2000—2015年鹽池縣禁牧草地生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局

王蓓, 仲俊濤, 譚美寶

2000—2015年鹽池縣禁牧草地生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局

王蓓1, 仲俊濤2,*, 譚美寶1

1. 蘭州大學資源環(huán)境學院, 蘭州 730001 2. 青海師范大學地理科學學院, 西寧 810008

以寧夏鹽池縣為研究區(qū), 基于InVEST模型對禁牧前后(2000、2004、2007、2010和2015年)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存、水源涵養(yǎng)、土壤保持3項服務進行估算, 利用空間統(tǒng)計方法對不同年份各項服務的冷熱點、空間分異、綜合熱點區(qū)進行識別。結果顯示: 草地碳儲存、水源涵養(yǎng)和土壤保持量在禁牧前后都有顯著提升, 呈“N”型波動上升態(tài)勢, 且南部增幅大于北部; 草地碳儲量變化幅度較小, 而水源涵養(yǎng)和土壤保持量變化幅度較大; 生態(tài)系統(tǒng)服務在水平較高或增幅較大的年份冷熱點顯著區(qū)分布范圍較大, 且界線明確, 在較低或下降的年份, 冷熱點分布不顯著范圍增大, 且界線模糊; 草地的各項生態(tài)系統(tǒng)服務空間分異特征以高-低類型和高-高類型為主, 各項服務高值區(qū)重疊比例非常低, 且呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分布差異。分析鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局, 為摸清草地生態(tài)系統(tǒng)服務時空發(fā)展變化提供數(shù)據(jù)和方法, 可促進草地生態(tài)系統(tǒng)保護與建設。

InVEST模型; 草地生態(tài)系統(tǒng)服務; 熱點分析; 空間分異; 鹽池縣

0 前言

草地生態(tài)系統(tǒng), 作為我國陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型, 約有400萬km2, 相當于耕地面積的3.2倍, 林地面積的2.3倍[1]。它不僅是肉、奶、皮、毛等重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地, 同時具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風固沙, 維持生物多樣性等服務功能[2-3], 對保障我國生態(tài)安全具有極其重要的作用[4]。長期以來, 由于以草地生產(chǎn)功能為主導, 加之過度放牧、政策實施偏差等人類活動[2,5-6], 導致我國約90%左右的草地處于不同程度的退化之中, 威脅區(qū)域生態(tài)安全。2000 年以來, 我國先后實施了退牧還草工程、草原生態(tài)保護獎勵補助政策等, 草地生態(tài)系統(tǒng)有所恢復。然而, “治理速度趕不上退化速度”的被動局面未從根本上扭轉, 一定程度上反映了對草地生態(tài)系統(tǒng)服務的認識不足。在此情形下, 選取典型區(qū)域, 如何快速發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)服務評估方法, 精準評估草地生態(tài)系統(tǒng)服務, 以厘清草地生態(tài)系統(tǒng)服務現(xiàn)狀和空間格局, 是構建和優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系, 實現(xiàn)人與自然和諧共生的重大科技需求[7]。

近十年來, 國外草地生態(tài)系統(tǒng)服務主要表現(xiàn)在動態(tài)評估和變化機制研究等方面。例如, Schirpke Uta等[8]基于土地利用和氣候變化的未來情景下對山區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)服務變化進行定量研究; Hailu Shiferaw等[9]定量研究土地利用變化和牧豆樹入侵對草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響程度; Obermeier W A等[10]以草地物理、化學等特征視角對草地生態(tài)系統(tǒng)服務的變化機制進行探究。我國對于草地生態(tài)系統(tǒng)服務研究也取得了一定進展。2006年, 王靜等[11]以甘肅省瑪曲縣為例, 探討過牧對草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響; 2009年, 劉紀遠等[12]提出了系統(tǒng)完整的三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)評估指標體系; 2014年, 白永飛等[13]對草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務功能的形成與調(diào)控機制進行了研究; 2017年, 趙苗苗等[14]定量核算青海省生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其價值; 2019年, 陳海喜[15]對貴州省草地生態(tài)功能服務價值進行科學評估。目前, 應“精細化、定量化、模型化、空間化”的生態(tài)系統(tǒng)服務評估發(fā)展要求, InVEST(Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型被逐漸關注, 且已被廣泛應用于國內(nèi)外各類政府和機構的區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)保護和建設工作中[16-22]。

