黃河流域生態系統服務時空變化及其權衡關系分析

陳心盟

摘 要：黃河是世界第5長、中國第2長的河流，黃河流域面積廣闊，山脈眾多，流域內資源豐富，發展前景廣闊，研究黃河流域生態系統服務的時間動態變化和各服務間的相關性對其生態環境和經濟協調可持續發展意義重大。本文基于1990—2015年黃河流域的產水、固碳和土壤保持價值量，采用空間制圖法和相關性分析法，探究研究區各服務的時空變化和其空間上的權衡與協同關系。研究表明：黃河流域3種服務在時間上均呈增加趨勢，產水量的年均值增加了20.62mm，固碳服務年均量增長了29.65t（gC·（m2·yr）-1），土壤保持服務增加了89.74（t·（ha·yr）-1）。1990—2015年間，不同地類上各服務均表現為上下波動的趨勢，2015年，產水價值量大小為耕地>林地>草地，固碳價值量為林地>草地>耕地，土壤保持價值量為耕地>草地>林地。黃河流域3種服務兩兩之間均以協同關系為主，產水與固碳服務的協同關系分布最為廣泛。

關鍵詞：產水量;固碳量;土壤保持量;時空變化;權衡

中圖分類號：S-3 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030041

引言

生態系統服務（ecosystemservices）是人類從生態系統中直接或間接得到的惠益[1]，不同服務間存在復雜的相互關系，具有此消彼長的權衡關系和同減同增的協同關系[2]，分析探究生態系統服間的權衡與協同關系，有助于更加科學地管理生態系統，促進區域生態環境和經濟協調可持續發展[3]。

當前，生態系統服務變化及其權衡關系研究已成為國內外熱點，研究內容主要有權衡與協同關系的表現形式、時空動態特征和驅動因素等方面[4-6]。Richards采用帕累托曲線研究熱帶城市沿海地區的生態服務間的相關關系[7];Tian等通過耦合CASA和SWAT來量化生態系統服務，評估中國西南喀斯特流域NPP、產水量和沉積量之間的權衡與協同關系[8]。錢彩云[9]等通過生態系統服務變化指數、相關系數法等方法定量在流域尺度上，分析了甘肅白龍江流域的生態系統服務變化過程、空間聚散特征和生態系統服務的相關關系。Qin[10]等利用相關性餅圖、相關率模型和分布圖研究關中-天水經濟區生態系統服務的權衡與協同，研究表明產水量與農業生產之間的協同性最強。黃河流域地貌復雜，生態環境敏感脆弱[11]，其產水、固碳和土壤保持等生態系統服務功能對維護區域生態安全具有重要作用。

基于此，本文以黃河流域為研究區，計算1990—2015年研究區的產水、固碳和土壤保持3種服務，利用空間制圖分析3種生態系統服務的時空動態變化，引入玫瑰圖表明不同地類中各服務的差異，最后基于相關分析法探究3種服務間的權衡與協同關系及其空間分布差異，為區域生態系統服務高效管理提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黃河發源于中國青海省內的巴顏喀拉山脈，全長5464km，是我國的第2長河流，也是世界的第5長河流。黃河流域（N32°～42°，E96°～119°）面積約為79.5萬km2，流域內山脈眾多，東西高差大，因此地貌差異也較大，地處中緯度地區，受大氣環流和季風影響，氣候差異顯著，氣溫年際變化大，降水集中分布不均。流域內自然資源豐富，具有廣闊的發展前景，近年來由于人類活動的頻繁，導致其水資源減少，環境惡化等問題增多，區域生態環境更加敏感脆弱。

3 結果分析

3.1 黃河流域生態系統服務的時空變化

由黃河流域的產水、固碳和氣候調節服務的時空分布可以得出（圖2），研究區產水服務的高值區位于流域的中部和南部，主要有甘肅省東部和陜西省的南部地區，低值區分布于流域北部的內蒙古省內，產水量的均值由1990年的52.84mm增長至2015年的73.46mm，流域內陜西省南部地區產水量增長最為明顯;固碳服務的高值區集中于青海省與甘肅省的南部交界處，低值區則主要分布于黃河流域的北部邊緣，固碳量的均值在1990年為368.06t（gC·（m2·yr）-1），2015年為397.71（gC·（m2·yr）-1），呈增長趨勢;土壤保持服務高值區零散分布于流域內的甘肅省和山西省，低值區分布較為廣闊，研究區土壤保持量的均值在1990年為323.48（t·（ha·yr）-1），2015年為413.22（t·（ha·yr）-1），流域內青海省土壤保持量增加明顯。

