基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的優(yōu)先保護(hù)區(qū)選取研究——以南方丘陵山地帶為例

王良杰,馬 帥,許稼昌,朱殿珍,張金池

1 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京林業(yè)大學(xué), 南京 210037 2 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京林業(yè)大學(xué), 南京 210037

生態(tài)系統(tǒng)可以為人們提供各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù),是人類福祉的重要保障[1- 2]。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系復(fù)雜,互相作用,常常表現(xiàn)為此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和同增同減的協(xié)同關(guān)系[3]。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互關(guān)系進(jìn)行了大量研究[4-5]。在我國重點(diǎn)生態(tài)脆弱區(qū),產(chǎn)水服務(wù)、NPP和土壤保持表現(xiàn)為整體協(xié)同、局部權(quán)衡的關(guān)系[6]。在漢江上游流域產(chǎn)水服務(wù)和土壤保持呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系[7],但在新疆土壤保持與產(chǎn)水之間卻表現(xiàn)為明顯的協(xié)同關(guān)系[8]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系具有區(qū)域差異性,決策者在制定政策的過程中如果沒有充分考慮當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)間復(fù)雜的權(quán)衡關(guān)系,將會(huì)導(dǎo)致多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互競爭,破壞其因果關(guān)系[9-11]。因此,如何通過科學(xué)的方法協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)管理可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[12-13]。

近年來,由于人口增多、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問題[14]。優(yōu)先保護(hù)區(qū)是指自然資源合理分布、物種豐富、生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高的地區(qū),它的建立是分配有限資源進(jìn)行保育的關(guān)鍵過程,并且能夠有效改善當(dāng)?shù)卮嗳跎鷳B(tài)系統(tǒng)的自然環(huán)境,調(diào)整當(dāng)?shù)厣鷳B(tài),保護(hù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性[9-10]。目前有大量研究對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行了探究,也有研究保護(hù)區(qū)的選擇,而從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的角度選擇優(yōu)先保護(hù)區(qū)的研究還較為罕見。因此,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的基礎(chǔ)上選取優(yōu)先保護(hù)區(qū)對(duì)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)和生態(tài)發(fā)展具有重要的意義。有部分學(xué)者基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系對(duì)優(yōu)先保護(hù)區(qū)的選取進(jìn)行了探索,研究表明有序加權(quán)平均(OWA)算子可以權(quán)衡各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來確定優(yōu)先保護(hù)區(qū)[9,15-17]。

南方丘陵山地帶作為“兩屏三帶”國家生態(tài)屏障區(qū)之一,發(fā)揮著保障華南和西南地區(qū)生態(tài)安全的作用。目前已有學(xué)者對(duì)南方丘陵山地帶進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡協(xié)同的研究,傅伯杰等[14]系統(tǒng)評(píng)估了國家生態(tài)屏障區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；尹禮唱等[18]探索了“兩屏三帶”產(chǎn)水、土壤保持和固碳的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系,研究表明在南方丘陵山地帶產(chǎn)水與固碳以及土壤保持與固碳的權(quán)衡關(guān)系占比超過協(xié)同關(guān)系,而有關(guān)國家生態(tài)屏障區(qū)優(yōu)先保護(hù)區(qū)選取的研究鮮見報(bào)道。近年來,由于全球氣候變暖、人口劇增以及資源的不斷開發(fā)利用,南方丘陵山地帶存在植被覆蓋度低、水土流失嚴(yán)重、石漠化面積大等生態(tài)環(huán)境問題[14],威脅區(qū)域的生態(tài)安全,影響區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展,而優(yōu)先保護(hù)區(qū)的建立可以提升南方丘陵山地帶的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),對(duì)保障南方地區(qū)以及國家的生態(tài)安全具有重要的意義。

本研究通過采用InVEST模型定量評(píng)估了南方丘陵山地帶產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量的空間分布,改進(jìn)森林游憩服務(wù)模型計(jì)算了生態(tài)休閑功能,并基于有序加權(quán)平均(OWA)算子平衡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)選取了南方丘陵山地帶的優(yōu)先保護(hù)區(qū),以期為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)以及相關(guān)政策的制定提供科學(xué)的參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

