南方濱湖小流域土地利用變化對生態系統服務權衡關系的影響

摘要以鄱陽湖海昏江小流域為研究對象，基于遙感、氣候、土壤、DEM和植被數據，對1984、2008和2022年的土地利用變化進行動態分析。利用InVEST和CASA模型量化分析水源涵養、土壤保持、生境質量、碳儲存和凈初級生產力5種主要生態系統服務及它們之間的時空變化特征，運用相關性分析、權衡協同度等方法，研究區域內生態系統服務之間的權衡和協同作用。結果表明，1984—2022年流域內林地減少15.27km建設用地增加17.06km但土地利用結構總體相對穩定，呈現出由西向東“林地—耕地—建設用地”的地帶性分布模式，1984—2008年土地利用變化整體偏緩慢，2008—2022年土地利用變化較為劇烈。水源涵養和凈初級生產力服務對、土壤保持和凈初級生產力服務對、生境質量和凈初級生產力服務對、碳儲量和凈初級生產力服務對這4個服務對1984—2022年空間分布上均表現出以權衡關系為主。水源涵養和生境質量服務對、土壤保持和生境質量服務對1984—2008年空間分布上以權衡關系為主，2008—2022年以協同關系為主。從生態系統服務結構來看，耕地展現出“土壤保持—碳儲量—凈初級生產力”的復合型結構特征，林地呈現出“水源涵養—生境質量”的雙層次結構特征。相比之下，其他土地類型主要表現為單一型結構。

關鍵詞生態系統服務；土地利用變化；權衡與協同；海昏江小流域

中圖分類號X171"文獻標識碼A"文章編號0517-6611（2025）01-0057-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.013

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

EffectofLandUseChangeontheTrade-offRelationshipofEcosystemServicesinSouthernLakefrontSmallWatershed

HUANGJun"DINGQian3，YEYing-cong3etal

（1.BasicGeologicalSurveyInstitute，JiangxiProvincialGeologicalSurveyandExplorationInstitute，Nanchang，Jiangxi330030;2.JiangxiNonferrousGeologicalMineralExplorationandDevelopmentInstitute，Nanchang，Jiangxi330030;3.KeyLaboratoryofAgriculturalResourcesandEcologyinthePoyangLakeBasin，MinistryofAgricultureandRuralAffairs，Nanchang，Jiangxi330045）

AbstractTakingtheHaihunRiversmallwatershedofPoyangLakeastheresearchobject，basedonremotesensing，climate，soil，DEMandvegetationdata，adynamicanalysisoflandusechangesintheHaihunRiversmallwatershedofPoyangLakein1984，2008and2022wasconducted.TheInVESTandCASAmodelswereemployedtoquantifyfivemajorecosystemservices，namelywaterconservation，soilretention，habitatquality，carbonstorageandnetprimaryproductivity，andtoanalyzetheirspatiotemporalvariationcharacteristics.Correlationanalysisandtrade-offsynergymethodswereappliedtostudythetrade-offsandsynergiesamongecosystemserviceswithintheregion.Theresultshowedthatduring1984-202"theforestlandinthewatersheddecreasedby15.27km"whiletheconstructionlandincreasedby17.06km2.However，theoveralllandusestructurewasrelativelystable，showingazonaldistributionpatternfromwesttoeastof“forestland-arableland-constructionland”.Thelandusechangeswererelativelyslowfrom1984to2008，whilethelandusechangewasmoreseverefrom2008to2022.Thepairsofservices，waterconservationandnetprimaryproductivity，soilretentionandnetprimaryproductivity，habitatqualityandnetprimaryproductivity，carbonstorageandnetprimaryproductivity，allexhibitedapredominanttrade-offrelationshipintheirspatialdistributionfrom1984to2022.Thepairsofservices，waterconservationandhabitatquality，soilretentionandhabitatquality，showedatrade-offrelationshipintheirspatialdistributionfrom1984to2008，andasynergisticrelationshipfrom2008to2022.Fromtheperspectiveofecosystemservicestructure，arablelanddemonstratedacompositestructurecharacterizedby“soilretention-carbonstorage-netprimaryproductivity”，forestlandshowedatwo-tierstructureof“waterconservation-habitatquality”.Incontrast，otherlandtypesmainlyexhibitedasingle-typestructure.

