重庆市三峡库区水源涵养重要功能区生态系统服务功能时空演变特征

齐 静, 袁兴中1,, 刘 红1,, 邓 伟1,

(1.重庆大学 资源及环境科学学院, 重庆 400044; 2.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044)



重庆市三峡库区水源涵养重要功能区生态系统服务功能时空演变特征

齐 静2, 袁兴中1,2, 刘 红1,2, 邓 伟1,2

(1.重庆大学 资源及环境科学学院, 重庆 400044; 2.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044)

摘要：[目的] 揭示重庆市三峡库区水源涵养重要功能区2000—2010年生态系统服务功能的时空演变特征，为其生态环境的可持续性管理提供依据。 [方法] 在RS和GIS技术支撑下,选择生物多样性维持、土壤保持、水源涵养和碳固定4项生态系统服务功能建立评估模型。 [结果] (1) 10 a间,研究区生态系统服务功能高等级面积增加了386.14 km2; (2) 各单项服务功能中,水源涵养功能高等级面积增加了4 016.4 km2,土壤保持功能高、较高和中等级面积分别增加了516.2 km2,2 825.9 km2和2 493.8 km2; (3) 空间分布显示,生态系统服务功能较好的区域主要集中于开县北部、巫山县北部,奉节县南部以及长江干流支流两岸和区内植被覆盖较好的山脊(呈带状分布);生态系统服务功能较差的区域主要分布于长寿、垫江、梁平地势较平缓地区和开县、云阳、奉节、巫山地势陡峭、地质灾害多发地区。 [结论] 研究区内生物多样性维持功能、水源涵养功能10 a间总体呈上升趋势，土壤保持功能、固碳功能总体较差，但两者呈上升趋势，好转区域主要集中于季节性水位淹没形成新生湿地的长江干流沿岸。

关键词：重庆三峡库区; 水源涵养重要区; 生态系统服务功能; 时空格局

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存和发展的自然环境条件与效用[1]。它不仅为人类提供了食品、医药及其他生产生活原料,更重要的是维持了人类赖以生存的生命支持系统[2]。1997年，Costanza等[3]首次对全球生态系统服务的自然资本价值进行了估算。目前，国内外开展了一系列生态系统服务功能价值评价，De Groot等[4]将生态系统服务功能分类，研究各生态服务功能的经济学价值；谢高地等[5]对我国陆地生态系统服务功能与价值进行了研究,并提出了我国生态服务价值评估的当量因子法；袁兴中等[6]从土地利用角度分析研究了成渝经济区生态系统服务功能价值。但这些研究绝大多数都局限于对单一生态系统服务功能研究，缺乏对生态系统服务功能综合性评估，在研究方法上多限于利用土地利用类型单位面积价值对生态系统服务功能进行静态估算，对生态系统服务功能时空动态研究较少。

三峡库区水源涵养重要功能区是2008年《全国生态功能区划》划定的对国家生态安全具有重要意义的重要生态功能区，其主要生态系统服务功能包括水源涵养、土壤保持、生物多样性保护等。三峡工程2003年开始139 m蓄水，2010年完成175 m蓄水，蓄水后三峡库区生态环境发生了较大变化，其生态系统服务功能的时空动态是全世界关注的焦点问题。基于此，本文根据对2000，2005，2010年遥感影像的分析，研究三峡库区水源涵养重要功能区在生物多样性维持功能、土壤保持功能、水源涵养功能、固碳功能的时空动态变化，以揭示三峡工程运行前后三峡库区这一重要生态功能区的生态系统服务功能时空演变特征，为三峡库区生态环境的可持续管理提供依据。

1研究区域概况

重庆市三峡库区水源涵养重要生态功能区位于重庆市东北部，三峡库区腹心地带，包括巫山、奉节、云阳、开县(除去北部山区)、万州、忠县、梁平、垫江、长寿、涪陵、石柱(沿长江的乡镇)、丰都(除去南部的南天湖所在的乡镇)12个区县，总面积28 996.3 km2，占三峡库区总面积的62.82%。区内地形以低山和丘陵为主，平均海拔453～974 m，最高点阴条岭；土壤以紫色土、石灰土、黄壤为主；该区地处中亚季风湿润气候区，降雨强度大，是三峡水库水环境保护的重要区域。区内2010年常住人口1.011 7×107人，人口密度302.58人/km2，城镇化率38.12%。

