广东省生态系统服务时空变化及其权衡与协同特征研究

吴文坤 曾惠娴 游文川 郭春华 刘小冬

(仲恺农业工程学院园艺园林学院,广东 广州 510225)

引言

自然生态系统是人类社会形成的前提，是构成人类客观世界的自然基础。生态系统服务是人类社会与自然生态系统的关键桥梁，是维系人与自然命运共同体的重要环节[1-3]。生态系统服务是为人类福祉提供直接或间接的利益供应(如原材料和食品)、支持服务(如气候和空气质量)、调节服务(如控制灾害和疾病)和文化(如户外娱乐、美学景观)服务[4]。在当前经济高速发展的影响下，人类对自然资源的需求日益增加，一种生态系统服务的增加常导致另一种生态系统服务的下降，因而厘清生态系统服务之间的权衡与协同关系对人类可持续发展具有重要意义，对于最大化人类福祉、促进经济与自然和谐发展具有重要作用[1,5,6]。

随着城市化进程速度加快，人与自然对于土地的争夺竞争关系愈发紧张，土地的不断转型与重构，景观格局变化明显，对生态系统服务造成重要的影响。人类活动侵占自然生境斑块，导致生态景观破碎化，生物物种多样性降低，生态环境弹性减小，生态质量降低等一系列的生态问题，使得生态系统服务功能减弱。如何有效制定管理生态安全，促进人与自然和谐共生的可持续发展策略成为难题[7-9]。刘菊等[10]学者利用InVEST模型与影子工程法相结合，评估岷江上游生态系统水源涵养功能与价值量，既能把握生态系统服务时空发展规律，又通过计量学方法掌握其与自然经济要素的作用机制。学者们综合分析了多种生态系统服务[11-13]，系统性分析生态系统服务间的相关性及空间格局，为生态保护提供了基础分析；准确把握生态系统服务权衡与协同的关系，可为生态安全格局及其规划提供提供重要理论依据，是可持续发展的必然要求，促进人与自然和谐相处。

广东省作为前沿地带与对外窗口，是当前世界工业化、城市化与现代化发展种的一大历史奇迹，为我国经济第一大经济大省。但广东省曾一度以经济发展为首要目标，以环境牺牲为代价，导致生态系统破坏、环境污染等一系列问题，亟需得到改善。自20世纪以来，广东省一直致力于生态系统保护与建设，努力建设森林城市，成为城市化与生态权衡发展的典型[14]。因此，掌握广东省生态系统服务及其关系的时空变化规律，有助于对生态系统服务的深入理解，推动广东省国土空间规划，最大化人类福祉[15]。

鉴于此，本研究以广东省作为研究对象，基于InVEST模型，对广东省2000—2018年的水服务、碳储存、植被净初级生产力、生境质量4项关键生态系统服务进行定量评估，以此开展对广东省生态系统服务时空变化研究，在此基础上，通过对生态系统服务的相关性分析，探索广东省生态系统服务权衡与协同。本研究试图对2000—2018年广东省生态系统服务及其关系的动态情况进行摸底，找准生态薄弱和亟需保护的重点区域，把握生态系统服务内部错综复杂的关系，提供管理权衡决策，健全生态保护手段，寻找广东省生态安全与社会经济发展的最优解。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

广东省地处中国最南端，被誉为“中国南大门”，地理坐标位于N20°～26°，E110°～118°，东临福建省，北接江西、湖南两省，西毗广西壮族自治区，南邻南海、珠江口、香港、澳门，与海南省隔海相望。广东省地形丰富，气候条件优渥，生态环境良好，各类自然资源丰富，具备山草林田湖海要素，人与自然关系紧密，是我国生态格局安全的重要组成部分。着力广东省生态系统服务研究是关系国家生态安全和民生福祉的重要战略任务，事关国家生态文明建设的重要措施。

1.2 数据来源

本研究以广东省为研究范围，选取2000年、2005年、2010年、2015年、2018年5个年度，对生态系统服务和权衡与协同关系进行研究。其中，气象数据包括降水、气温、潜在蒸发量，基于中国气象局气象数据中心的空间站点气象记录，利用澳大利亚国立大学开发的空间插值软件ANUSPLIN，采用薄盘光滑样条工具进行插值，计算5个年度的年平均值；地形地貌数据包括土壤数据、DEM、NDVI等；社会经济数据包括人口、GDP、夜间灯光等以及土地利用/覆盖数据。

