王蓓, 仲俊濤, 譚美寶

2000—2015年鹽池縣禁牧草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局

王蓓1, 仲俊濤2,*, 譚美寶1

1. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730001 2. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810008

以寧夏鹽池縣為研究區(qū), 基于InVEST模型對(duì)禁牧前后(2000、2004、2007、2010和2015年)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)、土壤保持3項(xiàng)服務(wù)進(jìn)行估算, 利用空間統(tǒng)計(jì)方法對(duì)不同年份各項(xiàng)服務(wù)的冷熱點(diǎn)、空間分異、綜合熱點(diǎn)區(qū)進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果顯示: 草地碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持量在禁牧前后都有顯著提升, 呈“N”型波動(dòng)上升態(tài)勢(shì), 且南部增幅大于北部; 草地碳儲(chǔ)量變化幅度較小, 而水源涵養(yǎng)和土壤保持量變化幅度較大; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在水平較高或增幅較大的年份冷熱點(diǎn)顯著區(qū)分布范圍較大, 且界線明確, 在較低或下降的年份, 冷熱點(diǎn)分布不顯著范圍增大, 且界線模糊; 草地的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異特征以高-低類(lèi)型和高-高類(lèi)型為主, 各項(xiàng)服務(wù)高值區(qū)重疊比例非常低, 且呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分布差異。分析鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局, 為摸清草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空發(fā)展變化提供數(shù)據(jù)和方法, 可促進(jìn)草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與建設(shè)。

InVEST模型; 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 熱點(diǎn)分析; 空間分異; 鹽池縣

0 前言

草地生態(tài)系統(tǒng), 作為我國(guó)陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型, 約有400萬(wàn)km2, 相當(dāng)于耕地面積的3.2倍, 林地面積的2.3倍[1]。它不僅是肉、奶、皮、毛等重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地, 同時(shí)具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙, 維持生物多樣性等服務(wù)功能[2-3], 對(duì)保障我國(guó)生態(tài)安全具有極其重要的作用[4]。長(zhǎng)期以來(lái), 由于以草地生產(chǎn)功能為主導(dǎo), 加之過(guò)度放牧、政策實(shí)施偏差等人類(lèi)活動(dòng)[2,5-6], 導(dǎo)致我國(guó)約90%左右的草地處于不同程度的退化之中, 威脅區(qū)域生態(tài)安全。2000 年以來(lái), 我國(guó)先后實(shí)施了退牧還草工程、草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策等, 草地生態(tài)系統(tǒng)有所恢復(fù)。然而, “治理速度趕不上退化速度”的被動(dòng)局面未從根本上扭轉(zhuǎn), 一定程度上反映了對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的認(rèn)識(shí)不足。在此情形下, 選取典型區(qū)域, 如何快速發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法, 精準(zhǔn)評(píng)估草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù), 以厘清草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)現(xiàn)狀和空間格局, 是構(gòu)建和優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系, 實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的重大科技需求[7]。

近十年來(lái), 國(guó)外草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)評(píng)估和變化機(jī)制研究等方面。例如, Schirpke Uta等[8]基于土地利用和氣候變化的未來(lái)情景下對(duì)山區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行定量研究; Hailu Shiferaw等[9]定量研究土地利用變化和牧豆樹(shù)入侵對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響程度; Obermeier W A等[10]以草地物理、化學(xué)等特征視角對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化機(jī)制進(jìn)行探究。我國(guó)對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究也取得了一定進(jìn)展。2006年, 王靜等[11]以甘肅省瑪曲縣為例, 探討過(guò)牧對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響; 2009年, 劉紀(jì)遠(yuǎn)等[12]提出了系統(tǒng)完整的三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)體系; 2014年, 白永飛等[13]對(duì)草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的形成與調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了研究; 2017年, 趙苗苗等[14]定量核算青海省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值; 2019年, 陳海喜[15]對(duì)貴州省草地生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。目前, 應(yīng)“精細(xì)化、定量化、模型化、空間化”的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估發(fā)展要求, InVEST(Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型被逐漸關(guān)注, 且已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各類(lèi)政府和機(jī)構(gòu)的區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工作中[16-22]。

