中國(guó)退耕還林還草對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的影響

黃 麟,祝 萍,曹 巍

中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

生態(tài)系統(tǒng)為人類提供支持、調(diào)節(jié)、供給、文化等多種服務(wù)。近百年,劇烈的土地利用與土地覆蓋變化改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的格局、過(guò)程、功能,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其相互關(guān)系的極大變化。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以多種復(fù)雜方式相互作用,此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡、相互增益的協(xié)同是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的典型關(guān)系[1- 4]。權(quán)衡通常出現(xiàn)在供給與調(diào)節(jié)服務(wù)之間[5]或兩種調(diào)節(jié)服務(wù)之間[6-7]。探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)及其相互關(guān)系,分析其類型特征、響應(yīng)速率、時(shí)空格局、區(qū)域差異和驅(qū)動(dòng)機(jī)制等[8-9],是可持續(xù)性研究領(lǐng)域的緊迫問(wèn)題,可為土地利用決策和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理提供理論依據(jù)[10-11],通過(guò)增強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)、削弱權(quán)衡效應(yīng)[8]實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)利益最大化具有重要意義。然而,目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用、相互聯(lián)系的機(jī)理研究及尺度效應(yīng)尚不明確,仍不足以支持當(dāng)前的土地利用決策,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制有待深入研究[4,9,12]。

生態(tài)修復(fù)工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的影響是近年來(lái)的研究焦點(diǎn)。覆蓋范圍最廣、影響人數(shù)最多的退耕還林還草工程,通過(guò)提供現(xiàn)金和糧食補(bǔ)貼在耕地上造林、種草,以增加植被覆蓋、控制水土流失、改善農(nóng)民生計(jì)[13-14]。正如預(yù)期,工程在增加植被覆蓋度與碳蓄積[15-17]、控制土壤侵蝕[18-19]、增加季節(jié)產(chǎn)水量[11]、減少河流年輸沙量[20]、促進(jìn)非農(nóng)就業(yè)[21-22]等方面發(fā)揮了重要作用。然而,局部研究也得出工程對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生不利影響,比如導(dǎo)致耕地面積減少、威脅糧食安全[23-25]、加劇社會(huì)不平等[26],加劇黃土高原缺水并影響水沙關(guān)系[27],對(duì)西北土壤肥力和植被覆蓋不利[28],導(dǎo)致四川的生物多樣性損失和天然林損毀[29]。因此,退耕還林還草工程雖然提升了部分關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)功能,卻造成了生產(chǎn)和生態(tài)用地之間的潛在沖突,改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用[30],降低了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同效應(yīng),使其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其相互關(guān)系的影響存在爭(zhēng)議[11]。

退耕還林還草增加了調(diào)節(jié)服務(wù)、減少了供給服務(wù),可能加劇糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)之間的權(quán)衡[23-25]。工程規(guī)劃了退耕還林還草目標(biāo),但是,尚不清楚哪種方式能更好地增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供、同時(shí)最大限度地減少生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡[11]。迄今為止,針對(duì)退耕還林還草影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的研究集中在黃土高原、云貴高原等區(qū)域,然而較少關(guān)注其時(shí)空尺度變化[1,31]。已有研究表明,退耕還林導(dǎo)致黃土高原植被覆蓋與產(chǎn)流、土壤含水量的權(quán)衡[23],土壤含水量與林下植物多樣性之間的權(quán)衡最高,且沿降水梯度、隨林齡增加而變化[32]。碳固定、土壤保持和水文調(diào)節(jié)服務(wù)之間的關(guān)系不僅是權(quán)衡或協(xié)同,還有約束效應(yīng),其中降水供給是關(guān)鍵制約因素[31]。最大限度地減少生態(tài)系統(tǒng)碳與水服務(wù)之間不必要的權(quán)衡,被認(rèn)為是促進(jìn)黃土高原可持續(xù)發(fā)展的必要條件[33]。因此,考慮各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)關(guān)系進(jìn)而制定優(yōu)化的退耕還林還草空間規(guī)劃及相應(yīng)方案,以提高生態(tài)修復(fù)效果、減少負(fù)面影響[11]。

