陜西省生態系統服務權衡與協同關系時空特征分析

晉鵬欣

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054)

生態系統服務是人類直接或間接地從生態系統中獲得的各種收益[1]，生態系統服務間關系復雜且相互影響[2,3]，一般表現為此消彼長的權衡關系和同減同增的協同關系[4]。明晰不同生態系統服間的相互關系，有利于區域生態環境和經濟協調可持續發展[5]。目前生態系統服務成為多學科的研究熱點，學者從不同尺度上針對生態系統服務間的權衡與協同關系進行了大量的研究。孫澤祥等[6]對呼包鄂榆地區2010年的糧食生產、產水量、土壤保持和固碳等生態系統服務進行測量并利用相關分析法對不同服務間的權衡關系進行分析。孫藝杰等[7]分析了延安市1993—2013年生態服務價值權衡與協同關系的時空變化特征，探討了退耕還林政策對生態系統服務相互關系影響。王蓓等[8]使用InVEST模型測算了石羊河流域不同時間節點五項服務的時空變化格局，并利用相關系數法分析生態系統服務之間的權衡與協同關系。

陜西省自然資源豐富自然條件復雜，主要由水土流失嚴重的陜北地區、經濟產業蓬勃發展的關中地區以及重要生態屏障帶——秦嶺構成，但城市化進程加快、人口增加以及人類不合理的開發引起了生態系統服務的退化，使區域人類福祉和生態安全受到威脅。研究陜西省生態系統服務之間的相互關系長時間序列時空變化特征[5]，有利于促進經濟與生態保護的同步發展[9]。因此本文以陜西省為研究區,基于CASA模型、RUSLE模型和InVEST模型測算了研究區2000—2018年的凈初級生產力(NPP)、土壤保持和產水3種生態系統服務物質量，使用熱點分析得到了陜西省多重生態系統服務熱點區，利用相關性分析法探究3種服務間的權衡與協同關系的空間分布特征。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

陜西省位于長江、黃河兩大流域之間，地貌類型多樣，橫貫東西的秦嶺與黃土高原將陜西分為了秦巴山地、關中平原和黃土高原3大自然區，自然條件復雜多樣，兼具南北自然資源特點，在西北地區發揮著重要的服務功能。陜西省主要由陜北、關中、陜南3個地區組成[10]，橫跨3個氣候帶，陜北地區屬于中國黃土高原的中心部分，為中溫帶干旱大陸性季風氣候，四季分明,氣候多變。關中地區屬于平原區，溫帶季風性氣候，具有夏季高溫多雨、冬季溫和少雨的氣候特點；陜南地區屬于山區，亞熱帶季風氣候，雨量充沛。陜西省兼備南北自然特點，不同地區自然條件有顯著差異，生態系統服務特征迥異。

1.2 數據來源

陜西省區縣行政界線數據下載于國家基礎信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)。降水、氣溫、日照時數等氣象數據下載于國家氣象信息中心(http://data.cma.cn)，使用Anusplin進行插值得到分辨率為1km的柵格數據。土壤數據采用中國土壤數據集(V1.1)(http://westdc.westgis.ac.cn)。NDVI數據使用地理空間數據云的GIMMS-NDVI數據集(https://ecocast.arc.nasa.gov)，采用最大合成法得到1km分辨率的年NDVI柵格數據集。DEM高程數據下載于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為250m。

2 研究方法

2.1 固碳服務

利用生態系統凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)評估陜西省多年固碳服務，基于CASA模型來計算植被凈初級生產力。公式[11]：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中，NPP為植被凈初級生產力，gC·m-2·a-1；APAR(x,t)為像元x在t月時，植被吸收的光合有效福射，MJ·m-2；ε(x,t)表示像元x在t月時植被實際的光能利用率，gC·MJ-1[12]。

2.2 產水服務

使用InVEST模型計算陜西省2000—2018年產水量，利用區域水量平衡法計算得到[13]。公式：

Q=P-ET

(2)

(3)

