土地利用變化對生態系統服務功能的影響
——以密云水庫流域為例

李屹峰，羅躍初，劉 綱，歐陽志云，鄭 華，*

(1.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085;2.中國地質環境監測院北京 100081)

生態系統服務功能是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用，是人類賴以生存的基礎，與人類福利息息相關［1-4］，隨著人們對生態系統服務功能重要性的理解逐漸加深，眾多研究者在生態系統服務的產生原因、影響因素、管理措施等方面開展了大量的研究［5-8］。土地利用變化蘊含大量人類活動的信息，可以通過改變生態系統類型、格局以及生態過程直接影響生態系統服務功能，是生態系統服務功能變化的重要驅動力［9-11］，隨著土地利用變化成為全球變化的焦點，其對生態系統服務功能的影響也受到越來越多的關注［12-14］。定量評估土地利用變化與生態系統服務功能變化之間的關系成為當前生態學研究的熱點［15-16］。

潮白河屬于海河水系的五大河之一，密云水庫是潮白河上最重要的水庫，密云水庫流域是北京市重要水源地，流域人地關系緊張，生態環境脆弱。隨著人類活動干擾進一步加劇，流域內的地類覆蓋發生了一系列變化，進而對水生態產生了一系列影響，國內學者對此展開了一定的研究:李子君［17］的研究表明流域徑流量逐年減少，20世紀90年代的徑流量僅為60年代的75%;密云水庫入庫徑流的富營養化水平也在逐漸加劇［18］;耕地和林草地的分布直接影響對流域的水土保持［19］;鄭江坤［20］的研究也表明流域土地利用的變化對生態服務價值有明顯的影響。然而目前流域土地利用變化對生態系統服務影響尚缺乏系統的研究，這在一定程度上阻礙了進一步的管理決策，不利于流域的可持續發展規劃。基于此，本研究分析了密云水庫流域1990—2009年的土地利用變化，并引入基于土地利用變化的空間顯式模型(InVEST模型)來模擬流域內多種生態系統服務功能的變化，探討土地利用變化對生態系統服務功能的影響，以期將服務功能的研究結果納入決策體系，為流域的土地管理決策和生態系統服務功能保育提供科學依據。

1 研究區概況

密云水庫流域是指潮白河流域密云水庫所控制的上游部分，由潮、白河兩大水系組成(圖1)，地理位置40°19'—41°38'N，115°25'—117°35'E，總面積約 1.52萬km2，流域北接內蒙古高原，南鄰華北平原，地跨北京市的密云、懷柔、延慶以及河北省的灤平、豐寧、赤城等10個區縣。流域屬于暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，干旱冷暖變化明顯，全年平均氣溫9—10℃，全年降雨量約為490 mm，年際變化大，年內分布也不均，降雨絕大多數集中在汛期，降雨所形成的地表徑流是河流的主要補給形式。流域內土壤分為褐土、棕壤、草甸土和粟鈣土四大類，流域內植被以原始次生林和人工林為主，天然次生林樹種以闊葉混交雜木林為主，人工林主要包括油松、側柏、刺槐和落葉松。

密云水庫全面積約188 km2，最大庫容量為43.75億m3，每年向北京市供水3—4億m3，是北京市唯一的地表水源，直接影響北京市的用水安全。水庫的水量水質受到上游區域的直接影響，因而上游區域生態系統服務功能的維持和改善對當地以及北京市的生態安全具有重要的意義，而且隨著水資源日益緊缺，這種重要性越來越凸顯。

圖1 密云水庫流域Fig.1 Miyun reservoir watershed

2 研究方法

2.1 土地利用分析

以研究區1990年、2000年、2009年的Landsat TM影像(像元大小30m×30m，軌道號為23031、23032、24031、24032)為基礎，以研究區DEM、坡度坡向圖、“國家科學數據共享工程——地球系統科學共享網”提供的土地覆蓋數據等為輔助數據，根據流域實際情況建立二級分類體系(表1)，結合野外調查的GPS點作為地表特征參照，利用ERDAS9.1軟件進行監督分類，并利用復查的地面驗證點進行驗證，精度達到75%，輸出分類圖像，并利用GIS的“Tabulate area”工具獲得流域不同時期的土地利用轉移矩陣。

