三峡库区土壤保持重要区 （重庆段）生态系统服务功能空间分异特征

邓 伟， 刘德绍， 唐燕秋， 齐 静

（1.重庆市环境科学研究院，重庆 401147；2.重庆科技学院，重庆 401331；3.重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044）

三峡库区土壤保持重要区 （重庆段）生态系统服务功能空间分异特征

邓 伟1，3， 刘德绍2*， 唐燕秋1， 齐 静1，3

（1.重庆市环境科学研究院，重庆 401147；2.重庆科技学院，重庆 401331；3.重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044）

选取水源涵养、生物多样性维护、土壤保持和固碳4种生态系服务功能，在GIS支持下建立空间评估模型，综合分析了受 “自然-人工”二元干扰严重的三峡库区土壤保持重要区生态系统服务功能重要性空间分异特征。结果表明：（1）研究区水源涵养功能以高度重要为主，极重要区呈带状分布在东北部大巴山区和干支流两侧山脊。（2）生物多样性维护中等以上面积比之和达70%以上。（3）土壤保持功能以高度重要和极重要为主，其中极重要区主要集中在东北部、巫溪县及开州北部地区。（4）固碳功能中等重要区占绝对优势，面积比为51.97%，主要分布在西部都市区和江津区北部、长寿区和涪陵区北部地区。（5）三峡库区生态系统服务功能重要性总体较高，高度重要以上面积占比达66%以上，具有空间分异显著特征，总体上东部重要性高于西部；极重要区主要分布在主要干支流两侧和呈组团式分布在区内海拔较高的山脊；高度重要区主要呈环带状分布在极重要区外围两侧。

GIS；三峡库区土壤保持重要区；生态系统服务功能；空间分异

生态系统作为生物圈的重要组成部分，其生态过程形成了维持人类得以生存的资源环境条件与效用，即生态系统服务功能[1]。生态系统服务功能对维持人类生命支持系统，保障全球及区域生态安全具有重要意义[2-3]。20世纪70年代提出的生态服务功能概念，引起了国际生态学界的广泛重视[4-5]。Costanza等[6]于1997年对全球生态系统服务价值进行了评估，有力地推动了生态系统服务功能研究[7]。国内欧阳志云[8]、傅伯杰[9]等一批科学工作者对我国生态系统服务功能理论与方法研究做出了重要的贡献[10]。此外，桓曼曼等[11]对生态系统服务功能的定义、内涵以及评价方法进行了深入探讨，各种单一生态系统类型服务功能的评估方法也相继建立起来[12]，并进行了定量评价[13-15]，一定程度上加深了对生态系统服务功能的理解和应用。但是，目前国内大多研究都偏重于单一生态系统服务功能的分析，而对综合生态系统服务研究较少。

2015年，环保部印发 《全国生态功能区划 （修编版）》，划定了60个对国家生态安全具有重要意义的重要生态服务功能区。其中三峡库区被确定为 “三峡库区土壤保持重要区”，对整个长江流域具有重要的土壤保持、水源涵养、生物多样性保护、水质安全保障和洪水调蓄等生态服务功能起到重大作用[16]。近年来，三峡工程建设中巨大的 “自然-人工”二元干扰和重庆直辖后快速城镇化、工业化等因素，在一定程度上破坏了原有的生态系统结构和功能，森林植被破坏较严重，水源涵养能力下降，形成了一系列的生态环境问题[17-18]。虽然已有大量学者对近年来三峡库区生态环境变化进行了研究，但主要集中在水环境[19]、地质灾害[20]、水土流失[21]和消落带湿地生态环境的研究[22]，对区域性尺度的生态系统服务功能评估相对较少。

