人类活动影响下蒙辽农牧交错区的生态系统服务空间格局

徐梦冉，张 靖，鲍雅静，李政海，刘 睿，张贻龙

(大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605)

生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[1]，它支撑与维持了地球的生命过程，为人类提供生活、生产所需的原料[2]。在过去几十年，由于人类对生态系统服务及其重要性缺乏充分认识及科学而有效的管理[3]，如对供给服务(如粮食)的过分追求[4]，导致除供给服务以外的大多数生态系统服务呈不同程度的降低[5,6]。生态系统服务的退化和丧失必将对人类的福祉产生不利的影响，直接威胁区域和国家,甚至全球的生态安全[2]。在这种情况下，生态系统服务作为生态系统管理的有效工具，受到学术界越来越高的关注。而生态系统服务管理的关键在于明确其空间分布特征及聚集程度，以把握服务供给、明晰空间异质性。因此，研究人类活动影响下的生态系统服务空间格局，对人类生存空间与生态环境可持续发展具有重要意义。

国内外学者评估生态系统服务的方法主要分为物质量评估法[7]和价值量评估法[8]，传统的价值量评估虽然简单实用，但科学性较低，例如，仅估算生态系统服务的价值，则会忽略其空间异质性[9]；
而物质量评估法可以根据生态系统服务的形成机制进行评价，结果可靠，解释力高，因而应用广泛[10]。随着对生态系统服务研究的深入和3S技术的发展，众多模型应运而生。InVEST模型(Integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)是由美国资本项目组研发的生态系统服务评估模型，它广泛应用于各种尺度的评估，其结果空间可视化、评估精度方面更具优势，可用于量化多种生态系统服务功能(如产水量、土壤保持、碳固持和生物多样性)[11-14]。例如，Leh等运用InVEST模型中的水源涵养、碳固持、土壤保持和生境质量模块，分析了科特迪瓦和加纳地区的生态系统服务功能空间分布和时间变化情况[15]。Himlal Baral等人利用InVEST模型评价了澳大利亚维多利亚州不同土地覆盖情景下生物多样性的变化情况[16]。国内学者对InVEST模型的应用多位于长江上游、北京等地，基于农牧交错区的研究较为罕见。例如，方露露等人对比长江和黄河流域2000年-2015年植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)、产水服务和土壤保持的时空变化规律[17]。吴丹等人基于遥感影像和InVEST模型，探究了长江经济带的产水量、土壤保持、碳固持与生物多样性的生态系统服务功能[18]。如今，基于InVEST模型关于生态系统服务功能的研究非常成熟。

农牧交错带是农业和牧业两种生产方式间的交错区。近年来，在不合理人类活动和全球变化的双重影响下，蒙辽农牧交错带的草地退化明显、土地荒漠化现象加剧，给当地人民生产、生活带来了极大危害，并对我国东部地区的生态环境和经济发展带来了不良影响[19]。为此，分析和评估人类活动对生态系统服务的影响是十分必要的。因此，本文以蒙辽农牧交错区为研究对象，采用InVEST模型定量评估该地区产水量、土壤保持、碳固持及生物多样性保护等4项生态系统服务指标，并利用Moran"s I指数描绘出各生态系统服务的空间聚集特征，探究人类活动对生态系统服务空间格局的影响，以期为蒙辽农牧交错区及其他区域的可持续发展提供科学的数据。

本文依据史文娇等[20]划定的北方农牧交错带界线确定蒙辽农牧交错区位于内蒙古自治区和辽宁省的交界处，坐标范围：E119°05′-E122°31′，N41°37′-N44°36，具体包含辽西北的10个半农半牧县(康平、彰武、阜蒙、建平、北票、喀左、义县、凌源、朝阳、建昌)，内蒙古通辽的7个旗县(开鲁、科左中旗、科左后旗、库伦、通辽县、扎鲁特、奈曼)和赤峰的9个旗县(翁牛特、巴林左、巴林右、林西、敖汉、阿鲁科尔沁、喀喇沁、克什克腾、宁城)。研究区总面积13.9×104km2，其中草地面积5.7×104km2。

