東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系時(shí)空演變 特征與功能分區(qū)研究

馮 琳，雷國(guó)平

（1.東北大學(xué)文法學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110169； 2.遼寧省自然資源廳土地保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110169）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各類惠益，在形成與維持人類生存與發(fā)展的環(huán)境條件及物質(zhì)基礎(chǔ)方面發(fā)揮重要作用[1-2]，已成為聯(lián)合國(guó)2030年17個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要組成部分。中國(guó)政府陸續(xù)啟動(dòng)天然林資源保護(hù)、三北防護(hù)林體系建設(shè)、退耕還林還草等重大生態(tài)工程，旨在通過(guò)有效管理手段最大化多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[3-5]。然而，人類需求的多樣性、土地利用格局的空間異質(zhì)性和生態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性，導(dǎo)致各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡與相互增益的協(xié)同關(guān)系[6-8]。協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)管理的多目標(biāo)沖突并減緩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡關(guān)系及強(qiáng)度，已成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[9]。研究表明，受到外界因素作用后，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及相互作用關(guān)系具有時(shí)空尺度依賴性，生態(tài)工程大范圍實(shí)施并未解決微觀尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡問(wèn)題[10]。因此，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系時(shí)空變化全面評(píng)估，并調(diào)整相應(yīng)決策平衡它們是政府、決策者、相關(guān)利益者關(guān)注的重要課題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍借助InVEST[11]、SolVES[12]與ARIES[13]等模型量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，采用皮爾遜相關(guān)性分析[14]、均方根偏差[15]、生產(chǎn)可能性邊界法[16]等統(tǒng)計(jì)分析法與空間疊置分析[17]、空間自相關(guān)分析[18]等空間制圖法識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。雖然關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及相互作用關(guān)系的研究在理論框架、研究體系與方法上日漸成熟，但研究尺度存在以下不足：（1）在時(shí)間尺度上，以往研究大多局限于靜態(tài)視角下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系變化研究[19]，無(wú)法反映生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間滯后現(xiàn)象及對(duì)于突發(fā)事件的響應(yīng)，亟需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)時(shí)間的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程研究。（2）在空間尺度上，目前研究多聚焦于全球[20]、行政區(qū)[21]、流域[22]及生態(tài)工程區(qū)[23]等較大尺度，缺乏從微觀尺度下對(duì)內(nèi)部差異特征顯著區(qū)域進(jìn)行明確地理空間信息的定量研究，不可避免地掩蓋環(huán)境異質(zhì)性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的影響。近年來(lái)，諸多學(xué)者利用K-means聚類分析[24]、主成分分析[25]、高斯混合模型[26]等方法，進(jìn)一步識(shí)別具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系特征的服務(wù)簇，從而進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū)并提出生態(tài)系統(tǒng)管理建議，以提高政策實(shí)施的有效性[27]。因此，深入探討像元尺度長(zhǎng)時(shí)間序列下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及相互作用關(guān)系變化特征，結(jié)合功能分區(qū)提出增強(qiáng)協(xié)同、緩解權(quán)衡的空間差異化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化對(duì)策，對(duì)于實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合效益最大化具有重要意義。

東北地區(qū)是中國(guó)最大的天然林區(qū)且位于全球四大黑土帶之一，在糧食安全和生態(tài)保護(hù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[28]。然而，東北地區(qū)多尺度氣候變化和對(duì)自然—社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)干擾的結(jié)合持續(xù)累積地改變與降低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，給糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)與生態(tài)系統(tǒng)管理帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[29]。自20 世紀(jì)50 年代大規(guī)模開(kāi)墾以來(lái)，具有重要生態(tài)功能的林地、草地、濕地等生態(tài)用地不斷被占用、開(kāi)發(fā)、破壞，水資源短缺、土壤有機(jī)碳含量下降、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化等問(wèn)題日益加劇[30]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的持續(xù)流失速度遠(yuǎn)超過(guò)生態(tài)用地的增加速度，各項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)工程的實(shí)施并沒(méi)有顯著增加?xùn)|北地區(qū)的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值[31]。目前，針對(duì)東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究多從靜態(tài)、單一的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)維度開(kāi)展，缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)時(shí)間下的定量地理空間信息，極大限制其在國(guó)土空間規(guī)劃方面的應(yīng)用。鑒于此，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、糧食安全等多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展，東北地區(qū)迫切需要在像元尺度長(zhǎng)時(shí)間序列下，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及相互作用關(guān)系的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū)服務(wù)于相關(guān)政策的制定與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間優(yōu)化。

