北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究

戴路煒,唐海萍,張 欽,崔鳳琪

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院, 北京 100875

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成和維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[1],是人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中獲取的所有收益[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多樣,包括維持生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的養(yǎng)分循環(huán)、土壤形成、氣候調(diào)節(jié)、凈化水源等支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù),維持人類生存與發(fā)展的糧食、淡水、纖維等供給服務(wù),以及愉悅?cè)祟惥竦拿缹W(xué)、教育、宗教等文化服務(wù)[3- 4]。2005年,聯(lián)合國(guó)發(fā)布的千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(MA)報(bào)告指出,其評(píng)估的24項(xiàng)生態(tài)服務(wù)中約有15項(xiàng)正處于退化或不可持續(xù)利用狀態(tài),直接威脅著區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全[3],此后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)逐漸成為國(guó)際生態(tài)學(xué)和相關(guān)學(xué)科研究的前沿和熱點(diǎn)[4- 5]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的種類多樣性、空間分布異質(zhì)性,以及人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求偏好,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間形成了相互交織、復(fù)雜的非線性關(guān)系[6- 7],已有的研究通常將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系抽象概括為此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡、相互增益的協(xié)同及無(wú)關(guān)三種[8- 9]。近年來(lái),探究不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系已成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的核心議題之一[10- 12]。從研究?jī)?nèi)容上看,學(xué)者們主要集中在權(quán)衡與協(xié)同的理論基礎(chǔ)、類型特征、驅(qū)動(dòng)因素、動(dòng)態(tài)變化及尺度效應(yīng)[13- 14]；研究方法上則以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、空間分析方法、情景模擬方法及服務(wù)流動(dòng)性分析方法為主[14- 17]；從研究尺度上來(lái)看,集中在流域和城市群等較大空間尺度研究[18- 20]。針對(duì)生態(tài)脆弱的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的研究主要集中在諸如土壤保持、碳固持及土壤風(fēng)蝕等單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估或氣候、土地利用變化對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響分析等領(lǐng)域[20- 23],且研究區(qū)域多是在內(nèi)蒙古赤峰市[24]、鄂爾多斯市[20]、呼包鄂榆城市群[18]及整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶[25]等較大的空間尺度,縣域等較小空間尺度多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間復(fù)雜關(guān)系的研究較少。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的尺度關(guān)聯(lián)使得同一對(duì)服務(wù)在不同研究尺度上的權(quán)衡關(guān)系存在很大的差異[13]。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡的廣闊區(qū)域,區(qū)域內(nèi)降水、溫度和生物群落存在顯著差異[26],大空間尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系,可能并不能代表小空間尺度上存在相同的關(guān)系。政府基于較大空間尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系進(jìn)行縣域等較小行政單元的生態(tài)系統(tǒng)管理,可能無(wú)法有效提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力[27]。因此,為了更好地理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的復(fù)雜關(guān)系,推進(jìn)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)的管理實(shí)踐工作,亟需開展縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等較小空間尺度下的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的對(duì)比分析研究。

地處干旱半干旱地區(qū)的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)東部農(nóng)區(qū)與西部牧區(qū)相連接的生態(tài)過(guò)渡帶,同時(shí)也是我國(guó)一個(gè)重要的生態(tài)脆弱區(qū),人類活動(dòng)方式的多樣性及特殊的地理位置導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)常受到干擾和破壞[26,28]。內(nèi)蒙古多倫縣是北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的一個(gè)典型區(qū)域,南部為上都河沖積區(qū),土壤肥沃,是全縣重要的糧食產(chǎn)區(qū),中部則是農(nóng)牧混合地帶,北部以牧業(yè)為主。該縣生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,為人類提供了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),但隨著氣候變化和人類活動(dòng)的增加,多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矛盾日益突出,產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題,如草地退化、土地荒漠化及旱災(zāi)增加等[29]。本文以多倫縣為研究區(qū),基于2000年、2015年的遙感影像、氣象、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI) 數(shù)據(jù)及社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料等數(shù)據(jù),利用多種生物物理模型評(píng)估食物供給、碳固持、土壤保持、防風(fēng)固沙及產(chǎn)水量5種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化；分析多倫縣5種服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)分布特征,揭示該縣不同區(qū)域的服務(wù)供給能力的強(qiáng)弱；此外采用相關(guān)分析法從縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及不同地類3個(gè)尺度上分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系。本研究著重于縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等基本的行政管理單元,研究結(jié)果旨在服務(wù)于管理實(shí)踐,為實(shí)現(xiàn)區(qū)域發(fā)展和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