寧夏鹽池縣地處北方農(nóng)牧交錯帶核心區(qū), 自2001年開始實施全面禁牧政策以來, 草地生態(tài)系統(tǒng)有所改善, 但退化問題仍未得到根本解決, 因此, 厘清禁牧以來草地生態(tài)系統(tǒng)服務時空動態(tài)變化規(guī)律迫在眉睫。目前, 該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)服務方面的研究, 僅受夢婷[23]、王黎黎[24]、岳耀杰[25]等學者通過價值當量法對服務進行評估, 研究結果具有一定意義, 但仍存在所需數(shù)據(jù)類型單一, 獲取方式以文獻參考為主; 評估過程缺少對生物物理過程的詳細刻畫, 評估方法以傳統(tǒng)的價值當量法為主; 研究時序較早, 應用性較差等問題。因此, 本文以鹽池縣為研究區(qū), 以草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象, 基于本地化的InVEST模型, 對2000、2004、2007、2010和2015年的水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲存3項關鍵服務進行動態(tài)評估, 在此基礎上, 對各項服務的冷熱點區(qū)、空間分異特征進行識別, 明確草地生態(tài)系統(tǒng)服務的強弱分布和空間聚集特征, 為摸清禁牧前后鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務發(fā)展狀況提供數(shù)據(jù)支持, 為統(tǒng)籌推進研究區(qū)生態(tài)保護和修復工作提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣(37°04′—38°10′N, 106°30′—107°41′E)地處我國西北內(nèi)陸, 寧夏回族自治區(qū)東部, 位于農(nóng)牧交錯帶西北部核心區(qū), 總面積8661 km2(圖1)。屬典型的中溫帶大陸性季風氣候, 氣候特點為干旱少雨、風大沙多、日照充足、蒸發(fā)強烈、冬冷夏熱、秋早春遲; 地形整體表現(xiàn)為南部高、北部低, 中間高、東西兩側低; 2015年鹽池縣家畜存欄量高達153.96萬只羊單位。在特殊的自然條件和不合理的人類社會經(jīng)濟活動長期作用下, 鹽池縣生態(tài)環(huán)境狀況極其脆弱。

圖1 研究區(qū)位置圖

Figure1 Location of study area

2 材料與方法

2.1 研究方法

從鹽池縣草地實際出發(fā), 結合農(nóng)牧交錯帶區(qū)域特征, 依據(jù)聯(lián)合國《千年生態(tài)系統(tǒng)評估》的生態(tài)系統(tǒng)服務分類體系[26], 篩選碳儲存、水源涵養(yǎng)和土壤保持3項關鍵服務類型。使用開源的 InVEST模型, 對禁牧前后(2000年、2004年、2007年、2010年和2015年)草地生態(tài)系統(tǒng)服務時空格局變化特征進行研究。

2.1.1 水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)(Water Conservation, WC)模塊分2部分對涵養(yǎng)水源量進行計算。第一部分, 模型基于傳統(tǒng)的水量平衡原理計算區(qū)域產(chǎn)水量, 主要涉及降雨量、蒸發(fā)量、根系深度和土壤深度等數(shù)據(jù); 第二部分, 在產(chǎn)水量的基礎上計算得到水源涵養(yǎng)量。具體公式如下:

(1)式中,表示水源涵養(yǎng)量/mm;為流速系數(shù);表示土壤飽和導水率/(cm·d-1);為地形指數(shù), 可由(2)式計算得出:為集水區(qū)柵格數(shù)量;表征土壤深度/mm;為百分比坡度/%;為產(chǎn)水量/mm, 由(3)式計算得出,表示年降雨量/mm;表示實際年平均蒸散發(fā)量/mm。(4)式中,表示干燥指數(shù);是改進的、無量綱的植被可利用水量與年預期降水量, 計算公式為(5)式,是用來表征降水特征的一個常數(shù);為根系深度/mm;表示植被有效可利用水;為干燥指數(shù), 無量綱, 由(6)式計算得出,K為植被蒸散系數(shù);0為潛在蒸散發(fā)量/(mm·d-1)。