本文基于像元尺度采用1992—2020年長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)，揭示東北地區(qū)產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量、糧食生產(chǎn)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空演變規(guī)律，分析兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系時(shí)空演變特征，進(jìn)一步識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇并進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)，針對(duì)性提出生態(tài)系統(tǒng)管理措施，以期推動(dòng)?xùn)|北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異化管控和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)位于中國(guó)東北部（115°32’E～135°09’E，38°42’N～53°35’N），總面積約1.24×106km2，覆蓋黑龍江、吉林、遼寧省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)東部。長(zhǎng)期以來(lái)，東北地區(qū)擁有多種類型的自然資源（如森林、濕地、黑土等），并分布著松花江、遼河、嫩江、鴨綠江等主要河流，在糧食、木材和礦產(chǎn)資源方面發(fā)揮著重要作用。東北地區(qū)集中分布土壤有機(jī)質(zhì)含量高、水肥氣熱協(xié)調(diào)的黑土，糧食產(chǎn)量增量占全國(guó)糧食產(chǎn)量增量的50.71%。

東北地區(qū)降水強(qiáng)度與氣溫年際變化較大且增加速度較快，降雨時(shí)空分布不均態(tài)勢(shì)加劇，低溫干旱、高溫干旱等復(fù)合型極端氣候事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)與生態(tài)安全。高強(qiáng)度人類活動(dòng)與大規(guī)模墾殖利用使得土地利用格局顯著變化，減弱了生態(tài)系統(tǒng)維持生態(tài)功能與提供自然產(chǎn)品的能力，碳儲(chǔ)存、水質(zhì)凈化等生態(tài)功能逐漸退化[28]。2020年，東北地區(qū)耕地與林草地分別占土地總面積的42.09%與53.31%。根據(jù)地形、植被、氣候、人類活動(dòng)特征，東北地區(qū)分為大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈、三江平原、松嫩平原、遼河平原6個(gè)地理區(qū)域[29]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)包括1992—2020年連續(xù)時(shí)間下氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)等。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于Climate Change Initiative（CCI, http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer），空間分辨率300 m，其他數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。考慮本文需要及東北地區(qū)實(shí)際情況，將37類土地利用類型分成耕地、林地、草地、濕地、水域、建設(shè)用地、未利用地7類。基于ArcGIS 10.6平臺(tái)，將空間數(shù)據(jù)重采樣為300 m×300 m柵格單元，統(tǒng)一采用Albers Conic Equal Area坐標(biāo)格式。

表1 數(shù)據(jù)說(shuō)明Tab.1 Data description

1.3 研究方法

1.3.1 研究框架

探究東北地區(qū)1992—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系時(shí)空演變規(guī)律，劃分具有指導(dǎo)性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)，并因地制宜地提出生態(tài)管理措施，為東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理優(yōu)化提供科學(xué)參考。首先，根據(jù)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)SDGs，結(jié)合東北地區(qū)發(fā)展定位與現(xiàn)存的生態(tài)問(wèn)題，選取6類與利益相關(guān)者密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量、糧食生產(chǎn)），并采用InVEST模型評(píng)估東北地區(qū)1992—2020年連續(xù)時(shí)間序列下各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。在減少異常年份對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)干擾的情況下，揭示各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)長(zhǎng)時(shí)間序列下時(shí)空演變趨勢(shì)。其次，在消除降水、NDVI因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響下，探究?jī)蓛缮鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系時(shí)間變化特征。運(yùn)用逐像元偏相關(guān)分析制圖法，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)時(shí)間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系進(jìn)行空間明晰的定量制圖，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。最后，運(yùn)用自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系特征的像元?jiǎng)澐譃橥簧鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，并劃分功能分區(qū)提出差異化措施，實(shí)現(xiàn)東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)—糧食生產(chǎn)—生態(tài)保護(hù)協(xié)同發(fā)展的可持續(xù)目標(biāo)（圖1）。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

