大宁河流域生态系统服务权衡关系梯度效应

勾蒙蒙,李 乐,刘常富,2,*,肖文发,2,王 娜,欧阳帅,胡建文

1 中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所,国家林业和草原局森林生态环境重点实验室,北京 100091 2 南京林业大学南方现代林业协同创新中心,南京 210037 3 中南林业科技大学生命科学与技术学院,长沙 410004

生态系统服务是指生态系统形成和维持人类生存和发展的自然条件与效用,是人类通过生态系统功能直接或间接获得产品和服务的总和[1—2]。地球进入人类世以来,随着经济社会迅速发展和人口数量急增,愈发剧烈的人类干扰引发了水土流失、面源污染、生物多样性减少等一系列生态环境问题,对生态系统功能和服务产生了严重影响[3]。究其原因,主要是人类与自然博弈过程中需求偏好使生态系统服务间往往表现出相互交织、复杂的非线性关系(即权衡关系),具体表现为过度消费或追求单一生态系统服务会直接或间接导致其他生态系统服务供应减少[4—5]。例如,海河流域开展的三北防护林和京津风沙源治理工程等有效提高了防风固沙服务,但减弱了水资源供给服务[6]。因此,科学认知生态系统服务权衡关系是生态系统服务研究的重要领域与核心问题,也是可持续生态系统管理的前提和基础[7—8]。

随着生态系统服务相关研究不断深入,国内外学者在生态系统服务权衡空间制图、量化表达、优化调控等方面取得了诸多进展[9—10],相关研究成果也已应用到生态保护修复工作中。但多数研究仍忽略了具体的变量对生态系统服务及其权衡关系的影响,缺乏生态系统服务权衡空间分异规律的有效探讨[11],因此基于全域的分析结果难以适应局部生态保护修复需求。事实上,受地形、植被覆盖、人类活动等差异的影响,生态系统服务权衡关系往往会表现出一定的梯度效应,即区域内和区域间的生态系统服务及其权衡关系具有明显的空间分异规律,尤其是对山区而言[12—13]。近年来,生态系统服务空间分异规律逐渐成为研究的热点[14]。徐彩仙等[15]从高程、坡度、地形起伏度等方面分析了白龙江流域生态系统服务的地形梯度分布特征。刘晓娜等[16]从植被覆盖度和土地开发程度变化入手研究了北京湾生态系统服务的梯度效应。上述研究大多分析了外部驱动因素对生态系统服务的影响,但生态系统服务权衡关系对不同驱动因素的梯度响应仍未得到有效探讨。考虑到不同的驱动因素具有尺度差异性,生态系统服务供给、分布和权衡关系在不同的空间尺度也可能有所不同[17]。目前涉及生态系统服务权衡关系的相关研究多集中在区域尺度上,基于环境因子分异的子区域尺度上权衡关系研究仍相对较少,因此区域尺度的研究结果在生态系统的精细化管理方面仍具有一定的缺陷[18]。

大宁河流域是三峡库区重要的水源涵养区和生物多样性丰富区,在保持水土、改善水质和维护三峡库区生态安全等方面具有极其重要的作用。与此同时,该流域也是典型的山地流域,环境空间分异明显,生态环境脆弱导致的水土流失、石漠化现象仍较为严重[19]。基于此,本文以大宁河流域为研究区域,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)模型等对2018年的粮食生产、碳固持、土壤保持、产水量等4种生态系统服务进行量化评估,进一步选取海拔、降雨量和植被覆盖度3个典型的环境梯度因子,深入探讨生态系统服务及其权衡关系的梯度效应,以期推动生态系统服务精细管控和区域可持续发展。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

大宁河流域(108°47′—110°09′E,31°04′—31°44′N)地处三峡库区腹地,是三峡库区内最大的流域,总面积约为4359 km2(图1)。该流域为典型的喀斯特地貌,地貌类型以山地和丘陵为主,海拔范围为42—2761 m,在空间上呈现北部、东部高而中部、南部低的分布格局。大宁河流域属亚热带季风性气候,年平均温度约为16.6℃,年降雨量约为1224 mm。主要的土壤类型为黄壤、黄棕壤和棕壤。流域内土地利用类型以林地和耕地为主,占流域总面积的比例分别为60.23%和24.06%,其中林地主要分布在北部、东部海拔较高的地区,耕地则呈现空间总体破碎、中部集中的分布趋势。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

