石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究

王 蓓,趙 軍,*,胡秀芳,

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 南通 226007

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用,是通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的功能直接或間接得到的產(chǎn)品和服務(wù)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的多樣性,空間分布的異質(zhì)性,以及人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)使用和管理的選擇性、多樣性,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間往往存在著此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡和相互促進(jìn)的協(xié)同關(guān)系[2]。隨著人類社會(huì)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)控制力的不斷提高,在自然資源短缺日益突出的情形下,常常導(dǎo)致一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加以犧牲其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為代價(jià)[3],某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平被迫下降,極大地削減了當(dāng)代及后代從生態(tài)系統(tǒng)中獲取的利益,致使全球許多地區(qū)面臨生態(tài)危機(jī)。在此情形下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同研究成為國(guó)際生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科研究的前沿和熱點(diǎn)。為揭示多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,首先需要對(duì)生態(tài)系統(tǒng)提供各項(xiàng)服務(wù)的能力進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)度,評(píng)估過(guò)程的主觀性和多樣性,常常導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的不確定性。因此,選取典型的研究區(qū)域,如何高效地發(fā)展該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究理論與方法,探索科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估體系,從服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的類型特征、尺度效應(yīng)、形成機(jī)制等方面出發(fā),深刻理解服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,提高生態(tài)系統(tǒng)管理效率,實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展迫在眉睫。

近十年來(lái),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)機(jī)理、評(píng)估和制圖表達(dá)等領(lǐng)域成為諸多學(xué)者研究的重點(diǎn),應(yīng)著“精細(xì)化、定量化、模型化、空間化”的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估發(fā)展要求,InVEST(Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型被逐漸關(guān)注,由美國(guó)斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC)與世界自然基金會(huì)(WWF)聯(lián)合開發(fā)。自2007年發(fā)布以來(lái),隨著模型的不斷研究和完善,被廣泛的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的自然資產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估中,并取得較為理想的效果[4- 10],且與其他服務(wù)模型相比表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)[11- 12]。最近幾年,隨著對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估研究的不斷深入,研究重點(diǎn)出現(xiàn)一些轉(zhuǎn)向,開始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[13- 17]。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同主要集中在類型特征、形成機(jī)制、尺度效應(yīng)等方面[18];從研究方法來(lái)看,現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡研究方法有統(tǒng)計(jì)描述法、空間制圖法、情景分析法等類型。誠(chéng)然,客觀地分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的研究尚處于起步階段,與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在一定差距,主要表現(xiàn)為:(1)以傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)描述方法為主,缺少服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間定量表達(dá)信息。(2)基于空間制圖分析的權(quán)衡與協(xié)同研究,大多只考慮前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行權(quán)衡分析,結(jié)果的可靠性存在一定問(wèn)題,且用于權(quán)衡研究的服務(wù)類型較少。(3)情景模擬分析,一般只考慮土地利用變化,而未考慮氣候條件變化產(chǎn)生的影響,研究過(guò)程和方法存在著主觀性。

石羊河流域作為西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域之一,處于構(gòu)建國(guó)家生態(tài)保護(hù)屏障的重要地段,該流域具有人口密度大、水土資源開發(fā)利用程度高、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重的區(qū)位特征。區(qū)域性地下水位下降、土地沙化、鹽漬化加重等一系列生態(tài)問(wèn)題一直制約著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展,成為諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn),且已有大量成果發(fā)表,但對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量可視化研究較少,僅有①曾建軍等[19]基于InVEST模型對(duì)石羊河流域水源供給量進(jìn)行評(píng)估,并分析了服務(wù)時(shí)空變化的主要原因,但評(píng)估類型和結(jié)果較為單一。②張恒瑋[20]基于GIS方法對(duì)石羊河流域的生境質(zhì)量、碳儲(chǔ)存、土壤保持、產(chǎn)水量四項(xiàng)服務(wù)的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行探析,但研究時(shí)序較早、服務(wù)類型較少、缺少對(duì)評(píng)估模型的本地化研究和服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間定量研究。因此,本文首先對(duì)InVEST模型進(jìn)行本地化,以精準(zhǔn)測(cè)度和探析2005、2010和2015年水源涵養(yǎng)、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存和生物多樣性服務(wù)的時(shí)空格局特征;其次,基于像元尺度,利用相關(guān)系數(shù)對(duì)5種服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行定量測(cè)度;最后,基于全流域、子流域尺度,對(duì)不同服務(wù)之間的權(quán)衡特征進(jìn)行研究與分析,以初步探索適合流域生態(tài)-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡模式,厘清服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的表現(xiàn)類型、形成機(jī)制和空間差異,為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持和方法參考,同時(shí)也為制定區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)雙贏政策提供參考。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Map of study area

