關中-天水經濟區生態系統服務權衡與協同關系

李　晶, 李紅艷, 張　良

1 陜西師范大學旅游與環境學院, 西安　710062 2 武漢大學測繪學院, 武漢　 430079

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關中-天水經濟區生態系統服務權衡與協同關系

李晶1,*, 李紅艷1, 張良2

1 陜西師范大學旅游與環境學院, 西安710062 2 武漢大學測繪學院, 武漢 430079

摘要:陸地表層植被作為生態系統主體，具有調節氣候、水文調節、凈化水質、保持水土等生態系統服務。理解生態系統服務權衡與協同的表現類型、形成機理、尺度依存和區域差異，對于制定區域發展與生態保護“雙贏”的政策措施具有重要意義。以關天經濟區為主要研究對象，利用相關模型，計算關天經濟區生態系統NPP，固碳釋氧，水文調節，水土保持，糧食生產等生態系統服務價值，利用ESCI和ESSI兩個指數研究其生態系統服務價值時空變化，利用相關系數和空間制圖的方法研究它們之間的相互權衡協同關系。結果表明：從時間角度分析，各項生態服務價值都呈現逐漸增加的趨勢；從空間角度分析，2000年和2010年存在相似的空間分布格局，從北向南，NPP和固碳釋氧的價值逐漸增大，水土保持價值變化量的大小也呈現不斷增加的趨勢，北部變化量小，南部變化量大，水文調節價值從西向東增大，從北向南增大，糧食生產價值量最小的是西安市市區，糧食生產價值量最大的是西安市的郊區和郊縣及咸陽市。2000年到2010年間，調節型生態系統服務與供給型生態系統服務之間存在著此消彼長的權衡關系；各個區縣的總生態服務價值指數從北向南、從西向東是不斷增大的。

關鍵詞：關中-天水經濟區；生態服務價值；相互關系；協同

生態系統服務是指生態系統所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用，為人類直接或間接從生態系統得到的所有收益[1- 2]。陸地表層植被作為生態系統(本文主要研究林地、草地、耕地以及農田)的主體，具有調節氣候、水文調節、凈化水質、保持水土等生態系統服務。由于生態系統服務具有種類多樣性、空間分布不均衡性以及人類使用選擇性等特點，生態系統服務之間具有此消彼長的權衡、相互增益的協同等關系形式[3- 10]。不同生態系統服務存在明顯沖突，人類在追求經濟利益的過程中，由于應用不當，使得供給服務上升，而調節功能卻下降，原來的生態平衡被破壞，生態系統調節服務受到嚴重限制，最終危害人類的生態環境。因此，解決各種生態服務的沖突刻不容緩[4]。理解生態系統服務權衡與協同的表現類型、形成機理、尺度依存和區域差異，對于制定區域發展與生態保護“雙贏”的政策措施，指導人來合理開發利用自然資源具有重要意義[11- 16]。國外一些學者對此進行了一些探索，Bennett等認為生態系統服務間的復雜關系歸于兩個原因：一是多重生態系統服務受共通因素驅動；二是生態系統服務本身之間存在著復雜的相互作用[17]。Raudsepp-Hearne通過分析不同生態系統服務的空間格局，提出了“生態系統服務簇”的思路來分析生態系統服務之間的關系[18]；Barbier等研究表明芒果林與海岸帶保護、林產品、魚類的生境等存在著權衡關系[19]；Pretty等通過分析280個小規模農業生產投資案例，發現某些農業生產活動可同時提供多項生態系統服務功能如碳固定、水質提高和水平衡等[20]。Bryan 的研究發現，市場激勵政策和措施可通過土地利用的傳導作用最終影響生態系統服務的權衡與協同[21]。Martín-López 等通過一項3379份的面對面問卷調查表明，隨著人類對生態系統服務的選擇性加強，利用強度不斷加大，生態系統服務間的此消彼長的權衡現象會越來越普遍[22]。Chen等以中國2000年土地利用數據為基準，利用CLUE模型和情景分析法分析森林、草地和濕地生態系統服務變化[23]。Bai 等應用InVEST模型分析了河北白洋淀地區農業生產、水電生產和水質量維持3種生態系統服務的權衡關系，并尋找出兼顧生態與經濟發展的土地利用方案[24]。Su等以黃土高原延河流域為案例區，以鄉為單位構建了人類活動指數(HAI)，并分析了這一指數與初級生產力、碳匯、產氧量、水土保持等生態系統服務之間的關系[25]。這些研究在此方面已經取得一些成績，但是生態系統服務權衡與協同的尺度依存和區域差異研究還很薄弱。基于此，本文以關中-天水經濟區為主要研究對象，利用相關模型，計算關天經濟區生態系統凈第一性生產力(NPP)，固碳釋氧，水文調節，水土保持，糧食生產等生態系統服務。為了更好的表現生態系統服務的時間變化，參考土地利用的時空變化指數方法，本研究構建生態服務變化指數(ESCI)和生態服務指數(ESSI)來表征生態系統服務的時空變化狀態。利用相關系數和空間制圖的方法最后評估他們之間的相互權衡協同關系。

