郜紅娟, 韓會慶, 俞洪燕, 韓默然

烏江流域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地形梯度分布特征分析

郜紅娟, 韓會慶*, 俞洪燕, 韓默然

貴州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院, 貴州 貴陽 550018

為探究流域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間特點, 利用ArcGIS軟件和InVEST模型, 從高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)等方面對烏江流域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地形梯度分布特征進行了分析。結(jié)果表明: (1)水供給在各地形梯度上均呈小幅波動特點。碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持隨著坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)的增加而增加, 隨著高程增加呈波動起伏特點; (2)水土保持在各地形梯度上的變化突出, 生境質(zhì)量和碳儲量的變化居中, 而水供給變化較小; (3)碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持在不同地形梯度上的差異明顯, 而水供給在不同地形梯度上的差異較小。土地利用空間格局及流域地形特征是影響該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度差異的重要因素。以期為流域土地利用科學(xué)管理及生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 空間異質(zhì)性; 地形梯度; InVEST 模型; 烏江流域

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的利益,它主要包括各類生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)[1]。由于不同地域生態(tài)系統(tǒng)的差異, 造成不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也存在差異, 從而使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在空間異質(zhì)性和區(qū)域差異[2]。為了使生態(tài)服務(wù)功能更好地為人類提供福利, 需要探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的地域差異, 因此空間異質(zhì)性研究成為當前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究的熱點。

目前, 關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究多集中于基于價值量法的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間差異研究[3], 如李博等利用謝高地的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值當量表”分析了石羊河流域內(nèi)植被系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間異質(zhì)性[4]。徐聰?shù)壤檬袌鰞r值法、影子工程法以及旅游費用法對遼河三角洲濕地保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布進行了研究[5]。從研究視角看, 當前研究多從行政單元之間空間差異出發(fā), 進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間異質(zhì)性研究[6]。很少關(guān)注地形因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間異質(zhì)性的影響。地形作為影響生態(tài)系統(tǒng)分布、結(jié)構(gòu)和功能的重要因素, 它對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、消費都產(chǎn)生了一定影響, 因此, 厘清地形對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間差異的影響對深化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究具有重要意義。

烏江流域位于我國西南山區(qū), 流域內(nèi)地形差異突出, 這使得區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)空間差異明顯。然而, 盡管烏江流域為區(qū)域人類活動提供了各種不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù), 但這些服務(wù)的空間差異及地形對其影響如何還有待進一步研究, 因此, 本文以烏江流域為例, 利用InVEST模型和ArcGIS軟件分析了不同地形梯度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布研究, 以期為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化提供科學(xué)參考。

2 研究區(qū)域與方法

2.1研究區(qū)概況

烏江流域(貴州段)(104°09′—109°38′E, 25°26′—30°22′N)位于貴州省中北部(圖1)。烏江屬長江上游支流, 發(fā)源于貴州省境威寧縣, 在東北部出境進入重慶, 流域面積66807 km2。烏江水系呈羽狀分布,主要支流有六沖河、貓?zhí)?、清水江等。流域地勢西南高、東北低, 地形以高原、山原、中山及低山丘陵為主。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū), 年降水量1100—1400 mm, 年均溫13—18 ℃。近年來, 工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加速發(fā)展, 對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定壓力[7], 另外, 退耕還林政策的實施使得該流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到一定的改善。

圖1 烏江流域區(qū)位及土地利用Fig. 1 Location and land use map of Wujiang River Basin

2.2數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源主要包括兩部分: 一是地形數(shù)據(jù),包括高程和坡度(30×30 m), 來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心。二是InVEST模型運行所需數(shù)據(jù), 主要包括土地利用、氣候、土壤等數(shù)據(jù), 其中,土地利用數(shù)據(jù)來源于2010年Landsat ETM遙感影像(30 m×30 m), 氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心, 土壤來自中國土壤數(shù)據(jù)庫。

2.3InVEST模型

InVEST模型是由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會和大自然保護協(xié)會聯(lián)合開發(fā)的專門用于評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。該模型主要包括：植物授粉、產(chǎn)木材、生境質(zhì)量、水供給、水土保持、碳模塊等模塊。根據(jù)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特點及數(shù)據(jù)的可獲取性,選取了生境質(zhì)量、水土保持、水供給和碳儲量四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行評估。

