高 超，趙 軍，李傳華，魏 偉，王建邦，康重陽

（西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州 730070）

氣候變化和人類開發(fā)等多因素影響，可能導致草地生態(tài)環(huán)境退化，直接影響區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。分析草地較長時間序列的生長情況，并對同期草地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務進行評估，探索草地覆蓋狀況對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，可為認識草地生態(tài)系統(tǒng)服務規(guī)律、提升生態(tài)系統(tǒng)科學管理能力提供理論參考[3]。

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務是學術界的研究熱點之一[4-5]，前人從不同角度針對植被展開研究，但已有研究多基于特定時間段來分析植被變化的空間格局，或以較短時序分析植被的變化過程和特征，也有學者從生態(tài)恢復與生態(tài)效益方面進行探討[6-9]。植被作為生態(tài)系統(tǒng)服務產(chǎn)生和傳遞的重要基礎，氣候變化和人為擾動的影響結果直接體現(xiàn)在植被上。因此，植被的生長狀況勢必對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務產(chǎn)生重要影響，在分析生態(tài)系統(tǒng)服務變化時，有必要明確植被變化對其產(chǎn)生的影響和趨勢[10]。

石羊河流域是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，是中國西北生態(tài)安全屏障的重要組成部分，水資源、水土保持及植被恢復與保護等問題是區(qū)域生態(tài)和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要指標。然而石羊河流域生態(tài)問題嚴重，水土資源作為區(qū)域的生態(tài)基礎至關重要，水土資源不足引起的草地生態(tài)環(huán)境退化勢必影響草地的固碳服務，進而加重人工固碳或減少排放的任務量。因此，本研究選擇草地的產(chǎn)水量、土壤保持、固碳服務等主要生態(tài)系統(tǒng)服務功能，探討草地植被覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，以期為石羊河流域草地植被生態(tài)系統(tǒng)保護和科學管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與評估方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域地理位置為 101°41′-104°16′ E、36°29′-39°27′ N，總面積 4.16 × 104km2，平均海拔約2 000 m，屬于典型的大陸溫帶干旱氣候，其上、中、下游的氣候特征具有明顯分異：上游祁連山高寒半干旱濕潤區(qū)，年均氣溫約0 ℃，常年平均降水量為 300～600 mm，年蒸發(fā)量為 700～1 200 mm，是流域主要水源供給地，該區(qū)草地主要為高山和亞高山草甸，植被茂密，水土保持及碳固定能力較強；中游走廊平原干旱區(qū)，是流域內(nèi)的主要灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，年均溫不足7.8 ℃，年降水量150～300 mm，年蒸發(fā)量 1 300～2 000 mm，干旱程度明顯大于上游區(qū)域，且為流域的主要耗水區(qū)，該區(qū)草地主要為荒漠草原，水土保持能力較差；下游溫暖干旱區(qū)，主要為民勤綠洲和荒漠，多年平均氣溫為7.6 ℃，年均降水量不足150 mm，年蒸發(fā)量 2 000～2 600 mm，區(qū)域降水少且蒸發(fā)強，屬于重度缺水區(qū)，成為生態(tài)環(huán)境問題最為突出的區(qū)域。綜合來看，中下游草地均屬荒漠草原和干草原植被類型。

1.2 數(shù)據(jù)來源

植被覆蓋度 (fractional vegetation cover, FVC)以MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算獲得，歸一化植被指數(shù) (normalized difference vegetation index, NDVI)產(chǎn)品空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，以最大值合成法得到年數(shù)據(jù)。固碳服務以MODIS-NPP產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲得，NPP產(chǎn)品空間分辨率為1 000 m，時間分辨率為1 a。以上MODIS數(shù)據(jù)均來自https://modis.gsfc.nasa.gov/。產(chǎn)水服務與土壤服務采用InVEST模型計算，所使用的基礎數(shù)據(jù)如表1所列，對獲得的原始數(shù)據(jù)進行處理和計算得到模型的輸入?yún)?shù)。