南方丘陵山地帶位于長江流域與珠江流域內(nèi),是珠江流域與長江流域的分水嶺及源頭區(qū),地跨云南省、廣西省、廣東省、貴州省、湖南省和江西省,位于北緯22°45′—27°15′,東經(jīng)102°45′—117°10′之間,總面積為28.85萬km2(圖1)。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,多年平均溫度在15—23℃之間,多年平均降雨量在1400—1800mm之間。海拔范圍在-25—3019m之間,區(qū)域地勢西北高東南低,以丘陵、山地地貌類型為主。土壤類型從南到北依次為磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤和黃棕壤。植被類型主要為亞熱帶常綠闊葉林和針闊葉混交林。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area

土地覆被數(shù)據(jù)來源于中國土地覆蓋數(shù)據(jù)(Chinacover)[19- 20],數(shù)據(jù)時(shí)相為2015年,分辨率為90m,分為林地、草地、耕地、濕地、人工表面和其他7類。2015年氣象數(shù)據(jù)包括降水量和潛在蒸發(fā)散,降雨數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),分辨率為1000m,ArcGIS10.3重采樣為90m。潛在蒸發(fā)散數(shù)據(jù)采用MODIS16A3產(chǎn)品,源于NASA MODIS網(wǎng)站(http://modis.gsfc.nasa.gov/),分辨率為1000m,ArcGIS10.3重采樣為90m。1∶100萬全國縣級(jí)行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)；1∶100萬土壤類型相關(guān)數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database,HWSD)(http://www.iisa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/HTML/)；數(shù)字高程模型DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為90m；1∶10萬地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2015年初級(jí)凈生產(chǎn)力、人口密度數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),分辨率為1000m,ArcGIS10.3重采樣為90m。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

由于南方丘陵山地帶季節(jié)性缺水、石漠化面積大、部分區(qū)域植被覆蓋度低和水土流失嚴(yán)重等問題普遍存在[14],因此本研究選擇了產(chǎn)水量、水土保持、碳儲(chǔ)量和生境質(zhì)量作為研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。InVEST模型是一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評(píng)估模型,可用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策。目前,InVEST模型已在20多個(gè)國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,它不僅能定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,而且可以和“3S”技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)評(píng)估結(jié)果的空間可視化。因此,本文采用InVEST模型定量評(píng)估南方丘陵山地帶的產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量,對(duì)森林游憩服務(wù)模型進(jìn)行改進(jìn),從而構(gòu)建了生態(tài)休閑模型并評(píng)估了研究區(qū)的生態(tài)休閑功能。

2.1.1產(chǎn)水量

InVEST模型產(chǎn)水模塊基于水量平衡原理,利用Budyko曲線和降水量來計(jì)算產(chǎn)水量,即各柵格上的降水量減去實(shí)際蒸散量得到該柵格的產(chǎn)水量[21-23],其主要計(jì)算過程如下：

(1)

式中:Pxj是當(dāng)土地利用/覆被類型為j時(shí)柵格單元x的年產(chǎn)水量(mm),AETxj表示土地利用/覆被類型為j時(shí)柵格單元x的實(shí)際蒸散量(mm),Pxj為柵格單元x的年降雨量(mm)。

(2)

式中：Rxj是當(dāng)土地利用/覆被類型為j時(shí)柵格單元x的Budyko干燥度指數(shù),為潛在蒸發(fā)散與降雨量的比值,無量綱。ωx為非物理參數(shù),無量綱,描述氣候-土壤的屬性,是植被可利用含水量與降雨量的比值。

2.1.2土壤保持

目前,土壤保持最為普遍的計(jì)算方法是通用土壤流失方程(ULSE),通過每個(gè)柵格單元的潛在土壤流失量(RKLS)減去實(shí)際土壤流失量(USLE)得到土壤保持量[24]。然而,由于南方丘陵山地帶流域眾多,存在一個(gè)泥沙輸移比(SDR)的過程。在土壤侵蝕的過程中,植被等地表覆蓋物起到攔截泥沙的作用。InVEST模型泥沙輸移模塊(SDR)在通用土壤流失方程的基礎(chǔ)上考慮了泥沙輸移比,描述坡面土壤侵蝕和輸沙的空間過程,其計(jì)算公式如下：

