鄭德鳳，萬巨影，白麗娜，呂樂婷

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)供給人類的可使用的自然資源[1]，主要指人類通過直接或間接手段得到的可以支持生命發(fā)展的產(chǎn)品與服務，一般分為供給、調節(jié)、文化和支持4類典型生態(tài)系統(tǒng)服務[2]，可采用生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ecosystem services value，ESV)來表征。不同時空變化過程中，各生態(tài)系統(tǒng)服務存在權衡/協(xié)同關系。權衡關系指地理要素空間分布存在某一項生態(tài)系統(tǒng)服務價值的增減，對其他生態(tài)系統(tǒng)服務價值產(chǎn)生影響；協(xié)同關系指2種或2種以上生態(tài)系統(tǒng)服務價值同時增減。權衡/協(xié)同關系與人們對生態(tài)系統(tǒng)的需求相關[3-4]。國內外學者針對濕地[5]、流域[6]、生態(tài)保護區(qū)[7]和農耕區(qū)[8]，采用情景模擬法[9]、空間分析法[10]及相關統(tǒng)計學方法[11]等，圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同的理論基礎[12]、驅動機制[13]及尺度效應[14]展開了大量研究。盡管權衡/協(xié)同的研究內容較為廣泛，但研究尺度存在一定局限性，以往研究以單一尺度為側重點，分別對宏觀或微觀尺度網(wǎng)格單元[15-16]展開研究，而缺乏多尺度耦合探究。展開多空間尺度生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系研究，有利于促進權衡/協(xié)同關系的轉換，通過時間尺度探究時間序列ESV演變規(guī)律，并結合空間尺度下網(wǎng)格單元、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣域等微觀尺度梳理ESV權衡/協(xié)同空間分布形式，可以促進區(qū)域生態(tài)保護措施落實，為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

燕山—太行山區(qū)作為國家14個集中連片特困區(qū)之一，跨越河北、山西和內蒙古3個省份，承擔了如京津冀沙源治理、太行山綠化等重點生態(tài)建設任務。已有研究表明，生態(tài)系統(tǒng)服務的尺度關聯(lián)特征使同一組生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系在不同尺度存在差異[14-15]。關于燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系時空特征及動態(tài)變化的研究較為薄弱，已有研究多集中于土地利用程度[17-18]、貧困度[19]對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，對ESV權衡/協(xié)同關系研究集中于河北省[20]、京津冀[21]等省域或城市群等大尺度范圍。在研究內容上，現(xiàn)有研究多側重生態(tài)補償與生態(tài)支撐區(qū)劃分[17]，對于生態(tài)系統(tǒng)服務關系研究較少；在研究區(qū)域方面，目前仍缺乏不同尺度生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系方面的相關研究。為此，根據(jù)燕山—太行山區(qū)區(qū)域特征對當量因子進行修正，估算生態(tài)系統(tǒng)服務價值并探討其空間格局變化情況，采用相關分析揭示燕山—太行山區(qū)時間序列各項生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系，并通過雙變量自相關法對比縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和網(wǎng)格單元3種研究尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系及空間分布特征，研究結果可為“后扶貧時代”燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維護與可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

燕山—太行山區(qū)占地面積為9.3萬hm2，地理位置為38°～43° N，113°～119° E，包括33個縣域。研究區(qū)內降水分布不均，年均降水量為300～580 mm，區(qū)域土地利用類型以林地、草地和耕地為主(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置與土地利用類型

2000、2005、2010、2015和2019年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)，分辨率為30 m。農作物播種總面積、農作物產(chǎn)量和糧食生產(chǎn)凈利潤從2000—2019年《河北統(tǒng)計年鑒》《內蒙古統(tǒng)計年鑒》《全國農產(chǎn)品生產(chǎn)資料匯編》獲得。

