黃土殘塬溝壑區(qū)不同林齡與坡向人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同關(guān)系

袁坤宇, 曹 揚, 楊 潔, 康永祥, 張利利

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類在生存和發(fā)展的過程中，直接或間接從不同層次生態(tài)系統(tǒng)的生境和功能中獲得的所有惠益[1]。千年生態(tài)系統(tǒng)評估將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)4個方面[2]。森林作為最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，為人類帶來諸如提供木材(供給)、涵養(yǎng)水源(調(diào)節(jié))、土壤碳固存(調(diào)節(jié))、控制侵蝕(支持)、生物多樣性(支持)以及文化和旅游等益處[3]。由于生態(tài)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣和空間異質(zhì)等特性[4]，不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在非線性、不同步的復(fù)雜關(guān)系[5]，包括權(quán)衡關(guān)系和協(xié)同關(guān)系，具體表現(xiàn)為兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間此消彼長的權(quán)衡，或兩者同增同減的協(xié)同，從更廣泛意義而言，權(quán)衡也指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間速率不均勻的同向變化[3]。權(quán)衡度反映了發(fā)揮某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)引起其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的減少的程度，權(quán)衡度高說明發(fā)揮某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的抑制程度高。近年來，許多學(xué)者對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了研究。朱建佳等[6]基于InVEST模型，使用均方根偏差(RMSD)對南方紅壤丘陵區(qū)不同采伐強(qiáng)度下人工林的木材生產(chǎn)與碳儲量的權(quán)衡度進(jìn)行分析，得出在每十年采伐10%～20%的管理模式下，木材產(chǎn)出量與碳儲量的綜合效益高且權(quán)衡度最低。吳煒等[7]對湖南省3種次生林的調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)的研究表明，物種多樣性與土壤全氮、土壤有機(jī)碳調(diào)節(jié)為權(quán)衡關(guān)系，土壤有機(jī)碳與土壤全氮調(diào)節(jié)為協(xié)同關(guān)系。通過研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，有助于準(zhǔn)確分析不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系，指導(dǎo)人們更加合理的規(guī)劃和利用自然資源。

刺槐(Robiniapseudoacacia)是黃土高原主要造林樹種，由于早期造林工作以追求造林面積為主，忽視造林質(zhì)量[8]，導(dǎo)致部分林分出現(xiàn)低產(chǎn)、自然更新差、穩(wěn)定性弱等問題[9]。在人工林管理活動中，應(yīng)理清不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同的關(guān)系，增強(qiáng)其協(xié)同效應(yīng)，削減其權(quán)衡作用，使人工林整體效益達(dá)到最高，實現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的雙贏局面[10]。目前，對黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究集中于宏觀大尺度方面，即以土地利用變化為切入點，對農(nóng)田、森林、草地等復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究[11-12]，而從坡面尺度對人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究較少。本研究以陜西省永壽縣為研究區(qū)域，以人工刺槐林為研究對象，基于坡面尺度分析不同林齡、坡向人工刺槐林多項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異及各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，并分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與林分因子的關(guān)系，以期為黃土殘塬溝壑區(qū)人工刺槐林的多功能管理提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土殘塬溝壑區(qū)代表性區(qū)域永壽縣，地理位置為107°56′—108°20′E，34°29′—34°58′N，海拔990 ～1 440 m。該區(qū)地勢由南向北逐漸升高，塬、梁、溝相間分布，但以塬面為主，具有黃土殘塬溝壑區(qū)典型特點。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降雨量601 mm，其中6—9月降雨量占全年的65%，年均溫10.8 ℃，土壤類型為微堿性的黃綿土和褐土。刺槐林下植被包括：南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、陜西繡線菊(Spiraeawilsonii)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、刺五加(Eleutherococcussenticosus)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、茜草(Rubiacordifolia)、葎草(Humulusscandens)、糙蘇(Phlomisumbrosa)等。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查測定

