山西省生態系統服務多尺度特征及其驅動因素分析

郭保祥 聶玉明 張瑞剛 郭永山

摘要：明確生態系統服務的時空變化、權衡與協同作用以及驅動因素，可為實現生態系統的可持續發展提供理論依據。以山西省為例，對1990年、2000年和2015年該地區的糧食產量、產水量、土壤保持量和植被凈初級生產力（NPP）進行計算，從柵格、縣域和市域尺度上分析了生態系統服務的空間格局以及相互作用，并采用地理探測器識別了生態系統服務變化的主導驅動因素。結果表明：1990～2015年，平均糧食產量、產水量和NPP先減少后增加，平均土壤保持量先增加后減少;隨著尺度的增加，生態系統服務呈現出更加“空間均一化”的分布特征，生態系統服務之間關系對的數量存在著減少的趨勢;各種生態系統服務變化的主導因素不盡一致，但均存在著自然、土地管理和社會經濟綜合驅動的特征。

關 鍵 詞：生態系統服務; 時空變化; 權衡與協同; 驅動因素; 山西省

中圖法分類號： X171.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.012

0 引 言

生態系統服務是支撐人類生產和生活的生態系統產品和生態系統功能的總和[1]。在過去的半個世紀中，全球大約60%的生態系統服務出現退化[2]。在全球環境變化的新形勢下，日益突出的生態環境問題給生態系統服務的可持續利用帶來了巨大的壓力[3]。有必要了解生態系統服務的時空變化特征以及服務間的相互作用，并識別導致生態系統服務變化的驅動因素，這對于實現區域生態系統的健康發展意義重大。

目前，越來越多與生態保護相關的組織和學者開始專注于生態系統服務的綜合評估，并形成了大量的研究成果，包括生態系統服務的時空變化[4-6]、價值化與邊際特征[7-8]、權衡與協同[4，9-10]、供需匹配與空間流動[11-12]、影響因素與驅動機制[6，13-14]等。這些研究已成為了揭示不同區域生態系統服務變化規律的重要內容。如，丁輝等[15]對甘南地區的生態系統服務價值進行了測算，進而探索了該地區2000～2010年生態系統服務價值的變化特征;王川等[16]選擇甘肅榆中縣為案例，結合多種模型研究了該縣2015年村級尺度上生物多樣性、土壤保持、碳儲量、產水量和食物供給這5種生態系統服務之間的權衡與協同關系;Liu等[17]結合熱點分析提出了一個識別生態系統服務長期穩定供給區域的框架，通過將其應用于陜西省，識別了生態系統服務熱點區域，并比較了熱點區域內外生態系統服務相互作用的差異。這些研究為應對地方和區域尺度上生態系統服務可持續性挑戰的政策制定和規劃提供了重要信息。但是，已有的研究對多尺度上生態系統服務的空間格局及其相互作用的考慮還較少，此外，對生態系統服務驅動因素識別的研究也待進一步豐富。

基于此，以山西省為研究區，對糧食產量、產水量、土壤保持量和植被凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP）這4種與人類福祉密切相關的生態系統服務進行量化，進而分析比較了柵格、縣域和市域尺度上生態系統服務的空間格局、權衡與協同作用，并識別了導致生態系統服務變化的主導驅動因素，以期為不同尺度管理者制定相應的生態管理策略提供理論基礎。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

山西省（110°14′E～114°33′E，34°34′E～40°44′N）位于中國的中部，國土面積為15.67萬km2。該省地處黃河中游峽谷與太行山脈之間，位于中國第二階梯地形中部的前緣地帶，海拔190～3 060 m。山西省屬于溫帶大陸性氣候，年平均溫度范圍為4.2～14.2 ℃，年降雨量介于400～650 mm之間，且主要集中在6～8月份，約占全年降雨量的60%[5]。該省是典型的被黃土覆蓋的山地高原，高原內部起伏不平、河谷縱橫。長期以來，由于復雜的地形地貌和生態資源的過度利用，山西省水土流失形勢嚴峻、水資源供需矛盾突出、生態環境脆弱，全省都被納入了黃土高原生態治理范圍以內。

