不同情景下祁连山国家级自然保护区生态系统服务时空变化及权衡与协同关系.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 1 修回日期:2 0 2 2-0 8-0 8 资助项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(7 2 0 0 4 1 8 4);中央高校基本科研业务费项目(J B K 2 3 0 4 0 2 5);四川省社科规划项目青年项目(S C 2 1 C 0 7 1)第一作者:钟绍卓(1 9 8 9),女,四川简阳人,博士,讲师,主要从事环境管理、生态补偿和生态系统服务研究。E-m a i l:z h o n g s z s w u f e.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 3 2.钟绍卓,孙浩源.不同情景下祁连山国家级自然保护区生态系统服务时空变化及权衡与协同关系J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):3 5 8-3 6 9.Z HON GS h a o z h u o,S UN H a o y u a n.A s s e s s m e n to nS p a t i o t e m p o r a lV a r i a t i o na n dS y n e r g i e s/T r a d e o f f sR e l a t i o n s h i p so fE c o s y s t e m S e r v i c e si nQ i l i a nM o u n t a i nN a t i o n a lN a t u r eR e s e r v eU n d e rD i f f e r e n tS c e n a r i o sJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):3 5 8-3 6 9.不同情景下祁连山国家级自然保护区生态系统服务时空变化及权衡与协同关系钟绍卓1,孙浩源2(1.西南财经大学 经济学院,成都6 1 1 1 3 0;2.西南财经大学 中国西部经济研究院,成都6 1 1 1 3 0)摘 要:目的 分析祁连山国家级自然保护区生态系统服务的时空演变规律,揭示不同生态系统服务之间的权衡与协同关系,为祁连山国家级自然保护区生态系统的可持续发展提供科学支撑。方法 基于历史数据和L o g i s t i c-C A-M a r k o v耦合模型的情景预测,运用I n V E S T模型对祁连山国家级自然保护区2 0 0 0年、2 0 2 0年和2 0 5 0年的产水量、碳储量、生境质量、土壤保持量这4种生态系统服务进行定量评估,并借助S p e a r m a n相关分析法和双变量空间自相关分析法探索不同生态系统服务在时间和空间上的权衡与协同关系。结果 草地是保护区最主要的地类。2 0 0 02 0 2 0年,草地增多的同时,伴随耕地和建设用地的增加及林地的减少。2 0 5 0年自然趋势情景延续了此趋势,而生态保护情景扭转了此趋势。2 0 0 02 0 2 0年,保护区的碳储量和生境质量增加,产水量和土壤保持量明显下降,大体呈现南高北低的空间分布态势。2 0 5 0年模拟的生态系统服务相较2 0 2 0年均增加,生态保护情景增幅更大。保护区内4种生态系统服务之间总体呈协同关系,其局部的权衡与协同关系则具有显著的空间异质性。碳储量与产水服务间的协同关系最强。结论 祁连山国家级自然保护区不同生态系统服务之间的权衡与协同关系具有明显的时空异质性,在未来的发展和保护中应注意分区优化管理。关键词:祁连山国家级自然保护区;生态系统服务;权衡与协同;情景预测中图分类号:X 8 2 6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 3 5 8-1 2A s s e s s m e n t o nS p a t i o t e m p o r a lV a r i a t i o na n dS y n e r g i e s/T r a d e o f f sR e l a t i o n s h i p so fE c o s y s t e mS e r v i c e s i nQ i l