基于服务簇的东北地区生态系统服务权衡与协同

祁 宁,赵 君,杨延征,苟睿坤,陈佳琦,赵鹏祥,李卫忠

1 西北农林科技大学林学院,杨陵 712100 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 3 清华大学地球系统科学系地球系统数值模拟教育部重点实验室,北京 100084

生态系统服务是生态系统向社会提供的商品和服务[1- 2],即人类直接或间接向生态系统获取的全部收益[3- 6],包括供应服务和调节服务,例如食物供给、生物多样性维持、土壤保持、水源涵养、环境净化、固碳和防风固沙等多个方面[7]。由于景观用途的差异,且景观中生态系统服务具有种类多样性、空间分布的不均衡性及人类活动的选择性等特点,生态系统服务之间表现出此消彼长的权衡和相互增益的协同等形式[8- 12]。生态系统服务并非独立存在和发展,在特定的空间上形成不同的组合,被称为生态系统服务簇(Ecosystem service bundles)[13- 14]。近年来,人类对自然资源无节制利用,导致自然资源的耗竭速度加快,供不应求的矛盾日益突出[15- 16],影响景观中生态系统服务的组成和分布[17]。

近年来,国内外学者对生态系统服务的权衡与协同关系已开展了大量研究,Ricketts等使用层次贝叶斯法研究授粉服务与传粉昆虫的生物多样性和作物生产服务之间的权衡与协同[18],Lavorel等提出了通过植物性状将环境变化与生态系统功能、生态系统服务的变化联系起来的框架,研究山地草原生态系统服务之间的权衡与协同[19],Raudsepp-Hearne等通过分析混合用途景观中的12种生态系统服务的空间格局,确定了6类生态系统服务簇,认为供应服务与调节和文化服务之间均存在权衡关系[20],李晶等利用生态变化指数研究关中-天水经济区5种生态系统服务的权衡与协同关系[9]。这些研究对景观尺度的生态系统服务之间的权衡与协同关系已取得一些成绩,但尚未阐明生态系统服务的聚簇现象,且对生态系统服务组合类型、权衡与协同、形成机制和区域差异的研究相对薄弱。

本文系统研究了东北地区2010年6种生态系统服务的权衡、协调关系和生态系统服务簇。首先运用Pearson相关性分析确定生态系统服务间的协同与权衡关系；其次基于主成分分析判别生态系统服务的相似性,以及其在生态功能区中的共存能力；最终通过K-means聚类分析方法识别东北地区生态系统服务簇,并进行生态功能分区[21]。本研究以期解释不同生态功能区的生态系统服务权衡与协同的形成机制,在经济发展与环境保护之间找到平衡点,可为各个生态功能区的可持续协调发展提供科学依据[22]。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况和数据源

在本研究中,东北地区并非与东北的行政区重合,而是一个地理文化大区,介于北纬38°72′—53°55′,东经111°15′—135°10′,面积约152万km2(图1,数据来源：http://data.ess.tsinghua.edu.cn)。该地区南部濒临黄海、渤海,东北部有黑龙江,乌苏里江和大、小兴安岭、长白山等,中部是东北平原,西部是辽阔的大草原,包括黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古东部五盟市、河北省承德市和秦皇岛市[23],共计43个市,258个县级行政单位。气候类型属于温带季风气候,夏季湿热多雨,冬季寒冷干燥,年降水量在300—1000 mm之间。东北地区的土地利用类型非常丰富,是世界三大黑土带之一,森林生态系统、农田生态系统和草地生态系统为主要生态系统类型,灌丛生态系统、城市生态系统、湿地生态系统和其他生态系统分布极少,生态系统服务类型多样。虽然对生态系统服务已开展了大量的研究,但对于东北地区的生态系统服务研究还局限于森林生态系统区域[24],为了因地制宜的进行区域社会生态系统管理,促进生态可持续发展,对东北地区生态系统服务簇的研究尤为重要。

图1 东北地区生态系统类型分布Fig.1 Spatial distribution of ecosystem type in Northeast China

本研究采用2010年中国生态系统服务空间数据集(Ecosystem services dataset of China(2010))提供的6种生态系统服务数据(http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/458)[25],空间分辨率为250 m×250 m,包括食物生产、生物多样性维持、土壤保持、水源涵养、固碳和防风固沙6种生态系统服务,各生态系统服务的评价方式及计算公式[25]见表1。