2.3.1 生境質(zhì)量

該模型是基于土地利用類型數(shù)據(jù)進行生境質(zhì)量評估。模型運行所需數(shù)據(jù)包括: 土地利用圖、生態(tài)威脅因子圖層、生態(tài)威脅因子屬性表和土地覆蓋類型對各生態(tài)威脅因子的敏感度表。參數(shù)設(shè)置來源于InVEST模型使用說明[8]、相關(guān)案例[9–10]以及專家打分獲得。

生境質(zhì)量指數(shù)計算公式為:

其中: Qxj為生態(tài)質(zhì)量指數(shù), Hj為生境適宜度指數(shù); Dxj為土地利用與土地覆蓋類型的生境退化程度; Z為歸一化常量(值為2.5); k為半飽和系數(shù), 其值等于柵格單元分辨率大小的一半。該指數(shù)是一個標準化、無量綱的指數(shù)。

2.3.2 水土保持

該模型主要利用美國土壤流失方程(USLE)進行計算。模型所需數(shù)據(jù): DEM、土地利用數(shù)據(jù)、土壤侵蝕屬性和土壤屬性等。其計算公式為: 水土保持量等于最大水土流失量減去土壤侵蝕量[11]。

式中: R為降雨侵蝕力; K為土壤可蝕性; LS為坡長; C

為植被覆蓋和管理因子; P為工程措施因子。

2.3.3 水供給

該模型是利用降雨量、蒸散量、土壤深度、植物可利用水等數(shù)據(jù)計算[12]:式中:Yxj為柵格單元x 中土地覆被類型j 的年產(chǎn)水量; AETxj為柵格單元x中土地覆被類型j 的實際蒸散; Px為柵格單元x 的降水量。其中AETxj是由Budyko曲線計算得到。

2.3.4 碳儲量

該模型主要利用土地利用圖和基本碳庫來計算碳儲量。其計算公式為:

式中: Cveg為植被碳儲量(包括: 地上生物碳、地下生物碳和死亡有機碳); Csoil為土壤碳。碳密度數(shù)據(jù)來源于李克讓[13]、羅懷良[14]、解憲麗[15]、黃從紅[16]和李默然[17]等。

2.4地形數(shù)據(jù)處理

2.4.1 地形起伏度

地形起伏度的計算主要利用柵格鄰域計算工具進行計算, 其計算公式為:

式中: Cmax為窗口內(nèi)的最大高程、Cmin為窗口內(nèi)的最小高程。

2.4.2 地形位指數(shù)

地形位指數(shù)是綜合描述空間任何一點高程和坡度屬性信息的指標, 其計算公式:

式中: T為地形位指數(shù); E和E0為研究區(qū)任一高程和平均高程; S和S0為研究區(qū)任一坡度和平均坡度。坡度小, 高程低的地區(qū)地形位指數(shù)越小, 反之越大。

2.4.3 地形數(shù)據(jù)分級標準

為分析不同地形梯度生態(tài)服務(wù)分布特點, 利用ArcGIS軟件, 按照分位數(shù)法, 將高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)分別分為5級, 然后根據(jù)數(shù)值大小, 將5個等級分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級(表1、圖2)。

3 結(jié)果與分析

基于遙感數(shù)據(jù)、地形、氣候、土壤等數(shù)據(jù)源, 利用InVEST 模型估算出的烏江流域2010年碳儲量、生境質(zhì)量、水供給和水土保持等重要服務(wù)功能的空間分布圖(圖3)。

利用ArcGIS軟件, 將高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)圖分別與水供給、碳儲量、水土保持和生境質(zhì)量四種生態(tài)服務(wù)圖進行疊加分析, 得到不同地形梯度帶的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布圖; 最后, 利用地統(tǒng)計工具, 獲取每個地形梯度級的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平均值。

表1 高程、坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)分級標準Tab. 1 Classification of elevation, slope, landform relief gradients and terrain niche gradients

圖2 烏江流域地形特征圖Fig. 2 Distribution characteristics of terrain in the Wujiang river basin

圖3 烏江流域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布圖Fig. 3 Distribution of important ecosystem services in the Wujiang River Basin

