勾蒙蒙,李 樂,劉常富,2,*,肖文發(fā),2,王 娜,歐陽帥,胡建文

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所,國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室,北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037 3 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長沙 410004

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)形成和維持人類生存和發(fā)展的自然條件與效用,是人類通過生態(tài)系統(tǒng)功能直接或間接獲得產(chǎn)品和服務(wù)的總和[1—2]。地球進(jìn)入人類世以來,隨著經(jīng)濟(jì)社會迅速發(fā)展和人口數(shù)量急增,愈發(fā)劇烈的人類干擾引發(fā)了水土流失、面源污染、生物多樣性減少等一系列生態(tài)環(huán)境問題,對生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[3]。究其原因,主要是人類與自然博弈過程中需求偏好使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間往往表現(xiàn)出相互交織、復(fù)雜的非線性關(guān)系(即權(quán)衡關(guān)系),具體表現(xiàn)為過度消費或追求單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)會直接或間接導(dǎo)致其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)減少[4—5]。例如,海河流域開展的三北防護(hù)林和京津風(fēng)沙源治理工程等有效提高了防風(fēng)固沙服務(wù),但減弱了水資源供給服務(wù)[6]。因此,科學(xué)認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重要領(lǐng)域與核心問題,也是可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理的前提和基礎(chǔ)[7—8]。

隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)研究不斷深入,國內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡空間制圖、量化表達(dá)、優(yōu)化調(diào)控等方面取得了諸多進(jìn)展[9—10],相關(guān)研究成果也已應(yīng)用到生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作中。但多數(shù)研究仍忽略了具體的變量對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系的影響,缺乏生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡空間分異規(guī)律的有效探討[11],因此基于全域的分析結(jié)果難以適應(yīng)局部生態(tài)保護(hù)修復(fù)需求。事實上,受地形、植被覆蓋、人類活動等差異的影響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系往往會表現(xiàn)出一定的梯度效應(yīng),即區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系具有明顯的空間分異規(guī)律,尤其是對山區(qū)而言[12—13]。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異規(guī)律逐漸成為研究的熱點[14]。徐彩仙等[15]從高程、坡度、地形起伏度等方面分析了白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的地形梯度分布特征。劉曉娜等[16]從植被覆蓋度和土地開發(fā)程度變化入手研究了北京灣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的梯度效應(yīng)。上述研究大多分析了外部驅(qū)動因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系對不同驅(qū)動因素的梯度響應(yīng)仍未得到有效探討?？紤]到不同的驅(qū)動因素具有尺度差異性,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、分布和權(quán)衡關(guān)系在不同的空間尺度也可能有所不同[17]。目前涉及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的相關(guān)研究多集中在區(qū)域尺度上,基于環(huán)境因子分異的子區(qū)域尺度上權(quán)衡關(guān)系研究仍相對較少,因此區(qū)域尺度的研究結(jié)果在生態(tài)系統(tǒng)的精細(xì)化管理方面仍具有一定的缺陷[18]。

大寧河流域是三峽庫區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生物多樣性豐富區(qū),在保持水土、改善水質(zhì)和維護(hù)三峽庫區(qū)生態(tài)安全等方面具有極其重要的作用。與此同時,該流域也是典型的山地流域,環(huán)境空間分異明顯,生態(tài)環(huán)境脆弱導(dǎo)致的水土流失、石漠化現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重[19]?；诖?本文以大寧河流域為研究區(qū)域,利用CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型、InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型、RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)模型等對2018年的糧食生產(chǎn)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水量等4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行量化評估,進(jìn)一步選取海拔、降雨量和植被覆蓋度3個典型的環(huán)境梯度因子,深入探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系的梯度效應(yīng),以期推動生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)精細(xì)管控和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