多倫縣(41°46′—42°36′ N, 115°51′—116°54′ E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東南部,地處陰山北麓的東段,渾善達(dá)克沙地的東南端,轄3鎮(zhèn)2鄉(xiāng),全縣總面積3.95×103km2(圖1)。該地區(qū)地勢(shì)總體由西南向東北逐漸低緩,呈盆地狀,地貌主要有低山、丘陵、河谷洼地、山前傾斜平原及高平臺(tái)、堆積型沙丘等5種類型,海拔范圍是1149—1796 m；土壤類型主要是栗鈣土、草甸土和風(fēng)沙土,成土母質(zhì)多以風(fēng)積、沖積沙為主；該區(qū)域地處森林、草原與沙地過(guò)渡地帶,主要分布有典型草原植被、草甸草原植被、沙地植被、沼澤植被等植被類型；氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊迪虬霛駶?rùn)過(guò)渡區(qū)的典型大陸性季風(fēng)氣候,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng),無(wú)明顯夏季,風(fēng)力作用強(qiáng),光照充足,水熱同季；年平均氣溫3.5°C,年平均降水量400 mm左右,屬于錫林郭勒盟境內(nèi)的豐水帶。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括土地利用/覆被數(shù)據(jù)、氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(NDVI) 數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)6類：(1)2000年、2015 年土地利用/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(http://www.resdc.cn/Default.aspx),空間分辨率為30 m；(2)多倫縣地區(qū)及周邊區(qū)域200 km范圍內(nèi)的23個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速及日照時(shí)數(shù)等氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),本文利用1998—2002年、2013—2017年兩個(gè)時(shí)期的氣象數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行插值以克服單一年份氣象極端值的影響；(3)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m；(4)2000年、2015年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/),空間分辨率為250 m；(5)土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn/),基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(v1.1),包含土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)碳含量和粒徑比等數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km；(6)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒2001》和《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒2016》。將所有的空間數(shù)據(jù)投影統(tǒng)一到UTM投影系下,空間分辨率統(tǒng)一為100 m。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的估算

2.1.1食物供給

多倫縣地位于農(nóng)牧交錯(cuò)地帶,食物供給是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)提供的一項(xiàng)重要的供給服務(wù),對(duì)該縣人類生存和社會(huì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。本研究選用武文歡等[20]提出的公式估算單位面積上的食物供給量,其具體過(guò)程是將相應(yīng)年份統(tǒng)計(jì)年鑒中谷物、油料和蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)量及肉類、奶類產(chǎn)量按照正值的NDVI分別分配給耕地和草地柵格。計(jì)算公式如下：

(1)

式中,Pi為第i個(gè)柵格所分配的糧食產(chǎn)量或肉類與奶類產(chǎn)量(t hm-2a-1)；Psum為農(nóng)作物總產(chǎn)量或肉類總產(chǎn)量(t hm-2a-1)；NDVI數(shù)據(jù)為夏季(6—8月)MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)的最大值合成數(shù)據(jù)[30],NDVIi表示第i個(gè)柵格的NDVI；NDVIsum為研究區(qū)耕地或草地的NDVI之和。

2.1.2碳固持

碳固持服務(wù)指的是自然植被將大氣中的CO2捕獲并封存的過(guò)程, 能有效減緩全球氣候變暖趨勢(shì)。碳固持的估算選取植物凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)作為指標(biāo)進(jìn)行表征,NPP是地表碳循環(huán)的重要部分,不僅反映了植被的生產(chǎn)能力,也是判定區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳匯和碳源的重要因子。本研究采用CASA模型[31- 32]估算研究區(qū)NPP,公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(3)

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×W(x,t)×εmax

(4)

(5)

(6)

式中,NPP(x,t)是像元x在t月份的凈初級(jí)生產(chǎn)力(gC/m2)；APAR(x,t)是指像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2),ε(x,t)為像元x在t月的實(shí)際光能利用率(gC/MJ)；SOL(x,t)是像元x在t月份的太陽(yáng)總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x,t)是植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例(無(wú)單位)；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別為低溫和高溫對(duì)植被光能利用率的影響系數(shù)；W(x,t)表示水分脅迫影響系數(shù)(無(wú)量綱)[32]；SR(x,t)為像元x在t月份比值植被系數(shù),SRmax與植被類型有關(guān),取值范圍在4.14—6.17之間,SRmin取值為1.05[33]；εmax是植被在理想狀態(tài)下的最大光能利用效率(gC/MJ),取值參考朱文泉等[33]提出的參數(shù)；最后得出年度植被凈初級(jí)生產(chǎn)力。

2.1.3產(chǎn)水量

生態(tài)系統(tǒng)水供給服務(wù)與人類生活息息相關(guān),在多個(gè)方面影響著人類福祉,水資源是該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的重要限制因素之一。本研究使用InVEST模型中Water Yield模塊[34]估算產(chǎn)水量,計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

(9)

AWCx=Min(Ds,Dr)×PAWCx

(10)

