北方防沙帶典型縣域主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

薛永盛，楊雪梅

（1. 甘肅省民勤縣自然資源局規(guī)劃技術(shù)保障中心, 甘肅 武威 733300；2. 蘭州文理學(xué)院旅游學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有惠益[1]，包括供給、調(diào)節(jié)、文化和支持服務(wù)4 種類(lèi)型[2-3]，具體可以為人類(lèi)提供防風(fēng)固沙、食物供給、土壤保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)等方面的功能[4-6]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類(lèi)多樣，空間分布不均衡，它們之間相互影響制約，存在復(fù)雜的關(guān)系[7]，主要表現(xiàn)為權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系。權(quán)衡指不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)此消彼長(zhǎng)的情況，即因某一服務(wù)增強(qiáng)而導(dǎo)致其他服務(wù)減弱，而協(xié)同是兩種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)同時(shí)增加或減少的情形[7-9]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)化離不開(kāi)對(duì)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的科學(xué)認(rèn)知[10]，開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同研究，能有效避免由于過(guò)度強(qiáng)化某一服務(wù)供給而導(dǎo)致其他服務(wù)降低的情形，充分利用協(xié)同作用有助于提高生態(tài)管理效益[11]。北方防沙帶是國(guó)家“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，也是我國(guó)荒漠化發(fā)展最快、生態(tài)極為脆弱、受風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的區(qū)域[12]。開(kāi)展對(duì)該地區(qū)典型縣域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究，對(duì)確保北方防沙帶生態(tài)安全、合理配置自然資源、實(shí)現(xiàn)區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念解讀、價(jià)值評(píng)估、權(quán)衡協(xié)同關(guān)系等研究已成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并逐漸被應(yīng)用于區(qū)域規(guī)劃與決策當(dāng)中[13]。其中，權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究旨在實(shí)現(xiàn)不同層次的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給和效益最大化[14]。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究主要集中在理論基礎(chǔ)、表現(xiàn)形式、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、尺度效應(yīng)等方面。從測(cè)度方法來(lái)看，近年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型，如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評(píng)估(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs, InVEST)、生 態(tài) 系 統(tǒng) 服 務(wù) 人 工 智 能(artificial intelligence for ecosystem services, ARIES)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的社會(huì)價(jià)值模型(valuing ecosystem services, ES-Value)等發(fā)展趨于成熟[14-17]，尤其是基于InVEST 模型的測(cè)度在國(guó)內(nèi)外得到較好的實(shí)際應(yīng)用[15-16]；權(quán)衡協(xié)同關(guān)系研究的主要方法有統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、空間分析方法、情景模擬方法和服務(wù)流動(dòng)性分析方法[8,18]，具體包括生態(tài)系 統(tǒng)服務(wù)變化指 數(shù)(ecological services change index,ESCI)、空間自相關(guān)、相關(guān)系數(shù)法、逐項(xiàng)元偏相關(guān)分析等[19-24]。從研究視角來(lái)看，早期對(duì)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的研究更多集中在單個(gè)時(shí)間點(diǎn)的靜態(tài)研究，缺乏長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)序列研究[25]，同時(shí)大多從統(tǒng)計(jì)關(guān)系角度分析整體權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，缺少內(nèi)部時(shí)空差異的時(shí)空表達(dá)[26-27]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總體權(quán)衡/協(xié)同作用分析的深度和廣度也存在很大差距，但不同研究尺度上，在特定區(qū)域獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同作用是不同的，現(xiàn)有研究一般集中在較大區(qū)域尺度上。本研究以縣域?yàn)檠芯恳暯?，通過(guò)時(shí)間動(dòng)態(tài)變化分析，從統(tǒng)計(jì)關(guān)系和時(shí)空差異變化角度進(jìn)行研究。

