流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點與冷點時空格局特征

王壯壯,張立偉,*,李旭譜,王鵬濤,李英杰,呂一河,延軍平

1 陜西師范大學地理科學與旅游學院,西安 71011 2 西安外國語大學 旅游學院·人文地理研究所,西安 710128 3 密歇根州立大學系統(tǒng)綜合與可持續(xù)發(fā)展研究中心,美國 東蘭辛 48823 4 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100086

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是自然界為人類貢獻的各種惠益,包括有形的物質(zhì)資源和無形的服務(wù)等益處[1- 4],通常分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)4種類型[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人與自然關(guān)系研究的重要紐帶,受到學者們越來越多的重視。目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估[5]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖與模擬[6]、服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究[7- 8]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供、需求及其流動關(guān)系[9]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護[10- 11]、生態(tài)補償與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)支付[12]等方向都是其重要的研究領(lǐng)域。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重要目的是輔助決策者制定出更好的生態(tài)保護規(guī)劃與管理方案,以促進人類社會和自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[3]。因此,對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力進行量化制圖,為決策者提供揭示決策區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合特征的、直觀可視化的、定量的、空間位置明晰的評價結(jié)果就顯得尤為重要[6]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供是指某研究區(qū)域(生態(tài)系統(tǒng))在特定的時空尺度內(nèi)生產(chǎn)一系列能被人類利用的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)的能力,這種能力的大小可以通過價值量或物質(zhì)量來度量[12- 13]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供的空間制圖能有效識別出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力較強和相對較弱的區(qū)域,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先保護區(qū)劃定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的生態(tài)保護狀況評估和保護地的劃定通常以物種和生物多樣性為主導指標,但是該方法也存在許多局限,比如對物種及其生境需求的研究還不夠全面、概念和分類還比較混亂、物種分布范圍估計不準確、缺乏物種選擇的標準方法、監(jiān)測和驗證不足等缺陷[14]。因此,加強生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)的研究,嘗試從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的視角來評估服務(wù)的供需狀況并劃定保護優(yōu)先區(qū),對生態(tài)環(huán)境保護和實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡有著重要的意義[15- 19]。從生態(tài)保護效率的角度來說,保護行動應該有明確的目標,把有限的人力、物力和財力投入到保護的重點地區(qū)或者關(guān)鍵地區(qū)[18,20]。為了識別區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的較好和較差區(qū)域,國內(nèi)外學者開始把熱點(Hotspot)和冷點(Coldspot)概念納入到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖研究中,為生態(tài)保護或恢復區(qū)域的劃定提供科學依據(jù)。熱點這一概念是在20世紀80年代由Norman Myers提出[21],最初是指物種的豐富度、特有物種分布和物種危險度比較大的區(qū)域,并主要應用于生物多樣性優(yōu)先保護區(qū)研究。近年來,國內(nèi)外學者也越來越多地把熱點這一概念運用在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖研究中,提出了相應的熱點概念,但是由于研究背景的不同,提出的熱點概念往往具有差異性。比如,Gos等[22]認為熱點是指一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)或者生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的高值區(qū)域。李英杰等[10]認為熱點是指某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生物物理學價值比較高的區(qū)域。Spano等[23]認為熱點是指大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供達到最高水平的空間位置,而冷點則相反。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中,雖然眾多學者對熱點的定義略有差異,但都存在共同點,即認為熱點是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)占比高、管理價值比較大的地區(qū)。綜合以上對熱點的定義,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供熱點(冷點)可以認為是區(qū)域內(nèi)一種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力相對較強(較弱)的區(qū)域。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供的熱點與冷點制圖方法總體可以分為直接分類法和空間統(tǒng)計分析方法。前者根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力的空間高低分布格局,直接使用保護面積與保護量作為保護目標來劃分熱點與冷點區(qū)域。由于缺乏劃定熱點臨界值的信息,一些學者往往根據(jù)模型估算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量值的大小來劃定熱點和冷點區(qū)。例如,張立偉等[11]直接采用分位數(shù)分類法對中國多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)進行了分類,或者根據(jù)預先設(shè)置的研究區(qū)保護面積比例(10%或20%)作為保護目標來選擇熱點優(yōu)先保護區(qū)[24]。劉焱序等[25]將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值樣本進行疊加,取前20%的高值區(qū)作為熱點,以識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)健康高值區(qū)的空間組合規(guī)律。Xiao等[26]將前40%高值區(qū)視為熱點臨界值。可見,直接分類法具有簡單直觀的優(yōu)點,但是該方法所得出的熱點區(qū)會出現(xiàn)許多破碎斑塊無法客觀取舍的缺陷,而且由于熱點選取標準的不同和取值的不確定性,使得熱點區(qū)相關(guān)研究之間無法方便地進行橫向和縱向的對比參照。因此,有學者開始關(guān)注熱點區(qū)的斑塊連接和方法選取問題。例如,李英杰等[10]采用Gi*統(tǒng)計方法來探討區(qū)域熱點與冷點區(qū)的空間位置,并對比分析了核密度估計(Kernel Density Estimation)、莫蘭指數(shù)(Moran′s I)和Gi*統(tǒng)計(Getis-Ord Gi* statistics)三種冷熱點制圖方法,指出Gi*統(tǒng)計方法以其對冷熱點進行統(tǒng)計顯著性分級和斑塊連通性較好而更具科學性和優(yōu)越性。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點能有效揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力的空間差異,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)的劃定具有指導作用(圖1)?？紤]生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的系統(tǒng)性保護策略將會使傳統(tǒng)的基于生物多樣性的保護從理論上更加完備、實踐上更加高效,有利于促進生態(tài)保護理論、方法和應用的發(fā)展與完善[14]。