隨著坡度的增加, 碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持呈遞增趨勢, 而水供給呈先降低后增加再降低的特點(圖4)。其中, 水土保持和生境質(zhì)量的變化率相對較大(142.73%和47.17%), 而碳儲量和水供給變化率相對較小(12.53%和–1.54%)(表2)。這主要與不同坡度帶人類活動強度差異有關(guān)。如烏江流域中南部坡度較小, 西部、東部和北部較大, 這使得中南部受人類干擾較強, 農(nóng)田和建設(shè)用地面積較大, 而其他地區(qū)林地、草地等自然植被較多, 因此導(dǎo)致中南部碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持較小, 而其他地區(qū)碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持較大。由于水供給主要受氣候影響較大, 這使得水供給在坡度上的變化呈波動起伏, 與地形的相關(guān)性較差。

隨著高程增加, 碳儲量和生境質(zhì)量呈先增加后降低再增加的特點, 而水土保持一直呈降低趨勢,水供給呈先降低后增加再降低的特點(圖4)。從變化率看, 水土保持變化率最大(51.03%), 水供給和生境質(zhì)量變化率居中(–11.16%和10.61%), 而碳儲量變化最小(3.97%)(表2)。由于流域高程呈東北向西南遞增特點, 而林地、草地多集中于北部和西南部, 耕地和建設(shè)用地集中中南部, 這造成各高程梯度上, 地類分布較為分散, 從而使得各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在高程上呈波動起伏特點。另外, 由于烏江流域降水呈東南高西北低的特點, 說明地形對氣象的影響較小, 這也使得水供給在高程梯度上規(guī)律性較差。

圖4 各地形梯度帶重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布特點Fig. 4 Distribution characteristics of important ecosystem services in terrain gradients

表2 重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在各地形梯度帶上的變化(%)Tab. 2 Change rate of important ecosystem services in terrain gradients (%)

隨著地形起伏度增加, 碳儲量、水土保持和生境質(zhì)量均不斷增加(圖4)。尤其是水土保持, 其變化率達309.70%, 生境質(zhì)量變化率也較大, 為70.21%。而水供給呈先降低后增加再降低的特點, 且變化率最小, 僅為–2.60%(表2)。由于流域地形起伏度與坡度空間格局具有相似性, 這造成地形起伏度上各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化特點與在坡度梯度上具有類似性。但由于地形起伏度大小對水土流失強度具有突出的影響, 這也導(dǎo)致其變化率十分明顯。

隨著地形位指數(shù)的增加, 碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持呈增加趨勢, 而水供給呈遞減趨勢(圖4)。從變化率看, 水土保持和生境質(zhì)量變化率較大, 分別為59.75%和49.06%, 而碳儲量和水供給變化較小,分別為10.40%和-5.97%(表2), 該流域地形位指數(shù)呈中東部、南部較小, 西部和北部較大特點。中東部(特別是中部)坡度相對較小, 耕地為主, 西部和北部坡度相對較大, 以林地和草地為主, 從而這使得碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持隨著地形位指數(shù)增加而增加。

4 結(jié)論與討論

地形是影響生態(tài)服務(wù)功能空間差異的重要基礎(chǔ),本文通過對烏江流域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能地形梯度特征分析, 結(jié)果表明: 碳儲量、生境質(zhì)量和水土保持隨著坡度、地形起伏度和地形位指數(shù)的增加而增加; 而在高程梯度上, 碳儲量和生境質(zhì)量呈先增加后降低再增加特點, 水土保持呈持續(xù)下降趨勢。水供給在各地形梯度上均呈波動變化特點。水土保持在各地形梯度的變化率最大, 其次為生境質(zhì)量和碳儲量, 而水供給變化率最小。

InVEST模型提供了柵格格式的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估結(jié)果, 這使其在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分析中具有一定的優(yōu)勢。然而該模型在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估中,部分參數(shù)的設(shè)置以歐美國家為參考, 這可能會對評價結(jié)果產(chǎn)生一定的影響, 因此今后的研究應(yīng)根據(jù)研究區(qū)特點, 調(diào)整和完善研究區(qū)參數(shù)設(shè)置。另外, 本研究只選取了碳儲量、生境質(zhì)量、水土保持和水供給等四種服務(wù)功能進行評估, 涉及的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能種類相對較少, 結(jié)果具有一定的局限性, 今后應(yīng)通過評估更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 全面反映其地形梯度特征。

[1] Millennium Ecosystem Assessment (MA). Ecosystems and human well-being: the assessment series. Washington, DC: Island Press, 2005.

[2] 李雙成. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地理學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014.

[3] 許倍慎, 周勇, 徐理, 等. 湖北省潛江市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值空間特征[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2011, 31(24): 7379–7387.