三峡库区土壤保持重要区重庆段位于长江上游的末端，是长江流域的重要生态屏障，具有复杂的自然生态条件和社会经济特征，面临多重生态环境问题的威胁决定了该重要生态功能区生态环境演变在反映区域经济发展和自然生态环境的协同共生方面具有较强的典型性和代表性，对其开展生态系统服务功能重要性空间分异的研究具有重要的理论与实践意义。鉴于此，本文选择三峡库区土壤保持重要功能区（重庆段）为研究对象，借助GIS技术，利用遥感分类、地面核查和生态空间分析方法，从景观格局的角度探索生态系统服务功能重要性空间分异特征，为三峡库区生态环境管理，构建可持续的社会-自然协同发展格局提供科学依据。

1 研究区概况

三峡库区土壤保持重要区 （重庆段）地理坐标为北纬28°31′～31°44′、东经105°49′～110°12′，包括重庆市的22个区县 （自治县），幅员面积46 178.29 km2（图1）。本区地势东部高、中西部低，东部和东南部山地高耸，层状地貌明显，逐级向长江河谷倾降，平均海拔450～1 000 m；低山和丘陵分别占本区面积的46.6%和34.5%。土壤以紫色土、石灰土、黄壤为主。区内气候条件受地势影响垂直性气候差异较大，小气候特征较为明显；多年平均气温14～18℃，气温年差较大；降雨量1 200～1 400 mm，雨量充沛但空间分布不均。区内植被类型多样，物种资源丰富，主要类型有落叶针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶与常绿阔叶混交林、灌草丛和农作物等。研究区内经济社会发展水平较低，2015年常住人口1 011.7万人，人口密度219.08人/km2，城镇化率38.12%；2015年GDP为1 643.53亿元，占重庆市的24.78%，三次产业结构比为16.35∶44.79∶38.86。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

2 研究方法与材料

根据研究区实际情况，选择比较重要的生物多样性维持、土壤保持、水源涵养、固碳4种生态系统服务功能建立评价模型，对三峡库区土壤保持重要区生态系统服务功能进行综合研究，定量揭示生态系统服务功能重要性空间分异特征。

2.1 生物多样性维持功能重要性

生物多样性是维持生态系统稳定性的基本条件，采用InVEST模型中的区域生境质量指数对区域生物多样性维持功能展开评价。

式中：Qxj是土地利用与土地覆盖j中栅格x的生境质量；Dxj是土地利用与土地覆盖或生境类型j中栅格x的生境胁迫水平；k是为半饱和常数，当时，k值等于D值；Hj为土地覆盖j的生境适合性。

栅格y中胁迫因子r（ry）对栅格x中生境的胁迫作用为irxy：

式中：dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离；drmax是胁迫因子r的最大影响距离；wr为胁迫因子的权重；βx为栅格x的可达性水平，1表示极容易达到；Sjr为土地覆盖j对胁迫因子r的敏感性，1表示最大敏感系数；其中wr和Sjr均来自专家打分。

生境质量指数Qxj，按以下公式标准化：

式中：Si为对生境质量指数标准化指数；Sx为i因子中栅格单元生境质量，此处为Qxj；Smin和Smax为i因子评价结果栅格影像的最小值和最大值，此处为min（Qxj）和max（Qxj）。将标准化后的对生境质量指数分为高[0.8～1.0）、较高[0.6～0.8）、中[0.4～0.6）、较低[0.2～0.4）、低[0～0.2）5个等级。

在获取了空间生境质量指数的基础上，结合研究区内自然保护区、森林公园、风景名胜区等重要生态功能区进行空间叠加，确定研究区生物多样性保护重要性等级 （表1）。

表1 生物多样性保护重要性评价分级Table 1 Assessment levels of importance for biodiversity conservation

2.2 土壤保持功能重要性

以通用土壤流失方程USLE为基础，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，以二者的差值，即土壤保持量SC来评价生态系统土壤保持功能的强弱。

