云南典型石漠化區生態系統服務權衡與協同研究

苗培培, 趙祖軍,2, 趙筱青, 普軍偉, 李思楠, 王 茜, 譚 琨

(1.云南大學 地球科學學院, 昆明 650000; 2.云南省生態環境監測中心, 昆明 650034)

生態系統為人類的生存、健康和福祉提供多種服務[1]，人類的生存和發展離不開生態系統提供的服務，與人類息息相關的服務類型一般可分為供給、調節、文化和支持服務4大類[2-3]。隨著人類不合理的行為對生態系統影響日益加劇，除部分人類活動有利于生態系統服務的提升，更多的則導致生態系統服務受到損害[4]，因此，生態系統服務已為眾多學者研究對象。由于生態系統服務具有動態性、復雜性及空間分布不均衡性的特征，導致不同生態系統服務相互影響，表現為權衡與協同作用[5-7]。國內外學者已開展對生態系統服務權衡與協同關系的大量研究，從研究內容來看，主要為生態系統服務權衡與協同的效應和驅動機理等研究[8-9]。從研究方法來看，主要為空間分析、情景模擬和流動性分析等方法[10-11]。盡管研究已取得了一定的成果，但是在內容上，生態系統服務分類標準存在重疊和遺漏，導致生態系統服務權衡與協同研究的不確定性[12]，方法上，缺乏研究的定量模型[13]。研究尺度上，雖然分別從宏觀和微觀尺度開展了大量研究，然而研究區域和尺度的不同導致結果無法進行對比[14]。

近年來，喀斯特山區人類不合理的行為使生態系統固碳釋氧、生境、土壤保持和水源涵養等功能受到嚴重損害[15]，加上喀斯特山區地理環境的特殊性，水資源較為豐富但利用率較低，嚴重限制了喀斯特山區的經濟發展。因此，對喀斯特區域各生態服務功能權衡與協同關系的分析研究，能為喀斯特山區的生態安全和生態恢復戰略制定提供依據。目前學界對于喀斯特地區多集中于石漠化、生態景觀格局和生態系統服務評估研究等[16]方面，而生態系統服務與石漠化程度關系研究較少。因此，研究選取位于滇東南典型喀斯特地區、生態環境脆弱、全國200個石漠化重點治理縣之一的廣南縣為研究區。選取適合喀斯特地區生態系統服務的評估體系，空間對比分析生態系統服務與石漠化程度關系，探究生態系統服務權衡與協同的關系，從而為喀斯特生態脆弱區的生態保護及恢復提出意見和建議。

1 研究區概況

廣南縣位于云南省東南部地理坐標為104°31′—105°34′E，23°29′—24°28′N，屬中亞、南亞熱帶高原季風氣候，并隨海拔不同而變化。年均日照1 857.7 h，年平均氣溫為16.7℃，年平均蒸散發量為1 665.3 mm，年平均降雨量為1 056.5 mm，旱雨季明顯。處于滇南及桂西過渡地帶，在地質發展變化過程中，發育下泥盤系、二疊系、三疊系及第四系底層。地貌復雜，包含巖溶、山區、壩子和河谷等，貫穿全縣的東西向、北西向斷裂嚴密控制巖性的展布，南部主要為巖溶地貌分布，北部主要為構造侵蝕地貌分布。山區和半山區面積占94.7%，壩區占5.3%。喀斯特地貌分布較廣，主要位于在西部、南部和中南部區域，面積占74%。全縣石漠化較為嚴重，石漠化區生態極為脆弱，嚴重制約著當地社會和經濟發展。域內主要土壤類型為紅壤、石灰巖土。森林植被類型主要有溫涼性針葉林、暖性針葉林、溫涼性闊葉林、暖性闊葉林和暖熱性闊葉林等，植被種類較為豐富。河流分屬珠江和紅河水系，水資源總量多年平均值為35.43 m2，水資源較為豐富但利用率較低，嚴重制約當地生產和生活。2018年全縣總人口82.26萬人，其中，農業人口占91.29%。2018年廣南縣經濟一、二、三產業生產總值比重為30.22∶30.34∶39.44[17-18]。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

結合學術界研究成果，選取適合喀斯特地區生態系統服務的評估體系，把生態系統服務分為食物供給、產水量、土壤保持、固碳、生境服務和文化服務6種類型進行核算。

2.1.1 生態系統服務核算方法

(1) 食物供給核算。食物供給是重要的供給服務之一。將農業中糧食產量和畜牧業的肉奶類產量按照NDVI值分配給耕地、草地柵格上。計算公式如下[19]：

(1)

