變化環(huán)境影響下張承地區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究

王 盛,李亞文,李 慶,胡世雄,王金鳳,李文靜

1 山西師范大學地理科學學院, 太原 030000

2 河北省科學院地理科學研究所/河北省地理信息開發(fā)應用工程技術(shù)研究中心, 石家莊 050011

3 賓夕法尼亞州立東斯特勞斯堡大學地理系, 東斯特勞斯堡 18301- 2999

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類通過生態(tài)系統(tǒng)直接或間接獲取的各種效益,主要分為供給、調(diào)節(jié)、支持及文化服務(wù)四種類型[1—2]。它是人類可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),也是國家與區(qū)域生態(tài)安全的戰(zhàn)略保障[3—4]。近年來,隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,人類活動加劇,全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一直處于不斷退化中。千年評估報告指出全球24項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,有15項正在退化[5]。當前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究已成為地理學、生態(tài)學等多學科的熱點和前沿。水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)作為重要的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù),在調(diào)節(jié)徑流、涵蓄土壤、減少水土流失、補充地下水等方面具有重要影響[6—7],并且在生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)等環(huán)節(jié)發(fā)揮著不可忽視的作用[8]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復雜性及差異性,常常表現(xiàn)出此消彼長的權(quán)衡關(guān)系及同時增強或減弱的協(xié)同關(guān)系[9]。因此,準確評價水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,對于促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,推進生態(tài)安全,提高人類福祉具有重要意義[10]。

張家口-承德地區(qū)(張承地區(qū))作為京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障,在風沙防治、環(huán)境凈化、保持水土以及涵養(yǎng)水源等方面具有重要的作用。2018年,河北省政府劃定“生態(tài)保護紅線”,指出冀北燕山山區(qū)、承德壩上高原東北部地區(qū)主要發(fā)揮著水源涵養(yǎng)、土壤保持功能[11],進一步明確了張承地區(qū)對于京津冀地區(qū)生態(tài)服務(wù)的重要功能。近年來,張承地區(qū)廣泛開展了“水源涵養(yǎng)林”建設(shè)等一系列生態(tài)治理工程,在減少水土流失等方面成效顯著,但其環(huán)境問題尚未根本解決,部分地區(qū)仍存在生態(tài)退化現(xiàn)象。隨著京津冀一體化以及第24屆冬季奧林匹克運動會在北京、張家口市的聯(lián)合舉辦,張承地區(qū)成為社會關(guān)注熱點并將迎來新一輪的發(fā)展契機,但區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護如何協(xié)調(diào)的問題也亟待解決。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的早期評估存在研究對象單一、評價標準不同、結(jié)論片面等問題[12—13],為滿足定量評估的需求,InVEST、SoLVES、ARIES和SWAT等多種評估模型相繼出現(xiàn),其中InVEST模型具有驅(qū)動數(shù)據(jù)易獲取、參數(shù)調(diào)整簡便、結(jié)果可視化等優(yōu)點,應用最為廣泛[14—16]。運用InVEST模型,鞏飛等[17]定量評價了張北壩上地區(qū)水源涵養(yǎng)功能的空間分布特征,發(fā)現(xiàn)林地的水源涵養(yǎng)能力最強,旱地的水源涵養(yǎng)總量最大,水源涵養(yǎng)總量空間分布不均勻。李怡穎等[18]估算了張家口市1981—2015年水源涵養(yǎng)量并對其時空變化特征進行分析,結(jié)果表明水源涵養(yǎng)量呈微弱下降趨勢,空間上表現(xiàn)為康保、宣化周圍區(qū)縣增加,沽源、蔚縣等減少。許丁雪等[19]估算張家口-承德地區(qū)土壤保持量,發(fā)現(xiàn)灌木林地的土壤保持能力最強。隨著研究的深入,學者們開始關(guān)注不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的復雜關(guān)系。劉華妍等[20]運用SPSS相關(guān)分析法發(fā)現(xiàn)北京市水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)之間存在顯著權(quán)衡關(guān)系。王曉萌[21]運用局部空間自相關(guān)法分析河北省縣域尺度下土壤保持與農(nóng)作物生產(chǎn)的權(quán)衡/協(xié)同空間集聚特征,發(fā)現(xiàn)協(xié)同關(guān)系主要分布在隆化、灤平和康保縣；權(quán)衡關(guān)系在蔚縣、陽原縣較為集中。張宇碩和吳殿廷[22]研究表明,京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)與土壤保持服務(wù)在區(qū)縣尺度上表現(xiàn)出明顯的協(xié)同關(guān)系,土地利用是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要影響因子,且影響程度呈上升趨勢。

