基于服務簇的東北地區生態系統服務權衡與協同

祁 寧,趙 君,楊延征,茍睿坤,陳佳琦,趙鵬祥,李衛忠

1 西北農林科技大學林學院,楊陵 712100 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 3 清華大學地球系統科學系地球系統數值模擬教育部重點實驗室,北京 100084

生態系統服務是生態系統向社會提供的商品和服務[1- 2],即人類直接或間接向生態系統獲取的全部收益[3- 6],包括供應服務和調節服務,例如食物供給、生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養、環境凈化、固碳和防風固沙等多個方面[7]。由于景觀用途的差異,且景觀中生態系統服務具有種類多樣性、空間分布的不均衡性及人類活動的選擇性等特點,生態系統服務之間表現出此消彼長的權衡和相互增益的協同等形式[8- 12]。生態系統服務并非獨立存在和發展,在特定的空間上形成不同的組合,被稱為生態系統服務簇(Ecosystem service bundles)[13- 14]。近年來,人類對自然資源無節制利用,導致自然資源的耗竭速度加快,供不應求的矛盾日益突出[15- 16],影響景觀中生態系統服務的組成和分布[17]。

近年來,國內外學者對生態系統服務的權衡與協同關系已開展了大量研究,Ricketts等使用層次貝葉斯法研究授粉服務與傳粉昆蟲的生物多樣性和作物生產服務之間的權衡與協同[18],Lavorel等提出了通過植物性狀將環境變化與生態系統功能、生態系統服務的變化聯系起來的框架,研究山地草原生態系統服務之間的權衡與協同[19],Raudsepp-Hearne等通過分析混合用途景觀中的12種生態系統服務的空間格局,確定了6類生態系統服務簇,認為供應服務與調節和文化服務之間均存在權衡關系[20],李晶等利用生態變化指數研究關中-天水經濟區5種生態系統服務的權衡與協同關系[9]。這些研究對景觀尺度的生態系統服務之間的權衡與協同關系已取得一些成績,但尚未闡明生態系統服務的聚簇現象,且對生態系統服務組合類型、權衡與協同、形成機制和區域差異的研究相對薄弱。

本文系統研究了東北地區2010年6種生態系統服務的權衡、協調關系和生態系統服務簇。首先運用Pearson相關性分析確定生態系統服務間的協同與權衡關系；其次基于主成分分析判別生態系統服務的相似性,以及其在生態功能區中的共存能力；最終通過K-means聚類分析方法識別東北地區生態系統服務簇,并進行生態功能分區[21]。本研究以期解釋不同生態功能區的生態系統服務權衡與協同的形成機制,在經濟發展與環境保護之間找到平衡點,可為各個生態功能區的可持續協調發展提供科學依據[22]。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況和數據源

在本研究中,東北地區并非與東北的行政區重合,而是一個地理文化大區,介于北緯38°72′—53°55′,東經111°15′—135°10′,面積約152萬km2(圖1,數據來源：http://data.ess.tsinghua.edu.cn)。該地區南部瀕臨黃海、渤海,東北部有黑龍江,烏蘇里江和大、小興安嶺、長白山等,中部是東北平原,西部是遼闊的大草原,包括黑龍江省、吉林省、遼寧省、內蒙古東部五盟市、河北省承德市和秦皇島市[23],共計43個市,258個縣級行政單位。氣候類型屬于溫帶季風氣候,夏季濕熱多雨,冬季寒冷干燥,年降水量在300—1000 mm之間。東北地區的土地利用類型非常豐富,是世界三大黑土帶之一,森林生態系統、農田生態系統和草地生態系統為主要生態系統類型,灌叢生態系統、城市生態系統、濕地生態系統和其他生態系統分布極少,生態系統服務類型多樣。雖然對生態系統服務已開展了大量的研究,但對于東北地區的生態系統服務研究還局限于森林生態系統區域[24],為了因地制宜的進行區域社會生態系統管理,促進生態可持續發展,對東北地區生態系統服務簇的研究尤為重要。

圖1 東北地區生態系統類型分布Fig.1 Spatial distribution of ecosystem type in Northeast China

本研究采用2010年中國生態系統服務空間數據集(Ecosystem services dataset of China(2010))提供的6種生態系統服務數據(http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/458)[25],空間分辨率為250 m×250 m,包括食物生產、生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養、固碳和防風固沙6種生態系統服務,各生態系統服務的評價方式及計算公式[25]見表1。

