趙文鵬， 呂榮芳， 龐吉麗， 張建明， 王乃昂

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Ecosystem Services， ES）是人類為了滿足自身需求而直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各項(xiàng)產(chǎn)品和服務(wù)［1］。它是連接自然生態(tài)過程和人類活動(dòng)的紐帶，其對(duì)自然資源的合理利用和配置，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)［2-3］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成依賴于一定的時(shí)間和空間尺度上的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程，在不同的時(shí)空尺度上其表現(xiàn)出特定的主導(dǎo)作用和效果，從而密切影響著人類從生態(tài)系統(tǒng)中所獲利益大?。?-6］。不同區(qū)域之間的地形地貌特征［7-8］、氣候變化［9］、人類活動(dòng)［10-11］以及土地覆蓋變化［12］等因素會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其空間特征，進(jìn)而導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的時(shí)空分布與差異［5］。定量評(píng)估與全面分析特定時(shí)空內(nèi)的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分異，能夠促進(jìn)自然資源的保護(hù)管理和針對(duì)性的生態(tài)恢復(fù)，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［13-15］。

祁連山以其獨(dú)特地理環(huán)境成為全球典型生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，是我國西北干旱區(qū)、半干旱區(qū)重要的生態(tài)屏障，被譽(yù)為河西走廊的“母親山”［16］，對(duì)于祁連山地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究也一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。趙亞茹等［17］對(duì)石羊河上游產(chǎn)水量進(jìn)行定量評(píng)估與驅(qū)動(dòng)因素識(shí)別；劉洋等［18］探究疏勒河流域碳儲(chǔ)量時(shí)空變化與土地覆蓋之間的關(guān)系；Wei等［19］評(píng)估了氣候與土地覆蓋變化對(duì)疏勒河流域產(chǎn)水量的影響；卿苗等［20］等利用InVEST 模型和FLUS模型研究了石羊河流域在過去40年間和未來不同情景下土地覆蓋變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響；李芳等［21］基于InVEST 模型和時(shí)空地理加權(quán)回歸方法探索了黑河流域上游產(chǎn)水服務(wù)時(shí)空演變特征；Xu等［22］基于InVEST 模型定量計(jì)算了2000—2019年祁連山自然保護(hù)區(qū)的水源涵養(yǎng)量并分析了其變化趨勢的原因。上述研究多在祁連山地區(qū)內(nèi)的局部尺度上對(duì)單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行多年的定量計(jì)算，并探索其時(shí)空變化。陳童堯等［23］對(duì)2015 年祁連山自然保護(hù)區(qū)土壤保持服務(wù)在不同海拔、坡度和土地覆蓋等進(jìn)行定量評(píng)估；杜可心等［24］基于定量計(jì)算的2018年的多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并結(jié)合海拔、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)因子分析其梯度效應(yīng)；呂榮芳等［2］基于2019 年的六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，從社會(huì)-生態(tài)環(huán)境角度分析祁連山地區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，這些研究多基于一年計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在局部尺度上對(duì)其梯度效應(yīng)以及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系等展開分析。總體來看，祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估與分析的研究多基于流域、自然保護(hù)區(qū)等局部尺度，在祁連山地區(qū)全域進(jìn)行多年尺度多項(xiàng)服務(wù)的時(shí)空分異性探索有所不足，不同的時(shí)空尺度在一定程度上會(huì)影響其生態(tài)系統(tǒng)管理策略的制定［6］，該區(qū)域復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境也亟須從土地覆蓋以及地形梯度等方面對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行全面的分析［25］。

因此，本文基于祁連山2000—2020年5期的30 m分辨率的土地覆蓋、氣象等數(shù)據(jù)，利用InVEST 模型和CASA 模型評(píng)估祁連山產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)存、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳固定和生境質(zhì)量六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分異特征，利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土地覆蓋以及梯度分布，識(shí)別其熱點(diǎn)區(qū)域，以期能夠深入了解祁連山地區(qū)六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布的空間特征以及時(shí)間演變方向，探索不同土地覆蓋與海拔梯度之間生態(tài)系統(tǒng)供給能力的差異性，從而為地理環(huán)境復(fù)雜多樣的祁連山地區(qū)的生態(tài)管理與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

