青藏高原生態屏障區生態系統服務權衡與協同關系

朱殿珍, 初 磊, 馬 帥, 王良杰, 張金池

(南京林業大學 南方現代林業協同創新中心/江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室, 南京 210037)

生態系統服務指生態系統所形成和維持的人類賴以生存和發展的自然環境條件與效用[1]，也是人類直接或者間接從生態系統中獲取的所有收益[2]。由于生態系統服務種類的多樣性、空間分布的不均衡性以及人類使用的選擇性，使生態系統服務之間的關系出現了動態變化，主要表現為此消彼長的權衡和相互增益的協同等形式[3-4]。其中權衡是指某種類型生態系統服務的增加或減少導致其他服務的減少或增加；協同是指兩種或兩種以上的生態系統服務的供給同時增加或減少[2,4]。厘清生態系統服務之間權衡與協同的時空變化特征，明晰生態系統服務權衡與協同關系，對促進區域的發展以及生態環境保護具有重要意義[5]，也是實現區域可持續管理決策的重要前提。

生態系統服務及其相互關系的研究近年來已經成為地理學、生態學以及生態經濟學等多學科的研究熱點，受到了許多學者的關注[1-2,4,6-7]。武文歡等[8]采用相關分析法探討了半干旱地區生態系統服務的權衡與協同關系，并分析了不同土地利用類型的生態系統服務間的差異。王曉峰等[1]使用Sen趨勢度法和偏相關分析法對新疆3種生態系統服務間的時空變化及權衡與協同關系進行了分析。饒勝等[9]探討了草原生態系統中畜產品與防風固沙間的權衡關系，并得到了適用于該地區的最佳生物量分配方式。林子雁等[10]分析了中國西南地區5項供給服務間的權衡與協同關系，并通過疊羅分析識別了生態系統服務共贏區域。鞏杰等[6]研究了西部山區流域生態系統服務間多尺度權衡關系，發現土地利用/覆蓋格局的空間差異是影響服務權衡程度與空間變異的重要因素。綜上所述，雖然生態系統服務權衡與協同的研究較多，但青藏高原作為我國生態環境敏感脆弱區[11-13]，對該區域生態系統服務空間權衡/協同變化研究目前并不多見，因此，評價青藏高原生態系統服務的變化和權衡/協同關系，可為區域生態系統保護與管理決策提供依據。

青藏高原作為“世界屋脊”，是我國和亞洲的“江河源”，也是我國水資源安全的戰略基地[14]。它特有的氣候和地理條件決定了其生態系統的脆弱性和敏感性[12]。青藏高原生態屏障區是我國生態安全的關鍵屏障區域，對其生態系統服務進行準確的量化是理解屏障區生態服務功能演變的重要基礎。研究青藏高原生態屏障區碳固定、土壤保持和水源涵養等生態系統服務功能的空間分布規律及權衡/協同關系，可為該區域的生態保護和優化管理提供參考[15]。本研究采用RUSLE模型、InVEST模型、CASA模型，基于ArcGIS軟件平臺，評估青藏高原屏障區2000—2015年土壤保持、水源涵養、碳儲量的空間分布格局，采用相關性分析方法，探討各服務之間的權衡與協同關系，研究不同時期生態系統服務的變化特征，初步揭示生態屏障區生態系統服務的時空變化規律。

1 研究區概況

青藏高原生態屏障(82°50′—105°5″E,29°40′—38°10′N)是國家“兩屏三帶”生態格局中青藏高原生態屏障的空間載體，范圍涉及青海、西藏、甘肅、四川等地區，面積約89.65萬km2(圖1)；地貌類型以高原為主；平均海拔在4 000 m以上；氣候特點為輻射強烈，日照多，氣溫低，積溫少，氣溫隨高度和緯度的升高而降低，氣溫日較差大，年變化小。年平均氣溫由東南的20℃向西北遞減至-6℃以下；年降水量由東南的2 000 mm遞減至西北的50 mm以下；主要的植被類型為山地森林、高寒草甸和高寒草原。

圖1 研究區地理位置

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文數據包括：(1) 2000年、2005年、2010年、2015年的土地利用/植被覆蓋數據，來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km；(2) 2000年、2005年、2010年、2015年氣象數據來自于World climate(http:∥www.worldclimate.com/)和中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km；(3) 土壤數據來自于世界土壤數據庫(Harmonized World Soil Database version,HWSD)該數據包含土壤類型、土壤質地、土壤有機碳含量等資料，比例尺為1∶100萬；(4) DEM數據來自國家青藏高原科學數據中心(http:∥www.tpdc.ac.cn/zh-hans/)，空間分辨率為1 km。將各個數據統一到Albers投影。

