肖玖军吴 凯张蓝月李可相陈 阳谢 刚
(1.贵州科学院 山地资源研究所,贵州 贵阳550001;2.贵州省土地绿色整治工程研究中心,贵州 贵阳550001;3.贵州省黔西南州自然资源局,贵州 兴义562400)
生态系统形成和维持了人类赖以生存和发展的自然环境条件[1-2],生态系统服务(ecosgstem service)支持了现代社会日益增长的需求[3]。2000年,联合国开展了迄今为止对地球生态系统健康状况最大规模的“新千年生态系统评估”(millennium ecosystem assessment,MEA)[4],从此生态系统服务的关注度直线上升,人们也越来越认识到生态系统服务的重要性[5]。然而由于人为干扰,地球上的大多数生态系统服务能力都在下降[6],MEA研究指出全球近60%的生态系统服务正在退化和不可持续利用[4],其主要原因之一是缺乏对生态系统服务的有效管理。如何加强生态系统服务功能管理、引导和规范人类活动,进而协调生态系统服务功能保护与社会经济发展的关系是人类发展面临的一个重要议题[7]。生态系统服务的空间分异是空间决策的基础[8-9],是生态退化和管理的核心问题之一[10],有证据表明,许多生态产品的分布很可能呈现出诸如聚集的空间模式[11-12]。
云贵高原地势起伏大、山地众多、土地利用结构复杂,导致地理环境差异显著[13-15],形成了丰富的生物多样性资源以及复杂多样的生态系统[16],由于其开发时间短、范围小和程度浅,至今仍保存较好的生态环境,为长江和珠江中下游提供了重要的生态功能产品[17-18]。但在近现代开发进入了高潮,生态行为和资源利用模式发生了紊乱,生态问题日益突出[19]。我国是世界岩溶大国,岩溶面积总和达3.44×106km2,与北方岩溶主要为覆盖型岩溶地貌相比,南方岩溶则主要为裸露型岩溶地貌[20],其丰富的自然生态系统以及多雨的气候特点为该区域提供了水源涵养、土壤保持等多种重要生态系统服务[21-22],同时该区域生态承载力总体偏小[23]、土地退化问题严重,是典型的生态脆弱区[24]。石漠化是生态退化的重要表象,会引起水土流失加剧、土壤肥力下降、生物多样性降低等生态问题[25],减少和损失了生态系统服务[25-26],降低了生态系统容量,加剧了生态系统脆弱性,不利于区域经济社会可持续发展[27]。目前,学者们围绕生态系统服务功能的种类和价值化测算[28-29]等方面开展了卓有成效的研究,如谢高地等[30]基于扩展的劳动价值论原理对中国生态系统提供的11种生态服务类型价值进行核算;对云贵高原岩溶区的生态系统研究多集中于石漠化的形成原因、发生机制以及治理等方面[18,23,27,31-32]。如何在云贵高原岩溶区从生态系统服务功能重要性角度出发推进生态保护,来构建生态安全格局方面,较少受到关注。云贵高原岩溶区兼具高原大地貌和岩溶地质背景的普遍性和特殊性,根据欧阳志云等[33]研究,该区域在水源涵养、土壤保持、生物多样性维护等功能表现突出。基于此,本研究以云贵高原岩溶区典型代表贵州省黔西南州为对象,测算该区域主要生态系统服务功能,评价单项功能重要性,探求研究区生态系统服务功能重要性空间分异规律及影响因素,为云贵高原岩溶区的生态系统有效管理、生态恢复治理和生态安全格局构建等提供参考[34-35]。
黔西南州(104°35′—106°32′E,24°38′—26°11′N)在贵州、云南和广西3省(区)交界处,位于云贵高原向广西丘陵山地的斜坡过渡地带;出露地层以三叠系和二叠系为主,石炭系、泥盆系、第三系、第四系、白垩系也有少量零星分布;成土母岩主要有砂页岩、碳酸盐岩、泥页岩、砂岩、紫色岩、玄武岩及第四纪黏土等;山岭纵横,河谷深切,地形错综复杂,乌蒙山支脉马鞍山自西向东延伸经盘州市南部后再折向东南直抵南盘江畔,苗岭支脉巴东头经紫云县向南直插望谟县,形成绵亘北部的马鞍山,中部的龙头大山和西部的七捧高原及东南部的河谷地带;地形西高东低,北高南低,低中山地面积最广,约占全州国土总面积的60%,低山地仅分布在南、北盘江和红水河的河谷地带;地貌以侵蚀地貌和溶蚀地貌两大类型为主;属亚热带季风性湿润气候,气候温和、雨量充沛,水热同季;主要有红壤、黄壤、石灰土和水稻土等土壤[36];2020年末户籍总人口301.51万人[37],人口密度179.39人/km2。