表1 数据分类及来源

由于栅格数据存在分辨率不同、坐标不统一或偏移等问题，为准确量化各类生态系统服务探究其权衡与协同，确保研究的科学性与准确性，研究统一为栅格数据。为解决分辨率不同的问题，利用Arcgis Pro3.0的重采样工具，将其分辨率统一为1km×1km；为解决坐标不统一问题与坐标偏移的问题，进行地理校对、投影等工具进行坐标转换，统一坐标。

1.3 生态系统服务模型评估方法

1.3.1 碳储存

生态系统中碳主要储存于陆地生态系统，如森林、沼泽等陆地生态生态系统中的碳初春远大于大气中的储存量[16]。生态系统碳储量主要由地上生物碳库、地下生物碳库、土壤碳库、死亡有机碳库与第5大碳库组成。第5大生碳库主要为木材砍伐后的各类制品，如家具、建材等，由于难以进行统计，故研究不做考虑。为了有效掌握陆地生态系统中的碳储量，优化土地利用配置方式，高效发挥陆地生态系统的固碳能力，研究采用InVEST模型中的Carbon模块计算碳储量[17]，计算公式：

C-total=C-above+C-below+C-soil+C-dead

(1)

式中，C-total为总碳储量；C-above为地上生物碳储量；C-below为地下生物碳储量；C-soil为土壤中碳储量；C-dead为死亡生物碳储量。

1.3.2 生境质量

InVEST模型用于探索在人类活动影响下的生态系统变化，通常采用生产函数的方法来量化和评估生态系统。生境质量模型作为衡量生态环境的重要模型，其根据不同的土地利用/覆盖类型与其生态威胁因子之间的作用机制，量化土地利用/覆盖变化下的生境质量[18]。

InVEST生境质量模型主要使用土地利用/覆盖的栅格图和生物多样性威胁因素的信息生成生境质量地图。计算公式：

(2)

式中，Qxj为土地利用类型中栅格的生境质量；k为半饱和参数，通常取Dxj最大值的1/2；Hj为土地利用类型的生境适合性；z为归一化常量，通常取2.5；Dxj为土地利用类型j中栅格x所受的胁迫水平。Dxj的计算式：

(3)

式中，R为胁迫因子；y为胁迫因子栅格图层的栅格数量；Yr为胁迫因子所占据的栅格数量；Wr为胁迫因子的权重；ry为栅格y的胁迫因子值；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为生境类型对胁迫因子r的敏感性；iryx为栅格y的胁迫因子值ry对生境栅格x的胁迫水平；分为线性与指数型。

线性：

(4)

指数型：

(5)

式中，dxy为栅格单元中x与y的直线距离；drmax为威胁因子r的最大距离。

1.3.3 产水量

产水量是生态系统服务中重要的一环，产水量的计算对于广东省内生态环境的保护具有重要的影响[10]。InVEST模型基于栅格单元计算产水量与降雨量实际蒸发量之间的插值，计算公式：

(6)

式中，AET(x)为栅格单元x的实际蒸散量；P(x)是栅格单元的年降水量。对于植被的土地类型，蒸发与降水比例基于Budyko水热耦合平衡假设公式计算：

(7)

式中，PET(x)为栅格单元x的潜在蒸发量；ω为土壤特征的经验参数，计算公式：

(8)

式中，Z为季节常熟，表征当地降水与水文特征的经验常熟，一般为1～30；AWC(x)表示土壤中的植物生长储存与供给的水量之和，与土壤质地和土壤有效深度有关系，计算公式：

AWC(x)=min(rest.layer.depth,root.depth)×

PAWC

(9)

式中，min(rest.layer.depth,root.depth)为最大根埋藏深度和最小植被根系深度的乘积；PAWC为植物利用水分含量。

1.3.4 植被净初级生产力

被净初级生产力是陆地生态系统的重要表征指标之一，直接反映自然环境下的植被生产能力与质量状况。CASA(Carnegie-Ames-Stanford-Approach)模型是计算陆地植被被净初级生产力的经典模型，在估计大范围空间尺度和长时间序列上的应用性较强[19,20]。该模型通过植被吸收的光合有效辐射(APAR，MJ·m-2)和光能利用率(ε，gC·MJ-1)2个变量来确定。对于第t个月的特定像元x的NPP通过以下公式计算：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(10)

式中，APAR(x,t)是特定像元x在第t个月吸收的光合有效辐射，MJ·m-2；ε(x,t)是特定像元x在第t个月的实际光能利用率，gC·MJ-1。

1.4 生态系统服务权衡与协同关系分析

1.4.1 Spearman相关性

Spearman相关分析是一种非参数检验的方法，用于度量2组变量之间的相关性。该统计方法的特点是对原始数据要求较低，只需满足2组变量成对即可，计算公式：

(11)

