贵州土地利用变化对淡水生态系统服务的影响

郜红娟，韩会庆, 罗绪强, 李金艳, 陈梦玲, 张新鼎

(1. 贵州师范学院 地理与资源学院，贵州 贵阳 550018; 2. 贵州理工学院 建筑与城市规划学院，贵州 贵阳 550003)

淡水生态系统服务是生态系统服务的重要组成部分，包括产水、水土保持、营养物保持、水电等，这些服务对人类生存和发展至关重要，是社会经济可持续发展的基础[1-2]。过去几十年间，在人类活动以及自然环境影响下，大部分生态系统服务(包括淡水生态系统服务)呈下降趋势[3]。因此，淡水生态系统服务变化及驱动机理成为国内外众多学者研究的重点。

目前，淡水生态系统服务的研究由单一的淡水生态系统服务评估[4-5]发展到淡水生态系统服务与自然和人文因素的关系研究[6-7]。其中，淡水生态系统服务评估方法包括价值量和物质量评估，前者主要采用市场价值法、影子成本法、当量因子法等[4,8]，后者主要利用生态模型进行功能评价[9]。已有研究表明自然因素和人类活动作为影响淡水生态系统服务的重要因素，它们直接或间接影响淡水生态系统服务供给能力[3]。气候变化对淡水生态系统服务的影响已经受到学者的关注[10]。土地利用作为影响淡水生态系统服务的重要人为因素之一，它通过影响景观组成、结构及格局，进而影响淡水生态系统服务[11]。土地利用变化影响下淡水生态系统服务供给能力关系到水资源供给水平、生态环境质量等，这对区域社会经济可持续至关重要。然而，当前研究鲜有关注中国西南地区。西南地区为我国长江和珠江流域提供产水、水土保持、水质净化等重要淡水生态系统服务，这些对长江和珠江流域生态安全及社会经济极其重要[12]。但是，在一系列人类活动影响下，该区土地利用经历了巨大变化[13-14]，进而深刻影响淡水生态系统服务供给能力。基于此，以中国西南典型省份——贵州省为例，分析土地利用变化对淡水生态系统服务的影响，以期为生态环境保护及社会经济可持续发展战略制定提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究数据包括由中国土地利用现状遥感监测数据库提供的1995、2005和2015年贵州省土地利用数据，贵州省气候中心提供的2015年84个气象站点逐日观测数据，中国土壤数据库提供的贵州省土壤数据(包括土壤类型、质地、深度等)，地理空间数据云平台提供的30 m分辨率高程数据以及贵州省水利厅提供的2015年贵州省水资源公报和水土保持公报。贵州省流域划分是基于高程数据，利用ArcGIS软件的水文分析工具进行提取。

1.2 研究方法

1.2.1 淡水生态系统服务评估方法

依据研究区特点，选取产水、水土保持、水质净化3种重要淡水生态系统服务，利用生态系统服务评估模型(InVEST)进行评估，该模型中参数见参考文献[12]和[15]，模型参数校验依据贵州省水资源公报和水土保持公报。

1.2.1.1 产水

依据水量平衡原理，利用降水量和Budyko曲线[16]评估产水能力。

Y=(1-Aaet/P)/P。

(1)

式中：Y是产水量，Aaet是实际蒸散量(由Budyko曲线计算)，P是降水量。

1.2.1.2 水土保持

水土保持服务等于最大水土流失量(假定地表无植被)减去实际水土流失量，其中实际水土流失量运用美国水土流失方程(USLE)进行计算。

Ssr=RK·Lls-RK·Lls·CP。

(2)

式中：R是降水侵蚀力，K是土壤可蚀性，Lls是地形因子，C是植被因子，P是工程因子。

1.2.1.3 水质净化

水质净化服务评估是依据一定时间内土地覆盖因子对氮、磷营养物的持留能力进行计算。

Wwp=1/Aalv，

(3)

Aalv=Hhss·Ppol，

(4)

Hhss=λi/λw，

(5)

(6)

1.2.2 淡水生态系统服务之间权衡与协同关系分析方法

首先，利用ArcGIS软件将研究区的每种淡水生态系统服务变化值(栅格格式)按照100 m×100 m空间尺度进行重采样，然后将重采样后的数据导入SPSS软件，最后，利用Pearson相关分析法分析两两淡水生态系统服务之间相关性。如相关系数大于0，即为协同关系；小于0，即为权衡关系[17]。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化影响下贵州省淡水生态系统服务变化

