乌梁素海流域生态系统服务变化与驱动力分析

王丽娜 ，唐明方，付晓，李爽 ，吴迪，吴钢

（1.中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中科院建筑设计研究院有限公司，北京 100086）

生态系统服务是指生态系统所形成的及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，是人类直接或间接从生态系统中所获得的所有惠益[1-2]。近年来随着生态系统服务的快速发展，生态系统服务的空间变化及其影响机制问题受到学者们越来越多的关注[3-7]。因此国内外学者对流域的生态系统服务功能等相关内容进行了大量的研究[8]，学者们借助统计分析等研究方法及InVEST、ArcGIS[4,9-12]等软件，对生态系统服务权衡、协同关系展开分析与研究[13]。结果显示，受土地利用、气候、社会经济等因素的影响，生态系统服务权衡与协同具有一定的空间异质性和尺度依赖性。如潘梅等[14]结合气候变化和生态修复工程来对生态系统指标变化进行叠加影响的分析。孟丹等[15]根据降水、气温的影响分析京津冀地区的NDVI 变化情况。现阶段，对于生态系统服务权衡与协同的相关研究较多，对于驱动机制的研究相对较少，缺少对驱动力的主导因素识别与整体分析。

流域作为一种复合生态系统，是一个相对完整的地理单元，为人们提供了多种生态系统服务类型，且因自然与人为因素的双重影响，使生态系统服务出现不同的时空变化特征。同时流域由于过度开垦、过度放牧、围湖造田、矿山开采，加上污水大量排放，导致流域内水量不足、水质退化、草原退化、水土流失等生态环境问题严峻。虽然通过生态修复、综合治理、保护开发等工作，乌梁素海流域山水林田湖草生态保护修复试点工程取得了一定成效，但流域生态系统结构和功能损坏严重、退化趋势明显，作为重要生态屏障的功能不断下降，生态保护与管理问题依然十分重要。

鉴于此，本文以乌梁素海流域为研究对象，基于2000—2020 年生态系统五项服务、服务之间的相关关系以及服务变化，利用回归分析探讨降水、气温、坡度、植被覆盖度、各土地利用占比以及GDP、人口密度等因素的影响。研究结果以期为流域的生态系统提升、保护修复以及管理对策提供建议。

1 研究区概况

乌梁素海流域地处内蒙古西部巴彦淖尔市境内，西连乌兰布和沙漠，南临黄河，东部毗邻乌拉山国家森林公园，北部与阴山山脉和乌拉特草原相接，包含河套平原的广大地区，流域总面积约1.63 万平方千米，处于国家“两屏三带”生态安全战略格局中“北方防沙带”的关键地区，承担着调节黄河水量、保护生物多样性、改善区域气候等重要功能，是黄河生态安全的“自然之肾”。同时，流域腹地的河套灌区是中国三大灌区之一和重要的商品粮油生产基地。乌梁素海流域生态保护修复工程根据流域内不同的自然地理单元和主导生态系统类型，分成乌兰布和沙漠综合治理区、河套灌区水系生态保护网、乌梁素海生态修复与生物多样性保护区、环乌梁素海生态保护带、阿拉奔草原水土保持与植被修复区、乌拉山水源涵养与地质环境综合治理区六个生态保护修复单元[16-17]，如图1 所示。针对各单元主要生态问题，在消除不当人类资源开发利用活动、切断点源污染的基础上，将乌梁素海流域生态系统治理与绿色高质量发展紧密结合。

图1 乌梁素海流域概况

2 研究方法

本文依据已有研究乌梁素海流域生态系统服务的土壤保持、碳储量、产水量、食物供给和水质净化五项结果[17]，运用相关软件得出五种服务的变化图。依据前人相关研究以及乌梁素海流域的现实情况和数据的可获得性，采用多元线性回归法分析降水、气温、坡度、植被覆盖度、各土地利用面积比等生物物理变量以及第一、第二、第三产业产值和人口密度等社会变量对土壤保持、碳储量、产水量、食物供给和水质净化五种服务以及服务变化的影响。

