余玉洋,李 晶 ,*,周自翔,馬新萍,3,張 城

1 陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 2 西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 西安 710054 3 咸陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，咸陽 712000

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中所獲取到的所有惠益[1- 2],同時具有多重特性,如服務(wù)類型的多樣性、服務(wù)關(guān)系的不均衡性、空間分布的差異性等,但是在外力的作用下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變,權(quán)衡或者協(xié)同關(guān)系逐漸顯現(xiàn)[3]。所以,明晰生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系和作用已經(jīng)成為區(qū)域發(fā)展必不可少的步驟,也是制定區(qū)域綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境等一系列可持續(xù)發(fā)展政策的前提條件。

隨著人們對生態(tài)環(huán)境重視程度的加深,促使越來越多的學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行探究,并且取得了豐厚的學(xué)術(shù)成果。在探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的方法上普遍采用空間制圖[4- 6]、情景分析[7- 9]、玫瑰圖[10]、模型模擬[11]等來研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的空間特征、尺度效應(yīng)以及影響機(jī)制等。而在探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系時發(fā)現(xiàn),供給和調(diào)節(jié)服務(wù)是相互抑制的,處于權(quán)衡的關(guān)系[12- 13],例如植被生長狀況良好時,能提供的調(diào)節(jié)服務(wù)水平高,但是糧食生產(chǎn)的能力會降低,導(dǎo)致供給服務(wù)的水平下降[14- 16]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系存在區(qū)域差異性,不同服務(wù)之間在不同的研究區(qū)域所表現(xiàn)的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系不同[17- 18]。Qiao等[19]通過不同的空間尺度對太湖流域上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系進(jìn)行探究,研究發(fā)現(xiàn)全域尺度和縣域尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系均會有所改變;Turner等[4]從不同的空間尺度對丹麥11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)植被固碳、旅游休憩等文化服務(wù)在50km的空間范圍內(nèi)聚集分布,而畜牧量、糧食產(chǎn)出和淡水產(chǎn)出等供給服務(wù)在150km的空間范圍內(nèi)聚集分布。上述的研究大多集中在行政區(qū)劃尺度和整體尺度上探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),同時對于權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析多基于統(tǒng)計關(guān)系的數(shù)量分析,來反映區(qū)域的整體差異性,缺少區(qū)域內(nèi)部時空差異的空間表達(dá)和系統(tǒng)的了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系形成的內(nèi)在機(jī)制以及對自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部異質(zhì)性的研究。

秦巴山區(qū)是中國地理格局的重要樞紐、大尺度東西向的生態(tài)廊道,以復(fù)雜、多樣、獨(dú)特的自然環(huán)境孕育了豐富的天然動植物資源,對其生態(tài)環(huán)境變化的研究具有重要意義。根據(jù)秦巴山區(qū)當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域特點和特殊的地理位置選取了五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(糧食生產(chǎn)、NPP、土壤保持、水資源供給、生境質(zhì)量)探究彼此之間的關(guān)系,從不同尺度分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的異質(zhì)性和定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系,從宏觀和微觀兩方面表現(xiàn)出秦巴山區(qū)多維地帶性對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的影響,運(yùn)用分解和綜合的視角凸顯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的相互變化。該研究可以協(xié)助決策者在適當(dāng)?shù)目臻g尺度制定相應(yīng)的管理策略,同時為區(qū)域間的山水林田湖草生態(tài)保護(hù)提供基礎(chǔ)性參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 尺度劃定

