北京湾过渡带生态系统服务地形梯度效应评价

陈 龙, 刘春兰, 裴 厦, 刘晓娜, 宁杨翠

(北京市环境保护科学研究院 国家城市环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100037)

山地平原过渡带是山地与平原两大地域单元的交接地带，具有明显的自然地理边缘效应，显著的地形起伏特征使生态系统服务呈现明显的空间分异规律[1-2]，同时也是人类干扰强度较大的区域和城镇发展的重要区域，属于自然地理脆弱区或敏感区[3]，其生态过程具有显著的梯度变化[4]。

国内关于过渡带生态系统服务的相关研究较少，主要集中于城郊(城乡)过渡带、山地平原过渡带(交错带)、绿洲荒漠交错带和农牧交错带等领域[2,4-8]，将过渡带作为一个研究区，利用价值化方法评估生态系统服务价值的变化，不涉及生态过程或生态功能，未表现出过渡带的梯度效应。国外相关研究多倾向于城市—乡村过渡带[9-10]，研究表明，生态系统服务随城市化水平的提高一般呈现递降的趋势[11-12]，如Kroll等[13]认为食物、水和能源3种服务的供给沿城市—乡村梯度呈明显递增趋势，以食物供给最为明显；而Larondelle等[14]则认为如果城区包含大量的成熟森林，也可以提供比其他地区更高的碳存储和生物多样性服务。此外，生态系统服务还呈现出空间梯度性，随经度和纬度呈明显的梯度变化，在水生和湿地生态系统尤其显著[15]。总体来说，过渡带作为独特的自然单元，目前尚缺乏生态系统服务梯度效应的系统研究，亟需加强中小尺度上的案例，为相关理论提供实证。

地形是山地平原过渡带土地利用空间分异的主导控制因子，通过立地条件影响陆地生态系统物质与能量的再分配，并通过干扰发生频率及强度来影响生态系统服务的供给与消费[16-17]。地形与生态系统服务存在紧密联系，但在我国探讨生态系统服务随地形梯度变化的研究相对较少[2,18-19]，部分研究基于高度、坡度、坡向的多种地形因子梯度的土地利用变化和生态系统服务价值变化结合开展研究[20-21]，而对过渡带的相关研究鲜有报道[22]。北京市沿房山、门头沟、昌平、怀柔、密云和平谷的山地与平原交界处存在一个带状的过渡区域，海拔高差近2 000 m，分布有中山、低山、丘陵、台地和平原等多种地貌，是典型的山区平原过渡带，同时也是乡村—城市过渡带，人口众多，存在诸多利益相关者，是保护和发展矛盾集中的分布区域，是开展生态系统服务地形梯度效应的优选区域。本文以该区域为案例，揭示生态系统服务的地形梯度效应，对于促进生态系统服务利益最大化以及国土空间布局优化，保障首都生态安全具有重要意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京位于太行山、燕山与华北平原的交界区域，两大山脉从西北面向东南形成一个敞开的半圆形山湾，美国地质学家Bailey Willis将其称为“北平湾(北京湾)”，我国著名历史地理学家侯仁之先生对此也进行了详细描述[23]，该区域不但是山区向平原过渡的区域，也是乡村向城市的过渡区域，本研究将这一区域称为“北京湾过渡带”，介于东经115°25′—117°30′，北纬39°30′—40°48′(图1)。

从地理分布上看，北京湾过渡带与浅山地区高度重合，如俞孔坚等[24]认为北京的浅山区(海拔100～300 m的区域)即是山地和平原的过渡地带。因此，根据区域地形地貌特征，参考俞孔坚等[25]相关研究，以及《北京市限建区规划(2016—2020年)》和《北京城市总体规划(2016—2035年)》等相关规划，本研究将海拔100～300 m的浅山区所涉及的乡镇和街道办事处作为研究区(去除包含浅山区面积较小的乡镇和街道办事处)，共涉及北京市11个区，85个乡镇及街道办事处，1 601个村及社区，面积共计7 416.6 km2，占北京市总面积的45.19%。其中，林地面积最大，占68%，建设用地其次，占11%，草地和耕地各占9%，水域和湿地占3%，未利用地仅占1%。

