三峡库区生态系统服务时空变化及权衡与协同关系研究

孟浩斌，周启刚，李明慧，周 浪，刘栩位，彭春花

(1.重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400067；2.生态环境空间信息数据挖掘与大数据集成重庆市重点实验室，重庆 401320；3.重庆工商大学公共管理学院，重庆 400067)

生态系统服务指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用，是通过生态系统功能直接或间接得到的产品和服务[1]。生态系统服务类型多样，包括维持生态系统动态平衡的支持服务和调节服务，维持人类生存与发展的供给服务，以及愉悦人类精神的美学、教育、宗教等文化服务[2]。各类生态系统服务并不是独立的，而是相互影响的，往往表现为此消彼长的权衡关系和相互增益的协同关系[3]。随着人类社会对自然生态系统控制力不断提高，某些生态系统服务水平被迫下降，极大地削减了当代及后代从生态系统中获取的利益，致使全球许多地区面临生态危机[4]。

探究生态系统服务空间分布规律，揭示不同生态系统服务之间权衡与协同关系的时间变化特征，对促进区域生态系统可持续管理、实现区域经济社会与自然协调发展具有重要意义。近年来，生态系统服务及其权衡与协同关系研究已成为地理学、生态学及生态经济学等多个学科的前沿领域[5]，国内外学者对其从不同角度进行了一定探索。从研究内容上看，主要集中于生态系统服务权衡与协同关系的理论基础、变化特征及驱动因素等方面[6-8]；从研究方法上看，以情景模拟法、空间分析方法和统计学方法进行分析为主[9-10]。针对三峡库区的研究则主要集中在气候、地形和土地利用方式等方面对生态系统服务及其价值的影响[11-12]，生态系统服务权衡及协同关系少有涉及。同时，三峡库区内生态系统服务权衡关系区域异质性及区域差异动态变化方面的研究还较薄弱，亟需开展不同尺度下生态系统权衡与协同关系的对比，以更好理解生态系统服务之间的复杂关系。

三峡库区是我国典型生态脆弱和敏感区，同时也是长江中下游生态安全屏障区[13]。由于快速城市化下的“自然-人工”二元干扰，三峡库区生态系统受损情况日益凸显，出现了消落带水土流失加重、地质灾害频发、生物多样性减少和生态风险加大等一系列生态环境问题[14]。以三峡库区为研究区，基于2000、2010和2018年遥感影像、归一化植被指数(NDVI)、气象和社会统计数据，分析水源涵养、土壤保持、碳固持和生物多样性维持4类生态系统服务时空变化规律，识别不同类别生态系统服务热点区分布特征，并采用相关系数法从全域尺度和基于热点区的综合分区2种尺度上探究三峡库区生态系统服务权衡与协同关系变化特征，旨在为促进区域协调发展提供科学依据和理论参考。

1 研究区概况

三峡库区指按三峡大坝正常蓄水位175 m淹没范围所涉及的26个区域，包括重庆的22个区、县以及湖北省所辖的4个区、县[15]。三峡库区位于我国第2级阶梯东部，大巴山褶皱带、川东平行岭谷和川鄂湘黔隆起褶皱带3大构造单元交汇处，北靠大巴山南麓，南抵云贵高原北缘，总面积约为5.8×104km2(图1)。研究区气候温暖湿润，年均气温为17～19 ℃，年降水量为1 000～1 200 mm，水热条件良好。植被类型有适于偏湿性常绿阔叶林、亚热带常绿和落叶阔叶混交林、亚热带常绿针叶林、热性灌草丛以及竹林等[16]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2000、2010和2018年3期土地利用数据均由中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)获取的Landsat系列卫星遥感数字产品解译而来。空间分辨率为30 m，并根据中国科学院土地利用覆盖分类体系划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类，分类精度均高于92.3%。气象观测数据，包括降水量和气温，来源于国家气象数据中心(https:∥data.cma.cn/site/index.html)。DEM数据来源于地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)提供的ASTER GDEMV2数据，空间分辨率为30 m。NDVI数据来源于美国国家航空航天局MOD13Q1 NDVI数据(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，每年23景影像，共69景影像，并用MODIS reprojection tool (MRT)软件对数据进行格式转换、投影转换及拼接等预处理。土壤数据，包括土壤类型和土壤有机碳含量，来源于世界土壤数据库(harmonized world soil database，HWSD)中国土壤数据集(v1.1)(http:∥westdc.westgis.ac.cn)。将以上空间数据投影统一为UTM投影，空间分辨率统一重采样为30 m。

