北方農牧交錯帶多倫縣生態系統服務權衡與協同關系研究

戴路煒,唐海萍,張 欽,崔鳳琪

北京師范大學地理科學學部自然資源學院, 北京 100875

生態系統服務是指生態系統所形成和維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1],是人類直接或間接地從生態系統中獲取的所有收益[2]。生態系統服務類型多樣,包括維持生態系統動態平衡的養分循環、土壤形成、氣候調節、凈化水源等支持服務和調節服務,維持人類生存與發展的糧食、淡水、纖維等供給服務,以及愉悅人類精神的美學、教育、宗教等文化服務[3- 4]。2005年,聯合國發布的千年生態系統評估(MA)報告指出,其評估的24項生態服務中約有15項正處于退化或不可持續利用狀態,直接威脅著區域乃至全球的生態安全[3],此后生態系統服務逐漸成為國際生態學和相關學科研究的前沿和熱點[4- 5]。由于生態系統服務的種類多樣性、空間分布異質性,以及人們對生態系統服務的需求偏好,導致生態系統服務之間形成了相互交織、復雜的非線性關系[6- 7],已有的研究通常將生態系統服務之間的關系抽象概括為此消彼長的權衡、相互增益的協同及無關三種[8- 9]。近年來,探究不同生態系統服務之間的權衡與協同關系已成為生態系統服務研究的核心議題之一[10- 12]。從研究內容上看,學者們主要集中在權衡與協同的理論基礎、類型特征、驅動因素、動態變化及尺度效應[13- 14]；研究方法上則以統計學方法、空間分析方法、情景模擬方法及服務流動性分析方法為主[14- 17]；從研究尺度上來看,集中在流域和城市群等較大空間尺度研究[18- 20]。針對生態脆弱的北方農牧交錯帶的研究主要集中在諸如土壤保持、碳固持及土壤風蝕等單一生態系統服務評估或氣候、土地利用變化對不同生態系統服務的影響分析等領域[20- 23],且研究區域多是在內蒙古赤峰市[24]、鄂爾多斯市[20]、呼包鄂榆城市群[18]及整個北方農牧交錯帶[25]等較大的空間尺度,縣域等較小空間尺度多種生態系統服務間復雜關系的研究較少。生態系統服務的尺度關聯使得同一對服務在不同研究尺度上的權衡關系存在很大的差異[13]。北方農牧交錯帶是從半干旱區向干旱區過渡的廣闊區域,區域內降水、溫度和生物群落存在顯著差異[26],大空間尺度上生態系統服務間的權衡/協同關系,可能并不能代表小空間尺度上存在相同的關系。政府基于較大空間尺度上的生態系統服務間關系進行縣域等較小行政單元的生態系統管理,可能無法有效提高生態系統服務的供給能力[27]。因此,為了更好地理解生態系統服務間的復雜關系,推進北方農牧交錯帶生態系統的管理實踐工作,亟需開展縣域、鄉鎮等較小空間尺度下的多種生態系統服務間權衡/協同關系的對比分析研究。

地處干旱半干旱地區的北方農牧交錯帶是我國東部農區與西部牧區相連接的生態過渡帶,同時也是我國一個重要的生態脆弱區,人類活動方式的多樣性及特殊的地理位置導致該地區生態系統經常受到干擾和破壞[26,28]。內蒙古多倫縣是北方農牧交錯帶的一個典型區域,南部為上都河沖積區,土壤肥沃,是全縣重要的糧食產區,中部則是農牧混合地帶,北部以牧業為主。該縣生態系統類型多樣,為人類提供了多種生態系統服務,但隨著氣候變化和人類活動的增加,多倫縣生態系統服務供需矛盾日益突出,產生了一系列的生態環境問題,如草地退化、土地荒漠化及旱災增加等[29]。本文以多倫縣為研究區,基于2000年、2015年的遙感影像、氣象、歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI) 數據及社會統計資料等數據,利用多種生物物理模型評估食物供給、碳固持、土壤保持、防風固沙及產水量5種關鍵生態系統服務的時空變化；分析多倫縣5種服務熱點區分布特征,揭示該縣不同區域的服務供給能力的強弱；此外采用相關分析法從縣域、鄉鎮及不同地類3個尺度上分析生態系統服務權衡/協同關系。本研究著重于縣域、鄉鎮等基本的行政管理單元,研究結果旨在服務于管理實踐,為實現區域發展和生態保護提供科學支撐。

