農牧交錯帶禁牧草地生態系統服務空間權衡與協同關系

仲俊濤，王 蓓，米文寶，樊新剛，楊美玲，楊顯明

（1. 青海師范大學地理科學學院，西寧810008； 2. 蘭州大學資源環境學院，蘭州 730001；3. 寧夏大學資源環境學院，銀川 750021）

0 引 言

草地生態系統服務是指草地生態系統及其生態過程形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用，是通過生態系統的功能直接或間接提供的產品和服務[1]。生態系統服務類型復雜多樣，空間異質性顯著，人類對生態系統服務需求存在多樣性和選擇性，致使各服務間往往存在著此消彼長的權衡和相互促進的協同關系[2-3]。生態系統通常可通過自我調節而趨于穩定或平衡狀態，當生態系統受到的外部影響低于其自我調節能力的閾值時，生態系統通過自我調節，依然能夠為人類提供服務；但生態系統的自我調節能力有限，當受到的外部影響超過閾值時，生態系統受到傷害甚至崩潰，將嚴重影響其為人類提供的福祉[4]。特別是隨著人類活動的不斷加劇，使得供給服務上升，調節功能下降，生態平衡遭受嚴重破壞，最終危害人類福祉[5-6]。目前，全球24個生態系統中有15個正在不斷惡化，約60%的生態系統服務持續下降，并且這種退化趨勢在21世紀上半葉可能會加劇[7]，在此情形下，生態系統服務權衡與協同研究成為諸多學者關注的熱點。因此，選取典型研究區，選擇重要生態系統類型，從各服務間的權衡與協同特征、尺度效應、形成機制等方面出發，深刻理解服務間的權衡與協同關系，提高生態系統管理效率，促進生態-經濟系統協同發展迫在眉睫。

要揭示生態系統服務間的關系，首先需對生態系統提供服務的能力進行精準測度，評估過程的主觀性和多樣性，常常導致生態系統服務權衡與協同關系的不確定性，因此，如何采用科學合理的生態系統服務評估理論與方法至關重要。在生態系統服務理論方面，不僅要綜合考慮生態系統服務的空間異質性、動態性、整體性、持續有效性、范圍有限性等特征，同時在評估體系構建時，應當區分生態系統的最終服務和中間服務，避免服務類型之間的重復等；在生態系統服務評估方法方面，以復雜理論和研究成果為基礎構建的生態系統服務評估模型成為諸多學者選用的評估手段，近年來，出現了一些開發層次不同、量化的服務功能類別也有差別的服務評估模型，例如InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型、ARIES（Artificial Intelligence for Ecosystem Services）模型、SolVES（Social Values for Ecosystem Services）模型。相比之下，InVEST模型具有“精細化、定量化、空間化”的特征，且模型處于不斷更新和完善階段，發展更為成熟[8-9]，被廣泛應用于自然資產和生態系統服務價值評估中，并在美國的北卡羅萊納州[10]、喬治亞州[11]、緬因州[12]、印第安納州[13]、英國[14]以及國內[15-16]等取得較好的評估結果。誠然，當前國內學者在采用InVEST模型對生態系統服務進行評估時，與國際先進水平相比存在一定差距，主要表現為在評估數據、參數處理方面，往往采用經驗值、模型默認值，降低了評估結果的科學性。在生態系統服務權衡與協同關系研究方面，目前，研究內容主要集中在類型特征[17]、形成機制[18]、尺度效應[19]等方面，研究方法主要有統計描述法、空間制圖法[20]、情景分析法等類型[21]。

地處北方農牧交錯帶核心區的寧夏鹽池縣，是構建西北地區生態安全屏障的關鍵區域，草地生態系統占據主導，然而由于自然與人為因素的雙重作用，20世紀末，鹽池縣草地出現大面積退化現象，造成了嚴重的生態環境問題，政府于2001年開始全面禁牧。那么，禁牧十多年，草地生態系統恢復的如何，各服務間的關系又如何，以及如何進一步科學管理草地，都是需要回答的科學問題。為此，在精準評估禁牧前后草地主要服務功能的基礎上，從時空角度厘清各服務間的作用關系，是深入理解生態系統服務的基礎，可為農牧交錯帶禁牧草地資源管理提供參考。本文基于草地野外調查與試驗數據，對InVEST模型進行本地化修正的基礎上，精準評估禁牧前后碳儲存、水源涵養和土壤保持功能時空格局，基于像元尺度，利用相關系數對 3種服務間的權衡與協同關系進行測度，厘清服務間權衡與協同的表現類型、形成機制和空間差異，為農牧交錯帶草地科學管理提供參考。

