薛永盛，楊雪梅

（1. 甘肅省民勤縣自然資源局規(guī)劃技術保障中心, 甘肅 武威 733300；2. 蘭州文理學院旅游學院, 甘肅 蘭州 730000）

生態(tài)系統(tǒng)服務是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有惠益[1]，包括供給、調(diào)節(jié)、文化和支持服務4 種類型[2-3]，具體可以為人類提供防風固沙、食物供給、土壤保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護等方面的功能[4-6]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務種類多樣，空間分布不均衡，它們之間相互影響制約，存在復雜的關系[7]，主要表現(xiàn)為權衡和協(xié)同關系。權衡指不同生態(tài)系統(tǒng)服務此消彼長的情況，即因某一服務增強而導致其他服務減弱，而協(xié)同是兩種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務同時增加或減少的情形[7-9]。生態(tài)系統(tǒng)服務的優(yōu)化離不開對權衡協(xié)同關系的科學認知[10]，開展生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同研究，能有效避免由于過度強化某一服務供給而導致其他服務降低的情形，充分利用協(xié)同作用有助于提高生態(tài)管理效益[11]。北方防沙帶是國家“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中的重點生態(tài)功能區(qū)，也是我國荒漠化發(fā)展最快、生態(tài)極為脆弱、受風沙危害最嚴重的區(qū)域[12]。開展對該地區(qū)典型縣域的生態(tài)系統(tǒng)服務及其權衡協(xié)同關系研究，對確保北方防沙帶生態(tài)安全、合理配置自然資源、實現(xiàn)區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務的概念解讀、價值評估、權衡協(xié)同關系等研究已成為國內(nèi)外相關學科領域研究的熱點，并逐漸被應用于區(qū)域規(guī)劃與決策當中[13]。其中，權衡協(xié)同關系研究旨在實現(xiàn)不同層次的生態(tài)系統(tǒng)服務可持續(xù)供給和效益最大化[14]。從研究內(nèi)容來看，生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同關系研究主要集中在理論基礎、表現(xiàn)形式、驅(qū)動機制、尺度效應等方面。從測度方法來看，近年來生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估模型，如生態(tài)系統(tǒng)服務和權衡的綜合評估(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs, InVEST)、生 態(tài) 系 統(tǒng) 服 務 人 工 智 能(artificial intelligence for ecosystem services, ARIES)、生態(tài)系統(tǒng)服務的社會價值模型(valuing ecosystem services, ES-Value)等發(fā)展趨于成熟[14-17]，尤其是基于InVEST 模型的測度在國內(nèi)外得到較好的實際應用[15-16]；權衡協(xié)同關系研究的主要方法有統(tǒng)計學方法、空間分析方法、情景模擬方法和服務流動性分析方法[8,18]，具體包括生態(tài)系 統(tǒng)服務變化指 數(shù)(ecological services change index,ESCI)、空間自相關、相關系數(shù)法、逐項元偏相關分析等[19-24]。從研究視角來看，早期對權衡協(xié)同關系的研究更多集中在單個時間點的靜態(tài)研究，缺乏長時間動態(tài)序列研究[25]，同時大多從統(tǒng)計關系角度分析整體權衡協(xié)同關系，缺少內(nèi)部時空差異的時空表達[26-27]，對生態(tài)系統(tǒng)服務的總體權衡/協(xié)同作用分析的深度和廣度也存在很大差距，但不同研究尺度上，在特定區(qū)域獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同作用是不同的，現(xiàn)有研究一般集中在較大區(qū)域尺度上。本研究以縣域為研究視角，通過時間動態(tài)變化分析，從統(tǒng)計關系和時空差異變化角度進行研究。

縣域是北方防沙帶生態(tài)安全屏障的主要建設單元，它既是推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要組成部分，也是推動高質(zhì)量發(fā)展的重要空間載體。民勤縣位于北方防沙帶中部，區(qū)內(nèi)干燥少雨、植被稀疏、沙漠廣布，沙漠和荒漠化面積占縣域總面積的90.34%，是北方防沙帶縣域典型代表。近年來由于在該區(qū)域?qū)嵤┝吮姸嗟姆郎持紊成鷳B(tài)建設措施，生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。本研究以民勤縣為研究對象，根據(jù)區(qū)域功能定位和主要生態(tài)問題，選取防風固沙、碳儲量、食物供給3 項生態(tài)系統(tǒng)服務，基于InVEST 模型和ArcGIS 等手段，評估在2000 年、2010年、2020 年上述生態(tài)系統(tǒng)服務變化，然后利用R4.1.1和GeoDa1.20 軟件進行相關分析和聚類分析來研究其數(shù)值上和空間上的權衡協(xié)同關系，以期為民勤縣自然資源優(yōu)化配置和國土空間規(guī)劃管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