土地利用數(shù)據(jù)分類標準與生態(tài)系統(tǒng)價值估算模型中的分類存在一定差別，需要對土地利用類型進行重分類。根據(jù)謝高地等[22]提出的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表，將土地利用分為耕地、林地、草地、濕地、水域和荒漠6類。其中，燕山—太行山區(qū)未利用土地涵蓋沙地、鹽堿地、裸地、裸巖石質地和沼澤，沙地和鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)服務價值與荒漠一致，沼澤地生態(tài)系統(tǒng)服務價值則與濕地較為相近；裸土地、裸巖石質地、城鄉(xiāng)工礦居民用地與裸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值較為一致[8]，故將沙地、鹽堿地、裸土地、裸巖石質地和城鄉(xiāng)工礦居民用地都歸為荒漠[23-24]，沼澤地歸為濕地。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值估算模型

生態(tài)系統(tǒng)為維持其內部穩(wěn)定狀態(tài)，必須要消耗自身的一部分價值，參考謝高地等[22]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方法，并結合單位面積標準當量對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行修正，計算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，VES,z為z時期生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元；Dz為單位標準當量因子的價值量，元·hm-2；sk為k類糧食的播種面積，hm2；pk為凈利潤，元·kg-1；qk為單位面積產(chǎn)量，kg·hm-2；s為糧食播種總面積，hm2；eij為土地利用類型i生態(tài)系統(tǒng)服務類型j的價值；Si為土地利用類型i的面積，hm2。單位標準當量存在地區(qū)差異性，該研究確定2015年燕山—太行山區(qū)單位標準當量為3 068.65元·hm-2，由此計算燕山—太行山區(qū)單位面積ESV，結果見表1。

表1 燕山—太行山區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)

1.3 相關分析與雙變量空間自相關方法

相關分析法用于分析變量之間的線性關系[25]，利用相關系數(shù)可對變量間的相關性強弱進行分析，若為正值，表明兩變量間存在同時增加或減少的協(xié)同關系；若為負值，則兩變量存在相互抑制作用。相關系數(shù)計算公式為

(3)

地理現(xiàn)象在空間相互作用和空間擴散的影響下通常具有不同程度的空間相關性[26]，一般采用Moran′sI指數(shù)探討多變量之間的空間相關性。雙變量空間自相關結果表現(xiàn)為高-高集聚、低-低集聚空間分布特征，表示生態(tài)系統(tǒng)服務之間為協(xié)同作用，低-高集聚、高-低集聚則表示權衡作用[27]。該研究引用此方法進行雙變量生態(tài)系統(tǒng)服務空間上的相關性研究，相關公式參照文獻[26]。

2 結果與分析

2.1 燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化

由表2可知，2000—2019年研究區(qū)ESV為增—減—增波動態(tài)勢，不同服務類型變化各異。其中，2005—2010年調節(jié)服務增加1.59億元，供給、支持和文化服務3項表現(xiàn)為減少趨勢。由圖2可知，燕山—太行山區(qū)各類用地ESV排序由高到低為林地、草地、耕地、濕地、水域和荒漠。各類用地ESV變化趨勢不一致，林地可產(chǎn)生較高ESV，占比為54.48%。耕地和草地ESV在2000—2015年減少，2015—2019年增加，2000—2019年耕地和草地ESV分別增加14.08億和14.21億元。2005—2019年濕地服務價值逐年減少，共減少63.85億元。水域ESV變化較為顯著，2005—2010年增加2.70億元，2010—2019年減少0.89億元。

由表3可知，燕山—太行山區(qū)各縣域ESV較高地區(qū)以河北省為主，如圍場、豐寧和隆化等，較低縣域為望都和完縣。2000—2019年ESV明顯增加的縣域有圍場、隆化和尚義，明顯下降的有康保、沽源和張北，分別減少3.41億、4.66億和4.93億元。

表2 2000—2019年燕山—太行山區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)

表3 2000—2019年燕山—太行山區(qū)縣域平均生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)

圖2 2000—2019年燕山—太行山區(qū)各類用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV)

2.2 燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系

2.2.1燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的相關性

研究區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務相關系數(shù)見表4。由表4可知，11類生態(tài)系統(tǒng)服務組成的121組相關系數(shù)值均通過0.01水平的顯著性檢驗。供給服務中，食物生產(chǎn)與氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、凈化環(huán)境、生物多樣性和美學景觀存在權衡關系；調節(jié)服務中，氣體調節(jié)與氣候調節(jié)、凈化環(huán)境、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)和生物多樣性存在協(xié)同關系(相關系數(shù)>0.9)；氣候調節(jié)與凈化環(huán)境和土壤保持為協(xié)同關系(相關系數(shù)>0.9)；支持服務中土壤保持與維持養(yǎng)分循環(huán)存在協(xié)同關系，生物多樣性與美學景觀存在協(xié)同關系(相關系數(shù)=0.98)。總體來看，協(xié)同關系為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的主導關系。