1.2 數據來源

選取1990，2000年和2015年為研究期，收集與整理的數據包括：① 土地利用數據來自中國科學院資源環境科學數據中心（http：∥www.resdc.cn/）;② DEM數據來自地理空間數據云（http：∥www.gscloud.cn/）;③ 氣象數據來自國家氣象科學數據中心（http：∥data.cma.cn/）;④ 土壤數據來自基于世界土壤數據庫（HWSD v1.1）的中國土壤數據集（http：∥westdc.westgis.ac.cn/）;⑤ NDVI數據來自中國科學院資源環境科學數據中心（http：∥www.resdc.cn/）和國家青藏高原科學數據中心（http：∥westdc.westgis.ac.cn/）;⑥ 社會經濟數據來自中國縣域統計年鑒和山西省統計年鑒（https：∥data.cnki.net/）。數據的詳細信息如表1所列。

2 研究方法

2.1 生態系統服務的計算方法

2.1.1 糧食產量

糧食產量是生態系統重要的供給服務之一，與歸一化植被指數（NDVI：Normalized Difference Vegetation Index）之間存在著顯著的線性關系[18-19]。基于山西省縣域尺度上糧食產量數據，參考文獻[20]，針對耕地采用全部為正值的NDVI對糧食產量進行空間化賦值，得到柵格尺度上糧食產量供給結果。計算公式為

GPx=NDVIxNDVIsum，i×GPsum，i（1）

式中：GPx為柵格單元x的糧食產量;GPsum，i為縣域i的糧食總產量;NDVIx為柵格單元x的NDVI;NDVIsum，i為縣域i耕地的NDVI總和。

2.1.2 產水量

使用生態系統服務和權衡的綜合評估模型（InVEST：Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）對山西省產水量進行量化。該模型基于Budyko曲線和年平均降水量對產水量進行計算，可在InVEST模型的產水量模塊實現。涉及的主要公式為5795460B-2C22-496F-B722-880663CF3290

Yx=1-AETxPx×Px（2）

式中：Yx為柵格單元x的產水量;AETx為柵格單元x的實際蒸散發量;Px為柵格單元x的年降水量。

AETxPx=1+PETxPx-1+（PETxPx）wx1/wx（3）

PETx=KCx×ETx（4）

wx=Z×AWCxPx+1.25（5）

式中：PETx為年潛在蒸散發量;wx為經驗參數;AWCx為植物可利用含水量;Z為Zhang系數[21];KCx為作物蒸散發系數;ETx為參考作物蒸散發量。

2.1.3 土壤保持量

采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE：Revised Universal Soil Loss Equation）估算山西省的土壤保持服務[22]。基于“地表覆被替換假設”，土壤保持由潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之間的差值來表示，即沒有土地覆蓋或土地管理措施情況下導致的土壤侵蝕量與當前植被覆蓋管理與水土保持措施下土壤侵蝕量的差值[20]。主要的計算公式如下：

A=Ap-Aa（6）

式中：A為土壤保持量;Ap為潛在的土壤保持量;Aa為實際的土壤侵蝕量;Ap和Aa的計算公式如下：

Ap=R×K×LS（7）

Aa=R×K×LS×C×P（8）

式中：R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;LS為坡度坡長因子;C為植被覆蓋與管理因子;P為水土保持措施因子。

2.1.4 NPP

采用基于過程的卡內基-埃姆斯-斯坦福方法（CASA：Carnegie-Ames-Stanford Approach）來模擬山西省的NPP。CASA是一種陸地生態系統評估模型，已經廣泛應用于NPP的評估[10]。模型主要描述如下：

NPP（x，t）=APAR（x，t）×ε（x，t）（9）

APAR（x，t）=SOL（x，t）×FPAR（x，t）（10）

ε（x，t）=Tε1×Tε2×Wε×ε（11）

式中：APAR（x，t）為柵格單元x吸收的光合有效輻射;ε（x，t）為柵格單元x的實際光能利用率;SOL（x，t）為柵格單元x的太陽總輻射;FPAR（x，t）為柵格單元x中植被對光合有效輻射的吸收比例;Tε為對ε*產生影響的溫度脅迫因子;Wε為水分脅迫因子。

