人類活動影響下蒙遼農牧交錯區的生態系統服務空間格局

徐夢冉，張 靖，鮑雅靜，李政海，劉 睿，張貽龍

(大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116605)

生態系統服務是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用[1]，它支撐與維持了地球的生命過程，為人類提供生活、生產所需的原料[2]。在過去幾十年，由于人類對生態系統服務及其重要性缺乏充分認識及科學而有效的管理[3]，如對供給服務(如糧食)的過分追求[4]，導致除供給服務以外的大多數生態系統服務呈不同程度的降低[5,6]。生態系統服務的退化和喪失必將對人類的福祉產生不利的影響，直接威脅區域和國家,甚至全球的生態安全[2]。在這種情況下，生態系統服務作為生態系統管理的有效工具，受到學術界越來越高的關注。而生態系統服務管理的關鍵在于明確其空間分布特征及聚集程度，以把握服務供給、明晰空間異質性。因此，研究人類活動影響下的生態系統服務空間格局，對人類生存空間與生態環境可持續發展具有重要意義。

國內外學者評估生態系統服務的方法主要分為物質量評估法[7]和價值量評估法[8]，傳統的價值量評估雖然簡單實用，但科學性較低，例如，僅估算生態系統服務的價值，則會忽略其空間異質性[9]；而物質量評估法可以根據生態系統服務的形成機制進行評價，結果可靠，解釋力高，因而應用廣泛[10]。隨著對生態系統服務研究的深入和3S技術的發展，眾多模型應運而生。InVEST模型(Integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)是由美國資本項目組研發的生態系統服務評估模型，它廣泛應用于各種尺度的評估，其結果空間可視化、評估精度方面更具優勢，可用于量化多種生態系統服務功能(如產水量、土壤保持、碳固持和生物多樣性)[11-14]。例如，Leh等運用InVEST模型中的水源涵養、碳固持、土壤保持和生境質量模塊，分析了科特迪瓦和加納地區的生態系統服務功能空間分布和時間變化情況[15]。Himlal Baral等人利用InVEST模型評價了澳大利亞維多利亞州不同土地覆蓋情景下生物多樣性的變化情況[16]。國內學者對InVEST模型的應用多位于長江上游、北京等地，基于農牧交錯區的研究較為罕見。例如，方露露等人對比長江和黃河流域2000年-2015年植被凈初級生產力(Net Primary Productivity, NPP)、產水服務和土壤保持的時空變化規律[17]。吳丹等人基于遙感影像和InVEST模型，探究了長江經濟帶的產水量、土壤保持、碳固持與生物多樣性的生態系統服務功能[18]。如今，基于InVEST模型關于生態系統服務功能的研究非常成熟。

農牧交錯帶是農業和牧業兩種生產方式間的交錯區。近年來，在不合理人類活動和全球變化的雙重影響下，蒙遼農牧交錯帶的草地退化明顯、土地荒漠化現象加劇，給當地人民生產、生活帶來了極大危害，并對我國東部地區的生態環境和經濟發展帶來了不良影響[19]。為此，分析和評估人類活動對生態系統服務的影響是十分必要的。因此，本文以蒙遼農牧交錯區為研究對象，采用InVEST模型定量評估該地區產水量、土壤保持、碳固持及生物多樣性保護等4項生態系統服務指標，并利用Moran's I指數描繪出各生態系統服務的空間聚集特征，探究人類活動對生態系統服務空間格局的影響，以期為蒙遼農牧交錯區及其他區域的可持續發展提供科學的數據。

1 研究區概況

本文依據史文嬌等[20]劃定的北方農牧交錯帶界線確定蒙遼農牧交錯區位于內蒙古自治區和遼寧省的交界處，坐標范圍：E119°05′-E122°31′，N41°37′-N44°36，具體包含遼西北的10個半農半牧縣(康平、彰武、阜蒙、建平、北票、喀左、義縣、凌源、朝陽、建昌)，內蒙古通遼的7個旗縣(開魯、科左中旗、科左后旗、庫倫、通遼縣、扎魯特、奈曼)和赤峰的9個旗縣(翁牛特、巴林左、巴林右、林西、敖漢、阿魯科爾沁、喀喇沁、克什克騰、寧城)。研究區總面積13.9×104km2，其中草地面積5.7×104km2。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