延河流域地處黃土丘陵溝壑區(qū),退耕還林(草)工程對生態(tài)環(huán)境的影響一直是眾多學者關(guān)注的焦點[27- 28]。該流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究主要集中在服務(wù)的評估、權(quán)衡、土地利用變化和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響等方面。例如,Zheng等[29]研究了延河流域植被凈生產(chǎn)能力和產(chǎn)水服務(wù)之間的權(quán)衡熱點問題,指出在權(quán)衡熱點區(qū)更容易找到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的形成機理和影響原因。蘇常紅等[30]分析了延河流域退耕還林(草)工程、工業(yè)發(fā)展、勞動力轉(zhuǎn)移和居住方式轉(zhuǎn)變對土地覆被變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,發(fā)現(xiàn)這些人類活動是造成土地利用方式轉(zhuǎn)變的主要原因,并在不同程度上造成了服務(wù)之間的權(quán)衡。綜合來看,延河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究亟需加強,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供量化評估和服務(wù)保護方面的研究還比較少。因此,本文綜合集成延河流域土壤保持服務(wù)、植被碳固定服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)、洪水調(diào)節(jié)服務(wù),通過模型定量估算2001—2012年延河流域4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),運用逐像元線型回歸法分析4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空格局變化特征,采用Gi*統(tǒng)計方法和生態(tài)保護效率評價方法定量評估延河流域4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上和不同土地利用方式下的服務(wù)提供能力差異和保護效率差異。研究結(jié)果以期為流域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)的劃定提供理論支撐。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護的關(guān)系Fig.1 The relationship between hotspots and coldspots of ecosystem service and ecosystem service conservationLULC：土地利用和土地覆蓋,Land Use and Land Cover; DEM: 數(shù)字高程模型, Digital Elevation Model; NDVI: 植被覆蓋指數(shù), Normalized Difference Vegetation Index; ES1: 第一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),1st Ecosystem Service (ES2,3,4與ES1命名規(guī)則一致)

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

延河是黃河右岸、中游段的一級支流,發(fā)源于陜西省靖邊縣,自西北向東南流經(jīng)志丹、安塞、延安、延長等縣市,于延長縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近匯入黃河,干流總長286.9 km,流域面積7725 km2,主要支流包括杏子河、坪橋川、蟠龍川、西川、南川等。延河可以分為上、中、下游三段：上、中游的分界是安塞縣的化子坪；中、下游的分界是延安市寶塔區(qū)的甘谷驛[31]。延河流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶园敫珊导撅L氣候,降水年內(nèi)分配不均勻,多集中在7—9月份,且多暴雨。該區(qū)屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū),土壤類型以土質(zhì)疏松、抗侵蝕能力差的黃綿土為主,全流域水土流失嚴重,流失面積占流域總面積的88.9%,是黃河泥沙的主要來源之一[29]。

