辽宁太子河流域生态系统服务权衡/协同关系时空变化与情景预测

2024-01-25王耕,冯妍

生态学报 2024年1期

王耕,冯妍

辽宁师范大学地理科学学院,大连 116029

生态系统服务,是指生态系统为人类生产生活所提供的环境条件和物质产品的统称[1],包括直接价值和间接价值,Costanza认为生态系统服务不仅具有环境效益还具有经济效益,并提出生态系统服务的经济价值评估[2],国内学者在其基础上结合国情制作了中国的当量因子表[3-4]并开展了区域生态系统服务的价值核算[5]。生态系统服务并不是孤立的,而是存在着此增彼减的权衡状态[6]或同增同减的协同状态[7]。这种权衡与协同关系受多因素的影响:土地利用类型是影响因素之一[8],研究发现林地具有更高的增汇、调蓄水源、保持水土能力[9];张琨等[10]对黄土高原植被覆盖度与生态系统服务关系的研究得出植被覆盖与固碳服务的相关性最强,与水土保持功能的相关性其次。此外,研究尺度的划分是另一影响因素,Qiao等[11]通过对中国太湖流域生态系统服务的时空变化得出结论时间序列和像元大小的划分会影响权衡与协同关系,这也使得生态系统服务间关联分析结果也存在多样化[12]。

生态系统服务研究广泛使用空间分析法[13-15]、情景模拟法[16-17]和制图综合法[18-19]等方法;研究内容上包括生态系统服务的时空分布[20-21]、多尺度效应的综合分析[22-24]以及驱动机制[25-26]等。近年来流域尺度的生态系统服务权衡协同研究中已经关注到时空格局的演变[27-29],但具有重工业背景的小流域生态系统服务权衡与协同关系的研究较少,相关研究存在研究方法单一、时间序列较短等不足。

太子河作为辽河的支流之一,流经沈阳、鞍山、本溪等中部城市群主要城市,是辽宁省的生态廊道,也是构建东北地区生态安全战略的重点。流域内地势东高西低,东部林业资源丰富,西部平原以农业为主,是辽宁重要的商品粮基地[30],耕地及建设用地集中分布在流域西部。由于沿岸城市多以煤炭、钢铁、化工等重工业为主,使得该区环境污染严重,水域安全遭到破坏,生态环境问题突出,同时城市化快速扩张,加重了人地关系矛盾,导致生态系统服务供给失衡,出现了空气污染、水土流失以及环境恶化等问题。“十三五”时期在辽河流域水专项中,针对太子河流域提出坚持问题导向,构筑水生态安全格局的目标[31];2019年,国家提出“支持东北地区山水林田湖草生态保护修复”试点工程[32],太子河流域作为“浑太水系修复工程”中的组成部分,区域生态安全和可持续发展受到重视。因此,研究流域水土保持、固碳和生境质量三种生态系统服务对促进太子河流域社会-生态可持续发展具有重要意义。

从流域生态系统的整体性和综合性视角分析流域生态服务功能的协同关系变化,有助于甄别整个流域发展的生态冲突,精准权衡生态服务关系,从而有针对性地提出流域可持续发展的相应空间对策。鉴于此,本文以太子河流域作为研究对象,以碳储量、生境质量和土壤保持三种生态系统服务为基础,借助InVEST模型、ArcGIS、RStudio等工具,对其时空变化进行分析,探究各服务间权衡与协同关系,并对生态系统服务的冷热点进行分析,同时对2030年的土地利用变化情景进行模拟预测,以期促进区域多种生态系统服务功能总体效益最优化,为流域生态文明建设和构建生态安全格局提供决策参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

太子河流域位于122°26′E-124°53′E,40°29′N-41°32′N,处于辽宁省东部(图1),河流长约413km,流域面积13883km2,河流落差超过450m,流量较大。河流发源于抚顺市,上游流经低山丘陵区,下游经营口市注入渤海湾,形成辽河冲积平原;属温带季风气候,降水集中在6-9月。太子河是辽宁省的工农业生产基地,人口稠密,工业发展和生活用水量大的共同作用下,导致该地缺水严重。

