2000—2020年三峽庫區生態系統服務時空演變及驅動力研究*

陳 丹 曾 衛 郭凱睿 王福海

0 引 言

生態系統服務被定義為人類從生態系統中獲取直接和間接效益[1-2]，包括供給、調節、文化和支持等四大類服務[3-4]，具有支撐人類可持續發展的重要作用，是生態安全的核心內涵和生態保護研究的重點內容。前期研究主要關注生態系統服務價值和功能兩個方面[5-6]，聚焦基于土地利用要素建構指標體系評價區域生態系統服務功能或服務價值的演化特征[7-8]，借助相關性分析、均方根誤差法和地理探測器等數理模型，揭示生態系統服務變化的驅動因素[9-10]。相關成果多為生態系統服務功能及其驅動力的靜態研究，對流域生態系統服務多種復合綜合功能在長時序、多維度上的動態跟蹤研究相對較少。

三峽庫區是長江流域生態保護與修復的關鍵區域[11]，生態系統服務變化直接影響著長江流域的生態安全[12]。三峽庫區的生態系統服務研究通常針對行政區內的土地利用價值當量法進行估算，抽離了山地流域復雜的自然地氣候條件以及多樣的社會經濟行為要素[13]，僅分析土地生態系統服務價值無法完全反應流域生態系統服務的綜合能力。雖然也有從供給、調節、文化和支持四項服務功能分析單一庫段或典型區域的生態系統服務能力及驅動因素[14-15]，但由于研究范圍較小、驅動因素維度有限、流域多尺度分析不足，導致不能很好的揭示三峽庫區生態系統服務演化的整體性趨勢和差異性特征。

因此，三峽庫區生態系統服務研究亟需突破傳統行政區單元評價的限制，以1km×1km網格為最小評價單元，基于跟蹤調研和遙感解譯獲取近20年三峽庫區土地利用現狀數據[16]，評價三峽庫區流域生態系統服務的供給功能、調節功能、支持功能，建構涵蓋氣候變化、地形條件、開發強度等自然因子和人為因子驅動要素體系，揭示三峽庫區生態系統服務能力時空演化的多尺度特征，識別影響生態系統服務能力變化的多維度驅動要素，為實現三峽庫區生態保護提供科技支撐和輔助決策。

1 研究區概況

三峽庫區共涉及26個行政區，包括重慶市江津區、巴南區、大渡口區、九龍坡區、南岸區、沙坪壩區、北碚區、渝中區、渝北區、江北區、長壽區、涪陵區、武隆區、豐都縣、石柱土家族自治縣、忠縣、萬州區、開州區、云陽縣、奉節縣、巫溪縣、巫山縣22個區縣，以及湖北省巴東縣、秭歸縣、興山縣、夷陵區4個區縣。本研究參考重慶市環境科學研究院提出的庫區分段方法[17]，在各區縣尺度上進一步將三峽庫區劃分為庫首、庫中和庫尾三大區域。

2 數據與方法

2.1 數據來源和處理

2.1.1 基礎數據

本研究時段為2000至2020年，以五年時間切片，即2000年、2005年、2010年、2015年和2020年。利用美國30 m空間分辨率的陸地衛星（Landsat）專題地圖遙感數據作為區域土地利用變化的圖像數據源,在ERDAS軟件平臺中，對不同時期專題制圖儀（TM）和陸地成像儀（OLI）遙感數據進行輻射校正和幾何校正處理，并提取遙感圖像4、3、2波段數據，形成假彩色遙感圖像，采用中科院“八五”期間的土地利用分類標準，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六種土地利用類型，采用監督分類和人工目視解譯相結合的方法進行人機交互解譯，提取庫區土地利用柵格數據[16]，為確保土地利用分類數據精度，各年份隨機選取500個樣點，借助地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn/）中的高清遙感數據進行解譯精度驗證，五期數據驗證精度均高于83%。地形數據主要采用ASTER GDEM 30M產品數據，影像數據和地形數據來源于地理空間數據云平臺。行政區矢量數據來源于地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn/)。

2.1.2 驅動因子

結合三峽庫區流域復雜山地本底條件，基于國際經濟合作與發展組織（OECD）提出的壓力—狀態—響應（PSR）評價模型[18]，將生態系統服務功能作為生態系統響應層；從生態壓力和生態狀態解析生態系統服務驅動力，包括7個要素類型和19個因子（表1）。為消除因子單位影響和類型影響，研究過程中對各因子進行無量綱化處理，正向因子標準化參照公式（1），逆向因子標準化參照公式（2），適度因子標準化參照公式（3）。

