青藏高原典型區生態系統服務空間異質性及其影響因素
——以那曲市為例

景海超,劉穎慧,賀 佩,張家琦,董婧怡,汪 怡

地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京師范大學地理科學學部, 北京 100875

隨著1997年Costanza等[1]發表在Nature上的一篇關于核算全球生態系統服務價值的文章以及2001年聯合國千年生態系統評估項目[2]的開展,生態系統服務得到了越來越多的關注。生態系統服務作為連接自然和人類社會的橋梁和紐帶,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的自然環境條件與效用,提供了人類賴以生存和發展的資源與環境基礎[3—4]。對生態系統服務的量化評估可以為生態安全、土地規劃等部門提供科學定量的生態環境信息,將有利于開展針對生態環境的管理和決策,這也使得近年來通過模型模擬的方式評估一區域生態系統服務并分析它們的特征與相互關系成為了熱點研究領域[5—6]。如Li等[6]以潮白河沿岸的城市帶為研究區,模擬了當地固碳、土壤保持、防風固沙、產水以及生境質量五項生態系統服務,并分析了五項服務之間的相互關系。Wang等[5]分析了京津冀地區產水、固碳、土壤侵蝕等服務的多年變化及權衡協同關系。

然而不同地區有著不同的環境及社會本底特征,各項生態系統服務的供給量必定有所區別,由此造成了生態系統服務在空間分布上的異質性[7—8],識別生態系統服務空間異質性的主要驅動因素成為了一項亟待解決的問題。目前對生態系統服務空間異質性驅動因子的研究多是通過建立生態系統服務與影響因子的相關關系、回歸模型或是通過情景模擬的方式分析驅動因子在不同情境下對生態系統服務的影響,如饒恩明等[9]和張玲玲等[10]用建立相關的方式分析了土壤保持、產水、生境質量等服務與人口密度、GDP、氣候因子等的關系；侯文娟等[11]通過地理加權回歸分析了產流量與NDVI、景觀破碎化指數等因子的相互關系；Bai等[12]和Clerici等[13]則通過設置不同的情景,揭示氣候變化和土地利用類型對美國肯塔基州以及安第斯山脈東部兩個小流域生態系統服務時空格局的影響。上述研究雖然都在空間上分析了生態系統服務空間格局與他們影響因素間的關系,但沒有闡明具體哪些影響因素對該生態系統服務空間異質性的形成起到主要作用。地理探測器是用來分析數據空間異質性的有力工具[14],可用于揭示數據空間異質性背后的主要驅動因子,并定量分析單個驅動因子及因子交互對因變量的解釋力度。

探索生態系統服務空間異質性并開展其主要影響因子的識別對地區生態系統服務功能調控和優化具有重要意義。那曲市位于青藏高原的中心,是一個典型的生態脆弱地區[15]。同時那曲也是我國“兩屏三帶”[16]生態安全戰略格局中青藏高原生態安全屏障的核心區域,在水源涵養、氣候調節、生物多樣性維持等方面都具有重要的生態意義。隨著2018年5月那曲撤地設市,那曲市各層級、各項社會經濟職能也逐漸的步入正軌,在未來經濟建設過程中思考如何協調生態保護,做到生態保護與民生改善同步提升意義重大。因此,本文以那曲市為例,詳細介紹了如何運用模型評估其多年的生態系統服務并分析生態系統服務的空間格局和相互關系,隨后引入地理探測器,選擇氣候、植被指數、土壤、地形、人類活動及土地利用等影響因子探究各生態系統服務空間異質性的主要影響因素,試圖找出影響各生態系統服務空間分布的主要影響因子,研究結果可以為那曲市未來的生態系統功能優化、生態安全格局構建及生態文明建設等提供科學的決策依據。

1 研究區概況

那曲市(83°55′E—5°5′E,29°55′N—36°30′N)位于青藏高原生態安全屏障的核心區域,長江、怒江、瀾滄江、拉薩河等大江大河皆發源于那曲或支流流經那曲[17],水資源極其豐富。那曲市湖泊濕地遍布且孕育著西藏最大面積的天然草場,在涵養水土、調節氣候的同時也為大量高原動植物物種提供了必要的生存場所,那曲市提供的多項生態系統服務功能必將會為整個高原乃至全國的生態安全保障做出積極貢獻。那曲市平均海拔約4500 m,整體地勢由西北向東南傾斜,西北部地勢高亢,海拔高度平均在5500 m左右,中西部地勢開闊,屬于高原丘陵地形,東部屬河谷地帶,多高山峽谷且山勢陡峭,海拔高度在3500—4500 m之間。那曲市屬亞寒帶氣候區,基本特點是氣溫低,空氣稀薄,大風天氣多,太陽輻射強,同時其東南部地區易受夏季風影響,降水與溫度條件明顯好于中西部地區,那曲市的東南部地區也是藏北僅有的農作物產區,人口相對稠密,同時擁有少量的森林資源和灌木草場。那曲市的土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地、永久性冰川積雪七大類,其中覆蓋面積最大的草地約占那曲市總面積的52%,林地、耕地、建設用地的占比較低(圖1)。