石羊河流域,位于中國(guó)西北干旱區(qū)甘肅省河西走廊東部(101°22′—104°16′E,36°29′—39°27′N)(圖1),屬溫帶大陸性干旱氣候,降水少而集中,日照充足,晝夜溫差大?？偯娣e約為4.16×104km2,流域全長(zhǎng)達(dá)300km,根據(jù)區(qū)域地貌及水文特征,將研究區(qū)劃分為9個(gè)子流域并進(jìn)行標(biāo)識(shí),即西營(yíng)河流域(XYR)、東大河流域(DR)、金塔河流域(JR)、古浪河流域(GR)、黃羊河流域(HR)、西大河流域(XR)、雜木河流域(ZR)、大靖河流域(DJR)和石羊河流域下游(SR)。地勢(shì)由南至北逐漸遞減,形成4個(gè)地貌單元類型,南部祁連山區(qū),覆蓋著大面積的原始森林;中部走廊平原區(qū),為流域的精華之地,如武威、永昌為重要產(chǎn)糧區(qū),亦為流域人類活動(dòng)強(qiáng)度最大區(qū),灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),徑流耗損嚴(yán)重[21];北部低山丘陵區(qū)逐漸趨于荒漠化;荒漠區(qū),以風(fēng)沙地貌為主,植被覆蓋較差或者幾乎沒(méi)有,嚴(yán)重威脅著綠洲的生存,是生態(tài)環(huán)境威脅最為嚴(yán)重區(qū)域[22]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究方法

從石羊河流域水文-生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā),結(jié)合自然地理和人文社會(huì)特征,依據(jù)聯(lián)合國(guó)《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》[23]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類體系,遵循科學(xué)性、全面性、重要性、數(shù)據(jù)可獲取性的原則,篩選水源涵養(yǎng)、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存、生物多樣性5個(gè)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型。InVEST為開源模型,本文使用 InVEST 3.3.3,該版本生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估主要包括棲息地質(zhì)量、生境風(fēng)險(xiǎn)、海水水質(zhì)等支持性生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模塊,碳儲(chǔ)存、產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、休閑與旅游業(yè)、海岸保護(hù)等最終生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模塊以及重疊分析、海岸脆弱性評(píng)估等輔助性分析模塊。模型多層次設(shè)計(jì),低層模型可供大尺度評(píng)估,高層模型適用于小尺度研究,且輸入數(shù)據(jù)具有可選性,降低數(shù)據(jù)的需求性,滿足多項(xiàng)服務(wù)以及多種目標(biāo)的不同尺度范圍的研究分析。

2.1.1 水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)(Water Conservation,WC)模型計(jì)算分為兩層,首先基于水量平衡原理計(jì)算產(chǎn)水量。其次,利用水源涵養(yǎng)影響因子(地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù))計(jì)算得到流域水源涵養(yǎng)量。計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,Retention為水源涵養(yǎng)量(mm);Velocity為流速系數(shù),主要參考游松財(cái)?shù)萚24]、彭怡[25]、傅斌等[26];Ksat為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d),借助NeuroTheta 軟件實(shí)現(xiàn);TI為地形指數(shù),可由(2)式計(jì)算得出,Drainage_Area為集水區(qū)柵格數(shù)量;SoilDepth為土壤深度(mm);Percent_Slope為百分比坡度(%);Yield為產(chǎn)水量(mm),由(3)式得出,P為年降雨量(mm);AET為實(shí)際年平均蒸散發(fā)量(mm),可由(4)式計(jì)算得出,R為干燥指數(shù),無(wú)量綱,由(5)式計(jì)算,Kc為植被蒸散系數(shù),主要參考FAO的灌溉和園藝手冊(cè)和Allen等[27];ET0為潛在蒸散發(fā)量(mm/d),根據(jù)Penman-Monteith模型[28]進(jìn)行計(jì)算;W為可利用水量與降水量的比值,無(wú)量綱,由(6)式計(jì)算得出,Z是表征降水特征的一個(gè)常數(shù),將多次模型模擬的各子流域的產(chǎn)水量與Z值建立相關(guān)關(guān)系,并與相應(yīng)的水資源量進(jìn)行對(duì)比,最終確定Z值為2.23; MaxSoilDepth為最大土壤深度(mm);RootDepth 為根系深度(mm);PAWC 為植被有效可利用水,由經(jīng)驗(yàn)公式Gupta等[29]計(jì)算。