式中：SC为土壤保持量；R为降雨侵蚀力因子，计算方法采用周伏建[23]提出的R值简易计算式得到；K为土壤可蚀性因子，参考吴昌广[24]依靠重庆市和湖北省第二次土壤普查资料，采用几何平均粒径模型修正公式计算出的各土种可蚀性K值 （表2），该方法较好地避免了人为随意性的干扰，并且通过对照全国土壤可蚀性K值的小区实测资料和四川遂宁市紫色土的可蚀性K值，验证了三峡库区K值的确定是较为可信的；LS为坡长-坡度因子，采用地形起伏度指标，利用DEM数据在ArcGIS软件中获取；C·P为植被覆盖与管理-水土保持措施因子，参考国家环保部 《全国生态环境十年变化 （2000-2010年）遥感调查与评估项目》技术指南，以及张照录等[25]、张岩等[26]的关于全国植被覆盖与管理因子研究，结合三峡库区实际情况征询专家意见，确定C·P值 （表3）。

表2 研究区部分土壤类型K值Table 2 The K values of various soil types in the study area

表3 研究区不同土地类型C·P值Table 3 The C&P values of the various land use types in the study area

获得土壤保持量SC后归一化到0～1之间，并将土壤保持重要性分为高[0.8～1.0）、较高[0.6～0.8）、中[0.4～0.6）、较低[0.2～0.4）、低[0～0.2）5个等级。

在评价研究区土壤保持量的基础上，可以进一步分析土壤侵蚀可能对下游河流和水资源造成的危害程度。通过将河流、湖泊及水源地与土壤保持功能分布图进行叠加，根据表4的分级标准对土壤保持重要性进行分级，获得土壤保持重要性分级表。

表4 土壤保持重要性分级表Table 4 Assessment levels of soil conservation importance

2.3 水源涵养功能重要性

生态系统水源涵养的生态重要性，在于整个区域对评价区水资源的依赖程度及洪水调节作用。采用降水贮存量法，即森林生态系统的蓄水效应来衡量生态系统涵养水分的功能 （公式7，公式8）。

式中：Q为与裸地相比较，森林、草地、湿地、农田等生态系统涵养水分的增加，单位为mm/（km2·a）；A为生态系统面积 （km2）；J为多年均产流降雨量 （mm）；J0为多年均降雨量 （mm）；K为产流降雨量占降雨总量的比例，参考赵同谦等[27]的研究结论，以秦岭-淮河一线为界，将全国划分为北方区和南方区，其中南方区降雨次数多、强度大，主要集中于4～9月，而北方降雨较少，降雨主要集中于6～9月，因此，南方区K值取0.6；R为与裸地比较，森林生态系统减少径流的效益系数。本研究结合邓坤枚等[28]、张文广等[29]关于长江上游和岷江上游森林生态系统水源涵养量研究成果，以及刘承等[30]关于四川省宝兴县县域生态系统水土保持功能研究成果，征询专家意见，对R值进行了补充和调整，制订出研究区不同生态系统类型R值 （表5）。

表5 研究区生态系统类型R值Table 5 The R values of different ecosystems in the study area

获得蓄水效应Q值并标准化后，将蓄水效应Q分为高[0.8～1.0）、较高[0.6～0.8）、中[0.4～0.6）、较低[0.2～0.4）、低[0～0.2）5个等级。

在水源涵养功能的评价基础上，可以进一步研究区域对水资源的依赖程度及洪水调节作用，即水源涵养重要性。通过将湖泊、水库、水源集水区、各种水源涵养林、河流两侧水源涵养缓冲区与水源涵养功能分布图进行叠加，然后根据表6的分级标准，对研究区水源涵养重要性进行分级。

表6 水源涵养重要性分级标准Table 6 Assessment levels of importance for water conservation

2.4 固碳功能重要性

参考王海稳研究成果[31]，根据不同土地利用类型和碳库 （土壤、凋落物、林下植被、乔木）评价生态系统固碳功能 （公式9）。

式中：Cij_storage为第j种土地利用类型栅格i的碳贮量；Cij_above为第j种土地利用类型栅格i单位面积乔木层碳贮量；Cij_below为第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为第j种土地利用类型栅格i单位面积土壤碳贮量；Cij_dead为第j种土地利用类型栅格i单位面积凋落物层碳贮量；Sij为第j种土地利用类型栅格i的面积。