本文主要涉及的数据有土地利用数据、归一化植被指数(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)数据、地形数据、土壤数据、气象数据、社会经济统计数据等6类。30 m空间分辨率土地利用数据来源于资源环境数据云平台(https://www.resdc.cn/),包含耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6类土地利用类别。NDVI数据以Landsat 8遥感数据为数据源,经过辐射定标、大气校正等预处理后,通过组合近红外波段和红外波段的方式获取。数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn),空间分辨率为30 m。土壤数据通过1∶100万中国土壤数据库获取,该数据主要包含土壤类型、质地、土壤有机碳含量、各粒径比例等。气象数据来源于国家气象科学数据中心(https://data.cma.cn/),包括日降雨量、平均气温、平均风速、日照时数等,采用ANUSPLIN软件进行空间插值生成空间分辨率为30 m的栅格数据。社会经济统计数据来源于《巫山县2019年统计年鉴》、《巫溪县2019年统计年鉴》、《奉节县2019年统计年鉴》。

2.2 典型年份选取

图2 大宁河流域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年期间,大宁河流域平均降雨量为1092.39 mm,降雨量呈现明显的年际变化(图2)。根据《水文情报预报规范(SL250—2000)》[20],采用距平百分比法对大宁河流域降雨量进行丰枯划分,其中距平百分比大于15%为丰水年,小于-15%为枯水年,处于-15%—15%范围内为平水年。根据划分结果,大宁河流域多数年份为平水年,虽然降雨呈波动变化趋势,但近几年波动相对平稳,且均为平水年。因此,综合考虑平水年典型性、数据可用性、研究时效性等因素,本文选取2018年为平水年典型年份开展生态系统服务权衡关系梯度效应分析。

2.3 生态系统服务评估

2.3.1粮食生产

粮食生产是自然生态系统,特别是农业生态系统最重要的供给服务之一,采用NDVI校正法将县域内粮食产量重新分配至栅格尺度[21],公式如下：

(1)

式中,FSi为第i个栅格分配的粮食产量(kg/hm2)；Ysum为区县主要粮食作物的总产量(kg)；NDVIi和NDVIsum分别为第i个耕地栅格的NDVI和所在区县耕地NDVI的总和。

2.3.2碳固持

碳固持指的是陆地生态系统通过光合作用将大气中的CO2捕获并封存的过程,可有效缓解温室效应和全球气候变化[22]。在本文中,将净初级生产力作为碳固持服务的表征指标,采用CASA模型进行评估,公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中,NPP(x,t)为像元x在t月的净初级生产力(g C/m2)；APAR(x,t)为像元x在t月吸收的光合有效辐射(MJ/m2)；ε(x,t)为像元x在t月的实际光能利用率(g C MJ-1)。

2.3.3土壤保持

土壤保持是指潜在土壤侵蚀与实际土壤侵蚀的差值,采用RUSLE模型进行评估,公式如下：

SR=R×K×LS×(1-C×P)

(3)

式中,SR为年土壤保持量(t/hm2)；R为降雨侵蚀力(MJ mm hm-2h-1),采用章文波等[23]提出的基于日降雨量的经验模型进行计算；K为土壤可蚀性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1),利用EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型进行计算；LS为坡长坡度因子,无量纲；C为植被覆盖因子,无量纲；P为水土保持措施因子,无量纲。

2.3.4产水量

采用InVEST模型中产水模块评估大宁河流域的产水量,公式如下：

(4)

(5)

PETx=Kc,x×ET0,x

(6)

(7)

式中,WYx为栅格x的年产水量(mm)；AETx为栅格x的年实际蒸发量(mm)；Px为栅格x的年降雨量(mm)；PETx为栅格x的年潜在蒸发量(mm)；ω是表示自然气候-土壤性质的非物理参数,无量纲；Kc,x为栅格x的作物蒸散发系数,无量纲；ET0,x为栅格x的参考作物蒸散(mm)；Z为Zhang系数[24],代表了区域降水分布及其他水文地质特征；AWCx为栅格x的土壤有效含水量。