2.2.2燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的多尺度空間集聚特征

為探究燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同空間分布特征，采用等間距方式將研究區(qū)劃分為3 908個5 km×5 km的網(wǎng)格單元，分別在網(wǎng)格單元、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣域尺度計算雙變量空間自相關系數(shù)。由表5可知，4類生態(tài)系統(tǒng)服務空間均呈協(xié)同關系，各尺度雙變量空間自相關系數(shù)由高到低為縣域尺度、網(wǎng)格單元和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度。

以2019年為例，繪制網(wǎng)格、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣域3種尺度下4類典型生態(tài)系統(tǒng)服務LISA集聚圖，以探究生態(tài)系統(tǒng)服務在不同尺度的空間集聚特征(圖3～5)。由圖3可知，網(wǎng)格尺度生態(tài)系統(tǒng)服務關系存在空間差異，表現(xiàn)為協(xié)同關系的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北側，且分布較為集中。表現(xiàn)為權衡關系的區(qū)域分布較為分散，其單元格數(shù)量不超過500個。但供給服務與文化服務表現(xiàn)為權衡關系的區(qū)域分布較為集中，單元格數(shù)量共552個。

由圖4可知，鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度由433個單元格組成，其雙變量空間自相關系數(shù)較低，4項服務表現(xiàn)為協(xié)同關系的區(qū)域集中在研究區(qū)北側。其中，調節(jié)-文化服務表現(xiàn)為協(xié)同關系的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量(62個)最多。權衡關系中，供給服務與調節(jié)和支持服務表現(xiàn)明顯，單元格數(shù)量為39個，但沒有形成集聚效應。

由圖5可知，縣域尺度雙變量空間自相關系數(shù)較高，4項生態(tài)系統(tǒng)服務都表現(xiàn)為協(xié)同關系。供給-調節(jié)服務表現(xiàn)為協(xié)同關系的區(qū)域分布在研究區(qū)北部豐寧、隆化和圍場，中部懷安、陽高和陽原，以及南部唐縣。

表4 燕山—太行山區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務的相關關系

表5 燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值雙變量自相關分析

3 討論

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化分析

2000—2019年燕山—太行山區(qū)ESV總體保持增加—降低—增加趨勢，降低趨勢主要出現(xiàn)在2015年，各項服務價值均有所降低，降幅較大的為食物生產(chǎn)和水文調節(jié)，食物生產(chǎn)ESV降低主要是由于耕地面積變化所致。截至2015年，研究區(qū)耕地面積逐年減少，這與工業(yè)化發(fā)展、城鎮(zhèn)化推進密切相關[27]。建設用地侵占耕地面積，而迫于社會發(fā)展的經(jīng)濟壓力，農民對耕地需求量增加，出現(xiàn)水域、濕地轉為耕地的逆生態(tài)化過程，這為生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力[28]。水文調節(jié)ESV降低是由于提供調節(jié)服務的水域和濕地面積減少，林地面積逐年增加，植被蒸發(fā)量增加[29]，生態(tài)系統(tǒng)調節(jié)功能減弱。

伴隨燕山小流域治理、太行山綠化等生態(tài)恢復工程建設的實施[19]，研究區(qū)林地面積逐年增加，生態(tài)用地的質量和數(shù)量得到提升[30]，為研究區(qū)生態(tài)恢復與環(huán)境改善奠定基礎。作為燕山—太行山綠化建設的責任主體，縣級及以上政府應落實行政責任制，依據(jù)山區(qū)地形地貌特點，因地制宜采取相應建設對策，在ESV高值區(qū)采取封山育林等政策維持現(xiàn)有林區(qū)狀況，在ESV較低的丘陵區(qū)采取人工造林、育林措施，形成分區(qū)治理、統(tǒng)籌協(xié)調的生態(tài)環(huán)境保護系統(tǒng)。燕山—太行山區(qū)連接河北、山西和內蒙古3個省份，應利用好區(qū)域優(yōu)勢，合理規(guī)劃生產(chǎn)、生活、生態(tài)的三生空間布局，堅守生態(tài)與發(fā)展2條線并進，提高人們的生態(tài)保護意識，促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

