陕西省生态系统服务权衡与协同关系时空特征分析

晋鹏欣

(长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054)

生态系统服务是人类直接或间接地从生态系统中获得的各种收益[1]，生态系统服务间关系复杂且相互影响[2,3]，一般表现为此消彼长的权衡关系和同减同增的协同关系[4]。明晰不同生态系统服间的相互关系，有利于区域生态环境和经济协调可持续发展[5]。目前生态系统服务成为多学科的研究热点，学者从不同尺度上针对生态系统服务间的权衡与协同关系进行了大量的研究。孙泽祥等[6]对呼包鄂榆地区2010年的粮食生产、产水量、土壤保持和固碳等生态系统服务进行测量并利用相关分析法对不同服务间的权衡关系进行分析。孙艺杰等[7]分析了延安市1993—2013年生态服务价值权衡与协同关系的时空变化特征，探讨了退耕还林政策对生态系统服务相互关系影响。王蓓等[8]使用InVEST模型测算了石羊河流域不同时间节点五项服务的时空变化格局，并利用相关系数法分析生态系统服务之间的权衡与协同关系。

陕西省自然资源丰富自然条件复杂，主要由水土流失严重的陕北地区、经济产业蓬勃发展的关中地区以及重要生态屏障带——秦岭构成，但城市化进程加快、人口增加以及人类不合理的开发引起了生态系统服务的退化，使区域人类福祉和生态安全受到威胁。研究陕西省生态系统服务之间的相互关系长时间序列时空变化特征[5]，有利于促进经济与生态保护的同步发展[9]。因此本文以陕西省为研究区,基于CASA模型、RUSLE模型和InVEST模型测算了研究区2000—2018年的净初级生产力(NPP)、土壤保持和产水3种生态系统服务物质量，使用热点分析得到了陕西省多重生态系统服务热点区，利用相关性分析法探究3种服务间的权衡与协同关系的空间分布特征。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

陕西省位于长江、黄河两大流域之间，地貌类型多样，横贯东西的秦岭与黄土高原将陕西分为了秦巴山地、关中平原和黄土高原3大自然区，自然条件复杂多样，兼具南北自然资源特点，在西北地区发挥着重要的服务功能。陕西省主要由陕北、关中、陕南3个地区组成[10]，横跨3个气候带，陕北地区属于中国黄土高原的中心部分，为中温带干旱大陆性季风气候，四季分明,气候多变。关中地区属于平原区，温带季风性气候，具有夏季高温多雨、冬季温和少雨的气候特点；陕南地区属于山区，亚热带季风气候，雨量充沛。陕西省兼备南北自然特点，不同地区自然条件有显著差异，生态系统服务特征迥异。

1.2 数据来源

陕西省区县行政界线数据下载于国家基础信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)。降水、气温、日照时数等气象数据下载于国家气象信息中心(http://data.cma.cn)，使用Anusplin进行插值得到分辨率为1km的栅格数据。土壤数据采用中国土壤数据集(V1.1)(http://westdc.westgis.ac.cn)。NDVI数据使用地理空间数据云的GIMMS-NDVI数据集(https://ecocast.arc.nasa.gov)，采用最大合成法得到1km分辨率的年NDVI栅格数据集。DEM高程数据下载于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，空间分辨率为250m。

2 研究方法

2.1 固碳服务

利用生态系统净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)评估陕西省多年固碳服务，基于CASA模型来计算植被净初级生产力。公式[11]：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中，NPP为植被净初级生产力，gC·m-2·a-1；APAR(x,t)为像元x在t月时，植被吸收的光合有效福射，MJ·m-2；ε(x,t)表示像元x在t月时植被实际的光能利用率，gC·MJ-1[12]。

2.2 产水服务

使用InVEST模型计算陕西省2000—2018年产水量，利用区域水量平衡法计算得到[13]。公式：

Q=P-ET

(2)

(3)