目前,對于張承地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究,主要集中在水源涵養(yǎng)、土壤保持服務(wù)的時空變化評估以及土地利用因子影響,缺乏氣候因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響及未來預測的綜合性研究；在權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究中,主要基于統(tǒng)計關(guān)系的數(shù)量分析,缺乏空間內(nèi)部異質(zhì)性的精細描述。因此,本研究以生態(tài)分區(qū)及生態(tài)功能區(qū)為單位,利用InVEST模型的產(chǎn)水和土壤保持模塊模擬了2000—2019年張承地區(qū)水源涵養(yǎng)、土壤保持2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),分析時空變化特征；從空間像元尺度上評估二者的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,設(shè)立多種情景定量討論氣候變化對水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)的影響程度；利用CA-Markov模型,模擬2030年自然發(fā)展、生態(tài)保護和規(guī)劃控制3種情景下的土地利用結(jié)構(gòu),評估土地利用變化對水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)的影響。為未來張承地區(qū)的健康發(fā)展提供科學指導,使其更好地發(fā)揮對京津冀地區(qū)的生態(tài)保護作用,促進人地關(guān)系和諧發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

圖1 張家口-承德地區(qū)(張承地區(qū))的地理位置及生態(tài)分區(qū)概況 Fig.1 Location and ecological zone in Zhangjiakou-Chengde area

張承地區(qū)(39°18′—42°37′N, 113°50′—119°15′E, 圖1)位于河北省北部,毗鄰北京市,占地面積7.6×104km2。地貌以高原、山地、丘陵為主,地勢由西北向東南傾斜。氣候類型以溫帶大陸性季風氣候為主,冬冷夏熱、水熱同期。區(qū)域水資源豐富,河流眾多,主要有永定河、潮白河、遼河、大清河、灤河、大凌河、北三河、內(nèi)陸河等,大多屬于海河流域上游河段。依據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(http://www.ecosystem.csdb.cn/index.jsp),結(jié)合地區(qū)地貌及植被類型,將張承地區(qū)劃分為3個生態(tài)區(qū)和14個生態(tài)功能區(qū)(表1)。其中(A)壩上高原草原與農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)地勢由南向北降低,年均溫-0.3—3.5℃,年降水量340—450mm,多大風,西部多為栗鈣土,東部多為黑沙土和灰色森林土,水資源缺乏,該區(qū)超載放牧導致草地退化、水土流失問題嚴重。(B)冀北及燕山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)以低山、丘陵為主,年降雨量600—700mm,水資源豐富,為灤河、潮白河等水系的上游或發(fā)源地,植被種類繁多,是水源涵養(yǎng)和土壤保持的重點地區(qū)。(C)永定河上游山間盆地林農(nóng)草生態(tài)區(qū)以盆地和低山丘陵為主,年均溫10℃以上,年降水量380—510mm,該區(qū)主要生態(tài)問題是土壤侵蝕、水土流失[23—24]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括氣象、水文、DEM、土地利用和土壤等資料。氣象數(shù)據(jù)源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),包括2000—2019年研究區(qū)周邊30個氣象站點的日尺度降水、潛在蒸發(fā)數(shù)據(jù)；水文水資源數(shù)據(jù)主要來源于河北省和海河流域水資源公報,用于InVEST模型產(chǎn)水模塊的參數(shù)率定；DEM來源于中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),為SRTM 90m分辨率柵格數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),包括2000、2005、2010、2015、2018年5期空間分辨率100m×100m的柵格數(shù)據(jù),劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6大類；土壤數(shù)據(jù)包括土壤類型圖和土壤屬性數(shù)據(jù),由中國科學院南京土壤所的中國1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫獲得。

