三峡库区生态系统服务权衡时空动态与情景模拟：以秭归县为例

喇蕗梦，勾蒙蒙，李 乐，王 娜，胡建文，刘常富,2①，肖文发,2

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所/ 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京 100091；2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037)

生态系统服务(ecosystem services)是人类直接或间接地从生态系统中获得的各种惠益，连接了人类社会与自然生态系统，为社会经济的可持续发展提供了基础[1]。近年来，随着人类活动对自然生态系统的影响日益加剧，全球范围内生态系统服务呈不断退化趋势。2005年联合国发布的千年生态系统评估报告指出，与人类福祉息息相关的24项生态系统服务中约有15项正处于退化或不可持续的利用状态。由于生态系统服务具有多样性、空间的异质性和人类偏好的选择性，当同时考虑多种生态系统服务时，提高某一种生态系统服务，往往会导致其他生态系统服务下降，即生态系统服务之间存在权衡关系[2]。正确认识生态系统服务之间的权衡关系对优化区域生态系统结构、功能和服务，推动区域可持续发展具有重要意义[3]。

近年来，生态系统服务及其权衡关系研究已成为生态学、地理学等多个学科的研究热点。国内外大量学者采用相关分析、均方根偏差和约束线分析等方法对不同区域、不同生态系统之间的权衡关系进行分析。如WANG等[4]采用相关分析方法对退耕还林的生态效应进行评估，结果表明退耕还林显著改善了区域水土流失问题，但同时降低了流域尺度上的净初级生产力和产水量。ZENG等[5]采用均方根偏差方法分析了亚热带不同演替阶段次生林各生态系统服务之间的权衡关系。高超等[6]分析了植被覆盖度对产水量、土壤保持及固碳3个生态系统服务的约束效应。以上方法具有简单可操作性和直观性的优点，对生态系统管理具有一定指导意义，但难以量化生态系统服务之间的关系，其研究结果具有不稳定性和不可靠性[7]。此外，传统生态系统服务权衡分析方法难以显现当前生态系统服务配置关系与有效配置间的差别，进而难以提供如何改进生态系统服务权衡关系的信息[8]。

土地利用变化是驱动生态系统服务及其相互作用关系的主导因素，情景模拟被广泛应用于模拟优化生态系统服务及其权衡关系。虽然已有部分研究对未来生态系统服务价值进行了预测，但从不同未来情景视角进行预测并分析权衡关系的研究较少[9]。此外，现有的CA-Markov[10]、FLUS[11]和CLUE-S[12]等生态系统服务模拟模型在揭示土地利用变化的潜在驱动力和多种土地利用的斑块方面表现较弱。基于多类斑块生成策略的PLUS模型可以有效避免以上问题，实现以更精确、更合理的土地利用转化规则进行情景模拟[13]，但鲜有耦合PLUS模型和生态系统服务模型来预测未来生态系统服务变化并分析生态系统服务权衡的研究。

秭归县为典型喀斯特地区，生态环境脆弱，土地资源配置矛盾突出，地质灾害频发，水土流失严重，生态系统服务面临巨大威胁[14]。在厘清区域生态系统服务权衡关系的基础上，如何优化生态系统服务之间的权衡关系，为区域发展提供科学的生态系统管理决策是目前亟待解决的问题。鉴于此，在对2005、2010和2015年秭归县碳储量、产水量和土壤保持量进行评估的基础上，综合运用相关性分析、情景模拟和生产可能性边界(PPF)方法对区域生态系统服务权衡关系进行分析，预测较优的土地利用配置，以期为实现区域发展和生态保护双赢的管理决策提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

秭归县(30°38′～31°11′ N、110°00′～111°18′ E)位于湖北省宜昌市，地处鄂西南地区，长江上游三峡河谷地带(图1)，是三峡坝上库首第一县。该县生态系统类型多样，是重要的水土保持功能区，但也是水土流失敏感区域[15]。研究区地势西南高、东北低，山岗丘陵起伏，河谷纵横交错，海拔范围为50～2 043 m；土壤类型主要有紫色土、石灰土、黄棕壤和黄壤等；属亚热带大陆性季风气候区，气候温暖湿润，光照充足，雨量充沛，年均气温为17.9 ℃，年均降水量约1 290 mm。

