許丁雪,吳 芳,何立環(huán),劉海江,江 源,*

1 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875 3 中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,北京 100012

張家口-承德地區(qū)(以下簡稱張承地區(qū))位于北京市北部,山地和高原約占總面積的94%,由于其相對(duì)于首都北京的特殊地理位置,并具有較高的森林和草地覆蓋率,該地區(qū)長期以來被視為北京生態(tài)安全保護(hù)屏障。2015年國家環(huán)境保護(hù)部和中國科學(xué)院修編了《全國生態(tài)功能區(qū)劃》,張家口、承德部分地區(qū)以及北京北部山地等區(qū)域被劃歸為京津冀北部水源涵養(yǎng)功能區(qū)[1],進(jìn)一步明確了該地區(qū)對(duì)于北京市乃至京津冀地區(qū)城市群的生態(tài)服務(wù)功能。因此,維持并加強(qiáng)其在水源涵養(yǎng)和土壤保持等方面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),對(duì)于保障京津冀一體化發(fā)展中的生態(tài)安全具有重要意義。

土地利用變化主要表現(xiàn)為土地利用類型、格局和強(qiáng)度的變化,直接或間接地對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響[2- 3]。為評(píng)估土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響,國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用多種方法開展研究,如USLE模型[4]、SWAT模型[5]和InVEST模型等,其中InVEST模型因其具有空間表達(dá)和綜合性強(qiáng)等特點(diǎn),近年來得到廣泛應(yīng)用。例如,Arunyawat和Shrestha[6]以及Leh等[7]分別對(duì)泰國旺通流域以及西非加納和科特迪瓦的產(chǎn)水、土壤保持和碳儲(chǔ)存等服務(wù)進(jìn)行模擬。國內(nèi)周彬等[8]、李屹峰等[9]和吳瑞等[10]分別對(duì)北京山區(qū)、密云水庫流域和官廳水庫流域的產(chǎn)水、土壤保持或水質(zhì)凈化服務(wù)進(jìn)行評(píng)估,并比較各土地利用類型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn),為改善城市生態(tài)環(huán)境提供了科學(xué)依據(jù)。另一方面,還有部分學(xué)者在地形梯度上對(duì)紫色土丘陵區(qū)曲水河小流域[11]、山地丘陵為主的烏江流域[12]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局進(jìn)行了分析,進(jìn)一步推動(dòng)和創(chuàng)新了山地丘陵區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究。

為確保張承地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能,財(cái)政部從2009年開始通過財(cái)政轉(zhuǎn)移支付對(duì)該地區(qū)部分縣域?qū)嵤┥鷳B(tài)補(bǔ)償。2015年7月北京市和張家口市成功聯(lián)合獲得第24屆冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的主辦權(quán),這既給區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來機(jī)遇,也使張承地區(qū)面臨著如何協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的突出問題。鑒于全國生態(tài)功能區(qū)劃將本地區(qū)劃分為水源涵養(yǎng)和土壤保持重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),本研究將采用2011和2015年的土地利用數(shù)據(jù),對(duì)“十二五”期間張承地區(qū)的產(chǎn)水和土壤保持生態(tài)服務(wù)能力及其變化進(jìn)行評(píng)估?？紤]到本區(qū)山地和高原面積占比極高的特點(diǎn),且已有研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在地形梯度上變化的趨勢(shì),同時(shí)冬奧會(huì)場(chǎng)館的建設(shè)會(huì)加強(qiáng)對(duì)高海拔陡坡地段的開發(fā),因此重點(diǎn)分析了土地利用和生態(tài)服務(wù)功能變化在不同海拔和坡度條件下的差異,一方面期望能夠?yàn)閲业纳鷳B(tài)補(bǔ)償資金績效評(píng)估提供科學(xué)基礎(chǔ),另一方面也期望能夠?yàn)樯鷳B(tài)功能區(qū)的生態(tài)服務(wù)績效監(jiān)管和區(qū)域土地利用空間管控提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

