生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及驅(qū)動(dòng)力
——以江蘇省太湖流域?yàn)槔?/h1>
2019-11-13 00:39:10呂建樹
生態(tài)學(xué)報(bào) 2019年19期
劉 洋,畢 軍,呂建樹
1 濟(jì)南大學(xué)商學(xué)院,濟(jì)南 250002 2 山東龍山綠色經(jīng)濟(jì)研究中心，濟(jì)南 250002 3 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京 210023 4山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,濟(jì)南 250014
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲取的各種惠益,涵蓋人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件。多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在復(fù)雜的影響因素作用下往往表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系(trade-off)和相互促進(jìn)的協(xié)同關(guān)系(synergy)[1-2]。識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互關(guān)系,厘清其時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,可協(xié)同優(yōu)化多種服務(wù),避免在提高一種服務(wù)的同時(shí)損害其他服務(wù),對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理、指導(dǎo)自然資源的合理開發(fā)、提高人類福祉具有重要意義[3],也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從理論研究走向管理實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-5]。
近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及相互關(guān)系研究已成地理學(xué)、生態(tài)學(xué)及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科的前沿領(lǐng)域[1,6-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用統(tǒng)計(jì)分析法[8-9]、空間制圖法[10-11]、情景模擬法[12-13]及模型量化法[14-15]等方法,借助InVEST、ARIES、Envisio、EcoAIM等軟件[6,16],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的時(shí)空表現(xiàn)特征、尺度效應(yīng)、形成機(jī)制及不確定性等方面進(jìn)行研究[8,17]。結(jié)果表明,在氣候、土地利用、社會(huì)偏好、激勵(lì)政策等因素[18- 20]的影響下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)為空間異質(zhì)性與時(shí)間動(dòng)態(tài)性,并且具有尺度依賴性[21]和研究不確定性[22]。然而,當(dāng)前研究尚處于起步階段[23],主要集中于供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系,且缺乏精確的數(shù)量模型,急需通過增加數(shù)據(jù)樣本、提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、優(yōu)化研究方法等方式,進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的度量。同時(shí),驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究也較薄弱,僅局限于一種或幾種特定影響因素分析[12,24],缺少對(duì)驅(qū)動(dòng)力的綜合解析及主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力識(shí)別,從而限制生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究在管理實(shí)踐中的應(yīng)用。
流域作為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),具有多樣的服務(wù)類型,在自然和人為因素的共同作用下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間表現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空關(guān)系特征。同時(shí)流域也是人類活動(dòng)干擾最強(qiáng)烈的地區(qū)之一,面臨水質(zhì)退化、水量不足、水土流失等問題,如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系、緩解上下游利益相關(guān)者之間的矛盾成為流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是銜接自然環(huán)境與人類需求的重要紐帶,通過研究流域多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,明確其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,有助于制定流域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)“雙贏”的政策措施[1,25]?；诖?本文以太湖流域江蘇省為例,考慮到農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是該區(qū)域的首要水環(huán)境問題,選擇氮、磷凈化作為主要服務(wù),其次是水量供給與土壤保持服務(wù)；通過空間分布式的生物物理模型與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型,計(jì)算研究區(qū)每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量值；在此基礎(chǔ)上,借助GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法,研究2種水體凈化服務(wù)與其他服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系。最后,結(jié)合驅(qū)動(dòng)因子空間柵格化,利用Logistic回歸模型,定量分析影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力,以期為流域的水環(huán)境管理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)奠定基礎(chǔ)。
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 研究區(qū)概況
太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲城市群,是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。研究區(qū)選擇太湖流域的江蘇省(圖1),因其位于相對(duì)完整的行政區(qū)和獨(dú)立的水利分區(qū)[26],便于研究數(shù)據(jù)收集及生態(tài)環(huán)境模擬。該區(qū)北靠長(zhǎng)江,地勢(shì)西高東低,平均氣溫15—17 ℃,多年平均降雨量約為1181 mm,氣候溫暖濕潤(rùn),是中國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)；總面積為16984.48 km2,包括蘇州市、無錫市、常州市、鎮(zhèn)江市及南京市的部分地區(qū),城市化水平較高。近年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,區(qū)域人地矛盾加劇,生態(tài)環(huán)境日益退化,非點(diǎn)源污染尤為嚴(yán)重。研究與非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生、排放、傳輸、凈化有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,明確其相互關(guān)系的時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,從生態(tài)系統(tǒng)綜合管理的角度為區(qū)域水環(huán)境管理,尤其是非點(diǎn)源治理提供新思路。
圖1 研究區(qū)地理位置及基本狀況圖Fig.1 Location and basic situation of the study area
1.2 數(shù)據(jù)來源
