中國內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響評價研究進展

夏 沛,宋世雄,劉志鋒,*,何春陽,王一航

1 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室,人與環境系統可持續研究中心,北京 100875 2 北京師范大學地理科學學部自然資源學院,土地資源與區域發展研究中心,北京 100875

圖1 我國內陸河流域的空間分布范圍Fig.1 The distribution of the inland river basins in ChinaA：烏裕爾河內流區、B：白城內流區、C：內蒙古內流區、D：鄂爾多斯內流區、E：河西走廊-阿拉善內流區(包括石羊河流域、黑河流域和疏勒河流域)、F：柴達木內流區(包括青海湖流域、柴達木河流域、格爾木河流域和哈拉湖流域)、G：準噶爾內流區(包括額敏河流域、烏倫古河流域、瑪納斯河流域和艾比湖流域)；H：伊犁河內流區(包括伊犁河流域)；I：塔里木內流區(包括塔里木河流域、博斯騰湖流域和艾丁湖流域)；J：羌塘高原內流區、K：藏南內流區、L：長江上游內流區。圖中標識的城市為人口大于50萬的城市

內陸河是在陸地內部干燥地區,河水沿途消失于沙漠或注入內陸湖泊的河流[1- 2],內陸河流域是內陸河所在的流域。我國的內陸河流域主要分布于西北地區(圖1),介于東經73°40′—120°03′,北緯33°09′—48°00′,覆蓋面積約250萬km2,約占全國陸地總面積的1/4[3]。內陸河流域面臨著水資源短缺、生態環境脆弱、對氣候變化敏感和貧困人口集中等問題,是影響我國可持續發展的關鍵區域[4- 5]。涉水生態系統服務是指與水文過程密切相關的生態系統服務[6- 7],是維持區域人類福祉和促進內陸河流域可持續發展的重要基礎[8-11]。城市景觀過程是指非城市土地轉變為城市土地的過程,是城市化進程中主要的土地利用/覆蓋變化過程[12-13],它在促進社會經濟發展和提高人類福祉的同時,也直接或間接地對涉水生態系統服務造成了嚴重的影響,為區域可持續發展帶來了挑戰[14-15]。近年來,伴隨著“西部大開發”和“國家新型城鎮化規劃”等戰略以及“一帶一路”倡議的提出和實施,我國內陸河流域正在并仍將經歷快速的城市景觀過程[16-17],這會進一步加劇對區域涉水生態系統服務的影響。因此,全面認識我國內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響,對提高區域人類福祉和促進流域城市可持續發展具有重要的意義。綜述相關研究有利于全面認識內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務之間的影響關系,為內陸河流域城市可持續發展提供有效支撐。

目前,已有學者綜述了內陸河流域城市景觀過程以及涉水生態系統服務的研究進展,為深入理解我國內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響奠定了良好基礎。例如,鞏杰等[18]綜述了黑河流域土地利用/覆蓋變化的研究進展,發現城市景觀過程是黑河流域土地利用/覆蓋變化的重要形式,同時也是推動其他土地利用/覆蓋變化的主要原因。程磊磊等[19]綜述了我國荒漠地區的生態系統服務價值評估研究,發現已有研究主要關注土壤保持和水源涵養這兩類涉水生態系統服務,同時指出評價方法較為粗糙,亟需系統的評價方式。但目前仍缺乏內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響評價研究的綜述。

本文的研究目的是綜述我國內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響研究的進展。首先,基于系統綜述法[20]檢索和篩選相關文獻。然后,從論文數量、引用頻次、發表期刊、研究區、采用的評價方法、評價對象和主要研究發現等方面對篩選出的文獻進行綜合分析。最后,歸納和總結現有研究不足和未來研究的方向,進而提出內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響研究框架。

