王修文,于書霞,史志華,2,王 玲,*
1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070 2 中國(guó)科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心, 西安 710061
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過(guò)程所形成的維持人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用,直接或間接地為人類生產(chǎn)生活提供各種產(chǎn)品和服務(wù)[1- 2]。聯(lián)合國(guó)于2001年實(shí)施了千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估國(guó)際合作項(xiàng)目,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)四大類[3]。一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著復(fù)雜的交互作用[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)本身的復(fù)雜性以及人類對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的差異性,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化趨勢(shì)出現(xiàn)差異,兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間表現(xiàn)出權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[5]。權(quán)衡關(guān)系是指一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提高或增加,引起了另一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的減弱或降低,呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的關(guān)系;協(xié)同關(guān)系是指兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有同樣的上升或降低趨勢(shì),一種服務(wù)的增加會(huì)對(duì)另一種服務(wù)產(chǎn)生一定的促進(jìn)和增幅作用[6- 7]。相對(duì)于研究孤立的各項(xiàng)服務(wù),厘清服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及其時(shí)空變化特征,可為實(shí)現(xiàn)面向不同需求的服務(wù)總體效益最大化提供科學(xué)依據(jù)。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究最初關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求偏好對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)所產(chǎn)生的影響[8],這些研究通常是靜態(tài)的,即通過(guò)分析某一時(shí)間點(diǎn)區(qū)域內(nèi)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,闡明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體現(xiàn)狀[9]。然而,單一時(shí)間點(diǎn)的研究無(wú)法反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化,因此越來(lái)越多的研究開始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系隨時(shí)間的變化情況[10]。同時(shí),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間分布的動(dòng)態(tài)變化也成為研究的熱點(diǎn)[11- 13]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及其空間分布特征受到研究區(qū)的地理位置和生態(tài)條件、研究尺度以及人為活動(dòng)等的影響[11-14]。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)性分析是確定其權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系最常用的方法:基于市縣級(jí)行政單元的相關(guān)分析,其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)量豐富且結(jié)果能夠?yàn)檎跋嚓P(guān)單位的政策實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)[15];基于像元的相關(guān)分析雖然工作量相對(duì)較大,但能夠在不同尺度下分析權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間分布特征及其差異[16-17]。兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析常用SWAT、CASA等[18]模型進(jìn)行研究,而多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的空間分異則通過(guò)冷熱點(diǎn)分析和復(fù)雜互動(dòng)建模展現(xiàn)[19]。在此基礎(chǔ)上,可通過(guò)建立生態(tài)函數(shù)和優(yōu)化模型,模擬生態(tài)流路徑和優(yōu)化方法,研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)緩和權(quán)衡和增強(qiáng)協(xié)同的目的[20]。