式中，Q為產水量，mm；P為年降水量，mm；ET為蒸散量，mm；PET為潛在蒸散量，mm；ω為植被耗水系數。

2.3 土壤保持服務

使用RUSLE模型計算陜西省2000—2018年的土壤保持量，公式[14]：

SC=Ap-Ar

(4)

式中，SC為土壤保持量，t·hm-2·a-1；Ap為土壤潛在侵蝕量；Ar為土壤實際侵蝕量。

2.4 生態系統服務權衡與協同分析方法

本文基于柵格像元尺度在MATLAB軟件計算3種服務之間的相關性[15]，公式：

(5)

式中，R為2種服務之間的相關系數；ES1與ES2代表2種生態系統服務；i、j為行號和列號；n為時間序列，研究中n為19a。劃分標準：強協同(R>0，0.010，0.050，0.10

2.5 熱點分析

熱點地區是將3種服務(產水服務、土壤保持服務、固碳服務)超過各自年平均值的柵格作為熱點區，將3種生態系統服務熱點圖進行疊加分析得到陜西省多重生態系統服務熱點區分布圖[16]。將0種、1種、2種和3種生態系統服務值超過年平均值的區域分別視為0類、1類、2類和3類熱點區。

3 結果與分析

3.1 陜西生態系統服務時空變化分析

從空間上來看，陜南地區如安康市和漢中市是土壤保持服務的高值集中區，關中區域也出現零星分布，低值區主要分布在陜北地區的榆林市等，從南向北依次遞減，固碳服務(NPP)高值區在2018年前陜南、關中區域為高值區，陜北為低值區分布，在2018年全區除陜北西部、關中南部基本都為中高值分布，高值分布范圍廣，分布范圍明顯增加，產水服務的高值區集中于陜南地區，2000—2018年高值區分布在安康和漢中兩市擺動，低值區大面積分布在陜北、關中地區；從時間上來看，土壤保持服務均值從2000年224.66t·hm-2·a-1增加為2010年的413.67t·hm-2·a-1，在2018年下降為208.56t·hm-2·a-1，固碳服務在2000年為544.56gC·m-2·a-1，2018年為677.28gC·m-2·a-1，呈現增長趨勢，陜西省產水量從2000年的均值為189.39mm增加到2010年的256.29mm后又降到2018年的164.44mm，產水量和土壤保持量在2000—2018年均呈現先增加后下降的趨勢，而固碳量則呈現增加趨勢。

3.2 生態系統服務熱點區域

3.2.1 單項生態系統服務熱點區

運用ArcGIS的空間分析和制圖工具，對陜西省2000—2018年固碳服務、產水服務以及土壤保持服務進行熱點區識別，得到單項生態系統服務熱點區空間分布。產水服務點區在2000年、2010年和2018年的面積占比分別為35.42%、39.02%和44.08%，主要分布在陜南的漢中市、安康市。19a間，產水服務熱點區在商洛市、延安市東部及西部部分地區有明顯增加，在安康市出現明顯減少；固碳服務點區在2000年、2010年和2018年的面積占比分別為57.82%、57.74%和55.76%，主要分布在陜南的漢中市、安康市、商洛市及關中地區，19a間，固碳服務熱點區在關中地區的延安市增加明顯，在西安市明顯減少；土壤保持服務點區在2000年、2010年和2018年的面積占比分別為22.86%、22.09%和23.53%，主要分布在陜南的漢中市、寶雞市和安康市，19a間，土壤保持服務熱點區在陜南地區增加明顯，在延安地區有部分減少；固碳服務熱點區分布最為廣泛，其次為產水服務熱點區，最后是土壤保持服務熱點區，3個服務的熱點都主要集中在陜南地區。

圖1 2000—2018年生態系統服務變化

圖2 2000—2018年陜西單項生態系統服務熱點區

3.2.2 單項生態系統服務熱點區

本文將陜西省固碳服務、土壤保持服務和產水服務超過各自年均值的柵格劃分為該類服務的熱點區域，在ArcGIS軟件中將2000—2018年陜西省產水、固碳服務與土壤保持的單項熱點服務區進行疊加得到多重生態系統服務熱點區的空間分布。從圖2可以得出，0類服務區占陜西省總面積的23.90%，主要分布在陜北東部、關中南部即榆林市東部和渭南市南部地帶；1類服務區占陜西省總面積的44.15%，主要分布在陜北西部、關中南部和陜南東部地帶即榆林市西部、延安市以及商洛安康市等；2類服務區占陜西省總面積的16.59%，主要呈現零星交錯分布；3類服務區占陜西總面積的15.34%，主要分布在陜南地區的中西部即漢中市地區和安康市的西部。

