1990—2020年土地利用和氣候變化對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)的影響

何再軍， 程江浩， 劉悅俊， 張燕杰

（1. 大理大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，云南 大理 671003； 2. 大理大學(xué) 蒼山洱海一體化保護(hù)與流域綠色發(fā)展云南省高校協(xié)同創(chuàng)新中心，云南 大理 671003）

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益，是人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，對人類福祉具有重要意義［1-2］。然而，千年評估的24 項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，有15項(xiàng)（約占60%）處于退化或不可持續(xù)的狀態(tài)，土地利用和氣候變化是其主要影響因素［3-4］。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)四大類［5］，水土保持服務(wù)（soil retention service）和防風(fēng)固沙服務(wù)（sand fixation service）是重要的調(diào)節(jié)服務(wù)，指生態(tài)系統(tǒng)防止土壤水力侵蝕的調(diào)控能力和生態(tài)系統(tǒng)對風(fēng)沙的抑制和固定作用［6］。土壤侵蝕問題是人類生存發(fā)展過程中所面臨的重大環(huán)境問題，它極大地影響著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展［7-8］。加劇的土壤侵蝕會(huì)造成土壤肥力下降，荒漠化增加，進(jìn)而造成耕地面積減少，資源流失等問題［9］。全球超過15%的陸地受到不同程度的水力和風(fēng)力侵蝕，中國西北部是世界上的土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)［10-11］。水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要防護(hù)型服務(wù)，探明其背后的影響因素及影響機(jī)制對區(qū)域風(fēng)沙災(zāi)害治理、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要意義［12-13］。

氣候變化和土地利用是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的主要影響因素［14-16］。氣候變化通過改變生態(tài)系統(tǒng)的生物物理過程而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和分布，氣候變化預(yù)計(jì)將越來越多地影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)［17］。近年來，以降水，氣溫和風(fēng)速為代表的氣候因素對水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)的影響是研究熱點(diǎn)。Wang 等［18］發(fā)現(xiàn)1989—2011 年氣候變化使內(nèi)蒙古草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量下降了33%。此外，研究發(fā)現(xiàn)降水和氣溫的變化會(huì)影響植被的變化從而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響［19-21］。同時(shí)，土地利用通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程，直接或間接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)［22］。Yang 等［23］和Gong 等［24］研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值啬茉黾铀帘３趾头里L(fēng)固沙服務(wù)，而草地向裸地的轉(zhuǎn)化則相反。由于耕地恢復(fù)為草原，2000—2010 年中國內(nèi)蒙古的固沙量提高了約2.5×1011kg［25］。然而，現(xiàn)有研究在探討氣候變化和土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響時(shí)，很難量化區(qū)分氣候變化和土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。青藏高原是我國重要的國家生態(tài)安全屏障，其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化和人類活動(dòng)十分敏感［26］。在人類活動(dòng)和氣候變化的影響下，青藏高原的生態(tài)環(huán)境面臨威脅，植被退化、土壤侵蝕加劇，使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)日益退化［27］。在這一背景下，生態(tài)修復(fù)成為重要舉措，而生態(tài)修復(fù)的前提是厘清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的影響因素及其影響機(jī)制。然而，青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響因素研究較少，而且將土地利用和氣候變化分別對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響定量化是此類研究中的難點(diǎn)。

因此，本研究運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評估模型（InVEST）和修正土壤風(fēng)蝕方程（RWEQ）評估青藏高原1990—2020 年水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)；并通過情景模擬，量化氣候變化和土地利用影響兩項(xiàng)服務(wù)變化的貢獻(xiàn)度，探討年降水量、年均氣溫、年均風(fēng)速和土地利用等因素對兩項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。本研究量化解析土地利用和氣候變化因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，有助于深入理解土地利用和氣候變化對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制，對青藏高原的土地利用政策及生態(tài)修復(fù)決策具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

