陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系時空特征分析

晉鵬欣

(長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種收益[1]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系復(fù)雜且相互影響[2,3]，一般表現(xiàn)為此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和同減同增的協(xié)同關(guān)系[4]。明晰不同生態(tài)系統(tǒng)服間的相互關(guān)系，有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[5]。目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)成為多學(xué)科的研究熱點，學(xué)者從不同尺度上針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進行了大量的研究。孫澤祥等[6]對呼包鄂榆地區(qū)2010年的糧食生產(chǎn)、產(chǎn)水量、土壤保持和固碳等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行測量并利用相關(guān)分析法對不同服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系進行分析。孫藝杰等[7]分析了延安市1993—2013年生態(tài)服務(wù)價值權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時空變化特征，探討了退耕還林政策對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系影響。王蓓等[8]使用InVEST模型測算了石羊河流域不同時間節(jié)點五項服務(wù)的時空變化格局，并利用相關(guān)系數(shù)法分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。

陜西省自然資源豐富自然條件復(fù)雜，主要由水土流失嚴(yán)重的陜北地區(qū)、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的關(guān)中地區(qū)以及重要生態(tài)屏障帶——秦嶺構(gòu)成，但城市化進程加快、人口增加以及人類不合理的開發(fā)引起了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的退化，使區(qū)域人類福祉和生態(tài)安全受到威脅。研究陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互關(guān)系長時間序列時空變化特征[5]，有利于促進經(jīng)濟與生態(tài)保護的同步發(fā)展[9]。因此本文以陜西省為研究區(qū),基于CASA模型、RUSLE模型和InVEST模型測算了研究區(qū)2000—2018年的凈初級生產(chǎn)力(NPP)、土壤保持和產(chǎn)水3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量，使用熱點分析得到了陜西省多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)，利用相關(guān)性分析法探究3種服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間分布特征。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于長江、黃河兩大流域之間，地貌類型多樣，橫貫東西的秦嶺與黃土高原將陜西分為了秦巴山地、關(guān)中平原和黃土高原3大自然區(qū)，自然條件復(fù)雜多樣，兼具南北自然資源特點，在西北地區(qū)發(fā)揮著重要的服務(wù)功能。陜西省主要由陜北、關(guān)中、陜南3個地區(qū)組成[10]，橫跨3個氣候帶，陜北地區(qū)屬于中國黃土高原的中心部分，為中溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明,氣候多變。關(guān)中地區(qū)屬于平原區(qū)，溫帶季風(fēng)性氣候，具有夏季高溫多雨、冬季溫和少雨的氣候特點；陜南地區(qū)屬于山區(qū)，亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛。陜西省兼?zhèn)淠媳弊匀惶攸c，不同地區(qū)自然條件有顯著差異，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征迥異。

1.2 數(shù)據(jù)來源

陜西省區(qū)縣行政界線數(shù)據(jù)下載于國家基礎(chǔ)信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)。降水、氣溫、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)下載于國家氣象信息中心(http://data.cma.cn)，使用Anusplin進行插值得到分辨率為1km的柵格數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)采用中國土壤數(shù)據(jù)集(V1.1)(http://westdc.westgis.ac.cn)。NDVI數(shù)據(jù)使用地理空間數(shù)據(jù)云的GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)集(https://ecocast.arc.nasa.gov)，采用最大合成法得到1km分辨率的年NDVI柵格數(shù)據(jù)集。DEM高程數(shù)據(jù)下載于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為250m。

2 研究方法

2.1 固碳服務(wù)

利用生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)評估陜西省多年固碳服務(wù)，基于CASA模型來計算植被凈初級生產(chǎn)力。公式[11]：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中，NPP為植被凈初級生產(chǎn)力，gC·m-2·a-1；APAR(x,t)為像元x在t月時，植被吸收的光合有效福射，MJ·m-2；ε(x,t)表示像元x在t月時植被實際的光能利用率，gC·MJ-1[12]。

2.2 產(chǎn)水服務(wù)

使用InVEST模型計算陜西省2000—2018年產(chǎn)水量，利用區(qū)域水量平衡法計算得到[13]。公式：

Q=P-ET

(2)

(3)

式中，Q為產(chǎn)水量，mm；P為年降水量，mm；ET為蒸散量，mm；PET為潛在蒸散量，mm；ω為植被耗水系數(shù)。

2.3 土壤保持服務(wù)

使用RUSLE模型計算陜西省2000—2018年的土壤保持量，公式[14]：

SC=Ap-Ar

(4)

式中，SC為土壤保持量，t·hm-2·a-1；Ap為土壤潛在侵蝕量；Ar為土壤實際侵蝕量。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同分析方法