表1 張家口-承德地區(qū)(張承地區(qū))生態(tài)區(qū)及生態(tài)功能區(qū)

2.2 研究方法

2.2.1InVEST模型產(chǎn)水和土壤保持模塊

InVEST模型產(chǎn)水模塊以氣象、土地利用類型、土壤及其它數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),廣泛應用于供水服務(wù)。產(chǎn)水量與地形指數(shù)、土壤飽和導水率、徑流流速系數(shù)等參數(shù)結(jié)合可計算出最終的水源涵養(yǎng)量[25—26]。模型的主要算法:

(1)

(2)

(3)

(4)

TI=Log(D/S·P)

(5)

WC=min(1,249/V)·min(1,0.9·TI/3)·min(1,K/300)·Y

(6)

式中,WCxj和Yxj為柵格x中土地利用類型j的年水源涵養(yǎng)量(mm)和產(chǎn)水量(mm)；AET為年實際蒸散發(fā)量(mm),Px為年降水量(mm),氣象數(shù)據(jù)采用ANUSP-LIN42模型空間插值得到；ωx為無量綱參數(shù),表示植被年需水量與年降水量的比值；Rxj為潛在蒸發(fā)量(ETox)與降水量(Px)的比值,即Budyko干燥度指數(shù)[25]；Z為季節(jié)常數(shù),取值范圍一般在0—30之間,根據(jù)《河北省水資源公報》中張承地區(qū)地表水資源總量率定確定；AWCx為植物有效含水量(mm),利用非線性擬合土壤AWC估算模型得到[27]；Kxj為植被蒸散系數(shù),S為土壤深度(mm),取值借鑒海河流域和河北省相關(guān)研究成果[15,28]；TI為地形指數(shù),無量綱；D為區(qū)域匯水量,無量綱；P為坡度比；V代表流速系數(shù)；K代表土壤飽和導水率(cm/d)。

土壤保持是地表植被對水土流失量的降低,也是對研究區(qū)上游泥沙的攔截。在InVEST模型中考慮了地塊攔截上游沉積物的能力,土壤保持量為土壤侵蝕減少量和泥沙持留量兩部分的總和。土壤侵蝕減少量為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差,其中潛在土壤侵蝕量為無植被覆蓋和任何水土保持措施下的土壤侵蝕量,實際土壤侵蝕量為考慮地表植被覆蓋和水土保持措施下的土壤侵蝕量。模型的主要算法為:

SEDRETx=Rx·Kx·LSx·(1-Cx·Px)+SEDRx

(7)

(8)

USLEx=Rx·Kx·LSx·Cx·Px

(9)

式中,SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量(t)和泥沙持留量(t)；USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實際土壤侵蝕量(t)；SEx代表泥沙持留效率；Rx為降水侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),利用Wischmeier公式基于月降水量和年降水量計算[29]；Kx為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1),利用Williams等建立的公式計算[30]；LSx為坡度坡長因子,無量綱；Cx和Px分別為植被與經(jīng)營管理因子和水土保持措施因子,借鑒河北省相關(guān)研究成果[15],對C、P因子賦值,如表2。

表2 不同土地利用類型的植被經(jīng)營管理因子C和水土保持措施因子P[15]

2.2.2權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系計算方法

權(quán)衡關(guān)系是指一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加而減少、或者隨其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的減少而增加,呈現(xiàn)出此消彼長的關(guān)系；協(xié)同關(guān)系是指兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有同樣的上升或降低趨勢,一種服務(wù)的增加會對另一種服務(wù)產(chǎn)生一定的促進和增幅作用。采用逐像元偏相關(guān)的時空統(tǒng)計制圖方法定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互關(guān)系[31],不僅可以研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)連續(xù)的時間演變規(guī)律,還可以對其相互關(guān)系進行明晰的定量制圖。具體計算步驟為：

(10)

(11)

