隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

蘭永真，孫特生，李韋韋

（西北師范大學社會發(fā)展與公共管理學院，蘭州 730070）

0 引言

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，是維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整和區(qū)域生態(tài)安全格局不可或缺的重要組成部分[1]。根據(jù)DAILY 與COSTANZA 對生態(tài)系統(tǒng)服務的概念界定，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務是指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)或農(nóng)田生態(tài)過程所形成的維持人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[2]，即人類直接或間接從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中獲得的有形與無形的效益[3]，其有助于經(jīng)濟發(fā)展與糧食安全，但在農(nóng)業(yè)中未得到有效利用，而是以外部投入來提高農(nóng)作物收益率[4]。隨著人們對農(nóng)田功能的認知與需求的轉(zhuǎn)變，農(nóng)田各項服務之間存在此消彼長的權(quán)衡關(guān)系與相互促進或抑制的協(xié)同關(guān)系[5]，而人類對生態(tài)系統(tǒng)的干預往往以犧牲某項服務為代價來實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化[6]。中國共產(chǎn)黨第二十次全國代表大會提出要“全方位夯實糧食安全根基”。為此，探究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務及各項服務之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，是因地制宜提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務量、增強生產(chǎn)供給能力的前提，對促進區(qū)域耕地保護、保障糧食安全具有重要意義。

目前，國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務的研究主要聚焦在以下方面：一是側(cè)重評估不同時空尺度下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的各類服務物理量與價值量[7-8]。同時，生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性使農(nóng)田具有其他生態(tài)系統(tǒng)所不具備的某些特殊功能，有的學者重視綜合評估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的正負效益[9]和功能價值損益[10]，也有的從某一項服務類型著手（如水土保持[11]、水源涵養(yǎng)[12]等），對比分析農(nóng)田與其他生態(tài)系統(tǒng)服務量的差異與價值量的時空演變。近年來，“雙碳”戰(zhàn)略提升了學者們對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的關(guān)注度[13-14]。二是在密集型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動嚴重影響自身生態(tài)條件的情況下，XUE等[15-16]從功能視角上分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能與生態(tài)功能之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，也有從生態(tài)功能著手，深入分析農(nóng)田生態(tài)補償額度與農(nóng)戶受償意愿等[17]。三是現(xiàn)有文獻較多地在不同時空尺度下分析包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互作用與影響，即權(quán)衡協(xié)同關(guān)系[18-19]，并運用K-Means聚類、層次聚類與DBSCAN 聚類等方法劃分生態(tài)系統(tǒng)服務區(qū)[20]，同時也進一步在理論層面展開對生態(tài)系統(tǒng)服務間的權(quán)衡協(xié)同機理研討[6,21]。除上述與國內(nèi)學者關(guān)注相同的內(nèi)容之外，國外有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務的研究集中在農(nóng)業(yè)實踐活動與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關(guān)系，如農(nóng)業(yè)社會經(jīng)濟活動對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務的影響[22-23]以及優(yōu)化降低影響的路徑與舉措[4,24]。

上述研究成果為本研究提供了理論參考與實證支撐，但是目前相關(guān)研究主要集中在包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務方面，并且主要研究供給、調(diào)節(jié)與支持服務，對包括文化服務在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務整體研究不多，對特定類型生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互作用與關(guān)系研究也不足。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為與人類互動最頻繁、最深入的生態(tài)系統(tǒng)類型，供給服務是其最主要的服務類型，并與其他服務相互作用、相互影響，即表現(xiàn)為權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系，此關(guān)系通過干擾供給服務的穩(wěn)定性來影響區(qū)域農(nóng)戶生計、耕地保護、糧食安全與可持續(xù)發(fā)展。因此，厘清農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與其他服務之間的關(guān)系，不僅是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務研究的核心內(nèi)容[25]，而且為促進耕地保護、保障糧食安全提供有效路徑。黃土高原是中國傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱、可耕地資源少、農(nóng)田生產(chǎn)力水平低。近些年該區(qū)域的快速城鎮(zhèn)化擠占了大量優(yōu)質(zhì)農(nóng)田，導致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物供給能力降低。然而，人類對維持自身生存發(fā)展的食物數(shù)量、質(zhì)量提出了更高要求。這一負反饋加大了農(nóng)田開發(fā)利用強度與顯隱性轉(zhuǎn)型頻率，影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動的生態(tài)過程[26]，進一步影響區(qū)域社會經(jīng)濟穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務與支持服務是供給服務重要的資源環(huán)境保障，為供給服務提供氣候、水文、土壤與生境等自然條件[20]。