祁連山地區(qū)（93°56′～103°90′ E， 35°84′～39°97′ N）地處青藏、蒙新、黃土三大高原的交會(huì)處，內(nèi)有黑河、疏勒河、石羊河三大內(nèi)陸河流域，是中國西北干旱半干旱地區(qū)最重要的水源地之一，也是中國西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障（圖1）。祁連山地區(qū)總面積約為19.47×104km2，主要由一系列東南—西北走向的高山與谷底組成，存在著多條現(xiàn)代冰川，海拔在1 965～5 792 m 之間，其中約有80%的區(qū)域海拔高于3 000 m。該區(qū)域氣候條件差異較大，屬于典型的山地半干旱氣候，氣候特征以寒、旱為主，且自東向西逐漸變冷變干。年均降水量約為300～700 mm，且降水總量的80%集中于夏秋兩季［19］。年均氣溫較低，約為-2.2～2.3 ℃，氣溫年較差、日較差較大，降水和氣溫隨海拔高度變化呈現(xiàn)出明顯的垂直梯度。此外，祁連山地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度較大，大部分地區(qū)一年日照時(shí)數(shù)大于2 800 h。這種復(fù)雜的自然條件也造就了該區(qū)域不同地區(qū)顯著的水熱條件差異，在垂直與水平方向上均形成了多樣的植被與土壤類型，土地覆蓋類型復(fù)雜多樣，主要為草原、草甸、裸地和森林［26］。

圖1 祁連山地區(qū)的位置和海拔Fig. 1 The location of Qilian Mountains in China and its elevation

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所涉及的高程海拔數(shù)據(jù)、土壤類型均來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）；人口數(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（https：//www.resdc.cn/）；2000年、2005年、2010年、2015 年、2020 年5 期土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原數(shù)據(jù)中心（http：//data. tpdc. ac. cn/zh-hans/）與中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）［27-29］；氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)下載于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集》（http：//data. cma. cn/），共45 個(gè)站點(diǎn)，并利用ANUSPLIN 模型進(jìn)行空間插值［30］；水文站點(diǎn)河流年徑流量數(shù)據(jù)來自于《甘肅省水資源公報(bào)》和《青海省水資源公報(bào)》，共9個(gè)站點(diǎn)。上述數(shù)據(jù)分辨率均統(tǒng)一為30 m。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算

本文基于InVEST 模型與CASA 模型等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評(píng)估模型，估算祁連山地區(qū)產(chǎn)水量、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳固定、生境質(zhì)量與碳儲(chǔ)存服務(wù)時(shí)空分異特征。產(chǎn)水量服務(wù)基于InVEST 模型的Water Yield 模塊進(jìn)行計(jì)算，該模塊基于水量平衡原理并利用Budyko曲線根據(jù)降水、植物蒸騰和地表蒸發(fā)等計(jì)算所得，相關(guān)參數(shù)通過研究區(qū)文獻(xiàn)進(jìn)行修正［19，31-32］，基于水文站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分流域校準(zhǔn)，總體精度達(dá)到94%以上（表1）；土壤保持服務(wù)基于InVEST 模型的SDR 模塊進(jìn)行計(jì)算，模型中所需降雨侵蝕因子（R）運(yùn)用Wischmeier基于月尺度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算所得［33］，植被覆蓋因子（C）參考蔡崇法進(jìn)行計(jì)算［34］，其余參數(shù)則參考研究區(qū)相關(guān)文獻(xiàn)［23］獲得；水質(zhì)凈化服務(wù)基于InVEST模型的NDR 模塊進(jìn)行評(píng)估，模型僅考慮面源污染，根據(jù)相關(guān)研究所獲取的污染物攔截系數(shù)與過濾量以及相關(guān)參數(shù)［35-37］，對(duì)植被與土壤對(duì)徑流中的N、P營養(yǎng)鹽保持量進(jìn)行估算；碳固定服務(wù)基于InVEST模型的Carbon 模塊進(jìn)行評(píng)估，碳庫數(shù)據(jù)參考研究區(qū)相關(guān)文獻(xiàn)［2，18，38-42］所得；生境質(zhì)量服務(wù)基于In-VEST 模型的Habitat Quality 模塊，由相關(guān)文獻(xiàn)［43-44］以及結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況確定不同土地覆蓋的威脅因子敏感度、威脅因子的空間權(quán)重與影響距離與外界威脅強(qiáng)度；碳儲(chǔ)存則利用CASA 模型基于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程估算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，具體模型原理及參數(shù)確定詳見文獻(xiàn)［45］。以上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算中相關(guān)生物物理參數(shù)詳見表2與表3。

