黄河流域生态系统服务时空变化及其权衡关系分析

陈心盟

摘 要：黄河是世界第5长、中国第2长的河流，黄河流域面积广阔，山脉众多，流域内资源丰富，发展前景广阔，研究黄河流域生态系统服务的时间动态变化和各服务间的相关性对其生态环境和经济协调可持续发展意义重大。本文基于1990—2015年黄河流域的产水、固碳和土壤保持价值量，采用空间制图法和相关性分析法，探究研究区各服务的时空变化和其空间上的权衡与协同关系。研究表明：黄河流域3种服务在时间上均呈增加趋势，产水量的年均值增加了20.62mm，固碳服务年均量增长了29.65t（gC·（m2·yr）-1），土壤保持服务增加了89.74（t·（ha·yr）-1）。1990—2015年间，不同地类上各服务均表现为上下波动的趋势，2015年，产水价值量大小为耕地>林地>草地，固碳价值量为林地>草地>耕地，土壤保持价值量为耕地>草地>林地。黄河流域3种服务两两之间均以协同关系为主，产水与固碳服务的协同关系分布最为广泛。

关键词：产水量;固碳量;土壤保持量;时空变化;权衡

中图分类号：S-3       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030041

引言

生态系统服务（ecosystemservices）是人类从生态系统中直接或间接得到的惠益[1]，不同服务间存在复杂的相互关系，具有此消彼长的权衡关系和同减同增的协同关系[2]，分析探究生态系统服间的权衡与协同关系，有助于更加科學地管理生态系统，促进区域生态环境和经济协调可持续发展[3]。

当前，生态系统服务变化及其权衡关系研究已成为国内外热点，研究内容主要有权衡与协同关系的表现形式、时空动态特征和驱动因素等方面[4-6]。Richards采用帕累托曲线研究热带城市沿海地区的生态服务间的相关关系[7];Tian等通过耦合CASA和SWAT来量化生态系统服务，评估中国西南喀斯特流域NPP、产水量和沉积量之间的权衡与协同关系[8]。钱彩云[9]等通过生态系统服务变化指数、相关系数法等方法定量在流域尺度上，分析了甘肃白龙江流域的生态系统服务变化过程、空间聚散特征和生态系统服务的相关关系。Qin[10]等利用相关性饼图、相关率模型和分布图研究关中-天水经济区生态系统服务的权衡与协同，研究表明产水量与农业生产之间的协同性最强。黄河流域地貌复杂，生态环境敏感脆弱[11]，其产水、固碳和土壤保持等生态系统服务功能对维护区域生态安全具有重要作用。

基于此，本文以黄河流域为研究区，计算1990—2015年研究区的产水、固碳和土壤保持3种服务，利用空间制图分析3种生态系统服务的时空动态变化，引入玫瑰图表明不同地类中各服务的差异，最后基于相关分析法探究3种服务间的权衡与协同关系及其空间分布差异，为区域生态系统服务高效管理提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黄河发源于中国青海省内的巴颜喀拉山脉，全长5464km，是我国的第2长河流，也是世界的第5长河流。黄河流域（N32°～42°，E96°～119°）面积约为79.5万km2，流域内山脉众多，东西高差大，因此地貌差异也较大，地处中纬度地区，受大气环流和季风影响，气候差异显著，气温年际变化大，降水集中分布不均。流域内自然资源丰富，具有广阔的发展前景，近年来由于人类活动的频繁，导致其水资源减少，环境恶化等问题增多，区域生态环境更加敏感脆弱。

3 结果分析

3.1 黄河流域生态系统服务的时空变化

由黄河流域的产水、固碳和气候调节服务的时空分布可以得出（图2），研究区产水服务的高值区位于流域的中部和南部，主要有甘肃省东部和陕西省的南部地区，低值区分布于流域北部的内蒙古省内，产水量的均值由1990年的52.84mm增长至2015年的73.46mm，流域内陕西省南部地区产水量增长最为明显;固碳服务的高值区集中于青海省与甘肃省的南部交界处，低值区则主要分布于黄河流域的北部边缘，固碳量的均值在1990年为368.06t（gC·（m2·yr）-1），2015年为397.71（gC·（m2·yr）-1），呈增长趋势;土壤保持服务高值区零散分布于流域内的甘肃省和山西省，低值区分布较为广阔，研究区土壤保持量的均值在1990年为323.48（t·（ha·yr）-1），2015年为413.22（t·（ha·yr）-1），流域内青海省土壤保持量增加明显。