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及驅(qū)動(dòng)力空間量化所需的數(shù)據(jù)包括降雨、溫度、太陽輻射等氣象數(shù)據(jù),土壤類型、理化性質(zhì)、含水量、深度等土壤數(shù)據(jù),用于植被覆蓋度計(jì)算的遙感數(shù)據(jù),土地利用及道路的空間數(shù)據(jù),人口密度、GDP、農(nóng)業(yè)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),以及用于模型校正的水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)等,具體來源如表1所示。
1.3 研究方法
1.3.1水體凈化服務(wù)模型
生態(tài)系統(tǒng)的植被、土壤等要素通過儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換等方式移除徑流中的營(yíng)養(yǎng)鹽污染物,從而減少排放到外界的污染物,達(dá)到凈化水體的作用。生態(tài)系統(tǒng)凈化功能越強(qiáng),營(yíng)養(yǎng)鹽輸出量越小。因此,利用氮輸出量(Nitrogen Export, NE)和磷輸出量(Phosphorus Export, PE)表征生態(tài)系統(tǒng)氮、磷凈化服務(wù),這兩個(gè)反向指標(biāo)值越大表明水體凈化服務(wù)越低,反之亦然。本文利用InVEST軟件的“營(yíng)養(yǎng)鹽凈化”模型,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、專家咨詢及文獻(xiàn)調(diào)研等方法修正參數(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)2種水體凈化服務(wù)的空間量化。由于該模型考慮了不同地類氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽參數(shù)的差異性,在一定程度上降低了服務(wù)指標(biāo)之間的相關(guān)性,可用于后續(xù)的相互關(guān)系分析。模型原理如下：
表1 本研究的數(shù)據(jù)來源
(1)
式中,Expx為上游柵格x的氮、磷輸出值(kg/hm2)；Ey表示每個(gè)下游柵格y過濾氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的效率(%)；X代表氮、磷輸出量從上游產(chǎn)生到下游水體的運(yùn)輸路徑；ALVx為校正的柵格x的氮、磷輸出值(kg/hm2),計(jì)算公式如下：
ALVx=HSSx×polx
(2)
(3)
(4)
1.3.2水量供給服務(wù)模型
生態(tài)系統(tǒng)通過水循環(huán)產(chǎn)生可供人類蓄水、發(fā)電等利用的水量供給服務(wù)(Water Supply, WS),并且水循環(huán)過程會(huì)溶解、析出氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽,進(jìn)而間接影響區(qū)域非點(diǎn)源污染。本文采用InVEST軟件的“水產(chǎn)量”模型來計(jì)算研究區(qū)的地表產(chǎn)水量,實(shí)現(xiàn)水量供給服務(wù)的空間化。模型原理如下：
WS(x)=Prex-AETx
(5)
式中,WS(x)為柵格x的年產(chǎn)水量(mm)；Prex為柵格x的年降雨量(mm)；AETx為柵格x的實(shí)際蒸散量(mm)。該公式可進(jìn)一步表示為：
(6)
式中,AETx/Prex為基于Budyko曲線的表達(dá)方式,其計(jì)算公式如下：
(7)
式中,ωx為非物理參數(shù),Rx為柵格x的干燥指數(shù),各自計(jì)算公式如下：
(8)
(9)
式中,Z為降雨時(shí)間分布和水文生態(tài)特征的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；AWCx為柵格x的植被有效含水量(mm),由公式(10)求得。kj為不同地類的蒸散系數(shù)；ET0為潛在蒸散量(mm/d),通過Modified-Hargreaves法進(jìn)行計(jì)算。
AWCx=Min(soil.depth, root.depth) ×PAWC
(10)
式中,soil.depth為限制根系生長(zhǎng)的土壤最大深度(mm),root.depth為根系長(zhǎng)度(mm),PAWC為植物有效持水量(%)。
1.3.3土壤保持服務(wù)模型
生態(tài)系統(tǒng)在預(yù)防土壤侵蝕和保持土壤過濾污染物功能等方面發(fā)揮重要作用,進(jìn)而影響區(qū)域非點(diǎn)源污染。本文使用RUSLE模型估算土壤保持服務(wù)(Soil Retention, SR),并基于小流域的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行校正,以得到本地化的計(jì)算模型,如下：
SR(x)=R×K×LS×(1-C×P×A)
(11)
式中,R、K、LS、C分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長(zhǎng)坡度因子、植被覆蓋因子,計(jì)算公式如下所示。P表示工程管理措施因子,為0—1的無量綱數(shù),各地類賦值參考呂建樹等的研究[27]。A為本地化修正系數(shù),用來調(diào)整土地利用類型和地表光滑度對(duì)土壤侵蝕的影響,根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定值為1.3。
(12)
式中,p為年平均降雨量(mm),pi為月降雨量(mm)。
(13)
式中,Sa、Si、Sn分別為砂粒、粉砂與粘粒的含量值(%)；C表示有機(jī)碳含量值(%)。
(14)
式中,Fa為匯水累積閾值,Cs為柵格大小,s為坡度,n為坡度相關(guān)參數(shù),β為流向相關(guān)參數(shù)。
(15)
式中,C為0—1的無量綱數(shù),c為植被覆蓋度,通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)求得。
1.3.4驅(qū)動(dòng)力分析方法
考慮研究數(shù)據(jù)的可得性,在多因子相關(guān)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合專家咨詢方法,最終確定氣候、土壤、經(jīng)濟(jì)、用地等10類31種驅(qū)動(dòng)力,具體如表2所示。
在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系和驅(qū)動(dòng)力空間量化的基礎(chǔ)上,將各自柵格值賦予GIS生成的10000個(gè)隨機(jī)點(diǎn),形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系為因變量,驅(qū)動(dòng)力為自變量的數(shù)據(jù)集,再運(yùn)用多元Logistic回歸模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究。模型原理如下：
(16)
式中,pi為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系發(fā)生的概率,xi為驅(qū)動(dòng)力；α為截距,即模型的常數(shù)項(xiàng)；βi為斜率,即模型中每個(gè)驅(qū)動(dòng)力的偏回歸系數(shù),其值為正則表示因變量與自變量的變化方向相同,負(fù)值則相反。
為更好的測(cè)量變量之間的關(guān)聯(lián)性,明確自變量對(duì)因變量發(fā)生概率的作用程度,一般應(yīng)用p/(1-p)來解釋回歸系數(shù),即發(fā)生比率(odds ratio, OR),其計(jì)算公式如下：
OR(p)=exp(α+β1X1+β2X2+,…,+βnXn)
(17)
本文選擇Homsmer-Lemeshow(HL)指標(biāo)進(jìn)行模型擬合度檢驗(yàn),當(dāng)HL值不顯著表示模型擬合好,而顯著則說明模型擬合不好。通過Wald統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕貧w系數(shù),取0.05為顯著水平；當(dāng)自變量的Wald所對(duì)應(yīng)的P值小于0.05時(shí),保留在方程中,而大于0.05則因未通過顯著性檢驗(yàn)而被去除。
表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力
2 結(jié)果分析
2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化特征
