京津冀地区生态系统服务时空变化及驱动因素

潘 梅,陈天伟,黄 麟,曹 巍,*

1 广西桂林理工大学测绘地理信息学院, 桂林 541004 2 中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101

京津冀地区是我国的首都经济圈,也是华北平原重要的生态屏障。然而,由于森林生态系统质量不高,北部草地生态系统退化和土地沙化问题严重,生态系统服务和生态承载力偏低。如何开展有效地生态保护和修复,已成为京津冀一体化协同发展的核心问题[1-2]。2000年以来,京津冀地区不断加强生态保护和修复,实施了太行山绿化、平原绿化、京津风沙源治理、三北防护林、沿海防护林、退耕还林、天然林保护等重大生态修复工程,确立了以燕山生态屏障、太行山生态屏障、坝上高原防风固沙带,以及沿海生态防护带为主体的“两屏两带”生态保护红线空间分布格局。虽然各项生态措施取得了一定成效,但生态安全形势仍然十分严峻[3]。

目前,大量学者从生态空间、生态安全格局[4-6],土地利用/覆被与景观格局变化[7-8],生态与生境质量评价[9-10],生态系统服务、价值评估[11-12],生态承载力[13-15],生态补偿[16-17],京津风沙源治理工程的生态效果[18-19]等多个方面开展了京津冀地区生态环境状况研究工作。多以单一年份或几个时间片段的数据,对单个或几个生态系统指标进行评估,比如张彪等[11]采用物质-价值量法评估2010年首都生态圈生态系统服务价值；武爱彬等[20]基于1990年、2015年2期土地覆被数据,分析京津冀地区的生态系统服务供需格局的变化；刘金雅等[12]基于多边界改进的方法评估2015年京津冀地区的生态系统服务；翟月鹏等[21]利用气象、植被覆盖度等数据,分析京津冀地区水源涵养量空间分布格局；年蔚等[22]利用碳排放、氧消耗等数据,评估京津冀地区的固碳释氧净生产服务能力等。然而,受降水周期等外界因素的影响,单一或片段地评估结果不能真实反应生态状况变化,存在较大不确定性。另一方面,大量研究分析了生态系统指标变化的重要驱动因素,比如徐志涛等[23]以土地覆被变化驱动力分析京津冀地区生态服务的变化,孟丹等[24]结合降水、气温数据分析京津冀地区NDVI的变化特征,李孝永和匡文慧[25]采用社会经济要素和规划纲要等数据分析京津冀地区土地利用的变化,张晓艺等[26]结合气温、日照、降水和相对湿度等数据分析京津冀地区森林植被净初级生产力的变化,Wang等[27]、Zhang等[28]、Zhang等[29]从城市化的角度分析生态系统服务的变化等。但是,这些研究多从某类因素开展驱动因素分析,缺少气候变化和生态修复工程对生态系统指标变化叠加影响的分析。

了解区域动态过程的生态本底,定量分析长时间序列生态系统结构及其服务的基本状况与时空变化特征,对进一步深入开展京津冀地区生态系统管理、生态保护和修复,辅助生态保护红线的落实和监管,具有重要的科学和现实意义。本研究基于长时间序列气象观测资料和遥感监测数据,结合GIS空间分析、模型模拟等手段,构建了京津冀地区生态系统结构与关键服务的生态本底图谱,并对其过去15年的时空变化态势进行了分析,同时结合植被覆盖状况、气候变化和生态工程实施情况等自然与人类活动驱动因素,分析和阐述这些驱动因素对生态系统服务时空变化的影响,将为京津冀地区未来开展生态状况监测、生态系统评估、生态红线监管、生态绩效考核等提供数据基础和科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