寧夏鹽池縣地處北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶核心區(qū), 自2001年開(kāi)始實(shí)施全面禁牧政策以來(lái), 草地生態(tài)系統(tǒng)有所改善, 但退化問(wèn)題仍未得到根本解決, 因此, 厘清禁牧以來(lái)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律迫在眉睫。目前, 該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面的研究, 僅受夢(mèng)婷[23]、王黎黎[24]、岳耀杰[25]等學(xué)者通過(guò)價(jià)值當(dāng)量法對(duì)服務(wù)進(jìn)行評(píng)估, 研究結(jié)果具有一定意義, 但仍存在所需數(shù)據(jù)類(lèi)型單一, 獲取方式以文獻(xiàn)參考為主; 評(píng)估過(guò)程缺少對(duì)生物物理過(guò)程的詳細(xì)刻畫(huà), 評(píng)估方法以傳統(tǒng)的價(jià)值當(dāng)量法為主; 研究時(shí)序較早, 應(yīng)用性較差等問(wèn)題。因此, 本文以鹽池縣為研究區(qū), 以草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象, 基于本地化的InVEST模型, 對(duì)2000、2004、2007、2010和2015年的水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲(chǔ)存3項(xiàng)關(guān)鍵服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估, 在此基礎(chǔ)上, 對(duì)各項(xiàng)服務(wù)的冷熱點(diǎn)區(qū)、空間分異特征進(jìn)行識(shí)別, 明確草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的強(qiáng)弱分布和空間聚集特征, 為摸清禁牧前后鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)展?fàn)顩r提供數(shù)據(jù)支持, 為統(tǒng)籌推進(jìn)研究區(qū)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工作提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣(37°04′—38°10′N(xiāo), 106°30′—107°41′E)地處我國(guó)西北內(nèi)陸, 寧夏回族自治區(qū)東部, 位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶西北部核心區(qū), 總面積8661 km2(圖1)。屬典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 氣候特點(diǎn)為干旱少雨、風(fēng)大沙多、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈、冬冷夏熱、秋早春遲; 地形整體表現(xiàn)為南部高、北部低, 中間高、東西兩側(cè)低; 2015年鹽池縣家畜存欄量高達(dá)153.96萬(wàn)只羊單位。在特殊的自然條件和不合理的人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)長(zhǎng)期作用下, 鹽池縣生態(tài)環(huán)境狀況極其脆弱。

圖1 研究區(qū)位置圖

Figure1 Location of study area

2 材料與方法

2.1 研究方法

從鹽池縣草地實(shí)際出發(fā), 結(jié)合農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域特征, 依據(jù)聯(lián)合國(guó)《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類(lèi)體系[26], 篩選碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持3項(xiàng)關(guān)鍵服務(wù)類(lèi)型。使用開(kāi)源的 InVEST模型, 對(duì)禁牧前后(2000年、2004年、2007年、2010年和2015年)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空格局變化特征進(jìn)行研究。

2.1.1 水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)(Water Conservation, WC)模塊分2部分對(duì)涵養(yǎng)水源量進(jìn)行計(jì)算。第一部分, 模型基于傳統(tǒng)的水量平衡原理計(jì)算區(qū)域產(chǎn)水量, 主要涉及降雨量、蒸發(fā)量、根系深度和土壤深度等數(shù)據(jù); 第二部分, 在產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上計(jì)算得到水源涵養(yǎng)量。具體公式如下:

(1)式中,表示水源涵養(yǎng)量/mm;為流速系數(shù);表示土壤飽和導(dǎo)水率/(cm·d-1);為地形指數(shù), 可由(2)式計(jì)算得出:為集水區(qū)柵格數(shù)量;表征土壤深度/mm;為百分比坡度/%;為產(chǎn)水量/mm, 由(3)式計(jì)算得出,表示年降雨量/mm;表示實(shí)際年平均蒸散發(fā)量/mm。(4)式中,表示干燥指數(shù);是改進(jìn)的、無(wú)量綱的植被可利用水量與年預(yù)期降水量, 計(jì)算公式為(5)式,是用來(lái)表征降水特征的一個(gè)常數(shù);為根系深度/mm;表示植被有效可利用水;為干燥指數(shù), 無(wú)量綱, 由(6)式計(jì)算得出,K為植被蒸散系數(shù);0為潛在蒸散發(fā)量/(mm·d-1)。

2.1.2 土壤保持

土壤保持(Soil Conservation, SC)模塊用來(lái)計(jì)算每一地塊保持土壤的能力。模塊整合了土地利用、土壤性質(zhì)、、降雨和氣象數(shù)據(jù)等信息。計(jì)算分為兩個(gè)部分, 首先, 模型基于通用的土壤流失方程[27]計(jì)算潛在土壤流失量和實(shí)際土壤侵蝕量。計(jì)算方法如下:

(7)

(8)

式中,為降雨侵蝕力因子/[MJ·mm/(ha·h·a)];為土壤可蝕性因子/[t·ha·h/(ha·MJ·mm)];為坡長(zhǎng)坡度因子;為植被覆蓋和管理因子;為工程措施因子。

其次, 模型對(duì)地塊的沉積物保持量進(jìn)行估算。綜上所述, InVEST 模型中的土壤保持量的計(jì)算公式如下所示:

=(–)+_(9)

式中,為草地土壤保持量/t;為攔截的上游沉積物量/t。

2.1.3 碳儲(chǔ)存

碳儲(chǔ)存(Carbon Storage, CS)模塊中, 碳庫(kù)包括地上生物量、地下生物量、土壤碳、死亡有機(jī)物碳以及木材收獲量5部分。由于本研究評(píng)估鹽池縣草地, 所以不考慮木材收獲, 模型將不同土地覆被類(lèi)型下的上述碳庫(kù)相加, 即得到該區(qū)域所儲(chǔ)存的碳, 計(jì)算公式如下:

C=C+C+C(10)

C=C+C(11)

式中,C為草地總碳儲(chǔ)量/t;C為植被碳儲(chǔ)量/t;C是地上碳儲(chǔ)量/t;C為地下碳儲(chǔ)量/t;C為死亡有機(jī)碳儲(chǔ)量/t;C為土壤碳儲(chǔ)量/t。

2.1.4 熱點(diǎn)分析法

2.1.5 空間分異特征分析法

冷熱點(diǎn)分析只能表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的局部空間自相關(guān)特征, 即識(shí)別服務(wù)屬性相似的集聚區(qū), 對(duì)于局部空間內(nèi)屬性值具有高低差異的區(qū)域無(wú)法識(shí)別, 而空間分異特征分析法恰好彌補(bǔ)了冷熱點(diǎn)分析法的不足?？臻g分異特征分析法是測(cè)度研究區(qū)中一個(gè)單元上的屬性值與鄰近單元同一屬性值的相關(guān)程度。本文采用局部Moran’s指數(shù)值, 當(dāng)>0, 表明屬性值為高-高值或低-低值的空間聚集; 相反,<0時(shí), 屬性值為高-低值或低-高值的空間聚集[30]。應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中, 來(lái)識(shí)別各項(xiàng)服務(wù)呈現(xiàn)的低-低、高-高、低-高、高-低四種空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)模式, 以分析多項(xiàng)服務(wù)的空間分異規(guī)律。計(jì)算公式如下:

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

主要數(shù)據(jù)來(lái)源及處理見(jiàn)表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分布特征

通過(guò)運(yùn)行InVEST模型得到鹽池縣2000年、2004年、2007年、2010年和2015年5期草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)分布(圖2)。

由圖2可以看出, 鹽池縣草地碳儲(chǔ)量密度在空間上呈現(xiàn)由東北向西南逐漸遞減的分布規(guī)律, 最大值為11.5606 t·ha-1, 平均值為5.51—6.19 t·ha-1, 結(jié)果符合鹽池縣植被分布規(guī)律。從時(shí)間變化上看, 全面禁牧前的2000年, 草地碳儲(chǔ)存量為217.46萬(wàn)t, 密度5.78 t·ha-1, 2004年持續(xù)增加, 到2007年達(dá)到244.78萬(wàn)t, 密度6.01 t·ha-1, 密度增長(zhǎng)3.98%, 隨后轉(zhuǎn)為下降態(tài)勢(shì), 2010年為225.01萬(wàn)t, 密度5.51 t·ha-1, 密度下降9.17%, 2015年又增加到263.12萬(wàn)t, 密度6.19 t·ha-1, 密度增長(zhǎng)11.23%。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中, 花馬池鎮(zhèn)碳儲(chǔ)量最多, 5期均值為45.55萬(wàn)t, 麻黃山鄉(xiāng)最少, 5期均值僅10.81萬(wàn)t, 碳儲(chǔ)存密度花馬池鎮(zhèn)最高, 均值達(dá)9.09 t·ha-1, 高沙窩鎮(zhèn)最低, 5期均值僅4.25 t·ha-1, 前者是后者的2.14倍。