2.2 協同和權衡作用

生態系統服務協同是指兩種服務同時增加或減少的情況，生態系統服務權衡是指一種服務的增加導致另一種服務減少的情況[20]。為了定量分析山西省生態系統服務之間的協同和權衡關系，本次研究采用SPSS軟件中的皮爾遜相關系數法對山西省糧食產量、產水量、土壤保持量和NPP這4種生態系統服務之間的關系進行相關性分析。計算公式如下：

rm，n=yx=1（mx-m-）（nx-n-）yx=1（mx-m-）2yx=1（nx-n-）2（12）

式中：rm，n為生態系統服務m與n的相關系數，當相關系數為正且通過顯著性檢驗，表明生態系統服務m與n之間存在著同時增加或減少的協同作用，相關系數為負且通過顯著性檢驗，表明生態系統服務m與n之間存在著此消彼長的權衡作用;n為山西省研究單元的數量;mx，nx分別為生態系統服務m與n在研究單元x上的值;m-，n-分別為生態系統服務m與n在研究單元x上的平均值。

2.3 驅動因素識別

采用地理探測器模型來識別導致生態系統服務變化的主導驅動因素。該方法是由王勁峰等[23]結合空間疊加技術和集合論提出的，其原理在于檢驗屬性空間分異與影響因子空間分異的空間分布一致性，不僅適用的數據類型廣泛，對于數據共軛線性免疫，而且具備探測多因子在不同空間單元下的不同影響作用及其相互關系的能力[24]。公式為

PD，U=1-1nσ2Umi=1nD，iσ2UD，i（13）

式中：PD，U為驅動因素D對生態系統服務的影響作用;σ2U為一級區域各縣域生態系統服務的方差;n為一級區域的個數;nD，i和σ2UD，i分別為次一級區域的樣本量和方差;m為次一級區域的縣域個數;PD，U∈[0，1]，PD，U值越大表示驅動要素D對生態系統服務的影響越大。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務時空格局

圖1顯示了山西省年平均糧食產量、產水量、土壤保持量和NPP這4種生態系統服務在1990～2015年的時間變化特征。具體來說，1990～2000年，糧食產量、產水量和NPP呈現減少趨勢，分別減少了15.75%，41.18%和9.62%，僅土壤保持的平均量呈現增加趨勢，增加了8.64%;在2000～2015年，4種生態系統服務的變化趨勢正好與1990～2000年之間的變化趨勢相反，糧食產量、產水量和NPP呈現增加趨勢，分別增加了66.82%，21.54%和15.44%，而土壤保持呈現減少趨勢，減少了35.21%。

以2015年為例，繪制了4種生態系統服務在柵格尺度、縣域尺度和市域尺度上的空間分布格局，如圖2所示。可以發現，山西省糧食產量、產水量、土壤保持量和NPP這4種生態系統服務在空間分布上均存在著明顯的空間異質性。山西省中部汾河平原和南部地區其他平地上的糧食產量明顯高于山西省的東部和西部地區，主要原因是因為糧食產量高值區的地勢平坦，耕地較多，糧食產量高;產水量的高值區主要分布在山西省東部的太行山沿線和南部的運城盆地，而西部的黃河沿線產水量最低;土壤保持的空間分布特征與山西省DEM相似，整體呈現出東北偏高西南偏低的分布特征;NPP的高值區主要沿太行山脈和呂梁山脈呈條帶狀分布，山西省中部的汾河沿線和西部的黃河沿線NPP較低。此外，通過對比3個尺度上4種生態系統服務的空間分布格局，發現隨著尺度的增加，山西省生態系統服務在空間上的分異性在縮小，呈現出更加“空間均一化”的空間分布特征。5795460B-2C22-496F-B722-880663CF3290

