貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)極端降雨的時(shí)空響應(yīng)

韓會(huì)慶，李建鴻，張嬌艷，陳思盈，安徐朋，郭碧俊

(1 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004；2 貴州理工學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550003；3 貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的表征指標(biāo)，是指生態(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)提供的各種服務(wù)(如碳儲(chǔ)量、淡水、土壤保持、娛樂(lè)等)，它們對(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展極其重要[1]。然而，隨著全球氣候變暖，極端降雨頻率逐漸增加，這不僅加劇了洪澇發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，還對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力產(chǎn)生深刻影響，進(jìn)而影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[2-3]。因此，氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響研究成為生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、氣候?qū)W等學(xué)科關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，全球氣候變化背景下，極端降雨對(duì)耕地[4]、河流[5]、森林[6]、草地[7]等生態(tài)系統(tǒng)的影響關(guān)注較多。此外，臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))引起的極端降雨對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響亦得到學(xué)者關(guān)注。如仝川等[8]總結(jié)了臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))對(duì)沿海地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的影響。實(shí)驗(yàn)法和遙感監(jiān)測(cè)法當(dāng)前研究主要的方法。如馮磊等[9]利用遙感監(jiān)測(cè)法分析了極端降雨對(duì)歸一化植被指數(shù)的影響。在各種自然條件和人為活動(dòng)影響下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系表現(xiàn)為此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡或相互增益的協(xié)同關(guān)系[10]。極端氣候作為影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的重要自然因素，它通過(guò)影響各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力，從而最終影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[11]。極端降雨是極端氣候的典型代表，它對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響有所不同，這勢(shì)必導(dǎo)致各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系，厘清極端降雨影響下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)科學(xué)管理的重要基礎(chǔ)[12]?？傊M管極端降雨對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響研究取得豐富研究成果。然而，極端降雨對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響研究還較少，更鮮有針對(duì)極端降雨影響下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究。

貴州省是我國(guó)西南典型的喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)，其脆弱生態(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)提供的各種服務(wù)對(duì)區(qū)域發(fā)展極其重要。同時(shí)，該區(qū)極端氣候事件(如強(qiáng)降雨)發(fā)生頻繁，這深刻影響脆弱的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力。因此，以貴州省為例，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)極端降雨的時(shí)空響應(yīng)，以期為喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策制定、應(yīng)對(duì)極端氣候提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究主要數(shù)據(jù)包括氣候、土壤、地形、土地利用等。其中氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于由貴州氣候中心提供的1961～2015年84個(gè)氣象站點(diǎn)日平均氣溫、日最高溫、日最低溫、日降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等逐日氣候數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)為中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(貴州部分)；高程數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載的30 m分辨率的DEM；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于2015年中科院提供的1∶10萬(wàn)全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)(貴州部分)。依據(jù)貴州省地貌特點(diǎn)，將全省分為喀斯特峽谷(Ⅰ)、喀斯特盆地(Ⅱ)、峰叢洼地(Ⅲ)、喀斯特高原(Ⅳ)、喀斯特槽谷(Ⅴ)和非喀斯特地區(qū)(Ⅵ)六種地貌區(qū)[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 極端降雨發(fā)生時(shí)段選擇

依據(jù)1961～2015年貴州省極端降水發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)分析，分別確定2014年和1994年作為極端降雨強(qiáng)盛年和偏強(qiáng)年、1961年和2004年的3～5月作為極端降雨春季強(qiáng)盛期和偏強(qiáng)期、1979年和1967年的6～8月作為極端降雨夏季強(qiáng)盛期和偏強(qiáng)期、2008年和2015年的9～11月作為極端降雨秋季強(qiáng)盛期和偏強(qiáng)期，從年和季節(jié)尺度分別評(píng)估極端降雨強(qiáng)盛和偏強(qiáng)時(shí)段與平均氣候狀況下(1961～2015年)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，進(jìn)而比較分析極端降雨強(qiáng)盛和偏強(qiáng)時(shí)段與平均氣候狀況下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異。由于極端降雨多集中春季、夏季和秋季，故而本研究從年度、春季、夏季和秋季分析極端降雨對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。