2.1.2 土壤保持

土壤保持(Soil Conservation,SC)模型計(jì)算分為兩層,首先利用通用土壤流失方程計(jì)算潛在土壤流失量和實(shí)際土壤侵蝕量[30]。其次對(duì)流域的沉積物保持量進(jìn)行估算。計(jì)算公式(7—9)如下:

SRET=(RKLS-USLE)+ups_retain

(7)

RKLS=R×K×LS

(8)

USLE=R×K×LS×C×P

(9)

(10)

(11)

(7)式中,SRET為地塊沉積物保持量(t);ups_retain為該地塊攔截上游地塊的沉積物量(t);RKLS為潛在土壤流失量(t),可由(8)式計(jì)算得出,R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),采用Wischmeier 的月尺度計(jì)算公式(10)求得,P為年降雨量(mm);Pi表示月降水量(mm);K為土壤可蝕性因子,選用EPIC模型[31]進(jìn)行計(jì)算,公式為(11),Sand 表示砂含量(%),Silt 表示粉粒含量(%),Clay 表示粘粒含量 (%),C 為有機(jī)碳含量(%),SN1=1-Sand/100;LS為坡長(zhǎng)坡度因子,主要參考潘竟虎等[16];USLE為實(shí)際土壤流失量(t),可由(9)式計(jì)算得出,C為覆蓋與管理因子,計(jì)算方法參考蔡崇法[32];P為土壤保持措施因子,主要參考鄭度等[33]。

2.1.3 水質(zhì)凈化

水質(zhì)凈化(Nutrient Retention,NR)模型通過(guò)估算植被和土壤對(duì)徑流中N、P營(yíng)養(yǎng)鹽保持量來(lái)反映流域水質(zhì)凈化程度,N、P保持量越大,水質(zhì)凈化服務(wù)越好。計(jì)算分為兩層,首先通過(guò)產(chǎn)水量模型計(jì)算年平均徑流,計(jì)算過(guò)程同水源涵養(yǎng)模塊。其次,計(jì)算各斑塊的養(yǎng)分保持量[34]。計(jì)算公式如下:

ALVx=HSSx×POLx

(12)

(13)

(14)

2.1.4 碳儲(chǔ)存

碳儲(chǔ)存(Carbon Storage,CS)包括4種基本碳庫(kù)(地上生物量、地下生物量、土壤碳庫(kù)、死亡有機(jī)物質(zhì))和第五大碳庫(kù)。由于數(shù)據(jù)受限,本文只考慮四大基本碳庫(kù),即碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為:

C=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil

(15)

式中,C為碳存儲(chǔ)量(t hm-2a-1);Cabove為地上碳儲(chǔ)量(t hm-2a-1);Cbelow為地下碳儲(chǔ)量(t hm-2a-1);Cdead為死亡有機(jī)碳儲(chǔ)量(t hm-2a-1);Csoil為土壤碳儲(chǔ)量(t hm-2a-1)。模型所需碳庫(kù)表中的碳密度數(shù)據(jù),主要參考相關(guān)研究[35-44],根據(jù)區(qū)域相近性、成果可取性等原則,生成碳庫(kù)表。

2.1.5 生物多樣性

將InVEST模型中生物多樣性模塊進(jìn)行優(yōu)化,采用綜合指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)生物多樣性(Biodiversity,BD)[45]。計(jì)算公式如下所示:

BD=Qxj+Rx+Hx

(16)

(17)

(18)

(19)