京津冀地区陆地面积约为21.6×104km2,地势西北高、东南低。地区以北是蒙古高原,以南是华北平原,以西是太行山丘陵,以东为渤海湾。地貌类型多样,中部和南部以平原为主,北部、西北部地形复杂,多为高原草地、山地、盆地等。燕山-太行山山地是海河体系的发源地,是京津冀涵养水源的重要区域；太行山的土石山区和黄土丘陵属于国家水土流失的重点治理区域；冀西北坝上高原地区,森林郁闭度高,林草覆盖面积广,是阻止风沙入侵京津冀城市群的重要屏障。气候类型以暖温带大陆性季风型气候为主,春秋季节干旱多风,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥。根据中国生态区的分类标准[30],京津冀地区由北向南依次划分为4个生态区：内蒙古高原中东部典型草原生态区(简称“草原生态区”)、燕山-太行山山地落叶阔叶林生态区(简称“森林生态区”)、京津唐城镇与城郊农业生态区(简称“京津唐农业生态区”)、华北平原农业生态区(简称“华北农业生态区”)(图1)。

图1 京津冀地区的生态区划和数字高程模型

1.2 数据收集与处理

(1)遥感数据。收集了2000—2015年MODIS的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据产品(MOD13Q1),该产品空间分辨率250 m、时间分辨率16 d。通过重采样、滤波处理和最大合成法等方法,得到月和年最大NDVI数据。再根据像元二分模型理论,计算得到2000—2015年京津冀地区的月和年最大植被覆盖度数据,具体公式为：

(1)

式中,Fc是植被覆盖度；NDVIveg是纯植被条件下像元的NDVI值,此处用95%处的NDVI值；NDVIsoil是完全无植被覆盖的条件下像元的NDVI值,此处用5%处的NDVI值。

(2)生态系统类型数据。数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心,基于陆地卫星TM/ETM+、环境小卫星等30 m空间分辨率遥感影像数据,通过几何校正和图像拉伸等处理,采用遥感解译和判读的方法得到的土地利用与土地覆盖变化数据集[31],进而转换为生态系统类型空间分布数据,生态系统类型包括农田、森林、草地、水体和湿地、聚落(城镇用地、农村居民点和其他建设用地)和其他等6类。本研究使用了京津冀地区2015年生态系统类型现状与2000—2015年生态系统类型转换的空间分布数据,用于生态系统宏观结构现状及其过去15年变化的空间分析。

(3)土壤数据。该数据来源于西部环境与生态科学数据中心1∶100万土壤类型图所附的土壤属性表和空间数据,基于该数据,采用Nomo图法估算得到土壤可蚀性因子[32]。

(4)气象数据。在中国气象科学数据共享服务网上(http://data.cma.cn/)下载降雨量、气温、风速等国家气象台站的日观测数据产品,采用ANUSPLINE方法插值得到2000—2015年降雨量、气温、风速的格点数据集,时间分辨率为月和年,空间分辨率为1 km。进一步采用章文波的降雨侵蚀力估算方法[33]计算降雨侵蚀力等模型因子。

(5)高程数据。在地理空间数据云平台上(http://www.gscloud.cn)下载SRTM3 V4.1版本DEM数据,空间分辨率为90 m,根据McCool等[34]和Liu等[35]的核心算法计算坡度和坡长因子。

(6)生态工程实施状况数据。数据来源于《中国林业统计年鉴》,主要包含2000—2015年间北京市、天津市、河北省实施各类生态工程的面积和投资金额等。

为了统一以上多源数据的空间分辨率,本文以所有数据中最低的空间分辨率作为本文的研究尺度。即采用ArcGIS软件中的聚合工具将所有数据转化为1 km×1 km的栅格数据。

1.3 研究方法

1.3.1生态系统类型及其变化分析方法

采用转移矩阵法,分析2000—2015年京津冀地区各生态系统类型间相互转化的数量和方向,了解生态系统结构及其变化状况。

1.3.2生态系统防风固沙服务

防风固沙服务是指生态系统通过其结构和过程,减少由于风蚀所导致的土壤侵蚀的作用。即通过根系固定表层土壤,减少地表裸露面积,减弱近地面风速,削弱风的强度和携沙的能力等,大大降低土壤风蚀作用,减少土壤流失和风沙的危害[36-37]。

本研究以防风固沙量作为防风固沙服务的评估指标,防风固沙量根据植被固沙量进行计算,即裸土条件下的潜在风蚀量与有植被覆盖条件下的实际风蚀量的差值：

SLsv=SLs-SLv

(2)

