黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同時(shí)空變化及影響因素
——以延安市為例

孫藝杰,任志遠(yuǎn),郝夢(mèng)雅,段藝芳

陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成和維持人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境條件與效用[1],為人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有效益[2]。MA千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)劃分為四大類,包括植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)等支持服務(wù),糧食生產(chǎn)、產(chǎn)水等供給服務(wù),水源涵養(yǎng)、土壤保持等調(diào)節(jié)服務(wù)以及休閑娛樂(lè)、社會(huì)活動(dòng)等文化服務(wù)[3]。各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)并不是獨(dú)立的,而是相互影響的,往往表現(xiàn)為此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系和相互增益的協(xié)同關(guān)系[4],通過(guò)分析各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系,進(jìn)一步揭示生態(tài)服務(wù)之間的潛在聯(lián)系及驅(qū)動(dòng)因子,從而為提高人類福祉提供更多的參考依據(jù)。目前多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系已經(jīng)成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了深入研究,包括定義、類型、時(shí)間變化與空間尺度效應(yīng)、研究方法、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、研究意義以及相應(yīng)措施等[5-12]。Cord等[13]系統(tǒng)闡述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的主要概念、研究方法和發(fā)展方向,針對(duì)識(shí)別和分辨生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的共時(shí)性、驅(qū)動(dòng)因素、多功能服務(wù)的限制性以及生態(tài)規(guī)劃、管理和決策等提出了不同建議,并強(qiáng)調(diào)了目前仍需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題；Richards[14]探究了熱帶城市沿海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與未來(lái)城市發(fā)展之間的權(quán)衡關(guān)系,采用帕累托曲線分析生境質(zhì)量與各生態(tài)指標(biāo)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系；Michael等[15]對(duì)澳大利亞2050年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地利用進(jìn)行了情景預(yù)測(cè)分析,研究在生產(chǎn)效率提高、資源退化不足、溫室氣體減排以及全球需求不斷變化的條件下,土地利用類型變化與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的時(shí)空變化趨勢(shì)；Adams等[16]在定義情景目標(biāo)和評(píng)估已有情景的基礎(chǔ)上,結(jié)合決策利益偏好規(guī)劃設(shè)計(jì)情景,實(shí)現(xiàn)土地資源利用和社會(huì)環(huán)境的優(yōu)化配置；Trodahl等[17]基于LUCI模塊,研究新西蘭富饒海灣水質(zhì)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系；Tolessa等[18]探究了1973—2015年埃塞俄比亞中部高原地區(qū)土地利用與土地覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,結(jié)果表明森林覆蓋面積減少會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低,主要表現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、原材料供給和侵蝕控制等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；彭建等[19]對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)梳理,闡述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的時(shí)空變化特征,提出生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡的最終目標(biāo)是滿足人類福祉,將生態(tài)補(bǔ)償作為權(quán)衡決策的基本保障途徑,并且認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡多尺度關(guān)聯(lián)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流與遠(yuǎn)程耦合、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消費(fèi)與生態(tài)補(bǔ)償是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡研究的重點(diǎn)；戴爾阜等[20]基于前人研究,進(jìn)一步探討了未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡與協(xié)同的發(fā)展趨勢(shì)及研究?jī)?nèi)容,包括評(píng)估優(yōu)化、量化模型等；傅伯杰等[21]探索了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡及區(qū)域集成方法,分析土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系；Li等[22]對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間流動(dòng)進(jìn)行了模擬,通過(guò)淡水生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指數(shù)來(lái)評(píng)估區(qū)域水資源安全情況,將淡水服務(wù)供給、消費(fèi)與流動(dòng)相結(jié)合,研究發(fā)現(xiàn)北京-天津-河北區(qū)域淡水生態(tài)服務(wù)安全主要受上游水流動(dòng)的影響,定量表達(dá)了淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與淡水生態(tài)系統(tǒng)消耗之間的關(guān)系以及淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流量對(duì)下游的影響。盡管目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同研究已取得了豐碩的成果[23- 27],但同時(shí)也存在一些問(wèn)題和局限,例如：權(quán)衡與協(xié)同研究多基于統(tǒng)計(jì)關(guān)系的數(shù)量分析,缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列生態(tài)服務(wù)相關(guān)關(guān)系的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化分析,以及區(qū)域內(nèi)部空間差異表達(dá)[28]；生態(tài)服務(wù)沖突驅(qū)動(dòng)機(jī)制缺乏體系化研究,尤其在不同時(shí)空尺度下自然或人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)服務(wù)動(dòng)態(tài)變化的影響分析。