KeywordsEcosystemservices;Landusechange;Trade-offsandsynergies;HaihunRiversmallwatershed

基金項目江西省地質局青年科學技術帶頭人培養計劃項目（2022JX-DZKJRC08）。

作者簡介黃俊（1987—），男，江西石城人，高級工程師，碩士，從事土地利用、土壤環境方面研究。

生態系統服務是指自然生態系統對人類社會提供的一系列利益，包括直接或間接的供給、調節、支持和文化服務。這些服務是人類福祉和可持續發展的基礎，但隨著全球經濟發展和人口增長，許多生態系統服務正面臨退化的風險。因此，開展生態系統服務的研究，對于理解和保護這些服務以及促進人類與自然和諧共存具有重要意義。

在生態系統服務的研究領域，Daily^［1］從大氣到文化和美學享受等方面將生態系統服務分為15個類別，Costanza等^［2］提出了一個17個類別的分類系統，而聯合國千年生態系統評估小組（MA）將服務分為供給、調節、文化和支持服務四大類^［3］，這些分類為生態系統服務的研究提供了理論基礎。此外，國內外許多學者已經開展了關于生態系統服務價值評估的研究，如馬程等^［4］基于能值分析法評估了北京市生態涵養區的生態系統服務；Lauf等^［5］對柏林都市區城市生態系統6種服務進行了測算；Liu等^［6］為揭示生態系統服務間不同尺度上的差異性，從網格尺度和縣級尺度分析了京津冀地區的生態系統服務；錢彩云等^［7］使用SPSS在鄉鎮尺度上進行雙變量相關性分析，在白龍江流域展現了服務間權衡與協同的空間異質性；Reed等^［8］通過情景模擬方法，驗證了特定服務間的權衡與協同效應；張自正等^［9］運用Markov-FLUS耦合模型，評估了漢城市圈2035年不同情景下生態系統服務權衡與協同關系。盡管已有研究為生態系統服務的評估和管理提供了一定的科學依據，但現有研究大多以大流域進行大尺度研究，對小流域的指導意義較小。此外，基于土地利用變化對生態系統服務變化的研究，多為價值量變化研究，采用系數法進行換算，而對實物量的研究較少。因此，該研究擬基于CASA模型、InVEST模型，對海昏江小流域生態系統服務進行物質量測算，研究其變化趨勢和空間分布特征；在此基礎上，通過分析生態系統服務間的相關性，探索生態系統服務權衡與協同關系，并分析土地利用變化與生態系統服務變化之間的關聯，探究土地利用如何影響生態系統服務的內部機制，這些研究將有助于更精確地理解和管理小流域的生態系統服務，為實現區域可持續發展提供科學支持。

1資料與方法

1.1研究區概況

海昏江小流域位于江西省北部、九江市南部的永修縣境內（圖1），屬于潦河流域，地理坐標為115°31′49″～115°52′49″E、28°53′45″～29°07′20″N，總面積466.45 km2。該流域屬于江南丘陵區，其西部為低山高丘地帶，中部為低丘，而東部則是鄱陽湖的沖積平原。整體地勢特征表現為西高東低，呈現由西向東的傾斜趨勢，流域內的最大相對高差達到541 m，屬于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，具有亞熱帶濕潤季風氣候的典型特征。該區域四季分明，陽光照射充足，年平均氣溫為16.9 ℃，年降雨量為1 485.3 mm，年日照時數為1 937.7 h，無霜期大約為260 d。在土壤構成方面，該流域主要分布有水稻土、紅壤和紫色土等土壤類型^［10］。

1.2數據來源

該研究中采納了多源數據集，以確保分析的全面性和準確性。具體數據來源如下：

①Landsat遙感數據，獲取自地理空間數據云平臺，該研究使用海昏江小流域1984、2008和2022年的Landsat遙感數據源，運用ENVI5.5對遙感影像進行處理，通過監督分類對遙感影像進行解譯。

