三峽庫區生態系統服務功能重要性評價

李月臣，劉春霞 ，閔 婕，王才軍，張 虹，汪 洋

(1.重慶師范大學地理與旅游學院，GIS應用研究重慶市高校重點實驗室，重慶 400047;2.重慶市氣象科學研究所，重慶 401147;3.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

生態系統服務功能是生態系統及其生態過程所形成與維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用［1-6］。生態系統不僅為人類提供了食品、醫藥及其他生產生活原料，更重要的是維持了人類賴以生存的生命支持系統，維持了生命物質的生物地化循環與水文循環和生物物種與遺傳多樣性［7］。因此，生態系統服務功能的研究備受關注，成為生態學研究的前沿和熱點。國內外很多學者都對生態系統服務功能進行了研究。Holdren［8］與Ehrlich［9］論述了生態系統在土壤肥力與基因庫維持中的作用，并系統地討論了生物多樣性的喪失將會怎樣影響生態服務功能。1997年Costanza等［10］研究了全球生態系統服務的自然資本的價值估算，有力地推動了生態系統服務功能經濟價值評價研究。此后，很多學者應用Costanza等方法對不同地區的不同生態系統的服務價值進行了研究［11-13］。同期，我國學者針對全國陸地生態系統綜合服務功能［14-15］;以及森林［16-21］，草地［22-24］，農田［25-27］，濕地［28-29］、河流［30］、城市［31］等單一生態系統類型服務功能進行了大量深入的研究工作。目前，建立復雜環境條件下生態系統服務功能評價方法;揭示景觀和區域尺度生態系統服務的表征、相互作用和時空變異規律;評估重點地區生態系統重要生態服務功能成為生態服務功能研究的重要研究內容［5，32］。上述研究提高了人們對區域生態系統服務功能研究的認識與理解，但同時也都不同程度的存在一些局限:(1)多集中在對單一生態系統服務功能的分析，生態系統服務功能綜合研究較少;(2)多限于利用單位面積價值對總量的靜態估算，而對生態服務功能重要性研究缺乏;(3)對生態系統類型、質量狀況的時空差異缺乏考慮，缺少如三峽庫區等典型生態系統敏感區域生態系統服務功能的綜合研究。生態系統服務具有空間異質性，不同生態系統的空間差異性導致了生態系統服務的空間差異性，同一生態系統在不同區域也會提供不同的生態服務功能［32］。

三峽庫區(重慶段)位于長江上游的末端，是長江流域生態屏障的咽喉，復雜的自然生態條件和社會經濟特征決定了其重要的生態地理位置。本區是中國乃至世界最為特殊的生態功能區之一，也是關系到長江流域生態安全的全國性生態屏障地區。顯見，這一區域生態系統服務功能重要性的研究具有重要理論與實踐意義。鑒于此，本文以三峽庫區(重慶段)為研究區，借助RS與GIS技術，對本區域生態系統服務功能重要性進行綜合研究，針對區域生態系統，分析其提供的不同生態系統服務功能，研究生態系統服務功能區域分異規律，明確各種生態系統服務的重要區域。目的在于豐富三峽庫區生態環境問題研究，為區域生態系統管理、確定生態保護關鍵區、制定生態保護和建設的政策提供科學依據。