2.1 生态系统服务驱动机制分析

生态系统中各类服务之间的关系主要是受外部和内部的双重因素影响而产生的相互作用。经研究发现[17-19]，生态系统服务主要是受土地利用变化的影响，土地利用类型/地表覆被的变化影响着生态系统服务的功能，从而使得生态系统服务及其空间格局发生变化[20-22]。土地利用是指人们为了一定的经济和社会目的，按照土地的使用特点，通过采用一系列的技术、生物方法及手段，对土地进行长期的经营管理和改造[9,23]。

气候变化对生态系统服务也有较大影响。一方面，气候可以直接影响生态系统服务，比如当气温较高时，地表水分的蒸散加快，土壤黏结性降低，风速较大时，风蚀作用增强。降雨量增加时，地表存留水量增大，水源涵养量增加，而水蚀作用增强。另一方面，气候的变化影响植被的生长，间接影响生态系统服务。植被是陆地生态系统的重要组成部分，根据生态系统结构—过程—服务功能的相互作用机理，其在滞尘防沙、水文调节等方面发挥着巨大的作用[24]。在生态系统服务中，自然驱动因素在长时间段内均起到重要作用，人为因素的影响则较为直接与快速[25-27]，如图2 所示。

图2 土地利用变化的影响因素示意图

2.2 数据来源

本研究所需的数据如表1 所示。

表1 数据来源与参数处理说明

2.3 研究方法

研究中的生态系统服务结果计算根据已有研究[17]延续而来。驱动力的研究则采用多元线性回归法分析土壤保持、碳储量、产水量、食物供给以及水质净化五项服务分别与降水、气温、植被覆盖度和各土地利用面积以及社会经济因素所产生的相关性。

回归分析：是利用一个或多个解释变量对因变量进行最佳预测的统计学方法[28]。回归方程中的因变量总是标记为Y，自变量或解释变量总是标记为X。每个自变量都与一个描述该变量与因变量之间关系强度和符号的回归系数相关联。线性回归中，依据自变量的数量，如果只有一个自变量，则称为单变量回归；如果自变量为多个，则称为多元回归。本研究将在线性回归分析中给出一个变量Y和变量X1,X2,…,Xi，从而量化出Y与Xi之间的相关系数[29]。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务变化分析

3.1.1 土壤保持变化

如表2 所示，2000—2018 年，乌梁素海流域的土壤保持量整体呈现增加趋势，土壤保持总量从2.4×108t增加到5.0×108t，涨幅108.33%。其中，2000—2010年土壤保持量变化较小，2010—2018 年土壤保持量显著增加，总量增加2.2×108t，涨幅78.57%。

表2 土壤保持量变化

从空间格局（图3）来看，2000—2018 年乌梁素海流域土壤保持面积有所增加，在乌拉山以及部分的阿拉奔草原分布广泛，土壤保持量减少区域主要也分布在乌拉山以及部分的阿拉奔草原；其他几乎不变。其中，2010—2018 年阿拉奔草原的土壤保持量减少较明显。

图3 乌梁素海流域土壤保持变化格局

3.1.2 碳储量变化

如表3 所示，2000—2018 年，乌梁素海流域的碳储量整体增加，总量从68.29×106t 增加到73.28×106t，涨幅9.91%。其中，2000—2010 年碳储量增加显著，总量增加4.99×106t，涨幅7.31%；2010—2018 年碳储量变化较小。

表3 碳储量变化

从空间格局（图4）来看，2000—2018 年乌梁素海流域碳储量大面积增加，在乌拉山以及整个河套灌区分布广泛，碳储量减少区域主要分布在乌梁素海以及部分的阿拉奔草原和农田灌区中。其中，2000—2010 年和2010—2018 年，整个碳储量增减变化不明显。

图4 乌梁素海流域碳储量变化格局

3.1.3 产水量变化

如表4 所示，2000—2018 年，乌梁素海流域的产水量整体增加，产水总量从17.41×106m3增加到250.05×106m3，涨幅1 336.24%。其中，2000—2010 年产水量增加10.88×106m3，涨幅579.44%，2010—2018年产水量增加131.76×106m3，涨幅111.39%。

表4 产水量变化

从空间格局（图5）来看，2000—2018 年乌梁素海流域产水量大面积增加，在乌梁素海周边以及乌拉山分布广泛，产水量减少区域主要分布在乌兰布和沙漠、农田灌溉区以及阿拉奔草原的部分区域。其中，2000—2010年产水量增加区域主要分布在乌拉山森林地带，2010—2018 年产水量增加区域主要分布在乌梁素海周边以及少许的阿拉奔草原的部分区域。

