸化沼澤土等,以草甸土為代表性土壤。草地植被屬于川西藏東高原灌叢草甸,灌木主要有高山杜鵑、高山柳、金露梅和沙棘等,草本植物有矮蒿草、線葉蒿、藏蒿草、珠芽蓼、高山龍膽等［8］。

黃河在瑪曲縣境內的流程為433 km,兩岸沖積平原與山洪沖積扇重疊交錯,形成寬闊的沼澤地,與若爾蓋濕地連為一體。瑪曲濕地年補給黃河水量占黃河源區徑流總量的58.7%,是黃河上游最重要的水源涵養地,也是黃河上游水源體系及生態系統的綠色安全屏障。

3 數據與方法

3.1 數據來源

遙感影像數據選用1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年及2020 年6—9 月(植被生長季)Landsat 5 TM、Landsat 7 ETM、Landsat 8 OLI 數據,空間分辨率為30 m×30 m。DEM 數據選用Aster GDEM 數據,空間分辨率為30 m。NPP(凈初級生產力)空間分布［9］與人口密度空間分布數據源自全球變化科學研究數據出版系統。降水數據源自中國氣象網及2020年《中國水資源公報》。土壤類型空間分布［10］、年均氣溫空間分布、年均降水量空間分布數據源自中國科學院地理科學與資源研究所。道路空間分布數據源自OpenStreetMap(公開地圖)。

3.2 遙感影像處理

首先利用Envi 分幅完成遙感影像的輻射定標與大氣校正,再通過影像拼接得到各期的多光譜遙感影像,之后按瑪曲縣行政區邊界進行空間裁剪,最后采用監督分類法解譯影像。

參考《瑪曲縣生態狀況評估報告》 及相關文獻［11］,結合實際情況把瑪曲縣土地覆蓋類型劃分為8類,分別為冰雪、水系、城鎮、濕地、裸地、草地、灌叢、荒漠。影像分類結果驗證借助Google Earth 歷史高分辨率遙感影像,選取驗證樣本進行混淆矩陣分析,計算得出總體分類精度大于0.90、Kappa 系數大于0.85,說明分類精度良好,滿足研究需求。基于相鄰兩期土地覆蓋類型分布圖,依據空間分析建立各期土地覆蓋類型轉移矩陣,分析不同土地覆蓋類型間的轉化方向及轉化強度。

3.3 當量因子法

根據謝高地等［5］研究的單位面積價值當量因子表獲取瑪曲縣ESV系數,考慮瑪曲縣實際情況,草地的ESV系數取草原與草甸ESV系數的平均值,城鎮的ESV系數依據裸地的ESV系數取值,標準當量因子取3 406.5 元/hm2(水平年為2010 年)［2］。依據不同生態服務功能,選用凈初級生產力、降水量、土壤保持量校正ESV,不同土地覆蓋類型面積由遙感影像解譯取得。

ESV計算公式如下:

式中:ESVf為生態服務功能f的價值量；Ai為土地覆蓋類型i的面積；Kfj為生態服務功能f在j時段內的校正系數；Vi為土地覆蓋類型i的當量因子；S為標準價值當量因子；Nj為j時段內凈初級生產力(或降水量、土壤保持量)；為凈初級生產力(或降水量、土壤保持量)的全國年均值。

3.4 地理探測器法

采用地理探測器法分析生態格局演變的驅動因子［12］,以定量探測其空間分異性。該方法中如果因子X對現象Y的空間分布有影響,那么因子X與現象Y的空間分布具備相似性。通過對變量進行離散化處理,實現離散變量之間的分層,統計層內方差之和與區域總方差之間的關系,可以分析不同因子對現象Y空間分布的影響以及不同因子之間的交互關系。地理探測器表達式如下:

式中:q為統計量,值域為［0,1］,q值越大表示因子X對現象Y的影響越強；W為層內方差之和；T為總方差；L為因子X的分層總數；Nh、N分別為層h、全區的樣本數量；、σ2分別為層h、全區的Y值方差。

地理探測器中多因子間的交互作用探測可以反映因子X1與因子X2共同作用時,是否增強或削弱對于Y的影響力,驅動因子間的交互作用判別依據見表1。

表2 土地覆蓋類型面積及占比

4 結果與討論

4.1 瑪曲縣生態格局演變

采用空間疊置方法分析各期不同土地覆蓋類型的轉化情況(見圖1),統計研究區1995 年、2000 年、2005年、2010 年、2015 年、2020 年不同土地覆蓋類型的面積及占比(見表1)。研究時段內不同土地覆蓋類型之間的相互轉化先減弱后增強。1995—2000 年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2020年土地覆蓋類型面積轉化率分別為16.17%、16.55%、11.47%、14.36%、23.39%。水系、灌叢面積整體呈波動增大趨勢,荒漠面積呈波動減小趨勢,草地、裸地面積呈先增大后減小趨勢,濕地面積呈先減小后增大趨勢,城鎮面積大幅增大后逐漸趨于穩定。所有土地覆蓋類型中草地、濕地面積變化較大,25 a 來兩者面積累計變化量分別為112 576、65 973 hm2。城鎮、裸地、荒漠面積累計變化幅度較大,分別為535.27%、310.23%、270.45%。

