丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

劉 海,武 靖,陳曉玲

1 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,武漢 430062 2 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,武漢 430079 3 江西省基礎(chǔ)地理信息中心,南昌 330209 4 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430079 5 江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330022

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲取的所有利益,其中包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)四個(gè)方面[1- 2]。該概念由Wilson 于1970年首次提出,之后Daily,Costanza于1997年對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了更深層次的研究[1- 3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估的核心領(lǐng)域,成為生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[4]。2005年,隨著千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估工作完成[5],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究從單純的靜態(tài)價(jià)值評(píng)估向著更加重視生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類福祉的影響方向發(fā)展[6]。隨著城市化加劇,人類所需求的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量和種類越來越多[7- 9],人類對(duì)自然資源的利用已經(jīng)超過了生態(tài)系統(tǒng)本身的提供限度,造成對(duì)某一服務(wù)功能的需求是以犧牲其他服務(wù)功能為代價(jià),不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互影響,導(dǎo)致很難甚至不可能同時(shí)達(dá)到利益最大化[10]。為了明晰區(qū)域多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互關(guān)聯(lián)特征,兼顧多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間、不同區(qū)域之間的協(xié)調(diào)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)利益相關(guān)方效益最大化,優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理政策[11],達(dá)到區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)“雙贏”的目的[12],有必要對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行集成研究[13]。

“權(quán)衡”指某類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給由于其他類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)使用的增加而減少的情形,“協(xié)同”指兩種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)同時(shí)增強(qiáng)或減少的情形[14]。各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用,在不同尺度(時(shí)間與空間)的利益需求不同,幾乎所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的決策都涉及到利益權(quán)衡[15],因此權(quán)衡協(xié)同關(guān)系在全球范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間普遍存在,但又表現(xiàn)出明顯的地域差異性與動(dòng)態(tài)變化性[16- 17]。目前,主要采用地理學(xué)和生態(tài)學(xué)相關(guān)理論對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同進(jìn)行定性分析。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益量化的研究較少[18- 19]。囿于數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算模型、指標(biāo)構(gòu)建等因素,選取的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型有限,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體效益和單一服務(wù)效益之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的量化和評(píng)估研究不足[12]。

南水北調(diào)中線工程是我國重要的跨流域調(diào)水工程,旨在解決我國華北地區(qū)的缺水困境,緩解北方城市的用水沖突,實(shí)現(xiàn)水資源的合理布局和分配[20]。丹江口水源區(qū)作為中線工程的重要組成,明晰流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化情況以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系變化特征,對(duì)分析中線調(diào)水工程對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的影響,智慧調(diào)水以及生態(tài)補(bǔ)償具有重要意義。目前對(duì)于水源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值以定性研究較多,且僅關(guān)注某一種生態(tài)系統(tǒng)類型的單一生態(tài)服務(wù)價(jià)值[21- 22]。近年來,有較少學(xué)者以定量分析視角對(duì)水源區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行研究,但選取的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有限,且未考慮單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的時(shí)空差異[23- 24]。對(duì)于水源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,研究也較少[25]。

因此,本文以丹江口水源區(qū)為研究區(qū),采用 Costanza 等提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算方法,與基于地理模型的計(jì)算方法相比,該方法具有數(shù)據(jù)易于計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn),可以對(duì)多種生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算?？紤]到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化性和空間上的異質(zhì)性,本文在借鑒Costanza和謝高地團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果基礎(chǔ)上,對(duì)丹江口水源區(qū)的當(dāng)量因子進(jìn)行區(qū)域修正和功能性系數(shù)修正,對(duì)研究區(qū)1990—2015年(1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2010年、2015)6個(gè)時(shí)期研究區(qū)10種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其時(shí)空變化特征進(jìn)行估算分析。然后,基于以長時(shí)間整體分析占優(yōu)的相關(guān)性分析方法和短時(shí)期動(dòng)態(tài)變化分析占優(yōu)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度(Ecosystem Services Trade-off Degree, ESTD)模型,分析了不同時(shí)期水源區(qū)內(nèi)各類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。研究定量分析了總體效益與單一服務(wù)效益之間的關(guān)系,更清晰的展示了單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在整體效益中的作用,有利于決策者判斷流域各生態(tài)服務(wù)起主導(dǎo)作用的服務(wù)類型,為流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)增長提供方法支持；此外,研究以大壩加高的時(shí)間點(diǎn)為節(jié)點(diǎn),分析了水源區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,清晰的分析調(diào)水工程對(duì)水源區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,為流域更科學(xué)的調(diào)水及生態(tài)補(bǔ)償提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