研究区植被过渡性突出,地带性明显,主要以亚热带常绿阔叶林、亚热带常绿阔叶和落叶混交林为主。同时,生态系统多样,其中森林、灌丛、草地、湿地分别占研究区面积的35.21%,28.64%,2.64%,0.15%[38]。生物种类繁多,植物种类达3 913种以上,其中珍稀植物300多种,有中草药资源近2 000种;有野生动物12纲542种11亚种以上,其中6种被列入国家一级保护动物,36种被列入国家二级保护动物[36],目前已划定有自然保护区9个、森林公园4个、风景名胜区7个、地质公园1个、湿地公园6个,自然保护地体系面积占全州土地总面积的8.48%,主要分布在乌蒙山苗岭生态安全屏障带、西部水源涵养—水土保持区及南北盘江、红水河生态保护带,对我国乃至世界的生物多样性及物种种质资源保护具有不可替代的作用。
根据2016年第3次石漠化监测结果,黔西南州石漠化面积占土地总面积的18.07%,其中轻度、中度、重度和极重度4个等级的石漠化面积分别占总石漠化面19.30%,60.56%,17.31%和2.84%,呈现类型多样、面积大、范围广、程度重、治理难等特点,是西南地区石漠化等级程度较严重、代表性最强、综合治理任务最艰巨的地区[25,39]。根据2020年全国水土流失动态监测成果显示,2020年黔西南州水土流失面积占土地总面积的29.03%,其中轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈5个等级的水土流失面积分别占总流失面积62.85%,16.41%,13.75%,5.95%和1.04%[40]。
研究所用的数据主要有:①植被覆盖度采用以中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所公开的中国2019年年度归一化植被指数(NDVI)数据集进行测算。②DEM获取自地理空间数据云的GDEMV2(30 m)数字高程数据。③土壤属性、土壤渗流等数据来源于中科院全国土壤数据和世界粮农组织(HWSD数据集)。④光热条件数据来源于黔西南州气象局和国家生态系统观测研究网络科技资源服务系统。⑤石漠化和水土流失数据来源于省级石漠化、水土流失监测成果。⑥自然保护地、林地等数据来源于黔西南州林业局林业数据库。⑦生态系统类型数据来源于黔西南州第三次国土调查数据库。为了便于空间运算,所有数据均统一转换成2000国家大地坐标系,3度分带,带号35号,高斯克吕格投影的栅格(grid)数据参与运算。
1.3.1 生态系统服务功能重要性评价 本文主要采用《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南(试行)》[41]和《生态保护红线划定指南》[42]对3项生态系统服务单项功能进行测算并评价其重要性,后集成出生态系统服务综合功能重要性。
(1)水源涵养功能。用水量平衡法[43]来计算生态系统水源涵养量,以此评价生态系统水源涵养功能的相对重要程度。降水量大于蒸散量较多且地表径流量相对较小的区域,水源涵养功能重要性较高。优先将前50%累积水源涵养区确定为水源涵养极重要区。
式中:TQ为总水源涵养量(m3);Pi为降雨量(mm);Ri为地表径流量(mm);ETi为蒸散发(mm);Ai为i类生态系统面积(km2);i为研究区第i类生态系统类型;j为研究区生态系统类型数。
