贵州省生态系统服务对极端降雨的时空响应

韩会庆，李建鸿，张娇艳，陈思盈，安徐朋，郭碧俊

(1 中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004；2 贵州理工学院建筑与城市规划学院,贵州 贵阳 550003；3 贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002)

生态系统服务作为生态环境质量的表征指标，是指生态系统为人类提供的各种服务(如碳储量、淡水、土壤保持、娱乐等)，它们对人类的生存和发展极其重要[1]。然而，随着全球气候变暖，极端降雨频率逐渐增加，这不仅加剧了洪涝发生风险，还对区域生态系统服务供给能力产生深刻影响，进而影响社会经济可持续发展[2-3]。因此，气候变化对生态系统服务的影响研究成为生态学、地理学、气候学等学科关注的焦点。

目前，全球气候变化背景下，极端降雨对耕地[4]、河流[5]、森林[6]、草地[7]等生态系统的影响关注较多。此外，台风(飓风)引起的极端降雨对生态系统的影响亦得到学者关注。如仝川等[8]总结了台风(飓风)对沿海地区森林生态系统碳、氮循环的影响。实验法和遥感监测法当前研究主要的方法。如冯磊等[9]利用遥感监测法分析了极端降雨对归一化植被指数的影响。在各种自然条件和人为活动影响下，生态系统服务之间的关系表现为此消彼长的权衡或相互增益的协同关系[10]。极端气候作为影响生态系统服务权衡与协同关系的重要自然因素，它通过影响各种生态系统服务供给能力，从而最终影响生态系统服务权衡与协同关系[11]。极端降雨是极端气候的典型代表，它对不同生态系统服务的影响有所不同，这势必导致各种生态系统服务之间存在权衡或协同关系，厘清极端降雨影响下生态系统服务权衡与协同关系是生态系统服务科学管理的重要基础[12]。总之，尽管极端降雨对生态环境的影响研究取得丰富研究成果。然而，极端降雨对生态系统服务的影响研究还较少，更鲜有针对极端降雨影响下生态系统服务权衡与协同关系的研究。

贵州省是我国西南典型的喀斯特生态脆弱区，其脆弱生态系统为人类提供的各种服务对区域发展极其重要。同时，该区极端气候事件(如强降雨)发生频繁，这深刻影响脆弱的生态系统服务供给能力。因此，以贵州省为例，分析生态系统服务对极端降雨的时空响应，以期为喀斯特地区生态环境保护政策制定、应对极端气候提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

研究主要数据包括气候、土壤、地形、土地利用等。其中气候数据来源于由贵州气候中心提供的1961～2015年84个气象站点日平均气温、日最高温、日最低温、日降水量、相对湿度、日照时数、风速等逐日气候数据；土壤数据为中国科学院南京土壤研究所提供的中国土壤数据库(贵州部分)；高程数据为地理空间数据云平台下载的30 m分辨率的DEM；土地利用数据来源于2015年中科院提供的1∶10万全国土地利用数据(贵州部分)。依据贵州省地貌特点，将全省分为喀斯特峡谷(Ⅰ)、喀斯特盆地(Ⅱ)、峰丛洼地(Ⅲ)、喀斯特高原(Ⅳ)、喀斯特槽谷(Ⅴ)和非喀斯特地区(Ⅵ)六种地貌区[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 极端降雨发生时段选择

依据1961～2015年贵州省极端降水发生频次统计分析，分别确定2014年和1994年作为极端降雨强盛年和偏强年、1961年和2004年的3～5月作为极端降雨春季强盛期和偏强期、1979年和1967年的6～8月作为极端降雨夏季强盛期和偏强期、2008年和2015年的9～11月作为极端降雨秋季强盛期和偏强期，从年和季节尺度分别评估极端降雨强盛和偏强时段与平均气候状况下(1961～2015年)生态系统服务，进而比较分析极端降雨强盛和偏强时段与平均气候状况下生态系统服务差异。由于极端降雨多集中春季、夏季和秋季，故而本研究从年度、春季、夏季和秋季分析极端降雨对生态系统服务的影响。

