东寨港湾区土地利用变化对生态系统服务功能的影响

2023-08-29叶长青朱丽蓉

长江科学院院报 2023年8期

王宇,叶长青,朱丽蓉,李昂,梁栩,邹艺

(1.海南大学旅游学院,海口 570228;2.海南大学生态与环境学院,海口 570228;3.海南省农林环境过程与生态调控重点实验室,海口 570228)

0 引言

生态系统服务功能指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效应[1]。然而,土地利用类型变化会对生态系统的结构与过程产生影响,从而引起生态系统服务功能的变化。已有大量学者在不同气候区如温带季风气候[1-5]、亚热带季风气候[6- 7]、高原山地气候[8- 9]、温带大陆性气候[10-11]和热带季风气候[12-14]等区域开展土地利用对生态系统服务功能影响的研究,研究表明耕地增加大多会降低产水功能;林地、草地和水域等生态用地的减少是导致水质净化和生境质量功能下降的重要原因;同时建设用地扩张会显著降低水质净化和生境质量功能。因此,土地利用变化及其导致生态系统服务时空变化成为当前关注的热点问题,研究土地利用变化对生态系统服务的影响机理,对于维护区域生态环境安全具有重要理论与现实意义。

随3S技术发展,越来越多研究者借助模型工具来评估生态系统服务功能,评估模型主要有生态系统综合评估与权衡 (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs,InVEST)、生态系统服务人工智能 (Artificial Intelligence for Ecosystem Services,ARIES)、生态系统服务社会价值 (Social Values for Ecosystem Services,SoLVES)模型等[15-16]。其中ARIES模型目前对地域的适用性存在不确定性;SoLVES模型应用在生态系统服务功能社会价值评估;InVEST模型以地图形式直观地量化多种生态系统服务功能水平,能较为精细地进行生态服务功能空间化分析,被广泛应用于国内外生态系统服务功能及价值的研究。如Trisurat等[17]运用InVEST模型对泰国南部Thadee流域进行产水量评估,为当地政府和下游居民提供流域生态保护建议;Sallustio等[18]通过InVEST模型对意大利自然保护区的生境质量进行模拟评估,为保护区保护和管理方案制定提供数据支撑。国内研究如张建等[19]对丹江口市水质净化服务功能进行解析并探讨影响因素;高庆彦等[20]对大理生境质量时空特征及空间变化规律进行分析。研究发现土地利用变化因区域差异而导致生态服务功能变化具有差异性,需要对典型区域进行大量的案例研究[5,8]。然而当前研究中热带地区生态系统服务功能变化规律研究相对较少,尤其基于流域尺度的热带湾区研究更为鲜见。

海南省是国家文明试验区,随海南自由贸易港建设,未来将成为国际开放新门户,面临着人类开发和生态环境保护的巨大考验。东寨港湾是研究红树林及海岸带生态系统的重要基地,是自由贸易港重要的先导区域,湾区陆地流域生态系统破坏将导致近海湾水生态环境恶化等问题。然而土地利用变化对该区域生态系统服务功能改变已产生了重要影响。本研究通过在流域尺度下对湾区产水、水质净化、生境质量功能进行评估,探索各生态系统服务功能时空演变特征,并揭示土地利用变化对生态系统服务功能的影响及空间差异,以期为陆海统筹下湾区土地优化管理和生态安全维护提供借鉴。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

东寨港湾区地处海南岛东北部,位于110°38′E—110°92′E、19°64′N—20°19′N,面积约1 220.42 km2。湾区属于热带季风气候,年均气温24～26 ℃,年平均降水量约2 041 mm,年平均日照时长2 000 h以上。湾区西南部的演州河流域拥有我国第一个国家级东寨港红树林自然保护区;西北部演丰河流域的江东新区作为中国海南自由贸易港的先导区域;东北部珠溪河流域为“海澄文定”经济圈的北部连接带。

1.2 数据收集

InVEST模型产水量模块、水质净化模块、生境质量模块所需数据包括DEM数据来自地理空间数据云的GDVMV2 30 m分辨率数字高程数据;东寨港湾区土地利用数据采用中国科学院资源环境科学与数据中心1990年、2000年、2010年、2018年4期数据;降雨数据来自研究区及周边8个雨量站,潜在蒸散量来自国家地球系统科学数据中心、植物有效含水量来自世界土壤数据库、生物物理系数表(表1)、流域边界及流域累积阈值等。产水量验证所需数据来自海口和文昌水资源公报;水质净化实测数据基于2018年珠溪河流域翁田镇上游、翁田镇与冯坡镇交界处、冯坡镇与锦山镇交界处、锦山镇与铺前镇交界处、铺前镇与罗豆农场交界处、罗豆农场下游6个断面水质监测点数据,和东坡站、湖山站、翁田站的实测数据。