表1 2000—2020年祁連山地區(qū)子流域水文站點(diǎn)年徑流量與模擬年產(chǎn)水量對(duì)比Table 1 Comparison of annual runoff and simulated annual water production at hydrological stations in the Qilian Mountains sub-basin from 2000 to 2020

表2 產(chǎn)水量、碳固定、土壤保持與生境敏感性因子生物物理參數(shù)表Table 2 Table of biophysical parameters of water yield， carbon sequestration， soil retention and habitat sensitivity factors

表3 威脅因子參數(shù)表Table 3 Threat factor parameter

2.3 地形數(shù)據(jù)處理

（1） 地形起伏度

地形起伏度是基于ArcGIS Pro 的“鄰域分析工具”進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中：D為地形起伏度；Cmax為窗口內(nèi)的海拔最高值；Cmin為窗口內(nèi)的海拔最低值。

（2） 地形位指數(shù)

地形位指數(shù)是綜合描述空間內(nèi)任一點(diǎn)海拔和坡度屬性信息的指標(biāo)［46］，其計(jì)算公式：

式中：T為地形位指數(shù)；E與E0分別代表研究內(nèi)任意海拔與平均海拔；S與S0分別代表研究區(qū)內(nèi)任一坡度與平均坡度。坡度大、海拔高的地區(qū)地形位指數(shù)越大，反之越小。

（3） 地形數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為分析不同地形梯度中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布特點(diǎn)，采用分位數(shù)法［47］將坡度、海拔、地形起伏度與地形位指數(shù)分為6級(jí)（表4）。

表4 海拔、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification of elevation， slope， landform relief gradients and terrain niche gradients

2.4 熱點(diǎn)分析方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)往往是具有高服務(wù)多樣性、高供給能力和高生物物理等優(yōu)勢的區(qū)域，能夠進(jìn)一步體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間供給能力強(qiáng)弱［4］。本研究將各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)大于其各自平均值的柵格視為該服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)域，并利用ArcGIS Pro“疊加分析工具”，對(duì)祁連山地區(qū)多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)柵格單元中熱點(diǎn)區(qū)的頻次，將各項(xiàng)服務(wù)供給值均未超過各自平均值的柵格定義為非熱點(diǎn)區(qū)，若僅有一種服務(wù)供給值超過其平均值定義為Ⅰ類熱點(diǎn)區(qū)，以此類推分別定義為Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類熱點(diǎn)區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 2000—2020年祁連山地區(qū)土地覆蓋變化

2000—2020 年祁連山地區(qū)各土地覆蓋類型變化總體較為穩(wěn)定，但不同土地覆蓋之間的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出較為復(fù)雜（圖2）。草地與裸地分布廣泛，約占總面積的86%，各土地覆蓋之間的流動(dòng)主要集中在冰川積雪、裸地與草地之間。其中，在2015 年之前冰川積雪轉(zhuǎn)入裸地與草地一直占據(jù)主導(dǎo)地位；2015 年至2020 年之間，裸地大量轉(zhuǎn)入冰川積雪，導(dǎo)致冰川積雪用地面積百分比增加。祁連山地區(qū)的水熱條件變化，也在一定程度上影響了土地覆蓋的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出。在這21年間，祁連山地區(qū)的氣溫和降水均呈上升趨勢，平均氣溫與平均降水量分別為-2.1 ℃與406.6 mm。氣溫傾向率為0.18 ℃·（5a）-1，而降水傾向率為32 mm·（5a）-1，氣候逐漸向暖濕轉(zhuǎn)型［48］，這也導(dǎo)致冰川積雪面積的減少與草地、裸地面積的增加，總體呈現(xiàn)植被面積占比的波動(dòng)增加趨勢。