基于此，本研究依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關(guān)系，結(jié)合隴東黃土高原資源稟賦與環(huán)境條件，從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務（providing services，PS）、調(diào)節(jié)服務（adjusting services，AS）、支持服務（supporting services，SS）、文化服務（cultural services，CS）4 類服務中選取6 項典型子服務，即食物供給服務（food provision service，F(xiàn)PS）、水源涵養(yǎng)服務（water conservation service，WCS）、碳固存服務（carbon sequestration service，CSS）、土壤保持服務（soil retention service，SRS）、生境維持服務（habitat quality service，HQS）、美學景觀服務（landscape service，LSS），在測算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務量的基礎上，刨析各項服務的空間格局特征，再運用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法、雙變量莫蘭指數(shù)分別測度、識別農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與其他服務之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系及其關(guān)系的空間異質(zhì)性特征，進一步揭示調(diào)節(jié)、支持與文化服務對供給服務的空間作用關(guān)系，以期推動農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)變，旨在為促進區(qū)域耕地保護、保障糧食安全提供科學決策參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

隴東黃土高原（106°21′～108°45′ E，34°54′～37°10′ N）分布于隴山（六盤山）以東的甘肅省境內(nèi)，地處黃土高原中部偏西，地形復雜、塬面平坦、溝壑縱深，是典型的黃土高原溝壑區(qū)（圖1a），包括黃土高原上最大的塬面——董志塬，享有“八百里秦川，不如董志塬邊”之美譽。隴東黃土高原主要包括平?jīng)雠c慶陽2個地級市，共15個縣（區(qū)），占地3.8 萬km2，常住人口301.83 萬。兩市耕地（旱地，以梯田為主）面積140 多萬hm2，占隴東國土面積的37.70%，集中分布在中部、北部與西部地區(qū)（圖1b），其中華池、慶城、鎮(zhèn)原、靜寧與環(huán)縣的農(nóng)田面積較大。隴東黃土高原屬于半干旱、半濕潤大陸性氣候，盛產(chǎn)小麥、玉米、馬鈴薯三大類糧食作物及果蔬、油料、中藥材等經(jīng)濟作物，是西北農(nóng)林產(chǎn)品與經(jīng)濟作物主產(chǎn)區(qū)，素有“隴東糧倉”之美譽。隴東黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱，靜寧、莊浪、鎮(zhèn)原、慶城、華池與環(huán)縣水土流失嚴重，被劃為國家重點水土保持生態(tài)功能區(qū)。

圖1 研究區(qū) DEM 和農(nóng)田分布Fig.1 DEM and farmland distribution of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)來源：糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)源于甘肅省發(fā)展年鑒（https://tjj.gansu.gov.cn/）；數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（digital elevation model，DEM）源于地理空間數(shù)據(jù)云（https://www.gscloud.cn/），精度為30 m；土地利用數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/），精度分別為30、100 m；土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心（http://www.tpdc.ac.cn/），精度為1 000 m；氣象數(shù)據(jù)源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http://gre.geodata.cn/），精度為1 000 m；凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)（net primary productivity,NPP）源于NASA官方MOD17A3產(chǎn)品（https://lpdaac.usgs.gov/），精度為500 m；道路數(shù)據(jù)（point of interest，POI）源于地理信息資源目錄服務系統(tǒng)（https://www.webmap.cn/），精度為1：100 萬。計算時，通過重采樣將各項數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一為100 m，并統(tǒng)一采用 WGS_1984_UTM_Zone_ 48N 投影坐標系。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務評估

1）食物供給服務

食物供給是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最主要的服務類型，以食物產(chǎn)量與NDVI 之間顯著的線性關(guān)系[27]，估算研究區(qū)柵格單元的食物供給服務量，計算式為