1.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類(lèi)較多，依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)氣候變化敏感度以及研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)，選取產(chǎn)水、土壤保持、水質(zhì)凈化3種服務(wù)，進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)極端降雨的響應(yīng)研究。利用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型評(píng)估該3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。InVEST模型是由美國(guó)斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)和世界自然基金會(huì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型，該模型基于GIS技術(shù)，綜合考慮生態(tài)要素-生態(tài)過(guò)程-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)級(jí)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間表達(dá)，具有所需參數(shù)較少，適用范圍廣、服務(wù)評(píng)估種類(lèi)多等優(yōu)點(diǎn)，被世界各地學(xué)者廣泛應(yīng)用[14]。本研究的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估所需參數(shù)參考已有研究成果[12,15]。評(píng)估結(jié)果依據(jù)貴州省水資源公報(bào)、環(huán)境狀況公報(bào)、水土保持公報(bào)進(jìn)行參數(shù)校正。由于本研究旨在探討極端降雨對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，且選擇的是典型極端降雨時(shí)段，故而本研究中假定土地利用無(wú)變化，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估中只改變氣候參數(shù)。InVEST模型中3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估公式為：

(1)產(chǎn)水

Y=(1-AET/P)/P。

(1)

式中：Y為產(chǎn)水量，AET為實(shí)際蒸散量，P為降水量。

(2)土壤保持

SR=最大水土流失量-土壤侵蝕量=R·K·

LS-R·K·LS·C·P。

(2)

式中：R為降雨侵蝕力，K為土壤可蝕性，LS為坡長(zhǎng)，C為植被覆蓋和管理因子，P為工程措施因子。

(3)水質(zhì)凈化

WP=1/(Y/λw*pol)。

(3)

式中：WP為水質(zhì)凈化值，pol為輸出系數(shù)，λw為平均徑流系數(shù)，Y為產(chǎn)水量。

1.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

Spearman相關(guān)性分析是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析的常用方法之一，該方法可以應(yīng)用于地理空間數(shù)據(jù)相關(guān)性分析(即權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析)[16]，它是將每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的空間數(shù)據(jù)(柵格數(shù)據(jù))作為一個(gè)變量，并將不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的變量帶入Spearman相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式，分析兩兩之間的相關(guān)性，如相關(guān)系數(shù)小于0，即表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系，大于0即表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系[17]。本研究在計(jì)算極端降雨強(qiáng)盛和偏強(qiáng)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與平均氣候狀況下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間變化率基礎(chǔ)上，將兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間變化率導(dǎo)入SPSS軟件，利用Spearman相關(guān)性分析法分析兩者之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端降雨影響下貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

降雨偏強(qiáng)影響下，貴州省春季、夏季、秋季及全年的產(chǎn)水、土壤保持整體上呈增加趨勢(shì)，水質(zhì)凈化呈小幅下降趨勢(shì)，其中春季、夏季、秋季的土壤保持增加幅度大于產(chǎn)水，全年的產(chǎn)水增加幅度大于土壤保持。降雨由偏強(qiáng)到強(qiáng)盛情況下，春季、夏季、秋季及全年的產(chǎn)水、土壤整體上呈大幅增加趨勢(shì)，水質(zhì)凈化呈小幅下降趨勢(shì)，其中春季、夏季的產(chǎn)水增加幅度大于土壤保持，秋季、全年的土壤保持增加幅度大于產(chǎn)水(表1)。

