祁 寧,趙 君,楊延征,茍睿坤,陳佳琦,趙鵬祥,李衛(wèi)忠

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,楊陵 712100 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 3 清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系地球系統(tǒng)數(shù)值模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)向社會(huì)提供的商品和服務(wù)[1- 2],即人類直接或間接向生態(tài)系統(tǒng)獲取的全部收益[3- 6],包括供應(yīng)服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù),例如食物供給、生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養(yǎng)、環(huán)境凈化、固碳和防風(fēng)固沙等多個(gè)方面[7]。由于景觀用途的差異,且景觀中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有種類多樣性、空間分布的不均衡性及人類活動(dòng)的選擇性等特點(diǎn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡和相互增益的協(xié)同等形式[8- 12]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)并非獨(dú)立存在和發(fā)展,在特定的空間上形成不同的組合,被稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇(Ecosystem service bundles)[13- 14]。近年來(lái),人類對(duì)自然資源無(wú)節(jié)制利用,導(dǎo)致自然資源的耗竭速度加快,供不應(yīng)求的矛盾日益突出[15- 16],影響景觀中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的組成和分布[17]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系已開(kāi)展了大量研究,Ricketts等使用層次貝葉斯法研究授粉服務(wù)與傳粉昆蟲的生物多樣性和作物生產(chǎn)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同[18],Lavorel等提出了通過(guò)植物性狀將環(huán)境變化與生態(tài)系統(tǒng)功能、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化聯(lián)系起來(lái)的框架,研究山地草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同[19],Raudsepp-Hearne等通過(guò)分析混合用途景觀中的12種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局,確定了6類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,認(rèn)為供應(yīng)服務(wù)與調(diào)節(jié)和文化服務(wù)之間均存在權(quán)衡關(guān)系[20],李晶等利用生態(tài)變化指數(shù)研究關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[9]。這些研究對(duì)景觀尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系已取得一些成績(jī),但尚未闡明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的聚簇現(xiàn)象,且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組合類型、權(quán)衡與協(xié)同、形成機(jī)制和區(qū)域差異的研究相對(duì)薄弱。

本文系統(tǒng)研究了東北地區(qū)2010年6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡、協(xié)調(diào)關(guān)系和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。首先運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系；其次基于主成分分析判別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相似性,以及其在生態(tài)功能區(qū)中的共存能力；最終通過(guò)K-means聚類分析方法識(shí)別東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,并進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū)[21]。本研究以期解釋不同生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的形成機(jī)制,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間找到平衡點(diǎn),可為各個(gè)生態(tài)功能區(qū)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)[22]。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

在本研究中,東北地區(qū)并非與東北的行政區(qū)重合,而是一個(gè)地理文化大區(qū),介于北緯38°72′—53°55′,東經(jīng)111°15′—135°10′,面積約152萬(wàn)km2(圖1,數(shù)據(jù)來(lái)源：http://data.ess.tsinghua.edu.cn)。該地區(qū)南部瀕臨黃海、渤海,東北部有黑龍江,烏蘇里江和大、小興安嶺、長(zhǎng)白山等,中部是東北平原,西部是遼闊的大草原,包括黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古東部五盟市、河北省承德市和秦皇島市[23],共計(jì)43個(gè)市,258個(gè)縣級(jí)行政單位。氣候類型屬于溫帶季風(fēng)氣候,夏季濕熱多雨,冬季寒冷干燥,年降水量在300—1000 mm之間。東北地區(qū)的土地利用類型非常豐富,是世界三大黑土帶之一,森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)為主要生態(tài)系統(tǒng)類型,灌叢生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)和其他生態(tài)系統(tǒng)分布極少,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多樣。雖然對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已開(kāi)展了大量的研究,但對(duì)于東北地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究還局限于森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域[24],為了因地制宜的進(jìn)行區(qū)域社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)管理,促進(jìn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展,對(duì)東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的研究尤為重要。

圖1 東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型分布Fig.1 Spatial distribution of ecosystem type in Northeast China

本研究采用2010年中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間數(shù)據(jù)集(Ecosystem services dataset of China(2010))提供的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)據(jù)(http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/458)[25],空間分辨率為250 m×250 m,包括食物生產(chǎn)、生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳和防風(fēng)固沙6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)價(jià)方式及計(jì)算公式[25]見(jiàn)表1。

