南四湖流域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空權(quán)衡關(guān)系

張文靜,孫小銀,2,3,*,周 俊

1 曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 日照 276826

2 南四湖濕地生態(tài)與環(huán)境保護(hù)山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 日照 276826

3 日照市國土空間規(guī)劃與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 日照 276826

4 天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 天津 300387

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類可以直接或者間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種效益[1],通常被劃分為供給、調(diào)節(jié)、支持和文化四類服務(wù)[2]。目前,由于人類活動(dòng)的干擾和高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng),全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一直處于不斷退化中。例如,2005年的千年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估報(bào)告指出,全球范圍內(nèi)有一半以上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)明顯退化[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)與管理已成為當(dāng)前人們關(guān)注的熱點(diǎn),但是,由于生態(tài)系統(tǒng)空間分布結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性和生態(tài)過程的復(fù)雜性,各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間都或多或少地存在著此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和共同增減的協(xié)同關(guān)系[4- 5],對某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保護(hù)和管理有可能導(dǎo)致另外一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受到損害[6]。因此,正確認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及其在不同空間尺度上的差異,是規(guī)劃生態(tài)功能區(qū)、完善生態(tài)保護(hù)建議的關(guān)鍵舉措,也是推進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的必要步驟。

隨著自然資源開發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)間的矛盾日益凸顯,探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系已成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的核心議題之一。目前,國內(nèi)外學(xué)者主要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[7-8]、空間分析方法[9-10]和情景模擬方法[11-12]等開展研究,內(nèi)容多聚焦于權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的概念內(nèi)涵、統(tǒng)計(jì)數(shù)量、時(shí)空特征和區(qū)域差異等[13-14],研究結(jié)果適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[15]、漁業(yè)管理[16]、水源區(qū)管理[17]等多方面。例如,饒勝等構(gòu)建草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡模型,分析供給功能和防風(fēng)固沙功能之間的權(quán)衡作用[18]。Turner等在10 km×10 km的網(wǎng)格尺度上對丹麥的11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行空間分析,結(jié)果顯示供應(yīng)服務(wù)與文化服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)之間存在著明顯的權(quán)衡傾向,文化服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)具有形成協(xié)同效應(yīng)的潛力[19]。Qiao等在1km2像素尺度和縣域尺度上對太湖流域8種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行研究,結(jié)果顯示在兩種尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系有所不同[20]。傅伯杰和于丹丹通過對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與集成方法的深入研究,指出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的消長和權(quán)衡具有尺度依賴性[21]。諸多學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同方面的研究已經(jīng)取得一些成果,但是這些研究大多基于統(tǒng)計(jì)關(guān)系的數(shù)量分析,在權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化分析和區(qū)域內(nèi)部空間差異分析等方面的研究相對較少[22]。

南四湖是重要的鳥禽以及水生動(dòng)植物棲息地,是山東省自然保護(hù)區(qū),在山東省具有“生物寶庫”的美稱。同時(shí),南四湖在南水北調(diào)東線輸水干線上具有重要的調(diào)蓄作用[23]。因此,無論是在生態(tài)環(huán)境保護(hù)還是經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面,南四湖流域都具有不可忽視的重要地位。伴隨著城市化水平飛速提高,南四湖流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)活動(dòng)不斷發(fā)展,人類對生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度不斷增強(qiáng),生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與發(fā)展成為流域管理活動(dòng)中的一大挑戰(zhàn)[24-25]。因此,本文以南四湖流域?yàn)檠芯繉ο?基于1980、2000、2018年3期土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合氣象、土壤等多種數(shù)據(jù),利用InVEST模型模擬測算流域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),包括產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、碳存儲、生物多樣性維持(生境質(zhì)量)和授粉等6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),在ArcGIS 10.2中分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化和空間冷熱點(diǎn)分布特征,使用相關(guān)分析展現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互作用關(guān)系,并運(yùn)用主成分分析從子流域尺度和縣域尺度分析權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化,以期揭示南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空差異和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系在時(shí)間上的變化特征,以及在不同的尺度上權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的區(qū)別。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 研究區(qū)概況