大寧河流域(108°47′—110°09′E,31°04′—31°44′N)地處三峽庫區(qū)腹地,是三峽庫區(qū)內(nèi)最大的流域,總面積約為4359 km2(圖1)。該流域為典型的喀斯特地貌,地貌類型以山地和丘陵為主,海拔范圍為42—2761 m,在空間上呈現(xiàn)北部、東部高而中部、南部低的分布格局。大寧河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候,年平均溫度約為16.6℃,年降雨量約為1224 mm。主要的土壤類型為黃壤、黃棕壤和棕壤。流域內(nèi)土地利用類型以林地和耕地為主,占流域總面積的比例分別為60.23%和24.06%,其中林地主要分布在北部、東部海拔較高的地區(qū),耕地則呈現(xiàn)空間總體破碎、中部集中的分布趨勢。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文主要涉及的數(shù)據(jù)有土地利用數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等6類。30 m空間分辨率土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(https://www.resdc.cn/),包含耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6類土地利用類別。NDVI數(shù)據(jù)以Landsat 8遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后,通過組合近紅外波段和紅外波段的方式獲取。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m。土壤數(shù)據(jù)通過1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫獲取,該數(shù)據(jù)主要包含土壤類型、質(zhì)地、土壤有機(jī)碳含量、各粒徑比例等。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.cma.cn/),包括日降雨量、平均氣溫、平均風(fēng)速、日照時數(shù)等,采用ANUSPLIN軟件進(jìn)行空間插值生成空間分辨率為30 m的柵格數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《巫山縣2019年統(tǒng)計年鑒》、《巫溪縣2019年統(tǒng)計年鑒》、《奉節(jié)縣2019年統(tǒng)計年鑒》。

2.2 典型年份選取

圖2 大寧河流域2000—2018年降雨量距平百分比Fig.2 Percent of precipitation anomaly during 2000 to 2018 in the Daning River Basin

2000—2018年期間,大寧河流域平均降雨量為1092.39 mm,降雨量呈現(xiàn)明顯的年際變化(圖2)。根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范(SL250—2000)》[20],采用距平百分比法對大寧河流域降雨量進(jìn)行豐枯劃分,其中距平百分比大于15%為豐水年,小于-15%為枯水年,處于-15%—15%范圍內(nèi)為平水年。根據(jù)劃分結(jié)果,大寧河流域多數(shù)年份為平水年,雖然降雨呈波動變化趨勢,但近幾年波動相對平穩(wěn),且均為平水年。因此,綜合考慮平水年典型性、數(shù)據(jù)可用性、研究時效性等因素,本文選取2018年為平水年典型年份開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系梯度效應(yīng)分析。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

2.3.1糧食生產(chǎn)

糧食生產(chǎn)是自然生態(tài)系統(tǒng),特別是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)最重要的供給服務(wù)之一,采用NDVI校正法將縣域內(nèi)糧食產(chǎn)量重新分配至柵格尺度[21],公式如下：

(1)

式中,FSi為第i個柵格分配的糧食產(chǎn)量(kg/hm2)；Ysum為區(qū)縣主要糧食作物的總產(chǎn)量(kg)；NDVIi和NDVIsum分別為第i個耕地柵格的NDVI和所在區(qū)縣耕地NDVI的總和。

2.3.2碳固持

碳固持指的是陸地生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用將大氣中的CO2捕獲并封存的過程,可有效緩解溫室效應(yīng)和全球氣候變化[22]。在本文中,將凈初級生產(chǎn)力作為碳固持服務(wù)的表征指標(biāo),采用CASA模型進(jìn)行評估,公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中,NPP(x,t)為像元x在t月的凈初級生產(chǎn)力(g C/m2)；APAR(x,t)為像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)為像元x在t月的實際光能利用率(g C MJ-1)。

2.3.3土壤保持

土壤保持是指潛在土壤侵蝕與實際土壤侵蝕的差值,采用RUSLE模型進(jìn)行評估,公式如下：

SR=R×K×LS×(1-C×P)

(3)

式中,SR為年土壤保持量(t/hm2)；R為降雨侵蝕力(MJ mm hm-2h-1),采用章文波等[23]提出的基于日降雨量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計算；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1),利用EPIC(Erosion Productivity Impact Calculator)模型進(jìn)行計算；LS為坡長坡度因子,無量綱；C為植被覆蓋因子,無量綱；P為水土保持措施因子,無量綱。