1.2 研究方法

縣域尺度是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)普查信息報(bào)道的最小單位,也是我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)治理和決策的最小單位。本文提取了每個(gè)縣域單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平均值,分別制作6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布圖,可視化比較6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局。全局Moran′sI指數(shù)是Patrick Alfred Pierce Moran開(kāi)發(fā)的空間自相關(guān)的度量[26-27],在本研究中指度量一個(gè)縣域與其周圍其他縣域之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相似性。空間自相關(guān)是一種多方向、多維度的自相關(guān)方法,Moran′sI指數(shù)的取值范圍為[-1,1],Moran′sI指數(shù)大于0時(shí),表明該區(qū)域呈現(xiàn)空間正相關(guān),+1是相似值的完全聚類；Moran′sI指數(shù)小于0,表明數(shù)據(jù)呈現(xiàn)空間負(fù)相關(guān),值越小空間差異越大,-1是不同值的完全聚類,即完全分散；Moran′sI指數(shù)等于0時(shí),表明完全隨機(jī)[28-29]。采用全局Moran′sI指數(shù)量化本研究區(qū)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間自相關(guān),探討生態(tài)服務(wù)之間的空間聚集(正空間自相關(guān))和空間離散(負(fù)空間自相關(guān)),以及空間自相關(guān)的程度,進(jìn)行各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的地理差異分析[30-31]。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)方式及計(jì)算公式

NPP: 植物凈初級(jí)生產(chǎn)力Net primary productivity

本文采用Pearson相關(guān)分析評(píng)價(jià)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間的相關(guān)關(guān)系,來(lái)探明6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[32],相關(guān)系數(shù)大于0時(shí),表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,反之,則表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。本文中的相關(guān)性分析通過(guò)R 3.5.2中的corrplot包計(jì)算并可視化。主成分分析的作用是指信息冗余去除,在本研究中,主要作用是探尋6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的維度關(guān)系,以及各服務(wù)之間的位置關(guān)系,是判定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能否在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存的第一步[33]。遵循Kaiser-Guttman criterion準(zhǔn)則(特征值>1)[34-35],一般情況,前2個(gè)PCA軸足以表征數(shù)據(jù)中的非隨機(jī)結(jié)構(gòu)。主成分分析通過(guò)R 3.5.2中的ggfortify包實(shí)現(xiàn)。

本研究每個(gè)縣域單元都可看成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,但由于相鄰縣域之間同樣存在一定的相關(guān)性,因此,需要更深層的聚類分析。聚類分析通過(guò)衡量不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相似性,根據(jù)相似性原則,把具有較高相似度的縣域單元?jiǎng)澐种镣簧鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,把具有較高相異度的縣域劃分為不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,即把具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成,以及具有相似生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的縣域劃分到同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中,便于有效的區(qū)域社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)管理方案的制定及實(shí)施。為了得到較為穩(wěn)定的聚類結(jié)果,本文采用K-means聚類分析方法[32],最佳聚類數(shù)目為4類。基于4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的歸一化數(shù)值制作玫瑰風(fēng)向圖,識(shí)別各服務(wù)簇中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的交互作用及組成結(jié)構(gòu),分析不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同的作用機(jī)制。本研究采用R 3.5.2的factoextra包進(jìn)行K-means聚類分析及其可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布

基于東北地區(qū)縣域單元,計(jì)算出2010年各縣的生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)全局Moran′sI指數(shù)(表2)。從表中明顯看出,2010年?yáng)|北地區(qū)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的全局Moran′sI指數(shù)均大于0(P< 0.01),表明東北地區(qū)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都存在顯著的空間聚集(正空間自相關(guān))。

表2 2010年?yáng)|北地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)Moran′s I指數(shù)

對(duì)2010年?yáng)|北地區(qū)各縣的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的均值進(jìn)行空間制圖,得到6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布情況(圖2)。由圖可知,食物生產(chǎn)與生物多樣性服務(wù)較高的區(qū)域主要位于中部的東北平原,土壤類型以黑土為主且地勢(shì)平坦、雨水充足,是東北地區(qū)主要的糧食種植區(qū)。土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)在東部地區(qū)高于西部和中部地區(qū),東部地區(qū)主要植被類型為森林,具有較高的植被覆蓋度,使其表現(xiàn)出較強(qiáng)的土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳的能力。防風(fēng)固沙服務(wù)在西部地區(qū)最高,該地區(qū)植被類型以草地為主,植被覆蓋度較低,但以森林為主東部地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)極低,該區(qū)域降水充裕,人為干擾明顯低于西部地區(qū),呈現(xiàn)出極低的土壤潛在風(fēng)蝕和實(shí)際風(fēng)蝕。