式中,SLsv表示潜在防风固沙量(kg/m2)；SLs表示潜在土壤风蚀量(kg/m2)；SLv表示实际土壤风蚀量(kg/m2)。土壤风蚀量则采用修正风蚀方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)[38]来计算,公式如下：

(3)

(4)

Qmax=109.8(WF×EF×SCF×K′×COG)

(5)

C=150.71(WF×EF×SCF×K′×COG)-0.3711

(6)

式中,SL为土壤风蚀模数(kg/m2)；y为地块长度(m)；Qy地块长度y处的沙通量(kg/m)；Qmax为风力的最大输沙能力(kg/m)；C为关键地块长度(m)；WF为气象因子(kg/m)；EF为土壤可蚀性成分；SCF为土壤结皮因子；K′为土壤糙度因子；COG为植被因子,包括平铺、直立作物残留物和植被冠层,无量纲。

1.3.3生态系统水源涵养服务

水源涵养服务主要是指生态系统通过植被冠层、枯落物层和土壤层,对降雨进行再分配。植被冠层减少高强度降雨直接对地表冲刷的强度,枯落物层结构疏松,凭借良好的透水性和持水能力,协同土壤层缓和地表径流、补充地下水等[39-41]。

本研究以水源涵养量作为水源涵养服务的评估指标,采用降水贮存量法[42]估算京津冀地区森林、草地和湿地生态系统的水源涵养量,公式如下：

Q=S×J×R

(7)

J=Ja×K

(8)

R=Rsoil-Reco

(9)

式中,Q为与裸地相比较,生态系统涵养水分的增加量,m3；S为生态系统面积(hm2)；J为产流降雨量(mm)；Ja为年均降雨量(mm)；K为产流降雨量占降雨总量的比例；R为与裸地相比较,生态系统减少径流的效益系数；Rsoil为产流降雨条件下裸地降雨径流率；Reco为产流降雨条件下生态系统降雨径流率。

1.3.4生态系统土壤保持服务

土壤保持服务是指生态系统通过其结构与过程,减少由于水蚀所导致的土壤侵蚀的作用。植被通过截留降水、增加土壤下渗、缓解径流,减少雨水和径流对土壤的侵蚀,达到保育土壤的作用[43-44]。

本研究以土壤保持量作为土壤保持服务的评估指标,该指标为生态系统在极度退化状况下的潜在土壤侵蚀量与现实状况下土壤侵蚀量的差值：

Aretention=Adeg-Aact

(10)

式中,Aretention为土壤保持量(t/hm2)；Adeg为潜在土壤侵蚀量(t/hm2)；Aact为现实状况下的土壤侵蚀量(t/hm2)；

采用基于修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)[45-46]模型对土壤侵蚀量进行评估,公式如下：

Adeg=R×K×L×S×Cdeg

(11)

Aact=R×K×L×S×Cact×P

(12)

式中,R为降雨侵蚀力因子(MJ mm hm-2h-1)；K为土壤可蚀性因子(t h hm-4MJ-1mm-1)；L为坡长因子；S为坡度因子；Cdeg和Cact分别表示生态系统极度退化状况、现实状况植被覆盖因子;P为土壤保持措施因子,无量纲。

1.3.5生态系统关键服务和驱动因素的年际变化趋势

通过最小二乘法计算各生态系统服务和驱动因素的年际变化趋势,分析京津冀地区生态系统关键服务的时空变化特征,并采用方差分析法(F检验)进行显著性检验。计算公式为：

(13)

(14)

1.3.6自然和人类活动驱动因素分析方法

气候变化对生态系统服务影响巨大。一方面,气候可以直接影响生态系统服务,比如当气温较高时,地表水分的蒸散加快,土壤粘结性降低,风速较大时,风蚀作用增强。降雨量增加时,地表存留水量增大,水源涵养量增加,而水蚀作用增强。另一方面,气候的变化影响植被的生长,间接影响生态系统服务。植被是陆地生态系统的重要组成部分,根据生态系统结构-过程-服务功能的相互作用机理,其在滞尘防沙、水文调节、固土护坡等方面发挥着巨大的作用[47]。将4—10月作为京津冀地区植被生长季时段[48],累计生长季期间降雨量,取气温平均值,计算降雨量和气温的年际变化趋势,再通过重分类和叠加分析,得到京津冀地区生长季干湿变化图。

