2001-2014年烏審旗生態系統服務變化分析

張　靖，鮑雅靜，李政海，李夢嬌，孟根其其格，劉思佳

(1.大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116605；2.內蒙古大學 a.環境與資源學院;b.生命科學學院，內蒙古 呼和浩特 010021)

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2001-2014年烏審旗生態系統服務變化分析

張靖1，鮑雅靜1，李政海1，李夢嬌2a，孟根其其格2b，劉思佳1

(1.大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116605；2.內蒙古大學 a.環境與資源學院;b.生命科學學院，內蒙古 呼和浩特 010021)

摘要：生態系統服務是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用。選擇內蒙古典型草原地帶沙地區烏審旗為研究區，選取反映生態系統供給、調節和支持服務的牲畜頭數、糧食產量、水源涵養、土壤保持和凈初級生產力5個服務指標，使用InVEST模型和多種模型，測算該地區2001-2014年生態系統服務的時空變化特征。研究發現：除水源涵養服務減少外，烏審旗生態系統服務從2001-2014年呈增加趨勢；且不同生態系統服務指標間存在著不同權衡與協同的關系，凈初級生產力服務與土壤保持服務和水源涵養服務間分別存在著協同與權衡的關系，供給服務和凈初級生產力之間存在著條件權衡關系。

關鍵詞：生態系統服務；協同與權衡；InVEST模型；烏審旗

生態系統服務是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用[1]。它不僅維持生命物質循環過程、保持生物多樣性、凈化環境等功能和過程，更為人類提供生活、生產所需的原料[2]。然而，由于人類對一些生態系統服務的過分追求[3-4]，導致除供給服務以外的大多數生態系統服務呈不同程度的降低[5- 6]，威脅人類的安全與健康，影響到區域和國家，甚至全球的生態安全[2]。

為了全面客觀地評估生態系統服務，不同的研究者從不同的角度提出了不同的生態系統服務分類方法[7-9]。其中以聯合國千年生態系統評估的分類方式影響最為廣泛，分為：供給服務、調節服務、文化服務和支持服務四類[9]。鑒于生態系統服務評價相關研究在生態系統管理中的重要作用，國內外學者開展了一系列的研究。如評價生態系統服務單一要素變化：應用InVEST模型評估北京山區森林生態系統的水源涵養功能[10]；采用改進的通用土壤流失方程分析內蒙古錫林河流域典型草原區的土壤保持服務的空間分布特征[11]。隨著評價模型的進一步完善，學者逐漸選取多個要素綜合評價生態系統服務變化：選取水源涵養、土壤保持、生物多樣性等7種服務指標，分析白洋淀流域農業經濟收入與服務之間的關系[12]；探討生態系統管理面臨的定量測度、生態系統服務功能與政策設計的結合等問題[13]；分析退耕還林政策實施后黃土丘陵區延河流域生態系統的土壤保持、水源涵養、產水和糧食生產等指標變化情況[14]，等等。

然而，在中國農牧交錯帶，特別是典型草原地帶沙地區進行生態系統評價的研究較少。為此，本文選擇內蒙古烏審旗為研究區，篩選出反映生態系統供給服務、調節服務、支持服務的5種服務指標，通過這些指標的測算，試圖闡明該地區2001-2014年生態系統服務的時空變化特征，旨在為中國草原地帶沙地區的生態系統管理和生態環境保護提供科學依據。

1研究方法

1.1研究區概況

烏審旗位于鄂爾多斯高原東南部，毛烏素沙地腹地，轄5個鎮1個蘇木鎮。范圍為東經108°17′～109°40′和北緯37°38′～39°23′；溫帶大陸性氣候，年降水量約350 mm，蒸發量2 200 mm，年均氣溫6.8℃；平均海拔高度1 300 m；在波狀高原、梁地、各類沙丘地、黃土梁和河谷地、內陸湖淖、灘地等地貌類型上發育有：栗鈣土、各類風沙土、草甸土、鹽堿土。主要的土地利用方式為牧業，并存在少量的種植業，集中在該旗東部和東南部水分條件好的區域。

1.2數據來源和研究方法

聯合國千年生態系統評估的分類方式：供給服務、調節服務、文化服務和支持服務四類[9]。本文選取其中三類5個指標進行生態系統服務評價研究。分別是：供給服務(牲畜頭數、糧食產量)、調節服務(水源涵養、土壤保持)、支持服務(凈初級生產力)。

1.2.1供給服務指標

該旗地處中國北方農牧交錯帶，因此選取牲畜頭數和糧食產量作為反映生態系統供給服務的指標，數據分別來源于2002年、2008年和2015年烏審旗統計年鑒。首先獲取各鎮(蘇木)的牲畜頭數(用標準羊單位來表示)和糧食產量的屬性數據，然后直接將這些數據與各鎮(蘇木)的行政邊界相關聯，采用直接地理空間賦值的方式將這些數據空間化。