結(jié)合延河流域特征和水文站點分布,運用ArcSWAT工具,把延河流域整體劃分為六個子流域區(qū)(圖2),其中Ⅰ區(qū)代表杏子河水文站以上的流域范圍；Ⅱ區(qū)代表安塞站以上的流域范圍；Ⅲ區(qū)代表杏子河站、安塞站和延安站之間的流域范圍；Ⅳ區(qū)代表棗園站以上的流域范圍；Ⅴ區(qū)代表棗園站、延安站和甘谷驛站之間的流域范圍；Ⅵ區(qū)代表甘谷驛站以下的流域范圍,主要指延河下游地區(qū)。

圖2 延河流域示意圖Fig.2 The sketch map of Yanhe basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：延河流域氣象觀測數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)(表1)。利用ArcGIS 10.2工具箱中的樣條函數(shù)插值工具(spline)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具(conversion tools)進行數(shù)據(jù)格式上的均一化處理,最終轉(zhuǎn)換為分辨率250 m的柵格數(shù)據(jù)。

表1 延河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖方法

土壤保持服務(wù)常用的衡量指標是土壤保持量(Soil conservation,簡稱SC)。本文采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)估算生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持量[8,10],其結(jié)果為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值,其中潛在土壤侵蝕量是指在無植被覆蓋、不采取水保措施情況下的土壤侵蝕量,實際土壤侵蝕量是指存在植被覆蓋和水保措施條件下的土壤侵蝕量。植被碳固定服務(wù)采用植被凈初級生產(chǎn)力來衡量。植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Production,簡稱NPP),指植被在單位時間、單位面積累積的有機物數(shù)量,即綠色植物光合作用后產(chǎn)生的有機物質(zhì)總量減去自身呼吸消耗后的實際積累量,本文采用CASA模型進行估算[32,33]。產(chǎn)水服務(wù)(Water Yield,簡稱WY)采用區(qū)域水量平衡法進行評價[8,34],利用區(qū)域水分的輸入量降水與輸出量蒸散發(fā)的差值,得到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水量。生態(tài)系統(tǒng)洪水調(diào)節(jié)服務(wù)(Flood Regulation,簡稱FR)通過年暴雨天(24 h降水總量超過50 mm)降雨量與地表徑流兩者的差值計算得到,其中地表徑流量采用SCS-CN徑流模型進行估算[35]。

1.3.2 逐像元線型回歸方法

為了估算上述四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的年際變化率,本文采用一元線型回歸方程,通過ArcGIS 10.2中的柵格計算器,定量估算4種服務(wù)在空間上的年際變化趨勢。計算公式如下：

(1)

1.3.3Gi*空間統(tǒng)計方法

在GIS平臺中提供了基于Getis-Ord Gi*統(tǒng)計指數(shù)的熱點分析工具(hotspot analysis)。通過計算各個斑塊之間的Z得分,可以直接在空間中反映高值區(qū)(熱點區(qū)域)與低值區(qū)(冷點區(qū)域)的集聚,Z值越高,說明熱點區(qū)域的集聚越明顯[10,12]。其計算公式如下：

(2)

式中,xj為斑塊j的屬性值；wij為斑塊i與斑塊j之間的空間權(quán)重矩陣；n為總斑塊數(shù)；其中：

(3)

(4)

1.3.4 生態(tài)保護效率評價方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)域的保護成效的評估方法計算公式如下[11]：

(5)

式中,SE是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間保護成效指標；Ep是優(yōu)先保護區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護總量；E是優(yōu)先保護區(qū)域的總面積；Sp是整個研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量；S為研究區(qū)總面積。如果優(yōu)先區(qū)的SE指數(shù)值大于1,則表明該優(yōu)先區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護成效較高,若小于1,則說明該優(yōu)先區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間保護成效較差。SE空間保護成效指數(shù)的值為無單位正數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空格局變化特征