2研究方法与数据来源

2.1　研究方法

2.1.1生物多样性维持功能评估方法本研究依据《生态功能区划暂行规程》[7]以及凡非得等[8]对生物多样性重要地区评价分级的研究，结合重庆市三峡库区水源涵养重要功能区的实际生态环境情况，确定生物多样性重要性等级划分(表1)。

表1　生物多样性重要性等级

2.1.2水源涵养功能评估方法本研究采用降水贮存量法计算水源涵养功能[9]，即用生态系统的蓄水效应来衡量其涵养水分功能，公式如下：

Q=A·J·R

(1)

J=J0·K

(2)

式中：Q——与裸地相比较，各生态系统涵养水分的增加量〔mm/(hm2·a)〕；A——生态系统面积(km2)；J——研究区多年均产流降雨量(mm)；J0——研究区多年均降雨总量(mm)；K——研究区产流降雨量占降雨总量的比例，研究区位于南方区，根据降雨特征南方区K取0.6[10]；R——与裸地比较，生态系统减少径流的效益系数(表2)[11-13]。

表2　研究区生态系统类型R值

2.1.3土壤保持功能评估方法以通用土壤流失方程USLE为理论基础[14]，建立降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度和地表植被覆盖等指标体系获取潜在和实际土壤侵蚀量，以两者的差值，即土壤保持量来评价生态系统土壤保持功能的强弱，计算公式(3) 。

SC=R·K·LS·(1-C·P)

(3)

式中：SC——土壤保持量；R——降雨侵蚀力因子，根据气象数据计算得到；K——土壤土壤可蚀性因子，参考吴昌广等[15]研究成果制定(表3)；L，S——坡长和坡度因子，利用DEM在ArcGIS软件中获取；C，P——植被覆盖与管理，即水土保持措施因子，参考张照录、张岩等人研究结果[16-17]，并征询专家意见，结合重庆市实际情况，确定C，P值(表4)。

表3　研究区部分土壤类型K值

表4　研究区植被覆盖(C)与管理(P)因子值

2.1.4固碳功能评估方法本研究根据土地利用类型、碳库类型评价生态系统碳固定功能[18-19]。计算公式(4)：

Cij_storage=Cij_above·Sij+Cij_below·Sij+

Cij_soil·Sij+Cij_dead·Sij

(4)

式中：Cij_storage——第j种土地利用类型栅格i的碳贮量；Cij_above——第j种土地利用类型栅格i单位面积乔木层碳贮量；Cij_below——第j种土地利用类型栅格i单位面积灌木层和草本层碳贮量；Cij_soil——第j种土地利用类型栅格i单位面积土壤碳贮量；Cij_dead——第j种土地利用类型栅格i单位面积凋落物层碳贮量；Sij——第j种土地利用类型栅格i的面积。

2.1.5生态系统服务功能综合评估本研究在ArcGIS空间分析功能支持下,采用多因子融合模型对重庆市三峡库区水源涵养重要功能区生态系统服务功能进行综合评价,计算公式(5) 为：

(5)

式中： SSj——综合生态系统服务功能指数；Si——i因子生态系统服务功能等级值，根据公式(6)获取，在指标和重要性评价分级时，采用ArcGIS空间分析功能中的自然分类法[20]。

2.1.6重要性等级划分方法本研究将评价的生态系统服务功能结果值做离差标准化处理，使结果值落在[0，1]之间，计算公式为：

(6)

