王曉峰,馬 雪,馮曉明,周潮偉,傅伯杰,4

1 長安大學地球科學與資源學院,西安 710054 2 陜西省土地工程重點實驗室,西安 710054 3 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 4 北京師范大學陸地表層系統(tǒng)科學與可持續(xù)發(fā)展研究院,北京 100085

生態(tài)系統(tǒng)服務是人類從生態(tài)系統(tǒng)中所獲得的各種惠益[1],它是通過生態(tài)系統(tǒng)的功能直接或間接得到的產品和服務[2],是連接自然環(huán)境與人類福祉的橋梁[3]。不同的生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在密切而復雜的關系,主要表現(xiàn)為此消彼長的權衡關系和相互增益的協(xié)同關系[4-5],加強對生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡與協(xié)同關系的理解,有利于提高生態(tài)系統(tǒng)總體效益、保證生態(tài)系統(tǒng)服務的可持續(xù)供給[6]。

生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化以及不同生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系是生態(tài)系統(tǒng)服務研究的重要內容,國內外學者已對此做了很多研究。Yang等[7]利用玫瑰圖以及生產可能性邊界(PPF)的方法,對關中-天水地區(qū)的碳固存、產水和土壤保持之間的權衡與協(xié)同效應進行了評價,結果表明碳固存與土壤保持之間是顯著權衡關系,碳固存與產水量以及產水量與土壤保持之間是協(xié)同關系。Lautenbach 等[8]比較分析了3種(地圖對比法、情景分析法、基于優(yōu)化景觀權衡分析法)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡的方法,結果指出地圖對比法和情景分析法是目前研究生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系的有效方法。Howe等[9]通過分析給人類帶來福祉的全球生態(tài)系統(tǒng)服務的案例發(fā)現(xiàn)權衡記錄幾乎是協(xié)同增效的3倍,權衡比協(xié)同更能帶來理想結果。傅伯杰等[10]以黃土高原地區(qū)為例探索了生態(tài)系統(tǒng)服務權衡及區(qū)域集成方法,研究結果表明,土地利用變化與土壤保持、碳固定具有正效應,與產水量之間存在負效應。陳登帥等[11]利用CA-markov模型預測了渭河流域2050年在最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)服務下的土地利用格局。王鵬濤等[12]基于逐像元偏相關的時空統(tǒng)計制圖方法對漢江流域的土壤保持服務、產水服務、NPP進行空間制圖,并分析了三者之間的權衡與協(xié)同關系。但是目前對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系的研究多集中在局地尺度,對宏觀尺度的研究較少[3]。

生態(tài)恢復是通過人為干預、啟動或促進退化生態(tài)系統(tǒng)恢復進程的活動,被認為是應對生態(tài)退化,改善生態(tài)系統(tǒng)服務的有效手段[13]。生態(tài)恢復能夠從物種組成、生態(tài)系統(tǒng)功能、景觀環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性4個方面對生態(tài)系統(tǒng)產生作用,改變生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能及自我維持能力從而對生態(tài)系統(tǒng)服務產生重要影響。近年來,對于生態(tài)恢復的研究也逐漸聚焦到生態(tài)系統(tǒng)服務上來[14]。已有研究對全球范圍內89項生態(tài)恢復案例進行meta分析,結果顯示生態(tài)恢復與生態(tài)系統(tǒng)服務呈正相關關系,能夠促使生態(tài)系統(tǒng)服務恢復25%,但尚未達到退化前水平。大量研究表明，造林對生態(tài)系統(tǒng)服務有很大影響,它可以保持土壤且增加碳匯,但是會使產水量降低[15-29]。Jia等[17]研究表明在退耕還林工程的影響下供給服務和調節(jié)服務之間表現(xiàn)出權衡關系,調節(jié)服務之間表現(xiàn)出協(xié)同關系。Koch等[18]分析證明了西澳洲實施的紅柳桉樹林恢復項目使得該區(qū)域的碳固存和水源涵養(yǎng)得到明顯改善。Marton等[19]證實了美國濕地保護項目和保育休耕項目恢復了濕地和濱岸緩沖帶由農田開發(fā)而喪失的水質凈化服務。孫藝杰等[20]探究了退耕還林政策和地形坡度對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系動態(tài)變化的影響。雖然目前已有很多研究來證明生態(tài)恢復對生態(tài)系統(tǒng)服務的改善作用,但是目前還沒有系統(tǒng)地評價恢復行動在提高生態(tài)系統(tǒng)服務方面的效力[21]。過去50年來,我國在國家和地方層面上開展了大量的生態(tài)恢復技術研發(fā)工作以及大量的生態(tài)工程建設,這些工程有的已經顯現(xiàn)出一定的效益,有的還處在摸索和調整階段。由于生態(tài)恢復是一個長期的動態(tài)過程,對其進行科學、系統(tǒng)的評價能夠為生態(tài)恢復提供反饋信息,進而為改善生態(tài)系統(tǒng)提高生態(tài)系統(tǒng)服務功能提供有益的信息參考。因此探究生態(tài)恢復對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系的影響對進一步調整生態(tài)恢復工程具有重要意義。