本文借助InVEST 模型和ArcGIS10.6 軟件，定量評(píng)估1992—2020年連續(xù)時(shí)間序列下6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。其中，由于氮、磷是人為造成的主要污染物，且磷的數(shù)據(jù)可用性有限，故以氮輸出量NE來(lái)表示其水質(zhì)凈化能力[32]。將InVEST模擬的產(chǎn)水量結(jié)果與水資源公報(bào)公布的地表水資源量進(jìn)行比較，誤差控制在0.09，表明模擬效果良好。將InVEST模擬的氮輸出量結(jié)果與生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的地方環(huán)境質(zhì)量公報(bào)中的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，行政區(qū)尺度下模型值和觀測(cè)值具有良好的線性回歸效果（R2= 0.86）。InVEST模擬的土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，估算結(jié)果較為一致[28-29]（表2）。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算公式表Tab.2 Equations of ecosystem service calculation

1.3.3 基于Theil-Sen+Mann-Kendall的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)序變化分析

由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)性的、復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此需要通過(guò)時(shí)間序列下趨勢(shì)分析的方法來(lái)研究和分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化情況。Theil-Sen 分析法是一種通過(guò)樣本點(diǎn)確定中值斜率的穩(wěn)健性線性回歸方法，能夠減少異常值和離群數(shù)據(jù)的干擾[35-36]。因此，本文運(yùn)用Theil-Sen 分析法對(duì)1992—2020 年時(shí)間序列下6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，公式如下：

式（1）中：β代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化趨勢(shì)，x分別代表6類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的值，xj與xi表示第j、i個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。β＞0 呈上升趨勢(shì)，β＜0 呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，運(yùn)用非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)法評(píng)估時(shí)間序列下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化趨勢(shì)的顯著性[37-38]。該方法對(duì)數(shù)據(jù)的潛在概率分布沒(méi)有任何假設(shè)，并且不受缺失值和異常值的影響[38]，其公式為：

式（2）—式（3）中：Z為標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；S為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；xj和xi為時(shí)間序列數(shù)據(jù)；n為樣本數(shù)；當(dāng)n≥8時(shí)，S近似為正態(tài)分布，其均值和方差公式為：

標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。在置信水平為90%下進(jìn)行Mann-Kendall 檢驗(yàn)，呈顯著變化（|Z|＞1.65）和不顯著變化（-1.65≤Z≤1.65）狀態(tài)。

1.3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間不僅受彼此的相互影響，也受氣候要素及土地利用變化的共同影響[39]。本文采用偏相關(guān)性分析法，通過(guò)消除年降水量、NDVI 的影響計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而探討東北地區(qū)1992—2020 年6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。同時(shí)，通過(guò)Matlab 平臺(tái)開(kāi)展逐像元空間偏相關(guān)分析計(jì)算像元尺度下1992—2020年連續(xù)時(shí)間下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，并通過(guò)T檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析以進(jìn)行空間明晰的定量制圖。具體計(jì)算公式如下[40]：

（1）簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)：

（2）一級(jí)偏相關(guān)系數(shù)：

（3）T檢驗(yàn)：

式（5）—（7）中：r12（ij）代表未消除降水量、NDVI影響時(shí)，ES1、ES2的相關(guān)系數(shù)；e為柵格數(shù)據(jù)的時(shí)間序列；ES1、ES2 分別代表兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；r12·3（ij）代表年降水量、NDVI恒定時(shí)，ES1、ES2間的偏相關(guān)系數(shù)。根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)（r）及其顯著性（P），劃分顯著性等級(jí)（表3）。

表3 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系顯著性分類等級(jí)Tab.3 The classification levels of trade-offs and synergies significance

1.3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇識(shí)別

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇是通過(guò)衡量不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相似性，把具有較高相似度的空間單元?jiǎng)澐种镣簧鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇[41]。自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SOM）是一種結(jié)合了主成分分析和K-means 聚類分析方法的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，具有并行處理、自組織、自學(xué)習(xí)、魯棒性和容錯(cuò)性等特點(diǎn)。其競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制是對(duì)于某一圖形或某一頻率的特定興奮過(guò)程找到最近的獲勝單元，并不斷修正初始權(quán)重，使輸出節(jié)點(diǎn)逼近輸入矢量的拓?fù)涮卣鳎瑥亩S映射出聚類結(jié)果[42]。因此，將東北地區(qū)1 245 371 個(gè)像元作為樣本輸入，利用R 4.0.2中的Kohonen包識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空演變特征分析

