王秀明,劉谞承,龍穎賢,張音波,梁 煒,洪 曼,余曉東

(生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所,廣州 510655)

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，即人類通過生態(tài)系統(tǒng)的各種功能直接或間接得到的產(chǎn)品和服務[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務類型包括支持服務(養(yǎng)分循環(huán)、土壤形成、初級生產(chǎn))、供給服務(食物、淡水、燃料)、調(diào)節(jié)服務(調(diào)節(jié)氣候、洪水、凈化水質(zhì))和文化服務(美學、精神、教育、消遣等)[2]。

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務評價方法主要包括價值量評估法、能值評估法、物質(zhì)量評估法三大類，由于生態(tài)系統(tǒng)服務功能多樣、難以定價、能指轉(zhuǎn)換率分析復雜等原因[3]，價值量評估、能值評估法主觀性、不確定性較大，物質(zhì)量評估法評估結(jié)果相對客觀、衡定，并便于比較不同區(qū)域和時期生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化情況，因而得以廣泛應用，如黃麟[4]、侯鵬[5]、劉璐璐[6]等利用降水儲量法、水土流失方程、土壤風蝕方程、人類擾動指數(shù)等方法定量分析了國家重點生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風固沙、生物多樣性維持等服務功能變化情況。

生態(tài)系統(tǒng)服務評估與權衡模型(InVEST)以物質(zhì)量評價法為基礎，基于GIS平臺，實現(xiàn)了評估結(jié)果的空間可視化，并且可以預測模擬未來不同情景下生態(tài)服務功能的變化趨勢。目前InVEST模型已在國內(nèi)外得到廣泛應用，如haunreiter等[7]運用該模型評價產(chǎn)水量、碳儲存、土壤保持、生物多樣性等服務功能，并將區(qū)域內(nèi)自然資本以地圖標注；Tallis H等[8]運用該模型預測2020年亞馬遜盆地內(nèi)森林退化和道路發(fā)展帶來的生態(tài)系統(tǒng)功能變化；國內(nèi)方面，張媛媛[9]、賈芳芳[10]、榮月靜[11]、黃從紅[12]等分別利用該模型對三江源區(qū)、贛江流域、南京市、北京門頭溝區(qū)一種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了評估模擬。目前研究關注生態(tài)系統(tǒng)服務功能時空變化格局分析，缺少對時空變化特征影響因素的定量分析，或僅對比不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務功能差異，難以說明其時空變化主要由何種因素決定。

韶關市地處北江中上游、五嶺山脈南麓，地形復雜多樣，生態(tài)資源豐富，是廣東省重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)區(qū)。市內(nèi)有省級以上自然保護區(qū)15個，世界生物圈保護區(qū)——車八嶺被譽為“物種寶庫，南嶺明珠”。2019年，廣東省發(fā)改委印發(fā)了《粵北生態(tài)特別保護區(qū)范圍劃定及建設實施方案》，將韶關市西部部分區(qū)域納入粵北特別生態(tài)保護區(qū)范圍，并提出把其建設成為南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)保護示范區(qū)，可見其生態(tài)功能的重要性。改革開放以來，珠三角地區(qū)工業(yè)化進程不斷加快，韶關市依托豐富的礦產(chǎn)資源在20世紀九十年代成為廣東重工業(yè)基地，由此帶來人類干擾增加、土地利用方式轉(zhuǎn)變，在此背景下，其生態(tài)系統(tǒng)服務功能是否受工業(yè)化和城鎮(zhèn)化影響明顯下降？影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能的主要因素以自然因素還是人為因素為主？本研究基于改進的InVEST模型評估韶關市水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性、碳儲存服務功能時空變化，并研究影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能時間變化和空間分布特征的主導因素，以期客觀評估韶關市生態(tài)服務功能變化、為韶關市生態(tài)保護政策提供參考。

