大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能動(dòng)態(tài)及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究

劉華超，任春穎，王宗明，張 柏 (.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 3002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 00049)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)形成并維持人類生存發(fā)展的環(huán)境條件，是人類活動(dòng)從自然生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有收益[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)類型影響著能量交換、水分循環(huán)等主要生態(tài)過程，從而改變著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提供[3]。同時(shí)，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間存在此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡作用和相互增益的協(xié)同作用，導(dǎo)致當(dāng)人類改變服務(wù)功能以獲取更大的某種特定服務(wù)功能時(shí)，影響其他類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，甚至威脅整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全[4]。因此，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行定量研究，并揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的相互作用關(guān)系，有助于指導(dǎo)人類活動(dòng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)雙贏局面具有重大意義。

基于模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)果的空間可視化，且在全球范圍和區(qū)域尺度上均得到廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外常用的評(píng)估模型包括ARIES模型、MIMES模型、SoLVES模型、HSI模型和InVEST模型等。其中，ARIES和MIMES模型目前只適用于開發(fā)地區(qū)的服務(wù)功能評(píng)估；SoLVES模型主要用于估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能社會(huì)價(jià)值；HSI模型能綜合考慮環(huán)境因子對(duì)生物多樣性的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)生境質(zhì)量的精準(zhǔn)評(píng)估[5]；InVEST模型可對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行空間直觀的量化，并可以預(yù)測(cè)服務(wù)功能的變化趨勢(shì)，其評(píng)估精度、適用性和數(shù)據(jù)易獲取性較其他模型具有很大優(yōu)勢(shì)[6]。采用模型評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可將復(fù)雜問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的本質(zhì)[7]。隨著對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究的加深，其權(quán)衡協(xié)同研究逐漸成為熱點(diǎn)。如ONAINDIA等[8]、FAN等[9]和余玉洋等[10]在不同地區(qū)探討了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的作用關(guān)系，結(jié)果表明在不同空間尺度下服務(wù)功能的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系具有差異性，從而導(dǎo)致利益相關(guān)者對(duì)不同服務(wù)功能的重視程度及管理策略間的權(quán)衡[11]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能只有在特定的空間尺度上才能表現(xiàn)其主導(dǎo)作用[12]，并且不同服務(wù)功能間的關(guān)系具有高度的多樣性和復(fù)雜性[13]，加強(qiáng)對(duì)不同空間尺度、不同服務(wù)功能的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究，可為生態(tài)系統(tǒng)管理奠定基礎(chǔ)并提高管理效率。

大興安嶺水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護(hù)重要區(qū)(簡(jiǎn)稱大興安嶺生態(tài)功能區(qū))是《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》劃定的63個(gè)全國(guó)重要生態(tài)功能區(qū)之一。該區(qū)是嫩江、額爾古納河等諸多河流的源頭，是重要水源涵養(yǎng)區(qū)，也是我國(guó)唯一寒溫帶針葉林區(qū)，還是我國(guó)重要商品糧和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地的天然屏障，其豐富的生物多樣性對(duì)維持區(qū)域生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)氣候等具有不可替代的作用。20世紀(jì)末期以來，人類干擾活動(dòng)的增加，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的天然林受到較嚴(yán)重破壞，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙等生態(tài)功能降低[14]，引起洪水泛濫、凍土退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。21世紀(jì)初期在東北地區(qū)實(shí)施的“天然林保護(hù)工程” “退耕還林工程”等重大生態(tài)工程，使得功能區(qū)內(nèi)天然林面積和蓄積量明顯增加，顯著提高了該區(qū)整體生態(tài)效益[15]。但近幾十年來，在人類活動(dòng)和生態(tài)工程保護(hù)措施等因素影響下，該區(qū)域主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是如何變化的？各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間存在怎樣的關(guān)系？在不同空間尺度上表現(xiàn)是否一致？上述問題鮮有研究報(bào)道。針對(duì)以上問題，亟需在該區(qū)域開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的科學(xué)評(píng)估，并深入認(rèn)識(shí)不同空間尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間關(guān)系的差異性。在有關(guān)大興安嶺生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究中，李為海[16]計(jì)算并評(píng)估了草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙等服務(wù)功能的價(jià)值量變化；王曉宏[17]、岳永杰等[18]分別評(píng)估了林地的土壤保育和水源涵養(yǎng)功能物質(zhì)量及價(jià)值量；滿衛(wèi)東[19]基于多源遙感數(shù)據(jù)估算了大興安嶺沼澤濕地的碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀，并分析了影響其空間分布格局的主要因素。綜上，已有研究多針對(duì)單一生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能開展評(píng)估，并且鮮有研究考慮不同空間尺度下服務(wù)功能的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系問題，因此，筆者基于遙感、氣象等多源數(shù)據(jù)，通過模型方法評(píng)估大興安嶺生態(tài)功能區(qū)2000、2010和2015年水源供給、碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量3種服務(wù)功能動(dòng)態(tài)變化特征，并結(jié)合相關(guān)性分析和權(quán)衡協(xié)同度模型探討不同空間尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，為大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生物多樣性保護(hù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺生態(tài)功能區(qū)(44°～54° N，118°～127° E)位于我國(guó)黑龍江省北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部(圖1)，主要包括黑龍江省的黑河市、大興安嶺地區(qū)以及內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市，面積約為29.15萬km2。該區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季溫涼濕潤(rùn)，年平均氣溫為-3.5 ℃，年平均降水量為400～500 mm[20]。主要植被類型包括興安落葉松、樟子松、白樺、云杉等，山地連綿起伏，地勢(shì)西北高、東南低，地貌為中、低山丘陵類型，平均海拔高度為1 200～1 300 m。

