李明臣，何 霖

（1.周口職業(yè)技術學院，河南 周口 466000；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

生態(tài)系統(tǒng)服務是指可以維持人類生存的生態(tài)系統(tǒng)所形成和提供的環(huán)境條件和效用，通常分為調節(jié)服務、支持服務、供給服務和文化服務［1－2］。 學者們圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務的內涵［3－4］、時空變化與驅動機制［5－6］、權衡與協(xié)同關系［7－9］、供需耦合與尺度特征［10－11］、價值化與邊際 特征［12－13］等進 行了大 量有益 探索。 Wang等［14］以橫斷山區(qū)為例，分析了該地區(qū)1990—2015 年生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化特征及權衡與協(xié)同關系，并結合相關性分析和聚類分析識別了生態(tài)系統(tǒng)服務簇；饒勝等［15］采用極值法構建了草地生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡利用模型，進而得到了最優(yōu)生物量分配方案；張琨等［16］通過2000—2015 年黃土高原植被覆蓋度和生態(tài)系統(tǒng)服務兩者時空變化及交互作用分析，評價了植被恢復對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，并定量識別了影響的閾值。

陜西省黃土高原地區(qū)是我國水土流失、水資源短缺和植被較少且質量較差等生態(tài)環(huán)境問題突出的地區(qū)之一。 該地區(qū)自1999 年實施退耕還林（草）工程后，生態(tài)環(huán)境顯著改善。 但專家學者對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務的研究多集中于退耕還林（草）工程實施后，工程實施前生態(tài)系統(tǒng)服務的研究較少。 基于此，結合陜西黃土高原地區(qū)實際，選取產水量、凈初級生產力（NPP）、土壤保持、生境質量4 種生態(tài)系統(tǒng)服務，以退耕還林（草）工程實施前（1990 年）、實施時（2000 年）、實施后（2015 年）為研究時期，結合InVEST 模型、CASA 模型和RUSLE 模型，首先對4 種生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化特征進行量化，然后結合皮爾遜相關系數(shù)方法分析這4 種生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡和協(xié)同關系，最后通過構建生態(tài)系統(tǒng)服務熱點識別框架，識別該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)域，以期了解該地區(qū)植被恢復前后生態(tài)系統(tǒng)服務狀況及其相互關系，并為后續(xù)區(qū)域差異化發(fā)展政策制定及生態(tài)系統(tǒng)服務保護和管理提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

陜西黃土高原位于黃土高原中心地帶（見圖1），總面積12.7 萬km2，占黃土高原面積的1／5，占陜西省面積的3／5，涉及陜北地區(qū)的榆林、延安，關中地區(qū)的銅川、渭南、咸陽、西安、寶雞等。 研究區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，自北向南由溫帶干旱半干旱氣候區(qū)過渡到暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為7 ～14 ℃，降水集中，5—9 月降水量占全年降水量的70%以上，冬春季降水稀少，干旱頻發(fā)。 該地區(qū)主要土地利用類型為農田、草地、灌木、稀疏林地和林地。 自1999 年以來，陜西黃土高原地區(qū)實施了大規(guī)模退耕還林（草），極大地改善了該地區(qū)的植被狀況。 然而，該地區(qū)仍然是黃土高原生態(tài)環(huán)境問題最嚴重的地區(qū)之一，水土流失、森林砍伐和荒漠化等問題依然存在。 因此，了解該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化特征、相互關系并識別生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域，對于構建合理的區(qū)域土地利用空間格局以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關重要。

1.1 數(shù)據(jù)來源

結合陜西黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，選取產水量、NPP、土壤保持、生境質量4 種生態(tài)系統(tǒng)服務進行量化。 由于生態(tài)系統(tǒng)服務在時空維度上是動態(tài)的，測度退耕還林（草）工程實施前后生態(tài)系統(tǒng)服務的供給情況，可以深入了解植被恢復對生態(tài)系統(tǒng)服務及權衡與協(xié)同關系的影響，因此選取1990 年、2000 年和2015年3 個典型年份開展生態(tài)系統(tǒng)服務量化研究。