2.4 生态系统服务权衡分析

在生态系统服务评估的基础上,进一步对不同海拔、降雨量及植被覆盖度梯度下生态系统服务权衡关系进行分析。在ArcGIS软件中采用自然断点法将海拔、降雨和植被划分为3类,其中海拔梯度为>1000 m、1000—1600 m、>1600 m；降雨量梯度为>1100 mm、1100—1600 mm、>1600 mm；植被覆盖度梯度为>30%、30%—70%、>70%。自然断点法是目前常用的环境梯度划分方法,具有最小化组内差异、最大化组间差异的优势[25]。为进一步阐述梯度划分的合理性,本文绘制了降雨量、植被覆盖度及土地利用组成随海拔梯度变化图(图3),可以看出不同海拔梯度上的降雨量、植被覆盖度和土地利用组成等均存在非常大的差异,且降雨量、植被覆盖度在不同海拔梯度上的分布与自然断点法划分结果具有规律一致性。此外,土地利用是决定生态系统服务及其权衡关系重要的因素之一,在不同的梯度分布下,土地利用的组成及其比例均存在较大的差异,从而对生态系统结构、功能、服务及其权衡关系产生了影响,因此基于自然断点法划分的梯度可进一步被用于生态系统服务权衡关系梯度效应研究。

图3 降雨量、植被覆盖度及土地利用组成随海拔梯度变化图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)方法对不同梯度下生态系统服务权衡关系进行量化。该方法通过描述生态系统服务标准差与平均生态系统服务标准差的平均差异,将权衡传统的负相关关系拓展到变化幅度的不均匀率,从而量化任意两个或两个以上生态系统服务的权衡关系[26—27]。公式如下：

(8)

(9)

式中,ESstd归一化后的生态系统服务；ESobs为单项生态系统服务的实际值；ESmin和ESmax分别为单项生态系统服务中的最小值和最大值。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务空间分布特征

从空间分布上来看,大宁河流域2018年粮食生产、碳固持、土壤保持、产水量空间分布具有显著差异(图4)。具体来说,粮食生产服务在0—4264.83 kg/hm2之间,在中部和南部呈现集中分布趋势,在北部呈现破碎化趋势,且高值区主要分布在北部。碳固持服务范围为4.13—706.65 g C/m2,均值为293.64 g C/m2,在空间上呈现由西北向东南逐渐递减的分布规律,其在东部的高值区与神农架自然保护区有较高的空间重叠。土壤保持服务的空间分布上主要受降雨、地形、植被等因素的影响,其高值区主要分布在西部和东部,中部区域海拔低,坡度较小,因此水土保持服务相对较小。产水量范围为0—1299.16 mm,其空间分布与土壤保持服务具有一定的相似性。

图4 大宁河流域生态系统服务空间分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem services in the Daning River Basin

3.2 生态系统服务梯度效应

如图5所示,2018年大宁河流域4种生态系统服务具有明显的沿环境梯度变化格局。其中粮食生产随海拔、降雨量的增加呈显著下降的趋势,但随着植被覆盖度的增加呈现显著上升后下降的趋势,当植被覆盖度达到70%以上,粮食生产供给能力明显不足。碳固持服务随海拔梯度的增加呈先增加后减少的趋势,当海拔处于1000—1600 m时,碳固持达到最大,为330.19 g C/m2；在降雨量和植被覆盖度梯度下,碳固持服务呈现随梯度增加而显著增加的趋势。土壤保持服务随海拔、降雨量和植被覆盖度梯度分布规律一致,均随着梯度的增加显著下降。产水量随海拔和降雨量梯度的增加表现为先显著上升后显著下降的趋势,当海拔处于1000—1600 m以及降雨量处于1100—1600 mm范围内产水量达到最大,分别为571.63 mm、662.57 mm；在植被覆盖度梯度下,产水量表现为随着植被覆盖度的增加也显著增加。总地来说,高海拔(>1600 m)、高降雨量(>1600 mm)、高植被覆盖度(> 70%)梯度下的粮食生产服务显著低于低海拔(<1000 m)、低降雨量(<1100 mm)和低植被覆盖度(<30%)梯度,而碳固持服务、土壤保持和产水量则显著高于低海拔、低降雨量和低植被覆盖度梯度。

图5 生态系统服务随海拔、降雨量和植被覆盖度梯度变化Fig.5 Changes of four ecosystem services along the gradient of elevation, precipitation, and vegetation cover fraction

