太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別及其權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系分析*

高 會(huì),付同剛,梁紅柱,劉金銅**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2.河北師范大學(xué) 石家莊 050024)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的食物、水、薪柴、精神等所有惠益。Daily對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的內(nèi)涵、定義和分類等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。Costanza等闡述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估的方法,并對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估。這兩篇標(biāo)志性的研究發(fā)表后,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)得到人們的廣泛關(guān)注,研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段。聯(lián)合國(guó)千年評(píng)估(MA)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類、定義做了明確說(shuō)明,并得到了廣泛認(rèn)可。生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性經(jīng)濟(jì)學(xué)(TEEB)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的應(yīng)用提供了思路,在此之后,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在其評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上更加注重其應(yīng)用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估已展開了大量工作,從不同空間尺度進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估。為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果直觀可視化、空間位置明晰,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間制圖尤為重要,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果的直接空間可視化已有大量研究,其中應(yīng)用最廣泛的是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評(píng)價(jià)InVEST模型,其評(píng)估結(jié)果可利用GIS軟件直接呈現(xiàn)空間分布圖。最初識(shí)別區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的較好和較差區(qū)域是將其空間分布圖直接分類,為了分析結(jié)果更加科學(xué)合理,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始把熱點(diǎn)和冷點(diǎn)概念納入到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖研究中,利用空間統(tǒng)計(jì)分析方法判別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較好和較差區(qū)域。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)(冷點(diǎn))是區(qū)域內(nèi)一種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力相對(duì)較強(qiáng)(較弱)的區(qū)域。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系研究對(duì)提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總體效益、保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)供給具有重要意義。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡是指一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的使用增加造成另一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)減少的情形,也稱為沖突關(guān)系或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系; 協(xié)同是指兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)同時(shí)增加或同時(shí)減少的情形。Bai等認(rèn)為生物多樣性與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在協(xié)同關(guān)系,保護(hù)生物多樣性有利于其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); Cademus等分析了美國(guó)東南部某森林系統(tǒng)木材生產(chǎn)、碳儲(chǔ)存和產(chǎn)水量3類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系; 李冬花等研究了新安江流域11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系; 苗培培等對(duì)云南典型石漠化區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同進(jìn)行了研究。以上研究結(jié)果對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。因此,確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系能夠?yàn)橹贫ㄉ鷳B(tài)系統(tǒng)多元目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

綜上所述,直接分類法識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力較差和較弱區(qū)域不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法識(shí)別出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域更加科學(xué)合理,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)和提升區(qū)域劃分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的研究較多,但基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別的基礎(chǔ)上,針對(duì)冷熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究并不多見,該方面的研究可為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)和提升措施的制定提供更加有針對(duì)性的科學(xué)數(shù)據(jù)。因此,評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化和權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系,可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與管理決策提供依據(jù)。

山地是集水源涵養(yǎng)、土壤保持、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性維持、產(chǎn)品供給等多種服務(wù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展于一體的復(fù)雜系統(tǒng),為人類提供直接或間接的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),山地的資源和提供的服務(wù)不僅用于山區(qū)發(fā)展,更是支撐和服務(wù)區(qū)域乃至國(guó)家的發(fā)展需要。山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有不可替代性。太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估已有研究,但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的冷熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究較少。太行山區(qū)是黃土高原和華北平原的天然分界線,黃土高原的部分河流經(jīng)太行山區(qū)流入華北平原,其具有重要的地理意義和生態(tài)意義。因此,本文以太行山區(qū)為研究區(qū)域,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值冷熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別的基礎(chǔ)上,分析冷熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù))兩兩之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,以期為太行山區(qū)管理決策者制定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給保護(hù)提升政策提供科學(xué)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)太行山區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

