流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇變化及影響因素
——以大清河流域?yàn)槔?/h1>
2021-08-06 10:22易齊濤李若男
生態(tài)學(xué)報(bào) 2021年13期
潘 瑩,鄭 華,易齊濤,李若男,*
1 安徽理工大學(xué),淮南 232000 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 3 煙臺(tái)大學(xué),煙臺(tái) 264010
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人們從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益,包括有形的物質(zhì)產(chǎn)品供給和無(wú)形的服務(wù)提供兩個(gè)方面[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間以復(fù)雜的作用關(guān)系相互影響著[2- 3],一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的提升可能以犧牲多種調(diào)節(jié)服務(wù)為代價(jià)[3- 5]。近一百多年來(lái),全球范圍內(nèi)約60%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)退化,極大地?fù)p害和威脅著人類(lèi)福祉,其主要原因之一就是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)缺乏有效的管理[6]。了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間關(guān)系有利于維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定并保障生態(tài)系統(tǒng)安全[7]。在人類(lèi)干擾劇烈的流域,識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間關(guān)系及其變化特征,還能夠?yàn)榱饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)管理提供支持,并為流域上下游生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
近幾年來(lái),越來(lái)越多的學(xué)者利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇來(lái)識(shí)別多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的聚集模式,以達(dá)到同時(shí)管理多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的目的[6,8- 13]。Renard等人[10]將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇定義為跨空間或時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集,并確定了加拿大市級(jí)尺度上的12種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,并使用它們來(lái)確定常見(jiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系效應(yīng),Kong等人[11]繪制了我國(guó)長(zhǎng)江流域的重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇；Liu等人[12]通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇探究了我國(guó)黃土高原植被恢復(fù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時(shí)空驅(qū)動(dòng)因子。但是大部分的研究只集中在單一時(shí)間點(diǎn)上對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇進(jìn)行繪制,而對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的時(shí)間變化特征以及引起服務(wù)簇格局變化的驅(qū)動(dòng)因素尚不明確。
大清河流域是京津冀地區(qū)的重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)和糧食生產(chǎn)區(qū),也是白洋淀和雄安新區(qū)的所在地。2000年以來(lái),隨著區(qū)域生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施和城市化進(jìn)程的加快,流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)干擾持續(xù)增強(qiáng)。本研究以大清河流域?yàn)槔?在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上分別評(píng)估了2000年和2015年的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(水資源供給服務(wù)(Water Yield,WY)、糧食供給服務(wù)(Crop Production,CP)、水源涵養(yǎng)服務(wù)(Water Retention,WR)、水質(zhì)凈化服務(wù)(Water Purification,WP)、土壤保持服務(wù)(Soil Retention,SR)、固碳服務(wù)(Carbon Sequestration,CS)),通過(guò)識(shí)別大清河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的時(shí)空格局變化,確定主要驅(qū)動(dòng)因素,以期為流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間優(yōu)化和管理提供參考。
1 研究區(qū)概況
大清河流域位于我國(guó)華北平原,是重要的糧食生產(chǎn)區(qū)。流域位于海河水系中部,流經(jīng)山西、河北、北京和天津四省(直轄市)(38°10′2.71″—40°2′32.7″N,113°40′14.27″—117°9′58.31″E),雄安新區(qū)位于流域腹地(圖1)。大清河流域面積44708 km2,屬中溫帶半濕潤(rùn)氣候,地勢(shì)西北高東南低,西部山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量關(guān)系到東部平原區(qū)生態(tài)安全和人居生活。流域內(nèi)面臨著水資源短缺、水質(zhì)惡化、耕地面積下降等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[14],隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程,區(qū)域人地矛盾加劇。
圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Study area
2 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
(1)采用分辨率30 m的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),使用ArcGIS 10.2進(jìn)行填洼處理。(2)土地利用/覆被(Land Use/Land Cover,LULC)數(shù)據(jù)使用的是中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的30 m的數(shù)據(jù)。(3)蒸散(Evapotranspiration,ET)和降水(Precipitation,Pre)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局的站點(diǎn)數(shù)據(jù),后經(jīng)過(guò)空間插值處理,在本研究中控制了氣象因子不變。(4)土壤數(shù)據(jù)(1∶100萬(wàn))下載于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所(http://www.resdc.cn)。(5)糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自于北京、天津、河北、山西的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。(6)道路數(shù)據(jù)下載于北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)平臺(tái)(https://geodata.pku.edu.cn)。(7)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product,GDP)和人口數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所(http://www.resdc.cn)。
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估方法
