三峽庫區森林生態系統服務權衡與協同分析

王娜，楚鑫磊，勾蒙蒙，李樂，喇蕗夢，劉常富,

1. 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所/國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室，北京 100091；2. 南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037

日益嚴重的環境污染、資源危機和生物多樣性喪失推動了全球生態系統服務的研究（李文華等，2009；李雙成等，2011；鄧楚雄等，2019）。作為聯系自然與人類的橋梁與紐帶，生態系統服務是指生態系統形成和維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用（Daily，1997），是人類從生態系統中直接或間接獲得的所有惠益（Costanza et al.，1997），包含供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4種類型（Ma，2005；Rodríguez et al.，2006）。由于人類對生態系統服務的選擇偏好（傅伯杰等，2016；彭建等，2017；Soto et al.，2018），不同服務之間往往呈現出復雜的相互作用關系，即此消彼長的權衡作用和相互增益的協同作用（Bennett et al.，2009；Power，2010）。識別區域生態系統服務之間的權衡關系，有助于實現利益相關者惠益最大化，從而實現區域發展與生態保護的“雙贏”。

作為陸地生態系統的主體，森林生態系統具有木材供給、水土保持、涵養水源、固碳增匯（Tang et al.，2018）等多重生態系統服務，對全球生態系統和人類經濟社會發展起著至關重要和無可代替的作用（江澤慧，2007；徐雨晴等，2018）。過去幾十年間，由于高強度的經濟活動和粗放式的森林經營管理，加之對生態系統服務認知的嚴重缺乏，導致了生物多樣性減少、水土流失、污染物傳播等一系列的生態問題。自20世紀90年代Daily（1997）和Costanza et al.（1997）提出生態系統服務概念、原理、分類和評估方法后，森林生態系統服務也受到了越來越多的關注（劉世榮等，2015），如張靜靜等（2020a）探討了伏牛山地區森林生態系統服務權衡/協同的多尺度效應；吳煒等（2019）分析了中亞熱帶3種次生林生態系統服務權衡與協同關系及其影響因素。然而在生態系統服務價值評估及其對土地利用變化（Kim，2014；Kindu et al.，2016）和景觀格局（Estoque et al.，2016）變化的響應研究中，森林僅被作為土地利用的一種類型進行探討，各森林生態系統服務價值及其權衡與協同關系仍待深入研究。目前關于森林生態系統服務的研究多集中于價值評估，既包含單一服務類型，如涵養水源服務（李晶等，2003；周佳雯等，2018）和固碳服務（孫濱峰等，2018；高艷妮等，2019）等的深入剖析，也包含多種服務類型的綜合探討，尺度上涵蓋了從國家（王兵等，2011）、區域（肖驍等，2017；黃龍生等，2018；張靜靜等，2020b）等多尺度的研究。但不同研究區域多重森林生態系統服務的權衡與協同關系的量化研究存在不足（虞依娜等，2020），而且森林生態系統提供服務的能力受森林結構功能和外界環境因素的共同影響，因此針對森林生態系統服務權衡與協同作用程度的影響因素分析亟待加強。

三峽庫區是中國重點敏感生態區，也是長江中上游生態屏障，生態地位突出。但三峽庫區面臨著生態本底脆弱、生態系統穩定性較低的問題，加之受庫區建設和城鎮化等因素的影響，森林生態系統面臨承載力不足、森林質量較低、服務能力弱化等問題（肖文發等，2004；程瑞梅，2008；張財寶，2013）。在此背景下，揭示三峽庫區森林生態系統服務時空動態特征，分析森林生態系統服務權衡關系動態，對于深入探討生態政策和城鎮化等因素對庫區森林生態系統服務的影響至關重要。本文在分析1990—2000年和2000—2015年森林生態系統服務時空動態變化和空間聚集特征的基礎上，運用相關分析以及空間分析評估6種生態系統服務（涵養水源、固碳釋氧、保育土壤、生物多樣性保護、積累營養物質和凈化大氣環境）之間的權衡與協同關系，以期為流域生態保護與可持續生態系統管理提供理論基礎與技術支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