1.2 数据来源

数据包括2005、2010和2015年3期土地利用数据以及气象、DEM、NDVI、土壤、社会经济和基础地理信息数据7类(表1)。其中，土地利用数据来源于30 m空间分辨率Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，采取人工神经网络监督分类和人工目视修改相结合的方法进行分类，将土地利用分为林地、草地、耕地、水域、建设用地和裸地6类；气象数据采用Anusplin软件插值为30 m空间分辨率的栅格；NDVI数据采用最大值合成法进行处理。所有数据均采用ArcGIS 10.2软件重采样为空间分辨率为30 m的栅格数据。

1.3 研究方法

1.3.1生态系统服务评估

(1)碳储量

碳储量服务是生态系统中重要的调节服务，陆地生态系统通过将碳元素固定在土壤和植被中以调节大气中碳含量，从而对减缓气候变化具有重要作用。采用InVEST模型中碳模块评估秭归县不同时期碳储量的空间分布特征，其以各土地利用类型为评估单元，以地上生物碳库、地下生物碳库、死亡有机质碳库和土壤有机质碳库4种碳库的平均碳密度乘以各评估单元面积评估碳储量，计算公式为

Ctotal=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil。

(1)

式(1)中，Ctotal为总碳储量，t·hm-2；Cabove为地上生物碳储量，t·hm-2；Cbelow为地下生物碳储量，t·hm-2；Cdead为枯落物碳储量，t·hm-2；Csoil为土壤碳储量，t·hm-2。不同土地利用类型4种碳库的碳密度参照文献[16]。

表1 数据来源

(2)产水量

采用区域水量平衡法评估产水服务，即区域产水量为水分输入量(降水)与输出量(蒸散发)的差值，计算公式为

YW=P-TE，

(2)

(3)

TE，水体=min (P,TPE) 。

(4)

式(2)～(4)中，YW为产水量，mm·a-1；P为年降水量，mm·a-1；TPE为年潜在蒸散量，mm·a-1，采用Penman公式求得；TE为年实际蒸散量，mm·a-1，分为2个部分，一部分为植被蒸散量，由式(3)求得，另一部分为水体蒸散量，根据降水与潜在蒸散量的最小值求得；ω为植被可利用水系数，代表植被在蒸腾过程中利用土壤水分的能力，林地、草地、耕地、建设用地、裸地和水域ω值分别为2.0、1.0、0.5、0.1、0.1和0[17]。

(3)土壤保持量

土壤保持指生态系统通过其结构和过程减轻由于降水所导致的土壤侵蚀作用[18]，在数量上可以表示为潜在土壤侵蚀与实际土壤侵蚀之间的差值。采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)估算土壤保持量，计算公式为

RS=R×K×LS×(1-C×P)。

(5)

式(5)中，RS为年土壤保持量，t·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀力，MJ·mm·hm-2·a-1，采用章文波等[19]提出的基于日降雨量的半月降雨侵蚀力模型计算；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·a·MJ-1·hm-2·mm-1，用来评价土壤水蚀的脆弱性，采用EPIC模型[20]计算；L和S为坡长坡度因子，采用RAO等[21]改进的经验公式计算；C为植被覆盖因子，参照文献[22]计算；P为管理因子，取值范围为0～1，由土地利用类型决定，值越大表示采取的水土保持措施越少，林地、草地、裸地、耕地、水域和建设用地管理因子分别为1.0、1.0、1.0、0.4、0和0[23]。

