黃 麟,祝 萍,曹 巍

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101

生態(tài)系統(tǒng)為人類提供支持、調(diào)節(jié)、供給、文化等多種服務(wù)。近百年,劇烈的土地利用與土地覆蓋變化改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的格局、過程、功能,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其相互關(guān)系的極大變化。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以多種復(fù)雜方式相互作用,此消彼長的權(quán)衡、相互增益的協(xié)同是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的典型關(guān)系[1- 4]。權(quán)衡通常出現(xiàn)在供給與調(diào)節(jié)服務(wù)之間[5]或兩種調(diào)節(jié)服務(wù)之間[6-7]。探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空動態(tài)及其相互關(guān)系,分析其類型特征、響應(yīng)速率、時空格局、區(qū)域差異和驅(qū)動機制等[8-9],是可持續(xù)性研究領(lǐng)域的緊迫問題,可為土地利用決策和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理提供理論依據(jù)[10-11],通過增強協(xié)同效應(yīng)、削弱權(quán)衡效應(yīng)[8]實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)利益最大化具有重要意義。然而,目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用、相互聯(lián)系的機理研究及尺度效應(yīng)尚不明確,仍不足以支持當(dāng)前的土地利用決策,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時空動態(tài)變化特征及驅(qū)動機制有待深入研究[4,9,12]。

生態(tài)修復(fù)工程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的影響是近年來的研究焦點。覆蓋范圍最廣、影響人數(shù)最多的退耕還林還草工程,通過提供現(xiàn)金和糧食補貼在耕地上造林、種草,以增加植被覆蓋、控制水土流失、改善農(nóng)民生計[13-14]。正如預(yù)期,工程在增加植被覆蓋度與碳蓄積[15-17]、控制土壤侵蝕[18-19]、增加季節(jié)產(chǎn)水量[11]、減少河流年輸沙量[20]、促進非農(nóng)就業(yè)[21-22]等方面發(fā)揮了重要作用。然而,局部研究也得出工程對其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生不利影響,比如導(dǎo)致耕地面積減少、威脅糧食安全[23-25]、加劇社會不平等[26],加劇黃土高原缺水并影響水沙關(guān)系[27],對西北土壤肥力和植被覆蓋不利[28],導(dǎo)致四川的生物多樣性損失和天然林損毀[29]。因此,退耕還林還草工程雖然提升了部分關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)功能,卻造成了生產(chǎn)和生態(tài)用地之間的潛在沖突,改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互作用[30],降低了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同效應(yīng),使其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其相互關(guān)系的影響存在爭議[11]。

退耕還林還草增加了調(diào)節(jié)服務(wù)、減少了供給服務(wù),可能加劇糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護之間的權(quán)衡[23-25]。工程規(guī)劃了退耕還林還草目標(biāo),但是,尚不清楚哪種方式能更好地增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供、同時最大限度地減少生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡[11]。迄今為止,針對退耕還林還草影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的研究集中在黃土高原、云貴高原等區(qū)域,然而較少關(guān)注其時空尺度變化[1,31]。已有研究表明,退耕還林導(dǎo)致黃土高原植被覆蓋與產(chǎn)流、土壤含水量的權(quán)衡[23],土壤含水量與林下植物多樣性之間的權(quán)衡最高,且沿降水梯度、隨林齡增加而變化[32]。碳固定、土壤保持和水文調(diào)節(jié)服務(wù)之間的關(guān)系不僅是權(quán)衡或協(xié)同,還有約束效應(yīng),其中降水供給是關(guān)鍵制約因素[31]。最大限度地減少生態(tài)系統(tǒng)碳與水服務(wù)之間不必要的權(quán)衡,被認(rèn)為是促進黃土高原可持續(xù)發(fā)展的必要條件[33]。因此,考慮各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)關(guān)系進而制定優(yōu)化的退耕還林還草空間規(guī)劃及相應(yīng)方案,以提高生態(tài)修復(fù)效果、減少負(fù)面影響[11]。

