陇东黄土高原农田生态系统服务及其权衡协同关系

兰永真，孙特生，李韦韦

（西北师范大学社会发展与公共管理学院，兰州 730070）

0 引言

农田生态系统作为陆地生态系统之一，是维持区域生态系统结构完整和区域生态安全格局不可或缺的重要组成部分[1]。根据DAILY 与COSTANZA 对生态系统服务的概念界定，农田生态系统服务是指农田生态系统或农田生态过程所形成的维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[2]，即人类直接或间接从农田生态系统中获得的有形与无形的效益[3]，其有助于经济发展与粮食安全，但在农业中未得到有效利用，而是以外部投入来提高农作物收益率[4]。随着人们对农田功能的认知与需求的转变，农田各项服务之间存在此消彼长的权衡关系与相互促进或抑制的协同关系[5]，而人类对生态系统的干预往往以牺牲某项服务为代价来实现经济效益最大化[6]。中国共产党第二十次全国代表大会提出要“全方位夯实粮食安全根基”。为此，探究农田生态系统服务及各项服务之间的权衡协同关系，是因地制宜提升农田生态系统供给服务量、增强生产供给能力的前提，对促进区域耕地保护、保障粮食安全具有重要意义。

目前，国内外有关农田生态系统服务的研究主要聚焦在以下方面：一是侧重评估不同时空尺度下农田生态系统的各类服务物理量与价值量[7-8]。同时，生态系统的异质性使农田具有其他生态系统所不具备的某些特殊功能，有的学者重视综合评估农田生态系统的正负效益[9]和功能价值损益[10]，也有的从某一项服务类型着手（如水土保持[11]、水源涵养[12]等），对比分析农田与其他生态系统服务量的差异与价值量的时空演变。近年来，“双碳”战略提升了学者们对农田生态系统碳源/汇的关注度[13-14]。二是在密集型农业生产活动严重影响自身生态条件的情况下，XUE等[15-16]从功能视角上分析农田生态系统生产功能与生态功能之间的权衡协同关系，也有从生态功能着手，深入分析农田生态补偿额度与农户受偿意愿等[17]。三是现有文献较多地在不同时空尺度下分析包括农田生态系统在内的区域整体生态系统服务之间的相互作用与影响，即权衡协同关系[18-19]，并运用K-Means聚类、层次聚类与DBSCAN 聚类等方法划分生态系统服务区[20]，同时也进一步在理论层面展开对生态系统服务间的权衡协同机理研讨[6,21]。除上述与国内学者关注相同的内容之外，国外有关农田生态系统服务的研究集中在农业实践活动与农田生态系统服务之间的关系，如农业社会经济活动对农田生态系统服务的影响[22-23]以及优化降低影响的路径与举措[4,24]。

上述研究成果为本研究提供了理论参考与实证支撑，但是目前相关研究主要集中在包括农田生态系统在内的区域生态系统服务方面，并且主要研究供给、调节与支持服务，对包括文化服务在内的生态系统服务整体研究不多，对特定类型生态系统服务之间的相互作用与关系研究也不足。农田生态系统作为与人类互动最频繁、最深入的生态系统类型，供给服务是其最主要的服务类型，并与其他服务相互作用、相互影响，即表现为权衡或协同关系，此关系通过干扰供给服务的稳定性来影响区域农户生计、耕地保护、粮食安全与可持续发展。因此，厘清农田生态系统供给服务与其他服务之间的关系，不仅是农田生态系统服务研究的核心内容[25]，而且为促进耕地保护、保障粮食安全提供有效路径。黄土高原是中国传统旱作农业区，生态环境脆弱、可耕地资源少、农田生产力水平低。近些年该区域的快速城镇化挤占了大量优质农田，导致农田生态系统食物供给能力降低。然而，人类对维持自身生存发展的食物数量、质量提出了更高要求。这一负反馈加大了农田开发利用强度与显隐性转型频率，影响农田生态系统物质循环与能量流动的生态过程[26]，进一步影响区域社会经济稳定与可持续发展。农田生态系统调节服务与支持服务是供给服务重要的资源环境保障，为供给服务提供气候、水文、土壤与生境等自然条件[20]。