表1 極端降雨影響下貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體變化

從空間格局上看，降雨偏強(qiáng)影響下除喀斯特盆地外，貴州省其他地貌區(qū)春季產(chǎn)水均呈增加趨勢(shì)，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地區(qū)的產(chǎn)水增加幅度較大。貴州省全部地貌區(qū)夏季、秋季和全年的產(chǎn)水在降雨偏強(qiáng)狀況下均呈增加趨勢(shì)，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地區(qū)的夏季產(chǎn)水增加較為突出，非喀斯特地區(qū)、峰叢洼地和喀斯特盆地的秋季產(chǎn)水增加幅度相對(duì)較大，峰叢洼地和非喀斯特地區(qū)的全年產(chǎn)水增加明顯高于其他地區(qū)；在降雨強(qiáng)盛影響下，貴州省全部地貌區(qū)的春季、夏季、秋季和全年產(chǎn)水均呈增加趨勢(shì)，其中喀斯特峽谷和峰叢洼地的春季產(chǎn)水、峰叢洼地和非喀斯特地區(qū)的夏季產(chǎn)水、喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地區(qū)的秋季產(chǎn)水以及喀斯特槽谷和喀斯特盆地的全年產(chǎn)水增加幅度突出(圖1)。

圖1 極端降雨影響下貴州省產(chǎn)水服務(wù)變化空間格局

從空間格局上看，降雨偏強(qiáng)影響下貴州省除喀斯特盆地和喀斯特峽谷外，貴州省其他地貌的春季土壤保持呈增加趨勢(shì)，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地區(qū)的春季土壤保持增加幅度較大。貴州省全部地貌的夏季和秋季土壤保持在降雨偏強(qiáng)狀況下均呈增加趨勢(shì)，其中喀斯特高原、喀斯特槽谷和非喀斯特地區(qū)的夏季土壤保持以及喀斯特峽谷、喀斯特盆地、峰叢洼地和非喀斯特地區(qū)的秋季土壤保持增加幅度較大。全年土壤保持僅在喀斯特峽谷呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其他地貌區(qū)均呈現(xiàn)增加特點(diǎn)，其中喀斯特盆地的增加幅度相對(duì)較大；在降雨強(qiáng)盛影響下，貴州省全部地貌的春季、夏季、秋季和全年土壤保持均呈增加趨勢(shì)，其中峰叢洼地的春季土壤保持、喀斯特峽谷和喀斯特盆地的夏季土壤保持、峰叢洼地、非喀斯特地區(qū)、喀斯特高原的秋季土壤保持以及喀斯特槽谷、喀斯特峽谷和喀斯特盆地的全年土壤保持增加幅度較大(圖2)。

圖2 極端降雨影響下貴州省土壤保持服務(wù)變化空間格局

從空間格局上看，降雨偏強(qiáng)影響下貴州省絕大部分地貌區(qū)的春季、夏季、秋季及全年水質(zhì)凈化呈下降趨勢(shì)，僅有喀斯特峽谷的春季和全年水質(zhì)凈化、喀斯特盆地的夏季水質(zhì)凈化、喀斯特高原的秋季水質(zhì)凈化呈增加趨勢(shì)。

喀斯特盆地的春季水質(zhì)凈化、喀斯特槽谷、非喀斯特地區(qū)和喀斯特峽谷的夏季水質(zhì)凈化、峰叢洼地和非喀斯特地區(qū)的秋季水質(zhì)凈化、非喀斯特地區(qū)的全年水質(zhì)凈化下降幅度較大；在降雨強(qiáng)盛影響下，貴州省全部地貌區(qū)的春季、夏季和全年的水質(zhì)凈化呈下降趨勢(shì)，其中喀斯特峽谷、喀斯特盆地、峰叢洼地的春季水質(zhì)凈化、非喀斯特地區(qū)的夏季水質(zhì)凈化、喀斯特槽谷的全年水質(zhì)凈化下降突出。除喀斯特盆地外，貴州其他地貌區(qū)的秋季水質(zhì)凈化呈下降趨勢(shì)，其中非喀斯特地區(qū)的秋季水質(zhì)凈化下降明顯(圖3)。

圖3 極端降雨影響下貴州省水質(zhì)凈化服務(wù)變化空間格局

2.2 極端降雨影響下貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

降雨偏強(qiáng)和強(qiáng)盛影響下，貴州省春季、夏季、秋季及全年的產(chǎn)水與土壤保持均為協(xié)同關(guān)系，產(chǎn)水與水質(zhì)凈化、土壤保持與水質(zhì)凈化之間均為權(quán)衡關(guān)系，其中降雨偏強(qiáng)影響下，春季、夏季及秋季的產(chǎn)水與土壤保持呈顯著協(xié)同關(guān)系，夏季的產(chǎn)水與水質(zhì)凈化以及土壤保持與水質(zhì)凈化、全年的產(chǎn)水與水質(zhì)凈化均呈顯著權(quán)衡關(guān)系。降雨強(qiáng)盛影響下，秋季、全年的產(chǎn)水與水質(zhì)凈化以及土壤保持與水質(zhì)凈化均呈顯著權(quán)衡關(guān)系(表2)。