1.3.2情景设置

根据秭归县土地利用历史转移规律，结合秭归县发展现状和未来规划，采用PLUS模型构建秭归县未来土地利用发展的3种情景，情景设定如下：(1)自然发展(business-as-usual，BaU)情景：考虑到城镇化进程和现有土地政策，延续2005—2015年土地利用发展趋势，保持各土地利用类型转移概率不变，模拟2025年土地利用状况。(2)生态保护(ecological protection，EP)情景：以生态环境保护为首要目的，限制城镇化发展，使土地利用向更加自然的状态转化，林地、草地向建设用地的转移概率减少50%，耕地向建设用地转移减少30%，耕地向森林、草地转移概率增加30%。(3)综合发展(comprehensive development，CD)情景：在保持经济发展现状的同时，兼顾保护生态环境，减少其他土地利用类型向建设用地和裸地转化，将更多裸地开发成生态用地，草地、林地向建设用地转移概率减少50%，耕地向建设用地转移概率减少60%，耕地向裸地转移概率减少20%，裸地向草地、林地和耕地转移概率均增加50%。

1.3.3PLUS模型

PLUS模型是由中国地质大学高性能空间计算智能实验室提出的一种基于栅格数据的土地利用变化模拟模型，耦合了土地扩张分析策略(LEAS)和基于多类型随机斑块种子的CA模型(CARS)，优势在于能够刻画各种土地利用类型驱动因素的影响权重，揭示土地利用非线性变化机制，实现更加精准地模拟未来不同政策情景下的土地利用变化[24]。

采用PLUS模型进行模拟时，首先提取2005—2010年土地利用扩张数据，采用随机采样策略提取20%的数据作为训练集，通过随机森林算法确定各种土地利用类型与自然因素、社会驱动因素和区位因素等驱动因子之间的复杂关系，从而获得各种土地利用类型的发展概率。然后，结合随机种子生成和阈值递减机制，设定模型的土地需求、转移成本矩阵和邻域权重，采用蒙特卡洛方法，在发展概率的约束下，对2015年各类土地利用类型斑块进行模拟，并采用总体精度、Kappa系数和FoM指标对模型模拟精度进行评价，结果表明模拟误差小，PLUS模型可以较准确地反映研究区土地利用变化。

转移成本矩阵表示当前土地利用类型转移为需求类型的难易程度，0表示不能转移，1表示允许转移，根据模型参数要求和已有资料[25]进行设定(表2)，城市用地一般不容易发生转移，在受到严格保护的情形下，林地一般也不容易发生转移。邻域权重表示某种土地利用类型的扩张能力，取值范围为0～1，值越大则土地扩张能力越强。在对秭归县土地利用变化理解的基础上，依据2005—2015年土地利用转移概率，并结合已有研究经验充分考虑不同情景各土地利用类型转移概率，设定了不同情景下不同土地利用类型的邻域权重(表3)，其中，自然发展情景下草地邻域权重明显低于其他土地利用类型，这主要是考虑到2005—2015年草地面积减小，扩张能力减弱。

表2 不同情景下土地利用转移成本矩阵

1.3.4生产可能性边界曲线

生产可能性边界(production-possibility frontier，PPF)是一个经济学概念，表示经济社会在既定资源和技术条件下所能生产的各种商品最大数量的组合，反映了资源稀缺性与选择性的经济学特征[26]。基于生产可能性边界概念，生态系统服务由生态系统产生，由于生态系统资源是固定的，可以提供的生态系统服务种类和数量是一定的，因此，不同的人类偏好和决策可能导致选择冲突，使各种生态系统服务存在最大数量的组合。因此，生态系统服务间的权衡关系可以作为经济学问题采用PPF方法进行直观描述，方便选择较优的生态系统服务组合，实现资源最优配置[27]。

