遼寧太子河流域生態系統服務權衡/協同關系時空變化與情景預測

王 耕,馮 妍

遼寧師范大學地理科學學院,大連 116029

生態系統服務,是指生態系統為人類生產生活所提供的環境條件和物質產品的統稱[1],包括直接價值和間接價值,Costanza認為生態系統服務不僅具有環境效益還具有經濟效益,并提出生態系統服務的經濟價值評估[2],國內學者在其基礎上結合國情制作了中國的當量因子表[3-4]并開展了區域生態系統服務的價值核算[5]。生態系統服務并不是孤立的,而是存在著此增彼減的權衡狀態[6]或同增同減的協同狀態[7]。這種權衡與協同關系受多因素的影響:土地利用類型是影響因素之一[8],研究發現林地具有更高的增匯、調蓄水源、保持水土能力[9];張琨等[10]對黃土高原植被覆蓋度與生態系統服務關系的研究得出植被覆蓋與固碳服務的相關性最強,與水土保持功能的相關性其次。此外,研究尺度的劃分是另一影響因素,Qiao等[11]通過對中國太湖流域生態系統服務的時空變化得出結論時間序列和像元大小的劃分會影響權衡與協同關系,這也使得生態系統服務間關聯分析結果也存在多樣化[12]。

生態系統服務研究廣泛使用空間分析法[13-15]、情景模擬法[16-17]和制圖綜合法[18-19]等方法;研究內容上包括生態系統服務的時空分布[20-21]、多尺度效應的綜合分析[22-24]以及驅動機制[25-26]等。近年來流域尺度的生態系統服務權衡協同研究中已經關注到時空格局的演變[27-29],但具有重工業背景的小流域生態系統服務權衡與協同關系的研究較少,相關研究存在研究方法單一、時間序列較短等不足。

太子河作為遼河的支流之一,流經沈陽、鞍山、本溪等中部城市群主要城市,是遼寧省的生態廊道,也是構建東北地區生態安全戰略的重點。流域內地勢東高西低,東部林業資源豐富,西部平原以農業為主,是遼寧重要的商品糧基地[30],耕地及建設用地集中分布在流域西部。由于沿岸城市多以煤炭、鋼鐵、化工等重工業為主,使得該區環境污染嚴重,水域安全遭到破壞,生態環境問題突出,同時城市化快速擴張,加重了人地關系矛盾,導致生態系統服務供給失衡,出現了空氣污染、水土流失以及環境惡化等問題?！笆濉睍r期在遼河流域水專項中,針對太子河流域提出堅持問題導向,構筑水生態安全格局的目標[31];2019年,國家提出“支持東北地區山水林田湖草生態保護修復”試點工程[32],太子河流域作為“渾太水系修復工程”中的組成部分,區域生態安全和可持續發展受到重視。因此,研究流域水土保持、固碳和生境質量三種生態系統服務對促進太子河流域社會-生態可持續發展具有重要意義。

從流域生態系統的整體性和綜合性視角分析流域生態服務功能的協同關系變化,有助于甄別整個流域發展的生態沖突,精準權衡生態服務關系,從而有針對性地提出流域可持續發展的相應空間對策。鑒于此,本文以太子河流域作為研究對象,以碳儲量、生境質量和土壤保持三種生態系統服務為基礎,借助InVEST模型、ArcGIS、RStudio等工具,對其時空變化進行分析,探究各服務間權衡與協同關系,并對生態系統服務的冷熱點進行分析,同時對2030年的土地利用變化情景進行模擬預測,以期促進區域多種生態系統服務功能總體效益最優化,為流域生態文明建設和構建生態安全格局提供決策參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

太子河流域位于122°26′E-124°53′E,40°29′N-41°32′N,處于遼寧省東部(圖1),河流長約413km,流域面積13883km2,河流落差超過450m,流量較大。河流發源于撫順市,上游流經低山丘陵區,下游經營口市注入渤海灣,形成遼河沖積平原;屬溫帶季風氣候,降水集中在6-9月。太子河是遼寧省的工農業生產基地,人口稠密,工業發展和生活用水量大的共同作用下,導致該地缺水嚴重。