PAWCx=54.509-0.132sand-0.003(sand)2-0.055silt-0.006(silt)2-0.738clay+0.007(clay)2-2.688OM+0.501(OM)2

(11)

式中,Yxj為柵格單元x中土地利用類型j的年產(chǎn)水量(mm)；AETxj為柵格單元x中土地利用類型j的實(shí)際蒸散發(fā)量(mm)；Px為柵格單元x的年均降水量(mm)；PETxj為柵格單元x中土地利用類型j的年潛在蒸散量(mm)；wx為修正植被年可利用水量與降水量的比值(無(wú)量綱)；Z代表Zhang系數(shù)[35],用于表征降水的季節(jié)性分配特征；AWCx為柵格單元x的可利用含水量；Ds為最大土壤深度(mm),從第二次全國(guó)土壤調(diào)查數(shù)據(jù)中提取獲得；Dr為根系深度(mm)[36]；PAWCx為柵格單元x的植被可利用水(mm),根據(jù)土壤質(zhì)地計(jì)算[37]；sand、silt和clay分別是砂粒、粉粒和黏粒的含量 (%),OM為有機(jī)質(zhì)含量(%)。

2.1.4土壤保持

人類活動(dòng)干擾及全球氣候變化等多種因素會(huì)使植被退化,加劇水土流失,過(guò)量的土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致土壤肥力下降,農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力下降。本研究采用RUSLE方程估算多倫縣的土壤保持量,公式如下：

SC=R×K×LS×(1-C×P)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中,SC表示年土壤保持能力(t hm-2a-1)；R表示降雨侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1),采用Wischmeier和Smith[38]提出的月尺度公式計(jì)算,其中Xi為第i個(gè)月的降水量(mm),X為年降水量(mm)；K為土壤可蝕性因子(t hMJ-1mm-1),本文采用Williams和Arnold[39]提出的利用土壤有機(jī)碳和顆粒組成數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的方法,sand、silt和clay分別是砂粒、粉粒和黏粒的含量(%),OM為有機(jī)質(zhì)含量(%)；C表示植被覆蓋與管理因子,無(wú)量綱,通過(guò)蔡崇法等[40]提出的公式計(jì)算；fvc為植被覆蓋度,利用每年植被生長(zhǎng)季(5—9月)的NDVI均值計(jì)算；P為水土保持措施因子,無(wú)量綱,由土地利用類型決定[41]；LS表示坡長(zhǎng)坡度因子,無(wú)量綱,本文采用van Remortel等[42]編寫的AML代碼從DEM中提取LS因子。

2.1.5防風(fēng)固沙

位于渾善達(dá)克沙地東南端的多倫縣,土壤風(fēng)蝕經(jīng)常發(fā)生,致使土壤粗化、土壤肥力和土地生產(chǎn)力下降,對(duì)農(nóng)牧業(yè)等生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,并威脅著周圍城市的生態(tài)環(huán)境?；贕IS技術(shù)和遙感數(shù)據(jù),RWEQ模型已經(jīng)應(yīng)用于區(qū)域尺度土壤風(fēng)蝕量的估算,本文使用RWEQ模型[43- 44]估算防風(fēng)固沙服務(wù),具體公式如下：

SLpv=SLp-SLv

(16)

(17)

(18)

Qpmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′)

(19)

Qvmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×COG)

(20)

Sp=150.71×(WF×EF×SCF×K′)-0.3711

(21)

Sv=150.71×(WF×EF×SCF×K′×COG)-0.3711

(22)

(23)

式中,SLpv為防風(fēng)固沙量(kg/m2)；SLp為無(wú)植被覆蓋的潛在風(fēng)蝕量(kg/m2)；SLv為有植被覆蓋的實(shí)際風(fēng)蝕量(kg/m2)；z為距離上風(fēng)向的長(zhǎng)度(m)[45]；Sp為潛在關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度(m)；Sv為實(shí)際關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度(m)；Qpmax為潛在風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m2)；Qvmax為實(shí)際風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m2)；WF為氣候因子(kg/m2)[44]；EF和SCF分別表示土壤可蝕性因子(無(wú)量綱)和土壤結(jié)皮因子(無(wú)量綱)[44]；COG為綜合植被因子(無(wú)量綱)[44]；基于野外實(shí)驗(yàn),采用滾軸式鏈條法測(cè)定錫林郭勒草原區(qū)地表粗糙度因子K′,沙地為0.96,草地為0.69[44]；F表示防風(fēng)固沙保有率[46],消除氣候波動(dòng)影響的防風(fēng)固沙保有率可較好地反映植被對(duì)防風(fēng)固沙的貢獻(xiàn)作用。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)識(shí)別與權(quán)衡/協(xié)同分析