式中:Gi為第i個柵格的糧食產量;Gsum為糧食總產量;NDVIi表示第i個柵格NDVI值;NDVIsum為耕地和草地的NDVI總值。

(2) 產水量核算。研究基于InVEST模型，利用年平均降雨量和年平均蒸散發量之差，來評估年平均產水量[20]，模型公式如下：

(2)

式中:Y(x)為像元x上的產水量(mm)；AET(x)為像元x上的實際蒸散量(mm)；P(x)為像元x上的年均降雨量(mm)。

(3) 土壤保持核算。采用GIS技術結合通用土壤流失方程(RUSLE)模擬土壤保持服務的物質量空間分布[21]。

(4) 固碳價值量核算。運用CASA模型測算NPP，通過NPP核算出固碳價值量，模型公式如下[22-23]：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(3)

(4)

式中:APAR(x,t)為像元x在t月吸收光合有效輻射量(MJ/m2);ε(x,t)為像元x在t月實際光能利用率(g C/m2)；Vc為固碳價值量；NPPi為第i類土地利用類型的凈初級生產力；Si為第i類土地利用類型的面積；Pc為固定二氧化碳的價格。

(5) 生境支持核算。基于InVEST模型生境支持服務評估模塊來確定研究區每個柵格單元x處土地覆被類型j的生境質量，模型基本公式如下[24]：

(5)

式中:Qxj為柵格單元x處土地利用類型j的生境質量；Hj為土地利用類型j對應生境類型得分；Dxj為生境脅迫水平；z為尺度常量；K為半飽和常數。

(6) 文化價值核算。基于前人研究成果[25]，本研究選用旅游價值作為生態系統文化服務評估對象，旅游價值基于直接使用價值法，某像元的旅游價值取決于該像元景點可達性(距離)和景點的可見度。假定可達性與可見度所衡量的旅游價值一樣，即各占一半。任意選擇100，500，1 000，2 000，5 000 m的緩沖間隔，分別占一半年度旅游收入的30%，25%，20%，15%，10%。每個區間距景點的距離值表明其旅游價值。將景點視為觀察點，使用DEM進行可視性分析，計算每個像元對觀察點的可見度，可見一個景點的像元賦值為1，可見兩個像元的賦值為2，以此類推，將一半年度旅游收入加權平均到各個像元，即可見度衡量的旅游價值。公式如下：

Vt=Vt(a)+Vt(b)

(6)

Vt(a)=∑Ai×Pi

(7)

Vt(b)=∑Bi×Pi

(8)

式中:Vt為文化服務總值；Vt(a)為景點可達性價值；Vt(b)為景點的可見度價值；Ai為根據看得見的景點數量按可見度分組的不同像元；Pi為單位像元的年度旅游收入(元)；Bi為根據距景區的距離按可達性分組的不同像元。

2.1.2 生態系統服務權衡與協同關系的分析方法 在生態系統服務權衡與協同研究方法上，參考前人的做法[26]，在100 m×100 m，30 m×30 m，200 m×200 m的像元中進行了試驗分析，發現100 m×100 m像元得出結果較為合理。對數據進行歸一化處理。在SPSS 20.0軟件中進行相關性分析，用K-S進行檢驗來判斷原始數據是否服從正態分布。結果顯示：除土壤保持外其余生態系統服務均不服從正態分布，因此用Spearman進行數據相關性分析，當兩種服務的相關性為顯著正相關時(p<0.05)，則認為服務間的相互作用關系為協同[27]；反之，當兩種服務的相關性為顯著負相關時則稱為權衡(p<0.05)[28]。

在熱點區研究方法上，若6種生態系統服務的值區域超過各自所對應平均值區[29]，為該生態系統服務熱點區，在ArcGIS軟件中對6種生態系統服務的熱點區進行疊加分析，得出1，2，3，4，5，6類服務熱點區。從熱點區分類來看，6類服務區為生態系統服務供給能力最高區域，0類服務區為無熱點區。

2.2 數據來源與處理

通過實地數據收集及網上下載，得到研究廣南縣石漠化區生態系統服務空間權衡與協同所需數據及來源(表1)。

表1 數據說明及來源

3 結果與分析

3.1 生態系統服務與石漠化程度空間分布特征

2000年、2010年和2018年食物供給服務總體趨勢為西部、中北部較低，東部較高，而2000年、2010年和2018年石漠化重度區域主要分布在西部、中南部和東南部，兩者空間分布不一致，說明食物供給服務與石漠化程度空間分布基本無相關(圖1—2)。