民勤縣隸屬甘肅省武威市，位于河西走廊東北部、石羊河流域下游，地處101°49′41″～104°12′10″E、38°03′45″～39°27′37″N，總面積1.58 × 104km2?？h域境內(nèi)最低海拔1 298 m，最高海拔1 936 m，平均海拔1 400 m，由沙漠、低山丘陵和平原3 種主要地貌組成。民勤屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量為113.2 mm，蒸發(fā)量為2 644 mm，干旱發(fā)生頻率高。民勤屬于較典型的極干旱沙漠荒漠草原植被區(qū)，土壤、植被等生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，植被以荒漠植被群系為主，對氣候變化敏感[28]。全縣轄大壩鎮(zhèn)、蔡旗鎮(zhèn)、昌寧鎮(zhèn)、大灘鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)、東湖鎮(zhèn)、紅砂崗鎮(zhèn)、紅沙梁鎮(zhèn)、夾河鎮(zhèn)、南湖鎮(zhèn)、泉山鎮(zhèn)、三雷鎮(zhèn)、收成鎮(zhèn)、雙茨科鎮(zhèn)、蘇武鎮(zhèn)、西渠鎮(zhèn)、薛百鎮(zhèn)、重興鎮(zhèn)18 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Location of the research area

從20 世紀開始，受氣候變化和人類活動等因素的影響，民勤縣生態(tài)環(huán)境開始惡化。2000 年前后，氣象災害加上人類對土地盲目開墾，使綠洲荒漠化趨勢加重。但隨著2007 年石羊河流域重點治理展開，民勤縣實施生態(tài)立縣戰(zhàn)略，大規(guī)模開展防沙治沙、國土綠化倍增行動，積極推動產(chǎn)業(yè)升級、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和水資源調(diào)控等治理工作，高度重視節(jié)能減排。近年來，民勤生態(tài)環(huán)境已呈現(xiàn)出“整體遏制、局部好轉(zhuǎn)”的態(tài)勢。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的土地利用數(shù)據(jù)來自全球地理信息公共產(chǎn)品網(wǎng)站(http://www.globallandcover.com/)。利用該網(wǎng)站公布的2000 年、2010 年、2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪10 大地類。地理坐標系為WGS_1984，分辨率為30 m；數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)所提供的30 m 分辨率的ASTER Global Digital Elevation Model 數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)采集的民勤縣周邊區(qū)域氣象站點降雨、溫度、日照時長、風速等氣象數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)包括土壤中砂粒、粘粒、粉粒、有機質(zhì)含量百分比和碳酸鈣含量，采用基于世 界 土 壤 數(shù) 據(jù) 庫(Harmonized World Soil Database,HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(v1.1) (http://westdc.westgis.ac.cn)，分辨率為1 km；經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自3 個年份的《甘肅省統(tǒng)計年鑒》《武威市統(tǒng)計年鑒》《民勤縣統(tǒng)計年鑒》。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務評價方法

2.2.1 防風固沙

防風固沙是風蝕地區(qū)主要生態(tài)功能，生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)與過程減少風蝕導致的土壤侵蝕作用[29-30]，一般以防風固沙量(潛在風蝕量與實際風蝕量的差值)作為防風固沙功能的評估指標[31-32]。當風經(jīng)過地表時會受到植被阻擋，使得風力減弱，風蝕量降低[30]，潛在風蝕量指沒有植被的裸土條件下的土壤風蝕量，實際風蝕量指現(xiàn)實中地表植被覆蓋條件下的土壤風蝕量。采用修正風蝕方程計算防風固沙量，計算公式：

式中：SR為固沙量(kg·m?2)；SL潛為潛在風力侵蝕量(kg·m?2)；SL為實際風力侵蝕量(kg·m?2)。

2.2.2 碳儲量

碳儲量服務是生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的調(diào)節(jié)服務，陸地生態(tài)系統(tǒng)通過將碳元素儲存在土壤和植被中來調(diào)節(jié)大氣中碳的含量。本研究運用InVEST 模型中的碳模塊(carbon)來計算民勤縣的碳儲量(t·hm?2)，計算公式如下：

