极端气温对贵州省生态系统服务的影响

韩会庆 郜红娟 苏志华 张李楠 白玉梅 马淑亮

(1.贵州理工学院 建筑与城市规划学院，贵阳 550003； 2.贵州师范学院 地理与资源学院，贵阳 550018； 3.贵州财经大学 管理科学学院，贵阳 550025)

随着全球气候变暖，世界各地极端气候事件发生频率和强度呈增加趋势[1]．极端气候事件的发生对生态系统结构、组成、功能产生深刻影响，进而对生态系统服务供给能力产生负面影响[2]．生态系统服务是自然生态系统为人类提供的各种产品和服务，它对人类的生存和发展至关重要[3]．气候变化是影响生态系统服务供给的重要因素之一[4]，极端气候作为气候变化研究的重要组成部分，其对生态系统服务供给产生深刻影响[2]．因此，极端气候对生态系统服务的影响研究日益受到世界各地学者的关注，研究生态系统服务对极端气候的响应对生态系统服务科学管理、缓解极端气候负面影响具有重要价值[5]．

目前，极端气候对生态系统服务影响的研究集中在强降水、干旱、高温、低温、风暴的影响[6]．如Santos等[7]研究了佛罗里达沿海持续低温对海产品供给的影响．Terrado等[8]研究了极端降水对淡水生态系统服务供给的影响．此外，极端气候对生态系统服务变化及其经济价值损失的影响受到关注．已有研究发现干旱年份饮用水和水电生产的经济收益下降接近100%，而干旱年份营养物保持功能则提高127%[8]．台风引起的强降雨导致产水和土壤保持大幅增加，而对营养物保持变化的影响较小[9]．然而这些研究鲜有关注极端气候发生频繁的贫困山区．贵州省是中国典型极端气候发生频率和强度均较大的山区[10]．极端高温和低温事件是该区发生严重的气象灾害，波及的范围较广、强度较大，对贵州省的社会经济、生态环境产生巨大威胁[11]．同时，贵州省又是中国典型贫困山区，贫困人口比例较高，该地区社会经济发展对生态环境的依赖度较高．此外，贵州省多样丰富的自然植被给该区提供多种重要的生态系统服务．因此，以贵州省为例，分析极端气温对生态系统服务的影响．

1 研究方法

1.1 数据来源

气候数据是由贵州省气候中心提供的84个气象站点逐日观测数据，土地利用数据是通过利用ENVI软件解译2015年Landsat ETM+遥感影像获取，土壤数据(涉及土壤质地、土壤深度等)来源于中国土壤数据库，高程数据(30m分辨率)来源于地理空间数据云网站(www.gscloud.cn)．

1.2 方法

1.2.1 生态系统服务选择及评估

利用美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型评估生态系统服务[12]．依据研究区特点以及生态系统服务对气候变化的依懒性，选择产水、土壤保持、水质净化3种重要生态系统服务进行评估，评估所需参数主要参考文献[13-14]．产水和水质净化功能评估利用贵州省历年水资源公报和环境状况公报进行结果校正．土壤保持功能评估利用贵州省历年水土保持公报进行结果校正．

1)产水评估

产水模块是利用Budyko曲线和降雨量进行评估．评估所需参数包括：降水量、土壤深度、潜在蒸散量、土地利用、根系深度、植被可利用水含量、高程等．

(1)

式中，Yxj为栅格单元x中土地覆被类型j的产水量，AETxj为栅格单元x中土地覆被类型j的实际蒸散量，Px为栅格单元x的降水量．

2)土壤保持评估

土壤保持模块利用美国土壤流失方程(USLE)进行计算[15]，其原理为土壤保持量等于最大水土流失量减去土壤侵蚀量．

最大水土流失量=R·K·LS

(2)

土壤侵蚀量=R·K·LS·C·P

(3)

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．

3)水质净化评估

水质净化模块是基于土地利用数据，评估在一年时间内提供的营养物质(N、P)持留服务[16]．

WPi=1/ALVi

(4)

ALVi=HSSi·poli

(5)

HSSi=λi/λw

(6)

(7)