審圖號(hào)：GS(2022)1495號(hào)

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

收集覆蓋研究區(qū)的2000、2010和2015年Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)(Landsat TM/ETM+/OLI)，參照WANG等[21]分類方案并考慮研究區(qū)植被類型特征，設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)分類體系，包括林地、草地、耕地、濕地、建設(shè)用地和裸地6個(gè)一級(jí)類型，采用面向?qū)ο蟮倪b感影像分類軟件eCognition作為分類平臺(tái)，結(jié)合分層決策樹方法獲得研究區(qū)2000—2015年3期生態(tài)系統(tǒng)類型分布數(shù)據(jù)。利用野外調(diào)查樣點(diǎn)和高分影像驗(yàn)證樣點(diǎn)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)估，分類結(jié)果總體精度高于90%，滿足研究需求。

輔助數(shù)據(jù)主要用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能模型輸入數(shù)據(jù)的計(jì)算，具體數(shù)據(jù)包括：

(1)數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，通過國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http:∥datamirror.csdb.cn/)下載ASTER GDEM，其空間分辨率為30 m。通過對(duì)影像進(jìn)行拼接與投影轉(zhuǎn)換等處理，獲得覆蓋整個(gè)研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。該模型用于計(jì)算生境質(zhì)量坡度影響因子。

(2)氣象數(shù)據(jù)，來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，根據(jù)東北地區(qū)及周邊128個(gè)氣象站點(diǎn)日尺度氣溫及月尺度降水?dāng)?shù)據(jù)，通過克里金插值方法獲取空間連續(xù)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，并利用研究區(qū)邊界裁剪獲得研究區(qū)日最高最低溫均值及年均降水量數(shù)據(jù)，用于水源供給模型輸入數(shù)據(jù)計(jì)算。

(3)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括道路、河流水系和行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/html/1/index.html)，比例尺為1∶25萬，用于計(jì)算生境質(zhì)量水源狀況等影響因子。

(4)NDVI數(shù)據(jù)，采用MOD13A3的植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，下載自 NASA/EOS LPDAAC數(shù)據(jù)分發(fā)中心的MODIS產(chǎn)品(https:∥lpdaac.usgs.gov/)，空間分辨率為250 m，時(shí)間跨度為2000—2015年，用于計(jì)算生境質(zhì)量食物豐富度影響因子。

(5)土壤屬性數(shù)據(jù)，來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(http:∥www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/)，經(jīng)過裁剪等處理得到研究區(qū)土壤質(zhì)地含量，用于計(jì)算水源供給服務(wù)中的植被可利用含水量。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估方法

2.2.1水源供給服務(wù)功能

利用InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)水源供給量，此模塊是基于水量平衡原理，各柵格降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)后的水量即得該柵格水源供給量[22]。具體計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

oETx=0.001 3×0.408×AR×(Tavg+17)×(DT-0.012 3P)0.76，

(5)

CAWx=min(dm,dr)×AP,

(6)