1 研究區(qū)概況

韶關市位于廣東省北部，北江上游，下轄湞江區(qū)、武江區(qū)、曲江區(qū)、仁化縣、始興縣、翁源縣、新豐縣和乳源瑤族自治縣，代管樂昌市和南雄市，全市面積1.84 km2。韶關地形以山地丘陵為主，自北向南三列弧形山系排列，其間分布兩行河谷盆地。河流主要屬珠江水系北江流域，北江以湞江為干流，自北向南貫穿全境，主要支流有武江、墨江、錦江、翁江、南水。韶關市屬中亞熱帶濕潤型季風氣候，年均降雨1 400～2 400 mm，年平均氣溫18.8°～21.6°C，全年無霜期310 d左右，年日照時間1 473～1 925 h。區(qū)域地帶性土壤為紅壤，占研究區(qū)總面積的50%以上。海拔800 m以下為亞熱帶常綠闊葉林，800～1 300 m為落葉闊葉林，1 300～1 600 m為針闊混合林。韶關是全國重點林區(qū)，林地面積127.4萬hm2，活立木蓄積量9 054萬m3，森林覆蓋率75.05%。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 InVEST模型簡介

本文應用的InVEST 3.2.0版本可用于評估兩大類生態(tài)系統(tǒng)服務功能：一是支持服務，包括生境質(zhì)量、生境風險評估、海水質(zhì)量；二是最終服務，包括碳儲存、水源涵養(yǎng)(產(chǎn)水量)、養(yǎng)分持留、土壤保持(泥沙輸移)、氣候調(diào)節(jié)、木材生產(chǎn)、作物生產(chǎn)等。另外該模型還可以用于疊加分析(識別重要海洋和海岸帶)和海岸脆弱性分析。

2.1.1 水源涵養(yǎng)服務功能 InVEST模型產(chǎn)水量模塊(hydropower)基于水量平衡原理計算研究區(qū)水源涵養(yǎng)量，由于該模型未考慮地表徑流因素，造成林地等生態(tài)用地單位面積產(chǎn)水量低于建設用地等不合理結(jié)果(區(qū)域降水差異不大的情況下，由于林地蒸騰量較高，計算得到產(chǎn)水量較低)，因此，在計算結(jié)果的基礎上，扣除了地表徑流產(chǎn)生量。公式如下：

(1)

(2)

ωx=Z×(AWCx/Px)

(3)

Rxj=(kxj×ET0x)/Px

(4)

ET0x=0.0013×0.408×RA×(Tavg+17.8)×(TD-0.0123Px)0.76

(5)

AWCx=54.509-0.132×SAN-0.003×SAN2-

0.055×SIL-0.006×SIL2-0.738×CLA+0.007×CLA2-2.688×C+0.501×C2

(6)

式中：Yxj表示第j種生態(tài)系統(tǒng)類型中單元格x上的年水源涵養(yǎng)量；Px表示單元格x上的年降水量；AETxj表示柵格單元x的年實際蒸散量，AETxj/Px是實際蒸散與降水的比值；Dxj表示地表徑流量，由x單元格年均降水量與對應生態(tài)系統(tǒng)類型的地表徑流系數(shù)相乘得到；ωx表示植被年需水量與年降水量的比值；Z是降雨深度和降雨時間的分布，其值為常數(shù)；Rxj是景觀類型j中單元格x上的budyko干燥指數(shù)，表示潛在蒸散與降水的比值；AWCx表示植被可利用含水量(mm)；kxj是植被蒸散系數(shù)，表示不同發(fā)育期植被蒸散量ET與潛在蒸散量ET0x的比值；RA是太陽頂層輻射(MJ)；Tavg是日最高氣溫均值和日最低溫均值的平均值(℃)；TD是日最高氣溫均值和日最低溫均值的差值(℃)；SAN，SIL，CLA，C分別是沙粒、粉粒、黏粒和有機碳的含量。

2.1.2 水土保持服務功能 InVEST模型泥沙輸移比模塊(SDR)首先基于地形和氣候條件計算潛在土壤侵蝕量，再基于植被覆蓋因子和水土保持措施計算實際侵蝕量，兩者的差值即為土壤保持量。

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(7)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Gx

(8)

(9)

K=(0.2+0.3e(-0.0256SAN(1-SIL)))×

(10)