1.2 研究方法

1.2.1 生态系统服务评估方法 根据研究区特点及生态系统服务的研究现状，选择了9项生态系统服务，进行梯度效应研究。包括一项供给服务(食物供给)、6项调节服务(水源涵养、水质净化、空气净化、碳存储、土壤保持、土壤质量调节)、一项文化服务(休闲游憩)和一项支持服务(生物多样性)。其中休闲游憩服务利用百度地图抓取自然景点分布(人工去除人文景点)，采用核密度分析得到研究区景点的分布密度，表征休闲游憩服务；除此之外，其他服务的评估方法较为成熟，不再赘述。本文所选生态系统服务的评估指标、评估方法及数据来源见表1，土地利用数据统一采用2015年遥感解译数据。

1.2.2 梯度效应分析方法 将各生态系统服务的评估结果统一为1 km×1 km的网格单元，共计6 779个单元，对每个单元进行编号，随机选取总数10%作为样本，分析各生态系统服务随地形因子变化的梯度效应，地形因子考虑海拔和坡度两个因子。由于梯度效应的复杂性，生态系统服务与地形因子并非简单的线性关系，采用非参数方法更为灵活，有助于揭示可能被遗漏的结构。此处采用双变量散点图叠加局部加权回归(LOESS)的数据平滑方法对其梯度效应做初步判断，同时识别各服务随地形因子变化的突变点(Change point)，继而分析突变点之间各服务变化的梯度性，并对其趋势进行显著性检验。将改变趋势的突变点称为关键突变点，将变化趋势发生逆转的突变点称为临界突变点。局部加权回归及图形绘制采用R语言ggplot2包；突变点识别采用R语言的IDetect包，该方法可识别一组连续变量中突变点的数量和位置，其原理和计算方法详见参考文献[40]；趋势性检验基于M-K非参数检验，采用R语言trend包。

图1 研究区位置、地形及土地利用现状

表1 生态系统服务指标及评估方法

2 结果与分析

2.1 食物供给

食物供给服务与耕地密切相关，在靠近平原的区域供给较高，具体为顺义、密云、平谷和房山的过渡带区域，在山区总体供给较低，总体沿山地平原过渡带呈递增趋势(图2A)。食物供给服务随海拔的升高而降低，共识别得到两个突变点，分别是海拔144，354 m(图2B)。当海拔在144 m以下时，食物供给服务随海拔呈线性下降，且趋势性显著(p<0.05)；海拔在144～354 m时下降趋势变缓，趋势性同样显著(p<0.05)，因此海拔144 m仅表明下降速率放缓，但不影响下降趋势；海拔在354 m以上时，食物供给服务无明显趋势(p>0.05)。食物供给服务随坡度的增加而降低，识别一个突变点为28.9°(图2C)。当坡度<28.9°时，食物供给服务随海拔呈显著下降趋势(p<0.05)；坡度>28.9°时，食物供给服务无显著变化趋势(p>0.05)。

图2 食物供给服务空间分布及其随海拔与坡度变化

2.2 生物多样性

生境质量与食物供给相反，在靠近山区人为干扰较少的区域较高，越靠近平原区则生境质量越低，沿山地平原过渡带呈递降趋势。生境质量较高的区域主要位于密云的云蒙山地区、密云水库地区及房山部分山区(图3A)。生境质量总体随海拔的上升而提高，共识别得到两个突变点为316 m和381 m(图3B)。结合LOESS曲线可判断当海拔在316 m以下时，生境质量随海拔几乎呈线性提高，且趋势性显著(p<0.05)，316 m以上时提高幅度变缓，趋势性同样显著(p<0.05)，因此316 m仅影响升高速率，而不影响趋势性，到381 m以上时才无明显增加趋势(p>0.05)。生境质量总体随坡度增加而提升，识别一个突变点23.8°(图3C)。坡度小于23.8°时，增加趋势显著(p<0.05)，坡度大于23.8°时，趋势不明显(p>0.05)。