圖2 2000—2020年祁連山土地覆蓋變化流動(dòng)?；鶊DFig.2 Sankey diagram of land use changes in Qilian Mountains from 2000 to 2020

3.2 祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分異特征

在時(shí)間上，2000—2020 年祁連山地區(qū)的產(chǎn)水量、碳固定、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量均呈上升趨勢，增量較高的區(qū)域主要分布在中西部的山區(qū)（圖3）。其中，產(chǎn)水量在研究時(shí)段內(nèi)平均增長速率為0.98 mm·hm-2·a-1，西部山區(qū)為該服務(wù)增長高值區(qū)；碳儲(chǔ)存的單位面積供給量由2000 年的118.2 gC·m-2增加到2020 年的140.5 gC·m-2；土壤保持單位面積供給量增加顯著，增幅達(dá)111%；水質(zhì)凈化服務(wù)則整體變化不大，平均增幅為3%左右；碳固定在5 個(gè)時(shí)期的單位面積供給量分別為144.7、146.6、150.1、150.4、158.5 t·hm-2，呈波動(dòng)增長趨勢；生境質(zhì)量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，平均值增幅為1%，且西部增長幅度要高于東部。

圖3 2000—2020年祁連山生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間演變（從左至右分別為2000年、2020年以及2000—2020年均值）Fig. 3 Spatial evolution of ESs in Qilian Mountains， 2000—2020 （from left to right：the average values in 2000， 2020 and 2000—2020， respectively）

在空間上，各項(xiàng)服務(wù)供給量年均值存在明顯的空間差異化規(guī)律（圖3），供給量高值區(qū)主要集中在氣候更為暖濕的東部地區(qū)，總體呈現(xiàn)“東高西低”的分布格局。產(chǎn)水量的空間分布海拔差異明顯，供給量高值區(qū)集中在研究區(qū)內(nèi)山區(qū)，總體上自東部至西部產(chǎn)水量逐漸降低，在研究區(qū)東南部高值面積出現(xiàn)了小幅退縮。土壤保持供給量高值區(qū)分布在北部、東部以及南部邊緣的山區(qū)，總體呈現(xiàn)東北向西南減弱趨勢。碳儲(chǔ)存、碳固定、水質(zhì)凈化以及生境質(zhì)量空間分布格局較為相似，其供給量高值區(qū)集中在祁連山東部地勢平坦地帶，低值區(qū)則多分布在西部裸地、山地冰川與柴達(dá)木盆地西北邊緣地區(qū)。

3.3 基于土地覆蓋的祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及變化

如圖4 所示，不同土地覆蓋類型上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量具有明顯差異，隨著時(shí)間增加，各土地覆蓋的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積供給能力總體上呈增加趨勢。其中，林地、草地和灌叢既是研究區(qū)主要分布土地覆蓋，也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量和單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量最高的土地覆蓋類型，其單位面積供給量約占所有土地覆蓋單位面積總供給量的60%以上。其中，耕地與建設(shè)用地的單位面積的水質(zhì)凈化供給量最大；林地、灌叢與草地的單位面積碳固定供給量最大，三種土地覆蓋的單位面積碳固定供給量約占全部土地覆蓋的86%。單位面積碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量供給量年度差異不明顯，其高值區(qū)均主要集中在林地、草地與濕地上。各土地覆蓋的單位面積產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)存以及土壤保持供給量總體呈波動(dòng)增長趨勢，林地、草地的單位面積供給量較高；由于冰川積雪和裸地的蒸散發(fā)能力較弱，其單位面積產(chǎn)水量供給量較高，二者約占各土地覆蓋單位面積總供給量的50%。

圖4 2000—2020年基于土地覆蓋的祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均值及變化Fig. 4 Mean and trend of ESs in Qilian Mountains based on land class from 2000 to 2020： water yield （a）， carbon sequestration （b）， soil retention （c）， nutrient retention （d）， carbon storage （e） and habitat quality （f）