式中,ES1與ES2分別代表2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；r為ES1與ES2之間的相關(guān)系數(shù),若r>0,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在協(xié)同關(guān)系,r<0存在權(quán)衡關(guān)系,r=0則無相關(guān)關(guān)系；i、j分別代表柵格數(shù)據(jù)中像元的行、列號；n為柵格數(shù)據(jù)的時間序列。r12(ij)代表降水量發(fā)生變化時,ES1與ES2在像元ij上的相關(guān)系數(shù),同理求得r13(ij)、r23(ij)；r代表在降水量不變的情況下,ES1與ES2在像元ij上的一級偏相關(guān)系數(shù),以此劃分權(quán)衡與協(xié)同系數(shù)的顯著性等級為：極顯著協(xié)同(r>0,P<0.05)；顯著協(xié)同(r>0, 0.050,P>0.1)；權(quán)衡(r<0,P>0.1)；顯著權(quán)衡(r<0, 0.05

2.2.3CA-Markov模型及未來2030年土地利用狀況預測

CA-Markov模型綜合了Markov模型長期預測、CA模型復雜空間系統(tǒng)演變的優(yōu)勢[32],能更準確地從時空尺度上模擬土地利用類型的變化。Markov模型主要依據(jù)初始時期到另一不同時期的狀態(tài)間轉(zhuǎn)移概率與矩陣,預測未來某時刻的土地利用變化趨勢[33]。

St+1=St·Pij

(12)

式中,St和St+1分別為t和t+1時刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；Pij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

元胞自動機(CA)是一種時間、空間、狀態(tài)都離散的局部格網(wǎng)動力學模型,具有模擬復雜系統(tǒng)時空演化過程的能力[34—36]。

St+1=f(St,n)

(13)

式中,S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t和t+1表示不同的時刻；n為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則。

運用CA-Markov模型,共設(shè)置3種情景模擬2030年張承地區(qū)的土地利用變化,并進一步預估水源涵養(yǎng)和土壤保持量的發(fā)展動態(tài)。(1)自然發(fā)展情景：土地利用變化延續(xù)2000—2019年的土地轉(zhuǎn)移速率,土地類型之間的轉(zhuǎn)變不受到外界人為、政策、社會等因素的影響；(2)生態(tài)保護情景：根據(jù)《河北省土地利用總體規(guī)劃》中合理利用農(nóng)耕地、加強保護生態(tài)用地的要求,設(shè)置林地、草地、耕地、水域轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的面積分別減少90%、90%、50%、20%,并禁止未利用地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地；(3)規(guī)劃控制情景：依據(jù)《河北省“十四五”規(guī)劃》中擴大城市空間等規(guī)定,設(shè)置耕地、林地、草地和未利用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換的面積增加3%,并禁止水域轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。

3 結(jié)果與分析

3.1 時空變化特征

3.1.1時間變化特征

圖2 2000—2019年張承地區(qū)水源涵養(yǎng)量和土壤保持強度的年際變化Fig.2 Interannual variation of water conservation and soil conservation intensity in ZC area from 2000 to 2019

2000—2019年張承地區(qū)水源涵養(yǎng)量和土壤保持強度的年際變化如圖2所示。近20年來,張承地區(qū)單位面積平均水源涵養(yǎng)量為38.4mm,相當于水源涵養(yǎng)總量為29.0×108m3,其年際變化整體上呈現(xiàn)波動上升趨勢,平均增長率為9.7mm/10a,與京津冀水源涵養(yǎng)量呈增加趨勢的研究成果一致[37]。其中,2012年單位面積水源涵養(yǎng)量最大,達到66.2mm；2002年最小,僅有25.9mm。根據(jù)水量平衡原理,水源涵養(yǎng)量的增加是降水的年際增加趨勢(47.2mm/10a)和潛在蒸發(fā)的減少趨勢(20.4mm/10a)共同作用的結(jié)果。研究區(qū)多年平均土壤保持強度(即單位面積土壤保持量)為191.0t/hm2,年際變化呈現(xiàn)微弱減少趨勢,減少率為-0.50t hm-2a-1,與京津冀土壤保持量下降結(jié)果一致[22]。而多年平均實際和潛在土壤侵蝕強度分別為3.3t/hm2和157.9t/hm2,其變化均呈現(xiàn)極微弱增加趨勢。