分別計算2001—2012年延河流域土壤保持服務(wù)、植被碳固定服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)和水文調(diào)節(jié)服務(wù)的多年均值和年際變化率(圖3),結(jié)果顯示：(1)土壤保持服務(wù)多年均值的空間分布總體呈現(xiàn)從上游到下游逐漸遞增的趨勢。其中,高值點主要集中在Ⅵ區(qū),低值點主要分布在Ⅱ區(qū),其區(qū)內(nèi)均值分別為145.34 t hm-2a-1和121.91 t hm-2a-1,兩者相差23.43 t hm-2a-1。Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ3個區(qū)域的土壤保持服務(wù)年際增長較快,而Ⅰ、Ⅳ和Ⅵ3個區(qū)域年際增長較慢。(2)植被碳固定服務(wù)多年均值和年際變化率具有明顯的空間分布特征。在多年均值方面,高值點主要分布在Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ的南部邊緣地區(qū),低值點主要分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3個區(qū)域。在年際變化率方面,除了Ⅳ和Ⅴ的南部邊緣區(qū)呈明顯下降趨勢外,流域其他地區(qū)總體呈現(xiàn)上升趨勢。(3)產(chǎn)水服務(wù)多年均值的高值點主要分布在Ⅵ、Ⅳ和Ⅲ3個區(qū)域,其區(qū)內(nèi)均值為103.83 mm,低值點主要分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ3個區(qū)域,其區(qū)內(nèi)均值為92.37 mm。在年際變化率方面,Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ3個區(qū)域的產(chǎn)水服務(wù)總體呈現(xiàn)下降趨勢,Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ3個區(qū)域總體呈現(xiàn)上升趨勢。(4)洪水調(diào)節(jié)服務(wù)多年均值的高值點主要分布在Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ3個區(qū)域,低值點主要分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3個區(qū)域,延河流域洪水調(diào)節(jié)服務(wù)多年均值與植被碳固定服務(wù)多年均值的分布狀態(tài)大體相同,即服務(wù)量主要分布在延河流域南部地區(qū)。在年際變化率方面,Ⅴ和Ⅵ區(qū)的洪水調(diào)節(jié)服務(wù)呈遞增趨勢,而Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖3 2001—2012年延河流域四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多年均值和年際變化率Fig.3 The annual average and interannual variation of four ecosystem services in Yanhe basin between 2001 and 2012SC: 土壤保持, Soil Conservation; NPP: 植被凈初級生產(chǎn)力, Net Primary Production; WY: 產(chǎn)水, Water Yield; FR: 洪水調(diào)節(jié), Flood Regulation

綜上所述,在2001—2012年延河流域土壤保持服務(wù)下游高于上游,中游地區(qū)增長速度較快。植被碳固定服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)的多年均值分布大致相同,即服務(wù)量高值點主要分布在流域南部地區(qū)。植被碳固定服務(wù)在流域南部地區(qū)呈遞減趨勢,其他地區(qū)總體呈上升趨勢。產(chǎn)水服務(wù)呈現(xiàn)“南北低中間高”分布格局,其中產(chǎn)水服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)的年際變化率空間分布大體相同,即東部地區(qū)服務(wù)呈現(xiàn)下降趨勢,西部地區(qū)呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點與冷點格局特征分析

