首都西部生态涵养区生态系统服务功能权衡/协同的多尺度特征及驱动因素

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00136

摘要/Abstract

摘要：

探究生态系统服务功能动态变化特征及其驱动机制，可为实施区域生态系统保护与修复提供科学参考。大量研究以单一尺度对区域内生态系统服务权衡/协同关系进行描述，有关多尺度下生态系统服务权衡协同关系及多种生态系统服务影响差异性的研究尚缺乏。本文选取首都西部生态涵养区为研究对象，采用2000、2010、2020、2023年遥感数据，运用InVEST等模型量化产水量、碳储量、土壤保持和生境质量共4类主要生态系服务功能，并用地理加权回归模型与最优地理探测器模型分析不同尺度下的权衡/协同关系。结果表明：（1）2000—2023年，首都西部生态涵养区生境质量基本保持不变，产水量、土壤保持量分别上升了2.96×10⁸ m³、1.69×10⁸ t，碳储量下降了3×10⁶t，减少区域主要涉及房山区霞云岭乡、良乡镇、窦店镇等；空间上，生态系统服务高值区主要分布在研究区北部、西北部地区，低值区主要分布在研究区东南部。（2）整体上首都西部生态涵养区生态系统服务以协同为主；空间上各服务之间协同面积均大于权衡面积，并且随着尺度扩展，权衡面积不断减小。（3）高程和蒸散发是影响研究区生态系统服务协同和权衡的主要因素，各因素与高程、年蒸散发之间的交互影响呈现出较强的解释力。研究结果揭示首都西部生态涵养区生态系统服务供给能力的时空演替态势，以及从不同尺度揭示生态系统服务之间的权衡协同度，为首都西部生态涵养区生态保护修复提供科学依据。

关键词: InVEST模型, 生态系统服务功能, 权衡/协同, 驱动因素, 首都西部

Abstract:

Exploring the dynamic changes and driving mechanisms of ecosystem service functions can provide scientific references for the implementation of regional ecosystem protection and restoration. A large number of studies have described the trade-offs and synergies of ecosystem services within a single scale in a region， but research on the trade-offs and synergies of ecosystem services at multiple scales and the differences in the impacts among multiple ecosystem services is still lacking. This paper takes the ecological conservation area of western Beijing as the research object， uses four periods of remote sensing data from 2000， 2010， 2020， and 2023， and quantifies four major ecosystem service functions， including water yield， carbon storage， soil retention， and habitat quality， using models such as InVEST. The Geographically Weighted Regression model and the Optimal Geodetector model are used to analyze the trade-offs and synergies at different scales. The results show that：（1） From 2000 to 2023， the habitat quality in the ecological conservation area of western Beijing remained basically unchanged， while water yield and soil retention increased by 2.96×10⁸ m³ and 1.69×10⁸ t respectively， and carbon storage decreased by 3×10⁶ t. The areas with the most significant reduction mainly involved Xiaoyunling Township， Liangzhuang Township， and Douzhen Town in Fangshan District. Spatially， the high-value areas of ecosystem services were mainly distributed in the northern and northwestern parts of the study area， while the low-value areas were mainly located in the southeastern part. （2） Overall， the ecosystem services in the ecological conservation area of western Beijing were mainly synergistic； spatially， the area of synergy between each service was greater than the area of trade-off， and the area of trade-off decreased continuously with the expansion of the scale. （3） Elevation and evapotranspiration were the main factors affecting the trade-offs and synergies of ecosystem services in the study area， and the interaction between each factor and elevation and annual average evapotranspiration showed strong explanatory power. The research results reveal the spatio-temporal evolution trend of the ecosystem service supply capacity in the ecological conservation area of western Beijing， as well as the degree of trade-offs and synergies among ecosystem services at different scales， providing a scientific basis for the ecological protection and restoration of the ecological conservation area of western Beijing.