2.2 研究方法

2.2.1水源涵养服务

水源涵养是一定时空范围和条件下，生态系统将水分保持在系统内的过程和能力，具有空间异质性和动态复杂性[17]，计算公式[18]为

Q=S×J×r，

(1)

J=J0×k。

(2)

式(1)～(2)中，Q为与裸地相比较，林地、草地和耕地等生态系统涵养水分的增加量，mm·km-2·a-1；S为生态系统面积，km2，来源于土地利用类型转换；J为多年年平均产流降水量，mm；r为与裸地比较，各土地利用类型生态系统减少径流的效益系数，数据来自邓伟等[12]的研究成果；J0为多年年平均降水量，mm；k为产流降水量占降水总量的比例，取0.556[18]。

2.2.2土壤保持服务

土壤保持是森林、草地等地表植被具有的防治与减少土壤侵蚀功能，在维持区域生态安全与可持续发展方面发挥重要作用[19]，计算公式[20]为

A=R×K×L×S×C×P。

(3)

式(3)中，A为年平均土壤侵蚀量，t·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K为土壤可蚀性因子，t·h·MJ-1·mm-1；L和S为地形因子，包括坡长因子L和坡度因子S；C为植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。土壤保持服务功能以土壤保持量(Ac)表示，其为潜在土壤侵蚀量(Ap)与现实土壤侵蚀量(Ar)的差值。其中，潜在土壤侵蚀量为没有地表植被覆盖和任何水土保持措施条件下的土壤侵蚀量，即C=1和P=1；现实土壤侵蚀量为有地表植被覆盖和采取一定水土保持措施条件下的土壤侵蚀量。Ac计算公式[21]为

Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)。

(4)

式(4)中，R值计算采用周伏建等[22]的方法；L、S值计算采用王玉莹等[23]的方法；C、P值数据来自龙天渝等[24]的研究成果；K值数据来自吴昌广等[21]的研究成果。

2.2.3碳固持服务

碳固持服务是自然植被将大气中CO2捕获并封存的过程[25]。采用InVEST模型估算研究区碳固持[26]，其计算公式为

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead。

(5)

式(5)中，Ctotal为碳固持总量，t·hm-2；Cabove为地上生物碳储量，t·hm-2；Cbelow为地下生物碳储量，t·hm-2；Csoil为土壤碳储量，t·hm-2；Cdead为死亡有机碳储量(或枯落物碳储量)，t·hm-2。该研究将地上生物碳储量和地下生物碳储量合并为植被碳储量，而死亡有机碳储量难以观测且其储量相对较小，暂且不考虑。碳密度数据来自李义平[27]的研究成果。

生物多样性维持功能关系到区域生态系统服务水平，在一定程度上受制于生境质量[28]。采用InVEST模型生境质量模块测算生物多样性服务，计算公式[29]为

Qxj=Hj{1-[Dxjz/(Dxjz+kz)]}，

(6)

(7)

irxy=1-dxy/dr，max。

(8)

