李　晶, 李紅艷, 張　良

1 陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院, 西安　710062 2 武漢大學(xué)測繪學(xué)院, 武漢　 430079

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關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

李晶1,*, 李紅艷1, 張良2

1 陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院, 西安710062 2 武漢大學(xué)測繪學(xué)院, 武漢 430079

摘要:陸地表層植被作為生態(tài)系統(tǒng)主體，具有調(diào)節(jié)氣候、水文調(diào)節(jié)、凈化水質(zhì)、保持水土等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的表現(xiàn)類型、形成機(jī)理、尺度依存和區(qū)域差異，對(duì)于制定區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)“雙贏”的政策措施具有重要意義。以關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)為主要研究對(duì)象，利用相關(guān)模型，計(jì)算關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)NPP，固碳釋氧，水文調(diào)節(jié)，水土保持，糧食生產(chǎn)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，利用ESCI和ESSI兩個(gè)指數(shù)研究其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化，利用相關(guān)系數(shù)和空間制圖的方法研究它們之間的相互權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。結(jié)果表明：從時(shí)間角度分析，各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；從空間角度分析，2000年和2010年存在相似的空間分布格局，從北向南，NPP和固碳釋氧的價(jià)值逐漸增大，水土保持價(jià)值變化量的大小也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，北部變化量小，南部變化量大，水文調(diào)節(jié)價(jià)值從西向東增大，從北向南增大，糧食生產(chǎn)價(jià)值量最小的是西安市市區(qū)，糧食生產(chǎn)價(jià)值量最大的是西安市的郊區(qū)和郊縣及咸陽市。2000年到2010年間，調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著此消彼長的權(quán)衡關(guān)系；各個(gè)區(qū)縣的總生態(tài)服務(wù)價(jià)值指數(shù)從北向南、從西向東是不斷增大的。

關(guān)鍵詞：關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)；生態(tài)服務(wù)價(jià)值；相互關(guān)系；協(xié)同

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，為人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的所有收益[1- 2]。陸地表層植被作為生態(tài)系統(tǒng)(本文主要研究林地、草地、耕地以及農(nóng)田)的主體，具有調(diào)節(jié)氣候、水文調(diào)節(jié)、凈化水質(zhì)、保持水土等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有種類多樣性、空間分布不均衡性以及人類使用選擇性等特點(diǎn)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有此消彼長的權(quán)衡、相互增益的協(xié)同等關(guān)系形式[3- 10]。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在明顯沖突，人類在追求經(jīng)濟(jì)利益的過程中，由于應(yīng)用不當(dāng)，使得供給服務(wù)上升，而調(diào)節(jié)功能卻下降，原來的生態(tài)平衡被破壞，生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)受到嚴(yán)重限制，最終危害人類的生態(tài)環(huán)境。因此，解決各種生態(tài)服務(wù)的沖突刻不容緩[4]。理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的表現(xiàn)類型、形成機(jī)理、尺度依存和區(qū)域差異，對(duì)于制定區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)“雙贏”的政策措施，指導(dǎo)人來合理開發(fā)利用自然資源具有重要意義[11- 16]。國外一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些探索，Bennett等認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的復(fù)雜關(guān)系歸于兩個(gè)原因：一是多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受共通因素驅(qū)動(dòng)；二是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)本身之間存在著復(fù)雜的相互作用[17]。Raudsepp-Hearne通過分析不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局，提出了“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇”的思路來分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系[18]；Barbier等研究表明芒果林與海岸帶保護(hù)、林產(chǎn)品、魚類的生境等存在著權(quán)衡關(guān)系[19]；Pretty等通過分析280個(gè)小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資案例，發(fā)現(xiàn)某些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)可同時(shí)提供多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能如碳固定、水質(zhì)提高和水平衡等[20]。Bryan 的研究發(fā)現(xiàn)，市場激勵(lì)政策和措施可通過土地利用的傳導(dǎo)作用最終影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同[21]。Martín-López 等通過一項(xiàng)3379份的面對(duì)面問卷調(diào)查表明，隨著人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的選擇性加強(qiáng)，利用強(qiáng)度不斷加大，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的此消彼長的權(quán)衡現(xiàn)象會(huì)越來越普遍[22]。Chen等以中國2000年土地利用數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用CLUE模型和情景分析法分析森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化[23]。Bai 等應(yīng)用InVEST模型分析了河北白洋淀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水電生產(chǎn)和水質(zhì)量維持3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系，并尋找出兼顧生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的土地利用方案[24]。Su等以黃土高原延河流域?yàn)榘咐齾^(qū)，以鄉(xiāng)為單位構(gòu)建了人類活動(dòng)指數(shù)(HAI)，并分析了這一指數(shù)與初級(jí)生產(chǎn)力、碳匯、產(chǎn)氧量、水土保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系[25]。這些研究在此方面已經(jīng)取得一些成績，但是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的尺度依存和區(qū)域差異研究還很薄弱。基于此，本文以關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)為主要研究對(duì)象，利用相關(guān)模型，計(jì)算關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力(NPP)，固碳釋氧，水文調(diào)節(jié)，水土保持，糧食生產(chǎn)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。為了更好的表現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)間變化，參考土地利用的時(shí)空變化指數(shù)方法，本研究構(gòu)建生態(tài)服務(wù)變化指數(shù)(ESCI)和生態(tài)服務(wù)指數(shù)(ESSI)來表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化狀態(tài)。利用相關(guān)系數(shù)和空間制圖的方法最后評(píng)估他們之間的相互權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)是《西部大開發(fā)“十一五”規(guī)劃》提出的繼成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)和廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)之后的第三個(gè)重點(diǎn)發(fā)展經(jīng)濟(jì)區(qū)，地跨陜西、甘肅兩省，具體有陜西的西安、寶雞、銅川、渭南、咸陽、楊凌、商洛(部分區(qū)縣)和甘肅天水所轄行政區(qū)(共65個(gè)縣區(qū)市)，總面積約8.01萬km2(圖1)。關(guān)天水經(jīng)濟(jì)區(qū)地勢特點(diǎn)西高東低，并呈“槽狀”，中部低，南部和北部高，由東部的關(guān)中平原和西部天水的渭河谷地及黃土丘陵三部分構(gòu)成。關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)的人口從2000年的2258萬增長到了2010年的2924萬人，增長了29.5%，耕地面積先減少后增加，整體來看略有增長，增長了0.76%，10年中并沒有發(fā)生太大的變化。