Key words: InVEST model, ecosystem service function, trade-off/synergy, driving factors, western Beijing

中图分类号:

Q146

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图/表 10

图1 研究区概况注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：京S（2023）063号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Overview of the study area

表1 数据来源及处理

Table 1 Data source and processing table

输入数据	数据来源	数据处理
土地利用数据	Landsat卫星影像数据解译	根据《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)将土地利用类型分为六大类
高程（DEM）	地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)	利用ArcGIS计算坡度、坡向
夜间灯光数据（OLS）	国家地球系统科学数据中心	利用ArcGIS提取研究区范围
气候数据	国家青藏高原科学数据中心(tpdc.ac.cn)	包括温度、降水、蒸散量
植物可用水分含量数据	世界土壤数据库(http://www.fao.org/nr/land/soils/harmonized-worldsoil-database/en/)	根据经验估算模型计算^[15]
流域/子流域	地理空间数据云平台(http:// www.gscloud.cn)	通过DEM数据获取
人口	WorldPop数据（https://www.worldpop.org/）	裁剪和定义投影
归一化植被指数（NDVI）	中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)	裁剪和定义投影
地区生产总值数据	中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)	裁剪和定义投影

表2 生态系统服务功能评估方法

Table 2 Evaluation methods for ecosystem service functions

类别	方法	备注
产水量（WC）	参数设置参考相关研究，模型计算公式如下^[18-19]： $Y x = 1 - A E T x P x × P x$	式中: $Y x$ 为栅格单元 $x$ 的年产水量(mm);AET(x)为栅格单元 $x$ 的年实际蒸散量(mm $); P x$ 为栅格单元 $x$ 的年降水量(mm)
碳储量（CS）	简化碳循环过程，以每种土地利用类型为单元确定地上、地下、土壤和死亡有机质碳密度，根据不同土地利用类型计算平均碳密度，再用各土地利用类型面积乘以碳密度并求和得到碳总量，碳密度计算公式如下^[20]： $C i = C i - a b o v e + C i - b e l o w + C i - d e a d + C i - s o i l$	式中:C_i 为第 $i$ 种地类碳密度（t·hm^-2）；C_i_-above为第i种地类地上生物碳密度（t·hm^-2）；C_i_-below为第i种地类地下生物碳密度（t·hm^-2）；C_i_-dead为第i种地类死亡有机质碳密度（t·hm^-2）；C_i_-soil为第i种地类土壤有机质碳密度（t·hm^-2）
土壤保持（SC）	运用改进的通用流失方程RUSLE来评估该流域的土壤保持能力，模型参数设置参考模型帮助文件和前期研究,计算原理如下^[21]： $X = R × K × L S × 1 - C × P$	式中： $X$ 为单位面积土壤保持量(t·hm^-2); $R$ 为降雨侵蚀性因子 $; K$ 为土壤可蚀性因子;LS为坡长坡度因子; $C$ 和 $P$ 分别为植被与作物管理因子和水土保持因子
生境质量（HQ）	结合研究区土地覆被图，提取5种威胁源(农田、建设用地、裸地、公路和铁路)对生境的影响展开生境质量评价。模型参数设置参考模型帮助文件和前期研究,计算原理如下^[22-23]： $Q x = H x 1 - D x z D x z + k z$	式中： $Q x$ 为土地利用类型中栅格 $x$ 的生境质量指数; $H x$ 为土地利用 $x$ 的生境属性 $; z$ 为归一化指数 $; k$ 为半饱和常数; $D x z$ 为土地利用类型中栅格 $x$ 的生境退化度

