汾河上游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及驅(qū)動因素

蘇常紅,王亞璐

山西大學(xué)黃土高原研究所,太原 030006

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不僅為人類提供了生產(chǎn)生活必需品,還維持了地球生命支持系統(tǒng),如保持物種多樣性,凈化環(huán)境,保持大氣平衡與穩(wěn)定等。長期以來由于人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性缺乏認(rèn)識,對生態(tài)系統(tǒng)的過度使用導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的退化,對人類的安全與健康造成影響,并影響到區(qū)域和全球生態(tài)安全[1]。隨著“3S”空間分析技術(shù)的發(fā)展,基于模型的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究得以實(shí)現(xiàn)[2];特別是隨著多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合研究的進(jìn)展,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型集成技術(shù)也逐漸發(fā)展起來(如GUMBO、MIME和InVEST等);斯坦福大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了InVEST模型,通過預(yù)測不同土地利用情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化,實(shí)現(xiàn)了對多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集成和權(quán)衡分析。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其變化是一個由多種因素所驅(qū)動的復(fù)雜過程;這些驅(qū)動因素涉及自然、社會經(jīng)濟(jì)、以及人為干擾等多個方面[3-4]。探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及其驅(qū)動因素,有助于認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成機(jī)理,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可控化,在制定生態(tài)保護(hù)政策時發(fā)揮其驅(qū)動與反饋機(jī)制,實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動因素中,自然因素相對穩(wěn)定,具有累積效應(yīng);而人文驅(qū)動因素尤其是社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力相對更活躍,其包含的因素也更為廣泛復(fù)雜,存在著更多的不確定性且難以定量化。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動機(jī)制分析大致分定性與定量兩類方法;de Lima 等通過歷史文獻(xiàn)挖掘,定性分析了巴西大西洋沿岸森林景觀格局變化及對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力的影響,表明甘蔗/咖啡輪作、道路建設(shè)、貴重金屬采掘是驅(qū)動當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要因素,從歷史來看,經(jīng)濟(jì)活動、鄉(xiāng)村建設(shè)、城市化、旅游共同導(dǎo)致了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化[5]。Wang 等系統(tǒng)分析了退耕還林/草政策下自然環(huán)境(降雨、溫度、坡度)、社會經(jīng)濟(jì)(人口、耕地、收入、一二產(chǎn)比例、糧食產(chǎn)量、園藝作物產(chǎn)量)、政策(政策監(jiān)管區(qū)域、道路、糧食補(bǔ)貼、節(jié)水渠)等要素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動作用,并采用主成分方法(PCA)構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動模型[6];唐秀美等采用STIRPAT模型和地理加權(quán)回歸模型,分析了北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動因素,表明人口、GDP、綠化率、三產(chǎn)、GDP能耗、城市化率是影響北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要因素[7]。此外,還有研究分析不同因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響進(jìn)程中“自然因素”和“人文因素”的轉(zhuǎn)折點(diǎn),對自然與人文影響按時序進(jìn)行“剝離”[8]。

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)諸多驅(qū)動因素中,人類活動定量化研究存在著較多的不確定性,尤其是政策、經(jīng)濟(jì)、文化等因素難以定量化。人類活動包含了直接因子(如土地利用變化、污染等)和間接因子(如人口、政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技等)。早期的人類活動強(qiáng)度研究多用單一的因素如人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源開采、放牧等來表征人類活動強(qiáng)度;聯(lián)合國開發(fā)署(UNDP)于1990年提出一個綜合性的人類發(fā)展指數(shù)(HDI)涵蓋了人口密度、農(nóng)田比率、自然資源稟賦、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化、政策等多個因素[9]。此基礎(chǔ)上,綜合自然、經(jīng)濟(jì)、社會等多方面因子構(gòu)建人類活動強(qiáng)度指標(biāo)體系的研究逐漸開展起來[10-11],但這些人類活動評價多缺乏空間定量化分析。胡志斌等[12]在ArcGIS軟件支持下,基于地理學(xué)自相關(guān)理論,選擇居民點(diǎn)、道路、地形等因子,對岷江上游人類活動強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了定量化空間表達(dá)。

