2001-2014年乌审旗生态系统服务变化分析

张　靖，鲍雅静，李政海，李梦娇，孟根其其格，刘思佳

(1.大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605；2.内蒙古大学 a.环境与资源学院;b.生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021)



2001-2014年乌审旗生态系统服务变化分析

张靖1，鲍雅静1，李政海1，李梦娇2a，孟根其其格2b，刘思佳1

(1.大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605；2.内蒙古大学 a.环境与资源学院;b.生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

摘要：生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用。选择内蒙古典型草原地带沙地区乌审旗为研究区，选取反映生态系统供给、调节和支持服务的牲畜头数、粮食产量、水源涵养、土壤保持和净初级生产力5个服务指标，使用InVEST模型和多种模型，测算该地区2001-2014年生态系统服务的时空变化特征。研究发现：除水源涵养服务减少外，乌审旗生态系统服务从2001-2014年呈增加趋势；且不同生态系统服务指标间存在着不同权衡与协同的关系，净初级生产力服务与土壤保持服务和水源涵养服务间分别存在着协同与权衡的关系，供给服务和净初级生产力之间存在着条件权衡关系。

关键词：生态系统服务；协同与权衡；InVEST模型；乌审旗

生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[1]。它不仅维持生命物质循环过程、保持生物多样性、净化环境等功能和过程，更为人类提供生活、生产所需的原料[2]。然而，由于人类对一些生态系统服务的过分追求[3-4]，导致除供给服务以外的大多数生态系统服务呈不同程度的降低[5- 6]，威胁人类的安全与健康，影响到区域和国家，甚至全球的生态安全[2]。

为了全面客观地评估生态系统服务，不同的研究者从不同的角度提出了不同的生态系统服务分类方法[7-9]。其中以联合国千年生态系统评估的分类方式影响最为广泛，分为：供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四类[9]。鉴于生态系统服务评价相关研究在生态系统管理中的重要作用，国内外学者开展了一系列的研究。如评价生态系统服务单一要素变化：应用InVEST模型评估北京山区森林生态系统的水源涵养功能[10]；采用改进的通用土壤流失方程分析内蒙古锡林河流域典型草原区的土壤保持服务的空间分布特征[11]。随着评价模型的进一步完善，学者逐渐选取多个要素综合评价生态系统服务变化：选取水源涵养、土壤保持、生物多样性等7种服务指标，分析白洋淀流域农业经济收入与服务之间的关系[12]；探讨生态系统管理面临的定量测度、生态系统服务功能与政策设计的结合等问题[13]；分析退耕还林政策实施后黄土丘陵区延河流域生态系统的土壤保持、水源涵养、产水和粮食生产等指标变化情况[14]，等等。

然而，在中国农牧交错带，特别是典型草原地带沙地区进行生态系统评价的研究较少。为此，本文选择内蒙古乌审旗为研究区，筛选出反映生态系统供给服务、调节服务、支持服务的5种服务指标，通过这些指标的测算，试图阐明该地区2001-2014年生态系统服务的时空变化特征，旨在为中国草原地带沙地区的生态系统管理和生态环境保护提供科学依据。

1研究方法

1.1研究区概况

乌审旗位于鄂尔多斯高原东南部，毛乌素沙地腹地，辖5个镇1个苏木镇。范围为东经108°17′～109°40′和北纬37°38′～39°23′；温带大陆性气候，年降水量约350 mm，蒸发量2 200 mm，年均气温6.8℃；平均海拔高度1 300 m；在波状高原、梁地、各类沙丘地、黄土梁和河谷地、内陆湖淖、滩地等地貌类型上发育有：栗钙土、各类风沙土、草甸土、盐碱土。主要的土地利用方式为牧业，并存在少量的种植业，集中在该旗东部和东南部水分条件好的区域。

1.2数据来源和研究方法

联合国千年生态系统评估的分类方式：供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四类[9]。本文选取其中三类5个指标进行生态系统服务评价研究。分别是：供给服务(牲畜头数、粮食产量)、调节服务(水源涵养、土壤保持)、支持服务(净初级生产力)。

1.2.1供给服务指标

该旗地处中国北方农牧交错带，因此选取牲畜头数和粮食产量作为反映生态系统供给服务的指标，数据分别来源于2002年、2008年和2015年乌审旗统计年鉴。首先获取各镇(苏木)的牲畜头数(用标准羊单位来表示)和粮食产量的属性数据，然后直接将这些数据与各镇(苏木)的行政边界相关联，采用直接地理空间赋值的方式将这些数据空间化。