(2)水土保持功能。植被覆盖度≥80%的森林、灌丛和草地且坡度≥25°优先确定为水土保持极重要区域;在此范围外,植被覆盖度≥60%的森林、灌丛和草地且坡度≥15°优先确定为水土保持重要区域。
植被覆盖度:
式中:NDVIveg为完全植被覆盖地表时的信息;NDVIsoil为无植被覆盖地表时的信息。
(3)生物多样性维护功能。采用生物多样性维护服务能力指数表征生物多样性维护功能重要性,计算公式为:
式中:Sbio为生物多样性维护服务能力指数;NPPmean为年均植被净初级生产力;Fpre为年均降水量;Ftem为年均气温;Falt为海拔因子。
(4)生态系统服务功能重要性集成。集成参考林子雁等[44]方法,在ArcGIS中叠加分析上述3项单项服务功能重要性结果,得到研究区生态系统服务功能重要性等级。计算公式为:
式中:ESi为i空间单元上的生态服务功能重要性等级;D1i—Dni为i空间单元上单项服务功能重要性等级。
1.3.2 空间自相关分析 地理学第一定律(Tobler’s first law,TFL)指出事物间相互联系,且近物比远物具有更强关联性[45]。生态系统服务功能既是生态问题,也是地理问题,其水平高低不仅受到自身发展影响,同时受到周围事物影响,因此,将生态系统服务功能重要性比例与空间属性相结合,建立空间模型,可有效分析数据的空间关联性,这种关联性主要表现在空间数据的相互作用与扩散作用上[46]。现今对生态系统服务空间异质性研究主要体现为两方面[47],一是空间分化程度测量或生态系统服务空间差异分析[48];二是探讨生态系统服务驱动力及驱动机制[49]。本研究主要采用全局和局部的两类空间自相关来进行空间异质性分析。
(1)构建空间权重矩阵。本文在Geoda软件中选择采用基于距离空间权重标准定义空间矩阵,采用几何中心为变量,方法为K-近邻法(邻居数取4)。
(2)全局自相关。全局自相关主要是用来度量某一空间数据在整体上表现出来的空间特征,本文采用Moran’sI指数表征整体空间特征,反映相邻数据在空间上的相似程度与关联性。
Moran’sI指数的计算公式为:
式中:i≠j,I为Moran’sI指数,其值-1到1之间;n为村域个数;xi,xj为村域i和村域j的指标值;ˉx为指标平均值;S2为指标方差。计算完后并进行显著性检验。
(3)局部自相关。用局部自相关来刻画空间关联的异质性和不稳定性,特别是局部地区空间关联模式,测度方法包括LISA(local indicators of spatial association),G统计和散点图。本文主要采用局部Moran’sI指数法,计算公式为:
式中:zi',zj'分别表示指标标准化值,其余指标含义与前文一致。检验方式也与全局自相关一致。
同时,将Moran散点图划分为4个象限,其中第1象限表示指标高的村域被指标高的村域包围,第2象限表示指标低的村域被指标高的村域包围,第3象限表示指标低的村域被指标低的村域包围,第4象限表示指标高的村域被指标低的村域包围。绘制出Moran LISA显著水平图(α=0.05),Ii显著>0且Zi>0时为“高—高”(H-H)类型区,Ii显著>0且Zi<0为于“低—低”(L-L)类型区;Ii显著<0且Zi>0为“高—低”(H-L)类型区;Ii显著<0且Zi<0为“低—高”(L-H)类型区。
2.1.1 水源涵养功能 水源涵养功能极重要区有4 498.68 km2(面积比例为26.76%,图1),主要分布在望谟西北—贞丰中部—安龙西北—兴义一线以北和望谟与册亨邻近红水河的区域,具体涉及普安、晴隆、兴仁、兴义的大部,贞丰北部,安龙、册亨和望谟的局部。水源涵养功能重要区有5 357.92 km2(面积比例31.88%),主要分布在望谟西北—贞丰中部—安龙西北—兴义一线以南的区域,具体涉及安龙、册亨和望谟的大部,贞丰和兴义南部,普安、晴隆和兴仁的小部。
