降水和土地利用對黑河上游生態系統服務權衡與協同關系的影響

張元，張福平，丁家寶，寧亞洲，曾攀儒

（陜西師范大學地理科學與旅游學院，陜西 西安 710119）

生態系統服務是指生態系統所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用，是人類直接或間接從生態系統中所獲得的所有收益［1，2］。人類通過一些生活生產行為，從生態系統中獲取對自身有利的福祉，這就使得生態系統會發生變化，從而產生權衡或協同的結果［3］。協同是指兩種或兩種以上生態系統服務之間的關系為正相關，即服務之間呈現出共同增加或共同減少的情況［4，5］。權衡一般是指兩種或兩種以上生態系統服務之間的關系為負相關，即一種服務的增加／減少會導致另一種服務的減少／增加［6］；但從廣義上講，權衡還可以是兩種或多種生態系統服務變化速率不均勻的單向變化［7］。研究表明，生態系統服務之間的權衡與協同是同時存在的，而且往往權衡作用要遠大于協同作用［8］，人類在進行選擇時，往往會傾向于選擇可以獲取利益的服務，而忽視一些調節、支持服務，這樣就會對生態平衡造成影響，甚至對生態系統造成破壞。所以研究生態系統服務的權衡協同關系，對于維持生態平衡、保護生態環境具有重要意義。

近年來，權衡協同的研究已成為該研究領域的熱點之一，且大多數都集中于研究生態系統服務權衡協同關系的時空特征。如王鵬濤等［9］研究了漢江上游生態系統服務權衡與協同關系時空特征，Wang等［10］分析了重點脆弱生態區生態系統服務權衡與協同關系時空特征，Pan等［11］研究了西北干旱內陸河流域多種生態系統服務之間權衡和協同關系的時空格局。還有一些研究揭示了不同服務關系的尺度依賴，如余玉洋等［12］通過多種空間尺度對秦巴山區多種生態系統服務之間的關系進行探究，發現從500 m到200 km不同的空間尺度下，各種生態系統服務之間的關系會從權衡變為協同或者從協同變為權衡；Qiao等［13］發現在全域尺度和縣域尺度下太湖流域生態系統服務的關系會有變化。但分析影響生態系統服務關系的研究較少，尤其是在干旱內陸河流域。

黑河上游位于祁連山區，植被覆蓋良好，是重要的水土保持區。但近些年來由于超載放牧和毀林毀草，該流域植被減少，水土流失加劇，生態環境惡化［14］。2000年以后，國家啟動黑河專項治理規劃工程，以解決上游的生態問題。然而氣候變化和一系列的治理措施對生態系統服務及其關系也產生了重要影響。已有研究表明，降水和土地利用對于生態系統服務及其關系的影響最為顯著［15，16］。本研究以黑河上游為對象，利用InVEST模型和CASA模型測算了2000—2015年黑河上游的產水、土壤保持和植被凈初級生產力，進一步分析了降水和土地利用對3種服務間關系的影響，以期為黑河上游的生態恢復提供理論指導。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

黑河發源于祁連山中段，是我國西北干旱區第二大內陸河。西起黑山、鄰接疏勒河流域，東至大黃山、武威盆地，北部與蒙古接壤，流經青海、甘肅、內蒙古三省（自治區）。黑河上游包含青海省祁連縣和甘肅省肅南裕固族自治縣的大部分地區，介于37°43′18＂～39°9′8＂N、99°9′53＂～101°0′16＂E（圖1）。研究區地勢南高北低，平均海拔3 581 m，氣候濕潤寒冷。河道兩岸山高谷深，植被覆蓋良好，主要植被類型為高山草甸［17］。黑河流域上游垂直地帶性分布明顯，土壤類型眾多［18］。

圖1 研究區概況

1.2 數據來源

InVEST模型和CASA模型所需數據如表1所示。

表1 數據來源與參數處理說明

1.3 研究方法

1.3.1 產水（water yield，WY）估算方法 利用InVEST產水模塊計算產水量。該模塊是基于Budyko水熱耦合平衡假設［20］，利用年平均降水量數據和蒸散數據計算，每個柵格單元的產水量為降水量減去實際蒸散后的水量，模型不做地表水、地下水、基流的區分。研究區每個柵格單元的年產水量，計算公式如下：

式中，WYxj為柵格單元x中土地利用類型為j的產水量（mm）；AETxj為柵格單元x中土地利用類型為j的實際蒸散量（mm）；Px為柵格單元x的降水量（mm）［21，22］。