我國是世界上生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)分布面積最大、脆弱生態(tài)類型最多、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最明顯的國家之一。據(jù)統(tǒng)計,中度以上生態(tài)脆弱區(qū)面積約占陸地總面積的55%[22],并且大多位于生態(tài)過渡區(qū)和植被交錯區(qū),是典型的農牧、林牧、農林等復合交錯帶,也是我國目前生態(tài)問題突出、經濟相對落后和人民生活貧困區(qū),同時也是我國環(huán)境監(jiān)管的薄弱地區(qū)。目前對我國重點脆弱生態(tài)區(qū)的生態(tài)脆弱性已有學者做過不同程度的研究。郭兵等[23-24]分別對青藏高原區(qū)和西北干旱荒漠區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性做了研究,結果表明青藏高原區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)脆弱性整體處于中度脆弱狀態(tài),西北干旱區(qū)則處于中-重度脆弱狀態(tài),并且其生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時空變化分異格局與地形、氣候(氣溫、降水等)、人口密度存在顯著相關性。彭建等[25]以云南省永勝縣為例用生態(tài)系統(tǒng)服務功能衡量了滇西北生態(tài)脆弱區(qū)土地利用類型的相對生態(tài)價值。高旺盛等[26]通過分析黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務價值發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值依然存在,但遠不足以維持系統(tǒng)的自我循環(huán),才會導致生態(tài)環(huán)境惡化趨勢日趨嚴重。目前,多數(shù)研究主要集中在生態(tài)脆弱區(qū)的脆弱性實證評價研究[27],對整個重點脆弱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系研究較少。生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)恢復是保證我國及生態(tài)脆弱區(qū)經濟可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。因此,探析我國重點脆弱生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化格局以及不同生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡與協(xié)同關系,有利于科學制定與實施我國重點脆弱生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)管理政策[21],對與實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務效益最大化[28]和保障國家生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略需求[29]具有重要的意義。

基于此,本文采用 RUSLE(The Revised Universal Soil Loss Equation)模型、CASA(Carnegie Ames-Stanford Approach)模型和InVEST產水模型分別評估我國重點脆弱生態(tài)區(qū)1990—2015年土壤保持、植被凈初級生產力(Net primary production, NPP)和產水服務的時空分布格局特征,采用皮爾遜積矩(Pearson) 相關系數(shù)法量化不同服務空間上的權衡與協(xié)同關系,并基于植被分布場數(shù)據(jù)(Vegetation continuous fields, VCF)分析了生態(tài)恢復對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系動態(tài)變化的影響,以期為大尺度的國家重點脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)化提供參考,為實現(xiàn)人類福祉和人類社會與生態(tài)系統(tǒng)“雙贏”的目標而努力[6]。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area