2.1.2 水土保持功能 水土保持功能极重要区有782.67 km2(面积比例4.66%,图1),主要分布在望谟、册亨、贞丰、兴义东部与西南部、兴仁西南部、普安南部与中北部、晴隆南部。水土保持功能重要区有5 133.21 km2(面积比例30.54%),主要分布在除晴隆西部—贞丰中部—兴仁中部—安龙中部—兴义中部的S条形带之外的区域。
2.1.3 生物多样性维护功能 生物多样性维护功能极重要区有2 053.70 km2(面积比例12.22%,图1),呈片块状分布,主要有南部哑铃状的清水河自然保护区—仙鹤坪自然保护区、册亨北部、望谟中北部、贞丰东部、兴仁南部、晴隆北部、普安的楼下、地瓜、新店、罐子窑等区域。生物多样性维护功能重要区有7 945.08 km2(面积比例47.27%),分布在全州大部分区域,主要涉及望谟、册亨、贞丰和晴隆大部,普安北部,兴仁东部、东北部和西南部,安龙东部、南部与西部,兴义东南部与白龙山。
2.1.4 生态系统服务功能重要性集成评价 生态系统服务功能极重要区有6 569.14 km2(面积比例39.08%,图1),分布在全州大部区域,主要在除兴义南部、安龙中部大部区域、册亨南部、望谟西南部之外的广大区域。生态系统服务功能重要区有7 152.13 km2(面积比例42.55%),分布在全州大部区域,兴义主要分布在南部和白龙山,其余县(市)主要在除安龙东南部和西南部、望谟中部、贞丰中部、兴仁中部和普安中南部之外的广大区域。
图1 生态系统服务功能重要性单项及集成分布
以村为单位统计其生态系统服务功能重要性面积,计算重要性等级面积比例,然后在GeoDa软件中进行分析。
2.2.1 全局空间自相关分析 由表1可知,在研究期内,1 189个村级单位生态系统服务功能重要性比例呈正的空间自相关,各功能其重要性的全局Moran’sI指数均在0.65以上,表明各村生态系统服务功能重要性比例的空间分布并不是完全随机状态,而表现出空间聚集特性,即具有较高比例的村与具有较高比例的村相邻或者具有较低比例的村与具有较低比例的村相邻。
表1 全局Moran’s I指数
为了检验Moran’sI是否显著,在Geoda中采用Monte Carlo模拟999次检验,均通过了显著性检验(α=0.01)。
2.2.2 单变量空间自相关分析 为了更加直观地看出空间分布情况,进行了局部相关分析(图2—5)。
(1)水源涵养功能。①一般重要。一般重要比例的空间自相关聚类主要有3种类型(图2),分别为:高—高聚集类型,主要有2个条带,条带一包括兴义西峰林—兴义东峰林—安龙德卧—册亨巧马,条带二包括区块二包括普安青山—兴仁城区—贞丰者相—兴仁百德;低—低聚集类型,有2个条带和1个区块,条带一包括兴义三江口—兴义东峰林—安龙德卧,条带二包括安龙笃山—册亨百口,区块包括北盘江以东的广大区域;不显著类型涉及区域较广,主要分布在黔西南州北部、中部和西南部。②重要。重要比例的空间自相关聚类主要有三种类型(图2),分别为:高—高聚集类型,主要分布在黔西南州西部的册亨和望谟2县;低—低聚集类型,主要分布在贞丰、兴仁、普安和兴义;不显著类型主要分布在黔西南州东北至西南一线和晴隆中部。③极重要。该比例的空间自相关聚类结果与重要比例的聚类结果除高—高聚集类型与低—低聚集类型分布相反外,其他总体上较为类似。
图2 水源涵养功能重要性变量局部Moran’s I聚类图
(2)水土保持功能。该类型功能的3级重要性比例空间自相关聚类结果呈现较大的趋同性(图3),总体上一般重要的高—高聚集类型和低—低聚集类型与重要的低—低聚集类型和高—高聚集类型相对应,呈反向结果,极重要的高—高和低—低2个聚集类型主要分布在重要的对应2中聚集类型中。其中重要比例的高—高聚集类型主要分布在册亨和望谟2县;低—低聚集类型主要分布在贞丰北部、兴仁北部、晴隆东部、兴义中部—安龙东部。
图3 水土保持功能重要性变量局部Moran’s I聚类图