三峽庫區（106°—110°50′E、29°16′—31°25′N）地處長江中上游，地跨湖北省和重慶市的 20個區縣，幅員面積為576.68×104hm2。全區由庫首、腹地和庫尾三部分組成，其中腹地以萬州南部為界分為腹東和腹西（陳雅如等，2017）。庫區地勢東高西低，四面環山，地形地貌復雜，是典型的山地區域。三峽庫區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫在 17—19 ℃之間，年平均降雨量在 1000—1250 mm之間。區域植被類型豐富，以針葉林、闊葉林、混交林和灌木林為主，其中針葉林占地面積最大（肖文發等，2000）（圖1）。

圖1 三峽庫區位置圖Fig. 1 The location of the Three Gorges Reservoir Area

1.2 數據來源

本文數據包括：三峽庫區 1990、2000、2015年的遙感影像（Landsat TM/ETM+/OLI）數據（http://earthexplorer.usgs.gov/），分辨率 30×30 m；三峽庫區森林資源二類調查數據、固定樣地數據和實地長期定位監測數據，前者作為基礎數據，后者作為對照和輔助數據；通過解譯遙感影像，獲取3個時期的森林數據，并以二類調查數據和樣地數據輔助修正，各時期影像分類精度高于85%以滿足研究需求（黃春波等，2018）。

1.3 研究方法

1.3.1 生態系統服務價值評估

本研究選取了涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、生物多樣性保護、積累營養物質和凈化大氣環境6種生態系統服務開展價值評估。根據千年生態系統服務確定的生態系統服務分類體系，6種生態系統服務共涉及調節服務和支持服務2大類，其中涵養水源、固碳釋氧、積累營養物質和凈化大氣環境為調節服務，保育土壤和生物多樣性保護為支持服務。涵養水源價值評估參考王鵬程（2007）對三峽庫區涵養水源研究結果，以林冠截留量、枯落物持水量和土壤入滲量進行估算；保育土壤、固碳釋氧、生物多樣性保護、積累營養物質和凈化大氣環境價值評估參照《森林生態系統服務功能評估規范》（LY/T1721—2008）（王兵等，2008）。此外，結合三峽庫區森林資源二類調查數據、固定樣地數據及定位站長期監測與研究成果（劉常富，2014），并根據林齡、森林類型等對參數進行了矯正（楚鑫磊等，2019）。

1.3.2 生態系統服務變化指數測算

采用生態服務變化指數（IESC）對庫區（TGRA）及各區縣（County）森林生態系統服務價值的動態進行分析（李晶等，2016），當IESC=0時表示生態系統服務未發生變化，IESC為正值和負值時分別表示生態系統服務有增益和有減損，IESC絕對值大小用于表示生態系統服務變化的程度。

式中，IESC,i代表第i種生態系統服務價值變化指數；VF,i代表第i種生態系統服務最終時期價值量，VI,i代表第i種生態系統服務最初時期價值量。

1.3.3 生態系統服務權衡與協同分析

采用簡單相關和空間自相關分析相結合的方法判定生態系統服務之間的關系。根據相關系數正負判定生態系統服務之間的權衡與協同關系，正值表示協同關系，負值表示權衡關系，相關系數大小表征生態系統服務之間相互作用關系的程度。運用全局Moran’sI指數分析縣域生態系統服務的空間依賴程度，其范圍在[-1, 1]之間；當全局Moran’sI指數為 0表示服務趨于空間隨機分布；當全局Moran’sI指數大于0表示服務呈正相關，趨于空間聚合；當全局Moran’sI指數小于0表示服務呈負相關，趨于空間離散。采用Z值進行顯著性檢驗，當Z大于1.96或小于1.96（α=0.05）時，表明縣域尺度生態系統服務在空間上具有顯著相關性（王宏亮等，2020），計算公式如下：