图1 研究区概况Fig.1 Study area

1.2 数据来源与处理

本文所使用的数据包括(1)土壤属性数据:来源于世界土壤数据库(HWSD),数据类型包括流域内土壤类型分布、砂粒、粘粒、粉粒占比以及土壤有机碳含量等,分辨率为1km,(http://www.fao.org/soils-portal/so)。(2)土地利用数据:来源于Global Land30网站,检验精度达到82%以上,空间分辨率为30m,在ArcGIS中经过重分类,分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六类;(3)气象数据:共获取研究区及周边共18个气象站的降水数据,其中2000、2010年数据来源于中国气象数据共享服务网(http://data.cma.cn/),2020年降水数据来源于各地气象站,在ArcGIS中进行克里金插值后使用;(4)DEM数据:来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),下载后在ArcGIS中经过拼接、裁剪、填洼等处理,分辨率为30m。

2 研究方法

2.1 生态系统服务评估方法

本文借助InVEST模型和ArcGIS定量评估研究区固碳、土壤保持和生境质量3种服务的时空格局。模型所需参数及计算过程如表1所示。

表1 模型所需参数及计算方法Table 1 Required parameters of model and calculation method

2.2 生态系统服务权衡与协同关系分析方法

本文采用了Pearson相关分析法,对太子河流域三种生态系统服务间的相关关系进行量化,以分析两变量间相关程度,其计算公式如下:

式中,X、Y为两个变量,n为变量取值的个数。当pXY=0时,X和Y不具有线性相关的关系;当pXY>0,即两种生态系统服务之间的相关系数为正,且通过显著性检验(P<0.01)时,则认为两者之间是协同关系;反之为权衡关系[43],且pXY越接近±1时,相关性越高。

不同样点尺度的相关性研究中,本文通过ArcGIS中的创建渔网工具创建随机点,分别按照100m、1km、5km、7km、10km五种尺度设置取样点,利用RStudio中Corrgram包进行计算并将结果可视化,探讨每种尺度下的权衡与协同关系。

本研究借助南丁格尔玫瑰图表达不同用地类型上三种生态系统服务功能的差异,首先在ArcGIS中按照用地类型进行分类,并对各地类上的3种生态系统服务进行统计,得到每种地类上各服务对应的均值,通过Z-Score标准化进行去量纲处理[12],将处理后的结果在RStudio中通过ggplot2包制作不同地类中三种生态系统服务的南丁格尔玫瑰图。

对太子河流域生态系统服务的冷热点分析,本文首先求得每年内3种生态系统服务的均值,然后将大于当年平均值的地区,视为此服务的热点区[44],能提供2种服务类型的视为次热点区,依次类推并进行热点区制图。

2.3 生态系统服务权衡/协同情景预测

本文基于IDRISI软件进一步对太子河流域2030年的土地利用变化进行预测,过程如下:①在Markov模块以2010-2020年土地利用栅格数据为初始数据,得到转移概率矩阵和转移面积矩阵;②通过多标准评价模块(MCE)建立适宜性规则,生成适宜性图集[45]并分别设置约束条件,在开发情景下,设置公路,铁路等为驱动因子,大力促进城市发展;保护情景下,限制林地、草地的开发,加强对水域、湖泊等的保护;计划情景下,不进行人为干预,假设未来十年仍按照现在的方式发展;③构造CA滤波器,本文选取5×5的元胞矩阵;④以2010年为起始时刻,以10a为周期,模拟2020年土地利用空间分布状况,并进行模型的精度检验,检验结果Kappa系数为0.794,符合精度要求。⑤最后以2020年为起始时刻,选择适宜性图集,以10a为周期迭代,对2030年的土地利用状况进行预测。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务时空变化特征

2000-2020年各项生态系统服务空间分布如图2所示,从图中可知,太子河流域近20年的碳储量变化不大,2000、2010、2020的碳储量分别为23.35×104t/hm2、23.35×104t/hm2、23.90×104t/hm2,碳储量空间分布格局变化较小,高值区主要在东部,用地类型以林地为主;低值区分布在西部,以耕地为主,建设用地区的碳储量最低,但2020年建设用地区的碳储量略有增加。2000年到2020年流域内生境质量平均值分别为0.661、0.652、0.626,数值越小表明生境质量越差,因此流域内总体生境质量有所下降,高值区主要分布在流域东部,呈现东高西低的分布态势,水域附近的生境质量多年内均较好。流域内土壤保持的变化没有特殊规律,上游地区的土壤保持量多,下游地区少;水土保持总量分别为3.44×108t、25.8×108t、11.62×108t,多年平均土壤保持量为377.82t/hm2,在2010年水土保持量增加明显,这可能是由2010年比2000、2020年降水量多,降水对流域的侵蚀强造成的;到了2020年土壤保持量有所下降,西部地区处于多年稳定状态,总体变化幅度不大。

