南方紅壤區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系演變對(duì)退耕還林的響應(yīng)

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)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

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。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

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。

1.3 研究方法

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。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布格局

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 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

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, 0.010, 0.050,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

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間異質(zhì)性分析

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

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

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。

3.2 結(jié)論

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。