太行山區(qū)地處我國(guó)第二階梯的東沿,是平原到山地高原的過(guò)渡帶,位于34°34′～41°47′E,110°14′～116°35′E,縱跨北京、河北、山西、河南4省(市),包括101個(gè)縣(圖1),山脈北起北京市西山,向南延伸至河南與山西交界地區(qū)的王屋山,西接山西高原,東臨華北平原,面積2.06×10hm。太行山區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫在10 ℃左右,多年年平均降雨量為570 mm,7月降水最多,12月最少,雨熱同期。山勢(shì)東坡陡峭西坡平緩,太行山脈西面連接山西高原,東坡由中山、低山、丘陵過(guò)渡到平原,主要土地利用類型為耕地、林地、草地、建筑用地,占總面積的90%以上,該地區(qū)的原始森林破壞殆盡,現(xiàn)有的林地都是封山育林后的次生林。

圖1 研究區(qū)太行山區(qū)概況圖Fig.1 Location map of the study area of Taihang Mountain area

1.2 數(shù)據(jù)及處理

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù)

太行山區(qū)1990年、2000年、2010年和2015年土地利用數(shù)據(jù)利用30 m分辨率的TM影像通過(guò)目視判讀而得[國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃):典型山地水土要素時(shí)空耦合特征、效應(yīng)及其調(diào)控]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估所需,將土地利用分類利用GIS進(jìn)行了重分類,分為11類,為了與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表相對(duì)應(yīng),分別將土地利用分類命名為:建筑用地、旱地、水田、有林地(闊葉)、灌木、草地(草原)、灌草叢、濕地、荒漠、裸地、水系。為了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估后冷熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別在GIS軟件中順利運(yùn)行,將目視判讀得到的土地利用矢量分布圖轉(zhuǎn)化為分辨率為3 km的柵格圖。

1.2.2 DEM數(shù)據(jù)

高程(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于ASTER GDEM (Advanced Spaceborne Theemal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model,先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型,http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/),空間分辨率為30 m。為了分析不同海拔梯度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域特征,將高程數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)保持一致的分辨率,即將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為分辨率為3 km的柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)＜600 m、600～1400 m、＞1400 m劃分低海拔地區(qū)、中海拔地區(qū)和高海拔地區(qū)。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估制圖方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法利用Costanza等提出的生態(tài)價(jià)值估算方法,太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表在謝高地等提出的中國(guó)當(dāng)量因子表的基礎(chǔ)上利用植物凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)進(jìn)行修正。各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積價(jià)值的計(jì)算公式如下:

式中:是第類生態(tài)系統(tǒng)第項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的單位面積價(jià)值(元·hm);為單位面積自然農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物生產(chǎn)價(jià)值(元·hm),是相同面積農(nóng)田糧食產(chǎn)量的1/7,在本研究中,價(jià)值為3406.5元·hm;e為第類生態(tài)系統(tǒng)第項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物生產(chǎn)價(jià)值的當(dāng)量因子。本研究中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型包括4大類11小類,即供給服務(wù)(食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)及水資源供給)、調(diào)節(jié)服務(wù)(氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié))、支持服務(wù)(土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性)、文化服務(wù)(美學(xué)景觀)。在各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的單位面積價(jià)值基礎(chǔ)上,在GIS軟件中基于土地利用數(shù)據(jù)逐像元計(jì)算每個(gè)柵格各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值并制圖,其柵格分辨率大小為3 km,每個(gè)柵格的面積為9 km。如柵格的土地利用類型為草地,其供給服務(wù)中食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值為單位面積價(jià)值乘以面積即:3406.5元·hm×0 .13×900 hm=398 560.5元。其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算也是如此。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷/熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供熱(冷)點(diǎn)可以認(rèn)為是區(qū)域內(nèi)一種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力相對(duì)較強(qiáng)(較弱)的區(qū)域。在GIS平臺(tái)中提供了基于Getis-Ord Gi*統(tǒng)計(jì)指數(shù)的熱點(diǎn)分析工具,計(jì)算各要素之間的值和值反映空間中高值區(qū)(熱點(diǎn)區(qū)域)與低值區(qū)(冷點(diǎn)區(qū)域)的集聚。值是標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù),值為概率,值越高且值越小,說(shuō)明熱點(diǎn)區(qū)域的集聚越明顯,值越小且值越小,說(shuō)明冷點(diǎn)區(qū)域的集聚越明顯。計(jì)算公式如下:

式中:x是 柵格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;是柵格和之間的空間權(quán)重,柵格和柵格距離在規(guī)定范圍內(nèi),=1,否則=0;為柵格總數(shù);為所有柵格生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量的平均數(shù);*是得分。本研究中將太行山區(qū)分為極顯著熱點(diǎn)區(qū)域(＞2.58且＜0.01)、顯著熱點(diǎn)區(qū)域(1.96＜＜2.58且＜0.05)、熱點(diǎn)區(qū)域(1.65＜＜1.96且＜0.10)、非顯著點(diǎn)(-1.65＜＜1.65)、冷點(diǎn)區(qū)域(-1.96＜＜-1.65且＜0.10)、顯著冷點(diǎn)區(qū)域(-2.58＜＜-1.96且＜0.05)和極顯著冷點(diǎn)區(qū)域(＜-2.58且＜0.01)。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同分析方法

通過(guò)相關(guān)性分析評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系,運(yùn)用SPSS軟件對(duì)2種不同生態(tài)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)性分析,若2種服務(wù)的相關(guān)系數(shù)為正,這2種服務(wù)為協(xié)同關(guān)系; 反之,則為權(quán)衡關(guān)系。本研究利用Spearman相關(guān)系數(shù)法來(lái)計(jì)算每?jī)煞N生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù),顯著性水平為＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空格局

太行山區(qū)1990年、2000年、2010年及2015年?yáng)鸥癯叨壬仙鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值在0～18 506萬(wàn)元間劃分出5個(gè)等級(jí)區(qū)間。太行山區(qū)1990年、2000年、2010年和2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值不同區(qū)間分布的柵格數(shù)表明,26年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值柵格尺度上基本保持不變,其主要分布區(qū)間為368萬(wàn)～1156萬(wàn)元和1156萬(wàn)～3385萬(wàn)元(表1),兩個(gè)區(qū)間分布面積約占太行山區(qū)總面積的80%。高值區(qū)6218萬(wàn)～18 506萬(wàn)元分布面積最少(表1),僅占太行山區(qū)面積的1%。

表1 1990年、2000年、2010年和2015年太行山區(qū)柵格尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值各區(qū)間柵格數(shù)Table 1 Grids number of each interval of total value of ecosystem services in Taihang Mountain area in 1990,2000,2010 and 2015

太行山區(qū)26年來(lái)柵格尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值空間分布規(guī)律基本一致,其中區(qū)間368萬(wàn)～1156萬(wàn)元、1156萬(wàn)～3385萬(wàn)元和3385萬(wàn)～6218萬(wàn)元呈現(xiàn)集中分布,而低值區(qū)0～368萬(wàn)元及高值區(qū)6218萬(wàn)～18 506萬(wàn)元呈現(xiàn)零星分散分布(圖2)。

圖2 1990年、2000年、2010年、2015年太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of total value of ecosystem services in Taihang Mountain area in 1990,2000,2010 and 2015

垂直梯度上,太行山區(qū)低山丘陵區(qū)、中山區(qū)及亞高山區(qū)26年來(lái)柵格尺度上不同區(qū)間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值分布面積基本不變:其中低山丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值主要分布區(qū)間為368萬(wàn)～1156萬(wàn)元,約占低山丘陵區(qū)總面積的50%; 中山區(qū)主要分布區(qū)間為1156萬(wàn)～3385萬(wàn)元,約占總面積的55%; 高山區(qū)主要分布區(qū)間為3385萬(wàn)～6218萬(wàn)元,約占總面積的70%。其中高值區(qū)間6218萬(wàn)～18 506萬(wàn)元,在中山區(qū)和亞高山區(qū)基本沒有,尤其是亞高山區(qū)。

綜上所述,太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值時(shí)空分布格局表明,快速提升其價(jià)值應(yīng)在集中分布的等級(jí)區(qū)間采取相應(yīng)的措施,而低值區(qū)和高值區(qū)的零散分布會(huì)增加提升恢復(fù)的難度。從垂直梯度角度分析表明,對(duì)于太行山區(qū)低山丘陵區(qū)、中山區(qū)和亞高山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值提升應(yīng)該分別集中在368萬(wàn)～1156萬(wàn)元、1156萬(wàn)～3385萬(wàn)元和3385萬(wàn)～6218萬(wàn)元區(qū)間。