1 研究區概況

三峽庫區(重慶段)位于長江上游末端，地理范圍在北緯 28°31'—31°44'、東經105°49'—110°12'之間。東南、東北與鄂西交界，西南與川黔接壤，西北與川陜相鄰，包括重慶市22個區、縣，幅員面積46158.53km2，約占整個三峽庫區面積的80%。2009年末戶籍總人口為1923.50萬人，其中農業人口1243.24萬人。2009年重慶三峽庫區農村各業總產值4858747萬元，農民人均純收入4652元(含重慶市主城區)［33］。研究區屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，多年平均氣溫15—18°C，氣溫年較差和日較差大，具有冬暖春早、夏熱秋遲的特點。多年平均降雨量為1150.26mm，雨量充沛但空間分布不均勻。區內日照少，霧日多。三峽庫區(重慶段)地跨大巴山斷褶帶、川東褶皺帶和川鄂湘黔隆起褶皺帶三大構造單元，地貌以山地、丘陵為主。全區土壤類型主要有紫色土(紫色濕潤雛形土)、黃壤(鐵質常濕淋溶土)、黃棕壤(鐵質濕潤淋溶土)、棕壤(簡育濕潤雛形土)、石灰(巖)土(鈣質濕潤淋溶土)、潮土(淡色濕潤雛形土)、水稻土(水耕人為土)、粗骨土(石質濕潤正常新成土)、新積土(新成土)、山地草甸土(暗色濕潤雛形土)等［34］。區域植被類型豐富，地帶性植被以亞熱帶常綠闊葉林、暖性針葉林為主，森林覆蓋率為22.3%。在植物地理區劃上本區屬亞熱帶常綠闊葉林區，由于本區地勢較低，第四紀大陸冰期氣候對本區的影響甚微，成為珍貴動植物的避難所，物種資源豐富，區內共有植物6000余種，脊椎動物450余種，屬于中國17個具有全球保護意義的生物多樣性關鍵地區之一。區內水系發育，屬長江水系。大部分河流具有降水豐沛且多暴雨、河谷切割深、谷坡陡峻、天然落差大、灘多水急、陡漲陡落等山區河流的特點，是區內產生坡面侵蝕和重力侵蝕等水土流失的重要因素之一。由于受降雨的年內分配和暴雨歷時短與強度大等特點的影響，區內地表徑流和泥沙多集中在5—9月份，隨各月降雨量的不同，其在年內和年際的變化與降雨量的年內年際分布基本一致，體現出時間分布不均勻的特點。

2 數據獲取與處理

研究所用的數據主要由5部分組成:1)2005年重慶市植被類型圖;2002年重慶市森林資源二類調查圖;重慶市國家級和省級重點保護物種和特有、珍惜、瀕危物種分布圖;重慶市自然保護區、森林公園、風景名勝區、其他關鍵生態區分布圖。數據來源于重慶市環保局、重慶市林業局。2)重慶市河流、湖泊、水源地分布圖。數據來源于重慶市水利局。3)研究區水土流失強度類型圖(2005年;分級標準采用水利部發布的水土流失(土壤侵蝕)分類分級標準(SL190—96))、土地利用類型圖(2005年)、DEM數據(1∶5萬)、土壤類型數據。其中水土流失強度數據和土地利用數據均為重慶市水利局在2004年開展水土流失普查時與相關研究單位合作，通過TM遙感影像解譯獲得。這些數據均經過野外校驗，并通過相關部門和專家的驗收，數據精度符合要求。4)由重慶市氣象局提供的研究區各氣象站點各氣象要素統計數據(1971—2007年)。5)以上數據派生的數據;以及一些相關的輔助數據，如行政區劃圖等。為了便于空間運算，所有數據均統一轉換成Albers等積投影的柵格(grid)數據參與空間運算。

3 研究方法

本文借助RS與GIS技術，在已有的研究成果的基礎上，結合三峽庫區(重慶段)的自然和社會經濟實際情況，參照國家環保部頒發的《生態功能區劃技術暫行規程》①①國家環境保護總局.生態功能區劃技術暫行規程.北京:國家環境保護總局，2002，選擇比較重要的生物多樣性保護、土壤保持、水源涵養和營養物質保持4個生態系統服務功能建立評價模型與方法，對三峽庫區(重慶段)生態系統服務功能重要性進行綜合研究，定量揭示研究區生態系統服務功能重要性及其空間分布規律。

3.1 生物多樣性保護重要性評價方法

生物多樣性保護重要性評價就是評價區域內各地區對生物多樣性保護的重要性。《生態功能區劃技術暫行規程規程》①要求根據物種數量來評價生物多樣性保護重要性。但是，就實際情況而言，各保護物種很難落實到確切的空間中，而物種多樣性很大程度上反映在其賴以生存的生態系統特征。因此，本文借鑒相關研究成果［35-36］，并征詢專家意見，結合三峽庫區實際情況，選擇國家及省級重點保護物種和特有、珍稀、瀕危物種分布帶，結合自然保護區、森林公園、風景名勝區等關鍵生態區范圍進行劃分，確定研究區生物多樣性保護重要性等級(表1，圖1)。