图5 乌梁素海流域产水量变化格局

3.1.4 食物供给变化

如表5 所示，2000—2018 年，乌梁素海流域的食物供给服务整体呈增加趋势，食物供给量从2.13×106t增加到5.04×106t，涨幅136.62%。其中，2000—2010 年，食物供给量增加1.11×106t，涨幅52.11%，2010—2018年食物供给量增加1.8×106t，涨幅55.56%。

表5 食物供给服务变化

从空间格局（图6）来看，2000—2018 年，乌梁素海流域食物供给量增加地区主要分布在整个河套灌区以及乌拉山和阿拉奔草原的大部分区域，食物供给量减少区域主要分布在乌兰布和沙漠、部分阿拉奔草原以及乌梁素海周边区域。其中，2000—2010 年食物供给增加区域主要是河套灌区，2010—2018 年阿拉奔草原和乌梁素海周边食物供给增加明显。

图6 乌梁素海流域食物供给变化格局

3.1.5 水质净化变化

如表6 所示，2000—2018 年，乌梁素海流域的氮、磷输出量整体呈增加趋势，氮输出总量从34.81×102t增加到43.76×102t，涨幅8.95%，其中，2000—2010 年，氮输出量增加9.9×102t，涨幅28.44%；2010—2018 年氮输出量减少了0.95×102t，减幅2.12%。2000—2018年，磷输出总量从10.47×102t 增加到13.96×102t，涨幅3.49%，其中，2000—2010 年，磷输出量增加3.94×102t，涨幅37.63%；2010—2018 年，磷输出量减少了0.45×102t，减幅3.12%。

表6 氮、磷输出量变化

从空间格局（图7、图8）来看，2000—2018 年，乌梁素海流域的氮、磷输出量面积分布区域基本保持一致，氮、磷输出量增加区域主要分布在乌梁素海、部分河套灌区以及乌拉山的部分区域，减少区域主要分布在乌拉山以及乌兰布和沙漠地区。其中，2000—2010 年，氮、磷在河套灌区的输出量相对较少。氮、磷输出量在2010—2018 年与2000—2018 年的分布区域保持一致。

图7 乌梁素海流域氮输出量变化格局

图8 乌梁素海流域磷输出量变化格局

3.2 驱动力分析

3.2.1 生态系统服务驱动力分析

通过对乌梁素海流域2018 年的生态系统服务进行驱动力分析，结果如表7 所示，发现在自然变量中，降水、气温、坡度三项因素对产水量、碳储量、土壤保持服务皆有不同程度的显著影响。在生物变量中，植被覆盖度对土壤保持、食物供给和水质净化有影响，森林面积、草地面积和耕地面积对土壤保持、碳储量、食物供给有较为显著的影响，建设用地面积和未利用地面积对碳储量、产水量和水质净化三项服务有显著影响。在社会经济变量中，各指标因子对碳储量、食物供给和水质净化产生显著影响。

表7 乌梁素海流域生态系统服务驱动力

自然变量中，除了气温对土壤保持影响不大外，降水、坡度对土壤保持、碳储量和产水量均有显著影响。其中，降水对三项服务均为正向影响，且对产水量的影响系数最大。气温对碳储量有一定的正向影响，与产水量呈负相关关系。坡度与土壤保持呈显著正相关关系，与碳储量和产水量呈显著负相关关系，且产生的影响相对较小。自然变量、生物变量和社会经济变量对食物供给和水质净化的影响不显著。

生物变量中，植被覆盖度与土壤保持、食物供给和水质净化具有一定程度的正向影响。森林面积与除产水量以外的其余四项服务均有正向影响，且对土壤保持和碳储量影响较为显著。草地面积与土壤保持、碳储量和食物供给三项服务的影响显著，其中与碳储量和土壤保持均为负向相关关系。耕地面积对五项服务均有显著影响，其中只对食物供给呈现正向的影响，对其他的四项均是负向的影响。建设用地与未利用地对碳储量、产水量和水质净化有相对显著的影响，其中建设用地、未利用地与水质净化呈现负相关显著关系。

社会经济变量中，第一产业产值和第二产业产值对食物供给呈正向的显著影响，其中第一产业产值对水质净化有负向的显著影响，对其他服务影响不大。第三产业产值对碳储量呈现显著的负向影响，对产水量呈相对显著的正向影响。

