三峡库区生态系统服务功能重要性评价及其空间分布研究

汪朝霞，吴 娇

（1.重庆市规划设计研究院，重庆 401147；2.重庆欣荣土地房屋勘测技术研究所有限责任公司，重庆 400041）

生态系统服务功能是生态系统及其生态过程所形成与维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用[1-2]。随着生态学学科的日益发展，生态系统服务功能成为专家和学者的研究前沿和热点，相关研究迅速展开。20世纪90年代，Costanza等[3]将生态系统服务功能总结为17种类型，并研究了生态系统服务价值的相关算法。同期，国内学者也开展了相关研究，探讨生态系统服务功能的尺度特征以及复杂环境下人类活动对生态系统服务功能的影响[4-7]。李辉等[8]利用植被净初级生产力（vegetation net primary productivity，NPP）定量评价法对重庆市“一圈两群”的生态系统服务功能进行了评价；刘睿等[9]基于InVEST模型揭示了三峡库区的土壤保持服务的时空分布格局；刘铭华等[10]采用模型评估法评价了区域尺度上的生物多样性维护功能重要性；大量的研究者针对城市[11-12]、 河 流[13-14]、 湿 地[15-16]、 森 林[17-18]、 草地[19-20]、农田[21]等单一生态系统的服务功能进行了研究。上述探索虽然对生态系统服务功能的研究起到了一定的推动作用，但仍然存在一些不足：研究区域的选择缺乏针对性，多为大尺度区域的综合评价；集中于单一生态系统服务功能的研究，如土壤保持功能以及生物多样性维护功能等；倾向于单一生态系统的服务功能评价，缺乏对复杂生态系统的服务功能研究。因此，研究复杂生态环境下典型生态系统敏感区域的生态系统服务综合功能具有重要的理论和现实意义。

三峡库区（重庆段）属于长江上游典型的生态脆弱区，是中国具有全球保护意义的生物多样性区域之一，生态地位极其重要[22]，是中国乃至世界最为特殊的生态功能区之一，也是关系到长江流域生态安全的全国性生态屏障地区[23]，研究本区域的生态系统服务功能重要性具有重要意义。因此，以三峡库区（重庆段）为研究区，选取生物多样性维护功能、水源涵养功能和水土保持功能为评价指标，采用NPP定量指标评估法，在30 m×30 m空间尺度上，综合分析2020年研究区生态系统服务功能的重要性程度以及空间分异特征，以期明确三峡库区（重庆段）生态功能重要区域分布，为库区生态保护政策的制订提供参考。

1 研究区概况

三峡库区（重庆段）位于长江上游末端，东起巫山县，西至江津区，南起武隆区，北至开州区，辖22个区县（图1）。地理范围为北纬28°28′～31°44′、东经105°49′～110°12′，是长江上游主要的生态脆弱区之一。辖区面积为4.62×104km2，约占整个三峡库区面积的85.6%，具有极为重要的生态地理位置。库区属湿润亚热带季风气候，多年平均气温15～18℃，雨量充沛，多年平均降雨量为1 150.26 mm。2020年末常住人口1 387.36万人，城镇化率64.68%，地区生产总值9 691.57亿元。由于经济的快速增长，人类活动强度的增大，致使库区森林植被减少，森林覆盖率降低，生物多样性受到威胁，地质灾害频发，环境污染加剧，生态系统退化，生态结构和功能遭到破坏。

图1 三峡库区（重庆段）区位与地形分布Fig.1 The location and elevation distribution of the Three Gorges Reservoir area in Chongqing

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 生物多样性维护功能评价

生物多样性维护重要性评价就是评价区域内各地区对生物多样性保护的重要性。由于物种分布目前在空间上无法准确获取，物种分布模型的精确度受到极大限制。因此采用快速简单的基于生境多样性的评价方法：

式中：Sbio为生物多样性保护服务能力指数；NPPmean为生态系统净初级生产力平均值；Fpre为多年平均降水量因子，由平均年降水量数据插值并归一化到0～1之间获得；Ftem为气温参数，由年均气温数据插值并归一化到0～1之间获得；Falt为海拔参数，由研究区海拔进行归一化获得。