圖2 2010年?yáng)|北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in Northeast China, 2010

2.2 東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

通過(guò)Pearson相關(guān)性分析得到6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間的相關(guān)性關(guān)系(圖3),其中,有效的關(guān)系有8對(duì)(圖中彩色部分),無(wú)效的關(guān)系有7對(duì)(圖中灰色部分)。由圖3可知,食物生產(chǎn)和生物多樣性維持服務(wù)、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)、水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)、固碳和土壤保持服務(wù)4對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān),具有相互增益的協(xié)同關(guān)系。生物多樣性與食物生產(chǎn)服務(wù)呈現(xiàn)出顯著的協(xié)同關(guān)系(r=0.70,P<0.01),這兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān),是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)所具備的主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),適當(dāng)?shù)脑黾愚r(nóng)田的生物多樣性能達(dá)到提高糧食產(chǎn)量的效果；土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)之間存在極顯著的協(xié)同關(guān)系(r=0.8、r=0.7和r=0.73,P<0.01),在降水充足的地區(qū)能夠促進(jìn)植被的生長(zhǎng)發(fā)育,植被龐大植物根系有助于土壤的保持,減少土壤表面層沙化和水土流失,茂密的地上部分可促進(jìn)植物的光合作用,增加植物的固碳能力。

由圖3可以看出,防風(fēng)固沙和土壤保持服務(wù)之間表現(xiàn)出極顯著的權(quán)衡關(guān)系(r=-0.22,P<0.01),在以草地生態(tài)系統(tǒng)為主的東部地區(qū)和以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主的中部地區(qū),植被的存在極大的降低土壤實(shí)際風(fēng)蝕量,防風(fēng)固沙的功能顯著優(yōu)于其土壤保持的功能；食物生產(chǎn)和固碳服務(wù)之間表現(xiàn)出較顯著的此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡(r=-0.17,P<0.05),食物生產(chǎn)和水源涵養(yǎng)、食物生產(chǎn)和防風(fēng)固沙之間表現(xiàn)出顯著的權(quán)衡關(guān)系(r=-0.14和r=-0.11,P<0.1),人類在追求糧食產(chǎn)量的同時(shí),加大了對(duì)森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞,特別是在以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主的中部地區(qū),食物生產(chǎn)功能很高,但其土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳的功能均很低。

圖3 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)性關(guān)系Fig.3 Pearson correlations between pairs of ecosystem services *** P < 0.01;*** P < 0.05; * P < 0.1; NS代表相關(guān)性不顯著

圖4 東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主成分分析 Fig.4 Principal component analysis of ecosystem services in Northeast China

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇及其空間權(quán)衡與相關(guān)

2.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主成分分析

對(duì)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了主成分分析(圖4),結(jié)果表明,前兩個(gè)主成分占總變異量的71.57%,說(shuō)明這兩個(gè)主成分可以基本反映6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供的信息。第一主成分的貢獻(xiàn)率為43.29%,主要包括土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳3種服務(wù),由于這3種服務(wù)均屬于調(diào)節(jié)服務(wù),且互相之間有極顯著的相關(guān)關(guān)系,即相互促進(jìn)的協(xié)同關(guān)系,因此第一主成分主要反映的是調(diào)節(jié)服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系,可在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存。但防風(fēng)固沙服務(wù)與這3種服務(wù)方向相反,因此防風(fēng)固沙服務(wù)與這3種調(diào)節(jié)服務(wù)之間具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),即此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系,無(wú)法在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存。第二主成分占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的28.28%,主要包括食物生產(chǎn)和生物多樣性服務(wù),這兩種服務(wù)均屬于供應(yīng)服務(wù),且相互之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系,即相互促進(jìn)的協(xié)同關(guān)系,可在同一生服務(wù)簇中共存。但防風(fēng)固沙服務(wù)與這兩種供應(yīng)服務(wù)方向相反,無(wú)法在同一服務(wù)簇中共存。