式中,BD為生物多樣性,無(wú)量綱;Qxj為柵格單元x處土地覆被類型j的生境質(zhì)量,可由(17)式得出,Hj為土地覆被類型j相對(duì)應(yīng)的生境類型得分;Dxj為生境脅迫水平;z為尺度常量,z=2.5;k為半飽和常數(shù),k=0.5。Rx為柵格單元x處生境稀缺度,可由(18)式計(jì)算得出,σxj為一個(gè)判斷函數(shù)。若σxj=1,表示存在,σxj=0,表示不存在;Rj為土地覆被類型稀缺性指數(shù);Hx為Shannon-Weiner多樣性指數(shù),計(jì)算公式如(19)所示,Pi為植被群系i的面積比例;n為植被群系的數(shù)目。BD可看做是每種脅迫的影響、每種生境類型對(duì)每種脅迫的敏感性、生境與脅迫之間的距離、生境的可達(dá)性和Shannon-Weiner多樣性5個(gè)指標(biāo)的函數(shù),在脅迫因子的選擇時(shí)綜合考慮了研究區(qū)的實(shí)際情況,最終選取了農(nóng)村居民用地、城鎮(zhèn)用地、道路、耕地、沙地5種,并采用專家打分法對(duì)每種生境類型對(duì)每種脅迫的敏感性、生境與脅迫之間的距離進(jìn)行確定。Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)的計(jì)算,在尺度選擇方面主要參考O′Neill等的經(jīng)驗(yàn)性原則[25],選擇5km×5km大小為基本評(píng)估單元,生成大約1623個(gè)評(píng)估單元,借助Frastats 4.2 對(duì)研究區(qū)各個(gè)評(píng)估單元的多樣性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文數(shù)據(jù)可分為五大類,①2005、2010和2015年的土地利用/覆被數(shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心《全國(guó)土地利用/覆被數(shù)據(jù)集》,空間分辨率為1km;②2005、2010和2015年的年降雨量、月降水量、日最高溫、日平均溫、日最低溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)《中國(guó)地面氣候資料年、月、日值數(shù)據(jù)集》,將不同方法的插值結(jié)果相比較,最終確定采用普通克里金法對(duì)8個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,并將插值結(jié)果與以往研究進(jìn)行對(duì)比[46- 48];③沙、粉粒、粘粒的含量、土壤深度等土壤數(shù)據(jù),來(lái)源于西部數(shù)據(jù)中心《全國(guó)第二次土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)集》,空間分辨率為1km;④高程數(shù)字模型DEM,來(lái)源于西部數(shù)據(jù)中心《石羊河流域空間數(shù)據(jù)集(DEM)》,空間分辨率為1km。子集水區(qū)的劃分,以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),借助ArcGIS的ArcHydro 模塊,經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確定當(dāng)匯流累積量為800時(shí),提取的河網(wǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況最為相符;⑤通過(guò)野外觀測(cè)、調(diào)查訪談,確定威脅因子等參數(shù),以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)感知等方面的數(shù)據(jù)。最終將各個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到Albers投影下,借助InVEST模型輸出空間分辨率為1km的3期石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局及變化分析

圖2 2005—2015年石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局及變化Fig.2 Spatial patterns of the five ecosystem services and change trend in Shiyang River Basin from 2005 to 2015 WC：水源涵養(yǎng)，Water Conservation；SC：土壤保持，Soil Conservation；N：氮保持，Nitrogen Retention；P：磷保持，Phosphorus Retention； CS： 碳儲(chǔ)存，Carbon Storage；BD：生物多樣性，Biodiversity

石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局呈現(xiàn)出差異性規(guī)律(圖2):水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲(chǔ)存和生物多樣性服務(wù)水平由西南至東北逐漸遞減,且水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存服務(wù)高值區(qū)沿河流分布。具體來(lái)看,水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲(chǔ)存和生物多樣性服務(wù)高值區(qū)位于流域上游,包括北灘、東灘局部區(qū)域,天祝毛藏等地,該結(jié)果與已有研究成果比較一致[19-20]。這主要因?yàn)榱饔蚰喜繛槠钸B山區(qū),海拔高,降水豐富,年蒸發(fā)量小,且人煙稀少,大部分被原始森林覆蓋,生物多樣性非常豐富,服務(wù)水平較高。N、P保持高值區(qū),即水質(zhì)凈化高值區(qū),分布較為零碎,民勤綠洲、昌寧、永昌的紅山窯、焦家莊等地,分布著大面積的灌區(qū),如西大河水庫(kù)灌區(qū)、紅崖山水庫(kù)灌區(qū),由于分布在河流周圍的植被對(duì)受農(nóng)藥和化肥等污染的水體起到了很好的過(guò)濾和凈化作用,成為水質(zhì)凈化水平較高區(qū)域。