3.3 两两生态系统服务权衡关系梯度效应

从流域整体上来看,不同生态系统服务对之间的权衡关系存在一定差异(图6；表1)。碳固持和产水量散点分布在1：1线附近,表明碳固持和产水量为弱权衡关系(RMSD=0.11±0.09)；土壤保持和粮食生产的RMSD值为0.14±0.09,二者之间存在中等程度权衡关系；碳固持与土壤保持、碳固持与粮食生产、土壤保持与产水量、产水量与粮食生产之间的RMSD值均大于0.26,表明其为强权衡关系。

表1 大宁河流域两两生态系统服务均方根偏差值

图6 不同梯度下两两生态系统服务散点图Fig.6 Scatter plot of paired ecosystem services along different gradients

从不同梯度下两两生态系统服务散点图分布和RMSD结果来看,不同的海拔、降雨量、植被覆盖度梯度下生态系统服务散点偏离1∶1线的距离以及RMSD值均不同,表明生态系统服务权衡关系具有明显的梯度效应和梯度敏感性(图6；表2)。海拔梯度下两两生态系统服务对的RMSD均呈现出显著差异,碳固持与产水量、碳固持与粮食生产的权衡关系随着海拔的增加呈现增加的趋势,但土壤保持与粮食生产权衡关系呈相反趋势。其余生态系统服务对虽然随着海拔梯度的增加呈现先增后减或先减后增的趋势,但进一步缩小海拔梯度范围时,梯度效应仍比较明显。当合并1000—1600 m和>1600 m海拔梯度时,碳固持与粮食生产的权衡关系在海拔大于1000 m时发生显著的增强。在降雨量梯度下,随着降雨量的增加,生态系统服务之间的权衡关系总体上呈减弱的趋势,其中土壤保持与产水量、产水量与粮食生产之间的关系随着降雨量的增加呈现显著下降的趋势。植被覆盖度直接参与了生态系统服务形成过程,其梯度变化对生态系统服务之间权衡关系也具有重要的影响,除土壤保持与粮食生产权衡关系外,随着植被覆盖度的增加,两两生态系统服务对之间的权衡关系均呈显著增加的趋势。

表2 不同梯度下两两生态系统服务均方根偏差值

3.4 多种生态系统服务权衡关系梯度效应

如图7所示,大宁河流域多种生态系统服务权衡的RMSD值为0.25±0.08,表明生态系统服务间存在强权衡关系。在海拔梯度下,当海拔<1000 m和>1600 m时,4种生态系统服务之间的权衡最小,RMSD值分别为0.24±0.07、0.24±0.09,最大权衡的RMSD值出现在海拔范围1000—1600 m。在降雨量和植被覆盖度梯度下,4种生态系统服务权衡的RMSD值随着梯度的变化呈一致的变化趋势,具体表现为随降雨量梯度增加呈权衡减弱趋势,而随植被覆盖度梯度增加呈权衡加强趋势。

图7 不同梯度下多种生态系统服务均方根偏差值Fig.7 Root mean squared deviation values for multiple ecosystem services under different gradients蓝色虚线为流域的均方根偏差值

4 讨论与结论

4.1 讨论

厘清环境因子对生态系统服务及其权衡关系的影响,有助于进一步加强生态系统服务认知,为合理调节人类活动,因地制宜开展生态系统管理提供依据[28]。一般来说,地形、降水、植被覆盖等生态环境因子,以及人口密度、发展水平等社会经济因子与生态系统服务具有一定的关联性,其主要通过影响生态系统的结构、功能决定了生态系统服务空间分布[29]。考虑到大宁河流域所在的巫溪县、巫山县、奉节县经济水平一般,且难以获取高精度的社会经济因子空间栅格数据,因此在本文中只选取了海拔、降雨量、植被覆盖度3个典型的环境因子进行分析。

大宁河流域海拔呈北高南地、西高东低的趋势,林地主要分布在北部和东部海拔较高的地区,而农田主要分布在中部和南部以丘陵地貌为主的低海拔地区,因此粮食生产服务高值区集中分布在中部和南部区域,而北部区域则较为分散,且随着海拔梯度的增加呈现降低的趋势。降雨量是决定陆地生态系统生产力重要的气候因素,降雨量增加能够显著增加生态系统碳固持[30],加之植被覆盖度与生产力之间存在高度线性关系[31],因此碳固持服务随降雨量和植被覆盖度梯度呈显著增加的趋势。在本文中,土壤保持量通过潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值获得,二者均受到受降雨量、地形因子和土壤可蚀性影响,实际土壤侵蚀量很大程度上还依赖于植被覆盖因子[32]。大宁河流域高海拔、高降雨量区域内的林地覆盖比例较高,因此具有较高的植被覆盖度,有效加强了土壤保持服务,与三峡库区开展的水土保持研究结果一致[33—34]。产水量随植被覆盖度的增加呈现增加的趋势,但随海拔、降雨量梯度增加并未显示一致规律,可能与产水量复杂的植被和降雨相互作用关系有关[35]。

