潘 梅,陳天偉,黃 麟,曹 巍,*

1 廣西桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院, 桂林 541004 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101

京津冀地區(qū)是我國的首都經(jīng)濟(jì)圈,也是華北平原重要的生態(tài)屏障。然而,由于森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量不高,北部草地生態(tài)系統(tǒng)退化和土地沙化問題嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)承載力偏低。如何開展有效地生態(tài)保護(hù)和修復(fù),已成為京津冀一體化協(xié)同發(fā)展的核心問題[1-2]。2000年以來,京津冀地區(qū)不斷加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和修復(fù),實施了太行山綠化、平原綠化、京津風(fēng)沙源治理、三北防護(hù)林、沿海防護(hù)林、退耕還林、天然林保護(hù)等重大生態(tài)修復(fù)工程,確立了以燕山生態(tài)屏障、太行山生態(tài)屏障、壩上高原防風(fēng)固沙帶,以及沿海生態(tài)防護(hù)帶為主體的“兩屏兩帶”生態(tài)保護(hù)紅線空間分布格局。雖然各項生態(tài)措施取得了一定成效,但生態(tài)安全形勢仍然十分嚴(yán)峻[3]。

目前,大量學(xué)者從生態(tài)空間、生態(tài)安全格局[4-6],土地利用/覆被與景觀格局變化[7-8],生態(tài)與生境質(zhì)量評價[9-10],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、價值評估[11-12],生態(tài)承載力[13-15],生態(tài)補(bǔ)償[16-17],京津風(fēng)沙源治理工程的生態(tài)效果[18-19]等多個方面開展了京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況研究工作。多以單一年份或幾個時間片段的數(shù)據(jù),對單個或幾個生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行評估,比如張彪等[11]采用物質(zhì)-價值量法評估2010年首都生態(tài)圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；武愛彬等[20]基于1990年、2015年2期土地覆被數(shù)據(jù),分析京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局的變化；劉金雅等[12]基于多邊界改進(jìn)的方法評估2015年京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；翟月鵬等[21]利用氣象、植被覆蓋度等數(shù)據(jù),分析京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)量空間分布格局；年蔚等[22]利用碳排放、氧消耗等數(shù)據(jù),評估京津冀地區(qū)的固碳釋氧凈生產(chǎn)服務(wù)能力等。然而,受降水周期等外界因素的影響,單一或片段地評估結(jié)果不能真實反應(yīng)生態(tài)狀況變化,存在較大不確定性。另一方面,大量研究分析了生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)變化的重要驅(qū)動因素,比如徐志濤等[23]以土地覆被變化驅(qū)動力分析京津冀地區(qū)生態(tài)服務(wù)的變化,孟丹等[24]結(jié)合降水、氣溫數(shù)據(jù)分析京津冀地區(qū)NDVI的變化特征,李孝永和匡文慧[25]采用社會經(jīng)濟(jì)要素和規(guī)劃綱要等數(shù)據(jù)分析京津冀地區(qū)土地利用的變化,張曉藝等[26]結(jié)合氣溫、日照、降水和相對濕度等數(shù)據(jù)分析京津冀地區(qū)森林植被凈初級生產(chǎn)力的變化,Wang等[27]、Zhang等[28]、Zhang等[29]從城市化的角度分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化等。但是,這些研究多從某類因素開展驅(qū)動因素分析,缺少氣候變化和生態(tài)修復(fù)工程對生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)變化疊加影響的分析。

了解區(qū)域動態(tài)過程的生態(tài)本底,定量分析長時間序列生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其服務(wù)的基本狀況與時空變化特征,對進(jìn)一步深入開展京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理、生態(tài)保護(hù)和修復(fù),輔助生態(tài)保護(hù)紅線的落實和監(jiān)管,具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。本研究基于長時間序列氣象觀測資料和遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合GIS空間分析、模型模擬等手段,構(gòu)建了京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵服務(wù)的生態(tài)本底圖譜,并對其過去15年的時空變化態(tài)勢進(jìn)行了分析,同時結(jié)合植被覆蓋狀況、氣候變化和生態(tài)工程實施情況等自然與人類活動驅(qū)動因素,分析和闡述這些驅(qū)動因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化的影響,將為京津冀地區(qū)未來開展生態(tài)狀況監(jiān)測、生態(tài)系統(tǒng)評估、生態(tài)紅線監(jiān)管、生態(tài)績效考核等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)陸地面積約為21.6×104km2,地勢西北高、東南低。地區(qū)以北是蒙古高原,以南是華北平原,以西是太行山丘陵,以東為渤海灣。地貌類型多樣,中部和南部以平原為主,北部、西北部地形復(fù)雜,多為高原草地、山地、盆地等。燕山-太行山山地是海河體系的發(fā)源地,是京津冀涵養(yǎng)水源的重要區(qū)域；太行山的土石山區(qū)和黃土丘陵屬于國家水土流失的重點治理區(qū)域；冀西北壩上高原地區(qū),森林郁閉度高,林草覆蓋面積廣,是阻止風(fēng)沙入侵京津冀城市群的重要屏障。氣候類型以暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候為主,春秋季節(jié)干旱多風(fēng),夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。根據(jù)中國生態(tài)區(qū)的分類標(biāo)準(zhǔn)[30],京津冀地區(qū)由北向南依次劃分為4個生態(tài)區(qū)：內(nèi)蒙古高原中東部典型草原生態(tài)區(qū)(簡稱“草原生態(tài)區(qū)”)、燕山-太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)(簡稱“森林生態(tài)區(qū)”)、京津唐城鎮(zhèn)與城郊農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(簡稱“京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)”)、華北平原農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(簡稱“華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)”)(圖1)。