為討論不同土地覆蓋類型間的轉化方向及強度,構建1995—2020 年土地覆蓋類型轉移矩陣,見表3。草地與濕地間的相互轉化面積最大,在所有轉化關系中占主導地位。對于面積累計變化幅度較大的城鎮、裸地、荒漠,城鎮擴張的土地覆蓋類型主要是草地,荒漠萎縮的主要原因是荒漠向草地轉化,裸地面積變化以草地轉裸地、裸地轉冰雪為主。

表3 1995—2020 年土地覆蓋類型轉移矩陣 hm2

4.2 瑪曲縣生態服務價值演變

基于單位面積價值當量因子法實現瑪曲縣生態服務功能的價值化,確定瑪曲縣不同土地覆蓋類型的初始當量系數［5］。依據凈初級生產力對食物生產、原料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、養分循環維持、生物多樣性維持、美學景觀服務功能的當量系數進行修正,依據降水量對水資源供給、水文調節服務功能的當量系數進行修正,依據土壤保持量對土壤保持服務功能的當量系數進行修正,修正后的當量系數見表4。

表4 當量系數

基于當量系數及瑪曲縣不同時期的生態格局,核算不同土地覆蓋類型與生態服務功能的ESV值,其演變情況見圖2。25 a 來瑪曲縣ESV值總體呈上升趨勢,2000 年、2020 年ESV值分別達到谷值(為575.7 億元)、峰值(為857.2 億元)。2000 年研究區濕地、水系面積大幅萎縮以及年降水量減小,使水文調節的ESV值大幅下降,進而導致研究區總ESV值顯著下降；2005 年生態系統凈初級生產力提高以及降水量增大,使草地、濕地、水系的ESV值升高,促使研究區總ESV值回升；2020 年濕地、水系面積擴張,水文調節功能顯著提升,使瑪曲縣總ESV值升高。

圖2 各土地覆蓋類型、生態服務功能的ESV 演變情況

研究區不同生態服務功能中水文調節、氣候調節、生物多樣性維持的ESV值較大,平均每年ESV值分別為225.5 億、136.1 億、91.4 億元。各項生態服務功能中水文調節、水資源供給的ESV值變化較大,平均變化幅度分別為25.2%、24.9%,說明水文調節和水資源供給的敏感性較高,易隨生態格局的變化而變化。而氣候調節、養分循環維持、氣體調節、原料生產的ESV值的平均變化幅度分別為6.15%、6.16%、6.24%、6.31%,說明這幾種生態服務功能敏感性較低,不易隨生態格局的變化產生波動。

瑪曲縣年均ESV的空間分布見圖3,總體呈現出東南高、西北低的分布規律。瑪曲縣單位面積ESV高值區(＞23 萬元/hm2)主要集中于瑪曲縣東南部曼日瑪鄉、采日瑪鄉、齊哈瑪鄉,單位面積ESV低值區(＜6.9 萬元/hm2)集中于瑪曲縣西北部歐拉秀瑪鄉、木西和鄉、歐拉鄉。瑪曲縣東南地區水系、濕地面積占比較大,具有顯著的水文調節、水資源供給功能,因而ESV值較高；而瑪曲縣西北地區阿尼瑪卿山橫亙其間,冰川、裸地面積占比較大,使得該地區ESV值較東南部的小。

圖3 瑪曲縣年均ESV 的空間分布

總體而言,瑪曲縣單位面積年均ESV值約8.82 萬元/hm2,與謝高地等［5］核算的2010 年全國單位面積ESV值(為3.97 萬元/hm2)及2010 年甘肅省單位面積ESV值(為1.83 萬元/hm2)相比,瑪曲縣單位面積年均ESV值分別是二者的2.22 倍、4.82 倍。瑪曲縣作為黃河上游生態屏障以及全國重點生態功能區的重要組成部分,其生態格局及生態服務價值的演變對于黃河源生態環境變化具有重要作用。

4.3 驅動因子分析

采用地理探測器法探討不同因子對于瑪曲縣ESV空間分布的影響,選用高程(DEM)、溫度、降水量、坡度作為自然因子,選用人口密度、距公路距離作為人為因子,單因子影響力探測結果見圖4。單因子驅動下,瑪曲ESV空間分布的驅動因子主要是溫度和DEM,二者的影響力分別達到17.03%、16.90%,其他因子對ESV空間分布的影響力較低,坡度、降水量、距公路距離、人口密度的影響力分別為5.54%、2.49%、0.64%、0.04%。