②土壤數據，包括野外調研實際采樣獲得的數據以及來源于《永修土壤志》的資料。

③潛在蒸散發數據，由國家地球系統科學數據中心提供。

④高程數據，來源于地理空間數據云平臺。

⑤降雨量數據，由國家地球系統科學數據中心提供。

⑥植被數據，由中國科學院資源環境科學數據中心提供。

⑦太陽輻射數據，由國家青藏高原科學數據中心提供。

為保證數據的一致性，該研究使用ArcGIS10.8軟件將所有柵格數據處理為空間分辨率30m×30m。投影坐標系統一為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_39。

1.3研究方法

1.3.1土壤樣品采集與測定。

土壤樣品采集時間為2022年10月，共采集土壤表層0～20cm的180個土壤樣點，土壤有機碳的測定采用DZ/T0279.27—2016中的重鉻酸鉀容量法；土壤總碳的測定采用DZ/T0279.26—2016中的燃燒-非水滴定法；土壤容重的測定采用NY/T1121.4—2006中的環刀法。

1.3.2土地利用變化分析。

運用土地利用轉移矩陣分析特定區域在不同時間段內土地利用類別的互相轉化，評估土地利用變化強度，并通過圖表的方式直觀展示變化特征，涉及間隔層次、地類層次和轉移層次3個維度的計算。

1.3.3生態系統服務測算。

（1）水源涵養的測算。

運用InVEST模型中的產水模塊計算研究區內的產水量，并引入土壤飽和導水率、流速系數、地形指數等指標因子修正產水量結果，得到水源涵養結果^［11］。

（2）土壤保持的測算。

利用土地利用類型、降水量、土壤數據以及數字高程模型（DEM）等數據，采用InVEST模型中Sediment Delivery Ratio（SDR）模塊^［12］進行計算。

（3）生境質量。運用InVEST模型中的“HabitatQuality”模塊，對土地利用數據、威脅源數據、威脅因子數據、敏感性數據以及半飽和參數進行處理。

（4）碳儲量的測算。運用InVEST模型中的“CarbonStorageandSequestration”模塊，使用不同土地利用類型的柵格單元作為基礎，對每個土地類型的地上生物碳庫、地下生物碳庫、死亡有機碳庫、土壤碳庫4種碳庫進行平均碳密度的計算和匯總，可以估算出整個研究區域的總碳儲量。

（5）凈初級生產力（NPP）的測算。CASA模型主要通過像元吸收的光合有效輻射與該像元實際光能利用率來模擬凈初級生產力。

1.3.4生態系統服務權衡與協同關系。

該研究采用相關分析方法識別生態系統服務間的權衡與協同關系，然后基于數據的線性擬合，探究成對生態系統服務在指定時期內的相互變化趨勢，并顯現不同地區之間權衡與協同的多樣性。

2結果與分析

2.1土地利用變化特征

該研究利用ArcGIS10.8對海昏江小流域1984—2022年的土地利用變化進行分析，通過構建土地利用轉移矩陣和強度分析，揭示土地利用的轉移特征和變化強度。從表1和圖2可以看出，研究期間，林地面積明顯減少了15.27km2；而建設用地明顯增加了17.06km2。特別是2008—2022年林地面積大幅減少，與此同時，耕地面積有所上升。此外，林草地退化現象日益嚴重。

從表1、表2和圖2可以看出，1984—2022年盡管土地利用類型發生了變化，但土地利用結構相對比較穩定，且研究區內土地利用類型的地帶性規律明顯，從西到東主要表現出“林地—耕地—建設用地”地帶性特征，越到東部，林地占流域面積的比例逐漸減少，而耕地和建設用地的比例逐漸增多^［13］。

從表3可以看出，1984—2008年建設用地、耕地、林地的變化比較劇烈，其中，耕地凈轉出16.87km建設用地和林地分別凈轉入7.17和7.63km2；2008—2022年，同樣是建設用地、耕地、林地的變化比較劇烈，但是，耕地由凈轉出變為凈轉入13.23km林地變為凈轉出，面積為22.90km建設用地凈轉入9.88km2。耕地的增加主要是因為實行了最嚴格的耕地保護制度，退林還耕比較多。

