黄河源玛曲县生态格局及生态服务价值演变分析

赵伟明，杨忆昕，黄 草，3，丁世星，赵志尧

(1.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；2.长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；3.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）

1 引言

生态系统为人类福祉、健康、生存发挥了至关重要的作用［1］。生态服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用［2］,通过计算生态服务价值(ESV)可以定量评估生态服务功能。区域生态格局是指能够保护和恢复生物多样性,维持生态系统结构和过程的完整性,实现对区域生态环境问题有效解决的区域性空间格局［3-4］。合理分析区域生态格局并充分评价生态服务价值,有利于为区域生态环境保护、生态功能区划、生态补偿决策提供重要依据［5］。

湿地是陆生生态系统与水生生态系统之间交错的一种过渡生态系统［6］,被誉为“地球之肾”,湿地生态保护区在水源涵养、气候调节、物种贮存等方面具有极大价值。鉴于湿地生态保护区的重要性,近年来诸多学者分别对其生态格局和ESV展开研究［6-13］。褚琳等［6］基于玛曲县的土地覆盖类型转移矩阵,采用回归分析法研究玛曲县生态环境变化,认为2000—2010 年玛曲县生态环境受降水及温度影响而明显退化。但该研究的时间尺度较短,难以体现生态格局及ESV的演变规律。薛鹏飞等［7］采用遥感图像分析、地理信息系统空间分析和景观生态指数分析方法研究玛曲县1995—2018 年湿地景观格局的演变趋势,该研究在时间尺度上有所拓展,但仅以湿地为研究对象,未针对不同土地覆盖类型的生态过程进行探讨,不能充分体现生态格局变化。综上,关于高寒湿地生态保护区的生态格局及ESV演变的研究仍需要进一步完善。

玛曲湿地是青藏高原湿地面积较大、特征明显、最原始、最具代表性的高寒沼泽湿地,被誉为“黄河之肾”。然而,玛曲县因水土流失、干旱荒漠化而曾出现严重的湿地退化现象,地表水位逐年下降,水源涵养功能降低,气候调节、水土保持及生物多样性维持受到显著影响,生态保护及恢复面临严峻挑战［8］。本文基于玛曲县1995—2020 年的土地覆盖类型数据,采用当量因子法分析ESV的演变规律,结合地理探测器法探讨ESV空间分布的影响因素,以期为玛曲县生态保护提供参考。

2 研究区概况

玛曲县地处甘肃省甘南藏族自治州西南部,位于东经100°45′—102°29′、北纬33°06′—34°31′。境内平均海拔约3 700 m,属大陆性高寒湿润气候区,每年分为冷暖两季,冷季漫长阴冷,达300 余d；暖季光照充足,雨水丰沛,年均气温1.2 ℃,7 月气温最高(为10.8 ℃),1 月气温最低(为-9.4 ℃),年均降水量611.9 mm。境内分布两大山系,阿尼玛卿山自西向东横亘玛曲县中部,西倾山自北向南绵延入玛曲县北部。土壤有高山草甸土、亚高山草甸土、沼泽土、泥炭土、草甸化沼泽土等,以草甸土为代表性土壤。草地植被属于川西藏东高原灌丛草甸,灌木主要有高山杜鹃、高山柳、金露梅和沙棘等,草本植物有矮蒿草、线叶蒿、藏蒿草、珠芽蓼、高山龙胆等［8］。

黄河在玛曲县境内的流程为433 km,两岸冲积平原与山洪冲积扇重叠交错,形成宽阔的沼泽地,与若尔盖湿地连为一体。玛曲湿地年补给黄河水量占黄河源区径流总量的58.7%,是黄河上游最重要的水源涵养地,也是黄河上游水源体系及生态系统的绿色安全屏障。

3 数据与方法

3.1 数据来源

遥感影像数据选用1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年及2020 年6—9 月(植被生长季)Landsat 5 TM、Landsat 7 ETM、Landsat 8 OLI 数据,空间分辨率为30 m×30 m。DEM 数据选用Aster GDEM 数据,空间分辨率为30 m。NPP(净初级生产力)空间分布［9］与人口密度空间分布数据源自全球变化科学研究数据出版系统。降水数据源自中国气象网及2020年《中国水资源公报》。土壤类型空间分布［10］、年均气温空间分布、年均降水量空间分布数据源自中国科学院地理科学与资源研究所。道路空间分布数据源自OpenStreetMap(公开地图)。