2.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)聚類分析

K-means聚類分析能夠準(zhǔn)確劃分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,在本研究中將東北地區(qū)的258個(gè)縣域的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行K-means聚類分析,并最終確定出4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇(圖5)。同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇在地理上有明顯的聚集,各服務(wù)簇之間呈現(xiàn)出顯著的空間差異性,服務(wù)簇空間分布見(jiàn)圖5。4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分別為：以經(jīng)濟(jì)林為主的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇1,以闊葉林和針葉林為主的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇2,以農(nóng)田為主的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇3和以草地為主的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇4?；?類服務(wù)簇將東北地區(qū)進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū),劃分為4個(gè)生態(tài)功能區(qū)：南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)、東北部森林生態(tài)平衡區(qū)、西部防風(fēng)固沙區(qū)和中部糧食生產(chǎn)區(qū)。

對(duì)各生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3),從表中可知,食物生產(chǎn)服務(wù)在中部糧食生產(chǎn)區(qū)顯著高于其他3類生態(tài)功能區(qū)；土壤保持和固碳服務(wù)在南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)均顯著高于其他3個(gè)生態(tài)功能區(qū)；生物多樣性維持和水源涵養(yǎng)服務(wù)在南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)高于其他三個(gè)生態(tài)功能區(qū)；防風(fēng)固沙服務(wù)在南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)最低,西部防風(fēng)固沙區(qū)最高,且顯著高于東北部森林生態(tài)平衡區(qū)和中部糧食生產(chǎn)區(qū)。

表3 東北地區(qū)生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成

圖5 2010年?yáng)|北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間分布及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成結(jié)構(gòu)Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service bundle and its ecosystem service structure in Northeast China in 2010

南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)包括鞍山市、丹東市、本溪市、撫順市、通化市和白山市等的24個(gè)縣級(jí)行政區(qū),面積占東北地區(qū)總面積的5.39%,集中分布于長(zhǎng)白山脈的林區(qū),以落葉櫟林為主。經(jīng)濟(jì)林不僅有森林所具備的土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳和調(diào)節(jié)小氣候的功能,還有食物生產(chǎn)的功能。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的組成結(jié)構(gòu)來(lái)看,固碳功能最高,防風(fēng)固沙功能最低,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)比較均衡。長(zhǎng)白山林區(qū)植被覆蓋度高,擁有良好的固碳服務(wù),同時(shí)兼顧糧食生產(chǎn)服務(wù)。該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)服務(wù)(食物生產(chǎn)服務(wù))與調(diào)節(jié)服務(wù)(水土保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù))具有良好的協(xié)同作用,此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系較弱。

東北部森林生態(tài)平衡區(qū)包括鐵嶺市、吉林市、哈爾濱市、呼倫貝爾市、黑河市和牡丹江市等的74個(gè)縣級(jí)行政區(qū),占東北地區(qū)面積的49.90%。該區(qū)主要分布在大興安嶺和小興安嶺山脈,主要植被類型有落葉闊葉林和落葉針葉林,東北林區(qū)是我國(guó)面積最大的天然林區(qū)。主要?dú)夂蝾愋褪菧貛Ъ撅L(fēng)性氣候,夏季高溫多雨,適宜森林的生長(zhǎng)發(fā)育。該區(qū)植被覆蓋度最高,土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳、生物多樣性功能平衡,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了很大的提高,屬于生態(tài)盈余區(qū)。該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)服務(wù)(食物生產(chǎn)服務(wù))顯著低于調(diào)節(jié)服務(wù)(土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)),表現(xiàn)出明顯的權(quán)衡,且食物生產(chǎn)和生物多樣性服務(wù)之間呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡。

西部防風(fēng)固沙區(qū)包括錫林郭勒盟、赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市和白城市的21個(gè)縣級(jí)行政區(qū),面積占4.80%,集中分布于大興安嶺山脈的南部和西遼河平原,這里有中國(guó)最大的沙地——科爾沁沙地,土壤以栗鈣土、風(fēng)沙土為主體。該區(qū)主要植被類型是荒漠、半荒漠草原,年降水量在400 mm左右,滿足牧草的生長(zhǎng)需要。風(fēng)經(jīng)過(guò)地面時(shí),草原中植被的根系可以固定住部分土壤,阻擋土壤結(jié)構(gòu)的破壞,可有效的提高防風(fēng)固沙服務(wù)。除防風(fēng)固沙服務(wù)外,該區(qū)其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均很低,主要制約因素是氣候、土壤和植被覆蓋率。惡劣的自然環(huán)境,導(dǎo)致該區(qū)的食物生產(chǎn)、生物多樣性及生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)不占優(yōu)勢(shì)。綜上所述,該區(qū)的食物生產(chǎn)與生物多樣性維持服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)(土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù))之間具有協(xié)同關(guān)系,防風(fēng)固沙服務(wù)和其他5種服務(wù)之間表現(xiàn)出顯著的權(quán)衡關(guān)系。