漢江是長江中游最大的支流,發(fā)源于秦巴山地的寧強(qiáng)縣,在武漢匯入長江。其干流全長 1577 km,流域面積約為1.59×105km2[26- 27]。其中丹江口以上為漢江上游,流域主要范圍跨越陜西、湖北、河南,流域面積9.52萬km2[27](圖1)。研究區(qū)域位于秦嶺山脈和大巴山脈之間,西部為中低山區(qū),東部以平原丘陵為主。流域位于亞熱帶季風(fēng)區(qū),年均氣溫12—16℃,年均降雨量約700—1800 mm,主要地帶性植被是落葉、常綠闊葉與針葉混交林[25]。流域水資源豐富,是南水北調(diào)中線水源區(qū),2005年大壩加高工程之后,丹江口水庫庫容增加,正常蓄水位由157 m提高到170 m,正常蓄水位庫容由174億m3增加到290億m3,漢江水資源將得到更好的調(diào)節(jié)[27]。

圖1 丹江口水源區(qū)Fig.1 Danjiangkou water source area

本研究利用的主要數(shù)據(jù)包括：1990—2015年6個(gè)時(shí)期土地利用矢量數(shù)據(jù),由中國國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(www.geodata.cn)提供；1990—2015年6個(gè)時(shí)期全國稻谷、小麥和玉米的播種面積以及單位面積收益和支出,數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[28]和《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》[29]；全國、湖北省、陜西省、河南省1990—2015年6個(gè)時(shí)期的農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量,數(shù)據(jù)來源于中國及各省統(tǒng)計(jì)年鑒；1990—2015年丹江口水源區(qū)NPP數(shù)據(jù),來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://www.geodata.cn)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)單位當(dāng)量因子的價(jià)值量核算

標(biāo)準(zhǔn)單位當(dāng)量因子(以下簡稱當(dāng)量因子)是指1 hm2全國平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[30],以此當(dāng)量為參照并結(jié)合專家知識(shí)可以確定其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的當(dāng)量因子的價(jià)值量,可以表征和量化不同類型生態(tài)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的潛在貢獻(xiàn)能力。本研究參考謝高地[31]等的處理方法,將單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7作為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量,計(jì)算公式如式1。

(1)

式中,D表示1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量(元/hm2),Sij為研究區(qū)第j年第i類農(nóng)作物(hm2)；wij為第j年第i類農(nóng)作物單位面積總收益；pij為第j年第i類農(nóng)作物總支出。

2.1.2 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)當(dāng)量表

單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)當(dāng)量是評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ),它是指不同類型生態(tài)系統(tǒng)單位面積上各類服務(wù)功能年均價(jià)值當(dāng)量[31]。Costanza方法中,土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值主要反映的是歐美發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)水平,在中國應(yīng)用中存在偏差[32],為此,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所謝高地團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問題,根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,對(duì)中國700位具有生態(tài)學(xué)背景的專業(yè)人員進(jìn)行問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),制定了中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)當(dāng)量表[32]。

由于本研究所使用的LUCC土地利用數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和謝高地團(tuán)隊(duì)的生態(tài)系統(tǒng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)存在差異,故需要按研究需要將土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類。

謝高地的生態(tài)系統(tǒng)一級(jí)分類包含的6種土地利用類型中,4種土地利用類型與中國科學(xué)院提供的土地利用類型相一致,存在差異的土地利用類型包括建設(shè)用地與未利用土地,因謝高地的生態(tài)系統(tǒng)分類中只包含有荒漠和濕地,故需要將這兩類土地利用數(shù)據(jù)依據(jù)謝高地的生態(tài)系統(tǒng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類。鑒于丹江口水源區(qū)的未利用地主要為沙地,沼澤地,裸土地,裸巖石質(zhì)地,其中沙地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與荒漠比較一致；沼澤地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與濕地較為相近；裸土地,裸巖石質(zhì)地以及城鄉(xiāng)工礦居民用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與裸地較為相近,故這里將中國科學(xué)院土地利用類型中沙地,裸土地,裸巖石質(zhì)地與建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量歸并為謝高地的生態(tài)系統(tǒng)分類中的荒漠,將沼澤地重分類為濕地。

除一級(jí)分類外,二者二級(jí)類型分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也存在差異,主要存在于林地、草地中。LUCC土地利用數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,將林地分為有林地、疏林地、其他林地和灌木林,而謝高地團(tuán)隊(duì)將林地分為針葉、針闊混交林、闊葉林和灌木林,考慮到丹江口水源區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)區(qū),故將林地中的有林地和其他林地歸為針闊混交林；根據(jù)林學(xué)野外調(diào)查,將疏林地和灌木林歸為灌木林；LUCC土地利用數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,將草地分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地,而謝高地團(tuán)隊(duì)將草地草原、灌草叢和草甸,目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究中并未明確高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地3種草地類型各自的當(dāng)量,考慮到后期計(jì)算,此處將這3種類型草地統(tǒng)一歸為灌草叢。重分類后,得到漢江流域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基礎(chǔ)當(dāng)量表。