圖4 單因子影響力

瑪曲縣ESV高值區主要集中在年平均氣溫高于0.9 ℃以及高程為3 263～3 625 m 的地區,其土地覆蓋類型主要為濕地、水系等,由此可見,地形條件及氣候條件作為生態格局形成的重要因素,對于ESV也有突出貢獻。值得注意的是,盡管人口密度的影響力僅0.04%,但這并不意味著人類活動對于研究區ESV未產生顯著影響。由于統計量q在數理統計角度的意義是反映不同分類方式下樣本方差的差異,而人口聚集區的分布范圍過小導致等距抽樣下樣本點的數目過少,因此總體上不易反映出人口密度對ESV的影響。人類活動過程中通過下墊面改造等方式對局部生態系統產生的破壞以及影響不應忽視。

研究區ESV并非僅受到單因子影響,多因子交互作用造成ESV的異質性,多因子交互作用的影響見表5。溫度與DEM 交互作用的影響力達20.35%,交互作用呈雙因子增強,溫度往往制約著植被的生長以及分布,而DEM 則影響著區域產匯流過程并控制水系的走勢,二者影響的濕度、氣壓等氣象條件共同決定著生態格局。此外,溫度與DEM 并非是2 個完全獨立的因素,氣溫往往隨著海拔的上升而下降,兩者存在緊密聯系,因此兩者的交互作用呈現出雙因子增強。

表5 多因子交互作用的影響 %

DEM 與距公路距離、溫度與距公路距離交互作用的影響力分別達到19.90%、18.88%,交互作用均呈現非線性增強。生態格局受DEM、溫度制約的同時,也受到人類活動的一定影響,距公路距離一定程度上反映了人類擾動的程度,瑪曲縣西北部受人類擾動較小,灌叢等植被易于保留,東南部受人類擾動較小的區域中濕地斑塊的分布也較為集中。

由此可見,瑪曲縣ESV空間分布受到自然條件及人類活動的共同影響,但主要受自然因子制約。溫度、DEM 是主要的驅動因子,人類活動對ESV空間分布的影響主要表現為與自然因子交互作用下產生的非線性增強效果。

4.4 討論

25 a 來瑪曲縣生態格局變化幅度先減小后增大,ESV呈現波動上升趨勢。1995—2005 年濕地大幅度萎縮,日漸干涸并退化為草地,2010 年后逐步恢復,濕地的演變趨勢與薛鵬飛等［7］研究的瑪曲縣1995—2018 年濕地變化趨勢基本相同,但本研究統計的濕地面積稍大,一方面可能來自于遙感影像的解譯誤差,另一方面可能與遙感影像的時相選取有關。就瑪曲濕地而言,暖季徑流補給較冷季的更為充沛,暖季遙感影像解譯出的濕地面積較冷季的大。在生態格局的變化方向上,本研究結果表明濕地向草地的轉化在濕地變化中占主要地位,這與褚琳等［6］得出的濕地退化以沼澤草甸向亞高山草甸退化為主的結論基本一致。本研究核算的ESV值與謝高地等［5］研究得到的2010 年全國及甘肅省的ESV值相比較高,表明瑪曲縣對于黃河源區生態環境維持的貢獻很大。相較于李晉昌等［13］計算的1975—2005 年瑪曲縣ESV值,本研究計算的ESV值顯著增大,這主要是由當前對于生態服務功能認識的深化(生態服務功能種類由9 種增加至11 種)以及標準當量因子價值的提高(從884.9 元/hm2提高至3 406.5 元/hm2)引起的［14-16］。

5 結論

(1)1995—2020 年瑪曲縣生態格局變化幅度總體上先減小后增大,草地及濕地面積變化較大,生態格局變化以二者間的相互轉化為主；城鎮、裸地、荒漠的面積變化較劇烈,城鎮面積變化以草地轉城鎮為主,荒漠面積的變化以荒漠轉草地為主,裸地面積的變化以草地轉裸地、裸地轉冰雪為主。

(2)瑪曲ESV值總體呈現波動增長趨勢,2000 年ESV最小(為575.7 億元)、2020 年ESV最大(為857.2 億元)。水文調節、氣候調節、生物多樣性維持等生態服務功能具有較高的ESV。水資源供給、水文調節ESV易隨生態格局的變化而出現大幅度波動。瑪曲縣ESV空間分布不均勻,呈東南高、西北低的分布格局。

(3)瑪曲ESV受自然因子及人為因子的共同影響,以自然因子為主導。溫度、DEM 單因子影響力分別達到17.03%、16.90%,是主要的驅動因子；溫度與DEM 的交互作用最強,影響力達20.35%,人類活動對ESV空間分布的影響主要表現為與自然因子交互作用下產生的非線性增強效果。