水源涵養(yǎng)量2000年為2884萬(wàn)t, 密度76.69 t·ha-1, 經(jīng)過(guò)2004年的增加, 到2007年達(dá)到7869萬(wàn)t, 密度193.12 t·ha-1, 密度增長(zhǎng)151.82%, 到2010年下降到4923萬(wàn)t, 密度120.60 t·ha-1, 密度下降37.55%, 隨之又轉(zhuǎn)為增長(zhǎng)態(tài)勢(shì), 在2015年達(dá)到12235萬(wàn)t, 密度287.83 t·ha-1, 密度增長(zhǎng)138.66%。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中, 花馬池鎮(zhèn)水源涵養(yǎng)量最多, 5期均值為1632.31萬(wàn)t, 麻黃山鄉(xiāng)最少, 5期均值為516.51萬(wàn)t, 水源涵養(yǎng)密度花馬池鎮(zhèn)最高, 達(dá)318.33 t·ha-1, 高沙窩鎮(zhèn)最低, 5期均值僅93.73 t·ha-1, 前者是后者的3.40倍, 差異較大。

表1 主要數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂(lè)井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), CS(碳儲(chǔ)存), WY(水源涵養(yǎng)), SC(土壤保持)。

Figure 2 Temporal and spatial distribution of grassland ecosystem services in Yanchi county

土壤保持量2000年最小, 2007年最大, 2000年為1383萬(wàn)t, 密度26.78 t·ha-1, 經(jīng)過(guò)2004年的增加, 到2007年達(dá)到4056萬(wàn)t, 密度99.53 t·ha-1, 密度增長(zhǎng)170.63%, 隨后轉(zhuǎn)為下降狀態(tài), 到2010年下降為2194萬(wàn)t, 密度53.75 t·ha-1, 密度下降45.99%, 隨后又轉(zhuǎn)為增長(zhǎng)態(tài)勢(shì), 在2015年達(dá)到3474萬(wàn)t, 密度81.71t·ha-1, 密度增長(zhǎng)52.01%。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中, 麻黃山鄉(xiāng)土壤保持量最多, 5期均值為788.69萬(wàn)t, 高沙窩鎮(zhèn)最少, 5期平值僅93.25萬(wàn)t, 土壤保持密度麻黃山鄉(xiāng)最高, 5期均值達(dá)415.19 t·ha-1, 高沙窩鎮(zhèn)最低, 5期均值僅13.85 t·ha-1, 前者是后者的29.98倍, 區(qū)域差異十分懸殊。

3.2 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)分析

基于鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集, 利用ArcGIS 10.2的空間統(tǒng)計(jì)分析工具分別計(jì)算各項(xiàng)服務(wù)的冷熱點(diǎn)分布區(qū)域, 測(cè)度各服務(wù)的局部空間自相關(guān)特征。

由圖3可知, 鹽池縣草地碳儲(chǔ)存熱點(diǎn)區(qū)主要分布于鹽池縣東北部的花馬池鎮(zhèn)和哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū), 冷點(diǎn)區(qū)范圍集中分布于廣大中南部地區(qū), 碳儲(chǔ)量高或增幅度較大的年份冷熱點(diǎn)顯著區(qū)分布范圍較大, 且界線明確, 在服務(wù)功能較低或下降的年份, 冷熱點(diǎn)分布不顯著區(qū)范圍大增, 顯著區(qū)范圍急劇縮減, 且界線模糊。水源涵養(yǎng)在5期變化較大, 但冷熱點(diǎn)區(qū)分布范圍比較相近, 變化不明顯, 顯著類(lèi)型是主導(dǎo), 不顯著區(qū)分布范圍較少, 且冷點(diǎn)區(qū)與熱點(diǎn)區(qū)的界線也比較明確, 形成比較鮮明的對(duì)比。具體來(lái)看, 2000年冷熱點(diǎn)顯著區(qū)面積大, 且連片分布, 在95%上顯著的比例高, 界線明確, 2015年熱點(diǎn)區(qū)與冷點(diǎn)區(qū)分布范圍變化顯著, 界線也變得模糊, 熱點(diǎn)區(qū)主要集中于東北部花馬池鎮(zhèn)和南部麻黃山地區(qū), 中部?jī)H有零星分布, 范圍有所擴(kuò)大, 冷點(diǎn)區(qū)主要分布在廣大中西部地區(qū)。2000—2015年, 土壤保持功能的冷熱點(diǎn)分布范圍界線明確, 變化極小, 熱點(diǎn)區(qū)覆蓋南部麻黃山地區(qū)的全部, 廣大中北部地區(qū)為冷點(diǎn)區(qū)(個(gè)別起伏較大的山丘除外), 且都以99%水平顯著為主, 表明土壤保持功能受地表起伏的嚴(yán)格限制。南部麻黃山地區(qū)地表起伏大, 溝壑縱橫, 且土壤為侵蝕黃綿土, 極易受流水作用侵蝕, 是土壤保持功能的熱點(diǎn)區(qū)域, 而廣大中北部地區(qū)為地勢(shì)起伏和緩的鄂爾多斯臺(tái)地, 且土壤以風(fēng)沙土和灰鈣土為主, 侵蝕作用較小。