1.2 研究方法

縣域尺度是社會經濟和農業普查信息報道的最小單位,也是我國生態系統治理和決策的最小單位。本文提取了每個縣域單元的生態系統服務平均值,分別制作6種生態系統服務的空間分布圖,可視化比較6種生態系統服務的空間格局。全局Moran′sI指數是Patrick Alfred Pierce Moran開發的空間自相關的度量[26-27],在本研究中指度量一個縣域與其周圍其他縣域之間生態系統服務的相似性。空間自相關是一種多方向、多維度的自相關方法,Moran′sI指數的取值范圍為[-1,1],Moran′sI指數大于0時,表明該區域呈現空間正相關,+1是相似值的完全聚類；Moran′sI指數小于0,表明數據呈現空間負相關,值越小空間差異越大,-1是不同值的完全聚類,即完全分散；Moran′sI指數等于0時,表明完全隨機[28-29]。采用全局Moran′sI指數量化本研究區6種生態系統服務的空間自相關,探討生態服務之間的空間聚集(正空間自相關)和空間離散(負空間自相關),以及空間自相關的程度,進行各生態系統服務的地理差異分析[30-31]。

表1 生態系統服務評價方式及計算公式

NPP: 植物凈初級生產力Net primary productivity

本文采用Pearson相關分析評價6種生態系統服務兩兩之間的相關關系,來探明6種生態系統服務之間的權衡與協同關系[32],相關系數大于0時,表現為協同關系,反之,則表現為權衡關系。本文中的相關性分析通過R 3.5.2中的corrplot包計算并可視化。主成分分析的作用是指信息冗余去除,在本研究中,主要作用是探尋6種生態系統服務之間的維度關系,以及各服務之間的位置關系,是判定生態系統服務能否在生態系統服務簇中共存的第一步[33]。遵循Kaiser-Guttman criterion準則(特征值>1)[34-35],一般情況,前2個PCA軸足以表征數據中的非隨機結構。主成分分析通過R 3.5.2中的ggfortify包實現。

本研究每個縣域單元都可看成一個生態系統服務簇,但由于相鄰縣域之間同樣存在一定的相關性,因此,需要更深層的聚類分析。聚類分析通過衡量不同生態系統服務之間的相似性,根據相似性原則,把具有較高相似度的縣域單元劃分至同一生態系統服務簇,把具有較高相異度的縣域劃分為不同生態系統服務簇,即把具有相似生態系統服務組成,以及具有相似生態系統權衡與協同關系的縣域劃分到同一生態系統服務簇中,便于有效的區域社會-生態系統管理方案的制定及實施。為了得到較為穩定的聚類結果,本文采用K-means聚類分析方法[32],最佳聚類數目為4類?；?類生態系統服務簇中6種生態系統服務的歸一化數值制作玫瑰風向圖,識別各服務簇中生態系統服務間的交互作用及組成結構,分析不同生態系統服務間權衡與協同的作用機制。本研究采用R 3.5.2的factoextra包進行K-means聚類分析及其可視化。

2 結果與分析

2.1 生態系統服務的空間分布

基于東北地區縣域單元,計算出2010年各縣的生態生態系統全局Moran′sI指數(表2)。從表中明顯看出,2010年東北地區6種生態系統服務的全局Moran′sI指數均大于0(P< 0.01),表明東北地區6種生態系統服務都存在顯著的空間聚集(正空間自相關)。

表2 2010年東北地區各生態系統服務Moran′s I指數

對2010年東北地區各縣的6種生態系統服務的均值進行空間制圖,得到6種生態系統服務的空間分布情況(圖2)。由圖可知,食物生產與生物多樣性服務較高的區域主要位于中部的東北平原,土壤類型以黑土為主且地勢平坦、雨水充足,是東北地區主要的糧食種植區。土壤保持、水源涵養和固碳服務在東部地區高于西部和中部地區,東部地區主要植被類型為森林,具有較高的植被覆蓋度,使其表現出較強的土壤保持、水源涵養和固碳的能力。防風固沙服務在西部地區最高,該地區植被類型以草地為主,植被覆蓋度較低,但以森林為主東部地區防風固沙服務極低,該區域降水充裕,人為干擾明顯低于西部地區,呈現出極低的土壤潛在風蝕和實際風蝕。

圖2 2010年東北地區生態系統服務空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in Northeast China, 2010