2018年6—8月，通過實地踏查，選取立地條件相近且處于不同生長階段的刺槐林分，共設(shè)置36個20 m ×20 m的樣地，通過生長錐法確定林齡，并依據(jù)《主要樹種齡級與齡組劃分》[13]將其劃分為4個齡組。每個齡組各設(shè)置9塊樣地，包括幼齡林(4陽坡，5陰坡)、中齡林(5陽坡，4陰坡)、成熟林(4陽坡，5陰坡)、過熟林(5陽坡，4陰坡)，樣地概況見表1。調(diào)查并記錄每塊樣地的坡度、海拔、坡向、林分密度，利用LAI-2 200冠層分析儀測定林分郁閉度和葉面積指數(shù)，使用目視判讀法測定林下植被蓋度。在每塊樣地內(nèi)，進(jìn)行每木檢尺，測定所有喬木的胸徑和樹高。分別沿對角線設(shè)置3個5 m×5 m，3個1 m×1 m和3個0.5 m×0.5 m的灌木、草本和凋落物小樣方，記錄灌木和草本的種類和數(shù)目、凋落物厚度，并對凋落物分層取樣，使用烘干法[14]測定凋落物生物量和自然含水率，使用室內(nèi)浸水法[14]測定凋落物最大持水率。沿對角線挖取3個土壤剖面，在0—20，20—40，40—60 cm處，使用環(huán)刀取原狀土，采用環(huán)刀浸泡法[15]測定土壤容重、孔隙度，另取土樣1 kg放入自封袋，風(fēng)干、磨碎、過篩后使用重鉻酸鉀氧化—外加熱法[16]測定土壤有機(jī)碳含量，采用濃硫酸—高氯酸消煮凱氏定氮法[16]測定土壤全氮含量。

表1 樣地基本概況

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法

1.3.1 涵養(yǎng)水源

Wa=(0.85Rm-R0)×M0+

(1)

式中：Wa為涵養(yǎng)水源量(t/hm2)；Rm和R0分別為凋落物最大持水率和自然含水率(%)；M0為凋落物生物量(t/hm2)；Pci和Pni分別為第i層土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度(%)；Hi為第i層土層厚度(m)。

1.3.2 土壤碳儲量和土壤氮儲量

(2)

(3)

式中：SOC和STN分別為土壤碳儲量和土壤氮儲量(t/hm2)；Ci和Ni分別為土壤有機(jī)碳含量和土壤全氮含量(g/kg)；Hi為第i層土壤厚度(m)；Bi為第i層土壤容重(g/cm3)；Si為為第i層土壤直徑>2 mm礫石體積含量(%)。殘塬溝壑區(qū)的土壤以黃土為主,礫石體積含量很小,計算時忽略不計,故Si=0。

1.3.3 年均生產(chǎn)力 年均生產(chǎn)力由樣地喬木總生物量除以林齡獲得，喬木生物量依照李泰君[17]在永壽縣槐平林場建立的刺槐異速生長方程進(jìn)行估算(見表2)。

表2 刺槐生物量自然對數(shù)與胸徑的異速生長方程

1.3.4 生物多樣性 生物多樣性由Shannon-Weiner指數(shù)表示：

(4)

式中：H′為Shannon-Weiner指數(shù);S為物種數(shù)量;Pi為i物種的相對重要值。

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

本文采用Bradford和D’Amato[18]提出的使用統(tǒng)計學(xué)參數(shù)均方根偏差(RMSD)來衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，該方法巧妙消除了不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的量綱差異，可以清晰明確的量化兩種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡度，并將權(quán)衡的含義從傳統(tǒng)意義上的負(fù)相關(guān)關(guān)系，擴(kuò)展到在相同方向變化的不均勻率[3]，即存在協(xié)同關(guān)系的兩個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間，一個服務(wù)的增加可能會導(dǎo)致另一個服務(wù)的不均勻增加的情形。首先，將各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)歸一化0～1范圍，具體方法為：

(5)

式中：Eob為單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的觀測值；Emax和Emin分別為單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的最大值和最小值；Estd為單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)Eob歸一化處理后的值。

(6)

式中：RMSD為m種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的均方根偏差； ESi為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)i歸一化后的值； ESi為m個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的平均值。

兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系可以由圖1表示，歸一化處理后的兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以坐標(biāo)(xES1，yES2)落在x∈[0,1]，y∈[0,1]的坐標(biāo)系中，A，B，C，D點橫縱坐標(biāo)為參與比較的兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)歸一化的值。均方根偏差(RMSD)表示兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡度，可用點(xES1，yES2)到y(tǒng)=x線的距離表示，距離越遠(yuǎn)，說明權(quán)衡度越高，協(xié)同關(guān)系越弱。圖中B和C點關(guān)于y=x對稱，兩點到y(tǒng)=x線的距離相等，說明兩點的權(quán)衡大小相同，但B點表示傾向收益于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)1，C點表示傾向收益于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)2。A點和B點相比，兩對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都傾向收益于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)1，但A點權(quán)衡度小于B。D點位于y=x線上，說明兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)處于零權(quán)衡的協(xié)同狀態(tài)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS 20.0的one-way ANOVA法分析林齡、坡向?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的顯著性，應(yīng)用Duncan法和獨立樣本t檢驗比較不同齡組、不同坡向人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異(α=0.05)，采用Origin 2018作圖，圖中所有數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。使用Canoco 5.0的冗余分析法(RDA)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與林分因子的相關(guān)關(guān)系。