i a nM o u n t a i nN a t i o n a lN a t u r eR e s e r v eU n d e rD i f f e r e n tS c e n a r i o sZ HONGS h a o z h u o1,S UN H a o y u a n2(1.S c h o o l o fE c o n o m i c s,S o u t h w e s t e r nU n i v e r s i t yo fF i n a n c ea n dE c o n o m i c s,C h e n g d u6 1 1 1 3 0,C h i n a;2.W e s t I n s t i t u t e f o rE c o n o m i cR e s e a r c h,S o u t h w e s t e r nU n i v e r s i t yo fF i n a n c ea n dE c o n o m i c s,C h e n g d u6 1 1 1 3 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h ea i m so ft h i ss t u d ya r et oa n a l y z et h es p a t i o t e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so fe c o s y s t e ms e r v i c e s i nQ i l i a nM o u n t a i nN a t i o n a lN a t u r eR e s e r v e,a n de x p l o r e s y n e r g i e s a n d t r a d e o f f sb e t w e e ne c o s y s t e ms e r v i c e s,t h u sp r o v i d i n gs c i e n t i f i cs u p p o r tf o rf u t u r em a n a g e m e n t.M e t h o d sB a s e do nh i s t o r i c a ld a t aa n ds c e n a r i o so f L o g i s t i c-C A-M a r k o va p p r o a c h,I n V E S T m o d e l w a se m p l o y e dt oe v a l u a t ef o u re c o s y s t e ms e r v i c e s,i.e.w a t e ry i e l d,c a r b o ns t o r a g e,h a b i t a t q u a l i t ya n ds o i l c o n s e r v a t i o n,i nQ i l i a nM o u n t a i nN a t i o n a lN a t u r eR e s e r v ef r o m 2 0 0 0t o2 0 5 0,a n dt h e ns y n e r g i e sa n dt r a d e o f f sb e t w e e ne c o s y s t e m s e r v i c e s w e r ea n a l y z e db ys p e a r m a nc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n ds p a t i a la u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i s.R e s u l t sG r a s s l a n dw a st h em a i nl a n dt y p e i n t h e s t u d ya r e a.F r o m2 0 0 0 t o2 0 2 0,t h e a r e a so f g r a s s l a n d,c u l t i v a t e d l a n da n dc o n s t r u c t i o nl a n d i n c r e a s e d,w h i l e t h e