2005—2015年流域各項(xiàng)服務(wù)水平增減不一(表1)。水源涵養(yǎng)增強(qiáng)區(qū)位于古浪北部和武威中東部等,區(qū)域面積占比為39.59%,而肅南北灘、永昌六壩和民勤局部地區(qū)的水源涵養(yǎng)服務(wù)水平在明顯減少,衰減面積比重為24.15%。土壤保持衰減區(qū)面積達(dá)30029km2,占流域的74.85%,這與林地的破壞和過(guò)度放牧有很大關(guān)系。相反,服務(wù)水平明顯提高的區(qū)域基本上覆蓋肅南西部,面積達(dá)到4773km2。N保持、P保持的空間變化分布格局較為一致,即水質(zhì)凈化服務(wù)水平增強(qiáng)區(qū),主要涵蓋民勤綠洲、金昌、永昌的南部、武威中部及西北部等地,這些區(qū)域同時(shí)也夾雜著服務(wù)水平衰減區(qū),服務(wù)衰減面積和增加面積為31.39%、34.31%,即服務(wù)水平好轉(zhuǎn)區(qū)域大于服務(wù)水平衰退區(qū)域。碳儲(chǔ)存和生物多樣性服務(wù),衰減區(qū)和增加區(qū)相間分布,其中碳儲(chǔ)存服務(wù)好轉(zhuǎn)的區(qū)域面積(5743km2)大于服務(wù)衰退的面積(5546km2),因此碳儲(chǔ)存服務(wù)功能水平整體趨于好轉(zhuǎn)(圖2)。

表1 2005—2015年石羊河流域各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量統(tǒng)計(jì)表

3.2 子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征分析

研究區(qū)各子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量和均值呈現(xiàn)出區(qū)域差異性(圖3和圖4)。具體來(lái)看,水源涵養(yǎng)總量的高值區(qū)位于西營(yíng)河流域(70.84×106m3)、古浪河流域(68.87×106m3)和石羊河流域下游(158.37×106m3),而石羊河流域下游水源涵養(yǎng)密度最低。金塔河流域和黃羊河流域水源涵養(yǎng)能力分別為19.29×103m3km-2a-1和14.09×103m3km-2a-1,構(gòu)成水源涵養(yǎng)總量低值區(qū)。西營(yíng)河流域、東大河流域?yàn)橥寥辣３挚偭吭?8.90×106t以上的高值區(qū),大靖河流域土壤保持總量最低;雜木河流域、黃羊河流域服務(wù)能力較強(qiáng)。石羊河流域下游的N保持、P保持服務(wù)總量最大,但服務(wù)水平最低,均值僅為368.4 kg km2a-1、54.35 kg km2a-1;古浪河流域、西營(yíng)河流域、大靖河流域的N、P保持水平最高,同時(shí)也構(gòu)成服務(wù)總量在1652t、341t以上的高值區(qū)。碳儲(chǔ)存總量高值區(qū)包括古浪河流域、西營(yíng)河流域、石羊河流域下游,尤以石羊河流域下游最大,值高達(dá)400.31×105t,但服務(wù)能力最小。石羊河流域下游的生物多樣性服務(wù)總量最高,但服務(wù)水平最低,其他流域的總量和均值較為相當(dāng)。

圖3 2005—2015年石羊河各子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量及其變化Fig.3 Total five ecosystem services changes of each watershed in Shiyang River Basin from 2005 to 2015 XYR：西營(yíng)河流域，Xiying River；DR：東大河流域，Dongda River；JR：金塔河流域，Jinta River；GR：古浪河流域，Gulang River；HR：黃羊河流域，Huangyang River；XR：西大河流域，Xida River；ZR：雜木河流域，Zamu River；DJR：大靖河流域，Dajing River；SR：石羊河流域下游，The lower reaches of the Shiyang River

