浙中地区生态系统服务时空特征及其权衡/协同关系研究

沈杏雯 ,李加林,2,3* ,田 鹏 ,张海涛

（1.宁波大学 地理科学与旅游文化学院,浙江 宁波 315211;2.宁波大学 东海研究院,浙江 宁波 315211;3.宁波陆海国土空间利用与治理协同创新中心,浙江 宁波 315211）

生态系统服务(Ecosystem Services)是人类从生态系统中获得的各种惠益[1],根据评价和管理的需要,将生态系统服务进行分类[2].各种生态系统服务之间相互影响,具有不同程度的权衡或者协同关系[3].权衡(Trade-offs)是指某些生态系统服务的增加或减少,会使其他类型生态系统服务出现减少或增加的情况;协同(Synergies/Co-benefits)是指2 种或2 种以上的生态服务系统在发展过程中出现同时增加或同时减少的情况[4].生态系统服务之间的权衡与协同关系,导致并非每一种服务的效用都能达到最大化,这就需要政府或社会的决策思考.因此,探究生态服务系统的时空变化特征,厘清生态系统服务之间权衡/协同关系,可以为后续生态系统保育提供研究基础,为区域国土规划与生态补偿提供科学依据,对平衡经济发展与生态建设的关系具有重要意义.

生态系统服务及其权衡/协同关系已经成为当前许多生态经济学和环境经济学学者关注的焦点.对生态系统服务评价的方法主要分为价值量与物质量评估2 种类型,其中InVEST 模型作为物质量评估方法之一,因其具备计算相对便利、结果可视化、适用范围广等优点[5],被广泛应用在流域[6]、行政区[7]、自然保护区[8]等不同研究区域的生态系统服务功能评估中.对生态系统服务权衡/协同的研究主要包括权衡与协同的类型识别、时空特征研究、驱动因素探析、管理决策确定等[9].虽然国内外相关研究成果较为丰硕,但在理论研究方面,长时间序列的生态系统服务及其权衡/协同关系研究相对较少,多数学者更为关注生态较为脆弱、生态经济发展更为重要的地区,对东部沿海经济相对发达地区的研究较少.在实证研究方面,如何将现有的理论认识更好地向决策应用转化仍需进一步付诸实践,以真正达到生态系统与经济效益的双赢,实现协同效应[10].

浙中地区(以金华—义乌为主)被定义为浙江省第四大都市区,作为浙江省重要的经济发展增长极和生态屏障,在其加速发展过程中人类活动对其生态系统也在不断产生着重要影响[11].浙中地区现有研究偏向于土地利用方面[12],关于生态系统服务相关研究的时间跨度一般较短,且常忽略对生态系统服务权衡/协同关系的逻辑表述.

本研究通过大时间跨度、选取合适的生态系统服务权衡/协同关系分析方法,探讨基于土地利用的浙中地区生态系统服务时空特征及其权衡/协同关系,以期为生态系统保护与经济发展的差异化平衡及双赢提供参考.

1 研究区概况

借鉴文献[11]中广义浙中地区的概念,本文研究区包括金华全境、龙游县、缙云县、诸暨市(图1).浙中地区在浙江省中偏西南部,地貌主要为丘陵盆地,盆地底部分布大小不一的冲积平原.

图1 浙中地区地理位置与高程

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

本文以1980 年、1990 年、2000 年、2010 年、2020 年5 期,30 m 分辨率的Landsat 遥感影像目视解译生成的土地利用分类数据(http://www.resdc.cn/)为基础数据,其他主要数据包括: (1)30 m 分辨率的数字高程模型(DEM)数据,来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/);(2)90 m 分辨率5 期年降水数据,来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/);(3)30 m 分辨率5 期年潜在蒸散发数据,来源于CGIAR-CSI(https://cgiarcsi.community/data/global-aridity-and-pet-database/),数据基于Penman-Montieth 参考蒸散方程实现;(4)1 km 分辨率土壤数据,来源于世界土壤数据库(HWSD)中国土壤数据集(v1.1)(http://westdc.westgis.ac.cn/).

2.2 研究方法

采用InVEST模型对生态系统服务进行定量评估[13].

2.2.1 产水量估算

InVEST 模型具有可估算研究区每个子流域的产水量模块.考虑降水、蒸散、土壤、植被等多种影响因素,来确定每个栅格x的年产水量(Yx),其计算公式为:

式中:Nx为单栅格年实际蒸散量;Px为单栅格年降水量.