式中，Q为产水量，mm；P为年降水量，mm；ET为蒸散量，mm；PET为潜在蒸散量，mm；ω为植被耗水系数。

2.3 土壤保持服务

使用RUSLE模型计算陕西省2000—2018年的土壤保持量，公式[14]：

SC=Ap-Ar

(4)

式中，SC为土壤保持量，t·hm-2·a-1；Ap为土壤潜在侵蚀量；Ar为土壤实际侵蚀量。

2.4 生态系统服务权衡与协同分析方法

本文基于栅格像元尺度在MATLAB软件计算3种服务之间的相关性[15]，公式：

(5)

式中，R为2种服务之间的相关系数；ES1与ES2代表2种生态系统服务；i、j为行号和列号；n为时间序列，研究中n为19a。划分标准：强协同(R>0，0.010，0.050，0.10

2.5 热点分析

热点地区是将3种服务(产水服务、土壤保持服务、固碳服务)超过各自年平均值的栅格作为热点区，将3种生态系统服务热点图进行叠加分析得到陕西省多重生态系统服务热点区分布图[16]。将0种、1种、2种和3种生态系统服务值超过年平均值的区域分别视为0类、1类、2类和3类热点区。

3 结果与分析

3.1 陕西生态系统服务时空变化分析

从空间上来看，陕南地区如安康市和汉中市是土壤保持服务的高值集中区，关中区域也出现零星分布，低值区主要分布在陕北地区的榆林市等，从南向北依次递减，固碳服务(NPP)高值区在2018年前陕南、关中区域为高值区，陕北为低值区分布，在2018年全区除陕北西部、关中南部基本都为中高值分布，高值分布范围广，分布范围明显增加，产水服务的高值区集中于陕南地区，2000—2018年高值区分布在安康和汉中两市摆动，低值区大面积分布在陕北、关中地区；从时间上来看，土壤保持服务均值从2000年224.66t·hm-2·a-1增加为2010年的413.67t·hm-2·a-1，在2018年下降为208.56t·hm-2·a-1，固碳服务在2000年为544.56gC·m-2·a-1，2018年为677.28gC·m-2·a-1，呈现增长趋势，陕西省产水量从2000年的均值为189.39mm增加到2010年的256.29mm后又降到2018年的164.44mm，产水量和土壤保持量在2000—2018年均呈现先增加后下降的趋势，而固碳量则呈现增加趋势。

3.2 生态系统服务热点区域

3.2.1 单项生态系统服务热点区

运用ArcGIS的空间分析和制图工具，对陕西省2000—2018年固碳服务、产水服务以及土壤保持服务进行热点区识别，得到单项生态系统服务热点区空间分布。产水服务点区在2000年、2010年和2018年的面积占比分别为35.42%、39.02%和44.08%，主要分布在陕南的汉中市、安康市。19a间，产水服务热点区在商洛市、延安市东部及西部部分地区有明显增加，在安康市出现明显减少；固碳服务点区在2000年、2010年和2018年的面积占比分别为57.82%、57.74%和55.76%，主要分布在陕南的汉中市、安康市、商洛市及关中地区，19a间，固碳服务热点区在关中地区的延安市增加明显，在西安市明显减少；土壤保持服务点区在2000年、2010年和2018年的面积占比分别为22.86%、22.09%和23.53%，主要分布在陕南的汉中市、宝鸡市和安康市，19a间，土壤保持服务热点区在陕南地区增加明显，在延安地区有部分减少；固碳服务热点区分布最为广泛，其次为产水服务热点区，最后是土壤保持服务热点区，3个服务的热点都主要集中在陕南地区。

图1 2000—2018年生态系统服务变化

图2 2000—2018年陕西单项生态系统服务热点区

3.2.2 单项生态系统服务热点区

本文将陕西省固碳服务、土壤保持服务和产水服务超过各自年均值的栅格划分为该类服务的热点区域，在ArcGIS软件中将2000—2018年陕西省产水、固碳服务与土壤保持的单项热点服务区进行叠加得到多重生态系统服务热点区的空间分布。从图2可以得出，0类服务区占陕西省总面积的23.90%，主要分布在陕北东部、关中南部即榆林市东部和渭南市南部地带；1类服务区占陕西省总面积的44.15%，主要分布在陕北西部、关中南部和陕南东部地带即榆林市西部、延安市以及商洛安康市等；2类服务区占陕西省总面积的16.59%，主要呈现零星交错分布；3类服务区占陕西总面积的15.34%，主要分布在陕南地区的中西部即汉中市地区和安康市的西部。