基于此，本研究依据生态系统服务之间的关系，结合陇东黄土高原资源禀赋与环境条件，从农田生态系统供给服务（providing services，PS）、调节服务（adjusting services，AS）、支持服务（supporting services，SS）、文化服务（cultural services，CS）4 类服务中选取6 项典型子服务，即食物供给服务（food provision service，FPS）、水源涵养服务（water conservation service，WCS）、碳固存服务（carbon sequestration service，CSS）、土壤保持服务（soil retention service，SRS）、生境维持服务（habitat quality service，HQS）、美学景观服务（landscape service，LSS），在测算农田生态系统服务量的基础上，刨析各项服务的空间格局特征，再运用皮尔逊相关系数法、双变量莫兰指数分别测度、识别农田生态系统供给服务与其他服务之间的权衡协同关系及其关系的空间异质性特征，进一步揭示调节、支持与文化服务对供给服务的空间作用关系，以期推动农田生态系统服务权衡关系转变，旨在为促进区域耕地保护、保障粮食安全提供科学决策参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

陇东黄土高原（106°21′～108°45′ E，34°54′～37°10′ N）分布于陇山（六盘山）以东的甘肃省境内，地处黄土高原中部偏西，地形复杂、塬面平坦、沟壑纵深，是典型的黄土高原沟壑区（图1a），包括黄土高原上最大的塬面——董志塬，享有“八百里秦川，不如董志塬边”之美誉。陇东黄土高原主要包括平凉与庆阳2个地级市，共15个县（区），占地3.8 万km2，常住人口301.83 万。两市耕地（旱地，以梯田为主）面积140 多万hm2，占陇东国土面积的37.70%，集中分布在中部、北部与西部地区（图1b），其中华池、庆城、镇原、静宁与环县的农田面积较大。陇东黄土高原属于半干旱、半湿润大陆性气候，盛产小麦、玉米、马铃薯三大类粮食作物及果蔬、油料、中药材等经济作物，是西北农林产品与经济作物主产区，素有“陇东粮仓”之美誉。陇东黄土高原生态环境脆弱，静宁、庄浪、镇原、庆城、华池与环县水土流失严重，被划为国家重点水土保持生态功能区。

图1 研究区 DEM 和农田分布Fig.1 DEM and farmland distribution of the study area

1.2 数据来源

本研究采用的数据来源：粮食产量数据源于甘肃省发展年鉴（https://tjj.gansu.gov.cn/）；数字高程模型数据（digital elevation model，DEM）源于地理空间数据云（https://www.gscloud.cn/），精度为30 m；土地利用数据、归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）源于中国科学院资源环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/），精度分别为30、100 m；土壤质地数据源于国家青藏高原科学数据中心（http://www.tpdc.ac.cn/），精度为1 000 m；气象数据源于国家地球系统科学数据中心（http://gre.geodata.cn/），精度为1 000 m；净初级生产力数据（net primary productivity,NPP）源于NASA官方MOD17A3产品（https://lpdaac.usgs.gov/），精度为500 m；道路数据（point of interest，POI）源于地理信息资源目录服务系统（https://www.webmap.cn/），精度为1：100 万。计算时，通过重采样将各项数据空间分辨率统一为100 m，并统一采用 WGS_1984_UTM_Zone_ 48N 投影坐标系。

1.3 研究方法

1.3.1 农田生态系统服务评估

1）食物供给服务

食物供给是农田生态系统最主要的服务类型，以食物产量与NDVI 之间显著的线性关系[27]，估算研究区栅格单元的食物供给服务量，计算式为

式中Fi为栅格i的食物产量（t ）；V为栅格i的NDVI 值；Vtotal为研究区农田NDVI 值之和；Ftotal为食物（粮食、油料、中药材、蔬菜瓜果）总产量（t）。

2）水源涵养服务

学术界主要用降水贮存量法、径流系数法、水量平衡法来评估陆地生态系统水源涵养服务量。根据上述方法的优缺点，并结合研究区自然禀赋条件采用降水贮存量法，计算式为[18]

式中Wi为栅格i相较裸地的水源涵养增加量（m3）；Ai为栅格i的面积（hm2）；Ji、J0分别为年产流降水量、年降水量（mm）；Ri为农田相较裸地减少径流的效益系数（%）；E为降水特征分布参数值，北方为0.40[18]。

