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喀斯特地区生态系统是我国最为脆弱的生态系统之一,近数十年来由于人类活动的干扰,对生态资源过度攫取,加剧了喀斯特地区生态系统的衰退。石漠化的不断加剧,严重威胁到社会经济的发展和人类生存环境的安全,成为“生态文明建设”的主要障碍之一。生态系统服务评估是近年来生态学研究的难点、热点之一。其中,对碳存储、土壤保持和水源涵养等生态系统服务指标进行准确的评估,不仅可以为生态建设、环境保护以及资源的合理利用提供科学依据,还可以促进经济、政治、文化建设。 喀斯特峡谷区生态系统和水文地质环境复杂,是喀斯特地区研究的难点和热点。其地貌空间差异显著,地势崎岖,气候垂直变化大,生物多样性呈垂直分带。然而,目前关于喀斯特地区生态系统服务的研究主要集中在峰丛洼地,对峡谷区生态系统服务的研究仍较为薄弱。本研究选取典型喀斯特峡谷区的贵州省晴隆县作为研究区,旨在填补国内相关研究的空白,并为今后该区的石漠化治理和生态恢复提供科学依据。 在现有的生态系统服务模型中,ARIES、SolVES、MIMES、InFOREST和Envision等均存在着一定局限性,其适用范围较小和可推广性较差,不适用于喀斯特峡谷区小尺度、复杂的生态系统,且只能对单一的生态系统服务功能进行评估。InVEST在一定程度上可以规避以上模型的缺点,它不仅不受研究区的局限,还集合了水源涵养、土壤保持、碳存储、营养物迁移等多方面的生态系统服务测评,这使得InVEST成为了目前国际上生态系统服务评价的主流模型。陆地生态系统碳储量的时空变化对全球碳循环和温室效应有极重要的影响,是生态系统服务研究热点之一。因此,本文创新地使用了基于土地利用/覆被方法进行估算,对典型喀斯特地区的碳存储功能进行了重点研究,该方法既结合了实测数据,又可以将结果拓展到空间上,一定程度上既避免了野外采样费时费力的实调工作,又避免了CASA、LPJ、DNDC等模型忽略空间异质性的缺点。 本文利用遥感、地形、气象、土壤等数据,通过InVEST2.5.6模型,对晴隆县2003~2013年碳存储、土壤保持和水源涵养三方面的生态系统服务进行探讨;对比分析了基于InVEST模型和基于土地利用/覆被碳存储功能的结果。并以InVEST模型模拟结果为基础,模拟了生态保护情景和强制保护情景下晴隆县的碳储量,进一步以此为依据估算了贵州省喀斯特峡谷区的碳储量。针对喀斯特峡谷区特殊的环境背景,提出了一种适用于喀斯特地区的客土稳基法。最后对三大生态系统服务进行了分类,分析了各生态系统服务之间的权衡与协同作用,以及其与石漠化等级的关系。主要结论如下: 基于InVEST模型和基于土地利用/覆被类型的碳储量估算的结果基本一致,但InVEST模型的结果值略低,这主要是由于InVEST模型综合考虑了旱地和水田的收割,及房屋建筑、家具和木炭等可引起碳储量减少的因素,而其它方法未考虑。从2003至2013年,碳储量呈缓慢增加趋势,增加幅度为1.96%。2013年晴隆县实际情景、生态保护情景和强制保护情景下的碳储量比例分别为1∶1.23∶1.82。以此为依据,推算出贵州省喀斯特峡谷区实际情景、生态保护和强制保护情景下的碳储量分别为39.95Tg、49.14Tg和72.71Tg,其对应的碳密度依次为18.67 kg/m2、22.97 kg/m2和33.99 kg/m2。研究区实际碳密度是李克让估算中国陆地生态系统平均碳密度的1.87倍,可见贵州省喀斯特峡谷区具有极大固碳潜力。 2003~2013年间,晴隆县的土壤保持能力有所改善。2003年,各土地利用类型土壤保持能力位次为,自然林>灌丛>草地>建设用地>人工林>水田>旱地>水域>裸岩;2013年,各土地利用型土壤保持能力强弱为,自然林>灌丛>草地>人工林>水域>水田>旱地>建设用地>裸岩。虽然空间格局上晴隆县的土壤保持量有增有减,减少和增加的区域分别占研究区总面积的6.63%和53.69%。这说明研究区的生态系统土壤保持能力在改善的同时也伴随着退化的现象,但土壤保持能力变化的改善是主要趋势。 2003~2013年,研究区水源涵养量减少了1.63×106 m3,但不同时段各地类之间平均水源涵养能力相差不大。水源涵养量最高的地区的覆被类型主要为人工林,灌丛区次之,说明植被覆盖对水源涵养有积极的作用。引起2013年水源涵养能力退化的原因主要为两方面,即降水量的减少和潜在蒸散量的增加。 晴隆县的碳存储、土壤保持和水源涵养功能具有显著的相关性。2003-2013年,碳存储和土壤保持及水源涵养之间是显著权衡作用,相关系数分别为-0.446和-0.387;而水源涵养和土壤保持之间呈显著协同作用,相关系数为0.656。对晴隆县生态系统服务进行综合分类后,得出覆被类型中灌丛和草地的生态系统服务相对较好,而土地利用类型中的旱地、水田和建设用地的地区生态系统服务相对较差。以乡镇为单位,凉水营乡的生态系统服务最好,花贡镇、大田乡和莲城镇的综合生态系统服务相对较差。 分析生态系统服务与石漠化等级关系知,无石漠化、潜在、轻度、中度、强度石漠化地区生态服务评价得分分别为0.488、0.521、0.509、0.494和0.490。这主要是因为潜在石漠化地区和轻度石漠化地区的石漠化现象并不严重,且人类活动在该区域并不频繁,使得其生态环境相对良好,生态系统服务功能平均分也较高;无石漠化地区多被人类开发利用,其生态环境遭到破坏;强度石漠化地区的生态系统本身就生态结构单一、脆弱且易被破坏。