孫藝杰,任志遠,郝夢雅,段藝芳
陜西師范大學地理科學與旅游學院, 西安 710119
生態系統服務是指生態系統所形成和維持人類賴以生存和發展的自然環境條件與效用[1],為人類直接或間接從生態系統得到的所有效益[2]。MA千年生態系統評估將生態系統服務劃分為四大類,包括植被凈初級生產力、養分循環等支持服務,糧食生產、產水等供給服務,水源涵養、土壤保持等調節服務以及休閑娛樂、社會活動等文化服務[3]。各類生態系統服務并不是獨立的,而是相互影響的,往往表現為此消彼長的權衡關系和相互增益的協同關系[4],通過分析各類生態系統服務之間的相關關系,進一步揭示生態服務之間的潛在聯系及驅動因子,從而為提高人類福祉提供更多的參考依據。目前多種生態系統服務之間的相關關系已經成為生態系統服務研究的熱點,國內外學者對于生態系統服務權衡與協同關系進行了深入研究,包括定義、類型、時間變化與空間尺度效應、研究方法、驅動機制、研究意義以及相應措施等[5-12]。Cord等[13]系統闡述了生態系統服務權衡與協同的主要概念、研究方法和發展方向,針對識別和分辨生態系統服務的共時性、驅動因素、多功能服務的限制性以及生態規劃、管理和決策等提出了不同建議,并強調了目前仍需要解決的關鍵問題;Richards[14]探究了熱帶城市沿海地區生態系統服務與未來城市發展之間的權衡關系,采用帕累托曲線分析生境質量與各生態指標之間的權衡與協同關系;Michael等[15]對澳大利亞2050年農業生產和土地利用進行了情景預測分析,研究在生產效率提高、資源退化不足、溫室氣體減排以及全球需求不斷變化的條件下,土地利用類型變化與農業總產值的時空變化趨勢;Adams等[16]在定義情景目標和評估已有情景的基礎上,結合決策利益偏好規劃設計情景,實現土地資源利用和社會環境的優化配置;Trodahl等[17]基于LUCI模塊,研究新西蘭富饒海灣水質與農業生產力之間的權衡與協同關系;Tolessa等[18]探究了1973—2015年埃塞俄比亞中部高原地區土地利用與土地覆蓋變化對生態系統服務的影響,結果表明森林覆蓋面積減少會導致生態系統服務價值降低,主要表現為營養循環、原材料供給和侵蝕控制等生態系統服務;彭建等[19]對生態系統服務權衡的研究進展進行了系統梳理,闡述了生態系統服務權衡的時空變化特征,提出生態系統權衡的最終目標是滿足人類福祉,將生態補償作為權衡決策的基本保障途徑,并且認為生態系統服務權衡多尺度關聯、生態系統服務流與遠程耦合、生態系統服務消費與生態補償是生態系統服務權衡研究的重點;戴爾阜等[20]基于前人研究,進一步探討了未來生態系統權衡與協同的發展趨勢及研究內容,包括評估優化、量化模型等;傅伯杰等[21]探索了生態系統服務權衡及區域集成方法,分析土地利用變化與生態系統服務的關系;Li等[22]對水生態系統服務的空間流動進行了模擬,通過淡水生態安全綜合評價指數來評估區域水資源安全情況,將淡水服務供給、消費與流動相結合,研究發現北京-天津-河北區域淡水生態服務安全主要受上游水流動的影響,定量表達了淡水生態系統服務供給與淡水生態系統消耗之間的關系以及淡水生態系統服務流量對下游的影響。盡管目前生態系統服務權衡與協同研究已取得了豐碩的成果[23- 27],但同時也存在一些問題和局限,例如:權衡與協同研究多基于統計關系的數量分析,缺乏長時間序列生態服務相關關系的動態趨勢變化分析,以及區域內部空間差異表達[28];生態服務沖突驅動機制缺乏體系化研究,尤其在不同時空尺度下自然或人為活動對生態服務動態變化的影響分析。
本文以黃土高原典型區延安市為例,基于柵格尺度和區縣尺度,綜合土地利用、植被、土壤類型、氣象等多源數據,測評1993—2013年延安市4種生態系統服務價值量(植被凈初級生產力、土壤保持、水源涵養和食物供給),基于R語言的相關分析函數探討生態服務之間的權衡與協同關系,然后采用逐像元偏相關空間統計方法分析權衡與協同的時空演變規律,最后從退耕還林政策以及地形坡度角度來分析其動態變化的影響因素,進一步揭示在不同政策管理和激勵措施下,特定區域在不同土地利用和生產方式下生態系統服務權衡與協同關系的動態變化特征,為不同區域制定合理的土地管理決策提供依據,從而實現黃土高原地區生態經濟的和諧發展。