全域尺度：秦巴山區(qū)是我國南北過渡地帶,特殊的地理位置使得該區(qū)域在地理上有明顯的地域分異規(guī)律,作為南北生態(tài)屏障和安全區(qū)具有很突出的研究價值;綜合分區(qū)尺度：綜合自然地理分區(qū)主要結(jié)合自然地理環(huán)境各組成成分(氣候、地貌、地形、土壤等)的相互關(guān)系,進(jìn)行自然區(qū)劃研究,探討自然區(qū)劃之間的差異性。本文根據(jù)秦巴山區(qū)的氣候、地貌、土壤等差異性,將區(qū)域劃分為14個子區(qū)域,研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系在子區(qū)域的異同;典型樣區(qū)尺度：秦嶺-大巴山是南北過渡帶,其氣候條件、地貌特征在南北坡存在差異性,因此選取了秦嶺和大巴山的南北坡做為典型樣區(qū);樣點間隔尺度：本研究通過ARCGIS軟件建立漁網(wǎng),按照一定的間距設(shè)置隨機(jī)點,分別設(shè)定500m、1km、3km、5km、10km、20km、30km、40km、55km、85km、100km、200km 共12種空間尺度,探討每種間隔尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,4種尺度劃分如圖1所示。

圖1 研究區(qū)的地理位置、尺度類型Fig.1 Geographical location, scale division of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究主要利用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)集。DEM數(shù)據(jù)主要來源于地理空間數(shù)據(jù)云;土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心;2005、2010、2015年陜西省、河南省、湖北省、甘肅省、四川省和重慶市的糧食產(chǎn)量、種植面積等統(tǒng)計數(shù)據(jù),來源于各省及市域的統(tǒng)計年鑒;遙感數(shù)據(jù)主要是2005年、2010年、2015年250m空間分辨率MOD13Q1數(shù)據(jù);氣象數(shù)據(jù)源為中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

2 研究方法

2.1 植被凈初級生產(chǎn)力估算(NPP)

CASA模型最早是在1993年由Potter等[20]提出的,主要是從遙感影像中提取的NDVI數(shù)據(jù),并通過光能利用率的原理來估算全球生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力(NPP)。計算表達(dá)式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中,APAR(x,t)代表的是t月中像元x吸收的光合有效輻射(MJ/m2);ε(x,t)代表的是t月中像元x的實際光能利用率(gC/MJ);NPP(x,t)為像元x在t月份的凈初級生產(chǎn)力(gC/m2)。

2.2 土壤保持估算

Wischmeier 和Smith[21]提出通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE),后經(jīng)改進(jìn)形成修正的通用土壤流失方程[22](Revised Universal SoilLoss Equation,RUSLE),其計算方式如下：

A=R×K×LS×(1-C×P)

(2)

式中,A為年均土壤侵蝕模數(shù)(t hm-2a-1);R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),采用Wischmeier和Mannering[23]提出的公式估算所得;LS為坡長、坡度因子,無量綱,坡長因子采用Wischmeier和Mannering[23]提出的計算公式,坡度因子采用Mc Cool等[24]提出的計算公式;K為土壤可蝕性因子(t hm2h MJ hm-2mm-1);C為植被覆蓋與管理因子,無量綱,參照了蔡崇法等[25]的研究成果;P為水土保持因子,無量綱。

2.3 水資源供給估算

本文采用In VEST模型中的產(chǎn)水模塊計算秦巴山區(qū)的產(chǎn)水量,基本原理如下：

(3)

式中,Y(x)為柵格單元x的年產(chǎn)水量(mm);AET(x)為柵格單元x的年實際蒸發(fā)量(mm);P(x)為柵格單元x的年降水量(mm)。

(4)

PET(x)=Kc(x)×ET0(x)

(5)

(6)

式中,PET(x)為柵格單元x的潛在蒸散量(mm);ET0(x) 表示柵格單元x的參考作物蒸散(mm);Kc(x)為作物蒸散發(fā)系數(shù);AWC(x)為土壤有效含水量(mm);W(x)為經(jīng)驗參數(shù);Z為Zhang系數(shù)[26]。

2.4 生境質(zhì)量估算

InVEST軟件的生境質(zhì)量模塊測算生境質(zhì)量指數(shù)評價生境質(zhì)量,計算結(jié)果范圍為：0—1,值越大代表棲息地質(zhì)量越高,生境質(zhì)量質(zhì)量越高。計算公式為：

(7)

式中,Qxj是土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量;Dxj是土地利用類型j柵格x的生境脅迫水平;k是縮放參數(shù)(常數(shù))。

(8)