RKLSi=RiKiLSi

(3)

式中：RKLSi為柵格單元i的潛在土壤流失量(t/hm2),Ri、Ki和LSi分別代表柵格單元i的降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)、土壤可蝕性因子和坡長坡度因子。

Si=RKLSi×SDRbare_i

(4)

式中：Si是柵格單元i的實(shí)際泥沙量(t/hm2),SDRbare_i為柵格單元i在裸地條件下的泥沙輸移比。

USLEi=RiKiLSiCiPi

(5)

式中：USLEi代表柵格單元i的實(shí)際土壤流失量(t/hm2),Ci是作物經(jīng)營因子,Pi為水土保持措施因子。

Ei=USLEi×SDRi

(6)

InVEST模型通過對(duì)作物經(jīng)營因子C和水土保持措施因子P直接賦值來計(jì)算土壤保持功能。參照張海波[25]的研究,對(duì)不同土地利用/土地覆被類型進(jìn)行賦值。

2.1.3碳儲(chǔ)存

InVEST模型通過四個(gè)碳庫(地上生物量碳庫、地下生物量碳庫、土壤碳庫和死亡有機(jī)質(zhì)碳庫)密度相加來估算碳儲(chǔ)量等[26]。本研究采取InVEST模型來評(píng)估碳儲(chǔ)存,其計(jì)算原理如下：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil

(7)

式中：Ctotal為柵格單元總的碳儲(chǔ)量(mg/hm2),Cabove為柵格單元地上生物中儲(chǔ)存的碳量(mg/hm2),Cbelow為柵格單元地下生物中儲(chǔ)存的碳量(mg/hm2),Cdead為柵格單元死亡有機(jī)物中儲(chǔ)存的碳量(mg/hm2),Csoil為柵格單元土壤中的碳儲(chǔ)量(mg/hm2)。

土壤碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)通過換算世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中有機(jī)碳的含量來獲取,其他碳庫的數(shù)據(jù)根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果、InVEST模型使用手冊(cè)以及相關(guān)研究[27]得到。

2.1.4生境質(zhì)量

生境是指生物個(gè)體、物種和群落的生存空間,生境質(zhì)量能反映出生態(tài)系統(tǒng)為生物個(gè)體、物種和群落生存提供適合條件的能力,還可以反映出生物多樣性[28]。InVEST模型生境質(zhì)量模塊提供選取威脅源,對(duì)其威脅程度、威脅距離以及與其他土地利用/土地覆被的相對(duì)影響進(jìn)行分析,從而評(píng)估出各個(gè)柵格的生境質(zhì)量,其具體評(píng)估過程如下：

(8)

式中：Qxj表示當(dāng)土地利用/土地覆被類型為j時(shí)柵格單元x的生境質(zhì)量,Hj為土地利用/土地覆被類型j的生境適宜度,Dxj表示土地利用/土地覆被類型為j時(shí)柵格單元x的生境退化程度,k是半飽和常數(shù)(值相當(dāng)于柵格分辨率的一半,45)。

(9)

式中：r是圖層的柵格數(shù),y為脅迫因子,Yx表示脅迫因子的柵格數(shù),ωx為脅迫因子的權(quán)重(weight),范圍為0到1,Ry是柵格單元y的脅迫因子值,其值為0或1,irxy代表柵格單元y的脅迫因子值ry對(duì)生境柵格單元x的脅迫水平,βx為柵格單元x的可達(dá)性,Sjx為土地利用/土地覆被類型j對(duì)脅迫因子r的敏感性。

InVEST模型中脅迫因子對(duì)其他土地利用/土地覆被類型的影響通過空間距離來表達(dá),由于不同的脅迫因子與其他土地利用/土地覆被類型的空間關(guān)系不同,空間距離的表達(dá)方式也不同,主要有線性衰退和指數(shù)衰退兩種,具體公式如下：