式中：Smax——栅格影像的最大值；Smin——栅格影像的最小值。运用ArcGIS软件将标准化后的值以0.2为间隔重新分为低、较低、中、较高、高5大等级。

2.2　数据来源及预处理

(1) 2000，2005和2010年3期8月份Landsat TM/ETM面向对象最大似然法分类的土地覆盖数据，经过野外核查验证，分类精度为88.05%，数据来源为《全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估项目》提供；土地类型分为7个一级类型(森林、灌丛、草地、湿地、农田、人工表面和裸露地)和21个二级类型； (2) MODIS-MOD12 A1产品空间分辨率250 m的NDVI数据； (3) 2012年重庆市森林资源二调数据图； (4) 重庆市自然保护区、森林公园、风景名胜区、湿地公园分布图； (5) 重庆市1∶50 000数字高程模型(DEM)； (6) 重庆市1∶25万土壤类型分布图； (7) 重庆市2000—2010年34个气象站点各气象要素统计数据，在ARCGIS地统计模块(Geostatistical Analyst)下，进行数据正态分析后利用交叉验证选择最优插值模型。从测试模型来看，重庆市气象数据最优插值模型为普通克里格插值法。对插值结果结合DEM进行高程校正，以优化不同海拔高度的插值精度，裁剪后得到研究区投影坐标以及像元大小均与EVI数据一致的栅格图像。 (8) 其他辅助数据，如行政区划图、水系分布图等。所有数据均转换为统一坐标与投影系统(Albers)，数据格式为grid的栅格数据参与空间运算，栅格像元大小均为25 m×25 m。

3结果与分析

3.1　生物多样性维持功能及时空变化

重庆市三峡库区水源涵养重要功能区的生物多样性维持功能总体空间差异性较大，其以高等级和较低等级分布较多。生物多样性维持功能高等级主要分布于研究区东部的巫山县、奉节县、云阳县、开县境内以及西南部中山及中部丘陵地区；较低等级主要分布于研究区中部的万州区、梁平县、忠县和西南部的垫江县、长寿区和涪陵区内，主要位于长江干流及其支流的谷地、山间槽谷及盆地(附图8)。从变化趋势上看，总体生态服务功能呈上升趋势，高等级面积10 a间增加了118.4 km2，较低等级面积下降了870.5 km2(表5)。

表5　生态系统生物多样性维持功能变化特征

3.2　水源涵养功能及时空变化

重庆市三峡库区水源涵养重要功能区生态系统水源涵养功能空间分布差异较大，其较高等级和低等级均分布较多。

水源涵养功能较高等级分布于研究区的中山，主要位于七曜山、方斗山、黄草山、精华山等；中等级主要分布于长江沿岸，及较高等级周边。从变化趋势看，高等级面积2000—2010呈上升趋势，10 a间增加了4 016.4 km2；较高等级面积2000—2010年呈下降趋势，10 a间减少了5 017.8 km2；中等级面积10 a间增加了901.3 km2；但10 a间，整体呈上升趋势(表6)。

表6　生态系统水源涵养功能分级特征

3.3　土壤保持功能及时空变化

重庆市三峡库区水源涵养重要功能区土壤保持功能总体较差，以较低等级和中等级分布为主，但10 a间总体呈逐渐增强趋势。较低和低等级面积10 a间分别减少了5 086.9 km2和748.9 km2；高、较高和中等级面积分别增加了516.2 km2，2 825.9 km2和2 493.8 km2(表7)。改善的区域主要集中在长江干流两侧(附图9)。

表7　生态系统土壤保持功能评价分级特征

3.4　固碳功能及时空变化

重庆市三峡库区水源涵养重要功能区固碳功能总体较差，分布以中和较低等级为主。中等级主要集中分布于长江干流沿岸，由于季节性水位淹没形成的新生湿地地区；较低等级分布于涪陵区、万州区等沿江区域。从变化趋势看，较低等级面积减少了867.59 km2，增强区域主要集中在奉节和云阳县境内(表8)。

表8　生态系统固碳功能分级特征

3.4　生态系统服务功能综合分析

重庆市三峡库区水源涵养重要功能区综合生态服务功能总体较好，空间差异性较大，以中等级和较高等级分布为主，整体呈好转趋势。生态系统服务功能较好的区域主要集中于开县北部、巫山县北部，奉节县南部以及长江干流支流两岸和区内植被覆盖较好的山脊带状分布，如七曜山、方斗山、黄草山、精华山等；该区域生物多样性维持功能、土壤保持功能、水源涵养功能、固碳功能也较好(附图10)。生态系统服务功能较差的区域主要分布于长寿、垫江、梁平地势较平缓地区和开县、云阳、奉节、巫山地势陡峭、地质灾害多发地区。从变化趋势看，10 a间，高等级面积增加了386.14 km2；中等级面积增加了423.75 km2；较低等级面积减少了588.84 km2(表9)。