本研究基于前人研究,采用InVEST、CASA等生態(tài)模型對汾河上游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評估,搜集區(qū)域自然和社會經(jīng)濟(jì)因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行定量分析;其中人文驅(qū)動因素的空間分析參照胡志斌等[12]的方法,綜合居民點(diǎn)、道路、人口等信息對區(qū)域人文驅(qū)動因素進(jìn)行空間刻畫。通過研究,為汾河上游流域生態(tài)保護(hù)規(guī)劃和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 汾河上游流域示意圖Fig.1 Outline of the Upper Reach of the FenheRiver Watershed

研究區(qū)位于管涔山至太原上蘭村以北的汾河上游段,行政區(qū)域涉及寧武、靜樂、嵐縣、婁煩、古交、陽曲及太原市尖草坪區(qū)、萬柏林區(qū)部分區(qū)域(圖1),共計89個鄉(xiāng)鎮(zhèn),約70萬人口;地理位置為111°21′—112°27′E,37°51′—38°59′N之間,流域長126 km,寬93 km,面積5253.56 km2。其中耕地面積2207 km2、林地1822 km2。地貌單元由丘陵溝壑、土石山區(qū)和河川階地構(gòu)成,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,水土流失嚴(yán)重,流域年徑流量6.87億m3;丘陵溝壑區(qū)年均侵蝕模數(shù)6080 t/km2,屬強(qiáng)度侵蝕,也是汾河的主要沙源地。流域氣候特征屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,干旱少雨,日照充足,濕熱同季。本區(qū)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱,支柱產(chǎn)業(yè)為種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的選擇

針對汾河上游流域水土流失嚴(yán)重、區(qū)域工農(nóng)業(yè)及生活用水的嚴(yán)峻形勢,資源開采與毀林開荒造成的植被破壞、黃土高原氣候暖干化大背景、以及退耕還林等生態(tài)保護(hù)政策對糧食安全的影響等,本研究篩選了泥沙截持、產(chǎn)水量、NPP生產(chǎn)、固碳釋氧、糧食生產(chǎn)五類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行研究。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法

2.2.1 泥沙截持

采用InVEST模型下的RUSLE模塊對土壤保持服務(wù)進(jìn)行評估:

A=R×K×LS×(1-CP)

式中,A為單位面積減少土壤流失量(t/hm2),R為降雨因子,單位(MJ mm hm-2h-1),K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1),LS為地形因子,包括坡長因子和地面坡度因子,C為植被覆蓋因子,P為土壤保持措施因子。本研究參照Fu等[13]在黃土高原的研究成果,制訂如下C值表(表1)。

表1 汾河上游流域不同土地利用類型C值

2.2.2 產(chǎn)水服務(wù)

采用InVEST模型中water yield模塊,基于budyko曲線和年均降雨量計算產(chǎn)水量[14],計算公式：

式中,Yxj指j類土地利用類型的x柵格的產(chǎn)水量,AETxj指j類土地利用類型的x柵格的實(shí)際蒸散發(fā),Px指x柵格每年實(shí)際降雨量。

2.2.3 NPP

NPP是基于CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)過程模型來計算的;該模型綜合考慮植物吸收的光合有效輻射與光能轉(zhuǎn)換率,同時考慮到光能利用率、土壤水分、降水量、平均溫度等因素的影響[15]。

NPP(x,t)=APAR(x,t)·ε(x,t)

式中,t表示時間,x表示空間位置,NPP(x,t)表示像元x在t時間的植被凈初級生產(chǎn)力(g C m-2月-1),APAR(x,t)表示像元x在t時間吸收的光合有效輻射(MJ m-2月-1),ε(x,t)表示像元x在t時間的實(shí)際光能利用率(單位：gC/MJ)。

2.2.4 固碳釋氧

2.2.5 糧食生產(chǎn)