3.1.2空間分布格局與變化特征

圖3展示了張承地區(qū)2000s(2000—2009年)、2010s(2010—2019年)水源涵養(yǎng)量的空間分布及其變化特征。從空間分布看,總體上水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)為西低東高的分布格局,尤其是2010s這種特征更為顯著。水源涵養(yǎng)服務(wù)高值區(qū)主要分布在冀北及燕山山地(B區(qū)),單位面積水源涵養(yǎng)量達45.6mm,其中B5生態(tài)功能區(qū)的水源涵養(yǎng)能力最強(54.4mm)。水源涵養(yǎng)服務(wù)低值區(qū)集中分布在A區(qū),單位面積水源涵養(yǎng)量為29.0mm,尤其是壩上高原西部地區(qū)(A1、A2和A5區(qū))。從空間變化特征看,2000s—2010s研究區(qū)91.0%的面積水源涵養(yǎng)量有所增加,平均增加了13.0mm。不同生態(tài)區(qū)水源涵養(yǎng)量增加存在明顯差異,B區(qū)增加最多(16.2mm),尤其是B5區(qū)增加了20.5mm；C區(qū)次之(11.3mm),而A區(qū)最少(9.1mm)。

圖3 2000s、2010s、2000s—2010s張承地區(qū)水源涵養(yǎng)量空間格局及變化特征Fig.3 Spatial pattern and change characteristics of water conservation in ZC area in 2000s, 2010s, and 2000s—2010s

圖4 2000s、2010s、2000s—2010s張承地區(qū)土壤保持強度的空間格局及變化特征Fig.4 Spatial pattern and change characteristics of soil conservation intensity in ZC area in 2000s, 2010s, and 2000s—2010s

研究區(qū)2000s、2010s單位面積土壤保持量的空間分布及其變化特征如圖4。與水源涵養(yǎng)量的空間分布相似,土壤保持強度也呈西低東高的分布格局,具體表現(xiàn)為冀北及燕山山地(270.2t hm-2a-1)>永定河上游(158.0t hm-2a-1)>壩上高原地區(qū)(32.1t hm-2a-1)。不同生態(tài)功能區(qū)的土壤保持能力差異巨大,單位面積土壤保持量最高的B5區(qū)達到507.3t hm-2a-1,而最低的A1區(qū)僅為14.8t hm-2a-1,二者相差34倍。從空間變化特征看,2000s—2010s,研究區(qū)48.0%土地面積的土壤保持量減少,40.1%土地面積的土壤保持量增加,11.9%的區(qū)域則不變。整體上以減少為主,減少了18.3×106t,這與近年來張承地區(qū)耕地、林草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地有關(guān)。不同生態(tài)區(qū)土壤保持強度變化存在明顯差異,B和A區(qū)分別減少8.1和2.5t hm-2a-1,而C區(qū)增加6.6t hm-2a-1,尤其C1區(qū)增加了24.6t hm-2a-1。從土地利用及其變化看,B和A區(qū)林草地面積基本保持不變,而建設(shè)用地迅速增加(B區(qū)增加252.9%；A區(qū)增加58.4%),很可能是土壤保持強度減少的主要原因；C區(qū)土壤保持強度增加可能是由于林地、草地等生態(tài)用地面積擴大(1.2%),降水增多(15.9%)引起。

3.2 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

圖5 生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)空間協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系 Fig.5 Spatial trade-off and synergy of water conservation and soil conservation services in different ecological function area