因此，从各项服务综合来看，对土壤保持影响最大的因素是坡度；对碳储量影响最大的因素是各地类的用地面积和第三产业产值；产水量的影响因素是降水、耕地面积和第一产业产值；食物供给和水质净化最大的影响因素是耕地面积和第一产业产值，对于水质净化服务，各地类的用地面积比也会对其产生一定的负向影响。

3.2.2 生态系统服务变化驱动力分析

本节对乌梁素海流域2000—2018 年生态系统服务变化驱动力进行分析。如表8 所示，在自然变量中，气温对碳储量和产水量产生负向显著影响，坡度对土壤保持有正向显著的影响。在生物变量中，森林面积、草地面积、耕地面积和建设用地面积对土壤保持有较大的影响，其中，草地面积对碳储量有显著影响，耕地面积对产水量、食物供给和水质净化皆有较大影响。在社会经济变量中，第一产业产值和第二产业产值以及第三产业产值变化对食物供给和水质净化的影响较明显。

表8 乌梁素海流域生态系统服务变化驱动力

自然变量中，降水对产水量、碳储量有一定的正向影响，坡度对土壤保持有正向的影响。气温与碳储量和产水量有较为显著的负向关系。

生物变量中，植被覆盖度对土壤保持产生负向影响，植被覆盖度变化对食物供给和水质净化有一定的正向影响。各地类的面积比对土壤保持的影响显著，如森林面积、草地面积和耕地面积对土壤保持都为显著的正向影响。各地类的面积比对食物供给和水质净化的影响较为显著，如耕地与食物供给为显著正相关关系，与水质净化则表现为显著负相关关系。耕地面积及其变化与产水量则为显著负相关关系。

各社会经济变量对土壤保持、碳储量、产水量的影响不明显，其中各产业产值的变化对碳储量和产水量有较小的正向影响，但对食物供给的影响较为显著。人口密度变化、第一产业产值对食物供给有显著的正向影响，第三产业产值对食物供给和水质净化产生较为显著的负向影响。第一产业产值及其变化对水质净化有较为显著的负向影响。

因此，综合生态系统服务来看，土壤保持最大的正向影响因素为耕地面积、草地面积和森林面积，最大的负向因素为气温和植被覆盖度。碳储量最大的影响因素为草地面积和气温。产水量最大的正向和负向影响因素分别为耕地面积和降水。食物供给最大的影响因素为第一产业产值、耕地面积、人口密度和建设用地面积。水质净化最大的影响因素为耕地面积和第一产业产值。

4 结论与讨论

2000—2018 年乌梁素海流域的各项生态系统服务均有不同程度的增加，其中，土壤保持、食物供给、产水量涨幅较大。国内学者们从各个角度对生态系统服务的驱动机制进行分析和探讨，即如何扬长避短来实现生态系统服务的整体提升。生态系统服务变化受多种因素的交互影响，不同服务之间存在着复杂的权衡与协同关系[4]，因此，合理优化和配置生态服务之间的权衡与协同关系，协调人口、生态和环境的和谐发展成为当下的重要问题。

从对研究区2018年生态系统服务的驱动力分析来看，土壤保持最大的影响因素是坡度，其次是植被覆盖度和各类用地面积；碳储量最大的影响因素是第三产业产值和各类用地面积；降水是产水量的最大影响因素，其次是建设用地和未利用地面积；食物供给最大的影响因素是第一产业产值、耕地面积和人口密度；水质净化最大的影响因素则是耕地面积、第一产业产值和人口密度。

结合乌梁素海流域生态系统服务相关研究[16-17]，结果表明乌梁素海流域生态系统服务以及服务变化主要受生态系统外部环境和社会经济因子的影响，如降水、人口和各类土地面积的变化等，也受内部生态因子，如植被覆盖度等因素的影响。当多种生态系统服务具有共同的驱动因素时，此时驱动因素产生变化会使得生态系统服务产生数量上的权衡与协同关系。驱动因素同时促进或抑制多种生态系统服务时，表现为协同；对一种抑制一种促进时表现为权衡。分析生态系统服务及服务关系驱动力，有助于合理调整产业结构，优化生态管理对策，促进经济、社会和生态的和谐发展。