圖1 那曲市在青藏高原的位置、地形及2018年土地利用圖

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究使用的數據主要包括：土地利用數據、氣象數據、土壤數據、高程數據、歸一化植被指數(NDVI)、行政區劃數據、道路數據、人口密度數據等。其中2000、2010、2018年3期30 m分辨率的土地利用數據、土壤類型數據以及研究區縣級行政區劃數據均來自于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)。氣象數據中的氣溫和降水使用了國家氣象局CN05.1格點化觀測數據集[18],日照時數數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)。土壤質地、土壤有機質含量、土壤容重等數據通過聯合國糧農組織(FAO)世界土壤數據庫以及國家青藏高原科學數據中心(http://data.tpdc.ac.cn)獲得[19]。DEM獲取自地理空間數據云(www.gscloud.cn/),并通過ArcGIS 10.3軟件提取研究區的坡度。NDVI使用了美國地質調查局(USGS)陸地過程分布式數據檔案中心(http://lpdaac.usgs.gov/)的MOD13Q1數據。研究區的道路數據來自于國家基礎地理信息中心1：25萬全國基礎地理數據庫(https://www.webmap.cn/)。人口密度數據來自于WorldPop的人口密度數據集(https://www.worldpop.org/)。香農多樣性指數(SHDI)借助Fragstats 4.2軟件計算得到。上述數據在預處理完成后均采用阿爾伯斯等積圓錐投影(Krasovsky_1940_Albers)并重采樣為1 km分辨率用于后續分析。由于獲取到的各類數據的年份集中在2000—2018年,且那曲市自然環境與社會發展在此期間均表現出一定變化,故本文選擇2000年、2010年、2018年3個年份的數據進行后續研究。

2.2 研究方法

2.2.1生態系統服務估算

(1)產水服務

本研究使用InVEST模型的產水量模塊進行了那曲市產水服務的模擬運算。產水模塊運用研究區的降水量、蒸散量、土壤根系深度、植物可利用含水量、土地利用等數據,基于Budyko水熱耦合平衡假設[20]計算研究區每個柵格單元的年總產水量。公式如下：

(1)

(2)

式中,AETi表示柵格單元i上的年蒸散量(mm)；Pi表示柵格i上的年降水量(mm)；Yi為柵格i上全年的產水深度(mm)；PETi為柵格i上的潛在蒸散量(mm)；wi為經驗參數。

PETi=Kc(li)×ET0i

(3)

(4)

PAWCi=54.509-0.132SAND%—0.003(SAND%)2-0.055SILT%-0.006(SILT%)2-0.738CLAY%+0.007(CLAY%)2-2.688OM%+0.501(OM%)2

(5)

式中,Kc(li)表示柵格i上的蒸散系數,數值的確定參考了模型手冊[21]及文獻[22]；ET0i為柵格i的參考作物蒸散,通過Modified-Hargreaves法[23]計算得到；root.depth為根系深度參考了模型手冊[21]及文獻[24—25],Z為經驗常數；PAWCi為植物可利用含水量[26],SAND%、SILT%、CLAY%、OM%分別表示土壤砂粒、粉粒、黏粒、有機質的含量。

(2)土壤保持服務

InVEST土壤保持模塊通過氣象數據、土地利用數據、土壤數據以及DEM等數據計算研究區各柵格單元的潛在土壤侵蝕量和實際土壤侵蝕量,兩者之差則為研究區的土壤保持量,本文將采用此方法模擬那曲市各柵格單元上的土壤保持量。公式為：

RKLSi=Ri×Ki×LSi

(6)

USLEi=Ri×Ki×LSi×Ci×Pi

(7)

SDi=RKLSi-USLEi

(8)

式中,RKLSi表示柵格i上裸地的土壤侵蝕量(t/hm2)；USLEi為柵格單元i在植被覆蓋管理因子和水土保持措施因子作用下的土壤侵蝕量(t/hm2)；SDi為柵格單元i上的實際土壤保持量(t/hm2)；Ri是降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1),采用Wischmeier的月尺度公式[27]計算；Ki是土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1),采用EPIC模型[28]估算,并通過修正公式[29]進行本地化矯正；LSi為坡長坡度因子,參考InVEST模型手冊與已有研究[9, 21],模型中由DEM數據計算得到；Ci為植被覆蓋管理因子,參考了蔡崇法等[30—31]的研究,通過NDVI計算植被覆蓋度最終由植被覆蓋度計算得到各柵格單元的Ci值；Pi為水土保持措施因子,參考書籍[32]與前人研究[31, 33]獲得。

(3)生境質量

InVEST生境質量模塊以土地利用數據和威脅源數據為基礎,計算各柵格單元的生境質量得分,得分在0—1之間,數值越大表示生境質量越好[21]。本文結合研究區實際情況與相關研究[34—36],在選擇耕地、建設用地、未利用地、國道、鐵路為威脅源數據的同時構建了生境質量參數表,最終運行InVEST生境質量模塊得到了那曲市各柵格單元的生境質量得分。生境質量計算公式如下：