圖1 京津冀地區(qū)的生態(tài)區(qū)劃和數(shù)字高程模型

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

(1)遙感數(shù)據(jù)。收集了2000—2015年MODIS的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD13Q1),該產(chǎn)品空間分辨率250 m、時間分辨率16 d。通過重采樣、濾波處理和最大合成法等方法,得到月和年最大NDVI數(shù)據(jù)。再根據(jù)像元二分模型理論,計算得到2000—2015年京津冀地區(qū)的月和年最大植被覆蓋度數(shù)據(jù),具體公式為：

(1)

式中,Fc是植被覆蓋度；NDVIveg是純植被條件下像元的NDVI值,此處用95%處的NDVI值；NDVIsoil是完全無植被覆蓋的條件下像元的NDVI值,此處用5%處的NDVI值。

(2)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,基于陸地衛(wèi)星TM/ETM+、環(huán)境小衛(wèi)星等30 m空間分辨率遙感影像數(shù)據(jù),通過幾何校正和圖像拉伸等處理,采用遙感解譯和判讀的方法得到的土地利用與土地覆蓋變化數(shù)據(jù)集[31],進(jìn)而轉(zhuǎn)換為生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布數(shù)據(jù),生態(tài)系統(tǒng)類型包括農(nóng)田、森林、草地、水體和濕地、聚落(城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設(shè)用地)和其他等6類。本研究使用了京津冀地區(qū)2015年生態(tài)系統(tǒng)類型現(xiàn)狀與2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換的空間分布數(shù)據(jù),用于生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及其過去15年變化的空間分析。

(3)土壤數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來源于西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心1∶100萬土壤類型圖所附的土壤屬性表和空間數(shù)據(jù),基于該數(shù)據(jù),采用Nomo圖法估算得到土壤可蝕性因子[32]。

(4)氣象數(shù)據(jù)。在中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上(http://data.cma.cn/)下載降雨量、氣溫、風(fēng)速等國家氣象臺站的日觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品,采用ANUSPLINE方法插值得到2000—2015年降雨量、氣溫、風(fēng)速的格點數(shù)據(jù)集,時間分辨率為月和年,空間分辨率為1 km。進(jìn)一步采用章文波的降雨侵蝕力估算方法[33]計算降雨侵蝕力等模型因子。

(5)高程數(shù)據(jù)。在地理空間數(shù)據(jù)云平臺上(http://www.gscloud.cn)下載SRTM3 V4.1版本DEM數(shù)據(jù),空間分辨率為90 m,根據(jù)McCool等[34]和Liu等[35]的核心算法計算坡度和坡長因子。

(6)生態(tài)工程實施狀況數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》,主要包含2000—2015年間北京市、天津市、河北省實施各類生態(tài)工程的面積和投資金額等。

為了統(tǒng)一以上多源數(shù)據(jù)的空間分辨率,本文以所有數(shù)據(jù)中最低的空間分辨率作為本文的研究尺度。即采用ArcGIS軟件中的聚合工具將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為1 km×1 km的柵格數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1生態(tài)系統(tǒng)類型及其變化分析方法

采用轉(zhuǎn)移矩陣法,分析2000—2015年京津冀地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)類型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向,了解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其變化狀況。

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)

防風(fēng)固沙服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)和過程,減少由于風(fēng)蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用。即通過根系固定表層土壤,減少地表裸露面積,減弱近地面風(fēng)速,削弱風(fēng)的強(qiáng)度和攜沙的能力等,大大降低土壤風(fēng)蝕作用,減少土壤流失和風(fēng)沙的危害[36-37]。