对植被相关的土地利用/覆被变化(LULC),式中N x/Px部分采用文献[14-15]提出的Budyko 曲线表达式计算:

式中:Tx为单栅格年潜在蒸散量;wx为表征单栅格自然气候土壤特性的非物理参数.

式中:Kc(Lx)为与单栅格植被类型(Lx)相关的植物(植被)蒸散系数;Qx为单栅格年参考蒸散量.

式中:Wx为单栅格土壤有效含水量,mm,数据主要参考文献[16],剔除相差大的个别数据,其余计算平均值用以修正;Z为Zhang 系数,取6.5[17].

式中:Dsoildepth为土层厚度;Drootdepth为根系深度;WPAWC为植物有效水分含量(单位体积田间持水量与凋萎系数之间的差),具体参见文献[18]、中国土壤数据库管理与共享平台(http://www.soilinfo.cn/map/index.aspx)、中国土壤数据库(http://vdb3.soil.csdb.cn/).

对于其他LULC(开放水域、城市、湿地),单栅格年实际蒸散量直接从Qx计算得到,其上限由降水量决定,计算公式为:

2.2.2 碳储量估算

土地上的碳储量主要依据4 个碳“池”计算:

式中:C为碳储量;Cabove为地上碳储量;Cbelow为地下碳储量;Cdead为死亡有机质碳储量;Csoil为土壤碳储量.

参考文献[19-20],以各地类的碳密度值来计算4 个碳“池”的碳储量.

2.2.3 土壤保持估算

沉积物输送模块是在输入空间分辨率DEM 栅格下工作的空间显式模型.对于每个单栅格,模型首先计算侵蚀的沉积物量,然后计算沉积物输送比(SDR),即实际到达集水区出口的土壤流失比例[21].土壤保持量可以理解为潜在的土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之间的差,栅格x的年土壤保持量(Ax)通过修正通用土壤流失方程式计算:

式中:Rx为单栅格降雨侵蚀力;Ux为单栅格土壤可蚀性;Vx为单栅格坡度梯度因子;Gx为单栅格作物管理因子;Sx为单栅格水土保持措施因子[22-23].

式中:Ux计算参见文献[24]中William 方程;fx(csand)、fx(cl-si)、fx(orgc)、fx(hisand)分别表示单栅格粗砂、粉粒与黏粒、有机碳、砂含量对土壤可蚀性因子的贡献程度.

利用植被覆盖度估算G方法[25],fc为植被覆盖率,其计算公式为:

2.2.4 生态系统服务权衡/协同关系评估方法

在研究区内选取合适的采样点,进行相关性分析,探究3 种关键生态系统服务5 期中两两之间的相关关系.为了更好地评估生态系统服务之间的权衡协同关系,参考文献[26],引用生态系统服务权衡协同度(ESTD)模型,评估研究区多年间生态系统服务变化量之间相互作用的方向和程度.

式中:Emn为第m、n种生态系统服务权衡协同度;Hmb为b时刻第m种生态系统服务的变化量;Hma为a时刻第m种生态系统服务的变化量;Hnb为b时刻第n种生态系统服务的变化量;Hna为a时刻第n种生态系统服务的变化量;Emn为负值时,表示2 种生态系统服务为权衡关系,Emn为正值时,表示2 种生态系统服务为协同关系,Emn绝对值表征相较于第n种生态系统服务的变化,第m种生态系统服务变化的程度.

3 结果分析

3.1 1980―2020 年浙中地区土地利用类型

图2(a)和(b)分别为1980 年、2020 年浙中地区土地利用类型,图2(c)为40 年间浙中地区主要土地利用变化.结合表1 可知,浙中地区土地利用类型在地理分布上呈现区域性差异.