1.4.2 长时间序列逐像元相关分析

生态系统服务内部的权衡与协同关系错综复杂且具有空间异质性，生态系统服务之间的关系会随着时空变化而变化。研究通过逐项元相关分析，计算生态系统服务两两之间的相关系数，且进行显著性检验。

相关系数的计算过程采用MATLAB软件计算，公式：

(12)

式中，ES1、ES2分别代表2种生态系统服务；r代表2类生态系统服务间的相关系数；i、j代表栅格中像元的行号和列号。当系数r为0时，表示2种服务之间不存在相关关系；当r>0时，表示2种服务之间存在协同关系，且当0.01

1.4.3 均方根误差

均方根误差是用于量化不同生态系统服务权衡的一种直接有效的方法。统计学中的均方根误差用于表示观察值与预测值之间的标准差，可用于量化2个或多个生态系统服务权衡关系的指标。RMSE可以表征单个生态系统服务与平均生态系统服务之间的差异水平，将生态系统服务关系从以往的权衡与协同关系变成权衡强度，更直观地表达不同生态系统服务之间的权衡。

为了消除不同生态系统服务的量纲差异，需要对数据进行归一化处理，公式：

ESstd=(ESobs-ESmin)/(ESmax-ESmin)

(13)

式中，ESstd是某种生态系统服务的归一化值；ESobs是某种生态系统服务的观测值；ESmin为某种生态系统服务的最小值；ESmax为某种生态系统服务的最大值。

(14)

2 结果与分析

2.1 2000—2018年广东省生态系统服务时空变化

广东省生态系统服务相对稳定，自2010年后，4种生态系统服务均趋于稳定，变化幅度显著下降。其中，受降水量影响较大的产水量服务年际变化较大，但单位面积产水量高值区一直集中于珠江三角洲区域，也表明其水源涵养能力最弱。研究期内，碳储量总体减少了6×106t，植被净初级生产力总体上升1.17×107gC·m-2·a-1，生境质量分值总体下降0.01。

广东省生态系统服务存在空间分异性，主要为垂直分异性和纬度分异性。总体上看,北部丘陵、山地地区的生态系统服务能力明显高于南部沿海地区和平原地区，珠三角地区的生态系统服务为广东省生态薄弱点。水源涵养、碳储存、生态供给能力和生境质量均呈现以珠江三角洲平原为核心低值区，并以不规则形状向外围拓展。

图1 2000—2018年广东省生态系统服务时空变化图

2.2 2000—2018年广东省生态系统服务权衡与协同关系

2.2.1 时间变化特征

广东省生态系统服务关系的年际变化稳定，产水服务与其它3种服务呈显著权衡关系，呈先下降后上升的周期性变化，而碳储存和生态供给及生境质量3种服务的两两关系则表现为显著协同性。

各类生态系统服务两两相关性均具备显著性，碳储存与生境质量(CS-HQ)均为强协同关系，相关系数平均值为0.708，植被净初级生产力与碳储存(NPP-CS)、植被净初级生产力与生境质量(NPP-HQ)均为显著中协同关系，相关系数平均值依次为0.49、0.47；WY其它3种服务均呈现权衡关系，相关系数平均值依次为-0.26、-0.338、-0.362。

产水量服务与其它3种服务均呈现显著的权衡关系，且出现2000—2010年、2010—2018年2个时期的周期性变化，相关性先减弱后增强；碳储存、植被净初级生产力、生境质量3种服务的两两关系均呈显著的协同关系，碳储存与生境质量的相关关系最强，平均相关系数达0.708，呈显著强协同关系。

2.2.2 空间变化特征

广东省生态系统服务关系存在空间分异性，产水服务与生态供给在空间上表现为北权衡，南协同的空间关系，产水量与碳储存及生境质量的2种服务关系在空间上表现以权衡为主，协同关系零星分布。碳储存和其它3种服务关系显著性较弱。

广东省生态系统服务两两关系并非独立存在，且有显著的空间分异性特征。WY-CS大体上呈北部权衡，中部协同，WY-NPP在广东省大体呈权衡关系，南部沿海地区呈协同关系，HQ-NPP在丘陵、山地地区呈权衡关系，平原台地地区呈协同关系；WY-HQ在丘陵、山地地区呈协同关系，平原台地主要呈协同关系，但珠江三角洲平原与潮汕平原出现大面积无相关；CS-NPP的协同关系主要分布于珠江三角洲平原周边城市，其它以权衡为主，协同为辅助；CS-HQ主要总体以权衡关系为主，协同关系零星分布，集中出现于珠江三角洲平原周边区域。