可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下,我們面臨著保障糧食供給的同時(shí)減弱其對(duì)生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響的挑戰(zhàn)。退耕還林還草一期工程始于1999年,并于2014年啟動(dòng)新一輪工程,林草植被恢復(fù)同時(shí)具有正、負(fù)效應(yīng),對(duì)于權(quán)衡綠色生態(tài)空間和糧食生產(chǎn)空間的土地利用與管理優(yōu)化帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)[11,25,30]。本研究擬解決以下問(wèn)題：(1)退耕還林還草地塊上生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)或支持功能是否有所提升？(2)退耕還林還草工程對(duì)工程縣域的糧食供給服務(wù)有何影響？(3)哪些區(qū)域的工程縣域糧食供給損失最小、調(diào)節(jié)服務(wù)收益最大？通過(guò)量化生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙和糧食生產(chǎn),分析成對(duì)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及其影響因素,明確協(xié)同高、權(quán)衡低的退耕還林還草最佳目標(biāo)縣域,探索哪些區(qū)域存在突出的權(quán)衡問(wèn)題,對(duì)于退耕還林還草工程的持續(xù)滾動(dòng)實(shí)施、從空間角度提出平衡綠色和糧食的土地利用方案,具有極為重要的科學(xué)意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

以實(shí)施退耕還林還草一期工程的1897個(gè)縣域作為工程區(qū)邊界,縣域尺度生態(tài)系統(tǒng)變化反映氣候變化背景下人類活動(dòng)特別是生態(tài)修復(fù)工程的綜合影響,難以拆解出具體某個(gè)工程的作用。因此,本研究基于中國(guó)科學(xué)院土地利用與土地覆被變化數(shù)據(jù)庫(kù),提取縣域內(nèi)2000—2015年耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸氐目臻g范圍作為退耕還林還草工程地塊,統(tǒng)計(jì)分析地塊上的水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙功能指標(biāo)變化,理論上可認(rèn)為是退耕還林還草工程導(dǎo)致的地塊變化。此外,由于工程必然導(dǎo)致地塊上糧食產(chǎn)量歸零,因此糧食供給服務(wù)以工程縣域?yàn)檠芯繂卧?分析工程對(duì)縣域糧食供給服務(wù)的影響。工程縣域按地理位置和地形地貌分為西南高山峽谷、川渝鄂湘山地丘陵、長(zhǎng)江中下游低山丘陵、云貴高原、瓊桂丘陵山地、新疆干旱荒漠、黃土丘陵溝壑、華北干旱半干旱、東北山地及沙地9個(gè)區(qū)域。

1.2 核心生態(tài)系統(tǒng)功能估算

1.2.1糧食供給

工程縣域的糧食供給以糧食產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源于2000—2015年《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》,空間上根據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)的時(shí)空分布特征將糧食產(chǎn)量分配至縣域耕地地塊得到糧食供給空間分布。首先,基于2000—2015年1 km空間分辨率、16 天時(shí)間分辨率的MODIS-NDVI數(shù)據(jù),通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、重投影、拼接、重采樣和S-G濾波處理,采用最大合成法得到連續(xù)時(shí)間序列的年最大NDVI數(shù)據(jù),然后疊加縣域耕地分布得到耕地年最大NDVI空間分布,最后依據(jù)NDVI值高低將縣域糧食產(chǎn)量分配到每個(gè)柵格[34]。

1.2.2土壤保持

利用土壤保持量(SC,單位：t/hm2)衡量生態(tài)系統(tǒng)減少降水導(dǎo)致土壤侵蝕的能力,表征植被作用引起的水蝕減少量,即實(shí)際地表覆蓋條件下(Msc)與極度退化狀態(tài)下土壤水蝕量(Msce)的差值。采用修正通用水土流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)估算地塊尺度土壤水蝕模數(shù)：

SC=Msc-Msce

(1)

Msc=R×K×L×S×C×P

(2)

式中,R是降雨侵蝕力因子,采用基于日降雨量資料的半月降雨侵蝕力模型[35]來(lái)估算；K為土壤可蝕性因子,采用Nomo圖法計(jì)算；L是坡長(zhǎng)因子,S是坡度因子,基于McCool等[36]和Liu等[35,37]的方法計(jì)算；C是覆蓋和管理因子,依據(jù)蔡崇法等[38]的方法計(jì)算；P為水土保持措施因子。

K=[2.1×10-4(12-OM)Ms1.14+3.25(St-2)+2.5(Pd-3)]/100×0.1317

(3)