本文計(jì)算了2000、2005及2010年研究區(qū)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的物理量,如圖2。其中,綠、黃、紅色分別表示服務(wù)供給的高、中、低值區(qū),藍(lán)色代表水體。結(jié)果顯示,氮凈化服務(wù)高值區(qū)(氮輸出量低值區(qū))主要分布在研究區(qū)南部、西部及湖體周圍,低值區(qū)(氮輸出量高值區(qū))則零散分布于北部及中部,中值區(qū)分布廣泛。從2000到2010年,氮輸出量單位面積年均值呈現(xiàn)先增加后略有下降的趨勢(shì),增幅由8.89%降低為8.08%。磷凈化服務(wù)高值區(qū)(磷輸出量低值區(qū))主要分布于研究區(qū)周邊的林地、草地、濕地等生態(tài)用地,低值區(qū)(磷輸出量高值區(qū))在農(nóng)村居民點(diǎn)及城鎮(zhèn)建設(shè)用地附近突出,并零散分布于部分農(nóng)耕地。2000—2010年,磷輸出量年均值逐漸增加,增幅為24.69%。過量的化肥施用、畜禽養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)活動(dòng)會(huì)增加氮、磷的排放,而農(nóng)村生活污染和城鎮(zhèn)污水也會(huì)顯著影響磷素富集[28]。因此磷凈化服務(wù)分布與農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)用地存在明顯關(guān)系,進(jìn)而導(dǎo)致氮、磷指標(biāo)時(shí)空變化的差異性。已有研究也表明磷負(fù)荷與城市用地、農(nóng)村建設(shè)用地密切相關(guān)[29-30]。水量供給服務(wù)的空間分布呈東西走向,且變化顯著,高值區(qū)主要分布于研究區(qū)周邊,中值和低值區(qū)由研究區(qū)西部逐漸轉(zhuǎn)向中、東部。2000—2010年,水量供給服務(wù)年均值呈先下降后上升的趨勢(shì),降幅由-27.88%變?yōu)?12.76%。研究區(qū)土壤保持服務(wù)普遍較低,低值區(qū)分布廣泛,高值區(qū)零星分布。2000—2010年,土壤保持服務(wù)年均值呈下降趨勢(shì),降幅為-21.61%,主要受降雨、日照等自然因子[31]以及農(nóng)田、林地、城鎮(zhèn)等用地變化[32-33]的影響。
圖2 2000—2010年研究區(qū)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分布Fig.2 The temporal and spatial distribution of four ecosystem services in study area from 2000 to 2010
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析
在ArcGIS軟件中將2010年和2000年每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相減,得到各自的空間變化圖,并將變化分為正向、負(fù)向及未變化3類。利用GIS的空間疊加分析功能得到兩種服務(wù)變化的空間分布格局(圖3)。其中,正向和負(fù)向變化區(qū)為兩種服務(wù)均增加或均減少的區(qū)域,表明兩者具有相同變化方向的協(xié)同關(guān)系；相反變化區(qū)為兩種服務(wù)變化方向相反,表明兩者具有權(quán)衡關(guān)系；未變化/正(負(fù))向變化區(qū)為一種服務(wù)沒變化而另一種服務(wù)增加(減少),表明兩者關(guān)系不顯著；未變化區(qū)是兩種服務(wù)均未變化,其關(guān)系也不顯著。統(tǒng)計(jì)每類變化區(qū)占區(qū)域總面積的百分比,結(jié)果見表3。本文以水體凈化服務(wù)為主,分析該類服務(wù)指標(biāo)與其他服務(wù)的相互關(guān)系。
圖3 2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecosystem services relationships between 2000 and 2010
結(jié)果表明,氮輸出指標(biāo)與水量供給關(guān)系中,相同變化區(qū)(包括正、負(fù)向變化區(qū),表示氮凈化與水量供給服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系區(qū))面積占統(tǒng)計(jì)面積的33.16%,其中正向變化區(qū)占11.97%,主要分布于研究區(qū)西北部、西南角及東南角地區(qū),負(fù)向變化區(qū)占21.19%,與城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布較一致；相反變化區(qū)(表示氮凈化與水量供給服務(wù)的協(xié)同關(guān)系區(qū))占統(tǒng)計(jì)面積的29.98%,主要分布于研究區(qū)中、東部。磷輸出指標(biāo)與水量供給關(guān)系中,相同變化區(qū)和相反變化區(qū)的面積占比分別為27.21%和31.92%,在研究區(qū)西北部、西南角及中部地區(qū)集中分布；其次是未變化/正向變化區(qū),占統(tǒng)計(jì)面積的26.43%,主要位于研究區(qū)的中西部及北部一段沿江地區(qū)。氮、磷輸出指標(biāo)與土壤保持關(guān)系中,未變化/正向變化區(qū)分布范圍均最廣,分別占統(tǒng)計(jì)面積的48.06%和55.37%,而正向、負(fù)向及相反變化區(qū)所占比例較小,說明水體凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系不明顯。氮與磷指標(biāo)關(guān)系中,正向變化區(qū)廣泛分布,占統(tǒng)計(jì)面積的58.86%,說明研究區(qū)水體凈化服務(wù)主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。
表3 2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的面積比
該統(tǒng)計(jì)面積沒考慮研究區(qū)未變化的水域面積；單位為%
2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力分析
選擇顯著的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析,主要為氮凈化服務(wù)與水量供給服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系、兩種水體凈化服務(wù)的協(xié)同關(guān)系。通過多元Logistic回歸模型進(jìn)行定量分析,模型中因變量是兩種服務(wù)關(guān)系,取值為0和1值,0表示兩者關(guān)系不顯著,即一種變化而另一種未變化或者兩者均未變化；1表示兩者具有協(xié)同關(guān)系(均正向變化或負(fù)向變化)或權(quán)衡關(guān)系(相反變化)。據(jù)此,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的空間格局圖進(jìn)行重分類,得到0和1的因變量圖層。同時(shí),在多期驅(qū)動(dòng)因子空間柵格化的基礎(chǔ)上計(jì)算其平均值,得到自變量圖層。將因變量和自變量的圖層值賦予隨機(jī)點(diǎn),基于點(diǎn)的屬性值確定Logistic回歸模型的輸入值。由于數(shù)據(jù)來源于點(diǎn)的隨機(jī)抽樣,避免了空間自相關(guān)性；同時(shí)在隨機(jī)點(diǎn)選取時(shí),盡量保證因變量的0和1值數(shù)量相等,以避免對(duì)模型常數(shù)項(xiàng)的影響。模擬結(jié)果如表4、5所示。
表4模型的HL指標(biāo)值為0.817,統(tǒng)計(jì)不顯著,反映模型的擬合度較好；模型預(yù)測(cè)正確率為81.32%,表明模型較穩(wěn)定。根據(jù)Wald統(tǒng)計(jì)量可判斷,影響氮凈化和水量供給服務(wù)關(guān)系的最重要因素是城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度和植被覆蓋度,其次是離農(nóng)村距離、農(nóng)村居民點(diǎn)密度、水網(wǎng)密度、離城鎮(zhèn)距離及人口密度等。其中,城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度和農(nóng)村居民點(diǎn)密度的回歸系數(shù)為正,說明每平方公里增加1hm2的城鎮(zhèn)或農(nóng)村建設(shè)用地,將使氮凈化和水量供給服務(wù)關(guān)系權(quán)衡變化關(guān)系的發(fā)生概率分別增加29.100倍和10.282倍。而植被覆蓋度和水網(wǎng)密度的回歸系數(shù)為負(fù),表明此權(quán)衡關(guān)系將隨著這些因素的增加而減小。此外,年相對(duì)濕度、年均氣溫等氣候因素的Wald統(tǒng)計(jì)變量也比較顯著,說明氣候因素對(duì)兩者權(quán)衡關(guān)系也具有一定的影響,尤其是年平均氣溫對(duì)其貢獻(xiàn)率達(dá)到28.979。土壤因素中,總磷含量是最重要的解釋因變量,且其發(fā)生比率也最大,達(dá)到37.490。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中,除人口密度的貢獻(xiàn)率最大外,農(nóng)業(yè)GDP也是較為重要的影響因素。農(nóng)業(yè)GDP增加可視為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展水平提高,此時(shí)將帶來兩者權(quán)衡關(guān)系的下降,其發(fā)生概率為0.997倍。因此,當(dāng)氣候變化帶來區(qū)域水量供給增加時(shí),由于農(nóng)業(yè)的發(fā)展,可采取適應(yīng)性措施,減弱對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水體凈化服務(wù)的影響。
表4 氮凈化與水量供給服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力模型估計(jì)結(jié)果