研究所涉及的基礎數(shù)據(jù)主要有研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、NDVI（植被覆蓋指數(shù)） 數(shù)據(jù)等。 DEM 數(shù)據(jù)采用地理空間數(shù)據(jù)云（http：／／www.gscloud.cn／）的30 m 空間分辨率柵格數(shù)據(jù)。 土地利用數(shù)據(jù)為中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：／／www.resdc.cn／）的1990 年、2000 年、2015 年3 期空間分辨率1 km 的柵格數(shù)據(jù)。 土壤數(shù)據(jù)采用國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心（http：／／data.tpdc.ac.cn）基于世界土壤數(shù)據(jù)庫的中國土壤數(shù)據(jù)集，為空間分辨率1 km 的柵格數(shù)據(jù)。 氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心（http：／／data.cma.cn／），觀測站位置見圖1，數(shù)據(jù)包括1990 年、2000 年、2015 年的逐月氣溫、降水、太陽輻射等數(shù)據(jù)，采用克里金法進行插值生成相關氣象指標柵格數(shù)據(jù)。 2000 年和2015 年NDVI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，空間分辨率為1 km；1990 年NDVI數(shù)據(jù)采用國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心中國地區(qū)長時間序列GIMMS 植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，空間分辨率為8 km。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 方 法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務計算方法

（1）產水量計算。 采用InVEST 模型中的產水模塊對產水量進行量化。 在產水模塊中，產水量是根據(jù)Budyko 曲線和年平均降水量計算的，計算公式［17］為

式中：Yx為像素單元x的產水量；AETx為像素單元x的實際蒸散量；Px為像素單元x的年降水量；PETx為年潛在蒸散量；wx為自然氣候－土壤性質參數(shù)；AWCx為土壤有效含水量；Z為經驗常數(shù)，又稱“季節(jié)常數(shù)”；Kx為植物蒸散系數(shù)；ETx為參考作物蒸散量；Tav為日最高氣溫和最低氣溫的平均數(shù)；TD為日最高氣溫和最低氣溫差值的平均數(shù)；RA為大氣頂層輻射量；P為月均 降 水 量； max＿soildepth為 土 壤 最 大 深 度；rootdepth為植物根系深度；PAWC為植物可利用水量；sand、silt、clay、c分別為土壤中砂粒、粉粒、黏粒和有機質含量。

（2）NPP 計算。 采用基于光能利用率的CASA 模型來模擬研究區(qū)NPP 的時空動態(tài)。 模型描述如下［18］：

式中：APAR（x，t） 為像素單元x在t月吸收的光合有效輻射，其值由太陽總輻射（SOL）和植被對光合有效輻射的吸收比例（FPAR）來計算，常數(shù)0.5 表示植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例；ε（x，t）為像素單元x在t月的實際光能利用率；ε?為植被最大光能利用率；Tε1和Tε2分別為低溫和高溫對光能利用率的溫度脅迫因子；Wε為水分脅迫因子。

（3）土壤保持計算。 土壤保持用侵蝕模數(shù)（單位面積土壤侵蝕量）的減少來反映，采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE）來評價該地區(qū)土壤保持狀況，其計算公式［19］：

式中：A為單位面積土壤侵蝕量，t／hm2；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm／（hm2·h）；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h／（hm2·MJ·mm）；LS為坡長坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P′為水土保持措施因子。

（4）生境質量計算。 選取InVEST 模型中的生境質量模塊對研究區(qū)生境質量進行估算，模型公式：

式中：Qxj為土地利用類型j中像素單元x的生境質量；Hj為土地利用類型j的生境適宜性；Z為歸一化常量；Dxj為土地利用類型j中像素單元x的生境退化程度；k為半飽和常數(shù)，通常取Dxj最大值的一半（由模型運行一次所得）；r為脅迫因子序號；R為脅迫因子數(shù)量；Yr為脅迫因子在地類層上的柵格數(shù)量；wr為脅迫因子的權重；ry為地類層每個像素單元上脅迫因子的數(shù)量；irxy為像素單元y中脅迫因子r對像素單元x的脅迫水平；βx為像素單元x的可達性水平，數(shù)值1 代表極容易達到；Sjr為土地利用類型j對脅迫因子r的敏感性，數(shù)值1 代表非常敏感。