將縣區(qū)統(tǒng)計部門獲取的以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元的糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù),除以鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積換算為單位面積糧食產(chǎn)量,賦值到汾河上游行政區(qū)劃矢量圖并轉(zhuǎn)換為柵格格式,生成汾河上游流域糧食生產(chǎn)服務(wù)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動機(jī)制分析

本研究篩選降雨量、相對濕度、日照時數(shù)、氣溫等氣象因子以及坡長和坡向地形因子;同時,選取道路、居民點(diǎn)、人口等人文因素整合成綜合性的人類活動強(qiáng)度指數(shù)。在ArcGIS軟件支持下對降雨量、相對濕度、日照時數(shù)、氣溫等氣象因子進(jìn)行克里格插值;基于DEM數(shù)字高程圖,采用ArcGIS軟件中柵格表面數(shù)字分析模塊中的坡度坡向分析工具進(jìn)行提取;所有自然因素柵格圖通過ArcGIS中zonal statistic工具分配到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)供統(tǒng)計分析?；赟PSS軟件,采用典型相關(guān)分析方法(Canonical correlation analysis, CCA)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動因子。

2.4 人類活動定量化研究方法

整合人口密度、居民點(diǎn)、道路相關(guān)數(shù)據(jù),制訂綜合性的人類活動強(qiáng)度指數(shù)(HAI,human activity intensity),采用層次分析法和專家打分法對3個因素進(jìn)行權(quán)重分配居民點(diǎn)(0.3)、道路(0.3)、人口密度(0.4)。首先采用ArcGIS軟件,對紙質(zhì)的縣鄉(xiāng)行政區(qū)劃圖、居民點(diǎn)、道路圖進(jìn)行矢量化。根據(jù)國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合《山西省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)集》對居民點(diǎn)和道路影響力進(jìn)行賦值(表2,表3)。在ArcGIS軟件支持下,居民點(diǎn)采用克里格方法進(jìn)行空間插值;道路的插值采用線源距離衰減方法首先將道路按級別分級并計算其歐氏距離,采用公式FEN=道路分級影響力×(1-實(shí)際距離/歐氏距離)計算各級道路影響力柵格圖并進(jìn)行加和,生成研究區(qū)道路影響力柵格圖。

2.5 數(shù)據(jù)來源

土地利用圖由Landsat TM和Cbers- 2B多光譜影像從網(wǎng)上下載并進(jìn)行目視解譯,研究區(qū)DEM從1∶50000地形圖提取,土壤類型從當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門獲取,圍繞汾河上游流域周圍選取21個氣象站點(diǎn),從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺下載降雨量、相對濕度、日照時數(shù)、氣溫、蒸散量、太陽輻射等氣象因子。人口數(shù)據(jù)從研究區(qū)各縣(市、區(qū))統(tǒng)計部門獲取,鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃圖及居民點(diǎn)分布從各縣(市、區(qū))民政部門區(qū)獲取。道路圖由山西科學(xué)技術(shù)出版社出版的《山西省地圖冊》及山西省地圖出版社出版的《山西省分縣地圖冊》進(jìn)行提取(圖2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空格局

基于DEM柵格圖將整個汾河上游流域分成47個子流域,泥沙截持服務(wù)結(jié)果以子流域?yàn)閱卧敵觥?000年研究區(qū)的北部和西部泥沙截持服務(wù)較高,而中部區(qū)域較低。2008年研究區(qū)西部泥沙截持服務(wù)除北部區(qū)域泥沙截持服務(wù)較高外,其他區(qū)域均較低(圖3)。2000—2008年間研究區(qū)泥沙截持服務(wù)有所降低,從2000年的280.28 t/hm2降低到2008年的236.98 t/hm2;除區(qū)域北部局部區(qū)域有所增強(qiáng)外,占研究區(qū)87.5%的區(qū)域呈現(xiàn)減少態(tài)勢;泥沙截持服務(wù)減少幅度從東北到西南遞增。

表2 不同級別居民點(diǎn)對應(yīng)的影響力

表3 不同等級道路對應(yīng)的影響力

圖2 汾河上游流域河流居民點(diǎn)、道路,及行政區(qū)矢量圖Fig.2 Vector map of residential site, road network, and administration division of the Upper Reach of the Fenhe Watershed