本研究中除了糧食供給服務(wù)以外,其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均使用InVEST模型(Integrated Valuation of Environment Services and Trade-offs)進(jìn)行評(píng)估,該模型是在自然資本項(xiàng)目支持下,由美國(guó)斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(huì)(World Wildlife Fund,WWF)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(The Nature Conservancy,TNC)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評(píng)估模型,能夠在不同地理尺度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)尺度上展示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間變化。使用InVEST中的“產(chǎn)水模塊”、“季節(jié)性產(chǎn)水模塊”、“水質(zhì)凈化模塊”、“沉積物運(yùn)移模塊”、“固碳模塊”評(píng)估基于柵格尺度的水資源供給服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)、水質(zhì)凈化服務(wù)、土壤保持服務(wù)、固碳服務(wù),后通過(guò)分區(qū)統(tǒng)計(jì)求得鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的服務(wù)值。
(1)水資源供給服務(wù)
在本研究中,水資源供給服務(wù)指一定區(qū)域內(nèi)的地表產(chǎn)水量,地表產(chǎn)水量的計(jì)算基于一個(gè)簡(jiǎn)化的水文循環(huán)模型,忽略地下水的影響,由降雨量、蒸散量、土壤深度、植物可利用水等眾多參數(shù)綜合決定。水資源供給服務(wù)通過(guò)InVEST 模型的“產(chǎn)水量”模塊進(jìn)行評(píng)估,計(jì)算方法見(jiàn)公式1：
(1)
式中,Y(x)為土地利用柵格x的產(chǎn)水量；AET(x)示柵格單元的年實(shí)際蒸散量、p(x)表示柵格單元x的年降水量。
(2)水源涵養(yǎng)服務(wù)
水源涵養(yǎng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠層、枯枝物層、根系等攔截滯蓄降水。不僅滿足生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各生態(tài)組分對(duì)水源的需要,同時(shí)能夠在枯季(當(dāng)月平均徑流量占全年徑流量的比例小5%的月份)持續(xù)地向外部提供水源。本研究通過(guò)“季節(jié)性產(chǎn)水”模塊計(jì)算月產(chǎn)水,然后利用枯季的產(chǎn)水量和年產(chǎn)水量的比值來(lái)表征水源涵養(yǎng)服務(wù),計(jì)算方法見(jiàn)公式2：
(2)
式中,WR為水源涵養(yǎng)服務(wù)能力,Y(xi)是第i個(gè)月的產(chǎn)水量,a為枯季徑流的月份。
(3)水質(zhì)凈化服務(wù)
本研究中,水質(zhì)凈化服務(wù)功能主要考慮植被對(duì)水體中氮元素的凈化能力,使用水質(zhì)凈化模塊進(jìn)行評(píng)估,該模塊估算植被和土壤對(duì)徑流中氮污染物質(zhì)的濾除量及子流域的最終輸出量來(lái)反映其在水質(zhì)凈化中的貢獻(xiàn),氮輸出量越大,水質(zhì)凈化服務(wù)功能越差。其評(píng)估方法見(jiàn)公式3：
(3)
式中,WPx指柵格x的水質(zhì)凈化能力,ALVx是柵格x的污染負(fù)荷值,polx是柵格x的輸出系數(shù),HSSx水文敏感分值,λx是柵格x的徑流系數(shù),λˉw是流域內(nèi)的平均徑流系數(shù),ΣYu是柵格x及最后匯入該柵格的所有上游柵格的總產(chǎn)水量。
(4)土壤保持服務(wù)
土壤保持功能是生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地等)通過(guò)林冠層、枯落物、根系等各個(gè)層次消減雨水的侵蝕能量,增加土壤抗蝕性從而減輕土壤侵蝕,減少土壤流失,保持土壤的功能。本研究過(guò)InVEST模型的土壤保持模塊進(jìn)行評(píng)估,該模塊主要基于通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE),采用地貌、氣候、植被和管理實(shí)踐的能力等數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算每個(gè)地類(lèi)柵格的年均土壤流失量和土壤保持量,評(píng)估方法見(jiàn)公式4:
ULSE=R×K×LS×C×P
(4)
式中,USLE表示土侵蝕量,R為降雨侵蝕力,K土壤可蝕性因子,LS是坡長(zhǎng)因子,C植被覆蓋因子與管理因子,P為管理實(shí)踐因子。
(5)固碳服務(wù)
生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能是指植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的二氧化碳,合成有機(jī)質(zhì),將碳固定在植物或土壤中。本研究采用InVEST中的固碳模型進(jìn)行評(píng)估,我們不考慮地上碳庫(kù)中極不穩(wěn)定的碳(如草地和短周期(一年生)的農(nóng)作物),因?yàn)檫@些碳庫(kù)相對(duì)稀少,更新太快或非常穩(wěn)定。模型的主要原理是一個(gè)碳密度的累積,包括地表碳密度,土壤碳密度、地下碳密度和死亡碳密度。所需數(shù)據(jù)主要是土地利用數(shù)據(jù)和碳庫(kù)數(shù)據(jù)[15- 16]。
(6)糧食供給服務(wù)
本研究將區(qū)縣糧食產(chǎn)量(小麥、水稻等)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化得到大清河流域的糧食供給服務(wù)。具體方法是將按區(qū)縣統(tǒng)計(jì)的糧食產(chǎn)量通過(guò)土地利用類(lèi)型分配到柵格上[17],即每個(gè)柵格的屬性是單位耕地面積產(chǎn)量。
2.3 數(shù)據(jù)分析方法
本研究使用ArcGIS 10.2對(duì)大清河流域2000年和2015年的土地利用/覆被進(jìn)行了類(lèi)型轉(zhuǎn)化分析,在軟件中通過(guò)空間自相關(guān)分析(Moran′s I test)確定各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間相關(guān)關(guān)系,并繪制歸一化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局。
本研究中使用圍繞中心點(diǎn)的聚類(lèi)分析方法(Partitioning Around Medoids,PAM),利用R語(yǔ)言“cluster”包中的PAM模塊對(duì)整個(gè)研究數(shù)據(jù)(即兩個(gè)時(shí)間段)大清河流域725個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行聚類(lèi)分析。與一般的K均值聚類(lèi)分析相比,PAM在處理更多數(shù)據(jù)量的同時(shí),還具有更加穩(wěn)定和不敏感性的優(yōu)點(diǎn)[11]。利用IBM SPSS Statistics 22軟件對(duì)選取的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行相關(guān)性分析,選取三類(lèi)驅(qū)動(dòng)因子,(1)初始屬性因子：初始年份的水資源供給服務(wù)(WY2000)、糧食供給服務(wù)(CP2000)、調(diào)節(jié)服務(wù)(RS2000)、坡度(Slope)、高程(DEM)、距離道路距離(Distance from the Road,DR)；(2)土地利用變化因子：林地比例變化(Proportion of Forest land,PF)、草地比例變化(Proportion of Grassland,PG)、建設(shè)用地比例變化(Proportion of Built-up land,PB)、農(nóng)田比例變化(Proportion of Cropland,PC)；(3)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子：人口密度變化(Population,Pop)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值變化(GDP)共12個(gè)變量因子,排除相關(guān)性強(qiáng)的因子。最后通過(guò)生態(tài)排序分析軟件[11- 12](CANOCO5)進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis,RDA),確定驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇時(shí)空格局變化的主要因素。
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用格局變化