(9)

(10)

式中,Qij為柵格i的生境質量；Hj為土地利用類型j的生境適宜度；Dij為柵格i的棲息地退化程度；k為半飽和常數；Z為默認參數2.5；R為威脅因子的數量；Pr是r威脅因子的總柵格數；Wr是威脅因子r的權重；rp是威脅強度；irip表示rp對i的威脅程度；βi表示i的可達性；Sjr土地利用類型j對r威脅因子的敏感性。

(4)固碳服務

本文運用CASA模型[37]模擬那曲市各柵格單元上植被對碳的吸收,即固碳服務。CASA模型是一個典型的光能利用率模型,用于模擬植被的凈初級生產力(NPP),該模型模擬植被NPP所需的參數相對較少,同時部分參量可直接通過遙感手段獲得,使之成為目前應用廣泛且不斷發展的NPP模型之一[38]。運用CASA模型進行NPP計算所需的數據包括土地利用數據、氣象數據、NDVI數據等,計算公式如下[39]：

NPPi=0.5×Rs×FPAR×f1×f2×W×emax

(11)

式中,NPPi為柵格單元i處的植被凈初級生產力(gC/m2)；Rs表示地表太陽輻射(MJ/m2),參照童成立等[40]的研究,基于日照時數數據算得；0.5為經驗常數,與Rs相乘近似表示植物可利用的地表太陽輻射；FPAR為植物轉化光合有效輻射的比例；f1和f2為低溫和高溫對植物光能利用率的影響；W為水分限制因子；emax植被的最大光能利用率,數值參考朱文泉等的研究成果[39]。

2.2.2生態系統服務綜合熱點區域

對研究區生態系統服務綜合熱點區域的識別可以為當地生態保護措施的制定與決策提供定性的依據。本研究在柵格尺度上將各項生態系統服務供給量超過各自均值的區域視為該項生態系統服務供給的熱點區域,通過疊加研究區各對應年份的產水量、土壤保持、生境質量、固碳4項服務的熱點區域,最終得到研究區各對應年份的生態系統服務綜合熱點區域的分布。根據區域上單項生態系統服務熱點的數量,本研究將熱點區域劃分為極重要區域、高度重要區域、中度重要區域、一般重要區域、非重要區域五類(表1)。

表1 那曲市生態系統服務重要區域劃分

2.2.3生態系統服務間的相互關系

本研究基于各生態系統服務的模擬值進行了生態系統服務間逐柵格點的相關分析并檢驗其顯著性水平,探究那曲市各項生態系統服務間的相互關系。依據spearman相關分析,得到4種生態系統服務之間的相關性。公式為：

(12)

相關性結果為正值時,表明兩種生態系統服務之間具有協同效應,即兩種生態系統服務在同一時間段具有同樣的上升或降低趨勢,一種服務的增加會對另一種服務產生一定的促進和增幅作用,結果為負值時,表明兩種生態系統服務具有權衡關系,即某生態系統服務的增加會造成另一種生態服務供給量的下降。

2.2.4生態系統服務空間分異的驅動因子識別

地理現象具有空間異質性,地理探測器是揭示生態系統服務空間異質性背后主要驅動因子的有力工具,它的核心假設為：若某自變量會對因變量造成一定影響,則它們在空間上的分布會存在一致性[42]。地理探測器可量化各驅動因子對地理數據空間異質性的解釋度,結果用q統計量表示,q值的含義為自變量解釋了q×100%的因變量。為了探究各單項生態系統服務受哪些影響因素的驅動,本文以研究區各單項生態系統服務為因變量,以影響那曲市生態系統服務的各因素為自變量,選用地理探測器中的“因子探測器”和“交互探測器”分析各驅動因子及因子組合對研究區生態系統服務空間異質性的解釋程度。因子探測公式如下[42]：

(13)

(14)

SST=Nσ2

(15)

在生態系統服務驅動因子的選擇方面,以那曲市生態環境與社會經濟背景為特征,最終考慮了氣候、植被指數、土壤、地形、人類活動及土地利用六類共九個指標。氣候要素中選擇了年降水、年均溫；植被指數要素中選擇了歸一化植被指數(NDVI)；土壤要素中選擇土壤類型為主要驅動因子；地形要素中選取了高程和坡度因子；人類活動要素則主要考慮了人口密度；土地利用方面的驅動因子選擇了土地利用類型及表示土地利用類型破碎化的香農多樣性指數(SHDI)。

交互探測用于評估不同驅動因子組合在一起對因變量的影響程度,兩因子的交互作用共有5種類型[42],若兩因子交互作用q值小于任意單因子q值,為非線性減弱；兩因子交互作用q值在兩個單因子q值之間,為單因子非線性減弱；兩因子交互作用q值大于任意單因子q值,為雙因子增強；兩因子交互作用q值等于兩個單因子q值之和,為獨立關系；兩因子交互作用q值大于兩個單因子q值之和,為非線性增強。