2.2 太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷/熱點(diǎn)區(qū)域空間格局

由上述太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空格局分析可知,太行山區(qū)柵格尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值26年來(lái)變化不顯著,因此以2015年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為例分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷/熱點(diǎn)區(qū)域空間格局,不再進(jìn)行時(shí)間變化分析。

在GIS平臺(tái)中基于Getis-Ord Gi*統(tǒng)計(jì)指數(shù)的熱點(diǎn)分析方法,熱點(diǎn)區(qū)域(極顯著熱點(diǎn)區(qū)域、顯著熱點(diǎn)區(qū)域和熱點(diǎn)區(qū)域)(下同)分布在整個(gè)太行山區(qū),冷點(diǎn)區(qū)域(極顯著冷點(diǎn)區(qū)域、顯著冷點(diǎn)區(qū)域和冷點(diǎn)區(qū)域)(下同)主要分布在太行山區(qū)與東部平原過(guò)渡的低山丘陵區(qū)以及太行山區(qū)西部邊緣區(qū)(圖3),相對(duì)于熱點(diǎn)區(qū)域,冷點(diǎn)區(qū)域分布相對(duì)集中。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域分布空間與柵格價(jià)值區(qū)間3385萬(wàn)～6218萬(wàn)元分布空間基本相同,冷點(diǎn)區(qū)域分布空間與柵格價(jià)值區(qū)間0～368萬(wàn)元分布空間基本相同(圖2,圖3)。從空間分布來(lái)看,零散分布的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域的保護(hù)相對(duì)困難,如建立自然保護(hù)區(qū),需要建立多個(gè)。冷點(diǎn)區(qū)域的分布集中,可以采取相應(yīng)的措施進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體提升。

圖3 2015年太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷/熱點(diǎn)區(qū)域分布圖Fig.3 Cold / hot spots distribution of ecosystem services in Taihang Mountain area in 2015

垂直梯度上,太行山熱點(diǎn)區(qū)域在低山丘陵區(qū)、中山區(qū)及亞高山區(qū)都有分布,分布面積亞高山區(qū)最大,為9558 km,其次是中山區(qū),面積為5238 km,最小是低山丘陵區(qū),面積為3969 km。冷點(diǎn)區(qū)域只分布在低山丘陵區(qū)以及中山區(qū),其中低山丘陵區(qū)分布面積約占總面積的70%。熱點(diǎn)區(qū)域在垂直梯度上的分布規(guī)律與柵格價(jià)值區(qū)間3385萬(wàn)～6218萬(wàn)元分布規(guī)律相同(圖2,圖3),面積上表現(xiàn)為亞高山區(qū)＞中山區(qū)＞低山丘陵區(qū); 冷點(diǎn)區(qū)域分布規(guī)律與柵格價(jià)值區(qū)間0～368萬(wàn)元分布規(guī)律相同(圖2,圖3),面積上表現(xiàn)為低山丘陵區(qū)＞中山區(qū)＞亞高山區(qū)。因此,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值提升量的角度,治理恢復(fù)應(yīng)以亞高山區(qū)為主,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值提升效率的角度,治理恢復(fù)應(yīng)以低山丘陵區(qū)為主。

2.3 太行山區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)類型的冷/熱點(diǎn)特征

太行山區(qū)7種土地利用類型中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域面積比例分析表明:森林、水域和濕地中不存在冷點(diǎn)區(qū)域,水域的熱點(diǎn)區(qū)域面積比例最大,高達(dá)65%,其次是森林和濕地; 荒漠生態(tài)系統(tǒng)中不存在熱點(diǎn)區(qū)域,冷點(diǎn)區(qū)域面積占比為69%; 農(nóng)田和建設(shè)用地的熱點(diǎn)區(qū)域面積比例極小,冷點(diǎn)區(qū)域相對(duì)于其他土地利用類型面積比例較大。極顯著冷點(diǎn)區(qū)域僅存在于建設(shè)用地(圖4)?；谕恋乩脕?lái)確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先保護(hù)區(qū),則森林、水域和濕地應(yīng)該優(yōu)先保護(hù),而農(nóng)田、荒漠和建設(shè)用地應(yīng)采取相應(yīng)的措施提升其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