柵格y中脅迫因子r(ry)對柵格中生境的脅迫作用為irxy,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[27- 29],選取了研究區(qū)域的耕地、園地、公路、鐵路、城鎮(zhèn)村及工礦用地和其他用地作為其生境質(zhì)量的威脅因子,對其賦值,如表1所示。

(9)

式中,dxy為柵格x與y之間的線性距離;drmax為脅迫因子最大有效威脅距離;Wr為脅迫因子的權(quán)重;βx為柵格x的可達(dá)性水平;Sjr為土地利用類型j對脅迫因子的敏感性。

2.5 糧食產(chǎn)量估算

糧食生產(chǎn)與農(nóng)田的面積呈現(xiàn)正向關(guān)系,但是不同的種植物對糧食產(chǎn)量具有不同的影響。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[30],統(tǒng)計分析建模是實現(xiàn)糧食產(chǎn)量空間化的一種常用的方法,所以本文選用旱地和水田的面積作為自變量,縣級尺度的糧食總產(chǎn)數(shù)據(jù)作為因變量,建立多元線性回歸方程來實現(xiàn)糧食產(chǎn)量的空間化。

表1 生境質(zhì)量的威脅因子

3 結(jié)果與分析

3.1 不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系分析

3.1.1全域尺度

2005—2015 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算,并對計算結(jié)果進(jìn)行t檢驗,根據(jù)t分位數(shù)表將結(jié)果劃分為6個等級[31],協(xié)同**(r>0,0.010,0.050,0.1

水資源供給與生境質(zhì)量以權(quán)衡關(guān)系為主,南陽盆地、漢中盆地、大巴山北部的權(quán)衡關(guān)系較突出;水資源供給與土壤保持在部分區(qū)域(60.88%)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,但權(quán)衡關(guān)系在漢江上游尤為顯著,主要是人口密集、植被對水分的消耗導(dǎo)致水資源供給量的減少,土壤保持量在增加,導(dǎo)致在漢江上游兩者呈現(xiàn)顯著權(quán)衡關(guān)系;水資源供給與NPP以協(xié)同關(guān)系為主,面積為56.16%,NPP有很強(qiáng)的區(qū)域依賴性,植被覆蓋度的增加會提升NPP指數(shù);水資源供給與糧食產(chǎn)量以協(xié)同關(guān)系為主,漢中盆地以南呈現(xiàn)權(quán)衡的關(guān)系;NPP與生境質(zhì)量是協(xié)同關(guān)系,面積為59.69%,顯著協(xié)同的區(qū)域分布在伏牛山區(qū)以及秦嶺山脈西側(cè),大巴山的東南以及東昆侖山區(qū)兩者關(guān)系呈現(xiàn)顯著權(quán)衡的關(guān)系;NPP與土壤保持為協(xié)同關(guān)系,顯著協(xié)同比例高達(dá)36.36%,主要集中在昆侖山、岷山以及大雪山一側(cè);糧食產(chǎn)量和NPP、水土保持、生境質(zhì)量之間均是權(quán)衡關(guān)系,面積分別為61.27%、57.62%、68.69%,因為糧食種植與地形有關(guān),主要分布在平原和盆地,同時區(qū)域的NPP、水土保持和生境質(zhì)量值都較低;土壤保持和生境質(zhì)量以協(xié)同關(guān)系為主,面積為55.25%,在豫西漢中盆地和秦 嶺山脈西側(cè)呈現(xiàn)顯著權(quán)衡關(guān)系。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間權(quán)衡關(guān)系, 全域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)關(guān)系Fig.2 Spatial trade-offs of ecosystem services, Relevance of ecosystem services at global scale