3.2 生態系統服務在不同地類間的變化

基于黃河流域的土地利用數據，對不同地類上的生態系統服務量進行統計，得到3種服務在耕地、林地和草地上的價值均量，對所獲得的數據進行歸一化處理，再運用R語言對其進行可視化，得到研究區不同地類上的生態系統服務玫瑰圖（圖3）。產水價值量，在3種地類中都表現為1990—2000年減少，2000年后不斷增加，在耕地中價值量最高，其次為林地，草地最少;固碳價值量，在3種土地類型中均為2000年前呈下降趨勢，2000年后開始不斷上升;土壤保持價值量，在耕地類型上為2000年前下降，2000—2010年上升，2010年后續又有所下降，在林地和草地上則表現為2010年前不斷增加，2010年后開始下降。

3.3 青藏高原生態系統服務權衡與協同分析

本研究使用matlab語言，對黃河流域1990—2015年的產水、固碳和土壤保持服務進行相關性分析（圖4）。土壤保持和產水服務在研究區內大部分地區無相關性，有相關性的區域僅有16.9%，均為協同關系，協同區域集中于寧夏和內蒙古交界處、甘肅省東部和山西省西部地區，強協同關系集中分布于甘肅省中部和東部。產水與固碳服務在研究區內呈協同關系，占比為68.9%，協同關系在研究區內廣泛分布;無相關性區域占比為5.5%，主要分布于陜西和山西省內;權衡關系占比為24.7%，集中分布于研究區西部和南部邊緣地區。土壤保持和固碳服務以協同關系為主，占比為67.5%，集中分布于青海省西部、陜西省、山西省中部地區;無相關性區域占比為4.2%，位于研究區中部;權衡關系占比為28.3%，集中分布于內蒙古省北部、山西省北部和甘肅省東部地區。

4 結論與討論

4.1 結論

1990—2015年間，黃河流域的產水、固碳和土壤保持3種服務均呈增加趨勢。26a間，產水量的年均值增加了20.62mm，流域南部地區增加量最高;固碳服務年均量增長了29.65t（gC·（m2·yr）-1），西南部地區增量較多;土壤保持服務增加了89.74（t·（ha·yr）-1），流域內青海省的服務量增加最多。

不同土地類型上，3種服務均表現為有增有減的波動。2015年，產水價值量在3種地類中的大小為耕地>林地>草地，固碳價值量為林地>草地>耕地，土壤保持價值量為耕地>草地>林地。

黃河流域3種服務兩兩之間均以協同關系為主。土壤保持和產水服務在研究區內大部分地區沒有相關性，有相關性區域均為協同關系，協同像元集中分布于甘肅省內、寧夏和內蒙古交界區;產水與固碳服務的協同像元占68.9%，在研究區內廣泛分布;土壤保持和固碳服務的協同像元占比67.5%，集中于青海、陜西和陜西省內。

4.2 討論

本文討論了1990—2015年黃河流域生態系統服務的時空變化，分析不同地類上的生態系統服務變化差異，基于相關性分析，研究長時間序列下生態系統服務兩兩間的權衡與協同關系。生態系統服務間的關系復雜，目前的研究多以短時間研究為主，本文基于1990—2015年共26a的研究區的產水、固碳和土壤保持服務進行研究，有效解決了生態系統服務關系研究的時間尺度小和不連續性的問題。本文基于黃河流域全區的空間整體上進行探究，但生態服務的整體和局部間具有差異性，未來研究中，可進一步縮小研究區域，結合地域差異對生態系統研究更加精確，此外，還可以對生態系統服務的權衡關系進行逐年的分析，探討生態系統服務間關系的年均變化及其影響因素，進一步促進區域生態系統的科學管理。

參考文獻

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（責任編輯 李媛媛）