AP=54.509-0.132ws-0.003ws2-0.055wf2-0.738wn+0.007wn2-2.688wy+0.501wy2。

(7)

式(1)～(7)中，Yxj為j類生態(tài)系統(tǒng)類型、柵格x的水源供給量,mm；TAExj為j類生態(tài)系統(tǒng)類型、柵格x的實(shí)際蒸散量,mm；Px為柵格x中的年降水量,mm；Rxj為生態(tài)系統(tǒng)類型j、柵格x處的布德科干燥度指數(shù)；ωx為自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù)；Z為季節(jié)降雨分布和降雨深度參數(shù)[23]，經(jīng)過多次試驗(yàn)校正，選取3.2為研究區(qū)的Z值；oETx為柵格x內(nèi)的潛在蒸散量,mm，利用修正的Hargreaves公式進(jìn)行計(jì)算[24];AR為太陽(yáng)大氣頂層輻射,MJ·m-2·d-1；Tavg為日最高溫和最低溫的均值，℃；DT為日最高溫和日最低溫均值的差值，℃；P為月均降水量，mm；CAWx為植被可利用的體積含水量，mm;dm為土壤最大深度，mm；dr為植被根系深度,mm；AP為植被可利用含水率，根據(jù)周文佐等[25]的算法進(jìn)行計(jì)算；ws為土壤砂粒含量；wf為土壤粉粒含量；wn為土壤黏粒含量；wy為土壤有機(jī)質(zhì)含量；Kxj為植被蒸散系數(shù)，參考FAO提供的作物蒸散數(shù)據(jù)并結(jié)合研究區(qū)地表植被覆蓋實(shí)際情況確定[26]。具體參數(shù)取值見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)類型生物物理參數(shù)

2.2.2碳儲(chǔ)存服務(wù)功能

陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳儲(chǔ)量，一般分為地上部分碳、地下部分碳、土壤碳和死亡有機(jī)碳。以各生態(tài)系統(tǒng)類型作為評(píng)估單元，應(yīng)用InVEST模型中的碳儲(chǔ)量模塊估算生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，計(jì)算公式為

Ci=Ci,a+Ci,b+Ci,d+Ci,s。

(8)

式(8)中，i為某種生態(tài)系統(tǒng)類型；Ci為生態(tài)系統(tǒng)類型i的碳密度，t·hm-2；Ci,a、Ci,b、Ci,d、Ci,s分別為生態(tài)系統(tǒng)類型i的地上部分碳密度、地下部分碳密度、死亡有機(jī)碳密度和土壤碳密度，t·hm-2。

(9)

式(9)中，Si為生態(tài)系統(tǒng)類型i面積，hm2；n為生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)量；C為總碳儲(chǔ)量，t。參考王治良[27]、包玉斌[28]等研究并結(jié)合研究區(qū)植被類型設(shè)定碳密度參數(shù)，具體參數(shù)取值見表2。

表2 碳密度參數(shù)

2.2.3生境質(zhì)量服務(wù)功能

HSI模型由美國(guó)漁業(yè)與野生動(dòng)物局于20世紀(jì)80年代初期開發(fā)，通過構(gòu)建動(dòng)物與生境變量間的函數(shù)關(guān)系評(píng)價(jià)生境質(zhì)量[29]，其計(jì)算公式為

(10)

式(10)中，IHS為生境質(zhì)量；n為指標(biāo)因子個(gè)數(shù)；wi為權(quán)重；fi為指標(biāo)因子計(jì)算值。評(píng)價(jià)因子的選擇基于環(huán)境因素對(duì)生境質(zhì)量的影響方式以及氣候、地形等因素對(duì)生境質(zhì)量影響程度[30]。因此，選取對(duì)生境質(zhì)量具有直接影響的生存環(huán)境控制因子，包括水源狀況(湖泊和河流密度)、干擾條件(居民地和道路密度)、遮蔽物(生態(tài)系統(tǒng)類型和坡度)及食物來源(NDVI)。由于每種因子對(duì)生境質(zhì)量的影響程度不同，所以需要對(duì)每個(gè)因子設(shè)置可靠的權(quán)重，結(jié)合熵值法和層次分析法確定每個(gè)因子的權(quán)重，可以有效避免人為主觀因子干擾[31]。各因子權(quán)重賦值結(jié)果見表3。