圖1　關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)位置圖Fig.1　Location of Guanzhong-Tianshui economic region

1.2數(shù)據(jù)來源

本文主要應(yīng)用1956—2011年逐月實(shí)測的降水量、濕度、溫度等氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，還有野外實(shí)地考察獲得的植被、水文、土壤分布、地形地貌、土地利用和退耕還林實(shí)施情況等資料；還包括8個(gè)氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度、高程信息；本研究中選用的影像資料包括Landsat TM、Landsat ETM+和SPOT4衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。運(yùn)用ERDAS 9.2軟件，對(duì)影像進(jìn)行解譯，得到1∶10萬的土地利用類型空間分布圖和土地利用類型的屬性數(shù)據(jù)庫。

1.3測評(píng)模型

1.3.1生態(tài)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算

本文主要采用傳統(tǒng)的方法對(duì)關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)的生態(tài)服務(wù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)MA的分類體系[26-27]，將其分為兩類，其中NPP、固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)和水土保持為調(diào)節(jié)型生態(tài)服務(wù)功能，糧食生產(chǎn)為供給型生態(tài)服務(wù)功能。

(1)凈第一性生產(chǎn)的測算

本研究采用由Potter[14,28]提出并建立的CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型。模型的主要輸入?yún)?shù)包括：平均溫度、蒸散量、日照時(shí)數(shù)、植被指數(shù)、反照率、植被類型、像元經(jīng)緯度信息等。遙感估算模型中植被NPP可以由植被吸收的光合有效輻射(APAR)和實(shí)際光能利用率(ε)兩個(gè)因子的積表示，具體模型如下：

(2)固碳釋氧價(jià)值測評(píng)模型

在生態(tài)系統(tǒng)中，植物進(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳并釋放氧氣?；诠夂献饔霉胶蚇PP的計(jì)算結(jié)果，每生產(chǎn)1.00 kg干物質(zhì)能固定1.63 kg的CO2，釋放1.2 kg的O2。根據(jù)李金昌[29]等人的研究成果，估算固定CO2的價(jià)值采用造林成本法。估算固碳釋氧的價(jià)值時(shí)采用中國造林成本352.93元/t和工業(yè)制氧成本0.4元/kg的平均值。