中部糧食生產(chǎn)區(qū)包括秦皇島市、沈陽(yáng)市、大連市、齊齊哈爾市、大慶市和黑河市等的139個(gè)縣級(jí)行政區(qū),面積占39.91%。該區(qū)集中在東北平原,土壤肥沃,以黑土為主,耕地為主要的土地利用類型。氣候類型為大陸性和季風(fēng)氣候,夏季溫暖濕潤(rùn),冬季寒冷干旱,地勢(shì)平坦,降水充沛,是中國(guó)最重要的糧食生產(chǎn)基地。該區(qū)人類干擾強(qiáng)烈,農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁,糧食生產(chǎn)服務(wù)突出,生物多樣性維持服務(wù)較高,但土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)相對(duì)較弱。隨著自然資源耗竭速度不斷加快,供不應(yīng)求,該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。食物生產(chǎn)和生物多樣性維持服務(wù)存在相互增益的協(xié)同作用,但與生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)(土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳和防風(fēng)固沙服務(wù))之間存在顯著的此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡。

3 討論

本研究對(duì)東北地區(qū)的生態(tài)功能區(qū)劃與2008年《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》[36]中東北地區(qū)的生態(tài)功能區(qū)劃基本一致。在本研究中中部糧食生產(chǎn)區(qū)的范圍較小于全國(guó)生態(tài)區(qū)劃方案中的農(nóng)產(chǎn)品提供區(qū),并且在全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃方案中沒(méi)有將東北地區(qū)南部以經(jīng)濟(jì)林為主的生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行劃分,由于東北地區(qū)近些年來(lái)退耕還林工程、天然林保護(hù)工程和“三北”防護(hù)林工程的實(shí)施后,耕地面積大幅減少,森林面積相對(duì)增加,且對(duì)森林的保護(hù)不斷加強(qiáng),導(dǎo)致本研究中的糧食生產(chǎn)區(qū)相對(duì)較小。

在以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主的中部地區(qū)和以森林生態(tài)系統(tǒng)為主的東部地區(qū),食物生產(chǎn)和生物多樣性維持服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)(土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù))之間存在著此消彼長(zhǎng)的空間權(quán)衡關(guān)系,這與Butler等[37]和Pan等[38]的研究結(jié)果一致。由于近年來(lái)人們對(duì)糧食需求的持續(xù)增加,導(dǎo)致該區(qū)域人類干擾和農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度增加,例如人類通過(guò)增加物種多樣性來(lái)提高糧食產(chǎn)量等。人類的一系列干擾活動(dòng),致使該區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,自然植被不斷遭到破壞,抑制了生態(tài)系統(tǒng)正向演替,因此該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的供應(yīng)服務(wù)(食物生產(chǎn)服務(wù))極高,而調(diào)節(jié)服務(wù)(土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù))極低。

相對(duì)于草地和耕地,森林具有更高的生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養(yǎng)、環(huán)境凈化和碳封存能力,因此,南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)和東北部森林生態(tài)平衡區(qū)中的生物多樣維持、土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)均高于西部防風(fēng)固沙區(qū)和中部糧食生產(chǎn)區(qū),這與李慧蕾等[13]的研究結(jié)果一致。在同樣以喬木為主的南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)和東北部森林生態(tài)平衡區(qū),其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的組成具有很大差別,由于天然針葉林和針闊混交林的碳封存、生物多樣性維持、土壤保持和水源涵養(yǎng)能力均高于經(jīng)濟(jì)林,因此南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)的生物多樣性維持、土壤保持、水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)均低于東北部森林生態(tài)平衡區(qū)。但南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)食物生產(chǎn)的需求更高,受到的人類活動(dòng)的干擾也更強(qiáng),而東北部森林生態(tài)平衡區(qū)受到林業(yè)政策的保護(hù)較多,人為干擾較少,因此南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)食物生產(chǎn)和固碳服務(wù)的占比高于東北部森林生態(tài)平衡區(qū),具有相互增益協(xié)同關(guān)系的生物多樣性維持、土壤保持和水源涵養(yǎng)服務(wù)的占比低于東北部森林生態(tài)平衡區(qū)。