3.2 遥感影像处理

首先利用Envi 分幅完成遥感影像的辐射定标与大气校正,再通过影像拼接得到各期的多光谱遥感影像,之后按玛曲县行政区边界进行空间裁剪,最后采用监督分类法解译影像。

参考《玛曲县生态状况评估报告》 及相关文献［11］,结合实际情况把玛曲县土地覆盖类型划分为8类,分别为冰雪、水系、城镇、湿地、裸地、草地、灌丛、荒漠。影像分类结果验证借助Google Earth 历史高分辨率遥感影像,选取验证样本进行混淆矩阵分析,计算得出总体分类精度大于0.90、Kappa 系数大于0.85,说明分类精度良好,满足研究需求。基于相邻两期土地覆盖类型分布图,依据空间分析建立各期土地覆盖类型转移矩阵,分析不同土地覆盖类型间的转化方向及转化强度。

3.3 当量因子法

根据谢高地等［5］研究的单位面积价值当量因子表获取玛曲县ESV系数,考虑玛曲县实际情况,草地的ESV系数取草原与草甸ESV系数的平均值,城镇的ESV系数依据裸地的ESV系数取值,标准当量因子取3 406.5 元/hm2(水平年为2010 年)［2］。依据不同生态服务功能,选用净初级生产力、降水量、土壤保持量校正ESV,不同土地覆盖类型面积由遥感影像解译取得。

ESV计算公式如下:

式中:ESVf为生态服务功能f的价值量；Ai为土地覆盖类型i的面积；Kfj为生态服务功能f在j时段内的校正系数；Vi为土地覆盖类型i的当量因子；S为标准价值当量因子；Nj为j时段内净初级生产力(或降水量、土壤保持量)；为净初级生产力(或降水量、土壤保持量)的全国年均值。

3.4 地理探测器法

采用地理探测器法分析生态格局演变的驱动因子［12］,以定量探测其空间分异性。该方法中如果因子X对现象Y的空间分布有影响,那么因子X与现象Y的空间分布具备相似性。通过对变量进行离散化处理,实现离散变量之间的分层,统计层内方差之和与区域总方差之间的关系,可以分析不同因子对现象Y空间分布的影响以及不同因子之间的交互关系。地理探测器表达式如下:

式中:q为统计量,值域为［0,1］,q值越大表示因子X对现象Y的影响越强；W为层内方差之和；T为总方差；L为因子X的分层总数；Nh、N分别为层h、全区的样本数量；、σ2分别为层h、全区的Y值方差。

地理探测器中多因子间的交互作用探测可以反映因子X1与因子X2共同作用时,是否增强或削弱对于Y的影响力,驱动因子间的交互作用判别依据见表1。

表2 土地覆盖类型面积及占比

4 结果与讨论

4.1 玛曲县生态格局演变

采用空间叠置方法分析各期不同土地覆盖类型的转化情况(见图1),统计研究区1995 年、2000 年、2005年、2010 年、2015 年、2020 年不同土地覆盖类型的面积及占比(见表1)。研究时段内不同土地覆盖类型之间的相互转化先减弱后增强。1995—2000 年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2020年土地覆盖类型面积转化率分别为16.17%、16.55%、11.47%、14.36%、23.39%。水系、灌丛面积整体呈波动增大趋势,荒漠面积呈波动减小趋势,草地、裸地面积呈先增大后减小趋势,湿地面积呈先减小后增大趋势,城镇面积大幅增大后逐渐趋于稳定。所有土地覆盖类型中草地、湿地面积变化较大,25 a 来两者面积累计变化量分别为112 576、65 973 hm2。城镇、裸地、荒漠面积累计变化幅度较大,分别为535.27%、310.23%、270.45%。

为讨论不同土地覆盖类型间的转化方向及强度,构建1995—2020 年土地覆盖类型转移矩阵,见表3。草地与湿地间的相互转化面积最大,在所有转化关系中占主导地位。对于面积累计变化幅度较大的城镇、裸地、荒漠,城镇扩张的土地覆盖类型主要是草地,荒漠萎缩的主要原因是荒漠向草地转化,裸地面积变化以草地转裸地、裸地转冰雪为主。

