貴陽市生態系統服務權衡與協同關系特征分析

李效坤 許崇強 楊文嶸

(貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 500025)

生態系統服務是指為人類直接或間接從生態系統得到的所有收益[1]。生態系統服務種類多樣，不同生態系統服之間通常表現為此消彼長的權衡關系和相互增益的協同關系[2]。科學地認知不同類型生態系統服務關系是實現生態系統可持續管理的前提[3]，對合理規劃區域發展、實現生態補償的保障具有重要意義[4]。生態系統服務權衡與協同關系的研究已成為熱點問題，許多學者對不同生態系統服務間的相互關系進行了大量研究[5]。對關天經濟區的糧食產量、固碳、水文調節等生態系統服務進行了權衡/協同關系的研究[6]。我國重點脆弱生態區，產水服務、NPP和土壤保持表現為整體協同、局部權衡的關系，并且協同關系呈減弱的趨勢[7]。對呼包鄂榆地區2010年4項生態系統服務進行測量并利用相關分析法對不同生態系統服務間的權衡關系進行分析[8]。

貴陽市是典型喀斯特地貌城市，自然資源豐富。隨著城市的快速發展和自然資源的不斷開發，區域生態環境遭到破壞。因此，本文選取貴陽市為研究對象，根據研究區的現狀問題，選取碳儲存、土壤保持、水源涵養和生境質量4項關鍵的生態系統服務，計算其2020年的服務量，基于相關性分析對服務間的權衡與協同關系和特征進行探究，為區域的生態安全和可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴陽市總面積為8034km2，占貴州省面積的4.56%。地貌以山地、丘陵為主，屬于典型的喀斯特地貌，喀斯特地貌發育極強，同時地勢坡陡，容易造成水土流失和石漠化等環境問題。區域內植被種類多樣，森林覆蓋率52.16%，屬亞熱帶高原季風濕潤氣候區，氣候溫暖濕潤，冬暖夏涼。

1.2 數據來源

2020年生態系統數據通過地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn/)獲取的Landsat 8遙感數據生產。降雨量等氣候數據來源于中國氣象局(http：//data.cma.cn/)。2020年的土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http：//www.resdc. cn/)。利用ArcGIS 10.7重采樣為90m。

1.3 生態系統服務模型

1.3.1 碳儲存

本文利用InVEST模型中的Carbon模塊，對4種碳庫量相加進行測算碳存儲服務。其中不同土地利用類型的碳庫碳密度值，通過參考以往研究者的研究結果得到[9]。計算公式：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Cdeal+Csoil

(1)

式中，Ctotal代表總碳儲量；Cabove和Cbelow代表地上、地下部分碳儲量；Cdeal和Csoil代表死亡有機碳儲量和土壤碳儲量，單位均為t·hm-2·a-1。

圖1 貴陽市概況圖

1.3.2 土壤保持

本文通過中國水土流失方程(CSLE)計算土壤保持量，為潛在土壤流失量與實際土壤流失量之差[10]。利用徑流場監測數據對BET因子進行修正，計算公式：

Ac=Ap-Ar

(2)

Ap=R×K×LS

(3)

Ar=R×K×LS×BET

(4)

式中，Ac代表土壤保持量；Ap、Ar分別表示潛在土壤流失量和實際土壤流失量，單位均為t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕因子，t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；K為土壤侵蝕因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；L、S為坡長、坡度因子；BET分別表示生物措施、工程措施和耕作措施因子。各因子詳細計算參見相關文獻[11]。

1.3.3 水源涵養

水源涵養量通過水文學的水量平衡方程計算，其原理為降水量減去蒸散發消耗即產流量，產流量越大則水源涵養功能越高[12]，計算公式：

(5)

式中，Qwater conservation代表水源涵養量，m3；Pi、Ri和ETi代表降雨量、暴雨徑流量和蒸散發量，單位均為mm；Ai為i類生態系統的面積，m2；j為研究區生態系統類型數。

1.3.4 生境質量

生境質量能反映出生態系統為生物個體、物種和群落生存提供適合條件的能力，還可以反映出生物多樣性[13]。利用InVEST模型中生境質量模塊計算出研究區的生境質量。計算公式：

(6)

式中，Qxj代表生境質量；Hj代表生境適宜性；Dxj表示生境退化度；K為半飽和常數，默認為0.05。

(7)

式中，R表示脅迫因子總數；Yr代表脅迫因子r的柵格總數；ωr為脅迫因子權重，范圍0～1；ry代表柵格單元y的脅迫因子值，其值為0或1；irxy為柵格單元y的脅迫因子值ry對生境柵格單元x的影響程度；βx為柵格單元x的可達性；Sjr表示土地利用類型j對脅迫因子r的敏感度。