本研究以防風(fēng)固沙量作為防風(fēng)固沙服務(wù)的評估指標(biāo),防風(fēng)固沙量根據(jù)植被固沙量進(jìn)行計算,即裸土條件下的潛在風(fēng)蝕量與有植被覆蓋條件下的實際風(fēng)蝕量的差值：

SLsv=SLs-SLv

(2)

式中,SLsv表示潛在防風(fēng)固沙量(kg/m2)；SLs表示潛在土壤風(fēng)蝕量(kg/m2)；SLv表示實際土壤風(fēng)蝕量(kg/m2)。土壤風(fēng)蝕量則采用修正風(fēng)蝕方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)[38]來計算,公式如下：

(3)

(4)

Qmax=109.8(WF×EF×SCF×K′×COG)

(5)

C=150.71(WF×EF×SCF×K′×COG)-0.3711

(6)

式中,SL為土壤風(fēng)蝕模數(shù)(kg/m2)；y為地塊長度(m)；Qy地塊長度y處的沙通量(kg/m)；Qmax為風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；C為關(guān)鍵地塊長度(m)；WF為氣象因子(kg/m)；EF為土壤可蝕性成分；SCF為土壤結(jié)皮因子；K′為土壤糙度因子；COG為植被因子,包括平鋪、直立作物殘留物和植被冠層,無量綱。

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)

水源涵養(yǎng)服務(wù)主要是指生態(tài)系統(tǒng)通過植被冠層、枯落物層和土壤層,對降雨進(jìn)行再分配。植被冠層減少高強(qiáng)度降雨直接對地表沖刷的強(qiáng)度,枯落物層結(jié)構(gòu)疏松,憑借良好的透水性和持水能力,協(xié)同土壤層緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水等[39-41]。

本研究以水源涵養(yǎng)量作為水源涵養(yǎng)服務(wù)的評估指標(biāo),采用降水貯存量法[42]估算京津冀地區(qū)森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量,公式如下：

Q=S×J×R

(7)

J=Ja×K

(8)

R=Rsoil-Reco

(9)

式中,Q為與裸地相比較,生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量,m3；S為生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2)；J為產(chǎn)流降雨量(mm)；Ja為年均降雨量(mm)；K為產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例；R為與裸地相比較,生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)；Rsoil為產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率；Reco為產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。

1.3.4生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)

土壤保持服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)與過程,減少由于水蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用。植被通過截留降水、增加土壤下滲、緩解徑流,減少雨水和徑流對土壤的侵蝕,達(dá)到保育土壤的作用[43-44]。

本研究以土壤保持量作為土壤保持服務(wù)的評估指標(biāo),該指標(biāo)為生態(tài)系統(tǒng)在極度退化狀況下的潛在土壤侵蝕量與現(xiàn)實狀況下土壤侵蝕量的差值：

Aretention=Adeg-Aact

(10)

式中,Aretention為土壤保持量(t/hm2)；Adeg為潛在土壤侵蝕量(t/hm2)；Aact為現(xiàn)實狀況下的土壤侵蝕量(t/hm2)；

采用基于修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)[45-46]模型對土壤侵蝕量進(jìn)行評估,公式如下：

Adeg=R×K×L×S×Cdeg

(11)

Aact=R×K×L×S×Cact×P

(12)

式中,R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1)；K為土壤可蝕性因子(t h hm-4MJ-1mm-1)；L為坡長因子；S為坡度因子；Cdeg和Cact分別表示生態(tài)系統(tǒng)極度退化狀況、現(xiàn)實狀況植被覆蓋因子;P為土壤保持措施因子,無量綱。

1.3.5生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵服務(wù)和驅(qū)動因素的年際變化趨勢

通過最小二乘法計算各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動因素的年際變化趨勢,分析京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵服務(wù)的時空變化特征,并采用方差分析法(F檢驗)進(jìn)行顯著性檢驗。計算公式為：

(13)

(14)

1.3.6自然和人類活動驅(qū)動因素分析方法

氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響巨大。一方面,氣候可以直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),比如當(dāng)氣溫較高時,地表水分的蒸散加快,土壤粘結(jié)性降低,風(fēng)速較大時,風(fēng)蝕作用增強(qiáng)。降雨量增加時,地表存留水量增大,水源涵養(yǎng)量增加,而水蝕作用增強(qiáng)。另一方面,氣候的變化影響植被的生長,間接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-服務(wù)功能的相互作用機(jī)理,其在滯塵防沙、水文調(diào)節(jié)、固土護(hù)坡等方面發(fā)揮著巨大的作用[47]。將4—10月作為京津冀地區(qū)植被生長季時段[48],累計生長季期間降雨量,取氣溫平均值,計算降雨量和氣溫的年際變化趨勢,再通過重分類和疊加分析,得到京津冀地區(qū)生長季干濕變化圖。