以蒙遼農牧交錯區為研究對象，通過InVEST模型計算2000年-2019年逐年蒙遼農牧交錯區的產水量、土壤保持、碳固持和生物多樣性保護等4種生態系統服務。數據來源如下：歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)，采用MODIS MOD13Q1 NDVI (2000～2019年，時間分辨率16 d、空間分辨率250 m，數據獲取地址：https://ladsweb.modaps.eosdis. nasa.gov/search/)；年降水量、>10 ℃積溫、降水侵蝕力(R)、潛在蒸散發(Potential Evapotranspiration, PET)和陸表太陽輻射(Rs)等氣候參數來源于《中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)》，下載地址：http://data.cma.cn/，經在MySQL8.0和ArcGIS中處理獲得；土壤參數，如沙粒、粉粒、黏粒、有機碳、碳酸鹽的比率或含量來源于Harmonized World Soil Database V1.2，下載地址http://westdc.westgis. ac.cn/；土地利用圖，基于中國科學院資源環境科學與數據中心每5年更新的土地利用數據，分辨率30 m。

2.2 生態系統服務計算與空間格局分析

2.2.1 生態系統服務計算

(1)產水量，由InVEST產水模型計算獲得，公式如下：

Yieldxj=(1-AETxj/Px)Px；

(1)

AETxj/Px=1+PETxj/Px-[1+(PETxj/Px)ωx]1/ωx。

(2)

式中：Yieldxj為某一柵格中土地覆蓋類型年單位區域產生的徑流量,mm;Px為柵格的一年中平均降水量(mm)，AETxj為柵格中土地覆蓋類型包括植被蒸騰、土壤水分蒸發等真正失去水分量,mm；ωx為自然氣候等非物理參數；PETxj為柵格中土地覆蓋類型j的年有可能會蒸散量，mm[21]。

(2)土壤保持服務，采用土壤保持服務量來表示，計算公式如下：

SC=R×K×L×S×(1-P×C)。

(3)

式中：SC為土壤保持服務量，t·(hm2·a)-1，R是降雨侵蝕力因子，MJ·(mm·hm2·h·a)-1，K是土壤可蝕性因子，MJ·(mm·hm2·h·a)-1，L為一定坡度下單位面積土壤流失量與標準坡度流失量的比值；S為定坡度下單位面積土壤流失量與標準坡度流失量的矢量之比(無量綱)，C為作物覆蓋的比率和人為管理的因素(無量綱)；P為水土保持所做的措施的數量因子(無量綱)。降水侵蝕力(R)指的是一個時間跨度內降水侵蝕力，通過月尺度的降雨量可以估算出一個降雨侵蝕力的模型[22]。土壤可蝕性(K)反映土壤遭受侵蝕的敏感程度，本文利用土壤可蝕性因子K值的估算方法來測算[23]。

(3)碳固持，與NPP有關，計算采用CASA模型，其計算公式[24]如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)；

(4)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5；

(5)

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax。

(6)

式中：APAR(x,t)為在t時間內x中能被植被光合作用吸收的有效光譜成分，gC·(m2·month)-1，ε(x,t)為植被對光能資源利用效率的指標數值，gC·MJ-1；SOL(x,t)是t時間內x平面上太陽照射量的累計值，MJ·(m2·month)-1；0.5是指植被吸收有效的光譜成分與總太陽照射值的比率；FPAR(x,t)為植被利用太陽輻射的利用比例；εmax為植被可以利用的太陽輻射的最大值的比率，gC·MJ-1；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示低高兩種極端溫度情況下光能利用的應力影響；Wε(x,t)為水分威脅程度常數。

(4)生物多樣性保護，采用NPP定量指標的方法來評估該地區生物多樣性保護服務，計算公式[25]如下：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)。

(7)

式中：Sbio為評價生物多樣性維護服務的重要指標；NPPmean為植被通過光合作用所吸收的碳除去自身呼吸消耗的量的平均值；Fpre為所研究年份降水均值；Ftem為所研究年份當地的一年氣溫的均值；Falt為當地的海拔高度對生態環境影響的值，采用極限大小值的方法將這三個數歸一到0～1之間。

2.2.2 生態系統服務變化趨勢分析

采用Theil-Sen median趨勢分析，分析20年間蒙遼農牧交錯區生態系統服務變化趨勢，這種方法是一種非常合理的用來統計趨勢計算方法[26]，計算公式如下：

(8)

式中：10時，說明在固定時間以內的植被數據或生態系統服務的各項指標呈增強趨勢；反之，則說明該區域生態系統往相反的方向發展。

2.2.3 生態系統服務空間關系

采取使用全局 Moran's I 測算出各生態系統服務的空間自相關性以及各生態系統服務之間彼此功能的影響，公式如下：

(9)