表5模型的HL指標(biāo)值為1.017,統(tǒng)計(jì)不顯著,反映模型擬合度較好,同時(shí)模型也較穩(wěn)定,其預(yù)測(cè)正確率為89.49%。根據(jù)Wald統(tǒng)計(jì)量可判斷,影響兩種水體凈化服務(wù)協(xié)同關(guān)系的最重要驅(qū)動(dòng)力是植被覆蓋度,其次是耕地比例、林地比例、離農(nóng)村距離、水網(wǎng)密度,并且這些解釋變量的回歸系數(shù)均為正,表明這些因素的增加將帶來兩種服務(wù)協(xié)同關(guān)系的提高。從發(fā)生比率來看,驅(qū)動(dòng)因素的貢獻(xiàn)率均不大,普遍在1.000左右,僅有農(nóng)村居民點(diǎn)密度的概率達(dá)2.406?？傮w來看,所有驅(qū)動(dòng)力中植被用地的影響最明顯,通過增加耕地、林地及草地的面積或建立植被緩沖帶將顯著促進(jìn)兩種水體凈化服務(wù)的協(xié)同變化；而增加林地、草地等生態(tài)用地可有效提高生態(tài)系統(tǒng)功能,凈化多種水質(zhì)污染物,達(dá)到協(xié)同減排的目的。此外,土壤砂粒、粘粒等顆粒物組成也會(huì)促進(jìn)兩者的協(xié)同關(guān)系。因此,通過調(diào)節(jié)土壤屬性或改良土壤結(jié)構(gòu)可同時(shí)改變兩種水體凈化服務(wù),為區(qū)域非點(diǎn)源污染物的協(xié)同治理提供有效途徑。
表5 氮、磷凈化服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力模型估計(jì)結(jié)果
3 結(jié)論與討論
復(fù)雜的內(nèi)外界環(huán)境因素作用于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程及功能,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給,表現(xiàn)為多種服務(wù)在時(shí)空尺度上的同增同減、一增一減或無明顯變化關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互關(guān)系研究有助于管理者識(shí)別多種服務(wù)的變化特征,明確區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的變化程度,以采取生態(tài)空間管制、環(huán)境污染防治等針對(duì)性政策措施進(jìn)行調(diào)控,促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康、持續(xù)發(fā)展。流域是自然環(huán)境和人類活動(dòng)交互作用強(qiáng)烈地區(qū),面臨諸多水環(huán)境問題,結(jié)合流域的實(shí)際情況,選擇關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),進(jìn)行多種服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究,為實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理奠定基礎(chǔ)。
本文以太湖流域江蘇省為研究區(qū),運(yùn)用空間顯示的生物物理模型和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算區(qū)域4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo),在此基礎(chǔ)上借助GIS空間分析手段進(jìn)行服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究,并利用多元Logistic模型定量識(shí)別影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力。研究結(jié)果表明：
(1) 從2000到2010年,研究區(qū)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的單位面積年均值呈現(xiàn)不同程度的變化,氮輸出指標(biāo)先增加后略有下降的趨勢(shì),磷輸出指標(biāo)逐漸增加,水量供給先下降后上升,土壤保持則呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。研究區(qū)4種服務(wù)指標(biāo)的空間分布及變化格局具有較明顯的空間異質(zhì)性。
(2) 氮、磷輸出指標(biāo)與水量供給關(guān)系的空間分布格局較為相似,表現(xiàn)為廣泛分布的相同變化區(qū)和相反變化區(qū)；氮、磷輸出指標(biāo)與土壤保持的正向、負(fù)向及相反變化區(qū)占比均較小,表明水體凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系不明顯；氮、磷輸出指標(biāo)的正向變化區(qū)廣泛分布,說明研究區(qū)水體凈化服務(wù)主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。
(3) 氮凈化和水量供給服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的正向驅(qū)動(dòng)力為城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度和農(nóng)村居民點(diǎn)密度,且每平方公里增加1公頃的城鎮(zhèn)或農(nóng)村建設(shè)用地,其權(quán)衡關(guān)系的發(fā)生概率將增加29.100倍8和10.282倍；而植被覆蓋度和水網(wǎng)密度則具有顯著的負(fù)作用。氮、磷服務(wù)協(xié)同關(guān)系的首要影響因素是植被覆蓋度,其次是耕地、林地比例等因素,且這些因子均表現(xiàn)為正向促進(jìn)作用。
盡管生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究已逐步深入,然而從理論走向?qū)嵺`仍面臨一系列挑戰(zhàn)[1,3, 5],尤其是如何更精準(zhǔn)的計(jì)算服務(wù)量,如何科學(xué)識(shí)別多種服務(wù)之間相互關(guān)系,如何定量分析服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)機(jī)制等問題。本研究綜合利用生態(tài)、地理、統(tǒng)計(jì)、計(jì)量等方法手段,從時(shí)空多維度進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的表征及驅(qū)動(dòng)力分析,以期拓展相關(guān)研究,為進(jìn)一步理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間復(fù)雜關(guān)系及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供借鑒,并促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究在流域水環(huán)境管理中的應(yīng)用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有時(shí)間積累性,而不同類型服務(wù)的變化速度和閾值也存在差異,影響服務(wù)關(guān)系的時(shí)間表現(xiàn)特征。由于數(shù)據(jù)的有限性,本文僅進(jìn)行了2000—2010年的研究,未能充分考慮每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的周期。未來可結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)變化的閾值分析進(jìn)一步探究不同時(shí)間周期及更長(zhǎng)時(shí)間范圍上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互關(guān)系,并探索驅(qū)動(dòng)力變化程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的影響。
猜你喜歡
權(quán)衡“輕”“重” 吃透密度中學(xué)生數(shù)理化·八年級(jí)物理人教版(2021年12期)2021-12-31 03:23:00 如何權(quán)衡阿司匹林預(yù)防心血管病的獲益與風(fēng)險(xiǎn)中老年保健(2021年4期)2021-08-22 07:08:26 油價(jià)上漲的供需驅(qū)動(dòng)力能否持續(xù)中國(guó)外匯(2019年9期)2019-07-13 05:46:30 這條魚供不應(yīng)求!蝦蟹養(yǎng)殖戶、垂釣者的最愛，不用投喂，還能凈化水質(zhì)當(dāng)代水產(chǎn)(2019年3期)2019-05-14 05:42:48 溫暖厚實(shí)，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)勁 秦朝 QM2018/QC2350前后級(jí)功放家庭影院技術(shù)(2018年9期)2018-11-02 05:31:30 突出文化產(chǎn)業(yè)核心驅(qū)動(dòng)力現(xiàn)代企業(yè)文化(2018年13期)2018-06-09 08:22:15 以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，兼具學(xué)院派的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度 Q Acoustics家庭影院技術(shù)(2018年3期)2018-05-09 07:06:17 肌膚凈化大掃除STARTCoco薇(2017年7期)2017-07-21 16:49:50 基于探索與開發(fā)權(quán)衡的地磁仿生導(dǎo)航搜索方法系統(tǒng)工程與電子技術(shù)(2016年7期)2016-08-21 13:59:16 陶色凈化金色年華(2016年23期)2016-06-15 20:28:28