1.2.2 生态系统服务评估

由于生态系统服务种类较多，依据生态系统服务对气候变化敏感度以及研究区生态系统特点，选取产水、土壤保持、水质净化3种服务，进行生态系统服务对极端降雨的响应研究。利用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型评估该3种生态系统服务。InVEST模型是由美国斯坦福大学、大自然保护协会和世界自然基金会联合开发的生态系统服务评估模型，该模型基于GIS技术，综合考虑生态要素-生态过程-生态系统服务级联关系，实现了生态系统服务空间表达，具有所需参数较少，适用范围广、服务评估种类多等优点，被世界各地学者广泛应用[14]。本研究的生态系统服务评估所需参数参考已有研究成果[12,15]。评估结果依据贵州省水资源公报、环境状况公报、水土保持公报进行参数校正。由于本研究旨在探讨极端降雨对生态系统服务的影响，且选择的是典型极端降雨时段，故而本研究中假定土地利用无变化，在生态系统服务评估中只改变气候参数。InVEST模型中3种生态系统服务评估公式为：

(1)产水

Y=(1-AET/P)/P。

(1)

式中：Y为产水量，AET为实际蒸散量，P为降水量。

(2)土壤保持

SR=最大水土流失量-土壤侵蚀量=R·K·

LS-R·K·LS·C·P。

(2)

式中：R为降雨侵蚀力，K为土壤可蚀性，LS为坡长，C为植被覆盖和管理因子，P为工程措施因子。

(3)水质净化

WP=1/(Y/λw*pol)。

(3)

式中：WP为水质净化值，pol为输出系数，λw为平均径流系数，Y为产水量。

1.2.3 生态系统服务权衡与协同关系

Spearman相关性分析是生态系统服务权衡与协同关系分析的常用方法之一，该方法可以应用于地理空间数据相关性分析(即权衡与协同关系分析)[16]，它是将每种生态系统服务变化的空间数据(栅格数据)作为一个变量，并将不同生态系统服务变化的变量带入Spearman相关系数计算公式，分析两两之间的相关性，如相关系数小于0，即表现为权衡关系，大于0即表现为协同关系[17]。本研究在计算极端降雨强盛和偏强时期生态系统服务与平均气候状况下生态系统服务之间变化率基础上，将两两生态系统服务之间变化率导入SPSS软件，利用Spearman相关性分析法分析两者之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 极端降雨影响下贵州省生态系统服务变化

降雨偏强影响下，贵州省春季、夏季、秋季及全年的产水、土壤保持整体上呈增加趋势，水质净化呈小幅下降趋势，其中春季、夏季、秋季的土壤保持增加幅度大于产水，全年的产水增加幅度大于土壤保持。降雨由偏强到强盛情况下，春季、夏季、秋季及全年的产水、土壤整体上呈大幅增加趋势，水质净化呈小幅下降趋势，其中春季、夏季的产水增加幅度大于土壤保持，秋季、全年的土壤保持增加幅度大于产水(表1)。

表1 极端降雨影响下贵州省生态系统服务整体变化

从空间格局上看，降雨偏强影响下除喀斯特盆地外，贵州省其他地貌区春季产水均呈增加趋势，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地区的产水增加幅度较大。贵州省全部地貌区夏季、秋季和全年的产水在降雨偏强状况下均呈增加趋势，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地区的夏季产水增加较为突出，非喀斯特地区、峰丛洼地和喀斯特盆地的秋季产水增加幅度相对较大，峰丛洼地和非喀斯特地区的全年产水增加明显高于其他地区；在降雨强盛影响下，贵州省全部地貌区的春季、夏季、秋季和全年产水均呈增加趋势，其中喀斯特峡谷和峰丛洼地的春季产水、峰丛洼地和非喀斯特地区的夏季产水、喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地区的秋季产水以及喀斯特槽谷和喀斯特盆地的全年产水增加幅度突出(图1)。

图1 极端降雨影响下贵州省产水服务变化空间格局

从空间格局上看，降雨偏强影响下贵州省除喀斯特盆地和喀斯特峡谷外，贵州省其他地貌的春季土壤保持呈增加趋势，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地区的春季土壤保持增加幅度较大。贵州省全部地貌的夏季和秋季土壤保持在降雨偏强状况下均呈增加趋势，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地区的夏季土壤保持以及喀斯特峡谷、喀斯特盆地、峰丛洼地和非喀斯特地区的秋季土壤保持增加幅度较大。全年土壤保持仅在喀斯特峡谷呈现下降趋势，其他地貌区均呈现增加特点，其中喀斯特盆地的增加幅度相对较大；在降雨强盛影响下，贵州省全部地貌的春季、夏季、秋季和全年土壤保持均呈增加趋势，其中峰丛洼地的春季土壤保持、喀斯特峡谷和喀斯特盆地的夏季土壤保持、峰丛洼地、非喀斯特地区、喀斯特高原的秋季土壤保持以及喀斯特槽谷、喀斯特峡谷和喀斯特盆地的全年土壤保持增加幅度较大(图2)。