3.4 基于地形梯度的祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布

對(duì)2000—2020 年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的年均值進(jìn)行梯度分析之前，為了消除不同服務(wù)均值之間的量級(jí)影響，對(duì)各服務(wù)均值進(jìn)行z-score 標(biāo)準(zhǔn)化處理（圖5）。除海拔外，其余各項(xiàng)地形梯度上各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均值的分布基本相似。其中，產(chǎn)水量在不同的地形梯度上都呈增加趨勢，而碳固定、碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量在各個(gè)梯度上均呈現(xiàn)著近似的分布特點(diǎn)，除在海拔上具有先降低后增加再降低的起伏波動(dòng)特點(diǎn)外，均在4級(jí)梯度處達(dá)到最高值。土壤保持與產(chǎn)水量在坡度、地面起伏度以及地形位指數(shù)上呈相似的增加趨勢，而在海拔中卻與碳固定等服務(wù)相似，呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢，在1 級(jí)、3 級(jí)和4 級(jí)梯度處達(dá)到高值。水質(zhì)凈化服務(wù)總體呈現(xiàn)隨梯度等級(jí)增加而服務(wù)降低的趨勢，2 級(jí)梯度處是其在海拔、坡度以及地面起伏度上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其高值多分布在海拔較低且坡度較小的地區(qū)，也是人類活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域。

圖5 祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在各地形梯度上的分布特點(diǎn)Fig. 5 Distributions of ESs in Qilian Mountains in topographic gradient zones：elevation （a）， slope （b）， landform relief （c） and terrain niche （d）

3.5 熱點(diǎn)區(qū)分析

如圖6 所示，2000—2020 年祁連山生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)時(shí)空變化整體較為穩(wěn)定。在時(shí)間變化上，各熱點(diǎn)區(qū)平均每年變化面積約占研究區(qū)面積的0.5%，Ⅲ類和Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)面積呈增加趨勢，而其余熱點(diǎn)區(qū)面積呈減少趨勢，其中Ⅲ類熱點(diǎn)區(qū)增加最為顯著，平均每年增加2 184 km2，非熱點(diǎn)區(qū)減少最顯著，平均每年減少1 709.5 km2，Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅴ類熱點(diǎn)區(qū)則平均每年減少523.2 km2。在空間分布上，研究區(qū)的熱點(diǎn)區(qū)呈現(xiàn)自東向西逐漸由強(qiáng)變?nèi)醯奶卣髭厔荩菬狳c(diǎn)區(qū)和Ⅲ類熱點(diǎn)區(qū)分布范圍最廣，平均約占研究區(qū)總面積的22%，Ⅴ類熱點(diǎn)區(qū)分布范圍最小，多集中在東部地區(qū)的林地、灌叢和草地中。研究區(qū)中西部熱點(diǎn)區(qū)增加明顯，以Ⅰ類和Ⅲ類熱點(diǎn)區(qū)增加最為明顯?？傮w來看，研究區(qū)整體環(huán)境趨于改善，但在局部區(qū)域有退化趨勢，因此需要加強(qiáng)Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅴ類熱點(diǎn)區(qū)的管理，預(yù)防其生態(tài)環(huán)境退化，同時(shí)推動(dòng)Ⅲ類熱點(diǎn)區(qū)向Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的協(xié)同最優(yōu)。

4 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分異特征往往是自然和人類活動(dòng)因素共同驅(qū)動(dòng)的結(jié)果［2］，總體來看，2000—2020 年祁連山地區(qū)六項(xiàng)目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力呈明顯增加趨勢，各項(xiàng)服務(wù)之間的協(xié)同程度有所提升，也在一定程度上說明該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境在逐漸改善和提高，但在部分地區(qū)仍舊存在著脆弱甚至倒退的生態(tài)環(huán)境狀況。研究區(qū)的中部和西南部目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量提升明顯，而東南部和西北部等人類活動(dòng)相對(duì)頻繁的河谷地帶、耕作區(qū)的生態(tài)脆弱性特征明顯，部分服務(wù)供給量甚至出現(xiàn)了下降。祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分異性與氣候、人類活動(dòng)、地形、土地覆蓋以及生態(tài)措施等密切相關(guān)［49］。

