2000—2020年三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務時空演變及驅(qū)動力研究*

陳 丹 曾 衛(wèi) 郭凱睿 王福海

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)服務被定義為人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲取直接和間接效益[1-2]，包括供給、調(diào)節(jié)、文化和支持等四大類服務[3-4]，具有支撐人類可持續(xù)發(fā)展的重要作用，是生態(tài)安全的核心內(nèi)涵和生態(tài)保護研究的重點內(nèi)容。前期研究主要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務價值和功能兩個方面[5-6]，聚焦基于土地利用要素建構(gòu)指標體系評價區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能或服務價值的演化特征[7-8]，借助相關(guān)性分析、均方根誤差法和地理探測器等數(shù)理模型，揭示生態(tài)系統(tǒng)服務變化的驅(qū)動因素[9-10]。相關(guān)成果多為生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其驅(qū)動力的靜態(tài)研究，對流域生態(tài)系統(tǒng)服務多種復合綜合功能在長時序、多維度上的動態(tài)跟蹤研究相對較少。

三峽庫區(qū)是長江流域生態(tài)保護與修復的關(guān)鍵區(qū)域[11]，生態(tài)系統(tǒng)服務變化直接影響著長江流域的生態(tài)安全[12]。三峽庫區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務研究通常針對行政區(qū)內(nèi)的土地利用價值當量法進行估算，抽離了山地流域復雜的自然地氣候條件以及多樣的社會經(jīng)濟行為要素[13]，僅分析土地生態(tài)系統(tǒng)服務價值無法完全反應流域生態(tài)系統(tǒng)服務的綜合能力。雖然也有從供給、調(diào)節(jié)、文化和支持四項服務功能分析單一庫段或典型區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務能力及驅(qū)動因素[14-15]，但由于研究范圍較小、驅(qū)動因素維度有限、流域多尺度分析不足，導致不能很好的揭示三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務演化的整體性趨勢和差異性特征。

因此，三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務研究亟需突破傳統(tǒng)行政區(qū)單元評價的限制，以1km×1km網(wǎng)格為最小評價單元，基于跟蹤調(diào)研和遙感解譯獲取近20年三峽庫區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)[16]，評價三峽庫區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)服務的供給功能、調(diào)節(jié)功能、支持功能，建構(gòu)涵蓋氣候變化、地形條件、開發(fā)強度等自然因子和人為因子驅(qū)動要素體系，揭示三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務能力時空演化的多尺度特征，識別影響生態(tài)系統(tǒng)服務能力變化的多維度驅(qū)動要素，為實現(xiàn)三峽庫區(qū)生態(tài)保護提供科技支撐和輔助決策。

1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)共涉及26個行政區(qū)，包括重慶市江津區(qū)、巴南區(qū)、大渡口區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)、沙坪壩區(qū)、北碚區(qū)、渝中區(qū)、渝北區(qū)、江北區(qū)、長壽區(qū)、涪陵區(qū)、武隆區(qū)、豐都縣、石柱土家族自治縣、忠縣、萬州區(qū)、開州區(qū)、云陽縣、奉節(jié)縣、巫溪縣、巫山縣22個區(qū)縣，以及湖北省巴東縣、秭歸縣、興山縣、夷陵區(qū)4個區(qū)縣。本研究參考重慶市環(huán)境科學研究院提出的庫區(qū)分段方法[17]，在各區(qū)縣尺度上進一步將三峽庫區(qū)劃分為庫首、庫中和庫尾三大區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究時段為2000至2020年，以五年時間切片，即2000年、2005年、2010年、2015年和2020年。利用美國30 m空間分辨率的陸地衛(wèi)星（Landsat）專題地圖遙感數(shù)據(jù)作為區(qū)域土地利用變化的圖像數(shù)據(jù)源,在ERDAS軟件平臺中，對不同時期專題制圖儀（TM）和陸地成像儀（OLI）遙感數(shù)據(jù)進行輻射校正和幾何校正處理，并提取遙感圖像4、3、2波段數(shù)據(jù)，形成假彩色遙感圖像，采用中科院“八五”期間的土地利用分類標準，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六種土地利用類型，采用監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法進行人機交互解譯，提取庫區(qū)土地利用柵格數(shù)據(jù)[16]，為確保土地利用分類數(shù)據(jù)精度，各年份隨機選取500個樣點，借助地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn/）中的高清遙感數(shù)據(jù)進行解譯精度驗證，五期數(shù)據(jù)驗證精度均高于83%。地形數(shù)據(jù)主要采用ASTER GDEM 30M產(chǎn)品數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺。行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測云平臺(http://www.dsac.cn/)。