式(6)～(8)中，Qxy为土地利用类型j中栅格x的生境质量，范围为0～1；Hj为生境类型j的生境适宜性；Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境胁迫水平；z为归一化常量，取2.5；k为缩放参数；R为胁迫因子数；Yr为胁迫因子栅格数；Wr为胁迫因子r权重；ry为地类图层中每个栅格上胁迫因子数；irxy为栅格y中胁迫因子r(ry)对栅格中生境的胁迫作用；bx为栅格x可达性水平；Sjr为土地利用类型j对胁迫因子r的敏感性；dxy为栅格x与y之间的线性距离，km；dr，max为胁迫因子r最大有效威胁距离，km。胁迫因子数据来自幸瑞燊[30]的研究成果。

2.2.5生态系统服务热点区的识别

将研究区水源涵养、土壤保持、碳固持和生物多样性维持4类生态系统服务的值超过当年各自平均值的区域视为该类服务的热点区，将这4种热点区进行叠加后得到三峡库区多重生态系统服务热点区分布状况[31]。其中，1、2、3和4类服务热点区分别对应能够提供1、2、3和4种超过全域生态系统服务平均值的区域，若区域各类生态系统服务均小于相应平均值，则为非热点区。

2.2.6生态系统服务热点区权衡与协同关系分析

后两个测点C、D相对于车辆悬浮架的坐标分别为 (x3,z3) 、 (x4,z4)。通过C、D两点做直线，同理可得直线方程：

以2000、2010和2018年三峡库区4种生态系统服务栅格图为基础，对生态系统服务值进行分区采样，采样点距离为1.5 km，基于SPSS 24.0软件进行相关性分析。若2种生态系统服务相关系数在0.01置信水平上为正值，则两者之间呈显著协同关系；若相关系数为负值，且通过显著性检验，则两者之间呈显著权衡关系；若未通过显著性检验，则相关性不强，两者之间呈弱权衡或弱协同关系[32]。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务时空变化

分别计算2000、2010和2018年三峡库区水源涵养、土壤保持、碳固持和生物多样性维持4种生态系统服务，结果见表1和图2。

三峡库区水源涵养服务时空变化明显。从时间变化来看，水源涵养服务数值呈现先降低后上升趋势，最高值和最低值分别出现在2000和2010年。从空间分布上来看，其高值区和低值区分别集中于库区北部和东部。2000—2010年，开县、万州区和云阳县等地涵养水分能力大幅降低，2018年重庆市主城区水源涵养低值区面积仍在不断扩增，但由于水源涵养高值空间分布明显增多，研究区水源涵养服务平均值较2010年有一定上升。

三峡库区土壤保持服务平均值呈先降低后上升趋势，均值为1.46×105t·km-2，其中高值区出现在石柱县、巫溪县、巴东县和秭归县，低值区主要集中于库区东部。2010年江津区、长寿区和万州区等三峡库区中部和北部区、县土壤保持服务较2000年出现较明显退化，2018年土壤保持空间分布与2010年基本一致，但整体上数值有所提升。

表1 三峡库区生态系统服务情况

三峡库区碳固持服务逐年上升，由2000年552.64 g·m-2提升至2018年615.92 g·m-2。空间上，碳固持服务分布格局较为规律，2000年以长江水域为界，北部碳固持数值低，南部数值高，2010和2018年库区碳固持能力明显提高，长江两侧差异变小。

生物多样性维持服务空间分布格局在2000—2018年基本保持不变，2018年数值出现轻微降低。高值区主要分布在石柱县、武隆县和巫溪县，区域开发程度低，生境质量好；低值主要出现在库区西侧的江津区、主城区和长寿区，区域由于受人类活动影响，数值偏低。

3.2 生态系统服务热点区识别

对不同年份各种热点区进行像元统计，2000—2018年4类热点区面积最小，3类热点区面积最大。2000和2010年三峡库区各种热点区面积占比由小到大为4类热点区<1类热点区<2类热点区<非热点区<3类热点区，2018年各种热点区面积占比由小到大为4类热点区<非热点区<1类热点区<2类热点区<3类热点区。由表2可知，三峡库区非热点区、2类热点区和4类热点区面积占比先上升后下降，1类热点区和3类热点区面积占比先下降后上升。