本文以黃土高原典型區(qū)延安市為例,基于柵格尺度和區(qū)縣尺度,綜合土地利用、植被、土壤類型、氣象等多源數(shù)據(jù),測(cè)評(píng)1993—2013年延安市4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量(植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、土壤保持、水源涵養(yǎng)和食物供給),基于R語(yǔ)言的相關(guān)分析函數(shù)探討生態(tài)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,然后采用逐像元偏相關(guān)空間統(tǒng)計(jì)方法分析權(quán)衡與協(xié)同的時(shí)空演變規(guī)律,最后從退耕還林政策以及地形坡度角度來(lái)分析其動(dòng)態(tài)變化的影響因素,進(jìn)一步揭示在不同政策管理和激勵(lì)措施下,特定區(qū)域在不同土地利用和生產(chǎn)方式下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化特征,為不同區(qū)域制定合理的土地管理決策提供依據(jù),從而實(shí)現(xiàn)黃土高原地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地處我國(guó)中部,包括青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、山西省、河南省等7個(gè)省份和自治區(qū)(圖1),地處半干旱半濕潤(rùn)氣候帶,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境脆弱。延安市位于黃土高原中南部(圖2),緯度位置為35°21′—37°31′N,107°41′—110°31′E之間,屬于溫帶季風(fēng)氣候,降雨多集中在7、8月份,占全年總降水量的57%,最高溫可到達(dá)39.7℃。延安市擁有豐富的礦產(chǎn)資源,其中煤炭、石油、天然氣為本地的工業(yè)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和優(yōu)越的條件。資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)的同時(shí)也帶來(lái)了很多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,人類長(zhǎng)期不合理的開(kāi)發(fā)利用,導(dǎo)致原本脆弱的生態(tài)環(huán)境日趨惡化。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area

圖2 延安市退耕還林空間分布圖Fig.2 The distribution of Grain-for-Green Programme in Yanan

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文主要研究數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)以及各類社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等：①遙感數(shù)據(jù),下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)的Landsat5和Landsat8 TM影像,空間分辨率為30m；②氣象數(shù)據(jù),降水、溫度、日照時(shí)數(shù)等來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/)；③DEM數(shù)據(jù),同樣從地理空間數(shù)據(jù)云下載,空間分辨率為30m；④土壤數(shù)據(jù),采用中國(guó)國(guó)家科學(xué)院1∶100萬(wàn)土壤及植被類型數(shù)據(jù)集；⑤社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),來(lái)源于1993—2013年《延安市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《延川縣統(tǒng)計(jì)年鑒》、《宜川縣統(tǒng)計(jì)年鑒》等；⑥其余行政區(qū)域、道路、水系等矢量數(shù)據(jù),來(lái)自國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 研究方法

2.1 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力模型

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的一個(gè)重要指標(biāo),作為碳循環(huán)的關(guān)鍵要素,它反映了氣候、環(huán)境以及人類活動(dòng)對(duì)植被的綜合作用[29]。本文采用光能利用CASA模型對(duì)NPP進(jìn)行估算,具體模型如下[30- 31]：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中,NPP(x,t)表示像元x在t時(shí)間內(nèi)的凈初級(jí)生產(chǎn)力(g C m-2)；APAR(x,t)和ε(x,t)分別表示像元x在時(shí)間t內(nèi)吸收的光合有效輻射(MJ/m2)和實(shí)際光能利用率(g C MJ-1)。