2.3 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析方法

2.3.1相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可用于定量描述兩個(gè)變量之間的線性相關(guān)程度，以探明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系[32]。在功能區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置樣點(diǎn)，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估結(jié)果提取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水源供給、碳儲(chǔ)量和生境質(zhì)量屬性，分析各服務(wù)功能的相關(guān)性。若兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的相關(guān)系數(shù)在α=0.05的顯著水平上為正，則認(rèn)為兩者之間存在顯著的協(xié)同關(guān)系;若相關(guān)系數(shù)為負(fù)，則存在顯著的權(quán)衡關(guān)系。

表3 生境質(zhì)量評(píng)價(jià)因子權(quán)重

2.3.2權(quán)衡協(xié)同度模型

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度(ESTD)模型建立在數(shù)據(jù)線性擬合的基礎(chǔ)之上，反映各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間相互作用的方向和程度[33]，目的是對(duì)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量的相互作用進(jìn)行整體評(píng)價(jià),具體計(jì)算公式為

(11)

式(11)中，DT，ij為第i、j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡度；Eia為a時(shí)刻第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量；Eib為b時(shí)刻第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量；Eja、Ejb分別為a、b時(shí)刻第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量。DT，ij為某兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量相互作用的程度和方向，DT，ij為負(fù)值時(shí)，表示第i與j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系；DT，ij為正值時(shí)，表示兩者之間為協(xié)同關(guān)系；DT，ij絕對(duì)值表示相較于第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化的程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)格局及其動(dòng)態(tài)變化

大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型分布格局見圖2。林地是該功能區(qū)優(yōu)勢(shì)生態(tài)系統(tǒng)類型，其面積占功能區(qū)總面積的67%，主要分布于47° N以北地區(qū)；濕地分布于功能區(qū)的中部及北部地區(qū)；草地主要分布于功能區(qū)西部及南部地區(qū):3種類型面積之和占功能區(qū)總面積的92%。由表4和圖3可知，2000—2015年，林地、耕地和建設(shè)用地面積增加，草地和濕地面積減少。其中，林地面積增加顯著，為2 080 km2；其次為耕地，面積增加466 km2；草地和濕地面積分別減少1 365和1 265 km2，其他生態(tài)系統(tǒng)類型面積變化較小。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)空動(dòng)態(tài)

2000—2015年，大興安嶺生態(tài)功能區(qū)水源供給量時(shí)空動(dòng)態(tài)見圖4。整體上，水源供給量呈下降趨勢(shì)，2000年總水源供給量為129.28億m3，2010年增加至179.30億m3，增長(zhǎng)率達(dá)38.69%，2015年總水源供給量為114.18億m3，比2000年減少15.10億m3。2015年單位面積水源供給量比2000年減少5.19 mm·km-2(表5)。從空間分布變化(圖5)上來看，整體上，水源供給量從西北向東南呈逐漸增加趨勢(shì)，高值區(qū)主要分布于通遼市、興安盟東部地區(qū)，低值區(qū)分布于大興安嶺及呼倫貝爾盟等地。由于該區(qū)域植被密集，地表徑流受到的阻攔增大，導(dǎo)致區(qū)域水源供給量偏低。

審圖號(hào)：GS(2022)1495號(hào)

表4 生態(tài)系統(tǒng)類型面積及其變化

A為面積減少,B為面積增加。審圖號(hào)：GS(2022)1495號(hào)

審圖號(hào)：GS(2022)1495號(hào)

2000—2015年大興安嶺生態(tài)功能區(qū)碳儲(chǔ)量時(shí)空動(dòng)態(tài)見圖6。其中，碳儲(chǔ)量呈不斷增加趨勢(shì)，2000—2010年碳儲(chǔ)量增加顯著，增加13.93 Tg，2015年碳儲(chǔ)量為6 578.32 Tg，比2000年增加16.79 Tg(表5)。從空間分布變化(圖5)上來看，2000—2015年碳儲(chǔ)量總體分布格局無明顯差異，由北至南碳儲(chǔ)量呈不斷下降趨勢(shì)，碳儲(chǔ)量低值區(qū)基本分布在赤峰市、通遼市和興安盟。該區(qū)域林地稀疏，固碳能力弱，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)碳儲(chǔ)量少，而碳儲(chǔ)量高值區(qū)主要分布于大興安嶺及呼倫貝爾盟等森林植被密集區(qū)。

