貴州土地利用變化對淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

郜紅娟，韓會慶, 羅緒強, 李金艷, 陳夢玲, 張新鼎

(1. 貴州師范學(xué)院 地理與資源學(xué)院，貴州 貴陽 550018; 2. 貴州理工學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要組成部分，包括產(chǎn)水、水土保持、營養(yǎng)物保持、水電等，這些服務(wù)對人類生存和發(fā)展至關(guān)重要，是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1-2]。過去幾十年間，在人類活動以及自然環(huán)境影響下，大部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(包括淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù))呈下降趨勢[3]。因此，淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及驅(qū)動機理成為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的重點。

目前，淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究由單一的淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估[4-5]發(fā)展到淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與自然和人文因素的關(guān)系研究[6-7]。其中，淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法包括價值量和物質(zhì)量評估，前者主要采用市場價值法、影子成本法、當量因子法等[4,8]，后者主要利用生態(tài)模型進行功能評價[9]。已有研究表明自然因素和人類活動作為影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因素，它們直接或間接影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力[3]。氣候變化對淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響已經(jīng)受到學(xué)者的關(guān)注[10]。土地利用作為影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要人為因素之一，它通過影響景觀組成、結(jié)構(gòu)及格局，進而影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[11]。土地利用變化影響下淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力關(guān)系到水資源供給水平、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等，這對區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)至關(guān)重要。然而，當前研究鮮有關(guān)注中國西南地區(qū)。西南地區(qū)為我國長江和珠江流域提供產(chǎn)水、水土保持、水質(zhì)凈化等重要淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，這些對長江和珠江流域生態(tài)安全及社會經(jīng)濟極其重要[12]。但是，在一系列人類活動影響下，該區(qū)土地利用經(jīng)歷了巨大變化[13-14]，進而深刻影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力?；诖?，以中國西南典型省份——貴州省為例，分析土地利用變化對淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，以期為生態(tài)環(huán)境保護及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略制定提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)包括由中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫提供的1995、2005和2015年貴州省土地利用數(shù)據(jù)，貴州省氣候中心提供的2015年84個氣象站點逐日觀測數(shù)據(jù)，中國土壤數(shù)據(jù)庫提供的貴州省土壤數(shù)據(jù)(包括土壤類型、質(zhì)地、深度等)，地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供的30 m分辨率高程數(shù)據(jù)以及貴州省水利廳提供的2015年貴州省水資源公報和水土保持公報。貴州省流域劃分是基于高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件的水文分析工具進行提取。

1.2 研究方法

1.2.1 淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法

依據(jù)研究區(qū)特點，選取產(chǎn)水、水土保持、水質(zhì)凈化3種重要淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型(InVEST)進行評估，該模型中參數(shù)見參考文獻[12]和[15]，模型參數(shù)校驗依據(jù)貴州省水資源公報和水土保持公報。

1.2.1.1 產(chǎn)水

依據(jù)水量平衡原理，利用降水量和Budyko曲線[16]評估產(chǎn)水能力。

Y=(1-Aaet/P)/P。

(1)

式中：Y是產(chǎn)水量，Aaet是實際蒸散量(由Budyko曲線計算)，P是降水量。

1.2.1.2 水土保持

水土保持服務(wù)等于最大水土流失量(假定地表無植被)減去實際水土流失量，其中實際水土流失量運用美國水土流失方程(USLE)進行計算。

Ssr=RK·Lls-RK·Lls·CP。

(2)

式中：R是降水侵蝕力，K是土壤可蝕性，Lls是地形因子，C是植被因子，P是工程因子。

1.2.1.3 水質(zhì)凈化

水質(zhì)凈化服務(wù)評估是依據(jù)一定時間內(nèi)土地覆蓋因子對氮、磷營養(yǎng)物的持留能力進行計算。

Wwp=1/Aalv，

(3)

Aalv=Hhss·Ppol，

(4)

Hhss=λi/λw，

(5)

(6)

1.2.2 淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析方法

首先，利用ArcGIS軟件將研究區(qū)的每種淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化值(柵格格式)按照100 m×100 m空間尺度進行重采樣，然后將重采樣后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件，最后，利用Pearson相關(guān)分析法分析兩兩淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相關(guān)性。如相關(guān)系數(shù)大于0，即為協(xié)同關(guān)系；小于0，即為權(quán)衡關(guān)系[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化影響下貴州省淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

在土地利用變化作用下，1995-2005和2005-2015年間貴州省產(chǎn)水和水土保持服務(wù)整體呈增加趨勢，而水質(zhì)凈化服務(wù)呈下降趨勢，其中產(chǎn)水服務(wù)的增加幅度高于水土保持，而水質(zhì)凈化服務(wù)的變化幅度均高于產(chǎn)水和水土保持服務(wù)。從不同階段看，1995-2005年間貴州省3種淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化幅度均高于2005-2015年(表1)。