3.2 土壤保持重要性評價方法

土壤保持重要性的評價在考慮土壤侵蝕敏感性的基礎上，分析其可能造成的對下游河流和水資源的危害程度。首先根據前期研究成果，利用降雨、土壤類型、DEM、土地利用等數據，運用通用水土流失通用方程的基本原理，選擇了降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度因子以及地表植被覆蓋因子，對研究區土壤侵蝕敏感性進行分析與評價［34］，然后將河流、湖泊及水源地與土壤侵蝕敏感分布圖進行疊加，最后根據表2的分級標準對研究區土壤保持重要性進行評價與分級(圖1)。

表1 生物多樣性保護重要性評價分級表Table 1 Assessment levels of importance for biodiversity conservation

圖1 三峽庫區重慶段生態系統服務功能重要性評價圖Fig.1 The assessment on ecosystem services

表2 土壤保持重要性分級表Table 2 Assessment levels of soil conservation importance

3.3 水源涵養重要性評價方法

水源涵養的生態重要性在于評價地區提供水資源保障及洪水調節作用。因此，可以根據評價地區在流域所處的地理位置，以及對整個流域水資源的貢獻來評價。可根據不同氣候類型下水資源保障及洪水調蓄的重要性進行分級。三峽庫區屬亞熱帶濕潤氣候，按《生態功能區劃技術暫行規程規程》評價方法，研究水源涵養重要性只包括極重要和一般重要兩級，為區別區域內部差異，在考慮國家分級標準和研究區實際情況后，參考相關研究成果［37-40］，加入湖泊、水庫、水源集水區、各種水源涵養林，河流兩側水源涵養緩沖區等因素進行分析與評價(表3，圖1)。

表3 水源涵養重要性分級表Table 3 Assessment levels of importance for water conservation

3.4 營養物質保持重要性評價方法

依據《生態功能區劃技術暫行規程規程》營養物質保持重要性評價方法，參考相關成果［41-42］，主要從面源污染與湖泊濕地的富營養化問題的角度及區域生態系統類型或土地利用類型自身的營養物質保持功能兩方面考慮。首先，根據評價地區N、P流失可能造成的富營養化后果與嚴重程度進行分析。若評價地區下游有重要的湖泊與水源地，該地區域的營養物質保持的重要性大。否則，重要性不大。先根據水系圖，劃分出重要湖泊濕地和一般湖泊濕地，然后利用DEM數據劃出湖泊濕地的匯水區;然后根據湖泊濕地的重要性及其所在河流的級別、湖泊濕地在河流上的位置，確定湖泊濕地匯水區營養物質保持重要性級別(表4);其次，根據區域生態系統類型或土地利用類型本身營養物質保持功能性質，結合基于位置的營養物質保持重要性評價結果進行綜合考慮(表4)，最后形成營養物質保持重要性分布圖(圖1)。

3.5 生態系統服務功能重要性綜合評價方法

單因子的生態系統服務功能重要性反映了生態系統某單一服務功能的重要性程度，沒有將研究區生態系統綜合服務功能的空間變異特征綜合反映出來。根據各因子的分級及賦值，利用ArcGIS的空間疊加功能，將上述各單因子敏感性影響分布圖進行疊加計算，公式如下:

式中，ESIj為j空間單元生態系統綜合服務功能重要性指數;ESi為i生態系統服務功能重要性等級值。然后采用自然分界法(Natural break，ArcGIS的這種分類方法是利用統計學的Jenk最優化法得出的分界點，能夠使各級的內部方差之和最小)［43］，將ESI分為4級，繪制出三峽庫區(重慶段)生態系統服務功能重要性綜合評價圖(圖1)。

表4 營養物質保持重要性分級表Table 4 Assessment levels of importance for nutrients conservation importance