表1 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基礎(chǔ)當(dāng)量表

2.1.3 當(dāng)量因子的修正正

2.1.3.1 區(qū)域修正

由于表1是謝高地團(tuán)隊(duì)基于2010年全國的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算而得,考慮到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化具有時(shí)間和空間效應(yīng),故本研究以2010年為基準(zhǔn),對(duì)丹江口水源區(qū)1990—2015年當(dāng)量因子進(jìn)行區(qū)域修正,修正系數(shù)為丹江口水源區(qū)相應(yīng)年份農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量與2010年全國農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量的比值。修正結(jié)果如表2。

表2 丹江口水源區(qū)不同年份不同省份當(dāng)量因子/(元/hm2)

2.1.3.2 功能性系數(shù)修正

微觀空間尺度上,生態(tài)系統(tǒng)本身的多樣性和環(huán)境條件的多樣性決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型和強(qiáng)度具有空間差異性。一般來說,生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能大小與該生態(tài)系統(tǒng)的生物量有密切關(guān)系[30]。不同的景觀類型,其生物量和區(qū)域水熱狀況也不同,生物量越大,其生態(tài)功能越強(qiáng)。但由于生物量的計(jì)算模型眾多,且不同生態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算方法不同[33],因此難以對(duì)丹江口水源區(qū)的生物量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。鑒于此,本文選取與生物量相近的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)來對(duì)研究區(qū)當(dāng)量因子進(jìn)行功能性系數(shù)修正。由于NPP計(jì)算涉及數(shù)據(jù)眾多,2000年以前的相關(guān)數(shù)據(jù)獲取困難,為了保證數(shù)據(jù)的一致性,本文使用NPP模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行修正(該數(shù)據(jù)是在CRU氣象中心發(fā)布的全球歷史時(shí)期氣象數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下,利用IBIS模型模擬獲得),方法如下：

將研究區(qū)內(nèi)中某一像元的NPP值(NPPij)與該像元所屬類型的生態(tài)系統(tǒng)的 NPP 平均值相比,將比值作為功能性系數(shù)(pi)對(duì)當(dāng)量因子進(jìn)行逐像元的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

pi=NPPi/NPPijmean(i=1990,1995,…,2015)(j=1,2,…)

(2)

式中,pi代表第i年的功能性調(diào)整系數(shù)；NPPij代表第i年某一像元的NPP值; NPPij mean代表第i年第j類生態(tài)系統(tǒng)的NPP的平均值。

2.1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算模型

以表2中丹江口水源區(qū)不同年份當(dāng)量因子,結(jié)合表1單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基礎(chǔ)當(dāng)量表和NPP模擬數(shù)據(jù)計(jì)算得到丹江口水源區(qū)不同年份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價(jià)值當(dāng)量。在此基礎(chǔ)上,以不同年份漢江流域土地利用數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算模型對(duì)漢江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算。估算模型如公式2：

(3)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量,Si為研究區(qū)第i類土地利用類型面積(hm2)；VCi為第i類土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元/hm2)；i為土地利用類型；a為修訂系數(shù),pi為第i年的功能性調(diào)整系數(shù)。

2.2 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究方法

2.2.1 相關(guān)分析

相關(guān)分析可以定量描述兩個(gè)變量之間的線性相關(guān)程度,明確兩個(gè)變量之間的相關(guān)方向[34]。相關(guān)關(guān)系有強(qiáng)弱方向之分,數(shù)值越大相關(guān)性越強(qiáng),數(shù)值越小相關(guān)性越弱；數(shù)值為正表明一個(gè)變量增加,另一個(gè)變量也增加,稱為正相關(guān),數(shù)值為負(fù),表明一個(gè)變量增加,另一個(gè)變量減少,稱為負(fù)相關(guān)。計(jì)算公式如下：

(4)

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度(Ecosystem Services Trade-off Degree)是建立在數(shù)據(jù)線性擬合的基礎(chǔ)之上,反映各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互作用的方向和程度的方法[13],目的是對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量的相互作用進(jìn)行整體的評(píng)價(jià)。下文簡稱為ESTD,計(jì)算公式如下：

(5)

式中,ESTDij表示第i、j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度；ESCib為b時(shí)刻第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量；ESCia為a時(shí)刻第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量；ESCjb、ESCja與此相同。ESTD代表某兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量相互作用的程度和方向,ESTD為負(fù)值時(shí),表示第i與j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系；ESTD為正值時(shí),表示兩者之間為協(xié)同關(guān)系；ESTD絕對(duì)值代表相較于第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化,第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的程度。