大清河流域土地利用類(lèi)型共分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地、其他用地6類(lèi)。流域上游以林、草地為主,下游以耕地、建設(shè)用地為主。2000—2015年,大清河流域土地利用的變化主要表現(xiàn)在林、草、建設(shè)用地的增加和耕地的減少,上游主要是林、草、耕地之間的轉(zhuǎn)換,下游是主要是耕地、建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換。2000—2015年林地增加了1.50%,其中耕地轉(zhuǎn)林地占1.12%；草地增加了0.83%,其中耕地轉(zhuǎn)草地占0.30%；建設(shè)用地增加3.00%,其中耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地占2.46%；耕地減少4.15%(圖2)。
圖2 2015年土地利用現(xiàn)狀及2000—2015年土地利用變化Fig.2 Land use in 2015 and change between 2000 and 2015
3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及變化
在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)出空間集聚(P< 0.01)。調(diào)節(jié)服務(wù)(水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持、固碳)呈現(xiàn)西北高、東南低的空間格局,供給服務(wù)(水資源供給、糧食供給)則相反；2000—2015年西部山區(qū)調(diào)節(jié)服務(wù)增強(qiáng),而東部平原區(qū)糧食供給服務(wù)增強(qiáng)?？傮w上,糧食提供和調(diào)節(jié)服務(wù)均增加,僅水資源供給服務(wù)下降了0.42%(圖3)。
3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇及變化
通過(guò)聚類(lèi)分析,將大清河流域725個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)劃分成3類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇(圖4),分別為生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇(B1)、農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇(B2)和人居環(huán)境簇(B3)。在B1中水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持、固碳服務(wù)均處于高值,在空間上分布在流域上游林地、草地區(qū)域；B2中水資源供給和糧食供給處于高值,主要分布在流域下游的農(nóng)田區(qū)域；B3中僅水資源供給為高值,主要分布在流域下游的城市區(qū)域(圖5)。
圖4 大清河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇Fig.4 Ecosystem service bundles in Daqing River BasinB1：生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇 Ecological Regulation Bundle；B2：農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇 Agricultural Product Supply Bundle；B3：人居環(huán)境簇 Human Settlement Bundle
2000—2015年,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間格局發(fā)生變化的主要是上游的B1和下游的B3(圖5)。根據(jù)未變化鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量來(lái)看,B2的空間格局更加穩(wěn)定(穩(wěn)定率為98.2%),其次是B3(95.7%)和B2(80.4%)。以2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的空間格局為邊界,對(duì)比服務(wù)簇中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化,B1中調(diào)節(jié)服務(wù)和糧食供給均增加,其中固碳服務(wù)的變化幅度最大,達(dá)29.4%；B2除產(chǎn)水服務(wù)外,其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均增加,其中糧食供給服務(wù)變化幅度最大,達(dá)11.6%；B3供給服務(wù)增加,調(diào)節(jié)服務(wù)均減少。
圖5 2000年和2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的空間格局、鄉(xiāng)鎮(zhèn)穩(wěn)定率及服務(wù)變化Fig.5 The spatial pattern, township stability rate and service changes of ecosystem service bundles in 2000 and 2015
3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇變化驅(qū)動(dòng)因素
針對(duì)2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)類(lèi)型發(fā)生變化的鄉(xiāng)鎮(zhèn),通過(guò)冗余分析識(shí)別驅(qū)動(dòng)因子(圖6)。結(jié)果顯示,初始服務(wù)水平、建設(shè)用地比例變化、人口密度變化和坡度是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇格局變化的主要因素,第一、二軸的解釋度達(dá)到75.24%(P<0.17)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生變化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)出明顯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分類(lèi)。其中初始調(diào)節(jié)服務(wù)水平(RS2000)、坡度(Slope)和人口密度變化(Pop)驅(qū)動(dòng)著服務(wù)簇類(lèi)型向著B(niǎo)1轉(zhuǎn)化,初始糧食供給水平(CP2000)驅(qū)動(dòng)著服務(wù)簇類(lèi)型向B2轉(zhuǎn)化,初始水資源供給水平(WY2000)及建設(shè)用地變化(PB)驅(qū)動(dòng)著服務(wù)簇類(lèi)型向B3轉(zhuǎn)化。
圖6 大清河流域2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因素Fig.6 The main driving factors of the spatial pattern change of ecosystem service bundles in Daqing River Basin from 2000 to 2015WY2000：2000年水資源供給 Water Yield in 2000；CP2000：2000年糧食供給 Crop Production in 2000；RS2000：2000年調(diào)節(jié)服務(wù) Regulation Service in 2000；Slope：坡度 Slope；PB：建設(shè)用地比例變化 Proportion of Built-up land；Pop：人口密度變化 Population change
4 討論
4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空特征
在本研究中,2000—2015年大清河流域的糧食供給及調(diào)節(jié)服務(wù)均有所提升,僅水資源供給降低0.42%,與國(guó)家尺度和區(qū)域尺度的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果一致[18- 20]。Ouyang等人[18]在國(guó)家尺度上評(píng)估了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),在生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施之后,海河流域的糧食生產(chǎn)、土壤保持、固碳、水源涵養(yǎng)等均有所改善；Wang等人[20]在城市尺度上評(píng)估了京津冀的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),結(jié)果顯示京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平均有所提高,且調(diào)節(jié)服務(wù)高值位于北部山區(qū),供給服高值位于南部平原,這與本研究的結(jié)果一致。調(diào)節(jié)服務(wù)的整體提升主要?dú)w因于國(guó)家2000年以來(lái)實(shí)施的生態(tài)保護(hù)工程[21- 22],退耕還林、還草等生態(tài)保護(hù)工程增加了植被覆蓋面積,提升了水源涵養(yǎng)服務(wù)、水質(zhì)凈化服務(wù)、土壤保持服務(wù)、固碳服務(wù)[23- 24]。生態(tài)保護(hù)工程在不同程度上提升了大清河流域上游生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇(B1)和下游農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇(B2)的調(diào)節(jié)服務(wù)(圖5)。在下游人居環(huán)境簇(B3),隨著建設(shè)用地的增加使得碳儲(chǔ)量減少、水質(zhì)惡化,導(dǎo)致調(diào)節(jié)服務(wù)下降[25- 26]；由于地表硬化,水資源供給呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[27-28]。從糧食供給服務(wù)來(lái)看,雖然在不同服務(wù)簇中耕地面積均有所減少,但由于華北平原農(nóng)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí),例如集中作物優(yōu)勢(shì)品種比例,糧食作物區(qū)域的合理布局,農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高等,使得糧食供給在耕地面積減少的情況下仍能有效提高[20]。