縣域是北方防沙帶生態(tài)安全屏障的主要建設(shè)單元，它既是推進(jìn)國(guó)家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要組成部分，也是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的重要空間載體。民勤縣位于北方防沙帶中部，區(qū)內(nèi)干燥少雨、植被稀疏、沙漠廣布，沙漠和荒漠化面積占縣域總面積的90.34%，是北方防沙帶縣域典型代表。近年來(lái)由于在該區(qū)域?qū)嵤┝吮姸嗟姆郎持紊成鷳B(tài)建設(shè)措施，生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。本研究以民勤縣為研究對(duì)象，根據(jù)區(qū)域功能定位和主要生態(tài)問(wèn)題，選取防風(fēng)固沙、碳儲(chǔ)量、食物供給3 項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，基于InVEST 模型和ArcGIS 等手段，評(píng)估在2000 年、2010年、2020 年上述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化，然后利用R4.1.1和GeoDa1.20 軟件進(jìn)行相關(guān)分析和聚類(lèi)分析來(lái)研究其數(shù)值上和空間上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，以期為民勤縣自然資源優(yōu)化配置和國(guó)土空間規(guī)劃管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

民勤縣隸屬甘肅省武威市，位于河西走廊東北部、石羊河流域下游，地處101°49′41″～104°12′10″E、38°03′45″～39°27′37″N，總面積1.58 × 104km2?？h域境內(nèi)最低海拔1 298 m，最高海拔1 936 m，平均海拔1 400 m，由沙漠、低山丘陵和平原3 種主要地貌組成。民勤屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量為113.2 mm，蒸發(fā)量為2 644 mm，干旱發(fā)生頻率高。民勤屬于較典型的極干旱沙漠荒漠草原植被區(qū)，土壤、植被等生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，植被以荒漠植被群系為主，對(duì)氣候變化敏感[28]。全縣轄大壩鎮(zhèn)、蔡旗鎮(zhèn)、昌寧鎮(zhèn)、大灘鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)、東湖鎮(zhèn)、紅砂崗鎮(zhèn)、紅沙梁鎮(zhèn)、夾河鎮(zhèn)、南湖鎮(zhèn)、泉山鎮(zhèn)、三雷鎮(zhèn)、收成鎮(zhèn)、雙茨科鎮(zhèn)、蘇武鎮(zhèn)、西渠鎮(zhèn)、薛百鎮(zhèn)、重興鎮(zhèn)18 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Location of the research area

從20 世紀(jì)開(kāi)始，受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響，民勤縣生態(tài)環(huán)境開(kāi)始惡化。2000 年前后，氣象災(zāi)害加上人類(lèi)對(duì)土地盲目開(kāi)墾，使綠洲荒漠化趨勢(shì)加重。但隨著2007 年石羊河流域重點(diǎn)治理展開(kāi)，民勤縣實(shí)施生態(tài)立縣戰(zhàn)略，大規(guī)模開(kāi)展防沙治沙、國(guó)土綠化倍增行動(dòng)，積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和水資源調(diào)控等治理工作，高度重視節(jié)能減排。近年來(lái)，民勤生態(tài)環(huán)境已呈現(xiàn)出“整體遏制、局部好轉(zhuǎn)”的態(tài)勢(shì)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自全球地理信息公共產(chǎn)品網(wǎng)站(http://www.globallandcover.com/)。利用該網(wǎng)站公布的2000 年、2010 年、2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，將土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪10 大地類(lèi)。地理坐標(biāo)系為WGS_1984，分辨率為30 m；數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)所提供的30 m 分辨率的ASTER Global Digital Elevation Model 數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)采集的民勤縣周邊區(qū)域氣象站點(diǎn)降雨、溫度、日照時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)包括土壤中砂粒、粘粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)含量百分比和碳酸鈣含量，采用基于世 界 土 壤 數(shù) 據(jù) 庫(kù)(Harmonized World Soil Database,HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(v1.1) (http://westdc.westgis.ac.cn)，分辨率為1 km；經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自3 個(gè)年份的《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》《武威市統(tǒng)計(jì)年鑒》《民勤縣統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)方法

2.2.1 防風(fēng)固沙

防風(fēng)固沙是風(fēng)蝕地區(qū)主要生態(tài)功能，生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)其結(jié)構(gòu)與過(guò)程減少風(fēng)蝕導(dǎo)致的土壤侵蝕作用[29-30]，一般以防風(fēng)固沙量(潛在風(fēng)蝕量與實(shí)際風(fēng)蝕量的差值)作為防風(fēng)固沙功能的評(píng)估指標(biāo)[31-32]。當(dāng)風(fēng)經(jīng)過(guò)地表時(shí)會(huì)受到植被阻擋，使得風(fēng)力減弱，風(fēng)蝕量降低[30]，潛在風(fēng)蝕量指沒(méi)有植被的裸土條件下的土壤風(fēng)蝕量，實(shí)際風(fēng)蝕量指現(xiàn)實(shí)中地表植被覆蓋條件下的土壤風(fēng)蝕量。采用修正風(fēng)蝕方程計(jì)算防風(fēng)固沙量，計(jì)算公式：