產(chǎn)水服務(wù)結(jié)果以子流域?yàn)榛締卧敵觥?000年流域產(chǎn)水服務(wù)大致呈現(xiàn)西北高東南低的格局,產(chǎn)水量最高的區(qū)域集中于流域西部的嵐縣境內(nèi)。2008年產(chǎn)水量服務(wù)與2000年空間格局有較大的差異,大致呈現(xiàn)為北高南低的格局(圖3)。產(chǎn)水服務(wù)最高值集中于寧武和靜樂區(qū)域內(nèi)。總體上產(chǎn)水服務(wù)從2000年的146.33 t/hm2增加到2008年的151.07 t/hm2。柵格圖層相減顯示2000—2008年間產(chǎn)水服務(wù)增加的區(qū)域占整個汾河上游流域的89.6%,尤其是流域東北部的寧武境內(nèi)的子流域產(chǎn)水量增加幅度最高。

NPP生產(chǎn)服務(wù)結(jié)果以柵格為基本單元輸出。2000年和2008年兩年間汾河上游流域NPP生產(chǎn)服務(wù)均呈現(xiàn)出周邊高、中間低的格局,尤其以東南部區(qū)域NPP生產(chǎn)服務(wù)最高(圖3)。2000—2008年間,NPP生產(chǎn)服務(wù)平均值由4.07 t/hm2增加到4.93 t/hm2。NPP生產(chǎn)服務(wù)增高的區(qū)域占整個研究區(qū)總面積的93.7%;僅流域周邊零星區(qū)域NPP呈減少態(tài)勢。

固碳釋氧與NPP時空格局一致,總量從2000年的10.34 t/hm2增加到2008年的12.52 t/hm2。固碳釋氧兩年的變化量呈現(xiàn)出中間高邊緣低的格局,尤其是流域南部區(qū)域固碳釋氧增加量最為明顯,流域邊緣地方零星分布固碳釋氧減少的斑塊。

糧食生產(chǎn)服務(wù)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元輸出。總體上研究區(qū)糧食生產(chǎn)服務(wù)有所降低,從2000年的175.11kg/hm2減少到2008年的159.46 kg/hm2。2000—2008年間除寧武靜樂大部、嵐縣西部糧食增加外,占流域65%的區(qū)域糧食生產(chǎn)服務(wù)減少。從空間分布尺度來看,2000年研究區(qū)糧食生產(chǎn)呈現(xiàn)西北高東南低的格局,糧食生產(chǎn)較高的區(qū)域主要位于流域西部嵐縣、靜樂西部、婁煩北部以及尖草坪區(qū);2008年,糧食生產(chǎn)格局呈現(xiàn)北高南低的格局,除嵐縣和寧武靜樂西部區(qū)域外,古交市及陽曲縣的北小店及西凌井鄉(xiāng)糧食生產(chǎn)減少明顯(圖3)。

3.2 人類活動強(qiáng)度(HAI)

2000年人類活動強(qiáng)度(HAI)呈現(xiàn)北-南-東南逐漸增加的空間態(tài)勢(圖4),HAI最低區(qū)域主要位于流域北部寧武縣的舍莊(0.059)、涔山(0.061)、迭合寺(0.09)、東馬坊(0.10)、東寨(0.11)、圪廖(0.11)、堂兒上(0.11)、懷道(0.11)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),HAI最高的區(qū)域主要位于流域東南部太原市區(qū)萬柏林(0.51)、尖草坪(0.436),以及古交市西曲(0.33)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2008年HAI空間格局略有變化,呈現(xiàn)北-西南-中部-東南逐漸增加的空間態(tài)勢,HAI較低區(qū)域主要分布在流域北部寧武縣余莊鄉(xiāng)(0.071)、涔山鄉(xiāng)(0.074),迭合寺鄉(xiāng)(0.11);嵐縣的王獅鄉(xiāng)(0.11)、梁家莊鄉(xiāng)(0.14);婁煩縣的米峪鎮(zhèn)(0.13)、蓋家莊鄉(xiāng)(0.14)、馬家莊鄉(xiāng)(0.14)、古交市的岔口鄉(xiāng)(0.14);HAI最高值位于太原市區(qū)的萬柏林區(qū)(0.50)和尖草坪區(qū)(0.44)。從時間上來看,HAI總體平均值由2000年的0.18增加到2008年的0.21;HAI隨時間增加的區(qū)域主要分布在寧武縣和靜樂縣搭界的堂兒上和娑婆鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),而流域西南部嵐縣、婁煩縣部分區(qū)域HAI明顯減少,太原市區(qū)萬柏林和尖草坪區(qū)HAI也略有降低?？傮w上,城市化程度高的地方人類活動強(qiáng)度相對較高。