2.1.2 土壤保持

土壤保持(Soil Conservation, SC)模塊用來計算每一地塊保持土壤的能力。模塊整合了土地利用、土壤性質(zhì)、、降雨和氣象數(shù)據(jù)等信息。計算分為兩個部分, 首先, 模型基于通用的土壤流失方程[27]計算潛在土壤流失量和實際土壤侵蝕量。計算方法如下:

(7)

(8)

式中,為降雨侵蝕力因子/[MJ·mm/(ha·h·a)];為土壤可蝕性因子/[t·ha·h/(ha·MJ·mm)];為坡長坡度因子;為植被覆蓋和管理因子;為工程措施因子。

其次, 模型對地塊的沉積物保持量進行估算。綜上所述, InVEST 模型中的土壤保持量的計算公式如下所示:

=(–)+_(9)

式中,為草地土壤保持量/t;為攔截的上游沉積物量/t。

2.1.3 碳儲存

碳儲存(Carbon Storage, CS)模塊中, 碳庫包括地上生物量、地下生物量、土壤碳、死亡有機物碳以及木材收獲量5部分。由于本研究評估鹽池縣草地, 所以不考慮木材收獲, 模型將不同土地覆被類型下的上述碳庫相加, 即得到該區(qū)域所儲存的碳, 計算公式如下:

C=C+C+C(10)

C=C+C(11)

式中,C為草地總碳儲量/t;C為植被碳儲量/t;C是地上碳儲量/t;C為地下碳儲量/t;C為死亡有機碳儲量/t;C為土壤碳儲量/t。

2.1.4 熱點分析法

2.1.5 空間分異特征分析法

冷熱點分析只能表明生態(tài)系統(tǒng)服務的局部空間自相關特征, 即識別服務屬性相似的集聚區(qū), 對于局部空間內(nèi)屬性值具有高低差異的區(qū)域無法識別, 而空間分異特征分析法恰好彌補了冷熱點分析法的不足?？臻g分異特征分析法是測度研究區(qū)中一個單元上的屬性值與鄰近單元同一屬性值的相關程度。本文采用局部Moran’s指數(shù)值, 當>0, 表明屬性值為高-高值或低-低值的空間聚集; 相反,<0時, 屬性值為高-低值或低-高值的空間聚集[30]。應用到生態(tài)系統(tǒng)服務中, 來識別各項服務呈現(xiàn)的低-低、高-高、低-高、高-低四種空間關聯(lián)結構模式, 以分析多項服務的空間分異規(guī)律。計算公式如下:

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

主要數(shù)據(jù)來源及處理見表1。

3 結果與分析

3.1 草地生態(tài)系統(tǒng)服務時空分布特征

通過運行InVEST模型得到鹽池縣2000年、2004年、2007年、2010年和2015年5期草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存、水源涵養(yǎng)和土壤保持服務分布(圖2)。

由圖2可以看出, 鹽池縣草地碳儲量密度在空間上呈現(xiàn)由東北向西南逐漸遞減的分布規(guī)律, 最大值為11.5606 t·ha-1, 平均值為5.51—6.19 t·ha-1, 結果符合鹽池縣植被分布規(guī)律。從時間變化上看, 全面禁牧前的2000年, 草地碳儲存量為217.46萬t, 密度5.78 t·ha-1, 2004年持續(xù)增加, 到2007年達到244.78萬t, 密度6.01 t·ha-1, 密度增長3.98%, 隨后轉為下降態(tài)勢, 2010年為225.01萬t, 密度5.51 t·ha-1, 密度下降9.17%, 2015年又增加到263.12萬t, 密度6.19 t·ha-1, 密度增長11.23%。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中, 花馬池鎮(zhèn)碳儲量最多, 5期均值為45.55萬t, 麻黃山鄉(xiāng)最少, 5期均值僅10.81萬t, 碳儲存密度花馬池鎮(zhèn)最高, 均值達9.09 t·ha-1, 高沙窩鎮(zhèn)最低, 5期均值僅4.25 t·ha-1, 前者是后者的2.14倍。