表3 模拟情景的邻域权重

如图2所示，生产可能性边界在数学上可表达为二维坐标轴中的一条曲线，图中的点表示区域生态系统服务的组合值，若组合点落在曲线上(点A)，表明2种生态系统服务在既定资源条件下，区域资源为最优配置；若落在曲线下方(点B)，表明资源利用不充分，存在优化潜力；若落在曲线上方(点C)，表明2种生态系统服务超过最佳配置，这在目前的资源和技术条件下很难实现。在该研究中，首先估算区域各生态系统服务，并对各生态系统服务进行归一化处理，使其范围为0～1；其次，选择2种生态系统服务图层相除得到比值图层，对比值图层中的值进行升序排列后，依次对各栅格的2种生态系统服务进行累计求和，并按照求和结果绘制曲线，该曲线即为2种生态系统服务之间的PPF曲线。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务时空动态分析

采用2005、2010和2015年秭归县碳储量、产水量和土壤保持量评估10 a间秭归县生态系统服务质量。如图3所示，3种生态系统服务变化在时空上存在差异，10 a间碳储量和土壤保持量均呈增加趋势，产水量呈先增加后减少趋势。具体而言，秭归县多年平均碳储量为11.0 g·m-2·a-1，由10.91 g·m-2·a-1增加到11.15 g·m-2·a-1；多年平均土壤保持量为3 308.8 t·hm-2·a-1，由3 005.9 t·hm-2·a-1增加到3 460.7 t·hm-2·a-1；多年平均产水量为339.0 mm·a-1，2010年(385.2 mm·a-1)最高，2005年(301.4 mm·a-1)最低。碳储量高值区主要分布在县域东北和东南部，呈现东北高、西南低的分布规律，增长区主要分布在西北部地区，衰减区主要分布在河流沿岸。土壤保持量高值区集中分布在西北和南部地区，呈现中间高、两边低的分布规律，增长区域面积较大，占比为85.8%，集中在县域南部地区。县域西北部产水量大部分小于270 mm·a-1，南部和部分东北部地区产水量在270～540 mm·a-1之间，处于中等水平，产水量高值区(大于540 mm·a-1)分布在县域南部，在空间上总体呈现南高北低的分布规律，衰减区域集中在西北部，南部区域则有所增长，增长区域面积占比为65.6%。

2.2 生态系统服务权衡关系分析

如表4所示，3种生态系统服务间相关性分析结果表明，2005—2015年碳储量-产水量、土壤保持量-产水量之间呈负相关，它们之间存在权衡关系；碳储量与土壤保持量之间呈正相关，两者为协同关系。从权衡关系的时间变化上来看，2005—2015年生态系统服务之间的权衡关系均呈现先减弱后增强趋势，碳储量与产水量之间相关系数由-0.52减少为-0.37再增加到-0.52，权衡程度总体没有变化；土壤保持量与产水量之间相关系数由-0.13减少为-0.05再增加到-0.10，权衡程度总体呈减弱趋势。

2.3 生态系统服务情景模拟及权衡分析

2.3.1情景模拟

以2015年为基期，设置BaU、EP和CD情景土地利用类型转移矩阵(表5)。BaU情景下，2015—2025年土地利用类型转移延续2005—2015年转移规律，土地需求根据Markov链转移过渡概率计算。在此情景下，通过侵占耕地及裸地，城镇得以继续扩张，建设用地面积增加50.27%，耕地面积减少35.32%，裸地面积减少14.29%，此外，继续实施的生态工程建设，使林地面积增加9.7%。EP情景重点保护生态环境，林地面积增加13.10%，在3种情景中增长最多，这主要是来自耕地和裸地向林地转移，耕地面积减少46.46%，裸地面积减少1.07%。CD情景下城镇扩张规模受到控制，对裸地的利用得到增强，建设用地面积仅增加5.06%，林地和耕地面积基本维持不变，裸地面积减少11.46%，主要转化为林地和建设用地。