3）碳固存服务

估算碳固存服务量主要有碳吸收系数法与碳密度法，计算单一生态系统的固碳量时，碳吸收系数法更能客观反映区际差异。本研究利用NPP 计算农田生态系统碳固存服务量，计算式为

式中Ci为栅格i的碳固存服务量（t）；Ni为栅格i的NPP 值（kg/(m2·a)）；μ为植被生物量与含碳量间的转换因子，值为0.45[28]。

4）土壤保持服务

水土流失是黄土高原区面临的最严重生态问题，已成为阻碍其可持续发展的障碍。本研究采用被广泛运用于不同尺度研究区的修正通用土壤流失模型（revised universal soil loss equation，RUSLE），以潜在与现实土壤侵蚀量的差值来表征土壤保持服务量，计算式为[29]

式中Sri为栅格i的水土保持量（t）；Pri为栅格i的潜在土壤侵蚀量（t）；Ari为栅格i的实际土壤侵蚀量（t）；Ri、Ki、Li、Si、Ci、Pi分别为降水侵蚀力因子（MJ·mm/(hm2·h·a)）、土壤可蚀性因子（t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)）、坡长因子、坡度因子、植被覆盖因子、人为管理措施因子[29]。其中，用地形起伏度表征Li×Si，植被覆盖度运用像元二分法计算，并以5%置信区间选取表征植被与土壤的上下阈值，下同。

5）生境维持服务

生境是指环境提供给区域内的生物适宜生存及繁衍的空间条件。利用InVEST 模型将城镇用地、农村居民点、其他建设用地、未利用地设为农田生态系统的生境威胁源，并参考相似研究区对威胁源及其敏感度赋值[30]，计算式为

式中Qi为农田栅格i的生境质量，值域为[0,1]，数值越高表示生境质量越好；H为农田的生境适宜性；DZi为农田栅格i的生境退化度；K为半饱和系数（为模型第一次运行生境退化度结果的二分之一）；Z为模型换算常数，取2.50[30]。

6）美学景观服务

文化服务作为农田生态系统重要的服务类型，黄土高原独特的地形地貌以及梯形农田具备丰富的美学与旅游价值。借鉴相关研究成果[31]，选取植被覆盖度、地形起伏度、路网密度3 项指标表征农田生态系统美学景观服务，并采用极值法对指标数据标准化至[0,1]，各指标权重利用熵值法确定。计算式为

式中Lsi为栅格i的景观美学服务；Fvi、Tei、Dei分别为栅格i的植被覆盖度（%）、地形起伏度（m）、路网密度（km/hm2）；权重α、β、φ分别为0.16、0.29、0.55。

1.3.2 农田生态系统服务权衡与协同

测度陇东黄土高原农田生态系统服务在空间上的权衡协同关系，以研究区乡（镇）为样本单位（共239个样本），利用ArcGIS 软件中的分区统计工具，统计各乡（镇）农田生态系统各项服务的物理量，再运用皮尔逊相关系数判断农田生态系统食物供给服务与其他服务之间的权衡协同关系，并结合t检验验证两者之间权衡协同关系的显著性。计算式参考文献[18-19]。

1.3.3 双变量空间自相关分析

在判断农田生态系统供给服务与其他服务相关关系基础上，进一步借助双变量全局/局部莫兰指数得到莫兰指数与局部空间自相关LISA 聚集图谱，探索食物供给服务与其他服务之间权衡协同关系的空间自相关性和空间异质性，其中“高—高”与“低—低”聚类表示协同关系，“高—低”与“低—高”聚类表示权衡关系[32]。计算式参考文献[33]。

1.3.4 空间约束 K-Means（SC K-Means）聚类法

已有研究所运用的聚类方法忽视了对空间关系的考量，难以优化区域的整体质量。本文采用空间约束KMeans 聚类方法，在GeoDa（1.20 版）软件上进行农田生态系统服务分区。

2 结果与分析

2.1 农田生态系统服务空间格局特征

根据生态系统服务模型评价结果，研究区农田生态系统供给与文化服务、调节与支持服务呈显著的空间相似特征，即供给与文化服务均呈“东西高、中北低”的空间格局，调节与支持服务则呈“带状”分布格局（图2），其中两者的子服务也具有相似特征。