我國(guó)南方紅壤區(qū)水熱資源豐富,是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地[21]。然而,該區(qū)由于具有降水時(shí)空分布不均、景觀破碎、人口密度高以及農(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度大等特征,水土流失和土壤污染嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低,威脅區(qū)域農(nóng)業(yè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[22]。退耕還林工程的實(shí)施對(duì)該區(qū)的生態(tài)現(xiàn)狀帶來(lái)了較大的改變[23]。研究表明,退耕還林工程在增加生態(tài)系統(tǒng)碳匯、抑制水土流失和增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益方面效果顯著[24]。林地面積增加可增強(qiáng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production, NPP),但同時(shí)也會(huì)增大水分蒸散量[25],進(jìn)而影響產(chǎn)水服務(wù)(Water Yield,WY),產(chǎn)水量的變化對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)服務(wù)(Crop Production,CP)也將帶來(lái)一定影響[26]。此外,林地通過(guò)樹冠截留削弱降雨強(qiáng)度,根系增加水分入滲進(jìn)而減少水土流失[27],增強(qiáng)土壤保持服務(wù)(Soil Conservation,SC)??梢?jiàn),NPP、WY、CP和SC之間存在著復(fù)雜的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系。鑒于此,本文以南方紅壤區(qū)為研究對(duì)象,旨在(1)分析NPP、WY、CP和SC四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化對(duì)退耕還林的響應(yīng);(2)闡明退耕還林前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的變化規(guī)律;(3)揭示退耕還林對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間分布特征的影響。研究結(jié)果可為合理評(píng)估退耕還林工程的生態(tài)效益、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論依據(jù)。
圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area
南方紅壤區(qū)位于我國(guó)亞熱帶地區(qū),以大別山為北面屏障,巫山、巴山為西障,西南面以云貴高原為界,東南直抵海域,地理位置介于21.83°—31.33°N,107.82°—122.78°E之間,包括長(zhǎng)江中下游和珠江中下游以及福建、浙江、海南等省份,分布面積約為80萬(wàn)km2,其中丘陵山地面積約占一半,地形起伏大。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均溫度19.5 ℃,年平均降水量約為1593 mm,是全國(guó)平均的2—3倍,且季節(jié)分布不均衡,降雨集中在4—6月。水熱資源豐富,區(qū)位條件優(yōu)越,是熱帶亞熱帶經(jīng)濟(jì)果林、糧食及經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的主要基地。同時(shí)人口密度高,人地矛盾突出,導(dǎo)致自然植被破壞嚴(yán)重。
本文中量化2000年和2015年的NPP、WY、CP和SC四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),需要?dú)w一化植被指數(shù)(NDVI)、氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤侵蝕數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。退耕還林自1999年開始在四川、陜西和甘肅進(jìn)行試點(diǎn)后,于2002年確定全面啟動(dòng)該項(xiàng)工程。因此本文以2000年反映退耕還林前階段,2015年反映退耕還林實(shí)施后的穩(wěn)定階段。