2.1.2 驅(qū)動因子

結(jié)合三峽庫區(qū)流域復雜山地本底條件，基于國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）提出的壓力—狀態(tài)—響應（PSR）評價模型[18]，將生態(tài)系統(tǒng)服務功能作為生態(tài)系統(tǒng)響應層；從生態(tài)壓力和生態(tài)狀態(tài)解析生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動力，包括7個要素類型和19個因子（表1）。為消除因子單位影響和類型影響，研究過程中對各因子進行無量綱化處理，正向因子標準化參照公式（1），逆向因子標準化參照公式（2），適度因子標準化參照公式（3）。

表1 三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動因子指標體系表Tab.1 index system of ecosystem service drivers in the Three Gorges Reservoir Area

式中，a1和a2分別表示適度指標最佳范圍區(qū)間的最小值和最大值。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務評估

從生態(tài)系統(tǒng)服務的供給功能、調(diào)節(jié)功能、支持功能三個類型層面，對水源涵養(yǎng)、土壤保持、氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性維護等四個服務功能進行評價。

2.2.1.1 水源涵養(yǎng)服務

生態(tài)系統(tǒng)的水生產(chǎn)服務能力是人類生活和生產(chǎn)的重要前提，水源涵養(yǎng)服務是反映區(qū)域水生產(chǎn)服務供給能力的核心指標[19]，水源涵養(yǎng)服務主要采用水源涵養(yǎng)供給總量進行測算[20-21]，測算公式如下：

WStr代表第t年格網(wǎng)r中的水源涵養(yǎng)供給總量，Ptr表示第t年格網(wǎng)r中的年均降水量，ETtr表示第t年格網(wǎng)r中的降水蒸散發(fā)量，Rtr表示第t年格網(wǎng)r中的累積地表徑流量，地表徑流量由降水量和地表徑流系數(shù)乘積獲得。確定林地和草地地表徑流系數(shù)分別為4.65%和3.94%，其他土地利用類型徑流系數(shù)為0[22-23]。

2.2.1.2 土壤保持服務

土壤保持服務反映庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是否能夠減少或避免水蝕所致的土壤侵蝕作用[24]，本研究基于修正通用土壤流失方程（RUSLE for The revised universal soil loss equation）[25]，確定庫區(qū)土壤保持服務指標測算公式如下：

Atr代表第t年格網(wǎng)r中的土壤保持規(guī)模，REtr表示降雨侵蝕力因子，降雨侵蝕力測算采用月降雨數(shù)據(jù)進行計算,表示第i月的降雨量，SEtr表示土壤可侵蝕性因子，LS表示坡長坡度因子，CCMtr表示植被覆蓋與管理因子，CMtr表示水土保持措施因子。

2.2.1.3 氣候調(diào)節(jié)服務

本研究通過測算碳儲量來反應區(qū)域氣候調(diào)節(jié)服務，結(jié)合InVEST模型中碳儲量測算模塊，在年度土地利用類型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，綜合考慮地上、地下、死亡有機質(zhì)、土壤有機質(zhì)的碳庫量[26]，具體測算公式如下：