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的基礎(chǔ)上,識(shí)別多倫縣的服務(wù)熱點(diǎn)區(qū),有助于了解不同區(qū)域服務(wù)供給能力強(qiáng)弱情況。本文將研究區(qū)各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)超過(guò)各自平均值的柵格定義為該類服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū),借助ArcGIS 10.5 軟件將這5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)進(jìn)行疊加分析。若某一柵格單元內(nèi)5種服務(wù)的值均未超過(guò)各自所對(duì)應(yīng)的平均值,則該類柵格單元被定義為非熱點(diǎn)區(qū)；如果只有1種服務(wù)的值超過(guò)平均值,則該類柵格單元被定義為1類熱點(diǎn)區(qū)；以此類推,分別定義2類、3類、4類和5類熱點(diǎn)區(qū),并在ArcGIS 10.5 軟件中得到多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)的空間分布格局[20]。

本文基于SPSS 20.0軟件,以2000年、2015年5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用相關(guān)分析法對(duì)縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及地類尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系進(jìn)行量化。相關(guān)分析是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互關(guān)系研究中常用的統(tǒng)計(jì)分析方法之一。當(dāng)兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)為負(fù),且通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn),則認(rèn)為兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有權(quán)衡關(guān)系；反之,相關(guān)系數(shù)為正值且通過(guò)顯著性檢驗(yàn),則認(rèn)為兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有協(xié)同關(guān)系[8,18,30,47]。

3 結(jié)果

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化

2000年和2015年5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布以及變化量分布如圖2所示。總體來(lái)看,除防風(fēng)固沙量外,多倫縣其余4種服務(wù)呈增加趨勢(shì)。2000—2015年食物供給增加兩倍,年平均值由50.66 t/hm2提高到157.67 t/hm2；碳固持年平均值在兩個(gè)年份分別為367.95 gC/m2、372.36 gC/m2,僅增長(zhǎng)0.1%,總體增幅并不明顯；產(chǎn)水量的年均值在兩個(gè)年份分別為110.25 mm、113.5 mm,總體增量較小,約為0.3%；土壤保持量年平均值由400.9 t/hm2提高到485.8 t/hm2,增幅為21%；潛在風(fēng)蝕量由2000年的11.5 kg/m2減少到2015年的1.7 kg/m2,減幅為85%,實(shí)際風(fēng)蝕量由2000年的5.6 kg/m2減少到2015年的0.6 kg/m2,減幅為89%,防風(fēng)固沙量由5.9 kg/m2減少到1.1 kg/m2,減幅為81%,兩個(gè)年份的防風(fēng)固沙保有率分別是51%、61.2%,提高了10.2%。

圖2 2000—2015年多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of ecosystem services in Duolun County from 2000 to 2015

食物供給空間格局在2000—2015年之間基本保持不變,高值區(qū)主要分布在耕地,低值區(qū)主要分布在草地；從變化量來(lái)看,增量最高的主要分布在耕地。碳固持的空間格局變化明顯：2000年呈現(xiàn)出“四周高、中部低”的特征,2015年高值區(qū)主要分布在東部和北部,西南部高值區(qū)范圍有所減少,中部高值區(qū)范圍有所增加；兩個(gè)年份高值區(qū)的主要土地利用類型是林地、耕地；從變化量來(lái)看,增加區(qū)域主要分布在多倫縣的中部和北部。2000年、2015年產(chǎn)水量的空間格局基本穩(wěn)定,大致呈現(xiàn)出：中部高、南部和北部低的分布態(tài)勢(shì)；高值區(qū)的土地利用類型主要是沙地；從變化量來(lái)看,自西北向東南方向增量的數(shù)值呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。兩個(gè)年份的土壤保持空間格局基本穩(wěn)定,表現(xiàn)為從西南向東北遞減的特征；2015年的土壤保持量相比于2000年,高值區(qū)范圍稍有增加,增值區(qū)主要分布在西南部和東部地區(qū),西北部主要為土壤保持的減少區(qū),變化量的空間分布格局同碳固持基本相似。防風(fēng)固沙量的空間格局基本保持不變,高值區(qū)主要分布在土壤類型多為風(fēng)沙土的北部,低值區(qū)分布在南部栗鈣土地區(qū)和中部草甸土地區(qū)；從變化量上看,多倫縣大部分為減少區(qū)域,其中增值區(qū)分布在由未利用地轉(zhuǎn)化為耕地和林地的區(qū)域。