在空間像元尺度,對張承地區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進行定量分析(圖5)：協(xié)同關(guān)系的像元面積占比為51%,權(quán)衡關(guān)系占比為45%,協(xié)同關(guān)系所占區(qū)域略多于權(quán)衡關(guān)系。從空間分布上看(圖5和6),B、C區(qū)協(xié)同像元占比均超過50%,以協(xié)同關(guān)系為主；尤其在承德南部(B4和B5生態(tài)功能區(qū))顯著/極顯著協(xié)同關(guān)系的像元占比超過10%。A區(qū)權(quán)衡和協(xié)同的像元占比分別為48.0%和45.0%,整體上權(quán)衡關(guān)系略占優(yōu)勢。從不同土地利用類型看,林地、草地協(xié)同面積占比分別為57.6%、54.7%,其中林地顯著/極顯著協(xié)同面積占比合計12.0%,而草地也達到9.8%。其它土地利用類型則為權(quán)衡關(guān)系占優(yōu)勢,其中未利用地權(quán)衡像元占比為54.5%,其次為耕地52.6%。從不同坡度看,不同坡度帶都以協(xié)同關(guān)系為主,沒有明顯差異。然而,隨著坡度的增大,顯著/極顯著協(xié)同的像元比例逐漸增加(7.8%—15.4%),顯著/極顯著權(quán)衡的像元比例逐漸減少(3.7%—0)。說明坡度較大的山區(qū)水土保持的協(xié)同效益更優(yōu)。

圖6 不同生態(tài)功能區(qū)、土地利用類型和坡度條件下的水源涵養(yǎng)與土壤保持服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系Fig.6 Trade-off and synergy between water conservation and soil conservation services under ecological function area, land use and slope interval

3.3 水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)的影響因素分析

3.3.1氣候敏感性實驗

水源涵養(yǎng)、土壤保持服務(wù)受氣候影響,特別是降水的影響。保持土地利用條件不變,以2010s的平均氣候狀況為基準,對降水和潛在蒸發(fā)量分別調(diào)整30%和10%以定量評估張承地區(qū)水源涵養(yǎng)量、土壤保持量的變化趨勢(圖7)。在潛在蒸發(fā)不變的條件下,降水±30%引起水源涵養(yǎng)量變化102.7%和-67.9%,降水±10%引起水源涵養(yǎng)量變化31.4%和-26.8%。而在降水不變的條件下,潛在蒸發(fā)±30%造成水源涵養(yǎng)量變化-27.2%和46.0%,潛在蒸發(fā)±10%造成水源涵養(yǎng)量變化-10.8%和13.1%。水源涵養(yǎng)量與降水呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(r=0.90,P<0.01),與潛在蒸發(fā)呈現(xiàn)不顯著負相關(guān)(r=-0.37,P>0.1),綜合來看,降水變化對水源涵養(yǎng)服務(wù)的影響遠大于潛在蒸發(fā),降水增加(潛在蒸發(fā)減少)引起的水源涵養(yǎng)量變幅大于降水減少(潛在蒸發(fā)增加),而且在降水劇烈變化時對水源涵養(yǎng)量變幅造成的影響更大。在潛在蒸發(fā)弱(70%)、正常(100%)和強(130%)的條件下,降水-30%造成水源涵養(yǎng)量的變幅分別為-63.8%、-67.8%和-66.2%,差異很??；但降水+30%引起水源涵養(yǎng)增加量為86.5%、102.7%和117.1%。由此可知,干旱氣候條件下潛在蒸發(fā)對研究區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)貢獻有限,但濕潤氣候條件下潛在蒸發(fā)的影響顯著增強。相比而言,氣候變化對土壤保持服務(wù)的影響相對簡單,降水變化與土壤保持強度呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(r=1,P<0.01),降水每增加(減少)10%引起土壤保持強度增加(減少)74.7t/hm2。

圖7 氣候驅(qū)動力對水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)的影響Fig.7 Impacts of climate drivers to water conservation and soil conservation services

3.3.2不同情景下2030年土地利用、水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)的發(fā)展動態(tài)

