乌江流域重要生态系统服务地形梯度分布特征分析

郜红娟, 韩会庆, 俞洪燕, 韩默然

乌江流域重要生态系统服务地形梯度分布特征分析

郜红娟, 韩会庆*, 俞洪燕, 韩默然

贵州师范学院地理与旅游学院, 贵州 贵阳 550018

为探究流域尺度生态系统服务空间特点, 利用ArcGIS软件和InVEST模型, 从高程、坡度、地形起伏度和地形位指数等方面对乌江流域重要生态系统服务地形梯度分布特征进行了分析。结果表明: (1)水供给在各地形梯度上均呈小幅波动特点。碳储量、生境质量和水土保持随着坡度、地形起伏度和地形位指数的增加而增加, 随着高程增加呈波动起伏特点; (2)水土保持在各地形梯度上的变化突出, 生境质量和碳储量的变化居中, 而水供给变化较小; (3)碳储量、生境质量和水土保持在不同地形梯度上的差异明显, 而水供给在不同地形梯度上的差异较小。土地利用空间格局及流域地形特征是影响该区生态系统服务梯度差异的重要因素。以期为流域土地利用科学管理及生态环境保护提供科学依据。

生态系统服务; 空间异质性; 地形梯度; InVEST 模型; 乌江流域

1 引言

生态系统服务是指生态系统为人类提供的利益,它主要包括各类生态系统为人类提供的供给服务、调节服务、文化服务和支持服务[1]。由于不同地域生态系统的差异, 造成不同地区生态系统服务也存在差异, 从而使得生态系统服务存在空间异质性和区域差异[2]。为了使生态服务功能更好地为人类提供福利, 需要探究生态系统服务的地域差异, 因此空间异质性研究成为当前生态系统服务评估研究的热点。

目前, 关于生态系统服务评估研究多集中于基于价值量法的生态系统服务空间差异研究[3], 如李博等利用谢高地的“中国陆地生态系统单位面积服务价值当量表”分析了石羊河流域内植被系统生态系统服务价值空间异质性[4]。徐聪等利用市场价值法、影子工程法以及旅游费用法对辽河三角洲湿地保护区生态系统服务价值空间分布进行了研究[5]。从研究视角看, 当前研究多从行政单元之间空间差异出发, 进行生态系统服务空间异质性研究[6]。很少关注地形因素对生态系统服务空间异质性的影响。地形作为影响生态系统分布、结构和功能的重要因素, 它对生态系统服务供给、消费都产生了一定影响, 因此, 厘清地形对生态系统服务空间差异的影响对深化生态系统服务研究具有重要意义。

乌江流域位于我国西南山区, 流域内地形差异突出, 这使得区内生态系统空间差异明显。然而, 尽管乌江流域为区域人类活动提供了各种不同的生态系统服务, 但这些服务的空间差异及地形对其影响如何还有待进一步研究, 因此, 本文以乌江流域为例, 利用InVEST模型和ArcGIS软件分析了不同地形梯度的生态系统服务空间分布研究, 以期为区域生态系统保护和生态系统服务优化提供科学参考。

2 研究区域与方法

2.1研究区概况

乌江流域(贵州段)(104°09′—109°38′E, 25°26′—30°22′N)位于贵州省中北部(图1)。乌江属长江上游支流, 发源于贵州省境威宁县, 在东北部出境进入重庆, 流域面积66807 km2。乌江水系呈羽状分布,主要支流有六冲河、猫跳河、清水江等。流域地势西南高、东北低, 地形以高原、山原、中山及低山丘陵为主。气候属亚热带季风湿润气候区, 年降水量1100—1400 mm, 年均温13—18 ℃。近年来, 工业化、城镇化加速发展, 对流域生态环境产生一定压力[7], 另外, 退耕还林政策的实施使得该流域生态环境质量得到一定的改善。

图1 乌江流域区位及土地利用Fig. 1 Location and land use map of Wujiang River Basin

2.2数据来源

本研究数据来源主要包括两部分: 一是地形数据,包括高程和坡度(30×30 m), 来源于中国科学院计算机网络信息中心。二是InVEST模型运行所需数据, 主要包括土地利用、气候、土壤等数据, 其中,土地利用数据来源于2010年Landsat ETM遥感影像(30 m×30 m), 气象数据来自中国气象科学数据共享中心, 土壤来自中国土壤数据库。

2.3InVEST模型

InVEST模型是由美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的专门用于评估生态系统服务功能。该模型主要包括：植物授粉、产木材、生境质量、水供给、水土保持、碳模块等模块。根据研究区生态环境特点及数据的可获取性,选取了生境质量、水土保持、水供给和碳储量四种生态系统服务进行评估。