3 結(jié)果

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化

3.1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間變化

利用公式3求得丹江口水源區(qū)1990—2015年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值如下(表3)：1990—2015年丹江口水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值從404.03億元增加至571.15億元,共增長了211.86億元,增幅為58.97%,年平均增長率為2.36%。其中1990—1995年,丹江口水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值為負(fù)增長,與1990年相比減少了44.74億元,降幅為11.07%。其余年份水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值總體呈增長趨勢,其中增長幅度最大的時(shí)間段為2005—2010年,增幅為24.86%；增幅最小的時(shí)間段為2000—2005年,僅為5.22%。

表3 1990—2015丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值/(元/hm2)

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型來看,氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持和生物多樣性構(gòu)成了丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的主體。水資源供給價(jià)值最低,但增長幅度最大,25年間增長了0.58億元,增幅為43%。增長幅度最小的生態(tài)服務(wù)價(jià)值為水文調(diào)節(jié),25年間增長了36.72億元,增幅為39%。從丹江口水源區(qū)各類用地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來看,林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值始終最高,其次為草地、水域、農(nóng)田,這4類用地提供了水源區(qū)95%以上的生態(tài)服務(wù)。從各類用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占總生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例變化情況來看,農(nóng)田占總生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例呈波動(dòng)變化,但總體呈增加趨勢,由3.26%增加至4.17%；草地占總生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例與農(nóng)田相同,總體呈增加趨勢,由29.04%增加至30.06%；林地占總生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例則呈波動(dòng)減小的趨勢,由58.73%減少至56.94%；水系則相反,占總生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例呈波動(dòng)增加的趨勢,由8.62%增加至9.05%；建設(shè)用地,荒漠,裸地占總生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例呈增加趨勢,但所占比例極小,均小于0.1%。

3.1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化

在GIS軟件中,基于柵格統(tǒng)計(jì)了丹江口水源區(qū)1990、1995、2000、2005、2010和2015年研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,根據(jù)價(jià)值高低分為六類,得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分布圖(圖2)。由圖2可知,丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)明顯的西南高,東北低的特征。生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值高值的區(qū)域分布在南部和東部部分地區(qū),最高值位于丹江口水庫周圍。生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值低值的區(qū)域與農(nóng)田分布較為一致,主要分布在西部的水田以及東部的旱地區(qū)域。生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值中值分布范圍較廣,主要分布在水源區(qū)的中部和西部部分地區(qū)。1990—1995年,水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少,生態(tài)服務(wù)低值區(qū)域范圍由中東部向西擴(kuò)大,南部的高值區(qū)域范圍減小。1995—2015年生態(tài)服務(wù)價(jià)值呈增長趨勢,西部和南部區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增大,東部的低值區(qū)域也有所減少。

圖2 歷年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分布圖/(元/hm2)Fig.2 Distribution of Ecosystem services value in 1990—2015

計(jì)算1990—2015年各網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化度后得到水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化度空間分布圖(圖3)?？梢钥闯?動(dòng)態(tài)變化度為負(fù)值的區(qū)域零散分在在水源區(qū)內(nèi),與土地利用變化區(qū)域的分布范圍比較吻合；動(dòng)態(tài)變化度低值和中值區(qū)域主要分布于水源區(qū)的西部部分地區(qū)和東部地區(qū),且這些區(qū)域大都為農(nóng)田；動(dòng)態(tài)變化度高值區(qū)域面積最廣,中西部較為集中,與水源區(qū)內(nèi)林草地的分布較為一致；動(dòng)態(tài)變化度極高值區(qū)域主要分布于水源區(qū)北部。

3.2 丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)關(guān)系

在對(duì)丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算之后,依據(jù)相關(guān)分析,得到10種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性(表4)。相關(guān)性結(jié)果為正值時(shí),表明兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有協(xié)同關(guān)系,即兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在同一時(shí)間段具有同樣的上升或降低趨勢,一種服務(wù)的增加會(huì)對(duì)另一種服務(wù)產(chǎn)生一定的促進(jìn)和增幅作用,結(jié)果為負(fù)值時(shí),表明兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有權(quán)衡關(guān)系,即一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加引起了另一種生態(tài)服務(wù)的減少。

丹江口水源區(qū)10種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間組成100組值,其中36組值為負(fù),64組為正,其中18組在0.01水平上顯著正相關(guān),8組在0.05水平上顯著正相關(guān)。

表4 丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值間關(guān)系

**表示兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在0.01水平上顯著相關(guān)；*表示兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在0.05水平上顯著相關(guān)

圖3 1990—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化度分布圖 Fig.3 Distribution of dynamic variation of Ecosystem services value in 1990—2015

在丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互關(guān)系中,協(xié)同關(guān)系占64%,表明協(xié)同關(guān)系是丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主導(dǎo)關(guān)系。這些協(xié)同關(guān)系主要存在于調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)與其他類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系之中。