情景模擬可預測不同發(fā)展預設(shè)(自然發(fā)展、生態(tài)保護、規(guī)劃控制)前提下區(qū)域未來土地利用、水源涵養(yǎng)量和土壤保持量的變化趨勢。從土地利用類型看(圖8, 表3),張承地區(qū)以林地、耕地和草地為主,面積之和達到總面積的94.9%。2000—2018年,建設(shè)用地面積增加最為顯著(1600km2),其次是林地(460km2),二者激增主要由耕地轉(zhuǎn)移而來,凈轉(zhuǎn)換面積達1590km2,造成耕地面積大量減少,建設(shè)用地的擴張主要是由于近年來人口增加及城市化進程對土地資源的需求快速增長,而耕地減少、林地增加在一定程度上反映了區(qū)域生態(tài)修復工程和政策的有效實施。相較于2018年,2030年土地利用變化最顯著的特征是規(guī)劃控制和自然發(fā)展情景下建設(shè)用地快速擴張,分別增加了1710km2(64.0%)和1630km2(61.0%),而生態(tài)保護情景下建設(shè)用地萎縮1530km2(-57.3%)。與自然情景相比,生態(tài)情景模擬下林草地面積增加顯著,共增加2860km2。

圖8 2030年自然發(fā)展、生態(tài)保護和規(guī)劃控制情景下土地利用、水源涵養(yǎng)量和土壤保持強度的空間分布Fig.8 Spatial distribution of land use, water conservation and soil conservation intensity under natural development, ecological protection and planning control scenarios in 2030

表3 2000、2018和2030年不同情景下土地利用變化狀況

2030年自然發(fā)展、生態(tài)保護和規(guī)劃控制情景下張承地區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)的空間分布如圖8。與2010s相比,3種情景下水源涵養(yǎng)量均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢,表現(xiàn)為生態(tài)保護情景(39.68mm, 88.4%)>規(guī)劃情景(28.12mm, 62.7%)>自然情景(22.87mm, 51.0%)。說明未來人類活動干預將顯著增強區(qū)域水源涵養(yǎng)能力。從空間分布上看(表4),B區(qū)的水源涵養(yǎng)能力最強,C區(qū)次之,A區(qū)最弱；相較于2010s(或2000s),2030年3種不同情景下水源涵養(yǎng)量的增幅與百分比也為B區(qū)>C區(qū)>A區(qū)。說明區(qū)域整體水源涵養(yǎng)能力都顯著增強,但空間分布格局未發(fā)生明顯變化。相比于水源涵養(yǎng),未來張承地區(qū)土壤保持能力略有提升,3種情景下沒有明顯差異。空間上土壤保持能力的強弱順序為B區(qū)>C區(qū)>A區(qū),且未來的分布格局也未發(fā)生變化,這與水源涵養(yǎng)量時空變化特征較為一致。

表4 2000s、2010s和2030年不同情景下各生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)量和土壤保持量狀況

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本研究水源涵養(yǎng)量持續(xù)增加的結(jié)論與京津冀地區(qū)相關(guān)研究一致[19,37—38],證明InVEST模型具有良好的區(qū)域動態(tài)評估性能。也說明2000年以來京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)(如水源涵養(yǎng)林)建設(shè)、山水林田湖草生態(tài)修復等工程措施的效果顯著。整體上水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)之間以協(xié)同關(guān)系為主,這與其他學者采用皮爾遜相關(guān)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇等方法的研究成果一致[39—41]。然而,在研究區(qū)內(nèi)部,兩種服務(wù)的空間關(guān)系呈現(xiàn)顯著異質(zhì)性。水源涵養(yǎng)與土壤保持能力最強的冀北及燕山山地(B區(qū))顯著協(xié)同關(guān)系面積最大,該區(qū)多為緩坡丘陵地形,林草地面積廣闊,植被覆蓋度達76.1%,植被類型以華北落葉松林為主,林冠層截留作用顯著,起到了減輕土壤侵蝕和涵養(yǎng)水源的生態(tài)功效。壩上高原(A區(qū))地區(qū)兩種服務(wù)呈微弱的權(quán)衡關(guān)系,具體表現(xiàn)為水源涵養(yǎng)服務(wù)趨好,而土壤保持服務(wù)并不理想,土壤侵蝕并未明顯減輕。近年來,壩上高原地區(qū)降雨量和降雨強度增強[42—43],過量降水濺蝕、沖刷作用顯著,造成土壤保持功能下降[44]。這說明自然因素(尤其是降水)對土壤保持服務(wù)的影響比人為因素(生態(tài)措施)更為重要,但生態(tài)措施也一定程度上起到緩解作用。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的共同因素或主導因素在其空間復雜關(guān)系中發(fā)揮了重要作用,未來在宏觀層面上探討不同區(qū)域各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的深層次原因?qū)⒊蔀橹匾芯糠较騕45]。