a r e ao f f o r e s t l a n dd e c r e a s e d.I n2 0 5 0,t h en a t u r a l-b a s e ds c e n a r i ow i l l c o n t i n u e s u c ha t r e n d,b u t t h e e c o l o g i c a l p r o t e c t i o ns c e n a r i ow i l l s h o wa n i n v e r s e c h a n g e.F r o m2 0 0 0t o2 0 2 0,c a r b o ns t o r a g e a n dh a b i t a t q u a l i t y i n c r e a s e d,w h i l ew a t e ry i e l da n ds o i l c o n s e r v a t i o nd e c r e a s e do b v i o u s l y.T h eh i g hv a l u e so f f o u re c o s y s t e ms e r v i c e s a l m o s t a p p e a r e d i n t h e s o u t ha n d t h e l o wo n e s i n t h en o r t h.C o m p a r e dw i t h2 0 2 0,t h e v a l u e so f a l l e c o s y s t e ms e r v i c e sw i l l i n c r e a s e i n2 0 5 0,e s p e c i a l l yi nt h ee c o l o g i c a lp r o t e c t i o ns c e n a r i o.E c o s y s t e ms e r v i c e sw e r eg e n e r a l l ys y n e r g e t i c,w h i l et h e i rl o c a lt r a d e-o f f s/s y n e r g i e sr e l a t i o n s h i pe x p r e s s e ds i g n i f i c a n ts p a t i a lh e t e r o g e n e i t y.P a r t i c u l a r l y,t h e s t r o n g e s t s y n e r g i s t i c e f f e c t s o c c u r r e db e t w e e nc a r b o ns t o r a g e a n dw a t e r y i e l d.C o n c l u s i o nM e a n i n g f u ls p a t i a l-t e m p o r a lh e t e r o g e n e i t yb e t w e e ne c o s y s t e m s e r v i c e si n Q i l i a n M o u n t a i nN a t i o n a lN a t u r eR e s e r v e i sd i s c o v e r e d,w h i c hw i l ln e e dp a r t i t i o nm a n a g e m e n t i nt h e f u t u r e.K e y w o r d s:Q i l i a nM o u n t a i nN a t i o n a lN a t u r eR e s e r v e;e c o s y s t e ms e r v i c e s;s y n e r g i e sa n dt r a d e o f f s;s c e n a r i os i m u l a t i o n 祁连山国家级自然保护区地处青藏、蒙新、黄土三大高原交汇地带,是黄河流域重要的生态保护区,更是西北地区重要的生态安全屏障和水源涵养地1。长期以来,人类活动的加剧逐渐破坏了当地的生态系统,如何优化祁连山国家级自然保护区生态系统服务空间格局、阻止其生态环境持续恶化成为当前面临的主要问题2。