式中：SR為固沙量(kg·m?2)；SL潛為潛在風(fēng)力侵蝕量(kg·m?2)；SL為實(shí)際風(fēng)力侵蝕量(kg·m?2)。

2.2.2 碳儲(chǔ)量

碳儲(chǔ)量服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的調(diào)節(jié)服務(wù)，陸地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)將碳元素儲(chǔ)存在土壤和植被中來(lái)調(diào)節(jié)大氣中碳的含量。本研究運(yùn)用InVEST 模型中的碳模塊(carbon)來(lái)計(jì)算民勤縣的碳儲(chǔ)量(t·hm?2)，計(jì)算公式如下：

式中：Ctot為總碳儲(chǔ)量；Cabove為地上生物碳儲(chǔ)量；Cbelow為地下生物碳儲(chǔ)量；Csoil為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；Cdead為死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量。

2.2.3 食物供給

食物供給作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中最為基礎(chǔ)的服務(wù)之一，對(duì)人類(lèi)的生存與發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[25]。食物供給以單位面積生產(chǎn)總量來(lái)表示，本研究以民勤鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政邊界劃分區(qū)域，利用糧食、油料和蔬菜瓜果3 類(lèi)主要食物類(lèi)型總產(chǎn)量測(cè)算全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的食物供給能力，計(jì)算公式：

式中：Gi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的食物供給能力(t·hm?2)；Gsumi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的食物供給總量(t)；Si為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的耕地面積(hm2)；Gsi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的糧食供給量(t)；Goi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的油料供給 量(t)；Gvi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的蔬菜瓜果供給量(t)。

2.3 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系評(píng)價(jià)方法

研究多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的方法主要有相關(guān)分析和聚類(lèi)分析等[14-16]。在相關(guān)分析方面，本研究基于R4.1.1 軟件，將歸一化后的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量賦值到民勤村級(jí)尺度上，導(dǎo)出屬性表，使用cor 函數(shù)和chart. Correlation 函數(shù)[18]對(duì)民勤防風(fēng)固沙、碳儲(chǔ)量以及食物供給3 種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性可視化分析，繪制散點(diǎn)圖矩陣，當(dāng)某對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)為負(fù)且通過(guò)0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)，則認(rèn)為該對(duì)服務(wù)間存在權(quán)衡關(guān)系，反之系數(shù)為正且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)則為協(xié)同關(guān)系[33]。

聚類(lèi)分析可以進(jìn)一步了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的空間異質(zhì)性，將各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量賦值到民勤村界矢量圖上，導(dǎo)入GeoDa1.20 軟件，使用Space 模塊的雙變量自相關(guān)和局部雙變量自相關(guān)進(jìn)行分析，得到莫蘭指數(shù)和高低聚類(lèi)圖，高高聚類(lèi)和低低聚類(lèi)表示協(xié)同關(guān)系，高低聚類(lèi)和低高聚類(lèi)表示權(quán)衡關(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

