陳謀會，林澤北，周學霞，伍娬，王志杰

(1.清鎮(zhèn)市站街鎮(zhèn)林業(yè)站，貴州 貴陽551403；2.貴陽市林草資源監(jiān)測中心，貴州 貴陽550003；3.貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025)

生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指自然生態(tài)系統(tǒng)為維持人類生存和發(fā)展所形成的環(huán)境條件與效用，是人類用以生存、發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品的統(tǒng)一惠普[1]。自20世紀50年代初期，Eugene P.Odum在《Fundamentals of Ecology》一書中首次闡述了生態(tài)系統(tǒng)的“服務功能”的概念[2]后，生態(tài)系統(tǒng)服務功能的相關研究受到越來越多國內外學者的關注[3-5]，研究成果主要集中在對不同尺度[6]、不同區(qū)域[7]、不同類型[8]的生態(tài)系統(tǒng)服務功能度量、價值評估和機理分析。目前，評估生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性的研究方法主要有模型法和定量指標法[9]。由于空間異質性和區(qū)域尺度效應，導致評估結果不具典型性和可比性[10]，怎樣精確地定位、定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務功能，探明不同自然環(huán)境條件下生態(tài)系統(tǒng)重要服務功能區(qū)成為生態(tài)學領域的前沿課題。InVEST模型(Integrate Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)能通過生產(chǎn)函數(shù)精確評估生態(tài)系統(tǒng)服務物質量，實現(xiàn)不同重要程度的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的可視化表達，不但有效反映出生態(tài)系統(tǒng)服務功能的空間異質性，還突破了傳統(tǒng)評估方法的地域限制性[11]，在全球生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估研究的應用得到廣泛應用[12]。近年來，隨著生態(tài)文明示范城市建設相關措施的深入實施，貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務功能的綜合效益得以提升，已形成“林在城中、城在林中”的生態(tài)格局。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)運轉機制嚴重受損。然而，在典型喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估鮮有[13]，且多集中在單一生態(tài)系統(tǒng)服務功能的探討，對生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能重要性較少，忽略了生態(tài)系統(tǒng)服務功能間的相互作用。在以經(jīng)濟發(fā)展為導向的密集土地利用方式和人類高度城市化的發(fā)展策略實施后，喀斯特山地城市生態(tài)資源保護的關鍵區(qū)在哪里？如何在資源有限的城市生態(tài)系統(tǒng)中，既解決土地利用資源供需矛盾又滿足城市居民對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的需求？科學回答上述問題，是貴陽市保障森林資源實現(xiàn)動態(tài)平衡，推進生態(tài)文明建設進程亟待解決的科學問題和現(xiàn)實問題?；诖耍狙芯恳缘湫涂λ固厣鷳B(tài)脆弱區(qū)貴陽市為研究對象，借助GIS技術和InVEST模型，對貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行定量評價，揭示水源涵養(yǎng)、碳儲量、生物多樣性保護和土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務功能現(xiàn)狀和空間分布特征，劃定該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要保護區(qū)域，明確生態(tài)保護核心區(qū)在維持地域自然風貌和建設綠色發(fā)展城市的重要程度，以期為決策部門在城市發(fā)展中實施生態(tài)補償機制和保障利益分配的公平性提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