劉 洋,畢 軍,呂建樹
1 濟(jì)南大學(xué)商學(xué)院,濟(jì)南 250002 2 山東龍山綠色經(jīng)濟(jì)研究中心，濟(jì)南 250002 3 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京 210023 4山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,濟(jì)南 250014
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲取的各種惠益,涵蓋人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件。多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在復(fù)雜的影響因素作用下往往表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系(trade-off)和相互促進(jìn)的協(xié)同關(guān)系(synergy)[1-2]。識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互關(guān)系,厘清其時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,可協(xié)同優(yōu)化多種服務(wù),避免在提高一種服務(wù)的同時(shí)損害其他服務(wù),對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理、指導(dǎo)自然資源的合理開發(fā)、提高人類福祉具有重要意義[3],也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從理論研究走向管理實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-5]。
近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及相互關(guān)系研究已成地理學(xué)、生態(tài)學(xué)及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科的前沿領(lǐng)域[1,6-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用統(tǒng)計(jì)分析法[8-9]、空間制圖法[10-11]、情景模擬法[12-13]及模型量化法[14-15]等方法,借助InVEST、ARIES、Envisio、EcoAIM等軟件[6,16],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的時(shí)空表現(xiàn)特征、尺度效應(yīng)、形成機(jī)制及不確定性等方面進(jìn)行研究[8,17]。結(jié)果表明,在氣候、土地利用、社會(huì)偏好、激勵(lì)政策等因素[18- 20]的影響下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)為空間異質(zhì)性與時(shí)間動(dòng)態(tài)性,并且具有尺度依賴性[21]和研究不確定性[22]。然而,當(dāng)前研究尚處于起步階段[23],主要集中于供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系,且缺乏精確的數(shù)量模型,急需通過增加數(shù)據(jù)樣本、提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、優(yōu)化研究方法等方式,進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的度量。同時(shí),驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究也較薄弱,僅局限于一種或幾種特定影響因素分析[12,24],缺少對(duì)驅(qū)動(dòng)力的綜合解析及主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力識(shí)別,從而限制生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究在管理實(shí)踐中的應(yīng)用。
流域作為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),具有多樣的服務(wù)類型,在自然和人為因素的共同作用下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間表現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空關(guān)系特征。同時(shí)流域也是人類活動(dòng)干擾最強(qiáng)烈的地區(qū)之一,面臨水質(zhì)退化、水量不足、水土流失等問題,如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系、緩解上下游利益相關(guān)者之間的矛盾成為流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是銜接自然環(huán)境與人類需求的重要紐帶,通過研究流域多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,明確其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,有助于制定流域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)“雙贏”的政策措施[1,25]?；诖?本文以太湖流域江蘇省為例,考慮到農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是該區(qū)域的首要水環(huán)境問題,選擇氮、磷凈化作為主要服務(wù),其次是水量供給與土壤保持服務(wù)；通過空間分布式的生物物理模型與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型,計(jì)算研究區(qū)每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量值；在此基礎(chǔ)上,借助GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法,研究2種水體凈化服務(wù)與其他服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系。最后,結(jié)合驅(qū)動(dòng)因子空間柵格化,利用Logistic回歸模型,定量分析影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力,以期為流域的水環(huán)境管理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)奠定基礎(chǔ)。
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 研究區(qū)概況
太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲城市群,是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。研究區(qū)選擇太湖流域的江蘇省(圖1),因其位于相對(duì)完整的行政區(qū)和獨(dú)立的水利分區(qū)[26],便于研究數(shù)據(jù)收集及生態(tài)環(huán)境模擬。該區(qū)北靠長(zhǎng)江,地勢(shì)西高東低,平均氣溫15—17 ℃,多年平均降雨量約為1181 mm,氣候溫暖濕潤(rùn),是中國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)；總面積為16984.48 km2,包括蘇州市、無錫市、常州市、鎮(zhèn)江市及南京市的部分地區(qū),城市化水平較高。近年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,區(qū)域人地矛盾加劇,生態(tài)環(huán)境日益退化,非點(diǎn)源污染尤為嚴(yán)重。研究與非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生、排放、傳輸、凈化有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,明確其相互關(guān)系的時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,從生態(tài)系統(tǒng)綜合管理的角度為區(qū)域水環(huán)境管理,尤其是非點(diǎn)源治理提供新思路。