青藏高原平均海拔4 000 m 以上，被稱為“世界屋脊”和“地球第三極”（圖1）。青藏高原面積約為257.4×104km2，包括我國西藏自治區(qū)、青海省，以及甘肅、新疆、四川和云南省的部分區(qū)域，占我國陸地總面積的23%［28］。青藏高原西部和西北部主要為高寒草原，占其總面積43%；位于東部的高寒草甸占總面積的28%；其他地區(qū)主要分布著灌叢、闊葉林、針葉林、裸地和溫帶草原［29］。青藏高原東西部氣候差異較大，東南部年平均氣溫在20 ℃左右，降水量也相應(yīng)可以達(dá)到2 000 mm；而西北地區(qū)氣溫可降至-6 ℃以下，降水量減至50 mm 以下［30］。青藏高原平均風(fēng)速隨地形呈西北向東南減小的趨勢，且季節(jié)差異十分明顯，春季平均風(fēng)速最大，最大可達(dá)3.3 m·s-1，其次是夏季和冬季，一年中秋季最?。?1］。

圖1 研究區(qū)概況Fig. 1 The study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

基于145個(gè)青藏高原國家氣象監(jiān)測臺(tái)站1990—2020 年的日尺度降水、氣溫和10 m 處風(fēng)速數(shù)據(jù)（中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，http：//cdc. cma. gov.cn），將日尺度數(shù)據(jù)累加或平均得到各臺(tái)站的月尺度數(shù)據(jù)；然后運(yùn)用ANUSPLIN 進(jìn)行插值得到青藏高原1 km柵格的月降水量、月平均氣溫和10 m處月平均風(fēng)速；再由月數(shù)據(jù)得到年降水量、年均氣溫和年均風(fēng)速。其中，由于RWEQ 的風(fēng)因子在計(jì)算時(shí)需要風(fēng)速數(shù)據(jù)為2 m 處風(fēng)速，因此，本研究通過七分之一定理將風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換［32-33］。

土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：//www. resdc. cn），在1990—2020年每5 年一期的1 km 柵格全國土地利用基礎(chǔ)上提取青藏高原土地利用數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)源的土地利用類型一級分類為耕地、草地、林地、水域、建筑用地和未利用土地。其中，未利用土地是指農(nóng)用地（直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地，包括耕地、林地、草地等）和建設(shè)用地以外的土地，主要包括荒草地、鹽堿地、沼澤地等。此外，當(dāng)土地用途變更、土壤貧瘠或退化等導(dǎo)致草地不再適合用于農(nóng)業(yè)或畜牧業(yè)時(shí)，將此類土地視為未利用土地［34］。為了準(zhǔn)確反映土地利用類型的變化情況，本研究將沼澤地單獨(dú)分類，并將草地按數(shù)據(jù)源二級分類分為高、中、低覆蓋度草地。

土壤數(shù)據(jù)來源于全國第二次土壤普查典型土種的剖面數(shù)據(jù)庫，及中國1∶100 萬土壤數(shù)據(jù)庫（http：//www.geodata.cn）［35］。土壤最大根系埋藏深度用土壤深度來代替［36］，土壤深度數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（IIASA）構(gòu)建的世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database， HWSD）（http：//www.geodata.cn）。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估及分析方法

2.2.1 水土保持服務(wù)評估

本研究運(yùn)用InVEST模型的泥沙持留模塊（Sediment delivery ratio model，SDR）模擬潛在和實(shí)際土壤流失量，將潛在土壤流失與實(shí)際土壤流失的差作為土壤保持量，即水土保持服務(wù)。InVEST 模型SDR模塊的原理即通用土壤流失方程：

式中：SR為土壤保持量；SL為土壤流失量（SLusle為實(shí)際土壤流失量，SLrkls為潛在土壤流失量）；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長和坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

InVEST 模型土壤流失模塊輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)包括：柵格數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）（用于計(jì)算坡長和坡度因子LS）、降雨侵蝕力因子（R）、土壤可蝕性因子（K）和土地利用/覆被；矢量數(shù)據(jù)一級流域、次級流域，以及生物物理系數(shù)表（包括土地利用類型代碼，植被覆蓋因子C和水土保持措施因子P）。本研究運(yùn)用月降雨量和年降雨量計(jì)算降雨侵蝕力因子［37］，運(yùn)用Sharpley 等［38］的方法估算土壤可蝕性因子，基于歸一化植被指數(shù)（NDVI）運(yùn)用像元二分法計(jì)算植被覆蓋因子。