(3)水文調(diào)節(jié)的測評(píng)模型

生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能是通過對(duì)降水的截留、蒸散、吸持、儲(chǔ)存來實(shí)現(xiàn)的，包括冠層截留、枯落物吸持、土壤蓄水3個(gè)部分，植被蓄水能力是這三部分之和，又稱綜合蓄水能力法。根據(jù)前人的研究成果[30- 32]和關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)地形地貌特征，計(jì)算關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)物質(zhì)量。因此本文采用基于替代水利工程的影子價(jià)格法[15- 18]來計(jì)算水文調(diào)節(jié)的價(jià)值量，其計(jì)算公式為:

式中，V為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)價(jià)值，Q為植被水文調(diào)節(jié)的總物質(zhì)量，Qg為某種替代工程的水容量，Vg為替代水利工程的價(jià)值，l為發(fā)展階段系數(shù)(中國生態(tài)價(jià)值發(fā)展階段系數(shù)為0.2175—0.4257[30- 32])。

(4)水土保持的測評(píng)模型

土壤保持的服務(wù)效益主要體現(xiàn)在減少土地廢棄，減少土壤肥力，減少泥沙淤積和減少風(fēng)沙災(zāi)害4 個(gè)方面，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況以及數(shù)據(jù)的可獲取性，本文通過土壤侵蝕量的計(jì)算，從減少土地廢棄價(jià)值、減少土壤肥力損失價(jià)值和減少泥沙淤積損失價(jià)值3 個(gè)指標(biāo)來計(jì)算各土地利用類型的水土保持價(jià)值以及水土保持總價(jià)值[30- 33]。本文土壤侵蝕量通過土壤流失方程USLE 進(jìn)行估算，需要通過降雨因子、地表覆蓋因子、土壤侵蝕性因子、水土保持措施因子、地形因子以及土地利用類型來計(jì)算。

減少泥沙淤積損失價(jià)值公式：

En=Ac×Rs×Cs

減少土地廢棄價(jià)值公式：

ES=AC×B÷P÷0.6

減少土壤肥力損失價(jià)值公式：

Ef=∑ACCiPi

式中,Es為減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)效益(元 m-2a-1)；B為林業(yè)年均收益；P為土壤容重(t/m3)；Ac為土壤侵蝕量；Ci為土壤中氮、磷、鉀的純含量；Pi為氮、磷、鉀的價(jià)格；Rs為淤積于水庫、江河、湖泊中的泥沙占土壤總侵蝕量的比例，這里取我國平均值24%；Cs為平均庫容工程費(fèi)(元/m3)。

(5)糧食產(chǎn)量價(jià)值測評(píng)模型

本研究用單位面積上糧食產(chǎn)量的價(jià)值來表征糧食生產(chǎn)的服務(wù)能力。糧食產(chǎn)量的測評(píng)所需數(shù)據(jù)主要來源于陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒和國家公布的糧食單價(jià)，再計(jì)算出各縣級(jí)單位面積的糧食產(chǎn)量價(jià)值，之后將其轉(zhuǎn)換成柵格。

1.3.2生態(tài)服務(wù)價(jià)值時(shí)間變化模型

為了評(píng)估生態(tài)服務(wù)價(jià)值的時(shí)間變化，本研究采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)(Ecological Services Change Index, ESCI)和生態(tài)服務(wù)指數(shù)(Ecological Services State Index, ESSI)來進(jìn)行評(píng)估。每一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)表明了不同的情況，ESCI提供生態(tài)服務(wù)時(shí)間變化的洞察力，ESSI提供對(duì)所有生態(tài)服務(wù)功能積累的評(píng)價(jià)。必須指出的是，ESCI方法能鑒別某種特定生態(tài)服務(wù)變化的方向，ESSI不能。ESSI的目的是提供所有生態(tài)服務(wù)功能的一種整體評(píng)價(jià)。

式中,ESCIx代表某種功能的生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化指數(shù)，ESCURx代表最后狀態(tài)下的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，ESHISx代表最初狀態(tài)下的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

式中，ESSIx代表生態(tài)服務(wù)的指數(shù)，n代表生態(tài)服務(wù)功能數(shù)目。

ESCI代表每個(gè)單個(gè)生態(tài)服務(wù)的相對(duì)增益或損失，然而對(duì)于某一個(gè)區(qū)域所有生態(tài)服務(wù)功能的積累狀態(tài)是一個(gè)無量綱的方法。ESCI的0值表明生態(tài)服務(wù)價(jià)值沒有變化，即沒有增益或損失。ESCI為<0的情況下，表明生態(tài)服務(wù)的損失情況超過了參照標(biāo)準(zhǔn)。ESCI為>0的情況下，表明生態(tài)服務(wù)處于增益的狀態(tài)。

