2018, Vol. 38文章信息
- 卢慧婷, 黄琼中, 朱捷缘, 郑天晨, 严岩, 吴钢.
- LU Huiting, HUANG Qiongzhong, ZHU Jieyuan, ZHENG Tianchen, YAN Yan, WU Gang.
- 拉萨河流域生态系统类型和质量变化及其对生态系统服务的影响
- Ecosystem type and quality changes in Lhasa River Basin and their effects on ecosystem services
- 生态学报. 2018, 38(24): 8911-8918
- Acta Ecologica Sinica. 2018, 38(24): 8911-8918
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201806031238
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文章历史
- 收稿日期: 2018-06-03
- 修订日期: 2018-09-28
2. 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049;
3. 西藏自治区环境监测中心站, 拉萨 850000;
4. 中国科学院城市环境研究所, 城市环境与健康重点实验室, 厦门 361021
2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Environmental Monitoring Center of Tibet Autonomous Region, Lhasa 850000, China;
4. Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China
土地覆盖/利用变化是生态系统服务变化的重要驱动力, 其对生态系统服务的影响受到越来越多的关注[1-3]。然而在气候变化和人类活动加剧的背景下, 生态系统质量变化对生态系统服务的影响更应该引起重视。相比生态系统质量变化, 生态系统类型的变化(或土地覆盖/利用变化)是显性的, 容易引起察觉和重视；而生态系统质量的变化是隐性的、渐进的, 不易察觉, 并且涉及范围更广, 从而可能对生态系统稳定性、生态系统功能和生态系统服务产生更大影响。此外, 生态系统质量的变化累积到一定程度也可能会引起生态系统类型的变化, 如科尔沁沙地就是由于几十年来不当的人为活动由草原生态系统退化而形成[4-5]。然而目前国内外对生态系统服务的评估大多是基于土地覆盖/利用变化进行的[6-8], 较少关注生态系统质量变化对生态系统服务的影响。归一化植被指数(NDVI)可以有效反映植被生长状况, 与植被群落的盖度、生物量的富集程度、生产力等均有较好的相关性, 已被广泛应用于对生态系统质量的评估中[9-11]。目前已有研究尝试将NDVI作为生态系统服务价值当量的修正因子来评估某些生态系统服务价值的变化[12-13]。
青藏高原作为我国“两屏三带”生态安全格局中的重要生态安全屏障, 其特有的气候、地理条件决定了其生态系统具有脆弱性和敏感性[14]。研究表明, 青藏高原是对气候变化最为敏感的地区之一[15], 其升温速度几乎是全球平均升温速度的3倍[16-18], 且气候变化已对青藏高原的草原生态系统产生显著影响[19-21]。拉萨河流域位于青藏高原东南部雅鲁藏布江中游, 人口、农业分布较为集中, 拉萨市就位于拉萨河流域的下游。1990—2014年拉萨河流域总人口从75.87万增加至109.37万, 而GDP增长了近47倍。根据拉萨河流域及周边气象站点近60年的气象数据统计, 流域流域平均每年温度增加0.047℃, 远高于青藏高原的平均年升温速度0.03℃[16-18]；降雨量呈先增加后减少的趋势, 且具有较大的空间差异性。拉萨河流域的生态系统服务不仅与中下游居民的福祉和流域可持续发展息息相关[22], 而且对维持流域及整个青藏高原的生态安全具有重要意义。本研究选择NDVI作为生态系统质量变化的指示因子, 在分析拉萨河流域1990—2015年的生态系统类型和质量变化的基础上, 利用NDVI对InVEST模型中与植被状况相关的参数进行计算与修正, 对拉萨河流域1990至2015年土壤保持、水源涵养和固碳3种生态系统服务进行评估, 进而探讨生态系统类型和质量变化对流域生态系统服务能力的影响, 以期为拉萨河流域及青藏高原的生态系统保护与管理决策提供科学依据。
1 研究区概况拉萨河为雅鲁藏布江中游左岸的一级支流, 是拉萨市、林周县和当雄县等市(县)的主要水源地。拉萨河流域西部和北部以念青唐古拉山为界, 东南部与雅鲁藏布江流域相邻, 流域范围北纬29°20′—31°15′, 东经90°05′—93°20′, 流域面积约为3.26万km2, 包括拉萨市市城关区、曲水县、达孜县、堆龙德庆县、当雄县、林周县、墨竹工卡县、嘉黎县及那曲县的部分区域。流域内地貌分为河源区、高山盆地区和河谷区3个地貌分区, 海拔在3598—7074 m之间。流域气候属于高原温带—寒温带半干旱季风气候, 年降水量为340—700 mm, 年平均气温为-7.1—9.2℃, 流域内的生态系统类型以高山草甸和高寒草原为主[23]。