(10)

(11)

式中：dxy代表柵格單元x和y之間的線性距離,drmax表示脅迫因子r的最大影響距離。

根據(jù)南方丘陵山地帶的土地利用/覆被,本研究選取建設(shè)用地、交通用地、采礦場、水田、旱地和沙漠作為南方丘陵山地帶的脅迫因子。參考相關(guān)文獻(xiàn)[27]和InVEST模型使用手冊(cè)對(duì)脅迫因子的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。

2.1.5生態(tài)休閑

生態(tài)系統(tǒng)可以為人們提供文化和美學(xué)享受。生態(tài)休閑是指人們?cè)谛蓍e時(shí)間可到達(dá)的光合作用較強(qiáng)的林地環(huán)境,并能夠?yàn)槿藗兲峁┖粑逍碌目諝?放松身心,恢復(fù)體力,使人們獲得愉悅感的能力。南方丘陵山地帶植被覆蓋度高,林地面積大,為人們提供了良好的休閑環(huán)境。本文對(duì)森林游憩服務(wù)模型[29-30]進(jìn)行改進(jìn),將游憩機(jī)會(huì)替換為NPP,從而構(gòu)建了生態(tài)休閑模型：

ER=∑(NPPi+POPi+ROADi)

(12)

式中：ER為生態(tài)休閑功能,NPPi指凈初級(jí)生產(chǎn)力值,POPi代表人口密度值,采用自然分類法將凈初級(jí)生產(chǎn)力和人口密度值分級(jí)賦值0—10。ROADi為距離高速公路的距離以及距離公路的距離值,對(duì)距離高速公路4km以內(nèi)的區(qū)域采用等距離分級(jí)賦值0—5,對(duì)距離公路1km以內(nèi)的區(qū)域采用等距離分級(jí)賦值0—5。

2.2 最優(yōu)保護(hù)區(qū)選取

2.2.1OWA算法

有序加權(quán)平均算子(OWA)已被證明可以很好的平衡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系[9,15- 17],并且可以與GIS相結(jié)合,首先對(duì)各個(gè)圖層進(jìn)行歸一化處理,然后再進(jìn)行有序加權(quán)平均,計(jì)算公式如下：

(13)

其中,axj表示經(jīng)過歸一化處理后的第x個(gè)柵格圖上第j個(gè)位置的屬性值,在本研究中,歸一化處理后的柵格圖層為經(jīng)過歸一化處理后的產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)存、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑服務(wù)。為避免不同柵格圖層數(shù)據(jù)差異帶來的影響,在上述五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行OWA處理排序處理前,對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行歸一化處理,歸一化為0到1范圍內(nèi)。Sxj是與axj對(duì)應(yīng)的經(jīng)過歸一化處理后,五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)柵格值在MATLAB中進(jìn)行從大到小排序后得到的新的五個(gè)圖層,ωx是五個(gè)新數(shù)據(jù)集Sxj的有序權(quán)重。

2.2.2OWA情景的風(fēng)險(xiǎn)與權(quán)衡

不同有序權(quán)重的選擇,風(fēng)險(xiǎn)權(quán)衡也不同,其關(guān)系式如下：

(14)

(15)

式中：n為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)柵格圖層的總數(shù),ωx為柵格圖層x的權(quán)重,通過改變OWA決策的風(fēng)險(xiǎn)和權(quán)衡,可以獲得無數(shù)種情景。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)和權(quán)衡的定義,在python中求解以下數(shù)學(xué)公式獲得最佳情景：

(16)

(17)

ωi∈[0,1]

(18)

由于風(fēng)險(xiǎn)的值在0到1之間,為了均衡每一種風(fēng)險(xiǎn),風(fēng)險(xiǎn)值從0開始間隔0.1設(shè)置一種情景,共計(jì)11種情景?；?1個(gè)確定的風(fēng)險(xiǎn)的11個(gè)情景,本研究選擇相同風(fēng)險(xiǎn)的最大的權(quán)衡來設(shè)置不同權(quán)重組合的情景。