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂(lè)井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), CS(碳儲(chǔ)存), WY(水源涵養(yǎng)), SC(土壤保持)。

Figure 3 Hotspot distribution of each ecosystem service in Yanchi county

草地碳儲(chǔ)存主要受土壤碳儲(chǔ)量和植被碳儲(chǔ)量影響, 而二者與草地覆被息息相關(guān), 因此, 草地碳儲(chǔ)量受草地覆被的直接影響, 其空間分布規(guī)律與草地質(zhì)量相符, 而草地土壤和植被碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)緩慢且穩(wěn)定, 年際波動(dòng)小, 因此草地碳儲(chǔ)量變化比較平穩(wěn), 規(guī)律性顯著, 冷熱點(diǎn)分布范圍也比較顯著。草地水源涵養(yǎng)和土壤保持功能隨降水量的波動(dòng)而顯著變化, 降水多的年份, 二者值較大, 降水少的年份則較低。水源涵養(yǎng)功能熱點(diǎn)區(qū)主要分布于海拔較低、地勢(shì)平坦、儲(chǔ)水構(gòu)造好的東北部花馬池鎮(zhèn)以及麻黃山山前地帶, 受降水影響顯著, 年際波動(dòng)大; 土壤保持功能受地形和土壤質(zhì)地影響最大, 尤其是地表起伏狀況, 因此在南部麻黃山地區(qū)是其高值區(qū), 廣大中北部地區(qū)地勢(shì)平坦, 為低值區(qū), 受降水影響也比較顯著, 年際波動(dòng)大, 但區(qū)域分布格局變化不大。

3.3 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異特征分析

以鹽池縣各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果為數(shù)據(jù)源, 應(yīng)用GeoDa空間分析軟件對(duì)其局部空間自相關(guān)進(jìn)行測(cè)度(圖4)。

由圖4可知, 2000—2015年, 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)碳儲(chǔ)存功能空間分異規(guī)律顯著, 以高-高、高-低型為主, 特別是2004年和2010年所占比重非常大, 幾乎覆蓋整個(gè)研究區(qū)。2000、2007和2015年的高-高、高-低型主要分布于中北部花馬池鎮(zhèn)、王樂(lè)井鄉(xiāng)的大部分區(qū)域, 除此之外, 低-低型零星分布于中南部地區(qū); 水源涵養(yǎng)服務(wù)空間分異特征明顯, 表現(xiàn)由不顯著類(lèi)型向顯著類(lèi)型逐步過(guò)渡, 整個(gè)研究區(qū)高-高、高-低類(lèi)、型為主要分異特征, 且高-高區(qū)分布集中分布于南部麻黃山區(qū)和東北部花馬池鎮(zhèn), 除此之外, 低-低型也有一定占比, 集中于縣域西部馮記溝鄉(xiāng); 土壤保持服務(wù)的空間分異特征以高-高型為主, 主要位于南部麻黃山區(qū), 占比介于4.66%—5.19%之間, 其它區(qū)域大部為不顯著類(lèi)型, 占比介于94.24%—94.99%之間, 且較其他2項(xiàng)服務(wù), 該服務(wù)在整個(gè)研究時(shí)段變化微弱。