表1 三峽庫區生態系統服務驅動因子指標體系表Tab.1 index system of ecosystem service drivers in the Three Gorges Reservoir Area

式中，a1和a2分別表示適度指標最佳范圍區間的最小值和最大值。

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務評估

從生態系統服務的供給功能、調節功能、支持功能三個類型層面，對水源涵養、土壤保持、氣候調節和生物多樣性維護等四個服務功能進行評價。

2.2.1.1 水源涵養服務

生態系統的水生產服務能力是人類生活和生產的重要前提，水源涵養服務是反映區域水生產服務供給能力的核心指標[19]，水源涵養服務主要采用水源涵養供給總量進行測算[20-21]，測算公式如下：

WStr代表第t年格網r中的水源涵養供給總量，Ptr表示第t年格網r中的年均降水量，ETtr表示第t年格網r中的降水蒸散發量，Rtr表示第t年格網r中的累積地表徑流量，地表徑流量由降水量和地表徑流系數乘積獲得。確定林地和草地地表徑流系數分別為4.65%和3.94%，其他土地利用類型徑流系數為0[22-23]。

2.2.1.2 土壤保持服務

土壤保持服務反映庫區生態系統是否能夠減少或避免水蝕所致的土壤侵蝕作用[24]，本研究基于修正通用土壤流失方程（RUSLE for The revised universal soil loss equation）[25]，確定庫區土壤保持服務指標測算公式如下：

Atr代表第t年格網r中的土壤保持規模，REtr表示降雨侵蝕力因子，降雨侵蝕力測算采用月降雨數據進行計算,表示第i月的降雨量，SEtr表示土壤可侵蝕性因子，LS表示坡長坡度因子，CCMtr表示植被覆蓋與管理因子，CMtr表示水土保持措施因子。

2.2.1.3 氣候調節服務

本研究通過測算碳儲量來反應區域氣候調節服務，結合InVEST模型中碳儲量測算模塊，在年度土地利用類型數據基礎上，綜合考慮地上、地下、死亡有機質、土壤有機質的碳庫量[26]，具體測算公式如下：

Ctr代表第t年格網r中的碳固持總量，Cti1表示第t年i類土地覆被的地上碳密度，Cti2表示第t年i類土地覆被的地下碳密度，Cti3表示第t年i類土地覆被的死亡有機質碳密度，Cti4表示第t年i類土地覆被的土壤有機質碳密度，Artri表示第t年格網r中i類土地覆被的總面積。

2.2.1.4 生物多樣性維護服務

生境狀態是區域生物多樣性維護的重要內容，研究采用InVEST模型中生境適宜性（Habitat Suitability）模型測算區域生物多樣性維護服務能力[27]，該模塊是通過分析人類土地利用或自然災害對其生物多樣性的威脅程度，結合每一種生境類型對每一種威脅的相對敏感性，以此反映區域生物多樣性。

2.2.1.5 綜合服務功能

研究采用生態系統服務綜合指數反應區域生態系統綜合服務功能，為了消除四類生態系統服務功能指標量綱，在測算生態系統服務綜合指數前對單要素進行標準化處理，處理方式采用公式（1）。式中，Srtrj為第t年分析格網r中標準化后的指標數值，Xtrj為第t年分析格網r中第j項指標的原始值，Max（Xi）和Min（Xi）分別表示研究區所有年份j指標的最大值和最小值。本文區域生態系統服務綜合指數采取累加模式，如下公式（8）所示。

2.2.2 空間相關性分析模型

2.2.2.1 Moran’s I

空間相關性是地理學第一定律，地理事物和屬性在空間分布上存在相互關系，即相關性，且相近的事物關聯更加緊密[28-29]。本研究基于全局空間自相關Moran’s I分析研究區生態系統服務功能在地理分布上的相關性，判斷指數在三峽庫區是否存在集聚分布特征。Moran’s I大于0表示兩個區域內的觀測值正相關，小于0表示負相關，絕對值越大表示正相關或負相關關聯性越強，絕對值越小表示關聯性越弱。

