黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化及其權(quán)衡關(guān)系分析

陳心盟

摘 要：黃河是世界第5長、中國第2長的河流，黃河流域面積廣闊，山脈眾多，流域內(nèi)資源豐富，發(fā)展前景廣闊，研究黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時間動態(tài)變化和各服務(wù)間的相關(guān)性對其生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展意義重大。本文基于1990—2015年黃河流域的產(chǎn)水、固碳和土壤保持價值量，采用空間制圖法和相關(guān)性分析法，探究研究區(qū)各服務(wù)的時空變化和其空間上的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。研究表明：黃河流域3種服務(wù)在時間上均呈增加趨勢，產(chǎn)水量的年均值增加了20.62mm，固碳服務(wù)年均量增長了29.65t（gC·（m2·yr）-1），土壤保持服務(wù)增加了89.74（t·（ha·yr）-1）。1990—2015年間，不同地類上各服務(wù)均表現(xiàn)為上下波動的趨勢，2015年，產(chǎn)水價值量大小為耕地>林地>草地，固碳價值量為林地>草地>耕地，土壤保持價值量為耕地>草地>林地。黃河流域3種服務(wù)兩兩之間均以協(xié)同關(guān)系為主，產(chǎn)水與固碳服務(wù)的協(xié)同關(guān)系分布最為廣泛。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)水量;固碳量;土壤保持量;時空變化;權(quán)衡

中圖分類號：S-3 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030041

引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（ecosystemservices）是人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接得到的惠益[1]，不同服務(wù)間存在復(fù)雜的相互關(guān)系，具有此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和同減同增的協(xié)同關(guān)系[2]，分析探究生態(tài)系統(tǒng)服間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，有助于更加科學(xué)地管理生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[3]。

當(dāng)前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及其權(quán)衡關(guān)系研究已成為國內(nèi)外熱點，研究內(nèi)容主要有權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的表現(xiàn)形式、時空動態(tài)特征和驅(qū)動因素等方面[4-6]。Richards采用帕累托曲線研究熱帶城市沿海地區(qū)的生態(tài)服務(wù)間的相關(guān)關(guān)系[7];Tian等通過耦合CASA和SWAT來量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，評估中國西南喀斯特流域NPP、產(chǎn)水量和沉積量之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[8]。錢彩云[9]等通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)、相關(guān)系數(shù)法等方法定量在流域尺度上，分析了甘肅白龍江流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化過程、空間聚散特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)關(guān)系。Qin[10]等利用相關(guān)性餅圖、相關(guān)率模型和分布圖研究關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同，研究表明產(chǎn)水量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的協(xié)同性最強(qiáng)。黃河流域地貌復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱[11]，其產(chǎn)水、固碳和土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有重要作用。

基于此，本文以黃河流域為研究區(qū)，計算1990—2015年研究區(qū)的產(chǎn)水、固碳和土壤保持3種服務(wù)，利用空間制圖分析3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空動態(tài)變化，引入玫瑰圖表明不同地類中各服務(wù)的差異，最后基于相關(guān)分析法探究3種服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及其空間分布差異，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高效管理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于中國青海省內(nèi)的巴顏喀拉山脈，全長5464km，是我國的第2長河流，也是世界的第5長河流。黃河流域（N32°～42°，E96°～119°）面積約為79.5萬km2，流域內(nèi)山脈眾多，東西高差大，因此地貌差異也較大，地處中緯度地區(qū)，受大氣環(huán)流和季風(fēng)影響，氣候差異顯著，氣溫年際變化大，降水集中分布不均。流域內(nèi)自然資源豐富，具有廣闊的發(fā)展前景，近年來由于人類活動的頻繁，導(dǎo)致其水資源減少，環(huán)境惡化等問題增多，區(qū)域生態(tài)環(huán)境更加敏感脆弱。

3 結(jié)果分析

3.1 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空變化

由黃河流域的產(chǎn)水、固碳和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)的時空分布可以得出（圖2），研究區(qū)產(chǎn)水服務(wù)的高值區(qū)位于流域的中部和南部，主要有甘肅省東部和陜西省的南部地區(qū)，低值區(qū)分布于流域北部的內(nèi)蒙古省內(nèi)，產(chǎn)水量的均值由1990年的52.84mm增長至2015年的73.46mm，流域內(nèi)陜西省南部地區(qū)產(chǎn)水量增長最為明顯;固碳服務(wù)的高值區(qū)集中于青海省與甘肅省的南部交界處，低值區(qū)則主要分布于黃河流域的北部邊緣，固碳量的均值在1990年為368.06t（gC·（m2·yr）-1），2015年為397.71（gC·（m2·yr）-1），呈增長趨勢;土壤保持服務(wù)高值區(qū)零散分布于流域內(nèi)的甘肅省和山西省，低值區(qū)分布較為廣闊，研究區(qū)土壤保持量的均值在1990年為323.48（t·（ha·yr）-1），2015年為413.22（t·（ha·yr）-1），流域內(nèi)青海省土壤保持量增加明顯。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同地類間的變化

