黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区_杜可心.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023杜可心，张福平，冯起，等.黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区 J.中国沙漠，2023，43（2）：139-149.黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区杜可心1，张福平1，冯起2，魏永芬3，杨嘉炜1（1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院，陕西 西安 710119；2.中国科学院西北生态环境资源研究院 内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.日本国立岐阜大学 流域圈科学研究中心，日本 岐阜 501-1193）摘要：黑河流域是中国西北地区生态安全重要屏障，厘清该地区生态系统服务的梯度效应对制定差异化生态保护政策具有重要意义。基于InVEST模型和CASA模型等方法，利用多源遥感数据量化2018年黑河流域典型生态系统服务，结合海拔、坡度、地形起伏度和地形位指数因子分析各生态系统服务的梯度效应，根据地形分布指数划分生态分区。结果表明：（1）黑河流域产水、土壤保持、植被固碳和食物供给服务空间分布差异明显，高值区在上游祁连山区，低值区在下游荒漠区。（2）各生态系统服务在各地形梯度上存在明显层级分布，总体上随地形梯度等级的提升而呈先增加后下降的趋势。（3）流域多重生态系统服务重要区空间分布差异明显，生态系统服务重要性随着地形梯度等级的提升而提升。（4）基于地形分异规律，黑河流域可划分为核心生态保护区、山地生态提升区、可持续发展区和生态防护治理区。关键词：生态系统服务；地形梯度；生态分区；黑河流域文章编号：1000-694X（2023）02-139-11 DOI：10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00102 中图分类号：X171.1 文献标志码：A0 引言 生态系统服务是生态系统与生态过程形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用，是人类从自然生态系统获得的各种利益1，包括支持服务、调节服务、供给服务和文化服务2。自1981年首次出现生态系统服务的概念3，国内外学者展开大量研究，在生态系统服务形成机制、分类体系、价值评估4、情景模拟与预测5、权衡协同6和生态补偿7等方面积累了丰硕成果。随着政府和大众生态保护意识的提升，深入研究生态系统服务的空间分异，对明晰生态系统服务空间差异、因地制宜制定差异化生态保护政策具有重要意义。地形与生态系统服务联系紧密8，是影响生态系统服务分布、结构和功能的重要因素9，也是影响区域社会经济发展的重要因素。近年来，诸多学者基于地形展开相关研究，结果显示生态系统服务的地形梯度效应明显，各项生态系统服务的空间分异特征不同10，武汉都市圈的生态系统服务优势区向地形梯度等级低的地区聚集11，长江中游地形起伏度与生态系统服务价值呈对数关系12，张掖地区生态系统服务在不同地形因子上有不同的空间分异格局13。深入分析地形因子对生态系统服务的影响机制，探究不同地形条件下区域生态建设策略，对于提高人们对生态系统服务功能的认识，合理调节人类活动，促进区域可持续发展和开展有效生态管理均具有重要的理论价值和实践意义。黑河流域地处亚欧大陆腹地，是中国青藏高原生态屏障和北方防沙带的关键地带，具有极其重要的战略地位。该地区地貌形态丰富，地表起伏大，流域整体海拔落差超过4 000 m，生态系统垂直分异明显，为人类活动提供了多种关键生态系统服务：南部山区为河流源头，植被较为丰富，提供了多种生态系统服务，其中产水、植被固碳和土壤保持服收稿日期：20220609；改回日期：20220812资助项目：国家自然科学基金项目（52179026）；国家重点研发计划项目（2022YFF1302600）；教育部人文社会科学基金项目（21YJAZH110）；陕西省自然科学基金面上项目（2018JM4020）作者简介：杜可心（1999），女，河南济源人，硕士研究生，研究方向为资源环境遥感。