式中,OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量百分比(%),Ms為土壤顆粒級(jí)配參數(shù),即粉粒、極細(xì)砂與粘粒百分比之積,St為土壤結(jié)構(gòu)系數(shù),Pd為滲透等級(jí),土壤屬性數(shù)據(jù)源于1∶100萬(wàn)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,λ為坡長(zhǎng)(m),θ為坡度,計(jì)算L時(shí)把道路、河流、溝塘湖泊等地表要素作為徑流的阻隔因素,改進(jìn)傳統(tǒng)算法中通過(guò)相鄰柵格間的坡向以及坡度變化率確定坡長(zhǎng)終止點(diǎn)的方法,避免坡長(zhǎng)因子的高估。f為植被覆蓋度,利用NDVI數(shù)據(jù)和像元二分法計(jì)算得到。

1.2.3防風(fēng)固沙

利用防風(fēng)固沙量(SF,單位：t/hm2)衡量生態(tài)系統(tǒng)削弱風(fēng)力、降低風(fēng)蝕量的能力,表征植被作用引起的風(fēng)蝕減少量,即實(shí)際地表覆蓋條件下(Msc)與極度退化狀態(tài)下(Msce)土壤風(fēng)蝕量的差值。在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表土壤的粗糙度、土壤可蝕性、土壤結(jié)皮的情況下,利用修正土壤風(fēng)蝕方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)估算地塊尺度土壤風(fēng)蝕模數(shù)[39,40]。

SF=Msf-Msfe

(8)

(9)

式中,Qx表示x處的沙通量(kg/m),x表示地塊長(zhǎng)度,Qmax表示風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m),s表示關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度(m)。

Qmax=109.8(WF×EF×SCF×K′×COG)

(10)

式中,WF表示氣象因子；EF表示土壤可蝕性成分因子；SCF表示土壤結(jié)皮因子；K′表示土壤糙度因子,反映地表抗風(fēng)蝕能力,即地表對(duì)風(fēng)速減弱作用及對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的影響,其大小取決于地表粗糙元的性質(zhì),通過(guò)文獻(xiàn)參數(shù)整理得到不同地表類型的土壤糙度因子值；COG表示植被因子,是枯萎植被、直立殘茬和生長(zhǎng)植被覆蓋的土壤流失比率的乘積。

(11)

(12)

(13)

式中,WS2為2 m處風(fēng)速(m/s),WSt為2 m處臨界風(fēng)速；N為風(fēng)速觀測(cè)次數(shù)；Nd為試驗(yàn)天數(shù)；ρ為空氣密度(kg/m3),g為重力加速度(m/s2)；SW為無(wú)量綱的土壤濕度因子；SD為雪覆蓋因子,即計(jì)算時(shí)段內(nèi)積雪覆蓋深度大于25.4 mm的概率。Sa為土壤砂粒含量,Si為土壤粉砂含量,Cl為土壤粘土含量,OM為有機(jī)質(zhì)含量,CaCO3為碳酸鈣含量。

1.2.4水源涵養(yǎng)

利用降水貯存量法計(jì)算森林、草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量(WR,單位：m3),以生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)效應(yīng)衡量其涵養(yǎng)水分的能力,即與裸地相比涵養(yǎng)水分的增量[41]。

WR=A×J×Re

(14)

J=J0×K

(15)

Re=R0-Rr

(16)

式中,A為森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2),J為產(chǎn)流降水量(mm),J0為年降水量(mm),K為產(chǎn)流降水量占降水總量的比例,Re為與裸地相比,生態(tài)系統(tǒng)減少?gòu)搅鞯男б嫦禂?shù),R0為產(chǎn)流降水條件下裸地降水徑流率,Rr為產(chǎn)流降水條件下生態(tài)系統(tǒng)降水徑流率。通過(guò)搜集已發(fā)表文獻(xiàn)的實(shí)測(cè)降雨產(chǎn)流臨界值,以臨近國(guó)家氣象臺(tái)站實(shí)測(cè)日降水?dāng)?shù)據(jù)修正同時(shí)期的TRMM逐日3 小時(shí)降水量數(shù)據(jù),累積單次降雨量大于降雨產(chǎn)流臨界值的數(shù)值得到單點(diǎn)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例,再與多年平均河川徑流系數(shù)建立線性關(guān)系,得到K值空間分布,同時(shí)利用坡面徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了生態(tài)系統(tǒng)與裸地相比減少?gòu)搅鞯男б嫦禂?shù)。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

利用最小二乘法分析2000—2015年退耕還林還草工程縣域糧食供給以及工程地塊上土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙的年際變化趨勢(shì)。

(17)

