太行山区生态系统服务冷热点区域识别及其权衡/协同关系分析*

高 会,付同刚,梁红柱,刘金铜**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022; 2.河北师范大学 石家庄 050024)

生态系统服务是指人类从生态系统获得的食物、水、薪柴、精神等所有惠益。Daily对生态系统服务功能的内涵、定义和分类等进行了详细阐述。Costanza等阐述了生态系统服务功能价值评估的方法,并对全球生态系统服务的经济价值进行了评估。这两篇标志性的研究发表后,生态系统服务得到人们的广泛关注,研究进入了快速发展阶段。联合国千年评估(MA)对生态系统服务分类、定义做了明确说明,并得到了广泛认可。生态系统与生物多样性经济学(TEEB)为生态系统服务的应用提供了思路,在此之后,生态系统服务在其评价的基础上更加注重其应用。生态系统服务评估已展开了大量工作,从不同空间尺度进行了生态系统服务评估。为生态系统服务评估结果直观可视化、空间位置明晰,生态系统服务价值的空间制图尤为重要,生态系统服务评估结果的直接空间可视化已有大量研究,其中应用最广泛的是生态系统服务与权衡综合评价InVEST模型,其评估结果可利用GIS软件直接呈现空间分布图。最初识别区域生态系统服务的较好和较差区域是将其空间分布图直接分类,为了分析结果更加科学合理,国内外学者开始把热点和冷点概念纳入到生态系统服务制图研究中,利用空间统计分析方法判别生态系统服务较好和较差区域。生态系统服务热点(冷点)是区域内一种或多种生态系统服务提供能力相对较强(较弱)的区域。

生态系统服务权衡/协同关系研究对提升生态系统服务的总体效益、保证生态系统服务的可持续供给具有重要意义。生态系统服务权衡是指一种生态系统服务的使用增加造成另一种生态系统服务减少的情形,也称为冲突关系或竞争关系; 协同是指两种生态系统服务同时增加或同时减少的情形。Bai等认为生物多样性与其他生态系统服务之间存在协同关系,保护生物多样性有利于其他生态系统服务; Cademus等分析了美国东南部某森林系统木材生产、碳储存和产水量3类生态系统服务权衡/协同关系; 李冬花等研究了新安江流域11种生态系统服务之间的权衡协同关系; 苗培培等对云南典型石漠化区生态系统服务权衡与协同进行了研究。以上研究结果对生态系统服务优化提供了科学数据。因此,确定生态系统服务权衡协同关系能够为制定生态系统多元目标实现的管理决策提供科学依据。

综上所述,直接分类法识别生态系统服务提供能力较差和较弱区域不具备统计学意义,利用统计学方法识别出区域生态系统服务冷热点区域更加科学合理,是生态系统服务保护和提升区域划分的关键环节。生态系统服务权衡与协同的研究较多,但基于生态系统服务冷热点区域识别的基础上,针对冷热点区域内权衡与协同关系的研究并不多见,该方面的研究可为生态系统服务保护和提升措施的制定提供更加有针对性的科学数据。因此,评价生态系统服务冷热点区域内的生态系统服务的变化和权衡/协同关系,可为区域生态系统保护与管理决策提供依据。

山地是集水源涵养、土壤保持、气候调节、生物多样性维持、产品供给等多种服务与社会经济发展于一体的复杂系统,为人类提供直接或间接的生态系统服务,山地的资源和提供的服务不仅用于山区发展,更是支撑和服务区域乃至国家的发展需要。山区生态系统服务具有不可替代性。太行山区生态系统服务价值评估已有研究,但对生态系统服务价值的冷热点区域识别及权衡协同关系研究较少。太行山区是黄土高原和华北平原的天然分界线,黄土高原的部分河流经太行山区流入华北平原,其具有重要的地理意义和生态意义。因此,本文以太行山区为研究区域,在生态系统服务价值冷热点区域识别的基础上,分析冷热点区域内4类生态系统服务(供给服务、调节服务、支持服务和文化服务)两两之间的权衡协同关系,以期为太行山区管理决策者制定生态系统服务供给保护提升政策提供科学数据,实现太行山区的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区域