本文基于柵格像元尺度在MATLAB軟件計算3種服務(wù)之間的相關(guān)性[15]，公式：

(5)

式中，R為2種服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)；ES1與ES2代表2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；i、j為行號和列號；n為時間序列，研究中n為19a。劃分標(biāo)準(zhǔn)：強協(xié)同(R>0，0.010，0.050，0.10

2.5 熱點分析

熱點地區(qū)是將3種服務(wù)(產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)、固碳服務(wù))超過各自年平均值的柵格作為熱點區(qū)，將3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點圖進行疊加分析得到陜西省多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)分布圖[16]。將0種、1種、2種和3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值超過年平均值的區(qū)域分別視為0類、1類、2類和3類熱點區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 陜西生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化分析

從空間上來看，陜南地區(qū)如安康市和漢中市是土壤保持服務(wù)的高值集中區(qū)，關(guān)中區(qū)域也出現(xiàn)零星分布，低值區(qū)主要分布在陜北地區(qū)的榆林市等，從南向北依次遞減，固碳服務(wù)(NPP)高值區(qū)在2018年前陜南、關(guān)中區(qū)域為高值區(qū)，陜北為低值區(qū)分布，在2018年全區(qū)除陜北西部、關(guān)中南部基本都為中高值分布，高值分布范圍廣，分布范圍明顯增加，產(chǎn)水服務(wù)的高值區(qū)集中于陜南地區(qū)，2000—2018年高值區(qū)分布在安康和漢中兩市擺動，低值區(qū)大面積分布在陜北、關(guān)中地區(qū)；從時間上來看，土壤保持服務(wù)均值從2000年224.66t·hm-2·a-1增加為2010年的413.67t·hm-2·a-1，在2018年下降為208.56t·hm-2·a-1，固碳服務(wù)在2000年為544.56gC·m-2·a-1，2018年為677.28gC·m-2·a-1，呈現(xiàn)增長趨勢，陜西省產(chǎn)水量從2000年的均值為189.39mm增加到2010年的256.29mm后又降到2018年的164.44mm，產(chǎn)水量和土壤保持量在2000—2018年均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，而固碳量則呈現(xiàn)增加趨勢。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)域

3.2.1 單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)

運用ArcGIS的空間分析和制圖工具，對陜西省2000—2018年固碳服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)以及土壤保持服務(wù)進行熱點區(qū)識別，得到單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)空間分布。產(chǎn)水服務(wù)點區(qū)在2000年、2010年和2018年的面積占比分別為35.42%、39.02%和44.08%，主要分布在陜南的漢中市、安康市。19a間，產(chǎn)水服務(wù)熱點區(qū)在商洛市、延安市東部及西部部分地區(qū)有明顯增加，在安康市出現(xiàn)明顯減少；固碳服務(wù)點區(qū)在2000年、2010年和2018年的面積占比分別為57.82%、57.74%和55.76%，主要分布在陜南的漢中市、安康市、商洛市及關(guān)中地區(qū)，19a間，固碳服務(wù)熱點區(qū)在關(guān)中地區(qū)的延安市增加明顯，在西安市明顯減少；土壤保持服務(wù)點區(qū)在2000年、2010年和2018年的面積占比分別為22.86%、22.09%和23.53%，主要分布在陜南的漢中市、寶雞市和安康市，19a間，土壤保持服務(wù)熱點區(qū)在陜南地區(qū)增加明顯，在延安地區(qū)有部分減少；固碳服務(wù)熱點區(qū)分布最為廣泛，其次為產(chǎn)水服務(wù)熱點區(qū)，最后是土壤保持服務(wù)熱點區(qū)，3個服務(wù)的熱點都主要集中在陜南地區(qū)。

圖1 2000—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

圖2 2000—2018年陜西單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)

3.2.2 單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)

本文將陜西省固碳服務(wù)、土壤保持服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù)超過各自年均值的柵格劃分為該類服務(wù)的熱點區(qū)域，在ArcGIS軟件中將2000—2018年陜西省產(chǎn)水、固碳服務(wù)與土壤保持的單項熱點服務(wù)區(qū)進行疊加得到多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)的空間分布。從圖2可以得出，0類服務(wù)區(qū)占陜西省總面積的23.90%，主要分布在陜北東部、關(guān)中南部即榆林市東部和渭南市南部地帶；1類服務(wù)區(qū)占陜西省總面積的44.15%，主要分布在陜北西部、關(guān)中南部和陜南東部地帶即榆林市西部、延安市以及商洛安康市等；2類服務(wù)區(qū)占陜西省總面積的16.59%，主要呈現(xiàn)零星交錯分布；3類服務(wù)區(qū)占陜西總面積的15.34%，主要分布在陜南地區(qū)的中西部即漢中市地區(qū)和安康市的西部。