圖3 汾河上游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化Fig.3 Spatial temporal variation of ecosystem services of the Upper Reach of the Fenhe Watershed during 2000—2008

圖4 汾河上游流域2000年和2008年人類活動強(qiáng)度Fig.4 Human activity intensity (HAI) of the Upper Reach of the Fenhe Watershed in 2000 and 2008

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動因素分析

氣象因素中只有氣溫在2000年和2008年呈現(xiàn)出相似的北低南高的空間格局,其他因素如年降雨量、相對濕度、日照時數(shù)2000年和2008年間有較大的變化(圖5)。年降雨量和相對濕度由2000年的西高東低變?yōu)?008年的北高南低,日照時數(shù)由2000年的東北高西南低變?yōu)?008年的南高北低。坡向和坡度2000年和2008年變化不大;道路影響力、居民點(diǎn)影響力、人口密度在2000年和2008年均呈現(xiàn)相似的東南高西北低的格局,但區(qū)域內(nèi)變化幅度有所增大。

典型相關(guān)分析結(jié)果表明(圖6),2000年第一個典型變量將泥沙截持服務(wù)從其他服務(wù)中區(qū)分出來(0.961);自變量組中對應(yīng)的解釋變量是坡度(0.832)。第二個典型變量將產(chǎn)水量分離出來(0.955),其對應(yīng)的解釋變量是降雨量(0.849)。2008年分析結(jié)果與2000年類似,第一個典型變量將泥沙截持服務(wù)分離出來(0.959),其對應(yīng)解釋變量為坡度(0.960);第二個典型變量將產(chǎn)水服務(wù)分離出來(0.977),對應(yīng)解釋變量為降雨量(0.837)與溫度(0.798);與2000年相比,2008年溫度對產(chǎn)水量影響凸顯出來。2000—2008兩年差值的典型相關(guān)分析結(jié)果顯示,泥沙截持服務(wù)(0.964)與產(chǎn)水量服務(wù)(0.893)受日照時數(shù)(0.856)、相對濕度(0.840)和降雨(0.735)等自然因子的影響較大;第二個典型變量表明NPP生產(chǎn)/固碳釋氧(0.970)對應(yīng)的解釋變量為溫度(0.685)和坡向(0.652)。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著復(fù)雜的關(guān)系,主要體現(xiàn)為權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。本研究基于SPSS統(tǒng)計分析軟件,采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)顯著性雙尾檢驗(yàn)對NPP生產(chǎn)、泥沙截持、產(chǎn)水量三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類活動強(qiáng)度2000—2008年間的變化量進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量看2000—2008年間泥沙截持量降低,而產(chǎn)水服務(wù)則呈現(xiàn)增加,二者呈現(xiàn)一定的權(quán)衡關(guān)系,但在空間耦合性上,二者又呈現(xiàn)一定的正相關(guān);糧食生產(chǎn)和NPP與二者的關(guān)系不顯著。人類活動強(qiáng)度與泥沙截持和產(chǎn)水量呈正相關(guān)關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同有復(fù)雜的地域性特征,嵐縣、婁煩、市區(qū)(尖草坪區(qū)和晉源區(qū))與流域全域呈現(xiàn)相似的關(guān)聯(lián)特征,即泥沙截持下降,NPP生產(chǎn)和固碳釋氧增加;古交市與陽曲縣呈現(xiàn)出泥沙截持與糧食生產(chǎn)下降的同時NPP生產(chǎn)與固碳釋氧呈現(xiàn)增加態(tài)勢;而寧武則呈現(xiàn)出四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均增加的協(xié)同格局(圖7)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