圖3 陜西省多重生態系統服務熱點區

3.3 生態系統服務權衡與協同關系分析

圖4 陜西省生態系統服務權衡與協同關系空間分布

研究基于柵格像元尺度在MATLAB平臺使用相關分析來探究NPP、土壤保持和產水3種生態系統服務之間的權衡與協同關系。NPP與產水在2000—2018年呈現協同關系，占比為79.55%，強協同集中分布在陜北西部及延安市西部地區，弱協同面積分布廣泛，占比為67.74%，弱權衡主要分布在銅川市、咸陽市、寶雞市以及榆林市東部、漢中市西南部，中權衡和強權衡分布較零散占比低，主要分布在咸陽市等；土壤保持與產水在2000—2018年以協同關系為主，且主要呈現強協同，協同關系區域占比為89.15%，強協同主要分布在榆林市、延安市、關中地區及漢中和安康市的南部，弱協同主要分布在陜南地區，權衡關系主要呈現為弱權衡，分布在榆林市和陜南部分地區；土壤保持和固碳服務在2000—2018年主要為協同關系，占比為64.81%，強協同主要分布在榆林市和延安市的交接地帶，弱協同呈現廣泛分布，集中在陜北、關中和陜南西部地區，弱權衡主要分布在陜南東部和南部地區，強權衡分布在商洛市東南部。

4 結論

2000—2018年陜西省產水量和土壤保持量年均呈現先增加后下降的趨勢，而固碳量則呈現增加趨勢。NPP年均值增加了132.72gC·m-2·a-1，增量最多的地區為陜北東部即榆林東部地區；土壤保持量年均值減少了16.1t·hm-2·a-1，土壤保持量減少最多的區域為陜南的西部地區以及漢中和安康南部；產水量年均值減少了24.95mm，減少量最多的地區為陜南的安康市和商洛市。

固碳服務熱點區分布最為廣泛，其次為產水服務熱點區，最后是土壤保持服務熱點區，3個服務的熱點都主要集中在陜南地區。在多重生態系統服務熱點區空間分布中，陜西省1類服務熱點區占比最高，主要分布在陜北西部、關中南部和陜南東部地帶，3類服務區占比最低，且集中分布在陜南西部地區。

陜西省2000—2018年土壤保持、NPP、產水3種生態系統服務間相互關系均以協同關系為主，NPP與產水協同關系分布廣泛，除延安東部、咸陽西南部以及漢中西南部呈現權衡關系外，其余均為不同程度的協同關系，陜西省土壤保持與產水在19a間全區大面積呈現協同關系，僅有極少數地區為權衡分布，土壤保持和固碳服務權衡關系集中分布在商洛、安康和西安地帶，其余呈現協同分布。

5 討論

本文基于像元尺度，測算了陜西省2000—2018年3種生態系統服務物質量，采用相關性分析分析了陜西省19a間的生態系統服務權衡與協同關系時空分布特征，有效探究了研究區長時間序列連續時間段不同生態系統服務間權衡與協同關系的空間動態變化。本文基于研究區整體進行探究，在未來研究中有必要基于不同空間尺度精準地測度區域內部不同服務間的相互關系及其關系轉變的影響因素，旨在探究各服務間相互關系轉變的驅動機制。生態系統服務類型眾多，各類服務之間存在著復雜的權衡與協同關系，本文只選取了固碳服務、產水服務和土壤保持服務3種服務進行分析，下一步應考慮增加多種生態系統服務進行測算，在建立長時間序列連續時間段的服務權衡關系研究的基礎上進一步探究不同空間尺度及區域內部權衡協同關系的變化特征，為決策者和利益相關者提供可行性政策方案和科學依據。