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務定量評估方法 (1) 土壤保持。本研究采用RUSLE模型來分別評估青藏高原生態屏障區2000—2015年的土壤保持量。土壤保持量為潛在的土壤侵蝕量和現實的土壤侵蝕量之差。計算公式如下：

AC=AP-AR

(1)

AP=R·K·LS

(2)

AR=R·K·LS·C·P

(3)

式中:AC為土壤的保持量[t/(hm2·a)]；AP為潛在的土壤侵蝕量[t/(hm2·a)];AR為土壤現實的侵蝕量[t/(hm2·a)];R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;LS為坡度和坡長因子的乘積;C為植被的覆蓋度與經營管理因子;P為土壤的保持措施因子。各因子詳細計算參見文獻[16]。該評價方法在三江源區[17],取得了良好的結果。

(2) 水源涵養。通過InVEST模型中Water Yield模塊進行水源涵養量的估算，其計算原理是水量平衡方程。估算公式如下：

WR=min(1249/V)×min(1，0.31TI)×min(k/300)×Y

(4)

TI=lg[DA/(SD×PS)]

(5)

Yxj=(1-AETxj/Px)Px

(6)

式中:WR為多年平均水源涵養量(mm);V為流速系數;TI為地形指數；k為土壤飽和導水率(cm/d);Y為流域產水量(mm);DA為流域集水區柵格數量,無量綱;SD為土層深度(mm);PS為百分比坡度;Yxj，AETxj分別為柵格x中土地利用/覆蓋類型j的年產水量(mm)和年實際蒸散量(mm);Px為柵格x的年均降水量(mm)。計算過程與原理參見文獻[18]。該評價方法已成功應用于拉薩河流域[12],并得出了良好的評價結果。

(3) 碳儲存。生態系統提供的碳儲存服務可由植被凈初級生產力(NPP)進行表示，本文使用CASA模型估算(NPP)。計算公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(7)

式中:NPP(x,t)為柵格x在t時間內的凈初級生產力[g C/(m2·a)];APAR(x,t)為空間位置x在時間t內吸收的光合有效輻射(MJ/m2);ε(x,t)為柵格x在時間t內的實際光能利用率(g C/MJ)。參數確定及模型計算方法參見文獻[19]。該評價方法已經在三江源地區[20]得出了良好的評價結果。

2.2.2 生態系統服務相關性分析與熱點區識別 在評估生態系統服務的基礎上，通過識別青藏高原生態屏障區的服務熱點區來探討研究區不同區域服務供給能力的強弱。將研究區3種生態系統服務超過當年各自平均值的地區視為該服務的熱點區[8,21]，借助ArcGIS 10.3軟件將各單項生態系統服務的熱點區進行空間疊加，得出多重生態服務熱點區分布。若某一柵格內3種服務的值均未超過各自的平均值，則定義為非熱點區?！?，2，3類服務熱點區”分別表示有1，2，3種服務的值超過了平均值，并采用ArcGIS 10.3軟件得到多重生態系統服務熱點區的空間分布格局。

本文基于SPSS 22.0軟件，以2000年、2005年、2010年和2015年3種生態系統服務的評估值為基礎，采用相關分析法對研究區生態系統服務間權衡/協同關系進行量化，若呈負相關，則認為服務之間存在空間權衡關系；若為正相關，則認為服務之間為協同關系[6]，當相關性通過顯著性檢驗時為顯著權衡/協同，否則為弱權衡/協同或關系不明顯。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務時空變化