水源涵養(yǎng)量2000年為2884萬t, 密度76.69 t·ha-1, 經(jīng)過2004年的增加, 到2007年達到7869萬t, 密度193.12 t·ha-1, 密度增長151.82%, 到2010年下降到4923萬t, 密度120.60 t·ha-1, 密度下降37.55%, 隨之又轉為增長態(tài)勢, 在2015年達到12235萬t, 密度287.83 t·ha-1, 密度增長138.66%。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中, 花馬池鎮(zhèn)水源涵養(yǎng)量最多, 5期均值為1632.31萬t, 麻黃山鄉(xiāng)最少, 5期均值為516.51萬t, 水源涵養(yǎng)密度花馬池鎮(zhèn)最高, 達318.33 t·ha-1, 高沙窩鎮(zhèn)最低, 5期均值僅93.73 t·ha-1, 前者是后者的3.40倍, 差異較大。

表1 主要數(shù)據(jù)來源及處理

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), CS(碳儲存), WY(水源涵養(yǎng)), SC(土壤保持)。

Figure 2 Temporal and spatial distribution of grassland ecosystem services in Yanchi county

土壤保持量2000年最小, 2007年最大, 2000年為1383萬t, 密度26.78 t·ha-1, 經(jīng)過2004年的增加, 到2007年達到4056萬t, 密度99.53 t·ha-1, 密度增長170.63%, 隨后轉為下降狀態(tài), 到2010年下降為2194萬t, 密度53.75 t·ha-1, 密度下降45.99%, 隨后又轉為增長態(tài)勢, 在2015年達到3474萬t, 密度81.71t·ha-1, 密度增長52.01%。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中, 麻黃山鄉(xiāng)土壤保持量最多, 5期均值為788.69萬t, 高沙窩鎮(zhèn)最少, 5期平值僅93.25萬t, 土壤保持密度麻黃山鄉(xiāng)最高, 5期均值達415.19 t·ha-1, 高沙窩鎮(zhèn)最低, 5期均值僅13.85 t·ha-1, 前者是后者的29.98倍, 區(qū)域差異十分懸殊。

3.2 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務冷熱點分析

基于鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務基礎數(shù)據(jù)集, 利用ArcGIS 10.2的空間統(tǒng)計分析工具分別計算各項服務的冷熱點分布區(qū)域, 測度各服務的局部空間自相關特征。

由圖3可知, 鹽池縣草地碳儲存熱點區(qū)主要分布于鹽池縣東北部的花馬池鎮(zhèn)和哈巴湖國家級自然保護區(qū), 冷點區(qū)范圍集中分布于廣大中南部地區(qū), 碳儲量高或增幅度較大的年份冷熱點顯著區(qū)分布范圍較大, 且界線明確, 在服務功能較低或下降的年份, 冷熱點分布不顯著區(qū)范圍大增, 顯著區(qū)范圍急劇縮減, 且界線模糊。水源涵養(yǎng)在5期變化較大, 但冷熱點區(qū)分布范圍比較相近, 變化不明顯, 顯著類型是主導, 不顯著區(qū)分布范圍較少, 且冷點區(qū)與熱點區(qū)的界線也比較明確, 形成比較鮮明的對比。具體來看, 2000年冷熱點顯著區(qū)面積大, 且連片分布, 在95%上顯著的比例高, 界線明確, 2015年熱點區(qū)與冷點區(qū)分布范圍變化顯著, 界線也變得模糊, 熱點區(qū)主要集中于東北部花馬池鎮(zhèn)和南部麻黃山地區(qū), 中部僅有零星分布, 范圍有所擴大, 冷點區(qū)主要分布在廣大中西部地區(qū)。2000—2015年, 土壤保持功能的冷熱點分布范圍界線明確, 變化極小, 熱點區(qū)覆蓋南部麻黃山地區(qū)的全部, 廣大中北部地區(qū)為冷點區(qū)(個別起伏較大的山丘除外), 且都以99%水平顯著為主, 表明土壤保持功能受地表起伏的嚴格限制。南部麻黃山地區(qū)地表起伏大, 溝壑縱橫, 且土壤為侵蝕黃綿土, 極易受流水作用侵蝕, 是土壤保持功能的熱點區(qū)域, 而廣大中北部地區(qū)為地勢起伏和緩的鄂爾多斯臺地, 且土壤以風沙土和灰鈣土為主, 侵蝕作用較小。

