南方滨湖小流域土地利用变化对生态系统服务权衡关系的影响

摘要 以鄱阳湖海昏江小流域为研究对象，基于遥感、气候、土壤、DEM和植被数据，对1984、2008和2022年的土地利用变化进行动态分析。利用InVEST和CASA模型量化分析水源涵养、土壤保持、生境质量、碳储存和净初级生产力5种主要生态系统服务及它们之间的时空变化特征，运用相关性分析、权衡协同度等方法，研究区域内生态系统服务之间的权衡和协同作用。结果表明，1984—2022年流域内林地减少15.27 km 建设用地增加17.06 km 但土地利用结构总体相对稳定，呈现出由西向东“林地—耕地—建设用地”的地带性分布模式，1984—2008年土地利用变化整体偏缓慢，2008—2022年土地利用变化较为剧烈。水源涵养和净初级生产力服务对、土壤保持和净初级生产力服务对、生境质量和净初级生产力服务对、碳储量和净初级生产力服务对这4个服务对1984—2022年空间分布上均表现出以权衡关系为主。水源涵养和生境质量服务对、土壤保持和生境质量服务对1984—2008年空间分布上以权衡关系为主，2008—2022年以协同关系为主。从生态系统服务结构来看，耕地展现出“土壤保持—碳储量—净初级生产力”的复合型结构特征，林地呈现出“水源涵养—生境质量”的双层次结构特征。相比之下，其他土地类型主要表现为单一型结构。

关键词 生态系统服务；土地利用变化；权衡与协同；海昏江小流域

中图分类号 X 171  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2025）01-0057-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Land Use Change on the Trade-off Relationship of Ecosystem Services in Southern Lakefront Small Watershed

HUANG Jun  DING Qian3，YE Ying-cong3 et al

（1.Basic Geological Survey Institute， Jiangxi Provincial Geological Survey and Exploration Institute， Nanchang，Jiangxi 330030;2. Jiangxi Nonferrous Geological Mineral Exploration and Development Institute， Nanchang，Jiangxi 330030;3. Key Laboratory of Agricultural Resources and Ecology in the Poyang Lake Basin， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanchang，Jiangxi 330045）

Abstract Taking the Haihun River small watershed of Poyang Lake as the research object，based on remote sensing， climate， soil， DEM and vegetation data， a dynamic analysis of land use changes in the Haihun River small watershed of Poyang Lake in 1984， 2008 and 2022 was conducted.The InVEST and CASA models were employed to quantify five major ecosystem services， namely water conservation， soil retention， habitat quality， carbon storage and net primary productivity， and to analyze their spatiotemporal variation characteristics. Correlation analysis and trade-off synergy methods were applied to study the trade-offs and synergies among ecosystem services within the region. The result showed that during 1984-202  the forest land in the watershed decreased by 15.27 km  while the construction land increased by 17.06 km2. However， the overall land use structure was relatively stable， showing a zonal distribution pattern from west to east of “forest land-arable land-construction land”.The land use changes were relatively slow from 1984 to 2008， while the land use change was more severe from 2008 to 2022.The pairs of services， water conservation and net primary productivity， soil retention and net primary productivity， habitat quality and net primary productivity， carbon storage and net primary productivity， all exhibited a predominant trade-off relationship in their spatial distribution from 1984 to 2022. The pairs of services， water conservation and habitat quality， soil retention and habitat quality， showed a trade-off relationship in their spatial distribution from 1984 to 2008， and a synergistic relationship from 2008 to 2022. From the perspective of ecosystem service structure， arable land demonstrated a composite structure characterized by “soil retention-carbon storage-net primary productivity”， forest land showed a two-tier structure of “water conservation-habitat quality”. In contrast， other land types mainly exhibited a single-type structure.

Key words Ecosystem services;Land use change;Trade-offs and synergies;Haihun River small watershed

基金项目 江西省地质局青年科学技术带头人培养计划项目（2022JX-DZKJRC08）。

作者简介 黄俊（1987—），男，江西石城人，高级工程师，硕士，从事土地利用、土壤环境方面研究。

生态系统服务是指自然生态系统对人类社会提供的一系列利益，包括直接或间接的供给、调节、支持和文化服务。这些服务是人类福祉和可持续发展的基础，但随着全球经济发展和人口增长，许多生态系统服务正面临退化的风险。因此，开展生态系统服务的研究，对于理解和保护这些服务以及促进人类与自然和谐共存具有重要意义。