对碳贮量Cij_storage进行标准化后，将其分为极重要[0.8～1.0）、高度重要[0.6～0.8）、中等重要[0.4～0.6）、比较重要[0.2～0.4）、一般重要[0～0.2）5个等级。

2.5 生态系统综合服务功能重要性

单项生态系统服务功能仅反映了单一方面的生态系统服务功能。需要进行空间融合，反映生态系统综合服务功能的空间分布格局。空间融合按照公式10进行空间叠加计算：

式中：SSj为生态系统综合服务功能指数，Si为i因子生态系统服务功能等级值。

生态系统综合服务功能重要性评价结果按公式11进行标准化。

式中：Si为生态系统服务功能标准化指数；Sx为i因子中栅格单元生态系统服务功能值；Smin和Smax为i因子评价结果栅格影像的最小值和最大值。将标准化后的生态系统服务功能重要性分为极重要[0.8～1.0）、高度重要[0.6～0.8）、中等重要[0.4～0.6）、比较重要[0.2～0.4）和一般重要[0～0.2）5个等级。

3 结果分析

3.1 单因子生态系统服务功能重要性

3.1.1 生物多样性维持功能重要性

三峡库区生物多样性维持功能以高度重要和中等重要为主，面积分别为13 243.93 km2和11 433.74 km2，分别占三峡库区总面积的28.68%和24.76%；其次是极重要和一般重要，面积分别为9 074.03 km2和8 265.93 km2；比较重要区面积最小，仅为4 160.66 km2（表7）。从数量特征来看，三峡库区生物多样性维持功能中等以上面积占较大比例，中等重要、高度重要和极重要区的面积比之和达到70%以上。空间分布特征上，中等重要区呈连片分布，其余生物多样性维持功能重要性类型空间分布总体较为离散。其中极重要区主要分布在国家级自然保护区 （大巴山、缙云山）、国家级森林公园 （雪宝山、红池坝、小三峡、黄水、铁峰山、仙女山、武陵山、桥口坝、歌乐山等）、国家级风景名胜区 （缙云山-钓鱼城、四面山、白帝城、天坑地缝等）等重要生态功能区，这些地区植被覆盖度高，生态系统类型多样，物种丰富度高，对维持生物多样性发挥了重要作用；高度重要区主要分布在呈条带状的七曜山、精华山、方斗山、黄草山、都市区 “四山”的山脊两侧；中等重要区主要连片分布在西部平行岭谷山间谷地、长寿区、涪陵区、忠县大部和开县南部；比较重要区主要分布在云阳县和奉节县境内；一般重要区主要集中在都市区和长江干流上经济发展较好的区县城区周边，如长寿、涪陵、万州。一般重要区大多是城市生态系统，表面上看起来生态系统服务功能重要性不高，但是，这些区域是人类生活和活动的区域，也是自然生态系统和社会生态系统高度交叉的区域，敏感性较高，容易受到干扰而出现生态问题。因此，除了要高度保护极重要、高度重要这样的生态功能重要区域，同时还要注重对一般重要区的保护 （图2）。

3.1.2 土壤保持功能重要性

三峡库区土壤保持功能重要性主要以高度重要和极重要为主，面积分别为14 998.71 km2和10 154.61 km2，面积比分别为32.48%和21.99%；中等重要区、比较重要区和一般重要区面积相当，分别为5 841.55 km2、6 871.33 km2和8 312.09 km2（表7）。空间分布特征上，土壤保持功能高度重要区和极重要区主要分布在东部，其中极重要区主要集中在东北部，巫溪县和开州北部都属于土壤保持极重要区；高度重要区主要分布在武隆区、丰都县、忠县、石柱县、云阳县、奉节县和巫山县，以上区县也基本都属于土壤保持重要区；中等以下重要区主要分布在西部都市区及其周边，以及长寿区北部和涪陵区西部 （图2）。