表3 1995—2020 年土地覆盖类型转移矩阵 hm2

4.2 玛曲县生态服务价值演变

基于单位面积价值当量因子法实现玛曲县生态服务功能的价值化,确定玛曲县不同土地覆盖类型的初始当量系数［5］。依据净初级生产力对食物生产、原料生产、气体调节、气候调节、净化环境、养分循环维持、生物多样性维持、美学景观服务功能的当量系数进行修正,依据降水量对水资源供给、水文调节服务功能的当量系数进行修正,依据土壤保持量对土壤保持服务功能的当量系数进行修正,修正后的当量系数见表4。

表4 当量系数

基于当量系数及玛曲县不同时期的生态格局,核算不同土地覆盖类型与生态服务功能的ESV值,其演变情况见图2。25 a 来玛曲县ESV值总体呈上升趋势,2000 年、2020 年ESV值分别达到谷值(为575.7 亿元)、峰值(为857.2 亿元)。2000 年研究区湿地、水系面积大幅萎缩以及年降水量减小,使水文调节的ESV值大幅下降,进而导致研究区总ESV值显著下降；2005 年生态系统净初级生产力提高以及降水量增大,使草地、湿地、水系的ESV值升高,促使研究区总ESV值回升；2020 年湿地、水系面积扩张,水文调节功能显著提升,使玛曲县总ESV值升高。

图2 各土地覆盖类型、生态服务功能的ESV 演变情况

研究区不同生态服务功能中水文调节、气候调节、生物多样性维持的ESV值较大,平均每年ESV值分别为225.5 亿、136.1 亿、91.4 亿元。各项生态服务功能中水文调节、水资源供给的ESV值变化较大,平均变化幅度分别为25.2%、24.9%,说明水文调节和水资源供给的敏感性较高,易随生态格局的变化而变化。而气候调节、养分循环维持、气体调节、原料生产的ESV值的平均变化幅度分别为6.15%、6.16%、6.24%、6.31%,说明这几种生态服务功能敏感性较低,不易随生态格局的变化产生波动。

玛曲县年均ESV的空间分布见图3,总体呈现出东南高、西北低的分布规律。玛曲县单位面积ESV高值区(＞23 万元/hm2)主要集中于玛曲县东南部曼日玛乡、采日玛乡、齐哈玛乡,单位面积ESV低值区(＜6.9 万元/hm2)集中于玛曲县西北部欧拉秀玛乡、木西和乡、欧拉乡。玛曲县东南地区水系、湿地面积占比较大,具有显著的水文调节、水资源供给功能,因而ESV值较高；而玛曲县西北地区阿尼玛卿山横亘其间,冰川、裸地面积占比较大,使得该地区ESV值较东南部的小。

图3 玛曲县年均ESV 的空间分布

总体而言,玛曲县单位面积年均ESV值约8.82 万元/hm2,与谢高地等［5］核算的2010 年全国单位面积ESV值(为3.97 万元/hm2)及2010 年甘肃省单位面积ESV值(为1.83 万元/hm2)相比,玛曲县单位面积年均ESV值分别是二者的2.22 倍、4.82 倍。玛曲县作为黄河上游生态屏障以及全国重点生态功能区的重要组成部分,其生态格局及生态服务价值的演变对于黄河源生态环境变化具有重要作用。

4.3 驱动因子分析

采用地理探测器法探讨不同因子对于玛曲县ESV空间分布的影响,选用高程(DEM)、温度、降水量、坡度作为自然因子,选用人口密度、距公路距离作为人为因子,单因子影响力探测结果见图4。单因子驱动下,玛曲ESV空间分布的驱动因子主要是温度和DEM,二者的影响力分别达到17.03%、16.90%,其他因子对ESV空间分布的影响力较低,坡度、降水量、距公路距离、人口密度的影响力分别为5.54%、2.49%、0.64%、0.04%。