式中,Slp為年際變化率,Xi為第i年的功能量,i=1,2,…,n。年際變化率反映2000—2015年某像元的總體變化趨勢(shì),斜率為正表示年際變化趨勢(shì)增加,反之則為降低。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究多基于相關(guān)分析、聚類分析、極值法、情景分析、圖形比較和模型模擬等方法[4,42],從定性分析、區(qū)域差異、尺度特征、情景模擬預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)變化及其應(yīng)用等方面[43],開(kāi)展時(shí)間權(quán)衡、空間權(quán)衡、可逆權(quán)衡及多種服務(wù)之間的權(quán)衡[44]。通過(guò)空間疊置分析,基于逐像元空間自相關(guān)分析方法,探討兩種服務(wù)間相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大小及正負(fù)方向,判斷兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。

首先,計(jì)算兩類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)、一階偏相關(guān)系數(shù)和二階偏相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(18)

一階偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(19)

式中,rij·h表示在變量i和j控制變量h后的一階偏相關(guān)系數(shù),rij、rih、rjh分別為兩個(gè)變量的相關(guān)系數(shù)。

二階偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(20)

式中,rij·hm表示在變量i和j控制變量h和m后的二階偏相關(guān)系數(shù),rij·h、rim·h、rjm·h分別為兩個(gè)變量的一階偏相關(guān)系數(shù)。

如果二階偏相關(guān)系數(shù)為正,表明在排除另外兩個(gè)服務(wù)的影響下,這兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間為協(xié)同關(guān)系；相關(guān)系數(shù)為負(fù),則為權(quán)衡關(guān)系；相關(guān)系數(shù)為零,則表明無(wú)相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)的零假設(shè)檢驗(yàn)t檢驗(yàn)方法,判斷兩兩之間相互關(guān)系的顯著性,公式如下：

(21)

式中,r是對(duì)應(yīng)的偏相關(guān)系數(shù),n是樣本觀測(cè)數(shù),k是可控制變量數(shù),n-k-2是自由度,當(dāng)t>t0.05(n-k-2)時(shí)即P<0.05,拒絕原假設(shè),相關(guān)性結(jié)果顯著,當(dāng)t>t0.01(n-k-2)時(shí)即P<0.01,拒絕原假設(shè),相關(guān)性結(jié)果極顯著。t0.05(n-k-2)和t0.01(n-k2)查閱t檢驗(yàn)表確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 退耕還林還草對(duì)核心生態(tài)系統(tǒng)功能的影響

2000—2015年,我國(guó)退耕還林還草地塊的土壤保持量與水源涵養(yǎng)量均上升,而防風(fēng)固沙量則下降(圖1)。過(guò)去16年,地塊土壤保持功能以增強(qiáng)為主,38%工程縣域無(wú)變化,46%工程縣域的地塊土壤保持量增加,其中14%增勢(shì)顯著,主要分布在黃土高原、秦巴山地；約16%工程縣域的地塊土壤保持量下降,主要在云南省和湖北省。49%工程縣域的地塊水源涵養(yǎng)量增加,其中僅約3%增勢(shì)顯著；約10%工程縣域的地塊水源涵養(yǎng)量下降,主要在新疆、湖南、湖北等省域。風(fēng)蝕區(qū)515個(gè)工程縣域中,26%工程縣域的地塊防風(fēng)固沙量下降,其中約46%降勢(shì)顯著；僅約2%工程縣域的地塊防風(fēng)固沙量增加。工程縣域糧食供給以增加為主,76%工程縣域有所增加,其中16%增勢(shì)顯著,約19%工程縣域則下降。

圖1 2000—2015年退耕還林還草地塊土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙變化與工程縣域糧食供給變化空間分布Fig.1 Spatial variation patterns of soil conservation, water regulation, sand fixation in the GFGP plots, and food provision in the GFGP counties from 2000 to 2015

不同區(qū)域比較(圖2),多年平均土壤保持量最高值在西南高山峽谷區(qū)(172.2 t hm-2a-1),最低值在華北干旱半干旱區(qū)(8.2 t hm-2a-1),其年際增加趨勢(shì)在黃土丘陵溝壑區(qū)(2.7 t hm-2a-1)極為顯著,在長(zhǎng)江中下游低山丘陵區(qū)、瓊桂丘陵山地區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)、東北山地及沙地區(qū)增勢(shì)緩慢,在西南高山峽谷區(qū)、云貴高原區(qū)、新疆干旱荒漠區(qū)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。多年平均水源涵養(yǎng)量最高值在瓊桂丘陵山地區(qū)(22.7 m3hm-2a-1),最低值在華北干旱半干旱區(qū)(2.0 m3hm-2a-1),各區(qū)域均呈增加態(tài)勢(shì),特別是瓊桂丘陵山地區(qū)(0.34 m3hm-2a-1)、云貴高原區(qū)(0.29 m3hm-2a-1),而新疆干旱荒漠區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)的增勢(shì)緩慢且波動(dòng)較大。多年平均防風(fēng)固沙量最高值在新疆干旱荒漠區(qū)(40.7 t hm-2a-1),最低值在黃土丘陵溝壑區(qū)(8.63 t hm-2a-1),各區(qū)域均呈波動(dòng)減少態(tài)勢(shì),特別是新疆干旱荒漠區(qū)(3.75 t hm-2a-1)。