1 研究區概況

鹽池縣（37°04′～38°10′N，106°30′～107°41′E）地處中國西北內陸，寧夏回族自治區東部，屬北方農牧交錯帶核心區，北部與內蒙古自治區鄂托克前旗相連，西部與寧夏靈武市、同心縣接壤，東部和南部分別與陜西省定邊縣和甘肅省環縣為鄰（圖1）。南北長約110 km，東西寬達66 km，總面積8 661 km2。屬典型的中溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量290 mm，干旱少雨、風大沙多、日照充足、蒸發強烈，平均海拔1 489 m。鹽池是寧夏唯一的牧業縣，鹽池灘羊馳名中外。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of study area

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

根據聯合國《千年生態系統評估》所提出的生態系統服務分類體系[22]，遵循科學性、全面性、重要性以及數據可獲取性的原則，篩選碳儲存、土壤保持和水源涵養3項主要服務類型，對禁牧前后5個時段草地生態系統服務進行測度。

2.1.1 碳儲存功能

碳儲存（Carbon Storage，CS）模塊中，碳庫包括地上生物量、地下生物量、死亡有機物及土壤碳庫4部分。其中，地上生物量包括土壤以上的植物材料；地下生物量包括地表以下的植物材料；死亡有機質包括凋落的植物材料等；土壤碳庫是土壤中儲存的碳物質量。模型將不同區域草地的4類碳儲量相加，即得到該區域碳儲量。計算公式如下：

式中Cv為草地總碳儲量，t/hm2；Cabove為地上部分碳儲量，t/hm2；Cbelow為地下部分碳儲量，t/hm2；Cdead為枯枝落葉層部分碳儲量，t/hm2；Csoil為土壤碳儲量，t/hm2。

2.1.2 水源涵養功能

水源涵養（Water Conservation，WC）分2步計算。第一步，基于水量平衡原理計算區域產水量；第二步，在產水量的基礎上，通過地形指數、土壤飽和導水率和流速系數等水源涵養因子計算得到研究區水源涵養量，計算公式為

式中WC為水源涵養量（mm）；V為流速系數，KSAT為土壤飽和導水率（cm/d），Yield為產水量（mm），借助NeuroTheta軟件實現；TI為地形指數，具體參數計算公式見王蓓等[23]、包玉斌等[24]研究成果。

2.1.3 土壤保持功能

土壤保持（Soil Conservation，SC）用于計算每一地塊保持土壤的能力。采用通用土壤流失方程（RUSLE）對研究區土壤保持能力進行測算。首先，計算裸地情形下各種土地利用類型潛在的土壤侵蝕量RKLS，公式為

式中R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為通過數字高程模型（DEM）測算得到的坡度及坡長因子，無量綱。

其次，在植被覆蓋及工程措施等情形下計算潛在土壤流失量USLE（Universal Soil Loss Equation），公式為

式中C表示植被覆蓋和管理因子，P表示工程措施因子。

根據上述在裸地情形及工程措施情形 2類情況下的結果，得到土壤保持量SC，t/(hm2·a)，計算公式為

參數R、K、LS、C、P因子具體計算公式見王蓓等[23]、包玉斌等[24]研究成果。

2.1.4 權衡與協同關系

運用相關分析法確定各服務間的空間權衡與協同關系。該方法通常用于研究變量之間相關關系[25]，其數值的大小反映了變量之間相關性的強弱。若為正值，則表明 2個變量具有協同關系；若為負值，則為權衡關系。相關公式如下：