2.3.1 生境质量

该模型是基于土地利用类型数据进行生境质量评估。模型运行所需数据包括: 土地利用图、生态威胁因子图层、生态威胁因子属性表和土地覆盖类型对各生态威胁因子的敏感度表。参数设置来源于InVEST模型使用说明[8]、相关案例[9–10]以及专家打分获得。

生境质量指数计算公式为:

其中: Qxj为生态质量指数, Hj为生境适宜度指数; Dxj为土地利用与土地覆盖类型的生境退化程度; Z为归一化常量(值为2.5); k为半饱和系数, 其值等于栅格单元分辨率大小的一半。该指数是一个标准化、无量纲的指数。

2.3.2 水土保持

该模型主要利用美国土壤流失方程(USLE)进行计算。模型所需数据: DEM、土地利用数据、土壤侵蚀属性和土壤属性等。其计算公式为: 水土保持量等于最大水土流失量减去土壤侵蚀量[11]。

式中: R为降雨侵蚀力; K为土壤可蚀性; LS为坡长; C

为植被覆盖和管理因子; P为工程措施因子。

2.3.3 水供给

该模型是利用降雨量、蒸散量、土壤深度、植物可利用水等数据计算[12]:式中:Yxj为栅格单元x 中土地覆被类型j 的年产水量; AETxj为栅格单元x中土地覆被类型j 的实际蒸散; Px为栅格单元x 的降水量。其中AETxj是由Budyko曲线计算得到。

2.3.4 碳储量

该模型主要利用土地利用图和基本碳库来计算碳储量。其计算公式为:

式中: Cveg为植被碳储量(包括: 地上生物碳、地下生物碳和死亡有机碳); Csoil为土壤碳。碳密度数据来源于李克让[13]、罗怀良[14]、解宪丽[15]、黄从红[16]和李默然[17]等。

2.4地形数据处理

2.4.1 地形起伏度

地形起伏度的计算主要利用栅格邻域计算工具进行计算, 其计算公式为:

式中: Cmax为窗口内的最大高程、Cmin为窗口内的最小高程。

2.4.2 地形位指数

地形位指数是综合描述空间任何一点高程和坡度属性信息的指标, 其计算公式:

式中: T为地形位指数; E和E0为研究区任一高程和平均高程; S和S0为研究区任一坡度和平均坡度。坡度小, 高程低的地区地形位指数越小, 反之越大。

2.4.3 地形数据分级标准

为分析不同地形梯度生态服务分布特点, 利用ArcGIS软件, 按照分位数法, 将高程、坡度、地形起伏度和地形位指数分别分为5级, 然后根据数值大小, 将5个等级分别命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级(表1、图2)。

3 结果与分析

基于遥感数据、地形、气候、土壤等数据源, 利用InVEST 模型估算出的乌江流域2010年碳储量、生境质量、水供给和水土保持等重要服务功能的空间分布图(图3)。

利用ArcGIS软件, 将高程、坡度、地形起伏度和地形位指数图分别与水供给、碳储量、水土保持和生境质量四种生态服务图进行叠加分析, 得到不同地形梯度带的生态系统服务分布图; 最后, 利用地统计工具, 获取每个地形梯度级的生态系统服务平均值。

表1 高程、坡度、地形起伏度和地形位指数分级标准Tab. 1 Classification of elevation, slope, landform relief gradients and terrain niche gradients

图2 乌江流域地形特征图Fig. 2 Distribution characteristics of terrain in the Wujiang river basin

图3 乌江流域重要生态系统服务分布图Fig. 3 Distribution of important ecosystem services in the Wujiang River Basin

随着坡度的增加, 碳储量、生境质量和水土保持呈递增趋势, 而水供给呈先降低后增加再降低的特点(图4)。其中, 水土保持和生境质量的变化率相对较大(142.73%和47.17%), 而碳储量和水供给变化率相对较小(12.53%和–1.54%)(表2)。这主要与不同坡度带人类活动强度差异有关。如乌江流域中南部坡度较小, 西部、东部和北部较大, 这使得中南部受人类干扰较强, 农田和建设用地面积较大, 而其他地区林地、草地等自然植被较多, 因此导致中南部碳储量、生境质量和水土保持较小, 而其他地区碳储量、生境质量和水土保持较大。由于水供给主要受气候影响较大, 这使得水供给在坡度上的变化呈波动起伏, 与地形的相关性较差。

随着高程增加, 碳储量和生境质量呈先增加后降低再增加的特点, 而水土保持一直呈降低趋势,水供给呈先降低后增加再降低的特点(图4)。从变化率看, 水土保持变化率最大(51.03%), 水供给和生境质量变化率居中(–11.16%和10.61%), 而碳储量变化最小(3.97%)(表2)。由于流域高程呈东北向西南递增特点, 而林地、草地多集中于北部和西南部, 耕地和建设用地集中中南部, 这造成各高程梯度上, 地类分布较为分散, 从而使得各生态系统服务在高程上呈波动起伏特点。另外, 由于乌江流域降水呈东南高西北低的特点, 说明地形对气象的影响较小, 这也使得水供给在高程梯度上规律性较差。