2.3.4產(chǎn)水量

采用InVEST模型中產(chǎn)水模塊評估大寧河流域的產(chǎn)水量,公式如下：

(4)

(5)

PETx=Kc,x×ET0,x

(6)

(7)

式中,WYx為柵格x的年產(chǎn)水量(mm)；AETx為柵格x的年實際蒸發(fā)量(mm)；Px為柵格x的年降雨量(mm)；PETx為柵格x的年潛在蒸發(fā)量(mm)；ω是表示自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù),無量綱；Kc,x為柵格x的作物蒸散發(fā)系數(shù),無量綱；ET0,x為柵格x的參考作物蒸散(mm)；Z為Zhang系數(shù)[24],代表了區(qū)域降水分布及其他水文地質(zhì)特征；AWCx為柵格x的土壤有效含水量。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡分析

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對不同海拔、降雨量及植被覆蓋度梯度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行分析。在ArcGIS軟件中采用自然斷點法將海拔、降雨和植被劃分為3類,其中海拔梯度為>1000 m、1000—1600 m、>1600 m；降雨量梯度為>1100 mm、1100—1600 mm、>1600 mm；植被覆蓋度梯度為>30%、30%—70%、>70%。自然斷點法是目前常用的環(huán)境梯度劃分方法,具有最小化組內(nèi)差異、最大化組間差異的優(yōu)勢[25]。為進(jìn)一步闡述梯度劃分的合理性,本文繪制了降雨量、植被覆蓋度及土地利用組成隨海拔梯度變化圖(圖3),可以看出不同海拔梯度上的降雨量、植被覆蓋度和土地利用組成等均存在非常大的差異,且降雨量、植被覆蓋度在不同海拔梯度上的分布與自然斷點法劃分結(jié)果具有規(guī)律一致性。此外,土地利用是決定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系重要的因素之一,在不同的梯度分布下,土地利用的組成及其比例均存在較大的差異,從而對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系產(chǎn)生了影響,因此基于自然斷點法劃分的梯度可進(jìn)一步被用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系梯度效應(yīng)研究。

圖3 降雨量、植被覆蓋度及土地利用組成隨海拔梯度變化圖Fig.3 Changes of precipitation, vegetation cover fraction and land use composition along the elevation gradient

采用均方根偏差(Root Mean Squared Deviation,RMSD)方法對不同梯度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行量化。該方法通過描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)差與平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)差的平均差異,將權(quán)衡傳統(tǒng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系拓展到變化幅度的不均勻率,從而量化任意兩個或兩個以上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系[26—27]。公式如下：

(8)

(9)

式中,ESstd歸一化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；ESobs為單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的實際值；ESmin和ESmax分別為單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的最小值和最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布特征

從空間分布上來看,大寧河流域2018年糧食生產(chǎn)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水量空間分布具有顯著差異(圖4)。具體來說,糧食生產(chǎn)服務(wù)在0—4264.83 kg/hm2之間,在中部和南部呈現(xiàn)集中分布趨勢,在北部呈現(xiàn)破碎化趨勢,且高值區(qū)主要分布在北部。碳固持服務(wù)范圍為4.13—706.65 g C/m2,均值為293.64 g C/m2,在空間上呈現(xiàn)由西北向東南逐漸遞減的分布規(guī)律,其在東部的高值區(qū)與神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)有較高的空間重疊。土壤保持服務(wù)的空間分布上主要受降雨、地形、植被等因素的影響,其高值區(qū)主要分布在西部和東部,中部區(qū)域海拔低,坡度較小,因此水土保持服務(wù)相對較小。產(chǎn)水量范圍為0—1299.16 mm,其空間分布與土壤保持服務(wù)具有一定的相似性。

圖4 大寧河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem services in the Daning River Basin

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)