2.2.2 防風(fēng)固沙服務(wù)評估

防風(fēng)固沙服務(wù)是指一定時(shí)期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)蝕能力，風(fēng)蝕指在風(fēng)作用下地表土壤中的小顆粒和營養(yǎng)物質(zhì)被吹走、運(yùn)輸和沉積的過程［39］。修正土壤風(fēng)蝕方程（RWEQ）［40］充分考慮了天氣（weather，WF）、土壤可蝕性（soil erodibility，EF）、土壤結(jié)皮（soil crust，SCF）、表面粗糙度（surface roughness，K'）和植被（vegetation，C）等因素計(jì)算土壤風(fēng)蝕量。

本研究運(yùn)用RWEQ 方程，基于1 km 柵格數(shù)據(jù)先進(jìn)行月尺度土壤風(fēng)蝕量計(jì)算，再將月尺度數(shù)據(jù)累加獲得年風(fēng)蝕量。同時(shí)計(jì)算裸地土壤風(fēng)蝕量，將裸地土壤風(fēng)蝕量與植被覆蓋的土壤風(fēng)蝕量之差作為防風(fēng)固沙量，即防風(fēng)固沙服務(wù)。RWEQ方程如下：

式中：SL為土壤風(fēng)蝕模數(shù)（kg·m-2）；Qmax為風(fēng)力的最大輸沙量（kg·m-1）；S為關(guān)鍵地塊長度（m）；Z為地塊距上風(fēng)口的距離（m），本研究取50 m。WF為氣象因子；EF為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結(jié)皮因子；K′為地表粗糙度因子；COG為綜合植被覆蓋因子。

氣象因子是風(fēng)因子、空氣密度、土壤濕度及雪蓋因子等對風(fēng)蝕的綜合影響，各因子的具體計(jì)算方法參考Fryrear 等［41］的計(jì)算公式；土壤可蝕性因子和土壤結(jié)皮因子運(yùn)用土壤結(jié)構(gòu)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；地表粗糙度因子根據(jù)地形坡度進(jìn)行計(jì)算；綜合植被因子運(yùn)用NDVI 提取生長植被和枯萎植被數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算［42］。

2.2.3 定量氣候變化和土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

本研究的研究時(shí)段為1990—2020 年，每5 年為一個(gè)時(shí)期，共6個(gè)時(shí)期，每個(gè)時(shí)期進(jìn)行3種情景模擬。情景1：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化僅由氣候變化引起（EScli，水土保持服務(wù)為ES（SR）cli，防風(fēng)固沙服務(wù)為ES（SF）cli）；情景2：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化僅由土地利用變化引起（ESlu，水土保持服務(wù)為ES（SR）lu，防風(fēng)固沙服務(wù)為ES（SF）lu）；情景3：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化由土地利用變化和氣候變化共同引起（研究期初始狀態(tài)記為ES1，期末記為ES2）。以1990—1995年為例，具體見表1。

表1 土地利用和氣候變化情景設(shè)置（以1990—1995年為例）Table 1 Land use and climate change scenarios setting（1990—1995）

由此經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算，分別得到氣候變化和土地利用引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量（ΔEScli和ΔESlu，水土保持服務(wù)為ΔES（SR）cli和ΔES（SR）lu，防風(fēng)固沙服務(wù)為ΔES（SF）cli和ES（SF）lu）。計(jì)算方法如下：

式中：ES1為研究期初始狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值；EScli為情景1 的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值；ESlu為情景2 的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值；ΔEScli為氣候變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化；ΔESlu為土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化。

氣候變化和土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)度用以下公式進(jìn)行量化：

式中：Rcli為氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)度；Rlu為土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)度；ΔEScli為氣候變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量；ΔESlu為土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量。

3 結(jié)果與分析

3.1 青藏高原水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)的時(shí)空格局

青藏高原的水土保持服務(wù)呈現(xiàn)由東南向西北遞減的空間格局［圖2（a）］，其主要原因是年降水量由東南向西北遞減。水土保持服務(wù)高值主要集中在東南部地區(qū)（＞100 t·hm-2），低值集中在西北部地區(qū)（＜5 t·hm-2）；且隨時(shí)間變化，西北部水土保持服務(wù)呈減少趨勢。防風(fēng)固沙服務(wù)的空間變化由西北向東南遞減［圖2（b）］，其主要原因是年均風(fēng)速由西北向東南遞減。防風(fēng)固沙服務(wù)高值主要集中在西北部地區(qū)（＞3.5 t·hm-2），而低值主要集中在東南部地區(qū)（＜0.1 t·hm-2）；且隨時(shí)間變化，西北部防風(fēng)固沙服務(wù)呈減少趨勢。