生態(tài)修復(fù)工程的實施通過改變區(qū)域植被狀況,也同樣影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化。2000年以來,京津冀地區(qū)實施了多項重點生態(tài)工程,大致分為北部的京津風(fēng)沙源治理工程,西部的太行山綠化工程,東部沿海防護(hù)林工程,中部和南部的三北防護(hù)林和平原綠化工程,以及覆蓋了京津冀大部分地區(qū)的退耕還林工程。依據(jù)京津冀地區(qū)各項重點生態(tài)工程規(guī)劃范圍,統(tǒng)計2000—2015年間各縣生態(tài)工程實施個數(shù),得到縣級生態(tài)工程的空間統(tǒng)計圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)類型及其時空變化特征

京津冀地區(qū)的主要生態(tài)系統(tǒng)類型為農(nóng)田、森林、草地和聚落。2015年,農(nóng)田面積為10.74×104km2,占研究區(qū)面積的49.7%,主要分布于東南部平原地區(qū)；森林面積為4.46×104km2,約占20.7%,主要分布于北部和西部的山地區(qū)域；草地面積3.50×104km2,約占16.2%,主要分布在北部山地和西部丘陵狹長地帶；水體和濕地面積0.72×104km2,約占3.4%,大體分布于渤海灣沿岸；聚落面積2.05×104km2,是京津冀城市群的主體部分,約占9.6%,主要分布在中部、南部以及渤海灣平原(圖2)。

2000—2015年,京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)面積變化具有明顯的時空分異特征。其中,農(nóng)田面積減少了1.88%(0.21×104km2)(減幅-1.88%)；森林減少了0.08%(34.43 km2)；草地減少了0.79%(279.15 km2),水體與濕地減少了3.45%(305.46 km2)；聚落增加了16.24%(0.27×104km2)(圖2,表1)。

表1 2000—2015年京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣/km2

圖2 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型分布及其變化

15年間,京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換主要是從森林、草地、水體與濕地向農(nóng)田、聚落的轉(zhuǎn)移,生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為：

(1)城鎮(zhèn)、農(nóng)村和建設(shè)用地擴(kuò)張迅速,并以北京、天津、唐山的城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度最為顯著。受農(nóng)田-聚落、森林-聚落、草地-聚落,以及水體與濕地-聚落之間相互轉(zhuǎn)換的影響,聚落生態(tài)系統(tǒng)面積明顯增加。其中有76.35%、4.18%、5.25%和8.03%的面積分別來源于農(nóng)田、森林、草地,以及水體與濕地的轉(zhuǎn)入。

(2)農(nóng)田面積變化劇烈。草地、水體與濕地轉(zhuǎn)入農(nóng)田的面積分別為71.87 km2和95.62 km2,農(nóng)田轉(zhuǎn)為聚落和森林的面積分別為7457 km2、44.89 km2。

(3)森林、草地、水體與濕地、以及其他生態(tài)系統(tǒng)均有減少。森林面積變動較小,草地向聚落、農(nóng)田、森林、水體與濕地、聚落分別凈轉(zhuǎn)出了151.1 km2、71.87 km2、28.42 km2和29.93 km2；水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)面積減少較多,有95.62 km2轉(zhuǎn)化為農(nóng)田,231.39 km2轉(zhuǎn)化為聚落。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)時空變化特征

2000—2015年,京津冀地區(qū)平均防風(fēng)固沙量為5.61×108t,單位面積防風(fēng)固沙量為26.16 t/hm2。在空間分布上,草原生態(tài)區(qū)平均防風(fēng)固沙量為1.12×108t,平均單位面積防風(fēng)固沙量為60.11 t/hm2,其北部和中部地區(qū)單位面積防風(fēng)固沙量為50—180 t/hm2,南部為30—50 t/hm2；森林生態(tài)區(qū)平均防風(fēng)固沙量為3.81×108t,平均單位面積防風(fēng)固沙量為36.10 t/hm2,該中部地區(qū)單位面積防風(fēng)固沙量為40—360 t/hm2,南部和東部為0—40 t/hm2；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)平均防風(fēng)固沙量分別為0.37×108t、0.30×108t,平均單位面積防風(fēng)固沙量分別為12.27 t/hm2、5.03 t/hm2,其西部濱海區(qū)防風(fēng)固沙量比其他農(nóng)業(yè)區(qū)高,為10—30 t/hm2(圖3)。

圖3 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)空間分布和各生態(tài)區(qū)防風(fēng)固沙量及單位面積量

