北京灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地形梯度效應(yīng)評(píng)價(jià)

陳 龍, 劉春蘭, 裴 廈, 劉曉娜, 寧楊翠

(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037)

山地平原過渡帶是山地與平原兩大地域單元的交接地帶，具有明顯的自然地理邊緣效應(yīng)，顯著的地形起伏特征使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)明顯的空間分異規(guī)律[1-2]，同時(shí)也是人類干擾強(qiáng)度較大的區(qū)域和城鎮(zhèn)發(fā)展的重要區(qū)域，屬于自然地理脆弱區(qū)或敏感區(qū)[3]，其生態(tài)過程具有顯著的梯度變化[4]。

國內(nèi)關(guān)于過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)研究較少，主要集中于城郊(城鄉(xiāng))過渡帶、山地平原過渡帶(交錯(cuò)帶)、綠洲荒漠交錯(cuò)帶和農(nóng)牧交錯(cuò)帶等領(lǐng)域[2,4-8]，將過渡帶作為一個(gè)研究區(qū)，利用價(jià)值化方法評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，不涉及生態(tài)過程或生態(tài)功能，未表現(xiàn)出過渡帶的梯度效應(yīng)。國外相關(guān)研究多傾向于城市—鄉(xiāng)村過渡帶[9-10]，研究表明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨城市化水平的提高一般呈現(xiàn)遞降的趨勢(shì)[11-12]，如Kroll等[13]認(rèn)為食物、水和能源3種服務(wù)的供給沿城市—鄉(xiāng)村梯度呈明顯遞增趨勢(shì)，以食物供給最為明顯；而Larondelle等[14]則認(rèn)為如果城區(qū)包含大量的成熟森林，也可以提供比其他地區(qū)更高的碳存儲(chǔ)和生物多樣性服務(wù)。此外，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)還呈現(xiàn)出空間梯度性，隨經(jīng)度和緯度呈明顯的梯度變化，在水生和濕地生態(tài)系統(tǒng)尤其顯著[15]。總體來說，過渡帶作為獨(dú)特的自然單元，目前尚缺乏生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)的系統(tǒng)研究，亟需加強(qiáng)中小尺度上的案例，為相關(guān)理論提供實(shí)證。

地形是山地平原過渡帶土地利用空間分異的主導(dǎo)控制因子，通過立地條件影響陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量的再分配，并通過干擾發(fā)生頻率及強(qiáng)度來影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與消費(fèi)[16-17]。地形與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在緊密聯(lián)系，但在我國探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨地形梯度變化的研究相對(duì)較少[2,18-19]，部分研究基于高度、坡度、坡向的多種地形因子梯度的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化結(jié)合開展研究[20-21]，而對(duì)過渡帶的相關(guān)研究鮮有報(bào)道[22]。北京市沿房山、門頭溝、昌平、懷柔、密云和平谷的山地與平原交界處存在一個(gè)帶狀的過渡區(qū)域，海拔高差近2 000 m，分布有中山、低山、丘陵、臺(tái)地和平原等多種地貌，是典型的山區(qū)平原過渡帶，同時(shí)也是鄉(xiāng)村—城市過渡帶，人口眾多，存在諸多利益相關(guān)者，是保護(hù)和發(fā)展矛盾集中的分布區(qū)域，是開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)地形梯度效應(yīng)的優(yōu)選區(qū)域。本文以該區(qū)域?yàn)榘咐?，揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的地形梯度效應(yīng)，對(duì)于促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)利益最大化以及國土空間布局優(yōu)化，保障首都生態(tài)安全具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京位于太行山、燕山與華北平原的交界區(qū)域，兩大山脈從西北面向東南形成一個(gè)敞開的半圓形山灣，美國地質(zhì)學(xué)家Bailey Willis將其稱為“北平灣(北京灣)”，我國著名歷史地理學(xué)家侯仁之先生對(duì)此也進(jìn)行了詳細(xì)描述[23]，該區(qū)域不但是山區(qū)向平原過渡的區(qū)域，也是鄉(xiāng)村向城市的過渡區(qū)域，本研究將這一區(qū)域稱為“北京灣過渡帶”，介于東經(jīng)115°25′—117°30′，北緯39°30′—40°48′(圖1)。