式中Fi為柵格i的食物產(chǎn)量（t ）；V為柵格i的NDVI 值；Vtotal為研究區(qū)農(nóng)田NDVI 值之和；Ftotal為食物（糧食、油料、中藥材、蔬菜瓜果）總產(chǎn)量（t）。

2）水源涵養(yǎng)服務

學術(shù)界主要用降水貯存量法、徑流系數(shù)法、水量平衡法來評估陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務量。根據(jù)上述方法的優(yōu)缺點，并結(jié)合研究區(qū)自然稟賦條件采用降水貯存量法，計算式為[18]

式中Wi為柵格i相較裸地的水源涵養(yǎng)增加量（m3）；Ai為柵格i的面積（hm2）；Ji、J0分別為年產(chǎn)流降水量、年降水量（mm）；Ri為農(nóng)田相較裸地減少徑流的效益系數(shù)（%）；E為降水特征分布參數(shù)值，北方為0.40[18]。

3）碳固存服務

估算碳固存服務量主要有碳吸收系數(shù)法與碳密度法，計算單一生態(tài)系統(tǒng)的固碳量時，碳吸收系數(shù)法更能客觀反映區(qū)際差異。本研究利用NPP 計算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳固存服務量，計算式為

式中Ci為柵格i的碳固存服務量（t）；Ni為柵格i的NPP 值（kg/(m2·a)）；μ為植被生物量與含碳量間的轉(zhuǎn)換因子，值為0.45[28]。

4）土壤保持服務

水土流失是黃土高原區(qū)面臨的最嚴重生態(tài)問題，已成為阻礙其可持續(xù)發(fā)展的障礙。本研究采用被廣泛運用于不同尺度研究區(qū)的修正通用土壤流失模型（revised universal soil loss equation，RUSLE），以潛在與現(xiàn)實土壤侵蝕量的差值來表征土壤保持服務量，計算式為[29]

式中Sri為柵格i的水土保持量（t）；Pri為柵格i的潛在土壤侵蝕量（t）；Ari為柵格i的實際土壤侵蝕量（t）；Ri、Ki、Li、Si、Ci、Pi分別為降水侵蝕力因子（MJ·mm/(hm2·h·a)）、土壤可蝕性因子（t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)）、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋因子、人為管理措施因子[29]。其中，用地形起伏度表征Li×Si，植被覆蓋度運用像元二分法計算，并以5%置信區(qū)間選取表征植被與土壤的上下閾值，下同。

5）生境維持服務

生境是指環(huán)境提供給區(qū)域內(nèi)的生物適宜生存及繁衍的空間條件。利用InVEST 模型將城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、其他建設用地、未利用地設為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生境威脅源，并參考相似研究區(qū)對威脅源及其敏感度賦值[30]，計算式為

式中Qi為農(nóng)田柵格i的生境質(zhì)量，值域為[0,1]，數(shù)值越高表示生境質(zhì)量越好；H為農(nóng)田的生境適宜性；DZi為農(nóng)田柵格i的生境退化度；K為半飽和系數(shù)（為模型第一次運行生境退化度結(jié)果的二分之一）；Z為模型換算常數(shù)，取2.50[30]。

6）美學景觀服務

文化服務作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的服務類型，黃土高原獨特的地形地貌以及梯形農(nóng)田具備豐富的美學與旅游價值。借鑒相關(guān)研究成果[31]，選取植被覆蓋度、地形起伏度、路網(wǎng)密度3 項指標表征農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)美學景觀服務，并采用極值法對指標數(shù)據(jù)標準化至[0,1]，各指標權(quán)重利用熵值法確定。計算式為

式中Lsi為柵格i的景觀美學服務；Fvi、Tei、Dei分別為柵格i的植被覆蓋度（%）、地形起伏度（m）、路網(wǎng)密度（km/hm2）；權(quán)重α、β、φ分別為0.16、0.29、0.55。

1.3.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡與協(xié)同

測度隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務在空間上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，以研究區(qū)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為樣本單位（共239個樣本），利用ArcGIS 軟件中的分區(qū)統(tǒng)計工具，統(tǒng)計各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各項服務的物理量，再運用皮爾遜相關(guān)系數(shù)判斷農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物供給服務與其他服務之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，并結(jié)合t檢驗驗證兩者之間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的顯著性。計算式參考文獻[18-19]。