1.3 評估方法

本研究以NDVI計算植被覆蓋度，基于InVEST模型的產(chǎn)水量模塊、土壤侵蝕模塊，基于植物光合作用方程，定量評估石羊河流域草地生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水服務、土壤保持服務和固碳服務的時空變化特征。

氣象數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)和土地利用等產(chǎn)品數(shù)據(jù)均滿足本研究要求(表1)。植物蒸散系數(shù)、土壤保持措施因子及植被覆蓋和管理因子等經(jīng)驗參數(shù)，以相近研究區(qū)、模型參數(shù)可借鑒性、文獻的新近性為原則，通過分析大量文獻獲得。Zhang系數(shù)、匯水累計閾值和坡度閾值需多次模擬，使其與研究區(qū)實際情況相符。多次模擬后分別取9.433、800和25。

1.3.1 草地覆蓋變化分析

植被覆蓋度基于NDVI數(shù)據(jù)、以像元二分模型計算獲得，公式如下：

式中：FVC為植被覆蓋度，NDVIsoil和NDVIveg分別為純裸土和純植被對應的NDVI值，結合前人研究和具體情況，取生長季內(nèi)植被NDVI最小值0.076和最大值0.818代替NDVI和NDVI[19]。

對2000-2015年草地覆蓋變化進行分級，結合已有研究及研究區(qū)實地考察，將草地現(xiàn)狀分為5類[20]。其中，植被覆蓋度之差＜-20%為明顯退化，在-20%～-5%為較明顯退化，在-5%～5%為無變化，在5%～15%為輕微改善，植被覆蓋度之差＞15%為較明顯改善。

表1 InVEST 模型參數(shù)來源說明Table 1 InVEST data source

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務評估

1) 產(chǎn)水服務

產(chǎn)水量模塊基于Budyko水熱耦合平衡假設(1974年)和年平均降水量數(shù)據(jù)，以水量平衡法計算產(chǎn)水量。公式如下：

式中：AET(x)表示柵格單元x的年實際蒸散量，P(x)表示柵格單元x的年降水量。

水量平衡公式中，植被蒸散發(fā)(實際蒸散量與降水的比值)采用Budyko水熱耦合平衡假設公式：

式中：PET(x)表示潛在蒸散量、ω(x)表示自然氣候-土壤性質的非物理參數(shù)，其中PET(x)定義為：

式中：ET0(x)表示柵格單元x的參考作物蒸散，Kc(lx)為柵格單元植物蒸散系數(shù)。

式中：AWC(x)為植物可利用含水量(mm)，由土壤質地和土壤有效深度決定，Z為經(jīng)驗常數(shù)，反映區(qū)域降水分布及其他水文地質特征。

2) 土壤保持服務

土壤保持服務以土壤侵蝕和土壤保持量為指標，土壤保持量定義為裸地條件下的土壤侵蝕量RKLS與植被覆蓋情況下的土壤侵蝕量USLE之差。公式如下：

式中：USLE為實際土壤侵蝕，RKLS為潛在土壤侵蝕，R為降水可蝕量因子，K為土壤可蝕性因子，LS為坡度坡長因子，C為作物/植被和管理因子，P為土壤保持措施因子，SD為土壤保持量。

3) 固碳服務

植被吸收空氣中的二氧化碳，通過光合作用產(chǎn)生有機物并釋放氧氣，化學反應方程式為：

根據(jù)上式計算得出：植物干物質生產(chǎn)與CO2消耗比例為1∶1.62，因此固碳量為：

2 結果與分析

2.1 石羊河流域草地覆蓋度的時空特征

2000-2015年期間石羊河流域草地覆蓋度最大值不斷減小，最小值卻呈現(xiàn)增加趨勢，平均值呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(表2)。結合2000-2015年土地利用數(shù)據(jù)的草地面積變化統(tǒng)計，造成這種情況的原因是草地面積在不斷減少，尤其是低覆蓋度草地的不斷消失，使得植被覆蓋度的最小值在不斷增加。植被覆蓋度的均值先增加后減少，2005-2015年草地覆蓋度整體開始減小(最大值減小，最小值增加，均值減小)，2010-2015 年減小最為嚴重。上述結果表明：石羊河流域草地生態(tài)系統(tǒng)質量下降。