表1 土地利用分類體系Table 1 Land use classification system

2.2 數據收集

本研究收集的氣象數據包括密云站、北京站等6個氣象站1980—2009年的月溫度數據;降雨數據包括下會、張家墳等16個雨量站點1980—2009年的月降雨量;水文數據包括下會、張家墳2個水文站1980—2009年的徑流量數據，下會、張家墳2個水文站1980—2009年的水體泥沙含量數據，辛莊、大關橋2個站點1980—2009年的水體總氮含量數據。模型所需的其他數據均來自于相關文獻和資料。

2.3 模型原理以及校驗

InVEST模型是由斯坦福大學(Stanford University)開發，大自然保護協會(The Nature Conservancy)和世界自然基金會(World Wide Fund For Nature)聯合支持的生態系統服務功能評估模型(http://invest.ecoinformatics.org/)，該模型基于GIS，模擬土地覆蓋對生態系統服務功能的影響，結合土地利用情景，能夠在不同地理尺度和社會經濟尺度上檢測生態系統服務功能供給的潛在變化以及服務功能之間的權衡。本研究所使用的模型版本為InVEST 2.1 Beta，該版本所包括海岸、生境、固碳、土壤侵蝕、水質、傳粉等一系列模塊，根據流域的實際情況，本研究選取了“產水量”、“土壤保持”、“水質凈化”一共3個子模型。

“產水量”模型基于一個簡化的水文循環模型，忽略地下水的影響，模擬一定區域內的地表產水量，產水量越多，水資源供給服務就越多。水量通過以下模型進行計算:

式中，Yxj為第j土地利用類型柵格x的產水量;AETxj為第j土地利用類型柵格x的每年實際水分蒸散量;Pxj為第j類土地利用類型柵格x的年降雨量。該模塊需要的數據主要包括年降水量、潛在蒸散量、土地利用圖、土壤深度、根系深度、植物可利用水含量和蒸散系數等。其中年降雨量是將各雨量站的原始數據在Arc-GIS平臺中利用“克里金法”進行插值而得到;潛在蒸散量的計算則是先根據Modified-Hargreaves法求得各氣象站點的潛在蒸散量，再在Arc-GIS平臺中利用“泰森多邊形法”進行插值而得到;其他模型輸入由收集的流域相關數據按照模型的要求換算單位并整理成合適的格式。

“土壤保持”模型用通用土壤流失方程模擬一定區域的土壤侵蝕速率，土壤侵蝕量越小，土壤保持功能越好。土壤流失量用下列方程計算:

式中，USLEx表示柵格x的土壤侵蝕量，影響土壤侵蝕量的因子包括:Rx為降雨侵蝕力因子，Kx為土壤可蝕性因子，LSx為坡度、坡長因子，Cx為植被覆蓋因子，Px為管理因子。在輸入數據中，降雨侵蝕力因子先利用Wischmeier建立的方法計算出各雨量站點的值，然后在Arc-GIS平臺中利用“克里金法”進行插值而得到;土壤可蝕性因子由土壤圖利用諾謨方程計算得出;其他模型輸入由收集的流域相關數據按照模型的要求換算單位并整理成合適的格式。

“水質凈化”模型是用水體中總氮的含量來表征水質狀況，忽略其他污染源，只考慮非點源污染，總氮輸出越高，水質凈化功能就越少，此種服務的評價主要基于屬于系數途徑進行評價，評價方法為:

式中，ALVx為柵格x調節的載荷值，polx為柵格x的輸出系數，HSSx為柵格x的水文敏感得分值。該模塊的主要參數是土地利用類型、總氮輸出負荷、DEM、產水量數據等。產水量數據由“產水量”模型的結果提供，其他模型輸入由收集的流域相關數據按照模型的要求換算單位并整理成合適的格式。