圖1 研究區概況Fig.1 Study area

1.2 數據來源與處理

本文所使用的數據包括(1)土壤屬性數據:來源于世界土壤數據庫(HWSD),數據類型包括流域內土壤類型分布、砂粒、粘粒、粉粒占比以及土壤有機碳含量等,分辨率為1km,(http://www.fao.org/soils-portal/so)。(2)土地利用數據:來源于Global Land30網站,檢驗精度達到82%以上,空間分辨率為30m,在ArcGIS中經過重分類,分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六類;(3)氣象數據:共獲取研究區及周邊共18個氣象站的降水數據,其中2000、2010年數據來源于中國氣象數據共享服務網(http://data.cma.cn/),2020年降水數據來源于各地氣象站,在ArcGIS中進行克里金插值后使用;(4)DEM數據:來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),下載后在ArcGIS中經過拼接、裁剪、填洼等處理,分辨率為30m。

2 研究方法

2.1 生態系統服務評估方法

本文借助InVEST模型和ArcGIS定量評估研究區固碳、土壤保持和生境質量3種服務的時空格局。模型所需參數及計算過程如表1所示。

表1 模型所需參數及計算方法Table 1 Required parameters of model and calculation method

2.2 生態系統服務權衡與協同關系分析方法

本文采用了Pearson相關分析法,對太子河流域三種生態系統服務間的相關關系進行量化,以分析兩變量間相關程度,其計算公式如下:

式中,X、Y為兩個變量,n為變量取值的個數。當pXY=0時,X和Y不具有線性相關的關系;當pXY>0,即兩種生態系統服務之間的相關系數為正,且通過顯著性檢驗(P<0.01)時,則認為兩者之間是協同關系;反之為權衡關系[43],且pXY越接近±1時,相關性越高。

不同樣點尺度的相關性研究中,本文通過ArcGIS中的創建漁網工具創建隨機點,分別按照100m、1km、5km、7km、10km五種尺度設置取樣點,利用RStudio中Corrgram包進行計算并將結果可視化,探討每種尺度下的權衡與協同關系。

本研究借助南丁格爾玫瑰圖表達不同用地類型上三種生態系統服務功能的差異,首先在ArcGIS中按照用地類型進行分類,并對各地類上的3種生態系統服務進行統計,得到每種地類上各服務對應的均值,通過Z-Score標準化進行去量綱處理[12],將處理后的結果在RStudio中通過ggplot2包制作不同地類中三種生態系統服務的南丁格爾玫瑰圖。

對太子河流域生態系統服務的冷熱點分析,本文首先求得每年內3種生態系統服務的均值,然后將大于當年平均值的地區,視為此服務的熱點區[44],能提供2種服務類型的視為次熱點區,依次類推并進行熱點區制圖。

2.3 生態系統服務權衡/協同情景預測

本文基于IDRISI軟件進一步對太子河流域2030年的土地利用變化進行預測,過程如下:①在Markov模塊以2010-2020年土地利用柵格數據為初始數據,得到轉移概率矩陣和轉移面積矩陣;②通過多標準評價模塊(MCE)建立適宜性規則,生成適宜性圖集[45]并分別設置約束條件,在開發情景下,設置公路,鐵路等為驅動因子,大力促進城市發展;保護情景下,限制林地、草地的開發,加強對水域、湖泊等的保護;計劃情景下,不進行人為干預,假設未來十年仍按照現在的方式發展;③構造CA濾波器,本文選取5×5的元胞矩陣;④以2010年為起始時刻,以10a為周期,模擬2020年土地利用空間分布狀況,并進行模型的精度檢驗,檢驗結果Kappa系數為0.794,符合精度要求。⑤最后以2020年為起始時刻,選擇適宜性圖集,以10a為周期迭代,對2030年的土地利用狀況進行預測。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務時空變化特征