表1 土地利用變化影響下貴州省淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體變化

1995-2005年間，在土地利用作用下貴州省產(chǎn)水服務(wù)增加區(qū)域主要分布在中西部，而下降區(qū)域主要位于東部和北部。水土保持服務(wù)增加區(qū)域主要集中在中西部和東部，下降區(qū)域多分散于中部和南部。水質(zhì)凈化服務(wù)增加區(qū)域主要位于東北部以及中西部的零星地區(qū)，下降區(qū)域多集中在南部和北部的大部分地區(qū)。2005-2015年間，除東南部以及西部的零星地區(qū)外，全省大部地區(qū)產(chǎn)水和水質(zhì)凈化服務(wù)分別呈增加和下降趨勢。除小部分地區(qū)外，全省大部分地區(qū)水土保持服務(wù)呈增加趨勢(圖1)。

2.2 土地利用變化影響下貴州省淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

土地利用變化影響下，1995-2005年和2005-2015年間貴州省產(chǎn)水與水土保持之間均為協(xié)同關(guān)系，而產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間、水土保持與水質(zhì)凈化之間均為權(quán)衡關(guān)系。從相關(guān)程度看，1995-2005年間產(chǎn)水與水土保持之間、水土保持與水質(zhì)凈化之間的相關(guān)性相對較強，而產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間相關(guān)性相對較弱。2005-2015年間，產(chǎn)水與水土保持之間相關(guān)性相對較強，而水土保持與水質(zhì)凈化之間、產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間相關(guān)性相對較弱(表2)。

2.3 土地利用變化對貴州省淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響機制

土地利用變化通過影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與格局，影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力，在此基礎(chǔ)上，又作用于淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。如1995-2005年間貴州省耕地的增加以及林地、草地等自然植被下降，降低了植被持水能力和水質(zhì)凈化能力，從而導(dǎo)致產(chǎn)水服務(wù)增加，水質(zhì)凈化服務(wù)下降。因此，這兩種服務(wù)之間出現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。同時，自然植被的下降增強了水土流失量，進而提高了水土保持量，從而導(dǎo)致產(chǎn)水與水土保持之間呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，而水土保持與水質(zhì)凈化之間為權(quán)衡關(guān)系。另外，2005-2015年建設(shè)用地大幅增加使得自然植被下降，同樣使得產(chǎn)水服務(wù)和水質(zhì)凈化服務(wù)分別呈增加和下降趨勢，進而導(dǎo)致兩種服務(wù)之間呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。

圖1 土地利用變化影響下貴州省淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化空間格局Fig.1 Spatial pattern of freshwater ecosystem services change in Guizhou province under the influence of land use change

表2 土地利用變化影響下貴州省淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相關(guān)系數(shù)

從空間上看，土地利用變化的空間格局與淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的空間格局密切相關(guān)，如1995-2005年間貴州省東南部和北部的林地面積增加，使得該區(qū)產(chǎn)水功能呈下降趨勢。同理，2005-2015年間貴州省中南部林地呈下降趨勢，故而中南部的產(chǎn)水服務(wù)呈增加趨勢(表3和圖2)。

表3 1995-2015年貴州省土地利用整體變化

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)土地利用變化對水質(zhì)凈化服務(wù)的影響較大，而對產(chǎn)水和水土保持服務(wù)的影響較小。生態(tài)保護工程、植樹造林等人類活動作用下自然植被的增加，可以使得產(chǎn)水和水土保持服務(wù)減少，水質(zhì)凈化服務(wù)增加。相反，毀林開荒影響下自然植被減少，將導(dǎo)致產(chǎn)水和水土保持服務(wù)呈增加趨勢，水質(zhì)凈化服務(wù)呈下降趨勢，這與郭洪偉等[18]、卞鴻雁等[19]、李屹峰等[20]的研究結(jié)果較為一致。此外，在土地利用變化作用下，產(chǎn)水與水土保持之間為協(xié)同關(guān)系，水質(zhì)凈化與產(chǎn)水、水土保持之間均為權(quán)衡關(guān)系，這主要與三種淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化規(guī)律是否一致有關(guān)。此外，值得注意的是，建設(shè)用地擴張并沒有導(dǎo)致水土保持服務(wù)下降，這主要與建設(shè)用地占耕主要來源于水田[21]，且水田水土保持措施遠高于旱地密切相關(guān)[22]。鑒于土地利用與淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系，為更好地利用喀斯特地區(qū)淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，建議從以下方面進行土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整：一是加快退耕還林還草工程實施，減少坡耕地比例，提高坡地植被覆蓋度；二是加大石漠化治理，減少未利用地面積；三是控制建設(shè)用地擴張速度，減少建設(shè)用地占耕。

本研究假定氣候要素無變化，僅考慮了土地利用變化對淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，而氣候變化作為影響淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因素，尚未比較土地利用變化與氣候變化對淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的差異，這將是未來研究的重要方向。

圖2 1995-2015年貴州省土地利用變化空間格局Fig.2 Spatial pattern of land use change in Guizhou province from 1995 to 2015