青藏高原生態屏障區生態系統服務的空間分布情況和各服務結果見圖2和表1。研究期間青藏高原生態屏障區水源涵養量為0～1 090.31 mm。2000年、2005年、2010年及2015年的年平均水源涵養量為142.45，194.76，137.25，47.18 mm，多年水源涵養量均值為130.41 mm。多年來，水源涵養量呈現先增加后減少的趨勢?？傮w來看，水源涵養呈下降趨勢，其減少量為95.27 mm。水源涵養量最值變化不同，最大值降低。水源涵養主要受降水和蒸發散的影響。研究區2000—2015年降雨量呈現先增加后較少的趨勢，蒸發散量呈明顯增加趨勢；2010年和2015年降水量較2000年與2005年降低了12.3%，22.5%，而蒸發散量增加4.6%，4.7%，2010年與2015年水源涵養服務減少較明顯。在空間上，水源涵養服務呈現出東部地區高西部地區低的空間分布格局(圖2)。2000年、2005年、2010年和2015年水源涵養高于其均值的區域分別為41.3%，50.6%，58.5%，34.2%，主要分布在東南部地區。低值區主要集中在北部庫爾勒市和都蘭縣；土地利用類型主要以鹽堿地、裸巖和戈壁為主，因此水源涵養量少。

圖2 2000-2015年青藏高原生態屏障區生態系統服務時空分布

表1 2000-2015年青藏高原生態屏障區生態服務

2000年、2005年、2010年、2015年青藏高原生態屏障區年平均土壤保持量依次為2 658.29，3 062.09，2 645.43，1 576.91 t/hm2，多年平均土壤保持量為2 485.68 t/hm2。15 a間，土壤保持年均值呈倒“V”型減少，減少量為1 081.38 t/hm2。土壤保持服務最大值也由2000年的1 094 358 t/hm2下降到2015年的705 989 t/hm2，減少了388 369 t/hm2。土壤保持功能除了受到降雨量的影響之外，還與研究區的土地利用變化有關，2010年后研究區建設用地有所增加，降低了植被覆蓋，導致土壤保持量減少?？臻g分布上，土壤保持服務呈現由東南向西北遞減的空間分布格局(圖2)，高值區主要分布在東南地區，70%的區域高于2 500 t/hm2；低值區集中分布在西北地區，超過80%的地區低于2 000 t/hm2，主要受青藏高原生態屏障區土地利用類型的空間分布影響。

2000年、2005年、2010年、2015年青藏高原生態屏障區的年均碳儲存量分別為109.77，132.36，138.28，135.54 g C/m2。多年平均值為128.98 g C/m2。2000—2015年年均碳儲存量呈現增加趨勢，增加量為25.77 g C/m2。碳儲存最大值從2000年的588 g C/m2增加到了2015年的650 g C/m2。空間上，碳儲存呈現東南高西北低的空間分布格局(圖2)，2000年、2005年、2010年、2015年的碳儲存高于均值的區域分別占48.3%，51.7%，56.5%，58.1%，主要分布在東南地區，青藏高原大部分的森林位于東南部山區。

3.2 生態系統服務變化

由圖3A可知，2000—2015年水源涵養服務在-161.78～73.08 mm/a變化。在空間上呈現出明顯的變化規律，北部減少南部增多。同時，在空間上表現出明顯的減少趨勢，其減少區域(95.6%)大于增加區域(4.4%)，增加區域主要以東部的瑪沁縣、同德縣、澤庫縣和河南蒙古自治縣為主。

圖3 2000-2015年青藏高原生態屏障區生態系統服務變化空間分布

土壤保持服務變化值介于-97 092.3～5 845.71 t/(hm2·a)(圖3B)。其空間變化趨勢為西北增東南減的趨勢。同時，在15 a間土壤保持服務表現為明顯的減少趨勢，減少的區域超過90%。

碳儲存服務在-61.25～97.25 g C/(m2·a)變化(圖3C)。同時，碳儲存服務表現出西減東增的空間變化特點，且增加區域(73.9%)大于減少區域(26.1%)，增加區域主要集中在東部地區。

3.3 生態系統服務權衡與協同

圖4是生態系統服務散點圖矩陣，對角線上是3種服務的直方圖及核密度曲線，直方圖反映橫軸數據的分布特征，核密度曲線反映數據的集中程度；對角線以上是各服務間的相關系數，對角線以下是各服務點間的散點圖及平滑擬合曲線。從圖4可看出，在分布特征上水源涵養、碳儲量和土壤保持的數據點分布較為分散；從相關性來看，青藏高原生態屏障區土壤保持服務、水源涵養服務、碳儲存服務兩兩之間的相關系數均達到了顯著性水平。同時，土壤保持服務與水源涵養服務、土壤保持服務與碳儲存服務和水源涵養服務與碳儲量服務之間的相關系數均大于0，說明二者之間是相互增益的協同關系，且兩兩之間顯著相關。2000—2015年青藏高原生態屏障區內生態系統服務之間的相關性均先降低后升高?？傮w而言其相關性有所升高，具體表現為相關系數的增加，土壤保持服務與碳儲量服務的相關系數由2000年的0.32增加為2015年的0.36，水源涵養服務與碳儲存服務的相關系數由0.43增加為0.58，水源涵養服務與碳儲存服務的相關系數由0.27增加為0.29。綜上所述，在空間上，2000—2015年3種生態系統服務兩兩之間的協同關系在變強，具體表現為相關系數的增大。