2.2.3優(yōu)先保護(hù)區(qū)的保護(hù)效率

通過對(duì)比不同情景的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保護(hù)效率,確定一個(gè)各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都得到最高的保護(hù)效率,該情景所對(duì)應(yīng)的區(qū)域即為優(yōu)先保護(hù)區(qū),服務(wù)效率計(jì)算公式如下：

(19)

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)

南方丘陵山地帶的產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑空間分布如圖2所示。南方丘陵山地帶平均產(chǎn)水量1108mm,區(qū)域差異顯著,有著明顯的中南部高,西部低的趨勢。中部地區(qū)產(chǎn)水量較大,最高可達(dá)2625.43mm,而西部地區(qū)產(chǎn)水量較少,最低區(qū)域產(chǎn)水量僅有80.34mm。產(chǎn)水量與降雨空間分布相似,有著明顯的正相關(guān)關(guān)系,該區(qū)域的產(chǎn)水量較高主要是因?yàn)榻涤炅枯^大(圖3)。盡管產(chǎn)水量與土地利用/覆被類型關(guān)系并不密切,仍然可以看出耕地較林地的產(chǎn)水量高。林地的蒸發(fā)散較高,對(duì)地表徑流有攔截作用,導(dǎo)致林地的產(chǎn)水量不高。南方丘陵山地帶土壤保持空間分布差異明顯,高值區(qū)分布在林地和草地。林地、草地植被覆蓋度高,對(duì)降雨有緩沖作用,降低了降雨動(dòng)能,植物的根系可以有效的固定土壤,攔截地表徑流和泥沙,從而減少了水土流失量。西部土壤保持量較低,而中東部的土壤保持量相對(duì)較高。這是因?yàn)樯降厣贤恋乩?覆被類型為草地和林地,而東部主要為林地,草地的土壤保持功能較林地低。

圖2 產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)存、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑空間分布圖Fig.2 The spatial distribution of water yield, soil conservation, carbon storage, habitat quality and ecological recreation

碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量高值區(qū)與低值區(qū)均位于南方丘陵山地帶東部,這與土地利用/覆被類型有關(guān)。林地具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量較高,草地、耕地次之,建設(shè)用地、裸地和水域的貢獻(xiàn)最小。林地、耕地、建設(shè)用地和水域大多分布于東部地區(qū),使得東部地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能差異明顯。但東部的碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量仍高于西部,這主要是因?yàn)闁|部地區(qū)的土地利用/覆被類型多為林地,而西部地區(qū)多為草地。從整體來看,平均碳儲(chǔ)量為45.58t/hm2,生境質(zhì)量平均值為0.75,表明南方丘陵山地帶固碳能力強(qiáng),生境質(zhì)量良好。南方丘陵山地帶生態(tài)休閑指數(shù)平均值為0.40。生態(tài)休閑高值區(qū)主要分布在東南和西南地區(qū),低值區(qū)主要分布在中部。東南地區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力處于較高水平,人口相對(duì)較多,因此具有較好的生態(tài)休閑功能(圖3)。

圖3 降雨、土地利用類型、NPP和人口的空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of precipitation, land use types, NPP and population

3.2 各情景下的保護(hù)區(qū)位

隨著風(fēng)險(xiǎn)的增加,權(quán)衡呈先增加后減小的趨勢。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)從0增加到0.5時(shí),最大的權(quán)重優(yōu)先賦給排序處理后柵格值最小的圖層；當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)從0.5增長到1時(shí),排序處理后柵格值最大的圖層優(yōu)先得到最大的權(quán)重；當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)為0.5時(shí),各個(gè)柵格圖層權(quán)重均衡化,此時(shí)權(quán)衡最高(圖4)。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)和權(quán)衡的關(guān)系Fig.4 The relationship between risk and trade-off

