重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區生態系統服務功能時空演變特征

齊 靜, 袁興中1,, 劉 紅1,, 鄧 偉1,

(1.重慶大學 資源及環境科學學院, 重慶 400044; 2.煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044)

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重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區生態系統服務功能時空演變特征

齊 靜2, 袁興中1,2, 劉 紅1,2, 鄧 偉1,2

(1.重慶大學 資源及環境科學學院, 重慶 400044; 2.煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044)

摘要：[目的] 揭示重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區2000—2010年生態系統服務功能的時空演變特征，為其生態環境的可持續性管理提供依據。 [方法] 在RS和GIS技術支撐下,選擇生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養和碳固定4項生態系統服務功能建立評估模型。 [結果] (1) 10 a間,研究區生態系統服務功能高等級面積增加了386.14 km2; (2) 各單項服務功能中,水源涵養功能高等級面積增加了4 016.4 km2,土壤保持功能高、較高和中等級面積分別增加了516.2 km2,2 825.9 km2和2 493.8 km2; (3) 空間分布顯示,生態系統服務功能較好的區域主要集中于開縣北部、巫山縣北部,奉節縣南部以及長江干流支流兩岸和區內植被覆蓋較好的山脊(呈帶狀分布);生態系統服務功能較差的區域主要分布于長壽、墊江、梁平地勢較平緩地區和開縣、云陽、奉節、巫山地勢陡峭、地質災害多發地區。 [結論] 研究區內生物多樣性維持功能、水源涵養功能10 a間總體呈上升趨勢，土壤保持功能、固碳功能總體較差，但兩者呈上升趨勢，好轉區域主要集中于季節性水位淹沒形成新生濕地的長江干流沿岸。

關鍵詞：重慶三峽庫區; 水源涵養重要區; 生態系統服務功能; 時空格局

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存和發展的自然環境條件與效用[1]。它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[2]。1997年，Costanza等[3]首次對全球生態系統服務的自然資本價值進行了估算。目前，國內外開展了一系列生態系統服務功能價值評價，De Groot等[4]將生態系統服務功能分類，研究各生態服務功能的經濟學價值；謝高地等[5]對我國陸地生態系統服務功能與價值進行了研究,并提出了我國生態服務價值評估的當量因子法；袁興中等[6]從土地利用角度分析研究了成渝經濟區生態系統服務功能價值。但這些研究絕大多數都局限于對單一生態系統服務功能研究，缺乏對生態系統服務功能綜合性評估，在研究方法上多限于利用土地利用類型單位面積價值對生態系統服務功能進行靜態估算，對生態系統服務功能時空動態研究較少。

三峽庫區水源涵養重要功能區是2008年《全國生態功能區劃》劃定的對國家生態安全具有重要意義的重要生態功能區，其主要生態系統服務功能包括水源涵養、土壤保持、生物多樣性保護等。三峽工程2003年開始139 m蓄水，2010年完成175 m蓄水，蓄水后三峽庫區生態環境發生了較大變化，其生態系統服務功能的時空動態是全世界關注的焦點問題。基于此，本文根據對2000，2005，2010年遙感影像的分析，研究三峽庫區水源涵養重要功能區在生物多樣性維持功能、土壤保持功能、水源涵養功能、固碳功能的時空動態變化，以揭示三峽工程運行前后三峽庫區這一重要生態功能區的生態系統服務功能時空演變特征，為三峽庫區生態環境的可持續管理提供依據。

1研究區域概況

重慶市三峽庫區水源涵養重要生態功能區位于重慶市東北部，三峽庫區腹心地帶，包括巫山、奉節、云陽、開縣(除去北部山區)、萬州、忠縣、梁平、墊江、長壽、涪陵、石柱(沿長江的鄉鎮)、豐都(除去南部的南天湖所在的鄉鎮)12個區縣，總面積28 996.3 km2，占三峽庫區總面積的62.82%。區內地形以低山和丘陵為主，平均海拔453～974 m，最高點陰條嶺；土壤以紫色土、石灰土、黃壤為主；該區地處中亞季風濕潤氣候區，降雨強度大，是三峽水庫水環境保護的重要區域。區內2010年常住人口1.011 7×107人，人口密度302.58人/km2，城鎮化率38.12%。