圖例中括號內數(shù)值為單元格數(shù)量。

圖例中括號內數(shù)值為單元格數(shù)量。

圖例中括號內數(shù)值為單元格數(shù)量。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系分析

在探討ESV權衡/協(xié)同關系的基礎上，增加不同研究尺度的空間相關分析步驟，采用時空分異特性尋求平衡貧困區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境修復的標準[19]。相關分析可用于計算較長時間間隔內網(wǎng)格單元變量的相關程度，雙變量自相關分析可表征縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和網(wǎng)格單元3種不同尺度空間集聚性。相關分析中協(xié)同關系為主導關系，但供給服務與其他3項服務存在不同程度的權衡關系。食物生產(chǎn)與調節(jié)服務中氣體調節(jié)、氣候調節(jié)和凈化環(huán)境3項服務存在權衡關系，這與孫藝杰等[13]研究發(fā)現(xiàn)的調節(jié)因子中凈初級生產(chǎn)力與食物供給存在沖突關系表現(xiàn)一致。其次，食物生產(chǎn)與生物多樣性和美學景觀之間存在權衡關系，燕山—太行山區(qū)為食物供給提供來源的土地類型多為耕地，耕地存在美學景觀價值，但其價值小于林地、草地等用地類型。鞏杰等[27]對甘肅白龍江的研究表明，食物供給與生境質量間存在協(xié)同關系。筆者的研究結果與其存在差別，其原因與權衡/協(xié)同關系在不同地區(qū)存在地域差異相關[6]。

生態(tài)系統(tǒng)服務雙變量權衡/協(xié)同關系空間集聚特征存在尺度差異，縣域尺度雙變量相關系數(shù)與空間集聚程度明顯高于網(wǎng)格單元和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度，這與劉華超等[7]、喬斌等[15]得出的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系對研究尺度存在依賴性的結論相符。對網(wǎng)格單元、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣域3種尺度的研究結果進行對比分析，可以增加生態(tài)系統(tǒng)服務評估結果的可信程度。結合《河北省人大常委會關于加強太行山燕山綠化建設的決定》提及的將市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)分級規(guī)劃，各級單位配合落實區(qū)域生態(tài)建設[31]，從側面反映開展縣域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度研究的必要性，這有利于研究區(qū)結合實際情況，因地制宜開展生態(tài)環(huán)境保護相關工作。

3.3 不足與展望

基于當量因子法的ESV估算模型可以運用貨幣價值表達ESV，方法便于操作，但該模型也存在一定局限性[20]，如忽略了同種土地利用類型因所處環(huán)境不同而導致的結果差異；其次，由于計算過程中未涉及城市用地生態(tài)系統(tǒng)服務價值[18]，忽略了城市綠化和生態(tài)公園提供的ESV。未來應對生態(tài)系統(tǒng)服務內部驅動因素展開進一步研究，考慮不同情景下生態(tài)系統(tǒng)服務相互影響的動態(tài)變化情況。

4 結論

(1)2000—2019年燕山—太行山區(qū)ESV表現(xiàn)為增加—降低—增加的變化趨勢。受綠化政策影響，林地ESV逐年增加，需要重點關注研究區(qū)林地、耕地和草地的轉換關系。

(2)燕山—太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務以協(xié)同關系為主，供給服務中食物生產(chǎn)與氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、凈化環(huán)境、生物多樣性和美學景觀存在權衡關系。

(3)不同研究尺度生態(tài)系統(tǒng)服務存在空間差異，網(wǎng)格單元與鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系分布分散，協(xié)同關系集中分布在研究區(qū)北部。研究區(qū)縣域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務表現(xiàn)為協(xié)同關系，主要分布在荒山造林、荒地造林等工程覆蓋的縣域，如豐寧、隆化、圍場、懷安、陽原、陽高和唐縣等。