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), CS(碳儲存), WY(水源涵養(yǎng)), SC(土壤保持)。

Figure 3 Hotspot distribution of each ecosystem service in Yanchi county

草地碳儲存主要受土壤碳儲量和植被碳儲量影響, 而二者與草地覆被息息相關, 因此, 草地碳儲量受草地覆被的直接影響, 其空間分布規(guī)律與草地質(zhì)量相符, 而草地土壤和植被碳儲量增長緩慢且穩(wěn)定, 年際波動小, 因此草地碳儲量變化比較平穩(wěn), 規(guī)律性顯著, 冷熱點分布范圍也比較顯著。草地水源涵養(yǎng)和土壤保持功能隨降水量的波動而顯著變化, 降水多的年份, 二者值較大, 降水少的年份則較低。水源涵養(yǎng)功能熱點區(qū)主要分布于海拔較低、地勢平坦、儲水構造好的東北部花馬池鎮(zhèn)以及麻黃山山前地帶, 受降水影響顯著, 年際波動大; 土壤保持功能受地形和土壤質(zhì)地影響最大, 尤其是地表起伏狀況, 因此在南部麻黃山地區(qū)是其高值區(qū), 廣大中北部地區(qū)地勢平坦, 為低值區(qū), 受降水影響也比較顯著, 年際波動大, 但區(qū)域分布格局變化不大。

3.3 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務空間分異特征分析

以鹽池縣各項生態(tài)系統(tǒng)服務評估結果為數(shù)據(jù)源, 應用GeoDa空間分析軟件對其局部空間自相關進行測度(圖4)。

由圖4可知, 2000—2015年, 草地生態(tài)系統(tǒng)服務碳儲存功能空間分異規(guī)律顯著, 以高-高、高-低型為主, 特別是2004年和2010年所占比重非常大, 幾乎覆蓋整個研究區(qū)。2000、2007和2015年的高-高、高-低型主要分布于中北部花馬池鎮(zhèn)、王樂井鄉(xiāng)的大部分區(qū)域, 除此之外, 低-低型零星分布于中南部地區(qū); 水源涵養(yǎng)服務空間分異特征明顯, 表現(xiàn)由不顯著類型向顯著類型逐步過渡, 整個研究區(qū)高-高、高-低類、型為主要分異特征, 且高-高區(qū)分布集中分布于南部麻黃山區(qū)和東北部花馬池鎮(zhèn), 除此之外, 低-低型也有一定占比, 集中于縣域西部馮記溝鄉(xiāng); 土壤保持服務的空間分異特征以高-高型為主, 主要位于南部麻黃山區(qū), 占比介于4.66%—5.19%之間, 其它區(qū)域大部為不顯著類型, 占比介于94.24%—94.99%之間, 且較其他2項服務, 該服務在整個研究時段變化微弱。

鹽池縣草地的各類生態(tài)系統(tǒng)服務空間分異性以高-低類型和高-高類型為主, 即高值區(qū)為低值區(qū)所包圍和高值區(qū)為高值區(qū)所包圍。這在一定程度上反映出禁牧政策的實施使草地質(zhì)量在整體上有所好轉, 隨之碳儲存、水源涵養(yǎng)和土壤保持服務水平也有所提高, 空間分異類型以高-高、高-低為主, 但從個別年份來看, 草地碳儲存、水源涵養(yǎng)服務出現(xiàn)低-低類型的分異特征, 即低值區(qū)為低值區(qū)所包圍, 這恰好說明中南部地區(qū)的碳儲存服務和西部地區(qū)的水源涵養(yǎng)水平均較低, 這與圖2的碳儲存服務空間分布研究結論一致; 與此同時, 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務空間分異特征, 在一定的程度上也反映出3項服務在空間上的顯著協(xié)同作用。