1 研究區域與數據

1.1 研究區概況

多倫縣(41°46′—42°36′ N, 115°51′—116°54′ E)位于內蒙古自治區錫林郭勒盟東南部,地處陰山北麓的東段,渾善達克沙地的東南端,轄3鎮2鄉,全縣總面積3.95×103km2(圖1)。該地區地勢總體由西南向東北逐漸低緩,呈盆地狀,地貌主要有低山、丘陵、河谷洼地、山前傾斜平原及高平臺、堆積型沙丘等5種類型,海拔范圍是1149—1796 m；土壤類型主要是栗鈣土、草甸土和風沙土,成土母質多以風積、沖積沙為主；該區域地處森林、草原與沙地過渡地帶,主要分布有典型草原植被、草甸草原植被、沙地植被、沼澤植被等植被類型；氣候屬于中溫帶半干旱向半濕潤過渡區的典型大陸性季風氣候,冬季嚴寒漫長,無明顯夏季,風力作用強,光照充足,水熱同季；年平均氣溫3.5°C,年平均降水量400 mm左右,屬于錫林郭勒盟境內的豐水帶。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數據來源

本研究使用到的基礎數據包括土地利用/覆被數據、氣象觀測數據、DEM數據、歸一化植被指數(NDVI) 數據、土壤數據及社會經濟統計數據6類：(1)2000年、2015 年土地利用/覆被數據,來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx),空間分辨率為30 m；(2)多倫縣地區及周邊區域200 km范圍內的23個氣象站點的逐日降水量、平均氣溫、平均風速及日照時數等氣象觀測數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),本文利用1998—2002年、2013—2017年兩個時期的氣象數據平均值進行插值以克服單一年份氣象極端值的影響；(3)DEM數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m；(4)2000年、2015年MODIS-NDVI數據來源于美國地質調查局(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/),空間分辨率為250 m；(5)土壤數據來源于寒區旱區科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn/),基于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集(v1.1),包含土壤類型、土壤質地、土壤有機碳含量和粒徑比等數據,空間分辨率為1 km；(6)社會經濟統計數據來源于《內蒙古統計年鑒2001》和《內蒙古統計年鑒2016》。將所有的空間數據投影統一到UTM投影系下,空間分辨率統一為100 m。

2 研究方法

2.1 生態系統服務的估算

2.1.1食物供給

多倫縣地位于農牧交錯地帶,食物供給是農田生態系統和草地生態系統提供的一項重要的供給服務,對該縣人類生存和社會發展起到了至關重要的作用。本研究選用武文歡等[20]提出的公式估算單位面積上的食物供給量,其具體過程是將相應年份統計年鑒中谷物、油料和蔬菜等農作物產量及肉類、奶類產量按照正值的NDVI分別分配給耕地和草地柵格。計算公式如下：

(1)

式中,Pi為第i個柵格所分配的糧食產量或肉類與奶類產量(t hm-2a-1)；Psum為農作物總產量或肉類總產量(t hm-2a-1)；NDVI數據為夏季(6—8月)MODIS-NDVI產品數據的最大值合成數據[30],NDVIi表示第i個柵格的NDVI；NDVIsum為研究區耕地或草地的NDVI之和。

2.1.2碳固持

碳固持服務指的是自然植被將大氣中的CO2捕獲并封存的過程, 能有效減緩全球氣候變暖趨勢。碳固持的估算選取植物凈初級生產力(net primary productivity, NPP)作為指標進行表征,NPP是地表碳循環的重要部分,不僅反映了植被的生產能力,也是判定區域生態系統碳匯和碳源的重要因子。本研究采用CASA模型[31- 32]估算研究區NPP,公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(3)

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×W(x,t)×εmax

(4)

(5)

(6)