可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下,我們面臨著保障糧食供給的同時減弱其對生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響的挑戰(zhàn)。退耕還林還草一期工程始于1999年,并于2014年啟動新一輪工程,林草植被恢復(fù)同時具有正、負(fù)效應(yīng),對于權(quán)衡綠色生態(tài)空間和糧食生產(chǎn)空間的土地利用與管理優(yōu)化帶來更大的挑戰(zhàn)[11,25,30]。本研究擬解決以下問題：(1)退耕還林還草地塊上生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)或支持功能是否有所提升？(2)退耕還林還草工程對工程縣域的糧食供給服務(wù)有何影響？(3)哪些區(qū)域的工程縣域糧食供給損失最小、調(diào)節(jié)服務(wù)收益最大？通過量化生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙和糧食生產(chǎn),分析成對的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及其影響因素,明確協(xié)同高、權(quán)衡低的退耕還林還草最佳目標(biāo)縣域,探索哪些區(qū)域存在突出的權(quán)衡問題,對于退耕還林還草工程的持續(xù)滾動實施、從空間角度提出平衡綠色和糧食的土地利用方案,具有極為重要的科學(xué)意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

以實施退耕還林還草一期工程的1897個縣域作為工程區(qū)邊界,縣域尺度生態(tài)系統(tǒng)變化反映氣候變化背景下人類活動特別是生態(tài)修復(fù)工程的綜合影響,難以拆解出具體某個工程的作用。因此,本研究基于中國科學(xué)院土地利用與土地覆被變化數(shù)據(jù)庫,提取縣域內(nèi)2000—2015年耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸氐目臻g范圍作為退耕還林還草工程地塊,統(tǒng)計分析地塊上的水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙功能指標(biāo)變化,理論上可認(rèn)為是退耕還林還草工程導(dǎo)致的地塊變化。此外,由于工程必然導(dǎo)致地塊上糧食產(chǎn)量歸零,因此糧食供給服務(wù)以工程縣域為研究單元,分析工程對縣域糧食供給服務(wù)的影響。工程縣域按地理位置和地形地貌分為西南高山峽谷、川渝鄂湘山地丘陵、長江中下游低山丘陵、云貴高原、瓊桂丘陵山地、新疆干旱荒漠、黃土丘陵溝壑、華北干旱半干旱、東北山地及沙地9個區(qū)域。

1.2 核心生態(tài)系統(tǒng)功能估算

1.2.1糧食供給

工程縣域的糧食供給以糧食產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),統(tǒng)計數(shù)據(jù)源于2000—2015年《中國縣域統(tǒng)計年鑒》,空間上根據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)的時空分布特征將糧食產(chǎn)量分配至縣域耕地地塊得到糧食供給空間分布。首先,基于2000—2015年1 km空間分辨率、16 天時間分辨率的MODIS-NDVI數(shù)據(jù),通過格式轉(zhuǎn)換、重投影、拼接、重采樣和S-G濾波處理,采用最大合成法得到連續(xù)時間序列的年最大NDVI數(shù)據(jù),然后疊加縣域耕地分布得到耕地年最大NDVI空間分布,最后依據(jù)NDVI值高低將縣域糧食產(chǎn)量分配到每個柵格[34]。

1.2.2土壤保持

利用土壤保持量(SC,單位：t/hm2)衡量生態(tài)系統(tǒng)減少降水導(dǎo)致土壤侵蝕的能力,表征植被作用引起的水蝕減少量,即實際地表覆蓋條件下(Msc)與極度退化狀態(tài)下土壤水蝕量(Msce)的差值。采用修正通用水土流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)估算地塊尺度土壤水蝕模數(shù)：

SC=Msc-Msce

(1)

Msc=R×K×L×S×C×P

(2)

式中,R是降雨侵蝕力因子,采用基于日降雨量資料的半月降雨侵蝕力模型[35]來估算；K為土壤可蝕性因子,采用Nomo圖法計算；L是坡長因子,S是坡度因子,基于McCool等[36]和Liu等[35,37]的方法計算；C是覆蓋和管理因子,依據(jù)蔡崇法等[38]的方法計算；P為水土保持措施因子。

K=[2.1×10-4(12-OM)Ms1.14+3.25(St-2)+2.5(Pd-3)]/100×0.1317

(3)