從地理分布上看，北京灣過渡帶與淺山地區(qū)高度重合，如俞孔堅(jiān)等[24]認(rèn)為北京的淺山區(qū)(海拔100～300 m的區(qū)域)即是山地和平原的過渡地帶。因此，根據(jù)區(qū)域地形地貌特征，參考俞孔堅(jiān)等[25]相關(guān)研究，以及《北京市限建區(qū)規(guī)劃(2016—2020年)》和《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035年)》等相關(guān)規(guī)劃，本研究將海拔100～300 m的淺山區(qū)所涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道辦事處作為研究區(qū)(去除包含淺山區(qū)面積較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道辦事處)，共涉及北京市11個(gè)區(qū)，85個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道辦事處，1 601個(gè)村及社區(qū)，面積共計(jì)7 416.6 km2，占北京市總面積的45.19%。其中，林地面積最大，占68%，建設(shè)用地其次，占11%，草地和耕地各占9%，水域和濕地占3%，未利用地僅占1%。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法 根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究現(xiàn)狀，選擇了9項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，進(jìn)行梯度效應(yīng)研究。包括一項(xiàng)供給服務(wù)(食物供給)、6項(xiàng)調(diào)節(jié)服務(wù)(水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、空氣凈化、碳存儲(chǔ)、土壤保持、土壤質(zhì)量調(diào)節(jié))、一項(xiàng)文化服務(wù)(休閑游憩)和一項(xiàng)支持服務(wù)(生物多樣性)。其中休閑游憩服務(wù)利用百度地圖抓取自然景點(diǎn)分布(人工去除人文景點(diǎn))，采用核密度分析得到研究區(qū)景點(diǎn)的分布密度，表征休閑游憩服務(wù)；除此之外，其他服務(wù)的評(píng)估方法較為成熟，不再贅述。本文所選生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估方法及數(shù)據(jù)來源見表1，土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用2015年遙感解譯數(shù)據(jù)。

1.2.2 梯度效應(yīng)分析方法 將各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估結(jié)果統(tǒng)一為1 km×1 km的網(wǎng)格單元，共計(jì)6 779個(gè)單元，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行編號(hào)，隨機(jī)選取總數(shù)10%作為樣本，分析各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨地形因子變化的梯度效應(yīng)，地形因子考慮海拔和坡度兩個(gè)因子。由于梯度效應(yīng)的復(fù)雜性，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與地形因子并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，采用非參數(shù)方法更為靈活，有助于揭示可能被遺漏的結(jié)構(gòu)。此處采用雙變量散點(diǎn)圖疊加局部加權(quán)回歸(LOESS)的數(shù)據(jù)平滑方法對(duì)其梯度效應(yīng)做初步判斷，同時(shí)識(shí)別各服務(wù)隨地形因子變化的突變點(diǎn)(Change point)，繼而分析突變點(diǎn)之間各服務(wù)變化的梯度性，并對(duì)其趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。將改變趨勢(shì)的突變點(diǎn)稱為關(guān)鍵突變點(diǎn)，將變化趨勢(shì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)的突變點(diǎn)稱為臨界突變點(diǎn)。局部加權(quán)回歸及圖形繪制采用R語言ggplot2包；突變點(diǎn)識(shí)別采用R語言的IDetect包，該方法可識(shí)別一組連續(xù)變量中突變點(diǎn)的數(shù)量和位置，其原理和計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[40]；趨勢(shì)性檢驗(yàn)基于M-K非參數(shù)檢驗(yàn)，采用R語言trend包。