表1 1980―2020 年浙中地区土地利用转移矩阵 km2

图2 1980―2020 年浙中地区土地利用变化

耕地主要分布在盆地底部冲积平原,1980―2020 年间,耕地面积从 4 963.00 km2减少至4 121.31 km2,大部分转化为城乡、工矿居民用地,占减少面积的78.6%.林地主要分布在丘陵地区,研究期间林地面积从9 061.41 km2增加至9 944.41 km2,大部分由草地转化而来.草地主要分布在低山丘陵地区,1980 年主要集中在磐安县内,至2020年则零星分布于研究区内丘陵低地,共计减少883.00 km2.水域主要汇聚在地势相对低洼处,研究期间水域面积从197.87 km2增加至233.28 km2,由耕地转化而来的水域面积最大,占增加面积的81.0%.城乡、工矿居民用地主要分布在靠近河流的盆地底部冲积平原,1980 年呈点状分散分布,至2020 年则沿河流不断聚集,形成较大团状斑块.研究期间城乡、工矿居民用地面积剧烈增加,从316.64 km2增加至1 229.31 km2.未利用土地所占面积最少,在研究区内呈极少数点状分布.3.2 1980―2020 年浙中地区生态系统服务时空特征

图3(a)和图4(a)分别表示1980―2020年浙中地区5 期单栅格产水量的空间分布与变化.5 期中,浙中地区产水量年平均值分别为807 623.03、957 218.77、852 361.56、1 235 992.93、633 089.74 m3·km-2,多年平均值为897 257.21 m3·km-2,40年间浙中地区产水量总体呈现减少趋势,为-174 533.29 m3·km-2.从空间分布看,浙中地区的产水量高值区主要在研究区中部,在地势较低的盆地平原地区较多,在地势较高的山地丘陵地区较少.1980―1990 年间,浙中地区产水量存在区域性的整体增加,这主要是因为1990 年浙中地区的年降水量有1 657.03 mm,比1980 年增加了近200 mm.至2000 年,产水量有所回落,除年降水量较1990 年减少约100 mm 外,磐安县内剧烈的土地利用变化使得产水量有所减少.磐安县自1983 年恢复县制,致力于封山育林、植树造林、退耕还林,林地面积有了显著增加,而林地树木根系深、具备强大的蒸腾作用,比草地更能截留地表水,故林地产水能力逊于草地.2010 年是5 期中年降水量最多一年,达1 985.39 mm,产水量也为5 期中最多.而2020 年年蒸散量远大于其他4 期,年降水量与2000 年相似,故产水量最少.同时40 年间,尤其是2000―2020 年,城乡、工矿居民用地迅速呈团块状向四周扩散,替代以耕地为主的其他类型土地,而城乡、工矿居民用地因其人工建设特征,不利于降水下渗、蒸散量相对低,故地表产水量有所增加.

图3(b)和图4(b)分别表示1980―2020 年浙中地区5期碳储量的空间分布与变化.5期中,浙中地区碳储量年平均值分别为18 010.40、17 987.51、18 041.94、17 766.06、17 602.84 t·km-2,多年平均值为17 881.75 t·km-2,多年间波动幅度较小,40 年间浙中地区碳储量总体呈现少量减少趋势,为-407.56 t·km-2.从空间分布看,浙中地区碳储量呈现四周高,中部低分布.碳储量的变化主要同土地利用类型变化有关.碳储量减少较大区域呈现团状,零散分布于研究区各个县城内,这主要是因为40 年间由其他类型的土地转化而来的大量城乡、工矿居民用地,而城乡、工矿居民用地碳储能力较低,表明城市扩张进程对生态系统碳储能力有侵损.以磐安县内为主的草地大量转化为林地,而林地的碳储能力相对较高,使得这部分区域碳储量有所增加.

图3(c)和图4 中(c)分别表示1980―2020 年浙中地区5 期土壤保持的空间分布与变化(其中白色大块栅格为主要的无土壤区域).5 期中,浙中地区土壤保持量年平均值分别为353 269.95、436 260.90、397 733.98、582 586.16、399 813.06 t·km-2,多年平均值为433 932.81 t·km-2,40 年间浙中地区土壤保持总体呈现增加趋势,为46 543.11 t·km-2.从空间分布看,浙中地区土壤高值区分布较为分散,主要位于四周海拔相对较高的区域.1980―1990 年间,浙中地区土壤保持在整个区域均有所增加,这主要是因为降水量增加使得降雨侵蚀力增大.此后多年间,降水量的波动一直是影响土壤保持发生变化的主要因素.40 年间浙中地区大部分区域土壤保持的总体增加主要同降雨侵蚀力整体性增大、土地利用变化、多年间植被覆盖率的逐渐增大有关,相对高海拔区域土壤保持的增加量大于相对低海拔区域.婺城区、武义县、缙云县南部以及研究区东部磐安县内土壤保持相对较高的增加主要得益于其草地转化为林地,林地相对草地扎根更深,能够更好地固定土壤.