貴陽市(106°07′～107°17′E，26°11′～27°22′N)位于貴州省中部，地處云貴高原東段，東臨湘江、南靠巴陵，中為黔中原始丘陵中段。全市轄6區(qū)3縣1市，國土面積約8034 km2。地勢呈明顯的西南高、東北低特征，區(qū)內地貌類型以山地、丘陵為主，喀斯特發(fā)育強烈，巖石透水性強，平均海拔在1100 m左右[14]。氣候區(qū)劃屬亞熱帶季風濕潤溫和型氣候，地處費雷爾環(huán)流圈，受西風帶影響，夏無酷暑，冬無嚴寒[15]。境內地帶性植被多為中亞熱帶濕潤性常綠闊葉林，由于城市化進程發(fā)展迅猛，2018年底貴陽市城鎮(zhèn)化率達75.43%[16]，主城區(qū)原生植被大幅減少，環(huán)境承載力超載程度加劇，致使區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能效益降低。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文遵循指標選取可獲取性、全面性、科學性等基本原則，以2019年Landsat-8 OLI遙感影像(坐標系統(tǒng)WGS_1984_UTM_Zone_48 N，空間分辨率30 m×30 m)為主要數(shù)據(jù)源，影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)?；贓NVI遙感數(shù)字圖像處理軟件平臺，對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像增強、影像鑲嵌等預處理，根據(jù)我國現(xiàn)行的土地利用分類標準(GB/T21010-2017)，采用支持向量機分類法將土地利用類型劃分為耕地、林地、建設用地、水域和其他用地5大類。混淆矩陣和Kappa系數(shù)驗證結果表明各類型分類精度和總體精度均大于85%，分類結果精度滿足本研究需求。年降水量、年平均氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)；應用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織推薦的FAO-56 Penman-Monteith模型[17]計算潛在蒸散量；土壤數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)的《面向陸面過程模型的中國土壤水文數(shù)據(jù)集(1980)》土壤數(shù)據(jù)集(1∶100 萬)[18]。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性評價

(1)土壤保持模型

基于通用的水土流失方程，在裸地的情形下，計算不同景觀類型潛在土壤侵蝕量。公式為[19]：

RKLSx=RKLSx

USLEx=RKLSxPC

SEDRETx=RKLSx-USLEx

式中：SEDRETx為柵格x的土壤保持量，RKLSx、USLEx分別是潛在土壤侵蝕量、實際土壤侵蝕量；R、K、P、C、LSx分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、水土保持措施因子、植被經(jīng)營管理因子、坡度-坡長因子。

(2)生境質量模型

將生境質量看作一個連續(xù)變量，將地覆被和各種生物多樣性脅迫因素疊加，以衡量生物多樣性。公式為[20]。

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質量，Hj為土地利用類型j的生境適宜性，Dxj為土地利用類型j、柵格單元x的生境脅迫水平，k為半飽和常數(shù)，在此模型中設置為0.5，z為歸一化常數(shù)。

(3)碳儲量模型

基于土地利用/覆被數(shù)據(jù)，統(tǒng)計地上生物量、地下生物量、土壤碳、死亡有機質四大碳庫的平均碳密度[21]，以評價景觀和類型尺度的總碳儲量。公式為[22]：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead式中：Ctot為生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量，Cabove為地上生物量碳儲量，Cbelow為地下生物量碳儲量，Csoil為土壤碳儲量，Cdead為死亡有機質碳儲量。

(4)水源涵養(yǎng)模型

以柵格為計算單元，基于水熱耦合平衡假設，模擬水源供給量的空間分布[23]。公式為[24]：

ωx=Z×(AWCx/Px)

AMCx=Min(MSDx,RDx)×PAWCx

式中：Yxj為土地利用類型j、柵格單元x的年產(chǎn)水量；AETxj為第j類土地利用類型在柵格單元x上的實際蒸散量，Px為單元x的年均降雨量；z為Zhang系數(shù)，ωx為無量綱的非物理參數(shù)；Rxj為土地利用類型j、柵格單元x的干燥指數(shù)，Kxj為植被的蒸散系數(shù)，AWCx為植被可利用水含量，ETox為柵格x的潛在蒸散量；MSDx為最大土壤深度，RDx為根系深度，PAWCx為土壤含水量。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能評價

基于單一生態(tài)系統(tǒng)服務功能的評價結果，借助空間主成分分析法確定評價指標的權重和主成分(累計貢獻率>85%)[25]，運用綜合指數(shù)法對各項指標進行加權疊加計算。計算公式為：