1.2.2 權衡與協(xié)同作用的量化

采用皮爾遜相關系數(shù)對產水量、NPP、土壤保持、生境質量這4 種生態(tài)系統(tǒng)服務兩兩之間所組成的6 組生態(tài)系統(tǒng)服務進行相關性分析。

式中：rp，q為生態(tài)系統(tǒng)服務p與q的相關系數(shù)；n為研究區(qū)像素單元數(shù)量；pi、qi分別為生態(tài)系統(tǒng)服務p、q在像素單元i上的值； ˉp、ˉq分別為生態(tài)系統(tǒng)服務p、q在像素單元i上的平均值。

1.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務熱點識別框架

結合ArcGIS 軟件的疊加分析和地圖代數(shù)功能，利用空間制圖的方法對生態(tài)系統(tǒng)服務評價結果進行熱點識別。 在構建生態(tài)系統(tǒng)服務熱點識別框架時，借鑒相關研究成果［20－22］，對每個生態(tài)系統(tǒng)服務的強度值進行重分類，進而將某一生態(tài)系統(tǒng)服務的強度值超過相應年份該生態(tài)系統(tǒng)服務平均值的區(qū)域視為該生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域。 將生態(tài)系統(tǒng)服務熱點分為單生態(tài)系統(tǒng)服務熱點和多生態(tài)系統(tǒng)服務熱點。 識別單生態(tài)系統(tǒng)服務熱點時，在以往研究僅考慮空間分異性的基礎上，考慮生態(tài)系統(tǒng)服務的時間穩(wěn)定性，即對于每一個生態(tài)系統(tǒng)服務，如果某區(qū)域在整個研究期內均為該生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域，那么該區(qū)域稱為該生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域，即單生態(tài)系統(tǒng)服務熱點。 若某區(qū)域在整個研究期內為所有生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域，則該區(qū)域為多生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)域。 需要說明的是，本研究選擇的土壤保持采用侵蝕模數(shù)的減少反映，其值越大，提供的該生態(tài)系統(tǒng)服務越差，在識別土壤保持熱點時，把低于土壤保持平均值的區(qū)域定義為熱點區(qū)域。

2 結果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務時空格局

從空間分布來看，1990 年、2000 年、2015 年4 種生態(tài)系統(tǒng)服務在研究區(qū)內差異很大，具有明顯空間分異性，見圖2 ～圖5。 產水量的空間分布與NPP 的類似，整體呈現(xiàn)出自南向北遞減的空間分布格局，兩者的高值區(qū)主要分布在關中地區(qū)，低值區(qū)主要分布在陜北榆林市；土壤保持狀況較差的地區(qū)主要為陜北中部，包括榆林市中東部和延安市北部，土壤保持低值區(qū)主要位于關中地區(qū)以及榆林市西部地區(qū)；生境質量的高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的最南部和最北部以及中部的延安市。

圖2 不同時期陜西黃土高原產水量

圖5 不同時期陜西黃土高原生境質量

從時間變化來看，產水量的年際變化較大，年平均產水量由1990 年的815.4 t／hm2減少至2000 年的412.9 t／hm2，再增加至2015 年的729.4 t／hm2，這可能受不同年份降水量不同影響；NPP 的年際變化較小，年平均NPP 先由1990 年的482.4 g·C／m2（C 表示有機碳）減少為2000 年的429.3 g·C／m2，而后增加至2015 年的548.5 g·C／m2，可見，自實施退耕還林（草）工程后，植被的生長狀況得到了明顯改善；土壤保持隨時間的變化比較顯著，呈現(xiàn)明顯減小趨勢，年平均土壤侵蝕量先由1990 年的2 497.5 t／km2減少至2000 年的1 901.8 t／km2，在大規(guī)模退耕還林（草）工程實施背景下又減少至2015 年的941.8 t／km2；年平均生境質量在研究期內變化較小，呈現(xiàn)小幅度提高趨勢，1990 年、2000 年和2015 年的生境質量分別為0.42、0.46、0.57，整體處于中等水平，仍需要進一步改善。