圖1 研究區(qū)地理位置及基本狀況圖Fig.1 Location and basic situation of the study area
1.2 數(shù)據(jù)來源
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及驅(qū)動(dòng)力空間量化所需的數(shù)據(jù)包括降雨、溫度、太陽輻射等氣象數(shù)據(jù),土壤類型、理化性質(zhì)、含水量、深度等土壤數(shù)據(jù),用于植被覆蓋度計(jì)算的遙感數(shù)據(jù),土地利用及道路的空間數(shù)據(jù),人口密度、GDP、農(nóng)業(yè)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),以及用于模型校正的水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)等,具體來源如表1所示。
1.3 研究方法
1.3.1水體凈化服務(wù)模型
生態(tài)系統(tǒng)的植被、土壤等要素通過儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換等方式移除徑流中的營(yíng)養(yǎng)鹽污染物,從而減少排放到外界的污染物,達(dá)到凈化水體的作用。生態(tài)系統(tǒng)凈化功能越強(qiáng),營(yíng)養(yǎng)鹽輸出量越小。因此,利用氮輸出量(Nitrogen Export, NE)和磷輸出量(Phosphorus Export, PE)表征生態(tài)系統(tǒng)氮、磷凈化服務(wù),這兩個(gè)反向指標(biāo)值越大表明水體凈化服務(wù)越低,反之亦然。本文利用InVEST軟件的“營(yíng)養(yǎng)鹽凈化”模型,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、專家咨詢及文獻(xiàn)調(diào)研等方法修正參數(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)2種水體凈化服務(wù)的空間量化。由于該模型考慮了不同地類氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽參數(shù)的差異性,在一定程度上降低了服務(wù)指標(biāo)之間的相關(guān)性,可用于后續(xù)的相互關(guān)系分析。模型原理如下：
表1 本研究的數(shù)據(jù)來源
(1)
式中,Expx為上游柵格x的氮、磷輸出值(kg/hm2)；Ey表示每個(gè)下游柵格y過濾氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的效率(%)；X代表氮、磷輸出量從上游產(chǎn)生到下游水體的運(yùn)輸路徑；ALVx為校正的柵格x的氮、磷輸出值(kg/hm2),計(jì)算公式如下：
ALVx=HSSx×polx
(2)
(3)
(4)
1.3.2水量供給服務(wù)模型
生態(tài)系統(tǒng)通過水循環(huán)產(chǎn)生可供人類蓄水、發(fā)電等利用的水量供給服務(wù)(Water Supply, WS),并且水循環(huán)過程會(huì)溶解、析出氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽,進(jìn)而間接影響區(qū)域非點(diǎn)源污染。本文采用InVEST軟件的“水產(chǎn)量”模型來計(jì)算研究區(qū)的地表產(chǎn)水量,實(shí)現(xiàn)水量供給服務(wù)的空間化。模型原理如下：
WS(x)=Prex-AETx
(5)
式中,WS(x)為柵格x的年產(chǎn)水量(mm)；Prex為柵格x的年降雨量(mm)；AETx為柵格x的實(shí)際蒸散量(mm)。該公式可進(jìn)一步表示為：
(6)
式中,AETx/Prex為基于Budyko曲線的表達(dá)方式,其計(jì)算公式如下：
(7)
式中,ωx為非物理參數(shù),Rx為柵格x的干燥指數(shù),各自計(jì)算公式如下：
(8)
(9)
式中,Z為降雨時(shí)間分布和水文生態(tài)特征的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；AWCx為柵格x的植被有效含水量(mm),由公式(10)求得。kj為不同地類的蒸散系數(shù)；ET0為潛在蒸散量(mm/d),通過Modified-Hargreaves法進(jìn)行計(jì)算。
AWCx=Min(soil.depth, root.depth) ×PAWC
(10)
式中,soil.depth為限制根系生長(zhǎng)的土壤最大深度(mm),root.depth為根系長(zhǎng)度(mm),PAWC為植物有效持水量(%)。
1.3.3土壤保持服務(wù)模型
生態(tài)系統(tǒng)在預(yù)防土壤侵蝕和保持土壤過濾污染物功能等方面發(fā)揮重要作用,進(jìn)而影響區(qū)域非點(diǎn)源污染。本文使用RUSLE模型估算土壤保持服務(wù)(Soil Retention, SR),并基于小流域的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行校正,以得到本地化的計(jì)算模型,如下：
SR(x)=R×K×LS×(1-C×P×A)
(11)
式中,R、K、LS、C分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長(zhǎng)坡度因子、植被覆蓋因子,計(jì)算公式如下所示。P表示工程管理措施因子,為0—1的無量綱數(shù),各地類賦值參考呂建樹等的研究[27]。A為本地化修正系數(shù),用來調(diào)整土地利用類型和地表光滑度對(duì)土壤侵蝕的影響,根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定值為1.3。
(12)
式中,p為年平均降雨量(mm),pi為月降雨量(mm)。
(13)
式中,Sa、Si、Sn分別為砂粒、粉砂與粘粒的含量值(%)；C表示有機(jī)碳含量值(%)。
(14)
式中,Fa為匯水累積閾值,Cs為柵格大小,s為坡度,n為坡度相關(guān)參數(shù),β為流向相關(guān)參數(shù)。
(15)
式中,C為0—1的無量綱數(shù),c為植被覆蓋度,通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)求得。
1.3.4驅(qū)動(dòng)力分析方法
考慮研究數(shù)據(jù)的可得性,在多因子相關(guān)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合專家咨詢方法,最終確定氣候、土壤、經(jīng)濟(jì)、用地等10類31種驅(qū)動(dòng)力,具體如表2所示。
在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系和驅(qū)動(dòng)力空間量化的基礎(chǔ)上,將各自柵格值賦予GIS生成的10000個(gè)隨機(jī)點(diǎn),形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系為因變量,驅(qū)動(dòng)力為自變量的數(shù)據(jù)集,再運(yùn)用多元Logistic回歸模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究。模型原理如下：
(16)
式中,pi為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系發(fā)生的概率,xi為驅(qū)動(dòng)力；α為截距,即模型的常數(shù)項(xiàng)；βi為斜率,即模型中每個(gè)驅(qū)動(dòng)力的偏回歸系數(shù),其值為正則表示因變量與自變量的變化方向相同,負(fù)值則相反。
為更好的測(cè)量變量之間的關(guān)聯(lián)性,明確自變量對(duì)因變量發(fā)生概率的作用程度,一般應(yīng)用p/(1-p)來解釋回歸系數(shù),即發(fā)生比率(odds ratio, OR),其計(jì)算公式如下：
OR(p)=exp(α+β1X1+β2X2+,…,+βnXn)
(17)
本文選擇Homsmer-Lemeshow(HL)指標(biāo)進(jìn)行模型擬合度檢驗(yàn),當(dāng)HL值不顯著表示模型擬合好,而顯著則說明模型擬合不好。通過Wald統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕貧w系數(shù),取0.05為顯著水平；當(dāng)自變量的Wald所對(duì)應(yīng)的P值小于0.05時(shí),保留在方程中,而大于0.05則因未通過顯著性檢驗(yàn)而被去除。
表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力
2 結(jié)果分析
2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化特征