3.1.1 防風(fēng)固沙

民勤縣2000 年、2010 年、2020 年防風(fēng)固沙總量分別為7.93 × 107、13.15 × 107和16.59 × 107kg (表1)，單位面積防風(fēng)固沙量分別為4.50、7.46、9.41 kg·m?2，防風(fēng)固沙總量隨時(shí)間變化逐漸增加，說(shuō)明研究區(qū)防風(fēng)固沙能力不斷增強(qiáng)。單位面積防風(fēng)固沙量較高值主要分布在民勤縣中部綠洲地區(qū)( ＞ 40 kg·m?2)，該區(qū)域主要土地利用類(lèi)型為耕地和灌木林地，植被覆蓋度相對(duì)較高，地勢(shì)平坦，土壤粒徑較小，土壤潛在風(fēng)蝕量大于實(shí)際風(fēng)蝕量，單位面積防風(fēng)固沙量較高；較低值主要分布于民勤縣東北部、西南部等荒漠地區(qū)(0～10 kg·m?2)，該區(qū)域主要土地利用類(lèi)型為沙漠，植被蓋度較低，土壤質(zhì)地較差，粒徑較大，土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重，土壤潛在風(fēng)蝕量接近于土壤實(shí)際風(fēng)蝕量，單位面積防風(fēng)固沙量較低。研究期內(nèi)，民勤縣防風(fēng)固沙能力呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)，但2010-2020 年增長(zhǎng)幅度小于2000-2010 年。2000-2010 年，民勤縣防風(fēng)固沙量增加了5.22 × 107kg，增長(zhǎng)幅度為65.83%，中部綠洲、北部和西南部防風(fēng)固沙量增加，南部、西部及中部部分區(qū)域防風(fēng)固沙量減少；2010-2020 年間，民勤縣防風(fēng)固沙量增加了3.44 × 107kg，增長(zhǎng)幅度為26.16%，中部部分綠洲、西部和東南部防風(fēng)固沙量增加，西南部和中部部分區(qū)域防風(fēng)固沙量減少(圖2)。上述防風(fēng)固沙量減少區(qū)域由于城鎮(zhèn)化和快速工業(yè)化，建設(shè)用地快速擴(kuò)張，植被覆蓋度降低，防風(fēng)固沙能力降低；但從整體來(lái)看，民勤縣在生態(tài)文明理念的倡導(dǎo)下，組織實(shí)施各項(xiàng)重點(diǎn)工程，防風(fēng)固沙成果顯著，有效阻止了風(fēng)沙擴(kuò)散。

表1 不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量Table 1 Ecosystem services in different periods

圖2 民勤縣防風(fēng)固沙量變化Figure 2 Change of windbreak and sand fixation service in Minqin County

3.1.2 碳儲(chǔ)量

民勤縣2000 年、2010 年、2020 年碳儲(chǔ)量總量分別為1.43 × 107、1.56 × 107和1.64 × 107t (表1)，單位面積碳儲(chǔ)量分別為9.01、9.83、10.39 t·hm?2，碳儲(chǔ)量總量和碳密度在研究期內(nèi)隨時(shí)間變化逐漸增大，生態(tài)系統(tǒng)固碳能力有所增加。在空間分布上，碳密度值較高的區(qū)域主要分布在民勤縣中部綠洲地區(qū)周?chē)约懊袂诳h東北部( ＞ 50 t·hm?2)，該區(qū)域主要土地利用類(lèi)型為耕地、草地和林地，固碳能力較強(qiáng)；低值區(qū)域主要集中在民勤縣西北部、北部和南部等綠洲外圍沙漠地區(qū)( ＜ 40 t·hm?2)，且分布范圍較廣，該區(qū)域主要土地利用類(lèi)型為沙漠，固碳能力差。2000-2010 年，民勤縣碳儲(chǔ)量增加了1.30 × 106t，增加區(qū)域占比9.07%，主要集中于民勤縣北部，該區(qū)域草地面積增加，植被覆蓋度較高，固碳能力增強(qiáng)，碳儲(chǔ)量增加；2010-2020 年，民勤縣碳儲(chǔ)量增加了8 × 105t，增加區(qū)域占比5.13%，主要集中于民勤縣東北部及西北部(圖3)；隨著建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和實(shí)行生態(tài)修復(fù)工程，該區(qū)域建設(shè)用地和草地面積增加，固碳能力增強(qiáng)。與防風(fēng)固沙服務(wù)相似，碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)速率在后10 年的增幅小于前10 年。