3.2 生态系统服务在不同地类间的变化

基于黄河流域的土地利用数据，对不同地类上的生态系统服务量进行统计，得到3种服务在耕地、林地和草地上的价值均量，对所获得的数据进行归一化处理，再运用R语言对其进行可视化，得到研究区不同地类上的生态系统服务玫瑰图（图3）。产水价值量，在3种地类中都表现为1990—2000年减少，2000年后不断增加，在耕地中价值量最高，其次为林地，草地最少;固碳价值量，在3种土地类型中均为2000年前呈下降趋势，2000年后开始不断上升;土壤保持价值量，在耕地类型上为2000年前下降，2000—2010年上升，2010年后续又有所下降，在林地和草地上则表现为2010年前不断增加，2010年后开始下降。

3.3 青藏高原生态系统服务权衡与协同分析

本研究使用matlab语言，对黄河流域1990—2015年的产水、固碳和土壤保持服务进行相关性分析（图4）。土壤保持和产水服务在研究区内大部分地区无相关性，有相关性的区域仅有16.9%，均为协同关系，协同区域集中于宁夏和内蒙古交界处、甘肃省东部和山西省西部地区，强协同关系集中分布于甘肃省中部和东部。产水与固碳服务在研究区内呈协同关系，占比为68.9%，协同关系在研究区内广泛分布;无相关性区域占比为5.5%，主要分布于陕西和山西省内;权衡关系占比为24.7%，集中分布于研究区西部和南部边缘地区。土壤保持和固碳服务以协同关系为主，占比为67.5%，集中分布于青海省西部、陕西省、山西省中部地区;无相关性区域占比为4.2%，位于研究区中部;权衡关系占比为28.3%，集中分布于内蒙古省北部、山西省北部和甘肃省东部地区。

4 结论与讨论

4.1 结论

1990—2015年间，黄河流域的产水、固碳和土壤保持3种服务均呈增加趋势。26a间，产水量的年均值增加了20.62mm，流域南部地区增加量最高;固碳服务年均量增长了29.65t（gC·（m2·yr）-1），西南部地区增量较多;土壤保持服务增加了89.74（t·（ha·yr）-1），流域内青海省的服务量增加最多。

不同土地类型上，3种服务均表现为有增有减的波动。2015年，产水价值量在3种地类中的大小为耕地>林地>草地，固碳价值量为林地>草地>耕地，土壤保持价值量为耕地>草地>林地。

黄河流域3种服务两两之间均以协同关系为主。土壤保持和产水服务在研究区内大部分地区没有相关性，有相关性区域均为协同关系，协同像元集中分布于甘肃省内、宁夏和内蒙古交界区;产水与固碳服务的协同像元占68.9%，在研究区内广泛分布;土壤保持和固碳服务的协同像元占比67.5%，集中于青海、陕西和陕西省内。

4.2 讨论

本文讨论了1990—2015年黄河流域生态系统服务的时空变化，分析不同地类上的生态系统服务变化差异，基于相关性分析，研究长时间序列下生态系统服务两两间的权衡与协同关系。生态系统服务间的关系复杂，目前的研究多以短时间研究为主，本文基于1990—2015年共26a的研究区的产水、固碳和土壤保持服务进行研究，有效解决了生态系统服务关系研究的时间尺度小和不连续性的问题。本文基于黄河流域全区的空间整体上进行探究，但生态服务的整体和局部间具有差异性，未来研究中，可进一步缩小研究区域，结合地域差异对生态系统研究更加精确，此外，还可以对生態系统服务的权衡关系进行逐年的分析，探讨生态系统服务间关系的年均变化及其影响因素，进一步促进区域生态系统的科学管理。

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（责任编辑 李媛媛）