3 結果與分析

3.1 那曲市生態系統服務隨時間變化趨勢

2000—2018年那曲市產水量(圖2)總體呈明顯的下降趨勢,其平均產水深度由174.45 mm下降至113.19 mm,下降了35.1%。各縣區多年間的變化趨勢分為兩種類型,中部與東部縣區多表現為先降后增,西北部縣區多為逐年下降。那曲市各縣區2018年的平均產水深度普遍小于2000年的水平,尼瑪縣、雙湖縣、申扎縣的平均產水深度分別降低了76.9%、72.5%和68.5%。

那曲市土壤保持服務(圖2)在2000—2018年總體上表現為先降低后升高的趨勢,單位面積的土壤保持量由2000年的42.34 t/hm2下降至2010年的36.19 t/hm2后,隨后升高至2018年的40.32 t/hm2,2018年單位面積土壤保持量相較于2000年降低了4.8%,總體變化較小。各縣區多年間的變化趨勢與產水服務類似。2018年巴青縣、色尼區、聶榮縣、索縣單位面積的土壤保持量高于2000年,其余縣區的土壤保持量最終均低于2000年。

圖2 那曲市及各縣區2000、2010、2018年生態系統服務年均值

那曲市固碳服務(圖2)在2000—2018年總體呈上升趨勢,單位面積固碳量由2000年的219.07 gC/m2增長至2018年的231.40 gC/m2,增長了5.6%。那曲市各縣區2000—2018年的單位面積固碳量除申扎縣和班戈縣略微下降以外其余縣區均表現為增長,嘉黎縣、雙湖縣、安多縣分別增長了11.0%、10.7%和9.8%。

2000—2018年那曲市生境質量(圖2)趨于穩定,2000年、2010年和2018年那曲市生境質量平均得分分別為0.364117、0.364131和0.365114,2018年得分相較于2000年提高了0.3%。那曲市各縣區的生境質量得分在2000年至2018年間變化很小。

3.2 那曲市生態系統服務的空間異質性

3.2.1單項生態系統服務的空間異質性

那曲市各項生態系統服務的空間分布格局如圖3所示。各單項生態系統服務的分布都呈現出明顯的空間分異特征,同時各項服務的分布趨勢又存在一致性,即東南部地區的各單項生態系統服務普遍高于西北部地區。

圖3 2000—2018年那曲市生態系統服務時空格局

那曲市全市多年平均產水深度達133.79 mm,產水服務的空間分異明顯。那曲市產水服務的分布呈現出東南高西北低的特點,與該地區降雨量的分布特征基本吻合。產水量高值區主要分布在那曲市東部水熱條件較好的嘉黎縣、索縣、巴青縣、比如縣,該地區多高山峽谷且夏季受印度洋季風的影響降水豐沛,四縣多年平均產水深度分別達到492.63 mm、486.11 mm、475.71 mm和470.66 mm,產水服務顯著高于西部各縣。產水量低值區主要分布在廣大的西部和北部地區,該區地勢高亢,常年受西風帶影響,降水稀少。尼瑪縣、雙湖縣多年平均產水深度僅為38.76 mm和45.23 mm。

那曲市單位面積土壤保持量的多年均值為39.62 t/hm2,土壤保持服務的空間分布格局與產水服務類似。土壤保持服務的高值區主要分布在東南部縣區的高山峽谷區域內,東南部區域豐沛的降水會使該區域受降雨侵蝕力的作用高于西北部,同時山區坡度變化大的區域會存蓄大量的流失土壤,東南部山地的山腰和山腳發育有那曲僅有的森林,保土能力強。索縣、嘉黎縣、比如縣、巴青縣多年單位面積土壤保持量分別為295.55 t/hm2、222.85 t/hm2、197.04 t/hm2、143.74 t/hm2,顯著高于全市平均水平。而那曲市西部及北部的雙湖縣、安多縣、尼瑪縣多年單位面積土壤保持量僅為6.02 t/hm2、10.49 t/hm2、20.28 t/hm2,明顯低于全市平均水平。

那曲市固碳服務的空間分布也具有明顯的分異性,全市單位面積固碳量多年均值為224.40 gC/m2。單位面積固碳量高的區域分布在那曲市中部和東部地區,該地區氣候條件優于西部與北部,同時該地區分布著大面積的高寒灌叢草甸與高寒草甸,西部與北部地區則主要為高寒草原。東部的比如縣、嘉黎縣、索縣的部分高山峽谷中還蘊機著以冷杉、柏木、高山櫟等為主的森林。索縣、聶榮縣、色尼區、巴青縣單位面積固碳量多年均值分別達到489.16 gC/m2、478.12 gC/m2、436.44 gC/m2、411.75 gC/m2。低值區雙湖縣、尼瑪縣單位面積固碳量多年均值為135.98 gC/m2和174.39 gC/m2。