4 結果分析

4.1 生物多樣性保護重要性評價

4.1.1 生物多樣性保護重要性的數量特征

從表5中可以看出，研究區生物多樣性保護重要性類型以一般重要為主，面積為36588.87km2，面積比為79.27%;其次為高度重要地區，面積為4698.15 km2，比例為10.18%;極重要地區和中等重要地區的面積基本相當，分別為2445.66 km2和2425.85km2，面積比分別為5.30%和5.26%。雖然，研究區生物多樣性保護以一般重要地區占據優勢地位，但是生物多樣性保護高度重要以上地區的面積比也達到了15%以上。就各區縣生物多樣性保護重要性的數量特征而言，巫溪、石柱、江津、巫山、開縣生物多樣性保護極重要區面積最大，基本都在200km2以上(其中，巫溪和石柱面積最大，分別為815.68km2和687.09 km2)，面積比例也最高，基本都在10%以上。北碚雖然極重要區面積僅68.25km2，但其面積比也近10%。生物多樣性保護高度重要區的面積比較大的區縣主要有武隆、石柱、萬州、豐都、渝北等區縣，高度重要類型區面積都在450km2以上，面積比也都超過了20%;北碚、沙坪壩、九龍坡、南岸、大渡口等都市區內的區縣雖然生態系統服務功能高度重要區面積不是很大，但比例較高，也都超過了20%，沙坪壩甚至接近35%。

表5 生態系統服務功能重要性綜合評價結果表Table 5 The assessment on ecosystem services

4.1.2 生物多樣性保護重要性的空間特征

全區除一般重要地區由于面積較大，呈連片分布外，其他生物多樣性保護重要性類型空間分布的總體特征表現為條帶形和斑塊狀分布。極重要地區主要呈斑塊狀分布在東北部、中部和東南部。高度重要性區基本呈條帶狀沿武陵山、方斗山、齊曜山、及都市區的縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山“四山”的山脊分布(圖1)。通過觀察發現，高度以上生物多樣性保護重要性地區基本分布在國家一、二級重點保護和珍惜、瀕危動植物分布區或國家級自然保護區、森林公園和風景名勝區，均位于重慶市生物多樣性保護關鍵區內。這些地區植被覆蓋良好，生態系統多樣，物種豐富，生物多樣性價值高，對維持區域生物多樣性發揮著重要作用。

4.2 土壤保持重要性評價

4.2.1 土壤保持重要性的數量特征

研究區土壤保持重要性類型以極重要占據絕對優勢地位，面積為31756.37km2，面積比為68.80%;其次為高度重要地區，面積和比例分別為12410.68km2和26.89%;中等重要和一般重要區面積較小，不足5%。總體上，全區土壤保持重要性從極重要到一般重要呈倒金字塔形分布(表5)。就各區縣土壤保持重要性的數量特征而言，巫溪、奉節、開縣、萬州、巫山、豐都、武隆、石柱土壤保持極重要區無論是面積(均超過2000km2)和比例(均在80%以上)都遠高于其他區縣;土壤保持中等以下重要地區主要分布在都市區及周邊區縣，但面積比都在8%以下。

4.2.2 土壤保持重要性的空間特征

空間上，萬州及其東北部地區基本上屬于土壤保持重要區，主要類型以極重要為主(面積占研究區土壤保持極重要區面積的55%以上)，少量高度重要地區僅分布在長江及主要支流河谷地帶。涪陵-長壽至萬州的中部地區主要為極重要-高度重要區，極重要區主要分布在忠縣和豐都的大部分地區、石柱的西南部地區、武隆的烏江以東和以北地區;高度重要地區主要分布在石柱東南大部、長壽和涪陵大部，以及沿長江、烏江及各主要支流的河谷地區;此外，在長壽北部、涪陵南部以及石柱和豐都中部還有少量中等重要和一般重要地區分布。西部的都市區及周邊區縣為高度重要－極度重要地區，高度重要地區主要分布在平行嶺谷的山谷和江河河谷地區;極度重要區主要分布在平行嶺谷的山脊區;此外，研究區的中等重要以下地區主要分布在本區的南、北、西三個端點地區(圖1)。