2.2 退耕還林還草地塊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

從兩兩相關(guān)關(guān)系來(lái)看(圖3),約28%工程縣域糧食供給與地塊水源涵養(yǎng)之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,其中86%工程縣域?yàn)轱@著協(xié)同關(guān)系(55%極顯著),14%為顯著空間權(quán)衡關(guān)系。約21%工程縣域糧食供給與地塊土壤保持之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,其中87%工程縣域?yàn)轱@著協(xié)同關(guān)系(50%極顯著),13%為顯著空間權(quán)衡關(guān)系。風(fēng)蝕區(qū)515個(gè)工程縣域中,約44%工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,其中87%工程縣域?yàn)轱@著權(quán)衡關(guān)系(34%極顯著),13%為顯著空間協(xié)同關(guān)系。通過(guò)空間疊置分析,約31%工程縣域?yàn)槎嘀厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū),其中43%(292個(gè)縣域)為雙重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū),53%(357個(gè)縣域)為三重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū),約4%(31個(gè)縣域)為四重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū)。

2.3 退耕還林還草影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時(shí)空分異特征

不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)供給與調(diào)節(jié)服務(wù)的相關(guān)關(guān)系差異明顯(圖4)。退耕還林還草導(dǎo)致工程縣域糧食供給與地塊土壤保持的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)4種變化趨勢(shì)：1)西南高山峽谷區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)、云貴高原區(qū)、新疆干旱荒漠區(qū)由權(quán)衡轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同；2)長(zhǎng)江中下游低山丘陵區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)的權(quán)衡關(guān)系輕微地減弱；3)黃土丘陵溝壑區(qū)、東北山地及沙地區(qū)的權(quán)衡增強(qiáng)；4)瓊桂丘陵山地區(qū)是相互增益的協(xié)同關(guān)系增強(qiáng)。從波動(dòng)幅度和離散程度來(lái)看,新疆干旱荒漠區(qū)、西南高山峽谷區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)、云貴高原區(qū)均大于其他區(qū)域。

退耕還林還草導(dǎo)致工程縣域糧食供給與地塊水源涵養(yǎng)的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)5種變化趨勢(shì)：1)西南高山峽谷區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)、瓊桂丘陵山地區(qū)的權(quán)衡減弱并趨向協(xié)同；2)長(zhǎng)江中下游低山丘陵區(qū)的極顯著權(quán)衡減弱；3)云貴高原區(qū)的權(quán)衡增強(qiáng)；4)新疆干旱荒漠區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)的極顯著協(xié)同減弱；5)黃土丘陵溝壑區(qū)、東北山地及沙地區(qū)從協(xié)同變?yōu)闄?quán)衡而近幾年又趨于協(xié)同。

退耕還林還草導(dǎo)致工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)3種變化趨勢(shì)：1)新疆干旱荒漠區(qū)、東北山地及沙地區(qū)從權(quán)衡轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同；2)黃土丘陵溝壑區(qū)從協(xié)同轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡；3)華北干旱半干旱區(qū)的相關(guān)關(guān)系在協(xié)同與權(quán)衡之間波動(dòng)。

圖4 2000—2015年不同區(qū)域退耕還林還草地塊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的年際變化Fig.4 The temporal changes of pairwise ecosystem services in the GFGP plots in different regions from 2000 to 2015

3 討論

退耕還林還草工程增加了對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能提高至關(guān)重要的林地、草地,使得退耕還林還草地塊上糧食供給服務(wù)呈現(xiàn)不同程度減少[26,45],也使得這些地塊上供給與調(diào)節(jié)服務(wù)之間呈現(xiàn)極顯著權(quán)衡關(guān)系。然而,由于實(shí)施工程的耕地地塊多屬于水土流失、沙化、鹽堿化、石漠化嚴(yán)重并且糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)的陡坡耕地[46],因此,從縣域尺度糧食供給變化來(lái)看,約80%工程縣域糧食供給增加,80%以上縣域的糧食供給與地塊水源涵養(yǎng)、土壤保持服務(wù)之間表現(xiàn)為顯著協(xié)同關(guān)系,說(shuō)明大部分工程縣域能夠提供多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