式中：Ctot為總碳儲量；Cabove為地上生物碳儲量；Cbelow為地下生物碳儲量；Csoil為土壤有機碳儲量；Cdead為死亡有機物碳儲量。

2.2.3 食物供給

食物供給作為生態(tài)系統(tǒng)服務中最為基礎的服務之一，對人類的生存與發(fā)展起著至關重要的作用[25]。食物供給以單位面積生產(chǎn)總量來表示，本研究以民勤鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政邊界劃分區(qū)域，利用糧食、油料和蔬菜瓜果3 類主要食物類型總產(chǎn)量測算全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的食物供給能力，計算公式：

式中：Gi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的食物供給能力(t·hm?2)；Gsumi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的食物供給總量(t)；Si為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的耕地面積(hm2)；Gsi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的糧食供給量(t)；Goi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的油料供給 量(t)；Gvi為i鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的蔬菜瓜果供給量(t)。

2.3 權衡與協(xié)同關系評價方法

研究多種生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡與協(xié)同關系的方法主要有相關分析和聚類分析等[14-16]。在相關分析方面，本研究基于R4.1.1 軟件，將歸一化后的各生態(tài)系統(tǒng)服務價值量賦值到民勤村級尺度上，導出屬性表，使用cor 函數(shù)和chart. Correlation 函數(shù)[18]對民勤防風固沙、碳儲量以及食物供給3 種典型生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡協(xié)同關系進行相關性可視化分析，繪制散點圖矩陣，當某對生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關系數(shù)為負且通過0.05 水平的顯著性檢驗，則認為該對服務間存在權衡關系，反之系數(shù)為正且通過顯著性檢驗則為協(xié)同關系[33]。

聚類分析可以進一步了解生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同關系的空間異質(zhì)性，將各項生態(tài)系統(tǒng)服務變化量賦值到民勤村界矢量圖上，導入GeoDa1.20 軟件，使用Space 模塊的雙變量自相關和局部雙變量自相關進行分析，得到莫蘭指數(shù)和高低聚類圖，高高聚類和低低聚類表示協(xié)同關系，高低聚類和低高聚類表示權衡關系。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化

3.1.1 防風固沙

民勤縣2000 年、2010 年、2020 年防風固沙總量分別為7.93 × 107、13.15 × 107和16.59 × 107kg (表1)，單位面積防風固沙量分別為4.50、7.46、9.41 kg·m?2，防風固沙總量隨時間變化逐漸增加，說明研究區(qū)防風固沙能力不斷增強。單位面積防風固沙量較高值主要分布在民勤縣中部綠洲地區(qū)( ＞ 40 kg·m?2)，該區(qū)域主要土地利用類型為耕地和灌木林地，植被覆蓋度相對較高，地勢平坦，土壤粒徑較小，土壤潛在風蝕量大于實際風蝕量，單位面積防風固沙量較高；較低值主要分布于民勤縣東北部、西南部等荒漠地區(qū)(0～10 kg·m?2)，該區(qū)域主要土地利用類型為沙漠，植被蓋度較低，土壤質(zhì)地較差，粒徑較大，土壤風蝕嚴重，土壤潛在風蝕量接近于土壤實際風蝕量，單位面積防風固沙量較低。研究期內(nèi)，民勤縣防風固沙能力呈現(xiàn)持續(xù)增長，但2010-2020 年增長幅度小于2000-2010 年。2000-2010 年，民勤縣防風固沙量增加了5.22 × 107kg，增長幅度為65.83%，中部綠洲、北部和西南部防風固沙量增加，南部、西部及中部部分區(qū)域防風固沙量減少；2010-2020 年間，民勤縣防風固沙量增加了3.44 × 107kg，增長幅度為26.16%，中部部分綠洲、西部和東南部防風固沙量增加，西南部和中部部分區(qū)域防風固沙量減少(圖2)。上述防風固沙量減少區(qū)域由于城鎮(zhèn)化和快速工業(yè)化，建設用地快速擴張，植被覆蓋度降低，防風固沙能力降低；但從整體來看，民勤縣在生態(tài)文明理念的倡導下，組織實施各項重點工程，防風固沙成果顯著，有效阻止了風沙擴散。