式中,OM為土壤有機質(zhì)含量百分比(%),Ms為土壤顆粒級配參數(shù),即粉粒、極細(xì)砂與粘粒百分比之積,St為土壤結(jié)構(gòu)系數(shù),Pd為滲透等級,土壤屬性數(shù)據(jù)源于1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,λ為坡長(m),θ為坡度,計算L時把道路、河流、溝塘湖泊等地表要素作為徑流的阻隔因素,改進傳統(tǒng)算法中通過相鄰柵格間的坡向以及坡度變化率確定坡長終止點的方法,避免坡長因子的高估。f為植被覆蓋度,利用NDVI數(shù)據(jù)和像元二分法計算得到。

1.2.3防風(fēng)固沙

利用防風(fēng)固沙量(SF,單位：t/hm2)衡量生態(tài)系統(tǒng)削弱風(fēng)力、降低風(fēng)蝕量的能力,表征植被作用引起的風(fēng)蝕減少量,即實際地表覆蓋條件下(Msc)與極度退化狀態(tài)下(Msce)土壤風(fēng)蝕量的差值。在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表土壤的粗糙度、土壤可蝕性、土壤結(jié)皮的情況下,利用修正土壤風(fēng)蝕方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)估算地塊尺度土壤風(fēng)蝕模數(shù)[39,40]。

SF=Msf-Msfe

(8)

(9)

式中,Qx表示x處的沙通量(kg/m),x表示地塊長度,Qmax表示風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m),s表示關(guān)鍵地塊長度(m)。

Qmax=109.8(WF×EF×SCF×K′×COG)

(10)

式中,WF表示氣象因子；EF表示土壤可蝕性成分因子；SCF表示土壤結(jié)皮因子；K′表示土壤糙度因子,反映地表抗風(fēng)蝕能力,即地表對風(fēng)速減弱作用及對風(fēng)沙活動的影響,其大小取決于地表粗糙元的性質(zhì),通過文獻參數(shù)整理得到不同地表類型的土壤糙度因子值；COG表示植被因子,是枯萎植被、直立殘茬和生長植被覆蓋的土壤流失比率的乘積。

(11)

(12)

(13)

式中,WS2為2 m處風(fēng)速(m/s),WSt為2 m處臨界風(fēng)速；N為風(fēng)速觀測次數(shù)；Nd為試驗天數(shù)；ρ為空氣密度(kg/m3),g為重力加速度(m/s2)；SW為無量綱的土壤濕度因子；SD為雪覆蓋因子,即計算時段內(nèi)積雪覆蓋深度大于25.4 mm的概率。Sa為土壤砂粒含量,Si為土壤粉砂含量,Cl為土壤粘土含量,OM為有機質(zhì)含量,CaCO3為碳酸鈣含量。

1.2.4水源涵養(yǎng)

利用降水貯存量法計算森林、草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量(WR,單位：m3),以生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)效應(yīng)衡量其涵養(yǎng)水分的能力,即與裸地相比涵養(yǎng)水分的增量[41]。

WR=A×J×Re

(14)

J=J0×K

(15)

Re=R0-Rr

(16)

式中,A為森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2),J為產(chǎn)流降水量(mm),J0為年降水量(mm),K為產(chǎn)流降水量占降水總量的比例,Re為與裸地相比,生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù),R0為產(chǎn)流降水條件下裸地降水徑流率,Rr為產(chǎn)流降水條件下生態(tài)系統(tǒng)降水徑流率。通過搜集已發(fā)表文獻的實測降雨產(chǎn)流臨界值,以臨近國家氣象臺站實測日降水?dāng)?shù)據(jù)修正同時期的TRMM逐日3 小時降水量數(shù)據(jù),累積單次降雨量大于降雨產(chǎn)流臨界值的數(shù)值得到單點產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例,再與多年平均河川徑流系數(shù)建立線性關(guān)系,得到K值空間分布,同時利用坡面徑流實測數(shù)據(jù)確定了生態(tài)系統(tǒng)與裸地相比減少徑流的效益系數(shù)。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

利用最小二乘法分析2000—2015年退耕還林還草工程縣域糧食供給以及工程地塊上土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙的年際變化趨勢。

(17)