图2 陇东黄土高原农田生态系统服务量Fig.2 Quantities of farmland ecosystem services in Longdong Loess Plateau

陇东黄土高原农田生态系统食物供给服务（供给服务）整体上呈“东西高、中北低”的空间格局（图2a），服务总量为4.61×106t。其中，供给高值、中值分别分布在东部与西部地区、中部地区，供给低值主要集中在北部的环县，气候条件与土壤保持基础是导致环县食物供给服务低的直接原因（环县位于半湿润区向半干旱区的过渡地带，年降水量仅为300 mm 左右，而且该县土壤保持能力相较于其他县区更弱）。

虽然供给服务与文化服务的空间格局相似（图2 d），但造成两者空间格局相似的原因略有差异。文化服务高值区具有良好风景观赏性与交通出行便利性的优势，而环县由于区域内与区际间的道路发展水平与农田观赏性低，属于文化服务低值区。此外，西峰区尽管具备良好的交通便捷性优势，但其农田观赏性不足与地形地貌特色不突出，该区农田生态系统文化服务亦较低。

陇东黄土高原农田生态系统调节服务呈“带状”分布（图2b），各带面积比例不同，其与供给服务空间格局存在局部相似，即两项服务的高值均出现在东西部。华池县与静宁县连线带（简称“华静带”）上分布着调节服务中值区，该带南、北两侧分别为调节服务高值、低值区。具体来看，水源涵养与碳固存服务量分别为2.45×108m3、2.94×106t，与调节服务的空间格局相似（图2e、2f），虽然这两项子服务中值也位于分异带上，但该中值地理位移方向分别向北、向南，表现出显著的空间分异特征。这主要是气候与调节服务的“带状”分布相似，该带恰好位于陇东中南部冷温带半湿润区与北部冷温带半干旱区之间，进而使降水在陇东地区分布不均，即降水量总的趋势是由东南向西北递减（“华静带”南、北两侧的年降水量分别在670、350 mm 左右）。这表明降水分布格局是农田生态系统调节服务呈现“带状”分布的主要原因，进而直接体现在水源涵养与碳固存服务的分布格局上。

虽然陇东黄土高原农田生态系统支持服务也呈“带状”分布格局（图2c），但与调节服务的“带状”格局存在空间异质性。支持服务的“华静带”上分布着高值区，该带南、北两侧分别为低值、中值区。从土壤保持与生境维持服务来看（图2 g、2 h），陇东黄土高原土壤保持服务总量为6.61×109t，静宁县、宁县的土壤保持服务高值证明了黄土高原综合治理成效，低值区（水土流失严重区）主要分布在陇东中部与北部环县、华池县，这些区域主要属于地形起伏度或坡度较大的沟壑区域，加之黄土高原土壤疏松多孔、透气透水，此外农田作物植被覆盖度较低，这些因素使该区域难以有效地截留降水与固定土壤。研究区农田生态系统生境维持服务均值为0.26，整体上该项服务偏低（最高值仅为0.30），主要是由人类频繁、深入的农业生产活动导致的。相对来看，生境质量低值区主要集中在陇东南部社会经济相对发达的地区，即崆峒区至西峰区一带。这是因为重点开发区的生产生活强度大、辐射范围广，成片地聚集在陇东南部地区，而其他地区城镇、工矿等建设规模相对较小，对农田生态系统的生境影响较弱。

2.2 农田生态系统服务权衡协同关系

2020 年陇东黄土高原农田生态系统供给服务与调节、支持、文化服务之间以及食物供给服务与水源涵养、碳固存、土壤保持、生境维持、美学景观服务之间均表现为不同程度的协同关系，且在空间上均具有相互依赖性（图3、表1）。

表1 农田生态系统供给服务与其他服务之间的相关系数r 与双变量莫兰指数ITable 1 Correlation coefficient r,bivariate Moran’s I between providing services and other services of farmland ecosystem

图3 农田生态系统供给服务与其他服务之间的空间自相关Fig.3 Spatial autocorrelation between providing services and other services of farmland ecosystem