圖2 1990—2020年青藏高原水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of soil retention and sand fixation service in the Qinghai-Xizang （Tibet） Plateau from 1990 to 2020

3.2 青藏高原土地利用變化與氣候變化

3.2.1 青藏高原土地利用變化

1990—1995 年，青藏高原土地利用類型變化主要發(fā)生在不同覆蓋度的草地和未利用土地之間（圖3）。相較1990 年，1995 年未利用土地和低覆蓋草地的面積發(fā)生了擴(kuò)張，增幅分別為2.88%、11.06%。中覆蓋和高覆蓋草地呈現(xiàn)了減少的趨勢，其變化的幅度分別為7.48%、6.65%。土地利用在西北地區(qū)主要由草地向未利用土地轉(zhuǎn)變，西南地區(qū)由中高覆蓋草地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w草地類型。1995—2000年，土地利用類型變化主要為不同草地類型、未利用土地和沼澤之間的變化。西北部地區(qū)植被覆蓋度增加，中、高覆蓋草地的面積擴(kuò)張了7.91%、6.32%；未利用土地，沼澤和低覆蓋草地的面積減少了3.07%、0.34%和10.69%。另外，東北部地區(qū)部分沼澤地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w草地。2000—2010 年，青藏高原的土地利用類型轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在林地、城鎮(zhèn)用地、低覆蓋草地和農(nóng)田之間。其中，低覆蓋草地和城鎮(zhèn)用地的面積發(fā)生擴(kuò)張，林地和農(nóng)田的面積減少。東北部地區(qū)部分農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地；而東南部地區(qū)部分林地轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草地。2010—2015 年土地利用類型變化主要發(fā)生在城鎮(zhèn)用地、未利用土地和不同覆蓋草地之間。城鎮(zhèn)用地和中、高覆蓋草地的面積發(fā)生了擴(kuò)張，增幅分別為0.12%、6.75%、4.78%，未利用土地和低覆蓋草地的面積減少，減少的幅度分別為6.32%、2.13%。城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張主要發(fā)生在東北部的小部分地區(qū)，主要由未利用土地轉(zhuǎn)變而來，不同覆蓋度草地之間的轉(zhuǎn)變發(fā)生在中部和東南部。2015—2020 年青藏高原土地利用類型的轉(zhuǎn)變主要發(fā)生未利用土地、林地和不同覆蓋度的草地之間。其中，林地、未利用土地和低覆蓋草地三種土地利用類型的增幅分別為0.17%、8.32%、8.74%，而中、高覆蓋草地減少的幅度分別為7.56%、3.32%。林地的擴(kuò)張主要發(fā)生在東南部，主要由高覆蓋草地轉(zhuǎn)變而來；未利用土地的增加主要發(fā)生在西北部，主要是由低覆蓋草地轉(zhuǎn)變而來。

圖3 1990—2020年青藏高原土地利用類型分布Fig. 3 Distribution of land use types in the Qinghai-Xizang （Tibet） Plateau from 1990 to 2020

3.2.2 青藏高原氣候變化

1990—2020 年，青藏高原不同區(qū)域年降水量、年均氣溫和年均風(fēng)速在不同時(shí)期的變化有很大差異（圖4）。西北部地區(qū)，1990—1995 年的年降水量和年均氣溫降低，在之后的15 年間呈增加趨勢，到2010 年后又有所下降。年均風(fēng)速則在1990—1995年間降低，之后的20 年間先增加后降低，直到2015—2020 年間又增加。在西南部地區(qū)，年降水量呈減少的趨勢，除了1995—2000 年和2005—2010年間在增加，年均氣溫在1995—2000 年和2010—2015 年兩個(gè)時(shí)期在降低，年均風(fēng)速除了在2010—2015年間增加外都呈降低趨勢。東北部地區(qū)，1990—1995 年的年降水量和年均氣溫在下降，而后增加至2010年后又持續(xù)下降，年均風(fēng)速在1990—2010年間減少，在之后的5 年又增加，直至2005 年后又持續(xù)減少，在2015—2020 年間又增加。東南部地區(qū)，1990—1995年年降水量降低，年均氣溫增加；1995—2000年則相反；而后10年，年降水量下降，年均氣溫增加；直至2010—2015 年，年降水量增加而年均氣溫降低；2015—2020 年又呈現(xiàn)相反的趨勢，年均風(fēng)速則在1990—2000年間減少，2000年后持續(xù)增加。