ESI=p1W1+p2W2+…+piWi

式中：ESI為生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能重要性指數(shù)；Pi為第i個主成分；Wi為第i個主成分的權重。采用自然斷點分級法，將ESI分為一般重要、重要和極重要3個等級，得到貴陽市生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能重要性評價結果。

3 結果與分析

3.1 土壤保持重要性評價

由土壤保持功能重要性評價結果可知(圖1)，貴陽市2019年土壤保持總量為2224.66×106t。土壤保持的空間分布格局呈現(xiàn)出四周高、中間低的分布狀態(tài)，高值區(qū)分布在開陽縣金中鎮(zhèn)和息烽縣西山鄉(xiāng)等地，其單位面積土壤保持量分別為3.39 t·m-2和3.33 t·m-2；土壤保持低值區(qū)主要出現(xiàn)在建設用地、耕地較為集中的南明區(qū)和白云區(qū)，其中白云區(qū)的單位面積土壤保持量最低(1.04 t·m-2)。

土壤保持重要性的評價結果顯示，研究區(qū)土壤保持重要性從一般重要到極重要表現(xiàn)出“倒金字塔”分布的數(shù)量特征(表1)，整體上呈現(xiàn)出大斑塊集聚、小斑塊離散的空間分布特征。區(qū)內以一般重要為優(yōu)勢類型，面積為7515.63 km2，面積比為96.49%，高度集聚于白云區(qū)、云巖區(qū)和修文縣等地區(qū)(面積占比≥98%)。在各區(qū)縣中，開陽縣的重要區(qū)和極重要區(qū)面積占比最大，但仍不足1.00%。，主要分布在植被覆蓋度較高的茅坡村、溫泉村和翁朵村。

3.2 生物多樣性保護重要性評價

貴陽市2019年平均生境質量指數(shù)為0.70。生境質量指數(shù)的高值集中分布在烏當區(qū)(0.78)和開陽縣(0.77)等地區(qū)(圖1)，而低值區(qū)主要集中在南明區(qū)、云巖區(qū)、白云區(qū)等地，其中云巖區(qū)的生物多樣性最低，生境質量指數(shù)僅為0.44。

研究區(qū)內生物多樣性保護重要性類型以極重要為主(表1，圖1)，面積為4163.41 km2，面積比為53.45%；重要地區(qū)次之，面積、占比分別為3069.28 km2、39.40%。全區(qū)生物多樣性保護極重要區(qū)在植被覆蓋較好的山區(qū)集中分布，少部分地區(qū)沿河道呈條帶狀分布；一般重要地區(qū)由于面積較大，呈連片分布和斑塊散布。就各區(qū)縣生物多樣性保護重要性的數(shù)量特征而言，“三縣一市”的極重要區(qū)面積最大，基本都在500 km2以上。這些地表植被結構復雜、物種資源豐富的地區(qū)，對維持區(qū)域生物多樣性具有重要貢獻作用。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價結果

3.3 碳儲量重要性評價

研究區(qū)內總碳儲量為142.884×106t，柵格平均值為16.36×106t。碳儲量的高值區(qū)主要集中在開陽縣南部、烏當區(qū)東北部，低值區(qū)主要分布在云巖區(qū)、南明區(qū)等中心城區(qū)及其輻射范圍(圖2)，其中烏當區(qū)和開陽縣的單位面積碳密度較高(19.62 kg·m-2、19.29 kg·m-2)，南明區(qū)的單位面積碳密度最低(16.05 kg·m-2)。

碳儲量一般重要區(qū)到極重要區(qū)的面積和比例呈逐級遞增趨勢(圖2)，極重要區(qū)面積最大(3706.81 km2)，占了全區(qū)面積的47.59%；其次是重要區(qū)(3406.13 km2)，其比例為43.73%；一般重要區(qū)的面積為676.20 km2，占比8.68%。各區(qū)縣中，開陽縣的極重要區(qū)面積超過了1100 km2，是碳儲量最豐富的區(qū)域。另外一些區(qū)縣如南明區(qū)、白云區(qū)、云巖區(qū)等，雖然極重要區(qū)面積相對校小，但比例也都在27%以上，這些區(qū)域在碳儲量中發(fā)揮著重要作用。云巖區(qū)碳儲量最少，一般重要類型面積占比是各區(qū)縣的最大值(40.71%)。

