戚寶正, 楊海鎮(zhèn), 周華坤, 侯光良, 4

基于GIS的青藏高原生態(tài)服務(wù)功能定量評(píng)價(jià)

戚寶正1, 楊海鎮(zhèn)2,*, 周華坤3, 侯光良1, 4

1. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 青海西寧 810008 2. 青海民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院, 青海西寧 810007 3. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所, 青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海西寧 810008 4. 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 青海西寧 810008

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是保障人類生存發(fā)展的重要支柱和實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要保障。基于植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)定量指標(biāo)評(píng)估法、GIS空間分析法、生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)法與一元線性回歸趨勢(shì)線法, 對(duì)2000—2015年青藏高原水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)功能的空間分布特征及重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明: (1)水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性維護(hù)功能指數(shù)東南高、西北低, 呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的變化趨勢(shì); (2)從上述生態(tài)服務(wù)功能重要性分級(jí)特征來看, 4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能一般區(qū)面積最大, 分別占高原總面積的27.06%、19.73%、61.44%、41.7%; 生態(tài)服務(wù)功能較弱的區(qū)域面積最小, 分別占高原總面積的16.47%、16.96%、0.97%、4.06%; (3)從綜合重要性分級(jí)特征看, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能一般區(qū)面積最大, 占高原總面積20.72%, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較弱區(qū)面積最小, 占高原總面積的16.73%, 總體上綜合評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于單一生態(tài)功能評(píng)價(jià); (4)2000—2015年來青藏高原生態(tài)功能總體上呈現(xiàn)兩大明顯特征, 即高原南部、三江源區(qū)域、青海湖南端及祁連山地區(qū)綜合生態(tài)服務(wù)功能呈下降趨勢(shì), 藏北高原、藏南谷地、橫斷山區(qū)綜合生態(tài)服務(wù)功能呈增加趨勢(shì), 其他地區(qū)基本保持不變。研究成果可為青藏高原重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)與生態(tài)紅線的劃定, 加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境分區(qū)管理及建立健全生態(tài)屏障提供參考, 為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)提供借鑒。

GIS; 青藏高原; 生態(tài)功能; 定量評(píng)價(jià)

0 前言

自然生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程中產(chǎn)生的產(chǎn)品和服務(wù)對(duì)于維護(hù)地球生命系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要, 其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定是保障人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必要條件[1]。20世紀(jì)以來, 在人類活動(dòng)和氣候變化影響下, 生態(tài)系統(tǒng)失衡、生態(tài)功能退化及環(huán)境脆弱性增強(qiáng)成為當(dāng)前面臨的主要問題[2-4], 尤其在中高緯度與高海拔地區(qū)變化最明顯[5], 給當(dāng)?shù)厝祟悗碇T多不利影響。因此, 如何改善生態(tài)環(huán)境, 提高生態(tài)服務(wù)功能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

青藏高原是全球氣候變化敏感區(qū)和諸多大江大河的發(fā)源地, 也是亞洲地區(qū)水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙等重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū), 對(duì)維護(hù)亞州生態(tài)安全具有重要的屏障作用[2, 6]。然而, 近幾十年來青藏高原生態(tài)穩(wěn)定性受到?jīng)_擊, 環(huán)境污染、凍土消融、水土流失、土地沙化等問題日益凸顯, 給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)活動(dòng)帶來巨大挑戰(zhàn)[7-9]。生態(tài)服務(wù)功能作為人類與自然和諧發(fā)展的關(guān)鍵紐帶, 是人與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的核心, 尤其在氣候變化異常敏感的青藏高原, 掌握生態(tài)服務(wù)功能的空間變化趨勢(shì)和重要性對(duì)解決以上問題意義重大。