圖4 青藏高原1990—2020年6個(gè)時(shí)期氣候因素變化量Fig. 4 Climate factors change during 1990—2020 in the Qinghai-Xizang （Tibet） Plateau

3.3 土地利用和氣候變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

3.3.1 土地利用和氣候變化引起的水土保持服務(wù)變化

1990—1995 年，氣候變化引起青藏高原西北部和東南部的水土保持服務(wù)降低［圖5（a）］，年降水量和年均氣溫降低是其主要影響因素（圖4）。同時(shí)，土地利用引起的水土保持服務(wù)變化大致呈南增北減的格局［圖5（c）］。此時(shí)期內(nèi)氣候變化對水土保持服務(wù)變化的平均貢獻(xiàn)度為72%，而土地利用平均貢獻(xiàn)度為28%。整體上氣候變化主導(dǎo)了青藏高原水土保持服務(wù)的變化，土地利用主導(dǎo)的地區(qū)主要是西北部由草地向未利用土地轉(zhuǎn)變的區(qū)域（圖3）。1995—2000 年，氣候變化使大部分地區(qū)水土保持服務(wù)增加，僅在東北和東南的少部分地區(qū)減少［圖5（a）］，其主要原因是年降水量和年均氣溫的增加（圖4）。而土地利用引起的水土保持服務(wù)變化量則呈南增北減的格局［圖5（c）］。此時(shí)氣候變化對水土保持服務(wù)變化的平均貢獻(xiàn)度為70%，而土地利用的平均貢獻(xiàn)度為30%。大部分地區(qū)水土保持服務(wù)變化由氣候變化主導(dǎo)，西南部的部分區(qū)域則由土地利用主導(dǎo)［圖5（d）］。2000—2010 年的兩個(gè)時(shí)期，氣候變化引起水土保持服務(wù)在前期呈東北增西南減的格局，而后期則呈東北減西南增的格局［圖5（a）］。此時(shí)年降水量的空間變化格局與水土保持服務(wù)相似，而年均氣溫在大部分地區(qū)都增加，僅在西北的小部分地區(qū)有所減少（圖4）；土地利用引起青藏高原大部分地區(qū)的水土保持服務(wù)增加，僅在西南和西北的小部分區(qū)域使水土保持服務(wù)減少［圖5（d）］。兩個(gè)時(shí)期氣候變化對水土保持服務(wù)變化的平均貢獻(xiàn)度分別為76%和73%，而土地利用的平均貢獻(xiàn)度分別為24%和27%。大部分地區(qū)的水土保持服務(wù)變化由氣候變化主導(dǎo)，前期土地利用主導(dǎo)主要發(fā)生在中部的小部分地區(qū)［圖5（d）］，后期主要發(fā)生在東南部的部分地區(qū)［圖5（d）］。2010—2020年兩個(gè)時(shí)期，氣候變化引起水土保持服務(wù)在西北地區(qū)降低，在東南部和中部則增加。這兩個(gè)時(shí)期年降水呈現(xiàn)西北減東南增的格局；而年均氣溫在前期大部分地區(qū)降低，在東南小部分地區(qū)增加，后期則呈南增北減的格局（圖4）。土地利用在前期引起大部分地區(qū)的水土保持服務(wù)增加，在東南小部分地區(qū)減少，后期則呈現(xiàn)出了東南減西北增的格局［圖5（c）］。兩個(gè)時(shí)期氣候變化對水土保持服務(wù)變化的平均貢獻(xiàn)度約為76%，而土地利用的平均貢獻(xiàn)度約為24%；大部分地區(qū)水土保持服務(wù)變化由氣候變化主導(dǎo)［圖5（b）］，西部則有部分區(qū)域由土地利用主導(dǎo)［圖5（d）］。