生态修复工程的实施通过改变区域植被状况,也同样影响区域生态系统服务的变化。2000年以来,京津冀地区实施了多项重点生态工程,大致分为北部的京津风沙源治理工程,西部的太行山绿化工程,东部沿海防护林工程,中部和南部的三北防护林和平原绿化工程,以及覆盖了京津冀大部分地区的退耕还林工程。依据京津冀地区各项重点生态工程规划范围,统计2000—2015年间各县生态工程实施个数,得到县级生态工程的空间统计图。

2 结果与分析

2.1 生态系统类型及其时空变化特征

京津冀地区的主要生态系统类型为农田、森林、草地和聚落。2015年,农田面积为10.74×104km2,占研究区面积的49.7%,主要分布于东南部平原地区；森林面积为4.46×104km2,约占20.7%,主要分布于北部和西部的山地区域；草地面积3.50×104km2,约占16.2%,主要分布在北部山地和西部丘陵狭长地带；水体和湿地面积0.72×104km2,约占3.4%,大体分布于渤海湾沿岸；聚落面积2.05×104km2,是京津冀城市群的主体部分,约占9.6%,主要分布在中部、南部以及渤海湾平原(图2)。

2000—2015年,京津冀地区的生态系统面积变化具有明显的时空分异特征。其中,农田面积减少了1.88%(0.21×104km2)(减幅-1.88%)；森林减少了0.08%(34.43 km2)；草地减少了0.79%(279.15 km2),水体与湿地减少了3.45%(305.46 km2)；聚落增加了16.24%(0.27×104km2)(图2,表1)。

表1 2000—2015年京津冀地区生态系统转移矩阵/km2

图2 京津冀地区生态系统类型分布及其变化

15年间,京津冀地区生态系统类型转换主要是从森林、草地、水体与湿地向农田、聚落的转移,生态系统类型转换主要表现为：

(1)城镇、农村和建设用地扩张迅速,并以北京、天津、唐山的城镇扩张速度最为显著。受农田-聚落、森林-聚落、草地-聚落,以及水体与湿地-聚落之间相互转换的影响,聚落生态系统面积明显增加。其中有76.35%、4.18%、5.25%和8.03%的面积分别来源于农田、森林、草地,以及水体与湿地的转入。

(2)农田面积变化剧烈。草地、水体与湿地转入农田的面积分别为71.87 km2和95.62 km2,农田转为聚落和森林的面积分别为7457 km2、44.89 km2。

(3)森林、草地、水体与湿地、以及其他生态系统均有减少。森林面积变动较小,草地向聚落、农田、森林、水体与湿地、聚落分别净转出了151.1 km2、71.87 km2、28.42 km2和29.93 km2；水体与湿地生态系统面积减少较多,有95.62 km2转化为农田,231.39 km2转化为聚落。

2.2 生态系统防风固沙服务时空变化特征

2000—2015年,京津冀地区平均防风固沙量为5.61×108t,单位面积防风固沙量为26.16 t/hm2。在空间分布上,草原生态区平均防风固沙量为1.12×108t,平均单位面积防风固沙量为60.11 t/hm2,其北部和中部地区单位面积防风固沙量为50—180 t/hm2,南部为30—50 t/hm2；森林生态区平均防风固沙量为3.81×108t,平均单位面积防风固沙量为36.10 t/hm2,该中部地区单位面积防风固沙量为40—360 t/hm2,南部和东部为0—40 t/hm2；京津唐农业生态区和华北农业生态区平均防风固沙量分别为0.37×108t、0.30×108t,平均单位面积防风固沙量分别为12.27 t/hm2、5.03 t/hm2,其西部滨海区防风固沙量比其他农业区高,为10—30 t/hm2(图3)。