“固碳”服務是按照不同的土地利用類型所對應的固碳速率來進行計算，且只考慮農田、森林和草地的固碳服務。結合流域的實際情況，參考 Lu［21］、方瑜［22］、白楊［23］、郭然［24］、周玉榮［25］的數據，得到不同土地利用類型所對應的不同碳庫的固碳速率(表2)，在Arc-GIS中利用“柵格計算器”計算出不同土地利用方式中的生態系統固碳量，并輸出固碳量的空間分布圖，然后利用空間分析工具計算出流域總的碳儲存量，即流域的固碳服務。

表2 不同地類的固碳速率Table 2 Carbon sequestration rate of different land use types

將初步模擬的數據與實際觀測值進行對比，并參考相關的文獻和數據，微調參數，對模型進行校檢，最終校驗的結果顯示模擬結果與實測數據之間的決定系數R2均超過0.65(圖2)。用檢驗確定的參數運行模型，并輸出結果。為了明確土地利用變化對生態系統服務功能的影響，與降雨量、溫度有關的模型輸入均采用流域多年(1980—2009年)的平均值，以消除氣候因子的影響。

圖2 模型驗證結果Fig.2 The results of model validation

3 研究結果

3.1 密云水庫流域土地利用的數量變化

流域1990、2000、2009年不同土地利用類型的面積如圖3所示。1990—2000年間，農田面積減少了15%，草地面積增加了20%，水體面積也增加了34%，林地的面積變化并不大，僅減少了2%，建筑用地和裸地面積的變化幅度同樣很小;2000—2009年間，林地面積出現大幅度的增加，增幅達到33%，同時建筑用地面積也增加了281%，裸地面積也有314%的增幅，草地和水體有較大比例的減少，減幅分別達到56%和70%，農田面積也減少了17%。總的來看，在整個研究期內，農田、草地和水體的面積減少，減幅分別為30%、48%、61%，林地、建筑用地和未利用地的面積增加，增幅分別為30%、230%、282%。各個時期流域土地利用變化都十分劇烈，而且無論在哪個時期，林地，草地和農田都占據了流域絕大多數的面積，是整個流域的景觀基質，對整體景觀有較大的貢獻。

3.2 密云水庫流域土地利用的相互轉化

土地利用轉移矩陣可以全面具體地刻畫區域土地利用在一定時期內變化的結構特征，有助于研究者了解研究初期各類型土地的去向［26-27］，能夠解釋研究期間各土地類型面積的相互轉化情況，流域研究期內土地轉移矩陣如表3所示。

1990—2000年間，分別有約7%和9%的農田轉變為森林和草地，森林和草地之間存在高頻度的相互轉化，約有16%的森林轉成草地，同時27%的草地轉成森林，這表明草地是發生土地利用變化非常頻繁的地類，而且在林地-農田的轉變過程中可能起著過渡地類的作用。2000—2009年間，流域地類轉化更加明顯，其中農田向其他地類轉變的幅度明顯增大，約有31%的農田轉成森林，所占比例最大，19%的農田轉成草地，同時還有6%的農田轉成建筑用地，該時期內另一個明顯的變化是草地向森林的轉變，約有66%的草地轉成了森林，這也是該時期內草地面積大幅度減少的重要原因，同時還有15%的草地轉成農田，2%的草地轉成了建筑用地，草地和農田向建筑用地的轉變是該時期內建筑用地面積大幅度增加的主要原因。

圖3 不同年份地類的面積Fig.3 The area of different land use types in different years

總的來看，在1990—2009年間，流域內分別有36%、19%、5%的農田轉成森林、草地和建筑用地;一部分森林也發生了向農田和草地的轉變，所占的比例分別為7%和6%;草地向其他地類的轉變是最為劇烈的，多達65%的草地轉變成了森林，還有15%轉成了農田;同時該時期內約有70%的水體轉變成了其他地類，這表明流域內的地表水資源經歷了一個較為明顯的衰減過程，河道和濕地的干涸使得原有的水體變成裸地或者是被改造為建筑用地。這一系列的變化表明在1990—2009年，密云水庫流域林地-草地-農田這3種地類之間存在較為頻繁的相互轉變，包括農業、森林管理等一系列人類活還是流域土地利用變化的重要影響因素。