式中,NPP(x,t)是像元x在t月份的凈初級生產力(gC/m2)；APAR(x,t)是指像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2),ε(x,t)為像元x在t月的實際光能利用率(gC/MJ)；SOL(x,t)是像元x在t月份的太陽總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x,t)是植被層對入射光合有效輻射的吸收比例(無單位)；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別為低溫和高溫對植被光能利用率的影響系數；W(x,t)表示水分脅迫影響系數(無量綱)[32]；SR(x,t)為像元x在t月份比值植被系數,SRmax與植被類型有關,取值范圍在4.14—6.17之間,SRmin取值為1.05[33]；εmax是植被在理想狀態下的最大光能利用效率(gC/MJ),取值參考朱文泉等[33]提出的參數；最后得出年度植被凈初級生產力。

2.1.3產水量

生態系統水供給服務與人類生活息息相關,在多個方面影響著人類福祉,水資源是該區域農牧業發展的重要限制因素之一。本研究使用InVEST模型中Water Yield模塊[34]估算產水量,計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

AWCx=Min(Ds,Dr)×PAWCx

(10)

PAWCx=54.509-0.132sand-0.003(sand)2-0.055silt-0.006(silt)2-0.738clay+0.007(clay)2-2.688OM+0.501(OM)2

(11)

式中,Yxj為柵格單元x中土地利用類型j的年產水量(mm)；AETxj為柵格單元x中土地利用類型j的實際蒸散發量(mm)；Px為柵格單元x的年均降水量(mm)；PETxj為柵格單元x中土地利用類型j的年潛在蒸散量(mm)；wx為修正植被年可利用水量與降水量的比值(無量綱)；Z代表Zhang系數[35],用于表征降水的季節性分配特征；AWCx為柵格單元x的可利用含水量；Ds為最大土壤深度(mm),從第二次全國土壤調查數據中提取獲得；Dr為根系深度(mm)[36]；PAWCx為柵格單元x的植被可利用水(mm),根據土壤質地計算[37]；sand、silt和clay分別是砂粒、粉粒和黏粒的含量 (%),OM為有機質含量(%)。

2.1.4土壤保持

人類活動干擾及全球氣候變化等多種因素會使植被退化,加劇水土流失,過量的土壤侵蝕會導致土壤肥力下降,農牧業生產力下降。本研究采用RUSLE方程估算多倫縣的土壤保持量,公式如下：

SC=R×K×LS×(1-C×P)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中,SC表示年土壤保持能力(t hm-2a-1)；R表示降雨侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1),采用Wischmeier和Smith[38]提出的月尺度公式計算,其中Xi為第i個月的降水量(mm),X為年降水量(mm)；K為土壤可蝕性因子(t hMJ-1mm-1),本文采用Williams和Arnold[39]提出的利用土壤有機碳和顆粒組成數據進行計算的方法,sand、silt和clay分別是砂粒、粉粒和黏粒的含量(%),OM為有機質含量(%)；C表示植被覆蓋與管理因子,無量綱,通過蔡崇法等[40]提出的公式計算；fvc為植被覆蓋度,利用每年植被生長季(5—9月)的NDVI均值計算；P為水土保持措施因子,無量綱,由土地利用類型決定[41]；LS表示坡長坡度因子,無量綱,本文采用van Remortel等[42]編寫的AML代碼從DEM中提取LS因子。

2.1.5防風固沙

位于渾善達克沙地東南端的多倫縣,土壤風蝕經常發生,致使土壤粗化、土壤肥力和土地生產力下降,對農牧業等生產活動產生嚴重影響,并威脅著周圍城市的生態環境?；贕IS技術和遙感數據,RWEQ模型已經應用于區域尺度土壤風蝕量的估算,本文使用RWEQ模型[43- 44]估算防風固沙服務,具體公式如下：

SLpv=SLp-SLv

(16)

(17)

(18)

Qpmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′)

(19)

Qvmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×COG)

(20)

Sp=150.71×(WF×EF×SCF×K′)-0.3711

(21)

Sv=150.71×(WF×EF×SCF×K′×COG)-0.3711

(22)

(23)