2研究方法與數據來源

2.1　研究方法

2.1.1生物多樣性維持功能評估方法本研究依據《生態功能區劃暫行規程》[7]以及凡非得等[8]對生物多樣性重要地區評價分級的研究，結合重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區的實際生態環境情況，確定生物多樣性重要性等級劃分(表1)。

表1　生物多樣性重要性等級

2.1.2水源涵養功能評估方法本研究采用降水貯存量法計算水源涵養功能[9]，即用生態系統的蓄水效應來衡量其涵養水分功能，公式如下：

Q=A·J·R

(1)

J=J0·K

(2)

式中：Q——與裸地相比較，各生態系統涵養水分的增加量〔mm/(hm2·a)〕；A——生態系統面積(km2)；J——研究區多年均產流降雨量(mm)；J0——研究區多年均降雨總量(mm)；K——研究區產流降雨量占降雨總量的比例，研究區位于南方區，根據降雨特征南方區K取0.6[10]；R——與裸地比較，生態系統減少徑流的效益系數(表2)[11-13]。

表2　研究區生態系統類型R值

2.1.3土壤保持功能評估方法以通用土壤流失方程USLE為理論基礎[14]，建立降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度和地表植被覆蓋等指標體系獲取潛在和實際土壤侵蝕量，以兩者的差值，即土壤保持量來評價生態系統土壤保持功能的強弱，計算公式(3) 。

SC=R·K·LS·(1-C·P)

(3)

式中：SC——土壤保持量；R——降雨侵蝕力因子，根據氣象數據計算得到；K——土壤土壤可蝕性因子，參考吳昌廣等[15]研究成果制定(表3)；L，S——坡長和坡度因子，利用DEM在ArcGIS軟件中獲取；C，P——植被覆蓋與管理，即水土保持措施因子，參考張照錄、張巖等人研究結果[16-17]，并征詢專家意見，結合重慶市實際情況，確定C，P值(表4)。

表3　研究區部分土壤類型K值

表4　研究區植被覆蓋(C)與管理(P)因子值

2.1.4固碳功能評估方法本研究根據土地利用類型、碳庫類型評價生態系統碳固定功能[18-19]。計算公式(4)：

Cij_storage=Cij_above·Sij+Cij_below·Sij+

Cij_soil·Sij+Cij_dead·Sij

(4)

式中：Cij_storage——第j種土地利用類型柵格i的碳貯量；Cij_above——第j種土地利用類型柵格i單位面積喬木層碳貯量；Cij_below——第j種土地利用類型柵格i單位面積灌木層和草本層碳貯量；Cij_soil——第j種土地利用類型柵格i單位面積土壤碳貯量；Cij_dead——第j種土地利用類型柵格i單位面積凋落物層碳貯量；Sij——第j種土地利用類型柵格i的面積。

2.1.5生態系統服務功能綜合評估本研究在ArcGIS空間分析功能支持下,采用多因子融合模型對重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區生態系統服務功能進行綜合評價,計算公式(5) 為：

(5)

式中： SSj——綜合生態系統服務功能指數；Si——i因子生態系統服務功能等級值，根據公式(6)獲取，在指標和重要性評價分級時，采用ArcGIS空間分析功能中的自然分類法[20]。

2.1.6重要性等級劃分方法本研究將評價的生態系統服務功能結果值做離差標準化處理，使結果值落在[0，1]之間，計算公式為：

(6)