2.4 冷/熱點(diǎn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

從表2可知,太行山區(qū)總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域中,4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在不同的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。熱點(diǎn)區(qū)域中,4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間不存在權(quán)衡關(guān)系,只有協(xié)同關(guān)系,調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)協(xié)同關(guān)系最強(qiáng),文化服務(wù)和供給服務(wù)協(xié)同關(guān)系最弱。冷點(diǎn)區(qū)域中,4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間也只存在協(xié)同關(guān)系,且兩兩服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系都較強(qiáng)。不顯著區(qū)域中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間既有權(quán)衡關(guān)系又有協(xié)同關(guān)系,存在的協(xié)同關(guān)系都較強(qiáng),權(quán)衡關(guān)系相對(duì)較弱,存在于供給服務(wù)與其他3類服務(wù)之間。綜上所述,太行山區(qū)4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間協(xié)同關(guān)系占主導(dǎo)地位,權(quán)衡關(guān)系僅存在于供給服務(wù)與其他服務(wù)之間。因此,從保護(hù)效率來(lái)看,冷熱點(diǎn)區(qū)域都可以作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給提升保護(hù)優(yōu)先區(qū),因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間沒有權(quán)衡關(guān)系,在保護(hù)提升一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同時(shí)總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)就可以得到提升保護(hù)。

表2 太行山區(qū)熱點(diǎn)區(qū)域、冷點(diǎn)區(qū)域和不顯著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型之間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between ecosystem service types in the hot spots,cold spots and inconspicuous regions of the Taihang Mountain

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷/熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別目前主要有兩種方法:直接分類法和空間統(tǒng)計(jì)分析方法。直接分類法根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布格局,根據(jù)價(jià)值分區(qū)將高值區(qū)確定為熱點(diǎn)區(qū)域,低值區(qū)確定為冷點(diǎn)區(qū)域。朱殿珍等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)超過(guò)當(dāng)年各自平均值的地區(qū)視為該服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū); Xiao等將前40%高值區(qū)視為熱點(diǎn)區(qū)。直接分類法具有簡(jiǎn)單直觀的優(yōu)點(diǎn),但熱點(diǎn)區(qū)斑塊破碎化嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化管理實(shí)施困難。本研究中柵格尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)(6218萬(wàn)～18 506萬(wàn)元)在太行山區(qū)呈現(xiàn)零散分布(圖2),想要針對(duì)該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行保護(hù)相對(duì)較困難?？臻g統(tǒng)計(jì)分析方法最常用的是Gi*統(tǒng)計(jì)方法,該方法對(duì)冷熱點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性分級(jí)。王壯壯等以延河流域?yàn)槔?利用該方法通過(guò)多源數(shù)據(jù)模擬了土壤保持、植被碳固定、產(chǎn)水、洪水調(diào)節(jié)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)時(shí)空格局; Li等利用該方法識(shí)別分析了長(zhǎng)江三角洲城市群4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛在供給的冷熱點(diǎn)區(qū)域。該方法的冷熱點(diǎn)區(qū)域斑塊破碎化程度低,其區(qū)域具有連續(xù)成片性,能夠?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。本研究中太行山區(qū)的冷熱點(diǎn)區(qū)域斑塊面積較大且破碎化程度低(圖3),冷熱點(diǎn)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的土地利用類型識(shí)別簡(jiǎn)單且明確(圖4),為基于土地利用優(yōu)化提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給奠定了基礎(chǔ)。

圖4 太行山區(qū)各類土地利用類型中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷/熱點(diǎn)區(qū)域面積比例Fig.4 Proportion of cold/hot spots areas of ecosystem services of different land use types in Taihang Mountain area