式中,SLpv為防風固沙量(kg/m2)；SLp為無植被覆蓋的潛在風蝕量(kg/m2)；SLv為有植被覆蓋的實際風蝕量(kg/m2)；z為距離上風向的長度(m)[45]；Sp為潛在關鍵地塊長度(m)；Sv為實際關鍵地塊長度(m)；Qpmax為潛在風力的最大輸沙能力(kg/m2)；Qvmax為實際風力的最大輸沙能力(kg/m2)；WF為氣候因子(kg/m2)[44]；EF和SCF分別表示土壤可蝕性因子(無量綱)和土壤結皮因子(無量綱)[44]；COG為綜合植被因子(無量綱)[44]；基于野外實驗,采用滾軸式鏈條法測定錫林郭勒草原區地表粗糙度因子K′,沙地為0.96,草地為0.69[44]；F表示防風固沙保有率[46],消除氣候波動影響的防風固沙保有率可較好地反映植被對防風固沙的貢獻作用。

2.2 生態系統服務熱點區識別與權衡/協同分析

在生態系統服務評估的基礎上,識別多倫縣的服務熱點區,有助于了解不同區域服務供給能力強弱情況。本文將研究區各個生態系統服務超過各自平均值的柵格定義為該類服務的熱點區,借助ArcGIS 10.5 軟件將這5種生態系統服務的熱點區進行疊加分析。若某一柵格單元內5種服務的值均未超過各自所對應的平均值,則該類柵格單元被定義為非熱點區；如果只有1種服務的值超過平均值,則該類柵格單元被定義為1類熱點區；以此類推,分別定義2類、3類、4類和5類熱點區,并在ArcGIS 10.5 軟件中得到多重生態系統服務熱點區的空間分布格局[20]。

本文基于SPSS 20.0軟件,以2000年、2015年5種生態系統服務的評估值為基礎數據,采用相關分析法對縣域、鄉鎮以及地類尺度上的生態系統服務間權衡/協同關系進行量化。相關分析是生態系統服務間相互關系研究中常用的統計分析方法之一。當兩兩生態系統服務之間的相關系數為負,且通過0.05水平的顯著性檢驗,則認為兩種生態系統服務之間具有權衡關系；反之,相關系數為正值且通過顯著性檢驗,則認為兩種生態系統服務之間具有協同關系[8,18,30,47]。

3 結果

3.1 生態系統服務時空變化

2000年和2015年5種生態系統服務空間分布以及變化量分布如圖2所示。總體來看,除防風固沙量外,多倫縣其余4種服務呈增加趨勢。2000—2015年食物供給增加兩倍,年平均值由50.66 t/hm2提高到157.67 t/hm2；碳固持年平均值在兩個年份分別為367.95 gC/m2、372.36 gC/m2,僅增長0.1%,總體增幅并不明顯；產水量的年均值在兩個年份分別為110.25 mm、113.5 mm,總體增量較小,約為0.3%；土壤保持量年平均值由400.9 t/hm2提高到485.8 t/hm2,增幅為21%；潛在風蝕量由2000年的11.5 kg/m2減少到2015年的1.7 kg/m2,減幅為85%,實際風蝕量由2000年的5.6 kg/m2減少到2015年的0.6 kg/m2,減幅為89%,防風固沙量由5.9 kg/m2減少到1.1 kg/m2,減幅為81%,兩個年份的防風固沙保有率分別是51%、61.2%,提高了10.2%。

圖2 2000—2015年多倫縣生態系統服務時空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of ecosystem services in Duolun County from 2000 to 2015