基于NPP物質(zhì)量,利用能量固定替換法計(jì)算其價(jià)值量[32],計(jì)算公式如下：

(2)

式中,V為NPP價(jià)值量(元)；A為NPP物質(zhì)量(t C hm-2a-1)；B為標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù),取1；P為單位標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格(元/t),取345.5元/t；Q1表示干重折合熱量,取6.7 KJ/g；Q2為標(biāo)準(zhǔn)煤折合熱量,取10 KJ/g。

2.2 土壤保持量模型

通過(guò)RUSLE模型估算延安市土壤保持量,該模型適用范圍廣,操作性強(qiáng),具體公式如下[33]：

Am=R×K×C×LS×P

(3)

Ap=LS×K×R

(4)

Ac=Ap-Am

(5)

式中,Am為平均實(shí)際土壤流失量(t hm-2a-1),Ap為平均潛在土壤流失量(t hm-2a-1),Ac為平均土壤保持量(t hm-2a-1)；R為降水侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤侵蝕因子(t h MJ-1mm-1)；L為坡長(zhǎng)因子；S為坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為土壤保持措施因子。各因子的詳細(xì)計(jì)算模型參考文獻(xiàn)[34- 37]。

土壤保持價(jià)值量由保持土壤肥力價(jià)值量、減少土地廢棄價(jià)值量和減少淤積損失價(jià)值量得到,具體計(jì)算公式如下：

Ef=Mf×Si×PiEo=Mo×So×P

(6)

E=S×BS=Z×100/(h×ρ)

(7)

Ey=Z×24%×Py

(8)

式中,Ef為土壤保持氮、磷、鉀養(yǎng)分價(jià)值量(元/hm2),Eo為土壤保持有機(jī)質(zhì)價(jià)值量(元/hm2),E為減少土地廢棄價(jià)值量(元/hm2),Ey為減少土壤淤積價(jià)值量(元/hm2),Mf為氮、磷、鉀保持量(t/hm2),Si為氮、磷、鉀轉(zhuǎn)換為化肥的系數(shù),Pi為氮、磷、鉀肥料價(jià)格(元/t),Mo為有機(jī)質(zhì)物質(zhì)量(t/hm2),P為木材機(jī)會(huì)成本(元/t),So為木材轉(zhuǎn)為有機(jī)質(zhì)系數(shù),S為減少土地廢棄面積(hm2),B為土地機(jī)會(huì)成本(元/hm2),Z為土壤保持量(t/hm2),h為耕作層厚度(cm),β為土壤容重(g/cm3),Py為建設(shè)水庫(kù)費(fèi)用(元/m3)。

2.3 水源涵養(yǎng)測(cè)評(píng)模型

本文采用綜合蓄水能力法來(lái)估算保水量,該方法考慮了林冠層、枯枝落葉層及土壤層的涵養(yǎng)水源,估算模型如下[38]：

Q=Q1+Q2+Q3

(9)

式中,Q為蓄水能力,Q1為林冠截留量,Q2為枯枝落葉吸持水分量,Q3為土壤最大持水量。

采用工程替代法估算涵養(yǎng)水源價(jià)值量：

(10)

式中,V為涵養(yǎng)水源價(jià)值量,Q為涵養(yǎng)水源物質(zhì)量,Qg為替代生態(tài)系統(tǒng)某工程的水容量,Vg為替代工程的價(jià)值,L為發(fā)展階段系數(shù)。

2.4 食物供給測(cè)評(píng)模型

食物供給服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)最基本、最直接的服務(wù),它不僅滿足人類對(duì)食物的需求,而且還提供了木材、纖維等生產(chǎn)生活用品。本文結(jié)合土地利用和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù),測(cè)算研究區(qū)內(nèi)各土地利用的食物總產(chǎn)值,實(shí)現(xiàn)食物供給的空間化。計(jì)算公式如下：

(11)

Gi=Ai×Ni

(12)