2.1 数据来源与处理

以蒙辽农牧交错区为研究对象，通过InVEST模型计算2000年-2019年逐年蒙辽农牧交错区的产水量、土壤保持、碳固持和生物多样性保护等4种生态系统服务。数据来源如下：归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)，采用MODIS MOD13Q1 NDVI (2000～2019年，时间分辨率16 d、空间分辨率250 m，数据获取地址：https://ladsweb.modaps.eosdis. nasa.gov/search/)；
年降水量、>10 ℃积温、降水侵蚀力(R)、潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration, PET)和陆表太阳辐射(Rs)等气候参数来源于《中国地面气候资料日值数据集(V3.0)》，下载地址：http://data.cma.cn/，经在MySQL8.0和ArcGIS中处理获得；
土壤参数，如沙粒、粉粒、黏粒、有机碳、碳酸盐的比率或含量来源于Harmonized World Soil Database V1.2，下载地址http://westdc.westgis. ac.cn/；
土地利用图，基于中国科学院资源环境科学与数据中心每5年更新的土地利用数据，分辨率30 m。

2.2 生态系统服务计算与空间格局分析

2.2.1 生态系统服务计算

(1)产水量，由InVEST产水模型计算获得，公式如下：

Yieldxj=(1-AETxj/Px)Px；

(1)

AETxj/Px=1+PETxj/Px-[1+(PETxj/Px)ωx]1/ωx。

(2)

式中：Yieldxj为某一栅格中土地覆盖类型年单位区域产生的径流量,mm;Px为栅格的一年中平均降水量(mm)，AETxj为栅格中土地覆盖类型包括植被蒸腾、土壤水分蒸发等真正失去水分量,mm；
ωx为自然气候等非物理参数；
PETxj为栅格中土地覆盖类型j的年有可能会蒸散量，mm[21]。

(2)土壤保持服务，采用土壤保持服务量来表示，计算公式如下：

SC=R×K×L×S×(1-P×C)。

(3)

式中：SC为土壤保持服务量，t·(hm2·a)-1，R是降雨侵蚀力因子，MJ·(mm·hm2·h·a)-1，K是土壤可蚀性因子，MJ·(mm·hm2·h·a)-1，L为一定坡度下单位面积土壤流失量与标准坡度流失量的比值；
S为定坡度下单位面积土壤流失量与标准坡度流失量的矢量之比(无量纲)，C为作物覆盖的比率和人为管理的因素(无量纲)；
P为水土保持所做的措施的数量因子(无量纲)。降水侵蚀力(R)指的是一个时间跨度内降水侵蚀力，通过月尺度的降雨量可以估算出一个降雨侵蚀力的模型[22]。土壤可蚀性(K)反映土壤遭受侵蚀的敏感程度，本文利用土壤可蚀性因子K值的估算方法来测算[23]。

(3)碳固持，与NPP有关，计算采用CASA模型，其计算公式[24]如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)；

(4)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5；

(5)

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax。

(6)

式中：APAR(x,t)为在t时间内x中能被植被光合作用吸收的有效光谱成分，gC·(m2·month)-1，ε(x,t)为植被对光能资源利用效率的指标数值，gC·MJ-1；
SOL(x,t)是t时间内x平面上太阳照射量的累计值，MJ·(m2·month)-1；
0.5是指植被吸收有效的光谱成分与总太阳照射值的比率；
FPAR(x,t)为植被利用太阳辐射的利用比例；
εmax为植被可以利用的太阳辐射的最大值的比率，gC·MJ-1；
Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示低高两种极端温度情况下光能利用的应力影响；
Wε(x,t)为水分威胁程度常数。

(4)生物多样性保护，采用NPP定量指标的方法来评估该地区生物多样性保护服务，计算公式[25]如下：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)。

(7)

式中：Sbio为评价生物多样性维护服务的重要指标；
NPPmean为植被通过光合作用所吸收的碳除去自身呼吸消耗的量的平均值；
Fpre为所研究年份降水均值；
Ftem为所研究年份当地的一年气温的均值；
Falt为当地的海拔高度对生态环境影响的值，采用极限大小值的方法将这三个数归一到0～1之间。

2.2.2 生态系统服务变化趋势分析

采用Theil-Sen median趋势分析，分析20年间蒙辽农牧交错区生态系统服务变化趋势，这种方法是一种非常合理的用来统计趋势计算方法[26]，计算公式如下：

(8)

式中：10时，说明在固定时间以内的植被数据或生态系统服务的各项指标呈增强趋势；
反之，则说明该区域生态系统往相反的方向发展。

2.2.3 生态系统服务空间关系

采取使用全局 Moran"s I 测算出各生态系统服务的空间自相关性以及各生态系统服务之间彼此功能的影响，公式如下：

(9)