3.4 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合熱點區(qū)識別分析

基于碳儲存、水源涵養(yǎng)和土壤保持各項服務綜合熱點的空間分析, 可識別生態(tài)系統(tǒng)服務高簇值區(qū)的空間組合規(guī)律, 從而將差別化的生態(tài)系統(tǒng)服務管理手段在空間定位至柵格層面。研究采用五級劃分法取2000年、2004年、2007年、2010年和2015年5期3項生態(tài)系統(tǒng)服務前20%的高值樣本進行疊加。從圖5可知, 各服務高值區(qū)重疊比例非常低, 在5個研究時段中, 具有3項高值服務的柵格僅占總數(shù)的0.03%—0.11%, 具有2項高值服務的柵格所占比例也僅有1.60%—12.19%, 具有1項高值服務的柵格占總數(shù)的20.27%—39.19%, 而不具有高值服務的柵格占總數(shù)的54.65%—78.08%, 高值服務項較多的柵格主要分布在鹽池縣南部麻黃山區(qū)和東北部的花馬池鎮(zhèn)。草地碳儲存高值區(qū)位于縣域東北部花馬池鎮(zhèn)、中部部分地區(qū), 水源涵養(yǎng)高值區(qū)位于縣域東北部花馬池鎮(zhèn), 而土壤保持高值區(qū)集中于縣域南部麻黃山區(qū), 所以, 三項高值重合區(qū)的幾率非常小、二項重合的區(qū)域也比較小, 僅有或沒有1項高值區(qū)應該是主導類型?？傮w來說, 鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務的碳儲存、水源涵養(yǎng)和土壤保持能力比較弱, 而且呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), CS(碳儲存), WY(水源涵養(yǎng)), SC(土壤保持)。

Figure 4 Spatial differentiation of each ecosystem service in Yanchi county

注: HMC(花馬池鎮(zhèn)), GSW(高沙窩鎮(zhèn)), WLJ(王樂井鄉(xiāng)), DSK(大水坑鎮(zhèn)), QS(青山鄉(xiāng)), HAB(惠安堡鎮(zhèn)), FJG(馮記溝鄉(xiāng)), MHS(麻黃山鄉(xiāng)), 0—3依次表示綜合生態(tài)系統(tǒng)服務高值區(qū)域重疊的服務有0—3項, 即綜合熱點個數(shù)。

Figure 5 Comprehensive hotspot distribution of ecosystem services in Yanchi county

4 討論

本文運用InVEST模型評估生態(tài)系統(tǒng)服務功能, 其所需數(shù)據(jù)類型多樣, 能較為詳細地刻畫服務的生物物理過程, 模擬結果精細, 與相繼開發(fā)的ARIES、SolVES等模型相比, 開發(fā)較為成熟, 且可推廣性更強?；趯崪y、實驗和遙感、土地利用、氣象等多源數(shù)據(jù)類型, 在對InVEST模型進行本地化和修正的基礎上, 評估得到鹽池縣草地碳儲存、土壤保持和水源涵養(yǎng)功能均略低于包玉斌[38]對陜北黃土高原的研究, 由于陜北黃土高原在水熱條件上都優(yōu)于寧夏鹽池縣, 因此本研究結果符合實際。

本研究結合冷熱點分析法和空間分異分析法, 分別從識別服務屬性相似的集聚區(qū)和識別服務空間關聯(lián)結構模式兩個角度對服務空間分布格局進行時空動態(tài)化分析, 以反映區(qū)域熱點的整體水平, 分析結果能更深入地測度服務的空間分布格局, 把握熱點區(qū)的時空分布規(guī)律, 并探索空間格局分布特征的影響機制, 為科學開展區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局研究、生態(tài)環(huán)境保護、制定社會經(jīng)濟發(fā)展政策提供重要依據(jù), 促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展, 與此同時, 也豐富了生態(tài)系統(tǒng)服務的研究體系, 深化了評估研究的內(nèi)容。