表4 2005—2015年秭归县生态系统服务相关性

2.3.2生产可能性边界(PPF)曲线

在3种情景下研究区生态系统服务物质量发生变化，其中，碳储量均呈增加趋势，产水量和土壤保持量均呈减少趋势。对比3种情景，BaU情景下土壤保持量(3 334.1 t·hm-2·a-1)最高，CD情景下产水量(329.6 mm·a-1)最高，EP情景下碳储量(11.44 g·m-2·a-1)最高。另外，EP情景下，碳储量均值较基期增加0.02 g·m-2·a-1，土壤保持量减少137.7 t·hm-2·a-1，产水量减少0.66 mm·a-1。

由图4可知，在未来情景下PPF曲线保持此消彼长的变化趋势，当累积相同碳储量或土壤保持量时，产水量的减少量增大，即碳储量和土壤保持量越高，越有利于保水，表明碳储量-产水量、土壤保持量-产水量之间仍为权衡关系。3种情景均处于曲线下方，表明碳储量-产水量、土壤保持量-产水量的服务组合值并未达到最大，资源利用不充分，存在优化空间。在3种情景中，CD情景均相对位于上方，且在土壤保持量-产水量中更加接近PPF曲线，说明CD情景下土地利用配置组合相对较优，且对土壤保持量与产水量的权衡关系的优化效果更加明显。

3 讨论

3.1 生态系统服务时空变化分析

生态系统服务时空分布格局及其演化规律受到土地利用变化的直接影响[28]。林地的人类干扰较少，有机质积累较多，对比秭归县不同土地利用类型碳储量可发现，林地碳储量普遍高于耕地、建设用地等人为干扰较多的土地利用类型，因此，林地与碳储量高值区在空间分布上具有一定相似性，表现为高值区集中分布在东北和东南部地区，从北向南逐渐减少。从土地利用变化角度来看，随着秭归县退耕还林、天然林保护等生态保护修复工程的实施，推动了耕地向林地的转化。如图5所示，2015年林地面积较2005年增加30 353.5 hm2，生态系统碳固持能力得到显著增强，2015年碳储量均值较2005年提高2.20%，因此，碳储量的变化可能是由于区域内不同土地利用类型间的相互转化所致[29]。

表5 基期与未来情景的土地利用变化

土壤保持量的时间动态变化规律与碳储量一致，呈现持续增加趋势，这与GOU等[30]研究结果较一致。由于林地具有较高的植被覆盖，森林的降水再分配过程可有效减缓土壤侵蚀，土地利用类型转换影响了植被覆盖度，改善了土壤抗降雨冲蚀能力，从而提高土壤保持功能。但与碳储量不同，土壤保持功能在很大程度上受到降水量的影响。已有研究[31]表明降水量可以通过影响降水侵蚀从而影响土壤保持功能，因此，降水在空间分布上的异质性是导致研究区土壤保持量由北至南逐渐增加的主要原因。同时，土壤保持量高值分布区与海拔、坡度较高的区域空间分布一致，表明地形对土壤保持量也具有一定影响。

相对于其他生态系统服务，产水量的时空动态更为复杂，其主要受到降水、蒸散和土地利用的共同影响。从产水量的空间分布上来看，产水量高值区对应的是碳储量和土壤保持量低值区，这是由于林地植被覆盖度较高，蒸散量较小，且对降水截留作用比较大，因此，产水量较少[32]。但从产水量的时间动态上来看，随着林地面积增加，产水量并非呈一直下降趋势，在2010年研究区产水量达到最大，这与区域年降水量趋势一致，表明降水量是秭归县产水量的关键影响因素，这与孙小银等[33]对南四湖流域的研究结果一致。

3.2 生态系统服务权衡分析

从总体上来看，研究区碳储量-产水量、土壤保持量-产水量呈权衡关系，这与其他研究[34]基本一致，这体现出以林地、草地为主的生态用地与耕地、建设用地之间的竞争关系，即仅关注“绿”的提高在实践中可能会造成区域发展不可持续，因此，在规划中应更加注重多种生态系统服务关系之间的协调。此外，通过对生态系统服务权衡关系时间动态变化的分析表明，生态系统服务权衡关系具有时间尺度依赖性，在分析生态系统服务权衡关系时，需更加深入地分析长时间序列下的权衡关系以获取更加可靠的结果[35]。