不同于水源涵養(yǎng)、土壤保持的上升趨勢(shì)及其與供給服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系,風(fēng)蝕區(qū)防風(fēng)固沙下降的工程縣域數(shù)量遠(yuǎn)高于上升的縣域,約38%工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙之間呈現(xiàn)顯著權(quán)衡關(guān)系,僅6%為顯著協(xié)同關(guān)系。分析原因發(fā)現(xiàn),近16年風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度減弱特別是沙塵天氣易發(fā)生的春季風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度減弱,以及對(duì)北方防風(fēng)固沙服務(wù)最重要的草地和沙地植被恢復(fù),是北方土壤風(fēng)蝕量下降的重要原因[46]。通過(guò)與極度退化土地風(fēng)蝕量對(duì)比得到的防風(fēng)固沙量,其大小取決于不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤風(fēng)蝕量變化的相對(duì)大小。雖然,春季植被蓋度變化與防風(fēng)固沙量呈顯著正相關(guān),然而,中度及以上植被覆蓋增加的區(qū)域呈現(xiàn)植被覆蓋變化與防風(fēng)固沙能力的正相關(guān)關(guān)系,中度以下植被覆蓋度變化程度與防風(fēng)固沙能力則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[48-49]。因此,植被覆蓋好轉(zhuǎn)并不意味著防風(fēng)固沙功能提升。

當(dāng)然,北方風(fēng)蝕區(qū)退耕還林還草地塊防風(fēng)固沙功能下降進(jìn)一步反映了干旱半干旱區(qū)開(kāi)展不同生態(tài)修復(fù)措施的生態(tài)效應(yīng)存在爭(zhēng)議,退耕還林、退耕還草、封育/封禁等都會(huì)產(chǎn)生差異效果[28],生態(tài)修復(fù)需遵循“宜草則草、宜荒則荒、宜林則林”原則,以及多重服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系評(píng)價(jià)的重要性。本文利用逐像元空間自相關(guān)分析來(lái)說(shuō)明兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,然而,多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的檢測(cè)仍然是有限的,很少考慮聯(lián)合權(quán)衡,一個(gè)最優(yōu)的、多目標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)管理必須最大限度地提高協(xié)同、盡量減少權(quán)衡。因此,還需要綜合考慮氣候調(diào)節(jié)、木材和纖維、基因和生物資源、病蟲害調(diào)控乃至文化服務(wù)等,在空間上對(duì)多個(gè)服務(wù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及權(quán)衡,為區(qū)域生態(tài)修復(fù)與管理提供決策支持[11]。

對(duì)于表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域,長(zhǎng)江中下游低山丘陵區(qū)、云貴高原區(qū)部分工程縣域退耕還林還草地塊的調(diào)節(jié)和供給服務(wù)均有不同程度的削弱,此類區(qū)域成為水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、土壤保持、糧食供給的低值中心,同時(shí)也加大了糧食供給與生態(tài)需求的矛盾,此為造成權(quán)衡程度較高的原因之一,也由此說(shuō)明退耕還林還草工程的區(qū)域適宜性和可持續(xù)性是工程持續(xù)開(kāi)展必須考慮的重要因素。而對(duì)于表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的區(qū)域,即使近年已經(jīng)取得了多重生態(tài)成效,未來(lái)仍需加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)與管理。

4 結(jié)論

退耕還林還草工程實(shí)施近十幾年,工程縣域糧食供給與退耕還林還草地塊的土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時(shí)空變化。工程縣域地塊土壤保持量與水源涵養(yǎng)量均上升,而防風(fēng)固沙量則下降。土壤保持年際變化在黃土丘陵溝壑區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)等區(qū)域呈現(xiàn)明顯地波動(dòng)增加態(tài)勢(shì),而在西南高山峽谷區(qū)、云貴高原區(qū)、新疆干旱荒漠區(qū)等區(qū)域呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。水源涵養(yǎng)服務(wù)在各區(qū)域均呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì),而防風(fēng)固沙服務(wù)在各區(qū)域均呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì)。不同區(qū)域退耕還林還草導(dǎo)致糧食供給與土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)差異地變化趨勢(shì)。工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)性,糧食供給與水源涵養(yǎng)之間、糧食供給與土壤保持之間存在著顯著的正相關(guān)性。