圖1 不同年份石漠化程度

圖2 不同年份食物供給服務

2000年、2010年和2018年土壤保持服務總體趨勢為西北部、東部和西南部較高，西部、中南部和東南部較低。而2000年、2010年和2018年石漠化重度、中度區域主要分布在西部、中南部和東南部，說明土壤保持服務與石漠化程度空間分布大體呈負相關(圖3)。

圖3 不同年份土壤保持服務

2000年、2010年和2018年固碳服務總體趨勢為西部、中部、中南部和東南部較低，其他區域均較高，其服務較低的區域均為石漠化程度較高區域，由此得出固碳服務與石漠化程度空間分布呈負相關(圖4)。

圖4 不同年份固碳服務

2000年、2010年和2018年產水量總體趨勢為除西部、中部、中南部和東南部較低其他區域均為較高區域，同時西部、中南部和東南部也是石漠化重度區域，產水量較少的區域大多為石漠化程度較重的區域。但由于產水量受降雨量、年均潛在蒸散發量影響，產水量較低的中北部區域為無石漠化區域，由此得出產水量與石漠化程度空間分布呈負相關(圖5)。

圖5 不同年份產水量

2000年、2010年和2018年生境支持服務總體趨勢為西部、中部、中南部和東南部較低，其他區域均為較高區域。而2000年、2010年和2018年石漠化重度、中度區域主要分布在西部、中部、中南部和東南部，說明生境支持與石漠化程度空間分布呈負相關(圖6)。

圖6 不同年份生境支持服務

2000年、2010年和2018年文化服務總體趨勢為西部和西北部較低，中北部為較高區域。而2000年、2010年和2018年石漠化重度、中度區域主要分布在西部、中部、中南部和東南部，兩者空間分布不一致，說明文化服務與石漠化程度空間分布基本無相關(圖7)。

圖7 不同年份文化服務

3.2 生態系統服務的權衡與協同關系分析

3.2.1 生態系統服務間的權衡協同關系分析 2000年、2010年和2018年，研究區生態系統服務間的權衡協同關系為：生境支持—土壤保持、生境支持—固碳、土壤保持—固碳、文化服務—固碳和產水量—食物供給等生態系統服務呈正相關性，具有一定的協同性，且各生態系統服務協同系數總體呈不斷降低趨勢。其中，生境支持—固碳相關性系數分別為0.517，0.462，0.469，為3期中相關性系數最高。產水量—食物供給相關性系數分別為0.008，0.011，0.005，為3期中相關性系數最低；產水量—土壤保持、產水量—固碳、產水量—生境支持、產水量—文化服務、固碳—食物供給、土壤保持—食物供給、生境支持—食物供給和文化服務—食物供給等生態系統服務呈負相關性，具有一定的權衡性，且各生態系統服務協同系數總體呈不斷降低趨勢。其中，食物供給—生境支持相關性系數分別為-0.018，-0.021，-0.056，為3期中相關性系數最高。產水量—食物供給相關性系數分別為-0.375，-0.301，-0.415，為三期中相關性系數最低(表2)。

表2 廣南縣生態系統服務間的權衡協同關系

3.2.2 生態系統服務冷熱點分析 研究通過疊加分析法，得出2000年、2010年和2018年2期多重生態系統服務熱點區占比表和空間分布圖。

從表3中可以看出，研究區2000年、2010年和2018年3期熱點區總體占比大小依次為：“6類”>“5類”>“0類”>“1類”>“2類”>“3類”>“4類”。其中，“0類”和“6類”熱點區呈不斷減少趨勢；“1類”和“3類”熱點區呈先減少后增加趨勢；“5類”熱點區呈不斷增加趨勢；“2類”熱點區呈先增加后減少趨勢。

表3 不同年份熱點區占比 %

根據圖8熱點分級圖，從2000年、2010年和2018年中6類服務區空間分布來看，0類服務區為研究區生態脆弱區且為無熱點區，主要分布在研究區石漠化重度區域，應繼續采取相應的生態恢復措施；1類服務區為研究區生態脆弱區，主要分布在研究區中度區域，應繼續采取相應的生態恢復措施；2類和3類服務區分布在石漠化輕度及潛在區域，主要為研究區西南部、中部和東部；4，5類服務區分布在基本為無石漠化區域，主要為研究區北部及東部；6類服務區為供給能力最高的區域，但面積占比較少，且主要分布在北部及東北部，這與研究得到的生境支持服務大體一致，需優先保護。