4.3 水源涵養重要性評價

4.3.1 水源涵養重要性的數量特征

總體上研究區水源涵養重要性各類型區面積和比例呈“U”形，即兩端類型面積和比例大，中間類型面積和比例小。區內水源涵養一般重要區面積最大，為21028.5 2 km2，面積比為45.56%;其次為極重要區，其面積和比例分別為13747.31 km2和29.78%;區內水源涵養高度重要以上地區面積占了近50%(表5)。各區縣中，極重要區面積在700 km2以上的區縣主要有涪陵、萬州、開縣、云陽、奉節、武隆、巴南、江津、巫溪、長壽、忠縣、豐都和巫山13個區縣，部分區縣如渝北、江北、南岸等雖然面積相對較小，但比例較高，都在30%以上，有的甚至超過了50%;高度重要地區面積比例較大的區縣有石柱、奉節、巫溪、巫山、萬州、豐都、武隆等區縣，面積比都在20%以上。

4.3.2 水源涵養重要性的空間特征

研究區水源涵養重要性空間分布的總體特征表現為極重要區沿江河呈帶狀分布，少部分極重要區呈斑塊狀散布;高度重要區除石柱、豐都部分地區呈片狀集中分布外，其余均主要分布在極重要區兩側沿江河呈環帶狀分布，以及東北部地區零星塊狀分布;中等重要地區主要沿江河呈環帶狀分布在高度重要區外側;一般重要區由于面積較大，呈連片分布(圖1)。通過觀察可以發現，研究區水源涵養極重要和高度重要區基本分布在長江及其主要支流兩側第一層山脊線以內的庫區生態屏障帶內，對維持水庫水質、減少泥沙淤積、雨水匯流、調蓄洪水等都發揮著極其重要的作用。

4.4 營養物質保持重要性評價

4.4.1 營養物質保持重要性的數量特征

研究區營養物質保持數量上也基本呈“U”形分布，但比例相對均衡。一般重要區面積最大(12872.85km2)，占了全區面積的27.89%;其次是極重要區(12433.41 km2)，其比例為26.94%;中等重要和高度重要區面積分別為11011.71 km2和9840.56 km2，面積比為23.86%和21.32%。區內營養物質保持高度重要以上面積比占了研究區總面積的近50%多，可見本區營養物質保持的重要性。各區縣中，巫溪、豐都、開縣、奉節、萬州、云陽、涪陵、石柱和武隆極重要區面積都超過了800km2，比例也基本都超過了25%。另外一些區縣如忠縣、巫山、長壽、北碚、江北等，雖然極重要區面積相對要小，但比例也基本都在25%以上。高度重要區中巫溪、奉節、江津、巫山、石柱、萬州面積較大，也都在800km2以上，面積比也較大。本區內高度以上營養物質保持重要性比例超過50%的區縣分別為巫溪、巫山、石柱、江北、涪陵、奉節、江津、豐都、萬州，這些區域在營養物質保持中發揮著重要作用。

4.4.2 營養物質保持重要性的空間特征

總體上，研究區內營養物質保持高度重要以上區域基本分布在植被覆蓋較好的山脈、及江河兩側，尤其在長江及主要河流兩岸的第一層分水嶺的山地及山間盆地區，大多呈條帶狀和片狀分布。高度以上重要性區在西部主要分布在平行嶺谷的山脊及部分山間丘陵盆地區;中部和東北部主要山地分布區和長江及主要支流兩岸地區。中等以下重要區主要分布在山間丘陵盆地，呈片狀和團塊狀分布(圖1)。

4.5 生態系統服務功能重要性綜合評價

4.5.1 生態系統服務功能重要性的數量特征

從表5可以看出，研究區生態系統服務功能極重要和高度重要區的面積和比例分別為17009.23 km2，36.85%和5529.74 km2，11.98%。二者占了研究區總面積的近50%，由此可見本區生態系統服務功能的重要性。中等重要區面積和比例是各類型區中最大的，分別為19382.79km2和41.99%。一般重要區面積和比例最小，為4236.77km2和9.18%。各區縣中極重要區面積在1000 km2以上的區縣有巫溪、萬州、石柱、開縣、奉節、巫山、云陽、豐都、武隆、涪陵。這些區縣除涪陵外均分布在研究區的東北部和東南部，這些地區是三峽水庫和武陵山區的核心地帶，生物多樣性高，屬生境、水土流失和石漠化等較敏感的地區，這一地區對維持庫區和武陵山區生態系統的穩定及其服務功能的發揮具有重要作用。另外一些區縣，如江北、長壽、渝北、巴南、南岸、忠縣、北碚、長壽等雖然極重要區面積相對較小，但在本區縣的面積比也都超過了30%。各區縣高度重要區面積和比例的數量特征與極重要區基本一致，也是東北部區縣(萬州、云陽、奉節、巫山、開縣、豐都、巫溪等區縣都在 250km2以上)和西部的江津(233.57 km2)、長壽(245.93 km2)、巴南(245.42 km2)、涪陵(422.49km2)和中南部的石柱(339.25 km2)、武隆(270.65km2)面積較大。