5 結論

鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務在時空分布上呈現(xiàn)出差異化規(guī)律。2000—2015年鹽池縣草地碳儲存功能、水源涵養(yǎng)功能和土壤保持功能顯著增強, 儲量顯著增加, 碳儲存和水源涵養(yǎng)功能北部增幅大于南部, 土壤保持功能南部增幅大于北部, 增長過程呈現(xiàn)一個顯著的“N”型波動。草地碳儲存功能在研究時段內(nèi)變化幅度較小, 無論是增加或是減少都是緩慢且連續(xù)的, 而水源涵養(yǎng)功能和土壤保持功能則處于大幅度增加或減少的狀態(tài), 主要受降水因素影響。

碳儲存功能的熱點區(qū)主要分布于鹽池縣東北部和哈巴湖國家級自然保護區(qū)、水源涵養(yǎng)功能熱點區(qū)主要集中于東北部地區(qū)和南部麻黃山地區(qū)、土壤保持功能熱點區(qū)主要集中于南部麻黃山地區(qū), 受坡度影響顯著。生態(tài)系統(tǒng)服務在水平較高或增幅大的年份冷熱點顯著區(qū)分布范圍較大, 且界線明確, 在較低或下降的年份, 冷熱點分布不顯著范圍增大, 且界線變得模糊; 草地的各項生態(tài)系統(tǒng)服務空間分異特征以高-低類型和高-高類型為主; 各服務高值區(qū)域重疊比例低, 且呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。

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Spatial pattern analysis of grazing grassland ecosystem services in Yanchi County from 2000 to 2015

WANG Bei1, ZHONG Juntao2,*, TAN Meibao1

1. College of Resources and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730001, China 2. College of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining 810008, China

The Yanchi County of Ningxia was taken as the research area, and the three grassland ecosystem services including carbon storage, water conservation and soil conservation were estimated based on InVEST model before and after grazing ban (2000, 2004, 2007, 2010 and 2015 year). Furthermore, the distribution of cold and hot zones, the spatial differentiation characteristics, and the comprehensive hot spots of these ecosystem services were identified by the spatial statistical method. The results firstly showed that the carbon storage, water conservation and soil conservation increased significantly before and after the grazing ban, showing a "N" fluctuation trend, andthe increase was greater in the south than in the north. On the whole, the change range of carbon storage was small, while water conservation and soil conservation were greatly increased or decreased. Secondly, in the year of high level or large increase of ecosystem services, the significant distribution of cold and hot zones was larger and the boundary was clearer. Otherwise, the insignificant distribution of cold and hot zones was increased and the boundary became fuzzy.The spatial differentiation of various types of ecosystem services mainly exhibited as high-low and high-high types. Finally, the overlap ratio of high value areas of three ecosystem services was extremely low, and the overlap areas presented spatially differential characteristics. This paper analyzed the spatial pattern of grassland ecosystem services in Yanchi County before and after grazing ban and closure, and provided a basis for understanding the development and changes of regional grassland ecosystem services, which could promote the protection and construction of grassland ecosystem.

InVEST model; grassland ecosystem services; hotspot analysis; spatial variation; Yanchi County

王蓓, 仲俊濤, 譚美寶. 2000—2015年鹽池縣禁牧草地生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局[J]. 生態(tài)科學, 2023, 42(1): 30–39.

WANG Bei, ZHONG Juntao, TAN Meibao. Spatial pattern analysis of grazing grassland ecosystem services in Yanchi County from 2000 to 2015[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 30–39.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.004

X171

A

1008-8873(2023)01-030-10

2020-10-26;

2020-11-11

國家自然科學基金項目(42001263, 41361024)

王蓓(1992—), 女, 甘肅寧縣人, 博士研究生, 主要從事空間分析與應用生態(tài)學研究, E-mail:qwsswb@163.com

仲俊濤, 男, 博士, 副教授, 碩導, 主要從事區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究, E-mail:zhongjuntao88@163.com