2 数据与方法 2.1 数据来源生态系统类型数据(30 m)和NDVI数据(250 m)来自中国科学院遥感与数字地球研究所；气象数据来自中国气象局气象中心；DEM数据(30 m)来自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)；土壤数据来自基于世界土壤数据库(HWSD)中国土壤数据集(http://westdc.westgis.ac.cn)；月参考蒸散发数据来自CGIAR CSI dataset(http://www.cgiar-csi.org/data)。
2.2 生态系统服务评估方法 2.2.1 土壤保持本研究采用InVEST(Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs)模型3.3.0版本进行生态系统服务评估。土壤保持服务采用InVEST模型中的Sediment Delivery Ratio(SDR)模块计算。模型中主要参数包括：(1)土壤可蚀性因子K, 由基于土壤粒径组成与土壤有机碳含量的EPIC模型计算得到, 并根据相关研究进行校正[24]；(2)降雨侵蚀力因子R, 采用Wischmeier和Smith提出的月尺度公式计算[25]；(3)水土保持措施因子P, 结合研究区的实际情况并参考相关文献得到[26-28]；(4)植被覆盖和经营管理因子C, 非植被生态系统类型的C值由查阅相关文献得到[26, 29], 各植被类型的C值根据其当年的植被覆盖度f计算[23], f由各植被类型当年的生长季NDVI均值计算得到。
2.2.2 水源涵养水源涵养服务采用InVEST模型中的Seasonal Water Yield(SWY)模块计算。相比于InVEST模型中的Water Yield模块, SWY模块将产水量分为了地表快速产流量(Quick flow)和水源涵养量/基流量(Baseflow), 并采用月尺度数据, 从而能更准确的评估流域的水源涵养能力, 尤其是针对季节性气候较强的区域。模型中主要参数包括：(1)月均降雨量与月均降雨次数；(2)月参考蒸散发量；(3)土壤水文分类, 根据Harmonized World Soil Database(HWSD)中对土壤质地的分类, 并按照Soil Conservation Service (SCS)模型中的土壤水文分类方法进行分类[30]；(4)各植被类型的月作物系数, 由叶面积指数LAI通过以下公式计算得到：
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式中, 各植被类型的叶面积指数LAI参考孙鹏森等[31]在岷江上游的研究结果, 由各植被类型的NDVI计算得到。非植被生态系统类型的作物系数参考InVEST模型说明手册以及相关文献进行赋值[32]；(5)径流曲线数CN值, 参考InVEST模型说明手册和相关文献[33], 对不同土壤类型和生态系统类型的CN值赋值, 然后以1990年各植被类型的CN值为基准, 根据植被覆盖度对其他年份各植被类型的CN值进行修正[34]。
2.2.3 固碳采用InVEST模型中的Carbon Storage and Sequestration(CSS)模块计算。模型以生态系统类型为评估单元, 将生态系统的碳储量划分为4个基本碳库：地上生物碳、地下生物碳、土壤碳以及死亡有机碳。其中, 地上生物碳密度根据各植被类型的NDVI计算出生物量, 然后乘以碳含量系数得到[35]：
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式中, BIOMASS为生物量(t/hm2)。地下生物量根据文献中的根茎比进行折算然后再乘以碳含量系数得到[35-36]；土壤碳密度和死亡有机碳密度由于相对稳定, 各年份均采用文献中西藏地区的参数[35, 37]。
3 结果与分析 3.1 生态系统类型变化根据青藏高原相关研究[38-40]并拉萨河流域实际情况, 将拉萨河流域生态系统类型划分为森林、灌木、草甸、草原、稀疏草原、农田、裸地、人工表面、湿地和冰川/积雪共10类。通过ArcGIS软件进行统计得到1990—2015年拉萨河流域不同生态系统类型面积变化图(图 1)。从变化面积和结构来看, 减少最多的是稀疏草原和冰川/积雪, 面积分别减少了249.63 km2和86.31 km2, 占流域总面积的0.75%和0.26%；增加最多的是草甸和草原, 分别增加了120.09 km2和88.43 km2, 占流域总面积的0.36%和0.27%, 其他生态系统类型变化较小；且变化主要发生在2010—2015年。从变化速度来看, 1990—2015年人工表面、湿地和森林面积增长较快, 增幅分别为82.65%、32.40%、9.45%, 冰川/积雪、农田和稀疏草原面积缩减较快, 减幅分别为10.15%、4.75%、2.99%, 其他生态系统类型变化较小。从土地类型转化方向来看, 主要变化为稀疏草原转化为草甸和草原、农田转化为人工表面、草原和稀疏草原转化为湿地、冰川/积雪转化为稀疏草原和裸地等。
