基于地形梯度的甘肅白龍江流域典型生態系統服務分布特征

徐彩仙,鞏 杰,李 焱,燕玲玲,高秉麗

蘭州大學資源環境學院/西部環境教育部重點實驗室, 蘭州 730000

生態系統服務是指生態系統所提供的能夠滿足和維持人類生活需要的條件和過程,從而為人類直接或間接提供的所有收益[1-2]。它主要包括自然生態系統為人類提供的供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[3]。由于不同區域的生態系統結構與空間差異,使得各項服務功能也具明顯差異[4]。而地形常常是影響山區生態結構和空間格局分異的重要因子[5],人類活動頻繁、強烈的區域,地形特征影響著景觀格局和生態系統服務的空間分布[6-7]。因此,生態系統服務的空間異質性研究成為當前生態評估的熱點課題。近年來,大多學者主要集中在地形因子與土地利用類型分布、格局變化及生態系統服務價值的空間差異的研究中,而缺少對生態系統服務功能在地形梯度上的定量表達及空間分異的定量化研究。如邱揚等[8]分析了黃土丘陵小流域土地利用的時空變化及其與地形因子的關系；幸瑞燊等[9]開展了基于地形梯度的三峽庫區土地利用時空變化分析；李博等[10]測算了石羊河流域各生態服務功能空間異質性；Yao等[11]分析了渾河上游生態系統服務價值及其時空差異；楊鎖華等[12]分析了長江中游地區縣域生態系統服務價值及其時空特征與地形梯度效應；徐煖銀等[13]利用網格法分析贛南地區土地利用結構及生態系統服務價值的時空分異。總的來說,地形與生態系統服務存在著緊密聯系,影響著生態系統的分布、結構和功能[14-15]。但當前涉及地形因素對生態系統服務空間異質性影響的研究報道較少。認知地形要素對生態系統服務空間差異的影響,對深化認識生態系統服務分異,合理調控人類活動,因地制宜、開展有效生態系統管理具有重要意義。

甘肅白龍江流域是長江上游重要的水源地和生態屏障,也是中國滑坡、泥石流災害四大高發區之一[16]。流域內溝壑縱橫、地形起伏,生態系統空間差異明顯。然而,白龍江流域雖然為區域人類活動提供了各種不同的生態系統服務,但這些服務的空間差異及地形對其影響如何還有待進一步研究。基于此,本研究以甘肅白龍江流域為例,從高程、坡度、地形起伏度、地形位指數四方面分析其典型生態系統服務地形梯度效應,旨在明確流域生態系統服務垂直截面的空間異質性,為流域生態系統可持續管理和生態文明建設提供科學依據。

1 研究區概況

甘肅白龍江流域(32°36′—34°24′N,103°00′—106°30′E)位于甘肅省東南部(圖1)。白龍江是長江支流嘉陵江的最大支流,發源于甘南碌曲縣與川北若爾蓋縣交界的郎木寺,主要流經甘肅省的迭部縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區和文縣,入川匯入嘉陵江。流域面積約為1.84萬km2。流域地勢西北高、東南低,地形起伏差異明顯,地貌多樣,以山地、高原、河谷、丘陵及黃土為主。氣候屬亞熱帶向北溫帶過渡區,上中下游依次為溫帶濕潤-暖溫帶濕潤-北亞熱帶濕潤氣候,年降水量約 500—900mm,年均溫約 2℃—15℃。研究區森林廣布,具有明顯的水平和垂直分異規律。近年來,區內社會經濟的發展、城鎮化的擴張, 加上特殊的地理條件及降水特征,水土流失嚴重,滑坡、泥石流等自然地質災害頻發,對流域生態環境產生一定壓力[17], 另外,退耕還林、天然林保護、野生動物及自然保護區建設等工程使得該流域生態環境質量得到一定的改善。

圖1 甘肅白龍江流域地理位置及2016年土地利用簡圖 Fig.1 Location of Bailongjiang watershed (BLJW) and the land use map in 2016

2 數據處理與方法

2.1 數據來源

所用數據主要有：來源于中國科學數據庫,空間分辨率為30m的DEM數據；參考《土地利用現狀分類標準》(GB/T21010―2007),并結合研究區實際情況,對2016年Landsat ETM+遙感影像進行目視解譯獲得的土地利用數據；2016年流域及周邊18個氣象站點的降雨、氣溫等氣象數據；甘肅省第二次土壤普查資料、《甘肅土壤》和《隴南土壤志》等土壤理化性質數據；2016年流域各縣區的鄉鎮尺度人口、農作物生產、收入與消費狀況等社會經濟統計數據等。