式中：RKLSx為柵格x的土壤潛在侵蝕量，是僅考慮地貌與氣候條件下的計算結(jié)果；USLEx是柵格x的實際土壤侵蝕量，主要考慮了植被覆蓋、攔截作用及實施了水土保持措施后的計算結(jié)果；Rx為降雨侵蝕力；Kx為土壤可蝕性；LSx為坡度坡長因子；Cx為植被覆蓋因子；Gx為水土保持措施因子。Px表示降水量；SAN，SIL，CLA，C分別是沙粒、粉粒、黏粒和有機碳的含量；SN1=1-SAN。

2.1.3 生物多樣性維持功能 InVEST模型利用生境質(zhì)量表征生物多樣性維持功能(表1)。生境質(zhì)量模塊結(jié)合土地覆被和生物多樣性威脅因素生成生境質(zhì)量地圖，計算公式為：

式中：Qx，j是土地利用與土地覆蓋j中柵格x的生境質(zhì)量；Dx，j是生境類型j柵格x的生境脅迫水平。

2.1.4 碳儲存功能 碳儲存模塊通過輸入各年度土地利用數(shù)據(jù)及對應碳密度數(shù)據(jù)評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。本文考慮四大碳庫(表1)，即地上生物碳、地下生物碳、土壤碳和死亡有機碳，計算公式如下：

表1 InVEST模型運行所需數(shù)據(jù)來源及處理過程

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

式中：Ctot為碳存儲量(t/hm2·a)；Cabove，Cbelow，Csoil，Cdead分別是地上生物碳、地下生物碳、土壤碳、死亡有機碳。

2.2 地理探測器簡介

地理探測器是度量、挖掘和利用空間異質(zhì)性的新工具，其理論核心是通過空間異質(zhì)性來探測因變量與自變量之間空間分布格局的一致性，據(jù)此度量自變量對因變量的解釋度，即q值。統(tǒng)計結(jié)果q值越大表示自變量對因變量的解釋力越強，反之則越弱。地理探測器比一般統(tǒng)計量有更強的勢(Power)，因為兩個變量在二維空間分布一致比兩個變量的一維曲線的一致要難得多[19]。利用地理探測器分析時，自變量為類型量(數(shù)值型變量可離散化為類型量)，解決了本文擬分析的土地利用類型、土壤類型為非數(shù)值量而無法進行相關分析的問題。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本文涉及數(shù)據(jù)包括：(1)土地利用分類數(shù)據(jù)：1990年、2000年、2010年、2017年土地利用數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，將研究區(qū)劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地5個一級類，及旱地、水田、有林地、灌木林、湖泊、城鎮(zhèn)用地等20個二級類；(2)氣象數(shù)據(jù)：來自國家氣象信息中心，包括4個年度廣東省及周邊84個氣象站降水、溫度、日照逐日數(shù)據(jù)；(3)土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)：來源于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)中國土壤數(shù)據(jù)集；(4)高程數(shù)據(jù)：來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。(5)植被類型數(shù)據(jù)：中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/data)，用于研究生態(tài)系統(tǒng)服務功能影響因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)類型與轉(zhuǎn)換

韶關市生態(tài)系統(tǒng)類型包括林地、耕地、草地、水域、建設用地，以林地為主，1990年、2017年林地面積占比分別為73.1，72.5%，除韶關市區(qū)外，各區(qū)縣均分布較多；1990年、2017年耕地占比分別為18.2%、16.8%，較集中分布在南雄盆地及韶關市區(qū)周邊、樂昌縣城、翁源縣城周邊。1990—2017年，林地、耕地、草地面積持續(xù)下降，建設用地面積由252.5 km2急劇增加到674.6 km2，年均增幅為9.8%。利用ArcGIS空間疊加功能分析1990—2017年土地利用轉(zhuǎn)化情況見表2?？梢姡D(zhuǎn)化面積最大的類型是林地→耕地、耕地→林地，較均勻分布在全市。各類用地向建設用地轉(zhuǎn)化的總面積為446.89 km2，以耕地、林地為主，耕地→建設用地主要分布在中心城區(qū)、南雄盆地及各區(qū)縣建成區(qū)周邊，主要由于城鎮(zhèn)開發(fā)建設侵占；林地→建設用地則呈線狀分布中心城區(qū)及乳源、仁化、始興等區(qū)縣，主要由于交通道路建設侵占。