南四湖由微山湖、昭陽湖、獨(dú)山湖、南陽湖等相連湖組成,是山東省的第一大湖,也是中國大型淡水湖泊之一。流域地處山東省西南部,位于34°15′—34°53′N,114°50′—117°48′E,總面積約3.14萬km2,行政上涉及山東省、江蘇省、安徽省和河南省。南四湖流域地勢東高西低,湖區(qū)是流域內(nèi)地勢最低的區(qū)域,流域內(nèi)的所有河流呈輻射狀匯入湖區(qū)(圖1)。南四湖流域具有豐富的礦產(chǎn)資源和水產(chǎn)資源,盛產(chǎn)魚、蝦、蟹等水產(chǎn)品,是山東省重要的淡水漁業(yè)基地。流域內(nèi)以種植小麥、水稻、玉米等糧食作物為主,是魯西南的魚米之鄉(xiāng),同時(shí)也是全國重要的商品糧基地。流域內(nèi)林地、草地和湖區(qū)等地區(qū)生物多樣性較高,在山東省具有較高的生態(tài)地位。近年來,作為典型的農(nóng)業(yè)流域,南四湖水土流失加劇,非點(diǎn)源污染嚴(yán)重,水環(huán)境質(zhì)量惡化,且動(dòng)植物棲息地喪失,生境質(zhì)量下降,生物多樣降低,流域各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化。根據(jù)南四湖流域生態(tài)環(huán)境特征,本研究選擇流域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)展開研究,包括產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、碳存儲、生物多樣性維持(生境質(zhì)量)和授粉等6種區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),探討南四湖流域各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,以期為流域資源配置以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策制定提供重要參考。

圖1 研究區(qū)地理位置和1980—2018年土地利用分布Fig.1 Location and the spatial distribution of land use type in 1980—2018 of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的南四湖流域1980、2000、2018年3期土地利用數(shù)據(jù),來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/), 通過遙感影像解譯獲得,分辨率為30 m。降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),選取南四湖流域及其周邊的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值。土壤數(shù)據(jù)來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中的中國土壤數(shù)據(jù)集(1∶100萬)。DEM數(shù)據(jù)來自美國馬里蘭大學(xué)全球土地覆被數(shù)據(jù)庫(http://glcfapp.glcf.umd.edu/),分辨率為30 m?？h級行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來自全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(1∶400萬)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估方法

本文使用InVEST模型和ArcGIS 10.2軟件,定量評估南四湖流域產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、碳存儲、生物多樣性維持和授粉六種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

2.1.1產(chǎn)水量

InVEST模型的產(chǎn)水量模塊是一種基于水量平衡并且結(jié)合氣候、地形、土壤和植被類型等計(jì)算得出流域每個(gè)柵格產(chǎn)水量的估算方法[26]。產(chǎn)水量越多,水資源供給量越大。模型參數(shù)設(shè)置和校驗(yàn)參考課題組前期研究[23],產(chǎn)水模塊計(jì)算的基本原理如下：

(1)

式中,Yxj為土地利用類型j上柵格x的年產(chǎn)水量(mm)；AETxj為土地利用類型j上柵格x的年實(shí)際蒸散量(mm)；Px為柵格x上的年降水量(mm)。

2.1.2水質(zhì)凈化

InVEST模型的水質(zhì)凈化模塊是利用氮和磷的總量來表征水質(zhì)狀況,通過評估生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤對氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的截留能力來評估其水質(zhì)凈化的能力[27]。模型評估分為兩個(gè)部分,首先通過產(chǎn)水量模型計(jì)算年平均徑流量；然后計(jì)算污染物截留量。模型參數(shù)設(shè)置參考模型幫助文件及相關(guān)研究文獻(xiàn)[27- 29],水質(zhì)凈化模塊計(jì)算的基本原理如下：

ALVx=HSSx×polx

(2)

(3)

式中,ALVx是柵格x的營養(yǎng)物輸出值,HSSx是柵格x的水文敏感性得分,polx是柵格x的輸出系數(shù),λx是徑流指數(shù),ˉλw表示區(qū)域內(nèi)平均徑流指數(shù)。

氮磷營養(yǎng)物輸出越高,水質(zhì)凈化能力越低,為合理表征流域水質(zhì)凈化功能,對模型模擬結(jié)果負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行下一步分析。