基于已有的权衡关系，采用PPF曲线描述模拟情景下的权衡情况，以选择较优的生产组合，可为后续研究或政策制定提供支撑。模拟结果表明，不同情景下不同土地利用发展格局将对生态系统服务造成不同影响，但是任何一种发展情景都不能带来所有生态系统服务同时提高和增长。该研究结果表明，CD情景为较优的发展情景，在CD情景下，林地和耕地面积保持一定的稳定性，充分保障了生态安全和粮食安全，同时兼顾了经济社会发展，生态系统服务之间的关系也得到了一定优化，为未来土地利用规划与管理提供了思路和科学依据。

3.3 政策启示

该研究探讨了秭归县3种生态系统服务的时空动态及权衡关系，并深入分析了不同发展情景下生态系统服务间的权衡关系。在快速城镇化的发展进程中，秭归县生态空间在一定程度上受到了挤占，但随着生态保护修复工程的实施，秭归县生态质量总体上得到提升。值得注意的是，生态系统服务之间的权衡关系一直贯穿于整个研究期间，在BaU和EP情景下退耕还林工程可能导致产水量减少，不同生态系统服务之间的权衡关系仍然存在。考虑到秭归县产水量直接关系到三峡水库水电生产功能和当地居民用水安全，因此，可针对研究区产水功能进行科学管理，采取工程措施以增强其供给能力。另外，为了进一步降低生态系统服务之间的权衡作用，一方面要利用裸地继续实施生态保护修复工程，严格执行耕地保护红线，避免耕地向林地过度转化导致人地矛盾加剧；另一方面应严格控制生态用地向建设用地的转化，合理划定城镇开发边界，实现区域可持续发展。

受限于所用数据和模型，该研究存在生态系统服务评估参数精度不够、生态系统服务权衡机制研究不足等方面的问题。受到InVEST模型固有局限性的影响，在计算碳储量时忽略了不同覆盖度、不同立地条件下林地碳密度的差异，碳储量在很大程度上依赖于土地利用类型。对生态系统权衡驱动机制的理解是生态系统服务管理的重要环节，该研究采用的相关分析、PPF曲线等方法不能够完全反映社会-生态系统对生态系统服务权衡关系的驱动效应。此外，土地利用发展具有非线性特征，存在一些不可控因素，如土地政策、经济发展规划、自然灾害和人为活动干扰等，造成模拟情景与实际情况存在偏差。

4 结论

以秭归县为研究对象，对2005—2015年碳储量、产水量和土壤保持量3种生态系统服务的时空动态和权衡关系进行分析，并采用生产可能性边界方法对3种模拟情景下生态系统服务的权衡关系进行分析，以期提出适合秭归县发展的优化模式，得到以下主要结论：

(1)在退耕还林工程实施背景下，2005—2010年秭归县生态系统服务中碳储量、土壤保持量呈增加趋势，产水量呈先增加后减少趋势。碳储量高值区分布在东北和东南部地区，呈东北高、西南低；土壤保持量高值区分布在西北和南部地区，呈中间高、两边低；产水量高值区分布在县域南部地区，呈南高、北低。3种生态系统服务空间分布主要受林地、降水量和地形分布等影响。

(2)产水量-碳储量、产水量-土壤保持量之间为权衡关系，在时间尺度上生态系统服务权衡关系具有一定的时间依赖性。

(3)相较于自然发展和生态保护情景，综合发展情景下具有权衡关系的生态系统服务组合值更靠近PPF曲线，在该情景下，通过保持林地和耕地面积稳定，开发裸地实现城镇发展，可以有效优化生态系统服务关系，有利于实现区域协调发展。在未来发展中，秭归县应同时兼顾生态安全、粮食安全和经济社会发展3个方面，有针对性地制定生态保护修复措施，以实现生态系统服务协调发展。