圖1 研究區(qū)位置、地形及土地利用現(xiàn)狀

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)及評(píng)估方法

2 結(jié)果與分析

2.1 食物供給

食物供給服務(wù)與耕地密切相關(guān)，在靠近平原的區(qū)域供給較高，具體為順義、密云、平谷和房山的過渡帶區(qū)域，在山區(qū)總體供給較低，總體沿山地平原過渡帶呈遞增趨勢(shì)(圖2A)。食物供給服務(wù)隨海拔的升高而降低，共識(shí)別得到兩個(gè)突變點(diǎn)，分別是海拔144，354 m(圖2B)。當(dāng)海拔在144 m以下時(shí)，食物供給服務(wù)隨海拔呈線性下降，且趨勢(shì)性顯著(p<0.05)；海拔在144～354 m時(shí)下降趨勢(shì)變緩，趨勢(shì)性同樣顯著(p<0.05)，因此海拔144 m僅表明下降速率放緩，但不影響下降趨勢(shì)；海拔在354 m以上時(shí)，食物供給服務(wù)無明顯趨勢(shì)(p>0.05)。食物供給服務(wù)隨坡度的增加而降低，識(shí)別一個(gè)突變點(diǎn)為28.9°(圖2C)。當(dāng)坡度<28.9°時(shí)，食物供給服務(wù)隨海拔呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)；坡度>28.9°時(shí)，食物供給服務(wù)無顯著變化趨勢(shì)(p>0.05)。

圖2 食物供給服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.2 生物多樣性

生境質(zhì)量與食物供給相反，在靠近山區(qū)人為干擾較少的區(qū)域較高，越靠近平原區(qū)則生境質(zhì)量越低，沿山地平原過渡帶呈遞降趨勢(shì)。生境質(zhì)量較高的區(qū)域主要位于密云的云蒙山地區(qū)、密云水庫地區(qū)及房山部分山區(qū)(圖3A)。生境質(zhì)量總體隨海拔的上升而提高，共識(shí)別得到兩個(gè)突變點(diǎn)為316 m和381 m(圖3B)。結(jié)合LOESS曲線可判斷當(dāng)海拔在316 m以下時(shí)，生境質(zhì)量隨海拔幾乎呈線性提高，且趨勢(shì)性顯著(p<0.05)，316 m以上時(shí)提高幅度變緩，趨勢(shì)性同樣顯著(p<0.05)，因此316 m僅影響升高速率，而不影響趨勢(shì)性，到381 m以上時(shí)才無明顯增加趨勢(shì)(p>0.05)。生境質(zhì)量總體隨坡度增加而提升，識(shí)別一個(gè)突變點(diǎn)23.8°(圖3C)。坡度小于23.8°時(shí)，增加趨勢(shì)顯著(p<0.05)，坡度大于23.8°時(shí)，趨勢(shì)不明顯(p>0.05)。

圖3 生物多樣性服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.3 水質(zhì)凈化

水質(zhì)凈化服務(wù)與污染物產(chǎn)生量和土地覆被情況相關(guān)。耕地的污染物產(chǎn)生量相對(duì)較大，因此其污染物凈化量也較高，總體分布與食物供給服務(wù)相似，沿山地平原過渡帶呈遞增趨勢(shì)(圖4A)。水質(zhì)凈化服務(wù)總體隨海拔的升高呈下降趨勢(shì)，識(shí)別得到一個(gè)突變點(diǎn)為海拔322 m(圖4B)。海拔在322 m以下時(shí)，水質(zhì)凈化服務(wù)隨海拔呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)，海拔322 m以上時(shí)無明顯趨勢(shì)(p>0.05)。水質(zhì)凈化服務(wù)總體隨坡度增加呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)，識(shí)別得到突變點(diǎn)為11.3°，該突變點(diǎn)僅影響下降速率，不影響下降趨勢(shì)，僅表明坡度大于11.3°時(shí)的服務(wù)供給下降的速率要明顯低于坡度小于11.3°時(shí)的服務(wù)供給速率(圖4C)。