表9　综合生态系统服务功能分级特征

4结论与讨论

(1) 重庆市三峡库区水源涵养重要功能区综合生态系统服务功能总体较好、空间差异性较大，整体呈好转趋势，说明近年来三峡库区实施的各项生态工程对抑制三峡库区生态环境恶化起到了积极作用。研究区内生物多样性维持功能、水源涵养功能10 a间总体呈上升趋势，土壤保持功能、固碳功能总体较差，但两者呈上升趋势，好转区域主要集中于季节性水位淹没形成新生湿地的长江干流沿岸。

(2) 研究区生态系统服务功能主要受自然环境因素和人为因素的影响。从自然环境因素可知，三峡库区地形起伏剧烈,山地、丘陵、谷地交错分布,山川走向、坡向坡度及气候垂直变化造成该地区自然资源条件差异极大；分析人为因素可知，三峡工程建设中巨大的人工干扰，快速城镇化和大量增加的交通、能源、水利基础设施建设、资源开发利用以及生产活动对生态环境的破坏，对研究区生态系统服务功能造成影响。近年来库区内开展实施生态搬迁的环境管理制度，加大退耕还林及天然林保护力度，优化乔灌草植被结构和库岸防护林带建设，是生态系统服务功能呈上升趋势的主要原因。

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Spatiotemporal Characteristics of Ecosystem Service in Key Water Resource Conservation Function Area of Three Gorges Area in Chongqing City

QI Jing2, YUAN Xingzhong1,2, LIU Hong1,2, DENG Wei1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;

2.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,Chongqing400044,China)

Abstract：[Objective] To reveal the spatial-temporal changes of the ecosystem services in the key ecological functional reservoir of the Three Gorges area in Chongqing from 2000 to 2010, in order to provide basis for the sustainable management of ecological environment in the Three Gorges area. [Methods] Based on RS and GIS techniques, four major ecosystem services including biodiversity maintenance, soil conservation, water conversation and carbon fixation were used to establish the evaluation models. [Results] (1) During the decade, the high level area of the functional ecosystem services in the research area increased by 386.14 km2. (2) For each single ecosystem service function, the high level of the water conservation increased by 4 016.4 km2; the high, relatively high and medium level of the soil conservation increased by 516.2 km2, 2 825.9 km2and 2 493.8 km2respectively. (3) From the spatial distribution, the better functional areas of the ecosystem services were mostly distributed in the north of Kaixian County, the north of Wushan County, the South of Fengjie County, and both sides of the tributaries of the Yangtze River and the region of the strap shaped ridge covered with better vegetation. The poorer functional regions of the ecosystem services were mostly distributed in Changshou County, Dianjiang County, the flat terrain areas of Liangping, steep terrain and ecological disaster-prone areas of Kaixian, Yunyang, Fengjie, Wushan Counties. [Conclusion] During the decade, the biodiversity maintenance function and the water conservation trend to rise; the soil conservation and the carbon fixation function are generally poor, but both are on the rise trend; the area of improvement is distributed in the new wetlands on both sides of the trunk stream of the Yangtze River formed by seasonal water inundation.

Keywords:the Three Gorges reservoir area in Chongqing; important area of water resource conservation; ecosystem service function; spatial-temporal pattern

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0256-05

中图分类号：F062.2

通信作者：袁兴中(1963—),男(汉族),四川省万源市人,博士，教授,博导,主要从事生态系统生态学研究。E-mail:xzyuan63@aliyun.com。

收稿日期：2014-04-24修回日期：2014-05-19

资助项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07104-004-05); 国家环保部重大科技专项“重庆市生态环境十年变化(2000—2010)遥感调查与评估”(0222002605056)

第一作者：齐静(1989—),女(汉族),重庆市沙坪坝人,硕士研究生,研究方向为环境遥感。E-mail:QIJING20122002001@163.com。