圖3 民勤縣碳儲(chǔ)量變化Figure 3 Change of carbon sequestration service in Minqin County

3.1.3 食物供給

民勤縣3 年的食物供給服務(wù)總量分別為2.61 ×105、7.26 × 105和12.78 × 105t (表1)，單位面積耕地食物的供給量分別為1.69、4.25、3.63 t·hm?2。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)差異也較大，食物供給量較高的地區(qū)主要分布在民勤縣中部綠洲地區(qū)，單位面積耕地食物供給量較多的區(qū)域?yàn)槭粘涉?zhèn)、大壩鎮(zhèn)、泉山鎮(zhèn)、蔡旗鎮(zhèn)和重興鎮(zhèn)，供給較少的地區(qū)主要在周邊沙漠戈壁地帶，包括紅砂崗鎮(zhèn)、紅沙梁鎮(zhèn)、南湖鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)(圖4)。2000-2010 年，食物供給總量增加了4.65 × 105t，增幅178.16%；2010-2020 年，總量增加5.52 × 105t，增幅76.03%。單位面積耕地產(chǎn)量在2000-2010年增加較多，但在2010-2020 年幾乎沒(méi)有變化；2000-2010 年，耕地面積略有減少，但民勤在此期間一直大力發(fā)展瓜果產(chǎn)業(yè)，蔬菜瓜果產(chǎn)量劇增，蔬菜、瓜類(lèi)和水果產(chǎn)量分別從2000 年的2.40 × 104、6.27 × 104和5.69 × 103t 上 升 到2020 年 的4.71 ×104、3.24 × 105和5.19 × 104t，產(chǎn)量增加了將近10 倍，由此帶來(lái)單位面積產(chǎn)量激增；2010-2020 年期間，單位面積產(chǎn)量幾乎未發(fā)生變化，但由于開(kāi)墾荒地等帶來(lái)的耕地面積增加促進(jìn)了總產(chǎn)量的增加，耕地面積從2010 年的5.98 × 104hm2增加到2020 年的1.04 ×105hm2。

圖4 民勤縣食物供給變化Figure 4 Change of food supply service in Minqin County

3.2 權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同數(shù)值分析

利用R 語(yǔ)言對(duì)各年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖5)，可以看出，不同年份的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩間的相關(guān)性，整體上防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量、碳儲(chǔ)量與食物供給為協(xié)同關(guān)系，防風(fēng)固沙與食物供給為權(quán)衡關(guān)系。在村級(jí)尺度上，防風(fēng)固沙和碳儲(chǔ)量3 年的相關(guān)系數(shù)分別為0.36、0.43 和0.38，表現(xiàn)出顯著的協(xié)同關(guān)系(P＜ 0.01)，表明防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量這兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)本身有著較強(qiáng)的聯(lián)系，防風(fēng)固沙依靠的植被主要是林地、草地等，而這些植被同樣有著碳固持的作用，綠色植被面積的增減變化會(huì)同時(shí)帶來(lái)兩種生態(tài)服務(wù)的增減變化，所不同的是草地防風(fēng)固沙效果最好，碳儲(chǔ)量更多依靠林地。防風(fēng)固沙與食物供給3 年的相關(guān)系數(shù)分別為-0.03、-0.23 和0.03，其中在2000、2010 年呈現(xiàn)出較為顯著的權(quán)衡關(guān)系(P＜ 0.05)，在2020 年則為不顯著的協(xié)同關(guān)系(P＞ 0.05)，糧食生產(chǎn)用地與其他用地(特別是林草地)存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，尤其在空間分布和水源上的競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致兩種服務(wù)之間的權(quán)衡作用；但隨著石羊河流域生態(tài)治理工程的實(shí)施，實(shí)施退耕還林(草)、工程壓沙、封沙育林(草)等工程，民勤縣整體生態(tài)環(huán)境變好，防風(fēng)固沙成效與食物供給增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，兩種服務(wù)在一定程度上相輔相成，開(kāi)始有轉(zhuǎn)為協(xié)同關(guān)系的趨勢(shì)。碳儲(chǔ)量與食物供給3 年的相關(guān)系數(shù)分別為0.08、0.03 和0.15，均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，其中在2010 年兩者的相關(guān)性不顯著(P＞ 0.05)，耕地具有食物供給與碳固持功能，通過(guò)查閱統(tǒng)計(jì)年鑒，耕地面積在2000-2020 年間持續(xù)增加，尤其在后10 年增加幅度較大，此外隨著造林工程的開(kāi)展，林地面積增加，固碳量提升，兩者共同作用下使得碳儲(chǔ)量服務(wù)與食物供給服務(wù)能力共同增加。

圖5 民勤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)散點(diǎn)圖矩陣Figure 5 Scatter plot matrix of ecosystem services in Minqin County

