大宁河流域土地利用/覆被变化与生态系统服务权衡研究

摘要

十九大报告指出，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，加大生态保护力度，提高生态系统的质量和稳定性。土地是陆地生态系统的载体，土地利用/覆被变化会影响生态系统结构，从而影响其为人类提供服务的能力。可见深入解析不同土地利用/覆被变化与其提供的生态系统服务之间的对应关系和变化机理具有重要的研究意义，有助于科学发挥生态系统效益，推进区域生态文明建设。 三峡库区土地利用/覆被类型复杂多样，生态环境敏感，近年来持续推行生态保护政策，实施水土保育工程，地表覆被和生态系统的质量和稳定性都得到了不同程度的巩固和恢复。但库区生态环境问题是长期的、紧迫的，为了持续提升库区生态系统服务的综合效益，应加强对土地利用/覆被变化及其生态系统服务响应机制的研究。大宁河流域作为三峡库区典型的“山地-森林”生态系统小流域，近20年持续实施退耕还林政策，建设森林工程，区域森林覆盖率迅速提升，但其土地利用/覆被变化过程和生态系统服务效益目前仍缺乏系统分析和定量评估。因此，本文刻画了大宁河流域蓄水以来的土地利用/覆被变化过程，进而评估关键生境演化阶段的生态系统服务物质量，通过权衡不同土地利用/覆被类型与各项生态系统服务之间的冲突关系，提出了提高生态系统质量和稳定性的对策，对三峡库区土地利用/覆被与生态系统的研究具有典型代表意义。 本文以遥感数据、气象数据、土壤数据、环境数据和社会经济数据为基础，以大宁河流域为研究区，以1995—2015年为研究时段，首先基于Markov转移矩阵，分析了近20年的土地利用/覆被变化和生境演替情况，之后借助InVEST模型和CASA模型，评估了研究区2010年的生态系统碳储存、水源供给、土壤保持和有机物质生产等主要服务的物质量，在空间上量化了生态系统服务的综合效益，并在此基础上分析了斑块尺度和子流域尺度上，不同土地利用/覆被类型与各项生态系统服务间的权衡/协同关系，最后运用Logistic-CA-Markov模型，预测了研究区未来不同管理情景下的土地利用/覆被空间格局和生态系统服务功能变化趋势，主要研究结果和结论如下： （1）运用多源遥感影像分层分类方法，得到大宁河流域土地利用/覆被分类图，基于Markov转移矩阵刻画了大宁河流域土地利用/覆被演变过程。结果显示：近20年研究区土地利用/覆被依然以林地、耕地、草地变化为主，2005-2010年间是变化最强烈的阶段。林地变化最为显著，水域变化不显著，可见生态保护政策对研究区土地利用/覆被变化的影响大于库区蓄水。林地内部主要是灌木林地和疏林地向有林地的转换，可见林地郁闭度显著提升，森林生态系统得到了巩固和恢复。1995-2000年间土地利用/覆被转移方式主要表征为自然过程，人为干预少；2000-2005年间土地利用/覆被转移方式主要表征为发展农业过程，伐木开荒；2005-2010年间土地利用/覆被转移方式主要表征为退耕还林过程；2010-2015年间土地利用/覆被转移方式主要表征为持续退耕还林，并伴有建设用地复垦和新增集中居住地的过程。近20年大宁河流域的生境总体演变趋势为正向演替，植被正向演替是最主要的演变过程，2005年后巫山县和巫溪县在生境演替方向逐步趋同，已逐渐将流域作为土地和生态系统管理政策实施的行政单元。驱动因子的灰色关联度分析可知，大宁河流域土地利用/覆被变化主要受到自然因子、生态保护政策和人类活动的影响较大，可见生态保护政策实施成效显著。 （2）借助InVEST模型和CASA模型评估了大宁河流域主要生态系统服务的物质量，结果显示：2010年大宁河流域碳储量为14085.72×104t，平均碳密度为251.48t/hm2，高值区分布在流域北部和东部的河流上游区域；水源供给总量为838.47×106m3，单位面积水源供给量为1281.98m3/hm2，水源涵养深度为150.80mm，高值区分布在大宁河汇入长江的下游区域；土壤保持总量为6523.43×104t，单位面积土壤保持量为116.46t/hm2，高值区分布在山间沟谷区域；有机物质生产总量为941.44×104t，单位面积有机物质生产总量为1559.27g/m2·a，高值区分布在阔叶林和多年生灌木林区域。林地是区域内主要的生态系统服务供给者，不同土地利用/覆被类型的生态系统服务差异显著，其中阔叶林地主要提供有机物质生产和碳储存服务，针叶林地的各项服务均高且较为均衡，混交林地水源供给和土壤保持服务高，灌木林地以水源供给服务为主，疏林地各项服务供给能力都低于平均水平。 （3）生态系统服务权衡结果显示：2010年大宁河流域生态系统服务综合效益不高，权衡冲突集中表现在“碳储存/有机物质生产—水源供给/土壤保持”之间。斑块尺度上，流域北部和东部的河流上游区域山高坡陡、水热条件不佳，生态系统服务综合效益和变异系数均高，权衡矛盾尖锐；流域中部、南部的河流下游与河口人类活动区，生态系统服务综合效益和变异系数均低，权衡矛盾相对不突出，但综合效益不高；林分尺度上，不同林地类型生态系统服务综合效益权衡结果排序为，阔叶林＞针阔混交林＞其他林地＞针叶混交林＞针叶林＞阔叶混交林＞竹林＞疏林地＞灌木林地，可基于此排序结果设定大宁河流域林分尺度的土地利用/覆被管理模式；子流域尺度上，依据主要生态系统服务综合效益的离散程度将大宁河流域划分为4类土地利用/覆被管理重点区，可用于划定巫山县和巫溪县的生态功能重要性红线。 （4）运用Logistic-CA-Markov模型，设置自然增长、生态保护、生态农业和生态建设四种情景，模拟大宁河流域2020和2030年的土地利用/覆被空间分布，并估算了其对应的生态系统服务。情景设置是大宁河流域未来土地和生态系统管理权衡对策的方向，既要保护生态，又要兼顾粮食安全、移民建设的需求，地类转化规则设置既要考虑生态综合效益分区转化限制，又要兼顾不同情景下地类转化限制。未来四种情景下，生态系统服务存在显著权衡冲突，会降低生态系统质量，不利于生态系统稳定和综合效益提升，决策者应注重协调“碳储存/有机物质生产——水源供给/土壤保持”之间的关系。划定生态红线，实施分区管控，不同效益分区实施情景叠加或组合管理方式，改善林分结构、提高森林质量，以期达到生态系统服务综合效益最大化的目的。 综上，过去20年大宁河流域土地利用/覆被变化以林地、耕地、草地变化为主，其中林地变化最为显著，生境总体正向演替，植被的正向演替是主要演替模式，森林工程对区域生境演替的影响大于水库蓄水。2005-2010年间土地利用/覆被变化最强烈，主要受到自然因子和人类活动因子的影响，变化类型仍属于自然驱动型，生态保护政策的可干预性强。大宁河流域2010年各项生态系统服务在空间尺度上存在差异，林地是服务的主要供给者，主要分布在流域北部和东部的河流上游区域。大宁河流域不同土地利用/覆被类型的各项服务间权衡冲突显著，不利于生态系统稳定可持续发挥服务功能，生态系统服务的综合效益整体不高，阔叶林地是综合效益最高的类型。未来研究区应持续推行生态保护政策，针对不同的生态系统服务综合效益分区，实施情景叠加或组合管理方式，改善河流上游区域林分结构，推进森林阔叶化改造，进一步提高大宁河流域生态系统的质量和稳定性。

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