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間演變特征

1992—2020年，東北地區(qū)及各區(qū)域產(chǎn)水量、氮輸出量、糧食產(chǎn)量均呈波動(dòng)性增加趨勢(shì)，生境質(zhì)量呈下降趨勢(shì)（圖2）。具體來(lái)看，由于降水與潛在蒸散量年際變化劇烈，加之耕地灌溉水需求的增加，產(chǎn)水量分別于1998 年、2012 年、2013 年、2020 年達(dá)到峰值，三江平原、長(zhǎng)白山脈波動(dòng)幅度最為顯著。東北地區(qū)及各區(qū)域氮輸出量均呈增加趨勢(shì)，表明水質(zhì)凈化能力呈下降趨勢(shì)，三江平原下降趨勢(shì)最為顯著。除遼河平原，其他區(qū)域土壤保持呈增加趨勢(shì)，小興安嶺增加趨勢(shì)最為顯著。長(zhǎng)白山脈、遼河平原、松嫩平原碳儲(chǔ)量呈輕微下降趨勢(shì)。東北地區(qū)及各區(qū)域生境質(zhì)量均呈下降趨勢(shì)，遼河平原下降趨勢(shì)最為顯著。各區(qū)域糧食產(chǎn)量均呈急劇增加的趨勢(shì)，分布大量耕地的松嫩平原、三江平原增加趨勢(shì)最為顯著，并于2012 年達(dá)到峰值。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)來(lái)看，碳儲(chǔ)量與生境質(zhì)量呈現(xiàn)出較為明顯的協(xié)同變化規(guī)律。

圖2 1992—2020年?yáng)|北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Temporal changes of ecosystem services in Northeastern China from 1992 to 2020

2.1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間演變特征

結(jié)合Theil-Sen+Mann-Kendall 分析法得到東北地區(qū)1992—2020年6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)年際變化空間分布（圖3）。產(chǎn)水量年際變化在空間上呈現(xiàn)“東高西低”的分布態(tài)勢(shì)，小興安嶺、三江平原、長(zhǎng)白山脈產(chǎn)水量年際變化較大。氮輸出量與糧食產(chǎn)量增加區(qū)域主要位于松嫩平原、三江平原與遼河平原，這表明在一定程度上糧食產(chǎn)量的顯著增加直接導(dǎo)致氮輸出量顯著增加、水質(zhì)凈化能力顯著降低。土壤保持年際變化顯著增加的區(qū)域集中分布在大興安嶺、小興安嶺與長(zhǎng)白山脈。碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量增加的區(qū)域分布在覆蓋大面積林地的大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈，降低的區(qū)域分布在覆蓋大面積耕地與草地的三江平原、松嫩平原、遼河平原。

圖3 1992—2020年?yáng)|北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及年際趨勢(shì)變化空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services and interannual trend changes in Northeastern China from 1992 to 2020

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同時(shí)空演變特征

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同時(shí)間演變特征

1992—2020年?yáng)|北地區(qū)及各區(qū)域權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系變化大致相同，而關(guān)系強(qiáng)度發(fā)生顯著變化（圖4）。偏相關(guān)性分析表明，東北地區(qū)產(chǎn)水量、糧食生產(chǎn)與土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量為負(fù)相關(guān)，呈極顯著的權(quán)衡關(guān)系（P＜0.01）。氮輸出量與糧食生產(chǎn)為正相關(guān)，表明水質(zhì)凈化與糧食生產(chǎn)為負(fù)相關(guān)，呈顯著權(quán)衡關(guān)系。除產(chǎn)水量與碳儲(chǔ)量權(quán)衡強(qiáng)度、土壤保持與碳儲(chǔ)量協(xié)同強(qiáng)度呈整體下降趨勢(shì)外，其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同強(qiáng)度均呈整體上升趨勢(shì)。由此表明，東北地區(qū)供給服務(wù)的增加導(dǎo)致調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)的顯著下降。從不同區(qū)域看，遼河平原、松嫩平原、三江平原、長(zhǎng)白山脈與東北地區(qū)權(quán)衡關(guān)系大致相同，供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)呈顯著的權(quán)衡關(guān)系，調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)之間呈顯著的協(xié)同關(guān)系，且強(qiáng)度逐漸增加。不同的是，由于大興安嶺降水量較低、蒸散量較高，人類干擾較小，大興安嶺產(chǎn)水量與糧食生產(chǎn)呈權(quán)衡關(guān)系，與水質(zhì)凈化呈協(xié)同關(guān)系。