E-mail：通信作者：张福平（E-mail：Zhang_）中国沙漠第 43 卷务对流域整体生态安全至关重要；中部平原是以灌溉农田为主的人工绿洲，是主要的粮食产区；而北部地区则以戈壁、裸地、沙漠和草原为主，是重要的防风固沙区。因此，如何更加深入地探究生态系统服务的空间分异规律，以便在经济发展过程中保持生态系统的稳定，是黑河流域面临的一个重要问题。为此，本研究基于2018年的多源遥感数据和社会经济数据，对黑河流域产水、土壤保持、植被固碳和食物供给4类典型生态系统服务的空间分布特征及地形梯度效应进行分析，并根据结果进行生态区划分，旨在深入剖析黑河流域生态系统服务的垂直空间分布，并为促进流域可持续发展和生态文明建设提供科学参考。1 数据与研究方法 1.1研究区概况黑河流域是中国西北地区第二大内陆河流域，位于 37.142.7N、97.1103.0E，纵跨青海省、甘肃省和内蒙古自治区，总面积约14.3万km2。黑河发源于祁连山，流经河西走廊，最终流入居延海14，干流全长821 km（图1）。流域为典型的大陆性干旱气候，光热资源丰富，年平均气温为610，气候干燥，年降水量40500 mm，降水稀少且集中。流域内地势起伏较大，南高北低，地貌景观差异大，具有明显的水平和垂直分异规律，从南到北分布了高山冰雪带、草原森林带、平原绿洲带及荒漠戈壁带等不同的自然地理单元15。上游山区土壤具有明显的垂直带谱，包括寒漠土、寒冻毡土、寒钙土、灰褐土、山地黑钙土等，中下游以灰棕荒漠土与灰漠土为主。1.2数据来源本研究使用的数据包括2018年土地利用数据、气象数据、土壤数据、NDVI数据、DEM数据及社会经济数据等。其中，土地利用数据和NDVI数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，分辨率均为1 km；气象数据来源于中国气象数据网，分辨率为 1 km；土 壤 数 据 来 源 于 世 界 土 壤 数 据 库（HWSD），分辨率为250 m；DEM数据来源于地理空间数据云，分辨率为90 m；社会经济数据来源于黑河流域各市（州、盟）统计年鉴、各省（自治区）水资源公报。为统一以上数据的空间分辨率，统一重采样为1 km。1.3研究方法1.3.1生态系统服务估算1.3.1.1产水服务采用InVEST模型的产水模块对产水量进行评估，该模块基于Budyko水热耦合平衡假设，认为某栅格单元的产水量为降水量与实际蒸散量的差值，不考虑地表水、径流等的交互作用16：WYxj=(1-AETxj/Px)Px（1）式中：WYxj为栅格单元x中第j类土地利用类型的年产水量（mm）；AETxj为栅格单元x中第j类土地利用类型的实际蒸散量（mm）；Px为栅格单元x的年降水量（mm）。AETxj/Px用于评估研究区水量平衡的蒸散分区，由Budyko曲线近似得出：AETxjPx=1+xRxj1+xRxj+1Rxj（2）式中：Rxj为栅格单元x中第j类土地利用类型的干燥指数，是潜在蒸散量与降水量的比值；x为自然气候-土壤性质的修正系数，是植被可利用含水量与降水量的比值。1.3.1.2土壤保持服务采用InVEST模型的土壤保持模块对土壤保持服务进行评估。该模块基于修正后的通用水土流失方程（RUSLE）17，充分考虑植被减缓地表径流侵图1黑河流域位置示意图Fig.1Location of the Heihe River Basin140第 2 期杜可心等：黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区蚀和截留上坡来沙的作用，认为某栅格单元的土壤保持量为侵蚀减少量（潜在侵蚀量与实际侵蚀量的差值）与土壤持留量的和：SCx=RKLSx-USLEx+SEDRx（3）RKLSx=RxKxLSx（4）USLEx=RxKxLSxCxPx（5）SEDRx=SExy=1x-1USLEyz=y+1x-1(1-SEz)（6）式中：SCx、RKLSx、USLEx及SEDRx分别为栅格单元x的土壤保持量（t）、土壤潜在侵蚀量（t）、实际侵蚀量（t）及泥沙持留量（t）；Rx、Kx、LSx、Cx和Px分别为降水侵蚀因子、土壤可蚀性因子、坡长坡度因子、植被覆盖因子和水土保持因子；SEx为栅格单元x的泥沙持留率；SEz为上坡栅格单元的泥沙持留率；USLEy为上坡栅格单元y的实际侵蚀量。