图3 2000—2015年生态系统防风固沙服务空间分布和各生态区防风固沙量及单位面积量

从年际变化趋势情况来看,2000—2015年,京津冀地区生态系统防风固沙量呈上升趋势,但不显著(P>0.05),增幅为0.11 t hm-2a-1。从每5年的变化所知,防风固沙量经历先减少,后增加,再减少的变化趋势(图3)。空间上,草原生态区防风固沙量整体减幅小于1 t hm-2a,下降趋势不显著；作为太行山绿化工程、京津风沙源治理工程等实施的重要区域,森林生态区北部以显著上升趋势为主,增幅为3 t hm-2a-1以上,南部变化幅度较小；京津唐农业生态区和华北农业生态区西部部分地区防风固沙量变化幅度小,东部整体呈极显著下降趋势(图4)。

图4 生态系统防风固沙服务变化态势时空分布概况及显著性检验

2.3 生态系统水源涵养服务时空变化特征

2000—2015年,京津冀地区平均水源涵养量为74.58×108m3,平均单位面积水源涵养量为3.49×104m3/km2。在空间分布上,草原生态区平均水源涵养量为6.54×108m3,平均单位面积水源涵养量为3.50×104m3/km2,其北部单位面积水源涵养量为5.0×104—12.5×104m3/km2,中部和南部为0—5.0×104m3/km2；森林生态区平均水源涵养量为64.76×108m3,平均单位面积水源涵养量为6.14×104m3/km2,其西部永定河上游间山盆地林农草地区的单位面积水源涵养量较低,为0—5.0×104m3/km2；京津唐农业生态区和华北农业生态区平均水源涵养量分别为1.42×108m3、1.86×108t,平均单位面积水源涵养量分别为0.47×104m3/km2、0.31×104m3/km2,其水源涵养量空间分布差异较小,区域内白洋淀湿地的水源涵养量较高,单位面积水源涵养量最高达到83×104m3/km2(图5)。

图5 2000—2015年生态系统水源涵养服务空间分布和各生态区水源涵养量及单位面积量

从年际变化趋势情况来看,2000—2015年,京津冀地区生态系统水源涵养量呈上升趋势,但不显著(P>0.05),增幅为0.03×104m3km-2a-1。在每5年的变化中,水源涵养量在前10年呈增加趋势,后5年呈下降趋势。空间上,草原生态区水源涵养量整体变化幅度小,局部地区呈不显著上升趋势,增幅为0.02×104—0.1×104m3km-2a-1；作为京津水源地和水源涵养重要区,森林生态区水源涵养量整体呈不显著上升趋势,增幅为0.02×104—4×104m3km-2a-1,局部地区水源涵养量变化幅度小或呈下降趋势；京津唐农业生态区和华北农业生态区的水源涵养量幅度小,白洋淀湿地水源涵养量呈极显著上升趋势(P<0.01),增幅大于0.25×104m3km-2a-1(图6)。

图6 生态系统水源涵养服务变化态势时空分布概况及显著性检验

2.4 生态系统土壤保持服务时空变化特征

2000—2015年,京津冀地区平均土壤保持量为7.98×108t,平均单位面积土壤保持量为37.23 t/hm2。在空间分布上,草原生态区平均土壤保持量为0.24×108t,平均单位面积土壤保持量为12.86 t/hm2,其北部和南部地区单位面积土壤保持量为0—10 t/hm2,中部为20—130 t/hm2；森林生态区平均土壤保持量为7.56×108t,平均单位面积土壤保持量为71.61 t/hm2,西部永定河上游间山盆地林农草地区的单位面积土壤保持量为0—10 t/hm2；京津唐农业生态区和华北农业生态区平均土壤保持量分别为0.08×108t、0.10×108t,平均单位面积土壤保持量分别为2.63 t/hm2、1.62 t/hm2,其土壤保持量空间分布差异小(图7)。

