黄河上游生态脆弱区土地利用/覆被变化及生态系统服务权衡与协同研究 ——以河湟谷地为例

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维持生态系统功能的可持续,对区域乃至全球可持续发展和生态安全具有重要意义。资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化等问题,对我国社会经济的可持续发展产生了严重制约。为此,我国政府提出了全面推进“生态文明建设”和“黄河流域生态保护和高质量发展”的重要战略。河湟谷地地处黄河流域上游生态脆弱区,生态环境脆弱,发挥着重要的生态功能,其生态状况关系黄河中游、下游乃至全国的生态安全。然而过去几十年,人类活动的显著增加及气候明显变暖对其生态环境造成深刻而显著的影响。因此,研究河湟谷地的生态系统服务过去、现在和未来趋势及其时空分异规律,揭示不同服务的权衡协同关系及其尺度效应,明确不同地类对生态系统对全域生态系统服务的贡献,对于科学合理开展流域生态治理和修复具有重要的理论价值与实践意义。本文以近20年河湟谷地土地利用/覆被变化为研究基础,以2000、2005、2010、2015和2020年为研究期,采用InVEST模型定量评估产水量、碳储存、土壤保持、生境质量,在此基础上探究各项生态系统服务的时空变化特征及其时空分异规律,识别生态系统服务权衡协同关系、重要功能区及其尺度效应,探究生态系统4项生态系统服务的权衡协同规律,运用PCA模型识别生态功能重要区作为生态情景的限制性设定依据,运用最优地理探测器模型识别主导驱动因素,利用MGWR探测其空间影响范围,揭示其驱动力机制,最终耦合CA、Markov、PLUS和InVEST模型预测河湟谷地2030年土地利用/覆被变化全域与流域尺度下生态系统服务及权衡协同关系,最终针对性提出区域生态系统管理对策,其研究结果可以为本区域可持续管理以、土地利用及生态管理提供参考。主要得到以下结果:(1)草地是研究区内规模最大,分布范围最广的土地利用/覆被类型,占河湟谷地总面积的56%左右;2000-2020年,面积变化幅度最大的地类依次为草地、耕地、林地和建设用地,草地退化趋势明显,由于退耕还林还草政策的实施,林地面积增加;各地类之间的转换比较频繁,尤其是草地、林地、耕地和未利用地之间的相互转换以及水域向耕地的转换比较显著;20年间,各二级流域土地利用覆被/类型组合较稳定。在山区主要分布林地和草地,海拔越高,林地面积占比越高,而谷地(即各二级流域,此处主要指湟水流域和龙羊峡至兰州干流区)区域内主要分布水域、建设用地、耕地和草地。(2)河湟谷地近20年生态系统服务具有空间异质性规律,具有空间依耐性与差异性,林地、草地、未利用地耕地是四项服务中能力相对较强,其中林、草地处于三山(祁连山的冷龙岭、祁连山的达板山、南部的南山),处于生态系统服务高值聚集区域,低值在两谷(湟水谷地、黄河谷地)生态系统服务,近20年来由于人类生态工程的实施进行使得生态系统服务逐渐提升。运用InVEST模型,对河湟谷地的产水服务、土壤保持、碳储存、生境质量的物质量进行评估,并测度了全局与局部空间自相关关系,全局空间自相关主要体现高高聚集与低低聚集并存,均存在空间分异规律。2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的产水量与产水深度分别是:3.12×10~8m~3(88.63mm·ha-2·a-1)、4.49×10~8m~3(127.47mm·ha-2·a-1)、3.84×10~8m~3(109.16mm·ha-2·a-1)、3.26×10~8m~3t(92.76mm·ha-2·a-1)和6.40.×10~8m~3(181.92mm·ha-2·a-1),土壤保持量与模数为:282.80.62×10~8t(8027.99t·ha-2·a-1)、282.76.34×10~8t(8026.78t·ha-2·a-1)、283.15.95×10~8t(8038.02t·ha-2·a-1)、283.16×10~8t(8038.21t·ha-2·a-1)、283.18×10~8t(8038.03·ha-2·a-1),碳储量为232.11×10~6t(65.89·ha-2·a-1)、232.86×10~6t(65.82·ha-2·a-1)、234.85×10~6t(66.67·ha-2·a-1)、234.43×10~6t(66.55·ha-2·a-1)、234.22×10~6t(66.49·ha-2·a-1);生境质量为:0.6516、0.6516、0.6481、0.6484。均呈现波动式小幅度上升状态。空间分布格局中高值分布在三山(祁连山脉的冷龙岭、达板山、和南部的南山一带),低值分布在两谷(湟水谷地、黄河谷地)与北部。(3)河湟谷地四项生态系统服务间的关系在研究期内基本稳定,土壤保持、生境质量、产水量、碳储存在全域上各项服务功能之间主要以协同关系为主;而在流域尺度表现出来明显的尺度效应,各流域生态系统服务功能权衡关系与全域不同,且各二级流域之间也不同,各个生态系统服务功能整体表现出了明显的流域差异和地域规律。(4)基于PCA与SOM模型,将河湟谷地生态系统服务功能可划分为2个生态系统服务主导功能区,Ⅰ区为碳储存及生境维持服务主导功能区、Ⅱ区为产水与土壤保持服务主导功能区。在功能分区的基础上,本研究提出1个生态保护极重要单元、4个单项生态服务功能核心单元以及4个生态服务提升单元,为生态情景设置提供限制发展边界依据。(5)河湟谷地未来土地利用/覆被变化的预测表明,生态保护情境下,林地和草地面积多于自然发展情景和经济发展情景。在三种土地利用/覆被预测情景下,各生态系统服务功能变化空间及变化状态有较为明显的差异。基于三种土地利用/覆被预测情景下,发现全域尺度下和流域尺度四项生态系统服务间的关系基本变化缓和,全域尺度处于协同状态,部分处于权衡状态,子流域出现权衡与协同同时存在的状态。黄河流域高质量发展和青海省生态文明建设需要特别重视生态系统服务的重要性,但同时应当立足于不同时空尺度权衡生态系统服务与区域人类福祉的复杂关系,加强不同层面政策的衔接能力。
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