式中ES1與ES2分別代表2種生態系統服務；r為ES1與ES2之間的相關系數；i、j分別代表柵格數據中具體像元的行號和列號；n為柵格數據的時間序列。

在MATLAB軟件中，選擇Visual Studio作為開發平臺，利用 InVEST模型所使用的擴展類庫，反編譯生成Python源文件，結合鹽池縣實際，參考其他學者[25]在生態系統服務評估中已采用的有關各項服務類型的生態評估模型，生成新的Python代碼，基于像元尺度計算鹽池縣草地碳儲存、水源涵養和土壤保持 3種服務功能兩兩之間的權衡與協同關系，并對生態系統間的關系進行空間制圖。

2.2 數據來源

草地碳庫：在鹽池縣完成63個樣地、315個草地樣方，規格為1 m×1 m，收集地上生物量；在實驗室烘干箱內對植物進行烘干處理（恒定65 ℃烘干至質量恒定），測得地上部分干物質量，根據干物質的基本構成，乘以0.45系數，確定地上碳儲量。由于草地樣地和TM 遙感影像尺度相同（同為30 m×30 m），采用63個樣地實測數據，對地上碳儲量與草地 NDVI值進行線性回歸，利用擬合公式Y=376.95X?28.198（R2=0.84）推演出整個草地的地上碳儲量。植物總碳儲量參考黃土高原草原植被碳構成[26]及樸世龍等相關研究成果[27]，確定地上碳儲量占植物總碳量的23.48%。土壤有機碳儲量數據通過樣地土壤采樣后進行土壤農化分析獲得，同時參考西部數據中心的 1:100萬土壤數據和第二次全國土壤普查數據的8 595個土壤剖面數據，采用的土壤分類系統主要為FAO-90，主要獲取字段T_OC：Real（有機碳含量）。在獲取土壤碳儲量數據后，隨機選取20個采樣點的土壤碳儲量數據與同一點1:100萬土壤數據相比較，計算誤差系數，驗證精度，確定土壤碳儲量數據的可靠性。土壤數據：砂粒、粉粒、黏粒的含量、土壤深度，通過土壤野外采樣獲取，并參考西部數據中心《全國第二次土壤質地數據集》。

2.2.2 遙感數據

2000、2004、2007、2010和2015年草地空間分布數據采用人機交互式解譯方法，結合多次野外調查，解譯精度在84%之上，空間分辨率為30 m。

2.3.3 其他數據

氣象數據：2000、2004、2007、2010和2015年的年降雨量、月降水量、日最高溫、日最低溫等，來源于中國氣象數據網（http://data.cma.cn）的中國地面氣候資料年、月、日值數據集，將不同方法的插值結果相比較，最終選用普通克里金法對研究區周圍10個氣象監測站的數據進行插值。DEM數據：借助ArcGIS中的Arc Hydro模塊，通過對DEM進行填挖處理，致使DEM的表面平滑，在此基礎上，通過對填挖之后的DEM進行流向提取、流量提取、匯水累積閾值設置、數據結構轉換等處理，實現集水區的集成。在對匯水累計閾值進行確定時，根據研究目的，秉承盡可能細化河網但不破碎的原則，經過多次嘗試輸入不同的閾值，將每次的集水區生成結果與實際的河網數據進行對比分析，多次試驗發現，當匯水累計閾值達到32 000時，生成的河網數據與實際河網最為接近。

3 結果與分析

3.1 草地生態系統服務時空格局

通過整理、計算，將基礎數據及相關參數代入InVEST模型，通過運行得到鹽池縣2000、2004、2007、2010和2015年5個年份草地生態系統服務碳儲存、水源涵養和土壤保持量分布圖（圖2～圖4），并對各研究時段碳儲存、水源涵養和土壤保持量及變化情況進行分析，整理得到鹽池縣鄉鎮尺度草地碳儲存、水源涵養和土壤保持數據及均值。