圖5 不同情景下1990—2020年6個(gè)時(shí)期水土保持服務(wù)的變化量及土地利用和氣候變化的貢獻(xiàn)度［情景1：水土保持服務(wù)變化僅由氣候變化引起（a）；氣候變化對水土保持服務(wù)變化的貢獻(xiàn)度（b）。情景2：水土保持服務(wù)變化僅由土地利用變化引起（c）；土地利用對水土保持服務(wù)變化的貢獻(xiàn)度（d）（ΔES（SR）cli為氣候變化引起的水土保持服務(wù)變化量，ΔES（SR）lu為土地利用引起的水土保持服務(wù)變化量）］Fig. 5 Changes of soil retention service and contributions of land use and climate change under different scenarios in six periods from 1990 to 2020 ［Scenarios 1： soil retention service is caused only by climate change （a）； contribution of climate change to changes in soil retention service （b）. Scenarios 2： soil retention service is caused only by land use change （c）；contribution of land use to changes in soil retention service （d） （ΔES（SR）cli represents the change in soil retention service caused by climate change， ΔES（SR）lu represents the change in soil retention service caused by land use）］

3.3.2 土地利用和氣候變化引起的防風(fēng)固沙服務(wù)的變化

1990—2000 年的兩個(gè)時(shí)期，氣候變化引起防風(fēng)固沙服務(wù)在中部和北部減少，在西北和東南的小部分地區(qū)增加［圖6（a）］。此時(shí)，年均風(fēng)速在大部分地區(qū)減小，僅在西北和東部的小部分地區(qū)增加，年均氣溫在西北部增加，東南部則減?。▓D4）。土地利用在西北部引起防風(fēng)固沙服務(wù)減少，在東南部則使其增加［圖6（c）］。氣候變化對防風(fēng)固沙服務(wù)變化的平均貢獻(xiàn)程度分別約為75%和92%，土地利用的平均貢獻(xiàn)程度分別約為25%和8%?？梢姡瑲夂蜃兓鲗?dǎo)大部分地區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)變化［圖6（b）］，但西北部草地轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋氐膮^(qū)域則由土地利用主導(dǎo)［圖6（d）］。2000—2005年，氣候變化引起大部分地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)增加，僅在西南的小部分地區(qū)減少［圖6（a）］。此時(shí)青藏高原年均風(fēng)速在西北、東南和東北等地區(qū)增加，西南部分地區(qū)減小，年均氣溫除了西北的小部分地區(qū)減小，其余的大部分地區(qū)都增加［圖4］。土地利用引起防風(fēng)固沙服務(wù)在東南部增加，在西北部減少［圖6（c）］。氣候變化對防風(fēng)固沙服務(wù)變化的平均貢獻(xiàn)度約為93%，土地利用約為7%，氣候變化主導(dǎo)了青藏高原大部分地區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)變化［圖6（b）］，土地利用主導(dǎo)的地區(qū)則集中在西南部的小部分地區(qū)［圖6（d）］。2005—2020年的3個(gè)時(shí)期氣候引起防風(fēng)固沙服務(wù)在絕大部分地區(qū)減少［圖6（a）］。土地利用引起防風(fēng)固沙服務(wù)在2005—2015 年的兩個(gè)時(shí)期呈現(xiàn)西北增加?xùn)|南減小的格局，而在2015—2020 年，土地利用導(dǎo)致大部分地區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)減少，僅在東北和西南的小部分地區(qū)增加［圖6（c）］。三個(gè)時(shí)期氣候變化對防風(fēng)固沙服務(wù)變化的平均貢獻(xiàn)度分別約為89%、82%和83%，土地利用的平均貢獻(xiàn)度分別約為11%、18%和17%?？梢姡嗖馗咴蟛糠值貐^(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)主要由氣候主導(dǎo)［圖6（b）］，土地利用主導(dǎo)的地區(qū)則集中在東北部農(nóng)田變?yōu)槌擎?zhèn)用地的地區(qū)，引起防風(fēng)固沙服務(wù)的增加，東南部草地變?yōu)榱值氐膮^(qū)域引起了防風(fēng)固沙服務(wù)的增加，而在西北和西南部分地區(qū)，土地利用的變化主要為草地轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋兀鹆朔里L(fēng)固沙服務(wù)的減少［圖6（d）］。