1 城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響機理

涉水生態系統服務是指與水文過程密切相關的生態系統服務,主要包括淡水供給、水源涵養、土壤保持、洪水調節、水質凈化和近水休憩等服務[6- 7]。其中,淡水供給服務指生態系統對淡水資源的供給服務[21],水源涵養服務指在一定時間和空間范圍內,生態系統保持水分的過程和能力[22],土壤保持服務指生態系統防止土壤流失的侵蝕調控能力以及對泥沙的儲積保持能力[23-24],洪水調節服務指通過生態系統影響洪水頻率、強度和持續時間等,對可能造成人類損失的水文現象所發揮的預防和減緩等作用的服務[25],水質凈化服務是指生態系統通過自然生態過程及物質循環作用,對水體中的營養物質及有毒、有害物質進行吸附、沉淀和轉移[26],近水休憩服務指與水有關的自然風景欣賞和游憩[21]。由于內陸河流域生態環境脆弱,涉水生態系統服務面臨嚴重的威脅。研究表明,內陸河流域目前面臨洪水風險增加、洪災范圍擴大[27],干旱發生頻率較高[28-29],沙漠化嚴重、水土流失加劇[30],水污染現象日益嚴重[31]等問題,因此涉水生態系統服務對內陸河流域生態平衡維持與生態環境保護具有重要意義[32-34](表1)。

我國內陸河流域地跨烏魯木齊、吐魯番、哈密、克拉瑪依、武威、張掖、酒泉、金昌、嘉峪關和烏蘭察布等10個地級市以及阿拉山口、鐵門關、二連浩特、霍爾果斯、五家渠、格爾木、敦煌、塔城、奎屯、玉門、阜康、圖木舒克、烏蘇、阿拉爾、喀什、伊寧、阿克蘇、庫爾勒、石河子、和田、昌吉、阿圖什、博樂、德令哈、錫林浩特和茫崖等26個縣級市(圖1)。其中,人口100萬以上的城市有1個,人口50萬至100萬的城市有4個,人口20萬至50萬的城市有16個,人口20萬以下的城市有15個。

內陸河流域正在經歷快速城市景觀過程。基于人口普查數據,內陸河流域城鎮人口數量由2000年的966萬增加到2010年的1413萬,增加了45.2%；城鎮化率從2000年的32.2%上升到2010年的42.0%。基于He等[38]發布的城市土地數據,內陸河流域城市土地面積由2000年的1663km2增長到2016年的2545 km2,增長了53.0%。

研究表明,內陸河流域城市景觀過程會通過改變土地利用/覆蓋、改變水資源供需平衡以及增加污染物和溫室氣體排放量等方式改變生態水文過程,進而對涉水生態系統服務的總量、空間格局、權衡協同關系和供需流產生影響(圖2)。首先,內陸河城市景觀過程會通過改變流域內土地利用/覆蓋影響涉水生態系統服務[39]。城市景觀過程造成的土地利用/覆蓋變化會導致濕地、林地和草地等自然生態系統和農田生態系統的喪失和破碎化,同時影響當地生態系統的結構和功能,進而導致涉水生態系統服務總量、格局和供需流變化[40]。其次,內陸河城市景觀過程會引起人口增長和產業結構轉變,進而導致水資源需求增加,對流域內涉水生態系統服務供需流產生影響[41-43]。最后,內陸河城市景觀過程會引起人類生活方式和生產方式的轉變,加劇污染物和溫室氣體的產生和排放,進而影響區域氣候和生物地球化學循環,并通過徑流對流域內的涉水生態系統服務格局、權衡協同關系和供需流產生影響[14,44-45]。

表1 主要涉水生態系統服務的供需流及其與城市景觀過程的關系

圖2 城市景觀過程對涉水生態系統服務影響原理Fig.2 The mechanisms of the impacts of urban landscape dynamics on water-related ecosystem services

2 文獻基本特征

首先,分別在Web of Science的核心合集和中國知網的中文核心、CSSCI (Chinese Social Sciences Citation Index)、CSCD (Chinese Science Citation Database)數據庫中,以主題檢索方式,檢索時間2019年12月8日檢索內陸河流域城市景觀過程的相關英文和中文論文,得到英文論文114篇,中文論文590篇,檢索內陸河流域生態系統服務的相關英文和中文論文,得到英文論文96篇,中文論文249篇。通過閱讀相關文獻,按以下條件篩選文獻：第一,研究區位于中國內陸河流域范圍之內；第二,評價了城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響。最后得到英文文獻23篇,中文文獻61篇。