3.1.1 碳儲量

由圖 2可知，鹽池縣草地單位面積碳儲量呈現從東北向西南逐漸遞減的分布規律，最大值為11.56 t/hm2，均值介于5.51～6.19 t/hm2。全面禁牧前的2000年，草地碳儲存總量為217.46萬t，單位面積均值為5.78 t/hm2，經過2004年的持續增加，到2007年總量達到244.78萬t，單位面積均值為6.01 t/hm2，增長3.98%，隨后轉為下降態勢，到2010年總量下降為225.01萬t，單位面積均值為5.51 t/hm2，下降9.17%，隨后又轉為增長態勢，2015年總量達到263.12萬t，單位面積均值為6.19 t/hm2，增長11.23%。

①入選患者均符合中國2型糖尿病診治指南[2]（2013版）中定義的2型糖尿病診斷標準，空腹血糖（FPG）≥7.0 mmol/L，餐后2 h血糖＞11.1 mmol/L的2型糖尿病患者。②患者表示知情同意，愿意參加本研究。

2000－2004年，碳儲存功能全縣整體處于增長狀態，但增長幅度存在區域差異，北部地區增幅較大，而廣大中南部地區增幅相對較小；2004－2007年，草地碳儲存功能整體處于快速增長狀態，草地碳儲存功能達到較高水平；2007－2010年，草地碳儲存量又處于大面積下降狀態，增長的范圍極少；2010－2015年，碳儲存功能增加顯著，全縣基本處于增長狀態，增幅較大。總之 2000－2015年，鹽池草地碳儲存功能顯著增強，在2007年達到一個小高峰，隨后出現下降，而后轉為穩定增長態勢，表現為一個顯著的“N”型波動上升態勢。

3.1.2 水源涵養量

由圖3可知，2000年鹽池縣草地水源涵養總量為2 884萬t，單位面積均值為76.69 t/hm2，經過2004年的增加，到2007年總量達到7 869萬t，單位面積均值為193.12 t/hm2，增長151.82%，隨后轉為下降狀態，到2010年總量下降為4 923萬t，單位面積均值120.60 t/hm2，下降 37.55%，隨后又轉為增長態勢，2015年總量達到6 118萬t，單位面積均值為143.92 t/hm2，增長19.34%。

草地水源涵養量在研究時段內波動十分劇烈，2000－2007年，水源涵養量全縣大部處于增加狀態，北部增加幅度大于南部地區；2007－2010年，草地水源涵養量處于全面下降的態勢，且降幅較大；2010－2015年，又轉為全面恢復和提升，同樣北部增加幅度大于南部地區。總之，草地水源涵養量在2000－2015年間總量提升比較明顯，且保持功能也有顯著提升，總體呈“N”型波動上升的態勢。

圖2 2000－2015年鹽池縣草地碳儲量時空格局Fig.2 Temporal and spatial pattern of grassland carbon storage in Yanchi County during 2000－2015

圖3 2000－2015年鹽池縣草地水源涵養量時空格局Fig.3 Temporal and spatial pattern of grassland water conservation in Yanchi County during 2000－2015

圖4 2000－2015年鹽池縣草地土壤保持量時空格局Fig.4 Temporal and spatial patterns of the grassland soil conservation in Yanchi County during 2000－2015

3.1.3 土壤保持量

由圖4可知，2000年草地土壤保持總量為1 383萬t，單位面積均值36.78 t/hm2，隨后逐漸增加，到2007年總量達到4 056萬t，單位面積均值達99.53 t/hm2，增長170.61%，隨后轉為下降狀態，到2010年總量下降為2 194萬t，單位面積均值53.75 t/hm2，下降45.99%，隨后又轉為增長態勢，在2015年總量達到3 474萬t，單位面積均值81.71 t/hm2，增長52.01%。

草地土壤保持量在各研究時段波動十分劇烈，2000－2007年，土壤保持量全縣大部分處于增加狀態，南部增幅大于北部地區；2007－2010年，土壤保持量又處于全面下降態勢，且降幅較大；2010－2015年，處于全面恢復和提升過程，南部增幅大于北部。總之，草地土壤保持量在2000－2015年間總量提升比較明顯，且保持功能有顯著提升，總體上呈“N”型波動上升的態勢，提升幅度南部大于北部。