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| 图 1 1990—2015年各生态系统类型面积 Fig. 1 Area of different ecosystems from 1990 to 2015 |
根据各植被类型生长季(6—10月)NDVI均值统计(图 2), 1990—2000年间, 拉萨河流域森林、灌木、草甸和草原等植被类型的NDVI显著上升, 增幅分别为40.20%、17.47%、22.12%、22.75%；2000—2010年间, 森林、灌木和草甸NDVI分别降低了10.97%、3.92%、3.52%, 而稀疏草原上升了5.67%；2010—2015年间, 森林NDVI增加了7.10%, 而稀疏草原、草原和草甸分别减少了6.66%、5.16%和4.11%。总的来看, 1990—2000年各植被生态系统类型质量显著上升, 平均增幅达24.69%, 而2000年后草甸和草原生态系统质量逐渐降低, 呈退化趋势。
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| 图 2 1990—2015年各植被类型生长季NDVI变化 Fig. 2 Growing season NDVI of different vegetation from 1990 to 2015 |
拉萨河流域生态系统土壤保持服务主要分布在中下游河谷两侧, 1990—2015年间其空间分布格局未发生显著变化(图 3)。统计结果显示(图 4), 1990—2015年拉萨河流域土壤保持总量增加了3.97%；其中1990—2000年间增加了4.63%, 2000—2015年略有下降。从各植被类型单位面积土壤保持量(图 4)来看, 由于NDVI上升, 1990—2000年灌木、草甸、草原、稀疏草原等的单位面积土壤保持量也明显增加；2000—2015年, 灌木和森林的单位面积土壤保持量继续增加, 而草甸和草原分别降低了4.13%和1.00%。森林的单位面积土壤保持量较低是因为森林多位于坡度较高的地方, 且植被覆盖度较低, 导致其土壤较易流失。
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| 图 3 1990—2015年拉萨河流域各项生态系统服务空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of ecosystem services in Lhasa River Basin from 1990 to 2015 |
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| 图 4 1990—2015年生态系统服务总量及各植被类型生态系统服务能力变化 Fig. 4 Ecosystem services changes of total quantity and of different vegetation from 1990 to 2015 |
拉萨河流域生态系统水源涵养服务主要分布在流域中上游以及念青唐古拉山地区(图 3)。统计结果显示(图 4), 1990年到2015年拉萨河流域水源涵养总量下降了23.04%；其中, 1990—2000年下降幅度较大, 2000—2015年变化相对较小。各植被覆盖类型单位面积水源涵养量变化如图 4所示。由于拉萨河流域气候干燥、日照强烈, 因此模型计算出的各生态系统类型的单位面积水源涵养量也与其蒸散能力密切相关。由于NDVI上升, 1990—2000年灌木、草原、稀疏草原等的水源涵养能力明显降低；而2000—2015年变化相对较小。另外, 裸地的单位面积水源涵养量最高, 原因是其蒸散系数偏小, 且位于降雨量偏多的上游地区；森林的单位面积水源涵养量最低, 原因是其蒸散系数较大, 又位于降雨量较少的下游地区, 且植被覆盖度较低。
3.3.3 固碳拉萨河流域生态系统固碳服务主要分布在流域东南部以及上游和念青唐古拉山南部的河谷地区(图 3)。统计结果显示(图 4), 1990—2015年拉萨河流域固碳总量增加了9.12%；其中1990—2000年增加了12.05%, 2000—2015年变化相对较小。各植被覆盖类型单位面积固碳量变化如图 4所示, 1990—2000年各植被类型的单位面积固碳量均显著增加, 而2000—2015年草甸和草原的单位面积固碳量明显下降, 分别降低了4.24%、3.45%。由于草甸和草原是拉萨河流域的主要生态系统类型, 2015年其固碳量之和占流域总固碳量的71.10%, 表明以草甸和草原为主的草地生态系统是拉萨河流域的主要碳汇, 因此其固碳能力的降低对流域的总固碳量具有较大影响。
3.4 生态系统类型和质量变化对生态系统服务的影响分析1990—2000年, 流域生态系统类型变化较小, 而生态系统质量变化相对较大, 因此各项生态系统服务能力的变化主要是由于生态系统质量的变化导致；2000—2015年, 生态系统类型和质量都发生了较显著的变化, 对流域总体生态系统服务产生了复杂交错的影响。为具体阐明生态系统类型和质量变化各自对生态系统服务的影响, 根据流域生态系统变化的阶段性特征, 在1990—2000年和2000—2015年两个时段内, 分别假设生态系统质量不变而只改变生态系统类型和生态系统类型不变而只改变生态系统质量两种情景, 将模型计算得到的各项生态服务变化量与实际变化量对比分析, 得到生态系统类型和质量变化各自对实际生态系统服务变化的贡献率(表 1)。
