石羊河流域自然植被對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的約束效應(yīng)

高 超,趙 軍,王玉純,金貴峻,王建邦,胡秀芳

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 735300 2 甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天水 741020 3 南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,南通 226007

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成和所維持的人類賴以生存的自然條件及效用[1],是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中所得到的收益[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)性是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[2- 3],人類為滿足不斷增長(zhǎng)的服務(wù)需求和對(duì)服務(wù)的選擇性使用,常通過(guò)改造生態(tài)系統(tǒng)來(lái)增加供給服務(wù),造成其他類型服務(wù)不斷減少,調(diào)節(jié)服務(wù)尤為顯著。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化不僅危及當(dāng)代社會(huì)福祉,且將極大影響人類后代從生態(tài)系統(tǒng)中謀求利益,使人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)[4- 5]。

植被生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源、土壤保持及固碳釋氧等功能對(duì)維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)、生態(tài)平衡具有重要地理價(jià)值。植被是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生和傳遞的重要基礎(chǔ),氣候變化和人為擾動(dòng)的影響結(jié)果也直接體現(xiàn)在植被上,植被的生長(zhǎng)狀況勢(shì)必對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給產(chǎn)生重要影響[6]。精確認(rèn)識(shí)植被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,對(duì)于深化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)仍是學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)之一,梳理國(guó)內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn)：評(píng)估的主流模型仍為InVEST模型,研究尺度主要以流域尺度或特定的自然保護(hù)區(qū)、城市(縣區(qū))[7]；研究的生態(tài)功能以水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳固定、水質(zhì)凈化及生物多樣性為主；研究方向從最初的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估逐步深化[8- 9],向生態(tài)服務(wù)的時(shí)空格局及驅(qū)動(dòng)因素[10- 11]、權(quán)衡與協(xié)同[12- 13]、生態(tài)恢復(fù)與補(bǔ)償[14]、生態(tài)服務(wù)供需流[15]等多方向延伸。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系中,由于供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)之間存在矛盾[16],有學(xué)者以情境模擬法來(lái)實(shí)現(xiàn)生態(tài)服務(wù)的優(yōu)化；由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和生態(tài)服務(wù)形成機(jī)制的研究不足,已有的情境模擬研究均通過(guò)改變某一個(gè)參數(shù)、其余參數(shù)不變進(jìn)行討論,較難準(zhǔn)確模擬該情境下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[17]。因此,介于植被在生態(tài)服務(wù)中的特殊地位,加強(qiáng)植被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響是十分必要的。

石羊河流域生態(tài)問(wèn)題受廣大學(xué)者關(guān)注,有關(guān)生態(tài)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究已有成果發(fā)表[17- 21],在植被-生態(tài)服務(wù)、生態(tài)服務(wù)-生態(tài)服務(wù)間關(guān)系的研究中,多以相關(guān)分析進(jìn)行探討,缺乏非線性關(guān)系研究。約束線法在解決復(fù)雜生態(tài)學(xué)問(wèn)題中具有巨大潛力,為研究生態(tài)系統(tǒng)中的非線性關(guān)系提供了可能。因此,本文引入約束線法來(lái)研究石羊河流域植被覆蓋度對(duì)其產(chǎn)水量、土壤保持和固碳服務(wù)的約束關(guān)系,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的驅(qū)動(dòng)因素定量化研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)估方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域介于101°41′—104°16′E、36°29′—39°27′N之間,總面積4.16×104km2,平均海拔約2000 m,屬于典型的大陸溫帶干旱氣候,其上中下游的氣候特征具有明顯垂直分異：上游祁連山高寒半干旱濕潤(rùn)區(qū)；中游走廊平原干旱區(qū),干旱程度明顯大于上游區(qū)域；下游溫暖干旱區(qū),主要為民勤綠洲和荒漠,屬于重度缺水區(qū)[22]。全流域共有8條子流域,按水文地質(zhì)單元又可分為3個(gè)獨(dú)立子水系[23]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