在土地利用变化作用下，1995-2005和2005-2015年间贵州省产水和水土保持服务整体呈增加趋势，而水质净化服务呈下降趋势，其中产水服务的增加幅度高于水土保持，而水质净化服务的变化幅度均高于产水和水土保持服务。从不同阶段看，1995-2005年间贵州省3种淡水生态系统服务变化幅度均高于2005-2015年(表1)。

表1 土地利用变化影响下贵州省淡水生态系统服务整体变化

1995-2005年间，在土地利用作用下贵州省产水服务增加区域主要分布在中西部，而下降区域主要位于东部和北部。水土保持服务增加区域主要集中在中西部和东部，下降区域多分散于中部和南部。水质净化服务增加区域主要位于东北部以及中西部的零星地区，下降区域多集中在南部和北部的大部分地区。2005-2015年间，除东南部以及西部的零星地区外，全省大部地区产水和水质净化服务分别呈增加和下降趋势。除小部分地区外，全省大部分地区水土保持服务呈增加趋势(图1)。

2.2 土地利用变化影响下贵州省淡水生态系统服务权衡与协同关系

土地利用变化影响下，1995-2005年和2005-2015年间贵州省产水与水土保持之间均为协同关系，而产水与水质净化之间、水土保持与水质净化之间均为权衡关系。从相关程度看，1995-2005年间产水与水土保持之间、水土保持与水质净化之间的相关性相对较强，而产水与水质净化之间相关性相对较弱。2005-2015年间，产水与水土保持之间相关性相对较强，而水土保持与水质净化之间、产水与水质净化之间相关性相对较弱(表2)。

2.3 土地利用变化对贵州省淡水生态系统服务的影响机制

土地利用变化通过影响生态系统结构与格局，影响淡水生态系统服务供给能力，在此基础上，又作用于淡水生态系统服务之间权衡与协同关系。如1995-2005年间贵州省耕地的增加以及林地、草地等自然植被下降，降低了植被持水能力和水质净化能力，从而导致产水服务增加，水质净化服务下降。因此，这两种服务之间出现权衡关系。同时，自然植被的下降增强了水土流失量，进而提高了水土保持量，从而导致产水与水土保持之间呈现协同关系，而水土保持与水质净化之间为权衡关系。另外，2005-2015年建设用地大幅增加使得自然植被下降，同样使得产水服务和水质净化服务分别呈增加和下降趋势，进而导致两种服务之间呈现权衡关系。

图1 土地利用变化影响下贵州省淡水生态系统服务变化空间格局Fig.1 Spatial pattern of freshwater ecosystem services change in Guizhou province under the influence of land use change

表2 土地利用变化影响下贵州省淡水生态系统服务之间相关系数

从空间上看，土地利用变化的空间格局与淡水生态系统服务变化的空间格局密切相关，如1995-2005年间贵州省东南部和北部的林地面积增加，使得该区产水功能呈下降趋势。同理，2005-2015年间贵州省中南部林地呈下降趋势，故而中南部的产水服务呈增加趋势(表3和图2)。

表3 1995-2015年贵州省土地利用整体变化

3 讨论与结论

本研究发现土地利用变化对水质净化服务的影响较大，而对产水和水土保持服务的影响较小。生态保护工程、植树造林等人类活动作用下自然植被的增加，可以使得产水和水土保持服务减少，水质净化服务增加。相反，毁林开荒影响下自然植被减少，将导致产水和水土保持服务呈增加趋势，水质净化服务呈下降趋势，这与郭洪伟等[18]、卞鸿雁等[19]、李屹峰等[20]的研究结果较为一致。此外，在土地利用变化作用下，产水与水土保持之间为协同关系，水质净化与产水、水土保持之间均为权衡关系，这主要与三种淡水生态系统服务变化规律是否一致有关。此外，值得注意的是，建设用地扩张并没有导致水土保持服务下降，这主要与建设用地占耕主要来源于水田[21]，且水田水土保持措施远高于旱地密切相关[22]。鉴于土地利用与淡水生态系统服务之间的关系，为更好地利用喀斯特地区淡水生态系统服务，建议从以下方面进行土地利用结构调整：一是加快退耕还林还草工程实施，减少坡耕地比例，提高坡地植被覆盖度；二是加大石漠化治理，减少未利用地面积；三是控制建设用地扩张速度，减少建设用地占耕。

本研究假定气候要素无变化，仅考虑了土地利用变化对淡水生态系统服务的影响，而气候变化作为影响淡水生态系统服务的重要因素，尚未比较土地利用变化与气候变化对淡水生态系统服务影响的差异，这将是未来研究的重要方向。

图2 1995-2015年贵州省土地利用变化空间格局Fig.2 Spatial pattern of land use change in Guizhou province from 1995 to 2015