2.2 InVEST模型

InVEST 模型是由斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)和世界自然基金會(WWF)實施的“自然資源計劃”(Natural Capital Project)中開發,量化多種生態系統服務功能的生態系統服務功能綜合評價模型[18-19]。主要包括碳儲存、生物多樣性、土壤保持、水體凈化、木材收獲管理等模塊[18]。根據研究區流域生態環境特點及數據的可獲取性, 選取碳儲量、水源涵養、生境質量和土壤保持4種生態系統服務進行評估。

2.2.1碳儲量

該模型主要利用各土地利用與覆被類型空間分布格局及基本碳庫來評估區域生態系統碳儲量,生成碳儲量空間分布圖。其計算公式[18,20-22]為：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式中,Ctot表示總碳儲量(t),Cabove表示地上生物碳儲量(t),Cbelow表示地下生物碳儲量(t),Csoil表示土壤碳儲量(t),Cdead表示枯落物碳儲量(t)。碳密度數據來源于收集和整理李克讓[20]、解憲麗[21]、方精云[22]等成果和參考模型數據庫[18]。

2.2.2水源涵養

該模型主要利用降雨量、蒸散量、土壤深度、植物可利用水等數據和水量平衡的方法計算流域產水量,在此基礎上結合土壤滲透性、地表徑流差異和地形等因素計算得到水源涵養。其計算公式[18,23]為：

(2)

式中,Yx,j、AETx,j分別是土地類型j中柵格單元x的年產水量(mm)和年實際蒸散量(mm),其中AETx,j為Budyko曲線的近似值,Px是柵格單元x的年降水量(mm)。

(3)

式中,Watershed pixel count為集水區匯流累積柵格數量(無量綱),Soil depth為土壤深度(mm),Percent slope為百分比坡度。

(4)

式中,WR為水源涵養量(mm),Velocity為徑流系數,TI為地形指數(無量綱),Ksoil為土壤飽和導水率(cm/d),Y為產水量(mm)。

2.2.3生境質量

該模型主要利用土地利用、生態脅迫因子及敏感性屬性表和社會經濟數據等數據來評估區域的生物棲息地質量。參數設置來源于InVEST模型使用手冊[18]、前人相關研究[24]以及專家打分獲得,其計算公式[24]為：

(5)

式中,Qx,j是土地類型j中柵格單元x的棲息地質量(無量綱),Hj土地類型j的棲息地屬性/生境適宜度,Dx,j是土地類型j中柵格單元x的棲息地退化程度,k是半飽和系數,其值通常占柵格單元分辨率大小的一半,z為模型默認的歸一化常數(z=2.5)。

2.2.4土壤保持

該模型主要利用DEM、土地利用、氣象數據、土壤屬性等數據,在基于通用土壤流失方程(USLE)上,同時考慮植被在緩減侵蝕和截留上坡來沙的作用計算得到土壤保持量。其計算公式[25]為：

PKLSx=Rx×Kx×LSx

(6)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(7)

(8)

SEDRETx=PKLSx-USLEx+SEDRx

(9)

式中,PKLSx是柵格單元x的土壤潛在侵蝕量(t),Rx是降水侵蝕力(MJ·mm/(hm2·h·a))、Kx是土壤可蝕性(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))、LSx是坡長坡度因子,USLEx是柵格單元x的土壤實際侵蝕量(t),SEDRx是柵格單元x的土壤實際持留量(t),USLEy為上坡柵格y的實際侵蝕量(t),SEx為柵格單元x的持留率；SEz為上坡柵格的泥沙持留量(t),SEDRETx是最終求得的土壤保持量(t/hm2)。

2.3 地形數據處理

2.3.1地形起伏度

地形起伏度是指某一分析窗口內最高與最低點間的高差,是定量描述地形形態、劃分地貌類型的重要指標。該指標主要利用ArcGIS中柵格鄰域計算工具獲取,其計算公式[26]為：

地形起伏度=Cmax-Cmin

(10)

式中,Cmax為分析窗口內的最大高程(m)、Cmin為分析窗口內的最小高程(m)。

2.3.2地形位指數

地形位指數是復合分析空間任意一點高程和坡度屬性信息的指標,可綜合反映出地形條件的空間分異。其計算公式[27]為：

T=ln[(E/E0+1)×(S/S0+1)]

(11)

式中,T為地形位指數,E及E0分別為空間內任一柵格的高程(m)和平均高程(m),S及S0分別為空間內任一柵格的坡度值(°)和平均坡度值(°)。一般地,高程低、坡度小的柵格地形位指數小,反之越大。