4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇時(shí)空變化的影響因素
準(zhǔn)確識(shí)別社會(huì)-生態(tài)等驅(qū)動(dòng)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)簇時(shí)空格局變化的影響,對(duì)流域未來(lái)提高國(guó)土空間的多功能性具有重要意義[11]。Liu等人[12]證明降水和人口密度是生態(tài)恢復(fù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主要影響因素,為黃土高原區(qū)域植被管理提供了有效的證據(jù)；Shen等人[29]從3個(gè)空間尺度上探討了社會(huì)-生態(tài)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,結(jié)果顯示,植被指數(shù)是影響京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最主要驅(qū)動(dòng)力,并基于此強(qiáng)調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分級(jí)治理的必要性。在本研究中,自然本底條件和人類(lèi)活動(dòng)干擾是驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系發(fā)生改變的主要因素。自然本底條件包括初始的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平以及所處的坡度、DEM、距離道路的距離,人類(lèi)活動(dòng)干擾包括土地利用類(lèi)型(林地、草地、耕地、建設(shè)用地)的變化以及人口密度和GDP的變化等。從服務(wù)分區(qū)結(jié)果來(lái)看,生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇(B1)時(shí)空格局變化的是自然和人為政策共同作用的結(jié)果,區(qū)域內(nèi)的自然本底較好和坡度較大的區(qū)域在政策的驅(qū)動(dòng)下更易于轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)向生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇；此外,在合村并鎮(zhèn)等政策的驅(qū)動(dòng)下山區(qū)人口整合也是區(qū)域生態(tài)調(diào)功能整體提升的有效途徑。農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇(B2)的格局最為穩(wěn)定,發(fā)生變化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)調(diào)節(jié)服務(wù)低、坡度小,初始糧食供給服務(wù)較大,表明此類(lèi)區(qū)域更有利于改善種植技術(shù)和管理措施。人居環(huán)境簇(B3)的轉(zhuǎn)變則主要受到人類(lèi)活動(dòng)的驅(qū)使,初始地表硬化程度(產(chǎn)水量大小)及建筑用地的增加是轉(zhuǎn)化為人居環(huán)境簇的主要原因。研究結(jié)果表明,大清河流域?qū)嵤┑纳鷳B(tài)保護(hù)政策能夠有效的優(yōu)化流域生態(tài)功能分區(qū),上游高調(diào)節(jié)功能區(qū)的是下游糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力保障。
4.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇為流域生態(tài)系統(tǒng)管理提供有效途徑
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇方法能夠識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)空間上的聚集模式,其動(dòng)態(tài)變化能夠反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的潛在原因和變化速度,為流域的景觀規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升提供明確、合理的管理信息[9,30],能夠幫助管理人員預(yù)測(cè)未來(lái)由于政策轉(zhuǎn)變所帶來(lái)的可能性結(jié)果[31-34]。同時(shí)管理多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是流域可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容,以往的研究顯示由于服務(wù)間復(fù)雜的權(quán)衡-協(xié)同關(guān)系[10],在受到生態(tài)保護(hù)政策和城市化等外界干擾后,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化并不一定能夠沿預(yù)期方向發(fā)展,從而增加了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的難度。本研究在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,基于大清河流域主要的供給和調(diào)節(jié)服務(wù),利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇方法,劃分了基于生態(tài)系統(tǒng)功能的分區(qū),功能分區(qū)結(jié)果與京津冀地區(qū)土地利用規(guī)劃相契合,依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行的分區(qū)管理,對(duì)未來(lái)流域資源整合具有實(shí)際意義。研究中還分析了流域生態(tài)功能區(qū)格局的時(shí)空變化,識(shí)別了造成功能區(qū)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素,彌補(bǔ)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇在時(shí)空變化上究因分析的空缺。研究成果可以為大清河流域優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局,實(shí)施分區(qū)管控措施,降低流域服務(wù)權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)[10],也能夠?yàn)槠渌饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與管理提供有效參考。
5 結(jié)論
本研究基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度量化了大清河流域6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(水資源供給、糧食供給、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持、固碳),根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)主導(dǎo)功能將流域劃分為生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇,農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇和人居環(huán)境簇3 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。2000—2015年間,上游生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇的格局變化最大,其次為下游的人居環(huán)境簇和農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇；驅(qū)動(dòng)因素分析表明,生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇的變化受到自然本底條件和生態(tài)政策雙方面影響,而農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇和人居環(huán)境簇則主要受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)因素的影響。