采用局部Moran’sI指數識別各服務之間的空間聚集特征及相鄰局部區域單元之間的空間相關關系（Anselin，1995）。采用LISA聚集圖分析縣域生態系統服務的空間聚集性，共包含高高聚集、低低聚集、高低聚集、低高聚集、非顯著相關5種類型。其中，高高聚集和低低聚集為正相關，表示空間聚合程度高；高低聚集和低高聚集為負相關，表示空間離散程度高；非顯著相關表示無明顯的聚合和離散特征（管青春等，2019）。

局部Moran’sI指數計算公式為：

式中，Yi和Yj各代表單元i和單元j的屬性值；n為空間單元數量（本研究劃分為20個）；Wij為權重矩陣（根據空間鄰接關系建立）。

2 結果與分析

2.1 森林生態系統服務價值時空變化

2.1.1 時間變化

由表1可知，涵養水源（WC）、保育土壤（SC）、固碳釋氧（CS）、生物多樣性保護（BC）、積累營養物質（NA）和凈化大氣環境（AP）6種生態系統服務的IESC在1990—2000年和2000—2015年均為正值，表明庫區生態系統服務價值呈現上升趨勢。具體來說，涵養水源在 1990—2000年呈現出較快的價值增長趨勢，在2000年后增長趨勢降低；而其他5種服務均表現為在2000—2015年的價值增長程度高于1990—2000年。

表1 1990—2015年不同時期三峽庫區森林生態系統服務變化指數（IESC）Table 1 IESC of forest in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

從損益變化來看，生態系統服務變化指數在空間上差異明顯。除涵養水源在1990—2000年和2000—2015年均有增減外，其他5種服務在兩時期為完全增益狀態。涵養水源服務的IESC值在兩時期均存在負值，2000—2015年IESC最小值和最大值同步變大，體現出涵養水源服務價值呈減損程度降低、增益程度提高的變化趨勢，結合庫區 2000—2015年增長趨勢有所降低的結果，說明局部地區森林涵養水源能力顯著增強；保育土壤、生物多樣性保護、積累營養物質的IESC在兩時期的極值變化呈兩極分化趨勢，其中保育土壤和生物多樣性保護服務的IESC最大值均相差近1倍，表明2000年后局部地區保育土壤和生物多樣性保護服務價值變化加劇；固碳釋氧、凈化大氣環境IESC值呈逐漸增加趨勢，表明庫區森林固碳釋氧和凈化大氣環境能力有所提高，增益程度加強。

從1990—2000年和2000—2015年6種森林生態系統服務價值變化指數空間分布（圖2）來看，涵養水源在兩時期的IESC分布格局變化突出，減損區域由西向東轉移，1990—2000年的增益區域為東部高于西部，但2000—2015年表現出相反狀態，腹西和庫尾的增益狀態發展顯著。保育土壤、生物多樣性保護、凈化大氣環境在1990—2000年增益不明顯，在2000—2015年增益強度有所提高，但兩時期IESC分布格局差異較小。固碳釋氧和積累營養物質在1990—2000年的增益狀態表現為西部高于東部，而2000—2015年呈現出自西向東轉移的態勢。

圖2 三峽庫區森林生態系統服務變化指數空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of IESC in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

2.1.2 空間聚集特征

1990、2000、2015年6種生態系統服務的全局莫蘭指數（Moran’sI）均為正值，且多數服務通過了顯著性檢驗，表明各服務均為空間正相關關系（表2）。其中涵養水源和生物多樣性保護的Moran'sI先增后減，固碳釋氧和積累營養物質的Moran'sI先減后增，保育土壤和凈化大氣環境的 Moran'sI呈增長趨勢。

表2 三峽庫區6種森林生態系統服務全局莫蘭指數Table 2 Moran’s I of six forest ecosystem services in the Three GorgesReservoir Area