2.3.3地形數據分級標準

為分析不同地形梯度下生態服務空間分布,根據甘肅白龍江流域地形分布特點,采用分位數法[28]將高程、坡度、地形起伏度和地形位指數分別分為 5 級。按照其數值大小分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級(表1)。

表1 高程、坡度、地形起伏度和地形位指數分級標準

3 結果與分析

3.1 甘肅白龍江流域地形特征

利用ArcGIS軟件,基于DEM數據得到甘肅白龍江流域地形特征圖(圖2)。由圖2可見,白龍江流域地形差異較大,水系所處位置各地形因子均處于較低值,呈現出較明顯的河谷、黃土地貌及高原山地等地貌特征。其中白龍江流域高程由西北向東南遞減：海拔最高達4860m,最低為568m。流域東北部坡度較緩,西部最陡處坡度達88.01°。地形起伏度由北、東兩個方向逐漸向西、南升高。地形位指數最大值為2.45,說明局部地區坡度大、高程高等地形特征。

圖2 甘肅白龍江流域地形特征圖Fig.2 Distribution characteristics of terrain in BLJW of Gansu

3.2 甘肅白龍江流域生態系統服務分布特征

基于土地利用、氣象、土壤、DEM等基礎數據,利用InVEST模型估算出白龍江流域2016年碳儲量、水源涵養、生境質量、土壤保持服務功能的空間分布圖(圖3)。甘肅省白龍江流域碳儲存服務在0—116.43t之間。碳儲量高值區(72.46—116.43t)主要分布在林地區域,如宕昌南部林區、白水江南岸高山區、攔壩河中上游等；中值區(54.94—72.46 t)主要集中在迭部北部、宕昌東部和武都區；低值區(0—54.94t)主要分布在農業種植區、城鎮、迭部北部高海拔高寒草甸區,重大滑坡地帶及高山裸巖地區。水源涵養服務在0—321.10mm之間,其空間分布格局基本呈東北低西南高,高值區(71.78—321.10mm)集中于武都東南部和文縣南部；中值區(46.59—71.78mm)分布在迭部、宕昌西部和舟曲中西部；低值區(0—46.59 mm)連片分布于宕昌-舟曲-武都段白龍江兩岸及其以北的人口密集區和文縣北部農作區。生境質量分布范圍為0—0.92之間,高值區(0.61—0.92)主要是自然保護區和林業管護區,如白水江國家自然保護區、迭部的達拉、阿夏、多爾自然保護區及林業分布區。中值區(0.32—0.61)集中于林區與人類活動干擾區的過渡地帶；低值區(0—0.32)則主要分布在人類活動相對頻繁的河谷地帶、城鄉聚落區、耕作區、裸地和低覆蓋草地等區域。土壤保持服務范圍在0—2326.19t/hm2之間,其高值區(706.30—2326.19t/hm2)主要分布在武都東南部和文縣南部,這些區域多屬于地表擾動較少的石質性山區或自然保護區；中值區(479.05—706.30t/hm2)主要分布在迭部南部、宕昌局部和文縣西北部等人類干擾強度較弱的過渡地區；低值區(< 281.30t/hm2)主要分布在人類活動相對頻繁、工農業相對發達的舟曲—武都—文縣段白龍江河谷地帶。

圖3 甘肅白龍江流域生態系統服務分布圖Fig.3 Distribution of ecosystem services in BLJW

3.3 生態系統服務的地形梯度分布特征

利用ArcGIS軟件,將碳儲量、水源涵養、生境質量、土壤保持4種典型生態系統服務分別與不同地形梯度疊加分析,獲取每個地形梯度級上的分布趨勢圖(圖4)。其中,碳儲量、生境質量和水源涵養在3000m以下區段,隨高程增加而不斷增加,而3000m以上的海拔區域,這三項服務功能則逐漸減少；隨著坡度、地形起伏度的增加呈遞增趨勢；隨著地形位指數的增加,碳儲量一直呈遞增趨勢,其他服務則均呈先增加后降低的特點；而土壤保持隨著高程的增加呈先降低后增加的趨勢,隨著坡度、地形起伏度的增加則呈先增加后降低的趨勢,而隨著地形位指數的增加則呈起伏波動的特點。

圖4 甘肅白龍江流域生態系統服務在各地形梯度帶上分布特點Fig.4 Distribution characteristics of ecosystem services in terrain gradients of BLJW