目前, 從生態(tài)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀來看, 相關(guān)研究集中于生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估[10]、生態(tài)系統(tǒng)功能度量[11]、生態(tài)補(bǔ)償與系統(tǒng)變化[12-13]、植被覆蓋變化[14]等方面, 研究方法主要以RUSLE模型[15]、InVEST模型[16]等為主。但對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定量評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少, 尤其在綜合生態(tài)服務(wù)功能和長(zhǎng)時(shí)間尺度上更為缺乏。且常用模型涉及參數(shù)較多, 各指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取困難成為制約大尺度地域性研究的主要問題。綜上所述, 筆者選用《生態(tài)紅線劃定技術(shù)指南》中所需參數(shù)較少, 適宜長(zhǎng)時(shí)間尺度和地域性研究的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)定量指標(biāo)評(píng)估法為模型框架, 對(duì)青藏高原2000—2015年生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 評(píng)價(jià)方法與流程按照生態(tài)紅線方法進(jìn)行, 所得結(jié)果空間范圍與尺度更具體, 評(píng)價(jià)結(jié)果綜合性與分辨率提高, 是對(duì)青藏高原生態(tài)服務(wù)功能重要性空間分布情況的進(jìn)一步補(bǔ)充。研究結(jié)果可為青藏高原生態(tài)紅線的劃定, 自然保護(hù)區(qū)體系的建立健全提供借鑒, 同時(shí)為青藏高原生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)屏障的建立提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

青藏高原(26°00′12″—39°46′50″ N, 73°18′52″—104°46′59″ E)位于中國(guó)西部和南部, 東西長(zhǎng)約2945 km, 南北寬約1532 km, 總面積約257.24×104km2, 平均海拔4000 m以上, 被稱為“世界屋脊”[17-18]。高原內(nèi)廣布山地、湖泊、濕地等多種地貌[2], 是中國(guó)最典型的高原高山氣候區(qū)。相比于同緯度地區(qū), 青藏高原氣溫偏低, 風(fēng)力較大, 年平均氣溫約-6 ℃—20 ℃[19], 水熱條件東西空間差異明顯, 東部年降水量約1000 mm, 西北部降水較少約50 mm, 呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的特征[20-22]。此外受高原季風(fēng)和地形因素的影響[21], 高原境內(nèi)形成了森林、草地、濕地、生物、荒漠等復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng), 各種生態(tài)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中形成了一個(gè)統(tǒng)一的整體, 并且產(chǎn)生了重要的生態(tài)服務(wù)功能, 包括生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值、生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等[23], 成為人類生存必不可少的客觀條件。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究所需數(shù)據(jù)包括: 青藏高原邊界數(shù)據(jù)、NPP數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)。NPP數(shù)據(jù)來源于全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)及文獻(xiàn)(http://www. geodoi. ac.cn/ WebCn/Aims_and_ Scope.aspx), 分辨率為1 km×1 km的中國(guó)逐月柵格數(shù)據(jù)[24]; 氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)地面氣象站逐月觀測(cè)的降水量、氣溫、相對(duì)濕度及風(fēng)速數(shù)據(jù)(http://data.cma.cn/), 分辨率為1 km×1 km; 土壤數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所創(chuàng)建的中國(guó)1:100萬土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.issas.ac. cn/kxcb/ zgtrxxxt/)[25], 本文主要使用該數(shù)據(jù)庫(kù)中的土壤粘粒、粉砂、砂粒、有機(jī)碳含量等數(shù)據(jù); DEM數(shù)據(jù)來自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)(http://www.gscloud.cn), 空間分辨率為90 m×90 m; 青藏高原邊界數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)[17]。

2.2 方法

2.2.1 指標(biāo)選取

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)是客觀反應(yīng)區(qū)域生態(tài)功能的關(guān)鍵, 本研究參照《生態(tài)紅線劃定技術(shù)指南》和《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》作為指標(biāo)選取的依據(jù)[26-27]。遵循科學(xué)性、整體性、系統(tǒng)性、可操作性原則, 將水源涵養(yǎng)服務(wù)功能指數(shù)、水土保持服務(wù)功能指數(shù)、防風(fēng)固沙服務(wù)功能指數(shù)及生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能指數(shù)作為一級(jí)指標(biāo), 其涉及參數(shù)有: 凈初級(jí)生產(chǎn)力、土壤滲流、降水量、氣溫、坡度、土壤可蝕性、氣候侵蝕力、地表粗糙度、海拔等(表1)。并通過ArcGIS軟件將9個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理, 且為方便模型運(yùn)算使各因子分辨率統(tǒng)一為250 m×250 m, 并歸一化到0—1之間的空間分布圖(圖1)。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能一級(jí)指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)

2.2.2 NPP定量指標(biāo)評(píng)估法

(1)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能

水源涵養(yǎng)服務(wù)功能是陸地植被、濕地等生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)水循環(huán)進(jìn)行調(diào)控的能力[26, 28], 主要體現(xiàn)在調(diào)節(jié)地表徑流、降低洪峰、凈化水質(zhì)和促進(jìn)水量平衡[29]。計(jì)算公式如下:

式中,為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能指數(shù),NPP為2000—2015年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力多年平均值歸一化(g C · m-2· a-1),F為土壤滲流歸一化,F為多年平均降雨量歸一化(mm),F為坡度歸一化(°)。

(2) 水土保持服務(wù)功能

水土保持服務(wù)功能是指各生態(tài)系統(tǒng)在植被、土壤及坡度綜合作用下緩解流水對(duì)土壤的侵蝕, 保護(hù)和改善人類賴以生存的自然環(huán)境的能力[30]。計(jì)算公式如下:

式中,S為水土保持服務(wù)功能指數(shù),為修正前土壤可蝕性歸一化, 計(jì)算公為:

式中,為土壤可蝕性因子,m、m、m分別指粘粒(<0.002 mm)、粉砂(0.002—0.02 mm)、砂粒(0.02—2 mm),為土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化而成的土壤有機(jī)碳百分比含量(g·kg-1),NPP、F含義同上。

(3) 防風(fēng)固沙服務(wù)功能

防風(fēng)固沙服務(wù)功能是指森林、草地、灌叢及草甸等生態(tài)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域內(nèi)沙塵的固定和截留能力, 是風(fēng)蝕地區(qū)重要的防沙屏障[26, 31]。計(jì)算公式如下:

式中,S為防風(fēng)固沙服務(wù)功能指數(shù),為地表粗糙度歸一化(°),NPP、含義同上,F為多年平均氣候侵蝕力歸一化, 計(jì)算公式為:

式中,p為月降水量(mm),為當(dāng)月天數(shù),ETP為月潛在蒸發(fā)量(mm),計(jì)算公式為:

式中;T為月平均氣溫(℃),r為月平均相對(duì)濕度(%), 而公式(5)中的為2 m高處的月平均風(fēng)速(m/s), 但氣象站通常所測(cè)風(fēng)速高度約10 m左右, 兩者之間需要進(jìn)行換算。換算公式為[32]:

(4) 生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能

生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在結(jié)構(gòu)、功能及生境對(duì)物種基因、生物多樣性等的保護(hù)能力[26]。計(jì)算公式如下:

式中:S為生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能指數(shù);F多年平均降水量歸一化(mm);F為多年平均氣溫歸一化(℃);F為海拔因子歸一化(m);NPP含義同上。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)法

各生態(tài)功能重要性評(píng)價(jià)僅代表某一功能的空間分布, 而生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的整體。為綜合評(píng)價(jià)青藏高原生態(tài)服務(wù)功能重要性, 將水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性維護(hù)功能指數(shù)進(jìn)行空間疊加, 得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合指數(shù)[33], 并進(jìn)行重要性評(píng)價(jià)。計(jì)算公式如下:

a多年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力; b 多年平均氣溫; c 多年平均降水量; d 土壤可蝕性; e 土壤滲流因子; f 土壤粗糙度; g 海拔; h 坡度; i 多年平均氣候侵蝕力。

Figure 1 Indicators of ecological service function

式中:為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合重要性指數(shù),、S、、S含義同上。

基于以上定量評(píng)估模型得出水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性維護(hù)等服務(wù)功能重要性指數(shù), 以分位數(shù)法(quantile)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能按指數(shù)由高到低依次分為極重要、重要、較重要、一般、弱五級(jí)進(jìn)行重要性評(píng)價(jià)[1,34-35]。

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化趨勢(shì)評(píng)價(jià)

一元線性回歸趨勢(shì)線法是以解析單個(gè)像元變化趨勢(shì)來反映不同時(shí)期整個(gè)區(qū)域的空間變化情況, 多用于區(qū)域生態(tài)功能空間變化趨勢(shì)評(píng)估,值大于零則表示增加的趨勢(shì), 小于零則表示減少的趨勢(shì)[1]。計(jì)算公式如下:

式中,為趨勢(shì)線斜率,為年份,為年變量,為年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)