3.1.2綜合分區(qū)尺度

根據(jù)劃分的綜合分區(qū),得到子區(qū)域兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)關(guān)系(圖3)。水資源供給和NPP整體上為協(xié)同的關(guān)系,但在子區(qū)域4、6、7、9、12、13、14中呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系,原因是子區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率提升的同時增加了地表植被的蒸騰作用,黃淮海平原和南陽盆地人口密集,生活和工業(yè)用水增多,促使子區(qū)域水資源供給量降低;水資源供給和糧食生產(chǎn)整體上是協(xié)同關(guān)系,而在子區(qū)域1、5、6、12呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系,原因是坡度小的地區(qū)適合糧食生產(chǎn),地貌類型以高山為主的區(qū)域不適合糧食生產(chǎn),同時氣候類型屬于亞熱帶氣候,水資源供給量豐富,促使子區(qū)域兩者關(guān)系是權(quán)衡,同樣坡度較小,土壤侵蝕量小,所以在子區(qū)域1、2、5、7、12、13的水資源供給和土壤保持呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系;水資源供給與生境質(zhì)量總體以權(quán)衡關(guān)系為主,僅有區(qū)域6為協(xié)同的關(guān)系,相關(guān)系數(shù)0.25,主要因為秦嶺山脈北坡生境質(zhì)量豐富,而區(qū)域內(nèi)水資源供給量較為豐富;NPP與生境質(zhì)量在區(qū)域5呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系,主要因為海拔高,高山氣候類型,促使生境質(zhì)量單一,而原始植被狀況良好,破壞程度低;NPP與糧食生產(chǎn)整體上呈權(quán)衡關(guān)系,而在子區(qū)域2、3、4、5為協(xié)同關(guān)系,主要原因是氣候和地形綜合影響,使得區(qū)域糧食生產(chǎn)能力和植被覆蓋度低;糧食產(chǎn)量和土壤保持在子區(qū)域1、2、3、4、5呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,主要原因是坡度在10—15°之間,實際和潛在侵蝕量較小,促使土壤保持能力弱,而氣候條件也會影響糧食生產(chǎn);生境質(zhì)量和土壤保持以協(xié)同關(guān)系為主,但在區(qū)域9卻呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。

圖3 綜合分區(qū)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性Fig.3 Relevance of ecosystem services at integrated zoning scale

3.1.3典型樣區(qū)尺度

本文整理了2005、2010、2015年秦嶺和大巴山的南北坡的五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值(圖4),研究出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系在特定年份發(fā)生轉(zhuǎn)變。水資源供給與NPP在2005年大巴山的北坡、2010年秦嶺南北坡呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系;水資源供給和糧食產(chǎn)量在2015年四個典型區(qū)表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系;水資源供給和土壤保持在2010年秦嶺北坡表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系;水資源供給與生境質(zhì)量在2015年大巴山南坡表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系;NPP與生境質(zhì)量在2015年大巴山南坡表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系;糧食生產(chǎn)和土壤保持在2005、2010、2015年大巴山南坡均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,2010年秦嶺北坡、大巴山北坡、2015年大巴山北坡均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系;土壤保持和生境質(zhì)量在2005、2010、2015年大巴山的南北坡均表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系等,通過研究典型區(qū)服務(wù)間關(guān)系得出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在隨著時間的推移而發(fā)生了改變。

圖4 典型樣區(qū)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性Fig.4 Ecosystem service relevance at typical sample scale

3.1.4樣點間隔尺度

根據(jù)計算結(jié)果,將樣點尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系大致分為4類(圖5)：①生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以協(xié)同關(guān)系為主,并且協(xié)同效應(yīng)隨著尺度的增大而增強(qiáng)。比如：NPP與生境質(zhì)量、水資源供給,水資源供給與糧食生產(chǎn)、土壤保持;②生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以協(xié)同關(guān)系為主,并且協(xié)同效應(yīng)隨著尺度的增大而減小。比如：NPP與土壤保持;③生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以權(quán)衡關(guān)系為主,并且權(quán)衡效應(yīng)隨著尺度的增大而增加。比如：NPP與糧食生產(chǎn)、糧食生產(chǎn)與生境質(zhì)量、水資源供給與生境質(zhì)量;④生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系隨尺度的增加由權(quán)衡變?yōu)閰f(xié)同和由協(xié)同變?yōu)闄?quán)衡。比如：糧食生產(chǎn)與土壤保持以及生境質(zhì)量與土壤保持。

圖5 樣點間隔尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性Fig.5 Ecosystem service correlation at sample interval scale