在高程上,由于流域內高程呈現西北高東南低,且地處秦嶺地質構造褶皺帶,溝深坡陡,各地類分布較為分散。森林主要分布在海拔范圍1716—3049m之間(高程Ⅱ-Ⅳ級),如武都南部、文縣西南部、舟曲大部及迭部局部溝壑處。而高程第Ⅴ級主要以高寒草甸、沙地裸地、高寒荒漠及高山積雪等地類為主,因此,各生態系統服務隨高程增加而增加,到第Ⅴ級則下降的特點。另外,由于高程中低值區也是人類活動相對頻繁、滑坡泥石流高發地區,從而使得土壤保持服務在高程上呈現出先降低后增加的特點。

由于不同坡度帶上人類活動強度的差異,相關生態系統服務功能也會隨之變化。如坡度較小處主要集中在白龍江流域東北部和中南部,以耕地和建設用地為主,受人類活動干擾大。隨著坡度的增加,水分、熱量等自然條件適中,人為活動影響逐漸減少,山地林區、草地等植被長勢漸好,因此,碳儲量、生境質量等也隨之呈上升趨勢。而坡度升高至第Ⅴ級,植被覆蓋較少,不利于水土的保持,使得土壤保持呈現略微下降的趨勢。

由于白龍江流域內地形起伏度和坡度的空間格局較為相似,因此地形起伏度上各生態系統服務變化特點與在坡度梯度上具有類似性。相較于其他各地形因子,土壤保持服務在地形起伏度上變化最大,說明其對水土流失具有突出影響。

流域中,地形位指數高值區主要為迭部南部、舟曲大部、文縣西北部等地區；低值區在文縣大部、宕昌東北部及武都大部等地區,主要以農業種植區及城鎮為主；中值區人類活動干擾較少,以林區為主；從而各生態系統服務隨著地形位指數增加而呈較為波動趨勢。

3.4 多重服務重要區的地形梯度效應

為了解各項生態系統服務在垂直空間上供給能力大小,本研究將各項服務功能值分別大于各自平均值的地區視為該項服務的重要區域。通過空間分析功能,將碳儲存、水源涵養、生境質量和土壤保持4項生態系統服務的柵格圖層進行疊加,統計每個柵格單元上提供各項生態系統服務能力,即多重服務供給的數目多少以及是否為該類服務的重要區域,并根據各項服務重要區域的頻次劃分為五級：極度重要、高度重要、中度重要、一般重要、一般 (表2),得到白龍江流域多重生態系統服務分布圖(圖5)。

圖5 白龍江流域多重生態系統服務分布圖Fig.5 Distribution of multiple ecosystem services in BLJW

表2 甘肅白龍江流域多種生態系統服務重要性分級

如圖4所示,甘肅白龍江流域多重生態系統等級為極度重要的區域主要集中白水江自然保護區、迭部縣中部地區、舟曲縣武平—插崗梁—博峪等山林區、宕昌縣迭山林區、武都東南部地區等。高度重要的區域主要分布在自然保護區和林區。中度重要分布相對比較均勻、分散,在流域農耕區、林區、農牧交錯區均有分布。等級為一般重要主要分布在宕昌縣、文縣、舟曲—武都段的白龍江兩岸。等級為一般的區域主要集中在文縣至碧口鎮段白水江兩岸、宕昌東北部和武都北部。

利用編碼分級法和空間疊置法分別提取各地形梯度的白龍江流域多種生態系統服務面積占比,隨各梯度的升高其綜合生態系統服務的面積所占的比例也隨之變化(圖6)。各地形因子第Ⅰ、Ⅱ梯度中占主導地位的類型均為一般等級,第Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ梯度中則以高度重要為主,但各類型面積所占比例隨地形梯度變化較大,面積比例的變化大致表現為：①在高程上,等級為一般的區域在第Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ梯度中占據優勢,隨梯度增加先降低后略增；而多種生態系統服務重要區在第Ⅲ、Ⅳ梯度中面積占比較大,一般重要的區域面積占比呈先持續降低到第Ⅴ梯度略增趨勢,其他等級重要區面積比重則呈現先增加后減少的趨勢。②坡度與地形起伏度層面,各類型區在5個梯度上的占比變化趨勢相較一致。等級為一般的區域在第Ⅰ梯度占比最大,隨梯度增加逐漸降低；中度重要和高度重要的面積占比隨梯度增加呈先增后減趨勢；極度重要區域則呈持續增加趨勢。③地形位指數等級為一般與一般重要的面積占比呈持續減少的趨勢；中度重要與高度重要的面積比重則呈先增后減的態勢；極度重要面積比重較小,隨梯度呈輕微波動。綜合來看,白龍江流域內生態系統服務重要區逐漸向兩極分化,多種生態系統供給服務的重要區域在中高梯度上占據主導,隨著地形梯度的上升,人類活動變小,其供給的服務類型越來越多、也越來越明顯；而等級為一般的區內各項生態系統服務都比較弱或逐漸越偏向于某一單一類型的生態系統服務,其比重在低梯度占據優勢。