植被覆蓋度(fractional vegetation cover,FVC)以MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算獲得,歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)產(chǎn)品空間分辨率為250 m,時(shí)間分辨率為16 d,以最大值合成法得到年數(shù)據(jù)。固碳服務(wù)以MODIS-NPP產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲得,NPP產(chǎn)品空間分辨率為1000 m,時(shí)間分辨率為1 a。以上MODIS數(shù)據(jù)均來(lái)自https://modis.gsfc.nasa.gov/。產(chǎn)水服務(wù)與土壤服務(wù)采用InVEST模型計(jì)算,所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列,對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算得到模型的輸入?yún)?shù)。

表1 InVEST模型參數(shù)來(lái)源說(shuō)明

1.3 評(píng)估方法

本研究以上述數(shù)據(jù),定量估算2000、2005、2010、2015年石羊河流域自然植被覆蓋度、產(chǎn)水量、土壤保持及固碳服務(wù),提取植被覆蓋度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的約束線,在此基礎(chǔ)上總結(jié)植被覆蓋度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的約束效應(yīng),定量認(rèn)識(shí)植被覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,探索在約束效應(yīng)下石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化的理論。

本研究使用多尺度數(shù)據(jù),其中NDVI數(shù)據(jù)重采樣為1 km；InVEST模型參數(shù)除DEM外均為1 km空間分辨率,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)以相近研究區(qū)、模型可借鑒性及文獻(xiàn)的新近性為原則,以引文分析工具分析文獻(xiàn)獲得。Zhang系數(shù)、匯水累計(jì)閾值及坡度閾值需多次模擬,使其與研究區(qū)實(shí)際情況相符。

1.3.1植被覆蓋度估算

植被覆蓋度采用像元二分模型,以NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算植被覆蓋度,公式為：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中,FVC為植被覆蓋度,NDVIsoil和NDVIveg分別為純裸土和純植被對(duì)應(yīng)的NDVI值。結(jié)合前人研究和研究區(qū)實(shí)際情況,選取生長(zhǎng)季內(nèi)植被NDVI最小值0.076和最大值0.8179代替NDVIsoil和NDVIveg[32]。

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

(1)產(chǎn)水量。以水量平衡公式計(jì)算,公式如下：

式中,AET(x)表示柵格單元x的年實(shí)際蒸散量,P(x)表示柵格單元x的年降水量。

(2)土壤保持。土壤保持服務(wù)以土壤侵蝕和土壤保持量為指標(biāo),土壤保持量定義為裸地條件下的土壤侵蝕量RKLS與植被覆蓋情況下的土壤侵蝕量USLE之差。公式如下：

RKLS=R·K·LS

USLE=R·K·LS·C·P

SD=RKLS-USLE

式中,RKLS為潛在土壤侵蝕,USLE為實(shí)際土壤侵蝕,SD為土壤保持量；R為降水可蝕量因子,K為土壤可蝕性因子,LS為坡度坡長(zhǎng)因子,C為植被覆蓋和管理因子,P為土壤保持措施因子。

(3)固碳服務(wù)。

6CO2+12H2O=C6H12O6+6O2+6H2O

根據(jù)上式,植物干物質(zhì)生產(chǎn)與CO2消耗比例為1∶1.62,因此固碳量為：

Vc=NPP·1.62

1.3.3約束線法

圖1 約束線示意圖Fig.1 Constraint line diagram

約束線法是以分段分位數(shù)回歸刻畫的,約束線上的點(diǎn)代表研究?jī)蓚€(gè)生態(tài)變量時(shí),受到其他變量的影響最小。由于植被的生長(zhǎng)情況是限制其提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量的主要因素,因此將表征植被生長(zhǎng)狀況的植被覆蓋度作為坐標(biāo)橫軸,提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為坐標(biāo)縱軸,構(gòu)成二維坐標(biāo)系(圖1),其中限制變量為植被覆蓋度(X),響應(yīng)變量為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Y)。約束線上的點(diǎn)表示變量Y受變量X影響時(shí),受其他因素的影響最小,即變量Y的理論最大值。