從草地覆蓋變化趨勢看，石羊河流域草地覆蓋有顯著減小，且主要集中在上游(圖1)。石羊河上游地區(qū)，西南區(qū)域顯著減小，所屬子流域為西大河流域和東大河流域，以及西營河流域西部；中部靠南也有顯著減小，北部卻有較顯著改善；雜木河流域、黃羊河流域及古浪河流域也呈較顯著或顯著減?。粬|南部大靖河流域呈輕微改善或較顯著改善。石羊河流域中游，西部以減小趨勢為主，中部及東部呈改善趨勢。石羊河流域下游，草地覆蓋無明顯變化。

表2 2000-2015年石羊河流域草地面積及植被覆蓋度變化Table 2 Changes of the grassland area and FVC in Shiyang River basin in 2000-2015

圖1 2000-2015 年草地覆蓋變化趨勢Figure 1 Change trend of FVC in 2000-2015 grassland

2.2 石羊河流域草地生態(tài)系統(tǒng)服務的時空特征

2.2.1 產(chǎn)水量的時空特征

在2000-2015年，石羊河流域草地產(chǎn)水量總體呈上升趨勢。從流域尺度年際變化來看，產(chǎn)水量呈先減少后增加趨勢，在2010年達到最低766.93 mm·hm-2，在 2015 年達到最高值 926.71 mm·hm-2，多年平均值為853.79 mm·hm-2。子流域產(chǎn)水量的變化趨勢大致與流域類似，均呈先減少后增加趨勢。

從空間分布上來看，草地覆蓋茂密的中上游區(qū)域差異較大。其中產(chǎn)水量較高的子流域為古浪河、雜木河及黃羊河流域，均達到110 mm·hm-2以上；金塔河、西大河、大靖河及中下游流域產(chǎn)水較少，產(chǎn)水量在70～110 mm·hm-2，其中金塔河流域產(chǎn)水量最小，低于下游流域的產(chǎn)水量。

從產(chǎn)水量的變化速率空間分布來看，2000-2015年研究區(qū)各時間段內(nèi)有明顯變化，大部分區(qū)域呈小幅度減少，但增加區(qū)域有較大幅度增長(圖2)。2000-2005年，石羊河西部區(qū)域產(chǎn)水量有明顯增加，流域中心明顯減少。2005-2010年，部分區(qū)域呈小幅度上漲，漲幅最大的區(qū)域與前一期減幅最大的區(qū)域相同，減少最嚴重的區(qū)域位于流域西部邊界(圖2b)。2010-2015年，變化幅度最大。區(qū)域年均最大漲幅為40%；年均最大減幅達到10%。從整個時間序列來看，僅大靖河東部及中下游西北部漲幅明顯；東大河流域下游及其西部接壤處減幅明顯，其余區(qū)域均呈小范圍浮動變化。

圖2 產(chǎn)水量變化速率空間分布Figure 2 Spatial distribution of change rate of water wield

2.2.2 土壤保持時空特征

在2000-2015年，石羊河流域草地土壤保持總體呈波動減少趨勢。從流域尺度年際變化來看，土壤保持 2015 年達到最低 115.77 t·hm-2，2000年達到最高值 200.81 t·hm-2，多年平均值為 150.64 t·hm-2。從子流域尺度來看，黃羊河流域、古浪河流域、下游流域及大靖河流域呈不同幅度持續(xù)減少，其余子流域呈不同程度的波動減少，其中下游流域因其土壤保持量小，變化不明顯。2000-2005年，各子流域土壤保持均大幅減少，其中黃羊河流域、金塔河流域、雜木河流域及西營河流域減幅最大，古浪河流域與大靖河流域減幅較小。2005-2010年，雜木河流域、西營河流域及東大河流域均有明顯漲幅，黃羊河流域、金塔河流域及大靖河流域有小幅度減少。2010-2015年，除古浪河流域及中下游有小幅度減少、大靖河流域有小幅度增加外，其余子流域均呈大幅度減少趨勢。