局部自相關結果表明，三峽庫區6種生態系統服務呈現出相似的聚集特征，在一定程度上表現出空間異質性（圖3）。涵養水源在2000年和2015年均在庫首有1個顯著高高聚集的區縣，顯著低低聚集區縣由1990年的4個增至5個，聚集分布區域呈現由庫尾向腹地擴展趨勢。保育土壤的顯著高高聚集區縣在2015年增至2個，顯著低低聚集區縣數量和分布在1990、2000、2015年未發生變化，主要集中在庫區西南部。固碳釋氧的顯著高高聚集區縣數量呈波動變化，2015年的顯著高高聚集區縣數量最多，且集中聚集狀態與同期的保育土壤保持一致。生物多樣性保護的顯著高高聚集區縣在2015增至3個，集中區域同樣呈現由庫首向西南部腹地擴展的趨勢，顯著低低聚集區縣數量和分布在3個時期保持不變，集中區域位于庫區西南部。積累營養物質僅在 2015年出現顯著高高聚集區縣，集中分布于庫首和腹東區域，2015年顯著低低聚集區縣數量較其他時期增加了1個，在空間上呈現向西南部庫尾擴展的趨勢。凈化大氣環境的顯著高高聚集和顯著低低聚集在 1990、2000、2015年具有相同的區縣數量和分布狀態，顯著高高聚集區縣位于東北部，顯著低低聚集區縣位于西南部。

圖3 1990—2015年三峽庫區6種生態系統服務局部LISA圖Fig. 3 LISA cluster map of six ecosystem services in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

綜上，三峽庫區6種森林生態系統服務在局域空間上以聚集分布為主，少見低高和高低的離散分布狀態。各服務價值整體上呈現出東北部高高聚集、西南部低低聚集的集聚規律。

2.2 森林生態系統服務權衡協同關系

2.2.1 權衡與協同關系

相關分析表明，6種生態系統服務多表現為協同關系，不同時期協同程度存在差異（表3）。1990—2000年6種服務相互之間均呈較強的協同關系，其中保育土壤-生物多樣性保護、固碳釋氧-積累營養物質、固碳釋氧-凈化大氣環境之間的協同作用較強（相關系數最高值達0.979）；2000—2015年各服務之間仍多呈協同關系，但協同程度較之 1990—2000年有所減弱，涵養水源-固碳釋氧、涵養水源-積累營養物質呈現出較弱的權衡關系。

表3 1990—2015年不同時期三峽庫區6種森林生態系統服務相關關系Table 3 The correlation among six forest ecosystem services in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

對比相關系數和Moran’sI指數（表3）可知，1990—2000年6種生態系統服務之間在時空上均表現出顯著正相關，即存在協同關系，時間上的協同強度高于空間；2000—2015年涵養水源與其他 5種服務在時間上的相關性不顯著，而在空間上呈現權衡關系，其他服務與1990—2000年表現出相同的相關關系。由此可見，6種生態系統服務在時空尺度上的相互作用方向與強度存在一定差異性，整體上相關關系以協同為主。然而各服務之間協同程度的降低和權衡關系的出現表明，雖然2000年退耕還林工程推動了庫區森林面積和覆蓋度增加，但三峽庫區蓄水完成后，局部地區城鎮化和移民工程基礎設施建設等人為影響（嚴恩萍等，2014；國洪磊等，2016）制約了森林質量的恢復與提升。

2.2.2 權衡與協同空間分布特征

6種生態系統服務之間雙變量局部空間自相關分析表明，各服務之間多表現為高高聚集和低低聚集的協同關系，具有顯著的空間異質性（圖4）。1990—2000年涵養水源-保育土壤、涵養水源-固碳釋氧、涵養水源-生物多樣性保護、保育土壤-固碳釋氧、保育土壤-生物多樣性保護、固碳釋氧-生物多樣性保護、涵養水源-凈化大氣環境、保育土壤-凈化大氣環境、生物多樣性保護-凈化大氣環境9對服務之間均在庫首和庫尾表現出協同關系，具體表現為庫首高高聚集、庫尾低低聚集，另前6對服務在庫區腹西也表現出低低聚集的協同關系；涵養水源-積累營養物質、保育土壤-積累營養物質、生物多樣性保護-積累營養物質 3對服務的協同表現在庫首和腹西，庫首高高聚集、腹西低低聚集；固碳釋氧-積累營養物質、固碳釋氧-凈化大氣環境、積累營養物質-凈化大氣環境的協同表現在庫尾和腹西，為低低聚集分布，另庫首表現出低高聚集的權衡。