1.3.3權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究方法

本研究以關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)的行政區(qū)劃為基準(zhǔn)，以ArcGIS為平臺(tái)，建立1 km×1 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)(fishnet)，再利用空間統(tǒng)計(jì)工具統(tǒng)計(jì)出網(wǎng)格中每一個(gè)網(wǎng)格(以ID識(shí)別)的價(jià)值。以每個(gè)網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為數(shù)據(jù)源，將生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行歸一化，然后計(jì)算出各區(qū)域的總生態(tài)服務(wù)指數(shù)。以SPSS軟件為支持，對(duì)五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)分析，從而得到NPP、固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、水土保持和糧食生產(chǎn)之間的相關(guān)性。

2結(jié)果分析

2.1生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化分析

在研究中，2005年和2010年數(shù)據(jù)作為最后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀況，2000年數(shù)據(jù)作為最初生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀況。圖2表示每種生態(tài)服務(wù)功能從2000年到2005年和2000年到2010年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值的損失或收益情況。NPP和固碳釋氧有著相同的變化趨勢，從圖中明顯可以看出，關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)的西部或西北部地區(qū)的ESCI值大于0，NPP和固碳釋氧價(jià)值增加較多，東部地區(qū)ESCI值小于0，說明東部地區(qū)NPP和固碳釋氧價(jià)值量有所損失；水土保持的變化沒有特殊的規(guī)律，2000年到2005年，水土保持主要是表現(xiàn)為價(jià)值的增益，其中，西部天水地區(qū)增益較明顯，中部西安地區(qū)增益量較少，2000年到2010年，水土保持價(jià)值主要是增益的狀態(tài)，西部和西南部增益較多，中部地區(qū)增益較少；2000年到2005年，關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)大部分水源涵養(yǎng)的價(jià)值量并沒有發(fā)生增益或損失，而2000年到2010年，其東部水源涵養(yǎng)的價(jià)值量有明顯的增益，西部地區(qū)有部分區(qū)域有價(jià)值損失，其他地區(qū)并沒有什么變化；2000年到2005年和2000年到2010年，糧食生產(chǎn)價(jià)值的ESCI指數(shù)分布情況相似，除了西安城區(qū)的價(jià)值量有損失外，其他區(qū)域均有增益。圖3表示考慮所有生態(tài)服務(wù)功能在內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增益或損失情況。從圖中可以看出，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)天水市較大，由西向東越來越小的趨勢。也就是說天水地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增益量最大，從西向東，增益量越來越少，只有西安城區(qū)部分出現(xiàn)損失。

圖2　ESCI空間分布圖Fig.2　the distribution of ESCI

圖3　ESSI空間分布圖Fig.3　 ESSI figure in 2005,2010

2.2生態(tài)服務(wù)價(jià)值之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

2.2.1生態(tài)服務(wù)功能的相互關(guān)系

以每個(gè)網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為基礎(chǔ)，將其進(jìn)行歸一化，將2000年和2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格相減，得到每個(gè)格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量。格網(wǎng)數(shù)為19214。以SPSS軟件為支持，對(duì)五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)分析，從而得到NPP、固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、水土保持和糧食生產(chǎn)之間的相關(guān)性(表1)。固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、水土保持等調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與糧食生產(chǎn)供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在負(fù)相關(guān)，具有此消彼長的權(quán)衡關(guān)系。固碳釋氧、水土保持與水源涵養(yǎng)它們之間具有一定的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)較高，具有協(xié)同的關(guān)系；生態(tài)環(huán)境的改善，會(huì)使得固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、水土保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增長迅速，可能會(huì)造成糧食生產(chǎn)的下降。

表1　2000—2010年關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值間關(guān)系

**0.01水平上顯著相關(guān)(雙尾);*0.05水平上顯著相關(guān)(雙尾)

2.2.2生態(tài)服務(wù)功能相互關(guān)系的空間差異

以關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)的各個(gè)市級(jí)，區(qū)縣為基礎(chǔ)，計(jì)算出各區(qū)域的總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)。得出2000年，2005年和2010年各個(gè)市級(jí)，縣域各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的空間差異(圖4)。從圖4可以看出，寶雞市的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都比較突出，其次是渭南，咸陽和西安，楊凌區(qū)由于面積比較小，因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是最小的。從2000年到2010年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系，調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(NPP、固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、水土保持)之間明顯的協(xié)同關(guān)系，而調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著明顯的此消彼長的權(quán)衡關(guān)系，尤以寶雞市突出。從空間分布上看，總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)從北向南、從西向東是不斷增大的，北部的市縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)明顯小于南部臨近秦嶺的市縣，西部市縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)小于東部，關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)中部地段供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較強(qiáng)于其他區(qū)域，糧食生產(chǎn)所占比重較大。從時(shí)間上看，2000年到2010年總生態(tài)服務(wù)指數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，部分地區(qū)略有減小，主要為天水和銅川一帶，秦嶺太白山一帶并沒有發(fā)生大的變化。