食物供給空間格局在2000—2015年之間基本保持不變,高值區主要分布在耕地,低值區主要分布在草地；從變化量來看,增量最高的主要分布在耕地。碳固持的空間格局變化明顯：2000年呈現出“四周高、中部低”的特征,2015年高值區主要分布在東部和北部,西南部高值區范圍有所減少,中部高值區范圍有所增加；兩個年份高值區的主要土地利用類型是林地、耕地；從變化量來看,增加區域主要分布在多倫縣的中部和北部。2000年、2015年產水量的空間格局基本穩定,大致呈現出：中部高、南部和北部低的分布態勢；高值區的土地利用類型主要是沙地；從變化量來看,自西北向東南方向增量的數值呈現出增加的趨勢。兩個年份的土壤保持空間格局基本穩定,表現為從西南向東北遞減的特征；2015年的土壤保持量相比于2000年,高值區范圍稍有增加,增值區主要分布在西南部和東部地區,西北部主要為土壤保持的減少區,變化量的空間分布格局同碳固持基本相似。防風固沙量的空間格局基本保持不變,高值區主要分布在土壤類型多為風沙土的北部,低值區分布在南部栗鈣土地區和中部草甸土地區；從變化量上看,多倫縣大部分為減少區域,其中增值區分布在由未利用地轉化為耕地和林地的區域。

3.2 熱點區識別

多倫縣多重生態系統服務熱點區分布如圖3所示。2000年和2015年,非熱點區的面積百分比分別為11%、9%,且主要的土地利用類型為水域和草地。1類熱點區由26%增加到36%,該類熱點區的主要土地利用類型為草地；該縣北部1類熱點區主要以防風固沙為主,中部以產水量為主,南部以食物供給為主。2類熱點區在兩個年份的面積百分比分別為35%、40.7%,面積增加5.7%,主要的土地利用類型為草地；北部以碳固持和防風固沙服務為主,中部以產水量與防風固沙為主,南部多為食物供給與碳固持。3類熱點區在兩個年份的面積百分比分別為23.5%、13.2%,面積減少10.3%,以食物供給、碳固持以及防風固沙為主要的生態系統服務,該類熱點區的土地利用類型以草地為主。4類熱點區的面積百分比由5.11%減少到0.7%,主要分布在耕地,以食物供給、碳固持、產水量與防風固沙服務為主。5類熱點區的面積0.1%,主要土地利用類型為林地。整體來看,多倫縣3類熱點區面積明顯減少,1類熱點區面積明顯增加。

圖3 2000年、2015年多倫縣多重生態系統服務熱點區分布Fig.3 Distribution of multiple ecosystem service hotspots in Duolun County in 2000 and 2015

3.3 不同地類生態系統服務供給能力對比分析

2000年、2015年多倫縣耕地和草地的面積之和均超過研究區總面積的80%,所以本文重點關注耕地和草地。按照各服務的均值和總量進行統計,分析地類提供生態系統服務的能力強弱,結果如圖4所示。

在單位面積上,食物供給能力耕地大于草地；碳固持供給能力草地大于耕地,二者的單位面積總供給量約為研究區的42%,其余土地利用類型中供給量較高的為林地；土壤保持供給能力耕地大于草地,二者的單位面積總供給量約為研究區的38%,其余土地利用類型中供給量較高的為林地；防風固沙量草地大于耕地,二者單位面積總供給量達到研究區的70%以上,其余土地利用類型中防風固沙量較高的為林地；產水量供給能力耕地大于草地,但二者的總單位面積供給量只達到研究區的22%左右,其余土地利用類型中供給量較高的為林地。從縣域供給總量上看,食物供給能力耕地大于草地；碳固持供給能力草地最強,草地和耕地的供給總量約為研究區的85%；2000年耕地面積雖然小于草地面積,但土壤保持能力大于草地,2015年土壤保持能力草地大于耕地,二者的總供給量在兩個年份均達到研究區的80%以上；兩個年份草地的防風固沙量均大于耕地,二者總的防風固沙量均達到研究區的83%以上；產水量供給能力草地大于耕地,2000年、2015年二者的供給量分別為研究區的58%、66%。

圖4 2000年、2015年不同地類生態系統服務供給百分比Fig.4 Percentage of supply of different terrestrial ecosystem services in 2000 and 2015

3.4 生態系統服務的權衡/協同關系

3.4.1縣域生態系統服務權衡/協同關系

在縣域尺度上5種服務之間的相關系數均通過了0.01顯著性水平的檢驗。相關分析表明(圖5),2000年、2015年食物供給、碳固持、土壤保持兩兩服務間以及防風固沙與碳固持、產水量之間均為協同關系,土壤保持與產水量、防風固沙之間以及碳固持與產水量之間表現為權衡關系；食物供給與產水量由權衡轉變為協同關系,食物供給與防風固沙由協同轉變為權衡關系。目前來看,在縣域尺度上管理生態系統,當同時提升食物供給、碳固持及土壤保持3種服務供給能力時,可能會導致產水量以及防風固沙能力的下降。