1.2.2調節服務指標

水源涵養服務采用InVEST模型[15]中的產水模型及水源涵養影響因子對流域水源涵養量進行估算。該模型綜合考慮地形、土壤厚度和滲透性等因素，以水量平衡的原理估算出流域產水量。其理論計算公式如下[16]：

(1)

(2)

式中，WR為多年平均水源涵養量(mm)；Velcity為流速系數；TI為地形指數，無量綱；Ksat為土壤飽和導水率(cm·d-1)；Yield為流域產水量(mm)，通過InVEST產水模型(WaterYield)計算獲得；Yieldxj為柵格x中土地覆蓋類型j的年產水量(mm)；AETxj為柵格x中土地覆蓋類型j的年實際蒸散量(mm)；Px為柵格x的年均降水量(mm)。

土壤保持服務通常用土壤保持量表示，即潛在土壤侵蝕量(RKLS，即無植被覆蓋和水土保持措施時土壤的侵蝕量)與實際土壤侵蝕量之差(USLE，通常采用土壤侵蝕方程計算[17-18])，計算公式如下：

SC=RKLS-USLE，

(3)

RKLS=R×K×LS，

(4)

USLE=R×K×LS×P×C，

(5)

式中，SC為土壤保持量(t·hm-2·a-1)；RKLS為潛在土壤侵蝕量(t·hm-2·a-1)；USLE為實際土壤侵蝕量(t·hm-2·a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)；K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h·MJ-1·hm-2·mm-1)；L為坡度因子，S為坡長因子，無量綱；C為作物覆蓋與管理因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱。利用逐月雨量估算降雨侵蝕力模型[19]。

1.2.3凈初級生產力

使用2001、2007、2014年MOD17A3年NPP合成數據作為反映該區凈初級生產力服務指標(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod17)，空間分辨率1km。

上述所有數據和圖層均在ArcGIS軟件中，經過最大值合成、裁剪等預處理，采用Albers正軸等積割圓錐投影，并將這些數據重采樣為90×90m；相關柵格計算采用ArcGIS“RasterCalculator”工具。

2結果與分析

2.1烏審旗生態系統服務指標時間變化分析

基于2001、2007、2014年的數據，采用InVEST模型和其他計量(或經驗)模型，對烏審旗三種生態系統服務類型5個生態系統服務指標測算，結果見表1。從時間變化看：牲畜頭數從2001年到2007年增加了約一倍，到2014年較2007年減少了25.8 %，但仍然超過2001年水平；糧食產量在整個研究時段處于增加狀態，兩個研究時段分別增加了22.2 %和12.1 %；水源涵養量表現出先增加后減少的趨勢，在2007年達到最大值(1.73×108m3)；土壤保持量變化幅度不大，但總體處于增加狀態，從2001年的4.65×105t增加到2014年的6.13×105t；NPP在14年間也處于增加狀態，從2001年的1.22×1012g增加到2014年的1.75×1012g，期間共增加了0.53×1012g。

表1　2001-2014年烏審旗5個生態系統服務指標物質量

2.2烏審旗生態系統服務指標空間分布特征分析

烏審旗2001-2014年生態系統服務指標空間分布圖如圖1。牲畜頭數主要分布在該旗東北和西南部地區草地資源豐富區域，相應的糧食產量則分布于該旗的西北部和東南部。2001年水源涵養服務，除該旗北部區域外的其他區域涵養能力較高，涵養量在10～30 mm的面積占全旗的58.3 %，在30～100 mm的面積占全旗的5.7 %；2007年涵養量高值區域則向該旗北部收縮，但涵養能力增加(30～100 mm面積占全旗的7.3 %)；但到2014年該區生態系統水源涵養高值范圍僅剩北部低地區域，水源涵養能力甚至低于2001年。

烏審旗陸地生態系統土壤保持量不高，高值區域僅零星出現在該旗北部、中部、南部的植被豐富地區，90 %面積的土壤保持量集中在0～1 t·hm-2·a-1；且從2001年到2014年面積增加的區域也出現在這些區域周邊。從區域變化上來看，烏審旗生態系統凈初級生產力變化較明顯，總體呈從東南向西北凈初級生產力增加的趨勢。2001年43.9 %面積凈初級生產力范圍為50～100 g·kg-1，34.0 %面積凈初級生產力集中在100～125 g·kg-1，14.3 %區域凈初級生產力為125～150 g·kg-1，凈初級生產力大于150 g·kg-1的面積僅占全旗的4.5 %；到2007年，這3個級別的凈初級生產力面積分別減少15.2 %、32.1 %，或增加到29.2 %，凈初級生產力大于150 g·kg-1占20.2 %；到2014年，凈初級生產力大于150 g·kg-1面積占全旗總面積的47.8 %，植被恢復明顯。