式中：Smax——柵格影像的最大值；Smin——柵格影像的最小值。運用ArcGIS軟件將標準化后的值以0.2為間隔重新分為低、較低、中、較高、高5大等級。

2.2　數據來源及預處理

(1) 2000，2005和2010年3期8月份Landsat TM/ETM面向對象最大似然法分類的土地覆蓋數據，經過野外核查驗證，分類精度為88.05%，數據來源為《全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估項目》提供；土地類型分為7個一級類型(森林、灌叢、草地、濕地、農田、人工表面和裸露地)和21個二級類型； (2) MODIS-MOD12 A1產品空間分辨率250 m的NDVI數據； (3) 2012年重慶市森林資源二調數據圖； (4) 重慶市自然保護區、森林公園、風景名勝區、濕地公園分布圖； (5) 重慶市1∶50 000數字高程模型(DEM)； (6) 重慶市1∶25萬土壤類型分布圖； (7) 重慶市2000—2010年34個氣象站點各氣象要素統計數據，在ARCGIS地統計模塊(Geostatistical Analyst)下，進行數據正態分析后利用交叉驗證選擇最優插值模型。從測試模型來看，重慶市氣象數據最優插值模型為普通克里格插值法。對插值結果結合DEM進行高程校正，以優化不同海拔高度的插值精度，裁剪后得到研究區投影坐標以及像元大小均與EVI數據一致的柵格圖像。 (8) 其他輔助數據，如行政區劃圖、水系分布圖等。所有數據均轉換為統一坐標與投影系統(Albers)，數據格式為grid的柵格數據參與空間運算，柵格像元大小均為25 m×25 m。

3結果與分析

3.1　生物多樣性維持功能及時空變化

重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區的生物多樣性維持功能總體空間差異性較大，其以高等級和較低等級分布較多。生物多樣性維持功能高等級主要分布于研究區東部的巫山縣、奉節縣、云陽縣、開縣境內以及西南部中山及中部丘陵地區；較低等級主要分布于研究區中部的萬州區、梁平縣、忠縣和西南部的墊江縣、長壽區和涪陵區內，主要位于長江干流及其支流的谷地、山間槽谷及盆地(附圖8)。從變化趨勢上看，總體生態服務功能呈上升趨勢，高等級面積10 a間增加了118.4 km2，較低等級面積下降了870.5 km2(表5)。

表5　生態系統生物多樣性維持功能變化特征

3.2　水源涵養功能及時空變化

重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區生態系統水源涵養功能空間分布差異較大，其較高等級和低等級均分布較多。

水源涵養功能較高等級分布于研究區的中山，主要位于七曜山、方斗山、黃草山、精華山等；中等級主要分布于長江沿岸，及較高等級周邊。從變化趨勢看，高等級面積2000—2010呈上升趨勢，10 a間增加了4 016.4 km2；較高等級面積2000—2010年呈下降趨勢，10 a間減少了5 017.8 km2；中等級面積10 a間增加了901.3 km2；但10 a間，整體呈上升趨勢(表6)。

表6　生態系統水源涵養功能分級特征

3.3　土壤保持功能及時空變化

重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區土壤保持功能總體較差，以較低等級和中等級分布為主，但10 a間總體呈逐漸增強趨勢。較低和低等級面積10 a間分別減少了5 086.9 km2和748.9 km2；高、較高和中等級面積分別增加了516.2 km2，2 825.9 km2和2 493.8 km2(表7)。改善的區域主要集中在長江干流兩側(附圖9)。

表7　生態系統土壤保持功能評價分級特征

3.4　固碳功能及時空變化

重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區固碳功能總體較差，分布以中和較低等級為主。中等級主要集中分布于長江干流沿岸，由于季節性水位淹沒形成的新生濕地地區；較低等級分布于涪陵區、萬州區等沿江區域。從變化趨勢看，較低等級面積減少了867.59 km2，增強區域主要集中在奉節和云陽縣境內(表8)。

表8　生態系統固碳功能分級特征

3.4　生態系統服務功能綜合分析

重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區綜合生態服務功能總體較好，空間差異性較大，以中等級和較高等級分布為主，整體呈好轉趨勢。生態系統服務功能較好的區域主要集中于開縣北部、巫山縣北部，奉節縣南部以及長江干流支流兩岸和區內植被覆蓋較好的山脊帶狀分布，如七曜山、方斗山、黃草山、精華山等；該區域生物多樣性維持功能、土壤保持功能、水源涵養功能、固碳功能也較好(附圖10)。生態系統服務功能較差的區域主要分布于長壽、墊江、梁平地勢較平緩地區和開縣、云陽、奉節、巫山地勢陡峭、地質災害多發地區。從變化趨勢看，10 a間，高等級面積增加了386.14 km2；中等級面積增加了423.75 km2；較低等級面積減少了588.84 km2(表9)。