約束線法以O(shè)rigin 2017擬合,所有約束線均通過(guò)95%置信度檢驗(yàn)；結(jié)合研究對(duì)象間的關(guān)系及前人研究[33],將約束線歸納為以下幾種類型(圖2)。

圖2 約束線類型Fig.2 Constraint line type正線型：變量X對(duì)變量Y的約束效應(yīng)成比例下降；正凸型：變量X能夠有效的約束變量Y,且成比例增加約束效應(yīng)；指數(shù)型：變量X對(duì)變量Y的約束效應(yīng)在整個(gè)范圍內(nèi)持續(xù)下降；S型：隨著變量X的增加,其對(duì)變量Y的約束效應(yīng)在X的某個(gè)范圍內(nèi)急劇下降；開(kāi)口向下拋物線型：隨著變量X的增加,其對(duì)變量Y的約束效應(yīng)先逐漸減少,后逐漸增大；凸波型：變量X對(duì)變量Y的約束效應(yīng)表現(xiàn)出波動(dòng)特征

1.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力估算

約束線上的點(diǎn)表示在其他因素的最小約束下,一個(gè)生態(tài)變量受到另一個(gè)生態(tài)變量約束,因此代表了效率前沿,類似于經(jīng)濟(jì)學(xué)中帕累托效率的含義[34-35]。在生態(tài)系統(tǒng)管理中,實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量與效率前沿的差值就是對(duì)應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升潛力,也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化的重點(diǎn)。本文以2015年石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為例,分別計(jì)算產(chǎn)水、土壤保持、固碳等三種服務(wù)潛力的空間分布,并對(duì)3種服務(wù)潛力進(jìn)行加權(quán)分析,確定綜合潛力分布態(tài)勢(shì)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力表示為：

Pi=Li-Ai

式中,Pi表示每個(gè)柵格單元的潛力值,Li表示每個(gè)柵格單元的理想值,Ai表示每個(gè)柵格單元的實(shí)際值。

在干旱區(qū),水資源可用性是維持各項(xiàng)生態(tài)過(guò)程最重要的制約因素。在測(cè)算綜合潛力時(shí),產(chǎn)水量的權(quán)重應(yīng)高于土壤保持和固碳服務(wù)的權(quán)重。綜合潛力表示為：

CPi=0.4×Wi+0.3×Si+0.3×Ni

式中,CPi為每個(gè)柵格單元的綜合潛力值,Wi為每個(gè)柵格單元的產(chǎn)水量潛力值,Si為每個(gè)柵格單元的土壤保持潛力值,Ni為每個(gè)柵格單元的固碳服務(wù)潛力值。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的約束效應(yīng)

根據(jù)USGS分類體系,本文從整體植被和分林草植被兩個(gè)層次提取約束線,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行討論,整體植被是將所有自然植被作為整體提取約束線,包括所有的林地和草地,分林草植被是將林地和草地分開(kāi),分別提取約束線。

2.1.1植被覆蓋與產(chǎn)水量的約束效應(yīng)

從整體來(lái)看,植被覆蓋度與產(chǎn)水量的約束線基本呈開(kāi)口向下拋物線類型,但不同植被類型的約束線略有差別(圖3)。在閾值左側(cè),隨著植被覆蓋度不斷增加,植被覆蓋度對(duì)產(chǎn)水量的約束效應(yīng)逐漸減小,其他因素對(duì)產(chǎn)水量的影響不斷增加。當(dāng)植被覆蓋度不斷增加時(shí),植被對(duì)降水的截留能力在不斷增加,降水量也在不斷增加,表明植被可利用水分在增加,但總體處于缺水狀況,在植被可用水分不能充分滿足植被生長(zhǎng)的情況下,更多的水分被植被吸收用于自身生長(zhǎng),因此這一階段水分成為限制植被提供產(chǎn)水服務(wù)的主要因素。在閾值右側(cè),隨著植被覆蓋度不斷增加,植被覆蓋度對(duì)產(chǎn)水量的約束效應(yīng)逐漸增大,其他因素對(duì)產(chǎn)水量的影響不斷減小。石羊河流域高植被覆蓋區(qū)位于流域上游,為典型的山地區(qū)。高植被覆蓋度下枝葉的凋落量大,分解速率不高,枯枝存量大,造成枯枝落葉層對(duì)于水分的大量截留,枯枝落葉層的截留水量達(dá)到飽和后部分水分將滲入土中,增加了土壤含水量。同時(shí),高植被覆蓋從一個(gè)側(cè)面也反映出該區(qū)有更大的降水量,充足的水分在滿足了植被自身的生長(zhǎng)需求后產(chǎn)生徑流,加之山區(qū)坡度較大處的土壤更易形成土壤侵蝕,影響植被生長(zhǎng),進(jìn)而影響到植被提供產(chǎn)水服務(wù)的能力。