從空間分布來看，除中下游流域草地覆被較少，土壤保持量極低外，石羊河上游各子流域之間土壤保持差異明顯。從土壤保持變化速率空間分布來看，2000-2015年各時段均有明顯變化但總體呈減少趨勢(圖3)。2000-2005年，石羊河流域北部土壤保持有小幅度增加，南部及東南部有不同程度減少，西大河流域、東大河流域、西營河流域及金塔河流域的中部區(qū)域減幅明顯，東大河流域、西大河流域的下游及其與下游流域接壤處也有較大減幅。2005-2010年，整個流域土壤保持變化量分區(qū)明顯，流域西南區(qū)域的5個子流域上游均明顯增長，流域東南區(qū)域明顯減少，下游流域小幅度減少。2010-2015年，流域西南部區(qū)域與前一期變化相反，流域東南區(qū)域無明顯分異但總體減少，下游流域與前一期變化相仿。

2.2.3 固碳服務時空特征

2000-2015 年，石羊河流域草地固碳量總體呈減少趨勢。從流域尺度年際變化來看，固碳量在2000 年達到最高值 194.25 g·m-2，2010 年達到最低值 139.01 g·m-2，多年平均值為 155.92 g·m-2。從子流域角度看，各子流域固碳量均呈減少趨勢且在2000-2005年顯著減少。

從空間分布來看，石羊河流域草地固碳量呈整體退化趨勢，在空間上退化程度并無太大的分異特征(圖4)。這說明影響草地固碳能力的擾動因子持續(xù)影響全域草地，并無局部擾動。從固碳能力上看，上游高固碳量區(qū)域不斷減小，且單位面積固碳能力也在不斷減??；中游與下游交界處也有部分區(qū)域固碳能力從中等向低等退化。對比同期植被覆蓋度分布情況，上游草地固碳能力的退化趨勢與草地植被覆蓋度變化趨勢大致相同：2005年以前東南部地區(qū)草地固碳功能退化最強烈，2005年以后西南部地區(qū)草地固碳功能退化超過東南部。

圖3 土壤保持變化速率空間分布Figure 3 Spatial distribution of change rate of soil conservation

2.3 石羊河流域草地覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響

為了更好地分析草地覆蓋變化對各項生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，以Pearson相關系數(shù)分別分析草地覆蓋度與各項生態(tài)系統(tǒng)服務的相關性，并分上、中、下游分析草地覆蓋度與各項生態(tài)系統(tǒng)服務的相關性，探索石羊河流域不同流域段草地覆蓋對各項生態(tài)系統(tǒng)服務的影響差異。最后綜合分析草地植被對草地生態(tài)系統(tǒng)服務的綜合影響。

2.3.1 草地植被與產(chǎn)水量

草地植被與全流域和上游的產(chǎn)水量之間存在顯著(P＜0.001)正相關，且全流域和上游的相關性強于中下游流域(表3)。從InVEST模型產(chǎn)水量輸入?yún)?shù)來看，降水是影響產(chǎn)水量的主要因素，這與吳健等[21]研究結果相符。降水同樣影響植被覆蓋，石羊河流域降水量與草地分布均呈由西南向東北遞減。在石羊河流域上游，水源充沛，水資源的消耗在區(qū)域環(huán)境的承受范圍內(nèi)；石羊河下游重度缺水且草地稀少，多為耐旱性草本植物，因此石羊河流域下游草地植被與產(chǎn)水量的相關性比中游更好。從植被恢復的角度來看，中游水資源的合理利用對全流域更為重要。