表1 InVEST模型生物物理系数表运行参数

1.3 InVEST模型原理

InVEST模型即生态系统综合评估与权衡的综合评估模型,是美国斯坦福大学、明尼苏达大学联合世界自然基金会和大自然保护协会共同开发,能够量化生态系统服务的综合模型[21]。应用InVEST3.9.0版本,分为19个独立模块,选取了“产水量”“水质净化”“生境质量”3个子模块。

“产水量”模块基于一个简化的水文循环模型,忽略地下水的影响,模拟一定区域内的地表产水量,产水量越多,水资源供给服务就越多。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Yx为x像素的年产水量;Px为x像素的年降雨量;AETx为x像素的年实际蒸散量。Rx为干燥指数;K为蒸散系数;ET0为潜在蒸散量;ωx为修正植被年可利用水量与降雨量的比值;Z为zhang系数;AWCx为植被有效可利用水。

“水质净化”子模块是基于栅格数据在年尺度上运行,根据单位面积的TN、TP输出量的多少,或计算输出总量的多少来表现研究区的水质净化服务功能水平。输出量越大,则水质净化服务功能就越弱,输出量越小,则水质净化服务功能就越强。该模块仅考虑面源污染。主要计算方法

ALVx=HSSx·polx。

(4)

式中：ALVx是x像素的调整后输出量;HSSx为x像素计算方法的水文敏感度得分;polx为x像素的输出系数。

“生境质量”子模块是通过各种土地利用类型的胁迫因子敏感度和外界威胁强度,根据胁迫因子的最大威胁距离、空间权重等因素(表2),将生境质量看作一个连续变量,以衡量生物多样性。计算公式为

(5)

式中：Qxj是土地利用类型j中斑块x的生境质量,值域在[0,1]之间;Dxj是土地类型j中斑块x的生境威胁水平;Hj为土地利用类型j的生境适宜性,没有充分的研究区物种生境信息可以分类成0或1,0代表非生境,1代表生境;z是常数;k为半饱和常数,通常取最大生境退化栅格值的一半。

表2 威胁源的权重和最大影响距离

2 结果与分析

2.1 模型校验

基于遥感影像、降雨、DEM、土壤和植物数据,利用InVEST模型中的产水模块、水质净化模块和生境质量模块对东寨港湾区产水功能、水质净化功能、生境质量功能进行空间分析,利用ArcGIS 10.6软件对土地利用时空变化特征和生态系统服务功能进行空间化处理。分别得到不同时期的生态系统服务功能变化图。

将模拟的数据与实际观测值进行对比,通过季节常数Z来确定适合研究区的评估模型,根据用户指南,季节常数Z是根据季节性降水分布定义,取值范围为1～30。季节常数Z可通过Z=0.2N计算,N表示每年降雨事件数。根据30 a降雨数据,估算季节常数Z值为23.59～25.95之间。基于研究区内海口和文昌水资源公报,计算出海口和文昌的年平均径流深,由于水资源公报1998年开始有记载,分别选取2000年、2010年、2018年3个年份前后2～3 a数据,共8 a与相应年份模拟结果进行对比,多次检验计算,当Z取值为25时,研究区模拟产水深与实测数据最为接近,模拟结果与实测数据的决定系数R2均>0.86。总磷率定结果基于6个断面水质监测数据,和东坡站、湖山站、翁田站的实测数据,计算出珠溪河总磷浓度并参考相关文献,确定校准参数K为2时,对模型进行校验。最终模拟总磷输出负荷量与实测数据的决定系数R2>0.78。

2.2 东寨港湾区流域土地利用类型时空分布

2.2.1 土地利用类型的时间变化

研究区1990年、2000年、2010年和2018年不同土地利用类型的面积变化明显。1990—2000年,建设用地增加了24%,草地、耕地、林地均有小幅度减少,2000—2010年,建设用地增加了83%,水域也增加了58%,草地减少了12%,未利用土地减少了20%。林地仅减少了5%,耕地的变化幅度也较小;2010—2018年,建设用地增加了23%,林地减少了3%。

29 a间,建设用地和水域面积明显增加,建设用地增加了179%,水域增加了59%。草地、耕地和林地面积分别减少了17%、5%和9%。

2.2.2 土地利用类型的空间分异

1990—2018年土地利用类型分布如图1所示。29 a间湾区土地类型发生了较大变化,其中1990—2000年,土地利用出现变化较大的区域集中在演丰河流域西北部,建设用地增加了162%。2000—2010年,变化较大的区域为珠溪河流域北部和演州河流域北部,建设用地和水域面积分别增加了110%和62%。2010—2018年,变化较大的区域集中在演丰河西北部和珠溪河北部,建设用地增加了18%。