我國重點脆弱生態(tài)區(qū)包括北方風沙區(qū)、西北干旱區(qū)、黃土高原區(qū)、青藏高原區(qū)和西南喀斯特區(qū)(圖1)。其中北方風沙區(qū)位于我國北部的農牧交錯帶上,總面積約68萬km2,以半干旱的草原生態(tài)系統(tǒng)為主。西北干旱區(qū)分布于賀蘭山以西,祁連山、阿爾金山、昆侖山以北和新疆全境的廣大區(qū)域,面積約176萬km2,以山地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主。黃土高原區(qū)位于我國中部偏北部,面積約64萬km2,高原內大部分為厚層黃土覆蓋,經流水長期強烈侵蝕,逐漸形成千溝萬壑、地形支離破碎的特殊自然景觀,嚴重的水土流失是該區(qū)域主要生態(tài)環(huán)境問題。青藏高原區(qū)位于我國地形的第一階梯,平均海拔4000 m以上,面積約258萬km2,是我國最大的生態(tài)脆弱區(qū)；該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結構簡單、抗干擾能力弱并且易受全球環(huán)境變化的影響。西南喀斯特區(qū)是我國喀斯特地貌的主要分布區(qū),面積約193萬km2,該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱易受人類活動影響。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)包括降水、氣溫、日照時數(shù)等來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)；遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云Landsat TM、MODIS數(shù)據(jù)；DEM數(shù)據(jù)亦來源于地理空間數(shù)據(jù)云ASTER GDEM V2 版數(shù)據(jù),分辨率為30 m；土壤數(shù)據(jù)采用基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(v1.1)(http://westdc.westgis.ac.cn)；植被分布場數(shù)據(jù)來自Song等人的研究成果[30](https://doi.org/10.1038/s41586-018-0411-9)。該數(shù)據(jù)是將地表表示為植被功能類型的分類組合,所采用的數(shù)據(jù)集主要來源于高級超高分辨率輻射計(AVHRR),該數(shù)據(jù)集組合了來自多個衛(wèi)星傳感器的光學觀測,如中分辨率成像光譜儀、Landsat增強型專題成像儀等。

1.3 研究方法

1.3.1土壤保持服務

本文的土壤保持量是以TM、MODIS等遙感數(shù)據(jù)為基礎,結合氣象、DEM、植被和土壤類型數(shù)據(jù),生成模型中涉及的各項侵蝕因子、坡長坡度因子和人為管理因子,基于RUSLE模型計算單個像元內的土壤保持量[31]。該模型適用范圍廣,可操作性強。

SC=R×K×L×S×(1-C×P)

式中,SC為土壤侵蝕指數(shù)(t hm-2a-1),R為降雨侵蝕力因子,K為土壤可蝕性因子,LS為坡長坡度因子,C為植被覆蓋因子,P為水土保持措施因子。

1.3.2植被凈初級生產力

本文主要基于Potter 等建立的Carnegie Ames-Stanford Approach(CASA)模型,來計算重點脆弱生態(tài)區(qū)的植被凈初級生產力。其估算方法如下[32]：

NPP (x,t) = APAR (x,t) ×(x,t)

式中,NPP為植被凈初級生產力(gC m-2a-1),APAR (x,t)為像元x在t月時,植被吸收的光合有效福射(MJ/m2),(x,t)表示像元x在t月時,植被實際的光能利用率(gC/MJ)。

1.3.3產水服務

本文生態(tài)系統(tǒng)產水服務,采用區(qū)域水量平衡法進行評價,利用區(qū)域水分的輸入量降水與輸出量蒸散發(fā)的差值,得到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的產水量[33]。該方法在全球不同氣候類型的流域內進行了校正[34],所得結果較為科學,計算公式如下：

Q=P-ET

式中,Q為產水量(mm),P為年降水量(mm),ET為蒸散量(mm),PET為潛在蒸散量(mm),可采用Hamon 潛在蒸散法求得[35]。ω為植被耗水系數(shù),根據(jù)前人已有校正結果來設置[36-38]。

1.3.4生態(tài)恢復區(qū)的識別確定

植被分布場數(shù)據(jù)相比較于基于分類系統(tǒng)的土地利用數(shù)據(jù)能夠更加具體量化地表的變化,它表示每個陸地像素被TC(tree canopy),SV(short vegetation )和BG(bare ground)覆蓋的百分比,以此代表當?shù)馗叻迳L季節(jié)時的植被組成。其中,TC指的是樹冠垂直投影覆蓋的地面比例。SV表征除樹木以外的植被覆蓋的地面比例,包括灌木,草本植被和苔蘚,而BG表示未被植被覆蓋的地表比例。樹木被定義為高度超過5米的所有植被[30]。本文基于Matlab R2016a平臺,采用Theil-Sen 斜率(TSslope)估計[39-40]和Mann-Kennal 趨勢檢驗[41]的方法獲取重點脆弱生態(tài)區(qū)植被分布場的趨勢變化情況,如果M-K檢驗無統(tǒng)計學意義(P>=0.05),凈變化為0,如果趨勢檢驗顯著(P<0.05),則用趨勢分析估計每個像元的凈變化。在人工種植植被改善生態(tài)環(huán)境的背景下將TC、SV、BG的變化組合進行分類(表1),將顯著變化的像元分類(P<0.05),提取出表1中前4種類型為植被連續(xù)變化顯著的區(qū)域,即生態(tài)恢復區(qū)。其他變化不明顯、沒有變化以及植被覆蓋度減少的區(qū)域為非生態(tài)恢復區(qū)。其中生態(tài)恢復區(qū)的面積約為214萬km2,非生態(tài)恢復區(qū)的面積約536萬km2(圖2)。