图3 生物多样性服务空间分布及其随海拔与坡度变化

2.3 水质净化

水质净化服务与污染物产生量和土地覆被情况相关。耕地的污染物产生量相对较大，因此其污染物净化量也较高，总体分布与食物供给服务相似，沿山地平原过渡带呈递增趋势(图4A)。水质净化服务总体随海拔的升高呈下降趋势，识别得到一个突变点为海拔322 m(图4B)。海拔在322 m以下时，水质净化服务随海拔呈显著下降趋势(p<0.05)，海拔322 m以上时无明显趋势(p>0.05)。水质净化服务总体随坡度增加呈显著下降趋势(p<0.05)，识别得到突变点为11.3°，该突变点仅影响下降速率，不影响下降趋势，仅表明坡度大于11.3°时的服务供给下降的速率要明显低于坡度小于11.3°时的服务供给速率(图4C)。

图4 水质净化服务空间分布及其随海拔与坡度变化

2.4 空气净化

空气净化服务与污染物浓度和植被状况密切相关，平原地区污染物浓度较高，但植被通常较差，山区植被情况较好，但污染物浓度较低。与其他服务不同，空气净化服务随山地平原过渡带非简单的递增或递降趋势，而是受污染物浓度和植被状况的影响，在山区平原交界区域的污染物净化量最高(图5A)。因此，空气净化服务随海拔梯度的上升呈先增加后下降的趋势，识别得到一个突变点为海拔213 m(图5B)。在海拔213 m以下时随海拔的提升呈显著增加趋势(p<0.05)，而海拔213 m以上时空气净化服务的供给发生逆转，随海拔的提升呈显著下降趋势(p<0.05)。空气净化服务随坡度的增加先上升后下降，识别得到一个突变点14.8°(图5C)。当坡度小于14.8°时呈显著上升趋势(p<0.05)，而大于14.8°时同样发生逆转，呈显著下降趋势(p<0.05)。

图5 空气净化服务空间分布及其随海拔与坡度变化

2.5 土壤保持

土壤保持服务与降雨、土壤、地形和植被覆盖等多种因子相关，总体来看，靠近山区的服务供给比靠近平原地区高，特别是平谷、房山以及密云、怀柔交界的山区土壤保持服务较高(图6A)。与地形因子关系方面，土壤保持服务总体随海拔的上升而增加，识别得到一个突变点为海拔377 m(图6B)。海拔377 m以下时呈显著增加趋势性(p<0.05)，377 m以上则趋势不明显(p>0.05)。土壤保持服务总体随坡度增加呈显著增加趋势(p<0.05)，识别得到突变点为5°，该突变点仅影响上升速率，不影响下降趋势，仅表明坡度大于5°时的服务供给上升的速率要明显高于坡度小于5°时的服务供给速率(图6C)。

图6 土壤保持服务空间分布及其随海拔与坡度变化

2.6 碳存储

碳存储服务主要与植被状况相关，在密云的云蒙山地区、门头沟和海淀交界的山区较高(图7A)。总体随海拔的上升而增加，突变点为377 m，以下呈显著增加趋势(p<0.05)，以上则趋势不明显(p>0.05)(图7B)。碳存储服务总体随坡度的增加而增加，当坡度小于11.5°时呈显著上升趋势(p<0.05)，而大于11.5°时无显著变化趋势(p>0.05)(图7C)。

图7 碳存储服务空间分布及其随海拔与坡度变化

2.7 水源涵养

水源涵养服务与降雨、蒸散、地形和植被等多种因子相关，在密云与平谷的交界区域以及房山西南部区域较高(图8A)。该服务随海拔梯度变化的突变点为283 m(图8B)，海拔在283 m以下时，水源涵养服务随海拔升高呈显著增加趋势(p<0.05)，283 m以上时发生逆转，呈显著下降趋势(p<0.05)。水源涵养服务随坡度的增加先上升后下降(图8C)，当坡度小于10.4°时呈显著上升趋势(p<0.05)，而大于10.4°时发生逆转，呈显著下降趋势(p<0.05)。

