广东南岭生态功能区系统服务功能与人为扰动因素研究

王秀明，苏耀明，许乃中，梁炜，赵鹏，张玉环

(生态环境部华南环境科学研究所，广东广州 510655)

《全国主体功能区划》确定了水源涵养型、水土保持型、防风固沙型、生物多样性维持型四类国家重点生态功能区，建立了国家重点生态功能区生态补偿机制，仅2018年中央财政即对各地国家重点生态功能区拨款1369.89亿元。在接受生态补偿的同时，重点生态功能区保护成效如何？其生态服务功能是否持续改善？目前《生态保护红线划定技术指南》[1]提出了植被净初级生产力(NPP)定量指标评价、模型评价两种方法。其中NPP定量评价法被广泛应用于各地生态系统服务重要性评价[2-3]及生态保护红线划定[4-6]。张立伟等[7]利用该方法分析了国内11个生态功能区的生态系统服务时空变化。在模型评价法方面，黄麟等[8]、侯鹏等[9]利用降水储量法、水土流失方程、土壤风蚀方程等模型评价法定量分析了国家重点生态功能区生态系统水源涵养、土壤保持、防风固沙等服务功能变化情况。比较而言，模型评价法考虑因素相对完善，对数据需求量较大，在参数适用、应用条件好的情况下准确度较高；定量评价法需要参数较少，操作较简单，但其使用范围具有地域性。限于数据的可获得性，本文以NPP定量评价法评价研究区生态系统服务功能。

本文以广东省南岭山地森林及生物多样性生态功能区为研究区，包括韶关市、河源市、梅州市共11个县、市，总面积达23 515km2。研究区属亚热带季风气候，年降水量为1500mm～2000mm，季节分配较均匀；区域地带性土壤为红壤；地带性植被为亚热带常绿阔叶林，自然植被垂直分布明显。南岭山地森林及生物多样性生态功能区是广东省最重要的生态屏障，是北江、西江等河流的源头区，研究其生态系统服务功能变化趋势及受人为因素的影响有利于科学评价其保护成效，可为重点生态功能区生态补偿提供核算依据，同时也可为重点生态功能区生态保护措施和开发利用管理要求提供科学基础。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源及预处理

本研究主要涉及数据包括MODIS系列数据、DEM数据、气象数据、土壤质地、土地利用数据等，其中：(1)MODIS系列产品MOD13Q1、MOD16A2来源于美国国家航空航天局网站，空间分辨率为250m，时间分辨率分别为16d、8d；(2)DEM数据来自地理空间数据云；(3)气象数据来源于国家气象信息中心网站，包括广东省内及周边91个气象站逐日气温、降水、日照数据；(4)土壤质地数据来源于寒区旱区科学数据中心；(5)土地利用数据来源于生态环境部卫星中心，将研究区分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类。

1.2 NPP计算模型

目前NPP计算的模型主要有三类，即气候生产力模型、生理生态过程模型和光能利用率模型。其中光能利用率模型可直接利用遥感手段获得所需数据，且该模型在估算中考虑了NPP和植被覆盖度等生态参数的差异，使得测算结果能更真实地反映实际情况，适合全球及区域尺度上的NPP估算。本文利用CASA模型[10]计算NPP，公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

(3)

ε(x,t)=εmax×T1(x,t)×T2(x,t)×W(x,t)

(4)

T1(x,t)=0.8+0.02×Topt(x)-0.0005×[Topt(x)]2

(5)

T2(x,t)=

(6)

(7)

其中，APAR(x,t)表示x象元处t月植被所吸收的光合有效辐射；SOL(x,t)表示t月在x象元处的太阳总辐射量，FPAR(x,t)表示植被层对入射光和有效辐射的吸收比例；FPARmax、FPARmin分别为0.95和0；T1(x,t)表示高温和低温时内在生化作用对光合作用的限制而降低的第一性生产力；T2(x,t)表示环境温度从最适温度项高温和低温变化时植物光合利用率减少的趋势；W(x,t)表示水分胁迫系数；Topt(x)表示某一区域一年内植被指数(NDVI)达到最高值时的当月平均温度；ET(x,t)为区域实际蒸散量；ETP(x,t)为区域潜在蒸散量。