本研究選取耕地、城鎮、農村居民點和建設用地作為威脅因子，部分參數設置參考相關文獻[9]和InVEST模型使用手冊。

1.3.5 生態系統服務的權衡與協同關系分析方法

本文采用Pearson相關系數評價不同生態系統服務兩兩之間的相關關系，以此探究4項生態系統服務之間的權衡與協同關系[14]。為了量化不同生態系統服務之間的關系，對其進行標準化處理。利用ArcGIS 10.7中“Create Random Points”工具，創建60000個隨機點，通過SPASS計算不同生態系統服務中提取隨機點值之間的Pearson相關系數，并進行顯著性檢驗。當2種生態系統服務間的相關系數為正時，兩者是協同關系；為負時，兩者是權衡關系。Pearson相關系數，計算公式：

(8)

2 結果與分析

2.1 生態系統服務評價

貴陽市的碳儲存和土壤保持服務空間分布如圖2所示。碳儲存服務高值區主要分布在東部偏北和西部偏北，其分布空間與圖4中林地的分布有較高的吻合度，其原因在于林地相比其他土地利用類型擁有較高的碳生產和貯存的能力。碳儲存服務低值區主要分布在區域的中南部，屬于城市建設用地的范圍。從整體來看，貴陽市平均碳儲量為20.33t·hm-2，固碳能力較強。貴陽市平均土壤保持量為892.30t·hm-2，空間分布較為零散，高值區主要以南北長條形狀出現，低值區與圖4中草地和建設用地分布較為吻合，相對于其他用地類型，這2類土地利用類型的土壤保持能力較低。

圖2 碳儲存和土壤保持空間分布圖

貴陽市的水源涵養和生境質量服務空間分布如圖3所示。貴陽市平均水源涵養量為38.81mm，其分布具有一定的區域性差異，高值區主要集中分布在中部的2塊區域，該區域的土地利用類型主要以林地為主，這是由于林地擁有較強的儲水能力，具體見圖4。生境質量平均值為0.478，其分布存在明顯的區域差異性，高值區與低值區都呈現出聚集分布，高值區主要分布在研究區的北部，而低值區主要集中分布在研究區的偏南區域，此分布情況主要是由人類活動的強度造成的。

圖3 水源涵養和生境質量空間分布圖

圖4 土地利用類型空間分布圖

2.2 生態系統服務間的權衡與協同關系

各項生態系統服務之間的相關系數如表1所示。碳儲存、土壤保持、水源涵養和生境質量之間的兩兩相關系數均為正值，表明各項生態系統服務之間都是協同關系。其中，碳儲存與生境質量的相關性系數最大，該系數可達0.542，證明2種生態系統服務之間的協同關系較強；其次水源涵養和土壤保持之間存在著明顯的協同關系，相關系數是0.319。生境質量與水源涵養和土壤保持的相關系數分別為0.298和0.243，證明生境質量與水源涵養和土壤保持這2項生態系統服務之間都具有一定的協同關系；其中水源涵養和碳儲存之間也存在著一定的協同關系，該相關系數為0.295。土壤保持和碳儲存的正相關系數最小，兩者間的協同關系最弱。

表1 4項生態系統服務間的相關性

3 討論與結論

3.1 討論

貴陽市2020年碳儲存、土壤保持、水源涵養和生境質量4項生態系統服務兩兩之間整體表現出協同關系。其中，碳儲存與生境質量這2項生態系統服務間的相關性最大，且服務高值區的空間分布與林地的分布關系較為密切；顯示出相比于其他土地類型，林地對這2項生態系統服務量影響最大。研究區各項生態系統服務之間都表現為協同關系，這與研究區的森林覆蓋率達到52.16%相關。因為林地具有較強的生態系統服務能力，林地在研究區內面積占比的大小對各類生態系統服務量造成的影響較大，其中對水源涵養和土壤保持這2項生態系統服務能力影響相對較小。

3.2 結論

本文選取了4項生態系統服務并對2020年的服務量進行了計算，利用相關性分析和顯著性檢驗，分析了研究區2020年各項生態系統服務間的權衡與協同關系特征。本文僅選取研究區內主要的碳儲存、土壤保持、水源涵養和生境質量4項生態系統服務，而生態系統服務之間的關系復雜，在研究中還需要考慮更多類型的生態系統服務。本文是基于2020年1年的時間點對生態系統服務進行計算和分析，因為生態系統是處于動態變化的狀態，生態系統服務也會隨時間變化，因此在之后的研究中還需要探究長時間的連續時間段內，對更多生態系統服務類型之間權衡和協同關系進行分析，探討生態系統服務間關系在時空尺度上的變化特征和其中的影響因子，為區域的生態安全維護和可持續發展提供科學的理論依據。