3.4 水源涵養(yǎng)重要性評價

研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量為8539.68×106mm，柵格平均值為986.93×106mm。由圖2可知，水源涵養(yǎng)量的空間分布存在不均勻性和復雜性，呈現(xiàn)出東高西低的格局，高值區(qū)域出現(xiàn)在花溪區(qū)、開陽縣和烏當區(qū)，平均水源涵養(yǎng)量最高為花溪區(qū)(1002.50×106mm)，低值區(qū)域主要是清鎮(zhèn)市、修文縣、和觀山湖區(qū)。

水源涵養(yǎng)功能重要區(qū)面積最大(表1，圖2)，達到4305.91 km2，約占總評估面積的55.28%，其空間分布格局呈現(xiàn)出帶狀和塊狀分布，少部分重要區(qū)呈斑塊分布；其次為極重要地區(qū)，面積為2917.49 km2，在總評估面積中占比37.46%，除花溪區(qū)、云巖區(qū)、觀山湖區(qū)和白云區(qū)大部分地區(qū)呈片狀集中分布外，其余均主要分布在重要區(qū)兩側；一般重要區(qū)面積較小，僅占總評估面積的7.26%，主要分布在重要區(qū)外側，呈零星片狀分布。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價結果

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性綜合評價

主成分分析結果表明，研究區(qū)內以碳儲量功能和生物多樣性保護功能為主導，兩者極重要區(qū)面積占比均接近50%。綜合評價結果表明，貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務功能綜合重要性指數(shù)為0.52～3.08，平均生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能重要值為2.09。各區(qū)縣中僅有烏當區(qū)(2.28)和開陽縣(2.26)的ESI大于平均值，處于生態(tài)盈余，其余8個區(qū)縣的生態(tài)承載力均小于生態(tài)足跡。

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能各類型與碳儲量功能的數(shù)量特征一致(表1)，均呈倒“J”分布型，但受到土壤保持功能的影響，部分極重要區(qū)轉變?yōu)橹匾獏^(qū)。極重要區(qū)和重要區(qū)面積分別為3519.43 km2和3714.11 km2，一般重要類型的區(qū)域僅占7.13%。生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性的空間分布表現(xiàn)出明顯的方向性，呈現(xiàn)出自東北向西南逐漸遞減的分布規(guī)律(圖3)。其中，一般重要區(qū)集中連片分布在中西部及東南部，其他地區(qū)基本呈星狀散布，尤其是清鎮(zhèn)市西部。重要區(qū)基本呈不規(guī)則帶形分布在極重要區(qū)周邊，少部分零散分布。極重要區(qū)主要分布在碳儲量較高的烏當區(qū)、開陽縣，還有一部分極重要區(qū)呈團塊狀散布在生境質量指數(shù)較高的息烽縣北部和西南部，這些地區(qū)對維護整個研究區(qū)及西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性評價結果

圖3 生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能評價結果

4 結論與討論

貴陽市生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能整體處于極重要水平，不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要程度分區(qū)空間格局和聚集效應各異。其中，90%以上研究區(qū)域屬于水土流失嚴重的生態(tài)脆弱區(qū)，這主要與石漠化、地形等喀斯特地質背景的影響和制約有關，加上高強度利用、高頻度人為干擾對地表植被的破壞，致使土壤結構破壞，水土流失嚴重[26]。城市化水平較高的人口稠密區(qū)，其碳儲量功能較弱，而水源涵養(yǎng)功能較高，主要是因為建設用地形成了大分散、廣蔓延的“冒進式”擴張，土壤肥力下降，破壞了植被生長環(huán)境，致使森林固碳能力下降，而建設城區(qū)地面多為不透水面，徑流系數(shù)普遍較大[27]，使得降水入滲較少，水源涵養(yǎng)量較高。