圖4 水質(zhì)凈化服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.4 空氣凈化

空氣凈化服務(wù)與污染物濃度和植被狀況密切相關(guān)，平原地區(qū)污染物濃度較高，但植被通常較差，山區(qū)植被情況較好，但污染物濃度較低。與其他服務(wù)不同，空氣凈化服務(wù)隨山地平原過渡帶非簡(jiǎn)單的遞增或遞降趨勢(shì)，而是受污染物濃度和植被狀況的影響，在山區(qū)平原交界區(qū)域的污染物凈化量最高(圖5A)。因此，空氣凈化服務(wù)隨海拔梯度的上升呈先增加后下降的趨勢(shì)，識(shí)別得到一個(gè)突變點(diǎn)為海拔213 m(圖5B)。在海拔213 m以下時(shí)隨海拔的提升呈顯著增加趨勢(shì)(p<0.05)，而海拔213 m以上時(shí)空氣凈化服務(wù)的供給發(fā)生逆轉(zhuǎn)，隨海拔的提升呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)。空氣凈化服務(wù)隨坡度的增加先上升后下降，識(shí)別得到一個(gè)突變點(diǎn)14.8°(圖5C)。當(dāng)坡度小于14.8°時(shí)呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)，而大于14.8°時(shí)同樣發(fā)生逆轉(zhuǎn)，呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)。

圖5 空氣凈化服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.5 土壤保持

土壤保持服務(wù)與降雨、土壤、地形和植被覆蓋等多種因子相關(guān)，總體來看，靠近山區(qū)的服務(wù)供給比靠近平原地區(qū)高，特別是平谷、房山以及密云、懷柔交界的山區(qū)土壤保持服務(wù)較高(圖6A)。與地形因子關(guān)系方面，土壤保持服務(wù)總體隨海拔的上升而增加，識(shí)別得到一個(gè)突變點(diǎn)為海拔377 m(圖6B)。海拔377 m以下時(shí)呈顯著增加趨勢(shì)性(p<0.05)，377 m以上則趨勢(shì)不明顯(p>0.05)。土壤保持服務(wù)總體隨坡度增加呈顯著增加趨勢(shì)(p<0.05)，識(shí)別得到突變點(diǎn)為5°，該突變點(diǎn)僅影響上升速率，不影響下降趨勢(shì)，僅表明坡度大于5°時(shí)的服務(wù)供給上升的速率要明顯高于坡度小于5°時(shí)的服務(wù)供給速率(圖6C)。

圖6 土壤保持服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.6 碳存儲(chǔ)

碳存儲(chǔ)服務(wù)主要與植被狀況相關(guān)，在密云的云蒙山地區(qū)、門頭溝和海淀交界的山區(qū)較高(圖7A)?？傮w隨海拔的上升而增加，突變點(diǎn)為377 m，以下呈顯著增加趨勢(shì)(p<0.05)，以上則趨勢(shì)不明顯(p>0.05)(圖7B)。碳存儲(chǔ)服務(wù)總體隨坡度的增加而增加，當(dāng)坡度小于11.5°時(shí)呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)，而大于11.5°時(shí)無顯著變化趨勢(shì)(p>0.05)(圖7C)。

圖7 碳存儲(chǔ)服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

2.7 水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)服務(wù)與降雨、蒸散、地形和植被等多種因子相關(guān)，在密云與平谷的交界區(qū)域以及房山西南部區(qū)域較高(圖8A)。該服務(wù)隨海拔梯度變化的突變點(diǎn)為283 m(圖8B)，海拔在283 m以下時(shí)，水源涵養(yǎng)服務(wù)隨海拔升高呈顯著增加趨勢(shì)(p<0.05)，283 m以上時(shí)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)。水源涵養(yǎng)服務(wù)隨坡度的增加先上升后下降(圖8C)，當(dāng)坡度小于10.4°時(shí)呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)，而大于10.4°時(shí)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，呈顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)。

2.8 休閑游憩

休閑游憩服務(wù)與自然景點(diǎn)的分布密切相關(guān)，在密云的云蒙山地區(qū)、平谷四座樓地區(qū)、海淀香山地區(qū)以及房山十渡地區(qū)較高(圖9A)。然而，休閑游憩服務(wù)隨海拔梯度和坡度均無明顯變化趨勢(shì)(p>0.05)，也未檢測(cè)到突變點(diǎn)，說明休閑游憩服務(wù)隨海拔和坡度變化無明顯梯度效應(yīng)(圖9B，9C)。

2.9 土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)