2.2 東北地區生態系統服務間的權衡與協同關系

通過Pearson相關性分析得到6種生態系統服務兩兩之間的相關性關系(圖3),其中,有效的關系有8對(圖中彩色部分),無效的關系有7對(圖中灰色部分)。由圖3可知,食物生產和生物多樣性維持服務、水源涵養和固碳服務、水源涵養和土壤保持服務、固碳和土壤保持服務4對生態系統服務均表現出極顯著的正相關,具有相互增益的協同關系。生物多樣性與食物生產服務呈現出顯著的協同關系(r=0.70,P<0.01),這兩種生態系統服務與農業生產活動密切相關,是農業生態系統所具備的主要生態系統服務,適當的增加農田的生物多樣性能達到提高糧食產量的效果；土壤保持、水源涵養和固碳服務之間存在極顯著的協同關系(r=0.8、r=0.7和r=0.73,P<0.01),在降水充足的地區能夠促進植被的生長發育,植被龐大植物根系有助于土壤的保持,減少土壤表面層沙化和水土流失,茂密的地上部分可促進植物的光合作用,增加植物的固碳能力。

由圖3可以看出,防風固沙和土壤保持服務之間表現出極顯著的權衡關系(r=-0.22,P<0.01),在以草地生態系統為主的東部地區和以農田生態系統為主的中部地區,植被的存在極大的降低土壤實際風蝕量,防風固沙的功能顯著優于其土壤保持的功能；食物生產和固碳服務之間表現出較顯著的此消彼長的權衡(r=-0.17,P<0.05),食物生產和水源涵養、食物生產和防風固沙之間表現出顯著的權衡關系(r=-0.14和r=-0.11,P<0.1),人類在追求糧食產量的同時,加大了對森林和草地生態系統的破壞,特別是在以農田生態系統為主的中部地區,食物生產功能很高,但其土壤保持、水源涵養和固碳的功能均很低。

圖3 不同生態系統服務間的相關性關系Fig.3 Pearson correlations between pairs of ecosystem services *** P < 0.01;*** P < 0.05; * P < 0.1; NS代表相關性不顯著

圖4 東北地區生態系統服務主成分分析 Fig.4 Principal component analysis of ecosystem services in Northeast China

2.3 生態系統服務簇及其空間權衡與相關

2.3.1生態系統服務主成分分析

對6種生態系統服務進行了主成分分析(圖4),結果表明,前兩個主成分占總變異量的71.57%,說明這兩個主成分可以基本反映6種生態系統服務提供的信息。第一主成分的貢獻率為43.29%,主要包括土壤保持、水源涵養和固碳3種服務,由于這3種服務均屬于調節服務,且互相之間有極顯著的相關關系,即相互促進的協同關系,因此第一主成分主要反映的是調節服務之間的協同關系,可在生態系統服務簇中共存。但防風固沙服務與這3種服務方向相反,因此防風固沙服務與這3種調節服務之間具有極顯著的負相關關系(P<0.05),即此消彼長的權衡關系,無法在生態系統服務簇中共存。第二主成分占生態系統服務變化的28.28%,主要包括食物生產和生物多樣性服務,這兩種服務均屬于供應服務,且相互之間存在極顯著的相關關系,即相互促進的協同關系,可在同一生服務簇中共存。但防風固沙服務與這兩種供應服務方向相反,無法在同一服務簇中共存。

2.3.2生態系統服務聚類分析

K-means聚類分析能夠準確劃分生態系統服務簇,在本研究中將東北地區的258個縣域的6種生態系統服務進行K-means聚類分析,并最終確定出4類生態系統服務簇(圖5)。同一生態系統服務簇在地理上有明顯的聚集,各服務簇之間呈現出顯著的空間差異性,服務簇空間分布見圖5。4類生態系統服務簇分別為：以經濟林為主的生態系統服務簇1,以闊葉林和針葉林為主的生態系統服務簇2,以農田為主的生態系統服務簇3和以草地為主的生態系統服務簇4?；?類服務簇將東北地區進行生態功能分區,劃分為4個生態功能區：南部經濟-生態協調區、東北部森林生態平衡區、西部防風固沙區和中部糧食生產區。

對各生態功能區的生態系統服務進行統計(表3),從表中可知,食物生產服務在中部糧食生產區顯著高于其他3類生態功能區；土壤保持和固碳服務在南部經濟-生態協調區均顯著高于其他3個生態功能區；生物多樣性維持和水源涵養服務在南部經濟-生態協調區高于其他三個生態功能區；防風固沙服務在南部經濟-生態協調區最低,西部防風固沙區最高,且顯著高于東北部森林生態平衡區和中部糧食生產區。

表3 東北地區生態功能區的生態系統服務組成

圖5 2010年東北地區生態系統服務簇空間分布及其生態系統服務組成結構Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service bundle and its ecosystem service structure in Northeast China in 2010