圖1 兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系[3]

2 結(jié)果與分析

2.1 不同齡組與坡向人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異

2.1.1 涵養(yǎng)水源方差分析得知 林齡對人工刺槐林的涵養(yǎng)水源量具有顯著影響(p<0.05)。在相同坡向，涵養(yǎng)水源量隨林齡增加先增后減，中齡林的涵養(yǎng)水源量最高，過熟林的涵養(yǎng)水源量最低(圖2a)。區(qū)分不同坡向發(fā)現(xiàn)，4個齡組在陰坡的涵養(yǎng)水源量均高于陽坡，而且涵養(yǎng)水源量在陽坡、陰坡之間均差異顯著(p<0.05)，在4個齡組中兩兩差異顯著。

2.1.2 土壤碳儲量在相同坡向 隨著林齡增加，土壤碳儲量也逐漸增大，過熟林的土壤碳儲量最高(圖2b)。不同齡組在陽坡的土壤碳儲量差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。在陰坡，成熟林和過熟林差異不顯著，其余兩兩差異顯著。區(qū)分不同坡向時發(fā)現(xiàn)，同一齡組在不同坡向之間的土壤碳儲量存在顯著性差異(p<0.05)，在同一齡組中，陰坡的土壤碳儲量均高于陽坡，說明陰坡更有利于土壤碳積累。

2.1.3 土壤氮儲量林齡和坡向 對土壤氮儲量的影響與土壤碳儲量相似(圖2c)，均具有顯著影響(p<0.05)。在相同坡向，隨著林齡增加，土壤氮儲量呈增加趨勢，過熟林的土壤氮儲量最高。成熟林和過熟林之間土壤氮儲量差異不顯著，其余兩兩差異顯著。在同一齡組，陰坡的土壤氮儲量均顯著高于陽坡，說明陰坡利于人工刺槐林土壤氮積累。

注：圖中不同大寫字母表示相同齡組不同坡向存在顯著差異(p<0.05)，不同小寫字母表示相同坡向不同齡組間存在顯著差異(p<0.05)。

2.1.4 年均生產(chǎn)力在相同坡向 人工刺槐林年均生產(chǎn)力隨著林齡增加表現(xiàn)為先增后減的趨勢，均在中齡林時期最高(圖2d)。在陽坡，成熟林、過熟林分別與其他齡組的年均生產(chǎn)力差異顯著(p<0.05)，而成熟林與過熟林之間差異未達(dá)到顯著水平。在陰坡，中齡林年均生產(chǎn)力顯著高于其他齡組，其余齡組兩兩之間的差異不顯著。相同齡組在不同坡向之間的年均生產(chǎn)力差異顯著(p<0.05)，表現(xiàn)為陰坡大于陽坡。

2.1.5 生物多樣性方差分析得知 林齡對人工刺槐林的生物多樣性具有顯著性影響(p<0.05)。在相同坡向，從幼齡林到過熟林，Shannon-Weiner指數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(圖2e)，在成熟林達(dá)到最大值。在陽坡，過熟林與幼齡林、中齡林Shannon-Weiner指數(shù)的差異未達(dá)到顯著性水平，其余兩兩差異顯著。在陰坡，中齡林和過熟林差異不顯著，其余兩兩差異顯著。同齡組不同坡向比較，陰坡Shannon-Weiner指數(shù)顯著大于陽坡，且隨林齡增加，陰坡與陽坡差值逐漸增加。

2.2 不同齡組與坡向人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同分析

人工刺槐林各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系會隨著林齡和坡向的變化表現(xiàn)出不同程度的變化(見表3—4)。土壤碳儲量與土壤氮儲量歸一化后的點基本分布于y=x線附近(圖3，4)，表明兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在穩(wěn)定的協(xié)同關(guān)系(RMSD平均值為0.037)。Shannon-Weiner指數(shù)分別與土壤碳儲量、土壤氮儲量、年均生產(chǎn)力的散點在一定程度上偏離y=x線，表現(xiàn)出中等程度的權(quán)衡(RMSD平均值為0.086，0.094，0.095)。涵養(yǎng)水源量分別與土壤碳儲量、土壤氮儲量相對收益的點離y=x線最遠(yuǎn)，權(quán)衡度最高(RMSD平均值為0.195，0.181)。