2.1.2 水源涵养功能评价

水源涵养功能评价是评价区域内水资源的保障能力以及滞洪、蓄洪能力，以生态系统水源涵养服务能力指数作为评估指标，计算公式为：

式中：WR为生态系统水源涵养服务能力指数，NPPmean为多年植被净初级生产力平均值，Fsic为土壤渗流因子，Fpre为多年平均降水量因子，Fslo为坡度因子。

2.1.3 水土保持功能评价

运用通用土壤流失方程USLE，建立降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度和地表植被覆盖等指标体系，获取潜在和实际土壤侵蚀量，以二者的差值，即土壤保持量来评价生态系统土壤保持功能的强弱。

土壤侵蚀量A：

土壤保持量SC：

式中：A为土壤侵蚀量，t/（hm2·a）；SC为土壤保持量，SC值越大，土壤保持功能越强；R为降雨侵蚀力因子，根据气象数据计算得到，MJ·mm/（hm2·h·a）；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·MJ·mm；LS为坡长-坡度因子；C为植被覆盖与管理因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲。

2.1.4 生态系统服务功能重要性评价

采用最大值法集生物多样性维护功能、水源涵养功能和水土保持功能重要性结果得到生态系统服务功能重要性。

[生态系统服务功能重要性]=Max（[生物多样性维护重要性]，[水源涵养重要性]，[水土保持重要性]）

2.1.5 生态系统服务功能重要性等级划分方法

将计算得到的生物多样性功能重要性、水源涵养功能重要性、水土保持功能重要性和生态系统服务功能重要性评价结果归一化为0～1，将各栅格像元的生态系统服务值按照从高到低的顺序排列，计算累积服务值。以累积服务值占服务总值的50%、30%和20%对应的栅格值为重要性分类的分界点，将生态系统服务功能重要性分为极重要、重要和一般重要三类。

2.2 数据来源及处理

本研究共涉及五个关键数据：①NPP数据来源于NASA（美国国家航空航天局）官网的MOD17A2观测产品，时间尺度为2016—2020年，空间分辨率为500 m；②气温和降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn/）的气象站点逐小时观测数据，时间尺度为2010—2020年；③数字高程ASTER GDEM数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn），空间分辨率为30 m；④土壤数据来源于国家青藏高原科学数据中心（http://www.tpdc.ac.cn/zh-hans/）的基于世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database，HWSD）土壤数据集（V1.2）；⑤土地利用/覆被数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），时间尺度为2020年，空间分辨率为30 m。所有数据基于GIS平台软件进行处理，坐标统一为Albers等积投影，空间分辨率统一为30 m。

3 结果讨论

3.1 生物多样性维护功能重要性

由表1可知，研究区生物多样性维护功能以一般重要区为主，面积为19 923.04 km2，占研究区比例为43.16%；其次为重要区，面积为18 865.31 km2，占比为40.87%；极重要区分布最少，面积为7 370.18 km2，占比15.97%。其中，巫溪、巫山、奉节、石柱和武隆生物多样性维护功能极重要区分布面积最广，分布面积均大于500 km2，而巫溪、奉节和石柱极重要区面积大于1 000 km2，巫溪县极重要区分布面积最广，为1 965.51 km2，约占其行政面积的50%；重要区主要分布在万州、开州和云阳，分布面积2 000 km2以上，占比50%以上；一般重要区主要分布在中心城区和主城新区的江津、长寿等地，渝中、大渡口、九龙坡和南岸分布比例为100%（图2）。

表1 生态系统服务功能重要性评价结果Table 1 The results of assessment on ecosystem services

图2 生物多样性维护功能重要性评价结果Fig.2 The results of importance assessment of biodiversity maintenance function

研究区生物多样性维护功能重要区主要分布在山地区域，明显优于地势平缓地区。渝东北与渝东南海拔较高，坡度较陡，人口相对较少，其自然生境质量保护较为完整，生物多样性维护功能明显优于中西部地区。中西部地区地势平坦，耕地数量多，除巴岳山、缙云山、云雾山等山脉外，其余地区生物多样性维护功能相对较弱。

3.2 水源涵养功能重要性

研究区水源涵养功能重要性以重要区为主，分布面积为24 354.95 km2，占研究区比例为52.76%；其次为一般重要区，面积为15 623.14 km2，占比为33.85%；极重要区分布面积最少，为6 180.40 km2，占比13.39%（表1）。极重要区主要分布在巫溪、奉节和石柱，分布比例占区域面积比例的30%左右；重要区主要分布在涪陵、忠县和万州，分布比例约60%；渝中、大渡口、九龙坡水源涵养能力最弱，一般重要区分布占比99%以上（图3）。