图3 1980—2020 年浙中地区生态系统服务空间分布

图4 1980—2020 年间浙中地区生态系统服务变化

3.3 不同土地利用类型生态系统服务分析

浙中地区在1980―2020 年间不同土地利用类型的生态系统服务见表2.从表2 可以看到,林地与耕地的产水量远大于其他地类,二者共占浙中地区产水总量80%以上,说明林地与耕地对浙中地区产水量有重要作用.从不同地类的平均产水能力看,40 年平均单栅格产水量: 未利用土地＞城乡、工矿居民用地＞耕地＞草地＞林地＞水域.未利用土地与城乡、工矿居民用地蒸散量相对低、不利于降水下渗,故其平均产水能力最强;耕地存在轮作情况且植被相对稀疏,故其平均产水能力强于草地与林地;水域因无植被遮掩、蒸散强,故产水能力最弱.

表2 1980―2020 年浙中地区不同土地利用类型生态系统服务

对于碳储量,整体上林地的碳储量远大于其他地类,林地的碳储能力强、所占面积大,使得其成为浙中地区40 年间最为关键的碳储存地类.从不同地类的平均碳储能力看,40 年间平均碳储量:林地＞草地＞耕地＞城乡、工矿居民用地＞未利用土地＞水域.林地根系发达、生物量大,故其平均碳储能力最强;耕地一般不如自然生长草地植株密度大、根系发达,故其平均碳储能力弱于草地;城乡、工矿居民用地与未利用土地植被扎根浅、生物量少,故其平均碳储能力弱.

对于土壤保持,整体看林地的土壤保持远大于其他地类,说明林地在浙中地区40 年间是最为重要的土壤保持地类.从不同地类的平均土壤保持能力看,40 年间平均土壤保持: 林地＞草地＞未利用土地＞耕地＞城乡、工矿居民用地＞水域.林地与草地植被茂密、根系发达,故平均土壤保持能力最强;未利用土地大多位于海拔相对较高、地势起伏较大的区域,且存在一定量的植被覆被,故其平均土壤保持能力强于处于地势平坦区域的耕地、水域与城乡、工矿居民用地;而城乡、工矿居民用地植被覆盖率较低,故其平均土壤保持能力较弱.

3.4 1980―2020 年浙中地区生态系统服务权衡/协同关系

3.4.1 生态系统服务相关性分析

在研究区内选取相距1 km 的均匀分布点共2 804 个,探究5 期中3 种关键的生态系统服务两两之间的相关关系(表3).浙中地区产水量与碳储量、土壤保持与产水量的相关系数均小于0,多年平均相关系数分别为-0.499、-0.071,表明产水量与其他两项生态系统服务主要为负相关关系;浙中地区土壤保持与碳储量的相关系数均大于0,多年平均相关系数为0.227,表明土壤保持与碳储量之间主要为正相关关系.因此可以认为,在区域空间的权衡/协同方面,产水量与碳储量、土壤保持与产水量主要呈现彼此牵制的权衡关系,土壤保持与碳储量主要呈现共同增益的协同关系.

表3 1980―2020 年浙中地区生态系统服务相关系数

3.4.2 生态系统服务权衡与协同度

参考生态系统服务权衡协同度模型评估浙中地区40 年间3 种生态系统服务间权衡/协同关系的空间分布,结果如图5 所示.权衡协同度是从整个时间跨度上分析生态系统服务权衡/协同的关系.图5(a)表示1980―2020 年浙中地区产水量-碳储量间的权衡协同度,平均值为-582.79,即产水量-碳储量在40 年间的变化主要呈现权衡关系.图5(b)表示1980―2020 年浙中地区土壤保持-产水量间的权衡协同度,平均值为0.40,即土壤保持-产水量在40 年间的变化主要呈现协同关系.图5(c)表示1980―2020 年间浙中地区土壤保持-碳储量间的权衡协同度,平均值为-301.91,即土壤保持-碳储量在40 年间的变化主要呈现权衡关系.