圖8 不同年份熱點區分級

在2000年和2010年中，6類服務區占比從29.53%減少到24.47%，減少區域主要分布在研究區北部地區，為底圩鄉；5類和4類服務區占比從23.55%增加到30.12%，增加區域主要分布在研究區北部及東部，為者太鄉、底圩鄉北部和楊柳井鄉東部；3類和2類服務區占比從17.51%減少到17.44%，面積變化不大，減少區域主要分布在研究區西南部、中部和東部，為那灑鎮、南屏鎮南部和板蚌鄉東部；1類和0服務區占比從29.41%減少到27.97%，減少區域主要分布在研究區西部、南部和東南部，為珠琳鎮、黑支果鄉南部和八寶鎮東南部。

在2010年和2018年中，6類服務區占比從24.47%減少到23.8%，減少區域主要分布在研究區北部和西北部地區，為底圩鄉和者太鄉；5類和4類服務區占比從30.12%增加到33.77%，增加區域主要分布在研究區北部及東部，為底圩鄉北部、者兔鄉和板蚌鄉；3類和2類服務區占比從17.44%減少到14.90%，減少區域主要分布在研究區西南部、中部和東部，為那灑鎮、珠街鎮西南部和南屏鎮南部；1類和0服務區占比從27.97%減少到27.85%，面積變化不大，減少主要分布在研究區西部、南部和東南部，為珠琳鎮、黑支果鄉南部和八寶鎮。

在2000年和2018年，6類服務區占比從29.53%減少到23.48%，減少區域主要分布在研究區北部和西北部地區，主要為底圩鄉和者太鄉；5類和4類服務區占比從23.55%增加到33.77%，增加范圍主要分布在研究區中部和中北部，為蓮城鎮和者兔鄉；3類和2類服務區占比從17.51%減少到14.90%，減少區域主要分布在研究區西南部、中部和東部，為那灑鎮、珠街鎮、南屏鎮和八寶鎮；1類和0服務區占比從29.41%減少到27.85%，減少范圍主要分布在研究區西南部，為篆角鄉(圖8)。

4 討論與結論

4.1 討 論

4.1.1 對研究方法的討論 從生態系統服務類型分類體系來看，目前在生態系統服務的分類上仍然存在很大分歧，多數學者將生態系統服務分為供給、調節、文化和支持服務[1-3]。由于研究目的不同，喀斯特區域生態系統服務的分類也是多樣的。根據文獻統計及喀斯特山區特征[2]，食物供給、產水量、土壤保持、固碳、生境支持和文化服務是當前研究喀斯特區生態系統服務較為關注的。因此，結合學界研究成果及前人研究方法[27-29]，選取符合廣南縣喀斯特山區實際的生態系統服務類型，以食物供給、產水量、土壤保持、固碳、生境支持和文化服務6種生態系統服務為研究對象，評估廣南縣喀斯特山區的生態系統服務。

根據案例統計及研究區特征[27-29]，目前喀斯特區域生態系統服務評估方法大多選用模型評估法，模型主要選用InVEST，CASA和RUSLE模型等。其中InVEST模型內涵評估模塊較多，發展最為完善。總體來看，研究采用InVEST模型、CASA模型和RUSLE模型等模型來評估生態系統服務，模型具有導入數據少、輸出數據量大和復雜問題簡化處理優點。

從生態系統服務權衡與協同研究方法看，多采用定性分析法和相關分析法[14-15]。而相關性分析是較為簡單實用的方法。因此，本研究參照前人方法[14-15]采用相關分析法分析生態系統服務權衡與協同關系，結果較為合理；從生態系統服務熱點區研究方法看，生態系統服務熱點區研究方法主要分為直接分類法和空間統計分析方法。研究采用直接分類法分析生態系統服務提供能力的強弱空間分布，具有簡單直觀的優點，能夠滿足研究需求。