丹江口水源區(qū)存在的權(quán)衡關(guān)系中,83.46%與供給服務(wù)有關(guān)。在供給服務(wù)中,3種不同類型的供給服務(wù)彼此之間均呈此消彼長的權(quán)衡關(guān)系,其中食物生產(chǎn)與調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)均呈權(quán)衡關(guān)系；原料生產(chǎn)與食物生產(chǎn)、水文調(diào)節(jié)為權(quán)衡關(guān)系；水資源供給與食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)以及土壤保持為權(quán)衡關(guān)系。

調(diào)節(jié)服務(wù)中,氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境三者之間相互為正相關(guān),其中氣候調(diào)節(jié)與氣體調(diào)節(jié)的相關(guān)性較高,這3種調(diào)節(jié)服務(wù)之間為彼此增益的協(xié)同關(guān)系,水文調(diào)節(jié)與氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)則呈不顯著權(quán)衡關(guān)系,與凈化環(huán)境為協(xié)同關(guān)系。這4種調(diào)節(jié)服務(wù)均與支持服務(wù)、文化服務(wù)存在正相關(guān)關(guān)系,呈協(xié)同增長的態(tài)勢。

支持服務(wù)中,土壤保持與生物多樣性之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系,與調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)均為相互增益的協(xié)同關(guān)系,與供給服務(wù)中的食物生產(chǎn)為權(quán)衡關(guān)系,與原料生產(chǎn)和水資源供給為協(xié)同關(guān)系。

文化服務(wù)中的美學(xué)景觀除與食物生產(chǎn)為權(quán)衡關(guān)系外,與其他服務(wù)均為相互增益的協(xié)同關(guān)系,其中,與調(diào)節(jié)服務(wù)中的氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境以及支持服務(wù)中的生物多樣性存在較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)分析是從整個(gè)時(shí)間跨度方面分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系。為了進(jìn)一步評(píng)估不同時(shí)間段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互作用的程度和方向,本研究引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度(ESTD)模型對(duì)丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系進(jìn)行量化評(píng)估,當(dāng)ESTD為正值時(shí),表明這兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化方向相同。ESTD為負(fù)值時(shí),表明這兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化方向相反。ESTD絕對(duì)值表示兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的變化程度的大小。

除了計(jì)算1990—2015年的權(quán)衡協(xié)同度外,為了研究丹江口大壩加高后對(duì)丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)之間相互關(guān)系的影響,本文在對(duì)丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算的基礎(chǔ)上,以丹江口大壩加高的時(shí)間點(diǎn)為間隔點(diǎn),對(duì)丹江口水源區(qū)1990—2005年、2005—2015年兩個(gè)時(shí)間段的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如下(圖4—圖6)。

圖4 丹江口水源區(qū)1990—2015年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值間關(guān)系Fig.4 Interaction of ecosystem services in Danjiangkou water source area in 1990—2015

圖5 1990—2005年丹江口水源區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值間關(guān)系Fig.5 Interaction of ecosystem services in Danjiangkou water source area in 1990—2005

圖6 2005—2015年丹江口水源區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系Fig.6 Interaction of ecosystem services in Danjiangkou water source area in 2005—2015

圖4是丹江口水源區(qū)1990—2015年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系圖,各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間組成100組值,其中44組值為負(fù),56組為正,協(xié)同關(guān)系占56%,表明協(xié)同關(guān)系是丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主導(dǎo)關(guān)系。這些協(xié)同關(guān)系主要存在于文化服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)中。其中,水資源供給和凈化環(huán)境的協(xié)同度最高,土壤保持和水文調(diào)節(jié)權(quán)衡度最高。

圖5圖6表明,丹江口大壩加高后,水源區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量相互作用的程度和方向均有所改變。

1990—2005年以前,水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系比例大致相當(dāng),權(quán)衡關(guān)系有52組,協(xié)同關(guān)系48組。權(quán)衡關(guān)系多存在于供給服務(wù)與供給服務(wù)內(nèi),供給服務(wù)與氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié),供給服務(wù)與支持服務(wù)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)與支持服務(wù),支持服務(wù)與文化服務(wù)之間,協(xié)同關(guān)系多存在于供給服務(wù)與文化服務(wù),氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)與支持服務(wù)之間。其中,水文調(diào)節(jié)與生物多樣性的權(quán)衡度最高,與美學(xué)景觀的協(xié)同度最高；土壤保持與水文調(diào)節(jié)的權(quán)衡度也較高。

2005年以后,水源區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系有所改變。其中,食物生產(chǎn)、美學(xué)景觀、氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)與其余幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系變化較大。水資源供給,凈化環(huán)境和水文調(diào)節(jié)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系增多,土壤保持、生物多樣性、原料生產(chǎn)與食物生產(chǎn)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系增多。綜合來看,水源區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系增大,由原來的48組增加至54組,權(quán)衡關(guān)系由原來的52組減少至46組,使得協(xié)同關(guān)系成為丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主導(dǎo)關(guān)系。