图2 2000—2018年广东省生态系统服务权衡时序变化图

图3 广东省生态系统服务权衡与协同图

研究使用RMSE方法，量化了2000—2018年，5个时期的4种生态系统服务的权衡如图4所示。观察期内，4种生态系统服务的平均RMSE值在0.218～0.258，权衡强度变化呈先减弱后增强的周期性变化。空间上，同样也呈现周期性变化，2000年、2010年、2018年3个时间内主权衡强度高值区集中于粤北地区，2005年、2015年高值区集中于粤西、珠三角。

图4 2000—2018年广东省生态系统服务权衡强度空间变化图

2.2.3 不同地类间权衡与协同关系特征分析

不同地类的生态系统服务关系不同；产水量与生态供给关系中在耕地、林地、草地、水域及建设用地中权衡关系明显，生境质量与生态供给服务在建设用地中协同关系组最明显。耕地、林地在WY-HQ、WY-NPP、CS-HQ的空间关系表现出以权衡为主，其它关系中以协同为主；草地除在WY-CS的空间关系中表出协同为主以外，在其它生态系统服务关系中以权衡为主；在水域用地中，WY-CS、CS-HQ呈现出大面积的无相关性；在建设用地与其它用地中，除WY-NPP在空间关系上权衡关系强于协同关系以外，其它关系中均以协同关系为主。

图5 不同地类下的生态系统服务权衡与协同

3 讨论

生态系统服务是人类改造自然世界过程的自我需求，对生态系统服务的评估是人与自然和谐发展的必然要求，也是人类福祉需求的重要需求[22]。本文探究区域生态系统服务的时空演变规律并进行空间制图，并以此为基础对4种关键生态系统服务的权衡与协同关系进行研究，全面剖析广东省生态系统服务及其权衡协同关系，结果显示，广东省生态系统服务及其关系具有空间异质性，表明国土空间规划和生态管控需要因地制宜。

珠三角城市群逐步形成以广州为核心的综合城市群，面临着人口、经济、土地城市化，人们对土地的争夺愈加激烈，土地的转型重构带来的一系列生态问题仍然是城市发展过程中不可逃避的问题[15,17]。研究结果也表明，珠三角是广东省生态系服务的薄弱点，该区域人口密度、经济发展水平高，城市发展基础好。但建设用地的增加，导致生境质量降低，水源涵养能力减弱[23]。应深化城市结构与功能，科学规划区域生态发展，合理划定城镇边界线，建立紧凑型城市，提高土地集约化利用，降低对自然生境如林地、草地、水域的破坏，保持生态系统服务能力，促进社会经济与自然生态系统的优化与耦合[2]。

粤东西北地区多为丘陵、山地地区自然生境较好，生态系统服务水平较高，是广东省重要的生态屏障和水源涵养区，但其受人类活动影响敏感，应健全建立保障机制，构建生态保护区[24]。研究还发现，在不同地类的生态系统服务权衡关系中，林地、草地面积的增加，水源涵养与碳储存服务能力显著提升，且能有效提高生境质量[1]。因而，牢筑粤北森林、山地的生态屏障，强化水源涵养服务与碳储存服务，完善生境质量保持生物多样性；提高粤东西生态供给能力，推动土地集约化发展，提高土地利用效率，建立生态补偿机制，将生态优势转为发展优势，发展绿色产业经济；广东省国土空间规划中应明确“三区三线”，紧抓生态红线，保护广东省重要的生态屏障，为广东省的可持续发展奠定优良生态基础。

4 结论

2000—2018年广东省生态系统服务变化明显，存在空间异质性较强。从数量上看，碳储存、水源涵养和生境质量等服务能力总体呈下降趋势，而生态供给服务呈上升趋势。从空间上看，粤东西北地区的生态系统服务高于珠三角地区，珠三角地区是广东省生态系统服务薄弱点，其碳储存、生态供给、生境质量及水源涵养能力均弱于其它区域，且近20a来，低值区有拓展扩大的趋势。

2000—2018年广东省生态系统服务间的相关性存在空间分异性，产水服务与生态供给在空间上表现为北权衡，南协同的空间关系，产水量与碳储存及生境质量的2种服务关系在空间上表现以权衡为主，协同关系零星分布。不同地类的生态系统服务关系不同；产水量与生态供给关系中在耕地、林地、草地、水域及建设用地中权衡关系明显，生境质量与生态供给服务在建设用地中协同关系组最明显。