中國典型山地土地利用變化與資源生態(tài)效應(yīng)*

戴爾阜，王亞慧，馬良，李雙成，張紅旗，辛良杰，徐爾琪，高江波， 朱連奇，王玉寬

①中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；②中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；③中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；④北京大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院 地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；⑤河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封 475004；⑥中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

山區(qū)以其獨(dú)特的氣候、水文、土壤、地質(zhì)條件孕育著森林、草地、濕地等不同類型的生態(tài)系統(tǒng)，其往往是大江大河的發(fā)源地及上游地區(qū)，所發(fā)揮的調(diào)節(jié)氣候、水源涵養(yǎng)、凈化空氣等生態(tài)功能不僅惠及山區(qū)居民，同時(shí)也是山區(qū)河流下游區(qū)域以及更為廣闊區(qū)域居民福祉的重要來源[1]。同時(shí)，山區(qū)因其陡峭的地形使其物流、能流具有不穩(wěn)定性，在氣候變化以及人類活動(dòng)強(qiáng)度增加的背景下，山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)將更為脆弱[2]。在中國，山區(qū)面積廣大，約占到陸域國土面積的70 %，同時(shí)有45 %的人口生活在山區(qū)，人口密度較高[3]。中國山地，特別是西部山地，地形復(fù)雜、海拔梯度變化大、耕地分散、土壤層淺薄、土地利用空間差異較大，同時(shí)在山區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)、生態(tài)工程、生態(tài)移民、災(zāi)害避險(xiǎn)搬遷等驅(qū)動(dòng)力的影響下，山區(qū)土地利用的方式及強(qiáng)度發(fā)生了劇烈的變化，并通過水文、地球化學(xué)、生物等過程變化進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的發(fā)揮以及人類福祉的獲得。在這種山區(qū)空間異質(zhì)性背景下，關(guān)注資源生態(tài)效應(yīng)及其變化對(duì)我國山區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。本研究分析了中國太行山區(qū)、橫斷山區(qū)以及黔桂喀斯特山區(qū)三個(gè)典型山區(qū)土地要素的空間變異特征及其功能，甄別了不同山地關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，并闡明了其資源與生態(tài)效應(yīng)。

1 中國典型山地土地利用結(jié)構(gòu)變化

在土地利用結(jié)構(gòu)上，三大山區(qū)表現(xiàn)為一致性的特征為耕地、林地、草地三者所占比例均達(dá)到90 %以上(圖1)，但在不同土地利用類型面積比例的排序上有所不同。其中太行山區(qū)位于我國第二階梯東沿平原到山地的過渡帶，是典型的土石山區(qū)，土壤貧瘠[4]，歷史上人類活動(dòng)對(duì)天然植被造成了嚴(yán)重破壞[5]。太行山區(qū)三種土地利用類型面積排序?yàn)楦兀玖值兀静莸?，人均耕地?.10 hm2/人，人均林地為0.09 hm2/人，人均草地為0.08 hm2/人。橫斷山區(qū)位于青藏高原東南緣，橫跨我國一二三級(jí)地形階梯，是我國西南林區(qū)的主要組成部分，林地占比較大[6-7]。橫斷山區(qū)三種土地利用類型面積排序?yàn)榱值兀静莸兀靖?，人均林地?.47 hm2/人，人均草地為1.05 hm2/人，人均耕地為0.26 hm2/人，耕地資源短缺。黔桂喀斯特山區(qū)多以石山形式出現(xiàn)，又稱石山地區(qū)、石灰?guī)r區(qū)或巖溶區(qū)，土地破碎程度較高[8]，其三種土地利用類型面積排序?yàn)榱值兀靖兀静莸?，人均林地面積為1.22 hm2/人，人均耕地為0.56 hm2/人，人均草地為0.31 hm2/人。從時(shí)間變化來看，三大山區(qū)建設(shè)用地表現(xiàn)為持續(xù)增加，耕地為先增后減，而林地、草地則表現(xiàn)為先減后增的趨勢(shì)。

圖1 典型山區(qū)土地利用(左圖：太行山區(qū)；中圖：橫斷山區(qū)；右圖：黔桂喀斯特山區(qū))

表1 典型山區(qū)人均土地資源 hm2/人

2 典型山地土地利用垂直及水平空間異質(zhì)性

三大山區(qū)的土地利用情況具有明顯的垂直和水平空間異質(zhì)性。在垂直方向上，受海拔高度影響，導(dǎo)致氣候、土壤以及植被分布出現(xiàn)垂直差異，從而形成土地利用/覆被垂直空間異質(zhì)性。在水平方向上，人口的增加、城市化進(jìn)程的加快以及頻繁的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)山區(qū)城市擴(kuò)張有顯著影響，隨著到城市中心距離的增加，人類活動(dòng)影響下的土地利用具有一定的水平空間異質(zhì)性。