圖4 1992—2020年?yáng)|北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系變化Fig.4 Trade-offs and synergies change of ecosystem services in Northeastern China from 1992 to 2020

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同空間分布特征

基于像元尺度，采用1992—2020年連續(xù)28年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)據(jù)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用關(guān)系的空間差異規(guī)律（圖5）。1992—2020 年，產(chǎn)水量與氮輸出量表現(xiàn)為顯著協(xié)同關(guān)系的面積占63.77%，表明大部分區(qū)域產(chǎn)水量與水質(zhì)凈化能力呈權(quán)衡關(guān)系。產(chǎn)水量與生境質(zhì)量表現(xiàn)為極顯著權(quán)衡關(guān)系的面積占19.06%，集中在松嫩平原、遼河平原。氮輸出量與生境質(zhì)量呈顯著協(xié)同關(guān)系的面積占33.94%，集中在三江平原與松嫩平原北部，表明水質(zhì)凈化的下降導(dǎo)致生境質(zhì)量顯著下降；極顯著權(quán)衡關(guān)系的面積占17.99%，集中在松嫩平原西南部與遼河平原西北部，表明水質(zhì)凈化與生境質(zhì)量均降低。土壤保持與碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的面積分別僅占1.73%、3.55%，表明大部分區(qū)域土壤保持與碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量呈協(xié)同關(guān)系。值得注意是，氮輸出量與糧食產(chǎn)量呈顯著協(xié)同關(guān)系的面積占58.33%，尤其是三江平原、長(zhǎng)白山平原、松嫩平原東北部；生境質(zhì)量與糧食產(chǎn)量呈顯著權(quán)衡的面積占40.53%，尤其是松嫩平原、遼河平原西北部、三江平原、長(zhǎng)白山脈，這表明糧食產(chǎn)量的增加導(dǎo)致水質(zhì)凈化與生境質(zhì)量的下降。

圖5 1992—2020年?yáng)|北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of trade-offs and synergies relationship of ecosystem services in Northeastern China from 1992 to 2020

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)

本文將東北地區(qū)6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行自組織映射分析，在最佳聚類情況下最終確定4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇（圖6）。服務(wù)簇1 中6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異較小，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均呈協(xié)同關(guān)系。服務(wù)簇2除產(chǎn)水量、糧食產(chǎn)量較低外，其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均保持較高水平且呈協(xié)同關(guān)系。服務(wù)簇3水質(zhì)凈化、生境質(zhì)量較高，而產(chǎn)水量、土壤保持、糧食產(chǎn)量均處于較低水平。服務(wù)簇4以糧食生產(chǎn)為主，且遠(yuǎn)高于其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈顯著權(quán)衡關(guān)系。

按照生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的具體特征和主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，依次劃分為復(fù)合均衡區(qū)、生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)4個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)。1992—2020年，各功能區(qū)空間分布基本保持穩(wěn)定，而面積發(fā)生顯著變化。復(fù)合均衡區(qū)面積占比由7.89%降低至4.26%，集中在長(zhǎng)白山脈南部與遼河平原東部。生態(tài)保育區(qū)面積占比由29.53%增加至32.80%，集中在大興安嶺北部、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈北部。生態(tài)過(guò)渡區(qū)面積占比由39.55%降低至31.34%，集中在大興安嶺南部、松嫩平原西南部、遼河平原西部。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)面積占比由23.03%增加至31.60%，集中在三江平原與松嫩平原。

3 討論

3.1 東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)管控建議

近30年來(lái)，政府對(duì)于保障糧食安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境與促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展三大核心問(wèn)題的重視程度及相應(yīng)政策調(diào)控行為導(dǎo)致東北地區(qū)發(fā)生土地利用轉(zhuǎn)型[43]，加之氣候變化的影響，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系劇烈變化。本文依據(jù)相似主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系特征，將作為典型政策作用區(qū)的東北地區(qū)劃分為生態(tài)保育區(qū)、復(fù)合均衡區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。針對(duì)不同分區(qū)采取差異化優(yōu)化管控措施以協(xié)同提升多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，對(duì)東北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)具有重要意義。