(3)生物多样性维护功能。该类型的一般重要与重要2比例的空间聚集类型呈相反分布(图4)。由图4可以看出,研究区重要比例的高—高聚集类型主要分布在普安北部—晴隆—贞丰北部、望谟北部—东部—南部、册亨北部—中部—东部;低—低聚集类型主要分布在兴义除东南的大部—安龙北部—兴仁中部—普安南部。极重要比例的低—低聚集类型大体与重要比例聚类结果相似,高—高聚集类型主要分布在安龙西南部和东南部、贞丰中东部、望谟西部、普安中部。
图4 生物多样性维护功能重要性变量局部Moran’s I聚类图
(4)生态系统服务功能。总服务功能与水源涵养在空间聚集上呈较高相似性(图5),亦存在一定变化,一般重要的高—高聚集类型和低—低聚集类型比水源涵养功能有一定的扩大,高—高聚集类型主要增加了兴义西部和北部,低—低聚集类型则增加了普安北部和晴隆北部;而总服务功能的重要和极重要高—高聚集类型和低—低聚集类型则比水源涵养功能有一定缩小。无论是生态系统服务的单功能还是总功能,各级重要性均表现出较强的空间自相关,总体来说,一般重要的高—高聚集类型均分布在黔西南州的中西部,低—低聚集类型分布在东部和北部;重要性则与前者成反向分布;水源涵养功能和生态系统总服务功能的极重要分布与水土保持功能和生物多样性维护功能的分布相反,前两者高—高聚集类型分布在北部、西部与西南部,低—低聚集类型分布在南部和东部。
图5 生态系统服务功能重要性变量局部Moran’s I聚类图
2.2.3 双变量空间自相关分析 对重要以上单功能
进行双变量空间自相关分析(图6)。生物多样性维护功能分别与水源涵养功能、水土保持功能的聚类结果存在相似性,高—高聚集类型主要分布在东部的册亨和望谟、北部的普安和晴隆以及兴义东峰林,低—低聚集类型主要分布在兴义—安龙—贞丰—兴仁—普安一带,高—低聚集类型主要分布西南部的兴义,低—高聚集类型主要分布望谟以北的北盘江沿线。水源涵养功能与水土保持功能空间自相关表现为高—高聚集类型主要分布在册亨和望谟,低—低聚集类型主要分布在兴义—安龙—贞丰—兴仁—普安一带,低—高聚集类型主要分布册亨和安龙临近南盘江一线,高—低聚集类型则零星分布在兴义、贞丰、晴隆等区域。
图6 双变量局部Moran’s I聚类图
2.3.1 生态问题对生态系统服务功能重要性的影响
(1)石漠化。生态系统服务功能重要性等级与石漠化等级耦合程度略呈差异(图7),从潜在石漠化到极重度石漠化,一般重要和重要的生态系统服务功能比例逐渐增加,极重要的生态系统服务功能比例逐渐降低,非岩溶区的一般重要比例相对较高,极重要比例相对较低。表明石漠化在一定程度造成生态系统服务功能重要性下降,这与石漠化带来的生态退化相符,由于一些内因和外因,致使植被破坏,水源涵养能力下降,水土流失加剧,而造成基岩裸露,成为石漠化,生物多样性亦随之下降,李阳兵等[21]研究表明石漠化会使土地生产力严重下降,地表缺水缺土少林草,章维鑫等[50]研究表明生态系统服务对不同土地利用方式下的石漠化和非石漠化区的响应不一样,石漠化区的产水服务和固碳服务均小于非石漠化区。
图7 生态系统服务功能重要性与生态问题耦合图
(2)水土流失。水土流失对重要和一般重要等级的生态系统功能影响不大(图7),极重要等级随着水土流失等级增加呈先减少后增加趋势,这主要是无水土流失、轻度水土流失和中度水土流失面积较大,较为明显地降低了生态系统功能中的水土保持功能,并在生态系统服务综合功能上得到体现,强烈及以上的3个水土流失等级面积较小,其影响结果被水源涵养功能和生物多样性维护功能所掩盖而显现不突出。
2.3.2 生态系统服务功能重要性分布集聚性受地质背景影响 由图8可知,随着坡度的增加,极重要等级生态系统服务功能面积比例从24.43%逐渐增加到68.70%,重要等级面积比例则是先增加,在20°~25°达到最大值49.91%后逐渐下降到26.95%,而一般重要等级则是在0°~5°时面积比例最大,达到43.77%,在2°~10°就降到重要和极重要比例之下,后不断下降,最后比例在5%以下。