2.1 土地利用垂直空間異質(zhì)性

垂直方向上，將高程按照等間距進(jìn)行區(qū)域劃分并統(tǒng)計(jì)主要土地利用類型(耕地、林地、草地)所占比例，結(jié)果表明該比例隨著海拔高度的增加呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化(圖2)。橫斷山區(qū)：耕地集中分布于3 500 m以下，隨著海拔的增加，比例逐漸減小；林地主要集中分布于4 500 m以下，林地面積隨著海拔高度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在3 400 m時(shí)達(dá)到峰值，為單峰形態(tài)；草地在各海拔高度均有分布。在時(shí)間變化上，橫斷山區(qū)在2000—2010年間耕地面積明顯較少，主要位于1 300 m高程以下地區(qū)；林地在此期間增加的區(qū)域與草地面積減少的區(qū)域在垂直方向上具有一致性，主要位于4 000 m左右。黔桂喀斯特山區(qū)：耕地在低海拔分布的比例最高，在海拔800～1 400 m分布比例出現(xiàn)第二個(gè)峰值；林地在低于1 200 m海拔的各等級(jí)分布較大，大于1 200 m海拔之后迅速減少；草地在垂直方向上分布則更加均勻，1 200～1 400 m等級(jí)的草地面積比例最大。在時(shí)間變化上，黔桂喀斯特山區(qū) 0～200 m海拔耕地減少面積遠(yuǎn)大于增加面積，600～1 400 m耕地增加和減少面積出現(xiàn)峰值；草地和林地在1 000～1 400 m出現(xiàn)變化的峰值，兩類用地轉(zhuǎn)化分布相對(duì)應(yīng)。

圖2 典型山區(qū)不同海拔高度耕地、林地、草地面積比例

2.2 土地利用水平空間異質(zhì)性

土地空間異質(zhì)性不僅包括土地的組成，同時(shí)也包含著土地結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性[9-10]。以橫斷山區(qū)為例，通過對(duì)不同城市建立“城-鄉(xiāng)”梯度，并結(jié)合景觀指數(shù)分析各緩沖區(qū)內(nèi)土地結(jié)構(gòu)的變化情況，結(jié)果表明：從城市中心到外圍，在各個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，城市用地逐漸被其他用地類型代替，緩沖區(qū)內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化，景觀LPI指數(shù)和CONTAG指數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而且在城市用地與其他用地交錯(cuò)程度最高的緩沖區(qū)內(nèi)，景觀優(yōu)勢(shì)度與連通度較低，LPI指數(shù)和CONTAG指數(shù)達(dá)到低值，之后兩者呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；而AWMFD指數(shù)和SHDI指數(shù)隨著到城市中心距離的增加先呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而在城市用地與其他用地交錯(cuò)程度最高的緩沖區(qū)內(nèi)達(dá)到高值，之后兩者呈減小趨勢(shì)(圖3)。

圖3 緩沖區(qū)內(nèi)景觀指數(shù)隨到城市中心距離的變化

3 中國典型山區(qū)資源生態(tài)效應(yīng)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ecosystem service)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種利益，包括產(chǎn)品供給與服務(wù)提供兩方面[11-12]。千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(MA)將其概括為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)4種類型[13]，同時(shí)也是資源生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)。結(jié)合山區(qū)垂直帶主導(dǎo)資源提供及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，采用InVEST(綜合服務(wù)價(jià)值權(quán)衡工具)模型對(duì)典型山區(qū)產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量4種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行量化評(píng)估。

(1)產(chǎn)水量

基于 Budyko 水熱耦合平衡假設(shè)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)總的產(chǎn)水量(water yield)[14-15]。根據(jù)流域水量平衡原理，流域內(nèi)多年平均降水量是徑流量、蒸散發(fā)量和流域蓄水變化量的和。對(duì)于一個(gè)自然閉合流域，在沒有顯著的人類活動(dòng)影響下，多年平均需水量趨于平衡。因此，流域產(chǎn)水量可以看作降水量與蒸發(fā)量的差值[16]。三大典型山區(qū)產(chǎn)水量評(píng)估結(jié)果如圖4所示。2010年，太行山區(qū)中部蒸散發(fā)量大于降水量，產(chǎn)水量為負(fù)值，南北兩側(cè)降水量大于蒸散發(fā)量，年均產(chǎn)水量是75 mm/a；橫斷山區(qū)的年均產(chǎn)水量約為385 mm/a，產(chǎn)水量具有明顯的空間差異，與降雨量的分布格局大致相同，研究區(qū)西南部和東部西川盆地邊緣區(qū)域?yàn)楦咧祬^(qū)；喀斯特山區(qū)產(chǎn)水量在262.78～1 707.45 mm之間，年均產(chǎn)水量為968.10 mm/a，中部和東南地區(qū)產(chǎn)水量較大，北部地區(qū)產(chǎn)水量相對(duì)較小。