那曲市生境質量得分的多年均值為0.36。生境質量高值區主要分布在湖泊、河流及植被覆蓋狀況較好的區域,主要分布在那曲市的中部與東部地區。索縣、班戈縣、安多縣、比如縣的多年得分均值分別達到0.54、0.48、0.45、0.44。低值區即尼瑪縣、雙湖縣的多年得分均值僅為0.31和0.32。

3.2.2生態系統服務熱點區域的的空間異質性

如圖4所示,那曲市生態系統服務綜合熱點區域的分布在2000—2018年間基本一致,各項生態系統服務高值區的重疊比例即高度重要區域與極重要區域的占比較低。其中,極重要區域在歷年來的占比保持在5.3%—5.4%之間,該區主要分布在那曲市中部與東部的高山峽谷與河谷地帶,植被與水熱條件明顯優于其他地區。高度重要區域在歷年來的占比處于12.3%—13.8%之間,分布在那曲市中部與東部極重要區域的外圍。中度重要區域和一般重要區域的占比在多年間分別保持在16.2%—19.1%與32.2%—34.1%之間。非重要區域即沒有一項生態系統服務供給量超越其均值的區域占比處于28.6%—32.1%之間,該區域主要分布于那曲市西部與北部的尼瑪縣、雙湖縣及安多縣部分地區,該區普遍海拔較高且干旱,溫度與降水條件明顯劣于那曲中部與東部區域,環境條件極為嚴苛,那曲北部區域也被劃歸在著名的“羌塘無人區”之中。

圖4 那曲市生態系統服務綜合熱點區域

3.2.3生態系統服務間的相互關系

在對那曲市四項生態系統服務進行估算之后發現各生態系統服務的時空分布格局具有一定的一致性,各年份生態系統服務間的權衡與協同關系如表2所示,除固碳服務和生境質量服務在2000年與2010年沒通過顯著性檢驗之外,其余年份各項生態系統服務之間的相關性均通過了0.01顯著性水平的檢驗。2000、2010、2018三年間各生態系統服務間的權衡與協同關系變化不大,穩定在一定數值。其中產水服務、土壤保持服務與其余所有生態系統服務均表現為協同關系。產水量高的區域植被普遍長勢較好,保土能力強,研究結果表明土壤保持服務和產水量服務之間有很強的協同關系,三個年份的相關系數保持在0.616—0.683之間。水和土壤是植被生長發育的基礎,各年份中固碳服務與產水量服務、固碳服務與土壤保持服務、生境質量與產水量服務間也表現出較強的協同關系。土壤保持與生境質量服務之間雖然存在協同關系,但相關系數較低,土壤保持服務和生境質量之間的相關系數多年間僅維持在0.11左右。

表2 那曲市生態系統服務間的相關性系數

3.3 那曲市生態系統服務空間分異的驅動因子識別

3.3.1生態系統服務空間異質性的單因子歸因

那曲市各項生態系統服務均表現出了明顯的空間分異性,而這種分異性多是在自然因素和人類活動等的共同作用下形成的。本研究借助地理探測器的“因子探測”和 “交互探測”模塊得到了那曲市不同年份各驅動因子對不同生態系統服務空間異質性的貢獻率(圖5)。由圖5可知,各驅動因子對那曲市生態系統服務的解釋力度在2000年、2010年、2018年間有較強的一致性,故本研究后續以2018年數據為例進行那曲市生態系統服務影響因素的歸因分析。

圖5 2000—2018年各驅動因子對那曲市生態系統服務空間異質性的影響程度

那曲市產水服務的空間分異受到多因子的共同作用,各因子按照q統計量的大小排序分別為降水(0.8785)>土壤類型(0.5910)>NDVI(0.5101)>溫度(0.2465)>坡度(0.1931)>土地利用類型(0.1828)>人口密度(0.1460)>高程(0.1212)>SHDI(0.0132)。因子探測結果表明,降水對那曲市產水服務空間分異的解釋力度最大,q值達到了0.8785,那曲市產水服務的空間分布也大致與降水的空間分布一直,表現出東南高、西北低的特點,年降水量處于749.89—880.93 mm之間的區域所帶來的產水量最高(圖6),平均產水量可達483.96 mm。同時,土壤類型、NDVI等自然因素對那曲市產水量服務的影響也極為顯著,那曲東部發育著大面積的草氈土和黑氈土而中西部和北部則多為寒鈣土,草氈土和黑氈土相較于寒鈣土有更強的肥力,且土層更厚,植被發育更好。草氈土和黑氈土覆蓋區的平均產水深度分別為314.92 mm、473.35 mm,平均產水深度最低的寒鈣土僅為33.92 mm。那曲市東部地區由于水熱狀況優越,植被長勢好使得NDVI也明顯高于中西部與北部區域。NDVI處于0.73—0.99之間的區域產水量最大,平均產水深度為406.99 mm。那曲市人類活動因素對產水服務的影響有限,q值處在一個較低的水平。