2.1.3土壤保持

InVEST模型的土壤保持模塊根據(jù)地形地貌和氣候條件評估潛在土壤流失量,通過通用土壤流失方程(USLE)評估土壤保持能力。土壤保持量包含侵蝕減少量和泥沙持留量[30- 32],通用土壤流失方程整合了土地利用、土壤性質(zhì)、DEM、降水和氣溫等信息。模型參數(shù)設(shè)置參考模型幫助文件和前期研究[27, 30-31],土壤保持模塊計(jì)算的基本原理如下：

首先,計(jì)算潛在土壤侵蝕量,潛在土壤侵蝕量計(jì)算公式如下：

RKLS=R×K×LS

(4)

其次,根據(jù)通用土壤流失方程計(jì)算得出生態(tài)系統(tǒng)中的土壤實(shí)際侵蝕量,計(jì)算公式如下：

USLE=R×K×LS×P×C

(5)

最后,土壤保持量計(jì)算公式如下：

SD=RKLS-USLE

(6)

式中,R表示降雨侵蝕力因子,K表示土壤可蝕性因子,LS表示坡度坡長因子,C表示植被覆蓋和管理因子,P表示水土保持措施因子。

土壤侵蝕越強(qiáng),泥沙輸出越高,土壤保持服務(wù)越低,為合理表征流域土壤保持服務(wù),對模型模擬結(jié)果負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行下一步分析。

2.1.4碳存儲

InVEST模型的碳存儲模塊根據(jù)不同的土地利用類型數(shù)據(jù)及其所對應(yīng)的五大碳庫的碳密度等數(shù)據(jù)計(jì)算不同時(shí)期和不同土地類型的碳儲量[33]。由于中國市場的木材衰減率等信息較難獲取,只考慮前四種基本碳庫。模型參數(shù)設(shè)置參考模型幫助文件和前期研究[27, 33],碳存儲模塊計(jì)算的基本原理如下：

Cz=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil

(7)

式中,Cz為總碳儲量,Cabove為地上碳儲量,Cbelow為地下碳儲量,Cdead為死亡有機(jī)質(zhì)碳儲量,Csoil為土壤碳儲量。各碳儲量由碳密度與面積相乘所得。

2.1.5生物多樣性維持(生境質(zhì)量)

InVEST模型的生境模塊以土地利用信息和生物多樣性脅迫因子為基礎(chǔ)開展生境質(zhì)量評價(jià),進(jìn)而評估生物多樣性維持功能[34]。模型依據(jù)各生態(tài)系統(tǒng)類型對動(dòng)植物的生境適宜度和人類干擾因子的威脅強(qiáng)度來模擬評估生境質(zhì)量的空間分布。模型參數(shù)設(shè)置參考模型幫助文件和前期研究[27, 35],生境模塊計(jì)算的基本原理如下：

(8)

2.1.6授粉

InVEST模型的授粉模塊利用筑巢地和花蜜資源的可用性以及野生蜜蜂飛行距離的范圍來獲得在景觀內(nèi)每個(gè)柵格單元上蜜蜂筑巢的豐度指標(biāo),再結(jié)合飛行距離信息來估算農(nóng)業(yè)柵格單元內(nèi)蜜蜂訪問花卉的物種豐度指標(biāo)[36]。模型參數(shù)設(shè)置參考模型幫助文件和前期研究[27, 36],授粉模塊計(jì)算的基本原理如下：

由于傳粉者豐度受到筑巢和花蜜資源的限制,對于柵格x和物種β的物種豐度的指數(shù),Pxβ是傳粉者豐度覓食和筑巢的產(chǎn)物：

(9)

式中,Nj是土地利用類型j筑巢的適用性,Fj是土地利用類型j產(chǎn)生的花蜜資源的相對數(shù)量,Dmx是柵格m和x之間的歐氏距離,αβ是傳粉者β的預(yù)期覓食距離。

根據(jù)上述方程的框架確定每個(gè)農(nóng)作物柵格上的蜜蜂的相對豐度即為：

(10)

式中,Pxβ是傳粉物種β在柵格x傳粉者供應(yīng),Doxβ是物種β從源柵格x到農(nóng)業(yè)柵格o的距離,αβ是物種β的平均覓食距離。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系評估方法