基于黃河流域的土地利用數(shù)據(jù)，對不同地類上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量進(jìn)行統(tǒng)計，得到3種服務(wù)在耕地、林地和草地上的價值均量，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，再運用R語言對其進(jìn)行可視化，得到研究區(qū)不同地類上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)玫瑰圖（圖3）。產(chǎn)水價值量，在3種地類中都表現(xiàn)為1990—2000年減少，2000年后不斷增加，在耕地中價值量最高，其次為林地，草地最少;固碳價值量，在3種土地類型中均為2000年前呈下降趨勢，2000年后開始不斷上升;土壤保持價值量，在耕地類型上為2000年前下降，2000—2010年上升，2010年后續(xù)又有所下降，在林地和草地上則表現(xiàn)為2010年前不斷增加，2010年后開始下降。

3.3 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同分析

本研究使用matlab語言，對黃河流域1990—2015年的產(chǎn)水、固碳和土壤保持服務(wù)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖4）。土壤保持和產(chǎn)水服務(wù)在研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)無相關(guān)性，有相關(guān)性的區(qū)域僅有16.9%，均為協(xié)同關(guān)系，協(xié)同區(qū)域集中于寧夏和內(nèi)蒙古交界處、甘肅省東部和山西省西部地區(qū)，強(qiáng)協(xié)同關(guān)系集中分布于甘肅省中部和東部。產(chǎn)水與固碳服務(wù)在研究區(qū)內(nèi)呈協(xié)同關(guān)系，占比為68.9%，協(xié)同關(guān)系在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布;無相關(guān)性區(qū)域占比為5.5%，主要分布于陜西和山西省內(nèi);權(quán)衡關(guān)系占比為24.7%，集中分布于研究區(qū)西部和南部邊緣地區(qū)。土壤保持和固碳服務(wù)以協(xié)同關(guān)系為主，占比為67.5%，集中分布于青海省西部、陜西省、山西省中部地區(qū);無相關(guān)性區(qū)域占比為4.2%，位于研究區(qū)中部;權(quán)衡關(guān)系占比為28.3%，集中分布于內(nèi)蒙古省北部、山西省北部和甘肅省東部地區(qū)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

1990—2015年間，黃河流域的產(chǎn)水、固碳和土壤保持3種服務(wù)均呈增加趨勢。26a間，產(chǎn)水量的年均值增加了20.62mm，流域南部地區(qū)增加量最高;固碳服務(wù)年均量增長了29.65t（gC·（m2·yr）-1），西南部地區(qū)增量較多;土壤保持服務(wù)增加了89.74（t·（ha·yr）-1），流域內(nèi)青海省的服務(wù)量增加最多。

不同土地類型上，3種服務(wù)均表現(xiàn)為有增有減的波動。2015年，產(chǎn)水價值量在3種地類中的大小為耕地>林地>草地，固碳價值量為林地>草地>耕地，土壤保持價值量為耕地>草地>林地。

黃河流域3種服務(wù)兩兩之間均以協(xié)同關(guān)系為主。土壤保持和產(chǎn)水服務(wù)在研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)沒有相關(guān)性，有相關(guān)性區(qū)域均為協(xié)同關(guān)系，協(xié)同像元集中分布于甘肅省內(nèi)、寧夏和內(nèi)蒙古交界區(qū);產(chǎn)水與固碳服務(wù)的協(xié)同像元占68.9%，在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布;土壤保持和固碳服務(wù)的協(xié)同像元占比67.5%，集中于青海、陜西和陜西省內(nèi)。

4.2 討論

本文討論了1990—2015年黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空變化，分析不同地類上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化差異，基于相關(guān)性分析，研究長時間序列下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系復(fù)雜，目前的研究多以短時間研究為主，本文基于1990—2015年共26a的研究區(qū)的產(chǎn)水、固碳和土壤保持服務(wù)進(jìn)行研究，有效解決了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究的時間尺度小和不連續(xù)性的問題。本文基于黃河流域全區(qū)的空間整體上進(jìn)行探究，但生態(tài)服務(wù)的整體和局部間具有差異性，未來研究中，可進(jìn)一步縮小研究區(qū)域，結(jié)合地域差異對生態(tài)系統(tǒng)研究更加精確，此外，還可以對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行逐年的分析，探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的年均變化及其影響因素，進(jìn)一步促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理。

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（責(zé)任編輯 李媛媛）