图4 单因子影响力

玛曲县ESV高值区主要集中在年平均气温高于0.9 ℃以及高程为3 263～3 625 m 的地区,其土地覆盖类型主要为湿地、水系等,由此可见,地形条件及气候条件作为生态格局形成的重要因素,对于ESV也有突出贡献。值得注意的是,尽管人口密度的影响力仅0.04%,但这并不意味着人类活动对于研究区ESV未产生显著影响。由于统计量q在数理统计角度的意义是反映不同分类方式下样本方差的差异,而人口聚集区的分布范围过小导致等距抽样下样本点的数目过少,因此总体上不易反映出人口密度对ESV的影响。人类活动过程中通过下垫面改造等方式对局部生态系统产生的破坏以及影响不应忽视。

研究区ESV并非仅受到单因子影响,多因子交互作用造成ESV的异质性,多因子交互作用的影响见表5。温度与DEM 交互作用的影响力达20.35%,交互作用呈双因子增强,温度往往制约着植被的生长以及分布,而DEM 则影响着区域产汇流过程并控制水系的走势,二者影响的湿度、气压等气象条件共同决定着生态格局。此外,温度与DEM 并非是2 个完全独立的因素,气温往往随着海拔的上升而下降,两者存在紧密联系,因此两者的交互作用呈现出双因子增强。

表5 多因子交互作用的影响 %

DEM 与距公路距离、温度与距公路距离交互作用的影响力分别达到19.90%、18.88%,交互作用均呈现非线性增强。生态格局受DEM、温度制约的同时,也受到人类活动的一定影响,距公路距离一定程度上反映了人类扰动的程度,玛曲县西北部受人类扰动较小,灌丛等植被易于保留,东南部受人类扰动较小的区域中湿地斑块的分布也较为集中。

由此可见,玛曲县ESV空间分布受到自然条件及人类活动的共同影响,但主要受自然因子制约。温度、DEM 是主要的驱动因子,人类活动对ESV空间分布的影响主要表现为与自然因子交互作用下产生的非线性增强效果。

4.4 讨论

25 a 来玛曲县生态格局变化幅度先减小后增大,ESV呈现波动上升趋势。1995—2005 年湿地大幅度萎缩,日渐干涸并退化为草地,2010 年后逐步恢复,湿地的演变趋势与薛鹏飞等［7］研究的玛曲县1995—2018 年湿地变化趋势基本相同,但本研究统计的湿地面积稍大,一方面可能来自于遥感影像的解译误差,另一方面可能与遥感影像的时相选取有关。就玛曲湿地而言,暖季径流补给较冷季的更为充沛,暖季遥感影像解译出的湿地面积较冷季的大。在生态格局的变化方向上,本研究结果表明湿地向草地的转化在湿地变化中占主要地位,这与褚琳等［6］得出的湿地退化以沼泽草甸向亚高山草甸退化为主的结论基本一致。本研究核算的ESV值与谢高地等［5］研究得到的2010 年全国及甘肃省的ESV值相比较高,表明玛曲县对于黄河源区生态环境维持的贡献很大。相较于李晋昌等［13］计算的1975—2005 年玛曲县ESV值,本研究计算的ESV值显著增大,这主要是由当前对于生态服务功能认识的深化(生态服务功能种类由9 种增加至11 种)以及标准当量因子价值的提高(从884.9 元/hm2提高至3 406.5 元/hm2)引起的［14-16］。

5 结论

(1)1995—2020 年玛曲县生态格局变化幅度总体上先减小后增大,草地及湿地面积变化较大,生态格局变化以二者间的相互转化为主；城镇、裸地、荒漠的面积变化较剧烈,城镇面积变化以草地转城镇为主,荒漠面积的变化以荒漠转草地为主,裸地面积的变化以草地转裸地、裸地转冰雪为主。

(2)玛曲ESV值总体呈现波动增长趋势,2000 年ESV最小(为575.7 亿元)、2020 年ESV最大(为857.2 亿元)。水文调节、气候调节、生物多样性维持等生态服务功能具有较高的ESV。水资源供给、水文调节ESV易随生态格局的变化而出现大幅度波动。玛曲县ESV空间分布不均匀,呈东南高、西北低的分布格局。

(3)玛曲ESV受自然因子及人为因子的共同影响,以自然因子为主导。温度、DEM 单因子影响力分别达到17.03%、16.90%,是主要的驱动因子；温度与DEM 的交互作用最强,影响力达20.35%,人类活动对ESV空间分布的影响主要表现为与自然因子交互作用下产生的非线性增强效果。