從2005—2015年各子流域的總量和均值的變化情況來(lái)看,僅有東大河流域、西大河流域的水源涵養(yǎng)總量在減少,其他流域總量均有不同程度的增加,尤以石羊河流域下游、古浪河流域最為明顯,其他各流域增加量在3.72%—9.08%之間。東大河流域的土壤保持總量和均值有所增加之外,其他區(qū)域總量和均值均有不同程度的減少,尤以西營(yíng)河流域最為明顯。大靖河流域、古浪河流域、黃羊河流域的N保持、P保持總量和均值在減少,其他流域總量和均值有所增加,以東大河流域最為明顯。東大河流域、金塔河流域、西大河流域、大靖河流域的碳儲(chǔ)存總量和均值有所減少,其他區(qū)域總量和均值在增加。各流域生物多樣性總量和均值呈上升趨勢(shì),以西營(yíng)河流域、石羊河流域下游最為明顯,增加幅度在8.11%、11.60%以上。總之,近十年來(lái),水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存、生物多樣性服務(wù)整體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì),土壤保持服務(wù)有所減少,研究區(qū)水資源有限,未利用地所占比例較大,增加林地和草地的比例,對(duì)調(diào)節(jié)和支持服務(wù)能力的提高至關(guān)重要。

圖4 2005—2015年石羊河各子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均值及其變化Fig.4 Average five ecosystem services changes of each watershed in Shiyang River Basin from 2005 to 2015

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間格局

本文基于Python語(yǔ)言,對(duì)2005—2015 年研究區(qū)水源涵養(yǎng)、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存、生物多樣性兩兩服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn),劃分為6個(gè)等級(jí):協(xié)同**(r>0,0.010,0.050,0.1

水源涵養(yǎng)與土壤保持服務(wù),權(quán)衡關(guān)系的像元占74.61%,表明兩者以權(quán)衡關(guān)系為主,但這種關(guān)系存在區(qū)域差異,東大河流域的協(xié)同關(guān)系較為顯著,流域北部及東北局部地區(qū)也存在著零碎的協(xié)同關(guān)系。一方面由于降雨量、冰川融水的增加,水源涵養(yǎng)整體有所增長(zhǎng);另一方面人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)需求的提高,導(dǎo)致人類活動(dòng)強(qiáng)度變大,植被生長(zhǎng)條件受到破壞,土壤侵蝕性增強(qiáng),而保持量逐漸減少,致使兩者之間呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系,這與潘竟虎等的研究結(jié)果一致[16]。由于水質(zhì)凈化有所增加,區(qū)域涵蓋民勤綠洲、金昌、永昌南部、武威中部及西北部等地,此區(qū)域卻為水源涵養(yǎng)衰減區(qū),導(dǎo)致水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化以空間權(quán)衡為主,像元占比高達(dá)61.74%,范圍上包括石羊河流域下游、大靖河流域、黃羊河流域、古浪河流域;協(xié)同區(qū)位于東大河流域。水源涵養(yǎng)與碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)與生物多樣性在整體上具有協(xié)同關(guān)系,像元個(gè)數(shù)占比在79.88%以上,這主要是因?yàn)榈靥幬鞅备珊祪?nèi)流區(qū),水是重中之重,對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)與發(fā)展提供了可能,范圍上基本覆蓋流域的中下游,特別是西營(yíng)河流域表現(xiàn)出非常顯著的協(xié)同關(guān)系;流域的東南部零散的分布著權(quán)衡關(guān)系,這與潘竟虎等的研究結(jié)果也一致[16]。土壤保持與水質(zhì)凈化以60.85%的像元個(gè)數(shù)占比,表現(xiàn)協(xié)同關(guān)系;流域中下游零散的分布著較為顯著的權(quán)衡關(guān)系。由于土壤保持處于下降態(tài)勢(shì),碳儲(chǔ)存和生物多樣性處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),故土壤保持與碳儲(chǔ)存、土壤保持與生物多樣性以權(quán)衡關(guān)系為主,像元占比在75.73%以上;流域的東南部零散的存在著協(xié)同關(guān)系。水質(zhì)凈化與碳儲(chǔ)存、水質(zhì)凈化與生物多樣性整體上以權(quán)衡關(guān)系為主,且不同顯著等級(jí)的權(quán)衡關(guān)系相間分布,這與水質(zhì)凈化高值區(qū)主要位于中下游灌區(qū),而碳儲(chǔ)存與生物多樣性高值區(qū)涵蓋流域上游局部地區(qū)有關(guān);顯著協(xié)同區(qū)主要位于古浪河流域。由于碳儲(chǔ)存高值區(qū),植被覆蓋度較高,也為動(dòng)物的生存提供必不可少的條件,構(gòu)成了生物多樣性的高值區(qū),因此碳儲(chǔ)存與生物多樣性在整體上表現(xiàn)出協(xié)同關(guān)系,比例占流域的86.49%;權(quán)衡區(qū)沿河流分布。綜上所述,石羊河流域5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域異質(zhì)性,表現(xiàn)類型的多樣性與多種服務(wù)之間的相互作用、人類活動(dòng)引起的社會(huì)條件變化及溫度、降水、大氣成分等的氣候變化息息相關(guān)(圖5)。