式中,Slp為年際變化率,Xi為第i年的功能量,i=1,2,…,n。年際變化率反映2000—2015年某像元的總體變化趨勢,斜率為正表示年際變化趨勢增加,反之則為降低。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究多基于相關(guān)分析、聚類分析、極值法、情景分析、圖形比較和模型模擬等方法[4,42],從定性分析、區(qū)域差異、尺度特征、情景模擬預(yù)測、動態(tài)變化及其應(yīng)用等方面[43],開展時間權(quán)衡、空間權(quán)衡、可逆權(quán)衡及多種服務(wù)之間的權(quán)衡[44]。通過空間疊置分析,基于逐像元空間自相關(guān)分析方法,探討兩種服務(wù)間相關(guān)系數(shù)的絕對值大小及正負(fù)方向,判斷兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。

首先,計算兩類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)、一階偏相關(guān)系數(shù)和二階偏相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

(18)

一階偏相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

(19)

式中,rij·h表示在變量i和j控制變量h后的一階偏相關(guān)系數(shù),rij、rih、rjh分別為兩個變量的相關(guān)系數(shù)。

二階偏相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

(20)

式中,rij·hm表示在變量i和j控制變量h和m后的二階偏相關(guān)系數(shù),rij·h、rim·h、rjm·h分別為兩個變量的一階偏相關(guān)系數(shù)。

如果二階偏相關(guān)系數(shù)為正,表明在排除另外兩個服務(wù)的影響下,這兩個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間為協(xié)同關(guān)系；相關(guān)系數(shù)為負(fù),則為權(quán)衡關(guān)系；相關(guān)系數(shù)為零,則表明無相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)的零假設(shè)檢驗t檢驗方法,判斷兩兩之間相互關(guān)系的顯著性,公式如下：

(21)

式中,r是對應(yīng)的偏相關(guān)系數(shù),n是樣本觀測數(shù),k是可控制變量數(shù),n-k-2是自由度,當(dāng)t>t0.05(n-k-2)時即P<0.05,拒絕原假設(shè),相關(guān)性結(jié)果顯著,當(dāng)t>t0.01(n-k-2)時即P<0.01,拒絕原假設(shè),相關(guān)性結(jié)果極顯著。t0.05(n-k-2)和t0.01(n-k2)查閱t檢驗表確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 退耕還林還草對核心生態(tài)系統(tǒng)功能的影響

2000—2015年,我國退耕還林還草地塊的土壤保持量與水源涵養(yǎng)量均上升,而防風(fēng)固沙量則下降(圖1)。過去16年,地塊土壤保持功能以增強為主,38%工程縣域無變化,46%工程縣域的地塊土壤保持量增加,其中14%增勢顯著,主要分布在黃土高原、秦巴山地；約16%工程縣域的地塊土壤保持量下降,主要在云南省和湖北省。49%工程縣域的地塊水源涵養(yǎng)量增加,其中僅約3%增勢顯著；約10%工程縣域的地塊水源涵養(yǎng)量下降,主要在新疆、湖南、湖北等省域。風(fēng)蝕區(qū)515個工程縣域中,26%工程縣域的地塊防風(fēng)固沙量下降,其中約46%降勢顯著；僅約2%工程縣域的地塊防風(fēng)固沙量增加。工程縣域糧食供給以增加為主,76%工程縣域有所增加,其中16%增勢顯著,約19%工程縣域則下降。

圖1 2000—2015年退耕還林還草地塊土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙變化與工程縣域糧食供給變化空間分布Fig.1 Spatial variation patterns of soil conservation, water regulation, sand fixation in the GFGP plots, and food provision in the GFGP counties from 2000 to 2015

不同區(qū)域比較(圖2),多年平均土壤保持量最高值在西南高山峽谷區(qū)(172.2 t hm-2a-1),最低值在華北干旱半干旱區(qū)(8.2 t hm-2a-1),其年際增加趨勢在黃土丘陵溝壑區(qū)(2.7 t hm-2a-1)極為顯著,在長江中下游低山丘陵區(qū)、瓊桂丘陵山地區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)、東北山地及沙地區(qū)增勢緩慢,在西南高山峽谷區(qū)、云貴高原區(qū)、新疆干旱荒漠區(qū)呈現(xiàn)遞減趨勢。多年平均水源涵養(yǎng)量最高值在瓊桂丘陵山地區(qū)(22.7 m3hm-2a-1),最低值在華北干旱半干旱區(qū)(2.0 m3hm-2a-1),各區(qū)域均呈增加態(tài)勢,特別是瓊桂丘陵山地區(qū)(0.34 m3hm-2a-1)、云貴高原區(qū)(0.29 m3hm-2a-1),而新疆干旱荒漠區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)的增勢緩慢且波動較大。多年平均防風(fēng)固沙量最高值在新疆干旱荒漠區(qū)(40.7 t hm-2a-1),最低值在黃土丘陵溝壑區(qū)(8.63 t hm-2a-1),各區(qū)域均呈波動減少態(tài)勢,特別是新疆干旱荒漠區(qū)(3.75 t hm-2a-1)。