表2 三峡库区多重生态系统服务热点区面积及占比

三峡库区生态系统服务热点区分布见图3。如图3所示，非热点区大多分布在重庆市主城区、江津区北部和长寿区，该区域开发程度高，建筑用地为主要土地利用类型，提供的生态系统服务能力较低。同时，三峡水库水位线145～175 m范围内因常年被淹，提供生态系统服务能力同样较差，因此长江两侧也有非热点区分布。1类热点区以提供碳固持服务为主，2类热点区以提供水源涵养和生物多样性维持服务为主，这2种热点区面积占比小，分布较为离散，空间规律不明显。3类热点区主要提供水源涵养、土壤保持和生物多样性维持服务，集中分布在高海拔地区，如九峰山、缙云山和中梁山等山脉沿线以及武隆区、石柱县、巫溪县、兴山县和巴东县等区域。4类热点区土壤优良、植被覆盖度高、生境质量好，具有较高的水源涵养、土壤保持、碳固持和生物多样性维持服务能力，其分布情况和3类热点区类似，但密集程度较低。

3.3 不同尺度下生态系统服务权衡与协同关系分析

3.3.1全域尺度

三峡库区全域尺度下生态系统服务相关系数见表3。表3显示，4种生态系统服务之间相关系数均呈显著正相关，即呈现协同关系，且2000—2018年，三峡库区全域生态系统服务权衡与协同关系无突变发生。具体来看，水源涵养与土壤保持、水源涵养与生物多样性维持以及土壤保持与生物多样性维持之间相关系数较高，相关性较好，但水源涵养与土壤保持之间相关系数在2018年有所降低；水源涵养与碳固持、土壤保持与碳固持、碳固持与生物多样性维持之间相关系数偏低，相关性较弱，但仍保持协同关系。

表3 三峡库区全域生态系统服务权衡与协同相关系数

3.3.2综合分区尺度

为探究三峡库区不同区域生态系统服务关系的差异情况，将三峡库区按照识别出的生态系统服务热点区进行综合分区划分，并计算各种生态系统服务之间的相关系数(表4)。表4显示，三峡库区各类热点区生态系统服务相关系数与全域差异明显。综合分区尺度下6对生态系统服务关系中，仅水源涵养与土壤保持、土壤保持与碳固持2对关系在2000、2010和2015年各类热点区中全部通过0.01水平显著性检验。就权衡和协同角度而言，碳固持与生物多样性维持之间在各年各类热点区均表现为权衡关系，其他5对关系则出现较大差异。

表4 三峡库区热点区生态系统服务权衡与协同相关系数

具体来看，三峡库区非热点区土壤保持与生物多样性维持、碳固持和生物多样性维持之间为权衡关系，水源涵养与水土保持、碳固持和生物多样性维持之间以及土壤保持与碳固持之间为协同关系。由于1类热点区提供生态系统服务能力较差，不同生态系统服务之间相互制约，除水源涵养与土壤保持之间为协同关系外，其他5对均为权衡关系。2类热点区中各种生态系统服务之间相关性较显著，其中水源涵养与生物多样性维持服务、土壤保持与碳固持服务之间表现为协同关系，其他4对为权衡关系。3类热点区仅水源涵养与土壤保持和生物多样性维持之间为协同关系，其他4对均为协同关系。4类热点区水源涵养与土壤保持和碳固持之间以及土壤保持与碳固持之间相关性较显著，其他3对关系相关性均较弱。

4 讨论

4.1 生态系统服务时空变化分析

全面系统地估算和模拟生态系统服务是对其进行管理及制定相关政策的前提。该研究发现三峡库区生态系统水源涵养服务呈现先降低后增加趋势，这种变化趋势一定程度上与三峡大坝蓄水后水域面积向两岸扩张导致部分覆被被淹没有关[33]，加之库区建设使部分区、县大量林地和草地转化为耕地和建设用地，导致研究区水源涵养服务大幅降低。2012年之后，由于库区大力实施长江防护林、库区绿化带建设以及退耕还林还草工程[34]，植被覆盖度提高，全域水源涵养服务能力又逐渐上升。