為了分析南四湖流域各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性,揭示其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,本研究參考太湖流域[20]的研究方法,在ArcGIS 10.2中使用“Create Random Points”工具隨機(jī)創(chuàng)建1000個(gè)點(diǎn),然后提取每個(gè)點(diǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值進(jìn)行相關(guān)分析。如果生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)性數(shù)值為負(fù),即為權(quán)衡關(guān)系,反之則為協(xié)同關(guān)系[37]。

從行政區(qū)劃因素和自然地理性質(zhì)兩方面出發(fā),選取縣域尺度和子流域尺度來探討流域各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系以及尺度效應(yīng)。采用主成分分析的方法,在縣域尺度和子流域尺度進(jìn)行定量分析,以確定各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以及三大類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化

南四湖流域6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布和不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空差異分別由圖2、圖3所示。結(jié)果顯示產(chǎn)水量總體上處于增加的趨勢,1980—2018年南四湖流域的平均產(chǎn)水深度從101.83 mm增加到185.53 mm；從空間分布來看,2000年開始流域南部城市化較快的縣區(qū)產(chǎn)水量明顯增加,到2018年城市建設(shè)用地所對應(yīng)的產(chǎn)水量高值區(qū)相較于其他地區(qū)更加顯著,洪水風(fēng)險(xiǎn)增加。在水質(zhì)凈化服務(wù)中,1980—2018年氮、磷輸出平均值分別由0.46 kg和0.02 kg增加到0.49 kg和0.03 kg,水質(zhì)凈化服務(wù)降低；在空間上看,2000年后流域南部氮、磷輸出明顯增多,該區(qū)域根底比重大,氮磷負(fù)荷較高,故水質(zhì)凈化服務(wù)降低；2018年建設(shè)用地分布與氮、磷輸出高值區(qū)一致,建設(shè)用地氮、磷輸出較多。泥沙輸出量總體呈增加趨勢,近40年來單位面積泥沙輸出量由0.01 t增加到0.05 t,土壤保持功能逐漸下降；從空間上看,建設(shè)用地分布的區(qū)域泥沙輸出量明顯較低,原因在于城市擴(kuò)張過程中建設(shè)用地面積擴(kuò)大,不透水地面的增加減少了泥沙輸出。研究期內(nèi)碳儲量先增加后下降,總體呈下降的趨勢；從空間分布上看,東部林地和草地碳存儲能力最強(qiáng),耕地次之,建設(shè)用地和水域依次降低。生境質(zhì)量總體上處于不斷降低的趨勢,1980—2018年從0.21降低到0.20,說明整體上生物多樣性維持服務(wù)較低并且處于逐漸惡化的趨勢。相對授粉潛力在1980—2018年總體上處于下降趨勢,這與研究期內(nèi)土地利用變化密切相關(guān),建設(shè)用地和水域的增加,耕地減少,導(dǎo)致相對授粉潛力下降；空間分布上,東部林地和草地相對授粉潛力較高,耕地次之,建設(shè)用地和水域最低。

本研究制作風(fēng)向玫瑰圖表征不同土地利用類型上的各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。首先,在ArcGIS 10.2中使用空間統(tǒng)計(jì)工具統(tǒng)計(jì)每種土地利用類型上6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的平均值,由于6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值的單位和數(shù)量級不同,在分析過程中具有較大困難,因此,選擇極差標(biāo)準(zhǔn)化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文將研究重點(diǎn)放在不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系上,以土地利用類型為基礎(chǔ),將3個(gè)年份同種土地利用類型上的六種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行升序排列,在序列基礎(chǔ)上進(jìn)行等級劃分,從0到1劃分為20級。最后,為方便結(jié)果的可分析性及可視性,運(yùn)用 origin對各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)據(jù)制作南四湖流域不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)風(fēng)向玫瑰圖(圖3)。在草地中,授粉服務(wù)與土壤保持服務(wù)較高,水質(zhì)凈化功能次之。在耕地中,水質(zhì)凈化功能一直較高,但是在研究期內(nèi)耕地的泥沙輸出量越來越大,土壤保持功能逐漸下降。建設(shè)用地土壤保持與產(chǎn)水服務(wù)相對較高。在林地中,一直存在較高的碳存儲功能。當(dāng)土地利用為水域時(shí),氮、磷輸出和泥沙輸出數(shù)值都低到接近于0,因此水質(zhì)凈化和土壤保持功能呈現(xiàn)較高的狀態(tài),生境質(zhì)量也一直較高。未利用地中,土壤保持功能一直較高,產(chǎn)水功能在不斷增強(qiáng)。