圖4　市級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能關(guān)系圖Fig.4　Interaction of ecosystem services in city scale

經(jīng)過對(duì)全區(qū)各縣總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)的計(jì)算中，2000年，調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)最高的是鳳縣，最低的是甘谷縣，供給型生態(tài)服務(wù)指數(shù)最高的是高陵縣，最低的是太白縣。2010年，調(diào)節(jié)型生態(tài)服務(wù)指數(shù)最高的是鳳縣，最低的是甘谷縣，供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)最高的是咸陽市，最低的是太白縣。因此，將其8個(gè)典型區(qū)縣進(jìn)行分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系模式。從圖5中可以看出，2000年，鳳縣調(diào)節(jié)型生態(tài)服務(wù)指數(shù)最高，其中NPP和固碳釋氧值為1，但糧食生產(chǎn)的值很小，為0.0057，高陵縣糧食生產(chǎn)指數(shù)最高，為1，但其調(diào)節(jié)型生態(tài)服務(wù)指數(shù)較低；2010年存在同樣的規(guī)律。也就是說，當(dāng)調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)增強(qiáng)的態(tài)勢時(shí)，供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)則呈現(xiàn)削弱的態(tài)勢，調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)強(qiáng)烈此消彼長權(quán)衡態(tài)勢。

圖5　2000、2010年關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)主要縣區(qū)生態(tài)服務(wù)相互關(guān)系模式Fig.5　Interaction patterns of ecosystem services in mainly region in 2000 and 2010

3討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算采用了傳統(tǒng)和國內(nèi)比較通用的研究方法，與同行相關(guān)成果進(jìn)行對(duì)比，得到比較可信的研究結(jié)果。但是一些模型也具有一些不確定性，比如影子工程法水庫的選取。糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)主要來源于統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，具有區(qū)域限制。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的分析采用了SPSS相關(guān)分析法和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)進(jìn)行分析。本文對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的關(guān)系進(jìn)行了市域和縣域尺度空間差異研究。從全區(qū)64個(gè)縣來看，大部分的縣域都符合此消彼長的權(quán)衡規(guī)律，只有楊凌區(qū)，調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)與供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)相差不大。這與楊陵區(qū)國家農(nóng)業(yè)示范區(qū)，有著良好的農(nóng)業(yè)條件有著密切關(guān)系。因此選取了每個(gè)年份調(diào)節(jié)型和供給型最高和最低的縣域進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)論進(jìn)行了證實(shí)。通過權(quán)衡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的各種目標(biāo)在一定程度上減緩沖突的發(fā)生，使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總體效益達(dá)到最大。一些環(huán)境保護(hù)政策，會(huì)使得固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、水土保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能增長迅速，可能會(huì)造成糧食生產(chǎn)的下降。因此從國家糧食安全角度，關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)的耕地面積應(yīng)該保持一定規(guī)模，尤其它是主要的糧食產(chǎn)區(qū)，面積不宜縮小。由政府安排農(nóng)民的生活和就業(yè)問題，給予足夠的補(bǔ)償；在提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面，盡量是保護(hù)區(qū)集中、連續(xù)、發(fā)揮最大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益。對(duì)于已經(jīng)開墾的耕地，通過改造中低產(chǎn)田，利用邊際土地，改進(jìn)農(nóng)業(yè)設(shè)施等措施提高糧食產(chǎn)量，保障糧食供給[1]。目前我們對(duì)于權(quán)衡與協(xié)同的研究還是基于統(tǒng)計(jì)關(guān)系的數(shù)量分析，今后主要從機(jī)制和機(jī)理方面對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動(dòng)態(tài)變化的影響進(jìn)行研究。