式中：wij为斑块i与斑块j之间不同研究区间的权重，xi、xj为一个区间内的属性值，n为研究区内划分出的区间数量，S2为方差。莫兰指数值的范围是-1.0-1.0之间。Moran"s I>0意味着研究区内各空间内成正相关，莫兰指数越大，空间之间的相关性就越明显，Moran"s I <0表示研究区内各空间内成负相关，Moran"s I=0，意味着空间无规律性。

2.2.4 人类活动与生态系统服务空间格局分析

在评价人类活动强度时，通常考虑人类足迹指数。探索人类足迹指数与生态系统服务之间的相互关系，计算人类活动强度同各生态系统服务间相关性。人类足迹指数可以将指数将人类影响与影响区域的相互作用考虑在内，计算公式如下：

(12)

式中：HFi为人类足迹指数；
hij为人类活动项得分；
n为人类活动类型数。根据连喜红等人[27]的赋值标准对多期土地利用类型进行赋值见表1。将人类活动足迹指数按照0、0～0.4、0.4～0.6、0.6～0.85、>0.85划分为无、低、中、高、极高五个等级，应用ArcGIS 10.3 随机采样工具获得采样点，在SPSS 22.0中采用皮尔逊相关分析，统计出人类活动强度与各个生态系统服务之间的相关程度。

表1 各人类活动类型得分标准

3.1 生态系统服务空间格局

由图1、图2可知，2000年～2019年蒙辽农牧交错区产水量空间分布差异明显，东南部地区较高、西北部地区较低；
全域单位面积的产水量服务年均值为369.39mm·m-2，平均生态系统服务量为5.08×1016t。研究区南部产水服务能力较高，西部地区产水服务能力较低。其中，产水服务分布较高的区域以林地为主，而产水服务较低的区域以草地为主。研究区产水量总体上呈现增加趋势，生态系统服务量由2000年的4.48×1016t增加至2010年的5.68×1016t。其中蒙辽农牧交错区的东南部产水量出现降低的情况，而东北部产水量增加量最高，其它区域产水量自东向西增加量减少。

图1 蒙辽农牧交错区不同年份生态系统服务空间分布图

图2 2000年～2019年蒙辽农牧交错区生态系统服务变化趋势

20a间该区单位面积的土壤保持服务均值为72.35 t·(hm2·a)-1，平均生态系统服务量为0.99×1015t，空间分布差异明显。土壤保持服务较高的区域集中于研究区的南部、西南部及北部，地形多为山地、丘陵，虽然坡度较大土壤易被侵蚀，但地表植被茂密，林草地居多，对土壤有更好的持留作用。与土地利用图对比分析发现林地的土壤保持量最高，而耕地、草地和未利用土地的土壤保持较低，表明农田开垦、过度放牧等人类活动会引起土地退化和沙化，导致土壤保持服务减少。研究区土壤保持总体上呈现增加趋势，2000年土壤保持量为57.82 t·(hm2·a)-1，2010年的土壤保持量为86.89 t·(hm2·a)-1。同时生态系统服务量也是增长的趋势，由7.92×1014t 增长至1.19×1015t 。土壤保持增长的区域主要为蒙辽农牧交错区的南部、西北部及西南部。其余区域均无明显变化，面积占比为54.67%。

研究区碳固持量整体偏低，年均值为190.59 g C·m-2，平均生态系统服务量为2.61×1013t C。碳固持的最小值集中于研究区西部、北部和中部，东部地区碳固持值相对较高。研究区的碳固持整体呈减少趋势，由2000年的204.36 g C/m2减少为2010年的176.81 g C·m-2，生态系统服务的量也出现减少，由2.82×1013t C减少至2.42×1013t C。其中，研究区的东北部碳固持明显减少，主要原因为该区域为草地生态系统，草地的退化、沙化可能导致了碳固持服务的减少。其西北部和南部的部分区域也有减少的情况。而蒙辽交界处的多个城市如建平县、敖汉旗等地碳固持量则为增加趋势。

2000年～2019年蒙辽农牧交错区生态系统多样性保护服务由东南向西北部递减，年均值为75.41(无量纲)，平均生态系统服务为1.03×1019。其空间分布与产水量相似，其高值集中于研究区的南部及东部，土地利用以林地为主，加上研究区处于暖温带半干旱半湿润气候区，夏季炎热多雨，东南部地区雨量充沛，水热条件好，而水热条件又是限制植被生长的重要因素，所以该地区草地生态系统完整，生物种类丰富，生物多样性功能较高。生物多样性保护较低的区域大多为林草交界处。该服务上呈现降低的趋势，由85.34降低为65.49，服务量由1.17×1019降低至0.90×1019。研究区东部生态系统多样性保护服务减少最为显著，这可能是由于该地区草地的退化，使生态环境恶化，植被减少，其南部的部分地区也出现了生态系统多样性保护减少的情况，蒙辽交界处的多个城市如建平县、敖汉旗等地生态系统多样性保护服务增加并不明显，研究区的西北部无明显变化。