圖3 植被覆蓋度與產(chǎn)水量約束線Fig.3 Vegetation coverage and water production constraint line

從時(shí)間尺度來(lái)看,同類植被的約束線類型基本保持不變,但表現(xiàn)出一定的時(shí)間分異特征。分析來(lái)看,造成時(shí)間分異的本質(zhì)原因是降水量、潛在蒸散量等其他影響因素的不同組合導(dǎo)致。其中,土壤深度、植物可利用含水率、植物蒸散系數(shù)等在一定時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定,因此年降水量和潛在蒸散量的變化是造成約束線具有時(shí)間分異特征的主要原因。

從擬合優(yōu)度R2來(lái)看,整體植被的約束線和草地的約束線擬合效果極佳,在不同時(shí)間尺度下擬合優(yōu)度較為接近。林地的約束線擬合效果總體較低。由于石羊河流域林地?cái)?shù)量較少,且主要分布在上游地區(qū),植被覆蓋度較高,低植被覆蓋度地區(qū)林地?cái)?shù)量較少,這可能是影響擬合結(jié)果的主要原因。

從約束線的閾值來(lái)看,草地閾值明顯高于林地閾值,表明在理想條件下,同等植被覆蓋度時(shí)草地能提供更多的產(chǎn)水服務(wù)。結(jié)合林地與草地提供產(chǎn)水量的實(shí)際能力與理論最大值(圖3)發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)實(shí)情況下,林地的產(chǎn)水能力強(qiáng)于草地；在理想情況下,草地的產(chǎn)水能力強(qiáng)于林地。

2.1.2植被覆蓋與土壤保持的約束效應(yīng)

植被覆蓋度與土壤保持的約束線均呈開(kāi)口向下拋物線類型,與產(chǎn)水量的約束線相似(圖4)。在閾值左側(cè),植被覆蓋度總體處于中、低覆蓋水平,主要分布在流域中下游,屬于干旱區(qū)。由于降水較少,蒸散量較大,總體處于缺水環(huán)境,加之植被覆蓋度不高,對(duì)于降水的保留能力不強(qiáng),大部分降水被直接蒸散散失。有研究表明,在干旱區(qū)小于13 mm的降雨屬于無(wú)效降雨,全部降水都將被蒸發(fā)消耗掉[36]。土壤保持主要受降水可蝕性因子、土壤可蝕性因子、坡度坡長(zhǎng)因子、土壤飽和導(dǎo)水率因子、土壤保持因子及植被覆蓋和管理因子影響。在降水較少的干旱區(qū),降水可蝕性因子和土壤飽和導(dǎo)水率可以忽略；中下游地勢(shì)較為平坦,因此坡度坡長(zhǎng)因子也可以不予考慮；植被覆蓋和管理因子和土壤保持因子對(duì)土壤保持具有促進(jìn)作用,因此土壤可蝕性因子成為限制植被提供土壤保持的主要因素。土壤可蝕性因子大小取決于土壤的特性指標(biāo),包括砂粒含量、土壤有機(jī)質(zhì)含量等,結(jié)合石羊河流域中下游自然地理特征,可以認(rèn)為風(fēng)蝕是該區(qū)土壤侵蝕的主要類型。另外,由于石羊河流域上游是產(chǎn)水量的高值區(qū),上游來(lái)水中攜帶的礦物質(zhì)隨徑流來(lái)到中下游,而中下游蒸發(fā)強(qiáng)烈,可能出現(xiàn)土壤鹽堿化,限制植被生長(zhǎng),進(jìn)而限制植被提供土壤保持服務(wù)的能力。在閾值右側(cè),植被覆蓋度總體處于高覆蓋水平,主要分布在流域上游,區(qū)域內(nèi)降水量較大,降水強(qiáng)度較高,地形起伏較大,這些因素不但會(huì)對(duì)土壤造成水蝕,同時(shí)形成的徑流會(huì)帶走土壤中的部分礦物質(zhì)和有機(jī)鹽等,影響土壤質(zhì)量。