2.2.2.2 冷熱點格局分析

在區域空間自相關性分析基礎上，借助Getis-Ord Gi*模型觀測冷熱點高值和低值的空間集聚程度，進一步分析三峽庫區生態系統服務功能的分布特征和時空演化規律。

2.2.3 驅動力分析方法

基于地理探測器[30]分析生態系統服務功能驅動力的時空分異特性，探索各類驅動因子與生態系統綜合服務功能之間的時空相關性，通過決定力q值度量自變量對因變量的空間分異解釋程度，q代表驅動因子對生態系統服務功能空間分異的解釋力度，值域范圍為[0,1]，值越大表示解釋力度越大。同時，采用地理探測器模型中的交互探測器，識別驅動因子兩兩不同組合情況下，對生態系統服務功能綜合指數的解釋能力是否增強、減弱或為獨立變量。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務單要素時空變化分析

如圖1所示，三峽庫區的氣候調節服務功能和生物多樣性維護服務功能保持較好，指數均超過0.7；但水源涵養服務功能和土壤保持服務功能較弱。2000至2005年水源涵養和土壤保持的要素值分別下降0.16和0.08，快速下降的區域集中在長江東側地形起伏度較大且地質災害頻發區域，以及庫尾高速城鎮化的重慶主城區。2015至2020年隨著長江流域生態修復政策的實施，長江沿線水源涵養服務功能和土壤保持服務功能顯著提升，但重慶主城區水源涵養服務功能持續下降，且服務功能低值區面積隨建設用地的擴張不斷增大。

圖1 三峽庫區生態系統服務單因素指數時空變化分析圖Fig.1 analysis of spatio-temporal changes of ecosystem service single factor index

3.2 生態系統綜合服務功能指數時空演變分析

將三峽庫區生態系統綜合服務功能指數劃分為6個區域，分別是高值區（≥3）、較高值區（2.5～3）、中值區（2～2.5）、略低值區（1.5～2）、較低值區（1～1.5）、低值區（＜1）（圖2）。二十年間三峽庫區生態系統綜合服務功能指數整體表現為急劇下降到逐步上升兩個階段，庫首提高2.75%，庫中下降1.13%，庫尾下降14.48%。綜合服務功能高值區主要分布在植被覆蓋度較高且人為活動不活躍的萬傾山、云峰山、巫山、武陵山、仙女山等范圍，并與較高值區共同呈現條帶狀分布。2000至2005年，三峽庫區蓄水初期綜合服務功能指數較高值及以上的面積驟降，庫區綜合服務功能指數下降10.71%，且從庫首到庫尾下降幅度逐漸增大，此變化在一定程度上與庫區三峽大壩建設、移民遷建和首次大面積蓄水導致長江沿岸大量土地流轉和覆被淹沒有關[31]。2005年后，庫區綜合指數持續提高，以庫首和庫中萬州、開州、云陽和忠縣等區域最為顯著，庫尾除長壽區明月山和長壽湖兩大生態源地綜合指數有所提升外，其他各區縣在快速城鎮化和工業化發展時期皆呈現下降趨勢，且庫尾低值區域以渝中區、江北區、沙坪壩區為中心逐年往外擴張。

3.3 生態系統服務時空相關性及分異特征分析

三峽庫區生態系統綜合服務功能具有非隨機的高度空間聚集性和較強空間關聯性（圖3），且隨時間變化空間聚集性和關聯性持續增強。熱點區域主要分布在庫中南部和庫首南北部的生態系統綜合服務功能指數較高區域（圖4），冷點區域集中在庫尾經濟發展迅速且人類活動頻繁的重慶主城區，對生態環境帶來較大的壓力；庫中的萬州區、開州區、云陽縣、忠縣等區縣處于生態系統綜合服務功能的變化值熱點分布區，生態系統服務能力提升最為明顯。

圖3 三峽庫區生態系統服務綜合指數Moran散點圖Fig.3 comprehensive index Moran scatter plot of ecosystem services

圖4 三峽庫區生態系統服務綜合指數冷熱點區域分布圖Fig.4 comprehensive index cold and hot spot distribution map of ecosystem services