2000-2020年各項生態系統服務空間分布如圖2所示,從圖中可知,太子河流域近20年的碳儲量變化不大,2000、2010、2020的碳儲量分別為23.35×104t/hm2、23.35×104t/hm2、23.90×104t/hm2,碳儲量空間分布格局變化較小,高值區主要在東部,用地類型以林地為主;低值區分布在西部,以耕地為主,建設用地區的碳儲量最低,但2020年建設用地區的碳儲量略有增加。2000年到2020年流域內生境質量平均值分別為0.661、0.652、0.626,數值越小表明生境質量越差,因此流域內總體生境質量有所下降,高值區主要分布在流域東部,呈現東高西低的分布態勢,水域附近的生境質量多年內均較好。流域內土壤保持的變化沒有特殊規律,上游地區的土壤保持量多,下游地區少;水土保持總量分別為3.44×108t、25.8×108t、11.62×108t,多年平均土壤保持量為377.82t/hm2,在2010年水土保持量增加明顯,這可能是由2010年比2000、2020年降水量多,降水對流域的侵蝕強造成的;到了2020年土壤保持量有所下降,西部地區處于多年穩定狀態,總體變化幅度不大。

圖2 2000-2020年太子河流域生態系統服務空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

圖3表示流域內三種生態服務功能從2000年到2010年和從2010年到2020年每十年間的生態系統服務的變化量,從圖3中可以看出,2000年到2010年,流域內碳儲量呈增加趨勢,碳儲量的虧損區零星出現在北部、中部城鎮地區;在2010-2020年十年間,流域內碳儲量呈虧損狀態。從2000年到2010年,流域內生境質量處于西部、東部增益,中部建設用地區損失狀態,但是在2010-2020年間,生境質量總體變化不大,處于相對穩定的狀態,部分建設用地區生境質量有所增益。2000年到2010年,土壤保持處于虧損狀態,僅有東南部少部分地區有所增益,但在2010年至2020年,流域內絕大部分地區均為增益狀態。

圖3 2000-2020年每10年間太子河流域生態系統服務變化量Fig.3 Changes of ecosystem services in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.2 基于樣點尺度的生態系統服務權衡/協同時空變化

圖4的餅狀圖填充范圍和顏色代表相關系數大小,填充范圍越大,顏色越深,相關系數越高。流域內三種生態系統服務均通過了0.01的顯著性檢驗,在不同的樣點尺度上,除在2010年100m尺度上,碳儲量和生境質量以及生境質量和土壤保持之間出現微弱的負相關關系外,其余樣點尺度下三者之間均為正相關關系,即協同關系;從尺度上來看,隨著樣點間隔的增大,生態系統服務兩兩之間的相關性不斷增強。2000年和2010年中,生境質量和碳儲量在不同尺度上的相關系數均大于0.9,說明兩者存在顯著正相關性,生境質量高值區和碳儲量高值區高度吻合,這是因為生態系統服務的固碳能力通常由植被初級生產力、枯落物等決定,植被茂密的地區碳儲量相對高,而植被覆蓋度高的地區通常情況下其生境質量也相對較好;碳儲量和土壤保持,生境質量和土壤保持之間雖通過了顯著性檢驗,但是在100m、1km、5km等尺度上相關系數較低,顯著性較弱?？傮w而言,生態系統服務間的關系是由其相互作用引起的,比如土壤保持能力由降水、植被覆蓋以及坡度等共同作用,在坡度一定、降水均勻的年份,植被覆蓋對土壤保持的作用更為明顯,而植被覆蓋度高的地區相應的生境質量也會有所提高,所以兩者之間出現協同關系。

圖4 2000-2020年太子河流域生態系統服務相關關系時空變化Fig.4 Spatial-temporal changes of ecosystem services in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.3 基于地類的生態系統服務權衡/協同時空變化