從表4可以看出，1984—2008和2008—2022年退林還耕面積占主導地位。從轉入強度來看，1984—2008年草地的轉入強度較大，說明草地是耕地增加的主要來源；2008—2022年未利用地和林地轉為耕地的強度大于平均轉入強度，說明這2種地類是耕地增加的主要來源。

從表5可以看出，從面積來看，1984—2008年耕地轉為建設用地、水域和林地較多，分別為6.11、4.55、23.95km2。從強度來看，耕地轉為建設用地的強度最大，說明1984—2022年該區域的建設以占用耕地為主。

從間隔層次、地類層次、轉移層次3個方面的結果顯示，1984—2008年土地利用變化整體較為緩慢；而2008—2022年土地利用變化整體較為劇烈。

2.2生態系統服務時空變化特征

該研究利用InVEST模型和CASA模型，結合土地利用、氣候、地形、土壤、植被等數據，測算海昏江小流域1984、2008和2022年的水源涵養、土壤保持、生境質量、碳儲量和凈初級生產力這5種主要生態系統服務，分析1984—2022年海昏江小流域生態系統服務的時空變化。

從空間分布（圖3）來看，1984—2022年海昏江小流域水源涵養量、土壤保持量、生境質量、碳儲量總量、凈初級生產力（NPP）布局均較為穩定，不同地區之間沒有發生明顯的變化或遷移，呈現出北高南低的空間布局。

1984—2022年海昏江小流域水源涵養量經歷了明顯波動，整體呈現衰退趨勢，尤其是西部、西北部和東部區域的水源涵養量明顯減少；2008—2022年這一變化趨勢持續，但變化幅度較大的區域分布出現較大差異，北部和東南部水源涵養量減少明顯，而東部和南部區域水源涵養量有所增加。

1984—2008年，海昏江小流域土壤保持量普遍下降，尤其在西部、西北部和東部區域的減少趨勢較為明顯；相對地，東北部和南部區域的土壤保持量雖有增加，但分布較為零散。2008—2022年，土壤保持量的下降趨勢幾乎覆蓋整個小流域，其中西部、西北部、中部和西南部區域的減少幅度尤為突出。

1984—2008年，海昏江小流域生境質量指數有明顯變化的區域較少，生境質量指數上升的區域主要零星分布在研究區北部、西部；生境質量指數降低的區域主要分布在西北部和東部，其他區域變化不明顯。2008—2022年，研究區中部地區生境質量指數普遍上升，但上升幅度較小；東部地區生境質量指數上升與下降變化較為明顯；研究區西南部生境質量指數下降幅度最大。

1984—2022年海昏江小流域碳儲量波動較大，變化較為明顯。1984—2008年，碳儲量增加的區域主要零星分布在研究區中部、南部；碳儲量減少的區域主要分布在研究區西北部和東部，且減少現象相對集中。2008—2022年，碳儲量增加的區域較少，且過于分散，主要分布在研究區東南部；碳儲量減少的區域面積較大，減少數量較多且連片出現，主要分布在研究區北部和南部。

1984—2022年海昏江小流域凈初級生產力（NPP）變化明顯。1984—2008年，凈初級生產力下降較為集中的區域位于中部、南部和東部，而增長較為明顯的區域則主要分布在西部、西北部和東南部。2008—2022年，凈初級生產力增加的區域面積明顯多于減少區域，但多數地區的增加幅度較小；凈初級生產力減少的主要區域集中在南部和東部，而增加的主要區域則位于西部、北部和中部。

2.3生態系統服務權衡/協同關系變化特征

2.3.1生態系統服務權衡協同度。

該研究對5種生態系統服務運用ArcGIS10.8軟件進行生態系統服務權衡與協同度指數（ESTD）的計算，并對各生態系統服務對之間的權衡與協同區域進行面積統計分析，得到10種相應的分布區域及其面積比例（圖4）。研究區內權衡與協同特征具體表現如下：水源涵養和土壤保持服務對，1984—2008、2008—2022年協同面積占比分別為88.86%、88.15%，權衡面積占比分別為5.64%、6.35%，1984—2022年該服務在空間分布上以協同關系為主。