表1 研究區(qū)主要土地覆被變化類型

SV: 低矮植被Short vegetation; BG: 裸地Bare ground; TC: 樹冠Tree canopy;表中SV+/SV-表示除樹木以外的植被覆蓋的地面比例增加/減少；BG+/BG-表示未被植被覆蓋的地表比例增加/減少；TC+/TC-表示樹冠垂直投影覆蓋的地面比例增加/減少；表中“*”表示類別。

圖2 重點脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復狀況空間分布 Fig.2 Spatial distributionmap of ecological restoration in key vulnerable ecological areas

1.3.5生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化及相關性量化方法

本文在分析1990—2015年重點脆弱生態(tài)區(qū)3種服務變化趨勢的基礎上,采用基于Matlab R2016a平臺的皮爾遜積矩(Pearson) 相關系數(shù)法對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系進行量化。并利用可視化制圖來量化其空間差異。利用t檢驗的方法,將生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡與協(xié)同關系分為7類,即顯著協(xié)同(r>0,P≤0.05)；較顯著協(xié)同(r>0, 0.050,P>0.1)；顯著權衡(r<0,P≤0.05)；較顯著權衡(r<0, 0.050.1)；其余的為無相關。

2 結果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化分析

1990—2015年重點脆弱生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務整體上呈上升趨勢,其中NPP上升趨勢最為明顯,產水的年際變化波動較大(圖3：(a)、(b)、(c))。具體而言,1990—2015年重點脆弱生態(tài)區(qū)土壤保持服務的年平均值為1426.24 t km-2a-1,最高值在1998年(1932.60 t km-2a-1),最低值在1992年(1157.60 t km-2a-1)；NPP的年均值為376.43 gC m-2a-1,最高值在2013年(419.37 gC m-2a-1),最低值在2000年(352.71 gC m-2a-1),多年來平均以2.04 gC m-2a-1的速率增長。產水服務的年均值為225.97 mm a-1,年際變化波動較大,最高值在2015年(301.58 mm a-1),最低值在1992年(172.19 mm a-1)。從生態(tài)系統(tǒng)服務在時間上的變化關系可以看出,產水量與土壤保持在1990—2015年呈現(xiàn)出比較明顯的協(xié)同變化規(guī)律。NPP與其他兩種服務在1990—2000年間均呈現(xiàn)出權衡變化規(guī)律。

從圖3((d)、(e)、(f)))可以看出,土壤保持量在各個子區(qū)域中的年際變化較緩和,西南喀斯特區(qū)的土壤保持量明顯高于其他區(qū)域,也是年際變化量最大的區(qū)域,其他從高到低依次為青藏高原區(qū)、黃土高原區(qū)、北方風沙區(qū)和西北干旱區(qū)。NPP在各個子區(qū)域中的年際變化都不顯著,西南喀斯特的NPP服務量明顯高于其他區(qū)域,其次是黃土高原區(qū),最低的是西北干旱區(qū),北方風沙區(qū)和青藏高原區(qū)不相上下,但北方風沙區(qū)的年際變化大于青藏高原區(qū),這主要是因為北方風沙區(qū)受人類活動的影響較大。對于產水服務而言,各區(qū)域年際波動變化較其他兩種服務大,其中變化較大的是西南喀斯特區(qū)和黃土高原區(qū),西北干旱區(qū)的均為負值且變化不大,北方風沙區(qū)的值在-100～100之間波動且小于0的年份要多于大于0的年份。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務時間變化趨勢Fig.3 Time trends of ecosystem services in subareas