本文計(jì)算了2000、2005及2010年研究區(qū)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的物理量,如圖2。其中,綠、黃、紅色分別表示服務(wù)供給的高、中、低值區(qū),藍(lán)色代表水體。結(jié)果顯示,氮凈化服務(wù)高值區(qū)(氮輸出量低值區(qū))主要分布在研究區(qū)南部、西部及湖體周圍,低值區(qū)(氮輸出量高值區(qū))則零散分布于北部及中部,中值區(qū)分布廣泛。從2000到2010年,氮輸出量單位面積年均值呈現(xiàn)先增加后略有下降的趨勢(shì),增幅由8.89%降低為8.08%。磷凈化服務(wù)高值區(qū)(磷輸出量低值區(qū))主要分布于研究區(qū)周邊的林地、草地、濕地等生態(tài)用地,低值區(qū)(磷輸出量高值區(qū))在農(nóng)村居民點(diǎn)及城鎮(zhèn)建設(shè)用地附近突出,并零散分布于部分農(nóng)耕地。2000—2010年,磷輸出量年均值逐漸增加,增幅為24.69%。過量的化肥施用、畜禽養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)活動(dòng)會(huì)增加氮、磷的排放,而農(nóng)村生活污染和城鎮(zhèn)污水也會(huì)顯著影響磷素富集[28]。因此磷凈化服務(wù)分布與農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)用地存在明顯關(guān)系,進(jìn)而導(dǎo)致氮、磷指標(biāo)時(shí)空變化的差異性。已有研究也表明磷負(fù)荷與城市用地、農(nóng)村建設(shè)用地密切相關(guān)[29-30]。水量供給服務(wù)的空間分布呈東西走向,且變化顯著,高值區(qū)主要分布于研究區(qū)周邊,中值和低值區(qū)由研究區(qū)西部逐漸轉(zhuǎn)向中、東部。2000—2010年,水量供給服務(wù)年均值呈先下降后上升的趨勢(shì),降幅由-27.88%變?yōu)?12.76%。研究區(qū)土壤保持服務(wù)普遍較低,低值區(qū)分布廣泛,高值區(qū)零星分布。2000—2010年,土壤保持服務(wù)年均值呈下降趨勢(shì),降幅為-21.61%,主要受降雨、日照等自然因子[31]以及農(nóng)田、林地、城鎮(zhèn)等用地變化[32-33]的影響。
圖2 2000—2010年研究區(qū)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分布Fig.2 The temporal and spatial distribution of four ecosystem services in study area from 2000 to 2010
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析
在ArcGIS軟件中將2010年和2000年每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相減,得到各自的空間變化圖,并將變化分為正向、負(fù)向及未變化3類。利用GIS的空間疊加分析功能得到兩種服務(wù)變化的空間分布格局(圖3)。其中,正向和負(fù)向變化區(qū)為兩種服務(wù)均增加或均減少的區(qū)域,表明兩者具有相同變化方向的協(xié)同關(guān)系；相反變化區(qū)為兩種服務(wù)變化方向相反,表明兩者具有權(quán)衡關(guān)系；未變化/正(負(fù))向變化區(qū)為一種服務(wù)沒變化而另一種服務(wù)增加(減少),表明兩者關(guān)系不顯著；未變化區(qū)是兩種服務(wù)均未變化,其關(guān)系也不顯著。統(tǒng)計(jì)每類變化區(qū)占區(qū)域總面積的百分比,結(jié)果見表3。本文以水體凈化服務(wù)為主,分析該類服務(wù)指標(biāo)與其他服務(wù)的相互關(guān)系。
圖3 2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecosystem services relationships between 2000 and 2010
結(jié)果表明,氮輸出指標(biāo)與水量供給關(guān)系中,相同變化區(qū)(包括正、負(fù)向變化區(qū),表示氮凈化與水量供給服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系區(qū))面積占統(tǒng)計(jì)面積的33.16%,其中正向變化區(qū)占11.97%,主要分布于研究區(qū)西北部、西南角及東南角地區(qū),負(fù)向變化區(qū)占21.19%,與城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布較一致；相反變化區(qū)(表示氮凈化與水量供給服務(wù)的協(xié)同關(guān)系區(qū))占統(tǒng)計(jì)面積的29.98%,主要分布于研究區(qū)中、東部。磷輸出指標(biāo)與水量供給關(guān)系中,相同變化區(qū)和相反變化區(qū)的面積占比分別為27.21%和31.92%,在研究區(qū)西北部、西南角及中部地區(qū)集中分布；其次是未變化/正向變化區(qū),占統(tǒng)計(jì)面積的26.43%,主要位于研究區(qū)的中西部及北部一段沿江地區(qū)。氮、磷輸出指標(biāo)與土壤保持關(guān)系中,未變化/正向變化區(qū)分布范圍均最廣,分別占統(tǒng)計(jì)面積的48.06%和55.37%,而正向、負(fù)向及相反變化區(qū)所占比例較小,說明水體凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系不明顯。氮與磷指標(biāo)關(guān)系中,正向變化區(qū)廣泛分布,占統(tǒng)計(jì)面積的58.86%,說明研究區(qū)水體凈化服務(wù)主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。
表3 2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的面積比
該統(tǒng)計(jì)面積沒考慮研究區(qū)未變化的水域面積；單位為%
2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力分析
選擇顯著的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析,主要為氮凈化服務(wù)與水量供給服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系、兩種水體凈化服務(wù)的協(xié)同關(guān)系。通過多元Logistic回歸模型進(jìn)行定量分析,模型中因變量是兩種服務(wù)關(guān)系,取值為0和1值,0表示兩者關(guān)系不顯著,即一種變化而另一種未變化或者兩者均未變化；1表示兩者具有協(xié)同關(guān)系(均正向變化或負(fù)向變化)或權(quán)衡關(guān)系(相反變化)。據(jù)此,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的空間格局圖進(jìn)行重分類,得到0和1的因變量圖層。同時(shí),在多期驅(qū)動(dòng)因子空間柵格化的基礎(chǔ)上計(jì)算其平均值,得到自變量圖層。將因變量和自變量的圖層值賦予隨機(jī)點(diǎn),基于點(diǎn)的屬性值確定Logistic回歸模型的輸入值。由于數(shù)據(jù)來源于點(diǎn)的隨機(jī)抽樣,避免了空間自相關(guān)性；同時(shí)在隨機(jī)點(diǎn)選取時(shí),盡量保證因變量的0和1值數(shù)量相等,以避免對(duì)模型常數(shù)項(xiàng)的影響。模擬結(jié)果如表4、5所示。
表4模型的HL指標(biāo)值為0.817,統(tǒng)計(jì)不顯著,反映模型的擬合度較好；模型預(yù)測(cè)正確率為81.32%,表明模型較穩(wěn)定。根據(jù)Wald統(tǒng)計(jì)量可判斷,影響氮凈化和水量供給服務(wù)關(guān)系的最重要因素是城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度和植被覆蓋度,其次是離農(nóng)村距離、農(nóng)村居民點(diǎn)密度、水網(wǎng)密度、離城鎮(zhèn)距離及人口密度等。其中,城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度和農(nóng)村居民點(diǎn)密度的回歸系數(shù)為正,說明每平方公里增加1hm2的城鎮(zhèn)或農(nóng)村建設(shè)用地,將使氮凈化和水量供給服務(wù)關(guān)系權(quán)衡變化關(guān)系的發(fā)生概率分別增加29.100倍和10.282倍。而植被覆蓋度和水網(wǎng)密度的回歸系數(shù)為負(fù),表明此權(quán)衡關(guān)系將隨著這些因素的增加而減小。此外,年相對(duì)濕度、年均氣溫等氣候因素的Wald統(tǒng)計(jì)變量也比較顯著,說明氣候因素對(duì)兩者權(quán)衡關(guān)系也具有一定的影響,尤其是年平均氣溫對(duì)其貢獻(xiàn)率達(dá)到28.979。土壤因素中,總磷含量是最重要的解釋因變量,且其發(fā)生比率也最大,達(dá)到37.490。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中,除人口密度的貢獻(xiàn)率最大外,農(nóng)業(yè)GDP也是較為重要的影響因素。農(nóng)業(yè)GDP增加可視為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展水平提高,此時(shí)將帶來兩者權(quán)衡關(guān)系的下降,其發(fā)生概率為0.997倍。因此,當(dāng)氣候變化帶來區(qū)域水量供給增加時(shí),由于農(nóng)業(yè)的發(fā)展,可采取適應(yīng)性措施,減弱對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水體凈化服務(wù)的影響。