| 生态系统服务 Ecosystem service |
1990—2000年 | 2000—2015年 | |||
| 生态系统类型变化贡献率 Contribution of ecosystem type change |
生态系统质量变化贡献率 Contribution of ecosystem quality change |
生态系统类型变化贡献率 Contribution of ecosystem type change |
生态系统质量变化贡献率 Contribution of ecosystem quality change |
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| 土壤保持Soil retention | -0.31 | 100.22 | -10.94 | -89.28 | |
| 水源涵养Baseflow | -0.41 | -99.78 | -140.26 | 40.21 | |
| 固碳Carbon storage | 0.01 | 99.99 | 27.44 | -126.12 | |
| “-”表示其贡献为负向, 即其变化导致生态系统服务能力降低；由于模型计算原理较复杂且存在统计误差, 因此生态系统类型与生态系统质量变化贡献率之和并不完全等于100% | |||||
从结果可以看出, 1990—2000年, 生态系统质量变化对土壤保持和固碳量变化的贡献率分别为100.22%和99.99%, 表明生态系统质量变化是其增加的主要原因；1990—2000年, 生态系统质量变化对水源涵养变化的贡献率为-99.78%, 表明生态系统质量变化是其降低的主要原因。2000—2015年, 生态系统质量变化对土壤保持和固碳量变化的贡献率分别为-89.28%和-126.12%, 而生态系统类型变化对其的贡献率分别为-10.94%和27.44%, 表明生态系统质量变化是土壤保持和固碳量降低的主要原因, 而生态系统类型的变化本应导致固碳量增加；2000—2015年, 生态系统类型变化对水源涵养变化的贡献率为-140.26%, 而生态系统质量变化对其的贡献率为40.21%, 表明生态系统类型变化是其降低的主要原因, 而生态系统质量的变化本应导致其增加。
4 讨论与结论生态系统类型(或土地覆盖/利用变化)及气候变化对生态系统服务的影响已得到广泛关注, 如Pan等[38]研究了土地利用变化和气候变化分别对黄河源区产水量变化的贡献率, Su等[7]研究了土地利用变化和气候变化与黄土高原三项生态系统服务变化的相关性。然而目前大多数研究只考虑了气候变化中的降雨和温度变化, 并没有考虑气候变化所引起的植被质量的变化[20, 41]对生态系统服务的影响。在气候变化和过度放牧等人类活动的干扰下, 1990—2015年拉萨河流域不仅生态系统类型的的面积和分布格局发生了变化, 其生态系统质量更是发生了显著的改变。生态系统类型面积和分布格局的变化对各项生态系统服务的影响是直接的、显而易见的, 而质量变化对其的影响与各项复杂的生态过程紧密相关。生态系统质量的变化主要体现在植被状况的变化上, 植被通过光合、呼吸、蒸散等作用联结着大气、水和土壤等不同圈层, 对区域的物质和能量循环具有重要影响[42]。本研究选择NDVI作为生态系统质量变化的指示因子, 通过植被覆盖和经营管理因子、作物系数、径流曲线数、碳密度等参数, 间接地建立了NDVI与各项生态系统服务的关联关系, 并通过情景分析方法, 阐明了生态系统质量变化对生态系统服务的重要影响。
研究结果表明, 1990—2000年拉萨河流域生态服务变化显著, 主要由生态系统质量变化导致, 即NDVI的上升导致其土壤保持和固碳服务显著增加, 水源涵养服务显著降低；2000—2015年拉萨河流域生态系统服务变化相对较小, 但是生态系统类型变化对生态系统服务变化的贡献有所加大。随着社会经济的发展和气候变化加剧, 拉萨河流域所面临的生态环境压力也将继续增加。根据本研究结果, 针对流域生态系统保护与管理提出以下建议：关注流域气候和生态系统质量变化, 加强对流域生态系统的遥感和定位监测以及野外调查, 尤其是加强对冰川与湿地动态变化的监测, 并深入开展相关研究；加强对草甸和草原的保护与管理, 对退化严重的地区, 开展退化机制和原因的研究, 采取针对性措施加强草甸和草原的保护和恢复；拉萨河流域气候干燥, 植被蒸散量较大, 在进行植被恢复与保护时应合理选择植被类型和植物种类, 权衡水源涵养和其他各项生态系统服务之间的关系；合理规划布局城镇建设用地, 协调社会经济发展如矿产资源开采、放牧、旅游业等与生态环境保护的关系, 最大限度减轻人类活动对高原生态系统的干扰。
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