3.4 生態系統服務驅動因子地理探測

三峽庫區各庫段驅動因子的影響力空間分異特征明顯（圖5），生境面積比和土地利用強度是影響三峽庫區生態系統服務功能的主導因子，在庫中和庫首該對因子的q值高達0.8。庫首的地形位指數、植被覆蓋度和土地利用景觀格局等相關指數的解釋力相對較大，且土地利用景觀格局的影響力逐年提升，但植被覆蓋度的解釋力有所降低；人口密度和耕林草年減少率影響程度不高。庫中的生境面積比、土地利用強度、地行位指數均為區域高解釋力因子，而耕林草年減少率、人口密度均為區域低解釋力因子，植被覆蓋度、年均溫度、GDP、年均降水量和到建設用地距離等與區域發展和建設相關的社會經濟指標的解釋力不斷提升，且植被覆蓋度和年均溫度與其他因子交互后解釋力逐年增強，這是由于雙因子綜合作用都將提升原單因子對三峽庫區生態系統服務的解釋力度。庫尾土地利用強度和生境面積比的解釋力最大，且q值不斷上升；植被覆蓋度在庫尾的q值增長高達0.5；城市建設用地、道路等空間布局對庫尾解釋力度逐步增強，但土地利用景觀格局對該區域的影響較弱。

圖5 2000—2020年間三峽庫區不同庫段生態系統服務驅動因子q值變化圖Fig.5 changes of ecosystem service driving factor q in different reservoir sections of the Three Gorges Reservoir Area

4 結論與討論

本研究從供給功能、調節功能、支持功能三個層面，構建土壤保持服務、水源涵養服務、氣候調節服務和生物多樣性維護服務等方面生態系統服務功能評價指標，以1km×1km格網單元為基礎，從流域整體、庫段片區和區域內部三個尺度分析生態系統服務功能的時空分布和演變特征，識別不同尺度上的核心驅動因素及時空變化。結果表明，基于多功能維度的生態系統服務綜合評價可以較為準確的反映三峽庫區生態系統服務單個功能和綜合能力的演化態勢；基于PSR模型，綜合三峽庫區流域山地本底特征，建構涵蓋自然因素、人類活動、社會經濟的7大類要素和19個指標的驅動力識別體系，解釋各庫段的生態系統服務驅動力動態變化，嘗試解決流域生態系統服務研究中經濟、社會等宏觀指標與行政區域綜合指數對應性弱、解釋性模糊的問題，更為綜合的揭示三峽庫區生態系統服務功能時空狀態和核心驅動因子。

同時，三峽庫區流域生態系統服務功能表現出逐漸增強的空間同質聚集性，隨著長江流域天然林保護和退耕還林還草等政策實施，區域自然環境得到較大改善，加強對三峽庫區水環境、空氣、土壤等污染監測與治理，顯著提高了庫區生態系統服務能力；流域環境整治與生態修復工程，同步提升了生態系統的穩定性。三峽庫區生態系統服務綜合能力的空間異質性受到環境變量和社會經濟變量雙因子增強效應的影響，各庫段生態系統形成過程的差異性驅使服務功能的決定因子不同，但土地利用強度和生境面積比始終是影響三峽庫區生態系統服務功能的極重要因子，表明控制區域土地利用強度和重視區域生態用地占比對庫區生態系統服務功能的提升至關重要。

而山地自然本底條件對三峽庫區流域生態系統服務功能也有較強的決定力。庫首和庫中土地利用景觀格局對服務功能的決定力不斷增強，尤其需要關注庫首生態本底條件較好區域的景觀類型多樣化發展；庫尾的建設布局對生態系統服務功能的影響持續增強，進而導致植被覆蓋度的決定力增強值達0.5以上，且區域降水量也逐漸成為重要影響因子，因此庫尾段需特別注重建設和交通用地的合理規劃，且重點監測區域內植被覆蓋狀況和降水量。

由于本研究范圍大、時序長、多源異構數據多、資料采集難，導致在驅動力要素中沒能納入生態安全實時監測數據，對政策文件、投入產出等其他影響因素考慮不足，后續研究中將補充生態環境污染、地質災害等實時監測數據，以及生態保護資金投入、生態修復工程項目等工程建設情況，完善影響生態系統服務功能變化的驅動力要素體系。同時，細化數據粒度，進一步探討自然環境要素、人為要素等因素對生態系統服務驅動的內在機理，為三峽庫區流域生態保護和生態修復提供科學支撐。

圖表來源：

圖1-5：作者繪制

表1：作者繪制