基于生境質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)集，獲取大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量空間分布特征和不同質(zhì)量等級(jí)面積及所占比例。根據(jù)自然斷點(diǎn)法將生境質(zhì)量分為最好、良好、一般和差4個(gè)等級(jí)。由圖7可知，功能區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量最好的區(qū)域與林地、濕地空間分布較為一致，主要分布于呼倫貝爾盟及大興安嶺東北地區(qū)；良好區(qū)域主要分布在黑河市及大興安嶺西北地區(qū)；質(zhì)量一般和差區(qū)域主要分布在赤峰市、通遼市及興安盟。該地區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)類型為建設(shè)用地，其遮蔽條件和NDVI值都較低。生境質(zhì)量等級(jí)面積及其占比見表6，2000—2015年，功能區(qū)生境質(zhì)量最好和差區(qū)域的面積變化較大，其中，質(zhì)量最好區(qū)域面積呈增加趨勢(shì)，增加6 746 km2，質(zhì)量差區(qū)域面積大幅減少，減少7 625 km2。2015年良好及以上生境質(zhì)量面積增加5 746 km2，占生態(tài)功能區(qū)總面積的85.41%，表明2000—2015年間大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量改善顯著。

表5 水源供給量和碳儲(chǔ)量變化

審圖號(hào)：GS(2022)1495號(hào)

審圖號(hào)：GS(2022)1495號(hào)

審圖號(hào)：GS(2022)1495號(hào)

表6 生境質(zhì)量等級(jí)面積及其占比

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡協(xié)同

為消除各服務(wù)功能之間不同量綱的影響，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并對(duì)水源供給、碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖8。圖8中，對(duì)角線上是3種服務(wù)功能的直方圖及核密度曲線，對(duì)角線以上是相關(guān)系數(shù)及顯著性結(jié)果，對(duì)角線以下是各服務(wù)功能的散點(diǎn)圖及平滑擬合曲線。2000—2015年3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相關(guān)系數(shù)變化保持一致。其中，水源供給與碳儲(chǔ)存、水源供給與生境質(zhì)量之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)，說明兩者呈權(quán)衡關(guān)系，且權(quán)衡作用在不斷加強(qiáng)。而碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量之間呈顯著正相關(guān)(P<0.001)，說明兩者呈較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系。

為探究不同空間尺度下服務(wù)功能作用關(guān)系的差異性，根據(jù)ESTD模型計(jì)算研究區(qū)2000—2015年3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的權(quán)衡協(xié)同度，并統(tǒng)計(jì)各地區(qū)各服務(wù)功能之間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系面積占比，結(jié)果見表7。水源供給和碳儲(chǔ)存關(guān)系中，赤峰市、大興安嶺地區(qū)、通遼市和黑河市權(quán)衡關(guān)系面積占比更大，其他地區(qū)權(quán)衡與協(xié)同面積差別不顯著。水源供給與生境質(zhì)量權(quán)衡協(xié)同關(guān)系較為復(fù)雜，其中，赤峰市、黑河市和呼倫貝爾盟權(quán)衡關(guān)系占主導(dǎo)地位，大興安嶺、通遼市和興安盟協(xié)同關(guān)系占比更大。碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量關(guān)系中，赤峰市、通遼市和大興安嶺地區(qū)主要呈協(xié)同關(guān)系，其他區(qū)域權(quán)衡與協(xié)同面積差異不明顯。

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)空變化分析

全面系統(tǒng)地評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可為大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)決策支持。研究發(fā)現(xiàn)功能區(qū)內(nèi)水源供給量呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)在很大程度上與該地區(qū)降水量變化有關(guān)[34]，2010年降水日數(shù)及降水量遠(yuǎn)多于2000年[35]。2010年以后，林地面積持續(xù)增加，濕地面積顯著減少，導(dǎo)致該區(qū)域植被的蒸散發(fā)量增加，從而造成水源供給服務(wù)功能顯著降低。這與MAO等[36]研究結(jié)果基本一致。

與2000年相比，2015年碳儲(chǔ)存服務(wù)功能變化不大，但仍呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。雖然濕地和草地面積減少導(dǎo)致固碳能力有所減弱，但自國(guó)家實(shí)施“退耕還林還草”“三北防護(hù)林”“天然林保護(hù)”等多項(xiàng)生態(tài)工程以來，林地面積逐年增加，從而提高了生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率[37]，因此，研究區(qū)碳儲(chǔ)存服務(wù)功能有所增強(qiáng)。這與張煜星等[38]對(duì)東北地區(qū)的碳儲(chǔ)量估算結(jié)果基本保持一致。