已有研究[22]發(fā)現(xiàn),氣候、土地利用變化是影響京津冀地區(qū)產(chǎn)水量和土壤侵蝕量的主導因素。本研究量化了主要氣候因子對水源涵養(yǎng)服務(wù)的影響程度,發(fā)現(xiàn)降水對水源涵養(yǎng)量的影響遠大于潛在蒸發(fā),降水與水源涵養(yǎng)量呈非線性的正相關(guān),降水劇烈變化對水源涵養(yǎng)量造成的影響更大。同時土地利用類型及變化對水源涵養(yǎng)服務(wù)作用明顯,不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)能力順序為：林地(56.5mm)>草地(35.5mm)>耕地(26.1mm)>建設(shè)用地(19.4mm)>未利用地(17.3mm)。未來預測結(jié)果也表明人為干擾(生態(tài)保護、規(guī)劃控制情景)下水源涵養(yǎng)能力明顯提升(62.7%—88.4%)。說明降水因子和土地利用都是引起水源涵養(yǎng)量變化的關(guān)鍵因素。對于土壤保持服務(wù),降水是重要影響因子,降水量每增加(減少)10%引起土壤保持強度增加(減少)74.7t/hm2。而土地利用變化影響不大,未來3種情景下土壤保持強度增幅不超過5%?？臻g關(guān)系表明坡度較大的山區(qū)水土保持協(xié)同效益更優(yōu),對不同坡度土壤保持強度進行統(tǒng)計,土壤保持能力隨坡度增大表現(xiàn)為先增加后減小,單位面積土壤保持量的最大坡度范圍是16—20°。主要是因為林地在這一區(qū)域分布范圍廣,人類活動干預少。這與我國其他區(qū)域的研究結(jié)論相似,劉婷等[46]指出延河流域土壤保持量隨坡度變化規(guī)律明顯,25°的坡面是土壤保持量的關(guān)鍵帶。而劉洋[47]發(fā)現(xiàn)疏勒河土壤保持量存在坡度臨界值,坡度超過35°時土壤保持量減少。

因此,在開展生態(tài)管理時,需同時考慮多種因素的綜合影響,以制定更合理的政策措施。為改善張承地區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù),建議繼續(xù)加大京津風沙源治理、三北防護林和退耕還林還草等國家重點生態(tài)工程建設(shè)；盡可能限制建設(shè)用地的增加以保護環(huán)境,提高植被覆蓋度,尤其是加強保護關(guān)鍵坡度帶(16—20°),是今后水土保持工作應重點關(guān)注的區(qū)域。

4.2 結(jié)論

(1)2000—2019年張承地區(qū)年均水源涵養(yǎng)量、土壤保持強度為38.4mm、191.0t/hm2,其年際變化分別呈增加和微弱減少趨勢?？臻g上均呈現(xiàn)西低(壩上高原)東高(冀北及燕山山地)的分布格局。

(2)張承地區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)總體上呈協(xié)同關(guān)系,但不同生態(tài)區(qū)存在顯著空間異質(zhì)性,壩上高原多為權(quán)衡關(guān)系,而在燕山山地、永定河上游以協(xié)同關(guān)系為主。在開展生態(tài)管理時,需考慮到整體與局部空間的不同以及多種因素的綜合影響,以制定更合理的生態(tài)保護政策。

(3)降水和土地利用類型及變化是作用于張承地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)的關(guān)鍵因子,而土壤保持服務(wù)主要受降水和坡度的影響。情景預測結(jié)果表明,在人類活動(如生態(tài)保護、規(guī)劃控制政策)干擾下,2030年研究區(qū)水源涵養(yǎng)能力將顯著提升,而土壤保持能力增幅不大。