2 0 1 7年修订的 甘肃祁连山国家级自然保护区管理条例 指出,当前主要职责为植树造林、封山育林,加强对冰川、冻土和野生动植物的保护。2 0 2 1年印发的 黄河流域生态保护和高质量发展纲要 进一步强调,祁连山国家级自然保护区是重要生态功能区,应大力加强生态保护建设,保持生态系统的完整性。在此背景下,对祁连山国家级自然保护区开展生态系统相关研究,尤其是明晰生态系统服务的时空变化及权衡与协同关系,有助于分区分级拟定生态系统保护政策,助推祁连山国家级自然保护可持续发展。生态系统服务被定义为人类直接或间接从生态系统中获得的所有收益3。生态系统服务权衡关系指两种生态系统服务此消彼长的情形,亦称作冲突或竞争关系;协同则是两者增减趋势相同的情形4-5。不同生态系统服务之间存在着不同程度的权衡和协同关系6-7。现有相关研究方法大致可分为空间制图法、统计分析法、模型模拟分析法和情景分析法4类6,8。H a a s e等9、O n a i n d i a等1 0运用空间制图法分别研究了德国东部莱比锡哈雷的城市地区和西班牙北部地区各生态系统服务类型间的权衡与协同关系。王蓓等1 1、钱彩云等1 2采用了相关分析法分别研究了石羊河流域和白龙江流域各生态系统服务间的权衡与协同关系。T h o m p s o n等1 3基于空间景观模型对美国马萨诸塞州2 0 1 02 0 6 0年4种生态系统服务开展相关关系的分析,表明人为活动与供给服务存在负向的相关关系。林媚珍等1 4利用情景模拟法探讨了粤港澳大湾区2 0 0 02 0 5 0年产水、固碳、土壤保持和食物供给这4类生态系统服务的权衡协同关系。综述发现,随着人类活动的加剧,同一区域内的协同关系有向权衡关系转变的趋势,且各项服务间的权衡与协同关系均具有空间异质性特征,体现出对区域的明显依赖性。具体而言,在流域和国家公园等生态脆弱区内的生态系统服务间多以协同关系为主,而城市和经济区等地则权衡关系较为突出。现有关于生态系统服务权衡与协同的研究,其研究对象主要集中在城市和流域等区域,对自然保护区生态系统服务及权衡与协同关系研究则较为少见;且主要采用的方法为空间制图法或统计分析法,单一方法的运用存在一定的局限性,多种方法的融合是需要探索的方向。与此同时,部分学者已着手开展祁连山生态系统服务的研究工作,但研究的侧重点主要是对生态系统服务进行简单的价值评估,以此来为祁连山生态系统保护提供理论基础。例如,钱大文等1 5对祁连山南坡的研究,焦亮和赵成章1 6对祁连山丹马场的研究。近年,随着I n V E S T模型发展,利用I n V E S T模型对祁连山生态系统服务进行定量评估的研究逐渐增多,但其研究对象主要针对流域1 7-1 8、山区等1 9-2 0祁连山局部区域某种生态系统服务。总体看来,关于祁连山国家级自然保护区全境生态系统服务的研究,以及不同生态系统服务间的时空变化研究较为缺乏,同时鲜有研究探索祁连山国家级自然保护区生态系统服务之间的权衡与协同关系。在此背景下,本文以祁连山国家级自然保护区为研究对象,以2 0 0 0年、2 0 2 0年及分情景模拟的2 0 5 0年为研究年,系统分析案例区碳储量、生境质量、产水量和土壤保持这4种生态系统服务的时空变化特征,并融合S p e a r m a n相关统计法和双变量空间自相关分析法,从时空上讨论4种生态系统服务的权衡与协同关系,为研究区内生态系统服务优化管理提供理论支持。953第5期 钟绍卓等:不同情景下祁连山国家级自然保护区生态系统服务时空变化及权衡与协同关系1 研究方法与数据来源1.1 研究区概况祁连山国家级自然保护区(图1)成立于1 9 8 8年,地处青藏、蒙新、黄土三大高原交汇地带的祁连山北麓,由黑河谷地、疏勒河南山、柴达木山等一系列山脉与宽谷盆地组成。全保护区范围为东经9 7 2 5 1 0 3 4 6,北纬3 6 4 3 3 9 3 6,总面积2 6 5.3万h m2,核心区面积8 0.2万h m2。该保护区属大陆性高寒半湿润山地气候,冬季干燥寒冷且时间长,夏季湿润清凉且时间短,全年降水量集中在59月的夏秋季。保护区由浅山地带向深山地带,气温递减,雨量递增,高山寒冷而阴湿,浅山地带热而干燥。全区主要以蓑羽鹤、青海云杉、祁连圆柏为主要的保护对象,保护区内物种十分丰富。但随着大规模的采矿行为以及一些工业设施的违法、违规建设,造成保护区内局部水土流失、植被破坏以及河道的水环境污染,使得一段时间以来祁连山局部地区生态系统破坏问题十分突出,严重影响了生态系统服务的可持续发展2 1。