張承地區(qū)包括張家口市和承德市,位于河北省北部,地處北緯39°18′—42°37′,東經(jīng)113°50′—119°15′,總面積約7.6×104km2(圖1)。張承地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,雨熱同期,四季分明,春季干燥多風(fēng),夏季降水集中,秋季涼爽少雨,冬季寒冷少雪。多年平均降水量為338—688 mm,多年平均氣溫為2—10℃。境內(nèi)有大清河、潮白河、灤河、永定河、遼河和大凌河等主要水系。地勢(shì)西北高、東南低,主要有壩上高原、冀北山地和冀西北黃土丘陵三個(gè)地貌單元。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 The map of study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/site/index.html),選取張承地區(qū)內(nèi)及其周圍36個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫和降水等數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫和ISRIC土壤柵格數(shù)據(jù)(http://isric.org/explore/soilgrids),主要有砂粒含量、粉粒含量、粘粒含量、有機(jī)質(zhì)含量和容重；DEM數(shù)據(jù)來源于SRTM地形產(chǎn)品數(shù)據(jù)(http://www.cgiar-csi.org/)；土地利用數(shù)據(jù)采用Landsat TM/ETM遙感影像,利用ENVI軟件劃分為耕地、喬木林地、灌木林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地7大類,2011和2015年土地利用分類結(jié)果的解譯精度分別為82.35%和85.88%。數(shù)據(jù)重采樣為90 m,投影為WGS_1984_Albers。

2.2 產(chǎn)水服務(wù)估算

2.2.1評(píng)估模型

本研究選取InVEST 3.3.2版本中產(chǎn)水子模塊定量評(píng)估張承地區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)。產(chǎn)水模塊核心算法是運(yùn)用水量平衡法結(jié)合氣候、地形和森林下墊面土地利用類型計(jì)算得出每個(gè)柵格的產(chǎn)水量?；贐udyko曲線和年降水量的計(jì)算公式如下：

式中,Y(x)為像元x的年產(chǎn)水量(mm),AET(x)為像元x的年實(shí)際蒸散發(fā)(mm),P(x)為像元x的年降水量(mm)。模型中輸入的年降水量數(shù)據(jù)采用樣條函數(shù)法空間插值得到,年參考蒸散發(fā)采用FAO- 56 Penman-Monteith公式[13]計(jì)算得到,植物可利用含水率為田間持水量與凋萎系數(shù)的差值[14- 15],利用DEM數(shù)據(jù)和ArcGIS水文分析模塊提取集水區(qū)。

2.2.2模型參數(shù)的選擇

Z值為表征降雨特征的季節(jié)性因子,多次調(diào)整Z值進(jìn)行產(chǎn)水量模擬,當(dāng)Z值取4.02時(shí),模擬結(jié)果與《2011年河北省水資源公報(bào)》[16]中的張承地區(qū)水資源總量37.51×108m3最為接近,相對(duì)誤差為0.07%。根據(jù)中國植被類型分布圖,本研究區(qū)植被主要有針葉林、闊葉林、灌叢、草原和草甸等類型,結(jié)合實(shí)地調(diào)查并參考相關(guān)文獻(xiàn)[17- 18]和InVEST模型使用手冊(cè)中的研究結(jié)果,確定各土地利用類型的植被蒸散指數(shù)Kc(表1)。

表1 不同土地利用類型的植被蒸散指數(shù)Kc

對(duì)應(yīng)模型屬性表中選擇的類型為耕地(Field crop),針葉林地(Forest closed conifer 41—60 yrs),其他喬木林地(Upland Forest open),灌木林地(Natural shrub),草地(Natural grassland),水域(Main channel non-vegetated),建設(shè)用地(Residential & Comm.),未利用地(Barren)

2.3 土壤保持服務(wù)估算

本研究選取InVEST 3.3.2版本中泥沙輸移比子模塊定量評(píng)估張承地區(qū)的土壤保持服務(wù)。土壤保持量為土壤潛在侵蝕量和實(shí)際侵蝕量的差值,計(jì)算公式[19]如下：

SCi=RKLSi-USLEi

RKLSi=Ri·Ki·LSi

USLEi=Ri·Ki·LSi·Ci·Pi

式中,SCi為年土壤保持量(t (hm2a)-1),RKLSi為年土壤潛在侵蝕量(t (hm2a)-1),USLEi為年土壤實(shí)際侵蝕量(t (hm2a)-1),Ri為降雨侵蝕力因子(MJ mm (hm2hr)-1),Ki為土壤可蝕性因子(t hm2hr (MJ hm2mm)-1),LSi為坡度-坡長因子,Ci為植被經(jīng)營管理因子,Pi為土壤保持措施因子。利用Wischmeier公式[19]基于月降水量和年降水量計(jì)算降雨侵蝕力因子,運(yùn)用反距離權(quán)重法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值；利用EPIC模型[20]計(jì)算土壤可蝕性因子；植被經(jīng)營管理因子和土壤保持措施因子根據(jù)本研究區(qū)特點(diǎn)參考InVEST模型使用手冊(cè)中的研究結(jié)果(表2),模型模擬的張承地區(qū)土壤侵蝕面積與第一次全國水利普查[21- 22]數(shù)據(jù)29359.66 km2相近,相對(duì)誤差為2.73%。