Ctr代表第t年格網(wǎng)r中的碳固持總量，Cti1表示第t年i類土地覆被的地上碳密度，Cti2表示第t年i類土地覆被的地下碳密度，Cti3表示第t年i類土地覆被的死亡有機質(zhì)碳密度，Cti4表示第t年i類土地覆被的土壤有機質(zhì)碳密度，Artri表示第t年格網(wǎng)r中i類土地覆被的總面積。

2.2.1.4 生物多樣性維護服務

生境狀態(tài)是區(qū)域生物多樣性維護的重要內(nèi)容，研究采用InVEST模型中生境適宜性（Habitat Suitability）模型測算區(qū)域生物多樣性維護服務能力[27]，該模塊是通過分析人類土地利用或自然災害對其生物多樣性的威脅程度，結(jié)合每一種生境類型對每一種威脅的相對敏感性，以此反映區(qū)域生物多樣性。

2.2.1.5 綜合服務功能

研究采用生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)反應區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能，為了消除四類生態(tài)系統(tǒng)服務功能指標量綱，在測算生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)前對單要素進行標準化處理，處理方式采用公式（1）。式中，Srtrj為第t年分析格網(wǎng)r中標準化后的指標數(shù)值，Xtrj為第t年分析格網(wǎng)r中第j項指標的原始值，Max（Xi）和Min（Xi）分別表示研究區(qū)所有年份j指標的最大值和最小值。本文區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)采取累加模式，如下公式（8）所示。

2.2.2 空間相關(guān)性分析模型

2.2.2.1 Moran’s I

空間相關(guān)性是地理學第一定律，地理事物和屬性在空間分布上存在相互關(guān)系，即相關(guān)性，且相近的事物關(guān)聯(lián)更加緊密[28-29]。本研究基于全局空間自相關(guān)Moran’s I分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能在地理分布上的相關(guān)性，判斷指數(shù)在三峽庫區(qū)是否存在集聚分布特征。Moran’s I大于0表示兩個區(qū)域內(nèi)的觀測值正相關(guān)，小于0表示負相關(guān)，絕對值越大表示正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)聯(lián)性越強，絕對值越小表示關(guān)聯(lián)性越弱。

2.2.2.2 冷熱點格局分析

在區(qū)域空間自相關(guān)性分析基礎(chǔ)上，借助Getis-Ord Gi*模型觀測冷熱點高值和低值的空間集聚程度，進一步分析三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能的分布特征和時空演化規(guī)律。

2.2.3 驅(qū)動力分析方法

基于地理探測器[30]分析生態(tài)系統(tǒng)服務功能驅(qū)動力的時空分異特性，探索各類驅(qū)動因子與生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能之間的時空相關(guān)性，通過決定力q值度量自變量對因變量的空間分異解釋程度，q代表驅(qū)動因子對生態(tài)系統(tǒng)服務功能空間分異的解釋力度，值域范圍為[0,1]，值越大表示解釋力度越大。同時，采用地理探測器模型中的交互探測器，識別驅(qū)動因子兩兩不同組合情況下，對生態(tài)系統(tǒng)服務功能綜合指數(shù)的解釋能力是否增強、減弱或為獨立變量。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務單要素時空變化分析

如圖1所示，三峽庫區(qū)的氣候調(diào)節(jié)服務功能和生物多樣性維護服務功能保持較好，指數(shù)均超過0.7；但水源涵養(yǎng)服務功能和土壤保持服務功能較弱。2000至2005年水源涵養(yǎng)和土壤保持的要素值分別下降0.16和0.08，快速下降的區(qū)域集中在長江東側(cè)地形起伏度較大且地質(zhì)災害頻發(fā)區(qū)域，以及庫尾高速城鎮(zhèn)化的重慶主城區(qū)。2015至2020年隨著長江流域生態(tài)修復政策的實施，長江沿線水源涵養(yǎng)服務功能和土壤保持服務功能顯著提升，但重慶主城區(qū)水源涵養(yǎng)服務功能持續(xù)下降，且服務功能低值區(qū)面積隨建設(shè)用地的擴張不斷增大。