在空間特征上(圖4),3種服務都呈現(xiàn)出南多北少的特征,變化趨勢在不同區(qū)域表現(xiàn)不同,圖中的變化量均通過顯著性檢驗(P<0.05)。土壤保持服務各個子區(qū)差異較小,相對高值區(qū)位于青藏高原區(qū)的東南部和西南喀斯特區(qū)；土壤保持量明顯增加的地區(qū)幾乎沒有,減少較明顯的地區(qū)除了青藏高原西北部連片分布以外,其他分布較散。NPP的值明顯呈現(xiàn)出南多北少分布特征,高值區(qū)和低值區(qū)集中連片的分布；黃土高原區(qū)和喜馬拉雅山脈東南部的小范圍地區(qū)是變化量的高值區(qū),大部分地區(qū)基本不變。產水服務的空間差異相對較小,西北干旱區(qū)、和北方風沙區(qū)是相對低值區(qū),高值區(qū)分布在青藏高原區(qū)南部和西南喀斯特區(qū)的東部；整體上以基本不變?yōu)橹?主要變化的區(qū)域在青藏高原區(qū)和西南喀斯特區(qū)。這種分布特征與我國水熱分布和地理環(huán)境的差異有很大關系。

圖4 重點脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem services in key vulnerable ecological areas

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同時空動態(tài)變化

本文對整個重點脆弱生態(tài)區(qū)1990—2015年兩兩服務間的相關系數(shù)進行了動態(tài)趨勢分析,圖5的相關系數(shù)均經過顯著性檢驗(P<0.05)。從整個重點脆弱生態(tài)區(qū)的年平均水平來看生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關系數(shù)均大于0,說明整個重點脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務以協(xié)同為主,并且協(xié)同關系均呈減弱的趨勢。其中協(xié)同性降低速度最快的是產水與NPP(平均下降速率為5.7%)。變化較慢的是產水與土壤保持,并且產水與NPP整體上的協(xié)同性較其他兩者較高,平均相關系數(shù)為0.32?？傊?26年來重點脆弱生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務整體表現(xiàn)為協(xié)同減弱的趨勢。

圖5 1990—2015年重點脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系的時間變化趨勢Fig.5 The trend of ecosystem service tradeoffs and synergies in key fragile ecological zones from 1990 to 2015

在空間上(圖6),就土壤保持與產水而言,整體上以顯著協(xié)同為主,西北干旱區(qū)部分地區(qū)出現(xiàn)權衡關系；對于土壤保持與NPP,西北干旱區(qū)的大部分和青藏高原的北部以及北方風沙區(qū)的大部分地區(qū)為無相關關系,在青藏高原南部和西南喀斯特區(qū)較顯著權衡和權衡關系交叉分布,黃土高原區(qū)以協(xié)同關系為主；NPP與產水在西北干旱區(qū)的大部分和青藏高原的北部以及北方風沙區(qū)的大部分地區(qū)為無相關關系,在黃土高原地區(qū)以協(xié)同關系為主,而西南喀斯特區(qū)以顯著權衡以及權衡關系為主。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)服務相關性空間分布Fig.6 Spatial distribution of correlation coefficients between ecosystem services

就各個子區(qū)域的具體差異而言,在土壤保持與產水方面,各子區(qū)域的顯著協(xié)同關系占該區(qū)總面積的比例都在65%以上(圖7),其中黃土高原最高(86.04%),三種等級的權衡關系在各區(qū)的所占比例都非常小(1%左右)。在土壤保持與NPP方面,各子區(qū)中無相關關系所占比例較大,最高的是西北干旱區(qū)(83.01%),在黃土高原區(qū)域內協(xié)同關系的分布面積占50.54%。這與黃土高原極易被侵蝕的土壤類型有關,該區(qū)的土壤保持和NPP表現(xiàn)出比其他區(qū)域較明顯的相互增益的協(xié)同關系。此外,西南喀斯特區(qū)的權衡關系也較明顯,占該區(qū)的47.01%。在NPP與產水方面,除了無相關關系分布較廣以外,黃土高原的協(xié)同關系較突出(占38.48%),西南喀斯特的顯著權衡關系和權衡關系較明顯,分別占該區(qū)的30.84%和46.60%?？傊?5個子區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系與整個重點脆弱生態(tài)區(qū)的一致,都是以協(xié)同關系為主。

圖7 各子區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務間的相關等級占比分布Fig.7 The correlation coefficients between ecosystem services in each sub-region