1.3.2 土壤保持（soil conversation，SC）估算方法

InVEST土壤保持模塊認為土壤侵蝕減少量與持留量的差值即為土壤保持量，前者為土壤潛在侵蝕量與實際侵蝕量的差，后者為地塊攔截上坡沉積物的能力，以來沙量與泥沙持留率的乘積表示［23］。由此可見，該模型相對于通用土壤流失方程（USLE），考慮了植被在緩減侵蝕和截留上坡來沙的作用［24，25］。計算公式如下：

式中，SCx、PKLSx、USLEx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量（t）、潛在侵蝕量（t）、實際侵蝕量（t）和持留量（t）。

1.3.3 植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）估算方法 利用CASA模型計算研究區的植被凈初級生產力。在模型中，光合有效輻射與光能利用率的乘積代表植被NPP的值［26］。公式如下：

式中，NPP（x，t）為像元x在t時間內單位面積植被凈初級生產力（gC·m－2），APAR（x，t）代表像元x在t時間內吸收的光合有效輻射（MJ·m－2），ε（x，t）表示像元x在t時間內植被實際的光能利用率（gC·MJ）。

1.3.4 生態系統服務間相關性分析方法 利用Matlab軟件對黑河上游2000—2015年間3種生態系統服務間的相關性進行量化分析。利用t檢驗，將生態系統服務的權衡與協同關系分為7類，即協同**（r＞0，t≤0.05），協同*（r＞0，0.05＜t≤0.1），協同（r＞0，t＞0.1），權衡**（r＜0，t≤0.05），權衡*（r＜0，0.05＜t≤0.1），權衡（r＜0，t＞0.1）；其余的為不相關［27］。

1.3.5 標準化處理 由于服務的單位和范圍值不一致，為了便于比較，對服務數值進行標準化處理，公式如下，其中ESi為服務量化任意值，ESmin指服務量化最小值，ESmax指服務量化最大值［28］。

2 結果與分析

2.1 黑河上游生態系統服務權衡與協同關系的時空特征

2.1.1 黑河上游生態系統服務及其關系的時間特征分析 黑河上游流域2000—2015年產水、土壤保持及NPP三種服務均值的年際變化情況如圖2a、b、c所示。可見，黑河上游地區產水、土壤保持和NPP年際變化波動較大，總體呈增加趨勢。2000—2015年產水量平均值為60.07 mm，最低值在2002年（47.38 mm），最高值在2007年（73.94 mm），以0.64 mm·a－1的速率遞增；產水總量年際波動極大，尤其是2002—2007年間，產水低值、高值交替出現。土壤保持的多年平均值為435.52 t·hm－2，2000—2012年間土壤保持量在波動中增加，并于2012年達到峰值（692.82 t·hm－2），之后每年的土壤保持量均下降，至2015年出現急劇降低的情況。研究區內NPP多年平均總量為277.39 gC·m－2，在238.84～315.84 gC·m－2之間上下浮動。

對3種服務進行標準化處理，利用多項式擬合兩兩服務之間隨時間的變化趨勢，由圖2d、e、f可見，產水與土壤保持在2000—2010年變化趨勢一致，而在2010年后呈現出明顯的產水增加土壤保持減少／產水減少土壤保持增加的變化規律，這表明產水與土壤保持在2000—2010年之間是協同關系，而在2011—2015年為權衡關系。NPP與產水在2000—2010為權衡關系，而在2011—2015年轉變為協同關系。NPP與土壤保持在研究時段內一直是此消彼長的權衡關系。

圖2 生態系統服務及其關系的時間變化趨勢

2.1.2 黑河上游生態系統服務及其關系的空間特征分析 從空間分布情況來看，2000—2015年產水、土壤保持和NPP三種服務均呈現出東南高西北低、山地高河谷低的分布態勢（圖3a、b、c）。16年間，黑河上游流域產水深度平均值為77.62 mm，但空間分布不均，整體呈現由東南向西北遞減的分布規律，青海省境內的祁連縣是產水分布的高值區，其北部靠近祁連山山麓地帶及與甘肅交界的邊緣地區產水量均高于129 mm；沿河谷分布著均值在59 mm的產水地帶；而低值區則出現在肅南西北角和鄰接高臺、臨澤、張掖的南部地區。土壤保持年均值為436.12 t·hm－2，空間上也是呈現出西北劣于東南的分布情況；但不同的是，土壤保持無特別明顯的高值集中區，只是在研究區東部、沿河谷地帶植被覆蓋較好的地區有呈條帶狀延伸的分布規律；在肅南與酒泉接壤的地域有零星分布的高值點，而低值區與高值區穿插分布。NPP的分布情況與產水基本一致。