3.2 生态系统服务空间关系

2000年～2019年蒙辽农牧交错区4项生态系统服务呈现不同程度的空间正向自相关性(图3)。2000年和2010年产水服务具有较强的空间聚集性(全局Moran"s I分别为0.697 9和0.680 7)，但在时间上该服务聚集性有减少的趋势；
土壤保持服务聚集性2010年比2000年有所增加，分别为0.676 5和0.682 3；
碳固持的全局Moran"s I则由2000年的0.557 9增加至2010年的0.649 9；
生物多样性保护的全局Moran"s I增加明显，由2000年的0.59增加至2010年的0.731。

图3 不同年份蒙辽农牧交错区生态系统服务局部 Moran"s I指数

通过局部Moran"s I分析，产水量在研究区北部出现低低聚集，在南部喀喇沁左翼蒙古族自治县出现高高聚集，在2010年新增了彰武县为高高聚集，相比2000年新增了赤峰市市辖区为低低聚集区，而克什克腾旗不再有低低聚集的情况。土壤保持2000年与2010年相比并无变化，在该区南部出现高-高聚集，东北部出现低低聚集。碳固持聚集情况变化较大，高高聚集除了南部的三个城市之外还新增了蒙辽交界处的喀喇沁旗、宁城县和建平县，另外，科尔沁旗左翼后旗由原来的高高聚集变为低低聚集，低低聚集由原来的林西县、巴林左旗、巴林右旗和翁牛特旗变为东北部的扎鲁特旗、科尔沁左翼中旗、开鲁县、通辽市，而阿鲁科尔沁旗还是为低低聚集没有变化。生物多样性保护聚集区域有增加，相较2000年而言2010年低低聚集增加了扎鲁特旗和开鲁县，减少了赤峰市，高高聚集增加了凌源市和朝阳县，而蒙辽交界处的建平县出现了特殊的低高异常区。说明辽农牧交错区南部生态在恢复，北部在退化。

3.3 人类活动与生态系统服务空间格局分析

人类活动强度同各生态系统服务间相关性见表2。

表2 不同年份蒙辽农牧交错区生态系统服务与人类足迹指数相关系数

结果表明，人类足迹指数与产水量和土壤保持在2000年～2019年没有显著相关性。碳固持与人类足迹指数相关性在2000年有极显著相关(相关系数为-0.077)，在2010年人类足迹指数同碳固持呈弱负相关，即碳固持量随人类活动强度的增加呈递减趋势，人类活动较强的区域存在大量耕地，且人类活动最强的区域存在城镇和工业用地，植被覆盖较少，碳固持低。生物多样性保护与人类足迹指数相关性在2000年呈现显著负相关，人类活动越强的区域对生物多样性保护越弱。人类活动较强的区域会进行城镇建设、耕地种植等造成生境破坏，一定程度上会导致生物多样性降低。

本文计算2000年～2019年逐年蒙辽农牧交错区的产水量、土壤保持、碳固持和生物多样性保护等4种生态系统服务，分析了各种生态系统服务的相关程度、以及人类活动强弱对生态系统服务空间格局的影响，得出以下结论：

(1)2000年～2019年蒙辽农牧交错区各项生态服务的空间分布相似，产水量和生物多样性保护服务整体呈现出“东南高、西北低”的分布格局，全区大部分碳固持量的空间分布较为平均，高值区主要分布在林地，研究结果对农牧交错区的减排增汇政策的制定以及生态系统碳库管理提供了一定的参考。

(2)蒙辽农牧交错区的产水量、土壤保持、碳固持、生物多样性保护服务均呈现出不同程度的空间正向自相关性。2000年的碳固持、生物多样性保护的生态系统服务量随人类活动的增强呈现显著递减趋势，因此协调人类活动与生态环境之间的关系，对蒙辽农牧交错区的生态保护具有重要意义。

该研究是分析人类活动需求与生态系统服务供给之间反馈机制的关键，但缺乏生态系统服务空间异质性的归因分析，未来研究将着力于分析蒙辽农牧交错区各生态系统服务空间异质性的主要影响因素，为该区域制定生态保护政策提供依据。

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