圖3 相關論文發文數量與被引頻次Fig.3 Number and citation of relevant papers

我國內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響的相關中英文論文數量和被引頻次均呈上升趨勢(圖3)。相關英文論文主要發表在“PhysicsandChemistryoftheEarth” “Sustainability”和“EcosystemServices”,相關中文論文主要發表在《生態學報》、《干旱區資源與環境》和《干旱區研究》。中國科學院地理科學與資源研究所相關論文發表數量最高,達到18篇,發文量超過10篇的還有西北師范大學、中國科學院新疆生態與地理研究所和中國科學院寒區旱區環境與工程研究所。相關研究關注的熱點流域主要有黑河流域、石羊河流域、瑪納斯河流域和塔里木河流域,相關論文分別為33、13、10和9篇。

3 研究進展

3.1 主要評價方法

價值量法和物質量法是評價內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響的主要方法(表2)。價值量法指從貨幣價值量的角度對城市景觀過程影響進行定量評價,進而評估城市景觀過程對涉水生態系統服務[24]。例如,陳忠生等[46]使用價值量評估法評估了和田河流域城市景觀過程造成的土地利用變化和人口增長對水源涵養等服務價值的影響；崔志杰等[47]使用價值量評估法評估了黑河流域酒泉-金塔盆地城市景觀過程對水源涵養等服務價值量的影響；Eziz等[48]使用價值量法評估了塔里木河流域的克里雅綠洲城市景觀過程對淡水供給和土壤保持等服務的影響。價值量評估法可以直觀地體現城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響程度[55]。但現有方法僅采用土地利用/覆蓋數據來估算生態系統服務價值,難以有效反映同一地類不同生物物理特征導致的差異,采用的參數也未體現內陸河流域的特點,導致評價結果存在較高的不確定性[56]。

表2 城市景觀過程對涉水生態系統服務影響的主要評價方法

物質量法主要是從物質量的角度對生態系統提供的服務進行整體評價,客觀反映城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響[57]。按照物質量評估方式的不同,可以分為觀測數據評價法和模型模擬評價法。

其中,觀測數據評價法是基于生態系統服務物質量的觀測數據,評估城市景觀過程對某項涉水生態系統服務的影響[49]。例如,艾尼瓦爾·買買提等[50]采用1996至2000年喀什市吐曼河水質觀測數據,評估了城市景觀過程帶來的人口增長、工業化與土地利用變化對城市水質凈化服務功能的影響；黃會平和張岑[51]使用1987至2002年水文站觀測數據,用物質量評估方法評估了黑河流域甘州區城市景觀過程和農業活動對流域淡水供給和水源涵養服務的影響。觀測數據評價法能夠比較準確客觀地反映生態系統服務變化,但難以用于大尺度城市景觀過程對涉水生態系統服務影響評估[52]。

模型模擬評價法主要是基于生態系統服務模型或生態水文模型來評估城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響。例如,Geng等[58]使用InVEST模型模擬了黑河上游地區城市景觀過程對淡水供給服務的影響；王蓓等[53]使用InVEST模型模擬量化了黑河流域淡水供給和水質凈化服務;張凌等[54]耦合了土地利用/覆被變化模型Dyna-CLUE(Dynamic Conversion of Land-Use and its Effects Model)和水文模型SWAT,評估了不同情境下城市景觀過程對淡水供給服務的影響。InVEST模型可以很好地模擬區域生態系統服務供給,SWAT模型在對城市景觀過程影響水源涵養和淡水供給服務的模擬中有良好效果[59-61]。但是模型模擬法具有難以驗證模擬結果、難以獲取模型參數等問題。

3.2 主要研究發現

已有研究在內容上主要關注內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務總量的影響,在研究對象上主要側重對水源涵養、水質凈化和淡水供給服務的研究(圖4)。

圖4 主要研究內容和對象Fig.4 The main research contents and objects

在涉水生態系統服務總量方面,內陸河流域城市景觀過程會造成土壤保持、水質凈化和水源涵養等服務的總量明顯下降。例如,蘇芳等[62]分析了1980—2010年石羊河流域城市景觀過程對生態系統服務價值總量的影響,發現石羊河水源涵養和土壤保持服務價值整體呈下降趨勢；Li等[63]對黑河流域中游1988—2008年的生態系統服務價值進行了評估,發現在城市景觀過程影響下,耕地面積的增加與草地和林地面積的減少均使得水源涵養服務價值總量降低；王希義等[64]對和田河流域1990—2010年生態系統服務價值總量變化進行了研究,結果表明流域內水源涵養服務價值總量受城市景觀過程的影響不斷降低。