1.3.3 雙變量空間自相關(guān)分析

在判斷農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與其他服務相關(guān)關(guān)系基礎上，進一步借助雙變量全局/局部莫蘭指數(shù)得到莫蘭指數(shù)與局部空間自相關(guān)LISA 聚集圖譜，探索食物供給服務與其他服務之間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的空間自相關(guān)性和空間異質(zhì)性，其中“高—高”與“低—低”聚類表示協(xié)同關(guān)系，“高—低”與“低—高”聚類表示權(quán)衡關(guān)系[32]。計算式參考文獻[33]。

1.3.4 空間約束 K-Means（SC K-Means）聚類法

已有研究所運用的聚類方法忽視了對空間關(guān)系的考量，難以優(yōu)化區(qū)域的整體質(zhì)量。本文采用空間約束KMeans 聚類方法，在GeoDa（1.20 版）軟件上進行農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務分區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局特征

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務模型評價結(jié)果，研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給與文化服務、調(diào)節(jié)與支持服務呈顯著的空間相似特征，即供給與文化服務均呈“東西高、中北低”的空間格局，調(diào)節(jié)與支持服務則呈“帶狀”分布格局（圖2），其中兩者的子服務也具有相似特征。

圖2 隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務量Fig.2 Quantities of farmland ecosystem services in Longdong Loess Plateau

隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物供給服務（供給服務）整體上呈“東西高、中北低”的空間格局（圖2a），服務總量為4.61×106t。其中，供給高值、中值分別分布在東部與西部地區(qū)、中部地區(qū)，供給低值主要集中在北部的環(huán)縣，氣候條件與土壤保持基礎是導致環(huán)縣食物供給服務低的直接原因（環(huán)縣位于半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)的過渡地帶，年降水量僅為300 mm 左右，而且該縣土壤保持能力相較于其他縣區(qū)更弱）。

雖然供給服務與文化服務的空間格局相似（圖2 d），但造成兩者空間格局相似的原因略有差異。文化服務高值區(qū)具有良好風景觀賞性與交通出行便利性的優(yōu)勢，而環(huán)縣由于區(qū)域內(nèi)與區(qū)際間的道路發(fā)展水平與農(nóng)田觀賞性低，屬于文化服務低值區(qū)。此外，西峰區(qū)盡管具備良好的交通便捷性優(yōu)勢，但其農(nóng)田觀賞性不足與地形地貌特色不突出，該區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)文化服務亦較低。

隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務呈“帶狀”分布（圖2b），各帶面積比例不同，其與供給服務空間格局存在局部相似，即兩項服務的高值均出現(xiàn)在東西部。華池縣與靜寧縣連線帶（簡稱“華靜帶”）上分布著調(diào)節(jié)服務中值區(qū)，該帶南、北兩側(cè)分別為調(diào)節(jié)服務高值、低值區(qū)。具體來看，水源涵養(yǎng)與碳固存服務量分別為2.45×108m3、2.94×106t，與調(diào)節(jié)服務的空間格局相似（圖2e、2f），雖然這兩項子服務中值也位于分異帶上，但該中值地理位移方向分別向北、向南，表現(xiàn)出顯著的空間分異特征。這主要是氣候與調(diào)節(jié)服務的“帶狀”分布相似，該帶恰好位于隴東中南部冷溫帶半濕潤區(qū)與北部冷溫帶半干旱區(qū)之間，進而使降水在隴東地區(qū)分布不均，即降水量總的趨勢是由東南向西北遞減（“華靜帶”南、北兩側(cè)的年降水量分別在670、350 mm 左右）。這表明降水分布格局是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務呈現(xiàn)“帶狀”分布的主要原因，進而直接體現(xiàn)在水源涵養(yǎng)與碳固存服務的分布格局上。