图7 2000—2015年生态系统土壤保持服务空间分布和各生态区土壤保持量及单位面积量

从年际变化趋势情况来看,2000—2015年,京津冀地区生态系统土壤保持量呈显著上升趋势(P<0.05),增幅为1.08 t hm-2a-1。每5年的变化中,土壤保持量在前10年呈缓慢上升趋势,后5年呈下降趋势,变化幅度增大。空间上,草原生态区土壤保持量整体变化幅度小,其中部部分地区呈不显著上升趋势,增幅为0.1—0.4 t hm-2a-1；森林生态区土壤保持量整体呈上升趋势(局部地区P<0.05),增幅大于0.4 t hm-2a-1,局部地区土壤保持量变化幅度较小；京津唐农业生态区和华北农业生态区的土壤保持量整体呈不显著上升趋势,增幅为0.02—0.3 t hm-2a-1,华北农业生态区南部局部地区呈不显著下降趋势(图8)。

图8 生态系统土壤保持服务变化态势时空分布概况及显著性检验

2.5 生态系统关键服务变化的驱动因素分析

2.5.1气候变化和人类活动的驱动分析

2000—2015年,京津冀地区多年平均气温为9.87℃,各生态区整体气温变化幅度较小或呈不显著下降趋势,减幅为0.035℃/a；多年平均降雨量为497.85 mm,研究区的降雨量整体呈上升趋势(局部地区P<0.05),增幅为4.84 mm/a；多年平均风速为2.39 m/s,增幅为0.01% m s-1a-1,其中北部风速呈显著或极显著上升趋势,东南部呈极显著下降趋势。根据生长季期间气温和降雨量的增幅分别为0.068℃/a和2.37 mm/a,其中,约63%区域趋于暖湿,集中在京津唐农业生态区；28%区域温度明显升高,集中在草原生态区、冀南部平原等；6%的地区趋于暖干。由此可知,研究区生长季气候整体趋于暖湿趋势,为植被的生长和发育提供了良好的水热条件(图9,图10)。

图9 生态系统各气候因子变化态势时空分布概况和生长季干湿变化

图10 各气候因子变化趋势显著性检验

从生态工程数量统计空间分布图来看,多数县份实施了2项及以上的生态工程,其中,燕山山地、太行山丘陵,以及华北平原地区是生态工程的集中实施区域。2000—2015年,京津冀地区累计完成造林面积599.26×104hm2。其中,飞播造林面积达67.18×104hm2,人工造林面积达308.89×104hm2,无疏林地和疏林地新封面积达97.25×104hm2,草地治理面积达74.95×104hm2,小流域治理面积达55.43×104hm2,工程投资总计达378.45亿元(图11)。

图11 2000—2015年京津冀地区生态工程数量及各生态工程实施面积和投资额

在气候和生态工程共同作用下,2000—2015年京津冀地区植被覆盖度整体有所好转,局部地区有所退化。多年平均最大植被覆盖度为69.66%,变化趋势呈极显著上升趋势,增幅为0.63%/a。空间上,各生态区植被覆盖度整体呈显著上升趋势,占全区面积的61.96%,局部地区呈显著下降趋势,占4.02%。京津唐农业生态区和华北农业生态区的人类活动密集,随着建设用地的扩张,城市建成区周边的植被覆盖度整体呈下降趋势,局部有多好转(图12)。

图12 生态系统最大植被覆盖度变化态势时空分布概况及显著性检验

2.5.2驱动因子对生态系统服务变化的综合影响

结合气候变化,以及生态工程实施情况,对比植被覆盖度变化和生态服务量变化的空间格局可知,森林生态区的防风固沙量、水源涵养量、土壤保持量的变化趋势和植被覆盖度较为一致,均呈上升趋势。这是由于森林生态区的林草面积广,降雨量相对丰富,在良好的水热环境下,同时采取了退耕地造林种草、草地治理、小流域治理等措施,促进了京津冀地区植被的生长,提高了生态系统服务量。