(1)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能重要性

水源涵養(yǎng)服務(wù)功能重要性指數(shù)介于0—0.27之間, 平均值約為0.021, 總體呈現(xiàn)出東南高、西北低的特征。從重要性分級(jí)結(jié)果來看(表2,圖2): 青藏高原水源涵養(yǎng)服務(wù)功能與降水量關(guān)系最為密切。通過疊加年等降水量線發(fā)現(xiàn), 在600 mm、800 mm等降水量線以南的藏南高原、滇西橫斷山高山峽谷區(qū)、若爾蓋高原水源涵養(yǎng)功能極重要; 400—600 mm、600—800 mm等降水量線之間的藏南高原大拐彎處、三江源區(qū)、若爾蓋高原以北和祁連山南麓水源涵養(yǎng)服務(wù)功能重要; 300—400 mm等降水量線之間的共和盆地、藏北高原南部水源涵養(yǎng)服務(wù)功能較重要; 100—300 mm等降水量線之間的藏北高原腹地、喜馬拉雅山脈、柴達(dá)木盆地南段及以東至祁連山地區(qū), 水源涵養(yǎng)服務(wù)功能一般; 100 mm等降水量線以下的昆侖山脈、柴達(dá)木盆地水源涵養(yǎng)服務(wù)功能弱。從一元線性回歸趨勢(shì)結(jié)果來看, 藏南谷地, 三江源地區(qū), 青海湖南端、祁連山一帶水源涵養(yǎng)服務(wù)功能增加明顯, 藏北高原、藏南谷地、念青唐古拉山、橫斷山地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能顯著降低; 而昆侖山脈、柴達(dá)木盆地、可可西里地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能基本保持不變(圖2)。

(2)水土保持服務(wù)功能重要性

水土保持服務(wù)功能重要性指數(shù)介于0—0.71, 平均值約為0.098, 在藏南高原、若爾蓋高原指數(shù)最高, 北部昆侖山脈一帶指數(shù)最低。從重要性分級(jí)結(jié)果看(表2,圖2): 藏南高原、三江源南部、若爾蓋盆地、環(huán)青海湖一帶、祁連山南麓地區(qū)水土保持服務(wù)功能極重要; 橫斷山區(qū)、三江源北部地區(qū)水土保持服務(wù)功能重要; 藏北高原、共和盆地等水土保持服務(wù)功能較重要; 柴達(dá)木盆地周邊區(qū)域、可可西里山麓及喜馬拉雅山麓等區(qū)域水土保持服務(wù)功能一般; 昆侖山脈、阿爾金山脈及柴達(dá)木盆地內(nèi)部地區(qū)水土保持服務(wù)功能弱。從一元線性回歸趨勢(shì)結(jié)果來看, 藏北高原、藏南谷地、橫斷山區(qū)、若爾蓋盆地、青海湖北端水土保持服務(wù)功能顯著增加, 藏南高原、三江源地區(qū)、青海湖南端、祁連山地區(qū)水土保持服務(wù)功能顯著下降; 高原北部地區(qū)水土保持服務(wù)功能基本不變(圖2)。

(3)防風(fēng)固沙服務(wù)功能重要性

防風(fēng)固沙服務(wù)功能重要性指數(shù)介于0—0.09, 平均值為0.0005, 藏南高原、滇西橫斷山高山峽谷區(qū)指數(shù)最高, 河湟谷地指數(shù)最低。從重要性分級(jí)結(jié)果看(表2, 圖2): 藏南高原、若爾蓋高原和滇西橫斷山高山峽谷區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能極重要; 藏南谷地、三江源區(qū)及祁連山脈地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能重要; 可可西里山脈南麓、青海高原中東部、喜馬拉雅山麓防風(fēng)固沙服務(wù)功能較重要; 昆侖山脈、阿爾金山脈、柴達(dá)木盆地周邊區(qū)域、藏北高原防風(fēng)固沙服務(wù)功能一般; 河湟谷地防風(fēng)固沙服務(wù)功能弱, 從一元線性回歸趨勢(shì)結(jié)果來看: 藏南高原、青海湖周邊區(qū)域, 祁連山地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能顯著增加, 若爾蓋盆地及周邊高山峽谷區(qū), 三江源地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能下降, 其他略有變動(dòng)但并不明顯(圖2)。