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潘 瑩,鄭 華,易齊濤,李若男,*
1 安徽理工大學(xué),淮南 232000 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 3 煙臺(tái)大學(xué),煙臺(tái) 264010
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人們從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益,包括有形的物質(zhì)產(chǎn)品供給和無(wú)形的服務(wù)提供兩個(gè)方面[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間以復(fù)雜的作用關(guān)系相互影響著[2- 3],一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的提升可能以犧牲多種調(diào)節(jié)服務(wù)為代價(jià)[3- 5]。近一百多年來(lái),全球范圍內(nèi)約60%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)退化,極大地?fù)p害和威脅著人類(lèi)福祉,其主要原因之一就是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)缺乏有效的管理[6]。了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間關(guān)系有利于維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定并保障生態(tài)系統(tǒng)安全[7]。在人類(lèi)干擾劇烈的流域,識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間關(guān)系及其變化特征,還能夠?yàn)榱饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)管理提供支持,并為流域上下游生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
近幾年來(lái),越來(lái)越多的學(xué)者利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇來(lái)識(shí)別多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的聚集模式,以達(dá)到同時(shí)管理多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的目的[6,8- 13]。Renard等人[10]將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇定義為跨空間或時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集,并確定了加拿大市級(jí)尺度上的12種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,并使用它們來(lái)確定常見(jiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系效應(yīng),Kong等人[11]繪制了我國(guó)長(zhǎng)江流域的重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇；Liu等人[12]通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇探究了我國(guó)黃土高原植被恢復(fù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時(shí)空驅(qū)動(dòng)因子。但是大部分的研究只集中在單一時(shí)間點(diǎn)上對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇進(jìn)行繪制,而對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的時(shí)間變化特征以及引起服務(wù)簇格局變化的驅(qū)動(dòng)因素尚不明確。
大清河流域是京津冀地區(qū)的重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)和糧食生產(chǎn)區(qū),也是白洋淀和雄安新區(qū)的所在地。2000年以來(lái),隨著區(qū)域生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施和城市化進(jìn)程的加快,流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)干擾持續(xù)增強(qiáng)。本研究以大清河流域?yàn)槔?在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上分別評(píng)估了2000年和2015年的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(水資源供給服務(wù)(Water Yield,WY)、糧食供給服務(wù)(Crop Production,CP)、水源涵養(yǎng)服務(wù)(Water Retention,WR)、水質(zhì)凈化服務(wù)(Water Purification,WP)、土壤保持服務(wù)(Soil Retention,SR)、固碳服務(wù)(Carbon Sequestration,CS)),通過(guò)識(shí)別大清河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的時(shí)空格局變化,確定主要驅(qū)動(dòng)因素,以期為流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間優(yōu)化和管理提供參考。
1 研究區(qū)概況
大清河流域位于我國(guó)華北平原,是重要的糧食生產(chǎn)區(qū)。流域位于海河水系中部,流經(jīng)山西、河北、北京和天津四省(直轄市)(38°10′2.71″—40°2′32.7″N,113°40′14.27″—117°9′58.31″E),雄安新區(qū)位于流域腹地(圖1)。大清河流域面積44708 km2,屬中溫帶半濕潤(rùn)氣候,地勢(shì)西北高東南低,西部山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量關(guān)系到東部平原區(qū)生態(tài)安全和人居生活。流域內(nèi)面臨著水資源短缺、水質(zhì)惡化、耕地面積下降等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[14],隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程,區(qū)域人地矛盾加劇。
圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Study area
2 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
(1)采用分辨率30 m的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),使用ArcGIS 10.2進(jìn)行填洼處理。(2)土地利用/覆被(Land Use/Land Cover,LULC)數(shù)據(jù)使用的是中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的30 m的數(shù)據(jù)。(3)蒸散(Evapotranspiration,ET)和降水(Precipitation,Pre)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局的站點(diǎn)數(shù)據(jù),后經(jīng)過(guò)空間插值處理,在本研究中控制了氣象因子不變。(4)土壤數(shù)據(jù)(1∶100萬(wàn))下載于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所(http://www.resdc.cn)。(5)糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自于北京、天津、河北、山西的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。(6)道路數(shù)據(jù)下載于北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)平臺(tái)(https://geodata.pku.edu.cn)。(7)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product,GDP)和人口數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所(http://www.resdc.cn)。
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估方法