在時(shí)間尺度、擬合優(yōu)度及閾值上,土壤保持約束線的結(jié)果與產(chǎn)水量相似。

圖4 植被覆蓋度與土壤保持的約束線Fig.4 Vegetation coverage and soil retention constraints

2.1.3植被覆蓋與固碳服務(wù)的約束效應(yīng)

植被覆蓋與固碳服務(wù)的約束線呈類直線的正凸型(圖5),隨著植被覆蓋度的不斷增加,植被提供的固碳服務(wù)量也不斷增加。由于正凸型函數(shù)類型不存在閾值,所以植被覆蓋度越高,提供的固碳服務(wù)量越高。

固碳服務(wù)的約束線同樣存在時(shí)間分異特征。從整體植被的角度看,2000年的固碳量最大值在950左右,為最大值,2005年的固碳量最大值在750以下,其余兩年的對(duì)應(yīng)最大值在800—850之間。

在擬合優(yōu)度上,整體植被與分林草植被的約束線的擬合效果均較為理想,R2值較為接近。

對(duì)比不同時(shí)期林地和草地約束線發(fā)現(xiàn),同等植被覆蓋度情況下,林地的固碳量理論最大值高于草地的固碳量最大值；結(jié)合林地與草地的實(shí)際固碳能力,發(fā)現(xiàn)在實(shí)際與理想情況下,同等植被覆蓋度時(shí)林地的固碳能力均大于草地的固碳能力。

圖5 植被覆蓋與固碳服務(wù)的約束線Fig.5 Constraint line for vegetation cover and carbon sequestration services

2.1.4模型評(píng)價(jià)

在約束線上,一個(gè)生態(tài)變量受到另一個(gè)生態(tài)變量的約束時(shí),受到其他影響因素的影響最小。以植被覆蓋對(duì)產(chǎn)水量的約束線為例,產(chǎn)水量受植被、氣象、土壤及地形等多因素影響,約束線上的點(diǎn)表示當(dāng)產(chǎn)水量受植被覆蓋度影響時(shí),受氣象、土壤、地形等其他因素的最小影響。所以約束線的意義在于,在研究某兩種生態(tài)變量的關(guān)系時(shí),能夠最大限度地減少局部因素的影響。因此,為盡可能的減少局部因素的影響,研究對(duì)象應(yīng)盡可能的廣泛分布,以涵蓋不同的氣候、土壤及地形等類型。

應(yīng)用約束線分析生態(tài)問(wèn)題時(shí),在研究區(qū)分布廣泛的變量有較好的擬合效果,更適合約束線理論分析。由于石羊河流域林地面積較少且集中分布,主要集中在上游地區(qū),應(yīng)用約束線法減小局部因素的影響效果較差,因此擬合優(yōu)度比草地的擬合優(yōu)度差。