從水源區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量相互作用的程度來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度的極值增大,不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度變化情況不同。

供給服務(wù)中,原料生產(chǎn)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同有所增大；水資源供給與供給服務(wù)與文化服務(wù)的權(quán)衡極值增大。調(diào)節(jié)服務(wù)中,凈化環(huán)境和水文調(diào)節(jié)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同度減小,與供給服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系增大；氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同度增大,與供給服務(wù)之間的權(quán)衡度減小,與凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)的權(quán)衡度增大。支持服務(wù)中與調(diào)節(jié)服務(wù)的權(quán)衡度增大,與文化服務(wù)協(xié)同度增大,與支持服務(wù)協(xié)同度有所減小。

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化及其驅(qū)動(dòng)因素

丹江口水源區(qū)1990—1995年丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有所減少,其余年份水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值總體呈不斷增加的時(shí)序變化趨勢,增幅最大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型為水資源供給,增幅最大的時(shí)間段為2005—2010年。1990—1995年研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人口不斷增加,流域人口劇增導(dǎo)致土地利用狀況發(fā)生變化,日益增長的的生態(tài)服務(wù)消費(fèi)需求和不合理的獲取方式使得生態(tài)系統(tǒng)不斷退化,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)降低[35]。而1995年以后,隨著退耕還林和南水北調(diào)中線工程政策的實(shí)施,國家加強(qiáng)了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的治理,實(shí)施了 “丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持規(guī)劃”[36],提高水土流失累計(jì)治理程度,大力發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè),引起水文調(diào)節(jié),凈化環(huán)境,水資源供給等相關(guān)生態(tài)服務(wù)價(jià)值價(jià)值快速提升,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值回升。隨著丹江口大壩的加高,水源區(qū)內(nèi)水域面積大幅增長,使得水資源供給成為增幅最大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型。

丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間分布上呈西南高,東北低的特征,產(chǎn)生這種情況的原因主要與水源區(qū)內(nèi)的土地利用的分布格局有關(guān),水源區(qū)東部、北部農(nóng)田分布廣泛,人為因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干擾較大,而西部林草地較多,生物量大,優(yōu)良的生態(tài)資源造就了該區(qū)域相對(duì)較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。1990—2015年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化度較高的區(qū)域集中分布在林草地區(qū),動(dòng)態(tài)變化度較低的區(qū)域分布情況與農(nóng)田區(qū)較為吻合,動(dòng)態(tài)變化度的區(qū)域差異與不同用地的空間分異有著極為密切的聯(lián)系,隨著研究區(qū)退耕還林政策的實(shí)施,植被NPP提高,相應(yīng)的生物量也有所增大,導(dǎo)致林草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化明顯。農(nóng)田區(qū)由于人類不合理的用地方式,導(dǎo)致水土流失和地表裸露[37],使該區(qū)域NPP 較低,但由于當(dāng)量因子逐年增長,綜合導(dǎo)致農(nóng)田區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化度較低。

綜合來講,研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的原因有兩種：一是用地類型的改變?cè)斐筛髯匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類變化；二是自然生態(tài)系統(tǒng)健康程度直接造成單位面積生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)功能價(jià)值的變化[38]。此外,政策因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的影響不可忽視,因此相關(guān)部門在制定區(qū)域發(fā)展政策時(shí),要特別注重國土管理和生態(tài)環(huán)境之間協(xié)調(diào)發(fā)展[39]。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系原因分析

丹江口水源區(qū)地貌類型多樣,包括山地、平原、丘陵等,生態(tài)系統(tǒng)類型間相互影響相互制約, 形成了獨(dú)具區(qū)域特色的生態(tài)系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文使用兩種方法對(duì)水源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行研究,綜合來看,兩種方法均表明,協(xié)同關(guān)系為水源區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主導(dǎo)關(guān)系,權(quán)衡關(guān)系較少,且多存在于水資源供給、水文調(diào)節(jié)與其他類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間。

由于計(jì)算方式不同,二者的計(jì)算結(jié)果也存在差異。相關(guān)性分析使用長時(shí)間內(nèi)的多組數(shù)據(jù)來衡量整個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)變量間的相關(guān)關(guān)系,對(duì)長時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系分析占優(yōu)。而權(quán)衡協(xié)同度模型是通過分析相應(yīng)兩個(gè)年份的生態(tài)服務(wù)值的變化來研究權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,對(duì)短時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究具有優(yōu)勢。因此,討論部分主要對(duì)相關(guān)分析計(jì)算出的長時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的結(jié)果進(jìn)行分析,對(duì)權(quán)衡協(xié)同度模型計(jì)算出的短時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的結(jié)果進(jìn)行分析。