式中：wij為斑塊i與斑塊j之間不同研究區間的權重，xi、xj為一個區間內的屬性值，n為研究區內劃分出的區間數量，S2為方差。莫蘭指數值的范圍是-1.0-1.0之間。Moran's I>0意味著研究區內各空間內成正相關，莫蘭指數越大，空間之間的相關性就越明顯，Moran's I <0表示研究區內各空間內成負相關，Moran's I=0，意味著空間無規律性。

2.2.4 人類活動與生態系統服務空間格局分析

在評價人類活動強度時，通常考慮人類足跡指數。探索人類足跡指數與生態系統服務之間的相互關系，計算人類活動強度同各生態系統服務間相關性。人類足跡指數可以將指數將人類影響與影響區域的相互作用考慮在內，計算公式如下：

(12)

式中：HFi為人類足跡指數；hij為人類活動項得分；n為人類活動類型數。根據連喜紅等人[27]的賦值標準對多期土地利用類型進行賦值見表1。將人類活動足跡指數按照0、0～0.4、0.4～0.6、0.6～0.85、>0.85劃分為無、低、中、高、極高五個等級，應用ArcGIS 10.3 隨機采樣工具獲得采樣點，在SPSS 22.0中采用皮爾遜相關分析，統計出人類活動強度與各個生態系統服務之間的相關程度。

表1 各人類活動類型得分標準

3 結果與分析

3.1 生態系統服務空間格局

由圖1、圖2可知，2000年～2019年蒙遼農牧交錯區產水量空間分布差異明顯，東南部地區較高、西北部地區較低；全域單位面積的產水量服務年均值為369.39mm·m-2，平均生態系統服務量為5.08×1016t。研究區南部產水服務能力較高，西部地區產水服務能力較低。其中，產水服務分布較高的區域以林地為主，而產水服務較低的區域以草地為主。研究區產水量總體上呈現增加趨勢，生態系統服務量由2000年的4.48×1016t增加至2010年的5.68×1016t。其中蒙遼農牧交錯區的東南部產水量出現降低的情況，而東北部產水量增加量最高，其它區域產水量自東向西增加量減少。

圖1 蒙遼農牧交錯區不同年份生態系統服務空間分布圖

圖2 2000年～2019年蒙遼農牧交錯區生態系統服務變化趨勢

20a間該區單位面積的土壤保持服務均值為72.35 t·(hm2·a)-1，平均生態系統服務量為0.99×1015t，空間分布差異明顯。土壤保持服務較高的區域集中于研究區的南部、西南部及北部，地形多為山地、丘陵，雖然坡度較大土壤易被侵蝕，但地表植被茂密，林草地居多，對土壤有更好的持留作用。與土地利用圖對比分析發現林地的土壤保持量最高，而耕地、草地和未利用土地的土壤保持較低，表明農田開墾、過度放牧等人類活動會引起土地退化和沙化，導致土壤保持服務減少。研究區土壤保持總體上呈現增加趨勢，2000年土壤保持量為57.82 t·(hm2·a)-1，2010年的土壤保持量為86.89 t·(hm2·a)-1。同時生態系統服務量也是增長的趨勢，由7.92×1014t 增長至1.19×1015t 。土壤保持增長的區域主要為蒙遼農牧交錯區的南部、西北部及西南部。其余區域均無明顯變化，面積占比為54.67%。

研究區碳固持量整體偏低，年均值為190.59 g C·m-2，平均生態系統服務量為2.61×1013t C。碳固持的最小值集中于研究區西部、北部和中部，東部地區碳固持值相對較高。研究區的碳固持整體呈減少趨勢，由2000年的204.36 g C/m2減少為2010年的176.81 g C·m-2，生態系統服務的量也出現減少，由2.82×1013t C減少至2.42×1013t C。其中，研究區的東北部碳固持明顯減少，主要原因為該區域為草地生態系統，草地的退化、沙化可能導致了碳固持服務的減少。其西北部和南部的部分區域也有減少的情況。而蒙遼交界處的多個城市如建平縣、敖漢旗等地碳固持量則為增加趨勢。

2000年～2019年蒙遼農牧交錯區生態系統多樣性保護服務由東南向西北部遞減，年均值為75.41(無量綱)，平均生態系統服務為1.03×1019。其空間分布與產水量相似，其高值集中于研究區的南部及東部，土地利用以林地為主，加上研究區處于暖溫帶半干旱半濕潤氣候區，夏季炎熱多雨，東南部地區雨量充沛，水熱條件好，而水熱條件又是限制植被生長的重要因素，所以該地區草地生態系統完整，生物種類豐富，生物多樣性功能較高。生物多樣性保護較低的區域大多為林草交界處。該服務上呈現降低的趨勢，由85.34降低為65.49，服務量由1.17×1019降低至0.90×1019。研究區東部生態系統多樣性保護服務減少最為顯著，這可能是由于該地區草地的退化，使生態環境惡化，植被減少，其南部的部分地區也出現了生態系統多樣性保護減少的情況，蒙遼交界處的多個城市如建平縣、敖漢旗等地生態系統多樣性保護服務增加并不明顯，研究區的西北部無明顯變化。