式中,Gi為研究區(qū)柵格所對(duì)應(yīng)的食物i的總產(chǎn)值(元),Ai為各類食物i相對(duì)應(yīng)的土地利用類型的面積(km2),Ni為食物i的單位面積產(chǎn)值(元/km2)。Fi為食物總產(chǎn)值,Si為各土地利用類型的總面積。其中,耕地面積對(duì)應(yīng)種植業(yè)總產(chǎn)值,林地面積對(duì)應(yīng)林業(yè)總產(chǎn)值,草地面積對(duì)應(yīng)牧業(yè)總產(chǎn)值,水域面積對(duì)應(yīng)漁業(yè)總產(chǎn)值。

2.5 權(quán)衡與協(xié)同的空間統(tǒng)計(jì)方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有復(fù)雜性和異質(zhì)性,一種服務(wù)的變化會(huì)影響另一種服務(wù)甚至是多種服務(wù)的變化。因此,需要在排除不相關(guān)因素的基礎(chǔ)上分析兩兩生態(tài)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系,即偏相關(guān)分析。這里我們考慮年降水量和NDVI對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都有具有線性影響,所以通過(guò)消除這兩種因素來(lái)求NPP、水源涵養(yǎng)和食物供給三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間的偏相關(guān)系數(shù)[39]。偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算過(guò)程是基于MATLAB軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn),計(jì)算公式如下：

(1)計(jì)算相關(guān)系數(shù)

(13)

(2)計(jì)算一級(jí)偏相關(guān)系數(shù)：

(14)

(3)計(jì)算二級(jí)偏相關(guān)系數(shù)：

(15)

式中：ES1、ES2分別代表兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；r代表兩類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)系數(shù)；i、j代表柵格中像元的行號(hào)和列號(hào)；n代表時(shí)間序列；r12(ij)代表年降水量與NDVI均發(fā)生變化時(shí),ES1、ES2的相關(guān)系數(shù),同理求得r13(ij)、r23(ij)、r14(ij)、r24(ij)、r34(ij)；r12·3代表年降水量不變的情況下,兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在像元ij上的一級(jí)偏相關(guān)系數(shù)；同理求得r14·3、r24·3；r12·34代表年降水量與NDVI不變的情況下,兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在像元ij上的二級(jí)偏相關(guān)系數(shù)。通過(guò)t檢驗(yàn)判斷兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性的顯著性。若r>0,則表明兩類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間呈協(xié)同關(guān)系；若r<0,則表明兩類生態(tài)服務(wù)之間呈權(quán)衡關(guān)系,若r=0,則表明兩類生態(tài)服務(wù)之間無(wú)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同分析

本文基于R語(yǔ)言的相關(guān)分析函數(shù)探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,通過(guò)ArcGIS的Sample工具分別對(duì)1993—2013年延安市NPP、食物供給、水源涵養(yǎng)和土壤保持四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行樣點(diǎn)采集,獲取點(diǎn)矢量圖層,然后利用Corrgram函數(shù)和Scatterplot Matrix函數(shù),通過(guò)餅狀圖和散點(diǎn)矩陣圖表示各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的相關(guān)性。在餅圖中,藍(lán)色表示正相關(guān),紅色表示負(fù)相關(guān),顏色越深說(shuō)明兩個(gè)變量的相關(guān)性越大。圖中上三角單元格顏色的含義和下三角單元格相同,但相關(guān)程度的大小是由餅狀圖被填充的面積多少來(lái)表示的,相關(guān)性越大則填充的面積越多,正相關(guān)性從12點(diǎn)鐘處順時(shí)針?lè)较蛱畛滹瀳D,負(fù)相關(guān)則逆時(shí)針?lè)较蛱畛滹瀳D。在散點(diǎn)圖中,主對(duì)角線表示核密度曲線圖,主對(duì)角線下部橫軸則為軸須圖,其余圖形表示平滑擬合曲線,通過(guò)擬合曲線來(lái)顯示各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)關(guān)系及狀態(tài)。

圖3 1993—2013年延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性餅狀圖 Fig.3 The Pie chart of correlation between ecosystem services in Yanan from 1993 to 2013