3.2 熱點(diǎn)區(qū)識(shí)別

多倫縣多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)分布如圖3所示。2000年和2015年,非熱點(diǎn)區(qū)的面積百分比分別為11%、9%,且主要的土地利用類型為水域和草地。1類熱點(diǎn)區(qū)由26%增加到36%,該類熱點(diǎn)區(qū)的主要土地利用類型為草地；該縣北部1類熱點(diǎn)區(qū)主要以防風(fēng)固沙為主,中部以產(chǎn)水量為主,南部以食物供給為主。2類熱點(diǎn)區(qū)在兩個(gè)年份的面積百分比分別為35%、40.7%,面積增加5.7%,主要的土地利用類型為草地；北部以碳固持和防風(fēng)固沙服務(wù)為主,中部以產(chǎn)水量與防風(fēng)固沙為主,南部多為食物供給與碳固持。3類熱點(diǎn)區(qū)在兩個(gè)年份的面積百分比分別為23.5%、13.2%,面積減少10.3%,以食物供給、碳固持以及防風(fēng)固沙為主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),該類熱點(diǎn)區(qū)的土地利用類型以草地為主。4類熱點(diǎn)區(qū)的面積百分比由5.11%減少到0.7%,主要分布在耕地,以食物供給、碳固持、產(chǎn)水量與防風(fēng)固沙服務(wù)為主。5類熱點(diǎn)區(qū)的面積0.1%,主要土地利用類型為林地。整體來(lái)看,多倫縣3類熱點(diǎn)區(qū)面積明顯減少,1類熱點(diǎn)區(qū)面積明顯增加。

圖3 2000年、2015年多倫縣多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)分布Fig.3 Distribution of multiple ecosystem service hotspots in Duolun County in 2000 and 2015

3.3 不同地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力對(duì)比分析

2000年、2015年多倫縣耕地和草地的面積之和均超過(guò)研究區(qū)總面積的80%,所以本文重點(diǎn)關(guān)注耕地和草地。按照各服務(wù)的均值和總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析地類提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力強(qiáng)弱,結(jié)果如圖4所示。

在單位面積上,食物供給能力耕地大于草地；碳固持供給能力草地大于耕地,二者的單位面積總供給量約為研究區(qū)的42%,其余土地利用類型中供給量較高的為林地；土壤保持供給能力耕地大于草地,二者的單位面積總供給量約為研究區(qū)的38%,其余土地利用類型中供給量較高的為林地；防風(fēng)固沙量草地大于耕地,二者單位面積總供給量達(dá)到研究區(qū)的70%以上,其余土地利用類型中防風(fēng)固沙量較高的為林地；產(chǎn)水量供給能力耕地大于草地,但二者的總單位面積供給量只達(dá)到研究區(qū)的22%左右,其余土地利用類型中供給量較高的為林地。從縣域供給總量上看,食物供給能力耕地大于草地；碳固持供給能力草地最強(qiáng),草地和耕地的供給總量約為研究區(qū)的85%；2000年耕地面積雖然小于草地面積,但土壤保持能力大于草地,2015年土壤保持能力草地大于耕地,二者的總供給量在兩個(gè)年份均達(dá)到研究區(qū)的80%以上；兩個(gè)年份草地的防風(fēng)固沙量均大于耕地,二者總的防風(fēng)固沙量均達(dá)到研究區(qū)的83%以上；產(chǎn)水量供給能力草地大于耕地,2000年、2015年二者的供給量分別為研究區(qū)的58%、66%。

圖4 2000年、2015年不同地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給百分比Fig.4 Percentage of supply of different terrestrial ecosystem services in 2000 and 2015

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

3.4.1縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

在縣域尺度上5種服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)。相關(guān)分析表明(圖5),2000年、2015年食物供給、碳固持、土壤保持兩兩服務(wù)間以及防風(fēng)固沙與碳固持、產(chǎn)水量之間均為協(xié)同關(guān)系,土壤保持與產(chǎn)水量、防風(fēng)固沙之間以及碳固持與產(chǎn)水量之間表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系；食物供給與產(chǎn)水量由權(quán)衡轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系,食物供給與防風(fēng)固沙由協(xié)同轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系。目前來(lái)看,在縣域尺度上管理生態(tài)系統(tǒng),當(dāng)同時(shí)提升食物供給、碳固持及土壤保持3種服務(wù)供給能力時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水量以及防風(fēng)固沙能力的下降。

圖5 多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)系數(shù)Fig.5 Correlation coefficient of ecosystem services in Duolun County

3.4.2鄉(xiāng)鎮(zhèn)與耕地、草地中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,除多倫諾爾鎮(zhèn)外,4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中各服務(wù)間相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn),多倫諾爾鎮(zhèn)中2000年食物供給與防風(fēng)固沙之間未通過(guò)顯著性檢驗(yàn),碳固持與防風(fēng)固沙之間通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。相關(guān)分析表明,食物供給、土壤保持、碳固持三者在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中均為協(xié)同關(guān)系,并與縣域尺度相同；而產(chǎn)水量與碳固持之間以權(quán)衡關(guān)系為主,與縣域尺度基本一致；產(chǎn)水量與防風(fēng)固沙、土壤保持、食物供給間的關(guān)系以及防風(fēng)固沙與食物供給、碳固持、土壤保持之間的關(guān)系隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)的不同而發(fā)生變化；蔡木山鄉(xiāng)與多倫諾爾鎮(zhèn)中各服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系與縣域的相似度更高；在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中提高碳固持能力的同時(shí),會(huì)降低產(chǎn)水量的供給能力,可能會(huì)提高土壤保持、防風(fēng)固沙及食物供給能力。