圖3 不同時期陜西黃土高原NPP

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系

對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡和協(xié)同關系進行分析，研究期內所有生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關系數(shù)均通過了顯著性檢驗（顯著性水平p＜0.01），說明生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在著權衡或協(xié)同關系。 總體上，除了產水量、NPP與生境質量的相關系數(shù)在研究期內變化比較劇烈外，其他生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關系數(shù)變化相對較小，見圖6。

圖4 不同時期陜西黃土高原土壤保持

圖6 陜西黃土高原各生態(tài)系統(tǒng)服務間的相關系數(shù)

1990 年產水量與生境質量的相關系數(shù)為－0.10，即存在著權衡關系，2000 年、2015 年兩者關系出現(xiàn)了反轉，均呈現(xiàn)協(xié)同關系，相關系數(shù)分別為0.37、0.26，2000 年、2015 年兩者間的協(xié)同關系呈現(xiàn)輕微減弱趨勢。 NPP 與生境質量在整個研究期內均為協(xié)同關系，且協(xié)同關系呈現(xiàn)明顯增強趨勢，說明在生態(tài)恢復背景下，NPP 和生境質量處于協(xié)同改善的發(fā)展趨勢。 NPP與產水量、土壤保持與生境質量在整個研究期內均表現(xiàn)為協(xié)同關系，但協(xié)同關系呈減弱趨勢，其中2000—2015 年減弱趨勢相對明顯。 產水量與土壤保持、NPP與土壤保持在研究期內均表現(xiàn)為權衡關系，且權衡關系呈現(xiàn)出先增強后減弱的變化特征，但整體變化幅度不大，說明在研究期內，土壤保持與NPP、產水量之間均存在著此消彼長的關系，在生態(tài)恢復背景下，土壤侵蝕量持續(xù)減少，NPP 和產水量逐漸增大。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)域

單生態(tài)系統(tǒng)服務熱點識別結果見圖7。 土壤保持和生境質量的熱點區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的61.65%、50.99%，表明陜西黃土高原土壤保持和生境質量在整個研究期內僅發(fā)生了較小范圍的空間變化；NPP 熱點區(qū)域占研究區(qū)面積的40.95%；產水量熱點區(qū)域面積占比最小，為22.48%，說明此服務在研究區(qū)內隨時間發(fā)生了較大變化。

圖7 陜西黃土高原單生態(tài)系統(tǒng)服務熱點識別結果

通過疊加4 種生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域，陜西黃土高原多生態(tài)系統(tǒng)服務熱點的空間分布見圖8。 可以看出，研究期內可同時穩(wěn)定提供4 種生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域主要位于關中地區(qū)的西安市西部和渭南市南部，在寶雞市北部也有零星分布，其面積占研究區(qū)面積的4.92%。 對于這些區(qū)域可優(yōu)先保護，保護這4 種生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域是在有限的土地上滿足人類無限發(fā)展需求、從生態(tài)系統(tǒng)服務中獲得利益的有效策略。此外，從圖8 可以看出，能同時提供2 種或3 種生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域主要位于陜西黃土高原南部，包括關中地區(qū)以及陜北延安南部，總面積占研究區(qū)總面積的48.84%。 對于這些地區(qū)，可根據(jù)實際情況分類管理，如在僅能提供產水量、NPP 和生境質量3 種生態(tài)系統(tǒng)服務熱點的區(qū)域，可著重對土壤侵蝕進行治理。值得注意的是，陜北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境形勢仍然比較嚴峻，特別是榆林中東部和延安北部，僅分布著1 種或沒有生態(tài)系統(tǒng)服務熱點，生態(tài)系統(tǒng)服務在這些地區(qū)的供給能力較低，今后應綜合治理，以提升多種生態(tài)系統(tǒng)服務的供給能力。