各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性如餅圖所示(圖3),食物供給與土壤保持、水源涵養(yǎng)以及NPP均呈負(fù)相關(guān),且食物供給與NPP的負(fù)相關(guān)程度較強(qiáng),NPP與土壤保持、水源涵養(yǎng)之間均呈正相關(guān),且水源涵養(yǎng)與NPP之間的正相關(guān)最強(qiáng),其次土壤保持與水源涵養(yǎng)存在較為顯著的正相關(guān)。該時(shí)期生態(tài)服務(wù)之間的變化關(guān)系如散點(diǎn)圖所示(圖4),NPP與土壤保持、NPP與水源涵養(yǎng)、土壤保持與水源涵養(yǎng)之間都呈明顯隨之增加而增加的變化。結(jié)果表明,NPP與土壤保持、NPP與水源涵養(yǎng)、土壤保持與水源涵為協(xié)同關(guān)系；食物供給與NPP、土壤保持以及水源涵養(yǎng)為權(quán)衡關(guān)系。分析其成因可知,NPP、土壤保持和水源涵養(yǎng)價(jià)值較高的林草地區(qū)域,食物供給功能較弱；而食物供價(jià)功能較強(qiáng)的耕地區(qū)域,NPP、土壤保持和水源涵養(yǎng)服務(wù)較弱。

圖4 1993—2013年延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性散點(diǎn)圖Fig.4 The Scatter plot of correlation between ecosystem services in Yanan from 1993 to 2013

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

以1993—2013年為時(shí)間序列,對(duì)延安市4種生態(tài)服務(wù)價(jià)值權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)趨勢(shì)分析,結(jié)果如圖5所示,圖中相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。從圖中可以看出,延安市各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同程度都發(fā)生了一定變化,以協(xié)同程度的動(dòng)態(tài)變化最為明顯,波動(dòng)幅度較大,整體呈下降趨勢(shì)。其中,NPP與水源涵養(yǎng)協(xié)同關(guān)系的波動(dòng)幅度最大,遞減趨勢(shì)較為顯著,而NPP與土壤保持、土壤保持與水源涵養(yǎng)協(xié)同關(guān)系的下降幅度較小,兩者變化趨勢(shì)大致相同。NPP主要來(lái)源于森林覆蓋區(qū)域植被的有機(jī)物質(zhì)量,而高植被覆蓋區(qū)域土壤保持價(jià)值量也較高,其次水源涵養(yǎng)主要受降水和土地覆蓋變化影響,平均價(jià)值量較高的區(qū)域?yàn)榱值?因此三者之間具有較強(qiáng)的協(xié)同作用；另一方面,生態(tài)服務(wù)權(quán)衡程度波動(dòng)幅度較小,呈現(xiàn)沖突不斷增加的趨勢(shì),以水源涵養(yǎng)和食物供給權(quán)衡程度的增加最為明顯,而土壤保持與食物供給權(quán)衡關(guān)系波動(dòng)幅度較小,呈現(xiàn)平穩(wěn)增加趨勢(shì)。其次NPP與食物供給的沖突關(guān)系最為明顯,且不斷增加,由于食物供給價(jià)值量以耕種業(yè)、漁業(yè)和牧業(yè)為主,在耕地區(qū)域平均價(jià)值量較高,而NPP價(jià)值量較低,所以權(quán)衡程度較強(qiáng)。總之,20年來(lái)延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體表現(xiàn)為權(quán)衡加強(qiáng)協(xié)同減弱的趨勢(shì)。

圖5 1993—2013年延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相關(guān)系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 The dynamic change of correlation coefficient between ecosystem services in Yanan from 1993 to 2013

3.3 退耕還林對(duì)權(quán)衡與協(xié)同動(dòng)態(tài)變化的影響

退耕還林政策是通過(guò)對(duì)不宜耕種的土地進(jìn)行有序的還林、還草等,以植被恢復(fù)為主,改變土地利用結(jié)構(gòu)和方式,使耕地轉(zhuǎn)化為林地或草地,對(duì)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生了一定的影響。因此,提取退耕還林區(qū)及非退耕還林區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,分析其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化(圖6),探討退耕還林政策對(duì)生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡與協(xié)同的影響。