圖3 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)風(fēng)向玫瑰圖Fig.3 Rose map of ecosystem services in different land use types

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間冷熱點(diǎn)分析

對各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行空間冷熱點(diǎn)分析(圖4),結(jié)果表明不同種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的冷熱點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)類似分布,比如碳存儲、生境質(zhì)量和授粉服務(wù),研究期內(nèi)東部丘陵山區(qū)一直為這3種服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)域,與東部的土地利用類型大多為林地和草地有密切關(guān)系,湖區(qū)南部和北部小部分區(qū)域則為這些服務(wù)的冷點(diǎn)區(qū)域,該區(qū)域多為耕地,人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低。

圖4 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)空間分布圖Fig.4 Distribution of the hot spots of single ecosystem services

1980年,產(chǎn)水量服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)域分布在研究區(qū)東部,而2000年和2018年熱點(diǎn)區(qū)域分布在研究區(qū)南部,這與南部各縣區(qū)城市化發(fā)展較快,地面硬化導(dǎo)致的不透水地面增加有關(guān),研究區(qū)北部一直是產(chǎn)水量的冷點(diǎn)區(qū)域,因?yàn)楫?dāng)?shù)睾０屋^高,山地上的各類植物對降水有一定的攔蓄作用。水質(zhì)凈化服務(wù)中,1980年很少有熱點(diǎn)區(qū)域,水域的周圍出現(xiàn)了冷點(diǎn)區(qū)域,說明氮和磷輸出較少。2000年和2018年流域南部出現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域,與同時(shí)期城市擴(kuò)張,氮磷輸出增多有關(guān),水質(zhì)凈化功能較差。冷點(diǎn)區(qū)域分布在研究區(qū)東北部,原因是這些地區(qū)草地和林地的面積較大,攔截氮磷輸出,水質(zhì)凈化功能較好。土壤保持服務(wù)中,流域東北部一直為泥沙輸出的熱點(diǎn)區(qū)域,因?yàn)楫?dāng)?shù)睾０屋^高,土壤流失嚴(yán)重,泥沙輸出較多,土壤保持功能較差。土壤保持服務(wù)的冷點(diǎn)區(qū)域變化較大,1980年冷點(diǎn)區(qū)域分布在研究區(qū)南部, 2000年和2018年流域北部兗州市、曲阜市出現(xiàn)少量的冷點(diǎn)區(qū)域,與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,建設(shè)用地增多,不透水地面土壤流失較少有關(guān)。

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

通過相關(guān)分析,研究6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系及其強(qiáng)度(表1)。1980—2018年,產(chǎn)水量與水質(zhì)凈化、碳存儲和生境質(zhì)量均存在顯著的負(fù)相關(guān),屬于權(quán)衡關(guān)系,其中產(chǎn)水量與水質(zhì)凈化的權(quán)衡關(guān)系更為突出,相關(guān)系數(shù)絕對值均在0.5左右,且隨著時(shí)間的推移相關(guān)性不斷增強(qiáng),到2018年產(chǎn)水量與水質(zhì)凈化相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.597。

表1 1980—2018年南四湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性Table 1 Correlation among ecosystem services of Nansihu Lake basin in 1980—2018

水質(zhì)凈化與碳存儲和生境質(zhì)量之間存在顯著的正相關(guān),其中水質(zhì)凈化與生境質(zhì)量之間的相關(guān)系數(shù)最高值達(dá)到0.636,具有較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系。碳存儲和生境質(zhì)量、碳存儲和授粉之間存在顯著的正相關(guān),且碳存儲和授粉相關(guān)系數(shù)在2018年高達(dá)0.849,說明碳存儲和授粉服務(wù)是相互增益的,山地丘陵區(qū)的花蜜可得性高且人類活動(dòng)干擾較少,并且在山地丘陵區(qū)林地和草地面積較大,因此碳儲量和授粉服務(wù)都較高。生境質(zhì)量與授粉服務(wù)在1980年和2000年存在顯著正相關(guān),但相關(guān)系數(shù)均較低。