3.2 生態系統服務權衡與協同關系空間格局

在權衡同時，對所得權衡關系利用t檢驗方法，判斷其相互之間的顯著性，劃分權衡與協同系數等級，并對不同權衡關系的象元個數進行統計（圖5），對其鄉鎮尺度空間占比進行計算（圖6）。

由圖5可以看出，鹽池縣草地土壤保持功能與水源涵養功能呈顯著的協同關系，協同關系面積占86.34%，協同關系規律表現為自東南向西北逐漸增強的態勢，權衡關系只在東南部地區有少量分布，且權衡等級較低；碳儲存功能與水源涵養功能關系復雜，權衡與協同關系不鮮明，二者面積占比相當，其中協同關系占 52.34%，權衡關系占47.66%，在地形起伏較大的區域表現出顯著的權衡關系，如南部麻黃山區和中南部的沙帶，而廣大中北部地區表現出低水平的協同關系；碳儲存功能與土壤保持功能呈協同關系，協同關系面積比重為69.55%，全縣大部分地區表現出低水平的協同關系，權衡關系分布零散，規律性不明顯，通過對土地利用的觀察，發現其分布區主要為新增草地，即新增草地土壤保持功能與碳儲存功能存在一定的權衡關系。

圖5 草地生態系統服務空間權衡與協同關系Fig.5 Spatial trade-offs and synergies relationship of grassland ecosystem services

圖6 鄉鎮尺度草地生態系統服務權衡與協同關系占比Fig.6 Proportion of grassland ecosystem service trade-offs and synergies relationship at township scale

由圖 6可知，土壤保持功能與水源涵養功能各鄉鎮都以協同關系為主，且協同關系面積占比都很高，比例從高到低依次是馮記溝鄉（93.92%）、花馬池鎮（92.73%）王樂井鄉（92.17%）、高沙窩鎮（90.26%）、惠安堡鎮（88.47%）、麻黃山鄉（84.25%）、青山鄉（72.29%）和大水坑鎮（71.89%），其中協同等級最高的是高沙窩鎮（83.52%的“協同**”關系），權衡關系比例低，主要在大水坑鎮和青山鄉存在少許低等級的權衡關系。表明草地土壤保持功能與水源涵養功能具有顯著的協同關系，當草地的土壤保持功能強大時，其水源涵養功能同樣較大，二者呈現出相輔相成的關系。

碳儲存功能與水源涵養功能表現出復雜的權衡與協同關系。各鄉鎮中協同關系面積比例介于 37.28%～68.04%之間，權衡關系介于31.39%～62.72%之間，麻黃山鄉的協同關系最高，王樂井鄉的權衡關系最高，其中權衡關系為主的有王樂井鄉（62.72%）、高沙窩鎮（61.55%）、馮記溝鄉（59.10%）和花馬池鎮（55.97%），協同關系處于優勢的有麻黃山鄉（68.04%）、青山鄉（56.28%）、惠安堡鎮（54.57%）和大水坑鎮（52.09%），由此可以看出，地形因素是決定草地碳儲存與水源涵養協同與權衡關系的主導因素，當地形起伏較大時，多屬協同關系，當地形平坦時多屬權衡關系。

在碳儲存與土壤保持功能關系中，協同關系仍是主導，各鄉鎮協同關系面積比例從高到低依次是王樂井鄉（80.05%）、大水坑鎮（76.74%）、青山鄉（75.64%）、高沙窩鎮（75.11%）、馮記溝鄉（67.23%）、花馬池鎮（64.95%）和惠安堡鎮（64.36%），而麻黃山鄉以權衡關系為主（57.57%）。這說明碳儲存功能與土壤保持功能的協同也主要受地形因素影響，在地形起伏平緩的地區碳儲存功能與土壤保持功能呈協同關系，地形起伏特別大的地區碳儲存功能與土壤保持功能呈權衡關系，但這種權衡與協同關系受地形的影響要小于碳儲存功能與水源涵養功能的關系受地形影響的程度。