2.2 植被與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的響應(yīng)關(guān)系

通過(guò)不同植被類型下植被覆蓋與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的約束線,發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)、理想情況下草地和林地的服務(wù)供給能力差異,因此,有必要討論不同植被類型下植被與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的響應(yīng)關(guān)系,以期為植被恢復(fù)類型選擇提供科學(xué)依據(jù)。從現(xiàn)實(shí)情況看,林地提供產(chǎn)水、土壤保持及固碳服務(wù)的能力強(qiáng)于草地,因此增加林地是提高服務(wù)供給的更佳選擇。從理想情況來(lái)看,草地的產(chǎn)水能力和土壤保持能力均大于草地,與實(shí)際情況相反。這是由于理想條件下降水量、潛在蒸散量及土壤可蝕性等限制服務(wù)供給的主要因素被最大限度削弱導(dǎo)致；結(jié)合石羊河流域具體情況及林地的分布情況,林地對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求相對(duì)更高。另外,荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究項(xiàng)目組指出,植被冠層對(duì)降水量截留率在2.7%—33.1%間,最大可達(dá)50 mm,這部分降水多以蒸發(fā)形式直接散失[37]；尹立河等[38]指出,植被覆蓋度增加會(huì)減少地下水補(bǔ)給,導(dǎo)致河流流量降低；李小英等[39]指出,相同地區(qū)人工植被耗水量大于天然植被耗水量。因此,選擇自然恢復(fù)或耗水量較小的當(dāng)?shù)刂脖豢蓪?shí)現(xiàn)干旱區(qū)水與生態(tài)的和諧發(fā)展。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力估算

2.3.1產(chǎn)水量服務(wù)潛力

圖6 石羊河流域產(chǎn)水服務(wù)潛力分布圖 Fig.6 Distribution map of water production service potential in Shiyang River Basin

根據(jù)1.3.4中提出的潛力估算模型計(jì)算得到石羊河流域產(chǎn)水量服務(wù)潛力分布圖(圖6)。由圖6可知,研究區(qū)產(chǎn)水量服務(wù)潛力總體呈現(xiàn)西南高東北低、具有流域分層的分布特征。流域上游是產(chǎn)水服務(wù)潛力值的高值區(qū),植被茂密,水熱條件較好,也是產(chǎn)水服務(wù)的高值區(qū)。流域中游西部山區(qū)的產(chǎn)水量服務(wù)潛力較高,流域中游中部和東部是產(chǎn)水量服務(wù)潛力的中低值區(qū)。流域下游是產(chǎn)水量服務(wù)潛力的低值區(qū),提升空間不大,僅有零星區(qū)域有一定提升潛力。

綜合石羊河流域2015年實(shí)際產(chǎn)水量和產(chǎn)水量潛力分析發(fā)現(xiàn),上游產(chǎn)水量服務(wù)的高產(chǎn)值和高潛力并存。石羊河流域上游生態(tài)條件較好,是產(chǎn)水量服務(wù)的高值區(qū)；流域中游是人類活動(dòng)的主要集中地,水資源使用和消耗量全流域最大,短缺也最為嚴(yán)重,中游地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)水資源的超量利用也是造成下游水資源短缺的重要原因。正是因?yàn)橹邢掠螄?yán)重的生態(tài)問(wèn)題和水資源短缺,社會(huì)各界在管理和關(guān)注生態(tài)問(wèn)題時(shí)更側(cè)重于中下游地區(qū)。

面對(duì)石羊河流域的水資源問(wèn)題,可持續(xù)發(fā)展和合理節(jié)約利用水資源是我們關(guān)注的重點(diǎn),但不是解決水資源問(wèn)題的唯一途徑。通過(guò)對(duì)石羊河流域產(chǎn)水服務(wù)潛力高值區(qū)的科學(xué)管理,也是解決石羊河流域水資源問(wèn)題的一種行之有效的策略。

2.3.2土壤保持服務(wù)潛力

由圖7可知,研究區(qū)土壤保持服務(wù)潛力總體呈現(xiàn)西南高東北低、流域分層明顯的分布特征。石羊河流域上游地形起伏度較大,降水較多,容易造成土壤流失,但上游茂密的植被在一定程度上減少了地形和降水造成的土壤流失,是土壤保持的高值區(qū),也是土壤保持服務(wù)潛力的高值區(qū)。流域中游主要為土壤保持服務(wù)潛力中低值分布區(qū),有一定的提升潛力。流域下游是土壤保持服務(wù)潛力的低值區(qū),提升空間不大?？傮w來(lái)說(shuō),流域西南部及西部山區(qū)地帶土壤保持服務(wù)有較大提升空間,中游中部區(qū)域土壤保持服務(wù)也有一定提升空間。