如果決策者選擇較低的風(fēng)險(xiǎn),他們將賦予低的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以高權(quán)重；如果他們選擇較高的風(fēng)險(xiǎn),他們將高權(quán)重賦給高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。如果決策者想得到最大的權(quán)衡1,則他們將分配相同的權(quán)重給每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),即每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)獲得的權(quán)重值均為0.2。如果決策者賦予最高或者最低的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最大的權(quán)重值1,則他們將獲得最低的權(quán)衡值0。權(quán)衡越高代表每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)獲得的權(quán)重越平均(表1)。

表1 不同情景下的風(fēng)險(xiǎn)與權(quán)衡

將五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與其對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘,得到11種情景的柵格分布圖。目前有關(guān)優(yōu)先保護(hù)區(qū)范圍確定的研究較少,為了有效的選取優(yōu)先保護(hù)區(qū),本研究采用ArcGIS10.3中的分位數(shù)分級(jí)法將研究區(qū)分為5個(gè)等級(jí),取最大的一類作為南方丘陵山地帶的優(yōu)先保護(hù)區(qū),各情景下的優(yōu)先保護(hù)區(qū)位如圖5所示。

圖5 各情景下的優(yōu)先保護(hù)區(qū)Fig.5 The conservation priorities under each scenario

由于存在多個(gè)柵格值對(duì)應(yīng)同一個(gè)數(shù)值,情景1的優(yōu)先保護(hù)區(qū)面積很小,而情景11的優(yōu)先保護(hù)區(qū)遍布整個(gè)南方丘陵山地帶,因此本研究在進(jìn)行優(yōu)先保護(hù)區(qū)的選擇時(shí)不考慮情景1和情景11。情景2至情景10的優(yōu)先保護(hù)區(qū)多位于南方丘陵山地帶的東南部,即廣東省的西北部、廣西壯族自治區(qū)的東北部和湖南省南部區(qū)域,分布相似但又略有不同。從情景2到情景5,優(yōu)先保護(hù)區(qū)呈向北和向東擴(kuò)散的趨勢,而情景6到情景10,優(yōu)先保護(hù)區(qū)的分布變得越來越分散。從表2可以看出,各情景下林地、草地和濕地的總面積占優(yōu)先保護(hù)區(qū)的97%,其中林地占比超過70%,林地具有較高的土壤保持、碳儲(chǔ)量和生境質(zhì)量,因此優(yōu)先保護(hù)區(qū)的分布更多的集中在林地。隨著風(fēng)險(xiǎn)的增加,林地和濕地的占比增加,草地呈現(xiàn)相反的趨勢?；贠WA算法,隨著風(fēng)險(xiǎn)增加,較高地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)得到更多的重視,較低的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)得到更少的考慮。

表2 不同情景下土地利用類型占比

3.3 各情景下的保護(hù)效率

從表3可以看出,情景2-情景4的產(chǎn)水量保護(hù)效率最高,保護(hù)效率均為1.17；情景2對(duì)土壤保持保護(hù)效率最高,保護(hù)效率為1.89；情景5-情景10對(duì)生境質(zhì)量保護(hù)效率最高,保護(hù)效率均為1.34；情景10對(duì)碳儲(chǔ)存保護(hù)效率最高,保護(hù)效率為1.65；情景3和情景4對(duì)生態(tài)休閑保護(hù)效率最高,保護(hù)效率均為1.21。