土壤保持服务变化情况与水源涵养服务一致，呈现先降低后增加趋势，这与田宇等[35]研究结果较为相似。2010年土壤保持服务退化区域主要集中在库区中部及北部，这与该区域快速发展有一定关系。同时，该变化趋势也与降水量有关，2010年退化区域降水减少，其通过影响RUSLE方程中降雨侵蚀因子R造成土壤保持服务数值在一定幅度上降低。2018年仍有少部分区域土壤保持服务退化，但全域植被覆盖度的提高使得整体数值有所提升。

2018年碳固持服务均值较2000年提高11.45%，增幅明显。虽然2010年主城区建设范围扩大和长江两岸被淹导致部分区域固碳能力下降，但三峡库区实施的退耕还林工程在保护和利用土地资源上起到较重要作用，使库区大部分耕地转为茶园、果园和林地[36]，碳固持服务能力得到显著增加，且净增长量持续上升。

生物多样性维持服务先维持不变，后轻微降低，说明三峡库区生态情况在平稳发展中出现少量下降，这与吴娇等[37]对三峡库区重庆段生物多样性价值变化规律的研究结果基本一致。2010—2018年生物多样性维持服务降低区域几乎全部分布在重庆市主城区中部及西部的江北区、渝北区、沙坪坝区和九龙坡区，结合重庆主城都市区发展趋势，该区域随时间推移会不可避免出现生物多样性维持服务下降从而导致库区整体下降，因此需多加关注这些地区生态系统退化风险。

4.2 生态系统服务权衡与协同关系及分析

三峡库区全域水源涵养、土壤保持、碳固持和生物多样性维持服务之间均为协同关系(表3～4)，其原因为库区水热条件促进了库区周边植被发育，提高了土壤抗冲蚀能力，这与戴路炜等[38]和武文欢等[39]部分研究结论相同。但也有研究[40]表明水源涵养与土壤保持之间为权衡关系，这可能是研究区域自然条件和土地利用方式差异造成的。同时，就三峡库区整体视角而言，研究区范围较大，这可能会消除生态系统服务内部相互影响及外部驱动效应，导致各类生态系统服务之间权衡关系被削弱。三峡库区全域水源涵养与土壤保持、水源涵养与生物多样性维持、土壤保持与生物多样性维持之间的协同关系较重要，其他3对关系相关系数较低，因此可通过调节库区水源涵养、土壤保持和生物多样性维持服务，以提高各类生态系统服务能力，并加强它们之间的协同效应。

4.3 生态系统服务权衡与协同关系的尺度效应

通过对比三峡库区全域尺度与综合分区尺度下各类热点区生态系统服务权衡与协同关系(表3～4)，发现这些关系会随着地理环境空间异质性出现尺度效应：三峡库区非热点区生物多样性维持与土壤保持、生物多样性维持与碳固持2对服务关系与全域相反；4类热点区碳固持与水源涵养、碳固持与土壤保持、碳固持与生物多样性维持3对服务关系与全域相反；2类热点区水源涵养与生物多样性维持、土壤保持与碳固持，以及3类热点区水源涵养与土壤保持、水源涵养与生物多样性维持与全域保持一致；而1类热点区仅水源涵养与土壤保持1对服务关系与全域一致。这说明研究区全域的生态系统服务权衡与协同关系并不能代表内部分区或更加微观尺度上的关系，土地利用类型差异和自然资源在空间分布上的差异会导致区域生态系统服务发生变化，进而影响各类生态系统服务之间的关系，这与京津冀地区[41]以及秦岭山地和黄淮海平原过渡地带[42]的各类生态系统服务之间关系具有明显空间尺度依赖特征一致。