氣象數(shù)據(jù)是全國(guó)2400多個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè),通過(guò)整理、計(jì)算和空間插值處理生成,插值采用ArcGIS空間插值工具;社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要獲取各市級(jí)行政區(qū)的農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量、人口數(shù)據(jù),以及采取的農(nóng)業(yè)種植方式和水土保持措施;土地利用數(shù)據(jù)是以Landsat TM/ETM+遙感影像作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行土地利用分類獲得;NDVI來(lái)自于MODIS產(chǎn)品;估算產(chǎn)水量過(guò)程中還需土壤的最大根系埋藏深度、根系深度和土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)據(jù),并采用InVEST指導(dǎo)書中的田間持水量與萎蔫點(diǎn)之間的差值得到植物可利用含水量。數(shù)據(jù)來(lái)源及分辨率見(jiàn)表1。
本文利用CASA模型、InVEST模型、修正通用土壤流失方程(RUSLE)來(lái)定量估算南方紅壤區(qū)NPP、WY、CP和SC四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量,并計(jì)算退耕還林前后,四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化率。以此為基礎(chǔ),結(jié)合基于像元的偏相關(guān)系數(shù)法和ArcGIS、ENVI軟件,對(duì)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系進(jìn)行定量評(píng)估。
表1 本文中數(shù)據(jù)來(lái)源及其分辨率
1.3.1凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)
生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力服務(wù)常用凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity,NPP)表示。凈初級(jí)生產(chǎn)力是綠色植物在光合作用后產(chǎn)生的有機(jī)物總量去除呼吸作用消耗的有機(jī)物后的實(shí)際累積量。本文基于Potter等建立的估算區(qū)域植被凈生產(chǎn)力(Carnegie Ames-Stanford Approach,CASA)模型對(duì)NPP進(jìn)行了有效估算[29- 30]。在模型計(jì)算中,NPP是由植物實(shí)際所吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用效率(ε)所決定,模型如下:
NPP(x,t)=APAR(x,t)·ε(x,t)
式中:t表示時(shí)間,x表示空間位,NPP(x,t)是x像元上的植被t年的凈初級(jí)生產(chǎn)力(gC/m2);APAR(x,t)是x像元上植被在t年吸收的光合有效輻射(MJ/m2),主要受太陽(yáng)總輻射量和主動(dòng)吸收比的影響,利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)計(jì)算得到;ε(x,t)是x像元上植被t年實(shí)際光能利用率(gC/MJ),受溫度、水分和最大光能利用效率影響,參考文獻(xiàn)中的計(jì)算方法得到[31],計(jì)算方法如下:
ε(x,t)=T1(x,t)·T2(x,t)·W(x,t)·εmax
其中,T1(x,t)和T2(x,t)均為溫度脅迫系數(shù),其中T1(x,t)表示低溫和高溫條件下,植物內(nèi)在的生化作用對(duì)光合作用的限制,T2(x,t)表示氣溫從最適溫度向高溫和低溫變化時(shí)對(duì)光合作用的影響。W(x,t)為水分脅迫系數(shù),εmax為理想條件下的最大光能轉(zhuǎn)化率。T1(x,t)、T2(x,t)和εmax均采用文獻(xiàn)中的計(jì)算方法。以上參數(shù)的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[29]。
1.3.2產(chǎn)水(WY)
InVEST模型中產(chǎn)水量評(píng)估模塊是基于Budyko水熱耦合平衡假設(shè)(Budyko, 1974)和年平均降水量數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)水量(Water Yield,WY)的估算。公式如下:
式中:Y(x)表示柵格單元x的年產(chǎn)水量,AET(x)表示柵格單元x的年實(shí)際蒸散量,P(x)表示柵格單元x的年降水量。InVEST模型是計(jì)算產(chǎn)水量常用的模型,相關(guān)參數(shù)包括:土地利用、降雨量、蒸散量、土壤最大根系埋藏深度、植物可利用水量和生物物理系數(shù)。植物可利用水量根據(jù)Saxton在1986年的田間持水量的研究結(jié)果計(jì)算得到[32],當(dāng)土壤水勢(shì)在10—1500 kPa區(qū)間時(shí)和土壤含水量之間的關(guān)系如下:
φ=AθB
式中:φ表示土壤水勢(shì)(kPa),θ表示土壤水含量(m3/m3),A和B是土壤質(zhì)地相關(guān)系數(shù)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明A和B的值通過(guò)粘粒和砂粒百分比(美國(guó)土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn))的多元非線性逐步回歸分析得到[33]:
A=exp(a+b·CL+c·SA2+d·SA2·CL)·100
B=e+f·CL2+g·SA2·CL
式中:CL表示粘粒的含量(%);SA表示砂粒的含量(%)。a,b,c,d,e,f,g均為常數(shù)系數(shù)。a=-4.396,b=-0.0715,c=-4.88×10-4,d=-4.285×10-5,e=-3.14,f=-0.00222,g=-3.484×10-5。當(dāng)φ=30 kPa時(shí)的土壤含水量作為田間持水量,當(dāng)φ=1500 kPa時(shí)的土壤含水量作為萎蔫點(diǎn)[32],田間持水量與萎蔫點(diǎn)的差值即為植被可利用水量。