***表示在0.001水平上顯著。

2000—2015年大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量有所改善。該區(qū)域?qū)嵤┑膰?guó)家生態(tài)工程使得自然植被不斷恢復(fù)，減少了人類活動(dòng)對(duì)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境的干擾，生境質(zhì)量明顯改善。從空間上看，生境質(zhì)量最好區(qū)域主要分布在功能區(qū)中部和北部，該區(qū)域森林覆蓋率較高，食物量充足，水系豐富，氣候適宜，受人類活動(dòng)影響較小，非常有利于生物的生長(zhǎng)繁衍；南部生境較差區(qū)域受人類活動(dòng)干擾較大，食物量匱乏，表面植被覆蓋率很低，遮蔽條件很差，生物抗擊外來干擾能力很弱，水源也相對(duì)缺少，不利于生物生存，因此，建議加強(qiáng)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡協(xié)同關(guān)系分析

采用相關(guān)性分析和權(quán)衡協(xié)同度模型分別探討區(qū)域尺度和地級(jí)市尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的相互作用關(guān)系。采用相關(guān)性分析衡量長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)區(qū)域尺度上變量間的相關(guān)關(guān)系，而權(quán)衡協(xié)同度模型是在特定時(shí)間范圍內(nèi)地級(jí)市尺度上對(duì)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)行量化表達(dá)。結(jié)果表明，兩種方法均能用于直觀準(zhǔn)確地表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的關(guān)系，且研究結(jié)果較為一致。除個(gè)別地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系存在差異性以外，綜合來看，研究區(qū)內(nèi)水源供給-碳儲(chǔ)存、水源供給-生境質(zhì)量呈權(quán)衡關(guān)系，碳儲(chǔ)存-生境質(zhì)量呈協(xié)同關(guān)系。

在區(qū)域尺度上，林地面積增加顯著，導(dǎo)致植被蒸散作用加強(qiáng)，以及受降水量波動(dòng)變化影響，導(dǎo)致水源供給量減少；而林地面積增加也表示植被覆蓋率增加，從而增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存服務(wù)功能。因此，水源供給-碳儲(chǔ)存呈權(quán)衡關(guān)系。生態(tài)工程的實(shí)施使得自然植被得到保護(hù)與恢復(fù)，生境質(zhì)量改善顯著，并且植被覆蓋率的增加也意味著碳儲(chǔ)量增加。因此，碳儲(chǔ)存-生境質(zhì)量呈協(xié)同關(guān)系。研究區(qū)生境質(zhì)量顯著提高，水源供給服務(wù)功能減弱，主要是由于生態(tài)工程的實(shí)施使得林地面積增加顯著，生境質(zhì)量良好及以上區(qū)域分布范圍與林地分布范圍基本一致，但林地面積增加導(dǎo)致水源供給量減少。因此，水源供給-生境質(zhì)量呈權(quán)衡關(guān)系。

表7 各地區(qū)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系面積占比

高敏[39]分析了水源供給與生境質(zhì)量相互作用關(guān)系的影響因素，結(jié)果表明，建設(shè)用地及林地面積的增加會(huì)增強(qiáng)其權(quán)衡關(guān)系。筆者研究中生態(tài)系統(tǒng)類型面積變化結(jié)果表明，2000—2015年間林地和建設(shè)用地面積增加，也進(jìn)一步說明水源供給與生境質(zhì)量表現(xiàn)為此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系，這與張靜靜[40]對(duì)伏牛山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡協(xié)同研究結(jié)果相一致。