1.2.2 极端气温对生态系统服务供给影响的分析

依据文献[17-18]确定2003年7月下旬至8月上旬、2008年1月中旬至2月上旬分别为贵州省极端高温和极端低温发生时段．在此基础上，分别评估极端气温状况和该时段平均气候状态下(1991-2017年)的生态系统服务，然后计算极端气温状况下生态系统服务与平均气候状态下生态系统服务的差值及变化率，进而判断极端气温对生态系统服务的影响．

2 结果与分析

2.1 极端气温对贵州省生态系统服务变化的影响

极端高温影响下贵州省产水、土壤保持整体上呈大幅下降趋势，水质净化呈小幅增加趋势，其中土壤保持下降幅度稍大于产水(见表1)．

从空间格局看，极端高温影响下贵州省绝大部分地区产水和土壤保持呈下降趋势，仅有西南部个别地区以及南部零星地区的产水和土壤保持呈增加趋势，其中北部和东部的产水和土壤保持下降幅度较大；贵州省大部分地区水质净化呈增加趋势，仅有北部和东部地区呈下降趋势，其中中东部地区水质净化增加幅度较大(如图1所示)．

表1 极端高温影响下贵州省生态系统服务整体变化

图1 极端高温影响下贵州省流域尺度生态系统服务变化空间格局

极端低温影响下贵州省产水整体上呈大幅增加趋势，土壤保持和水质净化呈下降趋势，其中土壤保持下降幅度远高于水质净化(见表2)．

表2 极端低温影响下贵州省生态系统服务整体变化

从空间格局看，极端低温影响下贵州省中部和北部的产水呈下降趋势，而东部、南部和西部的产水呈增加趋势，其中西部和西南部是产水增加幅度较大地区；贵州省北部和西南部土壤保持呈下降趋势，东南部和西部土壤保持呈增加趋势．贵州省东南部和西北部以及西部零星地区的水质净化呈下降趋势，北部、中西部和西南部地区水质净化呈增加趋势(如图2所示)．

2.2 极端气温对贵州省生态系统服务影响的机制

受极端气温事件影响，气候因子势必发生深刻变化，进而影响生态系统服务．降水量与蒸发量是影响产水变化的重要气候因子[8]，如极端高温状况下降水量呈下降趋势，而蒸发量呈增加趋势，这使得极端高温状况下贵州省产水呈下降趋势．降水侵蚀力是影响土壤保持的关键气候因子，极端高温和低温状况下降水侵蚀力均呈下降趋势，这使得贵州省土壤保持亦呈下降趋势．降水量与蒸发量作为影响水质净化的气候因子，它们通过影响地表径流进而影响营养物持留量[12]．产水量的减少(增加)导致地表径流大幅下降(增加)，径流携带营养物的能力下降(增加)，营养物多滞留(难以滞留)于地表，从而使得水质净化服务提高(下降)．如极端高温状况下贵州省水质净化的增加与由降水量下降而蒸发量增加引起的产水量下降有关．此外，极端气温影响下气候驱动因子变化的空间格局与生态系统服务变化空间格局密切相关，如极端高温状况下贵州省北部和东部降水量下降幅度较大，而蒸发量增加幅度较小，这使得该区极端高温状况下产水呈大幅下降趋势(如图3所示)．

图2 极端低温影响下贵州省流域尺度生态系统服务变化空间格局

图3 极端气温影响下贵州省气候因子变化的空间格局

3 结 语

贵州省产水在极端高温状况下呈下降趋势，而在极端低温状况下呈增加趋势，水质净化在极端高温状况下呈增加趋势，而在极端低温状况下呈下降趋势，土壤保持在极端高温和低温状况下均呈下降趋势．极端高温影响下贵州省3种生态系统服务变化的空间格局接近，极端高温影响下3种生态系统服务空间格局变化的空间异质性突出．极端气温影响下降水量、蒸发量变化对产水和水质净化产生深刻影响，而降水侵蚀力对土壤保持影响较为突出．

极端气温发生时段选择对本研究结果有一定的影响．1991～2017年间贵州省发生多次极端高温和低温事件，且不同时间段的极端气温事件存在一定差异，如极端气温事件发生程度及范围的差异．为便于分析，本研究在多次极端气温事件中选择典型发生时段，忽视了极端气温事件之间的差异，这使得研究结果具有一定主观性．此外，本研究探讨了极端气温事件发生引起的气候因子变化对生态系统服务的影响机制，没有分析极端气温事件影响下土地利用变化对生态系统服务的影响，这将是未来研究的重要方向．