鹽池縣草地的各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異性以高-低類(lèi)型和高-高類(lèi)型為主, 即高值區(qū)為低值區(qū)所包圍和高值區(qū)為高值區(qū)所包圍。這在一定程度上反映出禁牧政策的實(shí)施使草地質(zhì)量在整體上有所好轉(zhuǎn), 隨之碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)水平也有所提高, 空間分異類(lèi)型以高-高、高-低為主, 但從個(gè)別年份來(lái)看, 草地碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)服務(wù)出現(xiàn)低-低類(lèi)型的分異特征, 即低值區(qū)為低值區(qū)所包圍, 這恰好說(shuō)明中南部地區(qū)的碳儲(chǔ)存服務(wù)和西部地區(qū)的水源涵養(yǎng)水平均較低, 這與圖2的碳儲(chǔ)存服務(wù)空間分布研究結(jié)論一致; 與此同時(shí), 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異特征, 在一定的程度上也反映出3項(xiàng)服務(wù)在空間上的顯著協(xié)同作用。

3.4 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合熱點(diǎn)區(qū)識(shí)別分析

基于碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持各項(xiàng)服務(wù)綜合熱點(diǎn)的空間分析, 可識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高簇值區(qū)的空間組合規(guī)律, 從而將差別化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理手段在空間定位至柵格層面。研究采用五級(jí)劃分法取2000年、2004年、2007年、2010年和2015年5期3項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)前20%的高值樣本進(jìn)行疊加。從圖5可知, 各服務(wù)高值區(qū)重疊比例非常低, 在5個(gè)研究時(shí)段中, 具有3項(xiàng)高值服務(wù)的柵格僅占總數(shù)的0.03%—0.11%, 具有2項(xiàng)高值服務(wù)的柵格所占比例也僅有1.60%—12.19%, 具有1項(xiàng)高值服務(wù)的柵格占總數(shù)的20.27%—39.19%, 而不具有高值服務(wù)的柵格占總數(shù)的54.65%—78.08%, 高值服務(wù)項(xiàng)較多的柵格主要分布在鹽池縣南部麻黃山區(qū)和東北部的花馬池鎮(zhèn)。草地碳儲(chǔ)存高值區(qū)位于縣域東北部花馬池鎮(zhèn)、中部部分地區(qū), 水源涵養(yǎng)高值區(qū)位于縣域東北部花馬池鎮(zhèn), 而土壤保持高值區(qū)集中于縣域南部麻黃山區(qū), 所以, 三項(xiàng)高值重合區(qū)的幾率非常小、二項(xiàng)重合的區(qū)域也比較小, 僅有或沒(méi)有1項(xiàng)高值區(qū)應(yīng)該是主導(dǎo)類(lèi)型?？傮w來(lái)說(shuō), 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持能力比較弱, 而且呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂(lè)井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), CS(碳儲(chǔ)存), WY(水源涵養(yǎng)), SC(土壤保持)。

Figure 4 Spatial differentiation of each ecosystem service in Yanchi county

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂(lè)井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), 0—3依次表示綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域重疊的服務(wù)有0—3項(xiàng), 即綜合熱點(diǎn)個(gè)數(shù)。

Figure 5 Comprehensive hotspot distribution of ecosystem services in Yanchi county

4 討論

本文運(yùn)用InVEST模型評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 其所需數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣, 能較為詳細(xì)地刻畫(huà)服務(wù)的生物物理過(guò)程, 模擬結(jié)果精細(xì), 與相繼開(kāi)發(fā)的ARIES、SolVES等模型相比, 開(kāi)發(fā)較為成熟, 且可推廣性更強(qiáng)。基于實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)和遙感、土地利用、氣象等多源數(shù)據(jù)類(lèi)型, 在對(duì)InVEST模型進(jìn)行本地化和修正的基礎(chǔ)上, 評(píng)估得到鹽池縣草地碳儲(chǔ)存、土壤保持和水源涵養(yǎng)功能均略低于包玉斌[38]對(duì)陜北黃土高原的研究, 由于陜北黃土高原在水熱條件上都優(yōu)于寧夏鹽池縣, 因此本研究結(jié)果符合實(shí)際。

本研究結(jié)合冷熱點(diǎn)分析法和空間分異分析法, 分別從識(shí)別服務(wù)屬性相似的集聚區(qū)和識(shí)別服務(wù)空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)模式兩個(gè)角度對(duì)服務(wù)空間分布格局進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)化分析, 以反映區(qū)域熱點(diǎn)的整體水平, 分析結(jié)果能更深入地測(cè)度服務(wù)的空間分布格局, 把握熱點(diǎn)區(qū)的時(shí)空分布規(guī)律, 并探索空間格局分布特征的影響機(jī)制, 為科學(xué)開(kāi)展區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局研究、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、制定社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策提供重要依據(jù), 促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展, 與此同時(shí), 也豐富了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究體系, 深化了評(píng)估研究的內(nèi)容。