3.2 生態系統服務權衡與協同關系

表2統計了2015年山西省3個尺度上糧食產量、產水量、土壤保持和NPP這4種生態系統服務兩兩之間的皮爾遜相關系數。可以看出，柵格尺度上生態系統服務之間顯著相互作用的關系對最多，其次為縣域尺度，市域尺度上最少，即隨著尺度增加，生態系統服務之間關系對的數量在減少。例如，在柵格尺度上，存在著糧食產量與產水量、糧食產量與NPP、產水量與土壤保持、產水量與NPP等4對顯著的協同作用，以及糧食產量與土壤保持、土壤保持與NPP等2對顯著的權衡作用;在縣域尺度上存在著糧食產量與產水量、土

壤保持與NPP等2對顯著的協同作用，以及產水量與NPP 1對較顯著的協同作用和糧食產量與土壤保持1對顯著的權衡作用;在市域尺度上，除了糧食產量與產水量之間存在著較顯著的協同作用外，其他生態系統服務關系對之間的權衡與協同作用均不顯著。

從表2中還可以發現，隨著尺度的變化，4種生態系統服務兩兩之間的關系也發生了變化。例如，在柵格尺度上觀察到的糧食產量與土壤保持之間顯著的權衡作用，在市域尺度上卻未表現出來;糧食產量與NPP、產水量與土壤保持在柵格尺度上的顯著協同作用在其他兩個尺度上卻未觀察到;而且土壤保持與NPP在柵格尺度上呈現顯著的權衡作用，但在縣域尺度上卻出現了逆轉，呈現顯著的協同作用，而且在市域尺度上未觀察到顯著的協同或權衡作用。

3.3 生態系統服務的驅動因素

生態系統服務的形成和變化與氣候條件、地形、土地管理和社會經濟等因素密切相關[1-2]。參考相關文獻研究成果[6，13-14，25-27]，結合山西省實際情況及數據可獲得性，遵循全面性、科學性、客觀性等原則遴選了年平均溫度（X1）、年平均降雨量（X2）、坡度（X3）、海拔（X4）、植被覆蓋度（X5）、生態用地占比（X6）、單位土地面積糧食產量（X7）、地均GDP（X8）、第一產業占GDP比重（X9）、城鎮化率（X10）、人口密度（X11）和地均財政收支出（X12）等12個指標作為生態系統服務變化的驅動因素，進而采用地理探測器分析比較各驅動因素對山西省生態系統服務的影響（見表3）。

從表3可以看出，驅動各種生態系統服務變化的主導因素存在著差異。其中，導致糧食產量變化的主要因素（本研究選擇影響作用排名前五的因素為主導因素）為人口密度>海拔>單位土地面積糧食產量>坡度>地均財政收支出;產水量變化的主導因素依次為年平均降雨量、海拔、生態用地占比、地均財政收支出、單位土地面積糧食產量;導致土壤保持變化的主要因素依次為坡度、人口密度、地均財政收支出、生態用地占比、地均GDP;導致NPP變化的主要因素依次為植被覆蓋度、坡度、年平均降雨量、單位土地面積糧食產量、年平均溫度。

4 討 論

本文研究并量化了山西省4種重要生態系統服務的時空變化特征，并分析比較了生態系統服務之間相互作用的尺度依賴性，還結合地理探測器探索了導致生態系統服務變化的主導驅動因素，這為從時空2個維度了解山西省生態系統服務的變化特征、識別生態系統服務變化驅動力提供了實證基礎，同時也為理解生態系統服務之間相互作用存在的尺度效應提供了科學依據。