[4] 李博, 石培基, 金淑婷, 等. 石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間異質(zhì)性及其計量[J]. 中國沙漠, 2013, 33(3): 943–951.

[5] 徐聰, 李建東, 郭偉, 等. 遼河三角洲濕地保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值空間分布研究[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2011, 13(3): 353–355.

[6] 王斌, 張彪, 王建鋒,等. 太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其空間差異[J]. 水土保持通報, 2011, 31(2): 215–221.

[7] 易武英, 蘇維詞. 基于RS和GIS技術(shù)的烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀診斷[J]. 中國巖溶, 2013, 32(4): 447–452.

[8] SHARP R, CHAPLIN-KRAMER R, WOOD S, et al. InVEST tip User’s Guide. The Natural Capital Project, Stanford, 2014.

[9] BHAGABATI N K, RICKETTS T, SULISTYAWAN T B S, et al. Ecosystem services reinforce Sumatran tiger conservation in land use plans [J].Biological Conservation, 2014, 169: 147–156.

[10] 吳健生, 馮喆, 高陽, 等. 基于DLS模型的城市土地政策生態(tài)效應(yīng)研究——以深圳市為例[J]. 地理學(xué)報, 2014, 69(11): 1673–1682.

[11] 周彬, 余新曉, 陳麗華, 等. 基于InVEST模型的北京山區(qū)土壤侵蝕模擬[J]. 水土保持研究, 2010, 17(6): 9–13.

[12] 王大尚, 李屹峰, 鄭華, 歐陽志云. 密云水庫上游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間特征及其與居民福祉的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2014, 34(1): 70–81.

[13] 李克讓, 王紹強, 曹明奎. 中國植被和土壤碳貯量[J].中國科學(xué)(D輯), 2003, 33(1): 72–80.

[14] 羅懷良, 袁道先, 陳浩. 南川市三泉鎮(zhèn)巖溶區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機碳密度[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2008,17(5): 2014–2018.

[15] 解憲麗, 孫波, 周慧珍, 等. 中國土壤有機碳密度和儲量的估算與空間分布分析[J]. 土壤學(xué)報, 2004, 41(1): 35–43.

[16] 黃從紅. 基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究一一以四川寶興縣和北京門頭溝區(qū)為例[D]. 北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2014.

[17] 李默然, 丁貴杰. 貴州黔東南主要森林類型碳儲量研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2013, 33(7): 119–124.

Distribution characteristic of important ecosystem services in terrain gradient in Wujiang River Basin

GAO Hongjuan, HAN Huiqing*, YU Hongyan, HAN Moran
College of Geography and Tourism,Guizhou Normal College,Guiyang550018,China

In order to explore the spatial characteristics of ecosystem services in catchment scale, we analyzed the distribution characteristics of ecosystem services in a terrain gradient, in Wujiang river basin, from the perspectives of elevation, slope, landform relief and terrain niche. We did this using the InVEST model and ArcGIS software. The results are as follows. (1) Water supply had a characteristic of small fluctuations in the terrain gradients. Carbon storage, habitat quality, soil and water conservation increased along the increase of slope, landform relief and terrain niche and had a characteristic of fluctuations along the increase of elevation. (2) Soil and water conservation had a significant change in each terrain gradient. Habitat quality and carbon storage had a relatively large change, while water supply had a relatively small change. (3) There were obvious differences in different terrain gradients for carbon storage, habitat quality, soil and water conservation, while small differences could be observed in different terrain gradients for water supply. Land use spatial patterns and watershed topographic characteristics were the important factors affecting the gradient differences of ecosystem services. The study can provide a scientific basis for land use scientific management and ecological environment protection in the watershed.

ecosystem services; spatial heterogeneity; terrain gradient; InVEST model; Wujiang river basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.021

F301.24

A

1008-8873(2016)05-154-06

2015-07-11;

2015-11-27

國家自然科學(xué)基金項目(31100187); 貴州師范學(xué)院自然科學(xué)研究基金項目(2015YB021)

郜紅娟(1981—), 女, 山東菏澤人, 碩士, 從事自然資源開發(fā)與區(qū)域規(guī)劃研究, E-mail: cgp1963@126.com

*通信作者: 韓會慶, (1983—), 男, 山東濟南人, 博士研究生, 從事土地利用開發(fā)與保護研究, E-mail: hhuiqing2006@126.com