南部經濟-生態協調區包括鞍山市、丹東市、本溪市、撫順市、通化市和白山市等的24個縣級行政區,面積占東北地區總面積的5.39%,集中分布于長白山脈的林區,以落葉櫟林為主。經濟林不僅有森林所具備的土壤保持、水源涵養、固碳和調節小氣候的功能,還有食物生產的功能。從生態系統服務的組成結構來看,固碳功能最高,防風固沙功能最低,其他生態系統服務比較均衡。長白山林區植被覆蓋度高,擁有良好的固碳服務,同時兼顧糧食生產服務。該區生態系統供應服務(食物生產服務)與調節服務(水土保持、水源涵養和固碳服務)具有良好的協同作用,此消彼長的權衡關系較弱。

東北部森林生態平衡區包括鐵嶺市、吉林市、哈爾濱市、呼倫貝爾市、黑河市和牡丹江市等的74個縣級行政區,占東北地區面積的49.90%。該區主要分布在大興安嶺和小興安嶺山脈,主要植被類型有落葉闊葉林和落葉針葉林,東北林區是我國面積最大的天然林區。主要氣候類型是溫帶季風性氣候,夏季高溫多雨,適宜森林的生長發育。該區植被覆蓋度最高,土壤保持、水源涵養、固碳、生物多樣性功能平衡,生態環境質量得到了很大的提高,屬于生態盈余區。該區的生態系統供應服務(食物生產服務)顯著低于調節服務(土壤保持、水源涵養和固碳服務),表現出明顯的權衡,且食物生產和生物多樣性服務之間呈現出此消彼長的權衡。

西部防風固沙區包括錫林郭勒盟、赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市和白城市的21個縣級行政區,面積占4.80%,集中分布于大興安嶺山脈的南部和西遼河平原,這里有中國最大的沙地——科爾沁沙地,土壤以栗鈣土、風沙土為主體。該區主要植被類型是荒漠、半荒漠草原,年降水量在400 mm左右,滿足牧草的生長需要。風經過地面時,草原中植被的根系可以固定住部分土壤,阻擋土壤結構的破壞,可有效的提高防風固沙服務。除防風固沙服務外,該區其余生態系統服務均很低,主要制約因素是氣候、土壤和植被覆蓋率。惡劣的自然環境,導致該區的食物生產、生物多樣性及生態調節服務不占優勢。綜上所述,該區的食物生產與生物多樣性維持服務與調節服務(土壤保持、水源涵養和固碳服務)之間具有協同關系,防風固沙服務和其他5種服務之間表現出顯著的權衡關系。

中部糧食生產區包括秦皇島市、沈陽市、大連市、齊齊哈爾市、大慶市和黑河市等的139個縣級行政區,面積占39.91%。該區集中在東北平原,土壤肥沃,以黑土為主,耕地為主要的土地利用類型。氣候類型為大陸性和季風氣候,夏季溫暖濕潤,冬季寒冷干旱,地勢平坦,降水充沛,是中國最重要的糧食生產基地。該區人類干擾強烈,農業活動頻繁,糧食生產服務突出,生物多樣性維持服務較高,但土壤保持、水源涵養和固碳服務相對較弱。隨著自然資源耗竭速度不斷加快,供不應求,該區生態系統遭到嚴重破壞。食物生產和生物多樣性維持服務存在相互增益的協同作用,但與生態系統調節服務(土壤保持、水源涵養、固碳和防風固沙服務)之間存在顯著的此消彼長的權衡。

3 討論

本研究對東北地區的生態功能區劃與2008年《全國生態功能區劃》[36]中東北地區的生態功能區劃基本一致。在本研究中中部糧食生產區的范圍較小于全國生態區劃方案中的農產品提供區,并且在全國生態功能區劃方案中沒有將東北地區南部以經濟林為主的生態功能區進行劃分,由于東北地區近些年來退耕還林工程、天然林保護工程和“三北”防護林工程的實施后,耕地面積大幅減少,森林面積相對增加,且對森林的保護不斷加強,導致本研究中的糧食生產區相對較小。

在以農田生態系統為主的中部地區和以森林生態系統為主的東部地區,食物生產和生物多樣性維持服務與調節服務(土壤保持、水源涵養和固碳服務)之間存在著此消彼長的空間權衡關系,這與Butler等[37]和Pan等[38]的研究結果一致。由于近年來人們對糧食需求的持續增加,導致該區域人類干擾和農業活動強度增加,例如人類通過增加物種多樣性來提高糧食產量等。人類的一系列干擾活動,致使該區域的土壤結構發生改變,自然植被不斷遭到破壞,抑制了生態系統正向演替,因此該區域生態系統的供應服務(食物生產服務)極高,而調節服務(土壤保持、水源涵養和固碳服務)極低。