2.3 生態(tài)恢復對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同的影響

植被分布場數(shù)據(jù)的顯著變化歸因于直接的人類活動和自然驅動因素,Song等人研究結果表明中國北方區(qū)域VCF的變化中受人類活動直接影響的超過了75%[30]。為了維護國家生態(tài)安全,我國采取不同的生態(tài)工程來改善一些脆弱的生態(tài)環(huán)境,比如退耕還林還草工程、三北防護林工程和天然林保護工程等等,這些一系列工程均影響我國VCF的變化,從而對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能產生一定的影響。因此,本文在大規(guī)模人工種植改變植被分布的背景下來提取生態(tài)恢復區(qū)和非生態(tài)恢復區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務,分析其權衡與協(xié)同關系的動態(tài)變化(圖8),探討生態(tài)恢復對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系變化的影響。

在生態(tài)恢復過程中,生態(tài)系統(tǒng)服務之間的協(xié)同是指不同生態(tài)系統(tǒng)服務的變化趨勢相同,共同增長或減弱；權衡是指不同服務之間的變化趨勢相異[13]。2000年前,恢復區(qū)的產水與NPP為協(xié)同關系(相關系數(shù)為0.21),而非恢復區(qū)為權衡關系(相關系數(shù)為-0.03),2000年之后恢復區(qū)和非恢復區(qū)的權衡與協(xié)同關系差異減小。土壤保持與NPP的權衡與協(xié)同關系在恢復區(qū)和非恢復區(qū)的差異最大,恢復區(qū)的土壤保持與NPP的協(xié)同程度(相關系數(shù)為0.25)要遠大于非恢復區(qū)(相關系數(shù)為-0.004),這表明生態(tài)恢復工程增強了土壤保持與NPP之間的協(xié)同關系,伴隨著NPP的增加土壤保持也不斷增加,彼此之間相互促進。土壤保持與產水在生態(tài)恢復區(qū)與非生態(tài)恢復區(qū)均為協(xié)同關系,但兩者的差異較小(相關系數(shù)均約為0.2)。整體上恢復區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務的協(xié)同程度要大于非生態(tài)恢復區(qū),且協(xié)同關系總體呈減弱的趨勢,但因為非恢復區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)比較穩(wěn)定,而恢復區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)處于恢復階段,自我調節(jié)能力和穩(wěn)定性較差,難以在短時間內形成穩(wěn)定且完整的生態(tài)系統(tǒng)[42]。所以在相對較短的時間范圍內恢復區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務的協(xié)同程度與非恢復區(qū)的并沒有太大的差異。

圖8 生態(tài)恢復區(qū)和非生態(tài)恢復區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務間相關系數(shù)動態(tài)變化Fig.8 Dynamic changes of correlation coefficients between ecosystem services in key vulnerable areas and non-ecological restoration areas

就各個子區(qū)而言(圖9),每個子區(qū)的土壤保持與NPP無論在恢復區(qū)還是非恢復區(qū)都是協(xié)同關系,除了西北干旱區(qū)內恢復區(qū)的協(xié)同程度低于非恢復區(qū)外,其他子區(qū)內恢復區(qū)的土壤保持與NPP的協(xié)同程度均高于非恢復區(qū)。這說明了生態(tài)恢復工程增強了重點脆弱生態(tài)區(qū)的土壤保持和NPP的協(xié)同關系。對于產水與NPP而言,除了北方風沙區(qū)基本為無相關以外,其他子區(qū)恢復區(qū)內均為權衡關系,并且權衡關系均成減弱趨勢,說明生態(tài)恢復減弱了各子區(qū)產水與NPP的權衡關系,北方風沙區(qū)、青藏高原區(qū)、西北干旱區(qū)的土壤保持與產水在恢復區(qū)的協(xié)同程度均高于非恢復區(qū)；黃土高原區(qū)在恢復區(qū)和非恢復區(qū)的土壤保持與產水的相關系數(shù)均在±0.01范圍內,但恢復區(qū)在2000年以后有向協(xié)同轉變的趨勢；西南喀斯特區(qū)的土壤保持與產水表現(xiàn)為權衡關系,從動態(tài)變化來看,恢復區(qū)權衡程度減弱的趨勢明顯高于非恢復區(qū),這表明生態(tài)恢復減弱了該區(qū)土壤保持與產水的沖突關系。總之,從整體上看,生態(tài)恢復區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的協(xié)同程度大于非生態(tài)恢復區(qū),權衡關系減弱的趨勢高于非生態(tài)恢復區(qū),即生態(tài)恢復對于生態(tài)系統(tǒng)加強協(xié)同減弱權衡有一定的促進作用,這符合生態(tài)系統(tǒng)服務加強協(xié)同、減弱權衡的生態(tài)管理目標[43]。但有些區(qū)域仍需進一步調整生態(tài)工程加強對生態(tài)系統(tǒng)的管理。