表3 流域土地利用轉移矩陣Table 3 land use transition matrix in watershed

4.3 密云水庫流域生態系統服務功能的響應

隨著土地利用的變化，密云水庫流域生態系統服務功能也相應發生著顯著的變化。密云水庫流域產水量的變化如圖 4 所示，1990、2000、2009 年，流域的產水量分別為3.99、4.20、3.87 億 m3，總體來看整個研究期內減少了3%，流域約有48%的區域產水量減少(圖5)。2009年的產水量最小，這是因為該時期的土地利用中林地的面積最大，包括針葉林、闊葉林等在內的森林地類具有更大的水分蒸散能力，單位面積的林地比農田草地能散失掉更多的水分，因此2000—2009年大范圍擴張的林地使得產水量減小，流域產水量出現衰減的區域超過總面積的41%，尤其是中部地區和水庫周邊地區出現非常明顯的產水量衰退。而1990—2000年間，流域內耗水量相對較大的農田面積減少，同時水分蒸散能力相對較小的草地面積出現一定程度的增加，這一系列的變化使得該時期內流域的產水量出現增幅，產水量變化的空間分布也表明流域約有31%的區域產水增加。

圖4 不同年份的模型輸出結果Fig.4 Outputs of model in different years

密云水庫流域的泥沙輸出量在研究期內逐漸減少，1990、2000、2009年的輸出量分別為6.05、5.61、3.26萬t(圖4)，這表明研究期內流域土壤保持功能持續得到改善，2009年比1990年增加了46%，從空間上來看，有37%的區域土壤保持服務得到改善。受到地形以及耕作特征的影響，農田具有比其他土地覆蓋類型更高的泥沙輸出負荷，因此在過去的20a間，流域內農田面積的持續減少使得整體的泥沙輸出量持續減少。而在2000—2009年間流域泥沙輸出量減幅比前10更加明顯，這是由該時期內林地面積的大幅度增加引起的，森林地表的生物多樣性較高，植被覆蓋度也相對較好，因而不僅自身泥沙輸出負荷小，而且還有較好的泥沙截留能力，該時期森林面積的大規模擴張使得流域土壤保持服務的增幅更大，空間分布圖也顯示該時間段內流域土壤保持服務出現增加的區域超過流域總面積的一半，達到64%(圖5)。

1990—2009年，流域總氮輸出呈先減少后增加的趨勢，3期的輸出量分別為634、571、987t，總體來看有較明顯的增幅(圖4)，這表明的20a間，流域的水質凈化功能衰減了55%。1990—2000年間，農田的面積持續減少，由農業活動導致的面源污染也隨之減少，從而在該時期內流域的總氮輸出略有減少，但總體變化并不十分顯著。在2000—2009年間，農田面積持續減少并且林地出現大面積擴張，前者能直接減少流域面源污染，后者由于林地有較好的氮素吸收去除能力，也能在一定程度上減少流域的總氮輸出，但該時期內流域總氮輸出量還是出現顯著的增加。其原因在于城鎮的快速擴張，在這一時期內，建筑用地面積擴張了280%，該種地類具有極高的氮素輸出負荷，而且一般建筑用地都臨近河道，這種地類產生的氮素難以經過植物吸收去除而直接進入水體，故雖然其面積凈增幅不大，但對流域總氮輸出的增加卻十分明顯。雖然在該時期內流域有60%的區域水質凈化服務增加(圖5)，但是由于城鎮的高氮素輸出負荷，流域總體的水質凈化服務還是出現了顯著的衰退。

研究期內，流域的總固碳量也呈現出先減少再增加的變化趨勢(圖4)，3期的固碳量分別為3.38×106、3.08×106、4.03×106t，總的來看碳儲量增加了0.64×106t，增幅達19%，表明流域的固碳服務有較大的改善。1990—2000年，流域林地面積減少是該時間段內固碳量減少的主要原因，森林生態系統的固碳速率遠高于其他類型的生態系統，因此林地向農田和草地的轉化會使得流域的固碳服務出現衰減。2000—2009年間，由于林地的大面積擴張，固碳速率有明顯的增加，同時農田的持續減少進一步增加了流域總固碳量，該時間段內雖然建筑用地和裸地的大幅度擴張會在一定程度上減少固碳量，但相比于林地面積的增幅和農田面積的減幅，這種變化還很微小，因而流域固碳服務在該時間段內增加了31%(圖5)。