(2)土壤侵蝕與保持

圖4 三大典型山區(qū)2010年產(chǎn)水量變化(左圖：太行山區(qū)；中圖：橫斷山區(qū)；右圖：黔桂喀斯特山區(qū))

通用土壤流失方程(RUSLE)綜合考慮影響土壤侵蝕的降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形、植被覆蓋以及管理因子的影響而得到了廣泛的應(yīng)用[17]。InVEST 模型在其基礎(chǔ)上考慮了泥沙輸送率(sediment delivery ratio, SDR)使得計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際[18]，而潛在土壤侵蝕(不考慮植被覆蓋)與實(shí)際土壤侵蝕量之間的差值即可以看作土壤保持量。三大典型山區(qū)土壤侵蝕/保持量評(píng)估結(jié)果如圖5所示。2010年，太行山區(qū)土壤侵蝕年平均值為65.5 t·km-2·a-1，土壤侵蝕量主要受到地形因子的影響，坡度較大的地區(qū)侵蝕量較大；橫斷山區(qū)的土壤侵蝕年平均值約為2 154.3 t·km-2·a-1，土壤保持量年平均值為3 897.6 t·km-2·a-1，橫斷山區(qū)的南部地區(qū)土壤保持量略高于北部；黔桂喀斯特山區(qū)土壤保持量年平均值為1 035.90 t/hm2，相對(duì)來說，中部和西北地區(qū)土壤保持量較大，而北部、南部和東南地區(qū)土壤保持量較小。

(3)碳儲(chǔ)量

碳儲(chǔ)量綜合考慮了地上生物量、地下生物量、土壤和枯枝落葉四大碳庫。橫斷山區(qū)和黔桂喀斯特山區(qū)碳儲(chǔ)量評(píng)估結(jié)果如圖6所示。2010年，橫斷山區(qū)的碳儲(chǔ)量均值為29.5 t/hm2。碳儲(chǔ)量的空間分布受土地利用格局的影響存在著顯著的空間差異，橫斷山區(qū)南部地區(qū)碳儲(chǔ)量整體高于北部地區(qū)；從土地利用類型上來看，林地的碳儲(chǔ)量最高，其他土地利用類型的碳儲(chǔ)量相對(duì)較低。黔桂喀斯特山區(qū)的平均碳儲(chǔ)量為30.75 t/hm2，西北部和東南部呈現(xiàn)較低的分布，中部較高。

圖5 三大典型山區(qū)2010年土壤保持(左圖：太行山區(qū)；中圖：橫斷山區(qū)；右圖：黔桂喀斯特山區(qū))

圖6 橫斷山區(qū)(左圖)和黔桂喀斯特山區(qū)(右圖)2010年碳儲(chǔ)量

(4)生境質(zhì)量

生境是指一個(gè)特定生物體占有(包括生存和繁殖)的地區(qū)的資源和條件[19]。生境質(zhì)量指的是生態(tài)系統(tǒng)提供適合個(gè)體和種群維持的條件，在模型中作為連續(xù)變量考慮，基于可利用的生存、繁殖和種群維持所需的資源，從低到高劃分[19]。通常來說，生境質(zhì)量降低反映了附近區(qū)域土地利用強(qiáng)度的增加[20-22]。生境質(zhì)量是評(píng)估生物多樣性的一個(gè)重要指標(biāo)。這里的生境質(zhì)量主要指的是脅迫源對(duì)生境的影響程度。生境質(zhì)量由4個(gè)因素決定：①不同脅迫源的相對(duì)影響；②不同生境對(duì)脅迫源的敏感性；③生境與脅迫源的距離；④生境被保護(hù)的程度[16]。

橫斷山區(qū)和黔桂喀斯特山區(qū)生境質(zhì)量評(píng)估結(jié)果如圖7所示。生境質(zhì)量是山區(qū)一項(xiàng)重要的生態(tài)服務(wù)功能，區(qū)域生境質(zhì)量反映了區(qū)域的生物多樣性水平。2010年，橫斷山區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)為0.653 1。中西部地區(qū)生境質(zhì)量較高；東南部生境質(zhì)量較差，主要是受耕地、城鎮(zhèn)及人類活動(dòng)影響；北部地區(qū)，主要是受公路及道路的影響，為生境質(zhì)量較弱的現(xiàn)狀分布區(qū)。黔桂喀斯特山區(qū)的平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.571 3，高值區(qū)位于中部地區(qū)。