1.2.2调节服务指标

水源涵养服务采用InVEST模型[15]中的产水模型及水源涵养影响因子对流域水源涵养量进行估算。该模型综合考虑地形、土壤厚度和渗透性等因素，以水量平衡的原理估算出流域产水量。其理论计算公式如下[16]：

(1)

(2)

式中，WR为多年平均水源涵养量(mm)；Velcity为流速系数；TI为地形指数，无量纲；Ksat为土壤饱和导水率(cm·d-1)；Yield为流域产水量(mm)，通过InVEST产水模型(WaterYield)计算获得；Yieldxj为栅格x中土地覆盖类型j的年产水量(mm)；AETxj为栅格x中土地覆盖类型j的年实际蒸散量(mm)；Px为栅格x的年均降水量(mm)。

土壤保持服务通常用土壤保持量表示，即潜在土壤侵蚀量(RKLS，即无植被覆盖和水土保持措施时土壤的侵蚀量)与实际土壤侵蚀量之差(USLE，通常采用土壤侵蚀方程计算[17-18])，计算公式如下：

SC=RKLS-USLE，

(3)

RKLS=R×K×LS，

(4)

USLE=R×K×LS×P×C，

(5)

式中，SC为土壤保持量(t·hm-2·a-1)；RKLS为潜在土壤侵蚀量(t·hm-2·a-1)；USLE为实际土壤侵蚀量(t·hm-2·a-1)；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)；K为土壤可蚀性因子(t·hm2·h·MJ-1·hm-2·mm-1)；L为坡度因子，S为坡长因子，无量纲；C为作物覆盖与管理因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲。利用逐月雨量估算降雨侵蚀力模型[19]。

1.2.3净初级生产力

使用2001、2007、2014年MOD17A3年NPP合成数据作为反映该区净初级生产力服务指标(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod17)，空间分辨率1km。

上述所有数据和图层均在ArcGIS软件中，经过最大值合成、裁剪等预处理，采用Albers正轴等积割圆锥投影，并将这些数据重采样为90×90m；相关栅格计算采用ArcGIS“RasterCalculator”工具。

2结果与分析

2.1乌审旗生态系统服务指标时间变化分析

基于2001、2007、2014年的数据，采用InVEST模型和其他计量(或经验)模型，对乌审旗三种生态系统服务类型5个生态系统服务指标测算，结果见表1。从时间变化看：牲畜头数从2001年到2007年增加了约一倍，到2014年较2007年减少了25.8 %，但仍然超过2001年水平；粮食产量在整个研究时段处于增加状态，两个研究时段分别增加了22.2 %和12.1 %；水源涵养量表现出先增加后减少的趋势，在2007年达到最大值(1.73×108m3)；土壤保持量变化幅度不大，但总体处于增加状态，从2001年的4.65×105t增加到2014年的6.13×105t；NPP在14年间也处于增加状态，从2001年的1.22×1012g增加到2014年的1.75×1012g，期间共增加了0.53×1012g。

表1　2001-2014年乌审旗5个生态系统服务指标物质量

2.2乌审旗生态系统服务指标空间分布特征分析

乌审旗2001-2014年生态系统服务指标空间分布图如图1。牲畜头数主要分布在该旗东北和西南部地区草地资源丰富区域，相应的粮食产量则分布于该旗的西北部和东南部。2001年水源涵养服务，除该旗北部区域外的其他区域涵养能力较高，涵养量在10～30 mm的面积占全旗的58.3 %，在30～100 mm的面积占全旗的5.7 %；2007年涵养量高值区域则向该旗北部收缩，但涵养能力增加(30～100 mm面积占全旗的7.3 %)；但到2014年该区生态系统水源涵养高值范围仅剩北部低地区域，水源涵养能力甚至低于2001年。

乌审旗陆地生态系统土壤保持量不高，高值区域仅零星出现在该旗北部、中部、南部的植被丰富地区，90 %面积的土壤保持量集中在0～1 t·hm-2·a-1；且从2001年到2014年面积增加的区域也出现在这些区域周边。从区域变化上来看，乌审旗生态系统净初级生产力变化较明显，总体呈从东南向西北净初级生产力增加的趋势。2001年43.9 %面积净初级生产力范围为50～100 g·kg-1，34.0 %面积净初级生产力集中在100～125 g·kg-1，14.3 %区域净初级生产力为125～150 g·kg-1，净初级生产力大于150 g·kg-1的面积仅占全旗的4.5 %；到2007年，这3个级别的净初级生产力面积分别减少15.2 %、32.1 %，或增加到29.2 %，净初级生产力大于150 g·kg-1占20.2 %；到2014年，净初级生产力大于150 g·kg-1面积占全旗总面积的47.8 %，植被恢复明显。