耕地和草地中各服務(wù)間的關(guān)系均通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn),相關(guān)分析表明,兩種地類中5種服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系差異明顯：耕地中各服務(wù)之間的關(guān)系以權(quán)衡為主,草地中以協(xié)同為主；草地中各服務(wù)間的關(guān)系比較穩(wěn)定,而耕地中有4對(duì)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系發(fā)生變化；耕地和草地中存在明顯差異的服務(wù)為食物供給與土壤保持、碳固持與土壤保持以及防風(fēng)固沙與產(chǎn)水量,這3對(duì)服務(wù)在耕地中為權(quán)衡關(guān)系,在草地中為協(xié)同關(guān)系；與耕地相比,草地中各服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系與縣域的相似度更高；提高耕地食物供給、碳固持服務(wù)的同時(shí),可能會(huì)降低土壤保持、產(chǎn)水量的供給能力,同時(shí)提高防風(fēng)固沙能力；提高草地食物供給、碳固持服務(wù)供給能力的同時(shí),可能會(huì)同時(shí)提高防風(fēng)固沙、土壤保持和產(chǎn)水量供給能力。

4 討論

4.1 多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化分析

2015年食物供給相比于2000年增加兩倍,增幅非常明顯,主要原因是2000年多倫縣開始實(shí)施退耕還林/草政策,大面積的退耕使得糧食產(chǎn)量急劇減少；2003—2015年多倫縣逐步利用廢棄耕地,保護(hù)和利用后備土地資源,糧食產(chǎn)量逐漸增加[48]。碳固持、土壤保持與產(chǎn)水量3種服務(wù)的總量分別增加1%、21%和2.5%,這種變化在一定程度上受到降水量的影響：碳固持受到降水量的制約,體現(xiàn)在CASA模型中的水分脅迫系數(shù)；降水量通過(guò)RUSLE方程中的降雨侵蝕R因子影響土壤保持功能；產(chǎn)水量為降水量與實(shí)際蒸散發(fā)量之差[49]；此外碳固持與土壤保持還受到植被覆蓋度的影響,2000—2015年研究區(qū)的降水量增加5%,植被覆蓋度增加17%,相應(yīng)的3種服務(wù)也有所增加。2000—2015年研究區(qū)平均風(fēng)速降低、降水量及植被覆蓋度增加,使該地區(qū)的潛在風(fēng)蝕量和實(shí)際風(fēng)蝕量都大幅下降；雖然防風(fēng)固沙量減少,但防風(fēng)固沙保有率提高,風(fēng)蝕狀況已有所好轉(zhuǎn),這一結(jié)果與鞏國(guó)麗等[46]評(píng)估內(nèi)蒙古典型草原區(qū)防風(fēng)固沙能力的結(jié)果相似。

土壤保持供給量的高值區(qū)集中在研究區(qū)的南部,與坡度值高的地區(qū)空間分布基本吻合,表明該地區(qū)土壤保持也與坡度密切相關(guān),因此,研究區(qū)應(yīng)結(jié)合“京津風(fēng)沙源治理”等生態(tài)恢復(fù)工程,加強(qiáng)對(duì)坡地植被的保護(hù)。產(chǎn)水量除受降水影響外,還與蒸散及植被覆蓋度有關(guān),高值區(qū)多分布在中部的林地,這可能是因?yàn)?林地雖覆蓋度較高,蒸發(fā)較快,但是林地雨水截留量大,徑流產(chǎn)生少,所以產(chǎn)水量也相對(duì)較高[50]；而北部和南部地區(qū)有大面積的草地和耕地,植被覆蓋度相對(duì)較高,蒸散量較大,易產(chǎn)生徑流,導(dǎo)致產(chǎn)水量較小,這與張雪峰等[50]在錫林郭勒草原區(qū)的研究結(jié)果相似。多倫縣防風(fēng)固沙量的分布趨勢(shì)與風(fēng)蝕量的分布趨勢(shì)基本一致,風(fēng)蝕量大的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部,靠近渾善達(dá)克沙地南端,這部分區(qū)域土壤多為風(fēng)沙土、易蝕性大,潛在風(fēng)蝕量很大[46]。2000年多倫縣的西南部耕地地區(qū)5種服務(wù)的部分熱點(diǎn)具有空間異質(zhì)性并表現(xiàn)為多重服務(wù)熱點(diǎn)區(qū),而2015年南部耕地的食物供給量大幅度增加,多重服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)明顯減少,這和Li和Wang[12]以位于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的銀川為研究區(qū)的研究結(jié)果相符,該研究認(rèn)為農(nóng)田不利于提高農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的防風(fēng)固沙、土壤保持及產(chǎn)水量服務(wù)的供給能力。另外,本研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)林地的產(chǎn)水量、碳固持及土壤保持服務(wù)單位面積供給能力均強(qiáng)于草地與耕地,適當(dāng)增加林地的面積,有助于提高多倫縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力。