1材料與方法

1.1研究區概況

關中-天水經濟區是《西部大開發“十一五”規劃》提出的繼成渝經濟區和廣西北部灣經濟區之后的第三個重點發展經濟區，地跨陜西、甘肅兩省，具體有陜西的西安、寶雞、銅川、渭南、咸陽、楊凌、商洛(部分區縣)和甘肅天水所轄行政區(共65個縣區市)，總面積約8.01萬km2(圖1)。關天水經濟區地勢特點西高東低，并呈“槽狀”，中部低，南部和北部高，由東部的關中平原和西部天水的渭河谷地及黃土丘陵三部分構成。關天經濟區的人口從2000年的2258萬增長到了2010年的2924萬人，增長了29.5%，耕地面積先減少后增加，整體來看略有增長，增長了0.76%，10年中并沒有發生太大的變化。

圖1　關天經濟區位置圖Fig.1　Location of Guanzhong-Tianshui economic region

1.2數據來源

本文主要應用1956—2011年逐月實測的降水量、濕度、溫度等氣象數據、水文數據、數字高程數據DEM、統計數據，還有野外實地考察獲得的植被、水文、土壤分布、地形地貌、土地利用和退耕還林實施情況等資料；還包括8個氣象站點的經緯度、高程信息；本研究中選用的影像資料包括Landsat TM、Landsat ETM+和SPOT4衛星遙感數據。運用ERDAS 9.2軟件，對影像進行解譯，得到1∶10萬的土地利用類型空間分布圖和土地利用類型的屬性數據庫。

1.3測評模型

1.3.1生態服務價值的計算

本文主要采用傳統的方法對關天經濟區的生態服務進行計算，根據MA的分類體系[26-27]，將其分為兩類，其中NPP、固碳釋氧、水文調節和水土保持為調節型生態服務功能，糧食生產為供給型生態服務功能。

(1)凈第一性生產的測算

本研究采用由Potter[14,28]提出并建立的CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型。模型的主要輸入參數包括：平均溫度、蒸散量、日照時數、植被指數、反照率、植被類型、像元經緯度信息等。遙感估算模型中植被NPP可以由植被吸收的光合有效輻射(APAR)和實際光能利用率(ε)兩個因子的積表示，具體模型如下：

(2)固碳釋氧價值測評模型

在生態系統中，植物進行光合作用，吸收二氧化碳并釋放氧氣。基于光合作用公式和NPP的計算結果，每生產1.00 kg干物質能固定1.63 kg的CO2，釋放1.2 kg的O2。根據李金昌[29]等人的研究成果，估算固定CO2的價值采用造林成本法。估算固碳釋氧的價值時采用中國造林成本352.93元/t和工業制氧成本0.4元/kg的平均值。