圖3 陜西省多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

圖4 陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間分布

研究基于柵格像元尺度在MATLAB平臺使用相關(guān)分析來探究NPP、土壤保持和產(chǎn)水3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。NPP與產(chǎn)水在2000—2018年呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，占比為79.55%，強協(xié)同集中分布在陜北西部及延安市西部地區(qū)，弱協(xié)同面積分布廣泛，占比為67.74%，弱權(quán)衡主要分布在銅川市、咸陽市、寶雞市以及榆林市東部、漢中市西南部，中權(quán)衡和強權(quán)衡分布較零散占比低，主要分布在咸陽市等；土壤保持與產(chǎn)水在2000—2018年以協(xié)同關(guān)系為主，且主要呈現(xiàn)強協(xié)同，協(xié)同關(guān)系區(qū)域占比為89.15%，強協(xié)同主要分布在榆林市、延安市、關(guān)中地區(qū)及漢中和安康市的南部，弱協(xié)同主要分布在陜南地區(qū)，權(quán)衡關(guān)系主要呈現(xiàn)為弱權(quán)衡，分布在榆林市和陜南部分地區(qū)；土壤保持和固碳服務(wù)在2000—2018年主要為協(xié)同關(guān)系，占比為64.81%，強協(xié)同主要分布在榆林市和延安市的交接地帶，弱協(xié)同呈現(xiàn)廣泛分布，集中在陜北、關(guān)中和陜南西部地區(qū)，弱權(quán)衡主要分布在陜南東部和南部地區(qū)，強權(quán)衡分布在商洛市東南部。

4 結(jié)論

2000—2018年陜西省產(chǎn)水量和土壤保持量年均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，而固碳量則呈現(xiàn)增加趨勢。NPP年均值增加了132.72gC·m-2·a-1，增量最多的地區(qū)為陜北東部即榆林東部地區(qū)；土壤保持量年均值減少了16.1t·hm-2·a-1，土壤保持量減少最多的區(qū)域為陜南的西部地區(qū)以及漢中和安康南部；產(chǎn)水量年均值減少了24.95mm，減少量最多的地區(qū)為陜南的安康市和商洛市。

固碳服務(wù)熱點區(qū)分布最為廣泛，其次為產(chǎn)水服務(wù)熱點區(qū)，最后是土壤保持服務(wù)熱點區(qū)，3個服務(wù)的熱點都主要集中在陜南地區(qū)。在多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點區(qū)空間分布中，陜西省1類服務(wù)熱點區(qū)占比最高，主要分布在陜北西部、關(guān)中南部和陜南東部地帶，3類服務(wù)區(qū)占比最低，且集中分布在陜南西部地區(qū)。

陜西省2000—2018年土壤保持、NPP、產(chǎn)水3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互關(guān)系均以協(xié)同關(guān)系為主，NPP與產(chǎn)水協(xié)同關(guān)系分布廣泛，除延安東部、咸陽西南部以及漢中西南部呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系外，其余均為不同程度的協(xié)同關(guān)系，陜西省土壤保持與產(chǎn)水在19a間全區(qū)大面積呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，僅有極少數(shù)地區(qū)為權(quán)衡分布，土壤保持和固碳服務(wù)權(quán)衡關(guān)系集中分布在商洛、安康和西安地帶，其余呈現(xiàn)協(xié)同分布。

5 討論

本文基于像元尺度，測算了陜西省2000—2018年3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量，采用相關(guān)性分析分析了陜西省19a間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系時空分布特征，有效探究了研究區(qū)長時間序列連續(xù)時間段不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間動態(tài)變化。本文基于研究區(qū)整體進行探究，在未來研究中有必要基于不同空間尺度精準(zhǔn)地測度區(qū)域內(nèi)部不同服務(wù)間的相互關(guān)系及其關(guān)系轉(zhuǎn)變的影響因素，旨在探究各服務(wù)間相互關(guān)系轉(zhuǎn)變的驅(qū)動機制。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型眾多，各類服務(wù)之間存在著復(fù)雜的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，本文只選取了固碳服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)和土壤保持服務(wù)3種服務(wù)進行分析，下一步應(yīng)考慮增加多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行測算，在建立長時間序列連續(xù)時間段的服務(wù)權(quán)衡關(guān)系研究的基礎(chǔ)上進一步探究不同空間尺度及區(qū)域內(nèi)部權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的變化特征，為決策者和利益相關(guān)者提供可行性政策方案和科學(xué)依據(jù)。