1.2 研究方法

县域尺度是社会经济和农业普查信息报道的最小单位,也是我国生态系统治理和决策的最小单位。本文提取了每个县域单元的生态系统服务平均值,分别制作6种生态系统服务的空间分布图,可视化比较6种生态系统服务的空间格局。全局Moran′sI指数是Patrick Alfred Pierce Moran开发的空间自相关的度量[26-27],在本研究中指度量一个县域与其周围其他县域之间生态系统服务的相似性。空间自相关是一种多方向、多维度的自相关方法,Moran′sI指数的取值范围为[-1,1],Moran′sI指数大于0时,表明该区域呈现空间正相关,+1是相似值的完全聚类；Moran′sI指数小于0,表明数据呈现空间负相关,值越小空间差异越大,-1是不同值的完全聚类,即完全分散；Moran′sI指数等于0时,表明完全随机[28-29]。采用全局Moran′sI指数量化本研究区6种生态系统服务的空间自相关,探讨生态服务之间的空间聚集(正空间自相关)和空间离散(负空间自相关),以及空间自相关的程度,进行各生态系统服务的地理差异分析[30-31]。

表1 生态系统服务评价方式及计算公式

NPP: 植物净初级生产力Net primary productivity

本文采用Pearson相关分析评价6种生态系统服务两两之间的相关关系,来探明6种生态系统服务之间的权衡与协同关系[32],相关系数大于0时,表现为协同关系,反之,则表现为权衡关系。本文中的相关性分析通过R 3.5.2中的corrplot包计算并可视化。主成分分析的作用是指信息冗余去除,在本研究中,主要作用是探寻6种生态系统服务之间的维度关系,以及各服务之间的位置关系,是判定生态系统服务能否在生态系统服务簇中共存的第一步[33]。遵循Kaiser-Guttman criterion准则(特征值>1)[34-35],一般情况,前2个PCA轴足以表征数据中的非随机结构。主成分分析通过R 3.5.2中的ggfortify包实现。

本研究每个县域单元都可看成一个生态系统服务簇,但由于相邻县域之间同样存在一定的相关性,因此,需要更深层的聚类分析。聚类分析通过衡量不同生态系统服务之间的相似性,根据相似性原则,把具有较高相似度的县域单元划分至同一生态系统服务簇,把具有较高相异度的县域划分为不同生态系统服务簇,即把具有相似生态系统服务组成,以及具有相似生态系统权衡与协同关系的县域划分到同一生态系统服务簇中,便于有效的区域社会-生态系统管理方案的制定及实施。为了得到较为稳定的聚类结果,本文采用K-means聚类分析方法[32],最佳聚类数目为4类。基于4类生态系统服务簇中6种生态系统服务的归一化数值制作玫瑰风向图,识别各服务簇中生态系统服务间的交互作用及组成结构,分析不同生态系统服务间权衡与协同的作用机制。本研究采用R 3.5.2的factoextra包进行K-means聚类分析及其可视化。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务的空间分布

基于东北地区县域单元,计算出2010年各县的生态生态系统全局Moran′sI指数(表2)。从表中明显看出,2010年东北地区6种生态系统服务的全局Moran′sI指数均大于0(P< 0.01),表明东北地区6种生态系统服务都存在显著的空间聚集(正空间自相关)。

表2 2010年东北地区各生态系统服务Moran′s I指数

对2010年东北地区各县的6种生态系统服务的均值进行空间制图,得到6种生态系统服务的空间分布情况(图2)。由图可知,食物生产与生物多样性服务较高的区域主要位于中部的东北平原,土壤类型以黑土为主且地势平坦、雨水充足,是东北地区主要的粮食种植区。土壤保持、水源涵养和固碳服务在东部地区高于西部和中部地区,东部地区主要植被类型为森林,具有较高的植被覆盖度,使其表现出较强的土壤保持、水源涵养和固碳的能力。防风固沙服务在西部地区最高,该地区植被类型以草地为主,植被覆盖度较低,但以森林为主东部地区防风固沙服务极低,该区域降水充裕,人为干扰明显低于西部地区,呈现出极低的土壤潜在风蚀和实际风蚀。

图2 2010年东北地区生态系统服务空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in Northeast China, 2010