4 討 論

草地生態系統服務評估是本研究的前提和基礎，對InVEST模型本地化修正后，在鹽池縣草地生態系統服務評估中取得了較好效果，為精準確定生態補償標準提供了基礎。研究運用草學野外調查和試驗方法，在對草地植被和土壤實測的基礎上，獲取和修正模型所需參數，包括草地碳庫數據、植被數據、土壤數據等。評估得到鹽池縣草地碳儲量均值為5.78～6.19 t/hm2，水源涵養功能2000年為76.69 t/hm2，2015年為143.92 t/hm2，土壤保持能力2000年為36.78 t/hm2，2015年為81.71 t/hm2。包玉斌[24]2014年對陜北黃土高原運用InVEST模型研究，所得定邊縣（鹽池縣東鄰）介于8.2～10.4 t/hm2、水源涵養均值介于 101.8～279.7 t/hm2之間、土壤保持能力為59.5～92.4 t/hm2，其研究結果均略大于本研究，由于陜北黃土高原在水熱條件上都優于寧夏鹽池縣，因此本研究結果符合實際。

研究得到的草地土壤保持與水源涵養功能呈顯著的協同關系，碳儲存與水源涵養功能關系復雜，權衡與協同關系不顯著，碳儲存與土壤保持功能呈協同關系。鞏杰等[28]對白龍江流域研究也認為土壤保持與水源涵養呈顯著的協同關系；鄭德鳳等[29]研究也發現協同關系是三江源國家公園生態系統服務之間的主導關系；尹禮唱等[30]認為在中國的屏障帶，土壤保持、固碳及產水間三者以協同為主，其中東北森林帶固碳與水源涵養功能關系復雜，權衡與協同關系不顯著，權衡關系像元比例為49%，與本研究的47.66%非常接近。王鵬濤等[25]研究發現漢江上游的土壤保持與產水服務均以權衡關系為主；戴路煒[31]對農牧交錯帶多倫縣研究發現產水量與土壤保持、產水量與碳固持顯著權衡；Pan等[32]研究發現在西北干旱內陸河流域區域尺度上，水源涵養和土壤保持生態系統服務間存在此消彼長的權衡關系，這與本研究的結果存在差異，造成這種差異的原因可能是地形因子的影響，地形因素是決定碳儲存-水源涵養功能和碳儲存-土壤保持功能協同與權衡關系的主導因素，當地形起伏較大時，多屬協同關系，當地形平坦時多屬權衡關系，另外研究尺度差異也可能是影響因素，這仍需進一步研究。

5 結 論

1）2000－2015年，鹽池縣草地生態系統碳儲存、水源涵養和土壤保持功能顯著增加，但存在一個顯著的“N型”波動。草地碳儲存總量及單位面積均值由217.46萬t、5.78 t/hm2增加到263.12萬t、6.19 t/hm2；水源涵養總量在波動中增加，由2 884萬t、單位面積均值76.69 t/hm2增加到6 118萬t、143.92 t/hm2；土壤保持總量波動也比較劇烈，由1 383萬t、單位面積均值36.78 t/hm2增加到3 474萬t、81.71 t/hm2。草地碳儲存功能在研究時段內變化幅度較小，增加或減少都是緩慢且連續的，而水源涵養功能和土壤保持功能則處于大幅度增加或減少的狀態；就區域差異而言，碳儲存和水源涵養功能的增加北部高于南部，而土壤保持功能則是南部大于北部。

2）草地土壤保持功能與水源涵養功能呈顯著的協同關系，協同關系面積占86.34%，在空間上表現為自東南向西北逐漸增強的變化規律，權衡關系只在東南部有少量分布，且等級較低；碳儲存功能與水源涵養功能關系復雜，權衡與協同關系不顯著，二者面積占比相當，分別為47.66%和52.34%，其中在地形起伏較大的南部地區表現出顯著的權衡關系，而廣大中北部地形起伏和緩的地區變現出低水平的協同關系；碳儲存功能與土壤保持功能呈協同關系，協同關系面積比例達69.55%，全縣大部分地區表現出低水平的協同關系，權衡關系分布零散，規律性不明顯。地形因素是決定碳儲存-水源涵養功能和碳儲存-土壤保持功能協同與權衡關系的主導因素，在地形起伏較大的區域，二者多屬協同關系，在地形平坦的區域，二者則多為權衡關系。