(3)水文調節的測評模型

生態系統的水源涵養功能是通過對降水的截留、蒸散、吸持、儲存來實現的，包括冠層截留、枯落物吸持、土壤蓄水3個部分，植被蓄水能力是這三部分之和，又稱綜合蓄水能力法。根據前人的研究成果[30- 32]和關天經濟區地形地貌特征，計算關天經濟區的生態系統的水文調節物質量。因此本文采用基于替代水利工程的影子價格法[15- 18]來計算水文調節的價值量，其計算公式為:

式中，V為農田生態系統水文調節價值，Q為植被水文調節的總物質量，Qg為某種替代工程的水容量，Vg為替代水利工程的價值，l為發展階段系數(中國生態價值發展階段系數為0.2175—0.4257[30- 32])。

(4)水土保持的測評模型

土壤保持的服務效益主要體現在減少土地廢棄，減少土壤肥力，減少泥沙淤積和減少風沙災害4 個方面，根據研究區域的實際情況以及數據的可獲取性，本文通過土壤侵蝕量的計算，從減少土地廢棄價值、減少土壤肥力損失價值和減少泥沙淤積損失價值3 個指標來計算各土地利用類型的水土保持價值以及水土保持總價值[30- 33]。本文土壤侵蝕量通過土壤流失方程USLE 進行估算，需要通過降雨因子、地表覆蓋因子、土壤侵蝕性因子、水土保持措施因子、地形因子以及土地利用類型來計算。

減少泥沙淤積損失價值公式：

En=Ac×Rs×Cs

減少土地廢棄價值公式：

ES=AC×B÷P÷0.6

減少土壤肥力損失價值公式：

Ef=∑ACCiPi

式中,Es為減少土地廢棄的經濟效益(元 m-2a-1)；B為林業年均收益；P為土壤容重(t/m3)；Ac為土壤侵蝕量；Ci為土壤中氮、磷、鉀的純含量；Pi為氮、磷、鉀的價格；Rs為淤積于水庫、江河、湖泊中的泥沙占土壤總侵蝕量的比例，這里取我國平均值24%；Cs為平均庫容工程費(元/m3)。

(5)糧食產量價值測評模型

本研究用單位面積上糧食產量的價值來表征糧食生產的服務能力。糧食產量的測評所需數據主要來源于陜西省統計年鑒和國家公布的糧食單價，再計算出各縣級單位面積的糧食產量價值，之后將其轉換成柵格。

1.3.2生態服務價值時間變化模型

為了評估生態服務價值的時間變化，本研究采用生態系統服務變化指數(Ecological Services Change Index, ESCI)和生態服務指數(Ecological Services State Index, ESSI)來進行評估。每一種生態系統服務指數表明了不同的情況，ESCI提供生態服務時間變化的洞察力，ESSI提供對所有生態服務功能積累的評價。必須指出的是，ESCI方法能鑒別某種特定生態服務變化的方向，ESSI不能。ESSI的目的是提供所有生態服務功能的一種整體評價。

式中,ESCIx代表某種功能的生態服務價值變化指數，ESCURx代表最后狀態下的生態服務價值，ESHISx代表最初狀態下的生態服務價值。

式中，ESSIx代表生態服務的指數，n代表生態服務功能數目。

ESCI代表每個單個生態服務的相對增益或損失，然而對于某一個區域所有生態服務功能的積累狀態是一個無量綱的方法。ESCI的0值表明生態服務價值沒有變化，即沒有增益或損失。ESCI為<0的情況下，表明生態服務的損失情況超過了參照標準。ESCI為>0的情況下，表明生態服務處于增益的狀態。

1.3.3權衡與協同關系研究方法

本研究以關天經濟區的行政區劃為基準，以ArcGIS為平臺，建立1 km×1 km的網格數據(fishnet)，再利用空間統計工具統計出網格中每一個網格(以ID識別)的價值。以每個網格的生態系統服務為數據源，將生態服務價值進行歸一化，然后計算出各區域的總生態服務指數。以SPSS軟件為支持，對五種生態系統服務進行相關分析，從而得到NPP、固碳釋氧、水文調節、水土保持和糧食生產之間的相關性。