主對(duì)角線(xiàn)是3 種服務(wù)的直方分布圖(圖5)，直方分布圖能反映橫軸數(shù)據(jù)(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量)的分布特征，例如防風(fēng)固沙服務(wù)在2000 年大多集中在低值，2010 和2020 年有向中高值演變的趨勢(shì)，表明各地防風(fēng)固沙服務(wù)普遍增強(qiáng)，民勤當(dāng)前防風(fēng)固沙工程卓有成效；碳儲(chǔ)量在分布上未能看出明顯變化；食物供給在高值和低值均有分布且低值較多，表明不同區(qū)域在食物供給上差異較大，這與民勤荒漠戈壁面積遠(yuǎn)大于綠洲面積相關(guān)。主對(duì)角線(xiàn)下方是具有擬合線(xiàn)的雙變量散點(diǎn)圖，里面的每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)村級(jí)樣本，雙變量散點(diǎn)圖和擬合線(xiàn)反映橫軸數(shù)據(jù)分布集中程度，可以看到各年間散點(diǎn)圖形狀基本相似，擬合線(xiàn)趨勢(shì)未發(fā)生大的改變，表明各村在整體上各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量在3 年的變化趨勢(shì)相近，未發(fā)現(xiàn)明顯異常區(qū)域。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同空間分析

為了解民勤縣不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，將上述研究得到的2000-2010 年和2010-2020 年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量數(shù)值賦到民勤村界上，每個(gè)村對(duì)應(yīng)一個(gè)均值，再將得到的矢量圖層導(dǎo)入到GeoDa1.20 軟件，利用Weight 模塊確定空間權(quán)重矩陣，進(jìn)行雙變量Moran’s I 分析得到莫蘭指數(shù)數(shù)值，再利用雙變量局部Moran’s I 分析得到聚類(lèi)圖(圖6)，分析結(jié)果均通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)。由莫蘭指數(shù)數(shù)值可知，民勤3 種主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互關(guān)系為在2000-2010 年和2010-2020 年期間，防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)出空間上的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.056 和0.064；防風(fēng)固沙-食物供給和碳儲(chǔ)量-食物供給均為空間上的負(fù)相關(guān)，前者相關(guān)系數(shù)分別為?0.183 和?0.180，后者相關(guān)系數(shù)分別為?0.113 和?0.105，兩者在兩個(gè)時(shí)間段上的相關(guān)關(guān)系一致，在數(shù)值上略有區(qū)別。

在局部雙變量自相關(guān)分析得到的聚類(lèi)圖(圖6)中，高高集聚和低低集聚表示協(xié)同關(guān)系，高低集聚和低高集聚表示權(quán)衡關(guān)系。由圖6 還能看出權(quán)衡協(xié)同關(guān)系空間特征，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的空間異質(zhì)性顯著(P＜ 0.05)，民勤共有248 個(gè)村莊，圖例中括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示對(duì)應(yīng)集聚特征的圖斑數(shù)量(共有489 個(gè)圖斑，一個(gè)村可能包含多個(gè)圖斑)。防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量在2000-2010 年期間權(quán)衡面積占比64.21%，協(xié)同面積占比15.19%，其余20.60%不顯著(P＞ 0.05)，權(quán)衡關(guān)系位于西部和北部地區(qū)，例如紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)，協(xié)同關(guān)系主要存在于民勤東南部；2010-2020 年期間80.65%的地區(qū)未表現(xiàn)出顯著關(guān)系(P＞ 0.05)，16.70%為權(quán)衡關(guān)系，2.66%為協(xié)同關(guān)系，協(xié)同關(guān)系主要位于中部綠洲部分地區(qū)，權(quán)衡關(guān)系主要發(fā)生在南湖鎮(zhèn)。防風(fēng)固沙與食物供給在2000-2010 年間的協(xié)同關(guān)系占比68.38%，權(quán)衡關(guān)系占比21.27%，權(quán)衡關(guān)系主要發(fā)生在紅砂崗鎮(zhèn)、東湖鎮(zhèn)和民勤中部少量綠洲地區(qū)，協(xié)同關(guān)系主要表現(xiàn)在東南地區(qū)；2010-2020 年期間兩者權(quán)衡協(xié)同面積與位置幾乎相反，權(quán)衡關(guān)系占比68.87%，協(xié)同關(guān)系占比19.21%，原本大片的低低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)榈透呒?。碳?chǔ)量與食物供給在2000-2010 年期間權(quán)衡關(guān)系占比66.98%，協(xié)同關(guān)系面積占比23.45%，協(xié)同關(guān)系主要位于昌寧鎮(zhèn)、中部綠洲和南湖鎮(zhèn)，權(quán)衡關(guān)系位于民勤西北與東北兩處大區(qū)域，主要包含紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)；2010-2020 年期間兩者權(quán)衡協(xié)同關(guān)系區(qū)域也相反，協(xié)同面積占比68.21%，權(quán)衡面積占比19.86%，原來(lái)的高低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒呒?。上述的防風(fēng)固沙與食物供給、碳儲(chǔ)量與食物供給在2000-2010 年和2010-2020 年在空間上的集聚特征發(fā)生了較大變化，但莫蘭指數(shù)數(shù)值變化不大。