图3 陕西省多重生态系统服务热点区

3.3 生态系统服务权衡与协同关系分析

图4 陕西省生态系统服务权衡与协同关系空间分布

研究基于栅格像元尺度在MATLAB平台使用相关分析来探究NPP、土壤保持和产水3种生态系统服务之间的权衡与协同关系。NPP与产水在2000—2018年呈现协同关系，占比为79.55%，强协同集中分布在陕北西部及延安市西部地区，弱协同面积分布广泛，占比为67.74%，弱权衡主要分布在铜川市、咸阳市、宝鸡市以及榆林市东部、汉中市西南部，中权衡和强权衡分布较零散占比低，主要分布在咸阳市等；土壤保持与产水在2000—2018年以协同关系为主，且主要呈现强协同，协同关系区域占比为89.15%，强协同主要分布在榆林市、延安市、关中地区及汉中和安康市的南部，弱协同主要分布在陕南地区，权衡关系主要呈现为弱权衡，分布在榆林市和陕南部分地区；土壤保持和固碳服务在2000—2018年主要为协同关系，占比为64.81%，强协同主要分布在榆林市和延安市的交接地带，弱协同呈现广泛分布，集中在陕北、关中和陕南西部地区，弱权衡主要分布在陕南东部和南部地区，强权衡分布在商洛市东南部。

4 结论

2000—2018年陕西省产水量和土壤保持量年均呈现先增加后下降的趋势，而固碳量则呈现增加趋势。NPP年均值增加了132.72gC·m-2·a-1，增量最多的地区为陕北东部即榆林东部地区；土壤保持量年均值减少了16.1t·hm-2·a-1，土壤保持量减少最多的区域为陕南的西部地区以及汉中和安康南部；产水量年均值减少了24.95mm，减少量最多的地区为陕南的安康市和商洛市。

固碳服务热点区分布最为广泛，其次为产水服务热点区，最后是土壤保持服务热点区，3个服务的热点都主要集中在陕南地区。在多重生态系统服务热点区空间分布中，陕西省1类服务热点区占比最高，主要分布在陕北西部、关中南部和陕南东部地带，3类服务区占比最低，且集中分布在陕南西部地区。

陕西省2000—2018年土壤保持、NPP、产水3种生态系统服务间相互关系均以协同关系为主，NPP与产水协同关系分布广泛，除延安东部、咸阳西南部以及汉中西南部呈现权衡关系外，其余均为不同程度的协同关系，陕西省土壤保持与产水在19a间全区大面积呈现协同关系，仅有极少数地区为权衡分布，土壤保持和固碳服务权衡关系集中分布在商洛、安康和西安地带，其余呈现协同分布。

5 讨论

本文基于像元尺度，测算了陕西省2000—2018年3种生态系统服务物质量，采用相关性分析分析了陕西省19a间的生态系统服务权衡与协同关系时空分布特征，有效探究了研究区长时间序列连续时间段不同生态系统服务间权衡与协同关系的空间动态变化。本文基于研究区整体进行探究，在未来研究中有必要基于不同空间尺度精准地测度区域内部不同服务间的相互关系及其关系转变的影响因素，旨在探究各服务间相互关系转变的驱动机制。生态系统服务类型众多，各类服务之间存在着复杂的权衡与协同关系，本文只选取了固碳服务、产水服务和土壤保持服务3种服务进行分析，下一步应考虑增加多种生态系统服务进行测算，在建立长时间序列连续时间段的服务权衡关系研究的基础上进一步探究不同空间尺度及区域内部权衡协同关系的变化特征，为决策者和利益相关者提供可行性政策方案和科学依据。