图8 生态系统服务功能重要性与地质背景耦合图
从母岩方面看,泥质岩类、红色风化壳上的重要以上生态系统服务功能面积比例相对较小,比例最高的为基性岩类和石英岩类,极重要面积比例较大的为基性岩类、石英岩类和紫色岩类;地貌成因对生态系统服务功能影响较为明显,侵蚀—剥蚀类型的重要以上生态系统服务功能面积比例最高,溶蚀—侵蚀类型面积比例最低;地貌形态对生态系统服务功能重要性等级比例影响较为明细,重要以上生态系统服务功能面积比例在中盆地处于最低水平,仅为27.38%,地貌类型向丘陵、山地变化时,重要以上面积比例逐渐增加,在低中山达到最大(91.44%);山地不同切割深度对生态系统服务功能重要性等级比例影响不大。
坡度、母岩、地貌成因、地貌形态、切割深度等地质背景对生态系统服务功能分布有较强的影响,地质背景是环境条件的重要影响因子,对水热再分配、土壤发育、人为活动范围等都具有较大的影响,同时地质背景在空间上亦呈现突出的集聚性和异质性,一定程度上也促使生态系统服务功能重要性具有集聚性和异质性。赵筱青等[51]对滇东南喀斯特山区研究也表明土地利用类型、自然环境状况是造成生态系统服务综合供给能力差异的主要因素。
(1)研究区整体水平较高生态系统提供了较好的生态系统服务功能。研究区生态系统整体水平较高,较高重要性的面积比例高,其中水源涵养功能和生物多样性维护功能重要以上的面积比例在55%以上,水土保持功能在重要以上的面积比例为35.20%,生态系统服务总体功能在重要以上的面积比例达到81.63%。从功能大小来看,生物多样性维护功能>水源涵养功能>水土保持功能。不同的环境及社会本底特征形成生态系统服务供给种类和供给量的不同[34]。研究区生物多样性丰富,加上经济社会发展欠发展和原生态文化等原因对生态系统的人为干扰相对较弱,较多原生植被得到保护,同时大量人员外出务工,降低了人地矛盾,受损生态系统也得到不断恢复,形成了较好的生物多样性维护功能。杨渺等对四川省生物多样性与生态系统多功能性进行了分析,表明水源涵养能力与植被状况和降水均有直接关系,与多样性指标景观丰度及邻近距离呈极强正相关,而与景观丰度密度则呈极强负相关关系[52],本研究区亦体现了这个规律,较好的生物多样性和水热条件为水源涵养功能提供基础条件。
(2)研究区生态系统服务功能重要性表现出较强的空间集聚性和异质性。无论是单项功能还是总体功能,均表现出较强的空间集聚性,整体表现出条带或区块分布,生物多样性维护功能分别与水源涵养功能、水土保持功能的聚类结果存在相似性,具体各功能其各重要性等级又表现出差异性。这与以往研究结果一致,景海超等[34]对青藏高原典型区研究表明各生态系统服务功能之间主要为协同关系,赵雪雁等[53]对黄土高原研究也表明生态系统服务功能供给具有较强的空间集聚性。
(3)生态系统服务功能重要性与石漠化和水土流失等生态问题存在耦合性,空间分布集聚性受水热条件、地质背景、人为等因素综合作用的结果,在空间分异上,整体来讲东部和东南部为高—高聚集类型的情况较多,该区域母岩主要为砂页岩,且处于河谷地带,积温较高,发育的土壤厚度较大,同时人口压力较小,故而保持了较好的植被和具备较快的植被恢复能力。
综上所述,云贵高原岩溶区有较好的生态系统服务功能供给能力,同时生态保护与发展存在较为突出的矛盾,科学合理地构建生态保护安全格局是生态保护与发展的重要基础,而精准地识别生态系统服务功能、评估重要性程度以及其演变趋势是划定生态功能区的前提。本文受数据获取的限制,采用了多种比例尺的基础数据,总体上能够满足中大尺度的规律分析,但对岩溶区生态系统服务功能机理研究还不够深入、实证研究也还很不充分,要做到实施级的评估,可进一步丰富数据来源、提高数据精度,以系统辨识区域生态系统服务功能空间分异影响原因以及变化驱动机制。同时村级单元存在面积不规则、大小不均衡等现象,可尝试以大格网为单元,进行空间分异研究,以进行交互验证。