2.2 退耕還林還草地塊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

從兩兩相關(guān)關(guān)系來看(圖3),約28%工程縣域糧食供給與地塊水源涵養(yǎng)之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,其中86%工程縣域為顯著協(xié)同關(guān)系(55%極顯著),14%為顯著空間權(quán)衡關(guān)系。約21%工程縣域糧食供給與地塊土壤保持之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,其中87%工程縣域為顯著協(xié)同關(guān)系(50%極顯著),13%為顯著空間權(quán)衡關(guān)系。風(fēng)蝕區(qū)515個工程縣域中,約44%工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性,其中87%工程縣域為顯著權(quán)衡關(guān)系(34%極顯著),13%為顯著空間協(xié)同關(guān)系。通過空間疊置分析,約31%工程縣域為多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū),其中43%(292個縣域)為雙重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū),53%(357個縣域)為三重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū),約4%(31個縣域)為四重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū)。

2.3 退耕還林還草影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時空分異特征

不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)供給與調(diào)節(jié)服務(wù)的相關(guān)關(guān)系差異明顯(圖4)。退耕還林還草導(dǎo)致工程縣域糧食供給與地塊土壤保持的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)4種變化趨勢：1)西南高山峽谷區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)、云貴高原區(qū)、新疆干旱荒漠區(qū)由權(quán)衡轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同；2)長江中下游低山丘陵區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)的權(quán)衡關(guān)系輕微地減弱；3)黃土丘陵溝壑區(qū)、東北山地及沙地區(qū)的權(quán)衡增強；4)瓊桂丘陵山地區(qū)是相互增益的協(xié)同關(guān)系增強。從波動幅度和離散程度來看,新疆干旱荒漠區(qū)、西南高山峽谷區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)、云貴高原區(qū)均大于其他區(qū)域。

退耕還林還草導(dǎo)致工程縣域糧食供給與地塊水源涵養(yǎng)的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)5種變化趨勢：1)西南高山峽谷區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)、瓊桂丘陵山地區(qū)的權(quán)衡減弱并趨向協(xié)同；2)長江中下游低山丘陵區(qū)的極顯著權(quán)衡減弱；3)云貴高原區(qū)的權(quán)衡增強；4)新疆干旱荒漠區(qū)、華北干旱半干旱區(qū)的極顯著協(xié)同減弱；5)黃土丘陵溝壑區(qū)、東北山地及沙地區(qū)從協(xié)同變?yōu)闄?quán)衡而近幾年又趨于協(xié)同。

退耕還林還草導(dǎo)致工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)3種變化趨勢：1)新疆干旱荒漠區(qū)、東北山地及沙地區(qū)從權(quán)衡轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同；2)黃土丘陵溝壑區(qū)從協(xié)同轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡；3)華北干旱半干旱區(qū)的相關(guān)關(guān)系在協(xié)同與權(quán)衡之間波動。

圖4 2000—2015年不同區(qū)域退耕還林還草地塊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的年際變化Fig.4 The temporal changes of pairwise ecosystem services in the GFGP plots in different regions from 2000 to 2015

3 討論

退耕還林還草工程增加了對于生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能提高至關(guān)重要的林地、草地,使得退耕還林還草地塊上糧食供給服務(wù)呈現(xiàn)不同程度減少[26,45],也使得這些地塊上供給與調(diào)節(jié)服務(wù)之間呈現(xiàn)極顯著權(quán)衡關(guān)系。然而,由于實施工程的耕地地塊多屬于水土流失、沙化、鹽堿化、石漠化嚴(yán)重并且糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)的陡坡耕地[46],因此,從縣域尺度糧食供給變化來看,約80%工程縣域糧食供給增加,80%以上縣域的糧食供給與地塊水源涵養(yǎng)、土壤保持服務(wù)之間表現(xiàn)為顯著協(xié)同關(guān)系,說明大部分工程縣域能夠提供多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