表2 不同土地利用類型的植被經(jīng)營管理因子C和土壤保持措施因子參數(shù)P

土地利用類型選擇同表1

2.4 土地利用與生態(tài)服務(wù)功能變化分析

本研究以劉紀(jì)遠(yuǎn)和布和敖斯?fàn)柼岢龅膭?dòng)態(tài)度指數(shù)[23]來表征各土地利用類型的變化幅度。坡度的提取運(yùn)用ArcGIS 10.2表面分析模塊下的slope工具,并劃分為< 8°、8°—15°、15°—35°和> 35°四個(gè)梯度。海拔則劃分為< 900 m、900—1500 m、1500—1800 m和> 1800 m四個(gè)梯度。2011年和2015年不同海拔或坡度下的各土地利用類型的面積、產(chǎn)水量和土壤保持量,采用地圖代數(shù)模塊下的柵格計(jì)算器運(yùn)算,從而得到五年間土地利用與生態(tài)服務(wù)功能在地形梯度條件下的變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)水和土壤保持服務(wù)空間分布及變化

從圖2中看出,張承地區(qū)高產(chǎn)水量和高土壤保持量區(qū)域基本相似,主要分布在冀北山地,該地區(qū)大部分區(qū)域年降水量大于400 mm,主要為緩坡丘陵地形,具有較高的產(chǎn)水和土壤保持能力。從表3中看出各土地利用類型的平均產(chǎn)水深度：未利用地>建設(shè)用地>耕地>灌木林地>草地>喬木林地>水域,各土地利用類型的平均單位面積土壤保持量：灌木林地>喬木林地>草地>水域>建設(shè)用地>耕地>未利用地。綜合來看,在各生態(tài)用地類型中灌木林地的產(chǎn)水能力最高,草地次之,喬木林地僅位于第三位；就土壤保持能力而言,灌木林地仍然位居第一,其次為喬木林地,草地位于第三位；耕地和未利用地的產(chǎn)水優(yōu)于土壤保持能力。

圖2 產(chǎn)水和土壤保持服務(wù)空間分布Fig.2 The spatial distribution of water yield and soil conservation services

土地利用類型Land use type平均產(chǎn)水深度/mmAverage water yield depth平均單位面積土壤保持量/(t/km2)Average soil conservation of per unit area2011年2015年2011年2015年耕地Farmland83.0580.9162993.0561008.38喬木林地Arbour forest land20.2120.55228670.09232677.65灌木林地Shrub land65.0968.06247971.66258219.97草地Grassland31.3331.04159833.00158434.02水域Waters0.000.0085915.6984234.83建設(shè)用地Build-up land65.5082.5131283.2378363.97未利用地Unused land146.38108.9988192.2339423.78

整個(gè)“十二五”期間,張承地區(qū)產(chǎn)水量和土壤保持量均有所增加,產(chǎn)水量增加了32.16×106m3,增加的區(qū)域主要分布于張北縣、隆化縣以及寬城滿族自治縣；土壤保持量增加了17.69×106t,增加的地區(qū)主要分布于冀北山地地區(qū),如懷來縣、赤城縣和興隆縣等。總體來看,張承地區(qū)約91.3%的區(qū)域土壤保持服務(wù)基本保持不變,產(chǎn)水服務(wù)相比而言變化較大,僅有88.3%的區(qū)域保持基本不變。

3.2 土地利用變化特點(diǎn)

張承地區(qū)2011—2015年耕地和喬木林地在土地利用結(jié)構(gòu)中始終占據(jù)主導(dǎo)地位,占比總計(jì)超過50%。建設(shè)用地是增加率最高的土地利用類型?！笆濉逼陂g減少面積最多的兩個(gè)土地利用類型為喬木林地和灌木林地,減少面積分別為892.78 km2和477.02 km2,減少面積位居第三的是耕地,“十二五”期間減少了426.53 km2(圖3)。草地、水域、建設(shè)用地和未利用地的面積均有不同程度的增加,其中建設(shè)用地變化幅度最大,增加了1171.49 km2,增長了81.57%；草地、未利用地和水域的面積分別增加464.55 km2、42.29 km2和118 km2,分別增長了2.94%、12.44%和16.38%。