3.1.3 水源涵养功能重要性

三峡库区是重要的水源涵养功能区，其水源涵养功能重要性主要以高度重要为主，面积为22 433.41 km2，占三峡库区总面积的48.58%；其次是极重要区，面积为8 048.88 km2，比例为17.43%；一般重要区面积有8 307.48 km2，面积比例为17.99%；中等重要和比较重要面积较小，分别为3 163.21 km2和4 225.31 km2，分别占三峡库区总面积的6.85%和9.15% （表7）。空间分布上，高度重要区在区内呈大范围连片分布；极重要区主要在东北部的大巴山区和沿干支流两侧呈带状分布，对维持三峡水库水质、减少泥沙淤积、调蓄洪水等发挥重要作用；比较重要区主要分布在东部云阳县、奉节县和巫山县中部地区；西部都市区及其周边主要为一般重要区 （图2）。

表7 生态系统服务功能重要性评价结果Table 7 The assessment on ecosystem services

3.1.4 固碳功能重要性

三峡库区固碳功能重要性不高，中等重要区占绝对优势，面积和比例分别为 23 998.86 km2和51.97%；其次是高度重要区，面积和比例分别为11 152.06 km2和24.15%；极重要区和一般重要区面积相当，分别为4 363.85 km2和4 973.39 km2；比较重要区面积最小，仅有1 690.13 km2，面积比为3.66% （表7）。空间分布上，高度重要区在西部和中部，主要沿江津区南部-巴南区南部-武隆区北部-丰都县中部-石柱县中部呈条带状分布，东部主要集中在万州区、开州区、云阳县和奉节县境内；中等重要区主要分布在西部都市区和江津区北部、长寿区和涪陵区北部，此外武隆区东部、石柱县东部和万州区北部也有零散分布；中等以下重要区主要分布在都市区和东部大中型城镇区 （图2）。

图2 生态系统服务功能重要性空间分布Fig.2 The distribution on ecosystem services assessment

3.2 生态系统综合服务功能重要性

3.2.1 生态系统服务功能重要性量度特征

生态系统服务功能评价结果显示 （表8），研究区生态系统服务重要性主要以高度重要和极重要为主，二者的面积分别为20 504.42 km2和10 165.75 km2，分别占整个三峡库区总面积的44.40%和22.01%。其次是一般重要区，面积和比例分别为8 693.97 km2和18.83%；比较重要区和中等重要区面积相对较少，分别为4 707.98 km2和2 106.17 km2，所占比例分别为10.20%和4.56%。从生态系统服务功能数量特征来看，三峡库区总体生态系统服务功能重要性较高，其中高度重要和极重要区的面积之和所占比例达到了66%以上。

表8 三峡库区生态系统服务功能分级特征Table 8 The change features of the ecosystem service function in the Three Gorges reservoir

3.2.2 生态系统服务功能重要性空间特征

三峡库区生态系统服务功能重要性水平空间差异显著，总体上东部重要性高于西部。其中极重要区主要分布在两大类型区：第一，沿长江、乌江、小江等主要干支流水域及其两侧，呈条带状分布；第二，呈组团式分布在区内海拔较高的山脊，如东北部巫溪北部大巴山、开州北部雪宝山、精华山、南山，中部七曜山、方斗山、黄草山，以及西部都市区 “四山”和江津区南部四面山。高度重要区主要沿着极重要区外围两侧呈环带状分布，以及呈零散状分布在东北部开县南部、巫溪县南部、巫山县东部、万州区东部，以及中部的忠县、丰都县、石柱县和南部的武隆县等大部分地区。中等重要区和比较重要区面积较少，零星分布在中部和东部涪陵、忠县、万州、云阳、奉节和巫山境内，分布方式主要为交错分布在高度重要区和更低级别的重要区之间。比较重要区和一般重要区主要分布在西部和中部，其中一般重要区主要分布在西部都市区以及中部经济发展较好的区县城区周边，如长寿、涪陵、万州等；而平行岭谷区向斜谷地大部分区域为比较重要区；此外，长寿区北部、涪陵区南部、开州区南部、云阳县中部和巫溪县中部有一部分一般重要区呈团状零星散布在其他重要性类型之间 （图3）。