表9　綜合生態系統服務功能分級特征

4結論與討論

(1) 重慶市三峽庫區水源涵養重要功能區綜合生態系統服務功能總體較好、空間差異性較大，整體呈好轉趨勢，說明近年來三峽庫區實施的各項生態工程對抑制三峽庫區生態環境惡化起到了積極作用。研究區內生物多樣性維持功能、水源涵養功能10 a間總體呈上升趨勢，土壤保持功能、固碳功能總體較差，但兩者呈上升趨勢，好轉區域主要集中于季節性水位淹沒形成新生濕地的長江干流沿岸。

(2) 研究區生態系統服務功能主要受自然環境因素和人為因素的影響。從自然環境因素可知，三峽庫區地形起伏劇烈,山地、丘陵、谷地交錯分布,山川走向、坡向坡度及氣候垂直變化造成該地區自然資源條件差異極大；分析人為因素可知，三峽工程建設中巨大的人工干擾，快速城鎮化和大量增加的交通、能源、水利基礎設施建設、資源開發利用以及生產活動對生態環境的破壞，對研究區生態系統服務功能造成影響。近年來庫區內開展實施生態搬遷的環境管理制度，加大退耕還林及天然林保護力度，優化喬灌草植被結構和庫岸防護林帶建設，是生態系統服務功能呈上升趨勢的主要原因。

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Spatiotemporal Characteristics of Ecosystem Service in Key Water Resource Conservation Function Area of Three Gorges Area in Chongqing City

QI Jing2, YUAN Xingzhong1,2, LIU Hong1,2, DENG Wei1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;

2.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,Chongqing400044,China)

Abstract：[Objective] To reveal the spatial-temporal changes of the ecosystem services in the key ecological functional reservoir of the Three Gorges area in Chongqing from 2000 to 2010, in order to provide basis for the sustainable management of ecological environment in the Three Gorges area. [Methods] Based on RS and GIS techniques, four major ecosystem services including biodiversity maintenance, soil conservation, water conversation and carbon fixation were used to establish the evaluation models. [Results] (1) During the decade, the high level area of the functional ecosystem services in the research area increased by 386.14 km2. (2) For each single ecosystem service function, the high level of the water conservation increased by 4 016.4 km2; the high, relatively high and medium level of the soil conservation increased by 516.2 km2, 2 825.9 km2and 2 493.8 km2respectively. (3) From the spatial distribution, the better functional areas of the ecosystem services were mostly distributed in the north of Kaixian County, the north of Wushan County, the South of Fengjie County, and both sides of the tributaries of the Yangtze River and the region of the strap shaped ridge covered with better vegetation. The poorer functional regions of the ecosystem services were mostly distributed in Changshou County, Dianjiang County, the flat terrain areas of Liangping, steep terrain and ecological disaster-prone areas of Kaixian, Yunyang, Fengjie, Wushan Counties. [Conclusion] During the decade, the biodiversity maintenance function and the water conservation trend to rise; the soil conservation and the carbon fixation function are generally poor, but both are on the rise trend; the area of improvement is distributed in the new wetlands on both sides of the trunk stream of the Yangtze River formed by seasonal water inundation.

Keywords:the Three Gorges reservoir area in Chongqing; important area of water resource conservation; ecosystem service function; spatial-temporal pattern

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0256-05

中圖分類號：F062.2

通信作者：袁興中(1963—),男(漢族),四川省萬源市人,博士，教授,博導,主要從事生態系統生態學研究。E-mail:xzyuan63@aliyun.com。

收稿日期：2014-04-24修回日期：2014-05-19

資助項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07104-004-05); 國家環保部重大科技專項“重慶市生態環境十年變化(2000—2010)遙感調查與評估”(0222002605056)

第一作者：齊靜(1989—),女(漢族),重慶市沙坪壩人,碩士研究生,研究方向為環境遙感。E-mail:QIJING20122002001@163.com。