圖5 2005—2015年石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間格局Fig.5 The spatial patterns of pairwise ecosystem services interactions in Shiyang River Basin from 2005 to 2015

3.4 子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系特征分析

利用GIS技術(shù)和方法,對(duì)各子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的數(shù)量特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì),據(jù)圖6可知,西營(yíng)河流域、金塔河流域、古浪河流域、黃羊河流域和西大河流域,在水源涵養(yǎng)與生物多樣性、土壤保持與水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存與生物多樣性服務(wù)之間均以協(xié)同關(guān)系為主,占比高達(dá)60.03%以上,而在水源涵養(yǎng)與土壤保持、水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化、土壤保持與碳儲(chǔ)存、土壤保持與生物多樣性、水質(zhì)凈化與生物多樣性服務(wù)之間以權(quán)衡關(guān)系為主導(dǎo),像元占比為60.12%;東大河流域,在水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化 、土壤保持與水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存與生物多樣性服務(wù)之間表現(xiàn)出顯著的協(xié)同關(guān)系,在水源涵養(yǎng)與碳儲(chǔ)存、土壤保持與碳儲(chǔ)存、土壤保持與生物多樣性、水質(zhì)凈化與生物多樣性中以權(quán)衡關(guān)系為主,占比為在52.88%以上,而在其他服務(wù)關(guān)系中權(quán)衡與協(xié)同像元個(gè)數(shù)占比基本相當(dāng);雜木河流域、大靖河流域和石羊河流域下游,在水源涵養(yǎng)與生物多樣性、土壤保持與水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存與生物多樣性服務(wù)之間以協(xié)同關(guān)系為主,像元占比高達(dá)66.85%以上,在水源涵養(yǎng)與土壤保持、土壤保持與碳儲(chǔ)存、土壤保持與生物多樣性、水質(zhì)凈化與碳儲(chǔ)存、水質(zhì)凈化與生物多樣性以55.01%的像元占比表現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。綜上可知,在不同的服務(wù)之間,各個(gè)流域的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系具有區(qū)域依賴特征,這主要與不同流域之間巨大的自然環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)差異密切相關(guān)。

圖6 2005—2015年石羊河子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的分區(qū)統(tǒng)計(jì)Fig.6 The area proportion of pairwise ecosystem services interactions in each watershed from 2005 to 2015

4 討論

系統(tǒng)而又精準(zhǔn)地測(cè)度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是進(jìn)行權(quán)衡研究及服務(wù)管理和保護(hù)的前提。通過(guò)對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估,合理的評(píng)估結(jié)果為摸清流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀況提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但同時(shí),在評(píng)估過(guò)程中,由于模型個(gè)別參數(shù)的取值主要參考相關(guān)文獻(xiàn)資料,引入了主觀誤差。且有研究表明:權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系與區(qū)域土地利用的博弈關(guān)系緊密相關(guān),土地利用變化會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的沖突和協(xié)同產(chǎn)生影響[16,49]。InVEST模型以土地利用/覆被為關(guān)鍵數(shù)據(jù),忽略地理要素的區(qū)域特性,對(duì)同一地類賦予相同值造成模擬結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差。因此,模型原理改進(jìn)、參數(shù)驗(yàn)證等方面有待進(jìn)一步研究。