水源涵養和碳儲量服務對、土壤保持和碳儲量服務對、生境質量和碳儲量服務對這3個服務對的協同面積占比與權衡面積占比均小于15.00%，因此，1984—2022年在空間分布上均表現出無明顯的權衡協同關系。

水源涵養和凈初級生產力服務對、土壤保持和凈初級生產力服務對、生境質量和凈初級生產力服務對、碳儲量和凈初級生產力服務對這4個服務對1984—2008、2008—2022年的權衡面積占比均超過50.00%，因此，1984—2022年在空間分布上均表現出以權衡關系為主。

水源涵養和生境質量服務對、土壤保持和生境質量服務對，1984—2008年的權衡面積占比均高于2008—2022年的權衡面積占比，因此，1984—2008年空間分布上以權衡關系為主；而2008—2022年的協同面積占比均遠高于1984—2008年的協同面積占比，因此，2008—2022年空間分布上以協同關系為主。

2.3.2不同地類生態系統服務結構特征。

在上述研究的基礎上，進一步分析不同土地利用類型的生態系統服務結構變化^［14］，對于評估各類土地利用的面積占比并制定科學合理的保護區規劃政策具有重要意義。為此，首先運用極差法對1984、2008、2022年不同土地利用類型的水源涵養、土壤保持、碳儲量、凈初級生產力數據進行標準化處理，再利用 Origin 2022制作雷達圖，得到3個不同時點的結構圖，如圖5所示。

1984—2022年不同土地利用類型的生態系統服務能力表現出明顯的差異性。綜合分析顯示，各類土地利用的生態系統服務結構大體保持穩定。具體來看，耕地的生態系統服務主要圍繞土壤保持、碳儲量和凈初級生產力（NPP），構建了一種“土壤保持-碳儲量-NPP”復合型服務結構；而林地服務則以水源涵養和生境質量為主導，也形成“水源涵養-生境質量”復合型結構。相較之下，草地、水域、建設用地和未利用地的生態系統服務功能則相對單一，主要體現為生境質量^［15］。

3結論

該研究選取海昏江小流域作為研究對象，首先對該區域在1984、2008和2022年的土地利用時空變化特征進行系統分析；然后，采用InVEST和CASA模型對研究區域內的5種主要生態系統服務進行定量評估，并對其時空演變特征進行深入分析，同時探討不同土地利用類型對生態系統服務貢獻的差異性；最后，通過權衡協同度評估以及地類生態系統服務結構分析等方法，深入剖析區域內生態系統服務之間的權衡與協同關系。基于上述研究方法和分析過程，得出以下結論：

（1）研究區域內的土地利用結構以耕地為主導，占據最廣泛的分布面積，林地次之，而水域和建設用地的面積相對較小，草地和未利用地的面積則更為有限。1984—2022年，耕地、林地、草地和未利用地的面積呈現減少趨勢，與此同時，水域和建設用地的面積則相對增加，特別是建設用地面積增長明顯，超過了3倍。這一變化趨勢揭示了研究區域內在研究期間經歷了快速的城鎮擴張，人類活動對土地利用模式產生了明顯的影響。

（2）在空間分布上，水源涵養量、土壤保持量、生境質量、碳儲量、凈初級生產力表現較穩定，高值區域主要集中在西北部，低值區域則廣泛分布在西南部和東北部。

（3）1984—2008和2008—2022年研究區域內凈初級生產力與其他4種生態系統服務之間都存在著顯著的協同關系；碳儲量和水源涵養、土壤保持、生境質量之間皆無明顯的權衡協同關系。生境質量和水源涵養、土壤保持之間在1984—2008年存在權衡關系，而在2008—2022年存在協同關系。土壤保持和水源涵養之間在2個時間段內都存在著顯著的協同關系。

（4）從不同土地利用類型的生態系統服務結構來看，研究區域內耕地和林地的生態系統服務結構多樣，耕地主要表現為“土壤保持-碳儲量-凈初級生產力”的復合型生態系統服務結構；林地主要呈現為“水源涵養-生境質量”的雙層次結構。其他地類的生態系統則主要呈為“生境質量”這種單一型的服務結構。

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