圖3 2011年和2015年土地利用類型圖及各類型面積變化Fig.3 Land use maps in 2011 and 2015 and the changes in areas for different land use types

從空間上看,耕地向林地和草地轉(zhuǎn)化的區(qū)域主要集中于壩上高原和冀北山地,如康?？h、尚義縣、張北縣、赤城縣和懷來縣等區(qū)域；農(nóng)田增加的區(qū)域主要集中在壩上高原和冀西北黃土丘陵交界處,轉(zhuǎn)化面積較大的區(qū)域如張北縣和尚義縣等；新增建設(shè)用地主要分布于冀西北黃土丘陵和冀北山地,且張家口和承德市轄區(qū)城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張最為突出。

3.3 不同海拔與坡度的土地利用與生態(tài)服務(wù)功能變化

3.3.1不同海拔的土地利用與生態(tài)服務(wù)功能變化特征

從土地利用類型在不同海拔地段的變化看,喬木林地在各海拔均有不同程度的減少,耕地的增加和灌木林地的減少主要發(fā)生在高海拔地段。高海拔地段建設(shè)用地有所增加,草地和未利用地有所減少。從產(chǎn)水量和土壤保持量在不同海拔地段的變化看,高海拔地段草地、耕地和建設(shè)用地產(chǎn)水量表現(xiàn)為增加,而未利用地、灌木林地和喬木林地則表現(xiàn)為減少,總體來看,產(chǎn)水服務(wù)在各海拔均表現(xiàn)為增加,在海拔900 m以上的地段,產(chǎn)水量的增加隨海拔升高而減弱；耕地土壤保持量的增加和草地土壤保持量的減少主要發(fā)生在高海拔地段,總體來看,土壤保持服務(wù)在較低海拔有所增加,而在海拔1500 m以上的地段則有所減少(表4)。

表4 2011—2015年各海拔不同土地利用類型的面積、產(chǎn)水量和土壤保持量變化

3.3.2不同坡度的土地利用與生態(tài)服務(wù)功能變化特征

從土地利用類型在不同坡度的變化看,“十二五”期間喬木林地在各坡度均有不同程度的減少,耕地、灌木林地的增加主要發(fā)生在坡度較大地段,在坡度緩和地段則表現(xiàn)為有所減少。特別值得一提的是,建設(shè)用地成為35°以上地段增加面積比率最多的用地類型,水域面積雖然總量有所增加,但在坡度大于35°的區(qū)域面積有所減少。從產(chǎn)水量和土壤保持量在不同坡度的變化看,在坡度小于35°的地段耕地和建設(shè)用地的產(chǎn)水變化量最大,同時(shí)建設(shè)用地為35°以上地段產(chǎn)水增加量最多的用地類型,總體而言,產(chǎn)水增加量表現(xiàn)出隨坡度變緩而增長的趨勢(shì)；在坡度較大地段,草地和灌木林地的土壤保持量表現(xiàn)為增加,喬木林地則表現(xiàn)為有所減少,總體而言,土壤保持量在各個(gè)坡度等級(jí)均表現(xiàn)出不同程度的增加(表5)。

4 討論

“十二五”期間,張承地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)出產(chǎn)水和土壤保持總量增加的總體特征。從土地利用及其變化看,由灌叢和喬木林構(gòu)成的生態(tài)用地總面積減少,建設(shè)用地迅速增加,這種土地利用變化的結(jié)果很可能是張承地區(qū)產(chǎn)水和土壤保持總量增加的主要原因。就產(chǎn)水而言,建設(shè)用地具有較強(qiáng)的產(chǎn)水能力[24- 26],該類型的增加彌補(bǔ)了其他類型損失的產(chǎn)水服務(wù)。另一方面值得注意的是,在海拔1800 m以上的較高海拔地段,耕地和建設(shè)用地成為兩個(gè)增加面積最大的用地類型(表4),在坡度>35°的地段,不僅建設(shè)用地增加面積最大,同時(shí)水體面積呈現(xiàn)出減少的特點(diǎn)(表5)。