太行山区地处我国第二阶梯的东沿,是平原到山地高原的过渡带,位于34°34′～41°47′E,110°14′～116°35′E,纵跨北京、河北、山西、河南4省(市),包括101个县(图1),山脉北起北京市西山,向南延伸至河南与山西交界地区的王屋山,西接山西高原,东临华北平原,面积2.06×10hm。太行山区属于暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温在10 ℃左右,多年年平均降雨量为570 mm,7月降水最多,12月最少,雨热同期。山势东坡陡峭西坡平缓,太行山脉西面连接山西高原,东坡由中山、低山、丘陵过渡到平原,主要土地利用类型为耕地、林地、草地、建筑用地,占总面积的90%以上,该地区的原始森林破坏殆尽,现有的林地都是封山育林后的次生林。

图1 研究区太行山区概况图Fig.1 Location map of the study area of Taihang Mountain area

1.2 数据及处理

1.2.1 土地利用数据

太行山区1990年、2000年、2010年和2015年土地利用数据利用30 m分辨率的TM影像通过目视判读而得[国家重点基础研究计划(973计划):典型山地水土要素时空耦合特征、效应及其调控]。由于生态系统服务价值评估所需,将土地利用分类利用GIS进行了重分类,分为11类,为了与生态系统服务价值当量表相对应,分别将土地利用分类命名为:建筑用地、旱地、水田、有林地(阔叶)、灌木、草地(草原)、灌草丛、湿地、荒漠、裸地、水系。为了生态系统服务价值评估后冷热点区域识别在GIS软件中顺利运行,将目视判读得到的土地利用矢量分布图转化为分辨率为3 km的栅格图。

1.2.2 DEM数据

高程(DEM)数据来源于ASTER GDEM (Advanced Spaceborne Theemal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model,先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型,http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/),空间分辨率为30 m。为了分析不同海拔梯度生态系统服务冷热点区域特征,将高程数据和生态系统服务冷热点区域数据保持一致的分辨率,即将高程数据转换为分辨率为3 km的栅格数据。根据＜600 m、600～1400 m、＞1400 m划分低海拔地区、中海拔地区和高海拔地区。

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统服务评估制图方法

生态系统服务评估方法利用Costanza等提出的生态价值估算方法,太行山区生态系统生态服务价值当量因子表在谢高地等提出的中国当量因子表的基础上利用植物净初级生产力(NPP)进行修正。各项生态系统服务功能单位面积价值的计算公式如下:

式中:是第类生态系统第项生态系统服务的单位面积价值(元·hm);为单位面积自然农田生态系统食物生产价值(元·hm),是相同面积农田粮食产量的1/7,在本研究中,价值为3406.5元·hm;e为第类生态系统第项生态系统服务相对于农田生态系统食物生产价值的当量因子。本研究中的生态系统服务类型包括4大类11小类,即供给服务(食物生产、原料生产及水资源供给)、调节服务(气体调节、气候调节、净化环境、水文调节)、支持服务(土壤保持、维持养分循环、生物多样性)、文化服务(美学景观)。在各项生态系统服务功能的单位面积价值基础上,在GIS软件中基于土地利用数据逐像元计算每个栅格各项生态系统服务价值并制图,其栅格分辨率大小为3 km,每个栅格的面积为9 km。如栅格的土地利用类型为草地,其供给服务中食物生产服务价值为单位面积价值乘以面积即:3406.5元·hm×0 .13×900 hm=398 560.5元。其余生态系统服务计算也是如此。

1.3.2 生态系统服务冷/热点区域识别方法

生态系统服务提供热(冷)点可以认为是区域内一种或多种生态系统服务提供能力相对较强(较弱)的区域。在GIS平台中提供了基于Getis-Ord Gi*统计指数的热点分析工具,计算各要素之间的值和值反映空间中高值区(热点区域)与低值区(冷点区域)的集聚。值是标准差的倍数,值为概率,值越高且值越小,说明热点区域的集聚越明显,值越小且值越小,说明冷点区域的集聚越明显。计算公式如下:

式中:x是 栅格的生态系统服务价值;是栅格和之间的空间权重,栅格和栅格距离在规定范围内,=1,否则=0;为栅格总数;为所有栅格生态系统服务总量的平均数;*是得分。本研究中将太行山区分为极显著热点区域(＞2.58且＜0.01)、显著热点区域(1.96＜＜2.58且＜0.05)、热点区域(1.65＜＜1.96且＜0.10)、非显著点(-1.65＜＜1.65)、冷点区域(-1.96＜＜-1.65且＜0.10)、显著冷点区域(-2.58＜＜-1.96且＜0.05)和极显著冷点区域(＜-2.58且＜0.01)。

1.3.3 生态系统服务权衡/协同分析方法

通过相关性分析评估生态系统服务之间的权衡/协同关系,运用SPSS软件对2种不同生态服务进行相关性分析,若2种服务的相关系数为正,这2种服务为协同关系; 反之,则为权衡关系。本研究利用Spearman相关系数法来计算每两种生态系统服务之间的相关系数,显著性水平为＜0.05。

2 结果与分析

2.1 太行山区生态系统服务时空格局

太行山区1990年、2000年、2010年及2015年栅格尺度上生态系统服务总价值在0～18 506万元间划分出5个等级区间。太行山区1990年、2000年、2010年和2015年生态系统服务总价值不同区间分布的栅格数表明,26年来生态系统服务总价值栅格尺度上基本保持不变,其主要分布区间为368万～1156万元和1156万～3385万元(表1),两个区间分布面积约占太行山区总面积的80%。高值区6218万～18 506万元分布面积最少(表1),仅占太行山区面积的1%。

表1 1990年、2000年、2010年和2015年太行山区栅格尺度生态系统服务总价值各区间栅格数Table 1 Grids number of each interval of total value of ecosystem services in Taihang Mountain area in 1990,2000,2010 and 2015

太行山区26年来栅格尺度上生态系统服务总价值空间分布规律基本一致,其中区间368万～1156万元、1156万～3385万元和3385万～6218万元呈现集中分布,而低值区0～368万元及高值区6218万～18 506万元呈现零星分散分布(图2)。

图2 1990年、2000年、2010年、2015年太行山区生态系统服务总价值空间分布特征Fig.2 Spatial distribution of total value of ecosystem services in Taihang Mountain area in 1990,2000,2010 and 2015

垂直梯度上,太行山区低山丘陵区、中山区及亚高山区26年来栅格尺度上不同区间的生态系统服务总价值分布面积基本不变:其中低山丘陵区生态系统服务总价值主要分布区间为368万～1156万元,约占低山丘陵区总面积的50%; 中山区主要分布区间为1156万～3385万元,约占总面积的55%; 高山区主要分布区间为3385万～6218万元,约占总面积的70%。其中高值区间6218万～18 506万元,在中山区和亚高山区基本没有,尤其是亚高山区。

综上所述,太行山区生态系统服务总价值时空分布格局表明,快速提升其价值应在集中分布的等级区间采取相应的措施,而低值区和高值区的零散分布会增加提升恢复的难度。从垂直梯度角度分析表明,对于太行山区低山丘陵区、中山区和亚高山区生态系统服务总价值提升应该分别集中在368万～1156万元、1156万～3385万元和3385万～6218万元区间。

2.2 太行山区生态系统服务冷/热点区域空间格局

由上述太行山区生态系统服务时空格局分析可知,太行山区栅格尺度生态系统服务总价值26年来变化不显著,因此以2015年的生态系统服务为例分析生态系统服务冷/热点区域空间格局,不再进行时间变化分析。

在GIS平台中基于Getis-Ord Gi*统计指数的热点分析方法,热点区域(极显著热点区域、显著热点区域和热点区域)(下同)分布在整个太行山区,冷点区域(极显著冷点区域、显著冷点区域和冷点区域)(下同)主要分布在太行山区与东部平原过渡的低山丘陵区以及太行山区西部边缘区(图3),相对于热点区域,冷点区域分布相对集中。生态系统服务热点区域分布空间与栅格价值区间3385万～6218万元分布空间基本相同,冷点区域分布空间与栅格价值区间0～368万元分布空间基本相同(图2,图3)。从空间分布来看,零散分布的生态系统服务热点区域的保护相对困难,如建立自然保护区,需要建立多个。冷点区域的分布集中,可以采取相应的措施进行生态系统服务的整体提升。

图3 2015年太行山区生态系统服务冷/热点区域分布图Fig.3 Cold / hot spots distribution of ecosystem services in Taihang Mountain area in 2015