中部糧食生產(chǎn)區(qū)的主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為食物生產(chǎn)服務(wù),加之生物多樣性研究的不斷成熟,人類對(duì)食物需求的增加,促進(jìn)食物生產(chǎn)和生物多樣性維持服務(wù)之間的協(xié)同,例如間作套種的種植方式已被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,因此中部糧食生產(chǎn)區(qū)的生物多樣性維持服務(wù)也較高,這與Altieri[39]、Cassman[40]和Doré等[41]的研究結(jié)果一致。西部防風(fēng)固沙區(qū)的服務(wù)功能單一與該區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)和植被類型密切相關(guān),該區(qū)土壤主要為栗鈣土、風(fēng)沙土,土壤養(yǎng)分低,結(jié)構(gòu)疏松,植被類型單一,食物生產(chǎn)、土壤保持,水源涵養(yǎng)、固碳和生物多樣維持服務(wù)均較低,但由于植被的存在,其潛在風(fēng)蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際的風(fēng)蝕強(qiáng)度,導(dǎo)致防風(fēng)固沙的服務(wù)表現(xiàn)突出。

由于防風(fēng)固沙主要由潛在和實(shí)際風(fēng)蝕強(qiáng)度模擬,而土壤保持主要由潛在和實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度模擬,因此本研究中防風(fēng)固沙服務(wù)與土壤保持存在明顯此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡。例如,在草地生態(tài)系統(tǒng)中,其潛在的風(fēng)蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)高于實(shí)際風(fēng)蝕強(qiáng)度,而潛在的土壤侵蝕強(qiáng)度與實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度均較大,導(dǎo)致土壤保持和防風(fēng)固沙服務(wù)表現(xiàn)出明顯此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡；森林生態(tài)系統(tǒng)龐大的根系系統(tǒng)、茂密的地上部分及豐富的地表枯落物,均導(dǎo)致其潛在土壤侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)高于實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度,潛在風(fēng)蝕和實(shí)際風(fēng)蝕強(qiáng)度均較小,即防風(fēng)固沙服務(wù)極低,因此土壤保持和防風(fēng)固沙的權(quán)衡關(guān)系表現(xiàn)突出。

本研究未涉及到文化服務(wù),文化服務(wù)與其他服務(wù)之間仍存在著相應(yīng)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,聚類分析的結(jié)果也可能存在誤差,同時(shí)由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析以縣域?yàn)榛究臻g單元造成對(duì)聚類精度的影響,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)調(diào)的表現(xiàn)類型、形成機(jī)理和區(qū)域差異存在一定誤差。其次,本文只對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的空間變化進(jìn)行分析研究,未在時(shí)間尺度上研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的變化,將來(lái)在時(shí)間尺度上對(duì)植被恢復(fù)、氣候變化等影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)調(diào)的形成機(jī)制、區(qū)域差異的因素有待進(jìn)一步的探索研究。

4 結(jié)論

本研究利用相關(guān)分析和主成分分析的方法對(duì)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了評(píng)估,并用K-means聚類分析對(duì)東北地區(qū)進(jìn)行了生態(tài)功能區(qū)劃,探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的組成類型、形成機(jī)制和區(qū)域差異。通過(guò)研究可知,6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均在空間表現(xiàn)出顯著的空間聚類(空間正相關(guān))；東北地區(qū)食物生產(chǎn)和生物多樣性維持服務(wù)表現(xiàn)出及顯著相互增益的協(xié)同,水源涵養(yǎng)、固碳和土壤保持服務(wù)之間同樣表現(xiàn)出及顯著的協(xié)同,但防風(fēng)固沙和土壤保持服務(wù)之間呈現(xiàn)出極顯著的此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡。南部經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)調(diào)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)具有相互增益的協(xié)同,東北部森林生態(tài)平衡區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)服務(wù)與協(xié)調(diào)服務(wù)表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡,西部防風(fēng)固沙區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)為主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),其余5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在相互增益的協(xié)同,但與防風(fēng)固沙服務(wù)表現(xiàn)出一定的權(quán)衡關(guān)系,中部糧食生區(qū)的主導(dǎo)服務(wù)是食物生產(chǎn)服務(wù),與生物多樣性維持表現(xiàn)出明顯的協(xié)同關(guān)系,與其他調(diào)節(jié)服務(wù)表現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系。綜上,對(duì)服務(wù)簇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量評(píng)估有助于明確不同服務(wù)簇中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,為制定東北地區(qū)有效的區(qū)域社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)管理方案提供理論指導(dǎo)。