從年際變化趨勢情況來看,2000—2015年,京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙量呈上升趨勢,但不顯著(P>0.05),增幅為0.11 t hm-2a-1。從每5年的變化所知,防風(fēng)固沙量經(jīng)歷先減少,后增加,再減少的變化趨勢(圖3)?？臻g上,草原生態(tài)區(qū)防風(fēng)固沙量整體減幅小于1 t hm-2a,下降趨勢不顯著；作為太行山綠化工程、京津風(fēng)沙源治理工程等實施的重要區(qū)域,森林生態(tài)區(qū)北部以顯著上升趨勢為主,增幅為3 t hm-2a-1以上,南部變化幅度較?。痪┙蛱妻r(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)西部部分地區(qū)防風(fēng)固沙量變化幅度小,東部整體呈極顯著下降趨勢(圖4)。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)變化態(tài)勢時空分布概況及顯著性檢驗

2.3 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)時空變化特征

2000—2015年,京津冀地區(qū)平均水源涵養(yǎng)量為74.58×108m3,平均單位面積水源涵養(yǎng)量為3.49×104m3/km2。在空間分布上,草原生態(tài)區(qū)平均水源涵養(yǎng)量為6.54×108m3,平均單位面積水源涵養(yǎng)量為3.50×104m3/km2,其北部單位面積水源涵養(yǎng)量為5.0×104—12.5×104m3/km2,中部和南部為0—5.0×104m3/km2；森林生態(tài)區(qū)平均水源涵養(yǎng)量為64.76×108m3,平均單位面積水源涵養(yǎng)量為6.14×104m3/km2,其西部永定河上游間山盆地林農(nóng)草地區(qū)的單位面積水源涵養(yǎng)量較低,為0—5.0×104m3/km2；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)平均水源涵養(yǎng)量分別為1.42×108m3、1.86×108t,平均單位面積水源涵養(yǎng)量分別為0.47×104m3/km2、0.31×104m3/km2,其水源涵養(yǎng)量空間分布差異較小,區(qū)域內(nèi)白洋淀濕地的水源涵養(yǎng)量較高,單位面積水源涵養(yǎng)量最高達(dá)到83×104m3/km2(圖5)。

圖5 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)空間分布和各生態(tài)區(qū)水源涵養(yǎng)量及單位面積量

從年際變化趨勢情況來看,2000—2015年,京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量呈上升趨勢,但不顯著(P>0.05),增幅為0.03×104m3km-2a-1。在每5年的變化中,水源涵養(yǎng)量在前10年呈增加趨勢,后5年呈下降趨勢?？臻g上,草原生態(tài)區(qū)水源涵養(yǎng)量整體變化幅度小,局部地區(qū)呈不顯著上升趨勢,增幅為0.02×104—0.1×104m3km-2a-1；作為京津水源地和水源涵養(yǎng)重要區(qū),森林生態(tài)區(qū)水源涵養(yǎng)量整體呈不顯著上升趨勢,增幅為0.02×104—4×104m3km-2a-1,局部地區(qū)水源涵養(yǎng)量變化幅度小或呈下降趨勢；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的水源涵養(yǎng)量幅度小,白洋淀濕地水源涵養(yǎng)量呈極顯著上升趨勢(P<0.01),增幅大于0.25×104m3km-2a-1(圖6)。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)變化態(tài)勢時空分布概況及顯著性檢驗

2.4 生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)時空變化特征

2000—2015年,京津冀地區(qū)平均土壤保持量為7.98×108t,平均單位面積土壤保持量為37.23 t/hm2。在空間分布上,草原生態(tài)區(qū)平均土壤保持量為0.24×108t,平均單位面積土壤保持量為12.86 t/hm2,其北部和南部地區(qū)單位面積土壤保持量為0—10 t/hm2,中部為20—130 t/hm2；森林生態(tài)區(qū)平均土壤保持量為7.56×108t,平均單位面積土壤保持量為71.61 t/hm2,西部永定河上游間山盆地林農(nóng)草地區(qū)的單位面積土壤保持量為0—10 t/hm2；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)平均土壤保持量分別為0.08×108t、0.10×108t,平均單位面積土壤保持量分別為2.63 t/hm2、1.62 t/hm2,其土壤保持量空間分布差異小(圖7)。

圖7 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)空間分布和各生態(tài)區(qū)土壤保持量及單位面積量

從年際變化趨勢情況來看,2000—2015年,京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量呈顯著上升趨勢(P<0.05),增幅為1.08 t hm-2a-1。每5年的變化中,土壤保持量在前10年呈緩慢上升趨勢,后5年呈下降趨勢,變化幅度增大?？臻g上,草原生態(tài)區(qū)土壤保持量整體變化幅度小,其中部部分地區(qū)呈不顯著上升趨勢,增幅為0.1—0.4 t hm-2a-1；森林生態(tài)區(qū)土壤保持量整體呈上升趨勢(局部地區(qū)P<0.05),增幅大于0.4 t hm-2a-1,局部地區(qū)土壤保持量變化幅度較小；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的土壤保持量整體呈不顯著上升趨勢,增幅為0.02—0.3 t hm-2a-1,華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)南部局部地區(qū)呈不顯著下降趨勢(圖8)。