图1 祁连山国家级自然保护区地理位置1.2 研究方法1.2.1 土地利用变化情景模拟 本文利用L o g i s t i c-C A-M a r k o v模型分情景预测研究区2 0 5 0年的土地利用分布。L o g i s t i c模型通过对每个栅格单元可能出现的地类概率进行回归分析,筛选出对各地类空间分布有显著影响的因素,并确定各因素间的定量关系和作用的相对大小2 2。C A模型和M a r k o v模型均是时间、空间及状态均为离散特征下的动力学模型,前者具有模拟复杂系统空间变化的能力,后者具有长期预测的优势2 3。二者融合后的C A-M a r k o v模型能够更全面地考虑自然因素和人为因素的影响,更精确的进行土地利用的动态模拟。结合已有情景模拟的研究成果1 4,2 2,2 4-2 5以及祁连山国家级自然保护区的区域特征,本文首先以高程、坡度、坡向、人口、G D P、降雨量、到城镇的距离、到各地类的距离共8项指标作为土地利用变化驱动力因子,建立L o-g i s t i c回归方程,确定各栅格单元的转移概率,从而得到土地利用类型的空间转移分布概率适应性图集。然后,通过G I S叠置分析得到土地转移面积矩阵。根据2 0 0 0年土地利用数据模拟出2 0 2 0年土地利用数据,并将其与已有2 0 2 0年土地利用类型图进行对比,计算得出的K a p p a系数为0.9 0 28,总体精度高达9 0%以上,表明模拟结果良好。最后,将已有2 0 2 0年的土地利用栅格图、制作出的适应性图集和土地转移面积矩阵输入C A-M a r k o v模型,预测2 0 5 0年自然趋势情景和生态保护情景下的土地利用空间分布图。两种情景的区别在于生态保护情景以 祁连山国家公园总体规划和 黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要 为指导,限制了建设用地和耕地的转入,以及草地和林地的转出。模型公式示意如下。(1)L o g i s t i c模型l g(Pi1-Pi)=0+1X1+2X2+nXn(1)式中:Pi为每位栅格可能出现的土地利用类型i的概率;X为驱动因素;0为常数项;n是各影响因子的回归系数。对于l o g i s t i c回归的结果,通常使用P o n t i u s提出的R O C曲线进行检验2 6。(2)C A-M a r k o v模型。M a r k o v模型公式:X(t+1)=X(t)P(2)式中:X(t+1)表示某一个随机事件在t+1这一时刻的状态,即模拟预测的结果;X(t)为某一随机事件在t这一时刻的状态;P为转移概率矩阵,表示不同状态间的转移概率。C A模型公式:S(t,t+1)=fS(t),N(3)式中:S为元胞有限、离散的状态集合;f为转换规则;N为元胞的领域。1.2.2 生态系统服务评估 I n V E S T模型通过量化土地/水体变化对生态系统服务输出的影响,结合G I S工具测算生态系统服务并反映其空间分布特征,已广泛运用于生态系统服务评估2 7-2 8。本文运用I n V E S T模型评估祁连山国家级自然保护区生态系统的碳储量、生境质量、产水量以及土壤保持服务的时空变化。(1)碳储量。本文采用I n V E S T模型碳储量板块将生态系统的碳储量划分为4个基本碳库:地上生物炭(所有存货的植物材料)、地下生物炭(植物活的根系统中的碳)、土壤碳(矿质土壤和有机土壤的有机碳)、死亡有机质(凋零物、倒立或站立着的已死亡树木中的碳)。根据4个碳库的碳储量来计算当前景观063 水 土 保 持 研 究 第3 0卷下的碳储量。其计算公式如下:C=Ca b o v e+Cb e l o w+Cd e a d+Cs o i l(4)式中:C为碳储量t/(h m2a);Ca b o v e为地上碳储量t/(h m2a);Cb e l o w为地下碳储量t/(h m2a);Cd e a d为死亡有机质碳储量t/(h m2a);Cs o i l为土壤碳储量t/(h m2a)。碳库表中的碳库数据主要从已有研究中获取2 9-3 1。(2)生境质量。I n V E S T模型中生境质量模块主要是以土地利用数据为主,利用威胁因子计算得出威胁源的影响力,进而根据生境退化度与适应性计算出区域内生境质量的情况3 2。其计算公式如下:Qx j=Hj1-DZx jDZx j+KZ(5)式中:Qx j为表示土地利用类型j中的栅格x的生境质量,无量纲;Hj为表示土地利用类型j的生境适宜性;Dx j表示土地利用类型中的栅格x所受胁迫水平(见公式6);K为半饱和系数,通常取Dx j最大值的一半;Z为归一化常量,通常取0.5。