4.1.2 對研究結果的討論 與前人研究結果進行對比，本研究生態系統服務核算結果與其他研究結果基本處于同一數量級，因此，3期食物供給年平均產量分別為1.79，2.62，3.38 t/hm2，參考廣南縣三期統計年鑒為1.76，2.28，3.36 t/hm2。通過對比發現，研究結果與基本情況較為符合；年平均土壤保持量為821.92，764.31，951.59 t/hm2,Lang等[29]在貴州、廣西兩省的喀斯特山區研究中2000年和2010年平均土壤保持量分別為1 011，1 035 t/hm2，研究結果雖然為喀斯特區域，但因與研究區自然環境存在差異，總體上結果與本研究較為符合；年均NPP為781.20，715.01，739.50 g C/(m2·a)。陳峰等[23]的研究中，年均NPP為689.34 g C/(m2·a)，結果與本研究較為符合；平均產水量763.68，685.94，780.71 mm。Lang等[29]在貴州、廣西兩省的喀斯特山區研究中2000年和2010年平均產水量為954.52，968.10 mm，因產水量受降雨量和蒸發量影響因素較大，因此，本研究結果較為合理；生境支持服務取值范圍為0～1，空間分布結果與廣南縣實際生態環境狀況相符，研究結果較為合理；Chen等[25]在研究中2008年的文化服務價值范圍為0～1 585.3元，而本研究2010年0.001～1 790.91元，和本研究結果較為符合。總之，由于研究區不同，研究結果會有差異，但同一緯度帶西南地區的生態系統服務核算結果相差不大。因此，認為模型對喀斯特地區廣南縣生態系統服務的評估是可行的。

對于生態系統服務權衡與協同關系研究，研究結果與其他研究者在相似地區的研究結果一致，如吳瑞東[26]研究中固碳—土壤保持和固碳—生境支持生態系統服務均為協同關系，食物供給—生境支持為權衡關系，與本研究結果較為符合；郎焱卿[27]研究中土壤保持—產水量為權衡關系，結果與本研究較為一致，研究結果較為合理。固碳—土壤保持為協同關系、與產水量為權衡關系，這是由于植被覆蓋度高的地區蒸發量更高、更容易保持土壤，且上述3種關系在空間上分布差異明顯。以土壤保持量與產水量為例，從約束閾值角度來分析，土壤保持量高的地區降雨量較高，降雨作為產水量的主要來源，使得土壤保持與產水呈協同關系；而土壤保持量高的地區，通常植被覆蓋較好，在一定程度上對產水服務又有所抑制。當降雨量超過某一閾值時，二者間的權衡協同關系將發生轉變，這可以解釋為降雨量對土壤保持量的閾值效應，也是生態系統服務權衡協同關系在空間分布上出現差異的重要原因，在今后的研究中，需要對生態系統服務權衡協同關系轉變的因素進行分析，同時對其內部結構與運行機理進行更加深入細致的研究。由于研究僅僅選取了6個生態系統服務進行研究，一定程度限制其他生態系統服務關系的研究。因此，在以后的研究中，應豐富喀斯特區生態系統服務研究內容。

在生態系統服務熱點區研究上，本研究的熱點區時間和空間特征都可以表征2000年、2010年和2018年廣南縣的生態系統服務，總體上研究結果與研究區基本情況較為符合。但由于熱點劃分時選取的標準不同，使得不同區域熱點區研究結果無法進行橫向和縱向的對比。因此，熱點區研究方法和標準的選取問題在現階段不易完全消除，需要在以后的研究中更加關注。

4.2 結 論

(1) 2000—2018年，研究區食物供給服務和文化服務與石漠化程度空間分布基本無相關性，而土壤保持服務、固碳服務、產水量和生境支持服務與石漠化程度空間分布大體呈負相關，石漠化程度較高的區域，土壤保持、固碳、產水量和生境支持等生態系統服務功能較低，而無石漠化區域，土壤保持、固碳、產水量和生境支持等生態系統服務功能較高。

(2) 2000—2018年，研究區生境支持—土壤保持、生境支持—固碳、土壤保持—固碳、文化服務—固碳和產水量—食物供給呈協同關系，而產水量—土壤保持、產水量—固碳、產水量—生境支持、產水量—文化服務、固碳—食物供給呈權衡關系。

(3) 2000—2018年，研究區三期熱點區總體占比大小依次為“6類”>“5類”>“0類”>“1類”>“2類”>“3類”>“4類”，其中，“0類”和“6類”熱點區呈不斷減少趨勢，“1類”和“3類”熱點區呈先減少后增加趨勢；“5類”熱點區呈不斷增加趨勢，“2類”熱點區呈先增加后減少趨勢；空間上，“0類”服務區為生態脆弱區且為無熱點區，分布在石漠化重度區域，主要為分布在中部和西南部，應繼續采取相應的生態恢復措施；“1類”、“2類”和“3類”服務區為熱點區，分布在石漠化輕度及潛在區域，主要為在西南部、中部和東部；“4類”和“5類”為熱點區，基本分布在無石漠化區域，主要為在北部及東部；“6類”服務區為熱點區，該區域為供給能力最高的區域，但面積占比較少，且主要分布在北部及東北部，需優先保護。