表2 1990-2017年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)化面積 km2

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務功能時間變化特征及影響因素

(1) 時間變化特征。利用InVEST模型計算得到研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務量見表3。2000—2017年全市水源涵養(yǎng)、水土保持服務功能均呈先上升后下降趨勢，分別以2000年、2010年為最高；2000—2010年生境質(zhì)量基本一致，2017年則明顯下降；碳儲存呈逐年下降趨勢，尤以1990—2000年下降幅度最大。

表3 1990-2017年4個時期研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務量

(2)時間變化特征影響因素。根據(jù)模型計算原理，生物多樣性維持、碳儲存功能主要由土地利用方式?jīng)Q定，水源涵養(yǎng)、水土保持服務功能則受降水量、溫度、土地利用方式、水土保持措施等多種因素影響。為進一步探究造成水源涵養(yǎng)、水土保持功能年際差異的主要因素，比較4個年度研究區(qū)氣象條件與單位面積水源涵養(yǎng)、水土保持量計算結(jié)果見表4，可見研究區(qū)水源涵養(yǎng)量的年際差異主要受年際降水不均的影響，與呂樂婷[20]等人的研究一致；水土保持功能則主要受年際降水量不同導致的降水侵蝕力差異影響。

表4 1990-2017年4個時期單位面積水源涵養(yǎng)、水土保持量與氣象因素

為比較同等氣象條件下土地利用方式不同造成的結(jié)果差異，按照1990年氣象條件下計算單位面積水源涵養(yǎng)、水土保持服務功能結(jié)果見表5，可見同等氣象條件下研究區(qū)4個年度單位面積水源涵養(yǎng)、水土保持量基本相當，僅2017年水源涵養(yǎng)量有一定下降，說明當氣候變化效應發(fā)揮主導作用時，土地利用變化對水源涵養(yǎng)量、水土保持量的影響并不明顯[20]。

表5 1990年氣象下研究區(qū)各年度單位面積水源涵養(yǎng)、水土保持量

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間分布特征及影響因素

(1)空間分布特征。利用InVEST模型計算得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布見圖1。4個時期研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性、碳儲存服務功能空間分布呈現(xiàn)一致性和一定的差異性。一致性在于，各類生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間分布均與地形呈現(xiàn)一致性，低值區(qū)主要分布在區(qū)內(nèi)韶關中心城區(qū)及南雄、翁源、樂昌盆地區(qū)域。差異性在于，生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水量高值區(qū)集中分布在新豐、翁源縣及武江區(qū)和曲江區(qū)南部，整體呈南高北低的趨勢，與區(qū)域降水量空間分布特征一致，與王川等[21]的研究一致；水土保持高值區(qū)集中分布在樂昌—乳源縣中部的大東山、始興仁化縣交界處的瑤嶺；生物多樣性、碳儲存則除上述低值區(qū)外，其余區(qū)域均為高值區(qū)。隨著韶關中心城區(qū)及各縣城區(qū)的擴張，以各城區(qū)為中心的生態(tài)系統(tǒng)服務功能低值區(qū)范圍持續(xù)擴大。

(2)空間分布特征影響因素。參考相關研究[13,22-24]，選擇土地利用類型、土壤類型、植被類型、坡度、高程、降水量作為影響因素。利用ArcGIS 10.5中creatrandompoints功能在研究區(qū)生成1 900個隨機點(圖1服務功能計算結(jié)果包括約184萬個柵格，隨機點數(shù)量約占總量的1‰)，統(tǒng)計各點位4個時期生態(tài)系統(tǒng)服務功能及對應的影響因素值，并將坡度、高程、降水量3個數(shù)值型變量在SPSS中進行等頻率離散化，在此基礎上進行地理探測器分析。