在生态系统服务的研究领域，Daily^［1］从大气到文化和美学享受等方面将生态系统服务分为15个类别，Costanza等^［2］提出了一个17个类别的分类系统，而联合国千年生态系统评估小组（MA）将服务分为供给、调节、文化和支持服务四大类^［3］，这些分类为生态系统服务的研究提供了理论基础。此外，国内外许多学者已经开展了关于生态系统服务价值评估的研究，如马程等^［4］基于能值分析法评估了北京市生态涵养区的生态系统服务；Lauf等^［5］对柏林都市区城市生态系统6种服务进行了测算；Liu等^［6］为揭示生态系统服务间不同尺度上的差异性，从网格尺度和县级尺度分析了京津冀地区的生态系统服务；钱彩云等^［7］使用SPSS在乡镇尺度上进行双变量相关性分析，在白龙江流域展现了服务间权衡与协同的空间异质性；Reed等^［8］通过情景模拟方法，验证了特定服务间的权衡与协同效应；张自正等^［9］运用Markov-FLUS耦合模型，评估了汉城市圈2035年不同情景下生态系统服务权衡与协同关系。尽管已有研究为生态系统服务的评估和管理提供了一定的科学依据，但现有研究大多以大流域进行大尺度研究，对小流域的指导意义较小。此外，基于土地利用变化对生态系统服务变化的研究，多为价值量变化研究，采用系数法进行换算，而对实物量的研究较少。因此，该研究拟基于CASA模型、InVEST模型，对海昏江小流域生态系统服务进行物质量测算，研究其变化趋势和空间分布特征；在此基础上，通过分析生态系统服务间的相关性，探索生态系统服务权衡与协同关系，并分析土地利用变化与生态系统服务变化之间的关联，探究土地利用如何影响生态系统服务的内部机制，这些研究将有助于更精确地理解和管理小流域的生态系统服务，为实现区域可持续发展提供科学支持。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

海昏江小流域位于江西省北部、九江市南部的永修县境内（图1），属于潦河流域，地理坐标为115°31′49″～115°52′49″E、28°53′45″～29°07′20″N，总面积466.45 km2。该流域属于江南丘陵区，其西部为低山高丘地带，中部为低丘，而东部则是鄱阳湖的冲积平原。整体地势特征表现为西高东低，呈现由西向东的倾斜趋势，流域内的最大相对高差达到541 m，属于中亚热带与北亚热带的过渡地带，具有亚热带湿润季风气候的典型特征。该区域四季分明，阳光照射充足，年平均气温为16.9 ℃，年降雨量为1 485.3 mm，年日照时数为1 937.7 h，无霜期大约为260 d。在土壤构成方面，该流域主要分布有水稻土、红壤和紫色土等土壤类型^［10］。

1.2 数据来源

该研究中采纳了多源数据集，以确保分析的全面性和准确性。具体数据来源如下：

①Landsat遥感数据，获取自地理空间数据云平台，该研究使用海昏江小流域1984、2008和2022年的Landsat遥感数据源，运用ENVI5.5对遥感影像进行处理，通过监督分类对遥感影像进行解译。

②土壤数据，包括野外调研实际采样获得的数据以及来源于《永修土壤志》的资料。

③潜在蒸散发数据，由国家地球系统科学数据中心提供。

④高程数据，来源于地理空间数据云平台。

⑤降雨量数据，由国家地球系统科学数据中心提供。

⑥植被数据，由中国科学院资源环境科学数据中心提供。

⑦太阳辐射数据，由国家青藏高原科学数据中心提供。

为保证数据的一致性，该研究使用ArcGIS 10.8软件将所有栅格数据处理为空间分辨率30 m×30 m。投影坐标系统一为CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_39。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤样品采集与测定。

土壤样品采集时间为2022年10月，共采集土壤表层0～20 cm的180个土壤样点，土壤有机碳的测定采用DZ/T 0279.27—2016中的重铬酸钾容量法；土壤总碳的测定采用DZ/T 0279.26—2016中的燃烧-非水滴定法；土壤容重的测定采用NY/T 1121.4—2006中的环刀法。

1.3.2 土地利用变化分析。

运用土地利用转移矩阵分析特定区域在不同时间段内土地利用类别的互相转化，评估土地利用变化强度，并通过图表的方式直观展示变化特征，涉及间隔层次、地类层次和转移层次3个维度的计算。