3 結論與討論

3.1 討論

生態(tài)系統(tǒng)具有尺度效應[44],不同等級時空尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務的效益差異較大[45-46]。目前對于生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系研究多集中在局地尺度上的時空動態(tài)分析及空間表達上,對大尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務及其權衡與協(xié)同關系在長時間序列上的時空變化的分析較少[3]。本文定量測算了1990—2015年我國重點脆弱生態(tài)區(qū)的土壤保持、產水、NPP 3種服務,分析了這3種生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡與協(xié)同關系及其生態(tài)恢復工程對其造成的影響。結果表明我國的生態(tài)恢復工程對于改善生態(tài)環(huán)境起到了一定的作用,但個別區(qū)域效果依然不理想,例如西南喀斯特區(qū),生態(tài)恢復工程還需調整,以此來保障生態(tài)恢復的可持續(xù)發(fā)展。盡管生態(tài)恢復工程通過改變生態(tài)系統(tǒng)格局對生態(tài)系統(tǒng)服務有一定的影響,但生態(tài)系統(tǒng)服務還受其他多種復雜因素的影響,例如全球變化[47]人類社會相應政策[48]、人口、城市化和工業(yè)化[49]等因素的影響。MA千年生態(tài)系統(tǒng)評估將生態(tài)系統(tǒng)服務劃分為四大類,包括支持服務,供給服務,調節(jié)服務以及文化服務[1]。本文僅涉及到供給、調節(jié)和支持服務,并不能完全代表重點脆弱生態(tài)區(qū)的全部生態(tài)系統(tǒng)服務,比如北方風沙區(qū)以防風固沙服務為主,可以減緩風沙對京津冀地區(qū)造成的危害。而且從本文的分析結果可以看出各子區(qū)域上的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系與整個重點脆弱生態(tài)區(qū)上的并不一致,例如整個重點脆弱生態(tài)區(qū)的NPP和產水整體上表現(xiàn)為協(xié)同關系,但在西南喀斯特區(qū)卻是權衡關系為主。這主要是因為各個子區(qū)的自然環(huán)境條件差異較大,所以在宏觀研究的基礎上還需要探討不同子區(qū)各種生態(tài)系統(tǒng)服務變化的深層次原因。因此在多尺度上進行多種類型生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系研究并深入探究影響生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系的其他因素將成為未來研究的重要方面。

3.2 結論

(1)1990—2015 年間,我國重點脆弱生態(tài)區(qū)的土壤保持、NPP及產水呈現(xiàn)出南多北少的格局,并整體上有增加的趨勢。3種生態(tài)系統(tǒng)服務之間總體上呈協(xié)同關系,且協(xié)同關系呈減弱的趨勢,在各子區(qū)域上,土壤保持、NPP及產水三者之間以協(xié)同關系為主。但不同區(qū)域之間存在著空間異質性。我國重點脆弱生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務在進行生態(tài)系統(tǒng)管理時,需要同時考慮到整體與局部空間的不同,以制定更為合理的生態(tài)保護政策。

(2)恢復區(qū)和非恢復區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務之間總體上表現(xiàn)出協(xié)同關系,并且恢復區(qū)的相關系數(shù)總體上高于非恢復區(qū),說明生態(tài)恢復工程對生態(tài)系統(tǒng)服務有一定的影響。不過生態(tài)恢復工程對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響是一個長期的過程,在制定生態(tài)恢復工程時,應考慮長遠的可持續(xù)發(fā)展前景。

(3)各子區(qū)域的統(tǒng)計結果表明,生態(tài)恢復區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的協(xié)同程度大于非生態(tài)恢復區(qū),動態(tài)變化上權衡關系減弱的趨勢高于非生態(tài)恢復區(qū)。但各個區(qū)域內又存在差異,所以在制訂或完善生態(tài)恢復工程時應在把握整體特征的基礎上結合各子區(qū)的特征,讓生態(tài)恢復工程更好的推動生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。