陇东黄土高原农田生态系统供给服务与调节服务之间的相关系数、全局Moran’sI分别为0.97、0.37，表明供给服务与调节服务之间为协同关系，并在空间上具有相互依赖性（图3a）。这两类服务之间权衡、协同、不显著关系的面积分别占研究区面积的4.94%、24.16%、70.90%，其中协同关系主要集中在陇东中北部地区，权衡关系则相对零散地分布在崆峒、灵台、华池、庆城与环县等区县。同时，食物供给服务与水源涵养、碳固存服务之间的权衡协同关系在北部与南部存在空间差异（图3 d、3e）。具体来看，食物供给服务与水源涵养、碳固存服务之间的相关系数分别为0.94、0.99，整体上均表现为协同关系。食物供给与水源涵养服务的协同关系集中分布在陇东中部与北部；权衡关系则零散地分布在崆峒、崇信、华池与环县等县（区）。食物供给与碳固存服务的权衡协同关系的空间分布同食物供给与水源涵养服务的相似，仅在南部地区与环县存在显著差异。

陇东黄土高原农田生态系统供给服务与支持服务之间的相关系数、全局Moran’sI分别为0.85、0.43，表明供给服务与支持服务为协同关系，并在空间上具有相互依赖性（图3b）。两类服务间权衡、协同、不显著关系的面积分别占研究区面积的6.16%、28.87%、64.97%。其中协同关系主要集中在北部环县、华池县以及南部地区，权衡关系则相对零散地分布在协同关系的周围。供给—支持服务间关系与供给—调节服务间关系空间差异性体现在华池县、镇原县与东南部地区。同时，食物供给服务与土壤保持、生境维持服务之间的相关系数分别为0.93、0.82，整体上为协同关系。相较于供给—支持服务协同关系的空间格局，食物供给—土壤保持服务间协同关系在华池县呈缩小态势，食物供给—生境维持服务间协同关系在镇原县、庆城县呈扩张态势（图3f、3 g）。

陇东黄土高原农田生态系统供给与文化服务之间的相关系数、全局Moran’sI分别为0.97、0.35，表明供给服务与文化服务之间为协同关系，并在空间上具有相互依赖性（图3c）。这两类服务之间权衡、协同、不显著关系的面积分别占研究区面积的4.77%、20.46%、74.77%，其中协同关系主要集中在镇原县与环县，权衡关系相较于协同关系比例较小，稀疏分散在崆峒区、环县、华池县。

2.3 农田生态系统服务管理分区

针对陇东黄土高原气候要素、地形地貌、土壤植被等自然禀赋的差异性，结合该地区农田生态系统服务及其权衡/协同关系的空间异质性，运用空间约束K-Means聚类方法，对研究区农田生态系统服务进行管理分区（图4）。

图4 陇东黄土高原农田生态系统服务管理分区Fig.4 Management division of farmland ecosystem service in Longdong Loess Plateau

重点供给区主要包括陇东南部的13个县（区），是农田生态系统服务的相对高值与协同关系分布区。该区自然禀赋相对较好，可大力推进高标准农田高质量建设，全面落实“藏粮于地、藏粮于技”战略，筑牢粮食安全根基。

生态保护区主要集中在镇原县、庆城县与崆峒区的局部地方，是农田生态系统调节服务（水源涵养与碳固存服务）提升区。该区恰好位于研究区南部冷温带半湿润区与北部冷温带半干旱区之间，加大诸如太统—崆峒山国家级自然保护区建设力度，更好发挥其涵养水源、调节气候等服务功能，进而起到守护陇东黄土高原农田生态系统的生态屏障作用。

多功能农业区主要集中在泾川县南部与灵台县东部，是农田生态系统4 类服务高值交汇地。该区位于半湿润地区，应不断挖掘地域优势，发展旱地农业优势特色产业（如平凉红牛、静宁苹果、设施蔬菜、中医中药等农业重点产业链），以维持该区农田生态系统多功能。

综合保护区主要包括环县、华池县与合水县的局部地区，是农田生态系统服务相对低值与协同关系分布区。该区一方面需推进高标准农田建设，同时加强坡耕地水土流失综合治理，保护好优质阪田（梯田）景观，另一方面采取退、造、封、育、护等手段，工程措施和生物措施相结合，进行山、水、林、田、路系统治理。