圖5 多倫縣生態系統服務相關系數Fig.5 Correlation coefficient of ecosystem services in Duolun County

3.4.2鄉鎮與耕地、草地中生態系統服務權衡/協同關系

在鄉鎮尺度上,除多倫諾爾鎮外,4個鄉鎮中各服務間相關系數均通過0.01顯著性水平檢驗,多倫諾爾鎮中2000年食物供給與防風固沙之間未通過顯著性檢驗,碳固持與防風固沙之間通過0.05顯著性水平檢驗。相關分析表明,食物供給、土壤保持、碳固持三者在各鄉鎮中均為協同關系,并與縣域尺度相同；而產水量與碳固持之間以權衡關系為主,與縣域尺度基本一致；產水量與防風固沙、土壤保持、食物供給間的關系以及防風固沙與食物供給、碳固持、土壤保持之間的關系隨著鄉鎮的不同而發生變化；蔡木山鄉與多倫諾爾鎮中各服務間的權衡/協同關系與縣域的相似度更高；在各鄉鎮中提高碳固持能力的同時,會降低產水量的供給能力,可能會提高土壤保持、防風固沙及食物供給能力。

耕地和草地中各服務間的關系均通過0.01顯著性水平檢驗,相關分析表明,兩種地類中5種服務間的權衡/協同關系差異明顯：耕地中各服務之間的關系以權衡為主,草地中以協同為主；草地中各服務間的關系比較穩定,而耕地中有4對服務的權衡/協同關系發生變化；耕地和草地中存在明顯差異的服務為食物供給與土壤保持、碳固持與土壤保持以及防風固沙與產水量,這3對服務在耕地中為權衡關系,在草地中為協同關系；與耕地相比,草地中各服務之間的權衡/協同關系與縣域的相似度更高；提高耕地食物供給、碳固持服務的同時,可能會降低土壤保持、產水量的供給能力,同時提高防風固沙能力；提高草地食物供給、碳固持服務供給能力的同時,可能會同時提高防風固沙、土壤保持和產水量供給能力。

4 討論

4.1 多倫縣生態系統服務的時空變化分析

2015年食物供給相比于2000年增加兩倍,增幅非常明顯,主要原因是2000年多倫縣開始實施退耕還林/草政策,大面積的退耕使得糧食產量急劇減少；2003—2015年多倫縣逐步利用廢棄耕地,保護和利用后備土地資源,糧食產量逐漸增加[48]。碳固持、土壤保持與產水量3種服務的總量分別增加1%、21%和2.5%,這種變化在一定程度上受到降水量的影響：碳固持受到降水量的制約,體現在CASA模型中的水分脅迫系數；降水量通過RUSLE方程中的降雨侵蝕R因子影響土壤保持功能；產水量為降水量與實際蒸散發量之差[49]；此外碳固持與土壤保持還受到植被覆蓋度的影響,2000—2015年研究區的降水量增加5%,植被覆蓋度增加17%,相應的3種服務也有所增加。2000—2015年研究區平均風速降低、降水量及植被覆蓋度增加,使該地區的潛在風蝕量和實際風蝕量都大幅下降；雖然防風固沙量減少,但防風固沙保有率提高,風蝕狀況已有所好轉,這一結果與鞏國麗等[46]評估內蒙古典型草原區防風固沙能力的結果相似。