圖8 陜西黃土高原多生態(tài)系統(tǒng)服務熱點的空間分布

2.4 討 論

基于多種模型評估了陜西黃土高原在退耕還林（草）工程實施前后（1990 年、2000 年和2015 年）產水量、NPP、土壤保持和生境質量4 種生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化特征、相互關系，并識別了生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域。

4 種生態(tài)系統(tǒng)服務在陜西黃土高原具有明顯的空間分異性，這與Liu 等［23］以陜西省為例得到的研究結果一致，這也與該地區(qū)復雜的生態(tài)環(huán)境實際情況相符合。 從研究結果可以看出，自退耕還林（草）工程實施后，研究區(qū)4 種生態(tài)系統(tǒng)服務均明顯改善，說明退耕還林（草）有效促進了林草植被的恢復，使得生態(tài)系統(tǒng)總體情況向好發(fā)展，這與周濤等［24］對陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的分析結果一致。 研究認為，NPP、土壤保持與生境質量，NPP 與產水量表現(xiàn)為協(xié)同關系，土壤保持與產水量、NPP 間存在此消彼長的權衡關系，這與楊曉楠等［9］、Liu 等［23］以及Jiang 等［25］的研究結果類似，陜西黃土高原地區(qū)退耕還林（草）改變了生態(tài)系統(tǒng)服務［26］，隨著植被的逐漸恢復，生態(tài)環(huán)境質量趨好，固碳作用增強，更多的土壤得到了保護，土壤侵蝕狀況改善，更多的水可滲透到土壤中，減少了無效蒸發(fā)，增加了產水量。

需要說明的是，針對生態(tài)系統(tǒng)服務熱點的識別，建立了熱點識別框架，在該框架中，熱點是以生態(tài)系統(tǒng)服務在各個年度的平均值為分界線來識別的，這樣可能會出現(xiàn)即使多個時期的生態(tài)系統(tǒng)服務平均值差異懸殊，但每個時期識別的熱點區(qū)域卻較為類似，進而通過疊加多時期熱點獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)域面積相較實際要大得多。 因此，今后可根據(jù)區(qū)域生態(tài)目標設置一個靜態(tài)值，如可通過劃定生態(tài)系統(tǒng)服務紅線的方式來識別生態(tài)系統(tǒng)服務熱點，以利于生態(tài)保護策略的精準制定。

3 結論

（1）4 種生態(tài)系統(tǒng)服務在整個研究區(qū)內均具有明顯的空間分異性，產水量和NPP 呈現(xiàn)自南向北遞減的空間分布格局，土壤保持較差的地區(qū)主要為陜北中部，生境質量的高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的最南部和最北部以及中部的延安市；產水量和NPP 在研究期內呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，土壤侵蝕狀況逐漸改善，生境質量小幅升高。

（2）產水量與生境質量除了在1990 年表現(xiàn)為權衡關系外，在2000 年和2015 年均表現(xiàn)為協(xié)同關系；NPP、土壤保持與生境質量，NPP 與產水量在研究期內均呈現(xiàn)協(xié)同關系；土壤保持與產水量、NPP 均為權衡關系。

（3）產水量、NPP、土壤保持、生境質量的熱點區(qū)域分別占研究區(qū)面積的22.48%、40.95%、61.65%和50.99%，產水量熱點區(qū)域面積占比最小，說明在研究期內發(fā)生了較大的變化；能同時穩(wěn)定提供4 種生態(tài)系統(tǒng)服務的熱點區(qū)域面積占研究區(qū)面積的4.92%，主要分布在西安市西部、渭南市南部，在寶雞市北部也有零星分布，這些地區(qū)在今后可優(yōu)先保護。