4.2 多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

多倫縣碳固持與土壤保持之間為協(xié)同關(guān)系,這是由于植被覆蓋度的增加提高了碳固持能力,而且可以減少雨水對(duì)土壤的侵蝕,從而加強(qiáng)了土壤保持能力[20]。食物供給與碳固持、土壤保持之間為協(xié)同關(guān)系,這與之前研究[51]發(fā)現(xiàn)的食物供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)之間為權(quán)衡關(guān)系有所不同,原因可能是食物供給的評(píng)估方法不同,因此,由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估方法不同, 使得同一對(duì)服務(wù)之間的關(guān)系無(wú)法進(jìn)行對(duì)比參照[52]。本研究表明研究區(qū)的防風(fēng)固沙與碳固持、產(chǎn)水量之間為協(xié)同關(guān)系：Du等[53]在黃河流域的研究發(fā)現(xiàn)防風(fēng)固沙量與植被覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)系,多倫縣植被覆蓋度大的地區(qū)具有較高的碳固持功能,同時(shí)良好的植被覆蓋提高了防風(fēng)固沙量,所以防風(fēng)固沙與碳固持之間為協(xié)同關(guān)系；此外,Du等[53]認(rèn)為土壤濕度大的區(qū)域防風(fēng)固沙量也大,本研究區(qū)中土壤濕度大的地區(qū)產(chǎn)水量的供給能力較強(qiáng),減少了實(shí)際風(fēng)蝕量,同時(shí)增加了防風(fēng)固沙量,所以防風(fēng)固沙與產(chǎn)水量之間為協(xié)同關(guān)系。本研究中土壤保持與防風(fēng)固沙服務(wù)之間為權(quán)衡關(guān)系,主要是因?yàn)槎鄠惪h土壤保持高值區(qū)分布在地形起伏度大的南部,而風(fēng)蝕潛力較大,即防風(fēng)固沙量大的區(qū)域分布在地形平緩的北部,Jiang等[54]以黃土高原為研究區(qū)的結(jié)果也表明土壤保持量較高的區(qū)域?qū)?yīng)的地形起伏度較大,而風(fēng)蝕潛力較大的區(qū)域地形起伏度較小,二者具有明顯的空間異質(zhì)性。產(chǎn)水量與土壤保持、碳固持服務(wù)之間主要為權(quán)衡關(guān)系,這與Li等[22]以內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯(cuò)帶為研究區(qū)對(duì)這3種服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的研究結(jié)果相同,增加植被覆蓋度在提高碳固持及土壤保持能力的同時(shí),會(huì)增強(qiáng)地表蒸散量,從而降低產(chǎn)水量[50]。目前來(lái)看,多倫縣最重要的是產(chǎn)水量與土壤保持、碳固持以及食物供給之間的權(quán)衡關(guān)系,在草地中產(chǎn)水量?jī)H與土壤保持服務(wù)具有權(quán)衡關(guān)系,因此,該縣可以通過(guò)適當(dāng)增加草地面積來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)水量與其他服務(wù)間的關(guān)系。

4.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的尺度效應(yīng)