不同地類間生態系統服務變化的南丁格爾玫瑰圖如圖5所示,從圖中可以看出,研究期內土壤保持功能一直較高,耕地、林地、草地三者生態服務功能比較相似,均以土壤保持功能為主,碳儲功能其次;2000年,耕地、建設用地的固碳和土壤保持功能均較好,水域的碳儲量最大,建設用地的生態系統服務功能變化較大,前期以固碳和土壤保持功能為主,2010年,碳儲能力下降,2020年又有所恢復;未利用地的生境質量在2000年、2010年均較好,土壤保持功能也在不斷增強。以2020年為例,固碳價值在各土地利用類型中表現為:林地>草地>耕地>水體;土壤保持服務的價值量:草地>耕地>林地>水體;生境質量價值為:林地>耕地>草地>水體。

圖5 2000-2020年太子河流域不同地類生態系統服務時空變化Fig.5 Spatial-temporal changes of ecosystem services of different land types in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.4 基于冷熱點的生態系統服務權衡/協同時空變化

以太子河的子流域作為最小研究尺度繪制了流域內冷熱點分析圖(圖6),統計結果表明,2000、2010、2020年三類服務熱點區分別占39.83%、39.14%、43.32%,2010-2020年,熱點區的占比有明顯增長,反映太子河流域總體生態環境的不斷改善。從空間分異來看,流域西部大多數地區提供的生態服務種類為0,三年間占比分別為43.92%、44.49%、41.25%,為生態系統服務的冷點區,整體生態系統服務能力較弱;東部地區大多數為生態系統服務的熱點區,固碳、土壤保持以及生境質量維持能力強;而在兩者之間的過渡帶為生態系統服務的次熱點區,可以提供2種類型的生態系統服務?？傮w來看,太子河流域植被覆蓋度高、人類活動少的地區具有更強的土壤保持和固碳能力,是多重服務熱點區。

圖6 2000-2020年太子河流域多重生態系統服務熱點區Fig.6 Multiple ecosystem service hotspots in the Taizi River Basin from 2000 to 2020

3.5 生態系統服務權衡/協同情景預測結果

采用IDRISI軟件對2030年太子河流域內不同發展方式下土地利用狀況進行了預測,相關預測結果如圖7所示。

圖7 2030年太子河流域多情境預測下土地利用狀況Fig.7 Land use in Taizi River Basin under multi-scenario prediction in 2030

三種情景中,保護情景下的生境質量最好,為0.680,其次是計劃情景,為0.623,而開發情景下的生境質量最差,為0.617;與太子河流域當前的生境質量相比,開發情景和自然情景下的生境質量都略有下降,而在保護情景下,生境質量將大幅提升;保護、開發、計劃情景下碳儲量分別為23.319×104t、23.048×104t、23.066×104t,保護情景下的碳儲量與當前流域碳儲量相差無幾,而在開發情景和計劃情景下的碳儲量均低于當前流域碳儲量,表明過度開發或不加干預可能會使流域碳儲量減少;土壤保持量在開發情景下最多,為11.41×108t,說明在此情景下流域水土流失較為嚴重,計劃情景和保護情景下的土壤保持量分別為11.17×108t、11.18×108t,均少于當前土壤保持量;在保護情景下,草地相較2020年會增加694.5km2,建設用地減少1331.6km2;開發情景下,耕地將減少871.4km2,水域面積減少224.58km2。

通過Origin相關性分析可知(圖8),在三種情景下,生態系統服務的相關性均為正相關,且通過了P<0.05的顯著性檢驗,相關性較高,因此,三種生態系統服務之間均為協同關系。其中,固碳和生境質量以及固碳和土壤保持之間在三種預測情景下相關系數均高于0.75,具有顯著正相關關系,而土壤保持和生境質量之間的相關系數略低。以子流域為最小研究尺度制作三種預測情景下的冷熱點分析圖(圖9),結合冷熱點分析發現,生態系統服務的冷熱點分布總體是“東熱西冷”,局部地區略有差異;在開發、保護、計劃三種情景下,能提供三類生態系統服務的占比分別為40.88%、42.85%、40.88%;提供兩類生態系統服務的區域占比分別為12.07%、11.96%、13%,可見保護情景下生態系統服務總體狀況最好。