表2 極端降雨影響下貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相關(guān)系數(shù)

在降雨偏強(qiáng)影響下，除喀斯特峽谷外，貴州春季和全年其他地貌區(qū)產(chǎn)水與土壤保持之間均為協(xié)同關(guān)系，全部地貌區(qū)的夏季和秋季產(chǎn)水與土壤保持之間均為協(xié)同關(guān)系，除喀斯特盆地外，春季、夏季其他地貌的產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間以及土壤保持與水質(zhì)凈化之間為權(quán)衡關(guān)系。除喀斯特高原外，秋季其他地貌的產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間以及土壤保持與水質(zhì)凈化之間亦為權(quán)衡關(guān)系，除喀斯特峽谷外，全年其他地貌的產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間為權(quán)衡關(guān)系，而貴州全年全部地貌的土壤保持與水質(zhì)凈化之間均為權(quán)衡關(guān)系；在降雨強(qiáng)盛影響下，貴州全部地貌的春季、夏季、秋季和全年產(chǎn)水與土壤保持之間均為協(xié)同關(guān)系，貴州全部地貌的春季、夏季和全年產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間以及土壤保持與水質(zhì)凈化之間均為權(quán)衡關(guān)系，除喀斯特盆地外，貴州秋季其他地貌的產(chǎn)水與水質(zhì)凈化之間以及土壤保持與水質(zhì)凈化之間為權(quán)衡關(guān)系(圖4)。

圖4 極端降雨影響下貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間格局

3 結(jié)論與討論

在極端降雨偏強(qiáng)和強(qiáng)盛狀況下，貴州省春季、夏季、秋季、全年產(chǎn)水與土壤保持均呈增加趨勢(shì)，而水質(zhì)凈化呈小幅下降趨勢(shì)。從空間格局上看，貴州省大部分地貌區(qū)的春季、夏季、秋季、全年產(chǎn)水與土壤保持在極端降雨偏強(qiáng)和強(qiáng)盛影響下均呈增加趨勢(shì)，而大部分地貌區(qū)水質(zhì)凈化呈下降趨勢(shì)。貴州省大部分地貌區(qū)春季、夏季、秋季及全年的產(chǎn)水與土壤保持之間在極端降雨偏強(qiáng)和強(qiáng)盛影響下呈相互增益的協(xié)同關(guān)系，而產(chǎn)水與水質(zhì)凈化以及土壤保持與水質(zhì)凈化之間均呈此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)科學(xué)管理可以有效地減少極端氣候帶來(lái)的負(fù)面影響[18]。鑒于極端降雨對(duì)產(chǎn)水和土壤保持的影響遠(yuǎn)高于對(duì)水質(zhì)凈化服務(wù)，且產(chǎn)水和土壤保持之間存在較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系，這說(shuō)明環(huán)境管理者需關(guān)注極端降雨年份產(chǎn)水和土壤保持的變化狀況。此外，極端降雨嚴(yán)重地區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化核心地區(qū)，這些地區(qū)應(yīng)該成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的焦點(diǎn)。值得注意的是，春季和秋季的極端降雨影響下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化較高，故而春季和秋季應(yīng)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的重點(diǎn)時(shí)段。此外，不同程度和不同季節(jié)極端降雨時(shí)段(年份)選擇對(duì)本研究結(jié)果有一定主觀的影響。盡管本研究選擇典型極端降雨發(fā)生時(shí)段探討其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，但由于不同時(shí)段極端降雨等級(jí)不同，極端降雨發(fā)生區(qū)域存在差異，這也使得研究結(jié)果具有一定主觀性。