4結(jié)論

本研究利用了傳統(tǒng)方法對(duì)NPP、固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、水土保持和糧食生產(chǎn)的服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)2000年到2010年價(jià)值的變化進(jìn)行了比較，最后通過相關(guān)系數(shù)來判斷他們之間的相互關(guān)系。本研究構(gòu)建生態(tài)服務(wù)變化指數(shù)(ESCI)和生態(tài)服務(wù)指數(shù)(ESSI)來表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化狀態(tài)。利用相關(guān)系數(shù)和空間制圖的方法最后評(píng)估他們之間的相互權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。通過研究我們可知，調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分布格局有一定的相似之處，南部的價(jià)值明顯多于北部；而供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由中部到邊緣不斷減小。從總體上看，2000年到2010年生態(tài)服務(wù)價(jià)值是呈現(xiàn)增大的趨勢。從相關(guān)性方面看，水土保持與水文調(diào)節(jié)具有一定的相關(guān)性，呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較高。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間格局看，調(diào)節(jié)型生態(tài)服務(wù)與供給型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)明顯的此消彼長權(quán)衡現(xiàn)象。

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Ecosystem service trade-offs in the Guanzhong-Tianshui economic region of China

LI Jing1,*,LI Hongyan1, ZHANG Liang2

1CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,China2SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

Abstract：The Millennium Ecosystem Assessment (MEA) has highlighted the dependence of human well-being on ecosystem services. In recent studies, the links between nature and the economy are often described using the concept of ecosystem services, which is the flow of value, measured as the quantity of natural resources, to human societies. Natural ecosystems provide society with important goods and services. With the rapid increase in human population and the excessive utilization of natural resources, humans frequently enhance the production of some services at the expense of others. Although the need for trade-offs between conservation and development is urgent, the lack of efficient methods to assess such trade-offs has impeded progress. This study focused on the evaluation of ecosystem services under different land use practices in the Guanzhong-Tianshui economic region of China using indices such as the ecosystem services change index (ESCI) and ecological service status index (ESSI). GIS-based techniques were used to map spatial and temporal distributions as well as the changes in ecosystem services. Research on the trade-offs and synergies between these ecosystem services were based on a correlation rate model and on distribution mapping. The results of the study show that (1) the ESCI value of Net Primary Productivity (NPP) and carbon sequestration increased in the western or northwestern regions of the area under study, while there was a loss of NPP and carbon sequestration in the eastern region. The water conservation value in the eastern region significantly increased, whereas it decreased in the western part. The other areas show no change. There was a gain in agricultural production in all regions, except Xi′an city. The ESSI value was the largest in Tianshui City, and showed a decreasing trend from west to east. (2) All of these services show trade-offs and synergy. Carbon sequestration was based on the NPP value, so the correlation coefficient was 1. The spatial pattern of soil conservation and water conservation were similar, so they have a higher correlation coefficient. Lastly, (3) ecological service was prominent in Baoji City, followed by the cities of Weinan, Xianyang, and Xi′an. Supporting ecological services were the highest in Fengxian County, followed by the counties of Zha Shui, Taibai, and Hua Yin. In contrast, supporting ecological services were the lowest in Gan Gu County, followed by the counties of Da Li and Qin An. Provisioning ecological services were high with the highest being in Fengxian County followed by Xian Yang City, and lowest in Taibai County. Looking at the spatial distribution, the total ecosystem services index increases from north to south and from west to east. The indexes for the cities and counties in the north were significantly lower than for those near the southern Qinling Mountains; therefore, the index was lower for the western part than for the eastern part. Provisioning ecological services, of which agricultural production accounts for a large proportion in the central area, was stronger than in the other areas. From 2000 to 2010, the total index of ecological services increased, although there was a slight decrease in some areas, mainly in the cities of Tianshui and Tongchuan. The Qinling-Taibai mountain region did not register any significant changes. From 2000 to 2010, all of these services presented trade-offs and synergy, especially in Baoji City. The supporting ecosystem services index in Fengxian County was the highest and had a NPP and carbon sequestration of 1, but agricultural production was very small at 0.0057. The food production index was the highest at 1, but the supporting ecosystem services index was low. This study suggests that the evaluation and visualization of ecosystem services could effectively assist in understanding the trade-offs between conservation and development. The results have implications for the planning and monitoring, which can be integrated into land use decision-making, of the future management of natural capital and ecosystem services.

Key Words:Guanzhong-Tianshui economic zone; ecological service value; relationship; trade-offs

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371020)；中央高校特別支持項(xiàng)目(GK2015020210)

收稿日期:2014- 08- 26; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: lijing@snnu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201408261688

李晶, 李紅艷 張良.關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(10):3053- 3062.

Li J,Li H Y, Zhang L.Ecosystem service trade-offs in the Guanzhong-Tianshui economic region of China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):3053- 3062.