(4)生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能重要性

生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能重要性指數(shù)介于0—0.47之間, 平均值約為0.021, 呈顯出東南高、西北地, 自西北向東南逐漸遞增的空間分異特征。從重要性分級(jí)結(jié)果來看(表2, 圖2)藏南高原、橫斷山脈至若爾蓋地區(qū)、互助北山國(guó)家森林地質(zhì)公園對(duì)生物多樣性維護(hù)極重要; 三江源區(qū)、共和盆地、河湟谷地、環(huán)青海湖一帶, 祁連山自然保護(hù)區(qū)生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能重要; 柴達(dá)木盆地東部及南端、藏北高原中部、喜馬拉雅山麓生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能較重要; 昆侖山脈南端及東段地區(qū)、阿爾金山山脈、可可西里及藏北高原北部地區(qū)生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能一般; 柴達(dá)木盆地、昆侖山北端生物多樣性維護(hù)服務(wù)功能弱。從一元線性回歸趨勢(shì)結(jié)果來看: 青藏高原北部的昆侖山脈、柴達(dá)木盆地及藏南高原生物多樣性服務(wù)功能略有上升外其他地區(qū)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 尤其是橫斷山區(qū)、若爾蓋盆地等下降最為明顯(圖2)。

表2 2000一2015生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性分級(jí)面積及所占青藏高原總面積百分比

Figure 2 Importance and changing trend of ecological service function

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性綜合評(píng)價(jià)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性綜合指數(shù)介于0—1.26, 平均值為0.144, 東南部指數(shù)最高, 西北部指數(shù)較低, 總體上重要性指數(shù)由西北向東南遞增, 從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來看(表2, 圖2): 藏南高原、橫斷山脈以東至若爾蓋地區(qū)、環(huán)青海湖一帶、祁連山南麓、河湟谷地生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能極重要; 青海高原中西部、祁連山北麓、藏南谷地生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能重要; 共和盆地、藏北高原、喜馬拉雅山麓地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能較重要; 北部山麓地帶、柴達(dá)木盆地周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能一般; 昆侖山脈與阿爾金山脈海拔較高地區(qū)、柴達(dá)木盆內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能弱。從一元線性回歸綜合趨勢(shì)結(jié)果來看: 藏北高原、藏南谷地、橫斷山區(qū)、若爾蓋盆地生態(tài)服務(wù)功能顯著增強(qiáng); 藏南高原、喜馬拉雅山麓、三江源地區(qū)、青海湖南端、祁連山地區(qū)生態(tài)服務(wù)功能則明顯下降, 其他地區(qū)略有變化, 但基本穩(wěn)定。

4 討論

從上述結(jié)果來看, 以上4類生態(tài)服務(wù)功能極重要區(qū)分布在藏南高原、若爾蓋高原、滇西橫斷山高山峽谷等地, 而高原北部的昆侖山脈、柴達(dá)木盆地一帶生態(tài)服務(wù)功能弱, 且在空間分布上呈現(xiàn)出自東南向西北遞減的規(guī)律, 該結(jié)論從已有研究結(jié)論中得到相關(guān)證實(shí)。此前, 部分學(xué)者對(duì)青藏高原的生態(tài)功能已經(jīng)展開了較多研究, 但多集中于區(qū)域性研究和單一性研究。從青藏高原范圍來看, 水源涵養(yǎng)功能由高原東南部向西北遞減[36]; 從區(qū)域范圍來看, 長(zhǎng)江上游的岷山, 邛崍山水源涵養(yǎng)與生物多樣性生態(tài)服務(wù)功能極重要[37], 若爾蓋水源涵養(yǎng)能力由北向南遞增[28], 西藏中部防風(fēng)固沙服務(wù)功能極重要[6]等研究結(jié)果與本文結(jié)論較吻合, 這是因?yàn)榍嗖馗咴瓥|南部和南部由于較高的海拔阻擋了太平洋季風(fēng)及印度洋季風(fēng)的深入, 導(dǎo)致降水比高原其他地區(qū)充沛, 植被覆蓋率高, 森林、灌叢、濕地發(fā)育良好, 同時(shí)復(fù)雜的地理環(huán)境也在一定程度上限制了人類活動(dòng), 使其保留較多的原有生境和珍稀動(dòng)植物, 高原中部是諸多河流發(fā)源地, 草地、冰川、濕地、灘涂等廣泛分布, 是全球氣候變化的敏感區(qū)和我國(guó)最大的水源涵養(yǎng)功能區(qū), 對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全和研究氣候變化極為重要[38-40]; 而北部降水稀少、干旱、多大風(fēng)、植被覆蓋率低, 生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱, 生態(tài)服務(wù)功能較弱; 高原東北部為祁連山自然保護(hù)區(qū), 境內(nèi)河流發(fā)育眾多, 植被覆蓋率較高, 其中草甸和草原占主體,生態(tài)服務(wù)功能重要[41]。