圖8 生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)變化態(tài)勢時空分布概況及顯著性檢驗

2.5 生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵服務(wù)變化的驅(qū)動因素分析

2.5.1氣候變化和人類活動的驅(qū)動分析

2000—2015年,京津冀地區(qū)多年平均氣溫為9.87℃,各生態(tài)區(qū)整體氣溫變化幅度較小或呈不顯著下降趨勢,減幅為0.035℃/a；多年平均降雨量為497.85 mm,研究區(qū)的降雨量整體呈上升趨勢(局部地區(qū)P<0.05),增幅為4.84 mm/a；多年平均風(fēng)速為2.39 m/s,增幅為0.01% m s-1a-1,其中北部風(fēng)速呈顯著或極顯著上升趨勢,東南部呈極顯著下降趨勢。根據(jù)生長季期間氣溫和降雨量的增幅分別為0.068℃/a和2.37 mm/a,其中,約63%區(qū)域趨于暖濕,集中在京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)；28%區(qū)域溫度明顯升高,集中在草原生態(tài)區(qū)、冀南部平原等；6%的地區(qū)趨于暖干。由此可知,研究區(qū)生長季氣候整體趨于暖濕趨勢,為植被的生長和發(fā)育提供了良好的水熱條件(圖9,圖10)。

圖9 生態(tài)系統(tǒng)各氣候因子變化態(tài)勢時空分布概況和生長季干濕變化

圖10 各氣候因子變化趨勢顯著性檢驗

從生態(tài)工程數(shù)量統(tǒng)計空間分布圖來看,多數(shù)縣份實施了2項及以上的生態(tài)工程,其中,燕山山地、太行山丘陵,以及華北平原地區(qū)是生態(tài)工程的集中實施區(qū)域。2000—2015年,京津冀地區(qū)累計完成造林面積599.26×104hm2。其中,飛播造林面積達(dá)67.18×104hm2,人工造林面積達(dá)308.89×104hm2,無疏林地和疏林地新封面積達(dá)97.25×104hm2,草地治理面積達(dá)74.95×104hm2,小流域治理面積達(dá)55.43×104hm2,工程投資總計達(dá)378.45億元(圖11)。

圖11 2000—2015年京津冀地區(qū)生態(tài)工程數(shù)量及各生態(tài)工程實施面積和投資額

在氣候和生態(tài)工程共同作用下,2000—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋度整體有所好轉(zhuǎn),局部地區(qū)有所退化。多年平均最大植被覆蓋度為69.66%,變化趨勢呈極顯著上升趨勢,增幅為0.63%/a?？臻g上,各生態(tài)區(qū)植被覆蓋度整體呈顯著上升趨勢,占全區(qū)面積的61.96%,局部地區(qū)呈顯著下降趨勢,占4.02%。京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的人類活動密集,隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張,城市建成區(qū)周邊的植被覆蓋度整體呈下降趨勢,局部有多好轉(zhuǎn)(圖12)。

圖12 生態(tài)系統(tǒng)最大植被覆蓋度變化態(tài)勢時空分布概況及顯著性檢驗

2.5.2驅(qū)動因子對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的綜合影響

結(jié)合氣候變化,以及生態(tài)工程實施情況,對比植被覆蓋度變化和生態(tài)服務(wù)量變化的空間格局可知,森林生態(tài)區(qū)的防風(fēng)固沙量、水源涵養(yǎng)量、土壤保持量的變化趨勢和植被覆蓋度較為一致,均呈上升趨勢。這是由于森林生態(tài)區(qū)的林草面積廣,降雨量相對豐富,在良好的水熱環(huán)境下,同時采取了退耕地造林種草、草地治理、小流域治理等措施,促進(jìn)了京津冀地區(qū)植被的生長,提高了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量。

草原生態(tài)區(qū)的防風(fēng)固沙量整體呈不顯著下降趨勢,盡管該區(qū)植被覆蓋度整體有所好轉(zhuǎn),但當(dāng)氣溫增幅較大、降雨量增幅較小時,土壤的粘結(jié)性下降,當(dāng)風(fēng)速增大時,風(fēng)力攜土能力增強(qiáng),風(fēng)蝕作用增加,最終造成該區(qū)防風(fēng)固沙量減少。水源涵養(yǎng)量和土壤保持量方面,生態(tài)區(qū)的中部和東部溫帶半濕潤森林草原區(qū)的服務(wù)量變化趨勢與植被覆蓋度較為一致,均呈上升趨勢,但不顯著,西部溫帶干旱干草原區(qū)的水源涵養(yǎng)量和土壤保持量與植被覆蓋度的變化趨勢相反,該區(qū)域以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為主,故植被根系固土持水能力相對弱于林草地區(qū)[49],與此同時降雨量有所增加,故水源涵養(yǎng)量和土壤保持量變化幅度較小或呈不顯著下降趨勢。