基于像元尺度,采用相關(guān)系數(shù)法對(duì)流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同作用進(jìn)行空間分析,有效的解決了權(quán)衡關(guān)系的空間定量問(wèn)題。但是對(duì)于權(quán)衡研究沒(méi)有涉及到時(shí)間尺度,有 學(xué)者認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系隨時(shí)間的變化表現(xiàn)出階段性和差異性[50- 53],除此之外,王鵬濤等[54]認(rèn)為,進(jìn)行區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)時(shí)間段服務(wù)相互關(guān)系的研究,可提高權(quán)衡結(jié)果的可靠性。因此,下一步應(yīng)該考慮把握權(quán)衡關(guān)系的時(shí)間尺度效應(yīng),建立長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)時(shí)間段的服務(wù)權(quán)衡關(guān)系研究。

本文基于不同空間尺度(全流域、子流域),精準(zhǔn)地測(cè)度了流域水源涵養(yǎng)、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存和生物多樣性之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,探析了權(quán)衡關(guān)系的尺度效應(yīng),這可能與自然要素的空間異質(zhì)性以及不同利益方的需求差異息息相關(guān)。本文研究表明,水源涵養(yǎng)與土壤保持、水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化、水質(zhì)凈化與碳儲(chǔ)存、水質(zhì)凈化與生物多樣性、土壤保持與碳儲(chǔ)存、土壤保持與生物多樣性以權(quán)衡關(guān)系為主;水源涵養(yǎng)與碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)與生物多樣性、土壤保持與水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存與生物多樣性以協(xié)同關(guān)系為主。例如水源涵養(yǎng)與土壤保持服務(wù),一方面由于降雨量、冰川融水的增加,水源涵養(yǎng)有所增長(zhǎng);另一方面由于人類活動(dòng)強(qiáng)度增大,植被生長(zhǎng)條件被受破壞,土壤侵蝕性增強(qiáng),而保持量減少,致使兩者之間呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系。與相關(guān)研究成果相比,本文的土壤保持與碳儲(chǔ)存的權(quán)衡關(guān)系與潘竟虎等[16]研究結(jié)果有所差異,尚需更多研究成果來(lái)驗(yàn)證。除此之外,其他服務(wù)權(quán)衡關(guān)系研究[16,54]也得到此結(jié)果?？傊?在當(dāng)前我國(guó)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和石羊河流域重點(diǎn)治理工作需求的背景下,服務(wù)評(píng)估及權(quán)衡結(jié)果可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)。

5 結(jié)論

本文利用2005、2010和2015年數(shù)據(jù),分析了石羊河流域水源涵養(yǎng)、土壤保持、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存和生物多樣性服務(wù)的時(shí)空變化特征,同時(shí)對(duì)5種服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了空間定量測(cè)度,并探析了不同子流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間差異,主要結(jié)論如下:

石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)出空間分異性:水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲(chǔ)存和生物多樣性呈現(xiàn) “西南高-東北低”的空間格局,且水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存高值區(qū)沿河流分布。水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲(chǔ)存和生物多樣性高值區(qū)包括西營(yíng)河流域、東大河流域、古浪河流域。石羊河流域下游的民勤綠洲、昌寧、永昌的紅山窯、焦家莊等地,構(gòu)成水質(zhì)凈化服務(wù)高值區(qū)。

在2005—2015年,水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存、生物多樣性服務(wù)變化呈現(xiàn)出“整體增加-局部減少”的變化趨勢(shì),而土壤保持除東大河流域有所增加之外,其他流域均有所減少。

在全流域尺度,水源涵養(yǎng)與土壤保持以權(quán)衡關(guān)系為主,空間格局具有“西南協(xié)同-中部權(quán)衡”的特征。水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化、水質(zhì)凈化與碳儲(chǔ)存、水質(zhì)凈化與生物多樣性以權(quán)衡關(guān)系為主導(dǎo),協(xié)同區(qū)沿河流零散分布。土壤保持與碳儲(chǔ)存、土壤保持與生物多樣性呈現(xiàn)“整體權(quán)衡-局部協(xié)同”的分布態(tài)勢(shì)。水源涵養(yǎng)與碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)與生物多樣性、土壤保持與水質(zhì)凈化、碳儲(chǔ)存與生物多樣性呈現(xiàn)“整體協(xié)同-局部權(quán)衡”的服務(wù)關(guān)系。在子流域尺度,多種服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系具有區(qū)域依賴特征,表現(xiàn)類型的多樣性與服務(wù)之間的作用機(jī)制,土地利用變化等人為因素及氣候等自然因素的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)。