此外, 2000—2015年以來, 藏北高原、藏南谷地、橫斷山區(qū)等地生態(tài)服務(wù)功能呈增強(qiáng)趨勢(shì); 而藏南高原、喜馬拉雅山麓、三江源地區(qū)、青海湖南端、祁連山地區(qū)生態(tài)服務(wù)功能呈下降趨勢(shì)。導(dǎo)致生態(tài)功能發(fā)生改變的原因極為復(fù)雜, 從模型內(nèi)在關(guān)系來看, 植被、氣溫、降水的變化是影響生態(tài)功能的最主要因素, 已有研究表明青藏高原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力自東南向西北遞減[42], 且1981—2006以來植被覆蓋率在藏北高原、雅魯藏布江中上游、高原東南部顯著增加, 但在喜馬拉雅山山麓、青海湖南端、三江源地區(qū)顯著下降[20]。另外, 2000—2015年以來, 青藏高原降水量略有下降, 氣溫則顯著上升, 其中高原中部氣溫上升較明顯, 但降水有所下降, 東南部降水量呈減少趨勢(shì)[43]。綜上所述, 藏北高原、藏南谷地、橫斷山區(qū)生態(tài)功能增強(qiáng)可能與植被恢復(fù)有關(guān), 藏南高原、喜馬拉雅山山麓、三江源地區(qū)生態(tài)功能減弱可能與降水量下降, 氣溫升高, 耐寒物種減少植被覆蓋率下降有關(guān), 青海湖南端、祁連山地區(qū)生態(tài)服務(wù)功能減弱可能與強(qiáng)烈的人類活動(dòng)有關(guān)。綜上所述, 從青藏高原4類主要生態(tài)功能的角度, 進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的綜合研究; 具有一定的可行性, 更具有借鑒意義。

高原東南部地形復(fù)雜, 森林灌叢發(fā)育良好, 水熱條件比西北部?jī)?yōu)越, 生態(tài)系統(tǒng)保留有部分的原有生境。根據(jù)前人對(duì)我國(guó)自然保護(hù)地體系的研究[44], 建議將極重要區(qū)與重要區(qū)以及生態(tài)服務(wù)功能有所下降的藏南等地劃定為國(guó)家自然保護(hù)區(qū), 優(yōu)先納入國(guó)家保護(hù)行列, 對(duì)該區(qū)域?qū)嵭袊?yán)格保護(hù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能一般與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較弱區(qū)域, 土壤貧瘠、植被稀疏, 生態(tài)系統(tǒng)極度脆弱, 而當(dāng)前該區(qū)域僅有可可西里地區(qū)被確定為國(guó)家自然保護(hù)區(qū), 但這對(duì)于實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)整體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所欠缺, 因此, 建議將藏北高原、柴達(dá)木盆地及邊緣地帶劃定為自然公園; 對(duì)于生態(tài)功能下降明顯的區(qū)域因地制宜加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)與保護(hù), 遏制生態(tài)衰退的趨勢(shì)。同時(shí)本研究采用的氣象數(shù)據(jù)來自青藏高原氣象站點(diǎn), 而高原內(nèi)站點(diǎn)分布不均, 客觀上會(huì)影響數(shù)據(jù)的精確性, 此外中國(guó)1:100萬土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中, 冰川、湖泊、礫石等缺乏數(shù)值, 為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的原始性, 本研究沒有刻意賦值以白色區(qū)域表示空值, 不參與重要性評(píng)價(jià), 希望以后能彌補(bǔ)這方面的缺陷。

5 結(jié)論

本文選用2000—2015年各指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù), 從青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性及多年變化趨勢(shì)的角度, 通過單一類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、綜合類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及一元線性趨勢(shì)線法進(jìn)行定量評(píng)價(jià), 主要結(jié)論如下:

(1) 2000—2015年青藏高原水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙及生物多樣性服務(wù)功能重要性指數(shù)均呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的趨勢(shì); 其中藏南高原、滇西橫斷山高山峽谷、若爾蓋盆地指數(shù)較高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng); 北部的昆侖山脈、阿爾金山脈以及柴達(dá)木盆地指數(shù)較低, 生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能較弱。