圖6 不同情景下1990—2020年6個(gè)時(shí)期防風(fēng)固沙服務(wù)的變化量及土地利用和氣候變化的貢獻(xiàn)度［情景1：防風(fēng)固沙服務(wù)變化僅由氣候變化引起（a）；氣候變化對防風(fēng)固沙服務(wù)變化的貢獻(xiàn)度（b）。情景2：防風(fēng)固沙服務(wù)變化僅由土地利用變化引起（c）；土地利用對防風(fēng)固沙服務(wù)變化的貢獻(xiàn)度（d）（ΔES（SF）cli為氣候變化引起的防風(fēng)固沙服務(wù)變化量，ΔES（SF）lu為土地利用引起的防風(fēng)固沙服務(wù)變化量）］Fig. 6 Changes of sand fixation service and contributions of land use and climate change under different scenarios in six periods from 1990 to 2020 ［Scenarios 1： sand fixation service is caused only by climate change （a）； contribution of climate change to changes in sand fixation service （b）. Scenarios 2： sand fixation service is caused only by land use change （c）； contribution of land use to changes in sand fixation service （d） （ΔES（SF）cli represents the change in sand fixation service caused by climate change， ΔES（SF）lu represents the change in soil retention service caused by land use）］

4 討論

氣候變化和土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響難以量化區(qū)分，需要一種能夠量化區(qū)分其影響的方法。目前，情景分析被廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)不同領(lǐng)域的研究［43］，然而在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用則較少。通過控制模型變量，可以對不同氣候變化情景和土地利用情景進(jìn)行模擬［44］，從而得到不同情景下氣候變化和土地利用引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量。Yang 等［45］在對美國肯塔基州生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動(dòng)因素研究中，通過土地利用和氣候變化的不同情景確定了主導(dǎo)因素，并同時(shí)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系值。Fu 等［46］運(yùn)用情景分析研究了半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動(dòng)因素，相較之前的研究，其時(shí)間跨度長，且對不同地貌分區(qū)的研究消除了地貌間影響的差異性，但并未區(qū)分主導(dǎo)因素。Peng 等［47］在貴州喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中，設(shè)置了土地利用和氣候變化的情景，并通過計(jì)算百分比來確定主導(dǎo)因素。但以上研究僅將總研究期分為一個(gè)或兩個(gè)時(shí)期，只能分析空間格局，難以分析土地利用和氣候變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的時(shí)間變化趨勢。而本研究將總研究期分為6 個(gè)時(shí)期，對每個(gè)時(shí)期進(jìn)行情景分析，不僅能夠分析土地利用和氣候變化影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局，而且能分析其時(shí)間變化趨勢。

1990—2020年6個(gè)時(shí)期的氣候變化對青藏高原大部分地區(qū)水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)的貢獻(xiàn)度高于70%［圖5（b）、圖6（b）］，氣候變化是引起水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)變化的主導(dǎo)因素。降水和氣溫會(huì)直接影響土壤水分狀況，進(jìn)而影響土壤侵蝕。青藏高原大部分地區(qū)，土地利用強(qiáng)度較低，年降水量和年均氣溫的變化是這些地區(qū)水土保持服務(wù)變化的主導(dǎo)因素，馮曉玙等［48］對三江源區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)了相似規(guī)律。而年均風(fēng)速的變化是引起青藏高原大部分地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)變化的主導(dǎo)因素［圖4（c）、圖6（a）］，主要是因?yàn)檩^高的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致植被破壞和土壤風(fēng)蝕，直接影響防風(fēng)固沙服務(wù)，Anache 等［49］對巴西塞拉多的研究結(jié)果也認(rèn)為風(fēng)速是影響防風(fēng)固沙服務(wù)變化的本質(zhì)因素。另外，氣候變化的其他方面，包括降水模式的變化，極端氣候的增多等，也會(huì)導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變或退化。因此，深入研究氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響有助于更好地認(rèn)識(shí)和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)，為可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