京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的防風(fēng)固沙量以極顯著下降為主,土壤保持量整體呈不顯著上升趨勢。該區(qū)屬于首都經(jīng)濟(jì)圈主要城市建成區(qū),在多項生態(tài)工程的實施下,部分城郊農(nóng)業(yè)區(qū)的植被覆蓋度有所好轉(zhuǎn)。隨著城市建設(shè)用地的擴(kuò)張,大量的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為聚落生態(tài)系統(tǒng),造成區(qū)域植被覆蓋度整體有所下降,部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量降低。其中天津濱海區(qū)的防風(fēng)固沙量極顯著減少,該地區(qū)主要是化工工業(yè)和漁業(yè)所用地,自然植被較少,故抗風(fēng)蝕能力弱,防風(fēng)固沙量低。

華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)森林草地生態(tài)系統(tǒng)覆蓋面積小,故生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量少,年際變化不明顯。土壤保持量變化趨勢則與植被覆蓋度較為一致,變好的區(qū)域主要集中在生態(tài)區(qū)中部和東部運東濱海平原農(nóng)業(yè)區(qū),其處在暖濕的氣候范圍,在沿海防護(hù)林、平原綠化工程的實施下,該區(qū)植被覆蓋度明顯好轉(zhuǎn),土壤保持量增加。而防風(fēng)固沙量受氣溫、風(fēng)速、降雨量和人類活動的綜合作用下,大部分地區(qū)呈顯著下降趨勢,體現(xiàn)了生態(tài)過程的綜合性和復(fù)雜性。

3 討論

3.1 研究結(jié)果的可靠性

通過與前人研究的結(jié)果進(jìn)行對比,驗證研究結(jié)果的可靠性。防風(fēng)固沙服務(wù)方面。本研究通過修正風(fēng)蝕方程計算得到森林生態(tài)區(qū)的單位面積防風(fēng)固沙量(36.10 t/hm2),與張彪等[50]的結(jié)果(44.53 t/hm2)相比略為偏低。分析其原因：雖然估算模型相同,但開展空間分析的地理邊界不同,張彪等依據(jù)京津風(fēng)沙源治理工程分區(qū),本研究依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型、地理特征等自然條件進(jìn)行分區(qū)。

水源涵養(yǎng)方面。采用Wang等[27]的分析方法,對本研究結(jié)果中2000年和2010年的水源涵養(yǎng)量進(jìn)行熱點分析(圖13)。結(jié)果證明,本研究的水源涵養(yǎng)量的空間分布格局與Wang等的研究結(jié)果整體一致,同時也符合Wang等所提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值的面積擴(kuò)大的結(jié)論。將本研究得到2000年和2010年京津冀地區(qū)平均的單位面積水源涵養(yǎng)量與Zhang等[29]的結(jié)果相比,量級上有所差異,最主要的原因在于本研究同時對森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)涵養(yǎng)量進(jìn)行評估,而Zhang等僅評估了森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量。此外,在模型中生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)的取值也有所差異。為了提高模型結(jié)果的可靠性,本研究對不同生態(tài)系統(tǒng)類型甚至不同植被類型的減少徑流效益系數(shù)采用不同的取值或計算公式。

土壤保持方面。本研究的土壤保持量的空間分布格局與Wang等的研究結(jié)果整體一致(圖13),但研究區(qū)平均單位面積土壤保持量(2000年為3286.07 t/km2、2010年為4323.85 t/km2)比Wang Jiali的研究結(jié)果(2000年為959.39 t/km2、2010年為1347.34 t/km2)偏大,京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的平均單位面積土壤保持量(2000年為1.55 t/hm2、2015年為2.16 t/hm2)比Xie等[51]的研究結(jié)果(2000年為534.19 t/hm2、2010年為698.93 t/hm2)偏小,這有可能是由于在計算土壤流失方程中的降雨侵蝕力時,Wang和 Xie均采用的是Wischmeier[52]提出的EI30作為侵蝕力指標(biāo),由于該方法的次降雨過程資料難以獲取,故本研究依據(jù)章文波等[33]提出的方法,直接利用日雨量估算降雨侵蝕力。該模型評估降雨侵蝕力的誤差大小與區(qū)域降雨量有關(guān),而京津冀地區(qū)的降雨量分布存在明顯的東南高西北低的梯度差異,故本研究土壤保持量計算結(jié)果與Wang和Zhen的結(jié)果均有所偏差,但基本格局一致。