圖8 多情景預測下2030年太子河流域生態系統服務間相關關系Fig.8 Correlation between ecosystem services in the Taizi River Basin under multiple scenarios in 2030

圖9 多情景預測下2030年太子河流域多重生態系統服務熱點區Fig.9 Multiple ecosystem service hotspots in the Taizi River Basin under multiple scenarios in 2030

4 討論與結論

4.1 討論

生態系統服務具有異質性,厘清其相互關系,可以更好地認識土地利用存在的問題,避免人類對資源的肆意開發而忽略生態系統服務的內部作用,促進區域山水林田湖草修復和可持續發展。生物多樣性是維持生態系統服務權衡或協同關系的基礎[46],本研究中太子河流域固碳、生境質量和土壤保持服務的熱點區均分布在流域的東部,這主要是因為東部地區主要以林地為主,占流域總土地面積的40%左右,植被覆蓋茂密。森林具有吸儲CO2釋放O2和保持土壤、防止水土流失的作用,因此在流域東部整體的碳儲量、土壤保持量較高。這與張琨等[9]的研究結果一致,即植被覆蓋度高的地區固碳和水土保持功能更好。土壤保持和生境質量、固碳和生境質量以及土壤保持和固碳之間為協同關系,這一結果與諸多已發表的觀點一致[16,47]。此外,權衡與協同關系在各尺度上存在差異[47],在本研究,100m樣點尺度下固碳和生境質量、生境質量和土壤保持出現負相關,這是由在樣點尺度劃分中不同像元內土地利用類型的組合與占比不同造成的。

三種預測情景中,保護情景最有利于促進區域生境質量改善,開發情景下生境質量最差。在未來太子河流域發展規劃中,應尋求兩者之間的平衡點,兼顧區域發展和環境保護,使流域生態系統服務能力達到最優。針對不同預測情景下生態系統服務能力的差別,在未來的土地利用規劃中應進行相應的調整,在開發情景下,嚴守耕地保護紅線,對已開發地區應加強相應的生態補償措施;在保護情景下,堅持“兩山”理念,加強旅游宣傳,實現經濟發展與生態保護雙贏。

本研究僅探究了太子河流域三類生態系統服務間的權衡協同關系,后續可以增加生態系統服務驅動機制及時空異質性研究,此外,本文所用的降水數據來源較廣,尤其是2020年降水數據來源于不同氣象站點,增加了數據的差異性,同時模型參數的設置主要參考文獻資料,一定程度上會影響研究結果。

4.2 結論

(1)太子河流域生態系統服務的權衡與協同關系的研究發現,流域內三種生態系統服務間的主導關系為協同關系,在各樣點尺度上也均為協同關系(除2010年100m尺度下),樣點尺度越大,相關性越顯著。其中,碳儲量和生境質量具有高度正相關性。

(2)各用地類型中,耕地的生境質量不斷改善,固碳服務在耕地中呈現先上升后下降的趨勢,在林地中則呈現下降趨勢,而在建設用地中,固碳服務呈先降后升的趨勢;土壤保持量則先升后降,三種服務均在林地中價值量最高。

(3)生態系統服務的熱點區集中在流域東部林地地區;冷點區分布在西部,以耕地和建設用地為主,人類活動頻繁;次熱點區在兩者之間的過渡帶,以草地為主。耕地、林地、草地均具有較高的土壤保持能力。

(4)三種預測情景下,生態系統服務間均為協同關系,開發情景下,建設用地的面積增加最多,但是生境質量、固碳能力有所降低;保護情景下碳儲量最高、生境質量最好、水域面積最多,生態系統服務的熱點區占比也是最高的。