草原生态区的防风固沙量整体呈不显著下降趋势,尽管该区植被覆盖度整体有所好转,但当气温增幅较大、降雨量增幅较小时,土壤的粘结性下降,当风速增大时,风力携土能力增强,风蚀作用增加,最终造成该区防风固沙量减少。水源涵养量和土壤保持量方面,生态区的中部和东部温带半湿润森林草原区的服务量变化趋势与植被覆盖度较为一致,均呈上升趋势,但不显著,西部温带干旱干草原区的水源涵养量和土壤保持量与植被覆盖度的变化趋势相反,该区域以农业生态系统为主,故植被根系固土持水能力相对弱于林草地区[49],与此同时降雨量有所增加,故水源涵养量和土壤保持量变化幅度较小或呈不显著下降趋势。

京津唐农业生态区的防风固沙量以极显著下降为主,土壤保持量整体呈不显著上升趋势。该区属于首都经济圈主要城市建成区,在多项生态工程的实施下,部分城郊农业区的植被覆盖度有所好转。随着城市建设用地的扩张,大量的农田生态系统转为聚落生态系统,造成区域植被覆盖度整体有所下降,部分生态系统服务量降低。其中天津滨海区的防风固沙量极显著减少,该地区主要是化工工业和渔业所用地,自然植被较少,故抗风蚀能力弱,防风固沙量低。

华北农业生态区森林草地生态系统覆盖面积小,故生态系统水源涵养量少,年际变化不明显。土壤保持量变化趋势则与植被覆盖度较为一致,变好的区域主要集中在生态区中部和东部运东滨海平原农业区,其处在暖湿的气候范围,在沿海防护林、平原绿化工程的实施下,该区植被覆盖度明显好转,土壤保持量增加。而防风固沙量受气温、风速、降雨量和人类活动的综合作用下,大部分地区呈显著下降趋势,体现了生态过程的综合性和复杂性。

3 讨论

3.1 研究结果的可靠性

通过与前人研究的结果进行对比,验证研究结果的可靠性。防风固沙服务方面。本研究通过修正风蚀方程计算得到森林生态区的单位面积防风固沙量(36.10 t/hm2),与张彪等[50]的结果(44.53 t/hm2)相比略为偏低。分析其原因：虽然估算模型相同,但开展空间分析的地理边界不同,张彪等依据京津风沙源治理工程分区,本研究依据生态系统类型、地理特征等自然条件进行分区。

水源涵养方面。采用Wang等[27]的分析方法,对本研究结果中2000年和2010年的水源涵养量进行热点分析(图13)。结果证明,本研究的水源涵养量的空间分布格局与Wang等的研究结果整体一致,同时也符合Wang等所提出的生态系统服务高值的面积扩大的结论。将本研究得到2000年和2010年京津冀地区平均的单位面积水源涵养量与Zhang等[29]的结果相比,量级上有所差异,最主要的原因在于本研究同时对森林、草地和湿地生态系统的水源涵养涵养量进行评估,而Zhang等仅评估了森林生态系统的水源涵养量。此外,在模型中生态系统减少径流的效益系数的取值也有所差异。为了提高模型结果的可靠性,本研究对不同生态系统类型甚至不同植被类型的减少径流效益系数采用不同的取值或计算公式。

土壤保持方面。本研究的土壤保持量的空间分布格局与Wang等的研究结果整体一致(图13),但研究区平均单位面积土壤保持量(2000年为3286.07 t/km2、2010年为4323.85 t/km2)比Wang Jiali的研究结果(2000年为959.39 t/km2、2010年为1347.34 t/km2)偏大,京津唐农业生态区的平均单位面积土壤保持量(2000年为1.55 t/hm2、2015年为2.16 t/hm2)比Xie等[51]的研究结果(2000年为534.19 t/hm2、2010年为698.93 t/hm2)偏小,这有可能是由于在计算土壤流失方程中的降雨侵蚀力时,Wang和 Xie均采用的是Wischmeier[52]提出的EI30作为侵蚀力指标,由于该方法的次降雨过程资料难以获取,故本研究依据章文波等[33]提出的方法,直接利用日雨量估算降雨侵蚀力。该模型评估降雨侵蚀力的误差大小与区域降雨量有关,而京津冀地区的降雨量分布存在明显的东南高西北低的梯度差异,故本研究土壤保持量计算结果与Wang和Zhen的结果均有所偏差,但基本格局一致。