1.3 生态系统服务功能评价方法

(1)水源涵养服务

水源涵养是生态系统通过其特有的结构与水互相作用，对降水进行截留、渗透、蓄积，并通过蒸发实现对水流、水循环的调控，主要表现在缓和地表径流、补充地下水、减缓河流流量的季节波动、滞洪补枯、保证水质等方面。水源涵养服务能力指数(WR)计算公式如下：

WR=NPP×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(8)

式中，WR为水源涵养服务功能指数，Fsic为土壤渗流能力因子，Fpre为年降水量，Fslo为归一化后的坡度数据。

(2)水土保持服务

水土保持是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，是生态系统提供的重要条件服务之一。水土保持功能主要与气候、土壤、地形和植被有关。水土保持服务能力指数(Spro)计算公式如下：

Spro=NPP×(1-K)×(1-Fslo)

(9)

式中，Spro为水土保持功能指数，K是土壤可蚀性因子，其余因子同上。

(3)生物多样性保护服务能力指数

生物多样性服务是生态系统在维持基因、物种、生态系统多样性方面发挥的作用，是生态系统提供的重要功能之一。生物多样性保护服务能力指数(Sbio)计算公式如下：

Sbio=NPP×Fpre×Ftem×(1-Fslo)

(10)

式中，Sbio为生物多样性保护服务功能指数，Ftem是年均气温，其余因子同上。

1.4 人类扰动指数构建

参考相关研究[7,11]，利用人类扰动指数评价人类活动对生态系统的影响程度，即根据不同生态系统类型所占比例进行加权求和，其值的大小综合反映了某一地区的扰动程度，计算方法如下：

(11)

式中，Ai表示第i级生态系统人类扰动程度分级指数；Pi表示第i级生态系统面积所占的百分比；D为生态系统人类扰动指数，范围为0～1，其中裸地取值为0，林地、草地、水域取值为1，农田为2，城镇、居民点、工矿和交通用地为3。

2 相关结果分析

2.1 植被净初级生产力

2000年、2017年，研究区内单位面积NPP较低的区域主要分布在城镇开发较为集中的区域，较高的区域主要分布在平远、蕉岭县北部、连平、和平县交界处，均属于山体较为完整、森林分布连续的区域。

2000年、2017年，研究区内单位面积NPP平均值分别为1542.70gC/m2·a、1291.82gC/m2·a，2017年单位面积NPP下降幅度为16.3%，与姜春等[12]、李恒凯等[13]分别对广东省、南岭山地森林区NPP演变趋势的分析一致；NPP减少为50%以上、20%～50%的区域占比分别为4.03%、35.67%，仅17.66%的区域呈现NPP不同幅度的增加。与研究区外区域比较，广东省其他区县2000年、2017年NPP平均值分别为1186.03gC/m2·a、979.39gC/m2·a，即两个阶段内重点功能区内部植被净初级生产力明显高于其他地区。

2.2.1水源涵养服务指数

2000年，水源涵养服务指数高值区主要分布在平远北部、蕉岭西南和东北部、兴宁县南部、连平、和平交界区域、仁化中部等。2017年，仅平远、蕉岭县局部地区WR指数仍保持较高水平，其余区域WR指数均有明显下降。两个时期，研究区水源涵养服务指数平均值分别为12.60、9.73，均明显高于广东省其他地区(10.94、9.00)。2017年研究区水源涵养服务指数比2000年下降了22.8%，WR指数下降幅度在50%以上、20%～50%的区域面积占比分别为12.24%、33.49%；仅22.0%的区域呈现WR指数上升。