图3 三峡库区生态服务功能等级分布图Fig.3 Assessment levels of ecosystem service function in the Three Gorges reservior

4 结论

三峡库区总体生态系统服务功能重要性较高，生态系统服务重要性主要以高度重要和极重要为主，高度重要以上地区的面积所占比例达到66%以上；三峡库区生态系统服务功能重要性水平空间差异显著，总体上东部重要性高于西部。极重要区主要分布在两大类型区：呈条带状分布在区内主要干支流水域及其两侧和呈组团式分布在区内海拔较高的山脊；高度重要区主要呈环带状分布在极重要区外围两侧，少部分零散分布。

生物多样性维持功能中等以上面积占较大比例，中等、高度和极重要区的面积比之和达到了70%以上；极重要区主要分布在自然保护区、森林公园等现有保护区；中等重要区呈连片分布，其余生物多样性维持功能重要性类型空间分布总体较为离散。土壤保持功能重要性主要以高度重要和极重要为主，高度重要和极重要的面积比例分别为32.48%和21.99%；高度重要区和极重要区主要分布在东部，其中极重要区主要集中在东北部、巫溪县及开州区北部。水源涵养功能重要性主要以高度重要为主，占面积比例为48.58%；高度重要区在区内呈大范围连片分布，极重要区主要呈带状分布在东北部的大巴山区和沿干支流两侧。固碳功能重要性不高，中等重要区占绝对优势，面积比例为51.97%；其次是高度重要区，高度重要区主要呈条带状分布在西部和中部；中等重要区主要分布在西部都市区和江津区北部，长寿区和涪陵区北部，少部分零散分布。

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责任编辑：肖 萍

Spatial Difference of Ecosystem Service Functions in Soil Conservation Area of the Three Gorges Reservoir(Chongqing Section)

DENG Wei1,3,LIU Deshao2*,TANG Yanqiu1,QI Jing1,3
（1.Chongqing Academy of Environmental Science,Chongqing 401147,China;2.Chongqing University of Science&Technology; Chongqing 401331,China;3.College of Resources and Environmental Science,Chongqing University,Chongqing 400044,China）

Selecting four major service functions of ecosystem including water conservation,biodiversity conservation, soil conservation,and carbon sequestration,this article,using GIS spatial analysis module,makes a comprehensive analysis of the serious influence of the"nature-human"binary on the Three Gorges reservoir soil conservation area.The results indicate that:(1)function of water conservation is given priority to great importance in the study area and the vitally important area is zonally distributed in the northeast of Daba Mountains and the both sides of the main tributaries.(2)the total area of the medium and above importance of biodiversity conservation accounts for more than 70%of the study area.(3)the function of soil conservation is mainly attached great and vital importance, and the vitally important area is concentrated in northeast Chongqing,Wuxi county and the north of Kaizhou. (4)the function of carbon sequestration is given to medium importance area which accounts for 51.97%,mainly distributed in western urban area and the north of Jiangjin district,Changshou district and north of Fuling district.(5)generally,the service function of ecosystem in the Three Gorges reservoir area is of great importance,area given very great importance accounts for 66%or above,and is differently distributed in terms of space,with the east over the west in terms of importance;the area of extreme importance is mainly distributed on the two sides of principal streams and branches,and on the ridges with comparatively high altitude in the study area;area of great importance is in circular distribution on the sides of the outer area of extreme importance.

GIS;Three Gorges reservoir soil conservation area;ecosystem service;spatial difference

X171

：A

：2096-2347（2017）02-0009-10

10.19478/j.cnki.2096-2347.2017.02.02

2017-04-05

重庆市环境保护局重大科技项目 “重庆市生态功能红线划定”

邓伟 （1983-），男，重庆江津人，博士，高级工程师，主要从事生态遥感研究。E-mail：20112001027@cqu.edu.cn

*通信作者：刘德绍 （1967-），男，湖北建始人，博士，主要从事生态环境管理研究。E-mail：cqlds@163.com