圖6 那曲市各項生態系統服務隨驅動因子的變化趨勢

各影響因子對那曲市土壤保持服務空間分異的解釋力度如圖5所示,按照q統計量排序分別為坡度(0.5954)>土壤類型(0.2813)>降水(0.2634)>NDVI(0.1585)>高程(0.0748)>溫度(0.0720)>土地利用類型(0.0653)>人口密度(0.0395)>SHDI(0.0059)。坡度是對那曲市土壤保持服務影響最為顯著的因子,q統計量達到0.5954,土壤保持服務功能較強的區域主要集中在那曲市東南部的高山峽谷與河谷等坡度變化較大的區域(圖3),隨著坡度的增大,土壤保持量也呈現出一個增長的趨勢(圖6)。土壤類型、降水以及NDVI對土壤保持服務的空間分布也起到了較為重要的作用。不同土壤類型中,黑氈土覆蓋區域的土壤保持能力最強,單位面積土壤保持量為356.22 t/hm2。土壤保持服務高值區與降水、NDVI的高值區也基本吻合,降水量處在749.89—880.93 mm之間、NDVI處于0.73—0.99之間的區域土壤保持服務也比較強,單位面積土壤保持量分別為213.27 t/hm2、215.99 t/hm2。人類活動及土地利用因素對那曲市土壤保持服務空間分布的影響較小(圖5)。

各驅動因子對那曲市固碳服務空間異質性的解釋力度比較高(圖5),按照q統計量排序分別為NDVI(0.6999)>土壤類型(0.4599)>降水(0.3992)>人口密度(0.2441)>溫度(0.2288)>高程(0.1586)>坡度(0.0558)>土地利用類型(0.0390)>SHDI(0.0234)。分析結果表明,NDVI對那曲市固碳服務空間分布的貢獻率最高,q統計量達到了0.6999。NDVI是指歸一化植被指數,其高值區普遍為植被覆蓋水平較高的區域,故固碳量高,NDVI處于0.73—0.99之間的區域固碳量最大,平均固碳量達到了585.36 gC/m2。土壤類型因子方面,那曲市固碳服務高的區域發育有大面積的黑氈土、沼澤土、草氈土,其中黑氈土上發育著那曲市僅有的林地,沼澤土、草氈土上發育有大面積的優質牧草。那曲市黑氈土覆蓋區域單位面積的固碳量最高(圖6),可達到530.42 gC/m2。那曲市降水量高的地區固碳服務也比較強,研究區降雨量處于642.67—749.89 mm之間的地區(圖6),其單位面積的固碳量最大,達到了477.01 gC/m2。

由圖5可知,各因子對那曲市生境質量空間分異的解釋度按照q統計量排序分別為土地利用類型(0.3356)>NDVI(0.1757)>土壤類型(0.1350)>人口密度(0.1002)>SHDI(0.0374)>降水(0.0233)>高程(0.0168)>溫度(0.0083)>地形(0.0014)。土地利用類型是對研究區生境質量空間分布貢獻率最大的影響因子,其次為NDVI和土壤類型。那曲市生境質量的空間異質性明顯,主要區域即湖泊、河流及林草地覆蓋區域的生境質量要明顯優于其他區域,生境質量得分較高,而人口最密集、生產建設活動劇烈的建設用地區域生境質量低。NDVI值越高的地區生境質量的平均得分也越高,NDVI值處于0.73—0.99之間的區域,其生境質量平均得分達到了0.54。除水域外,那曲市生境質量最高的區域發育的土壤主要為黑氈土(圖6),黑氈土覆蓋區域的生境質量平均得分為0.62。土地利用類型、NDVI、土壤類型等因子的解釋力度明顯高于高程和地形因子,地形與海拔對那曲市生境質量的影響有限。

3.3.2生態系統服務空間異質性影響因子的交互作用探測

交互探測的結果用于表明任意兩因子的組合是否會增強或減弱它們各自對生態系統服務空間分布的解釋力度。各生態系統服務的因子交互探測結果顯示(表3),任意兩個因子的交互作用均大于單一因子對各生態系統服務空間分布的解釋力度,因子間兩兩交互的類型主要表現為“非線性增強”和“交互增強”,這樣的交互作用可以表明那曲市各項生態系統服務的空間格局是由多個因子共同作用的結果。

由表3可知,在產水服務中降水量與其他各因子的交互作用對那曲市產水服務空間格局的解釋力度最大,任意兩因子組合的q值均大于單一降水因子的q值(0.8785),其中降水∩土地利用類型(降水因子與土地利用類型因子的交互作用)的q值更是達到了0.9551,說明在同一降水水平下,土地利用類型的不同會對產水服務的空間格局造成很大的影響。NDVI∩其他因子以及土壤類型∩其他因子對產水服務空間格局的影響力也比較強,q值處在0.5101—0.8984之間。

對土壤保持服務空間格局的交互探測結果表明(表3),地形因子中的坡度與其他因子的交互作用對土壤保持服務的空間格局影響最大,其中坡度∩NDVI、土壤類型等自然因子對土壤保持服務解釋力度達到了0.7以上,而坡度∩人口密度的q值僅比單一坡度的q值高了0.0082,也可說明人為因素對那曲市土壤保持服務空間格局的影響程度有限。降水、土壤類型與其他因子交互對土壤保持服務空間格局的解釋力度也比較大,q值處在0.2716—0.7248之間。