3.2 4種研究尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系對比分析

四種尺度下部分區(qū)域成對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)(圖6)。在子區(qū)域4和大巴山南坡的NPP與糧食生產(chǎn)、糧食生產(chǎn)與土壤保持相關(guān)系數(shù)分別為0.056、0.032、0.061、0.025,并且都通過了P<0.05顯著性檢驗,在全域尺度和樣點間隔尺度下兩者關(guān)系卻為權(quán)衡關(guān)系;子區(qū)域7、12的水資源供給與土壤保持相關(guān)系數(shù)分別為-0.051、-0.07,并且都通過了P<0.01顯著性檢驗,而全域尺度、典型樣區(qū)尺度、樣點間隔尺度下兩對關(guān)系卻為協(xié)同關(guān)系;水資源供給與糧食生產(chǎn)在秦嶺、大巴山南坡、子區(qū)域12的相關(guān)系數(shù)分別為-0.042、-0.093、-0.087,并且都通過了P<0.01顯著性檢驗,而全域尺度和樣點間隔尺度下兩對關(guān)系卻為協(xié)同關(guān)系。

4種尺度下完整的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系(表2),在全域尺度下探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,能比較宏觀的揭示服務(wù)之間的關(guān)系。隨著尺度的不斷縮小,在中尺度范圍內(nèi)(綜合分區(qū)尺度)發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的差異性,由于尺度之間基礎(chǔ)條件的差異性,造成在中尺度下服務(wù)之間關(guān)系的轉(zhuǎn)變。在典型區(qū)之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系也有所區(qū)別,由于南北坡的氣候、土壤、地貌等差異,造成南北坡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的差異性,并在特定的年份服務(wù)之間的關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變。在小尺度下研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系也會隨著尺度的差異而逐漸發(fā)生變化,服務(wù)之間的關(guān)系隨著尺度的增大而逐漸呈現(xiàn)不同方式的變化。

4 討論與討論

4.1 討論

4.1.1尺度差異性的驅(qū)動因素

秦巴山區(qū)是我國南北過渡地帶,過渡性對東西方向高大山脈的阻隔和分異作用產(chǎn)生影響,坡向和垂直分異使得南北方向的土壤和植被具有多重分異的結(jié)果。東西向延伸的秦巴山脈,不僅對南北方向的地理分異規(guī)律產(chǎn)生影響,而且還具有更明顯的陰陽坡和側(cè)翼的分異[31],造成地形、地貌、氣候等多方面的差異性,會對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系產(chǎn)生影響,促使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的差異性。秦巴山區(qū)土壤層從南向北依次是半淋溶土、初育土、淋溶土、人為土、鐵鋁土等過渡形式;氣候類型從南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶過渡;地貌類型也從秦嶺大起伏高中山、豫西漢中中山盆地、南陽盆地、大巴山大起伏高中山過渡。地形、土壤、氣候的差異性主要是受到緯度地帶分異、經(jīng)度分異、垂直地帶性、坡向分異等自然規(guī)律的影響,促使了秦巴山區(qū)高度復(fù)雜性、多樣性和異質(zhì)性。同時在區(qū)域內(nèi)存在非地帶性作用,例如山體效應(yīng)[31- 32],也會增加秦巴山區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性和異質(zhì)性。

秦巴山區(qū)具有多維地帶性結(jié)構(gòu),高程、坡度因素會對整個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成不同的影響,如圖7。大面積的耕地都處在DEM<2000m和坡度>25°,大量的的梯田和坡耕地存在,適合糧食的種植,但是區(qū)域內(nèi)人口密度較大,在一定程度上會破壞植被的生長環(huán)境,促使生境質(zhì)量和植被的碳儲量下降。森林和草地覆蓋度高的區(qū)域大多集中在DEM>4000m和坡度在15—25°高海拔山區(qū),草地和森林的抗土壤侵蝕力比較強(qiáng),大面積的闊葉林分布,人工林面積小,故有較大的生態(tài)效益,所以NPP、土壤保持、生境質(zhì)量等功能較強(qiáng)。草地的分布也會增加地表覆蓋,更進(jìn)一步的增強(qiáng)了地表抗侵蝕能力,同時草地具有防風(fēng)、固沙、保土、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能,促使草地覆被的區(qū)域生態(tài)效益也非常突出。