從全區來看，黑河上游的大部分地區產水和土壤保持協同關系，且大部分區域協同關系的t檢驗值大于0.1，只是在一些河谷地帶會有權衡集中分布的情況（圖3d）。產水與NPP的相互關系以協同為主，協同的區域主要分布在沿河流地區；在研究區北部還出現了協同關系和權衡關系相間分布的情況（圖3e）。土壤保持與NPP主要呈現權衡關系，但這種相互關系呈現出顯著的空間差異：黑河上游東部地區NPP與土壤保持的相互關系以權衡關系為主，并且這種關系呈條帶狀一直延伸到肅南西部；而在肅南西南部沿河谷地帶、肅南鄰接高臺、臨澤、張掖的南部地區及部分邊界地區呈現出協同關系（圖3f）。

圖3 生態系統服務及其關系的空間分布

2.2 降水和土地利用對黑河上游生態系統服務權衡與協同關系的影響

2.2.1 降水對黑河上游生態系統服務權衡與協同關系的影響 基于上述分析，發現2010年左右服務之間的關系發生變化，因此，為了避免其他因素的影響，除降水數據外，其他數據均使用2010年的數據。經計算得到不同降水下產水、土壤保持和NPP的標準化值，利用多項式擬合其趨勢，結果如圖4。發現在降水小于320 mm時，產水和土壤保持的變化速率相差不大，尤其是在290～320 mm之間二者的變化速率幾乎一致；但當降水達到320 mm之后，二者的變化速率相差越來越大，至370 mm時出現明顯的負相關，之后兩者的變化速率差距又縮小（圖4a）。產水與NPP的變化速率在降水小于320 mm時差異較大，但當降水達到320 mm后，二者的變化速率開始接近（圖4b）。隨著降水的增加，土壤保持與NPP之間的變化速率差距處于增大－縮小的波動變化之中，但以增大為主（圖4c）。所以降水的增加使得產水與土壤保持由協同變為權衡，產水與NPP由權衡變為協同；而土壤保持與NPP之間的權衡與協同關系不斷變化，總體以權衡為主。

圖4 降水對生態系統服務關系的影響

根據氣象站點多年降水數據統計分析可知，2000—2015年降水均值為311.15 mm，以2.20 mm·a－1的速率增長，而2010年的年均降水為324.38 mm，所以2010年左右服務關系發生變化的原因之一為降水量增加。降水增加會引起產水量增長［29］，同時也會增加降水侵蝕性，造成土壤保持量減少［30］，所以降水會成為改變產水和土壤保持關系的因素之一。在前期降水較少，植被會吸收大部分降水維持自身生長，整個系統的產水就會減少，這時NPP與產水呈現權衡關系；當降水增加后，除完全滿足植被生長外，大部分降水轉化為產水，此時NPP與產水就會轉變為協同關系。

2.2.2 土地利用對黑河上游生態系統服務權衡與協同關系的影響 利用中國科學院資源環境科學數據中心（http：／／www.resdc.cn／）提供的2000、2005、2010、2015年四期土地利用數據，把研究區內土地利用類型按面積從高到低排序，選取占研究區總面積95%以上的低覆蓋度草地、中覆蓋度草地、其它未利用地（包括高寒荒漠、苔原等）、高覆蓋度草地、裸巖石質地、灌木林地、有林地及疏林地進行生態系統服務及其關系的統計分析，結果見表2。可見，疏林地的產水最多，低覆蓋度草地的產水最少；林地的覆蓋度與其產水能力呈反比，而草地的覆蓋度與其產水呈正比；土壤保持能力為林地＞草地＞未利用地，隨著地表植被覆蓋度的減少而減少。在NPP中，林地的平均能力要優于草地，但出現了高覆蓋度草地略大于疏林地的特殊情況。

表2 不同土地類型各生態系統服務多年均值

降水是影響產水能力的主要因素［31］，林地可以有效攔截降雨，雖然土壤滲透性強、蒸散量高會導致林地產水量減少，但研究區林地多位于降水高值區，所以產水最高。與其他樹木相比，灌木耗水較少，所以灌木林地的產水也較高。未利用地對降水的消耗最少，降水大部分轉化為產水，所以產水也較高。林地有著強大的根系，而草地的根系較淺，所以草地攔截能力較弱，土壤保持低于林地；除高覆蓋度草地的NPP高于疏林地外，草地的NPP低于林地。