1.3.3農(nóng)作物生產(chǎn)(CP)
本文參考InVEST模型中農(nóng)作物生產(chǎn)模塊的計(jì)算原理[34],通過(guò)統(tǒng)計(jì)年鑒中市級(jí)單元的各種農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求和,用單位面積的農(nóng)作物產(chǎn)量來(lái)估計(jì)農(nóng)作物生產(chǎn)(Crop production,CP),計(jì)算公式如下:
式中:F(x)表示第x市的農(nóng)作物生產(chǎn)服務(wù)(t/hm2);CYi表示第i種農(nóng)作物的產(chǎn)量(t);S(x)表示第x市的作物耕種面積(hm2);n表示共有n種農(nóng)作物。
1.3.4土壤保持(SC)
生態(tài)系統(tǒng)中的土壤保持服務(wù)通常用土壤保持量(Soil Conservation,SC)進(jìn)行評(píng)估,本文中采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)估算南方紅壤區(qū)土壤保持量[35]。,模型計(jì)算公式如下:
SC=Ap-Ar=R·K·LS·(1-C·P)
式中:SC為土壤保持量(t/hm2),由潛在侵蝕(Ap)與實(shí)際侵蝕(Ar)之差來(lái)決定。潛在侵蝕指不采取任何水土保持措施下的土壤侵蝕量(t/hm2);實(shí)際侵蝕指考慮水土保持措施條件下的土壤侵蝕量(t/hm2)。R為降雨侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1);K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1);LS為坡長(zhǎng)坡度因子(無(wú)量綱);C為植被覆蓋因子(無(wú)量綱);P為水土保持措施因子(無(wú)量綱)。各因子的詳細(xì)計(jì)算方法參考以下文獻(xiàn)[36-37]。
1.3.5偏相關(guān)性分析
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系在空間上的差異通過(guò)偏相關(guān)性分析得到。為保證運(yùn)算過(guò)程中四種服務(wù)的一致性,本文將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)統(tǒng)一到市級(jí)進(jìn)行運(yùn)算分析。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互影響,同時(shí)受年降水量和植被覆蓋度的影響[38]。因此,在分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系前,先消除降水量和植被覆蓋度的影響。其中植被覆蓋度用NDVI表示,然后計(jì)算NPP、CP、SC和WY四種服務(wù)之間的偏相關(guān)系數(shù)。具體步驟如下[39]:
(1)簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù):
(2)一級(jí)偏相關(guān)系數(shù):
(3)二級(jí)偏相關(guān)系數(shù):
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。
1.3. 空間自相關(guān)性分析
通過(guò)空間自相關(guān)分析,進(jìn)一步研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間集聚特征,從而為生態(tài)治理措施提供參考,促進(jìn)區(qū)域生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。本文使用全局和局部空間自相關(guān)兩種方法分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間異質(zhì)性[40],該分析均在ArcGIS、GeoDa 平臺(tái)下完成。本文中的計(jì)算采用的是單變量空間自相關(guān)分析,輸入的數(shù)據(jù)為偏相關(guān)分析中得到的反映兩兩服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的偏相關(guān)系數(shù)r,基于計(jì)算得出的Moran′sI指數(shù),說(shuō)明南方紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間自相關(guān)性,再繪制空間關(guān)聯(lián)局部指標(biāo)(Local Indicators of Spatial Association,LISA)進(jìn)行局部自相關(guān)分析。
(1)全局空間自相關(guān)
全局空間自相關(guān)反映某種屬性值在整個(gè)研究區(qū)是否存在空間關(guān)聯(lián),判斷其在空間上是否具有聚集特征。本文采用全局Moran′sI指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行全局自相關(guān)檢驗(yàn),其計(jì)算公式為[41]:
(2)局部空間自相關(guān)
局部空間自相關(guān)通過(guò)度量每個(gè)區(qū)域與其周邊相鄰區(qū)域的局部空間關(guān)聯(lián)和集聚程度,識(shí)別局部區(qū)域是否存在空間異質(zhì)性。采用LISA圖衡量某區(qū)域與其相鄰區(qū)域的相近和差異程度。其計(jì)算公式為[40]:
式中:zi、zj為區(qū)域i、j上觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化。
退耕還林前后,NPP、CP、SC和WY四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布格局如圖2所示。退耕還林前,東南沿海以及西南部地區(qū)的NPP較強(qiáng),而在退耕還林后,西南部的NPP明顯降低,同時(shí)東北部地區(qū)的NPP在逐漸增強(qiáng),原因是受到地區(qū)的城市化建設(shè)的影響[42]。從全局來(lái)看,退耕還林后CP在3.2—4.9 t/hm2之間的區(qū)域增多,而小于3.2 t/hm2的區(qū)域明顯減少,主要由于15年間的育種和耕作技術(shù)的提升,同時(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的逐漸普及也帶來(lái)了一定的影響。退耕還林后SC小于 3000 t/hm2的區(qū)域明顯減少,而大于5000 t/hm2的區(qū)域增多,說(shuō)明退耕還林對(duì)土壤保持能力較弱的地區(qū)帶來(lái)了明顯的成效。退耕還林后,WY明顯增強(qiáng),大于700 mm的區(qū)域由東南沿海地區(qū)擴(kuò)展到東北部和中部地區(qū),同時(shí)西南部地區(qū)的WY也明顯增強(qiáng),原因是年降水量存在差異,以及植被覆蓋的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的影響[42]。退耕還林前后,除WY外的三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體格局未發(fā)生巨大變化,NPP的整體格局呈現(xiàn)“北低南高,西低東高”的分布特征;CP呈現(xiàn)“中部高,東西部低”的趨勢(shì);對(duì)于SC,整體呈現(xiàn)“北低南高,西北低東北高”特征;WY在退耕還林前后存在顯著差異,退耕還林前呈現(xiàn)出東南部居高的特征,退耕還林后,“東北和西南高,中部低”的分布特征較為明顯。
不同區(qū)域的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化率也存在一定差別(圖3)。NPP在空間上呈現(xiàn)北部地區(qū)增強(qiáng),西南部的部分地區(qū)減弱的趨勢(shì);對(duì)于CP,呈現(xiàn)中部增強(qiáng)、沿海及西南地區(qū)減弱;SC除南部地區(qū)減弱,其余地區(qū)均在增強(qiáng);而WY的地域性差異較為明顯,沿海地區(qū)及西北部地區(qū)減弱,東北及西南部地區(qū)增強(qiáng)。
圖2 退耕還林前后南方紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in red soil region of southern China before and after GTGPNPP(Net Primary Production)指凈初級(jí)生產(chǎn)力服務(wù)量;CP(Crop Production)指農(nóng)作物生產(chǎn)服務(wù)量;SC(Soil Conservation)指土壤保持服務(wù)量;WY(Water Yield)指產(chǎn)水服務(wù)量
圖3 四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化率的空間分布Fig.3 Spatial distribution of change rate of four ecosystem services
2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系隨時(shí)間的變化規(guī)律
依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)和顯著性水平,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系劃分為6個(gè)等級(jí)[18],即極顯著協(xié)同(r>0, 0.01
0, 0.05
0,P>0.1)、權(quán)衡(r<0,P>0.1)、顯著權(quán)衡(r<0, 0.05
表2顯示,退耕還林前研究區(qū)的NPP與CP(r=0.466,P=0.018)、WY(r=0.315,P=0.025)間為極顯著協(xié)同關(guān)系,其余均不顯著;而在退耕還林后,NPP與WY(r=-0.279,P=0.059)間為顯著權(quán)衡關(guān)系,NPP與CP之間為極顯著協(xié)同關(guān)系(r=0.332,P=0.035),同時(shí)還出現(xiàn)了SC和WY間的極顯著權(quán)衡關(guān)系(r=-0.427,P=0.024)。
表2 南方紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相關(guān)關(guān)系