整体来看,湾区在1990—2000年土地利用变化明显的区域集中发生在西北部,建设用地的扩张占用了大量耕地和林地的面积(图1 ),中部也有明显的水域转化成林地。2000—2010年,土地利用变化剧烈,集中分布在北部,林地面积明显减少,而建设用地出现大幅增加,同时西部和中部林地面积也出现下降,转化成建设用地和水域。2010—2018年,北部建设用地大量减少,耕地面积增加,而西部建设用地增加,使得林地大量减少。1990—2018年,湾区总体建设用地发生剧烈增长同时林地大面积减少。

2.3 东寨港湾区流域生态系统服务功能的响应

图2 不同年份模型输出结果Fig.2 Outputs of model in different years

图3 不同时期生态系统服务变化的空间分布

随土地利用变化,湾区生态系统服务功能也发生显著变化。湾区总体产水服务功能先上升后下降。1990—2010年不断增加,2010—2018年产水功能下降。空间呈北部增强,中部偏东地区减弱的格局差异。珠溪河流域1990—2018年产水量呈现“先增加再减小”趋势(图2)总体珠溪河流域的产水量有较大幅度上升,增加了31.8%。这是因为林地面积锐减,同时水分蒸散能力相对较小的建设用地有一定程度增加,综合影响使得流域的产水量出现增幅,2010年产水量大增跟2010年降雨量极大有关。而演州河流域产水量减少了2%,是因为1990—2018年,各地类转换虽然频繁,但变化幅度均很小,尤其面积占比最大的林地和耕地的面积与1990年基本持平。演丰河和珠溪河流域的土地利用变化趋势相同,耕地和林地面积都出现锐减,建设用地也出现较大增幅,因此使得产水量增幅最大达34.1%。空间上(图3),29 a间珠溪河流域北部产水量增强,中部衰退。演州河仅有西北部增强而其他地区都呈现衰退,演丰河全域都呈产水量增强的趋势且增强程度最大。

湾区水质净化功能总体呈减弱趋势。其中总氮呈不断减弱趋势;总磷为珠溪河减弱,其他地区增强。1990—2018年,珠溪河流域TN、TP输出量不断增加(图2),水质净化功能分别衰减了7.1%和4.1%。1990—2000年,耕地面积持续增加,农业种植导致的面源污染随之增多,该时期TN、TP输出量略有增多。2000—2010年,耕地和林地面积虽然出现减少,但是建设用地面积扩张了50.5%,该地类具有极高的TN、TP输出负荷,且大部分都临近河道(图3),产生的TN、TP难以经过植物过滤吸收而直接进入水体,对流域TN、TP输出量有明显增加。2010—2018年,虽然建设用地大幅度减少,但是耕地面积的大量扩张使得该时期的TN、TP输出略有增加。演州河流域1990—2018年TN、TP输出量不断减少,水质净化功能分别增强8.7%和10.8%,1990—2018年建设用地面积减少并且林地大面积增加,造成该时期TN、TP输出量略有减少,2010—2018年,TN、TP输出量大幅度减少,其原因首先是建设用地和未利用土地的大幅减少,一定程度上降低TN、TP通过不透水面直接进入水体的风险,其次林地面积增加,提高了该地区的TN、TP过滤吸收能力。演丰河流域29 a的TN、TP输出量呈现“增加-减少-增加”趋势,演丰河总体TN净化能力衰弱8.0%,TP净化能力增强2.5%,该流域的土地利用转变造成TN、TP输出量的变化,与其他两条流域发生变化的影响因素一致。

湾区生境质量整体呈不断降低趋势,空间北部呈明显衰减,西部及西北部略有衰减趋势。珠溪河流域生境质量呈现先升高再降低的状态(图2),其低质量生境(约有6.7%)主要分布在北部及东部沿海地区(图3),该地区生境质量有恶化趋势。1990—2000年,由于林地面积加大,植被覆盖度持续增加,生境质量越趋于好转。2000—2010年,由于林地面积大范围减少,同时建设用地大面积扩张,使得生境质量服务较低并且有逐渐恶化的趋势。2010—2018年,生境质量空间格局基本未发生变化。演州河生境质量变化较为缓和,其高质量生境主要分布在北部。耕地-林地-建设用地内部之间相互转换幅度小,生境质量一直处于生境适宜状态。演丰河流域在1990—2018年生境质量有明显的恶化趋势,有高达12.7%的低质量生境,其主要分布在西部及东北部沿海地区。1990—2000年,草地和耕地向建设用地的大面积转移,使得生境质量处于逐渐恶化的趋势。2000—2010年,生境质量空间格局变化较小。2010—2018年,建设用地和耕地面积持续增加,水域大幅度减少,造成生境质量发生明显恶化。