注：***表示在0.001水平顯著。

由表2可知，土壤保持和碳儲存從2000—2005年的相關系數為0.204變為2010—2015年的0.025。由于2010—2015年的相關系數為0.025，表明其作用在變弱，因此在2000—2015年兩者間的協同關系在變弱。土壤保持與水源涵養、水源涵養與碳儲存在2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年相關系數分別為0.258，0.318，0.15，0.354，0.178，0.179。且都通過了0.01或0.05水平顯著檢驗，表明其兩兩之間表現為協同關系，并且之間的關系在變弱。綜上所述，在時間上，2000—2015年3種生態系統服務兩兩之間的協同關系在變弱，具體表現為相關系數的減少。

表2 2000-2015年生態系統服務變化相關系數

3.4 熱點區識別

青藏高原生態屏障區多重生態系統服務熱點區分布見圖5。2000年、2005年、2010年、2015年非熱點區的面積百分比分別為46.73%，44.85%，39.87%，57.37%，主要的土地利用類型為草地、建設用地和未利用地。15年間，1類熱點區由24.20%減少到16.88%，該類熱點區的主要土地利用類型為草地，主要以碳儲存服務為主。2類熱點區面積百分比從24.21%下降到了14.53%，面積減少了9.68%，土地利用類型主要為草地；中部主要以土壤保持和水源涵養服務為主，東部主要以碳儲存和水源涵養服務為主。3類熱點區從2000年的10.64%增加到了11.22%，面積增加了0.58%，主要土地利用類型林地。整體來看，青藏高原生態屏障區非熱點區域面積增加，1類和2類熱點區面積減少，3類熱點區面積增加，多重服務熱點區大多土壤條件優良、植被覆蓋較好，因而具有較強的土壤保持、碳儲存和水源涵養能力。

圖5 2000-2015年青藏高原生態屏障區生態系統服務熱點區分布

4 討 論

4.1 生態系統服務的時空變化分析

以青藏高原生態屏障區為研究區，分析了2000—2015年土壤保持、水源涵養和碳儲存3種生態系統服務的時空變化及權衡與協同關系，發現生態系統服務的變化與區域的降水量有關[11,21-22]，降水量通過影響RUSLE式中的降雨侵蝕力因子來影響土壤保持功能[23]；降水量通過制約CASA模型中的水分脅迫系數來影響碳儲量[21,24]；水源涵養的變化主要受降水量和蒸發散的影響，是降水量與蒸發散量之差[24]；15 a來研究區降水量降低了44.7%，蒸發散增加了6.7%，相應的3種服務也有所變化。有研究表明，NDVI與NPP之間存在較強的相關性[25-26]，2000—2015年，青藏高原NDVI呈現增加的趨勢[27]，因此青藏高原NPP也在增加，這與本研究中碳儲存呈現增加趨勢這一結果相吻合。有學者研究了青藏高原的降雨變化特征，指出青藏高原的降雨量呈現明顯的減少趨勢[28]，如怒江流域[29]、西藏地區[30]以及青藏高原南部地區[31]降雨均出現減少的趨勢。同時，氣溫的升高導致蒸發散加強，使得水源涵養年際變化出現波動。影響土壤保持功能的主要因素為植被和降雨[7,21,32]，植被覆蓋度高，減緩土壤侵蝕，使得土壤保持功能水平較高。也有研究表明青藏高原極端降雨次數逐年增多[33]，隨著強降雨次數的增加，使得土壤侵蝕加劇，導致土壤保持功能降低。