土壤保持供給量的高值區集中在研究區的南部,與坡度值高的地區空間分布基本吻合,表明該地區土壤保持也與坡度密切相關,因此,研究區應結合“京津風沙源治理”等生態恢復工程,加強對坡地植被的保護。產水量除受降水影響外,還與蒸散及植被覆蓋度有關,高值區多分布在中部的林地,這可能是因為,林地雖覆蓋度較高,蒸發較快,但是林地雨水截留量大,徑流產生少,所以產水量也相對較高[50]；而北部和南部地區有大面積的草地和耕地,植被覆蓋度相對較高,蒸散量較大,易產生徑流,導致產水量較小,這與張雪峰等[50]在錫林郭勒草原區的研究結果相似。多倫縣防風固沙量的分布趨勢與風蝕量的分布趨勢基本一致,風蝕量大的區域主要分布在研究區北部,靠近渾善達克沙地南端,這部分區域土壤多為風沙土、易蝕性大,潛在風蝕量很大[46]。2000年多倫縣的西南部耕地地區5種服務的部分熱點具有空間異質性并表現為多重服務熱點區,而2015年南部耕地的食物供給量大幅度增加,多重服務熱點區明顯減少,這和Li和Wang[12]以位于北方農牧交錯帶的銀川為研究區的研究結果相符,該研究認為農田不利于提高農牧交錯區的防風固沙、土壤保持及產水量服務的供給能力。另外,本研究發現研究區內林地的產水量、碳固持及土壤保持服務單位面積供給能力均強于草地與耕地,適當增加林地的面積,有助于提高多倫縣的生態系統服務供給能力。

4.2 多倫縣生態系統服務權衡/協同關系

多倫縣碳固持與土壤保持之間為協同關系,這是由于植被覆蓋度的增加提高了碳固持能力,而且可以減少雨水對土壤的侵蝕,從而加強了土壤保持能力[20]。食物供給與碳固持、土壤保持之間為協同關系,這與之前研究[51]發現的食物供給服務與調節服務之間為權衡關系有所不同,原因可能是食物供給的評估方法不同,因此,由于生態系統服務的評估方法不同, 使得同一對服務之間的關系無法進行對比參照[52]。本研究表明研究區的防風固沙與碳固持、產水量之間為協同關系：Du等[53]在黃河流域的研究發現防風固沙量與植被覆蓋度呈正相關關系,多倫縣植被覆蓋度大的地區具有較高的碳固持功能,同時良好的植被覆蓋提高了防風固沙量,所以防風固沙與碳固持之間為協同關系；此外,Du等[53]認為土壤濕度大的區域防風固沙量也大,本研究區中土壤濕度大的地區產水量的供給能力較強,減少了實際風蝕量,同時增加了防風固沙量,所以防風固沙與產水量之間為協同關系。本研究中土壤保持與防風固沙服務之間為權衡關系,主要是因為多倫縣土壤保持高值區分布在地形起伏度大的南部,而風蝕潛力較大,即防風固沙量大的區域分布在地形平緩的北部,Jiang等[54]以黃土高原為研究區的結果也表明土壤保持量較高的區域對應的地形起伏度較大,而風蝕潛力較大的區域地形起伏度較小,二者具有明顯的空間異質性。產水量與土壤保持、碳固持服務之間主要為權衡關系,這與Li等[22]以內蒙古中部農牧交錯帶為研究區對這3種服務權衡/協同關系的研究結果相同,增加植被覆蓋度在提高碳固持及土壤保持能力的同時,會增強地表蒸散量,從而降低產水量[50]。目前來看,多倫縣最重要的是產水量與土壤保持、碳固持以及食物供給之間的權衡關系,在草地中產水量僅與土壤保持服務具有權衡關系,因此,該縣可以通過適當增加草地面積來調節產水量與其他服務間的關系。