祁連山地區(qū)的暖濕化傾向與人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加是造成目標(biāo)服務(wù)發(fā)生時(shí)空變化的最主要原因［50-51］。一方面區(qū)域內(nèi)氣溫與降水呈現(xiàn)暖濕變化趨勢，另一方面退耕還林、天然林保護(hù)與多項(xiàng)水利補(bǔ)償工程也在不斷實(shí)施與干預(yù)地區(qū)自然環(huán)境，從而共同導(dǎo)致祁連山地區(qū)植被覆蓋度整體增加［52-53］，林地、草地以及灌叢等土地覆蓋類型占比提升，進(jìn)一步促使目標(biāo)服務(wù)供給量在2000—2020 年間整體上都處于上升趨勢。西部山區(qū)由于地形對(duì)降水的影響以及人為干擾較少，供給增值更為明顯。產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)存和土壤保持服務(wù)對(duì)自然環(huán)境的變化較為敏感，其單位面積供給均值與各土地覆蓋單位面積供給量增加顯著，但產(chǎn)水量在西北部疏勒河流域的山谷中卻出現(xiàn)了減少趨勢，這是由于河流與湖泊水量的增加以及人類在昌馬灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉日益頻繁，導(dǎo)致該區(qū)的土壤含水量增高、實(shí)際蒸散發(fā)量增加而產(chǎn)水量下降［54］，所以在該區(qū)應(yīng)推行滴灌、井灌井排等節(jié)水農(nóng)業(yè)，提升水源涵養(yǎng)能力。水質(zhì)凈化、碳固定和生境質(zhì)量服務(wù)受到祁連山地區(qū)東部的冰川積雪退縮較快的影響［55］，冰川退縮形成的裸地、草地成為了服務(wù)增長的高值區(qū)。然而由于模型基于土地覆蓋的計(jì)算方式，各土地覆蓋的單位面積供給能力基本無變化［56］。生境質(zhì)量僅在中東部河流沿岸受人類活動(dòng)影響呈減弱趨勢，整體生境質(zhì)量水平在植被覆蓋度增加的影響下，呈現(xiàn)提升趨勢?？傮w來看，祁連山地區(qū)西部在暖濕氣候條件影響下非熱點(diǎn)區(qū)面積顯著減少，Ⅲ類和Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)在2000年前后提出的退耕還草、圍欄放牧等生態(tài)措施影響下，其面積不斷增加，但在東部地區(qū)，主要分布著林地的V類熱點(diǎn)區(qū)受到人類活動(dòng)影響而呈減少趨勢,在生態(tài)管理中要加強(qiáng)該區(qū)域林地資源的保護(hù)，協(xié)調(diào)人與自然的發(fā)展。

祁連山地區(qū)六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)供給量在空間分布格局上均呈現(xiàn)東部高于西部的特征。這是由于東部地區(qū)受到東亞季風(fēng)帶來豐沛水汽的影響，水熱條件優(yōu)于主要受西風(fēng)帶影響的西部地區(qū)［57］，從而導(dǎo)致植被覆蓋度東部大于西部。同時(shí)東部地區(qū)是林地、灌叢等生態(tài)系統(tǒng)供給能力較強(qiáng)的土地覆蓋的主要分布區(qū)，影響了祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的整體分布。其中，產(chǎn)水量的空間分布與降水量有著較好的耦合關(guān)系，冰川積雪區(qū)由于其實(shí)際蒸散發(fā)量小，單位面積產(chǎn)水供給能力較強(qiáng)；土壤保持年均值的高值區(qū)則多分布在研究區(qū)東部降水較多且坡度平緩的河流谷地，該區(qū)域適宜林草生長，利于當(dāng)?shù)氐耐寥辣３郑?3］；碳儲(chǔ)存、碳固定和生境質(zhì)量的林地、草地單位面積供給量較大；而水質(zhì)凈化由于耕地與建設(shè)用地的氮、磷污染物來源量大，導(dǎo)致其單位面積供給能力最強(qiáng)［58］。在海拔梯度上，產(chǎn)水量與土壤保持受山地降水的影響，隨著海拔的升高而增加，而碳儲(chǔ)存、碳固定與生境質(zhì)量則呈單峰分布，在海拔3 650～3 950 m 處供給量最大，這一海拔區(qū)間也與祁連山地區(qū)中西部的最大降水帶高度相當(dāng)［59］；隨著海拔梯度級(jí)數(shù)增加，水熱條件變差，植被蓋度減少，服務(wù)的供給能力降低，這與Ma 等［26］的研究結(jié)論一致。人類活動(dòng)集中在較低的海拔、坡度和地面起伏度處，水質(zhì)凈化服務(wù)在這些區(qū)域形成高值。因此在生態(tài)管理中，對(duì)于研究區(qū)海拔低于3 350 m 以下的區(qū)域應(yīng)以協(xié)調(diào)人地關(guān)系為重點(diǎn)，注重污染物的處理；對(duì)高海拔地區(qū)劃定保護(hù)紅線，防止?jié)撛谕寥狼治g風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提高；而在坡度大于15°的地區(qū)，應(yīng)堅(jiān)決落實(shí)退耕還林還草政策，坡度大于25°的地區(qū)只能用作林業(yè)用地，以防范土壤侵蝕，提升土壤保持能力［47］。山區(qū)相對(duì)于其周邊區(qū)域，由于其林地、草地的分布熱點(diǎn)區(qū)較強(qiáng)，在研究區(qū)西部分布的Ⅰ類、Ⅱ類熱點(diǎn)區(qū)在Ⅲ類熱點(diǎn)區(qū)的增加趨勢下，呈減少變化，未來需要預(yù)防該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境退化，促使其轉(zhuǎn)為多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同變化。