如圖5所示,2018年大寧河流域4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有明顯的沿環(huán)境梯度變化格局。其中糧食生產(chǎn)隨海拔、降雨量的增加呈顯著下降的趨勢,但隨著植被覆蓋度的增加呈現(xiàn)顯著上升后下降的趨勢,當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到70%以上,糧食生產(chǎn)供給能力明顯不足。碳固持服務(wù)隨海拔梯度的增加呈先增加后減少的趨勢,當(dāng)海拔處于1000—1600 m時,碳固持達(dá)到最大,為330.19 g C/m2；在降雨量和植被覆蓋度梯度下,碳固持服務(wù)呈現(xiàn)隨梯度增加而顯著增加的趨勢。土壤保持服務(wù)隨海拔、降雨量和植被覆蓋度梯度分布規(guī)律一致,均隨著梯度的增加顯著下降。產(chǎn)水量隨海拔和降雨量梯度的增加表現(xiàn)為先顯著上升后顯著下降的趨勢,當(dāng)海拔處于1000—1600 m以及降雨量處于1100—1600 mm范圍內(nèi)產(chǎn)水量達(dá)到最大,分別為571.63 mm、662.57 mm；在植被覆蓋度梯度下,產(chǎn)水量表現(xiàn)為隨著植被覆蓋度的增加也顯著增加?？偟貋碚f,高海拔(>1600 m)、高降雨量(>1600 mm)、高植被覆蓋度(> 70%)梯度下的糧食生產(chǎn)服務(wù)顯著低于低海拔(<1000 m)、低降雨量(<1100 mm)和低植被覆蓋度(<30%)梯度,而碳固持服務(wù)、土壤保持和產(chǎn)水量則顯著高于低海拔、低降雨量和低植被覆蓋度梯度。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨海拔、降雨量和植被覆蓋度梯度變化Fig.5 Changes of four ecosystem services along the gradient of elevation, precipitation, and vegetation cover fraction

3.3 兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系梯度效應(yīng)

從流域整體上來看,不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對之間的權(quán)衡關(guān)系存在一定差異(圖6；表1)。碳固持和產(chǎn)水量散點分布在1：1線附近,表明碳固持和產(chǎn)水量為弱權(quán)衡關(guān)系(RMSD=0.11±0.09)；土壤保持和糧食生產(chǎn)的RMSD值為0.14±0.09,二者之間存在中等程度權(quán)衡關(guān)系；碳固持與土壤保持、碳固持與糧食生產(chǎn)、土壤保持與產(chǎn)水量、產(chǎn)水量與糧食生產(chǎn)之間的RMSD值均大于0.26,表明其為強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系。

表1 大寧河流域兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均方根偏差值

圖6 不同梯度下兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)散點圖Fig.6 Scatter plot of paired ecosystem services along different gradients

從不同梯度下兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)散點圖分布和RMSD結(jié)果來看,不同的海拔、降雨量、植被覆蓋度梯度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)散點偏離1∶1線的距離以及RMSD值均不同,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系具有明顯的梯度效應(yīng)和梯度敏感性(圖6；表2)。海拔梯度下兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對的RMSD均呈現(xiàn)出顯著差異,碳固持與產(chǎn)水量、碳固持與糧食生產(chǎn)的權(quán)衡關(guān)系隨著海拔的增加呈現(xiàn)增加的趨勢,但土壤保持與糧食生產(chǎn)權(quán)衡關(guān)系呈相反趨勢。其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對雖然隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)先增后減或先減后增的趨勢,但進(jìn)一步縮小海拔梯度范圍時,梯度效應(yīng)仍比較明顯。當(dāng)合并1000—1600 m和>1600 m海拔梯度時,碳固持與糧食生產(chǎn)的權(quán)衡關(guān)系在海拔大于1000 m時發(fā)生顯著的增強(qiáng)。在降雨量梯度下,隨著降雨量的增加,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系總體上呈減弱的趨勢,其中土壤保持與產(chǎn)水量、產(chǎn)水量與糧食生產(chǎn)之間的關(guān)系隨著降雨量的增加呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。植被覆蓋度直接參與了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成過程,其梯度變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡關(guān)系也具有重要的影響,除土壤保持與糧食生產(chǎn)權(quán)衡關(guān)系外,隨著植被覆蓋度的增加,兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對之間的權(quán)衡關(guān)系均呈顯著增加的趨勢。