表1 不同時期生態(tài)系統(tǒng)服務量Table 1 Ecosystem services in different periods

圖2 民勤縣防風固沙量變化Figure 2 Change of windbreak and sand fixation service in Minqin County

3.1.2 碳儲量

民勤縣2000 年、2010 年、2020 年碳儲量總量分別為1.43 × 107、1.56 × 107和1.64 × 107t (表1)，單位面積碳儲量分別為9.01、9.83、10.39 t·hm?2，碳儲量總量和碳密度在研究期內(nèi)隨時間變化逐漸增大，生態(tài)系統(tǒng)固碳能力有所增加。在空間分布上，碳密度值較高的區(qū)域主要分布在民勤縣中部綠洲地區(qū)周圍以及民勤縣東北部( ＞ 50 t·hm?2)，該區(qū)域主要土地利用類型為耕地、草地和林地，固碳能力較強；低值區(qū)域主要集中在民勤縣西北部、北部和南部等綠洲外圍沙漠地區(qū)( ＜ 40 t·hm?2)，且分布范圍較廣，該區(qū)域主要土地利用類型為沙漠，固碳能力差。2000-2010 年，民勤縣碳儲量增加了1.30 × 106t，增加區(qū)域占比9.07%，主要集中于民勤縣北部，該區(qū)域草地面積增加，植被覆蓋度較高，固碳能力增強，碳儲量增加；2010-2020 年，民勤縣碳儲量增加了8 × 105t，增加區(qū)域占比5.13%，主要集中于民勤縣東北部及西北部(圖3)；隨著建設用地擴張和實行生態(tài)修復工程，該區(qū)域建設用地和草地面積增加，固碳能力增強。與防風固沙服務相似，碳儲量增長速率在后10 年的增幅小于前10 年。

圖3 民勤縣碳儲量變化Figure 3 Change of carbon sequestration service in Minqin County

3.1.3 食物供給

民勤縣3 年的食物供給服務總量分別為2.61 ×105、7.26 × 105和12.78 × 105t (表1)，單位面積耕地食物的供給量分別為1.69、4.25、3.63 t·hm?2。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)差異也較大，食物供給量較高的地區(qū)主要分布在民勤縣中部綠洲地區(qū)，單位面積耕地食物供給量較多的區(qū)域為收成鎮(zhèn)、大壩鎮(zhèn)、泉山鎮(zhèn)、蔡旗鎮(zhèn)和重興鎮(zhèn)，供給較少的地區(qū)主要在周邊沙漠戈壁地帶，包括紅砂崗鎮(zhèn)、紅沙梁鎮(zhèn)、南湖鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)(圖4)。2000-2010 年，食物供給總量增加了4.65 × 105t，增幅178.16%；2010-2020 年，總量增加5.52 × 105t，增幅76.03%。單位面積耕地產(chǎn)量在2000-2010年增加較多，但在2010-2020 年幾乎沒有變化；2000-2010 年，耕地面積略有減少，但民勤在此期間一直大力發(fā)展瓜果產(chǎn)業(yè)，蔬菜瓜果產(chǎn)量劇增，蔬菜、瓜類和水果產(chǎn)量分別從2000 年的2.40 × 104、6.27 × 104和5.69 × 103t 上 升 到2020 年 的4.71 ×104、3.24 × 105和5.19 × 104t，產(chǎn)量增加了將近10 倍，由此帶來單位面積產(chǎn)量激增；2010-2020 年期間，單位面積產(chǎn)量幾乎未發(fā)生變化，但由于開墾荒地等帶來的耕地面積增加促進了總產(chǎn)量的增加，耕地面積從2010 年的5.98 × 104hm2增加到2020 年的1.04 ×105hm2。