3.2 生態系統服務空間關系

2000年～2019年蒙遼農牧交錯區4項生態系統服務呈現不同程度的空間正向自相關性(圖3)。2000年和2010年產水服務具有較強的空間聚集性(全局Moran's I分別為0.697 9和0.680 7)，但在時間上該服務聚集性有減少的趨勢；土壤保持服務聚集性2010年比2000年有所增加，分別為0.676 5和0.682 3；碳固持的全局Moran's I則由2000年的0.557 9增加至2010年的0.649 9；生物多樣性保護的全局Moran's I增加明顯，由2000年的0.59增加至2010年的0.731。

圖3 不同年份蒙遼農牧交錯區生態系統服務局部 Moran's I指數

通過局部Moran's I分析，產水量在研究區北部出現低低聚集，在南部喀喇沁左翼蒙古族自治縣出現高高聚集，在2010年新增了彰武縣為高高聚集，相比2000年新增了赤峰市市轄區為低低聚集區，而克什克騰旗不再有低低聚集的情況。土壤保持2000年與2010年相比并無變化，在該區南部出現高-高聚集，東北部出現低低聚集。碳固持聚集情況變化較大，高高聚集除了南部的三個城市之外還新增了蒙遼交界處的喀喇沁旗、寧城縣和建平縣，另外，科爾沁旗左翼后旗由原來的高高聚集變為低低聚集，低低聚集由原來的林西縣、巴林左旗、巴林右旗和翁牛特旗變為東北部的扎魯特旗、科爾沁左翼中旗、開魯縣、通遼市，而阿魯科爾沁旗還是為低低聚集沒有變化。生物多樣性保護聚集區域有增加，相較2000年而言2010年低低聚集增加了扎魯特旗和開魯縣，減少了赤峰市，高高聚集增加了凌源市和朝陽縣，而蒙遼交界處的建平縣出現了特殊的低高異常區。說明遼農牧交錯區南部生態在恢復，北部在退化。

3.3 人類活動與生態系統服務空間格局分析

人類活動強度同各生態系統服務間相關性見表2。

表2 不同年份蒙遼農牧交錯區生態系統服務與人類足跡指數相關系數

結果表明，人類足跡指數與產水量和土壤保持在2000年～2019年沒有顯著相關性。碳固持與人類足跡指數相關性在2000年有極顯著相關(相關系數為-0.077)，在2010年人類足跡指數同碳固持呈弱負相關，即碳固持量隨人類活動強度的增加呈遞減趨勢，人類活動較強的區域存在大量耕地，且人類活動最強的區域存在城鎮和工業用地，植被覆蓋較少，碳固持低。生物多樣性保護與人類足跡指數相關性在2000年呈現顯著負相關，人類活動越強的區域對生物多樣性保護越弱。人類活動較強的區域會進行城鎮建設、耕地種植等造成生境破壞，一定程度上會導致生物多樣性降低。

4 結 論

本文計算2000年～2019年逐年蒙遼農牧交錯區的產水量、土壤保持、碳固持和生物多樣性保護等4種生態系統服務，分析了各種生態系統服務的相關程度、以及人類活動強弱對生態系統服務空間格局的影響，得出以下結論：

(1)2000年～2019年蒙遼農牧交錯區各項生態服務的空間分布相似，產水量和生物多樣性保護服務整體呈現出“東南高、西北低”的分布格局，全區大部分碳固持量的空間分布較為平均，高值區主要分布在林地，研究結果對農牧交錯區的減排增匯政策的制定以及生態系統碳庫管理提供了一定的參考。

(2)蒙遼農牧交錯區的產水量、土壤保持、碳固持、生物多樣性保護服務均呈現出不同程度的空間正向自相關性。2000年的碳固持、生物多樣性保護的生態系統服務量隨人類活動的增強呈現顯著遞減趨勢，因此協調人類活動與生態環境之間的關系，對蒙遼農牧交錯區的生態保護具有重要意義。

該研究是分析人類活動需求與生態系統服務供給之間反饋機制的關鍵，但缺乏生態系統服務空間異質性的歸因分析，未來研究將著力于分析蒙遼農牧交錯區各生態系統服務空間異質性的主要影響因素，為該區域制定生態保護政策提供依據。