黃土高原地處我國中部,包括青海省、甘肅省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區、陜西省、山西省、河南省等7個省份和自治區(圖1),地處半干旱半濕潤氣候帶,水土流失嚴重,生態環境脆弱。延安市位于黃土高原中南部(圖2),緯度位置為35°21′—37°31′N,107°41′—110°31′E之間,屬于溫帶季風氣候,降雨多集中在7、8月份,占全年總降水量的57%,最高溫可到達39.7℃。延安市擁有豐富的礦產資源,其中煤炭、石油、天然氣為本地的工業發展提供了堅實的基礎和優越的條件。資源大規模開發的同時也帶來了很多生態環境問題,人類長期不合理的開發利用,導致原本脆弱的生態環境日趨惡化。

圖1 研究區概況Fig.1 Study area

圖2 延安市退耕還林空間分布圖Fig.2 The distribution of Grain-for-Green Programme in Yanan
本文主要研究數據包括遙感數據、氣象數據、DEM數據、土壤數據以及各類社會經濟數據等:①遙感數據,下載自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)的Landsat5和Landsat8 TM影像,空間分辨率為30m;②氣象數據,降水、溫度、日照時數等來源于中國氣象科學數據共享網(http://data.cma.cn/);③DEM數據,同樣從地理空間數據云下載,空間分辨率為30m;④土壤數據,采用中國國家科學院1∶100萬土壤及植被類型數據集;⑤社會經濟數據,來源于1993—2013年《延安市統計年鑒》、《延川縣統計年鑒》、《宜川縣統計年鑒》等;⑥其余行政區域、道路、水系等矢量數據,來自國家基礎地理數據庫。
植被凈初級生產力(NPP)是反映生態系統服務功能的一個重要指標,作為碳循環的關鍵要素,它反映了氣候、環境以及人類活動對植被的綜合作用[29]。本文采用光能利用CASA模型對NPP進行估算,具體模型如下[30- 31]:
NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)
(1)
式中,NPP(x,t)表示像元x在t時間內的凈初級生產力(g C m-2);APAR(x,t)和ε(x,t)分別表示像元x在時間t內吸收的光合有效輻射(MJ/m2)和實際光能利用率(g C MJ-1)。
基于NPP物質量,利用能量固定替換法計算其價值量[32],計算公式如下:
(2)
式中,V為NPP價值量(元);A為NPP物質量(t C hm-2a-1);B為標準煤系數,取1;P為單位標準煤價格(元/t),取345.5元/t;Q1表示干重折合熱量,取6.7 KJ/g;Q2為標準煤折合熱量,取10 KJ/g。
通過RUSLE模型估算延安市土壤保持量,該模型適用范圍廣,操作性強,具體公式如下[33]:
Am=R×K×C×LS×P
(3)
Ap=LS×K×R
(4)
Ac=Ap-Am
(5)
式中,Am為平均實際土壤流失量(t hm-2a-1),Ap為平均潛在土壤流失量(t hm-2a-1),Ac為平均土壤保持量(t hm-2a-1);R為降水侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1);K為土壤侵蝕因子(t h MJ-1mm-1);L為坡長因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為土壤保持措施因子。各因子的詳細計算模型參考文獻[34- 37]。