綜上所述,研究區(qū)的供給服務(wù)(產(chǎn)水量)與部分調(diào)節(jié)服務(wù)(水質(zhì)凈化和碳存儲)和部分支持服務(wù)(生境質(zhì)量)之間存在此消彼長的權(quán)衡關(guān)系,調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)之間(水質(zhì)凈化、土壤保持、碳存儲、生境質(zhì)量和授粉)都是相互增益的協(xié)同關(guān)系。因此,當(dāng)前生態(tài)管理策略制定的核心就是要綜合平衡好流域供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)以及供給服務(wù)與支持服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系,優(yōu)化流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主成分分析

使用主成分分析來確定各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間以及各大類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系(表2和表3)。1980年,在子流域尺度上前兩個(gè)主成分占總貢獻(xiàn)率的85.948%(特征根大于1),第一主成分占貢獻(xiàn)率的62.767%,代表水質(zhì)凈化與碳存儲、授粉、產(chǎn)水量之間的權(quán)衡關(guān)系,第二主成分占總貢獻(xiàn)率的23.181%,代表了水質(zhì)凈化(N輸出)和生境質(zhì)量之間的協(xié)同作用。2000年,第一主成分占總貢獻(xiàn)率的56.965%,代表水質(zhì)凈化、土壤保持、生境質(zhì)量與產(chǎn)水量、碳存儲之間的權(quán)衡作用,第二主成分代表了碳存儲與授粉服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系,占總貢獻(xiàn)率額外的25.5%。2018年,第一主成分占總貢獻(xiàn)率的58.767%,代表了水質(zhì)凈化、生境質(zhì)量與碳存儲、授粉、產(chǎn)水量之間的權(quán)衡關(guān)系,第二主成分占總貢獻(xiàn)率的24.483%,代表了存在于土壤保持與授粉服務(wù)之間的空間權(quán)衡作用。

表2 子流域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主成分分析Table 2 Principal component analysis of ecosystem services at sub-watershed scale

表3 縣域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主成分分析Table 3 Principal component analysis of ecosystem services at county scale

由上可知,1980—2018年,各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同效應(yīng)不斷變化,但總的來說,在子流域尺度上,空間權(quán)衡關(guān)系總是發(fā)生在供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)以及供給服務(wù)與支持服務(wù)之間。

在縣域尺度上,1980—2018年,第一主成分的貢獻(xiàn)率都在40%以上,且都代表了水質(zhì)凈化、生境質(zhì)量和碳存儲之間的協(xié)同效應(yīng)。1980年產(chǎn)水量與土壤保持具有協(xié)同作用,2000年,新的協(xié)同作用出現(xiàn)在產(chǎn)水量、碳存儲和授粉服務(wù)之間。1980年與2018年水質(zhì)凈化(P輸出)和授粉服務(wù)之間都具有權(quán)衡關(guān)系。1980年和2018年,供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)之間都只存在相互增益的協(xié)同關(guān)系,然而2000年,并非只有協(xié)同關(guān)系,在供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)、供給服務(wù)與支持服務(wù)之間存在權(quán)衡關(guān)系。各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系在縣域尺度上與子流域尺度上具有較大差異,但是2000年縣域尺度上的權(quán)衡關(guān)系與子流域尺度上3大類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系一致。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

不同尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究旨在充分認(rèn)識和掌握各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用關(guān)系、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和尺度效應(yīng)等,尋求區(qū)域經(jīng)濟(jì)開發(fā)、自然資源利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的平衡點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的雙贏。本研究直接揭示了研究區(qū)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間在數(shù)量與空間上的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,并探討其尺度效應(yīng),但是各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用機(jī)理方面還需要深入研究。

在本研究區(qū),產(chǎn)水量和與水質(zhì)凈化服務(wù)呈顯著負(fù)相關(guān),與丹麥Raudsepp-Hearne 等[38]的研究結(jié)果相同,其中產(chǎn)水量與水質(zhì)凈化的權(quán)衡作用最明顯且隨時(shí)間不斷增強(qiáng),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)用地面積不斷增加,產(chǎn)水功能越來越強(qiáng),洪水風(fēng)險(xiǎn)在不斷增加。而由于各個(gè)工廠企業(yè)的氮和磷輸出較高,城市建設(shè)用地所占區(qū)域的水質(zhì)凈化功能降低。水質(zhì)凈化與生境質(zhì)量、碳存儲與授粉之間都存在較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系,在研究區(qū)林地和草地廣布的地區(qū),不但具有較高的生物多樣性,還具有較高的花蜜可用性,同時(shí)植物可以起到截留污染物的能力。對于土壤保持和碳存儲的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,在不同研究區(qū)有不同的結(jié)論,如戴路煒[9]在多倫縣的研究表明兩者之間存在協(xié)同關(guān)系,而Egoh等[39]在南非的研究表明這兩者之間存在權(quán)衡關(guān)系,本研究中土壤保持和碳存儲兩者之間關(guān)系并不顯著,可能因?yàn)椴煌貐^(qū)自然環(huán)境的差異,導(dǎo)致研究結(jié)果不同。