圖5 不同時期生態系統服務變化的空間分布Fig.5 Maps of change in ecosystem services in different periods

4 討論

隨著人口增長、經濟發展以及一系列國家/地方政策的實施，密云水庫流域土地利用發生了劇烈的變化，過去20a的基本趨勢表現為流域林地、建筑用地和裸地增加，農田、草地以及水體減少。從土地利用轉移變化來看，隨著退耕還林還草政策的持續施行，密云水庫流域內的農田持續向草地和森林轉變，而且在后10a，隨著流域內大規模的植樹造林工程，森林擴張的趨勢十分明顯，與之相對應的是農田面積與草地面積的減少。農田、森林和草地三者之間處于高速的相互轉換之中。同時，在2000—2009年，流域內建筑用地的大規模擴張占用的主要是農田和草地的面積。

總的來看，森林的蒸散量要高于其他的土地覆蓋類型，因此在氣候條件一致的情況下，流域內水資源供給服務隨著森林面積的擴張而出現衰退，眾多研究也表明林地面積的擴張會明顯減少河流徑流量［28-29］。流域1990—2009年水資源供給服務衰減幅度為3%，比2000—2009年間要小，但是兩個時間段內林地面積的變化相差不大，這是因為流域內蒸散水分的能力由高到低分別是森林、農田和草地，而1990年的農田變成2009年的森林時，在2000年一般都是草地，故在2000—2009年間流域產水量的衰減更加明顯。流域的泥沙輸出主要受農田面積的影響，隨著農田面積的持續減少，泥沙輸出也逐漸減少，同時林地的擴張有利于水土保持，林地面積的大幅度增加使得泥沙輸出在2000年后大幅度下降，因此土壤保持功能得到了較明顯的改善。林地面積的增加雖然能改善水質凈化功能，但是該種服務功能主要受到建筑用地的影響，建筑用地的擴張雖然總面積并不大，但是對水質凈化功能的損害是及其顯著的。固碳服務則表現出與森林面積較強的相關性，隨著森林面積的增加，固碳服務出現明顯的增幅。

如何采取合理的管理措施來對多種生態系統服務功能進行綜合管理，進而實現最優化的發展一直是研究者關注的焦點［30-34］，Bennett［35］認為針對不同生態系統服務功能之間共同的驅動力采取措施能有效促進多種服務功能的協同發展。本研究關注的服務之間的共同驅動力是土地利用變化，因而在明確地類變化對服務功能影響的基礎上，決策者能通過制定合適的土地利用規劃來實現可持續管理［36-38］。結合流域的實際情況來看，管理生態系統服務的關鍵在于合理配置林地、草地和農田的分布格局。流域內林地的大面積擴張很好的改善了調節服務，但是對產水量的損害也是明顯的，在流域水資源供需矛盾日益尖銳的情況下，進一步增加林地面積不僅對服務功能的改善有限，還有可能會進一步加劇流域缺水的現狀。因此在未來的規劃中可以選取合適的區域進行林地改造利用，同時加強關鍵區域的保護來保證水質，從而實現不同生態系統服務之間的協同發展。譬如大量的研究表明建設80m寬的河岸帶能夠較好地控制土壤元素流失，能有效減少50%—70%的沉積物［39-41］。除了上述地類的分布格局之外，城鎮區域極高的氮素輸出負荷也暗示著在區域發展規劃中，需要加大對城鎮污染的治理，降低該種地類的單位面積污染輸出負荷，從而減少對整體生態系統服務的負面影響，在城市化進程加快的大背景下，這一點的重要性愈發凸顯。

本研究用中所涉及的生態系統服務功能種類相對較少，結果具有一定的局限性，但本研究依舊表明基于土地利用變化的生態系統服務功能研究方法是一種可行的研究范式，有助于將科學研究的結果納入流域管理決策。在進一步的研究中，需要對評估方法進行完善，模擬更多的生態系統服務功能，并對模擬結果進行綜合，用直觀透明的指標來顯示結果，從而使研究結果更易于接受和應用。

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