退耕還林前,在城市擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響下,林地面積逐漸減少,截留雨水和保護(hù)坡地作用減弱,農(nóng)作物生長(zhǎng)受到影響,CP降低,同時(shí)NPP水平也降低,因此NPP與CP間具有較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系。林地既能涵養(yǎng)水源,又能增加蒸騰作用帶來(lái)的水分流失,因此林地的減少會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的供水能力,退耕還林前NPP與WY間為協(xié)同關(guān)系,表明林地的減少會(huì)降低生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水功能。退耕還林工程實(shí)施后,對(duì)該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能帶來(lái)一定的影響。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高,單位面積的農(nóng)作物產(chǎn)量增加,CP增強(qiáng),同時(shí)退耕還林后,NPP得到增強(qiáng)[43],所以該階段的NPP和CP間為較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系。林地逐漸增加,需水量增多,產(chǎn)水量減少,生態(tài)系統(tǒng)的WY降低[44],因此NPP和WY在林地穩(wěn)定階段是呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。與退耕還林前不同的是,SC和WY之間呈顯著的負(fù)相關(guān),退耕還林帶來(lái)WY降低的同時(shí),一定程度上遏制了土壤侵蝕,增強(qiáng)SC,所以SC與WY間為權(quán)衡關(guān)系。
2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間分布特征
圖4表明,由于不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給對(duì)象和供給量有所差異,導(dǎo)致權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系在空間上存在差異,這給保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)政策的實(shí)施帶來(lái)一定難度。南方紅壤區(qū)的NPP與CP間協(xié)同關(guān)系所占區(qū)域更多,其中顯著協(xié)同主要分布在東北部地區(qū),說(shuō)明NPP的增強(qiáng)能夠帶來(lái)CP的增強(qiáng)。NPP與SC在研究區(qū)的西南部為權(quán)衡關(guān)系,而在東北部為協(xié)同關(guān)系,這與不同地區(qū)的耕作和發(fā)展模式相關(guān)。研究區(qū)的西南部多為耕地與山地的交錯(cuò)分布,造成水土流失面積較大,因此SC較低,NPP較高,NPP與SC呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系;東北部的人口聚居地較多,人為活動(dòng)造成的侵蝕嚴(yán)重,因此NPP和SC均較低,SC與NPP在該地區(qū)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系。NPP與WY在東南沿海地區(qū)為權(quán)衡關(guān)系,其余地區(qū)均為協(xié)同關(guān)系,其中以分布于東北部地區(qū)的極顯著協(xié)同區(qū)域占比較大。CP與SC僅在南部和中部少數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,其余地區(qū)均為權(quán)衡關(guān)系。WY與CP和WY與SC的權(quán)衡與協(xié)同在空間上的差異較大,WY與CP的協(xié)同關(guān)系所占區(qū)域略多于權(quán)衡關(guān)系,其中極顯著協(xié)同所占區(qū)域較多,協(xié)同關(guān)系大多分布于東北部的江西、浙江和福建三省的交界處,權(quán)衡關(guān)系集中于西南部。WY與SC的協(xié)同關(guān)系所占區(qū)域更多,其中極顯著和顯著協(xié)同位于東北部和西南部,權(quán)衡關(guān)系多位于東南沿海地區(qū),說(shuō)明WY與SC的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系受到區(qū)域的地理位置和生態(tài)狀況的影響。
圖4 南方紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同F(xiàn)ig.4 Tradeoffs and synergies of ecosystem services in red soil region of southern China
如表3所示,Moran′sI指數(shù)均大于0,表明四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系均為正空間自相關(guān)。其中CP-SC關(guān)系的Moran′sI指數(shù)最小,為0.012,說(shuō)明該權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間自相關(guān)性較弱;而NPP-SC和NPP-WY關(guān)系的Moran′sI指數(shù)均大于0.7,說(shuō)明該兩種權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系存在較強(qiáng)的空間自相關(guān)性。并且,全區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間異質(zhì)性顯著(圖5)。從NPP-CP間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的高高集聚反映協(xié)同關(guān)系的地區(qū)周圍同樣是協(xié)同關(guān)系,主要發(fā)生在研究區(qū)的東北部地區(qū),表明該地區(qū)的NPP-CP的協(xié)同關(guān)系呈現(xiàn)集聚特征,而低低集聚特征反映出NPP-CP為權(quán)衡關(guān)系的地區(qū)周圍同樣為權(quán)衡關(guān)系,該特征主要發(fā)生在研究區(qū)的西北部地區(qū)。