图2 极端降雨影响下贵州省土壤保持服务变化空间格局

从空间格局上看，降雨偏强影响下贵州省绝大部分地貌区的春季、夏季、秋季及全年水质净化呈下降趋势，仅有喀斯特峡谷的春季和全年水质净化、喀斯特盆地的夏季水质净化、喀斯特高原的秋季水质净化呈增加趋势。

喀斯特盆地的春季水质净化、喀斯特槽谷、非喀斯特地区和喀斯特峡谷的夏季水质净化、峰丛洼地和非喀斯特地区的秋季水质净化、非喀斯特地区的全年水质净化下降幅度较大；在降雨强盛影响下，贵州省全部地貌区的春季、夏季和全年的水质净化呈下降趋势，其中喀斯特峡谷、喀斯特盆地、峰丛洼地的春季水质净化、非喀斯特地区的夏季水质净化、喀斯特槽谷的全年水质净化下降突出。除喀斯特盆地外，贵州其他地貌区的秋季水质净化呈下降趋势，其中非喀斯特地区的秋季水质净化下降明显(图3)。

图3 极端降雨影响下贵州省水质净化服务变化空间格局

2.2 极端降雨影响下贵州省生态系统服务权衡与协同关系

降雨偏强和强盛影响下，贵州省春季、夏季、秋季及全年的产水与土壤保持均为协同关系，产水与水质净化、土壤保持与水质净化之间均为权衡关系，其中降雨偏强影响下，春季、夏季及秋季的产水与土壤保持呈显著协同关系，夏季的产水与水质净化以及土壤保持与水质净化、全年的产水与水质净化均呈显著权衡关系。降雨强盛影响下，秋季、全年的产水与水质净化以及土壤保持与水质净化均呈显著权衡关系(表2)。

表2 极端降雨影响下贵州省生态系统服务之间相关系数

在降雨偏强影响下，除喀斯特峡谷外，贵州春季和全年其他地貌区产水与土壤保持之间均为协同关系，全部地貌区的夏季和秋季产水与土壤保持之间均为协同关系，除喀斯特盆地外，春季、夏季其他地貌的产水与水质净化之间以及土壤保持与水质净化之间为权衡关系。除喀斯特高原外，秋季其他地貌的产水与水质净化之间以及土壤保持与水质净化之间亦为权衡关系，除喀斯特峡谷外，全年其他地貌的产水与水质净化之间为权衡关系，而贵州全年全部地貌的土壤保持与水质净化之间均为权衡关系；在降雨强盛影响下，贵州全部地貌的春季、夏季、秋季和全年产水与土壤保持之间均为协同关系，贵州全部地貌的春季、夏季和全年产水与水质净化之间以及土壤保持与水质净化之间均为权衡关系，除喀斯特盆地外，贵州秋季其他地貌的产水与水质净化之间以及土壤保持与水质净化之间为权衡关系(图4)。

图4 极端降雨影响下贵州省生态系统服务权衡与协同关系空间格局

3 结论与讨论

在极端降雨偏强和强盛状况下，贵州省春季、夏季、秋季、全年产水与土壤保持均呈增加趋势，而水质净化呈小幅下降趋势。从空间格局上看，贵州省大部分地貌区的春季、夏季、秋季、全年产水与土壤保持在极端降雨偏强和强盛影响下均呈增加趋势，而大部分地貌区水质净化呈下降趋势。贵州省大部分地貌区春季、夏季、秋季及全年的产水与土壤保持之间在极端降雨偏强和强盛影响下呈相互增益的协同关系，而产水与水质净化以及土壤保持与水质净化之间均呈此消彼长的权衡关系。

生态系统服务科学管理可以有效地减少极端气候带来的负面影响[18]。鉴于极端降雨对产水和土壤保持的影响远高于对水质净化服务，且产水和土壤保持之间存在较强的协同关系，这说明环境管理者需关注极端降雨年份产水和土壤保持的变化状况。此外，极端降雨严重地区是生态系统服务变化核心地区，这些地区应该成为生态系统服务管理的焦点。值得注意的是，春季和秋季的极端降雨影响下生态系统服务变化较高，故而春季和秋季应为生态系统服务管理的重点时段。此外，不同程度和不同季节极端降雨时段(年份)选择对本研究结果有一定主观的影响。尽管本研究选择典型极端降雨发生时段探讨其对生态系统服务的影响，但由于不同时段极端降雨等级不同，极端降雨发生区域存在差异，这也使得研究结果具有一定主观性。