垂直梯度上,太行山热点区域在低山丘陵区、中山区及亚高山区都有分布,分布面积亚高山区最大,为9558 km,其次是中山区,面积为5238 km,最小是低山丘陵区,面积为3969 km。冷点区域只分布在低山丘陵区以及中山区,其中低山丘陵区分布面积约占总面积的70%。热点区域在垂直梯度上的分布规律与栅格价值区间3385万～6218万元分布规律相同(图2,图3),面积上表现为亚高山区＞中山区＞低山丘陵区; 冷点区域分布规律与栅格价值区间0～368万元分布规律相同(图2,图3),面积上表现为低山丘陵区＞中山区＞亚高山区。因此,从生态系统服务总价值提升量的角度,治理恢复应以亚高山区为主,从生态系统服务总价值提升效率的角度,治理恢复应以低山丘陵区为主。

2.3 太行山区不同生态系统类型的冷/热点特征

太行山区7种土地利用类型中生态系统服务冷热点区域面积比例分析表明:森林、水域和湿地中不存在冷点区域,水域的热点区域面积比例最大,高达65%,其次是森林和湿地; 荒漠生态系统中不存在热点区域,冷点区域面积占比为69%; 农田和建设用地的热点区域面积比例极小,冷点区域相对于其他土地利用类型面积比例较大。极显著冷点区域仅存在于建设用地(图4)。基于土地利用来确定生态系统服务优先保护区,则森林、水域和湿地应该优先保护,而农田、荒漠和建设用地应采取相应的措施提升其生态系统服务价值。

2.4 冷/热点区域生态系统服务的权衡/协同关系

从表2可知,太行山区总的生态系统服务冷热点区域中,4类生态系统服务之间存在不同的权衡协同关系。热点区域中,4类生态系统服务之间不存在权衡关系,只有协同关系,调节服务和支持服务协同关系最强,文化服务和供给服务协同关系最弱。冷点区域中,4种生态系统服务之间也只存在协同关系,且两两服务之间的协同关系都较强。不显著区域中,生态系统服务之间既有权衡关系又有协同关系,存在的协同关系都较强,权衡关系相对较弱,存在于供给服务与其他3类服务之间。综上所述,太行山区4类生态系统服务之间协同关系占主导地位,权衡关系仅存在于供给服务与其他服务之间。因此,从保护效率来看,冷热点区域都可以作为生态系统服务供给提升保护优先区,因为生态系统服务之间没有权衡关系,在保护提升一种生态系统服务的同时总的生态系统服务就可以得到提升保护。

表2 太行山区热点区域、冷点区域和不显著区域生态系统服务类型之间的相关系数Table 2 Correlation coefficients between ecosystem service types in the hot spots,cold spots and inconspicuous regions of the Taihang Mountain

3 讨论

生态系统服务冷/热点区域识别目前主要有两种方法:直接分类法和空间统计分析方法。直接分类法根据生态系统服务价值的空间分布格局,根据价值分区将高值区确定为热点区域,低值区确定为冷点区域。朱殿珍等将生态系统服务超过当年各自平均值的地区视为该服务的热点区; Xiao等将前40%高值区视为热点区。直接分类法具有简单直观的优点,但热点区斑块破碎化严重,生态系统服务优化管理实施困难。本研究中栅格尺度上生态系统服务高值区(6218万～18 506万元)在太行山区呈现零散分布(图2),想要针对该区域的生态系统服务进行保护相对较困难。空间统计分析方法最常用的是Gi*统计方法,该方法对冷热点进行统计显著性分级。王壮壮等以延河流域为例,利用该方法通过多源数据模拟了土壤保持、植被碳固定、产水、洪水调节4种生态系统服务的热点与冷点时空格局; Li等利用该方法识别分析了长江三角洲城市群4种生态系统服务潜在供给的冷热点区域。该方法的冷热点区域斑块破碎化程度低,其区域具有连续成片性,能够为生态系统服务供给的保护和管理提供科学依据。本研究中太行山区的冷热点区域斑块面积较大且破碎化程度低(图3),冷热点区域所对应的土地利用类型识别简单且明确(图4),为基于土地利用优化提升生态系统服务供给奠定了基础。