表2 生态系统服务功能评估方法

Table 2 Evaluation methods for ecosystem service functions

类别	方法	备注
产水量（WC）	参数设置参考相关研究，模型计算公式如下^[18-19]： $Y x = 1 - A E T x P x × P x$	式中: $Y x$ 为栅格单元 $x$ 的年产水量(mm);AET(x)为栅格单元 $x$ 的年实际蒸散量(mm $); P x$ 为栅格单元 $x$ 的年降水量(mm)
碳储量（CS）	简化碳循环过程，以每种土地利用类型为单元确定地上、地下、土壤和死亡有机质碳密度，根据不同土地利用类型计算平均碳密度，再用各土地利用类型面积乘以碳密度并求和得到碳总量，碳密度计算公式如下^[20]： $C i = C i - a b o v e + C i - b e l o w + C i - d e a d + C i - s o i l$	式中:C_i 为第 $i$ 种地类碳密度（t·hm^-2）；C_i_-above为第i种地类地上生物碳密度（t·hm^-2）；C_i_-below为第i种地类地下生物碳密度（t·hm^-2）；C_i_-dead为第i种地类死亡有机质碳密度（t·hm^-2）；C_i_-soil为第i种地类土壤有机质碳密度（t·hm^-2）
土壤保持（SC）	运用改进的通用流失方程RUSLE来评估该流域的土壤保持能力，模型参数设置参考模型帮助文件和前期研究,计算原理如下^[21]： $X = R × K × L S × 1 - C × P$	式中： $X$ 为单位面积土壤保持量(t·hm^-2); $R$ 为降雨侵蚀性因子 $; K$ 为土壤可蚀性因子;LS为坡长坡度因子; $C$ 和 $P$ 分别为植被与作物管理因子和水土保持因子
生境质量（HQ）	结合研究区土地覆被图，提取5种威胁源(农田、建设用地、裸地、公路和铁路)对生境的影响展开生境质量评价。模型参数设置参考模型帮助文件和前期研究,计算原理如下^[22-23]： $Q x = H x 1 - D x z D x z + k z$	式中： $Q x$ 为土地利用类型中栅格 $x$ 的生境质量指数; $H x$ 为土地利用 $x$ 的生境属性 $; z$ 为归一化指数 $; k$ 为半饱和常数; $D x z$ 为土地利用类型中栅格 $x$ 的生境退化度

图2 生态系统服务时空变化注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：京S（2023）063号）制作，底图边界无修改

Fig.2 Temporal and spatial changes of ecosystem services

图3 研究区不同地类单位面积生态系统服务均值

Fig.3 Mean values of ecosystem services per unit area of different land use types in the study area

图4 研究区不同地类各生态系统服务总量

Fig.4 Total ecosystem services of different land use types in the study area

图5 生态系统服务相关系数

Fig.5 Ecosystem services correlation diagram

图6 生态系统服务地理加权回归分析注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：京S（2023）063号）制作，底图边界无修改

Fig.6 Geographical weighted regression analysis of ecosystem services

表3 单因子探测结果

Table 3 Single-factor detection results

影响因子	碳储量-产水量		土壤保持-产水量		土壤保持-碳储量		生境质量-产水量		碳储量-生境质量		土壤保持-生境质量
影响因子	q值	排序	q值	排序	q值	排序	q值	排序	q值	排序	q值	排序
高程（X₁）	0.792	2	0.732	1	0.369	3	0.846	2	0.814	1	0.322	3
坡度（X₂）	0.587	6	0.157	6	0.267	7	0.581	7	0.243	9	0.214	7
坡向（X₃）	0.182	10	0.063	10	0.049	10	0.113	10	0.132	10	0.036	10
年均气温（X₄）	0.447	9	0.191	5	0.181	9	0.437	9	0.301	7	0.199	9
年降水量（X₅）	0.753	3	0.314	3	0.535	2	0.768	3	0.451	3	0.457	2
人口密度（X₆）	0.619	5	0.115	8	0.313	6	0.647	5	0.341	5	0.233	6
地区生产总值（X₇）	0.563	7	0.103	9	0.235	8	0.635	6	0.326	6	0.211	8
植被覆盖度（X₈）	0.529	8	0.136	7	0.384	4	0.579	8	0.286	8	0.245	5
夜间灯光指数（X₉）	0.715	4	0.288	4	0.381	5	0.754	4	0.433	4	0.314	4
年蒸散发（X₁₀）	0.836	1	0.588	2	0.826	1	0.912	1	0.795	2	0.778	1

图7 交互因子探测结果

Fig.7 Interaction factor detection results

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