4.5.1 生態系統服務功能重要性的空間特征

空間上，生態系統服務功能極重要區基本是沿長江、烏江、小江、湯溪河、梅溪河、大寧河等主要江河及其他一些主要河流兩側第一層分水嶺呈條帶形分布;西部平行嶺谷區的縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山等山體的山脊也呈帶狀分布著極重要區;此外，還有一部分極重要區呈團塊狀散布在東北部、中部和西南部地區，主要分布在開縣的北部、巫溪的西北角和東北角、巫山的北端、石柱的西端、豐都-武隆-涪陵的交接處、長壽的北部、巴南的東部和江津的南端少部分地區。高度重要區基本沿極重要區兩側呈環帶形分布，少部分零散分布。中等重要區集中連片分布在東北部的開縣、巫溪、云陽、奉節、巫山、萬州，以及中部的忠縣、豐都、石柱等區縣;其他地區基本呈星狀散布，尤其是西部地區。一般重要區則主要集中分布在西部和中部地區，西部的都市區一般重要區分布最為集中;中南部的涪陵南部、武隆南部也有大面積分布;此外，豐都東部、石柱西南部、忠縣西南角也有一定面積分布;東北部主要在巫溪中部、巫山西北和南部、奉節西端和南部有一部分一般重要區呈團塊狀點綴分布在其他類型區之間(圖1)。

5 結論與討論

三峽庫區(重慶段)具有重要的生態地理位置，是中國乃至世界最為特殊的生態功能區之一。這一區域對維護區域生態系統穩定具有重要意義，該區域為長江流域甚至全國都提供著重要的生態服務功能。鑒于研究區生態系統服務功能的重要性以及目前相關研究的局限性，本文從生物多樣性保護、土壤保持、水源涵養以及營養物質保持等本區最為主要的生態系統服務功能入手，對研究區的生態系統服務功能進行了深入細致的分析，定量揭示了研究區生態系統覆蓋功能重要性程度及其空間分布特征與規律。

研究結果表明:(1)生物多樣性保護高度重要以上地區的面積比達到了15%以上;極重要地區主要呈斑塊狀分布在東北部、中部和東南部。(2)土壤保持極重要區占據絕對優勢地位，面積比為68.80%;土壤保持極重要區主要分布在萬州及其東北部地區。(3)水源涵養一般重要區面積最大，其次為極重要地區;極重要區沿江河呈帶狀分布，高度重要區主要分布在極重要區兩側沿江河呈環帶狀分布。(4)營養物質保持一般重要區面積最大;其次是極重要區;極重要區基本呈條帶形分布在植被覆蓋較好的山脈、及江河兩側。(5)生態系統服務功能極重要和高度重要區的面積占到了研究區總面積的近50%;極重要區基本沿主要江河兩側第一層分水嶺和西部平行嶺谷區的山脊呈條帶形分布;高度重要區基本沿極重要區兩側呈環帶形分布，少部分零散分布。

需要說明的是，本文研究的基礎數據均由遙感影像解譯或者GIS空間分析得到，數據處理存在的誤差必然會影響分析結果的準確性，盡管如此，研究區生態系統服務功能重要性的地理空間格局特征仍然能夠得以充分反映。同時，由于數據的缺乏，本研究僅對區域單一時段的生態系統服務功能重要性進行研究，若能有時間序列數據則更能反映研究區生態系統服務功能的時空演變規律。因此，豐富數據來源，提高數據的準確性，辯識區域生態系統服務功能的內在機制，在此基礎上，確定生態保護關鍵區、建立有效的生態環境保護機制，為生態保護和建設提供科學依據。

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