2.8 休闲游憩

休闲游憩服务与自然景点的分布密切相关，在密云的云蒙山地区、平谷四座楼地区、海淀香山地区以及房山十渡地区较高(图9A)。然而，休闲游憩服务随海拔梯度和坡度均无明显变化趋势(p>0.05)，也未检测到突变点，说明休闲游憩服务随海拔和坡度变化无明显梯度效应(图9B，9C)。

2.9 土壤质量调节

土壤质量调节服务与土壤碳含量相关，在密云东部山区、房山北部山区较高(图10A)。总体随海拔的升高而显著增加(p<0.05)，识别突变点为海拔338 m，海拔338 m以上土壤质量调节服务增加趋势较338 m以下时的增加趋势放缓(图10B)。土壤质量调节服务与坡度梯度无明显趋势(p>0.05)，也未检测到突变点，说明坡度因子对该服务影响不大(图10C)。

图8 水源涵养服务空间分布及其随海拔与坡度变化

图9 休闲游憩服务空间分布及其随海拔与坡度变化

图10 土壤质量调节随海拔与坡度变化

3 讨论与结论

(1) 海拔梯度方面，各服务的关键突变点位于300 m左右，休闲游憩和土壤质量调节无关键突变点(表2)。空气净化和水源涵养具有临界突变点，分别为海拔213 m和283 m。各服务的趋势变化总体可以分为5类，第一类为下降—无趋势，包括食物供给和水质净化；第2类为增加—无趋势，包括生物多样性、土壤保持和碳存储；第3类为增加—下降趋势，包括空气净化和水源涵养服务；第4类为增加趋势，为土壤质量调节；第5类为无趋势，包括休闲游憩。

(2) 坡度梯度方面，水质净化、土壤保持、休闲游憩和土壤质量调节无关键突变点，空气净化和水源涵养的供给分别在10°和15°发生逆转，具有临界突变点。趋势变化可以分为6类，第一类为下降—无趋势，为食物供给服务；第2类为增加—无趋势，包括生物多样性和碳存储；第3类为下降趋势，包括水质净化；第4类为增加—下降趋势，包括空气净化和水源涵养；第5类为增加趋势，包括土壤保持；第6类为无趋势，包括休闲游憩和土壤质量调节。

(3) 除休闲游憩服务外，其他服务均随地形因子变化表现出一定的梯度效应。各服务随海拔因子和坡度因子的梯度效应表现基本一致，值得关注的是水源涵养服务和空气净化服务，存在由增加趋势转变为下降趋势的临界点。

表2 生态系统服务随地形因子变化的突变点及变化趋势

注:“—”代表未发现。

山地平原过渡带是生态环境脆弱区和敏感区，从地形梯度视角探讨生态系统服务价值的分布特征及规律，有助于深入了解土地利用变化因子间的关联性，对深化认识土地利用驱动生态系统服务价值变化具有重要意义[41]。本研究以北京湾过渡带为研究区，选择海拔和坡度两个地形因子分析了主要生态系统服务的梯度效应，结果表明大部分服务都表现出明显的地形梯度效应，特别是海拔300 m左右是部分生态系统服务发生突变的临界点，在制定浅山区相关规划及各区详细规划时对该区域要特别予以关注，通过调整土地利用结构、提升生态系统质量等手段，促进生态系统服务效益最大化。除海拔和坡度外，未来还应加强对坡向、地形起伏度等其他地形因子的梯度效应评价，从而系统地揭示山区平原过渡带的生态系统系统服务地形梯度效应规律[2,21]。此外，北京湾也属于乡村—城市过渡带，还应加强对人类活动因子的梯度效应评价，综合考虑自然因素和人为因素的梯度变化规律，从而更好地指导北京浅山区生态系统服务优化供给并提升人类福祉。