NPP-SC和NPP-WY關(guān)系的集聚特征分布較為類似,協(xié)同關(guān)系集聚在北部地區(qū),而權(quán)衡關(guān)系主要集聚在南部沿海地區(qū)及西南部地區(qū);CP-SC關(guān)系的空間異質(zhì)性顯著,僅在中部的2個(gè)單元中呈現(xiàn)高高集聚和西南部的3個(gè)單元中呈現(xiàn)出低低集聚特征。WY-CP關(guān)系的高高集聚區(qū)域是在中北部地區(qū),低低集聚區(qū)域分散在南部地區(qū)。但WY-SC間關(guān)系的高高集聚區(qū)域在西南部和東北部的少量區(qū)域,低低集聚分散在中部和東部區(qū)域,兩種集聚均較為分散。對(duì)于四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),高高集聚與低低集聚范圍均較小,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的空間異質(zhì)性較為顯著。
表3 南方紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的Moran′s I
圖5 南方紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系局部LISA圖Fig.5 Local LISA diagram of ecosystem service tradeoffs and synergies in the red soil region of southern China
由于降水分布時(shí)空不均勻以及不合理開發(fā)利用造成的土地退化,導(dǎo)致南方紅壤區(qū)的生態(tài)環(huán)境惡化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能衰退[22]。退耕還林的實(shí)施從空間格局和功能結(jié)構(gòu)的完整性方面改善了生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力[45]。退耕還林前后各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量存在較大差異。退耕還林后,全區(qū)的NPP增強(qiáng)區(qū)域占60.1 %,CP增強(qiáng)區(qū)域占54.1 %,SC增強(qiáng)區(qū)域占88.8 %,WY增強(qiáng)區(qū)域占70.5 %。退耕還林對(duì)SC的影響最大,原因是林地保持水土的能力,而CP的增強(qiáng)有部分原因是15年間耕作方式變化和耕作技術(shù)的提高。由于植被覆蓋度的增加,林木對(duì)降雨截留的能力增強(qiáng),地表徑流強(qiáng)度降低[46-47],因此減少了土壤侵蝕,土壤狀況得到改善,生態(tài)狀況明顯提升,NPP、SC和WY增強(qiáng)。森林作為生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,是大自然最穩(wěn)定和豐富的碳匯庫(kù)、基因庫(kù)、資源庫(kù)和蓄水庫(kù)等,在固碳釋氧、保持水土、涵養(yǎng)水源和維持生物多樣性方面具有重要價(jià)值[48]。
退耕還林后,SC與WY之出現(xiàn)較強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系。但在不同地區(qū),SC與WY之間關(guān)系并不相同,如王曉峰[49]在北方風(fēng)沙區(qū)及黃土高原區(qū)得出這二者之間為顯著協(xié)同關(guān)系,錢彩云[50]在甘肅白龍江流域研究發(fā)現(xiàn)這二者之間也是權(quán)衡關(guān)系,王鵬濤[18]在漢江上游研究結(jié)果顯示部分區(qū)域?yàn)闄?quán)衡關(guān)系,部分區(qū)域?yàn)閰f(xié)同關(guān)系。其可能原因是不同地域的自然及社會(huì)環(huán)境存在差異,南方地區(qū)的山地較多,坡度變化較大,景觀較為破碎,而北方地區(qū)土地較為平整,同時(shí)不同地區(qū)的耕作方式也不同,致使研究結(jié)果表現(xiàn)出區(qū)域上的明顯差異性[51],反映出人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的影響。植樹造林對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的作用非常明顯,雖然在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系中也會(huì)帶來(lái)一定的負(fù)面影響,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)來(lái)看,植樹造林有利于生態(tài)穩(wěn)定和人類所需服務(wù)的供給[52]。
研究過(guò)程中存在部分?jǐn)?shù)據(jù)可獲取性低的問(wèn)題,如農(nóng)作物生產(chǎn)估算模型相關(guān)數(shù)據(jù)只有縣域數(shù)據(jù),導(dǎo)致結(jié)果精確度不高,對(duì)縣以下單元的農(nóng)作物生產(chǎn)服務(wù)的差異性表現(xiàn)不顯著,因此難以表達(dá)與其余三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的局部區(qū)域特征。未來(lái)可增加數(shù)據(jù)獲取途徑,比如問(wèn)卷調(diào)查,搜集到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充研究。