綜合對(duì)比9種情景,除情景9和情景10外,其他情景對(duì)產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)存、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑均有較好的保護(hù)效率。對(duì)比剩余7種情景,發(fā)現(xiàn)情景2的平均保護(hù)效率略高,對(duì)產(chǎn)水量、土壤保持、生境質(zhì)量、碳儲(chǔ)存和生態(tài)休閑的保護(hù)效率分別為1.17,1.89,1.32,1.48,1.18。因此,情景2對(duì)應(yīng)的優(yōu)先保護(hù)區(qū)范圍即為南方丘陵山地帶的優(yōu)先保護(hù)區(qū)。情景2中,土壤保持的保護(hù)效率最高,表明土壤保持是南方丘陵山地帶最主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。南方丘陵山地帶優(yōu)先保護(hù)區(qū)主要位于東部丘陵區(qū)域,即廣東省的西北部、廣西壯族自治區(qū)的東北部和湖南省南部區(qū)域,面積為5.93萬km2,土地利用/覆被類型主要為林地,因?yàn)榱值鼐哂休^高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。林地的固碳能力強(qiáng),生境質(zhì)量的分布與碳儲(chǔ)存相似可以看出碳儲(chǔ)存較高的區(qū)域有利于保存生物多樣性。林地的土壤保持量較強(qiáng),其攔截地表徑流的能力削弱了產(chǎn)水量。根據(jù)保護(hù)效率綜合分析,情景2為最優(yōu)情景,土地利用/覆被面積分別為林地5.00萬km2,草地0.80萬km2,濕地面積0.13萬km2。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

南方丘陵山地帶對(duì)維護(hù)華南地區(qū)的生態(tài)安全格局起著至關(guān)重要的作用,對(duì)其優(yōu)先保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效率進(jìn)行分析有助于南方丘陵山地帶的可持續(xù)管理。從圖6可以看出,優(yōu)先保護(hù)區(qū)對(duì)產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)存、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑的保護(hù)效率較好,存在較多大于平均保護(hù)效率的區(qū)域,但保護(hù)區(qū)內(nèi)仍存在小部分區(qū)域?qū)Ξa(chǎn)水量的保護(hù)效率低于平均保護(hù)效率。優(yōu)先保護(hù)區(qū)土壤保持的保護(hù)效率差異很大,存在不少區(qū)域低于平均保護(hù)效率,但從優(yōu)先保護(hù)區(qū)土壤保持保護(hù)效率看,優(yōu)先保護(hù)區(qū)對(duì)土壤保持的平均效率最高,這是由于低于平均保護(hù)效率的區(qū)域保護(hù)效率值接近1,而高于平均保護(hù)效率的區(qū)域保護(hù)效率值較大,使得優(yōu)先保護(hù)區(qū)對(duì)土壤保持的保護(hù)效率最好。

表3 各情景下的保護(hù)效率

在情景2中,最大的權(quán)重優(yōu)先賦給排序處理后柵格值最小的圖層,與其他標(biāo)準(zhǔn)化處理的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相比,而土壤保持大部分柵格值最小,所以土壤保持被分配了最大的權(quán)重。近年來,南方丘陵山地帶植被遭到破壞,部分區(qū)域植被覆蓋度低,導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重,因此,土壤保持是優(yōu)先保護(hù)區(qū)最重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。林地可以有效的保護(hù)土壤免遭侵蝕,同時(shí)具備較好的碳儲(chǔ)存、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑功能,各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都得到了有效的保護(hù)。因此,需要對(duì)優(yōu)先保護(hù)區(qū)的林地進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù),限制對(duì)林地的開發(fā),保障南方丘陵山地帶生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展。

圖6 優(yōu)先保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)效率Fig.6 The conservation efficiencies of ecosystem services in conservation priorities

許多學(xué)者對(duì)土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系進(jìn)行了大量探索,表明林地對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)最大[31-32],但他們?cè)谘芯窟^程中并沒有區(qū)分不同的林地類型[33]?；诖?本研究把優(yōu)先保護(hù)區(qū)的林地劃分為常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、常綠闊葉灌叢、落葉闊葉灌叢、喬木園地和灌木園地來探索不同的林地類型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。由于土壤保持受很多因素的影響,如高程、降雨、土壤類型等,本研究在進(jìn)行不同林地類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究時(shí)只考慮產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)存、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