以上所需数据主要从I n V E S T模型手册和已有研究中获取3 3-3 4。Dx j=Rr=1Y ry=1WrRr=1Wrryir x yxSj r(6)ir x y=1-dx ydrm a x(7)式中:Dx j表示生境类型j中栅格x的总威胁水平;y表示r威胁栅格图上的所有栅格;Yr表示r威胁栅格图上的一组栅格;r为威胁因子;Wr归一化威胁权重;ry用于判断栅格y是否为威胁因子r的来源地;ir x y为生境与威胁因子之间的距离函数;x表示在社会、法律等保护状态下威胁源到栅格x的可达性水平;Sj r表示土地覆被类型j对于威胁因子r的敏感性。(3)产水服务。I n V E S T模型中产水模块基于水量平衡原理,同时考虑气候、地形、植被、土壤等因素,以栅格为单元定量评估不同景观组分的产水能力1 5。其计算公式为:Y(x)=1-A E T(x)P(x)P(x)(8)A E T(x)P(x)=1+P E T(x)P(x)-1+P E T(x)P(x)W1W(9)P E T(x)=Kc(x)E T0(x)(1 0)W(x)=AWC(x)ZP(x)+1.2 5(1 1)式中:Y(x)为某景观类型的年产水量(mm);A E T(x)为栅格单元的年实际蒸散发量(mm);P(x)为栅格单元的年降水量(mm);P E T(x)为栅格单元x的潜在蒸散量;Kc(x)为作物蒸散发系数;E T0(x)为参考(作物)蒸散量;A W C(x)为植物可利用含水量;W(x)为经验参数;Z为z h a n g系数3 5。以上所需系数皆由已有研究中获取2 1,3 6。(4)土壤保持服务。I n V E S T模型的土壤保持模块主要通过土地利用数据、土壤数据、高程(D EM)数据以及气象数据等数据来计算各栅格单元的实际土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量,计算两者之差则为研究区的土壤保持量。其计算公式如下:R K L Si=RiKiL Si(1 2)U S L Ei=RiKiL SiCiPi(1 3)S Di=R K L Si-U S L Ei(1 4)式中:R K L Si表 示 栅 格i上 裸 地 的 土 壤 侵 蚀 量(t/h m2);U S L Ei为栅格单元i在植被覆盖管理因子和水土保持措施因子作用下的土壤保持量(t/h m2);S Di为栅格单元i上的实际土壤保持量(t/h m2);Ri是降雨侵蚀力因子M Jmm/(h m2h),采用章文波的逐年降雨量简易计算公式3 7计算;Ki是土壤可蚀性因子th m2h/(h m2M Jmm),采用E P-C I模型3 8估算;L Si为坡长坡度因子参考I n V E S T模型手册3 9,由模型中的D EM数据计算得到;Ci是植被覆盖管理因子,Pi为水土保持措施因子,主要参考已有研究4 0-4 2获得。1.2.3 生态系统服务权衡与协同关系度量 本文首先用斯皮尔曼相关系数法从时间尺度评估研究区4种生态系统服务两两之间的权衡与协同关系;再通过双变量空间自相关分析法,从空间角度衡量两种生态系统服务之间整体以及局部的权衡与协同关系。(1)斯皮尔曼相关系数法。本文中的生态系统服务数值属于连续型数值变量,但检验发现不满足正态分布,因此选用S p e a r m a n相关系数法从时间尺度度量生态系统服务的权衡与协同关系4 3-4 4。此方法主要用于研究各变量之间的相关关系,描述变量间的线性相关程度。相关系数取值范围为-1,1,绝对值越大,相关性越强。若数值为正,则说明两个变量呈协同关系;若为负,则为权衡关系。计算公式如下:Rx y=ni=1(xi-x)(y-y)ni=1(xi-x)2 ni=1(yi-y)2(1 5)式中:Rx y为S p e a r m a n相关系数;n为样本数;xi和yi分别是以x,y的第i个值;x,y分别是x,y的平均数。(2)双变量空间自相关分析方法。此方法主要用于衡量两个或多个变量在空间上的聚集性,包括局部空间自相关和全局空间自相关4 5。与传统单独变量的空间自相关分析法相比,该法能更好地表征不同要素的空间特征,揭示不同地理要素之间的空间关163第5期 钟绍卓等:不同情景下祁连山国家级自然保护区生态系统服务时空变化及权衡与协同关系系,已被诸多学者运用于生态系统服务之间权衡与协同关系的空间度量2,4 6-4 7。