3 讨论

3.1 产水功能变化成因

湾区产水功能在1990—2000年增加区域集中分布在西部,其土地利用变化主要为建设用地增加,而衰减区域主要集中在西北部;2000—2010年,产水功能变化受降雨量影响较大,土地利用变化影响较小;2010—2018年,北部产水量功能有明显增加,这一时期北部的珠溪河流域在2010年后成立数10家水产种苗饲料公司,公司建设用地位于珠溪河入海的河道上游,珠溪河流域林地面积的减少和建设用地的扩张是产水量增加的主要原因。1990—2018年,产水功能增加,建设用地发生剧烈增长同时林地的大面积减少,是其除了降雨量之外主要的影响因素。

研究表明,随着城市化快速推进,流域大量建设用地不断向外扩张,挤占周围林地、耕地,致使下垫面硬化,造成持水能力降低,区域内产水量功能明显增强。这与李昂等[24]、韩念龙等[13]对海南地区的产水量时空变化研究结论一致。未来应严控建设用地分布格局和配比,制定建设用地的开发红线避免过度开发,并加强林地保护,严格控制林地的转换。

3.2 水质净化功能变化成因

湾区在1990—2000年水质净化功能增加的区域,相应有明显的林地增加。而衰减区域主要集中在西北部;2000—2010年,水质净化功能衰减最为明显的区域集中分布在中部,该区域林地面积明显减少,水域面积增长显著;2010—2018年,水质净化功能衰减区域为北部,区域内建设用地减少而耕地增加,是影响该区域水质净化功能的主要因素。1990—2018年,水质净化功能衰减区域,是由林地的大量削减换来耕地、水域和建设用地的增长,期间水质净化功能变化突出的是中部演州河,林地转换成水域,自1990年开始水质恶化严重直到2010年《海南东寨港国家级自然保护区总体规划》等颁布实施后,大力开展退塘还湿使得生态系统服务功能有明显改善。

研究表明林地除了发挥重要的产水功能以外,也是重要的净化水质的地类,而耕地是造成水体污染的重要原因[25],建设用地也会明显削弱水质净化功能。这与吴哲等[12]对海南岛氮磷风险评估和王晨茜等[26]对广东省珠江流域水质净化功能分析的结果一致。未来应重点对东寨港自然保护区周边加强管理,对不属于农田保护区的耕地进行造林,严格执行退塘还林、退塘还湿政策,同时加强关键区域的保护来保证水质功能,对现有饲料公司、生物制药厂、美兰机场、桂林洋大学城及周边居民生活污水完善集中处理设施。

3.3 生境质量功能变化成因

湾区在1990—2000年生境质量功能增加的区域,相应的林地有明显增加。而衰减区域主要集中在西北部,该时期建设用地增加区域与功能衰减区域高度重合。2000—2010年,北部生境质量功能出现大量衰减,该区域建设用地明显增加。2010—2018年,生境质量功能增加区域同样分布在北部,虽然建设用地减少,但是耕地面积的增加,使得该区域生境质量功能增加。而生境质量明显下降集中于西部的演丰河流域,建设用地作为生境质量威胁源在加速扩张,与2010年后桂林洋大学城的入驻,带动周围片区房地产项目剧增有关,这些地区继续侵扰生境适宜性较优的林地、水域和草地,造成威胁源规模和影响范围持续扩大,使生境质量持续恶化。1990—2018年,该时期生境质量功能的衰减,主要受建设用地的增加影响。

研究发现研究期内林地减少和建设用地的增加是生境质量功能衰减的主要原因,而耕地的减少和水域的增加在一定程度上弥补了这一损失,这与雷金睿等[14]对1980—2018年海南岛土地利用与生境质量时空动态变化的分析结果相互印证,即建设用地快速增长引起生境质量功能下降。未来应严控海岸带陆域200米范围内的生态保护红线,控制建设用地与“流域-河口-海湾”的边界距离,根据上下游的不同,设置不同的植被缓冲带。

本研究着眼于海南岛东寨港湾区,通过对流域尺度生态系统服务功能变化,与滨海地区、生态重点保护区的土地利用对其影响,得出建设用地、林地、耕地的变化对生态系统服务功能有显著作用,可为陆海统筹视角下湾区土地优化管理和生态安全维护提供借鉴。如何确定最佳的土地利用结构和格局,使其产生最大的生态系统服务功能是后续研究的重点方向。