圖7中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)效率范圍為0—2,常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林和針闊混交林的產(chǎn)水量<喬木園地和灌木園地的產(chǎn)水量<常綠闊葉灌叢和落葉闊葉灌叢的產(chǎn)水量,產(chǎn)水量的差別主要為林地、園地與灌叢之間的差別,而它們自身的差別很小。這可能與各林地的蒸發(fā)散有關(guān),闊葉林、針葉林和混交林的蒸發(fā)散較大,使得其產(chǎn)水量較少。從碳儲(chǔ)存來看,灌叢的碳儲(chǔ)存最少,常綠針葉林和常綠闊葉林的碳儲(chǔ)存較大,常綠的林地在任何時(shí)候都能發(fā)揮其儲(chǔ)存碳的功能,而落葉林地,由于樹葉的凋落在秋冬季節(jié)的碳儲(chǔ)存能力較弱。常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林和針闊混交林比喬木園地、灌木園地、常綠闊葉灌叢和落葉闊葉灌叢生境質(zhì)量高,更適合物種居住,有利于保持生物物種多樣性。不同林地類型的生態(tài)休閑差異不大,這主要是因?yàn)樯鷳B(tài)休閑由NPP、人口密度和距道路的距離所決定,與林木的覆蓋度、結(jié)構(gòu)等有關(guān),與林地類型關(guān)系并不密切。由此可見,不同的林地類型或多或少存都將影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。南方丘陵山地帶的林地占比高達(dá)70%,而優(yōu)先保護(hù)區(qū)林地占比極高,因此,本研究在對(duì)南方丘陵山地帶進(jìn)行林地管理、格局優(yōu)化時(shí),需要考慮林地的類型,重點(diǎn)保護(hù)和改善常綠闊葉林和常綠針葉林。

圖7 不同林地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)效率 Fig.7 The conservation priorities of ecosystem services in different forest types

本文通過OWA算法設(shè)置不同的權(quán)重組合,平衡多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的沖突,為決策者提供了多種選擇的方案。其中,情景1和情景11是兩種極端情景,這兩種情景往往以犧牲其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為代價(jià),而情景2以低風(fēng)險(xiǎn)、高保護(hù)效率、配置較為均衡為保護(hù)目的,來保障優(yōu)先保護(hù)區(qū)的全面性,是優(yōu)先保護(hù)區(qū)的最佳選擇。本研究僅選取了5個(gè)主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),在未來的研究中可以考慮更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來增加優(yōu)先保護(hù)區(qū)選擇的可信度。在情景分析過程中,為方便計(jì)算設(shè)置了11種情景,未來可根據(jù)決策者的目的和需求進(jìn)行更多的情景模擬。優(yōu)先保護(hù)區(qū)的確定是在2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,而以靜態(tài)時(shí)間節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行優(yōu)先保護(hù)區(qū)的選擇具有一定局限性,以長時(shí)間序列的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來確定優(yōu)先保護(hù)區(qū)則能夠增加結(jié)果的說服力。隨著人口的不斷增加,經(jīng)濟(jì)化和城市化不斷發(fā)展以及氣候變化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)必然發(fā)生改變,而優(yōu)先保護(hù)區(qū)能否保持穩(wěn)定,繼續(xù)發(fā)揮其保護(hù)效益還有待驗(yàn)證。

4.2 結(jié)論

本文采用InVEST定量評(píng)估了南方丘陵山地帶2015年5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),基于OWA方法權(quán)衡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),設(shè)置了11種情景,綜合考慮各情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保護(hù)效率確定了優(yōu)先保護(hù)區(qū)。各情景的優(yōu)先保護(hù)區(qū)分布相對(duì)集中,位于廣東省的西北部、廣西壯族自治區(qū)的東北部和湖南省南部區(qū)域。其中情景2的保護(hù)效率最優(yōu),對(duì)產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)存、生境質(zhì)量和生態(tài)休閑的保護(hù)效率分別為1.17,1.89,1.32,1.48,1.18,南方丘陵山地帶的優(yōu)先保護(hù)區(qū)即為情景2的保護(hù)范圍。為了最大程度的優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),應(yīng)該重點(diǎn)保護(hù)保護(hù)區(qū)的常綠闊葉林和常綠針葉林?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的優(yōu)先保護(hù)區(qū)選取研究能夠?yàn)閲疑鷳B(tài)屏障區(qū)優(yōu)先保護(hù)區(qū)的確定提供重要的參考,進(jìn)一步保障國家的生態(tài)安全。

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