具体而言,本研究用全局M o r a n sI度量生态系统服务两两间的全局空间相关性,其取值范围为-1,1,绝对值越大,相关性越强。当M o r a n sI 0时,表示空间正相关,即生态系统服务之间变化趋势相同,存在协同关系;当M o r a n sI0时,表示空间负相关,即生态系统服务之间变化趋势相反,存在权衡关系;当M o r a n sI=0时,空间呈现出随机性。局部M o r a n sI用于度量生态系统服务两两间的局部空间相关性,并用L I S A集聚图展示结果。计算公式如下:I=nni=1nj=1Wi j(xi-x)(xj-x)ni=1nj=1Wi jni=1(xj-x)2(1 6)Ii=(xi-x)m0jWi j(xi-x)(1 7)式中:I为全局M o r a n sI;Ii为第i个地区的局部M o r a n sI;xi和yi分别表示为单元i和单元j的属性值;x为均值;(xi-x)为第i个空间单元上的观测值与平均值的偏差;(xj-x)为第j个空间单元上的观测值与平均值的偏差;Wi j为空间权重矩阵;m0=i(xi-x)2/n。1.3 主要数据来源与处理(1)本文所需高程(D EM)数据来源于地理空间数据云平台(h t t p:www.g s c l o u d.c n/),空间分辨率为3 0m。通过A r c G I S软件提出祁连山的部分,同时对其进行填洼、流向分析等处理来得到符合研究需要的高程数据,并将其空间分辨率转换为10 0 0m,进而通过A r c G I S软件提取坡度、坡向等数据。(2)土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(h t t p s:www.r e s d c.c n/),在美国陆地卫星L a n d s a tTM影像的基础上,通过人工目视解译生成,得到空间分辨率为10 0 0m的2 0 0 0年、2 0 1 0年和2 0 2 0年的祁连山国家级自然保护区土地利用类型图。土地利用类型按三级分类系统分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大地类。(3)气象观测数据来源于国家科技基础条件平台国家地球系统科学数据中心(h t t p:w w w.g e o d a t a.c n),包括2 0 0 02 0 2 0年全国逐月降水量、潜在蒸散发、平均气温等数据,分辨率为10 0 0m。(4)土壤数据来源于世界土壤数 据 库(HWS D)的 中 国 土 壤 数 据 集(v 1.2)(h t t p:w e s t d c.w e s t g i s.a c.c n),包括土壤粉粒、土壤沙粒、土壤黏粒、土壤有机碳含量以及根系深度等数据,分 辨率为10 0 0 m。(5)流域、子流 域 数 据h t t p s:www.r e s d c.c n),来源于中国科学院资源环境数据中心,通过徐新良等4 8提供的基于D EM提取流域的方法来提取祁连山国家级自然保护区的流域以及子流域。(6)以上所有数据皆在K r a s o v s k y_1 9 4 0_A l b e r s投影坐标系下进行计算。2 结果与分析2.1 土地利用变化2.1.1 历史变化 祁连山国家级自然保护区2 0 0 0年和2 0 2 0年的土地利用分布如图2 AB所示,对应的土地利用类型面积转移情况见表1。可以发现,草地是祁连山国家级自然保护区最主要、覆盖面积最广的土地利用类型,其次是未利用地和林地。草地主要分布在祁连山国家级自然保护区的北部和南部;林地主要分布在祁连山国家级自然保护区的中部地区;耕地和建设用地所占面积非常少,主要分布在南部地区;水域主要分布在北部、中部;而未利用地分布较广。2 0 0 02 0 2 0年,祁连山国家级自然保护区变化最大的土地类型是未利用地,面积减少4 4 7k m2,其中大部分转化为草地和水域;增加最多的土地类型为水域,增加2 2 0k m2,其次为草地(增加2 0 2k m2)、耕地(增加4 5k m2)和建设用地(增加1 7k m2)。林地减少3 6k m2,部分转化为耕地。图2 祁连山国家级自然保护区土地利用空间分布2.1.2 情景模拟 祁连山国家级自然保护区2 0 5 0年自然趋势和生态保护两种情景下的土地利用分布如图2 CD所示,对应的土地利用类型面积转移矩阵见表2。在两种情景中,草地仍是祁连山国家级自然保护区中最主要的地类,其次为林地和未利用地。