在地級(jí)市尺度上，水源供給與碳儲(chǔ)存之間主要呈權(quán)衡關(guān)系，以赤峰市、通遼市和黑河市為例，上述地區(qū)森林覆蓋率偏低，碳儲(chǔ)量低，主要生態(tài)系統(tǒng)類型為草地、耕地及建設(shè)用地，降雨后易形成地表徑流，加上城鎮(zhèn)等不透水層的增加，均促進(jìn)了區(qū)域總水源供給量[41]，因此，水源供給-碳儲(chǔ)存中權(quán)衡關(guān)系占主導(dǎo)地位，上述結(jié)論與學(xué)者在陜北[42]及黃土高原[43]的研究結(jié)果基本一致。水源供給與生境質(zhì)量權(quán)衡協(xié)同關(guān)系較為復(fù)雜，其中，赤峰市和黑河市權(quán)衡關(guān)系占主導(dǎo)地位，大興安嶺和通遼市協(xié)同關(guān)系占比更大。具體而言，雖然赤峰市2015年單位面積水源供給量相比2000年有所減弱，但生境質(zhì)量逐步改善。黑河市與赤峰市相反，有部分生境質(zhì)量最好區(qū)域轉(zhuǎn)化為良好區(qū)域，因此，赤峰市和黑河市水源供給與生境質(zhì)量為權(quán)衡關(guān)系。大興安嶺地區(qū)水源供給量減少，良好生境質(zhì)量區(qū)域面積的增加由生境質(zhì)量最好區(qū)域轉(zhuǎn)化而來，表現(xiàn)為共同下降的協(xié)同作用。通遼市生境質(zhì)量差的區(qū)域逐漸減少，轉(zhuǎn)變?yōu)橐话慵傲己玫燃?jí)，表現(xiàn)為共同促進(jìn)的協(xié)同作用。碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，以赤峰市、通遼市和大興安嶺地區(qū)為例，赤峰市和通遼市地處研究區(qū)南部，植被覆蓋率低，生境質(zhì)量雖有所改善，但仍為低值區(qū)，因此，該地區(qū)碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量表現(xiàn)為消極的協(xié)同作用。大興安嶺地區(qū)林地面積大幅增加，該地區(qū)植被覆蓋率上升、碳儲(chǔ)量增加，并且植被覆蓋率高低是衡量生境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)[44]，雖然最好生境質(zhì)量區(qū)域面積有所減少，但整體生境質(zhì)量仍為高值區(qū)，因此，碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量呈協(xié)同關(guān)系。

所采用的InVEST模型雖然在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量模擬方面被眾多學(xué)者認(rèn)可并廣泛采用，但是該模型存在一定的局限性。例如， InVEST模型的碳儲(chǔ)量估算模塊對(duì)碳循環(huán)過程進(jìn)行了過度簡(jiǎn)化，也無法獲取不同碳庫(kù)之間流動(dòng)信息[45]。其次，該研究?jī)H考慮區(qū)域尺度和地級(jí)市尺度上的差異性，還應(yīng)將景觀、樣方/樣地等尺度納入探討范圍。此外，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)維持人類生存的重要條件，但也會(huì)受到人地關(guān)系的影響，尤其是城鎮(zhèn)化等因素的脅迫壓力。因此，將全球氣候變化、人類脅迫等因素納入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并解析其變化狀況，是下一步研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

基于多源數(shù)據(jù)和InVEST等模型，評(píng)估大興安嶺功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化及其在不同空間尺度上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)大興安嶺生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型分布格局以林地為主，濕地和草地次之，耕地、建設(shè)用地和裸地面積較小。2000—2015年，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型整體呈現(xiàn)“三增三減”的變化趨勢(shì)，林地面積顯著增加，建設(shè)用地和耕地略有增加，濕地、草地和裸地面積減少。

(2)受降水量波動(dòng)變化、林地和濕地面積變化導(dǎo)致植被蒸散發(fā)量增加等因素影響，水源供給服務(wù)功能明顯減弱；林地面積顯著增加導(dǎo)致碳儲(chǔ)存服務(wù)功能有所增強(qiáng)，但年際變化不明顯，高值區(qū)基本分布于植被密集區(qū)；生態(tài)工程的實(shí)施使得自然植被得到保護(hù)與恢復(fù)，生境質(zhì)量改善顯著。

(3)在區(qū)域和地級(jí)市尺度上，水源供給與碳儲(chǔ)存呈權(quán)衡關(guān)系，碳儲(chǔ)存與生境質(zhì)量呈協(xié)同關(guān)系。水源供給與生境質(zhì)量在區(qū)域尺度上表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系，但在地級(jí)市尺度上赤峰市和黑河市表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系，大興安嶺和通遼市表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。不同空間尺度上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系分析結(jié)果可為制定適應(yīng)區(qū)域生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的最優(yōu)決策提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)惠益的最大化。