由表3可知,土地利用類型與其他因子交互作用對那曲市生境質量空間格局的解釋力度最大,其次是NDVI∩其他因子以及土壤類型∩其他因子。土地利用類型∩NDVI以及土地利用類型∩土壤類型的q值分別為0.3895和0.3783,其次為土地利用類型∩人口密度和土地利用類型∩SHDI。

在固碳服務的因子交互作用中(表3),NDVI與其他因子的交互作用對那曲市固碳服務空間格局的影響程度最大,q值均在0.7以上,其次為土壤類型∩其他因子以及降水量∩其他因子。單因子的探測結果顯示土地利用類型的q值要遠小于土壤類型和降水,然而交互作用中,NDVI∩土地利用類型的q值高于NDVI∩降水與NDVI∩土壤類型,達到了0.7915,表明在主導因素NDVI一致的情況下,土地利用類型的變化成為影響那曲市固碳服務空間格局的重要因素。

表3 驅動因子交互作用對那曲市生態系統服務空間異質性的影響程度

4 討論與結論

4.1 討論

量化區域生態系統服務的空間異質性并揭示異質性形成的主要驅動因子可幫助決策者有針對性的施行生態優化和調控措施。然而近些年的相關研究多是以回歸和相關為手段,沒能明確指出哪些驅動因子及因子組合會對生態系統服務空間異質性造成主要影響,而地理探測器在這一方面擁有獨特優勢。本文嘗試在模型模擬生態系統服務時空格局的基礎上,用地理探測器探究那曲市各項生態系統服務空間異質性的主要驅動因子,較好的揭示了那曲市各項生態系統服務的主控因子和因子組合,可為類似研究提供參考。本研究的模型模擬結果中那曲市各生態系統服務的值與臨近研究區已有的研究結果類似[36, 44—47]。如,潘韜等[45]的研究表明三江源2000年的平均產水深度為247.1 mm；楊蕾[44]在三江源的研究表明三江源多年平均土壤保持量為72.03 t/hm2；陳童堯等[46]在祁連山保護區的研究顯示祁連山區2015年的單位面積土壤保持量為212.63 t/hm2,該區域環境本底特征與那曲東南部縣區類似；鄒德富[47]的研究表明青藏高原2003—2010年的NPP均值為298 gC/m2。同時,上述研究中各項生態系統服務的空間分布趨勢也與本研究的模擬結果存在連續性,故模型模擬結果可信,能夠用于生態系統服務空間異質性歸因分析研究。

生態系統服務的空間異質性是在眾多影響因子的共同作用下形成的。降水、土壤類型、NDVI這類自然因子對那曲市各項生態系統服務的空間異質性都起到了重要作用,該結論與類似區域已有的研究結果一致[43, 48—49]。在這些主要影響因子的共同作用下,那曲市各項生態系統服務的空間格局存在相似性。除了上述不易受人為因素直接影響的自然因子外,土地利用類型可以在很大程度上解釋生境質量的空間格局,從交互探測的結果來看,土地利用類型分別對那曲市固碳服務和產水服務空間異質性起到重要影響,Hopping等[50]和Tang等[51]的研究也表明青藏高原土地利用及土地利用政策變化會對地區生態系統服務產生重大影響。在國家對口援藏政策[52]的持續支持下,近年來那曲市城鎮聚集效應明顯提升,城鎮基礎設施建設也在逐步完善,伴隨而來的將是大量的其他用地類型向建設用地的轉變。2018年那曲市建設用地相較于2000年增長了近95%,一段時間內那曲市城市、農村居民點及工礦用地等建設用地面積還將持續增長,而這勢必會對當地的生態系統服務產生影響。對此,建議那曲市應當：1)在未來城市建設與經濟發展過程中繼續將生態保護擺在優先位置,繼續推進生態安全屏障建設；2)嚴格落實生態保護紅線,對土地利用進行合理規劃,合理統籌生態用地、城鎮建設用地、工礦用地、農業用地等功能空間；3)提升對全市各區域天然林、草地、濕地的保護力度,同時對已受建設及工礦活動影響的生態脆弱區采取劃區輪牧、退牧育草、大面積封禁管護等措施進行恢復重建。