与2 0 2 0年相比,自然趋势情景中草地、水域、耕地和建设用地面积继续增加,增幅分别为2 1 0k m2,2 1 0k m2,3 0k m2和3 0k m2;未利用地和林地面积相应减少4 2 0k m2,6 0k m2。基于生态保护设定,生态保护情景中林地减少和耕地、建设用地增加的趋势得到扭263 水 土 保 持 研 究 第3 0卷转。与2 0 2 0年相比,生态保护情景中大量未利用地(减少18 6 0k m2)和耕地(减少3 0 0k m2)转化为林地(增加10 5 0k m2)、草地(增加8 4 0k m2)和水域(增加2 7 0k m2),建设用地面积未变。表1 2 0 0 0-2 0 2 0年研究区土地利用类型面积转移矩阵k m2土地利用类型耕地林地草地水域建设用地未利用地2 0 0 0年面积耕地2 9 28 02 1 311 936 0 8林地1 1 23 9 1 51 9 8 14 862 6 86 3 3 0草地2 2 61 8 0 89 7 0 57 41 41 3 6 51 3 1 9 2水域73 05 04 816 62 0 2建设用地9380232 5未利用地74 5 81 4 3 62 5 104 7 8 26 9 3 42 0 2 0年面积6 5 36 2 9 41 3 3 9 34 2 24 26 4 8 72 7 2 9 1注:表中区域表示2 0 0 0年土地利用类型向2 0 2 0年土地利用类型转化的面积。表2 2 0 2 0-2 0 5 0年不同情景下研究区土地利用类型面积转移矩阵k m2土地利用类型耕地林地草地水域建设用地未利用地2 0 2 0年面积自然趋势情景耕地6 1 60703 006 5 3林地3 05 5 7 06 8 35066 2 9 4草地3 75 0 31 2 6 5 5201 9 61 3 3 9 3水域0024 1 6044 2 2建设用地00004 204 2未利用地01 6 12 5 62 0 905 8 6 16 4 8 72 0 5 0年面积6 8 36 2 3 41 3 6 0 36 3 27 26 0 6 72 7 2 9 1生态保护情景耕地3 5 39 02 1 00006 5 3林地05 6 3 26 6 02006 2 9 4草地01 2 0 01 2 1 6 9202 21 3 3 9 3水域0164 1 5004 2 2建设用地00004 204 2未利用地04 2 11 1 8 82 7 304 6 0 56 4 8 72 0 5 0年面积3 5 37 3 4 41 4 2 3 36 9 24 24 6 2 72 7 2 9 1注:表中区域表示2 0 2 0年土地利用类型向2 0 5 0年土地利用类型转化的面积。2.2 生态系统服务时空变化2.2.1 历史变化 表3为祁连山国家级自然保护区2 0 0 0年和2 0 2 0年的碳储量、生境质量、产水量和土壤保持服务这4种生态系统服务的量,其空间分布及变化如图3所示。结果显示,碳储量的空间分布格局为中部、南部高,北部低。在2 0 0 02 0 2 0年碳储量总体上呈增加趋势,增幅约0.5 1%,其中中部地区增加程度最大。生境质量与碳储量服务呈现相同的空间分布格局与增加趋势,增幅约0.4 6%,增加程度最大的地区主要为北部祁青乡境内的水域地区,以及中部的林地地区。产水量的空间分布为南部高,北部低。在2 0 0 02 0 2 0年产水量呈现较大的下降趋势,降幅约2 9.5 3%,下降区域主要为北部地区。土壤保持量的空间分布为中部、南部高,北部、东西部低。在2 0 0 02 0 2 0年土壤保持量总体也呈下降趋势,降幅约2 2.6 9%,下降区域呈现聚集状态。2.2.2 情景模拟 2 0 5 0年不同情景下祁连山国家级自然保护区生态系统服务量见表4。可以发现,与2 0 2 0年相比,2种模拟情景的4种生态系统服务都呈增加趋势,且生态保护情景增幅明显更大。鉴于2种情景生态系统服务空间分布格局差异较小,本文仅对生态保护情景进行空间分析(图4)。表3 2 0 0 0-2 0 2 0年研究区生态系统服务量年份碳储量/亿t生境质量产水量/亿m3土壤保持量/亿t2 0 0 05.8 70.7 8 9 57 0.9 01 2 8.0 52 0 2 05.9 00.7 9 3 14 9.9 69 8.9 9 2 0 5 0年生态保护情景下,祁连山国家级自然保护区碳储量服务