本文中的降水量與蒸散發(fā)數(shù)據(jù)是基于氣象站點(diǎn)得到,由于氣象站點(diǎn)數(shù)量少且分布不均勻,因此在插值得到的結(jié)果精度不高,進(jìn)而影響產(chǎn)水服務(wù)結(jié)果精度。因此未來(lái)若能獲取更密集的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將有利于數(shù)據(jù)精度的提高。此外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系具有尺度效應(yīng)。大尺度上的研究可以對(duì)國(guó)家或地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系進(jìn)行整體評(píng)估,而小尺度的研究則有利于更加精準(zhǔn)的解決土地資源的使用矛盾。多時(shí)間尺度的結(jié)合研究也能促進(jìn)對(duì)不同階段的生態(tài)系統(tǒng)變化的了解,分析社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境間的關(guān)系,同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系全面化和精確化研究,能更加靈活準(zhǔn)確的制定優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略決策。
本文定量計(jì)算了南方紅壤區(qū)退耕還林前后的四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),分析其時(shí)空變化特征,同時(shí)定量評(píng)價(jià)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系在時(shí)空上的變化特征,并探討了權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間集聚特征。相關(guān)結(jié)論及建議如下:
(1)規(guī)范經(jīng)濟(jì)林開發(fā)。退耕還林后,南方紅壤區(qū)SC總體增強(qiáng),但局部地區(qū)SC仍有減弱趨勢(shì)。退耕還林的實(shí)施是以“生態(tài)優(yōu)先”為原則,但一些地區(qū)為了追求短期和快速的利益,存在向侵蝕劣地“要地”,盲目擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)林種植面積的問(wèn)題。并且,開發(fā)過(guò)程中特別是開發(fā)初期,缺乏水土保持措施,同時(shí)南方紅壤區(qū)的山地坡度較大,降水集中且強(qiáng)度大,導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。因此需要研發(fā)經(jīng)濟(jì)林下水土保持植物篩選和種植技術(shù),提高經(jīng)濟(jì)林的水土保持服務(wù)。同時(shí)規(guī)范經(jīng)濟(jì)林的開發(fā),并建立起資源變化情況和生態(tài)狀況定期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)制,確保經(jīng)濟(jì)林的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定。
(2)發(fā)展高效生態(tài)農(nóng)業(yè)。NPP、CP、SC、WY四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系在空間上存在地域性差異。其中,CP與SC在全區(qū)均表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,尤其在中部地區(qū)呈現(xiàn)極顯著權(quán)衡關(guān)系,說(shuō)明該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與土壤保持存在嚴(yán)重矛盾,原因是該地區(qū)的山地較多,耕地坡度較大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的水土流失更嚴(yán)重。因此,應(yīng)積極調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),改變?cè)締我坏霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn),大力推行農(nóng)、林、牧業(yè)綜合發(fā)展的高效生態(tài)農(nóng)業(yè)。1)推廣間混套作的種植模式,實(shí)現(xiàn)全年耕地綠色覆蓋,做到“根不離土,土不離根”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,既能緩解紅壤區(qū)季節(jié)性干旱造成的作物減產(chǎn),又能保持水土;2)大力推行丘陵山地分層種植的“一丘多用”立體農(nóng)林牧業(yè)模式,南方紅壤區(qū)的山地丘陵面積廣,發(fā)展立體農(nóng)林牧業(yè)的優(yōu)勢(shì)較大,同時(shí)發(fā)展立體農(nóng)林牧業(yè)能夠減少林間的裸露面積,在促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)減弱水土流失,實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)與水土保持服務(wù)協(xié)同增強(qiáng)。按照因地制宜、梯次推進(jìn)、分類施策的原則,確定不同生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式,以實(shí)現(xiàn)“保障糧食安全,守護(hù)生態(tài)環(huán)境”雙贏。