圖4 1990—2015年不同時期三峽庫區6種生態系統服務間局部LISA圖Fig. 4 LISA cluster map between two ecosystem services in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

2000—2015年涵養水源與其他5種服務呈現明顯的權衡關系，具體為低高聚集表現在庫首和腹東，高低聚集表現在庫尾和腹西。其余 10對服務表現出相似的空間分布特征，協同表現在腹地東西兩側和庫尾北部。與 1990—2000年相比，2000—2015年涵養水源與其他5種服務空間上的協同關系呈減縮趨勢，在庫區東北部和西南部出現權衡關系；其余 10對服務空間上的協同關系呈自東向西擴展趨勢，且高高聚集和低低聚集由零散分布向組團分布轉變。

3 討論

本研究運用生態服務變化指數、相關分析與空間分析，闡釋了6種森林生態系統服務時空變化動態、空間聚集特征及各服務間權衡與協同關系。結果表明1990—2000年和2000—2015年各服務價值均處于增益狀態，而且 2000年后的價值增益程度有所提高，表明退耕還林等生態恢復工程有效地控制了森林損失，促進了森林恢復（Teng et al.，2017）。森林恢復、土壤保持和水源保護等措施又有效緩解了降雨侵蝕、控制了地表徑流、減少了水土流失并增加了土壤有機碳含量（Huang et al.，2019），從而增強了庫區森林涵養水源和保土固碳能力。退耕還林推動著三峽庫區耕地等土地利用類型向林地轉移增加（Teng et al.，2019），提高了森林植被覆蓋率，并優化了林分結構和景觀格局（Ghazoul et al.，2017）。森林管理措施與土地利用變化（黃春波等，2018）對森林生態系統水文等調節過程及其功能產生顯著正影響（曹云等，2006），也在一定程度上緩解了人為干擾帶來的生態損害效應（馬駿等，2014），推動森林生態系統服務價值總體提升。在IESC空間格局變化方面，庫區森林面積、林齡等導致各服務空間格局存在差異性。2000年后庫區造林在一定程度上緩解了西南都市區城市建設造成的森林破碎化，森林恢復與覆蓋度增加推動西南部涵養水源增益程度提高；同時由于東北部陡坡地土壤侵蝕強度高于西南部，退耕還林后東北部水土流失量下降趨勢更為明顯（Teng et al.，2019），故而固碳釋氧和積累營養物質增益狀態表現出自西南向東北部擴展趨勢；此外目前新增森林處于幼林階段，可能由于森林恢復對其生態系統服務的時滯效應（Chen et al.，2014；Blanco et al.，2017)，導致保育土壤、生物多樣性保護、凈化大氣環境等服務增益變化不明顯。

庫區各生態系統服務價值具有空間異質性，分布格局呈東北部高高聚集、西南部低低聚集的規律特征，價值的空間分布格局與齊靜等（2020）對三峽庫區多類型生態系統服務價值的研究基本一致，反映出森林生態系統是庫區生態系統服務價值的主要支撐（嚴恩萍等，2014）。生態系統服務低值聚集區主要分布在庫尾長壽、渝北、重慶、巴南和涪陵等平原區域，海拔較低、地勢較平緩，是城鎮化及經濟高度發展的都市區，這些區域面臨著城市用地擴張、土地利用不合理、生態環境退化等嚴峻考驗。城鎮化進程的推進導致林地侵占和森林景觀破碎化（陳雅如等，2017；陳雅如等，2018），因此需要優化國土空間、加強森林生態系統保護與修復，提高該區域乃至整個庫區森林生態系統服務價值。生態系統服務價值高值聚集區主要分布在庫首秭歸、奉節和巫山等中低山區域，相較于西部都市區，山地森林景觀破碎化程度較低，森林資源豐富且覆蓋度高，因此形成了生態系統服務價值高值聚集的協同發展。隨著空間演變，生態系統服務價值高值分布區域擴增，表明系列生態恢復工程的實施推動了人工林面積的增加，而且林齡增長促使林分蓄積量得以提高（Nishizono，2010），保障了庫區生態環境的正向演變。此外自然保護區的建立保護了生物多樣性和自然遺產（黃龍生等，2018），保障了庫區森林生態系統的完整性與穩定性，是提升庫區森林生態系統服務的有效途徑。