圖6 汾河上游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及驅(qū)動因素的典型載荷Fig.6 Canonical loadings of the ecosystem services and the driving factors in the Upper Reaches of Fenhe RiverX1,降雨量Rainfall;X2,相對濕度Relative humidity;X3,日照時數(shù)Sun hour;X4,溫度Temperature;X5,坡度Slope;X6,坡向Aspect;X7,道路Road network;X8,居民點(diǎn)Residential site;X9,人口密度Population density;Y1,泥沙截持Sediment retention;Y2,產(chǎn)水量Water yield;Y3,凈初級生產(chǎn)Net primary productivity;Y4,固碳釋氧Carbon sequestration and oxygen production;Y4,糧食生產(chǎn)Grain production

人類活動強(qiáng)度 HAI泥沙截持SRET產(chǎn)水服務(wù)WY凈初級生產(chǎn)NPP固碳釋氧CSOP糧食生產(chǎn)Grain人類活動強(qiáng)度HAI10.637??0.656??0.0310.0310.210泥沙截持SRET0.637??10.790??-0.080-0.0800.156產(chǎn)水服務(wù)WY0.656??0.790??1-0.065-0.0650.232凈初級生產(chǎn)NPP0.031-0.080-0.06511??-0.289??固碳釋氧CSOP0.031-0.080-0.0651??1-0.289??糧食生產(chǎn)Grain0.2100.1560.232-0.289??-0.289??1

HAI,人類活動強(qiáng)度Human activity intensity;SRET,泥沙截持Sediment retention;WY,產(chǎn)水量Water yield;NPP,凈初極生產(chǎn)Net primary productivity;CSOP,固碳釋氧Carbon sequestration and oxygen production; **：在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖7 汾河上游流域各縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系Fig.7 Tradeoff/synergies of ecosystem services of different counties/districts in the Upper Reach Fenhe River Watershed

2000—2008年間,泥沙截持服務(wù)減少了43.30 t/hm2,除北部寧武縣部分區(qū)域增加外,占流域87.5%的區(qū)域截持服務(wù)減小,減小幅度從北到南依次加大;同期產(chǎn)水服務(wù)增加了4.74 t/hm2,除西南局部地區(qū)有所減少外,占流域89.6%的區(qū)域產(chǎn)水服務(wù)增加;NPP生產(chǎn)服務(wù)增加了0.86 t/hm2,僅流域邊緣零星區(qū)域NPP生產(chǎn)服務(wù)減小,占流域93.7%的區(qū)域NPP生產(chǎn)服務(wù)增加;固碳釋氧服務(wù)與NPP生產(chǎn)呈現(xiàn)相同的時空格局,兩年間增加了2.18 t/hm2。糧食生產(chǎn)服務(wù)總體上減少了15.65 kg/hm2,減少區(qū)域占到整個流域的65%。

相關(guān)性分析表明,泥沙截持與產(chǎn)水服務(wù)在空間上呈現(xiàn)一定的協(xié)同關(guān)系,這可能與二者在形成機(jī)理(生態(tài)水文過程)上的重疊有一定的關(guān)系;泥沙截持服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù)共同受到土壤-植被-大氣系統(tǒng),以及徑流、入滲、蒸發(fā)等水文過程等的影響。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間消長關(guān)系具有復(fù)雜地域特征,除流域北端寧武呈現(xiàn)出各服務(wù)協(xié)同關(guān)系外,其他區(qū)域泥沙截持服務(wù)與NPP生產(chǎn)服務(wù)及固碳釋氧呈現(xiàn)出權(quán)衡的關(guān)系。