图1　2001-2014年乌审旗5个生态系统服务指标空间分布图

3讨论

由于生态系统服务种类的多样性、空间分布的不均衡性以及人类使用的选择性，生态系统服务之间的关系出现了此消彼长的权衡(Trade-offs)和相互增益的协同(Synergies)等形式[20]。权衡是指某些类型生态系统服务的供给，由于其他类型生态系统服务使用的增加而减少的状况[21]；协同是指两种或多种生态系统服务同时增强的情形。本研究中观测到了权衡与协同的现象(见表1)，如在2001年到2014年期间，该旗净初级生产力服务增加幅度较大，植被覆盖度增加，导致了土壤抵抗雨水冲蚀能力的提高，即土壤保持服务的的提高；同样净初级生产力服务能力的提高，导致植被增多，植物蒸腾耗水的能力就相应的增加，因此在降水量变化不大的情况下(2001年、2007年和2014年该旗平均降水量分别为384.02 ，378.60 ， 336.46 mm)，水源涵养服务降低明显。

有研究表明，某些区域试图保持和提高一种服务的供给，会引起另一区域很多生态系统服务的大幅下降[22]。但本研究发现了不同的现象，该旗在14年间供畜产品和粮食的供给量总体上是增加的，而土壤保持服务和净初级生产力并未表现出下降的情况(见表1)。该现象的出现并非否定权衡与协同规律，而是它们在一定前提条件下出现的结果：在2001到2014年期间，乌审旗正处于植被恢复的阶段[23]，“提供净初级生产力的土地面积和供给能力”超过了“提供供给服务的土地面积”是可能导致的原因。此外，土壤保持与植被现存的地上生物量密切相关，而研究中净初级生产力增加的同时，牲畜头数增加了2倍，这种变化亦体现了当地土地利用的变化(集约度增加)[23]。10年间乌审旗畜牧业养殖技术有了很大的发展，牧户加大了舍饲的比例，同时，大面积人工草地的存在[24]，使得尽管牲畜头数增加了2倍，但是对整个区域草地的需求并不会显著降低草地的现存生物量。

4结论

本文以内蒙古乌审旗为研究区，通过测算反映该地区生态系统供给、调节和支持服务的5个指标，分析其2001-2014年生态系统服务的时空变化特征。从2001年到2014年乌审旗的生态系统服务总体程度上是增加的。其中，除水源涵养服务在2001年至2014年表现出下降的趋势外，其他的服务指标呈现出不同程度的增加。另外，不同生态系统服务指标间存在着权衡与协同的关系。净初级生产力服务与土壤保持服务和水源涵养服务间分别存在着协同与权衡的关系；但供给服务和净初级生产力之间存在着有条件的权衡关系。

参考文献：

[1] DAILY G C. Nature's services: societal dependence on natural ecosystems[M]. Washington DC: Island Press, 1997.

[2] 傅伯杰, 吕一河, 高光耀. 中国主要陆地生态系统服务与生态安全研究的重要进展[J]. 自然杂志, 2012,34(5): 261-272.

[3] LEMAITRE D C, MILTON S J, JARMAIN C, et al. Linking ecosystem services and water resources: landscape-scale hydrology of the Little Karoo[J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2007,5(5): 261-270.

[4] FOLEY J A, DEFRIES R, ASNER G P, et al. Global consequences of land use[J]. Science, 2005,309: 570-574.

[5] FU B, FORSIUS M, LIU J. Ecosystem services: climate change and policy impacts[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability, 2013,5(1): 1-3.

[6] KAREIVA P, WATTS S, MCDONALD R, et al. Domesticated nature: Shaping landscapes and ecosystems for human welfare[J]. Science, 2007,316: 1866-1869.

[7] BURKHARD B, KROLL F, NEDKOV S, et al. Mapping ecosystem service supply, demand and budgets[J]. Ecological Indicators, 2012,21: 17-29.

[8] DE GROOT RS, ALKEMADE R, BRAAT L，et al. Challenges in integrating the concept of ecosystem services and values in landscape planning, management and decision making[J]. Ecological Complexity, 2010,7(3): 260-272.

[9] Millennium Ecosystem Assessement. Human Well-Being: Synthesis[M]. Washington DC: Island press, 2005.

[10] 余新晓, 周彬, 吕锡芝, 等. 基于InVEST模型的北京山区森林水源涵养功能评估[J]. 林业科学, 2012,48(10): 1-5.