4.2.1 長時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系原因分析

此前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的研究表明[40- 42],供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)多呈權(quán)衡關(guān)系,本文引入多種類型服務(wù),發(fā)現(xiàn)同一類型生態(tài)服務(wù)內(nèi)部之間也存在權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,且與調(diào)節(jié)服務(wù)的關(guān)系也存在差異。

水資源供給、食物生產(chǎn)與原料生產(chǎn)服務(wù)為兩兩權(quán)衡關(guān)系,與調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系也各不相同。這是由于這3種服務(wù)中,起主要影響作用的用地類型不同。水資源供給的能力主要來源于水系,因此水資源供給能力較強(qiáng)的區(qū)域食物生產(chǎn)和原料生產(chǎn)的能力較低。但水系通過蒸發(fā)成為水蒸氣,然后又以降水的形式降到周圍地區(qū),保持當(dāng)?shù)氐臐穸群徒涤炅?起到了調(diào)節(jié)氣候的作用,自然降雨又會(huì)影響水資源的補(bǔ)給,促進(jìn)植被的生長,進(jìn)而涵養(yǎng)水源。因此水資源供給與調(diào)節(jié)性服務(wù)互相增益,彼此為協(xié)同關(guān)系[43]。食物生產(chǎn)能力較強(qiáng)的耕地區(qū)域,尤其是水田,對(duì)灌溉需求較高。加之人類不合理的耕作方式導(dǎo)致水土流失,地表裸露,導(dǎo)致對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力較低,因此與調(diào)節(jié)服務(wù)、水資源供給為此消彼長的權(quán)衡關(guān)系[40]。林草地在原料生產(chǎn)中貢獻(xiàn)突出,因此原料生產(chǎn)能力較強(qiáng)的林草地區(qū)域食物生產(chǎn)能力較弱,對(duì)水資源的供給能力較差,而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力較高。

調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)及文化服務(wù)為相互增益的協(xié)同關(guān)系。研究表明,林草地對(duì)于碳儲(chǔ)存的增加、調(diào)節(jié)氣候方面有著積極作用,這兩者又會(huì)促進(jìn)林地的生長和林內(nèi)生物種類的增多,而樹根有利于穩(wěn)定坡度,減少土壤侵蝕量,進(jìn)而起到水土保持的作用[41- 42]。調(diào)節(jié)能力較高的林草地區(qū)域植被覆蓋度較高,而地表植被覆蓋較高的區(qū)域降水截留的能力較強(qiáng),會(huì)減少水分的流失,起到了保持土壤和促進(jìn)區(qū)域生物多樣化的作用[36]。豐富的生物多樣性以及較好的土壤條件也會(huì)促進(jìn)林草地的生長,進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)發(fā)揮積極影響。

4.2.2 短時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系變化原因分析

利用ESTD模型對(duì)2005年前后丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的研究發(fā)現(xiàn),2005年之后的時(shí)期,水源區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系增加,權(quán)衡關(guān)系減少。人為擾動(dòng)因素是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的最重要因素。2005年丹江口大壩加高工程啟動(dòng)。大壩加高后,壩頂高程由162 m加高至176.6 m,正常蓄水位由157 m抬高至170 m,相應(yīng)庫容由174.5億m3增加至290.5億m3[44]。大壩加高使水源區(qū)內(nèi)水域面積快速增長,2005年之前,水源區(qū)內(nèi)水域面積變化較為穩(wěn)定。2005年之后,水域面積大幅增長,由923 km2增加為992 km2,到2015年,水域面積已達(dá)到歷年最高。此外,國家對(duì)水源區(qū)水環(huán)境的保護(hù)和污染防治工作的開展和進(jìn)步,也促進(jìn)了水源區(qū)內(nèi)水文調(diào)節(jié),凈化環(huán)境,水資源供給等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值快速增加。

但大壩的加高造成水源區(qū)部分地區(qū)河道下切,使引水條件改變、地下水位降低,對(duì)部分地區(qū)的灌溉引水帶來了不利影響。此外,由于大壩改變了地表水和地下水的時(shí)空特征,對(duì)水源區(qū)土壤中的物質(zhì)代謝造成影響,進(jìn)而影響土壤的理化性質(zhì)從而造成農(nóng)田提供的糧食供給服務(wù)受到影響[45]。大壩的加高還打斷了水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的連通性,阻隔了物種的交流,對(duì)水源區(qū)生物多樣性也帶來不利影響[46]。與此同時(shí)水源區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,面臨著人口增長與城市擴(kuò)張的雙重壓力。水域、建筑用地面積的增長自然就導(dǎo)致農(nóng)田、林地面積下降,與此相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也受到影響,造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系發(fā)生變化。