人類活動強(qiáng)度空間格局與城市化程度呈一定的正相關(guān),由北向南依次升高;2000—2008年間,人類活動由0.18增至0.21;增加幅度最高的區(qū)域位于北部寧武、靜樂交界處,流域西南部嵐縣、婁煩以及萬柏林區(qū)和尖草坪區(qū)人類活動強(qiáng)度有所降低。相關(guān)性分析表明,人類活動強(qiáng)度與泥沙截持和產(chǎn)水量二者呈正相關(guān),表明由于退耕還林還草及城市生態(tài)建設(shè)等生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施,人類活動趨于合理,對泥沙截持和產(chǎn)水量有積極的影響。

典型相關(guān)分析表明地形在影響泥沙截持服務(wù)中起著決定性作用,降雨和溫度對產(chǎn)水服務(wù)起著重要作用;年際間變化典型相關(guān)分析表明,日照時數(shù)、相對濕度、降雨等共同驅(qū)動了泥沙截持服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù),而溫度和地形對NPP生產(chǎn)及固碳釋氧服務(wù)有重要影響。

4.2 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為聯(lián)系自然環(huán)境與人類福祉的的橋梁,對其進(jìn)行驅(qū)動機(jī)制分析是實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)管理、協(xié)調(diào)人地關(guān)系,實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容[17-18]。非生物環(huán)境(地理特征、地形地貌、氣候、土壤)、生物特征(動植物微生物區(qū)系),生態(tài)過程(光合、呼吸、蒸散發(fā)、有機(jī)質(zhì)分解、生物地化循環(huán)等)是生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ),也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成的條件[19]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動因素與其依存的生態(tài)過程密不可分,本研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動分析結(jié)果與各類生態(tài)服務(wù)生態(tài)過程有很強(qiáng)的一致性,如產(chǎn)水量作為降雨量扣除蒸散發(fā)后剩余的分量,降雨量是其中重要的輸入?yún)?shù),同時蒸散發(fā)本身又與降雨量和溫度密切相關(guān);泥沙截持服務(wù)評估USLE模型中,地形因子(坡長坡度)是重要的輸入?yún)?shù),對泥沙的輸出具有決定性影響;NPP生產(chǎn)服務(wù)評估所應(yīng)用的CASA模型本身就是基于遙感數(shù)據(jù)、溫度、降水、太陽輻射、植被、土壤數(shù)據(jù)共同的光能利用率模型,坡向和溫度對植被吸收光能有效輻射具有重要影響。另一方面也說明了典型相關(guān)分析方法在驅(qū)動機(jī)制中較強(qiáng)的適用性;

作為間接影響因素,人類活動通過影響生境、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生物地球化學(xué)循環(huán)來影響生態(tài)系統(tǒng)過程進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。汾河上游流域作為傳統(tǒng)的資源開采區(qū),礦區(qū)和城市區(qū)并存,影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的因素繁多,選擇合適的人類活動表征指標(biāo)困難,簡單的土地利用變化不能客觀反應(yīng)人類活動的內(nèi)涵,而資源開采的數(shù)據(jù)尤其是私挖亂采的數(shù)據(jù)無法獲取,對人類活動定量刻畫的準(zhǔn)確性造成了影響。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的尺度依賴性及影響因素空間單元的不一致也給生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動機(jī)制分析帶來了很多困難。研究表明,隨著研究尺度的加大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動因素有從自然因素為主向社會經(jīng)濟(jì)因素為主轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)[20];這種尺度依賴性一方面可能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)本身尺度特征有關(guān),另一方面,也可能與尺度分析中的粒度有關(guān)[21]。驅(qū)動因素中自然因素數(shù)據(jù)多基于自然地理單元,而人文因素數(shù)據(jù)多基于行政單元,空間單元上的不匹配勢必影響結(jié)果的確定性;自然和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的有機(jī)整合也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動機(jī)制及人地關(guān)系等復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究的難點(diǎn)。

致謝：蘭州大學(xué)張金茜、山西大學(xué)張嬌、山西環(huán)保廳榮月靜在統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集與分析方面提供幫助,特此致謝。