[11] 张雪峰, 牛建明, 张庆, 等. 内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布[J]. 草业学报, 2015,24(1): 12-20.

[12] 白杨, 郑华, 庄长伟, 等. 白洋淀流域生态系统服务评估及其调控[J]. 生态学报, 2013,33(3): 711-717.

[13] 郑华, 李屹峰, 欧阳志云, 等. 生态系统服务功能管理研究进展[J]. 生态学报, 2013,33(3): 702-710.

[14] ZHENG Z, FU B, HU H, et al. A method to identify the variable ecosystem services relationship across time: a case study on Yanhe Basin, China[J]. Landscape Ecology, 2014,29(10): 1689-1696.

[15] SHARP R, TALLIS H T, RICKETTS T H, et al. InVEST tip User's Guide[M]. Stanford:stanford Univevsity, 2014.

[16] 傅斌, 徐佩, 王玉宽, 等. 都江堰市水源涵养功能空间格局[J]. 生态学报, 2013,33(3): 789-797.

[17] FU B J, ZHAO W W, CHEN L D, et al. Assessment of soil erosion at large watershed scale using RUSLE and GIS: a case study in the Loess Plateau of China[J]. Land Degradation and Development, 2005,16(1): 73-85.

[18] WISCHMEIER W H, SMITH D D. Predicting rainfall erosion losses[M]. Washington DC:USDA, 1978: 537.

[19] 章文波, 付金生. 不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力[J]. 资源科学, 2003,25(1): 35-41.

[20] 李双成, 张才玉, 刘金龙, 等. 生态系统服务权衡与协同研究进展及地理学研究议题[J]. 地理研究, 2013,32(8): 1379-1390.

[21] RODRíGUEZ J P, BEARD J R T D, BENNETT E M, et al. Trade-offs across space, time, and ecosystem services[J]. Ecology and Society, 2006,11(1): 28.

[22] TILMAN D, CASSMAN K G, MATSON P A, et al. Agricultural sustainability and intensive production practices[J]. Nature, 2002,418: 671-677.

[23] 张靖. 1977-2014年乌审旗沙漠化演变景观格局分析[J]. 大连民族学院学报, 2014,16(3): 253-257.

[24] 张靖, 牛建明, 同丽嘎, 等. 多水平/尺度的驱动力变化与沙漠化之间的关系——以乌审旗为例[J]. 中国沙漠, 2013,33(6): 1643-1653.

(责任编辑邹永红)

The Change Analysis of Ecosystem Services in Uxin Banner from 2001 to 2014

ZHANG Jing1, BAO Ya-jing1, LI Zheng-hai1, LI Meng-jiao2a,Menggenqiqige2b, LIU Si-jia1

(1.School of Environment and Resources, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China;2a.College of Environment and Resources, 2b.College of Life Sciences, Inner Mongolia University,Hohhot Inner Mongolia 010021, China)

Abstract:Ecosystem services are the environmental conditions and effects of the formation of the ecosystem and the survival and development of the human being. Located in sandy land area of typical steppe zone in Inner Mongolia, Uxin Banner (equal to county) was selected as study area in this paper. Five indicators which reflected the ecosystem supply, regulation and support services including livestock number, grain yield, water yield, soil conservation and net primary productivity (NPP) of ESs were chosen to evaluate and determinate the spatio-temporal variation of ecosystem services by InVEST and other models in Uxin from 2001 to 2014. The results showed that: 1) ESs of Uxin showed an increasing trend from 2001 to 2014, except for water yield which revealed an opposite one; 2) The relationship of trade-offs and synergies of ESs existed among those indicators. Relationship of NPP and soil conservation and water yield show synergies and trade-offs respectively, while provisioning services and NPP had a conditional trade-off relationship.

Key words:ecosystem services; trade-offs and synergies; InVEST model; Uxin Banner

收稿日期：2016-02-25；最后修回日期：2016-03-17

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(31500384)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC201501070201，DC201501070403)；大连民族大学人才启动基金资助项目(0701110088)；大连民族大学校级大学生创新创业训练计划项目(X201512217)。

作者简介：张靖(1981-)，内蒙古赤峰人，讲师，博士，主要从事土地利用和生态系统服务研究。通讯作者：李政海(1962-)，河北秦皇岛人，教授，博士，学校优秀学术带头人，主要从事区域生态学与生态规划研究，E-mail：li-lzhh@263.net。

文章编号：2096-1383(2016)03-0198-05

中图分类号：Q149

文献标志码：A