2結果分析

2.1生態服務價值變化分析

在研究中，2005年和2010年數據作為最后生態系統服務狀況，2000年數據作為最初生態系統服務狀況。圖2表示每種生態服務功能從2000年到2005年和2000年到2010年的生態服務價值的損失或收益情況。NPP和固碳釋氧有著相同的變化趨勢，從圖中明顯可以看出，關天經濟區的西部或西北部地區的ESCI值大于0，NPP和固碳釋氧價值增加較多，東部地區ESCI值小于0，說明東部地區NPP和固碳釋氧價值量有所損失；水土保持的變化沒有特殊的規律，2000年到2005年，水土保持主要是表現為價值的增益，其中，西部天水地區增益較明顯，中部西安地區增益量較少，2000年到2010年，水土保持價值主要是增益的狀態，西部和西南部增益較多，中部地區增益較少；2000年到2005年，關天經濟區大部分水源涵養的價值量并沒有發生增益或損失，而2000年到2010年，其東部水源涵養的價值量有明顯的增益，西部地區有部分區域有價值損失，其他地區并沒有什么變化；2000年到2005年和2000年到2010年，糧食生產價值的ESCI指數分布情況相似，除了西安城區的價值量有損失外，其他區域均有增益。圖3表示考慮所有生態服務功能在內，生態系統服務價值的增益或損失情況。從圖中可以看出，生態系統服務指數天水市較大，由西向東越來越小的趨勢。也就是說天水地區的生態服務價值增益量最大，從西向東，增益量越來越少，只有西安城區部分出現損失。

圖2　ESCI空間分布圖Fig.2　the distribution of ESCI

圖3　ESSI空間分布圖Fig.3　 ESSI figure in 2005,2010

2.2生態服務價值之間的權衡與協同關系

2.2.1生態服務功能的相互關系

以每個網格的生態系統服務為基礎，將其進行歸一化，將2000年和2010年生態系統服務價值數據進行柵格相減，得到每個格網的生態系統服務變化量。格網數為19214。以SPSS軟件為支持，對五種生態系統服務進行相關分析，從而得到NPP、固碳釋氧、水文調節、水土保持和糧食生產之間的相關性(表1)。固碳釋氧、水文調節、水土保持等調節型生態系統服務與糧食生產供給型生態系統服務之間存在負相關，具有此消彼長的權衡關系。固碳釋氧、水土保持與水源涵養它們之間具有一定的正相關性，相關系數較高，具有協同的關系；生態環境的改善，會使得固碳釋氧、水文調節、水土保持等生態系統服務增長迅速，可能會造成糧食生產的下降。

表1　2000—2010年關天經濟區生態系統服務價值間關系

**0.01水平上顯著相關(雙尾);*0.05水平上顯著相關(雙尾)

2.2.2生態服務功能相互關系的空間差異

以關天經濟區的各個市級，區縣為基礎，計算出各區域的總生態系統服務指數。得出2000年，2005年和2010年各個市級，縣域各生態系統服務相互關系的空間差異(圖4)。從圖4可以看出，寶雞市的各項生態系統服務都比較突出，其次是渭南，咸陽和西安，楊凌區由于面積比較小，因此生態系統服務功能是最小的。從2000年到2010年，生態系統服務之間存在著權衡和協同關系，調節型生態系統服務(NPP、固碳釋氧、水文調節、水土保持)之間明顯的協同關系，而調節型生態系統服務和供給型生態系統服務之間存在著明顯的此消彼長的權衡關系，尤以寶雞市突出。從空間分布上看，總生態系統服務指數從北向南、從西向東是不斷增大的，北部的市縣的生態系統服務指數明顯小于南部臨近秦嶺的市縣，西部市縣的生態系統服務指數小于東部，關天經濟區中部地段供給型生態系統服務較強于其他區域，糧食生產所占比重較大。從時間上看，2000年到2010年總生態服務指數呈現增大的趨勢，部分地區略有減小，主要為天水和銅川一帶，秦嶺太白山一帶并沒有發生大的變化。