图2 2000-2020年太子河流域生态系统服务空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

图3表示流域内三种生态服务功能从2000年到2010年和从2010年到2020年每十年间的生态系统服务的变化量,从图3中可以看出,2000年到2010年,流域内碳储量呈增加趋势,碳储量的亏损区零星出现在北部、中部城镇地区;在2010-2020年十年间,流域内碳储量呈亏损状态。从2000年到2010年,流域内生境质量处于西部、东部增益,中部建设用地区损失状态,但是在2010-2020年间,生境质量总体变化不大,处于相对稳定的状态,部分建设用地区生境质量有所增益。2000年到2010年,土壤保持处于亏损状态,仅有东南部少部分地区有所增益,但在2010年至2020年,流域内绝大部分地区均为增益状态。

图3 2000-2020年每10年间太子河流域生态系统服务变化量Fig.3 Changes of ecosystem services in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.2 基于样点尺度的生态系统服务权衡/协同时空变化

图4的饼状图填充范围和颜色代表相关系数大小,填充范围越大,颜色越深,相关系数越高。流域内三种生态系统服务均通过了0.01的显著性检验,在不同的样点尺度上,除在2010年100m尺度上,碳储量和生境质量以及生境质量和土壤保持之间出现微弱的负相关关系外,其余样点尺度下三者之间均为正相关关系,即协同关系;从尺度上来看,随着样点间隔的增大,生态系统服务两两之间的相关性不断增强。2000年和2010年中,生境质量和碳储量在不同尺度上的相关系数均大于0.9,说明两者存在显著正相关性,生境质量高值区和碳储量高值区高度吻合,这是因为生态系统服务的固碳能力通常由植被初级生产力、枯落物等决定,植被茂密的地区碳储量相对高,而植被覆盖度高的地区通常情况下其生境质量也相对较好;碳储量和土壤保持,生境质量和土壤保持之间虽通过了显著性检验,但是在100m、1km、5km等尺度上相关系数较低,显著性较弱。总体而言,生态系统服务间的关系是由其相互作用引起的,比如土壤保持能力由降水、植被覆盖以及坡度等共同作用,在坡度一定、降水均匀的年份,植被覆盖对土壤保持的作用更为明显,而植被覆盖度高的地区相应的生境质量也会有所提高,所以两者之间出现协同关系。

图4 2000-2020年太子河流域生态系统服务相关关系时空变化Fig.4 Spatial-temporal changes of ecosystem services in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.3 基于地类的生态系统服务权衡/协同时空变化

不同地类间生态系统服务变化的南丁格尔玫瑰图如图5所示,从图中可以看出,研究期内土壤保持功能一直较高,耕地、林地、草地三者生态服务功能比较相似,均以土壤保持功能为主,碳储功能其次;2000年,耕地、建设用地的固碳和土壤保持功能均较好,水域的碳储量最大,建设用地的生态系统服务功能变化较大,前期以固碳和土壤保持功能为主,2010年,碳储能力下降,2020年又有所恢复;未利用地的生境质量在2000年、2010年均较好,土壤保持功能也在不断增强。以2020年为例,固碳价值在各土地利用类型中表现为:林地>草地>耕地>水体;土壤保持服务的价值量:草地>耕地>林地>水体;生境质量价值为:林地>耕地>草地>水体。

图5 2000-2020年太子河流域不同地类生态系统服务时空变化Fig.5 Spatial-temporal changes of ecosystem services of different land types in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.4 基于冷热点的生态系统服务权衡/协同时空变化

以太子河的子流域作为最小研究尺度绘制了流域内冷热点分析图(图6),统计结果表明,2000、2010、2020年三类服务热点区分别占39.83%、39.14%、43.32%,2010-2020年,热点区的占比有明显增长,反映太子河流域总体生态环境的不断改善。从空间分异来看,流域西部大多数地区提供的生态服务种类为0,三年间占比分别为43.92%、44.49%、41.25%,为生态系统服务的冷点区,整体生态系统服务能力较弱;东部地区大多数为生态系统服务的热点区,固碳、土壤保持以及生境质量维持能力强;而在两者之间的过渡带为生态系统服务的次热点区,可以提供2种类型的生态系统服务。总体来看,太子河流域植被覆盖度高、人类活动少的地区具有更强的土壤保持和固碳能力,是多重服务热点区。

图6 2000-2020年太子河流域多重生态系统服务热点区Fig.6 Multiple ecosystem service hotspots in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.5 生态系统服务权衡/协同情景预测结果