5 結(jié)論

鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在時(shí)空分布上呈現(xiàn)出差異化規(guī)律。2000—2015年鹽池縣草地碳儲(chǔ)存功能、水源涵養(yǎng)功能和土壤保持功能顯著增強(qiáng), 儲(chǔ)量顯著增加, 碳儲(chǔ)存和水源涵養(yǎng)功能北部增幅大于南部, 土壤保持功能南部增幅大于北部, 增長(zhǎng)過(guò)程呈現(xiàn)一個(gè)顯著的“N”型波動(dòng)。草地碳儲(chǔ)存功能在研究時(shí)段內(nèi)變化幅度較小, 無(wú)論是增加或是減少都是緩慢且連續(xù)的, 而水源涵養(yǎng)功能和土壤保持功能則處于大幅度增加或減少的狀態(tài), 主要受降水因素影響。

碳儲(chǔ)存功能的熱點(diǎn)區(qū)主要分布于鹽池縣東北部和哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、水源涵養(yǎng)功能熱點(diǎn)區(qū)主要集中于東北部地區(qū)和南部麻黃山地區(qū)、土壤保持功能熱點(diǎn)區(qū)主要集中于南部麻黃山地區(qū), 受坡度影響顯著。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在水平較高或增幅大的年份冷熱點(diǎn)顯著區(qū)分布范圍較大, 且界線明確, 在較低或下降的年份, 冷熱點(diǎn)分布不顯著范圍增大, 且界線變得模糊; 草地的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異特征以高-低類(lèi)型和高-高類(lèi)型為主; 各服務(wù)高值區(qū)域重疊比例低, 且呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。

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Spatial pattern analysis of grazing grassland ecosystem services in Yanchi County from 2000 to 2015

WANG Bei1, ZHONG Juntao2,*, TAN Meibao1

1. College of Resources and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730001, China 2. College of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining 810008, China

The Yanchi County of Ningxia was taken as the research area, and the three grassland ecosystem services including carbon storage, water conservation and soil conservation were estimated based on InVEST model before and after grazing ban (2000, 2004, 2007, 2010 and 2015 year). Furthermore, the distribution of cold and hot zones, the spatial differentiation characteristics, and the comprehensive hot spots of these ecosystem services were identified by the spatial statistical method. The results firstly showed that the carbon storage, water conservation and soil conservation increased significantly before and after the grazing ban, showing a "N" fluctuation trend, andthe increase was greater in the south than in the north. On the whole, the change range of carbon storage was small, while water conservation and soil conservation were greatly increased or decreased. Secondly, in the year of high level or large increase of ecosystem services, the significant distribution of cold and hot zones was larger and the boundary was clearer. Otherwise, the insignificant distribution of cold and hot zones was increased and the boundary became fuzzy.The spatial differentiation of various types of ecosystem services mainly exhibited as high-low and high-high types. Finally, the overlap ratio of high value areas of three ecosystem services was extremely low, and the overlap areas presented spatially differential characteristics. This paper analyzed the spatial pattern of grassland ecosystem services in Yanchi County before and after grazing ban and closure, and provided a basis for understanding the development and changes of regional grassland ecosystem services, which could promote the protection and construction of grassland ecosystem.

InVEST model; grassland ecosystem services; hotspot analysis; spatial variation; Yanchi County

王蓓, 仲俊濤, 譚美寶. 2000—2015年鹽池縣禁牧草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局[J]. 生態(tài)科學(xué), 2023, 42(1): 30–39.

WANG Bei, ZHONG Juntao, TAN Meibao. Spatial pattern analysis of grazing grassland ecosystem services in Yanchi County from 2000 to 2015[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 30–39.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.004

X171

A

1008-8873(2023)01-030-10

2020-10-26;

2020-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42001263, 41361024)

王蓓(1992—), 女, 甘肅寧縣人, 博士研究生, 主要從事空間分析與應(yīng)用生態(tài)學(xué)研究, E-mail:qwsswb@163.com

仲俊濤, 男, 博士, 副教授, 碩導(dǎo), 主要從事區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究, E-mail:zhongjuntao88@163.com