不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系特征研究對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理、實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與自然協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系是普遍存在的,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。Lu等研究了黃土高原多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,孟浩斌等探討了三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系具有尺度依賴性,余玉洋等在秦巴山區(qū)的研究中,發(fā)現(xiàn)雖然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系在大、中、小尺度上都一致表現(xiàn)為權(quán)衡/協(xié)同,但權(quán)衡/協(xié)同的強(qiáng)度卻隨尺度增大而增強(qiáng)。本研究在熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別的基礎(chǔ)上探討了不同分區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系(表2),整個(gè)太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系如表3所示,與冷熱點(diǎn)分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系有所不同?？紤]生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的尺度依賴性,分析結(jié)果對(duì)于管理決策者制定管理措施更有參考意義及價(jià)值。本研究中只考慮了空間尺度,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類指標(biāo)尺度沒有考慮,分析了4大類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,而對(duì)于4大類下面的11小類之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系還需要進(jìn)一步的研究。

表3 太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between ecosystem services in Taihang Mountain area

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別的研究目的多數(shù)為劃定優(yōu)先保護(hù)區(qū)。王壯壯等基于流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)與冷點(diǎn)時(shí)空格局特征研究,確定4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)效率最高的延河流域上游地區(qū); Spanò等研究意大利南部的一個(gè)城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)是否和自然保護(hù)區(qū)重合,結(jié)果表明有23.7%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)落在自然保護(hù)區(qū)內(nèi); Cai等研究了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點(diǎn)區(qū)域,指出關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別是長(zhǎng)江生態(tài)紅線劃定的第一步。本研究對(duì)太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的冷熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了識(shí)別,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力角度,優(yōu)先保護(hù)區(qū)應(yīng)該是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域,因?yàn)槠渖鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高; 從保護(hù)效率角度考慮,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的冷熱點(diǎn)區(qū)域都可以作為優(yōu)先保護(hù)區(qū),冷熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間都是協(xié)同關(guān)系,不存在權(quán)衡關(guān)系,在保護(hù)提升其中一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同時(shí)總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以得到保護(hù)提升?；谕恋乩猛瑫r(shí)考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力來(lái)確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先保護(hù)區(qū),應(yīng)該優(yōu)先保護(hù)森林、水域和濕地。

4 結(jié)論

本文分析了26年來(lái)太行山區(qū)總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空特征,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)制圖方法識(shí)別出總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域,對(duì)冷熱點(diǎn)區(qū)的4大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:

1)太行山區(qū)26年來(lái)柵格尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值5個(gè)等級(jí)區(qū)間面積分布基本不變,空間分布規(guī)律也基本不變,中間3個(gè)等級(jí)區(qū)間呈現(xiàn)集中分布,面積占比大,而低值區(qū)及高值區(qū)呈現(xiàn)零星分散分布;垂直梯度上,低山丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)服務(wù)總價(jià)值主要分布區(qū)間為368萬(wàn)～1156萬(wàn)元,中山區(qū)主要分布區(qū)間為1156萬(wàn)～3385萬(wàn)元,高山區(qū)主要分布區(qū)間為3385萬(wàn)～6218萬(wàn)元。

2)太行山區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域遍布于整個(gè)太行山區(qū),冷點(diǎn)區(qū)域主要分布在太行山區(qū)與東西部山地平原過(guò)渡的低山丘陵區(qū)以及太行山區(qū)西部邊緣區(qū)。垂直梯度上,熱點(diǎn)區(qū)域亞高山區(qū)面積占比最大,冷點(diǎn)區(qū)域在亞高山區(qū)沒有分布?；诳臻g分布特征,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先保護(hù)區(qū)應(yīng)該是亞高山區(qū)。從土地利用的生態(tài)系統(tǒng)類型角度看,森林、水域和濕地中不存在冷點(diǎn)區(qū)域,且熱點(diǎn)區(qū)域面積比例較大,基于土地利用來(lái)確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先保護(hù)區(qū),應(yīng)該優(yōu)先保護(hù)森林、水域和濕地。

3)太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)區(qū)域中,4大類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間只有協(xié)同關(guān)系。從保護(hù)效率來(lái)看,冷熱點(diǎn)區(qū)域都可以作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給提升保護(hù)優(yōu)先區(qū),因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間沒有權(quán)衡關(guān)系,在保護(hù)提升一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同時(shí)總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)就可以得到提升保護(hù)。