圖1 三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務單因素指數(shù)時空變化分析圖Fig.1 analysis of spatio-temporal changes of ecosystem service single factor index

3.2 生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能指數(shù)時空演變分析

將三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能指數(shù)劃分為6個區(qū)域，分別是高值區(qū)（≥3）、較高值區(qū)（2.5～3）、中值區(qū)（2～2.5）、略低值區(qū)（1.5～2）、較低值區(qū)（1～1.5）、低值區(qū)（＜1）（圖2）。二十年間三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能指數(shù)整體表現(xiàn)為急劇下降到逐步上升兩個階段，庫首提高2.75%，庫中下降1.13%，庫尾下降14.48%。綜合服務功能高值區(qū)主要分布在植被覆蓋度較高且人為活動不活躍的萬傾山、云峰山、巫山、武陵山、仙女山等范圍，并與較高值區(qū)共同呈現(xiàn)條帶狀分布。2000至2005年，三峽庫區(qū)蓄水初期綜合服務功能指數(shù)較高值及以上的面積驟降，庫區(qū)綜合服務功能指數(shù)下降10.71%，且從庫首到庫尾下降幅度逐漸增大，此變化在一定程度上與庫區(qū)三峽大壩建設(shè)、移民遷建和首次大面積蓄水導致長江沿岸大量土地流轉(zhuǎn)和覆被淹沒有關(guān)[31]。2005年后，庫區(qū)綜合指數(shù)持續(xù)提高，以庫首和庫中萬州、開州、云陽和忠縣等區(qū)域最為顯著，庫尾除長壽區(qū)明月山和長壽湖兩大生態(tài)源地綜合指數(shù)有所提升外，其他各區(qū)縣在快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展時期皆呈現(xiàn)下降趨勢，且?guī)煳驳椭祬^(qū)域以渝中區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)為中心逐年往外擴張。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務時空相關(guān)性及分異特征分析

三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能具有非隨機的高度空間聚集性和較強空間關(guān)聯(lián)性（圖3），且隨時間變化空間聚集性和關(guān)聯(lián)性持續(xù)增強。熱點區(qū)域主要分布在庫中南部和庫首南北部的生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能指數(shù)較高區(qū)域（圖4），冷點區(qū)域集中在庫尾經(jīng)濟發(fā)展迅速且人類活動頻繁的重慶主城區(qū)，對生態(tài)環(huán)境帶來較大的壓力；庫中的萬州區(qū)、開州區(qū)、云陽縣、忠縣等區(qū)縣處于生態(tài)系統(tǒng)綜合服務功能的變化值熱點分布區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)服務能力提升最為明顯。

圖3 三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)Moran散點圖Fig.3 comprehensive index Moran scatter plot of ecosystem services

圖4 三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)冷熱點區(qū)域分布圖Fig.4 comprehensive index cold and hot spot distribution map of ecosystem services

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動因子地理探測

三峽庫區(qū)各庫段驅(qū)動因子的影響力空間分異特征明顯（圖5），生境面積比和土地利用強度是影響三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能的主導因子，在庫中和庫首該對因子的q值高達0.8。庫首的地形位指數(shù)、植被覆蓋度和土地利用景觀格局等相關(guān)指數(shù)的解釋力相對較大，且土地利用景觀格局的影響力逐年提升，但植被覆蓋度的解釋力有所降低；人口密度和耕林草年減少率影響程度不高。庫中的生境面積比、土地利用強度、地行位指數(shù)均為區(qū)域高解釋力因子，而耕林草年減少率、人口密度均為區(qū)域低解釋力因子，植被覆蓋度、年均溫度、GDP、年均降水量和到建設(shè)用地距離等與區(qū)域發(fā)展和建設(shè)相關(guān)的社會經(jīng)濟指標的解釋力不斷提升，且植被覆蓋度和年均溫度與其他因子交互后解釋力逐年增強，這是由于雙因子綜合作用都將提升原單因子對三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的解釋力度。庫尾土地利用強度和生境面積比的解釋力最大，且q值不斷上升；植被覆蓋度在庫尾的q值增長高達0.5；城市建設(shè)用地、道路等空間布局對庫尾解釋力度逐步增強，但土地利用景觀格局對該區(qū)域的影響較弱。