在涉水生態系統服務空間格局方面,內陸河流域城市景觀過程往往造成流域內涉水生態系統服務供給量高的地區面積逐漸縮小,供給量低的地區面積不斷擴大,導致涉水生態系統服務的空間異質性增加。例如,梁友嘉等[65]對黑河流域中游張掖市甘州區的研究發現,甘州區的城市景觀過程造成區域內城市附近的涉水生態系統服務低值區增加,高值區破碎化；Zhang等[66]對艾比湖流域城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響研究發現,水土保持服務的高值區域面積正在不斷縮小。

在涉水生態系統服務權衡關系方面,內陸河流域城市景觀過程往往通過改變土地利用/覆蓋的方式,使得涉水生態系統服務間及涉水生態系統服務與其他生態系統服務間產生權衡關系。例如,Lu等[67]發現黑河流域中游受快速城市景觀過程影響,糧食供給服務與下游的水源涵養服務存在權衡關系,中游地區糧食生產越多，下游地區徑流損失越大；王蓓等[57]發現在城市景觀過程影響下,石羊河流域的土壤保持服務與水源涵養服務呈權衡關系。

4 討論

目前,相關研究在影響機理、影響的綜合分析和影響評價結果應用等方面仍存在不足。首先,內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響的機理還不清楚。已有研究還主要局限于遙感測量和空間統計,缺乏野外定位觀測與控制試驗,不能從機理上揭示城市景觀過程與涉水生態系統服務之間的關系。其次,現有方法僅能評價歷史城市景觀過程對涉水生態系統服務總量的影響,在評價未來城市景觀過程的影響以及涉水生態系統服務權衡、協同和供需流關系的響應時存在明顯缺陷。而且,在評估內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響的基礎上開展流域系統管理以促進流域可持續發展的途徑還不明確。

圖5 城市景觀過程對涉水生態系統服務影響研究框架Fig.5 The comprehensive framework for assessing the impacts of urban landscape dynamics on water-related ecosystem services

隨著國家“西部大開發”和“新型城鎮化”戰略的推進,以及“一帶一路”倡議的發起,內陸河流域城市景觀過程還將持續進行。因此,未來亟需基于“機理-過程-服務-可持續性”的研究思路,綜合利用野外調查、模型開發和情景模擬等方法,開展內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務程影響機理與模型模擬研究。一是應結合大數據分析、深度學習和過程模擬,揭示城市景觀過程對涉水生態系統服務影響機理。二是需要綜合城市景觀過程模型和生態水文模型,發展城市景觀過程與涉水生態系統服務耦合模型。三是建議模擬和評估城市景觀過程對涉水生態系統服務的供給、需求和流的影響,并從城市和山水林田湖草結構調整、空間格局優化和功能提升這三個方面,提出流域系統管理方案(圖5)。這對于落實“生態文明”建設和“一帶一路”建設,促進我國內陸河流域可持續發展具有積極的現實意義。

5 結論

我國內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響已受到學者的廣泛關注,相關論文數量與被引頻次均呈上升趨勢。價值量評價法和物質量評價法是評價我國內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響的兩種主要方法,水源涵養、水質凈化和淡水供給是主要評價對象。評價結果表明,內陸河流域城市景觀過程不僅造成水源涵養、水質凈化和土壤保持等涉水生態系統服務總量下降和空間異質性增加,而且還導致涉水生態系統服務間權衡關系加劇。相關研究為深入理解內陸河城市景觀過程對涉水生態系統服務的影響奠定了良好基礎,但在揭示影響機理、模擬未來影響、分析服務權衡、協同與供需流關系以及探索可持續的內陸河流域綜合優化管理等方面還存在不足。因此,未來應基于“機理-過程-服務-可持續性”的思路,建立內陸河流域城市景觀過程對涉水生態系統服務影響評價框架,深入開展綜合評價研究,為內陸河流域城市與山水林田湖草綜合優化管理提供幫助。