土地利用也是引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要因素，土地利用類型和強(qiáng)度的改變能直接影響到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)［50］。1990—2020 年青藏高原的土地利用變化主要發(fā)生在草地和未利用土地、林地之間的轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化。草地向未利用土地的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了青藏高原水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)的減少，草地向林地的轉(zhuǎn)變則導(dǎo)致其增加［圖3、圖5（c）、圖6（c）］。Liu 等［51］和Yang 等［52］的研究發(fā)現(xiàn)水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)和荒漠化擴(kuò)張密切相關(guān)，荒漠化擴(kuò)張時(shí)水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)降低，反之則增加。而在青藏高原，生態(tài)保護(hù)政策促進(jìn)了青藏高原植被的優(yōu)化，對水土保持和風(fēng)沙防護(hù)產(chǎn)生了積極的影響。例如：1989 年以來國家和地方政府先后在橫斷山區(qū)實(shí)施了3期長江流域防護(hù)林體系建設(shè)工程、兩期天然林資源保護(hù)工程和兩期退耕還林還草工程［53-54］，該政策推動(dòng)了1989—2010 年的植被恢復(fù)，草地向林地轉(zhuǎn)化的面積明顯，部分未利用土地的面積也向草地轉(zhuǎn)變，植被覆蓋度增加，該地區(qū)的水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)也在土地利用的作用下逐漸上升。2005 年以來，我國先后啟動(dòng)實(shí)施了《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃》和《青海三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)二期工程規(guī)劃》［55］，通過實(shí)施退牧還草、禁牧封育、草畜平衡管理等措施進(jìn)行生態(tài)保護(hù)，使得三江源地區(qū)的草地覆蓋度增加，林地面積也有所增加，主導(dǎo)了三江源部分地區(qū)水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)增加。2011 年國家發(fā)改委正式批復(fù)實(shí)施《新疆塔里木盆地周邊防沙治沙工程建設(shè)規(guī)劃》［56］，以人工造林和封沙育林為主要措施，在綠洲外圍封育天然荒漠植被，營造防風(fēng)固沙防護(hù)林，該項(xiàng)目有效地減少了塔里木盆地流域的風(fēng)沙?？梢?，在實(shí)施相關(guān)生態(tài)保護(hù)政策的地區(qū)，土地利用類型發(fā)生了明顯的變化，有效增加了部分區(qū)域的水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)。

5 結(jié)論

本研究分析了1990—2020 年青藏高原土地利用和氣候變化的時(shí)空趨勢，評估了水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)，并量化區(qū)分了土地利用和氣候變化對水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)的影響。結(jié)果表明：青藏高原土地利用類型的轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在不同覆蓋度的草地和未利用土地之間，建設(shè)用地也有所增加。青藏高原整體年降水量和年均氣溫變化量均呈先減后增再減的波動(dòng)變化趨勢，而年均風(fēng)速則是先減后增的變化趨勢；但氣候因素在西北、西南、東北和東南部區(qū)域不同時(shí)期的變化差異很大。氣候變化主導(dǎo)了青藏高原大部分區(qū)域的水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)，年降水量和年均氣溫是引起水土保持服務(wù)變化的主要影響因素，年均風(fēng)速則是影響防風(fēng)固沙服務(wù)的主要因素。然而在部分土地利用類型轉(zhuǎn)變明顯的地區(qū)，土地利用成為水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)變化的主導(dǎo)因素。1990—2000 年，青藏高原西北部未利用土地向草地轉(zhuǎn)變的地區(qū)，土地利用主導(dǎo)了水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)增加。2000—2010 年，青藏高原東北部的小部分地區(qū)，土地利用由農(nóng)田向城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)變主導(dǎo)了防風(fēng)固沙服務(wù)的增加，西北部的草地向未利用土地轉(zhuǎn)變主導(dǎo)了水土保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)的減少。2010—2020 年，西北部草地轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢猛恋氐牡貐^(qū)，以及東南部林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐牡貐^(qū)，土地利用主導(dǎo)了水土保持和防風(fēng)固沙服務(wù)的減少?？梢?，將情景分析運(yùn)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響因素分析，可以量化區(qū)分氣候變化和土地利用的影響，為區(qū)域土地利用開發(fā)及生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。