綜合石羊河流域2015年實(shí)際土壤保持量和土壤保持潛力分析發(fā)現(xiàn),石羊河流域上游土壤保持服務(wù)的高產(chǎn)值和高潛力并存；流域中下游土壤保持服務(wù)的低產(chǎn)值和低潛力并存。石羊河流域上游生態(tài)條件較好,但降水量、降水強(qiáng)度、地形等因素同樣限制土壤保持服務(wù)的供給,合理開(kāi)發(fā)流域上游的土壤保持服務(wù)潛力,是改善區(qū)域生態(tài)問(wèn)題的有效途徑。石羊河流域中下游生態(tài)問(wèn)題突出,提供土壤保持服務(wù)的能力較弱,提升潛力較小,改善中下游的生態(tài)問(wèn)題是當(dāng)下的難題。

2.3.3固碳服務(wù)潛力

由圖8可知,研究區(qū)固碳服務(wù)潛力總體呈現(xiàn)西南高東北低、流域分層分布特征。石羊河流域固碳服務(wù)高值區(qū)和服務(wù)潛力高值區(qū)分布在上游；流域固碳服務(wù)的中值區(qū)和服務(wù)潛力的中值區(qū)主要分布在中游；流域固碳服務(wù)的低值區(qū)和服務(wù)潛力的低值區(qū)主要分布在下游。

石羊河流域的植被覆蓋度及植被分布范圍總體呈從上游向下游遞減趨勢(shì),結(jié)合上述分析推測(cè),增加植被覆蓋度及植被分布范圍可能提高固碳量。有研究指出,石羊河流域下游的生態(tài)輸水能提高植被覆蓋度,有利于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[7]。因此,通過(guò)人工增加植被、生態(tài)輸水等方式,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,是增加固碳服務(wù)的有效方式。

圖7 石羊河流域土壤保持服務(wù)潛力分布圖 Fig.7 Distribution map of soil conservation service potential in Shiyang River Basin

圖8 石羊河流域固碳服務(wù)潛力分布圖 Fig.8 Distribution map of carbon sequestration service potential in Shiyang River Basin

2.3.4綜合潛力

圖9 石羊河流域綜合潛力分布圖 Fig.9 Shiyang River Basin comprehensive potential distribution map

根據(jù)產(chǎn)水、土壤保持、固碳等3種服務(wù)的潛力值柵格圖,利用1.3.4中的綜合潛力估算模型計(jì)算得到石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合潛力分布圖(圖9)。分析圖9發(fā)現(xiàn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合潛力高值區(qū)主要分布在上游西南部,表明石羊河流域上游具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力提升空間；中下游也有不同程度的提升空間。

結(jié)合產(chǎn)水量服務(wù)、土壤保持服務(wù)及固碳服務(wù)空間分布圖發(fā)現(xiàn),3種服務(wù)潛力的主要提升空間均集中在流域上游,與綜合潛力空間分布相似。因此,有必要從子流域尺度進(jìn)行分析。

由表2可知,在上游的8條子流域中,總潛力前4位的子流域按總潛力值大小依次為：東大河>西大河>西營(yíng)河>古浪河。結(jié)合產(chǎn)水量、土壤保持及固碳服務(wù)的子流域占比情況發(fā)現(xiàn),產(chǎn)水量較高的子流域?yàn)椋汗爬撕?東大河>西營(yíng)河>雜木河>西大河；土壤保持較高的子流域?yàn)椋何鳡I(yíng)河>東大河>雜木河>黃羊河>古浪河>西大河；固碳量較高的子流域?yàn)椋簴|大河>西大河>西營(yíng)河>古浪河。分析發(fā)現(xiàn),東大河、西大河、西營(yíng)河及古浪河提供的3種服務(wù)較多,且總潛力較大,說(shuō)明這4條子流域不僅是流域內(nèi)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要供給者,也是流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力提升的主要貢獻(xiàn)者。