圖6 民勤縣3 種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)聚類(lèi)圖Figure 6 Partial map of three typical ecosystem services in Minqin County

從上述分析發(fā)現(xiàn)，防風(fēng)固沙與食物供給、碳儲(chǔ)量與食物供給在2000-2010 年和2010-2020 年間在空間上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系發(fā)生了較大變化，集聚特征變化明顯。在2000-2010 年防風(fēng)固沙與食物供給低低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)?010-2020 年的低高集聚主導(dǎo)，碳儲(chǔ)量與食物供給由高低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒呒壑鲗?dǎo)，這與食物供給在2000-2010 年平均產(chǎn)量增幅較大，但又在2010-2020 年間平均產(chǎn)量幾乎未發(fā)生變化有關(guān)。此外，民勤中部綠洲區(qū)域村莊密集，單個(gè)村莊面積較小，而四周戈壁荒漠區(qū)域村莊面積較大，所以在權(quán)衡協(xié)同面積上和村莊數(shù)量上未能匹配，出現(xiàn)了部分權(quán)衡面積占比較大，對(duì)應(yīng)的權(quán)衡村莊數(shù)量卻較少的情況。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

通過(guò)對(duì)民勤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的評(píng)估可以看到，民勤縣近20 年來(lái)，防風(fēng)固沙效果顯著，造林綠化質(zhì)量提升，食物產(chǎn)量增加。權(quán)衡協(xié)同研究方面，協(xié)同可以體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間本身的聯(lián)系，民勤防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量存在顯著的協(xié)同關(guān)系，防風(fēng)固沙主要依靠林地、草地[34]，與碳儲(chǔ)量聯(lián)系緊密；碳儲(chǔ)量與食物供給存在一定的協(xié)同作用，食物供給所依靠的耕地在碳儲(chǔ)量中也發(fā)揮作用。權(quán)衡表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，食物供給依靠耕地，耕地與林地草地存在一定的競(jìng)爭(zhēng)性，盡管兩者具有相似的特征，均有防風(fēng)固沙與碳固持功能，但灌溉農(nóng)作物會(huì)消耗較多的水資源，使得區(qū)域內(nèi)水資源減少，長(zhǎng)此以往，會(huì)在一定程度上對(duì)林地草地造成影響，降低其防風(fēng)固沙與碳固持能力，因此防風(fēng)固沙與食物供給呈權(quán)衡關(guān)系[11]，碳儲(chǔ)量與食物供給呈現(xiàn)的協(xié)同關(guān)系不如防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量顯著?？傮w來(lái)看，民勤縣對(duì)生態(tài)文明建設(shè)高度關(guān)注，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的道路，在積極構(gòu)筑生態(tài)防護(hù)屏障、全力打造全國(guó)生態(tài)建設(shè)示范區(qū)等方面成效顯著。

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)行分析有助于促進(jìn)資源合理配置和實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。將本研究得到的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化與權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)一步應(yīng)用到民勤生態(tài)修復(fù)與國(guó)土空間規(guī)劃上，針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，未來(lái)民勤應(yīng)合理配置土地資源，解決好耕地與林地關(guān)系，在增加耕地面積的同時(shí)提升單位產(chǎn)量，不占用其他生態(tài)用地，優(yōu)化自然資源，尤其是水資源配置。當(dāng)前民勤既有退耕還林工程以抵御風(fēng)沙、遏制荒漠化，也在大力開(kāi)墾耕地，發(fā)展瓜果產(chǎn)業(yè)，兩者之間既要考慮生態(tài)效益，也要謀求發(fā)展，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展，達(dá)到生態(tài)保護(hù)與糧食生產(chǎn)的雙贏。通過(guò)對(duì)民勤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以進(jìn)一步推廣到其余北方防沙帶地域[32]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型多樣，本研究?jī)H選取了在民勤區(qū)域影響較大的三大類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，涵蓋范圍不夠全面，并且各種服務(wù)之間相互作用，僅僅分析兩兩之間的相互關(guān)系是不充分的。同時(shí)，權(quán)衡協(xié)同關(guān)系分析所用的相關(guān)分析雖然能得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡協(xié)同的數(shù)值關(guān)系[11,32]，雙變量自相關(guān)的聚類(lèi)分析也可以表現(xiàn)權(quán)衡協(xié)同的空間關(guān)系，但兩者均未能解釋權(quán)衡協(xié)同關(guān)系變化的機(jī)理與形成過(guò)程。因此，未來(lái)還需要進(jìn)一步豐富生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型并探索不同類(lèi)型服務(wù)之間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系變化機(jī)理，以期為區(qū)域生態(tài)優(yōu)化與空間治理提供更科學(xué)的決策依據(jù)。