林齡對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系有顯著性影響(p<0.05)，從不同齡組來看，涵養(yǎng)水源量和土壤碳儲量的權(quán)衡度及涵養(yǎng)水源量和土壤氮儲量的權(quán)衡度均表現(xiàn)為過熟林>中齡林>幼齡林>成熟林(見表3)，圖3表明在成熟林階段，涵養(yǎng)水源量和土壤碳儲量及土壤氮儲量的關(guān)系較為協(xié)同，而在幼齡林和中齡林階段，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益更傾向于涵養(yǎng)水源服務(wù)，但在成熟林階段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益更傾向于土壤碳儲量及土壤氮儲量服務(wù)；涵養(yǎng)水源量和Shannon-Weiner指數(shù)的權(quán)衡度表現(xiàn)為中齡林>過熟林>幼齡林>成熟林(見表3)。圖3表明在成熟林階段，涵養(yǎng)水源量和Shannon-Weiner指數(shù)的關(guān)系較為協(xié)同，而在幼齡林和中齡林階段，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益更傾向于涵養(yǎng)水源這一服務(wù)，但在成熟林階段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益更傾向于Shannon-Weiner指數(shù)；年均生產(chǎn)力和土壤碳儲量的權(quán)衡度及年均生產(chǎn)力和土壤氮儲量的權(quán)衡度均表現(xiàn)為過熟林>中齡林>成熟林>幼齡林(見表3)。圖3表明在幼齡林階段，年均生產(chǎn)力和土壤碳儲量及土壤氮儲量的關(guān)系較為協(xié)同，而在中齡林階段，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益更傾向于年均生產(chǎn)力服務(wù)，但在成熟林和過熟林階段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益更傾向于土壤碳儲量及土壤氮儲量服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系對坡向的變化不敏感(p>0.05，見表4)。在不同坡向，兩個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的相對收益無明顯傾向(見圖4)。

表3 不同齡組人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均方根偏差

表4 不同坡向人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均方根偏差

2.3 人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與林分因子的關(guān)系

以林分因子為解釋變量，以5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為響應(yīng)變量，通過RDA排序分析人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對不同林分因子的響應(yīng)程度。首先對五項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析(DCA)，得出排序軸梯度長度為1.2<3，適合進(jìn)行冗余分析(RDA)。軸1，軸2，軸3和軸4的特征值分別為0.477，0.223，0.017，0.002，前兩軸累積解釋了69.96%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征。

如圖5所示，土壤氮儲量、土壤碳儲量與林分高度、葉面積指數(shù)、郁閉度、蓋度的夾角均為銳角，且均呈正相關(guān)，Shannon-Weiner指數(shù)與蓋度、郁閉度、凋落物厚度、葉面積指數(shù)、林分高度也都呈正相關(guān)，同時年均生產(chǎn)力和土壤涵養(yǎng)水源量與凋落物厚度、蓋度呈正相關(guān)，而坡度與5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的夾角為鈍角，呈現(xiàn)不同程度的負(fù)相關(guān)。總體來看，5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受蓋度、郁閉度、凋落物厚度、坡度的影響較大。

圖3 不同齡組人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益散點分布

3 討 論

3.1 林齡和坡向?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

林齡是物種組成、物質(zhì)生產(chǎn)、涵養(yǎng)水源、土壤養(yǎng)分固存等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要影響因素，坡向通過影響光照強(qiáng)度、水分條件、土壤理化性質(zhì)等也會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響。本研究中，人工刺槐林的涵養(yǎng)水源量、年均生產(chǎn)力與生物多樣性3項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均隨林齡增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，土壤碳、氮儲量價值隨林齡增加呈增加趨勢，與劉江華等[19]、張晶晶等[20]、艾澤民等[21]的研究相一致。涵養(yǎng)水源量和年均生產(chǎn)力均在中齡林時期最高，隨后開始下降，生物多樣性則在成熟林時期最高，生物多樣性的變化隨涵養(yǎng)水源與生產(chǎn)力的變化具有滯后性，這也說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨林齡變化存在不同步變化的復(fù)雜規(guī)律[5]。

坡向?qū)θ斯ご袒绷?項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生顯著影響，和陽坡相比，陰坡土壤含水量較高[22]，蒸發(fā)量少[23]，更適宜林木生長，5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表現(xiàn)為陰坡高于陽坡。