表5 2011—2015年各坡度不同土地利用類型的面積、產(chǎn)水量和土壤保持量變化

以上土地利用變化和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化分析,反映了近年來本地區(qū)發(fā)展冰雪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)對(duì)土地利用變化的影響,即在高海拔和大坡度地段發(fā)生了較大強(qiáng)度的建設(shè)用地增加現(xiàn)象,高海拔陡坡地段的建設(shè)用地增加伴隨有水系面積的減少,顯示水系源頭溪流受到威脅的風(fēng)險(xiǎn)較大。而目前實(shí)施的冬奧會(huì)場(chǎng)館建設(shè)和未來冰雪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃,應(yīng)該對(duì)溪流生境保護(hù)給予高度關(guān)注。此外也反映出未來張承地區(qū)的生態(tài)建設(shè),不僅要關(guān)注區(qū)域發(fā)展導(dǎo)致的土地利用變化,還要關(guān)注在土地利用變化的情況下,如何協(xié)調(diào)好河流流量和水土保持這兩個(gè)生態(tài)功能的關(guān)系。“十二五”期間張承地區(qū)高海拔地段產(chǎn)水量增加,而土壤保持量減少(表4),陡坡地段產(chǎn)水量和土壤保持量雖均表現(xiàn)為增加,但土壤保持量增加幅度極小(表5)。張承地區(qū)產(chǎn)水量的增加,有可能增長汛期洪水和水土流失的風(fēng)險(xiǎn),尤其是高海拔地段產(chǎn)水增加的同時(shí)面臨著土壤流失的威脅。這就意味著在區(qū)域發(fā)展建設(shè)的過程中,應(yīng)權(quán)衡好各類生態(tài)服務(wù)功能。

從區(qū)域不同地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力來看,灌叢是產(chǎn)水和土壤保持服務(wù)均較高的生態(tài)用地類型,與喬木林相比,灌叢具有較低的蒸散發(fā)[27]與相當(dāng)?shù)耐寥辣３帜芰?。喬木林地的土壤保持?yōu)于產(chǎn)水,草地與喬木林地相反。張承地區(qū)屬半濕潤和半干旱地區(qū),并非所有生境都適宜喬木林的生長,但草地和灌叢在區(qū)內(nèi)易形成高覆蓋度用地。因此,生態(tài)服務(wù)能力的提高應(yīng)首先考慮擴(kuò)大灌叢面積；其次,可根據(jù)生態(tài)服務(wù)功能的主導(dǎo)需求或者均衡需求,合理選擇擴(kuò)大喬木林或草地用地類型,使該土地利用情景下的生態(tài)服務(wù)達(dá)到最優(yōu)。

作為國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),張承地區(qū)部分區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升仍任重道遠(yuǎn)。近年來,國家通過轉(zhuǎn)移支付的補(bǔ)償方式,鼓勵(lì)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)的縣區(qū)政府保護(hù)生態(tài)環(huán)境,同時(shí)也提出運(yùn)用各項(xiàng)自然生態(tài)指標(biāo)和環(huán)境狀況指標(biāo),對(duì)實(shí)施轉(zhuǎn)移支付的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)縣域進(jìn)行績效考評(píng)。2014年,張家口市和承德市所有區(qū)縣被列入國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的考核范圍。從本文研究結(jié)果可以看出,區(qū)域開發(fā)建設(shè)的同時(shí)需權(quán)衡發(fā)展各類生態(tài)服務(wù)功能。因此,重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)在生態(tài)建設(shè)和生態(tài)服務(wù)功能提升的過程中,當(dāng)土地利用難以均衡各類生態(tài)服務(wù)功能時(shí),需要通過推動(dòng)種植結(jié)構(gòu)乃至產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、推行綠色經(jīng)濟(jì)等其他途徑,提升重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能。

5 結(jié)論

“十二五”期間,張承地區(qū)土壤保持量增長,主要體現(xiàn)了退耕還草的重要作用,而建設(shè)用地的快速增加,可能是導(dǎo)致產(chǎn)水量增長的主要原因。張家口地區(qū)的冰雪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,導(dǎo)致土地利用變化表現(xiàn)出高海拔和陡坡區(qū)域建設(shè)用地增加明顯、水體面積有所減少的特點(diǎn),因此本地區(qū)在后期的冬奧會(huì)場(chǎng)館建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中,應(yīng)對(duì)于水系源頭溪流的保護(hù)給予高度關(guān)注。鑒于本地區(qū)灌木林地在產(chǎn)水服務(wù)和土壤保持服務(wù)方面的雙高效益,建議在區(qū)域生態(tài)建設(shè)中,權(quán)衡好灌木林和喬木林建設(shè)的關(guān)系,不宜過度強(qiáng)調(diào)喬木林的建設(shè)。