由表3可見，各種土地類型的產水和NPP均呈協同**關系；林地和高覆蓋度草地的土壤保持和NPP呈協同**關系，其余土地類型的土壤保持和NPP呈權衡**關系。裸巖石質地和其它未利用地的產水與土壤保持為權衡*關系，這是因為裸巖石質地和其它未利用地的產水較高，但土壤保持能力幾乎為零；林地和草地中產水和土壤保持為協同關系，雖然林地的產水和土壤保持能力最高，但產水與土壤保持的協同關系卻弱于草地；對于草地來說，覆蓋度越高產水越高，土壤保持能力越強，在中覆蓋度草地中二者呈現出最強的協同關系。所有土地利用類型中產水與NPP的關系均為協同**，但林地的這種協同關系要弱于草地，這是因為林地的耗水要大于草地。綜上所述，林地，尤其是灌木林地，土壤保持能力和NPP最為突出，但服務之間的協同發展，尤其是水供給方面的協同發展卻要弱于草地。產水與土壤保持、產水與NPP的協同關系均以中覆蓋度草地的最高，高覆蓋度草地的次之；而土壤保持與NPP的協同關系則以灌木林地的最大，高覆蓋度草地的次之。所以高覆蓋度草地的綜合協同能力最優。

表3 不同土地類型生態系統服務間的相關性

3 討論

本研究分析了黑河上游生態系統服務及其關系的時空特征，進一步分析了降水和土地利用對生態系統服務權衡與協同關系的影響。結果表明，不同尺度的分析可能得到不同的結論，如：在時間和空間尺度上土壤保持與NPP均為權衡關系；但產水與土壤保持在時間尺度上表現為先協同后權衡的關系，產水與NPP表現為先權衡后協同的關系，而在空間尺度中他們之間均以協同關系為主。此外，研究所得到的“320 mm左右的降水會改變服務關系”的結論也只是針對特定條件下的研究區得出的（除降水數據外，其他數據均使用2010年的數據），而且也只是得出“降水增加會使產水與土壤保持由協同變為權衡、產水與NPP由權衡變為協同”這樣定性的結論，至于降水值究竟為多少才能發生上述關系的轉變還需要進一步探究。

本研究結果表明降水會對生態系統服務之間的關系產生影響，而大量研究證實黑河上游的氣候呈暖濕化發展趨勢［32，33］，所以為了應對降水增加帶來的影響，尤其是在土壤保持方面的影響，我們需要一些合理有效的措施，植樹造林、提高草地覆蓋度等措施都可以提高土壤保持量。但與此同時我們還需要注意的是：過量的植被會消耗降水使得區域的產水變少，尤其是林地，雖然水源涵養和土壤保持能力都高，但其蒸騰作用也強［34］，會消耗大量降水。

黑河上游作為黑河流域的主產流區，必須要適度發展才能為解決中下游用水矛盾提供有力保障。黑河上游草地面積最大，所以草地，尤其是面積占比高的中、低覆蓋度草地中各種服務的關系會直接影響到整個黑河流域。本研究結果表明，中覆蓋度草地中產水與土壤保持、產水與NPP均為最高協同，土壤保持與NPP為權衡關系；高覆蓋度草地的綜合協同能力最優。因此，合理提高黑河上游的草地覆蓋度對于區域協調發展是十分必要的。

4 結論

本研究分析了黑河上游生態系統服務及其關系的時空特征，并進一步分析了降水和土地利用對生態系統服務權衡、協同關系的影響。結論如下：①2000—2015年產水、土壤保持、植被凈初生產力三種服務在波動中增加。產水與土壤保持在2000—2010年之間是協同關系，而在2011—2015年為權衡關系；NPP與產水在2000—2010為權衡關系，而在2011—2015年轉變為協同關系；NPP與土壤保持一直是此消彼長的權衡關系。從空間分布來看，產水、土壤保持和NPP三種服務均呈現出東南高西北低、山地高河谷低的分布態勢；產水與土壤保持、產水與NPP在空間上以協同關系為主，土壤保持與NPP則以權衡關系為主。②降水的增加會使產水與土壤保持由協同關系變為權衡關系，而使產水與NPP由權衡關系變為協同關系；降水對土壤保持與NPP的關系無明顯影響。③中覆蓋度草地的產水與土壤保持、產水與NPP均為最高協同，高覆蓋度草地次之；灌木林地的土壤保持與NPP協同關系最大，高覆蓋度草地次之。因此，高覆蓋度草地的綜合協同能力最優。