3.2 林齡和坡向?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的影響

人工刺槐林在不同生長階段，種內(nèi)、種間對資源的分配和競爭對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡也會產(chǎn)生影響。幼齡時期是刺槐林對新栽培環(huán)境的適應(yīng)階段，刺槐林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間以協(xié)同關(guān)系為主。權(quán)衡往往發(fā)生在林分快速發(fā)展的階段，中齡林時期，年均生產(chǎn)力高，光合、固碳、固氮和呼吸等代謝旺盛，植被生長與水分、養(yǎng)分的供需矛盾的激化，使涵養(yǎng)水源與土壤碳、氮固存、維持物種多樣性服務(wù)的權(quán)衡度較高，年均生產(chǎn)力與土壤碳、氮固存服務(wù)的權(quán)衡度較高。成熟林時期林木生長速率變緩并趨于穩(wěn)定[24]，涵養(yǎng)水源與土壤碳、氮固存、維持物種多樣性服務(wù)較為協(xié)同，而過熟林時期林分衰敗，物種多樣性指數(shù)下降，土壤干層化嚴(yán)重[25]，刺槐林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間以權(quán)衡關(guān)系為主且權(quán)衡度較高。在黃土殘垣溝壑區(qū)，刺槐林生長發(fā)育的程度取決于水分因子[26]，水分供給不足會抑制林木生長[25]和土壤環(huán)境的改善[24]，從而使涵養(yǎng)水源與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡度較高。

本研究表明，刺槐林在幼齡林和中齡林時期傾向于發(fā)揮涵養(yǎng)水源服務(wù)，在成熟林和過熟林時期傾向于發(fā)揮土壤碳、氮固存和維持生物多樣性，Lu等[26]得出了類似結(jié)論?？梢姡诓煌铸g階段，刺槐林發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的傾向不同，刺槐在不同發(fā)育階段，自身的需求和環(huán)境供給存在著差異，所以其在不同的生長階段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系也發(fā)生了相應(yīng)變化。而坡向?qū)Υ袒绷稚鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的兩兩權(quán)衡關(guān)系影響不顯著，這可能是因為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間的權(quán)衡關(guān)系不如單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對坡向的變化敏感[26]，說明林齡是引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系變化的主導(dǎo)因子，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系主要隨著林齡的變化而變化。

圖4 不同坡向人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對收益散點分布

注：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)由實心箭頭表示，林分因子以空心箭頭表示。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與林分因子的關(guān)聯(lián)特征

影響人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的林分因子中，植被蓋度與5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈正相關(guān)，說明植被蓋度的提高有助于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升，在人工林管理中應(yīng)加強(qiáng)林下植被的培育，適度引種水栒子(Cotoneastermultiflorus)或黃刺玫(Rosaxanthina)等耐旱灌木[8]。坡度與5項服務(wù)呈負(fù)相關(guān)，說明坡度越高，土壤水分條件差，對人工刺槐林的生產(chǎn)力、涵養(yǎng)水源和生物多樣性等產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，應(yīng)在陡坡處引入耗水少的達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)或長芒草(Stipabungeana)等鄉(xiāng)土草本[8]。凋落物厚度反映林地凋落物的現(xiàn)存量與分解程度，凋落物厚度高，可以攔蓄更多降水，有助于涵養(yǎng)水源，同時凋落物是土壤碳素、氮素的主要來源[27]，應(yīng)合理調(diào)節(jié)林分結(jié)構(gòu)，促進(jìn)凋落物分解。

本文僅對人工刺槐林5個主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間的權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行了研究，但由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多樣性和相互影響的復(fù)雜性，因此關(guān)于多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系及其互作機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 不同林齡、坡向人工刺槐林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，其中涵養(yǎng)水源量和年均生產(chǎn)力從幼齡林到中齡林逐漸增加，隨后逐漸減小，生物多樣性呈先增后減趨勢，在成熟林時期最高，土壤碳、氮儲量隨林齡增加呈逐漸增加趨勢，陰坡的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高于陽坡。

(2) 林齡是引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系變化的主導(dǎo)因子，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在中齡林和過熟林時期權(quán)衡度高，說明該時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間協(xié)調(diào)性較差，不利于整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益的發(fā)揮。應(yīng)在中齡林時期加強(qiáng)林下植被的培育，引入耐旱灌木或鄉(xiāng)土草本，在過熟林經(jīng)營過程中，在滿足涵養(yǎng)水源的前提下，合理控制林分密度，促進(jìn)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的作用，提高整體效益。

(3) 人工刺槐林5項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與蓋度、郁閉度、凋落物厚度呈現(xiàn)不同程度的正相關(guān)，與坡度呈現(xiàn)不同程度的負(fù)相關(guān)。