图4 太行山区各类土地利用类型中生态系统服务冷/热点区域面积比例Fig.4 Proportion of cold/hot spots areas of ecosystem services of different land use types in Taihang Mountain area

不同生态系统服务之间权衡与协同关系特征研究对促进区域生态系统可持续管理、实现区域经济社会与自然协调发展具有重要意义。生态系统服务之间的权衡或协同关系是普遍存在的,国内外学者开展了大量的研究工作。Lu等研究了黄土高原多种生态系统服务的权衡协同关系,孟浩斌等探讨了三峡库区生态系统服务的权衡与协同关系。生态系统服务权衡和协同关系具有尺度依赖性,余玉洋等在秦巴山区的研究中,发现虽然生态系统服务间的关系在大、中、小尺度上都一致表现为权衡/协同,但权衡/协同的强度却随尺度增大而增强。本研究在热点区域识别的基础上探讨了不同分区的生态系统服务之间的权衡和协同关系(表2),整个太行山区生态系统服务之间的权衡协同关系如表3所示,与冷热点分区生态系统服务之间的权衡协同关系有所不同。考虑生态系统服务权衡协同关系的尺度依赖性,分析结果对于管理决策者制定管理措施更有参考意义及价值。本研究中只考虑了空间尺度,对于生态系统服务分类指标尺度没有考虑,分析了4大类生态系统服务类型之间的权衡协同关系,而对于4大类下面的11小类之间的权衡协同关系还需要进一步的研究。

表3 太行山区生态系统服务之间的相关系数Table 3 Correlation coefficients between ecosystem services in Taihang Mountain area

生态系统服务冷热点区域识别的研究目的多数为划定优先保护区。王壮壮等基于流域生态系统服务热点与冷点时空格局特征研究,确定4种生态系统服务保护效率最高的延河流域上游地区; Spanò等研究意大利南部的一个城市的生态系统服务热点是否和自然保护区重合,结果表明有23.7%的生态系统服务热点落在自然保护区内; Cai等研究了长江三角洲地区关键生态系统服务的热点区域,指出关键生态系统服务热点区域识别是长江生态红线划定的第一步。本研究对太行山区生态系统服务的冷热点区域进行了识别,从生态系统服务提供能力角度,优先保护区应该是生态系统服务热点区域,因为其生态系统服务价值高; 从保护效率角度考虑,生态系统服务的冷热点区域都可以作为优先保护区,冷热点区域内的生态系统服务之间都是协同关系,不存在权衡关系,在保护提升其中一种生态系统服务的同时总的生态系统服务可以得到保护提升。基于土地利用同时考虑生态系统服务提供能力来确定生态系统服务优先保护区,应该优先保护森林、水域和湿地。

4 结论

本文分析了26年来太行山区总的生态系统服务价值时空特征,采用生态系统服务冷热点制图方法识别出总生态系统服务冷热点区域,对冷热点区的4大生态系统服务两两之间权衡协同关系进行了分析,得出以下结论:

1)太行山区26年来栅格尺度上生态系统服务总价值5个等级区间面积分布基本不变,空间分布规律也基本不变,中间3个等级区间呈现集中分布,面积占比大,而低值区及高值区呈现零星分散分布;垂直梯度上,低山丘陵区生态系统服务服务总价值主要分布区间为368万～1156万元,中山区主要分布区间为1156万～3385万元,高山区主要分布区间为3385万～6218万元。

2)太行山区总生态系统服务热点区域遍布于整个太行山区,冷点区域主要分布在太行山区与东西部山地平原过渡的低山丘陵区以及太行山区西部边缘区。垂直梯度上,热点区域亚高山区面积占比最大,冷点区域在亚高山区没有分布。基于空间分布特征,生态系统服务优先保护区应该是亚高山区。从土地利用的生态系统类型角度看,森林、水域和湿地中不存在冷点区域,且热点区域面积比例较大,基于土地利用来确定生态系统服务优先保护区,应该优先保护森林、水域和湿地。

3)太行山区生态系统服务冷热点区域中,4大类生态系统服务两两之间只有协同关系。从保护效率来看,冷热点区域都可以作为生态系统服务供给提升保护优先区,因为生态系统服务之间没有权衡关系,在保护提升一种生态系统服务的同时总的生态系统服务就可以得到提升保护。