>>生态系统服务功能变化趋势及受人为因素的影响研究有利于科学评价其保护成效，为重点生态功能区生态保护和开发利用提供科学基础。

2.2.2水土保持服务指数

2000年、2017年水土保持服务能力指数空间分布与NPP整体一致，高值区主要分布在平远、蕉岭北部、连平和和平县交界区域。同样，2000年、2017年，研究区水土保持服务指数平均值分别为1241.72、1044.28，高于广东省其他地区25%左右。2017年研究区水土保持服务能力指数比2000年下降了15.9%，约80%区域水土保持服务能力呈现不同幅度的退化。

2.2.3生物多样性保护服务指数

2000年、2017年生物多样性保护服务能力指数空间分布与NPP基本一致。2000年、2017年，研究区生物多样性保护指数平均值分别为1366.98、868.56，约是广东省其他地区的2倍。2017年研究区单位面积生物多样性保持服务指数比2000年下降了15.1%，仅0.7%的区域Spro指数有所上升。

2.3 人类扰动对生态系统服务功能的影响

为研究人类扰动对生态系统服务的影响，利用ArcGIS中Create Fishnet工具将研究区划分为2km×2km的格网，并统计每个网格内NPP、水源涵养、水土保持、生态多样性保持服务指数的平均值及每个网格对应的人类扰动指数，进行两两相关分析，结果见表2。由此可见，人类干扰指数与NPP及各类生态系统服务功能之间均呈显著负相关，且与2000年比较，2017年相关性增强，说明人类扰动对各类服务功能的影响作用逐渐增强。

表1 生态系统服务功能指数与人类扰动指数相关关系表

3 讨论与建议

3.1 讨论

由于NPP受气象因素影响较大，不同年际之间的NPP可能存在波动性，因此仅以2000年、2017年两年度NPP数据计算的生态系统服务功能及其变化趋势分析存在一定的不确定性。

为排除研究结果的不确定性，利用中科院资源环境平台NPP数据分析其长时间序列变化趋势，分析结果显示，研究区NPP呈波动下降趋势，与本文研究结果一致。同时，分析研究区及周边气象因素变化，结果显示，2000年、2017年研究区周围22个气象站平均温度分别为20.55℃、21.21℃，年均降水量平均值为1839.83 mm、1449.61mm，即2017年平均温度较高、降水量较低。根据荣检等对广西西江流域NPP的研究结果[14]，NPP与年均温度呈正相关、与年均降水量呈负相关，即仅考虑气候影响的情况下，本研究区2017年NPP应高于2000年，说明研究区NPP变化主要受人类活动影响。

图1 2000—2010年研究区植被净初级生产力平均值年际变化趋势(gc/m2)Fig.1 The net primary productivity in the study area from the year 2000 to 2010

以NPP定量指标法评价不同时期生态系统服务功能的变化趋势应排除气候等自然因素影响，才能科学评价重点生态功能区保护成效。因此，下一步研究应开展长时间序列区域生态系统服务功能变化情况评价，并排除气候等自然因素影响。此外，本文仅研究了人类扰动指数对生态系统服务功能的影响，下一步研究应进一步分析城镇扩张、道路建设、产业发展等各项因素对生态系统服务功能的影响，以便有针对性地提出生态保护和开发利用措施。

人类干扰是影响生态系统服务功能的重要因素，未来南岭地区发展应按照国家重点生态功能区要求，建立以国家公园为主体的自然保护地体系，严守生态空间底线；在此基础上，严格控制开发强度，防止城市无序蔓延，合理控制林地等生态用地占用，建设山林、水系等生态廊道，增加生态系统连通性，开展受损生态系统恢复和山水林田湖海统一修复，提高生态系统服务功能，筑牢北部生态屏障。

3.2 结论

2000年与2017年，重点生态功能区内单位面积NPP及各项生态服务指数均明显高于功能区外部，说明重点生态功能区保护取得一定成效。受到气候变化及人类活动影响，与2000年相比，2017年南岭重点生态功能区单位面积植被净初级生产力、水源涵养、水土保持、生物多样性保护服务指数均呈整体下降趋势，生态系统服务功能有所下降。人类干扰指数与NPP及各类生态系统服务功能之间呈显著负相关，且与2000年比较，2017年人类扰动对各类服务功能的影响作用逐渐增强。