不同于水源涵養(yǎng)、土壤保持的上升趨勢及其與供給服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系,風(fēng)蝕區(qū)防風(fēng)固沙下降的工程縣域數(shù)量遠(yuǎn)高于上升的縣域,約38%工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙之間呈現(xiàn)顯著權(quán)衡關(guān)系,僅6%為顯著協(xié)同關(guān)系。分析原因發(fā)現(xiàn),近16年風(fēng)場強度減弱特別是沙塵天氣易發(fā)生的春季風(fēng)場強度減弱,以及對北方防風(fēng)固沙服務(wù)最重要的草地和沙地植被恢復(fù),是北方土壤風(fēng)蝕量下降的重要原因[46]。通過與極度退化土地風(fēng)蝕量對比得到的防風(fēng)固沙量,其大小取決于不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤風(fēng)蝕量變化的相對大小。雖然,春季植被蓋度變化與防風(fēng)固沙量呈顯著正相關(guān),然而,中度及以上植被覆蓋增加的區(qū)域呈現(xiàn)植被覆蓋變化與防風(fēng)固沙能力的正相關(guān)關(guān)系,中度以下植被覆蓋度變化程度與防風(fēng)固沙能力則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[48-49]。因此,植被覆蓋好轉(zhuǎn)并不意味著防風(fēng)固沙功能提升。

當(dāng)然,北方風(fēng)蝕區(qū)退耕還林還草地塊防風(fēng)固沙功能下降進一步反映了干旱半干旱區(qū)開展不同生態(tài)修復(fù)措施的生態(tài)效應(yīng)存在爭議,退耕還林、退耕還草、封育/封禁等都會產(chǎn)生差異效果[28],生態(tài)修復(fù)需遵循“宜草則草、宜荒則荒、宜林則林”原則,以及多重服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系評價的重要性。本文利用逐像元空間自相關(guān)分析來說明兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,然而,多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的檢測仍然是有限的,很少考慮聯(lián)合權(quán)衡,一個最優(yōu)的、多目標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)管理必須最大限度地提高協(xié)同、盡量減少權(quán)衡。因此,還需要綜合考慮氣候調(diào)節(jié)、木材和纖維、基因和生物資源、病蟲害調(diào)控乃至文化服務(wù)等,在空間上對多個服務(wù)進行綜合評價及權(quán)衡,為區(qū)域生態(tài)修復(fù)與管理提供決策支持[11]。

對于表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域,長江中下游低山丘陵區(qū)、云貴高原區(qū)部分工程縣域退耕還林還草地塊的調(diào)節(jié)和供給服務(wù)均有不同程度的削弱,此類區(qū)域成為水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、土壤保持、糧食供給的低值中心,同時也加大了糧食供給與生態(tài)需求的矛盾,此為造成權(quán)衡程度較高的原因之一,也由此說明退耕還林還草工程的區(qū)域適宜性和可持續(xù)性是工程持續(xù)開展必須考慮的重要因素。而對于表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的區(qū)域,即使近年已經(jīng)取得了多重生態(tài)成效,未來仍需加強生態(tài)修復(fù)與管理。

4 結(jié)論

退耕還林還草工程實施近十幾年,工程縣域糧食供給與退耕還林還草地塊的土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時空變化。工程縣域地塊土壤保持量與水源涵養(yǎng)量均上升,而防風(fēng)固沙量則下降。土壤保持年際變化在黃土丘陵溝壑區(qū)、川渝鄂湘山地丘陵區(qū)等區(qū)域呈現(xiàn)明顯地波動增加態(tài)勢,而在西南高山峽谷區(qū)、云貴高原區(qū)、新疆干旱荒漠區(qū)等區(qū)域呈現(xiàn)遞減趨勢。水源涵養(yǎng)服務(wù)在各區(qū)域均呈現(xiàn)增加態(tài)勢,而防風(fēng)固沙服務(wù)在各區(qū)域均呈現(xiàn)減少態(tài)勢。不同區(qū)域退耕還林還草導(dǎo)致糧食供給與土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)差異地變化趨勢。工程縣域糧食供給與地塊防風(fēng)固沙之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)性,糧食供給與水源涵養(yǎng)之間、糧食供給與土壤保持之間存在著顯著的正相關(guān)性。