4.4 三峡库区生态保护建设与环境管理对策

由三峡库区生态系服务及其权衡与协同关系的时空演变趋势可以看出，库区快速发展虽挤占了部分生态空间，但整体上水源涵养、土壤保持和碳固持服务仍能保持先下降后上升或持续上升，这说明三峡库区生态保护措施及政策发挥了一定作用。因此，生态环境保护优化能够与城市和社会经济发展同时进行，这些保护措施和政策将成为影响库区未来生态发展的重要因素。

就三峡库区全域尺度而言，各类生态系统服务之间均为协同关系，但由于碳固持功能与其他3类服务协同相关系数较小，因此可主要针对库区水源涵养、土壤保持和生物多样性维持服务功能进行科学管理和工程措施，提升相应的生态系统服务能力。同时，还应结合三峡库区整体的经济发展需要，引入生态补偿措施，缓解城镇扩张等人类活动对生态系统服务的消极影响。就三峡库区综合分区尺度而言，非热点区和1类热点区各类生态系统服务功能之间协同关系最差，亟需进行优化管理。这些区域主要分布在发展较好的库区西部和长江沿岸被淹没区域两侧，针对这些区域，一方面应加强自然资源保护，增加可提升碳固持和生物多样性维持服务能力的成熟林和近成熟林；另一方面，可通过结合当地气候背景和立地条件，在城镇化水平较高的重庆市主城区优化绿地结构和采取屋顶绿化等措施，提升区域整体生态系统服务效益。

该研究根据三峡库区生态系统服务热点区进行综合分区，并分析了库区全域和综合分区2种尺度下生态系统服务关系分异规律。受限于所需数据和现有技术，在研究三峡库区生态系统服务时存在研究年限较短和分析疏漏等问题。同时，相关性分析结果仅能反映2种生态系统服务之间存在关系，不能反映自然-社会-经济对于生态系统服务权衡与协同关系变化的驱动效应和机制。因此，进一步在县域或乡镇更小尺度上研究生态系统服务相互关系及外部因子驱动机制是后续工作重点。该研究还讨论了库区生态保护和环境管理对策，但这些对策仅从较宏观尺度上进行分析，还需考虑三峡库区当地环境条件和管理目标，因地制宜地制定管理方案。

5 结论

(1)2000—2018年，三峡库区水源涵养服务数值呈现先降低后上升趋势，高值区主要分布在库区中东部，低值区主要分布在库区西部。土壤保持服务数值先降低后上升，高值区主要分布在巫溪县、夷陵区和兴山县，低值区则主要分布在长江两岸和主城区。碳固持服务能力逐年上升，2018年碳固持均值较2000年提高11.45%，增幅明显。生物多样性维持变化较小，空间格局也基本保持不变，但2018年出现少量下降，可能存在生态退化风险。

(2)三峡库区非热点区、2类热点区和4类热点区面积占比先上升后下降，1类热点区和3类热点区面积占比先下降后上升。非热点区大多分布在库区东部，受人类活动和长江水域淹没影响，生态系统服务能力较低。1类热点区和2类热点区分布较离散，空间规律不明显。3类热点区集中分布在山脉沿线及高海拔、生态质量较好区域。4类热点区土壤优良，植被覆盖度高，生境质量好，分布区域与3类热点区类似，但密集程度较低。

(3)水源涵养、土壤保持、碳固持和生物多样性维持4种生态系统服务权衡与协同关系相关系数表明，三峡库区全域尺度下各类生态系统服务之间均表现为协同关系，且并未随时间变化而改变。综合分区尺度下不同热点区各类生态系统服务之间相关系数与全域尺度下相比区别较大，部分热点区生态系统服务权衡与协同关系几乎与全域完全相反，这说明受区域土地利用类型和自然资源影响，不同尺度下生态系统服务权衡与协同关系存在不同差异。