針對貴陽市特殊的地質條件及其林地資源空間分布異質性，在今后的國土空間管制和生態(tài)系統(tǒng)恢復重建過程中，應制定不同主導生態(tài)功能分區(qū)環(huán)境管理措施。對于生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能重要性程度較弱的環(huán)城北路街道、黔靈東路街道等老城區(qū)為主的代表地區(qū)，根據(jù)其“植被凈初級生產(chǎn)力較弱，城市化水平較高，生態(tài)退化嚴重”的特點，應將其作為生態(tài)恢復重點治理區(qū)，基于生態(tài)效益補償機制，擴大森林、湖泊、濕地等綠色生態(tài)空間比重，緩解資源環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展不協(xié)調的矛盾。對于生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能重要性程度居中的永樂鄉(xiāng)、小寨壩鎮(zhèn)等生態(tài)建設集中發(fā)展區(qū)，應持之以恒實施主體功能區(qū)制度，有序推進“生態(tài)工業(yè)、都市農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)”行動和“藍天守護、碧水治理、綠地保護”行動。而對于生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能重要性程度較高的地區(qū)，根據(jù)其“植被凈初級生產(chǎn)力強，社會經(jīng)濟水平低”的特點，應將這些區(qū)域作為生態(tài)保護核心區(qū)，繼續(xù)實施長江防護林、天然林資源保護工程，嚴守區(qū)內森林保護防線，采取“取消或弱化地區(qū)生產(chǎn)總值考核指標”政策，確保社會商品林采伐、森林康養(yǎng)等經(jīng)營性活動實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益有機結合[28]。

總體而言，貴陽市位于“兩江”上游地區(qū)的交錯地帶，是我國四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，復雜的自然條件和生態(tài)區(qū)位決定了其生態(tài)環(huán)境質量是影響兩江流域生態(tài)安全和制約兩江三角洲經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，今后應以生態(tài)系統(tǒng)服務保護優(yōu)先性原則，建立生態(tài)環(huán)境保護機制，制定不同生態(tài)功能分區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展模式，完善森林監(jiān)管、保護和恢復的制度體系，健全水源地保護區(qū)域的生態(tài)補償機制，推進農(nóng)林產(chǎn)業(yè)綠色化、集約化發(fā)展和碳排放權等市場化交易，確保資源型城市貴陽市經(jīng)濟和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，筑牢長江、珠江兩大水系上游綠色生態(tài)屏障。

本文基于InVEST模型，運用主成分分析法、多因子綜合評價法，在明確貴陽市面臨的結構性生態(tài)環(huán)境問題和較突出的石漠化等特殊問題的基礎上，構建了包括土壤保持、生物多樣性保護、碳儲量和水源涵養(yǎng)4項生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要性評價指標體系，對生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能的空間分布特征進行了分析，得到以下主要結論：

貴陽市4項生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性程度具有各類異性特征。其中，碳儲量功能是貴陽市改善生境質量、增加生態(tài)質量和效益的關鍵因素，水源涵養(yǎng)功能和生物多樣性保護功能極重要區(qū)所占面積比例較高，而土壤保持功能一般重要區(qū)面積占比達到96.49%。

貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務功能總體較高，貴陽市生態(tài)資源優(yōu)勢明顯，呈現(xiàn)“城中心向城外圍”遞增趨勢。其中，極重要區(qū)占研究區(qū)總面積的47.68%，生態(tài)格局基本沿苗嶺山脈、烏江水系分布，聚集在水源涵養(yǎng)量大、碳儲量豐富的生態(tài)多功能復合區(qū)，例如生態(tài)環(huán)境本底較優(yōu)、彈性較強的順海國有林場和鳳凰山國有林場。