權衡與協同關系研究表明，在 1990—2015年庫區各生態系統服務之間以正相關的協同為主，且時間（相關系數）與空間（Moran'sI指數）尺度的權衡與協同關系基本一致。2000年后涵養水源與其他5種服務由協同轉為權衡，可能由于退耕還林工程推進，伴隨著林齡增加導致其他生態系統服務價值的提升以土壤容水量消耗為代價（歐朝蓉等，2020），這一點也與林地土壤碳儲量、水儲量和林下植被多樣性等對林齡差異化響應的研究結果一致（Lu et al.，2014）。同時由于2000年后三峽工程開始蓄水（國洪磊等，2016），蓄水量的增加引起了庫區氣候變化，如降水量的減少等（陳祥義等，2015），在一定程度上削弱了森林涵養水源功能，表明森林生態系統服務權衡與協同是內部因素（林齡、森林結構等）和外部因素[如庫區蓄水（國洪磊等，2016）、土地利用變化（熊杰等，2018）、生態工程實施]共同作用的結果。權衡與協同的空間分布規律表現為散布轉向組團，2000—2015年協同聚集區域擴增，“高-高”協同與“低-低”協同的空間聚集狀態與 2015年各服務價值空間聚集特征相似，庫首山區和庫尾平原分別是各服務“高-高”協同和“低-低”協同的主要分布區域。“高-高”協同分布區域比例增長有助于實現自然環境保護與社會經濟發展的雙贏，因此需積極應對城市化發展問題、推動實施生態保障工程，促使生態系統服務之間“低-低”協同轉變為“高-高”協同并弱化權衡，同步提升涵養水源、保育土壤、生物多樣性保護等生態系統服務價值。本研究在一定程度上分析了不同時空尺度生態系統服務權衡與協同關系，但各服務相互作用的內部機理和影響機制尚未深入剖析，未來要繼續探討不同生態系統服務之間權衡與協同對自然和人為驅動因素的響應機制，尤其要重點關注內在生態因素，量化不同森林類型、結構、生長發育過程等對森林提供服務能力及各服務相互關系的影響。

4 結論

本研究采用生態系統服務變化指數、相關系數、空間分析等方法，分析了1990—2015年三峽庫區森林生態系統服務時空變化動態、空間聚集特征及生態系統服務權衡與協同關系，主要結論如下：

（1）6種生態系統服務價值均有所增加且IESC值域表現出兩極分化、極值持平和極值倍增等不同變化趨勢。IESC空間分布格局變化迥異，涵養水源、固碳釋氧和積累營養物質在 2000年前后增益狀態呈相反的變化趨勢，前者為自東北向西南轉移變化，后兩者呈自西南向東北擴展變化；保育土壤、生物多樣性保護、凈化大氣環境在兩時期的增益變化不明顯。

（2）6種生態系統服務均為空間正相關，局部呈現出相似的集聚特征。各服務顯著高高聚集和顯著低低聚集單元數目均有所增加，空間分布呈東北部高高聚集、西南部低低聚集的規律特征。

（3）同一時期6種服務之間Moran'sI指數和相關性系數的表現基本一致，而不同時期的相關關系及程度存在差異。1990—2000年各服務在時空上均呈正相關的協同關系，時間上的協同程度高于空間；2000—2015年涵養水源與其他5種服務在時空上出現負相關的權衡關系，其他服務之間雖仍為協同關系，但協同程度有所減弱。

（4）空間格局上，兩時期各服務之間權衡與協同關系異質性顯著。2000年后，涵養水源與其他5種服務由正相關協同轉變為負相關權衡，其余各服務之間協同關系的分布區域均有所增加，且空間聚集由散布向組團轉變。