圖1　2001-2014年烏審旗5個生態系統服務指標空間分布圖

3討論

由于生態系統服務種類的多樣性、空間分布的不均衡性以及人類使用的選擇性，生態系統服務之間的關系出現了此消彼長的權衡(Trade-offs)和相互增益的協同(Synergies)等形式[20]。權衡是指某些類型生態系統服務的供給，由于其他類型生態系統服務使用的增加而減少的狀況[21]；協同是指兩種或多種生態系統服務同時增強的情形。本研究中觀測到了權衡與協同的現象(見表1)，如在2001年到2014年期間，該旗凈初級生產力服務增加幅度較大，植被覆蓋度增加，導致了土壤抵抗雨水沖蝕能力的提高，即土壤保持服務的的提高；同樣凈初級生產力服務能力的提高，導致植被增多，植物蒸騰耗水的能力就相應的增加，因此在降水量變化不大的情況下(2001年、2007年和2014年該旗平均降水量分別為384.02 ，378.60 ， 336.46 mm)，水源涵養服務降低明顯。

有研究表明，某些區域試圖保持和提高一種服務的供給，會引起另一區域很多生態系統服務的大幅下降[22]。但本研究發現了不同的現象，該旗在14年間供畜產品和糧食的供給量總體上是增加的，而土壤保持服務和凈初級生產力并未表現出下降的情況(見表1)。該現象的出現并非否定權衡與協同規律，而是它們在一定前提條件下出現的結果：在2001到2014年期間，烏審旗正處于植被恢復的階段[23]，“提供凈初級生產力的土地面積和供給能力”超過了“提供供給服務的土地面積”是可能導致的原因。此外，土壤保持與植被現存的地上生物量密切相關，而研究中凈初級生產力增加的同時，牲畜頭數增加了2倍，這種變化亦體現了當地土地利用的變化(集約度增加)[23]。10年間烏審旗畜牧業養殖技術有了很大的發展，牧戶加大了舍飼的比例，同時，大面積人工草地的存在[24]，使得盡管牲畜頭數增加了2倍，但是對整個區域草地的需求并不會顯著降低草地的現存生物量。

4結論

本文以內蒙古烏審旗為研究區，通過測算反映該地區生態系統供給、調節和支持服務的5個指標，分析其2001-2014年生態系統服務的時空變化特征。從2001年到2014年烏審旗的生態系統服務總體程度上是增加的。其中，除水源涵養服務在2001年至2014年表現出下降的趨勢外，其他的服務指標呈現出不同程度的增加。另外，不同生態系統服務指標間存在著權衡與協同的關系。凈初級生產力服務與土壤保持服務和水源涵養服務間分別存在著協同與權衡的關系；但供給服務和凈初級生產力之間存在著有條件的權衡關系。

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(責任編輯鄒永紅)

The Change Analysis of Ecosystem Services in Uxin Banner from 2001 to 2014

ZHANG Jing1, BAO Ya-jing1, LI Zheng-hai1, LI Meng-jiao2a,Menggenqiqige2b, LIU Si-jia1

(1.School of Environment and Resources, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China;2a.College of Environment and Resources, 2b.College of Life Sciences, Inner Mongolia University,Hohhot Inner Mongolia 010021, China)

Abstract:Ecosystem services are the environmental conditions and effects of the formation of the ecosystem and the survival and development of the human being. Located in sandy land area of typical steppe zone in Inner Mongolia, Uxin Banner (equal to county) was selected as study area in this paper. Five indicators which reflected the ecosystem supply, regulation and support services including livestock number, grain yield, water yield, soil conservation and net primary productivity (NPP) of ESs were chosen to evaluate and determinate the spatio-temporal variation of ecosystem services by InVEST and other models in Uxin from 2001 to 2014. The results showed that: 1) ESs of Uxin showed an increasing trend from 2001 to 2014, except for water yield which revealed an opposite one; 2) The relationship of trade-offs and synergies of ESs existed among those indicators. Relationship of NPP and soil conservation and water yield show synergies and trade-offs respectively, while provisioning services and NPP had a conditional trade-off relationship.

Key words:ecosystem services; trade-offs and synergies; InVEST model; Uxin Banner

收稿日期：2016-02-25；最后修回日期：2016-03-17

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目(31500384)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(DC201501070201，DC201501070403)；大連民族大學人才啟動基金資助項目(0701110088)；大連民族大學校級大學生創新創業訓練計劃項目(X201512217)。

作者簡介：張靖(1981-)，內蒙古赤峰人，講師，博士，主要從事土地利用和生態系統服務研究。通訊作者：李政海(1962-)，河北秦皇島人，教授，博士，學校優秀學術帶頭人，主要從事區域生態學與生態規劃研究，E-mail：li-lzhh@263.net。

文章編號：2096-1383(2016)03-0198-05

中圖分類號：Q149

文獻標志碼：A