采用IDRISI软件对2030年太子河流域内不同发展方式下土地利用状况进行了预测,相关预测结果如图7所示。

图7 2030年太子河流域多情境预测下土地利用状况Fig.7 Land use in Taizi River Basin under multi-scenario prediction in 2030

三种情景中,保护情景下的生境质量最好,为0.680,其次是计划情景,为0.623,而开发情景下的生境质量最差,为0.617;与太子河流域当前的生境质量相比,开发情景和自然情景下的生境质量都略有下降,而在保护情景下,生境质量将大幅提升;保护、开发、计划情景下碳储量分别为23.319×104t、23.048×104t、23.066×104t,保护情景下的碳储量与当前流域碳储量相差无几,而在开发情景和计划情景下的碳储量均低于当前流域碳储量,表明过度开发或不加干预可能会使流域碳储量减少;土壤保持量在开发情景下最多,为11.41×108t,说明在此情景下流域水土流失较为严重,计划情景和保护情景下的土壤保持量分别为11.17×108t、11.18×108t,均少于当前土壤保持量;在保护情景下,草地相较2020年会增加694.5km2,建设用地减少1331.6km2;开发情景下,耕地将减少871.4km2,水域面积减少224.58km2。

通过Origin相关性分析可知(图8),在三种情景下,生态系统服务的相关性均为正相关,且通过了P<0.05的显著性检验,相关性较高,因此,三种生态系统服务之间均为协同关系。其中,固碳和生境质量以及固碳和土壤保持之间在三种预测情景下相关系数均高于0.75,具有显著正相关关系,而土壤保持和生境质量之间的相关系数略低。以子流域为最小研究尺度制作三种预测情景下的冷热点分析图(图9),结合冷热点分析发现,生态系统服务的冷热点分布总体是“东热西冷”,局部地区略有差异;在开发、保护、计划三种情景下,能提供三类生态系统服务的占比分别为40.88%、42.85%、40.88%;提供两类生态系统服务的区域占比分别为12.07%、11.96%、13%,可见保护情景下生态系统服务总体状况最好。

图8 多情景预测下2030年太子河流域生态系统服务间相关关系Fig.8 Correlation between ecosystem services in the Taizi River Basin under multiple scenarios in 2030

图9 多情景预测下2030年太子河流域多重生态系统服务热点区Fig.9 Multiple ecosystem service hotspots in the Taizi River Basin under multiple scenarios in 2030

4 讨论与结论

4.1 讨论

生态系统服务具有异质性,厘清其相互关系,可以更好地认识土地利用存在的问题,避免人类对资源的肆意开发而忽略生态系统服务的内部作用,促进区域山水林田湖草修复和可持续发展。生物多样性是维持生态系统服务权衡或协同关系的基础[46],本研究中太子河流域固碳、生境质量和土壤保持服务的热点区均分布在流域的东部,这主要是因为东部地区主要以林地为主,占流域总土地面积的40%左右,植被覆盖茂密。森林具有吸储CO2释放O2和保持土壤、防止水土流失的作用,因此在流域东部整体的碳储量、土壤保持量较高。这与张琨等[9]的研究结果一致,即植被覆盖度高的地区固碳和水土保持功能更好。土壤保持和生境质量、固碳和生境质量以及土壤保持和固碳之间为协同关系,这一结果与诸多已发表的观点一致[16,47]。此外,权衡与协同关系在各尺度上存在差异[47],在本研究,100m样点尺度下固碳和生境质量、生境质量和土壤保持出现负相关,这是由在样点尺度划分中不同像元内土地利用类型的组合与占比不同造成的。

三种预测情景中,保护情景最有利于促进区域生境质量改善,开发情景下生境质量最差。在未来太子河流域发展规划中,应寻求两者之间的平衡点,兼顾区域发展和环境保护,使流域生态系统服务能力达到最优。针对不同预测情景下生态系统服务能力的差别,在未来的土地利用规划中应进行相应的调整,在开发情景下,严守耕地保护红线,对已开发地区应加强相应的生态补偿措施;在保护情景下,坚持“两山”理念,加强旅游宣传,实现经济发展与生态保护双赢。

本研究仅探究了太子河流域三类生态系统服务间的权衡协同关系,后续可以增加生态系统服务驱动机制及时空异质性研究,此外,本文所用的降水数据来源较广,尤其是2020年降水数据来源于不同气象站点,增加了数据的差异性,同时模型参数的设置主要参考文献资料,一定程度上会影响研究结果。