從圖6中可以看出,退耕還林區(qū)與非退耕還林區(qū)NPP與土壤保持、NPP與水源涵養(yǎng)均呈協(xié)同關(guān)系。在2006年之前,非退耕還林區(qū)NPP和土壤保持的協(xié)同程度要大于退耕還林區(qū),2006年之后情況與之相反,此外NPP與水源涵養(yǎng)在2005年前后也表現(xiàn)出相同的變化特征。從動(dòng)態(tài)變化來(lái)看,協(xié)同關(guān)系總體呈現(xiàn)減弱趨勢(shì),但退耕還林區(qū)協(xié)同減弱的趨勢(shì)明顯小于非退耕還林區(qū),這表明退耕還林提高了生態(tài)服務(wù)的支持功能,伴隨NPP的增加土壤保持與水源涵養(yǎng)也不斷增加,彼此之間相互促進(jìn),協(xié)同關(guān)系不斷加強(qiáng)；非退耕還林區(qū)NPP與食物供給呈負(fù)相關(guān),退耕還林區(qū)NPP與食物供給呈正相關(guān),NPP隨著食物供給的增加而增加,由此可見(jiàn)隨著林地面積不斷增加,人類合理開(kāi)發(fā)利用木材資源使得林業(yè)總產(chǎn)值增加,食物供給價(jià)值量不斷增加,導(dǎo)致NPP與食物供給同向增加；其次,土壤保持與水源涵養(yǎng)在退耕還林區(qū)均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,而非退耕還林區(qū)協(xié)同作用不斷下降并最終在2002年之后轉(zhuǎn)為沖突關(guān)系；土壤保持與食物供給、水源涵養(yǎng)與食物供給在退耕還林區(qū)與非退耕還林區(qū)相關(guān)性均為負(fù)值,即為權(quán)衡關(guān)系,但退耕還林區(qū)權(quán)衡程度更小,沖突關(guān)系較弱。從整體動(dòng)態(tài)變化來(lái)看,退耕還林區(qū)大多呈現(xiàn)協(xié)同加強(qiáng)權(quán)衡減弱的趨勢(shì),這與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)加強(qiáng)協(xié)同、減弱沖突的生態(tài)管理目標(biāo)相符合,促進(jìn)了生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展；而在非退耕還林區(qū),存在生態(tài)服務(wù)沖突加強(qiáng)、協(xié)同減弱的現(xiàn)象。因此,降低人類社會(huì)對(duì)生態(tài)服務(wù)的干擾性,減少生態(tài)沖突的發(fā)生,對(duì)現(xiàn)在和未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系具有減弱作用,反映了退耕還林政策有利于實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境和人類社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖6 延安市退耕還林區(qū)與非退耕還林區(qū)生態(tài)服務(wù)間相關(guān)系數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖Fig.6 The dynamic change of correlation coefficient between ecosystem services in Yanan of Grain-for-Green Program and non-Grain-for-Green Program

3.4 地形坡度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

除了退耕還林等人為影響因子外,自然環(huán)境也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的重要影響因素,黃土高原具有典型的溝壑縱橫地貌形態(tài),景觀差異較大,不同地形坡度下土地利用類型不同。因此,本文依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》分別提取≤2°、2°—6°、6°—15°、15°—25°、>25°地形坡度下NPP、水源涵養(yǎng)、食物供給價(jià)值量,分析各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同地形坡度下權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化。