1.3.1.3植被固碳服务植物通过光合作用获得90%以上的干物质，而生成 1 g 干物质需吸收 1.63 g 的 CO218，即每生成1 g NPP可以固定 1.63 g CO219。因此植被固碳量的计算公式为：Cp=1.63NPP（7）式中：Cp为植被固碳量（gm-2）；NPP为植被净初级生产力（以碳计量，gm-2）。植被净初级生产力通过CASA模型计算20：NPP(x，t)=APAR(x，t)(x，t)（8）式中：NPP（x，t）为像元x在第t月的植被净初级生产力（以碳计量，gm-2）；APAR（x，t）为光合有效辐射（MJm-2）；（x，t）为植被实际光能利用率（以碳计量，gMJ-1）。1.3.1.4食物供给服务农作物和畜产品的产量与NDVI之间存在显著的线性相关关系 21，因此，本研究依据栅格NDVI值进行食物总产量的分配22，确定研究区的食物供给能力：FSx=FSsumNDVIx/NDVIsum（9）式中：FSx为栅格x的食物供给量；FSsum为食物供给总量（t）；NDVIx为栅格x的NDVI值；NDVIsum为研究区耕地、林地和草地的NDVI值之和。1.3.1.5多重生态系统服务重要区分级为探究不同区域的综合生态系统服务能力，将某项生态系统服务功能大于平均值的地区视为该项生态系统服务的重要区23。通过ArcGIS的空间分析功能，将4种服务的重要区与非重要区进行叠加，根据某研究单元提供的重要区数量对其进行重要性分级，分别将具有0、1、2、3种和4种生态系统服务处于重要区的地区作为非重要区、一般重要区、中度重要区、高度重要区和极度重要区。1.3.2梯度效应分析1.3.2.1地形起伏度地形起伏度指某一分析窗口内最高点与最低点的高差，用于定量描述地形形态、划分地貌类型24：C=Emax-Emin（10）式中：C为地形起伏度；Emax、Emin分别为分析窗口内最大、最小海拔（m）。1.3.2.2地形位指数地形位指数可综合描述空间内某一点的海拔和坡度属性，反映地形条件的空间分异 25：T=ln （E/E0+1）（S/S0+1）（11）式中：T为地形位指数；E、E0分别为空间内某一栅格的海拔（m）和平均海拔（m）；S、S0分别为该栅格的坡度值（）和平均坡度值（）。其中，海拔高、坡度大的地区地形位指数大，海拔低、坡度小的地区地形位指数小，其余情况的地形位指数居于中间值26。1.3.2.3地形分布指数通过地形分布指数表征不同重要区在各地形梯度上的分布频率26：P=SieSiSSe（12）式中：P为地形分布指数；e为某一地形因子；Sie为e地形因子某梯度下第i类重要区的面积；Si为第i类重要区的面积；Se为e地形因子某梯度下的面积；S为研究区总面积。若某类重要区的地形分布指数变化越平缓，表明该类重要区对地形差异的适宜性越好，反之该重要区对地形有较强的选择性27，P1时的地形区为该重要区的优势位。1.3.2.4地形梯度分级根据黑河流域地形及植被分布特点，参考前人研究 12，28-29 及 土地利用现状调查技术规程 将海拔、坡度、地形起伏度和地形位指数分别划分为5级（表1）。表1 黑河流域地形数据分级标准Table 1 Classification standards of topographic data in Heihe River Basin级别12345海拔/m3 800坡度/（）0226615152525地形起伏度05515154545140140地形位指数100 t hm-2）在上游林地和草地等土壤保持能力较强的地区分布；中值区（50100 t hm-2）主要在中游集中；低值区（050 t hm-2）广泛分布于未利用地。植被固碳服务 01 625 g m-2，高值区（500 g m-2）位于南部