本文也存在以下不足：一是本文所引用的土地覆蓋數(shù)據(jù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算的基礎(chǔ)，而其分類精度在部分年份僅為80%左右，可能會(huì)帶來一些系統(tǒng)誤差。隨著高分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)集的推出，這類誤差在今后的研究中有望得到改善。二是由于研究區(qū)實(shí)測的水文、氣象數(shù)據(jù)有限，InVEST 模型校準(zhǔn)中，部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果缺乏校準(zhǔn)，影響到模型計(jì)算結(jié)果的精度，未來應(yīng)通過實(shí)地調(diào)查、采樣等準(zhǔn)確校準(zhǔn)模型參數(shù)［2，6］。另外，需要延長研究年份，定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)變化及其與土地覆蓋之間的聯(lián)系，更為準(zhǔn)確地反映出生態(tài)工程建設(shè)所帶來的影響。

5 結(jié)論

本文基于InVEST 模型、CASA 模型對(duì)2000—2020 年祁連山地區(qū)產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)存、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳固定和生境質(zhì)量六項(xiàng)主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行定量評(píng)估，并結(jié)合自然和人類活動(dòng)影響分析其時(shí)空演變特征，提出了生態(tài)管理的建議，對(duì)研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)有一定的借鑒作用。研究結(jié)論如下：

在時(shí)間上，祁連山地區(qū)土地覆蓋變化面積較小，但變化類型復(fù)雜，六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體空間格局較穩(wěn)定，各項(xiàng)服務(wù)供給量總體呈上升趨勢，各土地覆蓋供給能力也有所提升，山區(qū)是服務(wù)供給量增加的高值區(qū)，但在局部地區(qū)也存在受人類活動(dòng)影響而出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境退化現(xiàn)象，西部的整體生態(tài)環(huán)境趨向好轉(zhuǎn)，Ⅲ類和Ⅳ類熱點(diǎn)區(qū)面積呈增加趨勢，其余熱點(diǎn)區(qū)則相反。在進(jìn)行生態(tài)管理時(shí)須因地制宜，制定針對(duì)性政策。

在空間上，祁連山地區(qū)六項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均呈“東高西低”的分布格局，林地與草地單位面積供給能力較高，耕地與建設(shè)用地的單位面積供給能力對(duì)水質(zhì)凈化影響最大，3、4 級(jí)梯度處的碳儲(chǔ)存、碳固定和生境質(zhì)量均值較高，產(chǎn)水量和土壤保持高值區(qū)5級(jí)梯度處，而水質(zhì)凈化則在1級(jí)梯度處均值最大，Ⅴ類熱點(diǎn)區(qū)多分布在東部山區(qū)林地與林草過渡帶，要注意協(xié)調(diào)該區(qū)域的人地關(guān)系，注重林地資源保護(hù)。

致謝：本研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFC0507402）資助和蘭州大學(xué)超算中心支持。