图5 1980―2020 年浙中地区生态系统服务权衡协同度分布

总体而言,1980―2020 年间浙中地区不同区域、不同生态系统服务间的权衡/协同分布关系有差异,生态系统服务之间相互影响.1980―2020 年间,产水量-碳储量间的相对高权衡区域主要集中在磐安县内,这些区域发生了较为剧烈的土地利用变化,当草地转化为林地时产水量有所减少,而林地的碳储量高于草地,故两者为权衡关系;而由其他地类转化而来的城乡、工矿居民用地区域,既有区域为权衡关系,也有区域为协同关系,这主要与40年间波动变化的降水量、蒸散量有关,如2010年浙中地区产水量整体偏多,2020 年浙中地区产水量整体偏少,因此即便土地利用类型从产水能力相对较弱的耕地转化为产水能力相对较强的城乡、工矿居民用地(2020 年城乡、工矿居民用地的平均产水能力1129.55 mm)仍不如2010 年耕地的平均产水能力(1 484.94 mm).土壤保持-产水量间的协同区域几乎占据整个研究区,这表明多年间二者变化趋同,降水量的波动变化产生了重要作用;以林地为主的区域的协同度高于以耕地和城乡、工矿居民用地为主的区域,这主要是因为坡度大、海拔相对较高的区域土壤保持变化相对大,且以林地为主的区域植被覆被状况在40 年间有较好的改善.土壤保持-碳储量间大部分区域呈现权衡关系,多分布转化而来的草地与城乡、工矿居民用地,主要的相对高权衡区域位于研究区东部,这主要与降水量的波动变化有关,降水量的变化导致了降雨侵蚀力的变化,如1990―2000 年出现草地转化为林地情况而使碳储量增加时,林地的平均土壤保持能力虽然高于草地,但因2000 年降水量的较大幅度减少使得土壤保持反而减少,出现了权衡的情况.

对比3.4.1 节和3.4.2 节的分析结果,发现在区域空间与时间跨度两方面,生态系统服务两两之间的权衡/协同关系有所异同,这是因为浙中地区出现了自然因素(降水量等)波动对生态系统服务的干扰强度大于人为因素(土地利用方式为主)的情况,使得生态系统服务间的关系发生了转变[1].

4 结论与讨论

(1)1980―2020 年,浙中地区耕地、草地、未利用土地面积均有所减少,林地、水域、城乡、工矿居民用地面积相对增加,其中耕地大部分转化为城乡、工矿居民用地,草地大量转化为林地,水域增加的面积大部分由耕地转化而来.

(2)1980―2020 年,浙中地区产水量总体呈现减少趋势,产水量高值区主要在研究区中部的耕地与城乡、工矿居民用地区域,在地势较低的盆地平原地区较多,在地势较高的山地丘陵地区较少.碳储量总体呈现少量减少,为四周高中部低分布.土壤保持总体呈现增加趋势,土壤保持高值区分布较为分散,主要位于四周海拔相对较高区域.

(3)林地与耕地对浙中地区产水量起重要作用,从不同地类的平均产水能力看,未利用土地＞城乡、工矿居民用地＞耕地＞草地＞林地＞水域.林地为浙中地区40 年间最为关键的碳储存地类.从不同地类的平均碳储能力看,林地＞草地＞耕地＞城乡、工矿居民用地＞未利用土地＞水域.林地在浙中地区40 年间是最为重要的土壤保持地类,从不同地类的平均土壤保持能力看,林地＞草地＞未利用土地＞耕地＞城乡、工矿居民用地＞水域.这些结果分别与胡砚霞等[27]、于媛等[28]、刘晓娜等[29]的研究结果基本一致.

(4)5 期中产水量与其他两项生态系统服务主要为负相关关系,土壤保持与碳储量之间主要为正相关关系.平均产水能力较强的耕地与城乡、工矿居民用地等区域,平均碳储能力、平均土壤保持能力相对较弱;平均碳储能力较强的林地与草地等区域,平均土壤保持能力也较强.尤其是40 年来与人类活动直接相关的城乡、工矿居民用地的大幅扩张,使得产水量有所增加,碳储量与土壤保持均有所减少,而封山育林、植树造林等举措则有利于碳储量、土壤保持的增加,故在决策时需要有充分权衡考度,以期尽可能达成生态系统保护与经济发展的双赢局面.

(5)权衡协同度是从整个时间跨度上分析生态系统服务权衡/协同的关系,在时间跨度上,产水量与碳储量、土壤保持与碳储量在40 年间的变化主要呈现权衡关系,土壤保持与产水量在40 年间的变化主要呈现协同关系.1980―2020 年间浙中地区不同区域、不同生态系统服务间的权衡/协同分布关系有所差异,生态系统服务之间相互影响.