表2 不同梯度下兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均方根偏差值

3.4 多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系梯度效應(yīng)

如圖7所示,大寧河流域多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的RMSD值為0.25±0.08,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系。在海拔梯度下,當(dāng)海拔<1000 m和>1600 m時,4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡最小,RMSD值分別為0.24±0.07、0.24±0.09,最大權(quán)衡的RMSD值出現(xiàn)在海拔范圍1000—1600 m。在降雨量和植被覆蓋度梯度下,4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的RMSD值隨著梯度的變化呈一致的變化趨勢,具體表現(xiàn)為隨降雨量梯度增加呈權(quán)衡減弱趨勢,而隨植被覆蓋度梯度增加呈權(quán)衡加強(qiáng)趨勢。

圖7 不同梯度下多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均方根偏差值Fig.7 Root mean squared deviation values for multiple ecosystem services under different gradients藍(lán)色虛線為流域的均方根偏差值

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

厘清環(huán)境因子對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系的影響,有助于進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)認(rèn)知,為合理調(diào)節(jié)人類活動,因地制宜開展生態(tài)系統(tǒng)管理提供依據(jù)[28]。一般來說,地形、降水、植被覆蓋等生態(tài)環(huán)境因子,以及人口密度、發(fā)展水平等社會經(jīng)濟(jì)因子與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有一定的關(guān)聯(lián)性,其主要通過影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布[29]?？紤]到大寧河流域所在的巫溪縣、巫山縣、奉節(jié)縣經(jīng)濟(jì)水平一般,且難以獲取高精度的社會經(jīng)濟(jì)因子空間柵格數(shù)據(jù),因此在本文中只選取了海拔、降雨量、植被覆蓋度3個典型的環(huán)境因子進(jìn)行分析。

大寧河流域海拔呈北高南地、西高東低的趨勢,林地主要分布在北部和東部海拔較高的地區(qū),而農(nóng)田主要分布在中部和南部以丘陵地貌為主的低海拔地區(qū),因此糧食生產(chǎn)服務(wù)高值區(qū)集中分布在中部和南部區(qū)域,而北部區(qū)域則較為分散,且隨著海拔梯度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢。降雨量是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力重要的氣候因素,降雨量增加能夠顯著增加生態(tài)系統(tǒng)碳固持[30],加之植被覆蓋度與生產(chǎn)力之間存在高度線性關(guān)系[31],因此碳固持服務(wù)隨降雨量和植被覆蓋度梯度呈顯著增加的趨勢。在本文中,土壤保持量通過潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值獲得,二者均受到受降雨量、地形因子和土壤可蝕性影響,實際土壤侵蝕量很大程度上還依賴于植被覆蓋因子[32]。大寧河流域高海拔、高降雨量區(qū)域內(nèi)的林地覆蓋比例較高,因此具有較高的植被覆蓋度,有效加強(qiáng)了土壤保持服務(wù),與三峽庫區(qū)開展的水土保持研究結(jié)果一致[33—34]。產(chǎn)水量隨植被覆蓋度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢,但隨海拔、降雨量梯度增加并未顯示一致規(guī)律,可能與產(chǎn)水量復(fù)雜的植被和降雨相互作用關(guān)系有關(guān)[35]。