圖4 固碳量空間分布Figure 4 Spatial distribution of carbon sequestration

2.3.2 草地植被與土壤保持

草地植被與土壤保持在全流域、上游及中游存在顯著 (P＜0.001)正相關，在下游存在顯著 (P ＜0.001)負相關(表4)。在InVEST土壤保持模塊輸入?yún)?shù)中，降水侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長因子在一定時間內(nèi)基本保持穩(wěn)定，對于草地也無土壤保持措施，因此植被覆蓋因子和經(jīng)營管理因子易受人類活動干擾，從而影響流域的土壤保持。石羊河流域上游西部，草地覆蓋減小顯著，上游中部及東部部分區(qū)域有較顯著改善，對比流域土壤保持變化速率發(fā)現(xiàn)，流域上游西部可能為植被覆蓋因子和經(jīng)營管理因子共同影響；流域上游中部及東部區(qū)域為經(jīng)營管理因子影響土壤保持量。石羊河流域中游，西部草地覆蓋與土壤保持變化均呈減小趨勢；中部及東部變化趨勢相反，說明經(jīng)營管理因子主要影響土壤保持。石羊河流域下游，草地覆蓋與土壤保持變化趨勢相反，草地分布細碎，經(jīng)營管理效果微弱，因此影響因子主要為草地覆蓋。

2.3.3 草地植被與固碳服務

草地覆蓋與固碳服務之間除2000年的中游外其余年份的流域均存在顯著(P＜0.001)正相關關系，且相關系數(shù)遠高于草地覆蓋與產(chǎn)水量和土壤保持(表5)。草地覆蓋度的計算與固碳服務的計算中均用到NDVI指數(shù)，草地覆蓋與固碳服務之間存在共線性。因此，石羊河流域草地植被與固碳服務的相關系數(shù)均較大。對比2000—2015年石羊河流域草地覆蓋與固碳服務的變化趨勢，西營河流域和金塔河流域部分區(qū)域呈相反變化趨勢，草地覆蓋有所改善，但固碳服務量仍呈減少趨勢。從CASA模型的參數(shù)分析，溫度和水分可能會影響NPP量，由于產(chǎn)水量的減少幅度不大，溫度可能是造成NPP減少的主要原因。

表4 草地植被覆蓋度與土壤保持相關系數(shù)Table 4 FVC and SDR correlation coefficient fractional

表5 草地植被覆蓋度與固碳服務相關系數(shù)Table 5 FVC and carbon sequestration correlation coefficient fractional

3 討論與結論

對石羊河流域2000、2005、2010、2015年的草地覆蓋、產(chǎn)水量、土壤保持、固碳能力進行評估，并分析草地覆蓋對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，研究表明：石羊河流域草地生態(tài)系統(tǒng)質量下降，草地覆蓋減小明顯。西南部上游產(chǎn)水量、土壤保持及固碳能力較強，東北部下游生態(tài)系統(tǒng)服務能力較弱。流域內(nèi)產(chǎn)水量有先減少后增加趨勢，土壤保持和固碳能力均呈減少趨勢。除草地覆蓋度與流域上游產(chǎn)水量相關性呈顯著(P＜0.001)正相關關系。石羊河流域上游草地植被覆蓋減小顯著，引起草地生態(tài)系統(tǒng)服務能力下降。閆俊杰等[22]在伊犁河谷的研究也指出，草地覆蓋度退化引起了生態(tài)服務價值的損失，其中高覆蓋度草地退化造成的影響最為嚴重，與本研究的結論一致。改善上游的草地生態(tài)系統(tǒng)對于提高全流域草地生態(tài)系統(tǒng)服務至關重要。

本研究以MOD-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析石羊河流域草地植被覆蓋變化，以InVEST模型的產(chǎn)水量模塊和土壤侵蝕模塊分析研究區(qū)草地產(chǎn)水服務和土壤保持服務變化，以MOD-NPP產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析流域草地固碳服務。在生態(tài)系統(tǒng)服務評估上，InVEST模型雖較其他方法有一定優(yōu)勢，但已有的數(shù)據(jù)很難完全滿足其要求。石羊河流域及周邊的氣象站點較少，且土壤數(shù)據(jù)較難獲得，為保證精度，土地利用數(shù)據(jù)僅使用了較權威的中國科學院數(shù)據(jù)(每5年一期)而沒有自行解譯更小時間間隔的數(shù)據(jù)。國內(nèi)外均有研究認為，生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互關系隨時間變化且存在一定規(guī)律，并表現(xiàn)出階段性和差異性[23-24]。因此，若能縮小研究時間間隔，或許能更好反映生態(tài)系統(tǒng)服務的時間變化。