4.2 結(jié)論

本研究以北方防沙帶典型縣域民勤縣為研究區(qū)， 利 用ArcGIS10.3、 R4.1.1、 GeoDa1.20 軟 件 和InVEST3.90 模型對(duì)該區(qū)域2000 年、2010 年和2020年的防風(fēng)固沙、碳儲(chǔ)量和糧食供給3 項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)行評(píng)估、測(cè)度，最終得到如下結(jié)論：

1) 2000-2020 年3 項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量均持續(xù)增加。民勤縣2000 年、2010 年、2020 年防風(fēng)固沙總量分別為7.93 × 107、1.32 × 108和1.66 × 108kg，碳儲(chǔ)量 總 量 分 別 為1.43 × 107、1.56 × 107和1.64 × 107t，食物供給服務(wù)總量分別為2.61 × 105、7.26 × 105和1.28 × 106t。三者的總量分別增加了8.64 × 107kg、2.17 × 107t 和1.02 × 106t，3 種 生 態(tài) 系 統(tǒng) 服 務(wù) 在 前10 年內(nèi)增加的幅度較大，在后10 年內(nèi)增長(zhǎng)幅度均有所放緩。從空間分布上看，3 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量較高的地區(qū)均位于民勤中部綠洲地區(qū)，周?chē)哪瓯诘貐^(qū)服務(wù)供給較少。

2)防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量、碳儲(chǔ)量與食物供給呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，防風(fēng)固沙與食物供給呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系，其中防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量服務(wù)協(xié)同關(guān)系較強(qiáng)，3 年的相關(guān)系數(shù)分別為0.36、0.43 和0.38，防風(fēng)固沙與食物供給權(quán)衡關(guān)系較弱，且有轉(zhuǎn)為協(xié)同關(guān)系的趨勢(shì)，3 年相關(guān)系數(shù)分別為-0.03、-0.23 和0.03，碳儲(chǔ)量與食物供給的3 年相關(guān)關(guān)系分別為0.08、0.03 和0.15，其協(xié)同關(guān)系逐漸增強(qiáng)。

3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系空間異質(zhì)性顯著，區(qū)域差異明顯，在2000-2010 年與2010-2020年兩個(gè)時(shí)間段上兩兩之間空間自相關(guān)系數(shù)變化不大，但各地集聚特征呈現(xiàn)出較大的空間差異。防風(fēng)固沙與碳儲(chǔ)量集聚特征以低低集聚和低高集聚為主，2000-2010 年權(quán)衡關(guān)系位于西部和北部地區(qū)，例如紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)，協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)在東南部；防風(fēng)固沙與食物供給在2000-2010 年的協(xié)同關(guān)系主要發(fā)生在紅砂崗鎮(zhèn)、東湖鎮(zhèn)和民勤中部少量綠洲地區(qū)，協(xié)同關(guān)系主要表現(xiàn)在東南地區(qū)，2010-2020年兩者權(quán)衡協(xié)同關(guān)系幾乎相反，民勤綠洲外圍區(qū)域由低低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)榈透呒?；碳?chǔ)量與食物供給從2000-2010 年的高低集聚主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)?010-2020年的高高集聚主導(dǎo)，2000-2010 年協(xié)同關(guān)系主要位于昌寧鎮(zhèn)、中部綠洲和南湖鎮(zhèn)，權(quán)衡關(guān)系位于民勤西北與東北兩處區(qū)域，包含紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)等。