人類活動本身會對生態系統服務的空間分布帶來很大影響[53],但截至目前人口密度因子對各生態系統服務空間異質性的解釋力度并不高,Li等[54]研究同樣表明在1990—2010年間青藏高原整體的生態環境受人類活動的影響較低。那曲市幅員遼闊但人口稀少,雖然近年來那曲市城鎮集聚效應在逐步提升但城鎮化整體仍處在起步階段,建設用地占比較低。同時,隨著近年來陸續施行的限牧禁牧、退牧還草、生態補獎等[55—56]政策,放牧活動對草地的破壞也得到了一定的限制。這使得在那曲全域尺度上人類活動的規模和強度仍相對較小,對生態系統服務供給的影響尚處在較低水平。那曲大多數縣區剛剛實現脫貧摘帽,但大量居民尤其是牧民的生活水平仍然處在貧困線附近。今后,那曲的經濟發展及城鎮化建設力度仍會增強,生態保護和經濟發展、民生改善之間的矛盾可能會更加突出。對此,建議那曲市應當：1)在帶領藏區群眾走向全面小康的同時,仍需加大力度落實生態扶貧及生態補償政策,在生態系統服務重要區域內按照草蓄平衡原則,實施劃區輪牧、階段性禁牧和季節性休牧,在高海拔生態脆弱區積極推進易地生態搬遷,在提高民生的同時將人類活動對生態環境的影響降至最低程度,努力做到生態環境與民生改善的協調發展；2)增強群眾的環保意識,對全市居民及外地游客廣泛宣傳生態環境相關的法律法規以及環保知識,呼吁群眾愛護自己賴以生存的生態環境；3)加強對各區域城鎮及農村環境的綜合治理,實現城鎮及廣大農村區域生活垃圾的收運處置,減少各類生活垃圾流通到環境中造成的環境污染；4)打造高質量生態經濟產業,推動生態旅游業等特色產業的發展,在保護生態環境的同時獲取經濟利益,提升附近居民生活水平。

本文所采用的研究方法中存在有一定的不確定性。InVEST模型和CASA模型憑借其操作簡單、參數輸入相對較少、采用空間數據作為模型的輸入與輸出并且模型的輸出結果可直接應用于分析生態系統服務的時空分布格局的優勢,獲得了越來越多科研人員的使用和掌握。本研究運用InVEST模型和CASA模型進行生態系統服務的模擬評估,在各模塊的生物物理參數的計算與選擇過程中均結合研究區特點參考了已有的計算方法和相關文獻資料,但在參數的確定中仍然存在著不確定性,影響模擬精度。原因在于各參數(如產水模塊中的植被根系深度、土壤保持模塊中的水土保持措施因子、生境質量模塊中各地類對威脅源的敏感性等)在基于研究區特點進行本地化修訂時還需要針對研究區特點結合大量的野外觀測調研及實驗分析,從而驗證參數并確定參數應用的合理性,進而增強模型的模擬精度。本文使用地理探測器分析生態系統服務空間異質性的主要驅動因子,探測結果可以定量化的表現各驅動因子和因子組合對生態系統服務空間異質性的解釋力度,但此方法使用過程中在對連續的自變量因子進行離散化處理時沒有明確的分類標準,離散化方式的不同會對最終的探測結果產生一定影響,日后應當針對此方面加強分析,進一步提升地理探測器方法的可靠性。在生態系統服務空間異質性的評估過程中,本研究目前僅在全域尺度上分析了那曲市各生態系統服務空間異質性的主要影響因素。然而在不同的空間尺度上同一生態系統服務的主要影響因子可能會存在差異,今后的研究中應當著力在更小的空間尺度上進行生態系統服務空間異質性的歸因分析,為不同區域制定區別化的生態保護政策提供依據。

4.2 結論

本文以模型模擬的方式評估了那曲市2000—2018年4項生態系統服務,分析了它們的時空格局及相互關系,隨后借助地理探測器揭示了生態系統服務空間異質性的主要影響因子及因子組合,得到如下結論：1)2000—2018年間,那曲市產水服務總體呈下降趨勢,土壤保持服務表現為先降低后增高,生境質量服務趨于穩定,固碳服務呈現上升趨勢。那曲市西北部各縣區生態系統服務年際變化趨勢相近,東南部各縣區生態系統服務的變化也存在一致性。2)2000—2018年間產水、土壤保持、固碳服務的高值區主要集中在那曲市東部與中部水熱與植被條件好的區域,尤其是高山峽谷與河谷地區,生境質量的高值區分布在湖泊河流以及植被覆蓋率高的地區。那曲市生態系統服務極重要區域與高度重要區域即各生態系統服務高值重疊區域則主要位于那曲市東南部高山峽谷與河谷區及其臨近地區,為那曲市整體生態環境最優的區域。3)2000—2018年間那曲市生態系統服務除固碳服務和生境質量服務之間不存在明顯關系以外,其余組合均表現為相互促進的協同關系。4)降水、土壤類型、NDVI等自然因子是對產水服務和固碳服務空間異質性解釋力最強的驅動因子,坡度、土壤類型、降水等因子對土壤保持服務空間異質性的解釋力度強,生境質量服務的空間異質性主要受土地利用類型、NDVI、土壤類型等的影響,各生態系統服務空間異質性的主要驅動因子存在相似性。此外,在交互作用中土地利用類型的重要性凸顯,土地利用類型∩NDVI對固碳服務和生境質量有最大的解釋力度,土地利用∩降水可在最大程度上解釋產水服務的空間分異。截止目前代表人類活動的人口密度因子對各生態系統服務空間異質性的解釋力度尚處在一個較低的水平。