2.2 东北地区生态系统服务间的权衡与协同关系

通过Pearson相关性分析得到6种生态系统服务两两之间的相关性关系(图3),其中,有效的关系有8对(图中彩色部分),无效的关系有7对(图中灰色部分)。由图3可知,食物生产和生物多样性维持服务、水源涵养和固碳服务、水源涵养和土壤保持服务、固碳和土壤保持服务4对生态系统服务均表现出极显著的正相关,具有相互增益的协同关系。生物多样性与食物生产服务呈现出显著的协同关系(r=0.70,P<0.01),这两种生态系统服务与农业生产活动密切相关,是农业生态系统所具备的主要生态系统服务,适当的增加农田的生物多样性能达到提高粮食产量的效果；土壤保持、水源涵养和固碳服务之间存在极显著的协同关系(r=0.8、r=0.7和r=0.73,P<0.01),在降水充足的地区能够促进植被的生长发育,植被庞大植物根系有助于土壤的保持,减少土壤表面层沙化和水土流失,茂密的地上部分可促进植物的光合作用,增加植物的固碳能力。

由图3可以看出,防风固沙和土壤保持服务之间表现出极显著的权衡关系(r=-0.22,P<0.01),在以草地生态系统为主的东部地区和以农田生态系统为主的中部地区,植被的存在极大的降低土壤实际风蚀量,防风固沙的功能显著优于其土壤保持的功能；食物生产和固碳服务之间表现出较显著的此消彼长的权衡(r=-0.17,P<0.05),食物生产和水源涵养、食物生产和防风固沙之间表现出显著的权衡关系(r=-0.14和r=-0.11,P<0.1),人类在追求粮食产量的同时,加大了对森林和草地生态系统的破坏,特别是在以农田生态系统为主的中部地区,食物生产功能很高,但其土壤保持、水源涵养和固碳的功能均很低。

图3 不同生态系统服务间的相关性关系Fig.3 Pearson correlations between pairs of ecosystem services *** P < 0.01;*** P < 0.05; * P < 0.1; NS代表相关性不显著

图4 东北地区生态系统服务主成分分析 Fig.4 Principal component analysis of ecosystem services in Northeast China

2.3 生态系统服务簇及其空间权衡与相关

2.3.1生态系统服务主成分分析

对6种生态系统服务进行了主成分分析(图4),结果表明,前两个主成分占总变异量的71.57%,说明这两个主成分可以基本反映6种生态系统服务提供的信息。第一主成分的贡献率为43.29%,主要包括土壤保持、水源涵养和固碳3种服务,由于这3种服务均属于调节服务,且互相之间有极显著的相关关系,即相互促进的协同关系,因此第一主成分主要反映的是调节服务之间的协同关系,可在生态系统服务簇中共存。但防风固沙服务与这3种服务方向相反,因此防风固沙服务与这3种调节服务之间具有极显著的负相关关系(P<0.05),即此消彼长的权衡关系,无法在生态系统服务簇中共存。第二主成分占生态系统服务变化的28.28%,主要包括食物生产和生物多样性服务,这两种服务均属于供应服务,且相互之间存在极显著的相关关系,即相互促进的协同关系,可在同一生服务簇中共存。但防风固沙服务与这两种供应服务方向相反,无法在同一服务簇中共存。

2.3.2生态系统服务聚类分析

K-means聚类分析能够准确划分生态系统服务簇,在本研究中将东北地区的258个县域的6种生态系统服务进行K-means聚类分析,并最终确定出4类生态系统服务簇(图5)。同一生态系统服务簇在地理上有明显的聚集,各服务簇之间呈现出显著的空间差异性,服务簇空间分布见图5。4类生态系统服务簇分别为：以经济林为主的生态系统服务簇1,以阔叶林和针叶林为主的生态系统服务簇2,以农田为主的生态系统服务簇3和以草地为主的生态系统服务簇4。基于4类服务簇将东北地区进行生态功能分区,划分为4个生态功能区：南部经济-生态协调区、东北部森林生态平衡区、西部防风固沙区和中部粮食生产区。

对各生态功能区的生态系统服务进行统计(表3),从表中可知,食物生产服务在中部粮食生产区显著高于其他3类生态功能区；土壤保持和固碳服务在南部经济-生态协调区均显著高于其他3个生态功能区；生物多样性维持和水源涵养服务在南部经济-生态协调区高于其他三个生态功能区；防风固沙服务在南部经济-生态协调区最低,西部防风固沙区最高,且显著高于东北部森林生态平衡区和中部粮食生产区。

表3 东北地区生态功能区的生态系统服务组成

图5 2010年东北地区生态系统服务簇空间分布及其生态系统服务组成结构Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service bundle and its ecosystem service structure in Northeast China in 2010