雖然隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)支持服務也呈“帶狀”分布格局（圖2c），但與調(diào)節(jié)服務的“帶狀”格局存在空間異質(zhì)性。支持服務的“華靜帶”上分布著高值區(qū)，該帶南、北兩側(cè)分別為低值、中值區(qū)。從土壤保持與生境維持服務來看（圖2 g、2 h），隴東黃土高原土壤保持服務總量為6.61×109t，靜寧縣、寧縣的土壤保持服務高值證明了黃土高原綜合治理成效，低值區(qū)（水土流失嚴重區(qū)）主要分布在隴東中部與北部環(huán)縣、華池縣，這些區(qū)域主要屬于地形起伏度或坡度較大的溝壑區(qū)域，加之黃土高原土壤疏松多孔、透氣透水，此外農(nóng)田作物植被覆蓋度較低，這些因素使該區(qū)域難以有效地截留降水與固定土壤。研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生境維持服務均值為0.26，整體上該項服務偏低（最高值僅為0.30），主要是由人類頻繁、深入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動導致的。相對來看，生境質(zhì)量低值區(qū)主要集中在隴東南部社會經(jīng)濟相對發(fā)達的地區(qū)，即崆峒區(qū)至西峰區(qū)一帶。這是因為重點開發(fā)區(qū)的生產(chǎn)生活強度大、輻射范圍廣，成片地聚集在隴東南部地區(qū)，而其他地區(qū)城鎮(zhèn)、工礦等建設規(guī)模相對較小，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生境影響較弱。

2.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

2020 年隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與調(diào)節(jié)、支持、文化服務之間以及食物供給服務與水源涵養(yǎng)、碳固存、土壤保持、生境維持、美學景觀服務之間均表現(xiàn)為不同程度的協(xié)同關(guān)系，且在空間上均具有相互依賴性（圖3、表1）。

表1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與其他服務之間的相關(guān)系數(shù)r 與雙變量莫蘭指數(shù)ITable 1 Correlation coefficient r,bivariate Moran’s I between providing services and other services of farmland ecosystem

圖3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與其他服務之間的空間自相關(guān)Fig.3 Spatial autocorrelation between providing services and other services of farmland ecosystem

隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與調(diào)節(jié)服務之間的相關(guān)系數(shù)、全局Moran’sI分別為0.97、0.37，表明供給服務與調(diào)節(jié)服務之間為協(xié)同關(guān)系，并在空間上具有相互依賴性（圖3a）。這兩類服務之間權(quán)衡、協(xié)同、不顯著關(guān)系的面積分別占研究區(qū)面積的4.94%、24.16%、70.90%，其中協(xié)同關(guān)系主要集中在隴東中北部地區(qū)，權(quán)衡關(guān)系則相對零散地分布在崆峒、靈臺、華池、慶城與環(huán)縣等區(qū)縣。同時，食物供給服務與水源涵養(yǎng)、碳固存服務之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系在北部與南部存在空間差異（圖3 d、3e）。具體來看，食物供給服務與水源涵養(yǎng)、碳固存服務之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.94、0.99，整體上均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。食物供給與水源涵養(yǎng)服務的協(xié)同關(guān)系集中分布在隴東中部與北部；權(quán)衡關(guān)系則零散地分布在崆峒、崇信、華池與環(huán)縣等縣（區(qū)）。食物供給與碳固存服務的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的空間分布同食物供給與水源涵養(yǎng)服務的相似，僅在南部地區(qū)與環(huán)縣存在顯著差異。

隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與支持服務之間的相關(guān)系數(shù)、全局Moran’sI分別為0.85、0.43，表明供給服務與支持服務為協(xié)同關(guān)系，并在空間上具有相互依賴性（圖3b）。兩類服務間權(quán)衡、協(xié)同、不顯著關(guān)系的面積分別占研究區(qū)面積的6.16%、28.87%、64.97%。其中協(xié)同關(guān)系主要集中在北部環(huán)縣、華池縣以及南部地區(qū)，權(quán)衡關(guān)系則相對零散地分布在協(xié)同關(guān)系的周圍。供給—支持服務間關(guān)系與供給—調(diào)節(jié)服務間關(guān)系空間差異性體現(xiàn)在華池縣、鎮(zhèn)原縣與東南部地區(qū)。同時，食物供給服務與土壤保持、生境維持服務之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.82，整體上為協(xié)同關(guān)系。相較于供給—支持服務協(xié)同關(guān)系的空間格局，食物供給—土壤保持服務間協(xié)同關(guān)系在華池縣呈縮小態(tài)勢，食物供給—生境維持服務間協(xié)同關(guān)系在鎮(zhèn)原縣、慶城縣呈擴張態(tài)勢（圖3f、3 g）。

隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給與文化服務之間的相關(guān)系數(shù)、全局Moran’sI分別為0.97、0.35，表明供給服務與文化服務之間為協(xié)同關(guān)系，并在空間上具有相互依賴性（圖3c）。這兩類服務之間權(quán)衡、協(xié)同、不顯著關(guān)系的面積分別占研究區(qū)面積的4.77%、20.46%、74.77%，其中協(xié)同關(guān)系主要集中在鎮(zhèn)原縣與環(huán)縣，權(quán)衡關(guān)系相較于協(xié)同關(guān)系比例較小，稀疏分散在崆峒區(qū)、環(huán)縣、華池縣。

2.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務管理分區(qū)

針對隴東黃土高原氣候要素、地形地貌、土壤植被等自然稟賦的差異性，結(jié)合該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務及其權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的空間異質(zhì)性，運用空間約束K-Means聚類方法，對研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務進行管理分區(qū)（圖4）。

圖4 隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務管理分區(qū)Fig.4 Management division of farmland ecosystem service in Longdong Loess Plateau

重點供給區(qū)主要包括隴東南部的13個縣（區(qū)），是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務的相對高值與協(xié)同關(guān)系分布區(qū)。該區(qū)自然稟賦相對較好，可大力推進高標準農(nóng)田高質(zhì)量建設，全面落實“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略，筑牢糧食安全根基。

生態(tài)保護區(qū)主要集中在鎮(zhèn)原縣、慶城縣與崆峒區(qū)的局部地方，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務（水源涵養(yǎng)與碳固存服務）提升區(qū)。該區(qū)恰好位于研究區(qū)南部冷溫帶半濕潤區(qū)與北部冷溫帶半干旱區(qū)之間，加大諸如太統(tǒng)—崆峒山國家級自然保護區(qū)建設力度，更好發(fā)揮其涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候等服務功能，進而起到守護隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)屏障作用。

多功能農(nóng)業(yè)區(qū)主要集中在涇川縣南部與靈臺縣東部，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)4 類服務高值交匯地。該區(qū)位于半濕潤地區(qū)，應不斷挖掘地域優(yōu)勢，發(fā)展旱地農(nóng)業(yè)優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)（如平?jīng)黾t牛、靜寧蘋果、設施蔬菜、中醫(yī)中藥等農(nóng)業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈），以維持該區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多功能。

綜合保護區(qū)主要包括環(huán)縣、華池縣與合水縣的局部地區(qū)，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務相對低值與協(xié)同關(guān)系分布區(qū)。該區(qū)一方面需推進高標準農(nóng)田建設，同時加強坡耕地水土流失綜合治理，保護好優(yōu)質(zhì)阪田（梯田）景觀，另一方面采取退、造、封、育、護等手段，工程措施和生物措施相結(jié)合，進行山、水、林、田、路系統(tǒng)治理。

3 討論

隴東黃土高原是中國農(nóng)耕文明發(fā)祥地之一，但生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴重、水資源短缺，整體上農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能不強。為提高該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能（特別是食物供給服務），鞏固新時代“隴東糧倉”地位，可從三方面著手：一是加強高標準農(nóng)田建設，推廣保護性耕作[34]，采取間作、套種、輪作等立體旱作循環(huán)農(nóng)業(yè)模式[35]，夯實“藏糧于地、藏糧于技”的物質(zhì)基礎；二是推動傳統(tǒng)農(nóng)耕文化精髓與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（如慶陽“三元雙向”循環(huán)農(nóng)業(yè)新模式）耦合發(fā)展，打造具有隴東地域特色的、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的優(yōu)化生態(tài)—生產(chǎn)范式；三是針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務的空間異質(zhì)性，實施分區(qū)管理[20,36]，采取“重點供給區(qū)推進高標準農(nóng)田建設、生態(tài)保護區(qū)建好生態(tài)屏障、多功能農(nóng)業(yè)區(qū)發(fā)展優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)、綜合保護區(qū)系統(tǒng)治理”策略。