通過(guò)對(duì)比2015年鄉(xiāng)鎮(zhèn)與縣域尺度上10對(duì)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系發(fā)現(xiàn),鄉(xiāng)鎮(zhèn)中僅有4對(duì)服務(wù)(食物供給與碳固持、食物供給與土壤保持、食物供給與防風(fēng)固沙、碳固持與產(chǎn)水量)之間的關(guān)系與縣域相同,其余6對(duì)服務(wù)間的關(guān)系會(huì)隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)的不同而變化；與此同時(shí),在耕地、草地兩種土地利用類型中僅有3對(duì)服務(wù)(食物供給與碳固持、碳固持與防風(fēng)固沙、土壤保持與防風(fēng)固沙)之間的關(guān)系與縣域保持一致,其余7對(duì)服務(wù)間的關(guān)系在兩種地類中有明顯的差異,這說(shuō)明縣域尺度上的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系無(wú)法代表鄉(xiāng)鎮(zhèn)、地類尺度存在同樣的關(guān)系；其他學(xué)者在中國(guó)北方呼包鄂榆地區(qū)[18]和寧夏回族自治區(qū)[21]的研究也發(fā)現(xiàn),服務(wù)間關(guān)系具有明顯的空間尺度依賴特征。土地利用類型是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的關(guān)鍵因素,進(jìn)而改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系[12]；本研究發(fā)現(xiàn)多倫縣氣候因素(氣溫、降水、太陽(yáng)輻射等)空間差異較小,而土地利用的空間異質(zhì)性較大,且研究區(qū)耕地中服務(wù)間的關(guān)系以權(quán)衡為主,草地中服務(wù)間的關(guān)系以協(xié)同為主；例如耕地和草地面積比例為1.2的大北溝鎮(zhèn),各服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系與耕地保持一致,耕地和草地面積比例為0.3的灤源鎮(zhèn),服務(wù)間的關(guān)系與草地保持一致；因此,土地利用類型的差異可能是鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間、鄉(xiāng)鎮(zhèn)與縣域之間服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系明顯不同的原因之一。此外,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤類型、海拔高度也有較大差異：本研究區(qū)中栗鈣土上食物供給、碳固持和土壤保持服務(wù)的能力較強(qiáng),草甸土上碳固持和產(chǎn)水量的能力較強(qiáng),風(fēng)沙土上防風(fēng)固沙的能力較強(qiáng)；海拔方面,Liu等[55]發(fā)現(xiàn)服務(wù)間的關(guān)系會(huì)隨海拔的不同而發(fā)生變化,在本研究中僅發(fā)現(xiàn)防風(fēng)固沙和產(chǎn)水量服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系會(huì)隨海拔升高而加強(qiáng),未發(fā)現(xiàn)其余服務(wù)間的關(guān)系隨海拔變化而發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。土地利用類型、海拔和土壤類型的組合可能是權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系具有空間差異性的原因之一,這將是下一步研究中的關(guān)鍵問題。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶位于東部季風(fēng)區(qū)向西北干旱區(qū)的過(guò)渡帶,氣溫、降水等氣候條件的空間異質(zhì)性明顯,同時(shí)人類活動(dòng)方式的不穩(wěn)定性導(dǎo)致土地利用類型多樣且易變,選擇適當(dāng)?shù)目臻g尺度對(duì)該區(qū)域進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)管理,對(duì)我國(guó)北方生態(tài)安全及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義?？h域作為我國(guó)基本的管理單元,本研究以多倫縣為例,從縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及不同土地利用類型的角度出發(fā),得出該縣5種服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系具有空間依賴性,研究結(jié)果可為政府針對(duì)農(nóng)/牧區(qū)制定生態(tài)保護(hù)政策提供依據(jù)。多倫縣在實(shí)施退耕還林還草政策后,林地面積不斷增加,逐漸成為該區(qū)域重要的土地利用類型,本文僅考慮了耕地和草地上服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系,今后了解林地中服務(wù)間的關(guān)系也較為重要。此外,在服務(wù)間關(guān)系的研究方法方面,Hao等[25]在分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互關(guān)系時(shí)指出,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)二維散點(diǎn)圖中的點(diǎn)可能并不是圍繞某一條線分布,而是趨向于分布在某一條線(約束線)下,約束線代表了一種服務(wù)在另外一種服務(wù)作用下的分布范圍或者能夠達(dá)到的潛在最大值；當(dāng)約束線出現(xiàn)拐點(diǎn)(閾值點(diǎn))時(shí),在點(diǎn)的兩側(cè)兩種服務(wù)間的相互關(guān)系或相互關(guān)系的影響因素將會(huì)發(fā)生變化；相關(guān)性分析僅表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同的數(shù)值關(guān)系,無(wú)法揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互作用的閾值特征。因此,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)機(jī)理深入研究權(quán)衡與協(xié)同的閾值效應(yīng),這可能是下一步工作的重要方面。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多倫縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的研究,本文主要得出以下結(jié)論：(1)2000—2015年多倫縣防風(fēng)固沙量減少81%,其余4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì),其中食物供給增加兩倍,土壤保持增加21%,碳固持和產(chǎn)水量分別增加0.1%、0.3%；(2)該縣1類以及2類熱點(diǎn)區(qū)面積增加,3類、4類以及非熱點(diǎn)區(qū)面積減少；面積比例超過(guò)50%的草地在縣域提供5種服務(wù)的能力強(qiáng)于耕地；(3)2000年、2015年多倫縣主要的權(quán)衡關(guān)系存在于產(chǎn)水量與土壤保持、產(chǎn)水量與碳固持以及產(chǎn)水量與食物供給之間；草地中產(chǎn)水量與碳固持、食物供給之間主要為協(xié)同關(guān)系,可以通過(guò)適當(dāng)增加草地面積來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)水量與其他服務(wù)間的關(guān)系；(4)由于土地利用類型的不同,縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、草地以及耕地上5種服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系存在明顯差異：鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上僅有4對(duì)服務(wù)間關(guān)系與縣域保持一致；地類尺度上僅有3對(duì)服務(wù)間關(guān)系與縣域保持一致。