在空間上，土壤保持服務的高值區主要集中在東南地區，土地利用類型以草地和林地為主，植被覆蓋度高，減少了土壤侵蝕；中部的庫爾勒市、都蘭縣以建設用地和未利用地為主，植被覆蓋低、人類對生態服務干擾大[34]，土壤保持服務服務較低。同時，研究區土壤保持服務的高值區與坡度值高的地區空間分布一致，表明地形對生態系統服務具有一定的影響，應該加強對高原高坡植物的保護[35]。水源涵養的高值區多分布在東南部的林地，這是因為林地植被覆蓋度高，蒸騰作用較小，且降雨截留量大，徑流量少，所以水源涵養量較高[22,32]。碳儲存的高值區集中在東南部海拔相對較高的山地林區，山地林區植被類型豐富，凋落物多且分解速率較快，使土壤中有機質積累增加，碳儲存量增加[24,36-37]。研究區的東南部山地林區為3種服務的多重服務熱點區，而且2015年多重服務熱點區面積比2000年增多，本研究認為林地有利于提高青藏高原的土壤保持、水源涵養和碳儲量服務的供給能力，高敏等[7]在喀斯特地區的研究表明隨著退耕還林政策的實施，區域提供生態系統服務的能力在不斷增強，多重生態系統服務熱點區面積逐年增加。此外，研究還發現林地的水源涵養、土壤保持和碳儲存服務供給能力均強于草地，因此應該適當的增加林地的面積，有助于提高青藏高原生態屏障區的生態系統服務供給能力。

4.2 生態系統服務的權衡與協同關系分析

從權衡與協同關系變化上來看，在空間上，研究區的水源涵養與土壤保持、土壤保持與碳儲存、水源涵養與碳儲存服務之間均表現為相互增益的協同關系，且協同關系在變強。碳儲存與土壤保持為協同關系，是由于植被覆蓋度高，增加了碳儲存，同時植被具有截持降雨、固結土壤的能力，減少了土壤流失，加強了土壤保持能力[8,21]，研究區15 a來降雨不斷減少，減緩了土壤侵蝕，因此加強了土壤保持與碳儲存之間的協同關系。碳儲存與水源涵養之間的關系為協同關系，是因為植被覆蓋度的提高在增加碳儲量的同時，也會截留降雨，減少徑流，從而增加水源涵養量[38]。研究區水源涵養從2000—2005年呈增加趨勢，使碳儲存與水源涵養之間的協同關系增強；但2005年后，隨著研究區降水量的減少，水源涵養量也逐漸減少，導致兩者之間的協同關系變弱。土壤保持與水源涵養之間為協同關系，主要是林地植被覆蓋度高，凋落物層厚且人為活動較弱，同時茂密的林地減少了水分蒸發和水力侵蝕[7]；從15 a的土壤保持量與水源涵養量平均值的變化看，研究區內兩者均表現為先增加后減少的趨勢，兩者的變化趨勢一致，但是水源涵養量的變化速率大于土壤保持量，導致土壤保持與水源涵養之間的協同關系先變弱再變強。在時間上青藏高原生態屏障區3種生態系統服務的年變化量隨著時間變化在減少，降雨量和蒸發散的變化率均在增大，使得3種服務的變化率在減小，導致3種服務之間的協同關系在時間變化上是減弱。在本研究中，只對生態系統服務權衡與協同之間的關系進行分析，在后續的研究中還應加強對權衡與協同關系內在機理的研究。

5 結 論

(1) 2000—2015年，在空間上，青藏高原生態屏障區的3種生態系統服務土壤保持、水源涵養和碳儲量服務均表現為由東南向西北減少的趨勢；在時間上，土壤保持與水源涵養服務顯著減少，減少量分別為1 081.38 t/hm2，95.27 mm。而碳儲存呈現增加趨勢，增加量為25.77 g C/m2。研究區1類和2類熱點區面積減少，3類熱點區以及非熱點區面積增加。

(2) 土壤保持、水源涵養和碳儲量服務之間的相關系數均大于0，且都通過了0.001，0.01或0.05顯著性水平的檢驗。在空間上，2000—2015年3種生態系統服務兩兩之間的協同關系在變強，具體表現為相關系數的增大；在時間上，3種生態系統服務兩兩之間的協同關系在變弱，具體表現為相關系數的減少。

(3) 青藏高原生態屏障區中存在多種多樣的生態系統服務，本研究只選取了其中主要的3種生態系統服務進行權衡與協同關系的研究。在未來的研究中還需要對青藏高原生態屏障區生態系統服務進行更加全面細致的評估，分析多項服務間的權衡協同關系，以便于更好的管理和優化，為政府制定更加全面的生態保護策略提供參考。