土壤保持價值量由保持土壤肥力價值量、減少土地廢棄價值量和減少淤積損失價值量得到,具體計算公式如下:
Ef=Mf×Si×PiEo=Mo×So×P
(6)
E=S×BS=Z×100/(h×ρ)
(7)
Ey=Z×24%×Py
(8)
式中,Ef為土壤保持氮、磷、鉀養分價值量(元/hm2),Eo為土壤保持有機質價值量(元/hm2),E為減少土地廢棄價值量(元/hm2),Ey為減少土壤淤積價值量(元/hm2),Mf為氮、磷、鉀保持量(t/hm2),Si為氮、磷、鉀轉換為化肥的系數,Pi為氮、磷、鉀肥料價格(元/t),Mo為有機質物質量(t/hm2),P為木材機會成本(元/t),So為木材轉為有機質系數,S為減少土地廢棄面積(hm2),B為土地機會成本(元/hm2),Z為土壤保持量(t/hm2),h為耕作層厚度(cm),β為土壤容重(g/cm3),Py為建設水庫費用(元/m3)。
本文采用綜合蓄水能力法來估算保水量,該方法考慮了林冠層、枯枝落葉層及土壤層的涵養水源,估算模型如下[38]:
Q=Q1+Q2+Q3
(9)
式中,Q為蓄水能力,Q1為林冠截留量,Q2為枯枝落葉吸持水分量,Q3為土壤最大持水量。
采用工程替代法估算涵養水源價值量:
(10)
式中,V為涵養水源價值量,Q為涵養水源物質量,Qg為替代生態系統某工程的水容量,Vg為替代工程的價值,L為發展階段系數。
食物供給服務是生態系統最基本、最直接的服務,它不僅滿足人類對食物的需求,而且還提供了木材、纖維等生產生活用品。本文結合土地利用和統計年鑒數據,測算研究區內各土地利用的食物總產值,實現食物供給的空間化。計算公式如下:
(11)
Gi=Ai×Ni
(12)
式中,Gi為研究區柵格所對應的食物i的總產值(元),Ai為各類食物i相對應的土地利用類型的面積(km2),Ni為食物i的單位面積產值(元/km2)。Fi為食物總產值,Si為各土地利用類型的總面積。其中,耕地面積對應種植業總產值,林地面積對應林業總產值,草地面積對應牧業總產值,水域面積對應漁業總產值。
生態系統服務具有復雜性和異質性,一種服務的變化會影響另一種服務甚至是多種服務的變化。因此,需要在排除不相關因素的基礎上分析兩兩生態服務之間的相關關系,即偏相關分析。這里我們考慮年降水量和NDVI對生態系統服務都有具有線性影響,所以通過消除這兩種因素來求NPP、水源涵養和食物供給三種生態系統服務兩兩之間的偏相關系數[39]。偏相關系數的計算過程是基于MATLAB軟件平臺實現,計算公式如下:
(1)計算相關系數
(13)
(2)計算一級偏相關系數:
(14)
(3)計算二級偏相關系數:
(15)
式中:ES1、ES2分別代表兩種生態系統服務;r代表兩類生態系統服務間的相關系數;i、j代表柵格中像元的行號和列號;n代表時間序列;r12(ij)代表年降水量與NDVI均發生變化時,ES1、ES2的相關系數,同理求得r13(ij)、r23(ij)、r14(ij)、r24(ij)、r34(ij);r12·3代表年降水量不變的情況下,兩種生態系統服務在像元ij上的一級偏相關系數;同理求得r14·3、r24·3;r12·34代表年降水量與NDVI不變的情況下,兩種生態系統服務在像元ij上的二級偏相關系數。通過t檢驗判斷兩種生態系統服務相關性的顯著性。若r>0,則表明兩類生態系統服務之間呈協同關系;若r<0,則表明兩類生態服務之間呈權衡關系,若r=0,則表明兩類生態服務之間無相關關系。
本文基于R語言的相關分析函數探究生態系統服務之間的權衡與協同關系,通過ArcGIS的Sample工具分別對1993—2013年延安市NPP、食物供給、水源涵養和土壤保持四種生態系統服務價值進行樣點采集,獲取點矢量圖層,然后利用Corrgram函數和Scatterplot Matrix函數,通過餅狀圖和散點矩陣圖表示各生態系統服務功能之間的相關性。在餅圖中,藍色表示正相關,紅色表示負相關,顏色越深說明兩個變量的相關性越大。圖中上三角單元格顏色的含義和下三角單元格相同,但相關程度的大小是由餅狀圖被填充的面積多少來表示的,相關性越大則填充的面積越多,正相關性從12點鐘處順時針方向填充餅圖,負相關則逆時針方向填充餅圖。在散點圖中,主對角線表示核密度曲線圖,主對角線下部橫軸則為軸須圖,其余圖形表示平滑擬合曲線,通過擬合曲線來顯示各類生態系統服務的相關關系及狀態。