图4 各地形梯度带重要生态系统服务分布特点Fig. 4 Distribution characteristics of important ecosystem services in terrain gradients

表2 重要生态系统服务在各地形梯度带上的变化(%)Tab. 2 Change rate of important ecosystem services in terrain gradients (%)

随着地形起伏度增加, 碳储量、水土保持和生境质量均不断增加(图4)。尤其是水土保持, 其变化率达309.70%, 生境质量变化率也较大, 为70.21%。而水供给呈先降低后增加再降低的特点, 且变化率最小, 仅为–2.60%(表2)。由于流域地形起伏度与坡度空间格局具有相似性, 这造成地形起伏度上各生态系统服务变化特点与在坡度梯度上具有类似性。但由于地形起伏度大小对水土流失强度具有突出的影响, 这也导致其变化率十分明显。

随着地形位指数的增加, 碳储量、生境质量和水土保持呈增加趋势, 而水供给呈递减趋势(图4)。从变化率看, 水土保持和生境质量变化率较大, 分别为59.75%和49.06%, 而碳储量和水供给变化较小,分别为10.40%和-5.97%(表2), 该流域地形位指数呈中东部、南部较小, 西部和北部较大特点。中东部(特别是中部)坡度相对较小, 耕地为主, 西部和北部坡度相对较大, 以林地和草地为主, 从而这使得碳储量、生境质量和水土保持随着地形位指数增加而增加。

4 结论与讨论

地形是影响生态服务功能空间差异的重要基础,本文通过对乌江流域重要生态系统服务功能地形梯度特征分析, 结果表明: 碳储量、生境质量和水土保持随着坡度、地形起伏度和地形位指数的增加而增加; 而在高程梯度上, 碳储量和生境质量呈先增加后降低再增加特点, 水土保持呈持续下降趋势。水供给在各地形梯度上均呈波动变化特点。水土保持在各地形梯度的变化率最大, 其次为生境质量和碳储量, 而水供给变化率最小。

InVEST模型提供了栅格格式的生态系统服务评估结果, 这使其在生态系统服务空间分析中具有一定的优势。然而该模型在生态系统服务评估中,部分参数的设置以欧美国家为参考, 这可能会对评价结果产生一定的影响, 因此今后的研究应根据研究区特点, 调整和完善研究区参数设置。另外, 本研究只选取了碳储量、生境质量、水土保持和水供给等四种服务功能进行评估, 涉及的生态系统服务功能种类相对较少, 结果具有一定的局限性, 今后应通过评估更多的生态系统服务功能, 全面反映其地形梯度特征。

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Distribution characteristic of important ecosystem services in terrain gradient in Wujiang River Basin

GAO Hongjuan, HAN Huiqing*, YU Hongyan, HAN Moran
College of Geography and Tourism,Guizhou Normal College,Guiyang550018,China

In order to explore the spatial characteristics of ecosystem services in catchment scale, we analyzed the distribution characteristics of ecosystem services in a terrain gradient, in Wujiang river basin, from the perspectives of elevation, slope, landform relief and terrain niche. We did this using the InVEST model and ArcGIS software. The results are as follows. (1) Water supply had a characteristic of small fluctuations in the terrain gradients. Carbon storage, habitat quality, soil and water conservation increased along the increase of slope, landform relief and terrain niche and had a characteristic of fluctuations along the increase of elevation. (2) Soil and water conservation had a significant change in each terrain gradient. Habitat quality and carbon storage had a relatively large change, while water supply had a relatively small change. (3) There were obvious differences in different terrain gradients for carbon storage, habitat quality, soil and water conservation, while small differences could be observed in different terrain gradients for water supply. Land use spatial patterns and watershed topographic characteristics were the important factors affecting the gradient differences of ecosystem services. The study can provide a scientific basis for land use scientific management and ecological environment protection in the watershed.

ecosystem services; spatial heterogeneity; terrain gradient; InVEST model; Wujiang river basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.021

F301.24

A

1008-8873(2016)05-154-06

2015-07-11;

2015-11-27

国家自然科学基金项目(31100187); 贵州师范学院自然科学研究基金项目(2015YB021)

郜红娟(1981—), 女, 山东菏泽人, 硕士, 从事自然资源开发与区域规划研究, E-mail: cgp1963@126.com

*通信作者: 韩会庆, (1983—), 男, 山东济南人, 博士研究生, 从事土地利用开发与保护研究, E-mail: hhuiqing2006@126.com