各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系在不同尺度上經(jīng)常會有不同的體現(xiàn),孫澤祥等[40]在呼包鄂榆地區(qū)的研究結(jié)果顯示,在城市群尺度上,產(chǎn)水量和固碳服務(wù)表現(xiàn)出顯著的權(quán)衡關(guān)系,而在區(qū)域尺度上這兩種服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系只體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)區(qū)。本研究中,子流域尺度和縣域尺度上,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系也存在較大差異。子流域尺度上表現(xiàn)出的空間權(quán)衡關(guān)系與加拿大[38]、太湖[20]等研究結(jié)果一致,權(quán)衡關(guān)系主要存在于供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)、供給服務(wù)與支持服務(wù)之間,而本研究在縣域尺度上主要表現(xiàn)出協(xié)同關(guān)系,在1980年和2018年,空間協(xié)同關(guān)系存在于供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)之間。兩個(gè)尺度上表現(xiàn)出差異的原因是不同尺度的每一個(gè)小單元上土地利用類型的構(gòu)成和配置會不同,在縣域尺度上行政劃分導(dǎo)致土地利用構(gòu)成較為綜合復(fù)雜,而子流域尺度各單元?jiǎng)t具有相似的自然地理特征,可以從單元內(nèi)部的土地利用構(gòu)成角度更加詳細(xì)地揭示各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的作用機(jī)制。

4.2 結(jié)論

本研究根據(jù)南四湖流域自然地理特征、生態(tài)環(huán)境狀況和社會經(jīng)濟(jì)特征,選擇了產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、碳儲存、生物多樣性維持(生境質(zhì)量)、授粉等6類區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)開展研究,運(yùn)用InVEST模型模擬評估了南四湖流域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局和時(shí)間變化趨勢,在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用相關(guān)分析和主成分分析揭示了自改革開放以來(1980—2018年)這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空權(quán)衡關(guān)系。

(1)模擬結(jié)果表明,1980—2018年南四湖流域產(chǎn)水量上升,洪水風(fēng)向增加,而水質(zhì)凈化服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳儲存、生境質(zhì)量、授粉服務(wù)總體呈下降趨勢。

(2)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高值區(qū)分布與流域土地利用分布格局有密切關(guān)系,研究區(qū)東部林地和草地廣布,生物多樣性較高,人類活動(dòng)干擾較小,是碳存儲、生境質(zhì)量和授粉服務(wù)的高值區(qū)。城市建設(shè)用地分布的地區(qū)水泥硬化路面較多,降雨的下滲量較小,是產(chǎn)水量和土壤保持服務(wù)的高值區(qū)。

(3)研究發(fā)現(xiàn),產(chǎn)水量和與除土壤保持外的調(diào)節(jié)服務(wù)顯著負(fù)相關(guān),水質(zhì)凈化與生境質(zhì)量、碳存儲與授粉之間都存在較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系。而且隨著時(shí)間的變化,各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性類型和強(qiáng)度在不斷變化。

(4)在子流域尺度和縣域尺度上,各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系存在較大差異。在子流域尺度上,權(quán)衡關(guān)系主要存在于供給服務(wù)(產(chǎn)水量)與調(diào)節(jié)服務(wù)(水質(zhì)凈化和土壤保持)、供給服務(wù)(產(chǎn)水量)與支持服務(wù)(生境質(zhì)量)之間；在縣域尺度上,供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)(產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、碳存儲、生境質(zhì)量和授粉)之間主要是空間協(xié)同關(guān)系。子流域和縣域尺度上權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的差異,為流域不同尺度的生態(tài)保護(hù)與管理提供了數(shù)據(jù)和理論支撐。