圖3 1993—2013年延安市生態系統服務相關性餅狀圖 Fig.3 The Pie chart of correlation between ecosystem services in Yanan from 1993 to 2013
各類生態系統服務之間的相關性如餅圖所示(圖3),食物供給與土壤保持、水源涵養以及NPP均呈負相關,且食物供給與NPP的負相關程度較強,NPP與土壤保持、水源涵養之間均呈正相關,且水源涵養與NPP之間的正相關最強,其次土壤保持與水源涵養存在較為顯著的正相關。該時期生態服務之間的變化關系如散點圖所示(圖4),NPP與土壤保持、NPP與水源涵養、土壤保持與水源涵養之間都呈明顯隨之增加而增加的變化。結果表明,NPP與土壤保持、NPP與水源涵養、土壤保持與水源涵為協同關系;食物供給與NPP、土壤保持以及水源涵養為權衡關系。分析其成因可知,NPP、土壤保持和水源涵養價值較高的林草地區域,食物供給功能較弱;而食物供價功能較強的耕地區域,NPP、土壤保持和水源涵養服務較弱。

圖4 1993—2013年延安市生態系統服務相關性散點圖Fig.4 The Scatter plot of correlation between ecosystem services in Yanan from 1993 to 2013
以1993—2013年為時間序列,對延安市4種生態服務價值權衡與協同關系進行動態趨勢分析,結果如圖5所示,圖中相關系數均通過0.05顯著性檢驗。從圖中可以看出,延安市各類生態系統服務權衡與協同程度都發生了一定變化,以協同程度的動態變化最為明顯,波動幅度較大,整體呈下降趨勢。其中,NPP與水源涵養協同關系的波動幅度最大,遞減趨勢較為顯著,而NPP與土壤保持、土壤保持與水源涵養協同關系的下降幅度較小,兩者變化趨勢大致相同。NPP主要來源于森林覆蓋區域植被的有機物質量,而高植被覆蓋區域土壤保持價值量也較高,其次水源涵養主要受降水和土地覆蓋變化影響,平均價值量較高的區域為林地,因此三者之間具有較強的協同作用;另一方面,生態服務權衡程度波動幅度較小,呈現沖突不斷增加的趨勢,以水源涵養和食物供給權衡程度的增加最為明顯,而土壤保持與食物供給權衡關系波動幅度較小,呈現平穩增加趨勢。其次NPP與食物供給的沖突關系最為明顯,且不斷增加,由于食物供給價值量以耕種業、漁業和牧業為主,在耕地區域平均價值量較高,而NPP價值量較低,所以權衡程度較強。總之,20年來延安市生態系統服務整體表現為權衡加強協同減弱的趨勢。

圖5 1993—2013年延安市生態系統服務之間相關系數的動態變化Fig.5 The dynamic change of correlation coefficient between ecosystem services in Yanan from 1993 to 2013
退耕還林政策是通過對不宜耕種的土地進行有序的還林、還草等,以植被恢復為主,改變土地利用結構和方式,使耕地轉化為林地或草地,對該區域生態系統服務功能產生了一定的影響。因此,提取退耕還林區及非退耕還林區各類生態系統服務價值,分析其權衡與協同關系的動態變化(圖6),探討退耕還林政策對生態系統權衡與協同的影響。