4.3 生態系統服務權衡/協同關系的尺度效應

通過對比2015年鄉鎮與縣域尺度上10對服務間的權衡/協同關系發現,鄉鎮中僅有4對服務(食物供給與碳固持、食物供給與土壤保持、食物供給與防風固沙、碳固持與產水量)之間的關系與縣域相同,其余6對服務間的關系會隨著鄉鎮的不同而變化；與此同時,在耕地、草地兩種土地利用類型中僅有3對服務(食物供給與碳固持、碳固持與防風固沙、土壤保持與防風固沙)之間的關系與縣域保持一致,其余7對服務間的關系在兩種地類中有明顯的差異,這說明縣域尺度上的權衡/協同關系無法代表鄉鎮、地類尺度存在同樣的關系；其他學者在中國北方呼包鄂榆地區[18]和寧夏回族自治區[21]的研究也發現,服務間關系具有明顯的空間尺度依賴特征。土地利用類型是影響生態系統服務變化的關鍵因素,進而改變生態系統服務間的權衡/協同關系[12]；本研究發現多倫縣氣候因素(氣溫、降水、太陽輻射等)空間差異較小,而土地利用的空間異質性較大,且研究區耕地中服務間的關系以權衡為主,草地中服務間的關系以協同為主；例如耕地和草地面積比例為1.2的大北溝鎮,各服務間的權衡/協同關系與耕地保持一致,耕地和草地面積比例為0.3的灤源鎮,服務間的關系與草地保持一致；因此,土地利用類型的差異可能是鄉鎮之間、鄉鎮與縣域之間服務的權衡/協同關系明顯不同的原因之一。此外,各鄉鎮的土壤類型、海拔高度也有較大差異：本研究區中栗鈣土上食物供給、碳固持和土壤保持服務的能力較強,草甸土上碳固持和產水量的能力較強,風沙土上防風固沙的能力較強；海拔方面,Liu等[55]發現服務間的關系會隨海拔的不同而發生變化,在本研究中僅發現防風固沙和產水量服務間的權衡關系會隨海拔升高而加強,未發現其余服務間的關系隨海拔變化而發生明顯變化的現象。土地利用類型、海拔和土壤類型的組合可能是權衡/協同關系具有空間差異性的原因之一,這將是下一步研究中的關鍵問題。

北方農牧交錯帶位于東部季風區向西北干旱區的過渡帶,氣溫、降水等氣候條件的空間異質性明顯,同時人類活動方式的不穩定性導致土地利用類型多樣且易變,選擇適當的空間尺度對該區域進行生態系統管理,對我國北方生態安全及促進經濟、社會和生態的協調發展具有較強的現實意義。縣域作為我國基本的管理單元,本研究以多倫縣為例,從縣域、鄉鎮以及不同土地利用類型的角度出發,得出該縣5種服務間的權衡/協同關系具有空間依賴性,研究結果可為政府針對農/牧區制定生態保護政策提供依據。多倫縣在實施退耕還林還草政策后,林地面積不斷增加,逐漸成為該區域重要的土地利用類型,本文僅考慮了耕地和草地上服務間的權衡/協同關系,今后了解林地中服務間的關系也較為重要。此外,在服務間關系的研究方法方面,Hao等[25]在分析生態系統服務間相互關系時指出,生態系統服務二維散點圖中的點可能并不是圍繞某一條線分布,而是趨向于分布在某一條線(約束線)下,約束線代表了一種服務在另外一種服務作用下的分布范圍或者能夠達到的潛在最大值；當約束線出現拐點(閾值點)時,在點的兩側兩種服務間的相互關系或相互關系的影響因素將會發生變化；相關性分析僅表征生態系統服務權衡/協同的數值關系,無法揭示生態系統服務間相互作用的閾值特征。因此,結合生態系統服務機理深入研究權衡與協同的閾值效應,這可能是下一步工作的重要方面。

5 結論

通過對多倫縣生態系統服務時空變化及權衡協同關系的研究,本文主要得出以下結論：(1)2000—2015年多倫縣防風固沙量減少81%,其余4種生態系統服務呈現出增加趨勢,其中食物供給增加兩倍,土壤保持增加21%,碳固持和產水量分別增加0.1%、0.3%；(2)該縣1類以及2類熱點區面積增加,3類、4類以及非熱點區面積減少；面積比例超過50%的草地在縣域提供5種服務的能力強于耕地；(3)2000年、2015年多倫縣主要的權衡關系存在于產水量與土壤保持、產水量與碳固持以及產水量與食物供給之間；草地中產水量與碳固持、食物供給之間主要為協同關系,可以通過適當增加草地面積來調節產水量與其他服務間的關系；(4)由于土地利用類型的不同,縣域、鄉鎮、草地以及耕地上5種服務的權衡/協同關系存在明顯差異：鄉鎮尺度上僅有4對服務間關系與縣域保持一致；地類尺度上僅有3對服務間關系與縣域保持一致。