圖1 4個時期韶關市生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間分布

因子探測結(jié)果表明某因素多大程度上解釋了生態(tài)系統(tǒng)服務功能的空間分異(q值)，結(jié)果見圖2。可見4個年度各影響因素對各類生態(tài)系統(tǒng)服務功能的解釋力相對大小基本一致，即對水源涵養(yǎng)空間分布解釋力最大的因素主要是土地利用類型、降水量，對水土保持則是坡度、海拔，對生境質(zhì)量、碳儲存均為土地利用類型、坡度、海拔等。其中除土壤類型和水源涵養(yǎng)量、降水量與土壤保持量、降水量與生境質(zhì)量不顯著相關外，其余因素均與各類生態(tài)系統(tǒng)服務功能極顯著相關(p<0.01)。

圖2 各影響因素對各生態(tài)系統(tǒng)服務功能地理探測器因子探測結(jié)果

生態(tài)探測用于分析兩因素對生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間分布的影響是否存在顯著差異。結(jié)果表明，4個年度土地利用類型、降水量對水源涵養(yǎng)量的解釋力顯著大于其他因素(p<0.05)。各因素對土壤保持量的解釋力均無顯著差異。各因素對生境質(zhì)量、碳儲存的解釋力均存在顯著差異，影響生境質(zhì)量、碳儲存空間異質(zhì)性的因素從大到小均為：土地利用類型>坡度≥海拔>植被類型>土壤類型>降水量。

交互探測結(jié)果表示兩因素共同作用下對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的解釋力。結(jié)果表明：兩因素共同作用下的解釋力普遍高于單因素，僅碳儲存空間分布由土地利用類型單一因素決定。兩因素協(xié)同作用下，對水源涵養(yǎng)解釋力最大的是土地利用類型協(xié)同降水量，各年度解釋力達到0.42～0.95；對水土保持量的解釋力最大的是坡度、海拔，各年度解釋力為0.14～0.18；對生境質(zhì)量解釋力最大的是土地利用類型協(xié)同坡度、土地利用類型協(xié)同海拔，解釋力分別為0.67～0.82，0.66～0.82。

4 結(jié) 論

(1) 受到氣象因素影響，研究區(qū)單位面積水源涵養(yǎng)、水土保持量均呈先上升后下降趨勢，分別以2000年、2010年達到最高；生境質(zhì)量、碳儲存則受土地利用變化影響，呈逐年下降趨勢。(2) 1990—2017年4個時期生態(tài)系統(tǒng)服務功能低值區(qū)主要分布在區(qū)內(nèi)韶關中心城區(qū)及南雄、翁源、樂昌盆地區(qū)域，高值區(qū)則各有差異，產(chǎn)水量高值區(qū)分布在研究區(qū)南部，水土保持高值區(qū)集中分布在樂昌—乳源縣中部的大東山、始興仁化縣交界處的瑤嶺。隨著韶關中心城區(qū)及各縣城區(qū)的擴張，以各城區(qū)為中心的生態(tài)系統(tǒng)服務功能低值區(qū)范圍持續(xù)擴大。(3) 利用地理探測器分析影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間異質(zhì)性的結(jié)果表明，水源涵養(yǎng)量主要受土地利用類型、降水量影響，生境質(zhì)量、碳儲存主要受土地利用類型、坡度、海拔影響，土壤保持量則受各因素影響相對均等。除土壤保持量外，土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間異質(zhì)性的影響顯著大于其他因素。(4) 氣象因素在很大程度上決定了生態(tài)系統(tǒng)服務功能的年際差異，土地利用類型則是影響其空間分布的主要因素。

由于InVEST模型存在一定的局限性，如水源涵養(yǎng)、水土保持、碳儲存模塊中多個參數(shù)以土地利用類型為基礎，是對實際地表的一個概化[25-26]，未根本反映不同植被類型、不同生態(tài)系統(tǒng)完整性等影響下的生態(tài)服務功能時空差異，因此未來研究應在細化生態(tài)系統(tǒng)分類的基礎上加強參數(shù)校驗，進一步提高結(jié)果的精確性，并應進一步考慮水質(zhì)凈化、食物供給等服務類型，綜合評價區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能時空變化。