(2) 通過綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn), 生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能重要性優(yōu)于單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性,更能反映青藏高原復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境。

(3) 從一元線性回歸綜合趨勢(shì)變化結(jié)果可知, 2000—2015年來青藏高原生態(tài)功能發(fā)生較大變化, 其中高原北部略有變化, 但幅度不明顯, 其他地區(qū)變化顯著; 主要表現(xiàn)在原生態(tài)環(huán)境較優(yōu)越的藏南高原、三江源地區(qū), 青海湖南端、祁連山等地生態(tài)功能呈下降趨勢(shì), 藏北高原、藏南谷地、橫斷山區(qū)生態(tài)功能呈增加趨勢(shì)。

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Quantitative evaluation of the ecological service function on Qinghai-Tibet Plateau Based on GIS Analysis

QI Baozheng1, YANG Haizhen2, *, ZHOU Huakun3, HOU Guangliang1, 4

1. School of Geographical Science, Qinghai Normal University, Xining 810008, China 2. Academy of Plateau Science and Sustainability, Xining 810008, China 3. College of Eco-environment and Resources, Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China 4. Key Laboratory of Restoration Ecology of Cold Area in Qinghai Province, Northwest Institute of Plateau Biology, CAS, Xining 810008, China

Ecosystem service is important for human survival and social development, as well as for reginal sustainable development. The objective of this study is to assess the spacial distribution characteristic and importance of water conservation, land erosion control, wind erosion prevention and biodiversity conservation function on the Qinghai Tibet Plateau from 2000-2015. The study applied the vegetation net primary productivity (NPP) quantitative index evaluation method, GIS spatial analysis method, comprehensive evaluation of ecological service function method and one variable linear logistic trend method. The results are as follows. (1) Water conservation, land erosion control, wind erosion prevention and biodiversity conservation function index were higher in the southeast and lower in the northwest of the study area, showing a decreasing trend from the southeast to the northwest. (2) Based on classification characteristic of the importance of ecological service function, among these four types of the ecosystem service functions, the general category occupied the largest proportion, respectively accounting for 27.06%, 19.73%, 61.44%, 41.7% of the plateau's total area, and the areas with poor ecological service function occupied the smallest area, respectively accounting for 16.47%, 16.96%, 0.97%, 4.06%. (3) In terms of comprehensive importance classification attributes, the areas with general ecological functions accounted for the largest area size with over 20.72%. Areas with least important ecological service function accounted for the smallest area size, only about 16.73%. In all, the result of comprehensive evaluation was better than the single evaluation. (4) From 2000 to 2015, the ecological functions of the Qinghai Tibet Plateau showed two obvious characteristics: first, in southern Plateau, three rivers source region, southern part of Qinghai Lake and Qilian mountain area showed a decreasing trend; second, in northern Tibetan Plateau, southern Tibetan Valley and Hengduan Mountain area showed an obvious increasing trend, while other areas remained unchanged. The research results of this paper would provide reference for the demarcation of key ecological functional zones and ecological red lines, as well as the management of ecological zones and establishing of ecological barriers on the Qinghai Tibet Plateau.

GIS; Qinghai-Tibet Plateau; ecological function; quantitative evaluation

戚寶正, 楊海鎮(zhèn), 周華坤,等. 基于GIS的青藏高原生態(tài)服務(wù)功能定量評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2023, 42(1): 187–196.

QI Baozheng, YANG Haizhen, ZHOU Huakun, et al. Quantitative evaluation of the ecological service function on Qinghai-Tibet Plateau Based on GIS Analysis[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 187–196.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.022

X826

A

1008-8873(2023)01-187-10

2020-11-21;

2021-01-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0501901); 中國(guó)科學(xué)院-青海省人民政府2020年三江源國(guó)家公園聯(lián)合研究專項(xiàng)(LHZX-2020-08); 青海省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(2019-HZ-802)

戚寶正(1993—), 男, 甘肅積石山人, 碩士研究生, 主要從事環(huán)境變化等方面研究, E-mail:qbz2020f@163.com

楊海鎮(zhèn)(1973—), 男, 博士, 副教授, 主要從事土地資源管理方面的研究, E-mail: yanghaizhen@ 21cn.com