圖4　市級生態系統服務功能關系圖Fig.4　Interaction of ecosystem services in city scale

經過對全區各縣總的生態系統服務指數的計算中，2000年，調節型生態系統服務指數最高的是鳳縣，最低的是甘谷縣，供給型生態服務指數最高的是高陵縣，最低的是太白縣。2010年，調節型生態服務指數最高的是鳳縣，最低的是甘谷縣，供給型生態系統服務指數最高的是咸陽市，最低的是太白縣。因此，將其8個典型區縣進行分析生態系統服務相互關系模式。從圖5中可以看出，2000年，鳳縣調節型生態服務指數最高，其中NPP和固碳釋氧值為1，但糧食生產的值很小，為0.0057，高陵縣糧食生產指數最高，為1，但其調節型生態服務指數較低；2010年存在同樣的規律。也就是說，當調節型生態系統服務呈現增強的態勢時，供給型生態系統服務則呈現削弱的態勢，調節型生態系統服務與供給型生態系統服務呈現強烈此消彼長權衡態勢。

圖5　2000、2010年關天經濟區主要縣區生態服務相互關系模式Fig.5　Interaction patterns of ecosystem services in mainly region in 2000 and 2010

3討論

生態系統服務價值的計算采用了傳統和國內比較通用的研究方法，與同行相關成果進行對比，得到比較可信的研究結果。但是一些模型也具有一些不確定性，比如影子工程法水庫的選取。糧食產量數據主要來源于統計年鑒的數據，具有區域限制。對生態系統服務相互關系的分析采用了SPSS相關分析法和生態系統服務指數進行分析。本文對生態系統服務權衡與協同的關系進行了市域和縣域尺度空間差異研究。從全區64個縣來看，大部分的縣域都符合此消彼長的權衡規律，只有楊凌區，調節型生態系統服務指數與供給型生態系統服務指數相差不大。這與楊陵區國家農業示范區，有著良好的農業條件有著密切關系。因此選取了每個年份調節型和供給型最高和最低的縣域進行分析，對結論進行了證實。通過權衡生態系統服務的各種目標在一定程度上減緩沖突的發生，使生態系統服務的總體效益達到最大。一些環境保護政策，會使得固碳釋氧、水文調節、水土保持等生態系統服務功能增長迅速，可能會造成糧食生產的下降。因此從國家糧食安全角度，關天經濟區的耕地面積應該保持一定規模，尤其它是主要的糧食產區，面積不宜縮小。由政府安排農民的生活和就業問題，給予足夠的補償；在提高生態系統服務方面，盡量是保護區集中、連續、發揮最大生態系統服務效益。對于已經開墾的耕地，通過改造中低產田，利用邊際土地，改進農業設施等措施提高糧食產量，保障糧食供給[1]。目前我們對于權衡與協同的研究還是基于統計關系的數量分析，今后主要從機制和機理方面對生態系統服務動態變化的影響進行研究。

4結論

本研究利用了傳統方法對NPP、固碳釋氧、水文調節、水土保持和糧食生產的服務價值進行了計算，并對2000年到2010年價值的變化進行了比較，最后通過相關系數來判斷他們之間的相互關系。本研究構建生態服務變化指數(ESCI)和生態服務指數(ESSI)來表征生態系統服務的時空變化狀態。利用相關系數和空間制圖的方法最后評估他們之間的相互權衡協同關系。通過研究我們可知，調節型生態系統服務價值的空間分布格局有一定的相似之處，南部的價值明顯多于北部；而供給型生態系統服務價值由中部到邊緣不斷減小。從總體上看，2000年到2010年生態服務價值是呈現增大的趨勢。從相關性方面看，水土保持與水文調節具有一定的相關性，呈現正相關，相關系數較高。從生態系統服務價值空間格局看，調節型生態服務與供給型生態系統服務呈現明顯的此消彼長權衡現象。