2.2.1 多年均值的熱點與冷點格局特征

根據(jù)2001—2012年4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)年均值柵格數(shù)據(jù),利用Gi*熱點分析工具,計算得到4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)年均值冷熱點柵格圖(圖4),并對冷熱點面積和服務(wù)保護效率進行統(tǒng)計分析(圖5a, 5b)。結(jié)果顯示：(1)延河流域土壤保持服務(wù)熱點面積占比呈現(xiàn)明顯的“階梯狀”特征,即從Ⅰ區(qū)到Ⅵ區(qū)數(shù)值逐漸增大,反映了土壤保持服務(wù)從上游到下游逐漸增強的趨勢。除了Ⅰ和Ⅱ區(qū)土壤保持服務(wù)冷點的面積大于熱點外,其他區(qū)域的熱點面積均大于冷點。從保護效率來看,保護效率最高的區(qū)域是Ⅱ區(qū),其次是Ⅰ區(qū),主要位于延河上游地區(qū)。(2)植被碳固定服務(wù)熱點分布特征十分明顯。熱點幾乎全部分布在Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ3個區(qū)域,其服務(wù)量占全流域的67%。冷點則幾乎全部分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3個區(qū)域,其服務(wù)量僅占全流域的33%。因此,延河中下游的植被碳固定服務(wù)強于上游地區(qū)。從保護效率來看,Ⅱ區(qū)的保護效率最高,其次是Ⅰ區(qū)。(3)產(chǎn)水服務(wù)熱點面積占比最大的是Ⅵ區(qū),其次是Ⅳ和Ⅴ區(qū),主要位于延河中下游南部地區(qū)。冷點面積占比較大的是Ⅱ和Ⅴ區(qū),主要位于延河中上游地區(qū)。總體來看,延河中下游南部地區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)較強,而中上游地區(qū)較弱。從保護效率來看,Ⅱ區(qū)的保護效率最高,其次是Ⅴ區(qū)。(4)洪水調(diào)節(jié)服務(wù)熱點的空間分布與植被碳固定服務(wù)相似。熱點幾乎全部分布在Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ區(qū),而冷點幾乎全部分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)。因此,延河流域中下游的洪水調(diào)節(jié)服務(wù)比上游地區(qū)強。從保護效率來看,Ⅱ區(qū)的保護效率最強,其次是Ⅲ區(qū)。

圖4 2001—2012年延河流域四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)年均值冷熱點Fig.4 The hotspots and coldspots of the annual average of four ecosystem services in Yanhe basin between 2001 and 2012極顯著熱點(冷點)代表99%的置信水平；顯著熱點(冷點)代表95%的置信水平；熱點(冷點)代表90%的置信水平

綜上所述,熱點面積占比較大的區(qū)域,相應的服務(wù)提供能力越強。從分區(qū)上看,4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱冷點的空間分布大體相似,熱點主要分布在Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ3個區(qū)域,即延河中下游南部地區(qū)；冷點主要分布在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3個區(qū)域,即延河上游地區(qū)。因此,延河中下游南部地區(qū)的4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強于延河上游地區(qū)。從保護效率上看,4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護效率最高的均是Ⅱ區(qū),主要指延河上游地區(qū)。

2.2.2 不同土地利用方式與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點關(guān)系特征

統(tǒng)計分析延河流域林地、草地、濕地、耕地和裸露地5種偏自然土地利用類型的4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的冷熱點面積、保護效率累積百分比(圖5),結(jié)果顯示：(1)在土壤保持服務(wù)方面,熱點面積在林地內(nèi)的分布比例最大,其次是草地和耕地,而冷點面積在濕地內(nèi)的分布比例最大。因此,林地的植被碳固定服務(wù)強于其他土地利用類型。從保護效率來看,濕地的土壤保持服務(wù)保護效率最高。(2)在植被碳固定服務(wù)方面,林地內(nèi)的熱點面積分布比例最大,其次是草地和耕地,冷點在濕地內(nèi)分布的比例最大,其次是裸露地。此外,林地內(nèi)的熱點面積占比均遠大于冷點。因此,林地的植被碳固定服務(wù)強于其他土地利用類型,而濕地和裸露地的植被碳固定服務(wù)較差。從保護效率來看,濕地的植被碳固定服務(wù)保護效率最高。(3)在產(chǎn)水服務(wù)方面,濕地內(nèi)的熱點面積比例最大,其次是耕地和裸露地,而林地內(nèi)的冷點面積比例最大。因此,濕地的產(chǎn)水服務(wù)強于其他土地利用類型。從保護效率來看,林地的產(chǎn)水服務(wù)保護效率最高。(4)在洪水調(diào)節(jié)服務(wù)方面,林地內(nèi)的熱點面積占比最大,其次是草地和耕地。因此,林地的洪水調(diào)節(jié)服務(wù)強于其他土地利用類型。從保護效率來看,濕地的洪水調(diào)節(jié)服務(wù)保護效率最高。

綜合來看,延河流域林地的土壤保持服務(wù)、植被碳固定服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)均強于其他土地利用類型,而林地的產(chǎn)水服務(wù)明顯偏低。濕地則相反,其產(chǎn)水服務(wù)強于其他土地利用類型,而其他3種服務(wù)明顯偏低。草地的土壤保持服務(wù)、植被碳固定服務(wù)相對較高。耕地的4種服務(wù)強于裸露地,而裸露地的4種服務(wù)均較弱。在保護效率方面,濕地的土壤保持服務(wù)、植被碳固定服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)保護效率最高,林地的產(chǎn)水服務(wù)保護效率最高。