圖6 基于地形梯度的白龍江流域多種生態系統服務面積比例Fig.6 Proportion of multiple ecosystem Service area in BLJW based on terrain gradient

4 討論與結論

4.1 討論

地形是影響生態系統服務分布、結構及功能的重要基礎,本文選取高程、坡度、地形起伏度和地形位指數,探討了甘肅白龍江流域重要生態系統服務分別在這4種地形要素上的變化,旨在對生態系統服務進行垂直空間上的截面剖析,為流域社會生態協調發展和生態系統服務優化提供科學參考。這4種地形指數也被廣泛應用于山地生態系統服務在地形梯度上的分布特征的研究中[6,12-13,29-31]。根據白龍江流域“山大溝深”、地形差異突出等特點,相較于其他劃分方法,為避免分級時某梯度內面積過大或過小,而導致在后續操作過程中易造成較大損失,最終結果偏差較大,本研究中選用分位數法作為等級劃分方法,相關領域的一些學者也采用了這種分級方法[32-33]。

本文通過選取碳儲量、水源涵養、生境質量、土壤保持4種典型服務功能進行評估, 探討甘肅白龍江流域綜合服務的不同地形梯度效應。相較于以往只基于單一服務的地形梯度效應研究,本文則采用多重服務綜合效應較全面反映其地形梯度特征,結果表明：各生態系統服務功能值隨梯度的增加大致呈先增后減的趨勢,可能原因是由于中低梯度處適宜人類生產生活,隨梯度的升高,人為擾動影響減小,植被覆蓋更高,各項服務也隨之增加。而至第Ⅴ級,主要以裸巖、荒漠及未利用地等類型為主,土壤保持能力較低,各項服務呈現下降的趨勢。這與謝余初[17]和郜紅娟[29]的研究結果相似。

明確生態系統格局和功能服務最終目的是為流域生態系統服務管理和優化提供科學依據和理論支持[34]。基于以上研究結果提出相關生態保護建議與措施：(1)在多重服務低值(Ⅰ、Ⅱ梯度)區段,即宕昌-舟曲-武都段白龍江兩岸及其以北的人口密集區和文縣北部農作區。應嚴格管控人類行為,加強土地的集約化利用,緩解人地矛盾,同時注重污水處理、城區綠化和生態宜居等環保工程的建設；(2) 在多重服務中高值(Ⅲ、Ⅳ梯度)區段,即迭部大部、宕昌南部、武都東南部。應建立和擴大生態系統服務保護區,加強森林的管護工作,重視林草恢復,強化生物多樣性保護,提升環境承載力。(3) 在多重服務低值(Ⅴ梯度)區段,即各縣區裸地、高寒荒漠等低植被覆蓋區域,應加強高寒草甸保護、合理放牧,減少人類活動干擾,降低生態環境脆弱性,提高抗風險能力。

4.2 結論

(1)甘肅白龍江流域碳儲量、水源涵養、生境質量、土壤保持服務功能的空間分布格局上,碳儲量范圍在0—116.43t之間；水源涵養量范圍在0—321.10mm之間；生境質量在0—0.92之間；土壤保持在0—2326.19t/hm2之間。碳儲量、生境質量及土壤保持高值區主要集中在自然保護區、林區等人類干擾較少的地區,低值區則集中于人類活動較頻繁、自然災害較多的河谷地區。水源涵養高值區主要分布在林地分布區,低值區則在河谷、城鎮、農耕地區。

(2) 各生態系統服務功能在梯度上呈現較為明顯的地理層級性分布的特點。碳儲量、水源涵養和生境質量隨著坡度和地形起伏度的增加而增加,土壤保持則呈先增加后降低的趨勢。隨地形位指數增加,碳儲量一直呈遞增趨勢,其他服務則均呈先增加后降低的特點。在高程上各服務呈現波動特點,在3000m以下的區段內,碳儲量、水源涵養和生境質量隨高程增加而不斷增加,而3000m以上的海拔區域,則逐漸減少。

(3) 流域內綜合生態系統服務重要區逐漸向兩極分化,多種生態系統供給服務的重要區域在中高梯度上占據主導,其供給的服務類型越來越多、也越來越明顯；而供給服務能力一般的區內各項生態系統服務都比較弱或逐漸越偏向于某一單一類型的生態系統服務,其比重在低梯度占據優勢。