本研究中除了糧食供給服務(wù)以外,其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均使用InVEST模型(Integrated Valuation of Environment Services and Trade-offs)進(jìn)行評(píng)估,該模型是在自然資本項(xiàng)目支持下,由美國(guó)斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(huì)(World Wildlife Fund,WWF)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(The Nature Conservancy,TNC)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評(píng)估模型,能夠在不同地理尺度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)尺度上展示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間變化。使用InVEST中的“產(chǎn)水模塊”、“季節(jié)性產(chǎn)水模塊”、“水質(zhì)凈化模塊”、“沉積物運(yùn)移模塊”、“固碳模塊”評(píng)估基于柵格尺度的水資源供給服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)、水質(zhì)凈化服務(wù)、土壤保持服務(wù)、固碳服務(wù),后通過(guò)分區(qū)統(tǒng)計(jì)求得鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的服務(wù)值。
(1)水資源供給服務(wù)
在本研究中,水資源供給服務(wù)指一定區(qū)域內(nèi)的地表產(chǎn)水量,地表產(chǎn)水量的計(jì)算基于一個(gè)簡(jiǎn)化的水文循環(huán)模型,忽略地下水的影響,由降雨量、蒸散量、土壤深度、植物可利用水等眾多參數(shù)綜合決定。水資源供給服務(wù)通過(guò)InVEST 模型的“產(chǎn)水量”模塊進(jìn)行評(píng)估,計(jì)算方法見(jiàn)公式1：
(1)
式中,Y(x)為土地利用柵格x的產(chǎn)水量；AET(x)示柵格單元的年實(shí)際蒸散量、p(x)表示柵格單元x的年降水量。
(2)水源涵養(yǎng)服務(wù)
水源涵養(yǎng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠層、枯枝物層、根系等攔截滯蓄降水。不僅滿足生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各生態(tài)組分對(duì)水源的需要,同時(shí)能夠在枯季(當(dāng)月平均徑流量占全年徑流量的比例小5%的月份)持續(xù)地向外部提供水源。本研究通過(guò)“季節(jié)性產(chǎn)水”模塊計(jì)算月產(chǎn)水,然后利用枯季的產(chǎn)水量和年產(chǎn)水量的比值來(lái)表征水源涵養(yǎng)服務(wù),計(jì)算方法見(jiàn)公式2：
(2)
式中,WR為水源涵養(yǎng)服務(wù)能力,Y(xi)是第i個(gè)月的產(chǎn)水量,a為枯季徑流的月份。
(3)水質(zhì)凈化服務(wù)
本研究中,水質(zhì)凈化服務(wù)功能主要考慮植被對(duì)水體中氮元素的凈化能力,使用水質(zhì)凈化模塊進(jìn)行評(píng)估,該模塊估算植被和土壤對(duì)徑流中氮污染物質(zhì)的濾除量及子流域的最終輸出量來(lái)反映其在水質(zhì)凈化中的貢獻(xiàn),氮輸出量越大,水質(zhì)凈化服務(wù)功能越差。其評(píng)估方法見(jiàn)公式3：
(3)
式中,WPx指柵格x的水質(zhì)凈化能力,ALVx是柵格x的污染負(fù)荷值,polx是柵格x的輸出系數(shù),HSSx水文敏感分值,λx是柵格x的徑流系數(shù),λˉw是流域內(nèi)的平均徑流系數(shù),ΣYu是柵格x及最后匯入該柵格的所有上游柵格的總產(chǎn)水量。
(4)土壤保持服務(wù)
土壤保持功能是生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地等)通過(guò)林冠層、枯落物、根系等各個(gè)層次消減雨水的侵蝕能量,增加土壤抗蝕性從而減輕土壤侵蝕,減少土壤流失,保持土壤的功能。本研究過(guò)InVEST模型的土壤保持模塊進(jìn)行評(píng)估,該模塊主要基于通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE),采用地貌、氣候、植被和管理實(shí)踐的能力等數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算每個(gè)地類(lèi)柵格的年均土壤流失量和土壤保持量,評(píng)估方法見(jiàn)公式4:
ULSE=R×K×LS×C×P
(4)
式中,USLE表示土侵蝕量,R為降雨侵蝕力,K土壤可蝕性因子,LS是坡長(zhǎng)因子,C植被覆蓋因子與管理因子,P為管理實(shí)踐因子。
(5)固碳服務(wù)
生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能是指植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的二氧化碳,合成有機(jī)質(zhì),將碳固定在植物或土壤中。本研究采用InVEST中的固碳模型進(jìn)行評(píng)估,我們不考慮地上碳庫(kù)中極不穩(wěn)定的碳(如草地和短周期(一年生)的農(nóng)作物),因?yàn)檫@些碳庫(kù)相對(duì)稀少,更新太快或非常穩(wěn)定。模型的主要原理是一個(gè)碳密度的累積,包括地表碳密度,土壤碳密度、地下碳密度和死亡碳密度。所需數(shù)據(jù)主要是土地利用數(shù)據(jù)和碳庫(kù)數(shù)據(jù)[15- 16]。
(6)糧食供給服務(wù)
本研究將區(qū)縣糧食產(chǎn)量(小麥、水稻等)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化得到大清河流域的糧食供給服務(wù)。具體方法是將按區(qū)縣統(tǒng)計(jì)的糧食產(chǎn)量通過(guò)土地利用類(lèi)型分配到柵格上[17],即每個(gè)柵格的屬性是單位耕地面積產(chǎn)量。
2.3 數(shù)據(jù)分析方法
本研究使用ArcGIS 10.2對(duì)大清河流域2000年和2015年的土地利用/覆被進(jìn)行了類(lèi)型轉(zhuǎn)化分析,在軟件中通過(guò)空間自相關(guān)分析(Moran′s I test)確定各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間相關(guān)關(guān)系,并繪制歸一化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局。
本研究中使用圍繞中心點(diǎn)的聚類(lèi)分析方法(Partitioning Around Medoids,PAM),利用R語(yǔ)言“cluster”包中的PAM模塊對(duì)整個(gè)研究數(shù)據(jù)(即兩個(gè)時(shí)間段)大清河流域725個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行聚類(lèi)分析。與一般的K均值聚類(lèi)分析相比,PAM在處理更多數(shù)據(jù)量的同時(shí),還具有更加穩(wěn)定和不敏感性的優(yōu)點(diǎn)[11]。利用IBM SPSS Statistics 22軟件對(duì)選取的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行相關(guān)性分析,選取三類(lèi)驅(qū)動(dòng)因子,(1)初始屬性因子：初始年份的水資源供給服務(wù)(WY2000)、糧食供給服務(wù)(CP2000)、調(diào)節(jié)服務(wù)(RS2000)、坡度(Slope)、高程(DEM)、距離道路距離(Distance from the Road,DR)；(2)土地利用變化因子：林地比例變化(Proportion of Forest land,PF)、草地比例變化(Proportion of Grassland,PG)、建設(shè)用地比例變化(Proportion of Built-up land,PB)、農(nóng)田比例變化(Proportion of Cropland,PC)；(3)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子：人口密度變化(Population,Pop)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值變化(GDP)共12個(gè)變量因子,排除相關(guān)性強(qiáng)的因子。最后通過(guò)生態(tài)排序分析軟件[11- 12](CANOCO5)進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis,RDA),確定驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇時(shí)空格局變化的主要因素。
3 結(jié)果與分析
3.1 土地利用格局變化