結果表明：以2000年為分界點，1990～2015年糧食產量、產水量和NPP表現為先減后增的時間變化趨勢，土壤保持呈現先增后減的趨勢，這些結果與Su等[25]及Liu等[26]人針對黃土高原的研究結果相似。退耕還林（草）工程自1999年實施以來，在實施初期由于耕地被大量的還林，導致了2000年糧食產量的降低，但后期由于退耕還林任務量減少[28]，以及國家對農業的支持和糧食單產能力的提升，導致在2015年的糧食產量服務明顯提升;而且該工程通過增強土壤的保持能力，從而導致潛在土壤侵蝕減少和實際的土壤保持量的下降[29]。本研究還發現尺度增加時生態系統服務的空間分布更加均一化，這與Su等[27]人的研究結果一致，這是由于當由1 km柵格尺度匯總到其他更大的行政尺度時，不同土地利用類型的組成和配置的更加“均勻化”導致了更大尺度上生態系統服務空間差異縮小[18]。地理環境的空間異質性將在生態系統服務權衡和協同作用的動態變化中產生尺度效應。本研究發現在不同尺度上生態系統服務之間關系的強度和方向存在差異，這意味著決策者在制定生態系統服務管理政策時，要注意適應各自合適的空間尺度。此外，本研究發現各種生態系統服務變化的主導因素是不盡一致的，但都存在著自然、土地管理和社會經濟綜合驅動的特征，而非單一的自然或社會經濟條件獨自驅動[6，13，27]。因此，在調控驅動因素時，可多因素綜合調控發力以改善生態系統服務供給能力。

本研究考慮了3個尺度，而更多尺度上（如各種柵格大小、景觀尺度、流域尺度等）的生態系統服務之間的關系還是未知的，需要進一步去探討。而且，研究得到的驅動力結果是整個山西省的平均水平。由于自然地理和社會經濟條件的地區差異，在山西省內部不同地區的主導驅動因素可能也存在差異，探索具有空間分異性特征的驅動力研究應在今后進一步加強。

5 結 論

（1） 1990～2015年，山西省平均糧食產量、產水量和NPP先減少后增加，平均土壤保持量呈現先增加后減少的時間變化趨勢。隨著尺度的增加，由于不同土地利用類型的組成和配置的“均勻化”，導致生態系統服務呈現出更加“空間均一化”的空間分布特征。

（2） 不同尺度上生態系統服務之間關系的強度和方向存在著差異，證實了生態系統服務之間權衡與協同作用的尺度效應。研究發現隨著尺度的增加，生態系統服務之間關系對的數量存在著減少的趨勢。

（3） 糧食產量變化的主導因素為人口密度、海拔、單位土地面積糧食產量、坡度和地均財政收支出;產水量變化的主導因素為年平均降雨量、海拔、生態用地占比、地均財政收支出和單位土地面積糧食產量;土壤保持變化的主導因素為坡度、人口密度、地均財政收支出、生態用地占比和地均GDP;NPP變化的主導因素為植被覆蓋度、坡度、年平均降雨量、單位土地面積糧食產量、年平均溫度。5795460B-2C22-496F-B722-880663CF3290

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（編輯：黃文晉）

Multi-scale characteristics of interaction and driving factors of ecosystem service in Shanxi Province

GUO Baoxiang1，NIE Yuming2，ZHANG Ruigang3，GUO Yongshan4

（1.Liaocheng Dongchangfu Drainage and Irrigation Engineering Service Center，Liaocheng 252000，China; 2.Liaocheng Dongchangfu District Water Resources Bureau，Liaocheng 252000，China; 3.College of Hydraulic and Environment Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China; 4.Upstream Hydrology and Water Resources Bureau，Yellow River Conservancy Committee，Lanzhou 730030，China）

Abstract：

Clarifying the spatio-temporal variation，trade-off/synergy and driving factors of ecosystem services can provide a theoretical basis for the sustainable development of ecosystems.Taking Shanxi Province as an example，we quantified the regional grain production，water yield，soil retention and Net Primary Productivity （NPP） in 1990，2000 and 2015，and analyzed the spatial patterns and interactions of ecosystem services at the grid，county and municipality scales，and identified the dominant drivers of ecosystem service changes by using the Geodetector.The results showed that from 1990 to 2015，the average grain production，water yield and NPP decreased first and then increased，while the average soil retention increased first and then decreased.As the scale increased，the distribution of ecosystem services became more “spatial homogenization”，and the number of relationship pairs between ecosystem services decreased.The dominant factors of various ecosystem service changes were different，but they were all driven by nature，land management and social economy.

Key words：

ecosystem service;spatio-temporal variation;trade-off and synergy;driving factors;Shanxi Province5795460B-2C22-496F-B722-880663CF3290