相對于草地和耕地,森林具有更高的生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養、環境凈化和碳封存能力,因此,南部經濟-生態協調區和東北部森林生態平衡區中的生物多樣維持、土壤保持、水源涵養和固碳服務均高于西部防風固沙區和中部糧食生產區,這與李慧蕾等[13]的研究結果一致。在同樣以喬木為主的南部經濟-生態協調區和東北部森林生態平衡區,其生態系統服務的組成具有很大差別,由于天然針葉林和針闊混交林的碳封存、生物多樣性維持、土壤保持和水源涵養能力均高于經濟林,因此南部經濟-生態協調區的生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養和固碳服務均低于東北部森林生態平衡區。但南部經濟-生態協調區食物生產的需求更高,受到的人類活動的干擾也更強,而東北部森林生態平衡區受到林業政策的保護較多,人為干擾較少,因此南部經濟-生態協調區食物生產和固碳服務的占比高于東北部森林生態平衡區,具有相互增益協同關系的生物多樣性維持、土壤保持和水源涵養服務的占比低于東北部森林生態平衡區。

中部糧食生產區的主導生態系統服務為食物生產服務,加之生物多樣性研究的不斷成熟,人類對食物需求的增加,促進食物生產和生物多樣性維持服務之間的協同,例如間作套種的種植方式已被廣泛應用在農業生產中,因此中部糧食生產區的生物多樣性維持服務也較高,這與Altieri[39]、Cassman[40]和Doré等[41]的研究結果一致。西部防風固沙區的服務功能單一與該區的土壤結構和植被類型密切相關,該區土壤主要為栗鈣土、風沙土,土壤養分低,結構疏松,植被類型單一,食物生產、土壤保持,水源涵養、固碳和生物多樣維持服務均較低,但由于植被的存在,其潛在風蝕強度遠遠高于實際的風蝕強度,導致防風固沙的服務表現突出。

由于防風固沙主要由潛在和實際風蝕強度模擬,而土壤保持主要由潛在和實際土壤侵蝕強度模擬,因此本研究中防風固沙服務與土壤保持存在明顯此消彼長的權衡。例如,在草地生態系統中,其潛在的風蝕強度遠高于實際風蝕強度,而潛在的土壤侵蝕強度與實際土壤侵蝕強度均較大,導致土壤保持和防風固沙服務表現出明顯此消彼長的權衡；森林生態系統龐大的根系系統、茂密的地上部分及豐富的地表枯落物,均導致其潛在土壤侵蝕強度遠高于實際土壤侵蝕強度,潛在風蝕和實際風蝕強度均較小,即防風固沙服務極低,因此土壤保持和防風固沙的權衡關系表現突出。

本研究未涉及到文化服務,文化服務與其他服務之間仍存在著相應的權衡與協同關系,聚類分析的結果也可能存在誤差,同時由于生態系統服務分析以縣域為基本空間單元造成對聚類精度的影響,導致生態系統服務權衡與協調的表現類型、形成機理和區域差異存在一定誤差。其次,本文只對生態系統服務之間的空間變化進行分析研究,未在時間尺度上研究生態系統服務簇的變化,將來在時間尺度上對植被恢復、氣候變化等影響生態系統服務權衡與協調的形成機制、區域差異的因素有待進一步的探索研究。

4 結論

本研究利用相關分析和主成分分析的方法對6種生態系統服務的權衡與協同關系進行了評估,并用K-means聚類分析對東北地區進行了生態功能區劃,探討生態系統服務的組成類型、形成機制和區域差異。通過研究可知,6種生態系統服務均在空間表現出顯著的空間聚類(空間正相關)；東北地區食物生產和生物多樣性維持服務表現出及顯著相互增益的協同,水源涵養、固碳和土壤保持服務之間同樣表現出及顯著的協同,但防風固沙和土壤保持服務之間呈現出極顯著的此消彼長的權衡。南部經濟-生態協調區的生態系統供應服務和調節服務具有相互增益的協同,東北部森林生態平衡區的生態系統供應服務與協調服務表現出此消彼長的權衡,西部防風固沙區的防風固沙服務為主導生態系統服務,其余5種生態系統服務之間存在相互增益的協同,但與防風固沙服務表現出一定的權衡關系,中部糧食生區的主導服務是食物生產服務,與生物多樣性維持表現出明顯的協同關系,與其他調節服務表現出此消彼長的權衡關系。綜上,對服務簇生態系統服務的定量評估有助于明確不同服務簇中生態系統服務間的權衡與協同關系,為制定東北地區有效的區域社會-生態系統管理方案提供理論指導。