表2 2015年各子流域自然植被綜合潛力占流域總值的比例/%

分析來(lái)看,植被的分布狀況是造成子流域綜合潛力差異的原因之一。另外,綜合潛力由產(chǎn)水量潛力、土壤保持潛力及固碳潛力計(jì)算得出,因此,有必要從三項(xiàng)服務(wù)潛力分別分析。從產(chǎn)水量潛力來(lái)看,水熱條件組合是影響產(chǎn)水量潛力的主要原因,對(duì)應(yīng)到輸入?yún)?shù)為年降水量及潛在蒸散量。在較大尺度,通過(guò)人為影響的方式改善年降水量及潛在蒸散量,從而達(dá)到生態(tài)恢復(fù)是不現(xiàn)實(shí)的。從土壤保持潛力來(lái)看,土壤可蝕性是影響土壤保持潛力的主要原因,但不論是降水可蝕性,還是土壤可蝕性,這些因素都較難通過(guò)人工來(lái)大范圍改變。從固碳潛力來(lái)看,提高植被覆蓋度有利用增加固碳服務(wù),生態(tài)輸水能提高植被覆蓋度,因此,通過(guò)生態(tài)輸水,植樹(shù)植草等方式,可增加區(qū)域的固碳服務(wù)。結(jié)合植被與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的響應(yīng)關(guān)系分析發(fā)現(xiàn),根據(jù)各子流域的實(shí)際情況,在自然恢復(fù)的基礎(chǔ)上,增加耗水量較少的當(dāng)?shù)刂脖荒茉谝欢ǔ潭壬细纳粕鷳B(tài)環(huán)境,提高服務(wù)供給。

3 結(jié)論

本文基于分段分位數(shù)回歸法提取了植被覆蓋與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的約束線,探討了植被覆蓋對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的約束效應(yīng),并以2015年數(shù)據(jù)為例,分析了石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力,得出以下結(jié)論：

(1)植被覆蓋度與產(chǎn)水量、土壤保持服務(wù)的約束線均呈開(kāi)口向下拋物線類型,隨著植被覆蓋度的增加,兩種服務(wù)均呈先增加后減小的變化趨勢(shì),表明植被覆蓋度對(duì)兩種服務(wù)的約束效應(yīng)均呈先減小后增加的變化特征；植被覆蓋度與固碳服務(wù)間的約束線呈類直線的正凸型,表明隨著植被覆蓋度增加,其對(duì)固碳服務(wù)的約束效應(yīng)逐漸減小。

(2)植被覆蓋對(duì)產(chǎn)水量、土壤保持及固碳服務(wù)的約束效應(yīng)均存在時(shí)空異質(zhì)性。在理想情況下,草地的產(chǎn)水能力與土壤保持能力均強(qiáng)于林地,與實(shí)際情況相反；草地的固碳能力弱于林地,與實(shí)際情況相同,但差距不大。

(3)約束線法代表效率前沿,可用于分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的可提升潛力。石羊河流域產(chǎn)水、土壤保持、固碳3種服務(wù)的提升潛力均呈西南高東北低、高服務(wù)值和高潛力并存的分布特征,東大河、西大河、西營(yíng)河及古浪河流域不僅是流域內(nèi)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要供給者,也是流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力提升的主要貢獻(xiàn)者。

(4)約束線法在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景,其存在時(shí)空異質(zhì)性的根本原因在于其他因素的時(shí)空異質(zhì)性。受理論和方法限制,具有在研究區(qū)廣泛分布特征的要素可達(dá)到較好的擬合效果,更適合約束線法的推廣應(yīng)用。

(5)石羊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化通過(guò)生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行,應(yīng)結(jié)合子流域的實(shí)際情況,在自然恢復(fù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)增加耗水量較少的當(dāng)?shù)刂脖桓纳粕鷳B(tài)環(huán)境,提高服務(wù)供給,實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)生態(tài)與服務(wù)的和諧發(fā)展。