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Ecosystem service trade-offs in the Guanzhong-Tianshui economic region of China

LI Jing1,*,LI Hongyan1, ZHANG Liang2

1CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,China2SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

Abstract：The Millennium Ecosystem Assessment (MEA) has highlighted the dependence of human well-being on ecosystem services. In recent studies, the links between nature and the economy are often described using the concept of ecosystem services, which is the flow of value, measured as the quantity of natural resources, to human societies. Natural ecosystems provide society with important goods and services. With the rapid increase in human population and the excessive utilization of natural resources, humans frequently enhance the production of some services at the expense of others. Although the need for trade-offs between conservation and development is urgent, the lack of efficient methods to assess such trade-offs has impeded progress. This study focused on the evaluation of ecosystem services under different land use practices in the Guanzhong-Tianshui economic region of China using indices such as the ecosystem services change index (ESCI) and ecological service status index (ESSI). GIS-based techniques were used to map spatial and temporal distributions as well as the changes in ecosystem services. Research on the trade-offs and synergies between these ecosystem services were based on a correlation rate model and on distribution mapping. The results of the study show that (1) the ESCI value of Net Primary Productivity (NPP) and carbon sequestration increased in the western or northwestern regions of the area under study, while there was a loss of NPP and carbon sequestration in the eastern region. The water conservation value in the eastern region significantly increased, whereas it decreased in the western part. The other areas show no change. There was a gain in agricultural production in all regions, except Xi′an city. The ESSI value was the largest in Tianshui City, and showed a decreasing trend from west to east. (2) All of these services show trade-offs and synergy. Carbon sequestration was based on the NPP value, so the correlation coefficient was 1. The spatial pattern of soil conservation and water conservation were similar, so they have a higher correlation coefficient. Lastly, (3) ecological service was prominent in Baoji City, followed by the cities of Weinan, Xianyang, and Xi′an. Supporting ecological services were the highest in Fengxian County, followed by the counties of Zha Shui, Taibai, and Hua Yin. In contrast, supporting ecological services were the lowest in Gan Gu County, followed by the counties of Da Li and Qin An. Provisioning ecological services were high with the highest being in Fengxian County followed by Xian Yang City, and lowest in Taibai County. Looking at the spatial distribution, the total ecosystem services index increases from north to south and from west to east. The indexes for the cities and counties in the north were significantly lower than for those near the southern Qinling Mountains; therefore, the index was lower for the western part than for the eastern part. Provisioning ecological services, of which agricultural production accounts for a large proportion in the central area, was stronger than in the other areas. From 2000 to 2010, the total index of ecological services increased, although there was a slight decrease in some areas, mainly in the cities of Tianshui and Tongchuan. The Qinling-Taibai mountain region did not register any significant changes. From 2000 to 2010, all of these services presented trade-offs and synergy, especially in Baoji City. The supporting ecosystem services index in Fengxian County was the highest and had a NPP and carbon sequestration of 1, but agricultural production was very small at 0.0057. The food production index was the highest at 1, but the supporting ecosystem services index was low. This study suggests that the evaluation and visualization of ecosystem services could effectively assist in understanding the trade-offs between conservation and development. The results have implications for the planning and monitoring, which can be integrated into land use decision-making, of the future management of natural capital and ecosystem services.

Key Words:Guanzhong-Tianshui economic zone; ecological service value; relationship; trade-offs

基金項目:國家自然科學基金項目(41371020)；中央高校特別支持項目(GK2015020210)

收稿日期:2014- 08- 26; 網絡出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: lijing@snnu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201408261688

李晶, 李紅艷 張良.關中-天水經濟區生態系統服務權衡與協同關系.生態學報,2016,36(10):3053- 3062.

Li J,Li H Y, Zhang L.Ecosystem service trade-offs in the Guanzhong-Tianshui economic region of China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):3053- 3062.