表4 氮凈化與水量供給服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力模型估計(jì)結(jié)果
表5模型的HL指標(biāo)值為1.017,統(tǒng)計(jì)不顯著,反映模型擬合度較好,同時(shí)模型也較穩(wěn)定,其預(yù)測(cè)正確率為89.49%。根據(jù)Wald統(tǒng)計(jì)量可判斷,影響兩種水體凈化服務(wù)協(xié)同關(guān)系的最重要驅(qū)動(dòng)力是植被覆蓋度,其次是耕地比例、林地比例、離農(nóng)村距離、水網(wǎng)密度,并且這些解釋變量的回歸系數(shù)均為正,表明這些因素的增加將帶來兩種服務(wù)協(xié)同關(guān)系的提高。從發(fā)生比率來看,驅(qū)動(dòng)因素的貢獻(xiàn)率均不大,普遍在1.000左右,僅有農(nóng)村居民點(diǎn)密度的概率達(dá)2.406?？傮w來看,所有驅(qū)動(dòng)力中植被用地的影響最明顯,通過增加耕地、林地及草地的面積或建立植被緩沖帶將顯著促進(jìn)兩種水體凈化服務(wù)的協(xié)同變化；而增加林地、草地等生態(tài)用地可有效提高生態(tài)系統(tǒng)功能,凈化多種水質(zhì)污染物,達(dá)到協(xié)同減排的目的。此外,土壤砂粒、粘粒等顆粒物組成也會(huì)促進(jìn)兩者的協(xié)同關(guān)系。因此,通過調(diào)節(jié)土壤屬性或改良土壤結(jié)構(gòu)可同時(shí)改變兩種水體凈化服務(wù),為區(qū)域非點(diǎn)源污染物的協(xié)同治理提供有效途徑。
表5 氮、磷凈化服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力模型估計(jì)結(jié)果
3 結(jié)論與討論
復(fù)雜的內(nèi)外界環(huán)境因素作用于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程及功能,進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給,表現(xiàn)為多種服務(wù)在時(shí)空尺度上的同增同減、一增一減或無明顯變化關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互關(guān)系研究有助于管理者識(shí)別多種服務(wù)的變化特征,明確區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的變化程度,以采取生態(tài)空間管制、環(huán)境污染防治等針對(duì)性政策措施進(jìn)行調(diào)控,促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康、持續(xù)發(fā)展。流域是自然環(huán)境和人類活動(dòng)交互作用強(qiáng)烈地區(qū),面臨諸多水環(huán)境問題,結(jié)合流域的實(shí)際情況,選擇關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),進(jìn)行多種服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究,為實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理奠定基礎(chǔ)。
本文以太湖流域江蘇省為研究區(qū),運(yùn)用空間顯示的生物物理模型和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算區(qū)域4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo),在此基礎(chǔ)上借助GIS空間分析手段進(jìn)行服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究,并利用多元Logistic模型定量識(shí)別影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力。研究結(jié)果表明：
(1) 從2000到2010年,研究區(qū)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的單位面積年均值呈現(xiàn)不同程度的變化,氮輸出指標(biāo)先增加后略有下降的趨勢(shì),磷輸出指標(biāo)逐漸增加,水量供給先下降后上升,土壤保持則呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。研究區(qū)4種服務(wù)指標(biāo)的空間分布及變化格局具有較明顯的空間異質(zhì)性。
(2) 氮、磷輸出指標(biāo)與水量供給關(guān)系的空間分布格局較為相似,表現(xiàn)為廣泛分布的相同變化區(qū)和相反變化區(qū)；氮、磷輸出指標(biāo)與土壤保持的正向、負(fù)向及相反變化區(qū)占比均較小,表明水體凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系不明顯；氮、磷輸出指標(biāo)的正向變化區(qū)廣泛分布,說明研究區(qū)水體凈化服務(wù)主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。
(3) 氮凈化和水量供給服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的正向驅(qū)動(dòng)力為城鎮(zhèn)建設(shè)用地密度和農(nóng)村居民點(diǎn)密度,且每平方公里增加1公頃的城鎮(zhèn)或農(nóng)村建設(shè)用地,其權(quán)衡關(guān)系的發(fā)生概率將增加29.100倍8和10.282倍；而植被覆蓋度和水網(wǎng)密度則具有顯著的負(fù)作用。氮、磷服務(wù)協(xié)同關(guān)系的首要影響因素是植被覆蓋度,其次是耕地、林地比例等因素,且這些因子均表現(xiàn)為正向促進(jìn)作用。
盡管生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究已逐步深入,然而從理論走向?qū)嵺`仍面臨一系列挑戰(zhàn)[1,3, 5],尤其是如何更精準(zhǔn)的計(jì)算服務(wù)量,如何科學(xué)識(shí)別多種服務(wù)之間相互關(guān)系,如何定量分析服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動(dòng)機(jī)制等問題。本研究綜合利用生態(tài)、地理、統(tǒng)計(jì)、計(jì)量等方法手段,從時(shí)空多維度進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的表征及驅(qū)動(dòng)力分析,以期拓展相關(guān)研究,為進(jìn)一步理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間復(fù)雜關(guān)系及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供借鑒,并促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究在流域水環(huán)境管理中的應(yīng)用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有時(shí)間積累性,而不同類型服務(wù)的變化速度和閾值也存在差異,影響服務(wù)關(guān)系的時(shí)間表現(xiàn)特征。由于數(shù)據(jù)的有限性,本文僅進(jìn)行了2000—2010年的研究,未能充分考慮每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的周期。未來可結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)變化的閾值分析進(jìn)一步探究不同時(shí)間周期及更長(zhǎng)時(shí)間范圍上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互關(guān)系,并探索驅(qū)動(dòng)力變化程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的影響。
猜你喜歡
中學(xué)生數(shù)理化·八年級(jí)物理人教版(2021年12期)2021-12-31 03:23:00
中老年保健(2021年4期)2021-08-22 07:08:26
中國(guó)外匯(2019年9期)2019-07-13 05:46:30
當(dāng)代水產(chǎn)(2019年3期)2019-05-14 05:42:48
家庭影院技術(shù)(2018年9期)2018-11-02 05:31:30
現(xiàn)代企業(yè)文化(2018年13期)2018-06-09 08:22:15
家庭影院技術(shù)(2018年3期)2018-05-09 07:06:17
Coco薇(2017年7期)2017-07-21 16:49:50
系統(tǒng)工程與電子技術(shù)(2016年7期)2016-08-21 13:59:16
金色年華(2016年23期)2016-06-15 20:28:28