從圖6中可以看出,退耕還林區與非退耕還林區NPP與土壤保持、NPP與水源涵養均呈協同關系。在2006年之前,非退耕還林區NPP和土壤保持的協同程度要大于退耕還林區,2006年之后情況與之相反,此外NPP與水源涵養在2005年前后也表現出相同的變化特征。從動態變化來看,協同關系總體呈現減弱趨勢,但退耕還林區協同減弱的趨勢明顯小于非退耕還林區,這表明退耕還林提高了生態服務的支持功能,伴隨NPP的增加土壤保持與水源涵養也不斷增加,彼此之間相互促進,協同關系不斷加強;非退耕還林區NPP與食物供給呈負相關,退耕還林區NPP與食物供給呈正相關,NPP隨著食物供給的增加而增加,由此可見隨著林地面積不斷增加,人類合理開發利用木材資源使得林業總產值增加,食物供給價值量不斷增加,導致NPP與食物供給同向增加;其次,土壤保持與水源涵養在退耕還林區均表現為協同關系,而非退耕還林區協同作用不斷下降并最終在2002年之后轉為沖突關系;土壤保持與食物供給、水源涵養與食物供給在退耕還林區與非退耕還林區相關性均為負值,即為權衡關系,但退耕還林區權衡程度更小,沖突關系較弱。從整體動態變化來看,退耕還林區大多呈現協同加強權衡減弱的趨勢,這與生態系統服務加強協同、減弱沖突的生態管理目標相符合,促進了生態環境的協調發展;而在非退耕還林區,存在生態服務沖突加強、協同減弱的現象。因此,降低人類社會對生態服務的干擾性,減少生態沖突的發生,對現在和未來生態系統服務權衡關系具有減弱作用,反映了退耕還林政策有利于實現自然環境和人類社會的協調發展。

圖6 延安市退耕還林區與非退耕還林區生態服務間相關系數動態變化圖Fig.6 The dynamic change of correlation coefficient between ecosystem services in Yanan of Grain-for-Green Program and non-Grain-for-Green Program
除了退耕還林等人為影響因子外,自然環境也是生態系統服務權衡與協同關系的重要影響因素,黃土高原具有典型的溝壑縱橫地貌形態,景觀差異較大,不同地形坡度下土地利用類型不同。因此,本文依據《土地利用現狀調查技術規程》分別提取≤2°、2°—6°、6°—15°、15°—25°、>25°地形坡度下NPP、水源涵養、食物供給價值量,分析各類生態系統服務在不同地形坡度下權衡與協同關系的動態變化。
從圖7可以看出,NPP與水源涵養的協同關系在坡度為2°—6°時最大,到2005年協同程度整體顯著下降,以6°—15°和15°—25°最為明顯,而坡度大于25°變化趨于穩定;NPP與食物供給的相關關系在不同坡度上較為復雜,既存在協同又存在權衡關系,坡度為2°—6°、6°—5°和15°—25°以權衡關系為主,其中坡度15°—25°地區矛盾沖突最大,且逐年增加。坡度為0°—2°和>25°以協同作用為主,>25°地區協同作用最為顯著,變化趨勢較為平穩;在圖7中,水源涵養與食物供給在坡度為15°—25°和0°—2°相關系數為負,矛盾沖突較大,權衡關系顯著。坡度為2°—6°和6°—15°地區相互作用基本一致,以協同為主,坡度>25°地區協同作用顯著,呈不斷上升狀態。通過以上研究可以看出,在坡度0°—2°、2°—6°和6°—15°地區生態服務之間相互作用基本保持穩定,對生態服務管理影響不大;坡度為15°—25°地區各類服務之間矛盾沖突顯著且不斷增強,這與該地區生態修復措施不適宜或執行不全面有關,坡度為15°—25°不屬于退耕還林政策范疇,但其地形傾斜程度較大,水土流失現象嚴重,由于修復管理政策和修復標準不統一,使得該地區成為生態修復盲區,生態環境問題突出;但在坡度>25°地區各類生態服務之間表現為同向發展,即同增或同減,且協同關系趨于穩定,這與該地區實行較好的生態措施有關,坡度大于25°地區不允許開墾農作物,已開墾地區要退耕還林還草,這也證實了上文關于退耕還林措施有利于生態系統服務協同作用增強的研究。

圖7 延安市不同地形坡度下各類生態系統服務間相關系數變化圖Fig.7 The dynamic change of correlation coefficient between ecosystem services in Yanan