4.2.3 兩種權(quán)衡協(xié)同方法的聯(lián)系與區(qū)別

本文使用相關(guān)分析和權(quán)衡協(xié)同度模兩種方法對(duì)丹江口水源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明,兩種方法的均能清楚的展示各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,研究結(jié)果較為一致,均表明協(xié)同關(guān)系是丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主導(dǎo)關(guān)系,且權(quán)衡關(guān)系多出現(xiàn)在水資源供給、水文調(diào)節(jié)以及食物生產(chǎn)同其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間。但具體相關(guān)數(shù)值的大小及個(gè)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系存在差異。前者的相關(guān)性系數(shù)介于-1—1之間,而后者介于-25—20之間。產(chǎn)生這種差異的原因在于二者計(jì)算方法及計(jì)算是用及的數(shù)據(jù)都不同,前者在計(jì)算某兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系時(shí),除考慮該兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相應(yīng)年份的值外,還要考慮所有中間年份的值,以此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,因此值介于-1—1之間；而后者只考慮該兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相應(yīng)年份的值,故相關(guān)數(shù)值差異較大。

4.3 南水北調(diào)大壩加高工程對(duì)水源區(qū)的影響及建議

為了獲取某些特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),人類將大壩建設(shè)融入到水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)之中,大壩加高之后,水源區(qū)內(nèi)水域面積增加,對(duì)水資源的供給、水文調(diào)節(jié)等方面的積極作用明顯,但在獲取和改變這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同時(shí),不可避免地使區(qū)域的糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、生物多樣性等生態(tài)服務(wù)價(jià)值受到影響,進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同與權(quán)衡。從國家糧食安全角度來講,水源區(qū)內(nèi)耕地面積應(yīng)該保持一定規(guī)模,因此,劃定農(nóng)田保護(hù)紅線,改進(jìn)農(nóng)業(yè)設(shè)施等措施提高糧食產(chǎn)量,保障糧食供給,與此同時(shí),也應(yīng)對(duì)由于調(diào)水工程淹沒的農(nóng)田區(qū)域給予一定的補(bǔ)償,此外,也應(yīng)當(dāng)注意保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的連通性和完整性,以免對(duì)大壩上下的物種流動(dòng)和區(qū)域食物鏈造成不可估量的影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的深化,在滿足社會(huì)發(fā)展、糧食安全、以及調(diào)水工程順利進(jìn)行的前提下,應(yīng)及時(shí)調(diào)整發(fā)展策略,對(duì)資源進(jìn)行合理優(yōu)化配置,從而維持整個(gè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的健康運(yùn)行,達(dá)到生態(tài)與社會(huì)發(fā)展的平衡發(fā)展。

當(dāng)前,生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制并不完善[47],水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系變化特征可以為水源區(qū)確立生態(tài)補(bǔ)償上限標(biāo)準(zhǔn)和支付標(biāo)準(zhǔn)提供核算依據(jù),以調(diào)水工程引起的生態(tài)恢復(fù)所新增或減少的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)補(bǔ)償數(shù)量的理論限值,為構(gòu)建和完善水源區(qū)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供支持,以促進(jìn)智慧調(diào)水。

5 結(jié)論

本文采用 Costanza 等提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算方法,用農(nóng)田生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值對(duì)謝高地等提出的 “中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量”進(jìn)行了系數(shù)修正,以此為基礎(chǔ)估算了丹江口水源區(qū)內(nèi)1990—2015年(1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2010年、2015)6個(gè)時(shí)期的10種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其時(shí)空變化特征。然后,基于以長時(shí)間整體分析占優(yōu)的相關(guān)性分析方法和短時(shí)期動(dòng)態(tài)變化分析占優(yōu)的ESTD模型,分析了不同時(shí)期水源區(qū)內(nèi)各類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。結(jié)果顯示：

(1)1990—1995年,丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈負(fù)增長,1995—2015年呈不斷上漲的時(shí)序變化趨勢,年均增長率為2.36%。從各類用地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值來看,林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高,其次為草地、水域、農(nóng)田、建設(shè)用地和荒漠。

(2)水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)明顯的東南高西北低特征,隨著時(shí)間的推移,生態(tài)系統(tǒng)極高值的范圍有擴(kuò)大的趨勢。1990—2015年各網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化度的空間分布與用地類型的分布較為吻合,林草地的變化度較高,農(nóng)田的變化度較低。

(3)在丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互關(guān)系中,協(xié)同關(guān)系占64%,表明協(xié)同關(guān)系是丹江口水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主導(dǎo)關(guān)系。協(xié)同關(guān)系主要存在于調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)與其他類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系之中。權(quán)衡關(guān)系主要與供給服務(wù)有關(guān)。

(4)2005年之后的時(shí)期,水資源供給、水文調(diào)節(jié)以及凈化環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系增多,除這3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)外,其余幾種單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系減少。總體上水源區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系增加,權(quán)衡關(guān)系減少。人為擾動(dòng)因素是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的最重要因素。