4 30年來中國山地地表綠色覆被變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)

植被是連接土壤、大氣和水分等的紐帶，在調(diào)節(jié)水量、保持土壤、減緩溫室氣體濃度上升、維持生物多樣性及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面都具有十分重要的作用[23]。眾多反映植被狀況的因子中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)是監(jiān)測(cè)地區(qū)或全球植被與生態(tài)環(huán)境的有效指標(biāo)，能很好地反映植被覆蓋和生物量等的變化[24-25]。NDVI 與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、生物量和生產(chǎn)力等性狀關(guān)系密切。20世紀(jì)90年代以來，全球環(huán)境發(fā)生了劇烈的變化，NDVI動(dòng)態(tài)變化與氣候因子的關(guān)系成為了地理學(xué)和生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[26-28]。

圖7 橫斷山區(qū)(左圖)和黔桂喀斯特山區(qū)(右圖)2010年生境質(zhì)量

采用Theil-Sen斜率計(jì)算方法[29-31]，通過提取中國山地并對(duì)1982—2010年山地綠色覆被變化進(jìn)行分析，得到中國山地1982—2012年均NDVI變化率為0.000 32，整體呈現(xiàn)“綠化”態(tài)勢(shì)(圖8)。其中秦巴山地以北至燕山山地、云貴高原和臺(tái)灣山地，“綠化”趨勢(shì)顯著，東北山地“棕化”態(tài)勢(shì)明顯。山地地表覆被變化程度上，絕大部分區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定少變，其次是顯著改善，其他依次為輕微改善、顯著退化和輕微退化。以1998年作為拐點(diǎn)，中國山地大部分地區(qū)植被變綠趨勢(shì)呈現(xiàn)減緩的趨勢(shì)[32-33]。

圖8 1982—2012年中國山地地表覆被變化趨勢(shì)及變化比例

綜合考慮山地地表綠色覆被變化對(duì)氣候變化影響的滯后效應(yīng)基礎(chǔ)上，計(jì)算植被生長與溫度、降水和太陽輻射的偏相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明中國山地生長季NDVI與溫度因子、降水因子以及輻射因子的平均偏相關(guān)系數(shù)分別為0.347、0.136和0.250，說明山區(qū)植被受到溫度和輻射的影響大于降水的影響(圖9)。

5 結(jié)論

山區(qū)是人地關(guān)系最為復(fù)雜的區(qū)域之一，人口密度大而可利用土地有限是山區(qū)面臨的重要問題，協(xié)調(diào)山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)屏障功能是山區(qū)當(dāng)前發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)。土地利用作為人類活動(dòng)的集中體現(xiàn)，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展的同時(shí)也影響著生態(tài)功能的發(fā)揮，量化土地空間異質(zhì)性以及相應(yīng)生態(tài)功能是維持山區(qū)平衡發(fā)展的關(guān)鍵。本文以三大山區(qū)為對(duì)象分析了其土地組成及結(jié)構(gòu)的空間變化，結(jié)果表明：三大山區(qū)在土地利用組成方面均以耕地、林地、草地為主導(dǎo)類型；在土地利用結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)為垂直與水平空間異質(zhì)性并存的特征。垂直方向上，主要土地利用類型占比隨海拔的增高呈現(xiàn)出規(guī)律性變化；而在水平方向上，景觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為隨到城市中心距離的增加表現(xiàn)為梯度變化，同時(shí)城鄉(xiāng)交錯(cuò)地帶是景觀最為復(fù)雜的區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，甄別了三大山區(qū)的主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量)并進(jìn)行了量化評(píng)估。最后，針對(duì)中國山地地表覆被變化的研究表明：近30年來中國山地整體呈現(xiàn)“綠化”態(tài)勢(shì)，其中1998年之后植被變綠趨勢(shì)減慢；在考慮時(shí)滯效應(yīng)基礎(chǔ)上，中國山地植被受到溫度和輻射的影響大于降水的影響。本文的研究結(jié)果對(duì)合理制定土地規(guī)劃利用政策具有重要意義。未來通過對(duì)山區(qū)不同情景下的土地及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行分析，量化各利益相關(guān)方的經(jīng)濟(jì)收支平衡，將能為制定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)以及山區(qū)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展提供更為具體的科學(xué)依據(jù)。

圖9 中國山地植被生長季NDVI與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)空間分布圖(左圖：NDVI與溫度；中圖：NDVI與太陽輻射；右圖：NDVI與降水)

(2018年1月3日收稿)

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