本文以20年連續時間序列的NPP、水源涵養和食物供給價值量為基礎,基于像元尺度對其進行偏相關分析,對延安市生態系統服務間的權衡和協同關系進行空間差異分析(圖8)。在圖8中,NPP與水源涵養的協同關系較為顯著,空間上呈現北高南低的分布規律,在延安市北部以及中部地區協同關系較強,其中安塞縣最為顯著,其次是寶塔區、甘泉縣、志丹縣和吳旗縣,主要分布在草地和部分林地地區。延安市西南部及東南部的耕地和林地地區協同關系較弱,以黃陵縣、富縣西部、黃龍縣南部以及宜川縣東部為主;NPP與食物供給權衡與協同關系的空間分布特征較為復雜,整體呈現此消彼長的權衡關系,在延安市東北部及中部地區沖突關系顯著,以安塞縣、子長縣、寶塔區南部以及延川縣東部為主,該區域主要以耕地和部分草地為主,NPP減少伴隨著食物供給價值量的增加,人口增加,城市擴張,糧食需求增加,擴大農田面積導致林地面積減少,固碳能力降低,NPP價值量減少,從而使得NPP與食物供給的制約關系更為突出;水源涵養與食物供給此消彼長的權衡關系在區域范圍內廣泛存在,權衡程度較高的區域主要分布在延安市西南和東南部,土地利用類型以林地和耕地為主,黃陵縣權衡關系最為顯著,其次為富縣西南部和黃龍縣。延安市北部和西部權衡關系較弱,以安塞縣、志丹縣南部以及甘泉縣西部為主。

圖8 延安市生態系統服務之間相關關系空間分布圖Fig.8 The distribution of correlation between ecosystem services in Yanan
(1)延安市各類生態系統服務呈現不同的相關性,食物供給與土壤保持、水源涵養、NPP均呈現權衡關系,NPP與土壤保持、水源涵養呈現協同關系,土壤保持與水源涵養呈現協同關系。20年來,延安市生態系統服務整體表現為權衡加強協同減弱的趨勢。
(2)退耕還林區各類生態系統服務間多呈協同關系,非退耕還林區多表現為沖突關系。從動態變化趨勢來看,退耕還林區呈現協同加強權衡減弱的趨勢,這與減少沖突增加協同的生態管理目標相一致,表明退耕還林措施有利于生態環境的可持續發展。
(3)在不同地形坡度下,各類生態系統服務的權衡與協同關系變化存在差異,在坡度為≤2°,2°—6°和6°—15°地區生態服務相互作用動態變化保持穩定;在坡度為15°—25°地區表現為顯著沖突關系,且不斷加強;坡度大于25°地區生態服務之間相互促進,以協同作用為主。
(4)NPP與水源涵養的協同關系在延安市北部和中部較強,西南部及東南部較弱;NPP與食物供給的沖突關系在東北部及中部較高,東部和南部則較低;水源涵養與食物供給權衡程度在西南部和東南部地區較強,北部和西部則較低。
目前對于生態系統服務權衡與協同研究多集中于各類生態系統服務的相互作用、自然人文系統的耦合分析以及表現類型上,對于權衡與協同關系的空間動態表達以及影響因素分析較少。因此,本文基于偏相關空間統計分析,直觀定量地展現了不同區域各類生態系統服務之間相互關系的空間分布特征,并對生態服務相互作用動態變化的影響因素進行了區域分析。生態系統服務類型較多,各類服務之間存在著復雜的權衡與協同關系,造林可以增加碳存儲,加強固碳釋氧、調節氣候的能力,在土壤侵蝕嚴重地區也起到了水土保持作用,提高了生態系統的支持與調節服務。此外,耕地面積增加,可以提高糧食產量,但其導致植被覆蓋度減少固碳量減少,同時城市擴張又使得農田面積減少威脅著糧食安全問題。因此,合理優化配置生態服務之間的相關關系,協調人口、生態、資源、環境的和諧發展顯得尤為重要。生態系統服務具有尺度效應,不同區域權衡與協同關系不同,對于相互增益的生態系統,如果選取區域不當,也會出現權衡關系。本研究只選取了黃土高原典型區延安市,在接下來的研究中有必要基于小尺度、中尺度和大尺度探討生態系統服務權衡與協同關系的動態變化及影響因素,例如涉及整個黃土高原地區、陜北礦區以及延安市典型區南泥灣等,根據區域特點權衡土地資源中的各類沖突,從而提出更加精準的土地管理政策。