復(fù)合均衡區(qū)集中分布在降水量較為豐富、植被覆蓋度較高的長(zhǎng)白山脈南部與遼河平原東部，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成結(jié)構(gòu)均衡。生態(tài)保育區(qū)集中在林地面積占比較大、斑塊完整性較高、受人類活動(dòng)干擾較小的大興安嶺北部、小興安嶺與長(zhǎng)白山脈北部。隨著天然林資源保護(hù)工程等重大生態(tài)工程的實(shí)施，土壤保持、碳儲(chǔ)量與生境質(zhì)量均呈增加趨勢(shì)且呈廣泛協(xié)同關(guān)系。然而，在氣候變暖背景下，由于林地?cái)U(kuò)張?jiān)鲆嫘?yīng)逐漸小于蒸散量增加造成的水分損失，產(chǎn)水量呈降低趨勢(shì)[44-45]，部分復(fù)合均衡區(qū)向生態(tài)保育區(qū)轉(zhuǎn)移。因此，應(yīng)當(dāng)穩(wěn)步推進(jìn)天然林保護(hù)等林業(yè)重點(diǎn)工程，構(gòu)建森林資源生態(tài)保育制度，嚴(yán)格限制破壞性建設(shè)活動(dòng)。同時(shí)，調(diào)整樹(shù)種結(jié)構(gòu)與林分密度，從而減緩林地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻恼羯⒘吭黾覽46]，提升區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

生態(tài)過(guò)渡區(qū)集中分布在干旱與半干旱氣候過(guò)渡、耕地與林地交錯(cuò)分布的大興安嶺南部、松嫩平原西南部與遼河平原西部。雖然退耕還林還草、退耕還林還草還濕等生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程不斷實(shí)施，但高強(qiáng)度的人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致大興安嶺南部耕地與草地轉(zhuǎn)換劇烈，松嫩平原西南部與遼河平原西部大面積濕地與草地被開(kāi)墾為耕地，根系固持土壤、泥沙截留能力、對(duì)氮攔截過(guò)濾能力降低[47-48]，土壤保持與水質(zhì)凈化能力顯著下降。因此，應(yīng)當(dāng)利用耕地和生態(tài)用地轉(zhuǎn)換的長(zhǎng)期反饋機(jī)制建立彈性的轉(zhuǎn)型空間，合理規(guī)劃糧食主產(chǎn)區(qū)、生態(tài)功能區(qū)和靈活轉(zhuǎn)化區(qū)，推動(dòng)耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)政策的整合。同時(shí)，實(shí)施草原綜合治理封育工程、加強(qiáng)濕地自然保護(hù)區(qū)管理、完善生態(tài)用地保護(hù)問(wèn)責(zé)機(jī)制，進(jìn)而形成草地與濕地保護(hù)及合理利用的良性循環(huán)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)集中分布在地形平坦、典型黑土分布、灌溉設(shè)施完善的松嫩平原、三江平原與遼河平原中部，以糧食生產(chǎn)為主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)且面積顯著擴(kuò)張。在一系列惠農(nóng)政策與糧食增產(chǎn)政策的驅(qū)動(dòng)下，地方政府與農(nóng)民非理性的耕地開(kāi)墾活動(dòng)日益加劇，受人類干擾較大的生態(tài)環(huán)境威脅源耕地逐漸擴(kuò)張，導(dǎo)致土壤侵蝕、碳儲(chǔ)量與生境質(zhì)量較低且逐漸下降[44,48]。加之三江平原與松嫩平原降水量顯著提升，降雨侵蝕力隨之增強(qiáng)，進(jìn)一步加劇了土壤侵蝕[49]。此外，隨著“振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略”等政策不斷推進(jìn)，建設(shè)用地侵占大量生態(tài)用地[30]。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的需要，化肥農(nóng)藥、灌溉污水、生產(chǎn)生活廢棄物大量增多，導(dǎo)致灌溉需求較高的三江平原、松嫩平原與建設(shè)用地集中的區(qū)域氮輸出量增加，嚴(yán)重影響淺層地下水水質(zhì)[46]。因此，應(yīng)當(dāng)通過(guò)建設(shè)農(nóng)田防護(hù)林創(chuàng)建人工生態(tài)系統(tǒng)，減緩?fù)寥狼治g、改善氣候與水文條件，并有效阻斷施肥造成的氮、磷損失[50]。當(dāng)防護(hù)林達(dá)到成熟高度時(shí)，防護(hù)林保護(hù)的耕地比未種植防護(hù)林前的耕地平均糧食產(chǎn)量提高20%～30%[51]。同時(shí)，不斷提高農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新技術(shù)，加強(qiáng)耕地占補(bǔ)平衡管理，建立耕地保護(hù)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制，較好地平衡糧食生產(chǎn)功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