從圖7可以看出,NPP與水源涵養(yǎng)的協(xié)同關(guān)系在坡度為2°—6°時(shí)最大,到2005年協(xié)同程度整體顯著下降,以6°—15°和15°—25°最為明顯,而坡度大于25°變化趨于穩(wěn)定；NPP與食物供給的相關(guān)關(guān)系在不同坡度上較為復(fù)雜,既存在協(xié)同又存在權(quán)衡關(guān)系,坡度為2°—6°、6°—5°和15°—25°以權(quán)衡關(guān)系為主,其中坡度15°—25°地區(qū)矛盾沖突最大,且逐年增加。坡度為0°—2°和>25°以協(xié)同作用為主,>25°地區(qū)協(xié)同作用最為顯著,變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)；在圖7中,水源涵養(yǎng)與食物供給在坡度為15°—25°和0°—2°相關(guān)系數(shù)為負(fù),矛盾沖突較大,權(quán)衡關(guān)系顯著。坡度為2°—6°和6°—15°地區(qū)相互作用基本一致,以協(xié)同為主,坡度>25°地區(qū)協(xié)同作用顯著,呈不斷上升狀態(tài)。通過(guò)以上研究可以看出,在坡度0°—2°、2°—6°和6°—15°地區(qū)生態(tài)服務(wù)之間相互作用基本保持穩(wěn)定,對(duì)生態(tài)服務(wù)管理影響不大；坡度為15°—25°地區(qū)各類服務(wù)之間矛盾沖突顯著且不斷增強(qiáng),這與該地區(qū)生態(tài)修復(fù)措施不適宜或執(zhí)行不全面有關(guān),坡度為15°—25°不屬于退耕還林政策范疇,但其地形傾斜程度較大,水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重,由于修復(fù)管理政策和修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,使得該地區(qū)成為生態(tài)修復(fù)盲區(qū),生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出；但在坡度>25°地區(qū)各類生態(tài)服務(wù)之間表現(xiàn)為同向發(fā)展,即同增或同減,且協(xié)同關(guān)系趨于穩(wěn)定,這與該地區(qū)實(shí)行較好的生態(tài)措施有關(guān),坡度大于25°地區(qū)不允許開(kāi)墾農(nóng)作物,已開(kāi)墾地區(qū)要退耕還林還草,這也證實(shí)了上文關(guān)于退耕還林措施有利于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同作用增強(qiáng)的研究。

圖7 延安市不同地形坡度下各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相關(guān)系數(shù)變化圖Fig.7 The dynamic change of correlation coefficient between ecosystem services in Yanan

3.5 權(quán)衡與協(xié)同的空間差異分析

本文以20年連續(xù)時(shí)間序列的NPP、水源涵養(yǎng)和食物供給價(jià)值量為基礎(chǔ),基于像元尺度對(duì)其進(jìn)行偏相關(guān)分析,對(duì)延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系進(jìn)行空間差異分析(圖8)。在圖8中,NPP與水源涵養(yǎng)的協(xié)同關(guān)系較為顯著,空間上呈現(xiàn)北高南低的分布規(guī)律,在延安市北部以及中部地區(qū)協(xié)同關(guān)系較強(qiáng),其中安塞縣最為顯著,其次是寶塔區(qū)、甘泉縣、志丹縣和吳旗縣,主要分布在草地和部分林地地區(qū)。延安市西南部及東南部的耕地和林地地區(qū)協(xié)同關(guān)系較弱,以黃陵縣、富縣西部、黃龍縣南部以及宜川縣東部為主；NPP與食物供給權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間分布特征較為復(fù)雜,整體呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系,在延安市東北部及中部地區(qū)沖突關(guān)系顯著,以安塞縣、子長(zhǎng)縣、寶塔區(qū)南部以及延川縣東部為主,該區(qū)域主要以耕地和部分草地為主,NPP減少伴隨著食物供給價(jià)值量的增加,人口增加,城市擴(kuò)張,糧食需求增加,擴(kuò)大農(nóng)田面積導(dǎo)致林地面積減少,固碳能力降低,NPP價(jià)值量減少,從而使得NPP與食物供給的制約關(guān)系更為突出；水源涵養(yǎng)與食物供給此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系在區(qū)域范圍內(nèi)廣泛存在,權(quán)衡程度較高的區(qū)域主要分布在延安市西南和東南部,土地利用類型以林地和耕地為主,黃陵縣權(quán)衡關(guān)系最為顯著,其次為富縣西南部和黃龍縣。延安市北部和西部權(quán)衡關(guān)系較弱,以安塞縣、志丹縣南部以及甘泉縣西部為主。