圖5 2001—2012年延河流域子流域區(qū)與不同土地利用類型下的四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點面積與保護效率累積百分比Fig.5 The cumulative percentage of area and conservation efficiency of the hotspot and coldspot of the four ecosystem services under subbasin area and different land use types in Yanhe basin between 2001 and 2012

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文綜合集成2001—2012年延河流域多源數(shù)據(jù),分析了4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空格局變化特征,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點制圖方法和生態(tài)保護效率評價方法分析了4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力的空間差異和生態(tài)保護效率差異。基本結(jié)論如下：

(1)2001—2012年,延河流域土壤保持服務(wù)下游高于上游,中游地區(qū)增長速度較快。植被碳固定服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)在流域南部地區(qū)較強。植被碳固定服務(wù)在流域南部地區(qū)呈遞減趨勢,其他地區(qū)總體呈上升趨勢。產(chǎn)水服務(wù)呈現(xiàn)“南北低,中間高”的分布格局,其中產(chǎn)水服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)在流域東部地區(qū)呈下降趨勢,在西部地區(qū)呈上升趨勢。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點面積越大,相應的服務(wù)提供能力越強。延河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點主要分布在中下游南部地區(qū),冷點主要分布在上游地區(qū)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護效率看,4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護效率最高的均是Ⅱ區(qū),即延河流域上游地區(qū)。

(3)延河流域林地的土壤保持服務(wù)、植被碳固定服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)均強于其他土地利用類型,而產(chǎn)水服務(wù)較弱,濕地則相反。草地的土壤保持服務(wù)和植被碳固定服務(wù)相對較強。耕地的4種服務(wù)強于裸露地,裸露地的4種服務(wù)均較弱。在保護效率方面,濕地的土壤保持服務(wù)、植被碳固定服務(wù)和洪水調(diào)節(jié)服務(wù)保護效率最高,林地的產(chǎn)水服務(wù)保護效率最高。

3.2 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)的研究有利于生態(tài)保護規(guī)劃和資源優(yōu)化配置以及改善傳統(tǒng)的基于生物多樣性的保護策略[14]。保護優(yōu)先區(qū)劃定的第一步是對研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供能力做出評估。通過Gi*統(tǒng)計分析方法,能夠有效識別服務(wù)提供能力相對較強和較弱的區(qū)域,并對提供能力進行統(tǒng)計顯著性分級,使得評估結(jié)果更加科學[10]。從保護效率的角度來說,為了實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置,人力和物力應該投入到保護效率比較高的地區(qū)。采用生態(tài)保護效率評價方法,能夠?qū)^(qū)域內(nèi)生態(tài)保護效率做出評估,識別出保護效率比較高的區(qū)域。因此,將Gi*統(tǒng)計分析方法和生態(tài)保護效率評價方法結(jié)合,從服務(wù)提供能力和保護效率兩個角度對流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)做出評估,為生態(tài)保護規(guī)劃和保護優(yōu)先區(qū)的劃定提供參考。

與國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果相比,本文的局限性主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在復雜的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,在保護優(yōu)先區(qū)劃定實踐中往往需要對服務(wù)之間的關(guān)系進行綜合考慮。例如,Zhang等[24]通過分析中國江西省的淡水供給、土壤保持和植被凈生產(chǎn)力三種服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系后,以保護目標和保護效率對該地區(qū)進行保護優(yōu)先區(qū)劃分。另一方面,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)的劃定是多種因素綜合作用的結(jié)果。服務(wù)提供能力、服務(wù)滿足人類需求的能力、服務(wù)風險、保護成本等因素都會對保護優(yōu)先區(qū)的劃定產(chǎn)生影響[16]。本文僅從服務(wù)提供能力和保護效率兩個角度對單種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)進行設(shè)定。因此,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)的研究還亟待深入?？梢詮囊韵聨讉€方面著手,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)劃定的影響因素,融入服務(wù)間權(quán)衡集成研究等,最終建立系統(tǒng)科學的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護優(yōu)先區(qū)劃定理論框架。