本研究表明，隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務之間均表現(xiàn)為不同程度的協(xié)同關(guān)系。這與淮河流域、黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物供給服務與水源涵養(yǎng)、土壤保持服務之間為權(quán)衡關(guān)系的研究結(jié)論有所不同[29,36]，這主要是由于氣溫降水、地形地貌、土壤植被等自然環(huán)境因子以及農(nóng)業(yè)發(fā)展程度存在較為明顯的空間異質(zhì)性。此外，這些研究結(jié)果的區(qū)域差異性進一步印證了生態(tài)系統(tǒng)服務的尺度效應[21]，說明依據(jù)大尺度生態(tài)系統(tǒng)服務評估結(jié)果來研判小范圍的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能可能存在弊端。隴東黃土高原也是中國北方農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分，氣候條件適宜發(fā)展多種作物，因此樹立“大食物觀”，選育優(yōu)質(zhì)耐旱作物品種，依據(jù)研究區(qū)自然條件的空間異質(zhì)性，形成各具特色的糧食（如小麥、玉米）—經(jīng)濟（如蘋果）—飼料（如苜蓿）作物種植結(jié)構(gòu)[37]，以提高農(nóng)田生態(tài)效率和食物供給能力。針對隴東黃土高原水土流失嚴重的狀況，結(jié)合黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略，全面推廣水土流失綜合治理與特色農(nóng)業(yè)協(xié)同發(fā)展的水土保持型生態(tài)農(nóng)業(yè)[38]（如“牧—沼—果”生態(tài)農(nóng)業(yè)）。高度重視隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳固存服務功能，充分發(fā)揮農(nóng)作物自身固碳、土壤有機碳庫和秸稈還田固碳等耕地碳匯的作用，助力實現(xiàn)“雙碳”目標。汲取農(nóng)耕文化精髓，建設農(nóng)耕文化生態(tài)保護區(qū)和田園綜合體，提升農(nóng)田美學景觀服務功能。

4 結(jié)論

本研究基于社會經(jīng)濟與資源環(huán)境數(shù)據(jù)，運用降水貯存量法、通用土壤流失方程、InVEST 等6 種生態(tài)系統(tǒng)服務評估模型，測算2020 年隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務、調(diào)節(jié)服務、支持服務和文化服務的物理量，并采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)、雙變量莫蘭指數(shù)，分別識別供給服務與其他3 類服務間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系、各項服務之間關(guān)系的空間異質(zhì)性。主要結(jié)論如下：

1）數(shù)值上，2020 年隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)食物供給、碳固存、土壤保持服務量分別為4.61×106、2.94×106、6.61×109t、水源涵養(yǎng)量2.45×108m3、生境維持服務均值為0.26；空間上，由于氣候、土壤、地勢以及社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃等原因，研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與文化服務均呈“東西高、中北低”的分布格局，調(diào)節(jié)服務與支持服務則呈“帶狀”分布格局。

2）研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給服務與調(diào)節(jié)、支持、文化服務之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.85、0.97，食物供給服務與水源涵養(yǎng)、碳固存、土壤保持、生境維持、美學景觀服務之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.94、0.99、0.93、0.82、0.97，均表現(xiàn)為不同程度的協(xié)同關(guān)系。

3）研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)4 類服務之間、各項子服務之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系均具有空間自相關(guān)性，空間異質(zhì)性顯著。各項服務之間的協(xié)同關(guān)系“組團”出現(xiàn)，聚集性較明顯，主要位于隴東中北部地區(qū)；各項服務之間的權(quán)衡關(guān)系則零散分布在崆峒區(qū)、西峰區(qū)與環(huán)縣周圍，聚集性不明顯。同時，對比4 類服務之間、各項子服務之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，兩方面之間的空間異質(zhì)性不明顯。

4）全力維持隴東黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多功能性，實施分區(qū)管理策略，充分發(fā)揮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各類服務的協(xié)同效應，整體提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能。