圖8 延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相關(guān)關(guān)系空間分布圖Fig.8 The distribution of correlation between ecosystem services in Yanan

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)延安市各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)不同的相關(guān)性,食物供給與土壤保持、水源涵養(yǎng)、NPP均呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系,NPP與土壤保持、水源涵養(yǎng)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,土壤保持與水源涵養(yǎng)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系。20年來(lái),延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體表現(xiàn)為權(quán)衡加強(qiáng)協(xié)同減弱的趨勢(shì)。

(2)退耕還林區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間多呈協(xié)同關(guān)系,非退耕還林區(qū)多表現(xiàn)為沖突關(guān)系。從動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)來(lái)看,退耕還林區(qū)呈現(xiàn)協(xié)同加強(qiáng)權(quán)衡減弱的趨勢(shì),這與減少?zèng)_突增加協(xié)同的生態(tài)管理目標(biāo)相一致,表明退耕還林措施有利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

(3)在不同地形坡度下,各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系變化存在差異,在坡度為≤2°,2°—6°和6°—15°地區(qū)生態(tài)服務(wù)相互作用動(dòng)態(tài)變化保持穩(wěn)定；在坡度為15°—25°地區(qū)表現(xiàn)為顯著沖突關(guān)系,且不斷加強(qiáng)；坡度大于25°地區(qū)生態(tài)服務(wù)之間相互促進(jìn),以協(xié)同作用為主。

(4)NPP與水源涵養(yǎng)的協(xié)同關(guān)系在延安市北部和中部較強(qiáng),西南部及東南部較弱；NPP與食物供給的沖突關(guān)系在東北部及中部較高,東部和南部則較低；水源涵養(yǎng)與食物供給權(quán)衡程度在西南部和東南部地區(qū)較強(qiáng),北部和西部則較低。

4.2 討論

目前對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同研究多集中于各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互作用、自然人文系統(tǒng)的耦合分析以及表現(xiàn)類型上,對(duì)于權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間動(dòng)態(tài)表達(dá)以及影響因素分析較少。因此,本文基于偏相關(guān)空間統(tǒng)計(jì)分析,直觀定量地展現(xiàn)了不同區(qū)域各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互關(guān)系的空間分布特征,并對(duì)生態(tài)服務(wù)相互作用動(dòng)態(tài)變化的影響因素進(jìn)行了區(qū)域分析。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型較多,各類服務(wù)之間存在著復(fù)雜的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,造林可以增加碳存儲(chǔ),加強(qiáng)固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候的能力,在土壤侵蝕嚴(yán)重地區(qū)也起到了水土保持作用,提高了生態(tài)系統(tǒng)的支持與調(diào)節(jié)服務(wù)。此外,耕地面積增加,可以提高糧食產(chǎn)量,但其導(dǎo)致植被覆蓋度減少固碳量減少,同時(shí)城市擴(kuò)張又使得農(nóng)田面積減少威脅著糧食安全問(wèn)題。因此,合理優(yōu)化配置生態(tài)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系,協(xié)調(diào)人口、生態(tài)、資源、環(huán)境的和諧發(fā)展顯得尤為重要。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有尺度效應(yīng),不同區(qū)域權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不同,對(duì)于相互增益的生態(tài)系統(tǒng),如果選取區(qū)域不當(dāng),也會(huì)出現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。本研究只選取了黃土高原典型區(qū)延安市,在接下來(lái)的研究中有必要基于小尺度、中尺度和大尺度探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化及影響因素,例如涉及整個(gè)黃土高原地區(qū)、陜北礦區(qū)以及延安市典型區(qū)南泥灣等,根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)權(quán)衡土地資源中的各類沖突,從而提出更加精準(zhǔn)的土地管理政策。