图3 水源涵养功能重要性评价结果Fig.3 The results of importance assessment of water conservation function

研究区水源涵养功能重要性分布不均，渝东北大巴山区、渝东南武陵山区的林区以及平行岭谷背斜农林复合区是重要的水源涵养区，低山、河谷盆地等地势平缓区域水源涵养重要性相对较低。

3.3 水土保持功能重要性

研究区水土保持功能重要性以重要区分布为主，分布面积为22 454.83 km2，占比为48.65%；其次为一般重要区，面积和比例分别为17 965.27 km2和38.92%；极重要区分布面积最少，分布占比不到15%。极重要区主要分布在巫溪县，分布比例占研究区水土保持功能极重要区的42.31%，其次为开州和巫山，分布占比大于10%（表1）；重要区主要分布在云阳、开州、奉节、万州、石柱和武隆；一般重要区主要分布在中心城区以及长寿、江津和涪陵，分布面积占其行政区域的70%以上（图4）。

图4 水土保持功能重要性评价结果Fig.4 The results of functional importance assessment of soil and water conservation

水土保持功能极重要区主要分布在山区，如渝东北的大巴山一带；重要区集中于平行岭谷地带以及主要河流两岸；一般重要区主要分布在平坝和丘陵等地势较为平坦的区域。

3.4 生态系统服务功能重要性

研究区生态系统服务功能重要性以重要区分布为主，面积为24 201.33 km2，占比为52.43%；极重要区和一般重要区分布占比相当，面积和占比分别为11 641.00 km2、10 316.20 km2和25.22%、22.35%（表1）。生态系统服务功能极重要区主要分布在巫溪、巫山、奉节、石柱和武隆，其中巫溪县分布最多，分布面积3 091.28 km2，占研究区比例为76.91%；重要区主要分布在忠县、万州、开州和涪陵，分布比例均大于50%；一般重要区主要分布在渝中、大渡口、九龙坡和沙坪坝区，分布占比大于90%（图5）。

图5 生态系统服务功能重要性评价结果Fig.5 The results of functional importance assessment on ecosystem services

作为长江上游重要的生态屏障，研究区生态系统服务功能空间分布不均，受地形的影响较大，与高程分布具有较强的正相关关系。极重要区主要分布于盆周山地区域的高山区，包括大巴山、巫山等；重要区主要分布于丘陵向山地的过渡地带以及中心城区“四山”区域，包括明月山和精华山等条形山脉及山地平坝地区；一般重要区则多分布于方山丘陵地区，研究区东北部的一般重要区呈点状散布于城镇建成区等地势较为平坦的区域。

4 结论

本文以三峡库区（重庆段）典型生态敏感脆弱区为研究对象，利用NPP定量模型评价法揭示了研究区2020年30 m×30 m空间尺度上生态系统服务功能重要性空间分异特征。主要结论如下：1）研究区生态系统服务功能具有明显的空间分异特征，由西向东生态功能重要性逐步增加，呈现出连续性和集聚效应；2）研究区生态系统服务功能重要性重要区和极重要区占比较大，约为其行政区域面积的80%，说明研究区生态系统功能重要，生态区位重要性显著；3）生态系统服务功能重要性分布受地形影响较大，与土地利用和高程分布具有较强的正相关性，如水土保持功能和生物多样性维护功能重要区和极重要区主要分布于林地较多的渝东北和渝东南地区，一般重要区主要分布在耕地广布的主城都市区，水源涵养功能重要区和极重要区主要分布在研究区东部盆周山地区域，而一般重要区主要分布在西部盆中方山丘陵区。4）研究区生态系统还较敏感脆弱，环境容量和承载力仍有待提高，在今后的发展过程中，应从长江上游重要生态屏障的整体性和系统性出发，实施山水林田湖草等各类生态要素的协同治理，强化和提升生态屏障涵养水源、繁育生物、水土保持等生态系统服务功能和价值。

本文基于NPP定量评价法研究2020年三峡库区（重庆段）的生态系统服务功能空间分异规律，克服了模型评价方法的数据获取困难问题，方法适用性强。本文以30 m×30 m空间尺度为评价单元，能够精细化反映出研究区生态功能重要性的空间分异特征，在今后的研究中，若能进一步增加时间尺度以及生态功能区划分方面的分析，则能进一步揭示研究区生态系统服务功能的时空演变规律，为研究区的生态保护红线划定以及生态修复工作提供决策参考。