南部经济-生态协调区包括鞍山市、丹东市、本溪市、抚顺市、通化市和白山市等的24个县级行政区,面积占东北地区总面积的5.39%,集中分布于长白山脉的林区,以落叶栎林为主。经济林不仅有森林所具备的土壤保持、水源涵养、固碳和调节小气候的功能,还有食物生产的功能。从生态系统服务的组成结构来看,固碳功能最高,防风固沙功能最低,其他生态系统服务比较均衡。长白山林区植被覆盖度高,拥有良好的固碳服务,同时兼顾粮食生产服务。该区生态系统供应服务(食物生产服务)与调节服务(水土保持、水源涵养和固碳服务)具有良好的协同作用,此消彼长的权衡关系较弱。

东北部森林生态平衡区包括铁岭市、吉林市、哈尔滨市、呼伦贝尔市、黑河市和牡丹江市等的74个县级行政区,占东北地区面积的49.90%。该区主要分布在大兴安岭和小兴安岭山脉,主要植被类型有落叶阔叶林和落叶针叶林,东北林区是我国面积最大的天然林区。主要气候类型是温带季风性气候,夏季高温多雨,适宜森林的生长发育。该区植被覆盖度最高,土壤保持、水源涵养、固碳、生物多样性功能平衡,生态环境质量得到了很大的提高,属于生态盈余区。该区的生态系统供应服务(食物生产服务)显著低于调节服务(土壤保持、水源涵养和固碳服务),表现出明显的权衡,且食物生产和生物多样性服务之间呈现出此消彼长的权衡。

西部防风固沙区包括锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市、呼伦贝尔市和白城市的21个县级行政区,面积占4.80%,集中分布于大兴安岭山脉的南部和西辽河平原,这里有中国最大的沙地——科尔沁沙地,土壤以栗钙土、风沙土为主体。该区主要植被类型是荒漠、半荒漠草原,年降水量在400 mm左右,满足牧草的生长需要。风经过地面时,草原中植被的根系可以固定住部分土壤,阻挡土壤结构的破坏,可有效的提高防风固沙服务。除防风固沙服务外,该区其余生态系统服务均很低,主要制约因素是气候、土壤和植被覆盖率。恶劣的自然环境,导致该区的食物生产、生物多样性及生态调节服务不占优势。综上所述,该区的食物生产与生物多样性维持服务与调节服务(土壤保持、水源涵养和固碳服务)之间具有协同关系,防风固沙服务和其他5种服务之间表现出显著的权衡关系。

中部粮食生产区包括秦皇岛市、沈阳市、大连市、齐齐哈尔市、大庆市和黑河市等的139个县级行政区,面积占39.91%。该区集中在东北平原,土壤肥沃,以黑土为主,耕地为主要的土地利用类型。气候类型为大陆性和季风气候,夏季温暖湿润,冬季寒冷干旱,地势平坦,降水充沛,是中国最重要的粮食生产基地。该区人类干扰强烈,农业活动频繁,粮食生产服务突出,生物多样性维持服务较高,但土壤保持、水源涵养和固碳服务相对较弱。随着自然资源耗竭速度不断加快,供不应求,该区生态系统遭到严重破坏。食物生产和生物多样性维持服务存在相互增益的协同作用,但与生态系统调节服务(土壤保持、水源涵养、固碳和防风固沙服务)之间存在显著的此消彼长的权衡。

3 讨论

本研究对东北地区的生态功能区划与2008年《全国生态功能区划》[36]中东北地区的生态功能区划基本一致。在本研究中中部粮食生产区的范围较小于全国生态区划方案中的农产品提供区,并且在全国生态功能区划方案中没有将东北地区南部以经济林为主的生态功能区进行划分,由于东北地区近些年来退耕还林工程、天然林保护工程和“三北”防护林工程的实施后,耕地面积大幅减少,森林面积相对增加,且对森林的保护不断加强,导致本研究中的粮食生产区相对较小。

在以农田生态系统为主的中部地区和以森林生态系统为主的东部地区,食物生产和生物多样性维持服务与调节服务(土壤保持、水源涵养和固碳服务)之间存在着此消彼长的空间权衡关系,这与Butler等[37]和Pan等[38]的研究结果一致。由于近年来人们对粮食需求的持续增加,导致该区域人类干扰和农业活动强度增加,例如人类通过增加物种多样性来提高粮食产量等。人类的一系列干扰活动,致使该区域的土壤结构发生改变,自然植被不断遭到破坏,抑制了生态系统正向演替,因此该区域生态系统的供应服务(食物生产服务)极高,而调节服务(土壤保持、水源涵养和固碳服务)极低。