与生态系统服务分布特征一致,生态系统服务之间的复杂关系同样受到自然因素和人类因素的共同作用影响。本文采用RMSD方法量化了生态系统服务之间的权衡关系,通过分析不同梯度下生态系统服务之间的RMSD值及其梯度变异规律,有助于加强生态系统服务权衡关系理解。综合来看,在流域上碳固持与粮食生产为强权衡关系,主要由于农田和林地分布具有不均衡性。与以往研究不同的是,在本文中碳固持与产水量为弱权衡关系,而碳固持与土壤保持量为强权衡关系,原因在于碳固持高的地方降雨量比较充沛,相应地导致了产水量和土壤侵蚀量的增加,即降水对碳固持存在阈值效应[9,36]。生态系统服务权衡梯度效应分析结果表明,随着植被覆盖度增加,生态系统服务权衡趋于加强,表明植被覆盖度是大宁河流域生态系统服务权衡的主要驱动因素,植被对生态系统服务的约束效应调整了生态系统服务产生和传递过程,从而改变了生态系统服务之间的关系[37],侧面反映了长期以“变绿”为主要目标的生态保护修复工程可能会导致生态系统服务权衡加强,强调了生态保护修复过程中的协调理念。相对于植被覆盖度梯度,降雨量梯度的增加有效增加了碳固持、土壤保持和产水量服务等,从而导致生态系统服务权衡关系呈现随梯度的增加而减弱的趋势。在海拔梯度下,海拔梯度的变化只对部分生态系统服务对产生了同向影响,其原因在于海拔梯度的增加往往伴随降雨量、植被覆盖度等自然因素的改变,即在海拔梯度下,多种环境因子的交互作用决定了生态系统服务权衡关系[13]。因此,在未来生态系统管理和政策制定过程中,既要考虑流域内生态系统服务总体权衡,又要统筹不同立地条件、不同气候、不同植被覆盖影响下生态系统服务的权衡梯度效应,从而制定分类分区管理政策,达到生态系统服务局部协调和整体优化的目标。

虽然本文采用空间代替时间方法研究了典型平水年份生态系统服务及其权衡关系的梯度效应,但生态系统服务之间的关系及其驱动因素仍具有较强的时间尺度依赖性[12,28],相对于海拔和植被覆盖度,降雨量在时间尺度上仍具有较大的空间分布不均衡性,因此未来有待于结合多时间序列数据进行分析。

4.2 结论

本文基于大宁河流域2018年粮食生产、碳固持、土壤保持和产水量4个生态系统服务评估结果,在海拔、降雨量、植被覆盖度3个环境因子的梯度下探究了生态系统服务的梯度分异规律,采用RMSD方法定量刻画了不同梯度下两两生态系统服务以及多种生态系统服务权衡关系的梯度变化趋势。结论如下：

(1)大宁河流域生态系统服务具有较强的空间异质性。粮食生产高值区主要分布在海拔较低的中部和南部地区；碳固持呈由西北向东南递减的趋势；土壤保持和产水量高值区分布有一定相似性,主要分布在西部和东部地区。

(2)生态系统服务随海拔、降雨量和植被覆盖度的变化表现出一定的梯度效应。粮食生产随海拔、降雨量和植被覆盖度的增加呈下降的趋势,而土壤保持随3种环境因子的增加呈上升趋势,碳固持和产水量总体上表现为随环境因子增加而增加的趋势。

(3)大宁河流域碳固持和产水量为弱权衡关系,土壤保持和粮食生产为中度权衡关系,其余生态系统服务对为强权衡关系。

(4)环境因子的梯度效应显著影响了生态系统服务之间的权衡关系。植被覆盖度梯度增加推动了生态系统服务权衡度增加,而降雨量梯度增加显著减少了生态系统服务权衡趋势；海拔梯度的增加显著增加了碳固持与土壤保持量、土壤保持与粮食生产的权衡关系,削弱了碳固持与产水量的权衡关系。

致谢：本研究得到湖北秭归三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站的支持。