大清河流域土地利用類(lèi)型共分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地、其他用地6類(lèi)。流域上游以林、草地為主,下游以耕地、建設(shè)用地為主。2000—2015年,大清河流域土地利用的變化主要表現(xiàn)在林、草、建設(shè)用地的增加和耕地的減少,上游主要是林、草、耕地之間的轉(zhuǎn)換,下游是主要是耕地、建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換。2000—2015年林地增加了1.50%,其中耕地轉(zhuǎn)林地占1.12%；草地增加了0.83%,其中耕地轉(zhuǎn)草地占0.30%；建設(shè)用地增加3.00%,其中耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地占2.46%；耕地減少4.15%(圖2)。
圖2 2015年土地利用現(xiàn)狀及2000—2015年土地利用變化Fig.2 Land use in 2015 and change between 2000 and 2015
3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及變化
在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)出空間集聚(P< 0.01)。調(diào)節(jié)服務(wù)(水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持、固碳)呈現(xiàn)西北高、東南低的空間格局,供給服務(wù)(水資源供給、糧食供給)則相反；2000—2015年西部山區(qū)調(diào)節(jié)服務(wù)增強(qiáng),而東部平原區(qū)糧食供給服務(wù)增強(qiáng)?？傮w上,糧食提供和調(diào)節(jié)服務(wù)均增加,僅水資源供給服務(wù)下降了0.42%(圖3)。
3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇及變化
通過(guò)聚類(lèi)分析,將大清河流域725個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)劃分成3類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇(圖4),分別為生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇(B1)、農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇(B2)和人居環(huán)境簇(B3)。在B1中水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持、固碳服務(wù)均處于高值,在空間上分布在流域上游林地、草地區(qū)域；B2中水資源供給和糧食供給處于高值,主要分布在流域下游的農(nóng)田區(qū)域；B3中僅水資源供給為高值,主要分布在流域下游的城市區(qū)域(圖5)。
圖4 大清河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇Fig.4 Ecosystem service bundles in Daqing River BasinB1：生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇 Ecological Regulation Bundle；B2：農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇 Agricultural Product Supply Bundle；B3：人居環(huán)境簇 Human Settlement Bundle
2000—2015年,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間格局發(fā)生變化的主要是上游的B1和下游的B3(圖5)。根據(jù)未變化鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量來(lái)看,B2的空間格局更加穩(wěn)定(穩(wěn)定率為98.2%),其次是B3(95.7%)和B2(80.4%)。以2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的空間格局為邊界,對(duì)比服務(wù)簇中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化,B1中調(diào)節(jié)服務(wù)和糧食供給均增加,其中固碳服務(wù)的變化幅度最大,達(dá)29.4%；B2除產(chǎn)水服務(wù)外,其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均增加,其中糧食供給服務(wù)變化幅度最大,達(dá)11.6%；B3供給服務(wù)增加,調(diào)節(jié)服務(wù)均減少。
圖5 2000年和2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的空間格局、鄉(xiāng)鎮(zhèn)穩(wěn)定率及服務(wù)變化Fig.5 The spatial pattern, township stability rate and service changes of ecosystem service bundles in 2000 and 2015
3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇變化驅(qū)動(dòng)因素
針對(duì)2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)類(lèi)型發(fā)生變化的鄉(xiāng)鎮(zhèn),通過(guò)冗余分析識(shí)別驅(qū)動(dòng)因子(圖6)。結(jié)果顯示,初始服務(wù)水平、建設(shè)用地比例變化、人口密度變化和坡度是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇格局變化的主要因素,第一、二軸的解釋度達(dá)到75.24%(P<0.17)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生變化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)出明顯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分類(lèi)。其中初始調(diào)節(jié)服務(wù)水平(RS2000)、坡度(Slope)和人口密度變化(Pop)驅(qū)動(dòng)著服務(wù)簇類(lèi)型向著B(niǎo)1轉(zhuǎn)化,初始糧食供給水平(CP2000)驅(qū)動(dòng)著服務(wù)簇類(lèi)型向B2轉(zhuǎn)化,初始水資源供給水平(WY2000)及建設(shè)用地變化(PB)驅(qū)動(dòng)著服務(wù)簇類(lèi)型向B3轉(zhuǎn)化。
圖6 大清河流域2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因素Fig.6 The main driving factors of the spatial pattern change of ecosystem service bundles in Daqing River Basin from 2000 to 2015WY2000：2000年水資源供給 Water Yield in 2000；CP2000：2000年糧食供給 Crop Production in 2000；RS2000：2000年調(diào)節(jié)服務(wù) Regulation Service in 2000；Slope：坡度 Slope；PB：建設(shè)用地比例變化 Proportion of Built-up land；Pop：人口密度變化 Population change
4 討論
4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空特征
在本研究中,2000—2015年大清河流域的糧食供給及調(diào)節(jié)服務(wù)均有所提升,僅水資源供給降低0.42%,與國(guó)家尺度和區(qū)域尺度的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果一致[18- 20]。Ouyang等人[18]在國(guó)家尺度上評(píng)估了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),在生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施之后,海河流域的糧食生產(chǎn)、土壤保持、固碳、水源涵養(yǎng)等均有所改善；Wang等人[20]在城市尺度上評(píng)估了京津冀的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),結(jié)果顯示京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平均有所提高,且調(diào)節(jié)服務(wù)高值位于北部山區(qū),供給服高值位于南部平原,這與本研究的結(jié)果一致。調(diào)節(jié)服務(wù)的整體提升主要?dú)w因于國(guó)家2000年以來(lái)實(shí)施的生態(tài)保護(hù)工程[21- 22],退耕還林、還草等生態(tài)保護(hù)工程增加了植被覆蓋面積,提升了水源涵養(yǎng)服務(wù)、水質(zhì)凈化服務(wù)、土壤保持服務(wù)、固碳服務(wù)[23- 24]。生態(tài)保護(hù)工程在不同程度上提升了大清河流域上游生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇(B1)和下游農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇(B2)的調(diào)節(jié)服務(wù)(圖5)。在下游人居環(huán)境簇(B3),隨著建設(shè)用地的增加使得碳儲(chǔ)量減少、水質(zhì)惡化,導(dǎo)致調(diào)節(jié)服務(wù)下降[25- 26]；由于地表硬化,水資源供給呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[27-28]。從糧食供給服務(wù)來(lái)看,雖然在不同服務(wù)簇中耕地面積均有所減少,但由于華北平原農(nóng)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí),例如集中作物優(yōu)勢(shì)品種比例,糧食作物區(qū)域的合理布局,農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高等,使得糧食供給在耕地面積減少的情況下仍能有效提高[20]。