3 讨论

陇东黄土高原是中国农耕文明发祥地之一，但生态环境脆弱、水土流失严重、水资源短缺，整体上农田生态系统服务功能不强。为提高该地区农田生态系统服务功能（特别是食物供给服务），巩固新时代“陇东粮仓”地位，可从三方面着手：一是加强高标准农田建设，推广保护性耕作[34]，采取间作、套种、轮作等立体旱作循环农业模式[35]，夯实“藏粮于地、藏粮于技”的物质基础；二是推动传统农耕文化精髓与现代农业（如庆阳“三元双向”循环农业新模式）耦合发展，打造具有陇东地域特色的、可持续农业的优化生态—生产范式；三是针对农田生态系统服务的空间异质性，实施分区管理[20,36]，采取“重点供给区推进高标准农田建设、生态保护区建好生态屏障、多功能农业区发展优势特色产业、综合保护区系统治理”策略。

本研究表明，陇东黄土高原农田生态系统服务之间均表现为不同程度的协同关系。这与淮河流域、黑龙江省农田生态系统食物供给服务与水源涵养、土壤保持服务之间为权衡关系的研究结论有所不同[29,36]，这主要是由于气温降水、地形地貌、土壤植被等自然环境因子以及农业发展程度存在较为明显的空间异质性。此外，这些研究结果的区域差异性进一步印证了生态系统服务的尺度效应[21]，说明依据大尺度生态系统服务评估结果来研判小范围的农田生态系统服务功能可能存在弊端。陇东黄土高原也是中国北方农牧交错带的重要组成部分，气候条件适宜发展多种作物，因此树立“大食物观”，选育优质耐旱作物品种，依据研究区自然条件的空间异质性，形成各具特色的粮食（如小麦、玉米）—经济（如苹果）—饲料（如苜蓿）作物种植结构[37]，以提高农田生态效率和食物供给能力。针对陇东黄土高原水土流失严重的状况，结合黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略，全面推广水土流失综合治理与特色农业协同发展的水土保持型生态农业[38]（如“牧—沼—果”生态农业）。高度重视陇东黄土高原农田生态系统碳固存服务功能，充分发挥农作物自身固碳、土壤有机碳库和秸秆还田固碳等耕地碳汇的作用，助力实现“双碳”目标。汲取农耕文化精髓，建设农耕文化生态保护区和田园综合体，提升农田美学景观服务功能。

4 结论

本研究基于社会经济与资源环境数据，运用降水贮存量法、通用土壤流失方程、InVEST 等6 种生态系统服务评估模型，测算2020 年陇东黄土高原农田生态系统供给服务、调节服务、支持服务和文化服务的物理量，并采用皮尔逊相关系数、双变量莫兰指数，分别识别供给服务与其他3 类服务间的权衡协同关系、各项服务之间关系的空间异质性。主要结论如下：

1）数值上，2020 年陇东黄土高原农田生态系统食物供给、碳固存、土壤保持服务量分别为4.61×106、2.94×106、6.61×109t、水源涵养量2.45×108m3、生境维持服务均值为0.26；空间上，由于气候、土壤、地势以及社会经济发展规划等原因，研究区农田生态系统供给服务与文化服务均呈“东西高、中北低”的分布格局，调节服务与支持服务则呈“带状”分布格局。

2）研究区农田生态系统供给服务与调节、支持、文化服务之间的相关系数分别为0.97、0.85、0.97，食物供给服务与水源涵养、碳固存、土壤保持、生境维持、美学景观服务之间的相关系数分别为0.94、0.99、0.93、0.82、0.97，均表现为不同程度的协同关系。

3）研究区农田生态系统4 类服务之间、各项子服务之间的权衡协同关系均具有空间自相关性，空间异质性显著。各项服务之间的协同关系“组团”出现，聚集性较明显，主要位于陇东中北部地区；各项服务之间的权衡关系则零散分布在崆峒区、西峰区与环县周围，聚集性不明显。同时，对比4 类服务之间、各项子服务之间的权衡协同关系，两方面之间的空间异质性不明显。

4）全力维持陇东黄土高原农田生态系统多功能性，实施分区管理策略，充分发挥农田生态系统各类服务的协同效应，整体提升农田生态系统服务功能。