圖5 2000—2020年間三峽庫區(qū)不同庫段生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動因子q值變化圖Fig.5 changes of ecosystem service driving factor q in different reservoir sections of the Three Gorges Reservoir Area

4 結(jié)論與討論

本研究從供給功能、調(diào)節(jié)功能、支持功能三個層面，構(gòu)建土壤保持服務、水源涵養(yǎng)服務、氣候調(diào)節(jié)服務和生物多樣性維護服務等方面生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價指標，以1km×1km格網(wǎng)單元為基礎(chǔ)，從流域整體、庫段片區(qū)和區(qū)域內(nèi)部三個尺度分析生態(tài)系統(tǒng)服務功能的時空分布和演變特征，識別不同尺度上的核心驅(qū)動因素及時空變化。結(jié)果表明，基于多功能維度的生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價可以較為準確的反映三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務單個功能和綜合能力的演化態(tài)勢；基于PSR模型，綜合三峽庫區(qū)流域山地本底特征，建構(gòu)涵蓋自然因素、人類活動、社會經(jīng)濟的7大類要素和19個指標的驅(qū)動力識別體系，解釋各庫段的生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動力動態(tài)變化，嘗試解決流域生態(tài)系統(tǒng)服務研究中經(jīng)濟、社會等宏觀指標與行政區(qū)域綜合指數(shù)對應性弱、解釋性模糊的問題，更為綜合的揭示三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能時空狀態(tài)和核心驅(qū)動因子。

同時，三峽庫區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能表現(xiàn)出逐漸增強的空間同質(zhì)聚集性，隨著長江流域天然林保護和退耕還林還草等政策實施，區(qū)域自然環(huán)境得到較大改善，加強對三峽庫區(qū)水環(huán)境、空氣、土壤等污染監(jiān)測與治理，顯著提高了庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務能力；流域環(huán)境整治與生態(tài)修復工程，同步提升了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務綜合能力的空間異質(zhì)性受到環(huán)境變量和社會經(jīng)濟變量雙因子增強效應的影響，各庫段生態(tài)系統(tǒng)形成過程的差異性驅(qū)使服務功能的決定因子不同，但土地利用強度和生境面積比始終是影響三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能的極重要因子，表明控制區(qū)域土地利用強度和重視區(qū)域生態(tài)用地占比對庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能的提升至關(guān)重要。

而山地自然本底條件對三峽庫區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)服務功能也有較強的決定力。庫首和庫中土地利用景觀格局對服務功能的決定力不斷增強，尤其需要關(guān)注庫首生態(tài)本底條件較好區(qū)域的景觀類型多樣化發(fā)展；庫尾的建設(shè)布局對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響持續(xù)增強，進而導致植被覆蓋度的決定力增強值達0.5以上，且區(qū)域降水量也逐漸成為重要影響因子，因此庫尾段需特別注重建設(shè)和交通用地的合理規(guī)劃，且重點監(jiān)測區(qū)域內(nèi)植被覆蓋狀況和降水量。

由于本研究范圍大、時序長、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)多、資料采集難，導致在驅(qū)動力要素中沒能納入生態(tài)安全實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對政策文件、投入產(chǎn)出等其他影響因素考慮不足，后續(xù)研究中將補充生態(tài)環(huán)境污染、地質(zhì)災害等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及生態(tài)保護資金投入、生態(tài)修復工程項目等工程建設(shè)情況，完善影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化的驅(qū)動力要素體系。同時，細化數(shù)據(jù)粒度，進一步探討自然環(huán)境要素、人為要素等因素對生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動的內(nèi)在機理，為三峽庫區(qū)流域生態(tài)保護和生態(tài)修復提供科學支撐。

圖表來源：

圖1-5：作者繪制

表1：作者繪制