與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布特征一致,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的復(fù)雜關(guān)系同樣受到自然因素和人類因素的共同作用影響。本文采用RMSD方法量化了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系,通過分析不同梯度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的RMSD值及其梯度變異規(guī)律,有助于加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系理解。綜合來看,在流域上碳固持與糧食生產(chǎn)為強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系,主要由于農(nóng)田和林地分布具有不均衡性。與以往研究不同的是,在本文中碳固持與產(chǎn)水量為弱權(quán)衡關(guān)系,而碳固持與土壤保持量為強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系,原因在于碳固持高的地方降雨量比較充沛,相應(yīng)地導(dǎo)致了產(chǎn)水量和土壤侵蝕量的增加,即降水對碳固持存在閾值效應(yīng)[9,36]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡梯度效應(yīng)分析結(jié)果表明,隨著植被覆蓋度增加,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡趨于加強(qiáng),表明植被覆蓋度是大寧河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的主要驅(qū)動因素,植被對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的約束效應(yīng)調(diào)整了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生和傳遞過程,從而改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系[37],側(cè)面反映了長期以“變綠”為主要目標(biāo)的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程可能會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡加強(qiáng),強(qiáng)調(diào)了生態(tài)保護(hù)修復(fù)過程中的協(xié)調(diào)理念。相對于植被覆蓋度梯度,降雨量梯度的增加有效增加了碳固持、土壤保持和產(chǎn)水量服務(wù)等,從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系呈現(xiàn)隨梯度的增加而減弱的趨勢。在海拔梯度下,海拔梯度的變化只對部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對產(chǎn)生了同向影響,其原因在于海拔梯度的增加往往伴隨降雨量、植被覆蓋度等自然因素的改變,即在海拔梯度下,多種環(huán)境因子的交互作用決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系[13]。因此,在未來生態(tài)系統(tǒng)管理和政策制定過程中,既要考慮流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體權(quán)衡,又要統(tǒng)籌不同立地條件、不同氣候、不同植被覆蓋影響下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡梯度效應(yīng),從而制定分類分區(qū)管理政策,達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)局部協(xié)調(diào)和整體優(yōu)化的目標(biāo)。

雖然本文采用空間代替時間方法研究了典型平水年份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系的梯度效應(yīng),但生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系及其驅(qū)動因素仍具有較強(qiáng)的時間尺度依賴性[12,28],相對于海拔和植被覆蓋度,降雨量在時間尺度上仍具有較大的空間分布不均衡性,因此未來有待于結(jié)合多時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.2 結(jié)論

本文基于大寧河流域2018年糧食生產(chǎn)、碳固持、土壤保持和產(chǎn)水量4個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估結(jié)果,在海拔、降雨量、植被覆蓋度3個環(huán)境因子的梯度下探究了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的梯度分異規(guī)律,采用RMSD方法定量刻畫了不同梯度下兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以及多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的梯度變化趨勢。結(jié)論如下：

(1)大寧河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。糧食生產(chǎn)高值區(qū)主要分布在海拔較低的中部和南部地區(qū)；碳固持呈由西北向東南遞減的趨勢；土壤保持和產(chǎn)水量高值區(qū)分布有一定相似性,主要分布在西部和東部地區(qū)。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨海拔、降雨量和植被覆蓋度的變化表現(xiàn)出一定的梯度效應(yīng)。糧食生產(chǎn)隨海拔、降雨量和植被覆蓋度的增加呈下降的趨勢,而土壤保持隨3種環(huán)境因子的增加呈上升趨勢,碳固持和產(chǎn)水量總體上表現(xiàn)為隨環(huán)境因子增加而增加的趨勢。

(3)大寧河流域碳固持和產(chǎn)水量為弱權(quán)衡關(guān)系,土壤保持和糧食生產(chǎn)為中度權(quán)衡關(guān)系,其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對為強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系。

(4)環(huán)境因子的梯度效應(yīng)顯著影響了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系。植被覆蓋度梯度增加推動了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度增加,而降雨量梯度增加顯著減少了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡趨勢；海拔梯度的增加顯著增加了碳固持與土壤保持量、土壤保持與糧食生產(chǎn)的權(quán)衡關(guān)系,削弱了碳固持與產(chǎn)水量的權(quán)衡關(guān)系。

致謝：本研究得到湖北秭歸三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站的支持。