4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇時(shí)空變化的影響因素
準(zhǔn)確識(shí)別社會(huì)-生態(tài)等驅(qū)動(dòng)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)簇時(shí)空格局變化的影響,對(duì)流域未來(lái)提高國(guó)土空間的多功能性具有重要意義[11]。Liu等人[12]證明降水和人口密度是生態(tài)恢復(fù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主要影響因素,為黃土高原區(qū)域植被管理提供了有效的證據(jù)；Shen等人[29]從3個(gè)空間尺度上探討了社會(huì)-生態(tài)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,結(jié)果顯示,植被指數(shù)是影響京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最主要驅(qū)動(dòng)力,并基于此強(qiáng)調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分級(jí)治理的必要性。在本研究中,自然本底條件和人類(lèi)活動(dòng)干擾是驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系發(fā)生改變的主要因素。自然本底條件包括初始的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平以及所處的坡度、DEM、距離道路的距離,人類(lèi)活動(dòng)干擾包括土地利用類(lèi)型(林地、草地、耕地、建設(shè)用地)的變化以及人口密度和GDP的變化等。從服務(wù)分區(qū)結(jié)果來(lái)看,生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇(B1)時(shí)空格局變化的是自然和人為政策共同作用的結(jié)果,區(qū)域內(nèi)的自然本底較好和坡度較大的區(qū)域在政策的驅(qū)動(dòng)下更易于轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)向生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇；此外,在合村并鎮(zhèn)等政策的驅(qū)動(dòng)下山區(qū)人口整合也是區(qū)域生態(tài)調(diào)功能整體提升的有效途徑。農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇(B2)的格局最為穩(wěn)定,發(fā)生變化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)調(diào)節(jié)服務(wù)低、坡度小,初始糧食供給服務(wù)較大,表明此類(lèi)區(qū)域更有利于改善種植技術(shù)和管理措施。人居環(huán)境簇(B3)的轉(zhuǎn)變則主要受到人類(lèi)活動(dòng)的驅(qū)使,初始地表硬化程度(產(chǎn)水量大小)及建筑用地的增加是轉(zhuǎn)化為人居環(huán)境簇的主要原因。研究結(jié)果表明,大清河流域?qū)嵤┑纳鷳B(tài)保護(hù)政策能夠有效的優(yōu)化流域生態(tài)功能分區(qū),上游高調(diào)節(jié)功能區(qū)的是下游糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力保障。
4.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇為流域生態(tài)系統(tǒng)管理提供有效途徑
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇方法能夠識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)空間上的聚集模式,其動(dòng)態(tài)變化能夠反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的潛在原因和變化速度,為流域的景觀規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升提供明確、合理的管理信息[9,30],能夠幫助管理人員預(yù)測(cè)未來(lái)由于政策轉(zhuǎn)變所帶來(lái)的可能性結(jié)果[31-34]。同時(shí)管理多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是流域可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容,以往的研究顯示由于服務(wù)間復(fù)雜的權(quán)衡-協(xié)同關(guān)系[10],在受到生態(tài)保護(hù)政策和城市化等外界干擾后,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化并不一定能夠沿預(yù)期方向發(fā)展,從而增加了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的難度。本研究在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,基于大清河流域主要的供給和調(diào)節(jié)服務(wù),利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇方法,劃分了基于生態(tài)系統(tǒng)功能的分區(qū),功能分區(qū)結(jié)果與京津冀地區(qū)土地利用規(guī)劃相契合,依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行的分區(qū)管理,對(duì)未來(lái)流域資源整合具有實(shí)際意義。研究中還分析了流域生態(tài)功能區(qū)格局的時(shí)空變化,識(shí)別了造成功能區(qū)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素,彌補(bǔ)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇在時(shí)空變化上究因分析的空缺。研究成果可以為大清河流域優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局,實(shí)施分區(qū)管控措施,降低流域服務(wù)權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)[10],也能夠?yàn)槠渌饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與管理提供有效參考。
5 結(jié)論
本研究基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度量化了大清河流域6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(水資源供給、糧食供給、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持、固碳),根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)主導(dǎo)功能將流域劃分為生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇,農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇和人居環(huán)境簇3 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。2000—2015年間,上游生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇的格局變化最大,其次為下游的人居環(huán)境簇和農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇；驅(qū)動(dòng)因素分析表明,生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)簇的變化受到自然本底條件和生態(tài)政策雙方面影響,而農(nóng)產(chǎn)品供給服務(wù)簇和人居環(huán)境簇則主要受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)因素的影響。
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