當(dāng)前，東北地區(qū)亟待實(shí)施山水林田湖草沙一體化發(fā)展戰(zhàn)略，遵循“系統(tǒng)統(tǒng)籌、綜合調(diào)控、協(xié)同治理、空間管控”的原則，構(gòu)建多種生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展安全模式，發(fā)揮生態(tài)用地對(duì)耕地的生態(tài)保護(hù)作用，在提高糧食產(chǎn)量的基礎(chǔ)上增加生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程實(shí)施的有效性。

3.2 不足與展望

需指出的是，雖然本文考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時(shí)空尺度依賴性，減少了因生態(tài)系統(tǒng)時(shí)間變化中的異常因素導(dǎo)致的誤差，為制定合理的生態(tài)系統(tǒng)管理政策提供科學(xué)依據(jù)。但仍存在一些問(wèn)題值得進(jìn)一步關(guān)注：（1）本文所用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算采用最為常用的InVEST 模型，該模型忽略地理要素的區(qū)域特性，對(duì)同一地類賦予相同值且個(gè)別參數(shù)的取值主要參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，造成模擬結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差。未來(lái)將對(duì)模型原理改進(jìn)、參數(shù)驗(yàn)證等方面進(jìn)一步研究，并增加野外觀測(cè)工作以獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐研究結(jié)果。（2）本文基于像元尺度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡關(guān)系變化進(jìn)行分析，然而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡關(guān)系存在明顯的尺度依存與空間差異特征。因此，未來(lái)研究應(yīng)厘清多種空間尺度下權(quán)衡與協(xié)同效應(yīng)，明確服務(wù)權(quán)衡管理的優(yōu)先順序與側(cè)重點(diǎn)，深入探索氣候變化及土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互作用機(jī)制。（3）本文對(duì)東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行定量評(píng)估，未來(lái)研究將構(gòu)建不同發(fā)展模式和政策情景，預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化與土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的影響，以篩選社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)雙贏的政策情景。

4 結(jié)論

本文基于像元尺度利用InVEST模型評(píng)估1992—2020 年長(zhǎng)時(shí)間序列下產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量、糧食產(chǎn)量6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的演變規(guī)律，并運(yùn)用自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)一步識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，并針對(duì)性地提出差異化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化管理對(duì)策。主要結(jié)論如下：

（1）1992—2020 年，東北地區(qū)整體產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲(chǔ)量、糧食產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，水質(zhì)凈化與生境質(zhì)量呈降低趨勢(shì)。產(chǎn)水量、糧食生產(chǎn)與水質(zhì)凈化、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量均呈極顯著權(quán)衡關(guān)系（P＜0.01），且權(quán)衡強(qiáng)度逐漸增加。

（2）東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系變化存在明顯的空間異質(zhì)性。大興安嶺北部、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈林地、草地面積顯著增加，導(dǎo)致除生境質(zhì)量外其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有不同程度的增加，且糧食產(chǎn)量與土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量間權(quán)衡程度降低，土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量間協(xié)同程度增加，以復(fù)合均衡簇與生態(tài)保育簇為主。該區(qū)域亟待通過(guò)建立耕地與生態(tài)用地的彈性轉(zhuǎn)型空間、調(diào)整造林樹(shù)種、實(shí)施林草濕工程、完善監(jiān)督管理機(jī)制以提高生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程的有效性。

（3）大興安嶺南部、松嫩平原、三江平原、遼河平原耕地與建設(shè)用地顯著擴(kuò)張占用了大量林地、草地與濕地，導(dǎo)致水質(zhì)凈化、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量顯著下降，糧食產(chǎn)量顯著增加，且糧食產(chǎn)量與水質(zhì)凈化、土壤保持、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量權(quán)衡強(qiáng)度顯著增加，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)簇與生態(tài)過(guò)渡簇為主。該區(qū)域亟待通過(guò)實(shí)施山水林田湖草沙一體化戰(zhàn)略、完善農(nóng)田防護(hù)林/帶體系、提高農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新技術(shù)以平衡糧食生產(chǎn)功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。