土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)服務(wù)與土壤碳含量相關(guān)，在密云東部山區(qū)、房山北部山區(qū)較高(圖10A)?？傮w隨海拔的升高而顯著增加(p<0.05)，識(shí)別突變點(diǎn)為海拔338 m，海拔338 m以上土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)服務(wù)增加趨勢(shì)較338 m以下時(shí)的增加趨勢(shì)放緩(圖10B)。土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)服務(wù)與坡度梯度無明顯趨勢(shì)(p>0.05)，也未檢測(cè)到突變點(diǎn)，說明坡度因子對(duì)該服務(wù)影響不大(圖10C)。

圖8 水源涵養(yǎng)服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

圖9 休閑游憩服務(wù)空間分布及其隨海拔與坡度變化

圖10 土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)隨海拔與坡度變化

3 討論與結(jié)論

(1) 海拔梯度方面，各服務(wù)的關(guān)鍵突變點(diǎn)位于300 m左右，休閑游憩和土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)無關(guān)鍵突變點(diǎn)(表2)?？諝鈨艋退春B(yǎng)具有臨界突變點(diǎn)，分別為海拔213 m和283 m。各服務(wù)的趨勢(shì)變化總體可以分為5類，第一類為下降—無趨勢(shì)，包括食物供給和水質(zhì)凈化；第2類為增加—無趨勢(shì)，包括生物多樣性、土壤保持和碳存儲(chǔ)；第3類為增加—下降趨勢(shì)，包括空氣凈化和水源涵養(yǎng)服務(wù)；第4類為增加趨勢(shì)，為土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)；第5類為無趨勢(shì)，包括休閑游憩。

(2) 坡度梯度方面，水質(zhì)凈化、土壤保持、休閑游憩和土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)無關(guān)鍵突變點(diǎn)，空氣凈化和水源涵養(yǎng)的供給分別在10°和15°發(fā)生逆轉(zhuǎn)，具有臨界突變點(diǎn)。趨勢(shì)變化可以分為6類，第一類為下降—無趨勢(shì)，為食物供給服務(wù)；第2類為增加—無趨勢(shì)，包括生物多樣性和碳存儲(chǔ)；第3類為下降趨勢(shì)，包括水質(zhì)凈化；第4類為增加—下降趨勢(shì)，包括空氣凈化和水源涵養(yǎng)；第5類為增加趨勢(shì)，包括土壤保持；第6類為無趨勢(shì)，包括休閑游憩和土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)。

(3) 除休閑游憩服務(wù)外，其他服務(wù)均隨地形因子變化表現(xiàn)出一定的梯度效應(yīng)。各服務(wù)隨海拔因子和坡度因子的梯度效應(yīng)表現(xiàn)基本一致，值得關(guān)注的是水源涵養(yǎng)服務(wù)和空氣凈化服務(wù)，存在由增加趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?shì)的臨界點(diǎn)。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨地形因子變化的突變點(diǎn)及變化趨勢(shì)

注:“—”代表未發(fā)現(xiàn)。

山地平原過渡帶是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和敏感區(qū)，從地形梯度視角探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的分布特征及規(guī)律，有助于深入了解土地利用變化因子間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)深化認(rèn)識(shí)土地利用驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化具有重要意義[41]。本研究以北京灣過渡帶為研究區(qū)，選擇海拔和坡度兩個(gè)地形因子分析了主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的梯度效應(yīng)，結(jié)果表明大部分服務(wù)都表現(xiàn)出明顯的地形梯度效應(yīng)，特別是海拔300 m左右是部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生突變的臨界點(diǎn)，在制定淺山區(qū)相關(guān)規(guī)劃及各區(qū)詳細(xì)規(guī)劃時(shí)對(duì)該區(qū)域要特別予以關(guān)注，通過調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等手段，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大化。除海拔和坡度外，未來還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)坡向、地形起伏度等其他地形因子的梯度效應(yīng)評(píng)價(jià)，從而系統(tǒng)地揭示山區(qū)平原過渡帶的生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)地形梯度效應(yīng)規(guī)律[2,21]。此外，北京灣也屬于鄉(xiāng)村—城市過渡帶，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)人類活動(dòng)因子的梯度效應(yīng)評(píng)價(jià)，綜合考慮自然因素和人為因素的梯度變化規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)北京淺山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化供給并提升人類福祉。