圖13 京津冀地區(qū)不同置信水平生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點分布

3.2 研究不足

(1)由于部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲取到高分辨率影像,為了統(tǒng)一多源數(shù)據(jù)尺度,采用1 km×1 km的空間分辨率進(jìn)行研究,而采用該精度進(jìn)行評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量通常較為粗糙[29],今后需要從數(shù)據(jù)源方面進(jìn)一步提高精度,使研究結(jié)果更準(zhǔn)確,從而提高實際的應(yīng)用效率。(2)文中僅對京津冀地區(qū)的3個主要生態(tài)系統(tǒng)服進(jìn)行評估和分析,而構(gòu)建生態(tài)本底圖譜還需要量化更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),這也是今后需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。(3)本研究通過氣候變化和生態(tài)工程狀況的角度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化進(jìn)行分析,但如何進(jìn)一步量化驅(qū)動因素的作用,并增加其他重要驅(qū)動因子的分析,需要進(jìn)一步進(jìn)行探索。已有研究中指出,區(qū)域城市化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化具有重要的驅(qū)動作用[53-54]。在城市發(fā)展過程中,京津冀地區(qū)大量的農(nóng)田轉(zhuǎn)為聚落,森林、草地以及水體和濕地面積也有所減少,勢必影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化,下一步將城市化水平如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的分析納入研究當(dāng)中。

4 結(jié)論

本研究通過定量評估京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)、土壤保持等關(guān)鍵服務(wù)的時空變化特征,構(gòu)建一套京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵服務(wù)的生態(tài)本底圖譜,并對氣候變化和生態(tài)工程等驅(qū)動因素進(jìn)行了討論,得到幾點結(jié)論：

(1)2000—2015年,京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型的分布格局基本不變,以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主。近15年,城鎮(zhèn)面積明顯增加,農(nóng)田面積大量減少,二者出現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象。森林、草地、水體與濕地面積均有不同程度的減少。

(2)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平均防風(fēng)固沙量為5.61×108t,增幅為0.11 t hm-2a-1(P>0.05)。草原生態(tài)區(qū)的單位面積防風(fēng)固沙量最高,為60.11 t/hm2,區(qū)域整體呈不顯著下降趨勢,減幅小于0.5 t hm-2a-1；森林生態(tài)區(qū)次之,單位面積防風(fēng)固沙量為36.10 t/hm2,區(qū)域整體呈不顯著上升趨勢,增幅為0.5—6 t hm-2a-1；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的防風(fēng)固沙量較低,單位面積防風(fēng)固沙量分別為12.27 t/hm2、5.05 t/hm2,西部防風(fēng)固沙量變化不明顯,東部呈顯著或極顯著下降趨勢,減幅為小于0.5 t hm-2a-1。

(3)生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量為74.58×108m3,增幅為0.03×104m3hm-2a-1(P>0.05)。其中,森林生態(tài)區(qū)的單位面積水源涵養(yǎng)量最高,為6.14×104m3/hm2,區(qū)域整體呈不顯著上升趨勢,增幅為0.05×104—0.25×104m3hm-2a-1；草原生態(tài)區(qū)次之,單位面積水源涵養(yǎng)量為3.50×104m3/hm2,區(qū)域整體變化不明顯；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的水源涵養(yǎng)較低,單位面積水源涵養(yǎng)量分別為0.47×104m3/hm2、0.31×104m3/hm2。

(4)生態(tài)系統(tǒng)平均土壤保持量為7.98×108t,增幅為1.08 t hm-2a-1(P<0.05)。其中,森林生態(tài)區(qū)的單位面積土壤保持量最高,為71.61 t/hm2,區(qū)域整體呈顯著上升趨勢,增幅為0.25—6 t hm-2a-1；草原生態(tài)區(qū)次之,單位面積土壤保持量為12.86 t/hm2,整體變化幅度較小；京津唐農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的單位面積土壤保持量為2.63 t/hm2,呈不顯著上升趨勢；華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的單位面積土壤保持量為1.62 t/hm2,其南部地區(qū)呈不顯著下降趨勢。

(5)近15年來,在生長季期間,京津冀地區(qū)的氣候趨于暖濕,為植被的生長提供了良好的水熱環(huán)境。另一方面,雖然區(qū)域森林、草地和濕地面積有所減少,但通過大量實施的生態(tài)修復(fù)工程,有效提高了林草地區(qū)的植被覆蓋度,極大地改善了京津冀地區(qū)整體的生態(tài)質(zhì)量,但局部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量有退化現(xiàn)象,仍需要做好生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工作。