相对于草地和耕地,森林具有更高的生物多样性维持、土壤保持、水源涵养、环境净化和碳封存能力,因此,南部经济-生态协调区和东北部森林生态平衡区中的生物多样维持、土壤保持、水源涵养和固碳服务均高于西部防风固沙区和中部粮食生产区,这与李慧蕾等[13]的研究结果一致。在同样以乔木为主的南部经济-生态协调区和东北部森林生态平衡区,其生态系统服务的组成具有很大差别,由于天然针叶林和针阔混交林的碳封存、生物多样性维持、土壤保持和水源涵养能力均高于经济林,因此南部经济-生态协调区的生物多样性维持、土壤保持、水源涵养和固碳服务均低于东北部森林生态平衡区。但南部经济-生态协调区食物生产的需求更高,受到的人类活动的干扰也更强,而东北部森林生态平衡区受到林业政策的保护较多,人为干扰较少,因此南部经济-生态协调区食物生产和固碳服务的占比高于东北部森林生态平衡区,具有相互增益协同关系的生物多样性维持、土壤保持和水源涵养服务的占比低于东北部森林生态平衡区。

中部粮食生产区的主导生态系统服务为食物生产服务,加之生物多样性研究的不断成熟,人类对食物需求的增加,促进食物生产和生物多样性维持服务之间的协同,例如间作套种的种植方式已被广泛应用在农业生产中,因此中部粮食生产区的生物多样性维持服务也较高,这与Altieri[39]、Cassman[40]和Doré等[41]的研究结果一致。西部防风固沙区的服务功能单一与该区的土壤结构和植被类型密切相关,该区土壤主要为栗钙土、风沙土,土壤养分低,结构疏松,植被类型单一,食物生产、土壤保持,水源涵养、固碳和生物多样维持服务均较低,但由于植被的存在,其潜在风蚀强度远远高于实际的风蚀强度,导致防风固沙的服务表现突出。

由于防风固沙主要由潜在和实际风蚀强度模拟,而土壤保持主要由潜在和实际土壤侵蚀强度模拟,因此本研究中防风固沙服务与土壤保持存在明显此消彼长的权衡。例如,在草地生态系统中,其潜在的风蚀强度远高于实际风蚀强度,而潜在的土壤侵蚀强度与实际土壤侵蚀强度均较大,导致土壤保持和防风固沙服务表现出明显此消彼长的权衡；森林生态系统庞大的根系系统、茂密的地上部分及丰富的地表枯落物,均导致其潜在土壤侵蚀强度远高于实际土壤侵蚀强度,潜在风蚀和实际风蚀强度均较小,即防风固沙服务极低,因此土壤保持和防风固沙的权衡关系表现突出。

本研究未涉及到文化服务,文化服务与其他服务之间仍存在着相应的权衡与协同关系,聚类分析的结果也可能存在误差,同时由于生态系统服务分析以县域为基本空间单元造成对聚类精度的影响,导致生态系统服务权衡与协调的表现类型、形成机理和区域差异存在一定误差。其次,本文只对生态系统服务之间的空间变化进行分析研究,未在时间尺度上研究生态系统服务簇的变化,将来在时间尺度上对植被恢复、气候变化等影响生态系统服务权衡与协调的形成机制、区域差异的因素有待进一步的探索研究。

4 结论

本研究利用相关分析和主成分分析的方法对6种生态系统服务的权衡与协同关系进行了评估,并用K-means聚类分析对东北地区进行了生态功能区划,探讨生态系统服务的组成类型、形成机制和区域差异。通过研究可知,6种生态系统服务均在空间表现出显著的空间聚类(空间正相关)；东北地区食物生产和生物多样性维持服务表现出及显著相互增益的协同,水源涵养、固碳和土壤保持服务之间同样表现出及显著的协同,但防风固沙和土壤保持服务之间呈现出极显著的此消彼长的权衡。南部经济-生态协调区的生态系统供应服务和调节服务具有相互增益的协同,东北部森林生态平衡区的生态系统供应服务与协调服务表现出此消彼长的权衡,西部防风固沙区的防风固沙服务为主导生态系统服务,其余5种生态系统服务之间存在相互增益的协同,但与防风固沙服务表现出一定的权衡关系,中部粮食生区的主导服务是食物生产服务,与生物多样性维持表现出明显的协同关系,与其他调节服务表现出此消彼长的权衡关系。综上,对服务簇生态系统服务的定量评估有助于明确不同服务簇中生态系统服务间的权衡与协同关系,为制定东北地区有效的区域社会-生态系统管理方案提供理论指导。