图13 京津冀地区不同置信水平生态系统服务热点分布

3.2 研究不足

(1)由于部分数据难以获取到高分辨率影像,为了统一多源数据尺度,采用1 km×1 km的空间分辨率进行研究,而采用该精度进行评估生态系统服务量通常较为粗糙[29],今后需要从数据源方面进一步提高精度,使研究结果更准确,从而提高实际的应用效率。(2)文中仅对京津冀地区的3个主要生态系统服进行评估和分析,而构建生态本底图谱还需要量化更多的生态系统服务,这也是今后需要进一步改进的地方。(3)本研究通过气候变化和生态工程状况的角度对生态系统服务的变化进行分析,但如何进一步量化驱动因素的作用,并增加其他重要驱动因子的分析,需要进一步进行探索。已有研究中指出,区域城市化对生态系统服务的变化具有重要的驱动作用[53-54]。在城市发展过程中,京津冀地区大量的农田转为聚落,森林、草地以及水体和湿地面积也有所减少,势必影响着区域生态系统服务的变化,下一步将城市化水平如何影响生态系统服务变化的分析纳入研究当中。

4 结论

本研究通过定量评估京津冀地区生态系统结构与防风固沙、水源涵养、土壤保持等关键服务的时空变化特征,构建一套京津冀地区生态系统关键服务的生态本底图谱,并对气候变化和生态工程等驱动因素进行了讨论,得到几点结论：

(1)2000—2015年,京津冀地区生态系统类型的分布格局基本不变,以农田生态系统为主。近15年,城镇面积明显增加,农田面积大量减少,二者出现此消彼长的现象。森林、草地、水体与湿地面积均有不同程度的减少。

(2)京津冀地区生态系统平均防风固沙量为5.61×108t,增幅为0.11 t hm-2a-1(P>0.05)。草原生态区的单位面积防风固沙量最高,为60.11 t/hm2,区域整体呈不显著下降趋势,减幅小于0.5 t hm-2a-1；森林生态区次之,单位面积防风固沙量为36.10 t/hm2,区域整体呈不显著上升趋势,增幅为0.5—6 t hm-2a-1；京津唐农业生态区和华北农业生态区的防风固沙量较低,单位面积防风固沙量分别为12.27 t/hm2、5.05 t/hm2,西部防风固沙量变化不明显,东部呈显著或极显著下降趋势,减幅为小于0.5 t hm-2a-1。

(3)生态系统平均水源涵养量为74.58×108m3,增幅为0.03×104m3hm-2a-1(P>0.05)。其中,森林生态区的单位面积水源涵养量最高,为6.14×104m3/hm2,区域整体呈不显著上升趋势,增幅为0.05×104—0.25×104m3hm-2a-1；草原生态区次之,单位面积水源涵养量为3.50×104m3/hm2,区域整体变化不明显；京津唐农业生态区和华北农业生态区的水源涵养较低,单位面积水源涵养量分别为0.47×104m3/hm2、0.31×104m3/hm2。

(4)生态系统平均土壤保持量为7.98×108t,增幅为1.08 t hm-2a-1(P<0.05)。其中,森林生态区的单位面积土壤保持量最高,为71.61 t/hm2,区域整体呈显著上升趋势,增幅为0.25—6 t hm-2a-1；草原生态区次之,单位面积土壤保持量为12.86 t/hm2,整体变化幅度较小；京津唐农业生态区的单位面积土壤保持量为2.63 t/hm2,呈不显著上升趋势；华北农业生态区的单位面积土壤保持量为1.62 t/hm2,其南部地区呈不显著下降趋势。

(5)近15年来,在生长季期间,京津冀地区的气候趋于暖湿,为植被的生长提供了良好的水热环境。另一方面,虽然区域森林、草地和湿地面积有所减少,但通过大量实施的生态修复工程,有效提高了林草地区的植被覆盖度,极大地改善了京津冀地区整体的生态质量,但局部地区生态质量有退化现象,仍需要做好生态保护和建设工作。