近年來,退耕還林還草、生態(tài)效益補(bǔ)償、生境質(zhì)量主體功能區(qū)的建設(shè)等國家政策的提出,促使秦巴山區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。 相較于2005年,2015年秦巴山區(qū)的耕地面積減少了10.04%,林地面積增加了5.03%,草地增加了5.24%,城市用地增加了25.54%,水域增加了4.13%,未利用地減少了9.54%。土地利用形式的轉(zhuǎn)變在一定程度上影響景觀格局,從而對生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)僅有農(nóng)作物生產(chǎn)服務(wù)與人類活動之間的關(guān)系是正相關(guān),凸顯了人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響程度[33-34]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大量的非建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地,一方面導(dǎo)致了土壤保持能力的下降,植被生長狀態(tài)被破壞,降低了NPP值,另一方面也會降低地表的蒸散作用,導(dǎo)致水資源供給量的增加,從而促使一部分地區(qū)水資源供給和上述幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)權(quán)衡的關(guān)系,這些結(jié)果和已有的研究成果相類似[35-36]。糧食生產(chǎn)與土壤保持、NPP、生境質(zhì)量之間是權(quán)衡關(guān)系。當(dāng)為了提升糧食的產(chǎn)量,會對其他的土地類型進(jìn)行開墾和修復(fù),雖然提升了糧食產(chǎn)量,但相對應(yīng)的林地、草地的面積減少,造成生境質(zhì)量和NPP服務(wù)大幅度減少,引發(fā)一系列的環(huán)境問題,所以在增加糧食產(chǎn)量的同時也要考慮生態(tài)問題,促使生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)四種尺度依賴性比較

圖7 不同的高程和坡度組合下土地利用形式的空間分布Fig.7 Spatial distribution of land use patterns under different elevation and slope combinations

4.1.2尺度方法的不統(tǒng)一性

本文為了凸顯4種尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的差異性,采用了3種不同的方法來探究不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系。在不考慮區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性的情況下,采用相關(guān)分析法探究秦巴山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的整體趨勢,凸顯整體性;基于R語言探究子區(qū)域(中、小尺度)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)聯(lián)性;隨機(jī)樣點法定量描述樣點間隔尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系;樣點尺度的選擇具有隨機(jī)性,根據(jù)所設(shè)的空間間隔來進(jìn)行相應(yīng)的計算,可以對比不同間隔尺度下成對服務(wù)關(guān)系,來體現(xiàn)出小范圍間區(qū)域特征的差異性。但是文中沒有考慮在相同方法下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系究竟是如何變化的,用相同的方法來衡量更具有說服力,所以怎么樣使用同一種方法在不同的時空尺度下都能清晰明了的展現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換是今后努力的方向。

4.2 結(jié)論

本文利用2005、2010和2015年數(shù)據(jù),探究秦巴山區(qū)大、中、小尺度下NPP、土壤保持、生境質(zhì)量、水資源供給、糧食生產(chǎn)5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)彼此關(guān)系在不同的研究尺度下存在差異性。結(jié)果表明：

(1)全域尺度、綜合分區(qū)尺度、典型樣區(qū)尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系相同,但在綜合分區(qū)尺度下存在特定分區(qū)中生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的轉(zhuǎn)變,與全域間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系出現(xiàn)差異;典型樣區(qū)尺度下與全域尺度在年際間發(fā)生變化,在特定的年份服務(wù)之間的關(guān)系相互轉(zhuǎn)變。

(2)樣點間隔尺度下協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系在不同的間隔尺度中存在差異性,協(xié)同、權(quán)衡效應(yīng)隨著尺度的增加而增強(qiáng);協(xié)同效應(yīng)隨著尺度的增加而減少;權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系隨著尺度的增大相互發(fā)生轉(zhuǎn)變。