圖4 民勤縣食物供給變化Figure 4 Change of food supply service in Minqin County

3.2 權衡協(xié)同關系

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同數(shù)值分析

利用R 語言對各年生態(tài)系統(tǒng)服務進行相關分析(圖5)，可以看出，不同年份的各生態(tài)系統(tǒng)服務兩兩間的相關性，整體上防風固沙與碳儲量、碳儲量與食物供給為協(xié)同關系，防風固沙與食物供給為權衡關系。在村級尺度上，防風固沙和碳儲量3 年的相關系數(shù)分別為0.36、0.43 和0.38，表現(xiàn)出顯著的協(xié)同關系(P＜ 0.01)，表明防風固沙與碳儲量這兩種生態(tài)系統(tǒng)服務本身有著較強的聯(lián)系，防風固沙依靠的植被主要是林地、草地等，而這些植被同樣有著碳固持的作用，綠色植被面積的增減變化會同時帶來兩種生態(tài)服務的增減變化，所不同的是草地防風固沙效果最好，碳儲量更多依靠林地。防風固沙與食物供給3 年的相關系數(shù)分別為-0.03、-0.23 和0.03，其中在2000、2010 年呈現(xiàn)出較為顯著的權衡關系(P＜ 0.05)，在2020 年則為不顯著的協(xié)同關系(P＞ 0.05)，糧食生產(chǎn)用地與其他用地(特別是林草地)存在一定的競爭關系，尤其在空間分布和水源上的競爭，從而導致兩種服務之間的權衡作用；但隨著石羊河流域生態(tài)治理工程的實施，實施退耕還林(草)、工程壓沙、封沙育林(草)等工程，民勤縣整體生態(tài)環(huán)境變好，防風固沙成效與食物供給增長趨勢一致，兩種服務在一定程度上相輔相成，開始有轉(zhuǎn)為協(xié)同關系的趨勢。碳儲量與食物供給3 年的相關系數(shù)分別為0.08、0.03 和0.15，均表現(xiàn)為協(xié)同關系，其中在2010 年兩者的相關性不顯著(P＞ 0.05)，耕地具有食物供給與碳固持功能，通過查閱統(tǒng)計年鑒，耕地面積在2000-2020 年間持續(xù)增加，尤其在后10 年增加幅度較大，此外隨著造林工程的開展，林地面積增加，固碳量提升，兩者共同作用下使得碳儲量服務與食物供給服務能力共同增加。

圖5 民勤生態(tài)系統(tǒng)服務散點圖矩陣Figure 5 Scatter plot matrix of ecosystem services in Minqin County

主對角線是3 種服務的直方分布圖(圖5)，直方分布圖能反映橫軸數(shù)據(jù)(生態(tài)系統(tǒng)服務量)的分布特征，例如防風固沙服務在2000 年大多集中在低值，2010 和2020 年有向中高值演變的趨勢，表明各地防風固沙服務普遍增強，民勤當前防風固沙工程卓有成效；碳儲量在分布上未能看出明顯變化；食物供給在高值和低值均有分布且低值較多，表明不同區(qū)域在食物供給上差異較大，這與民勤荒漠戈壁面積遠大于綠洲面積相關。主對角線下方是具有擬合線的雙變量散點圖，里面的每一個點代表一個村級樣本，雙變量散點圖和擬合線反映橫軸數(shù)據(jù)分布集中程度，可以看到各年間散點圖形狀基本相似，擬合線趨勢未發(fā)生大的改變，表明各村在整體上各生態(tài)系統(tǒng)服務量在3 年的變化趨勢相近，未發(fā)現(xiàn)明顯異常區(qū)域。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同空間分析

為了解民勤縣不同生態(tài)系統(tǒng)服務在空間上的權衡協(xié)同關系，將上述研究得到的2000-2010 年和2010-2020 年各生態(tài)系統(tǒng)服務的變化量數(shù)值賦到民勤村界上，每個村對應一個均值，再將得到的矢量圖層導入到GeoDa1.20 軟件，利用Weight 模塊確定空間權重矩陣，進行雙變量Moran’s I 分析得到莫蘭指數(shù)數(shù)值，再利用雙變量局部Moran’s I 分析得到聚類圖(圖6)，分析結(jié)果均通過顯著性水平檢驗。由莫蘭指數(shù)數(shù)值可知，民勤3 種主要生態(tài)系統(tǒng)服務間相互關系為在2000-2010 年和2010-2020 年期間，防風固沙與碳儲量均表現(xiàn)出空間上的正相關，相關系數(shù)分別為0.056 和0.064；防風固沙-食物供給和碳儲量-食物供給均為空間上的負相關，前者相關系數(shù)分別為?0.183 和?0.180，后者相關系數(shù)分別為?0.113 和?0.105，兩者在兩個時間段上的相關關系一致，在數(shù)值上略有區(qū)別。

在局部雙變量自相關分析得到的聚類圖(圖6)中，高高集聚和低低集聚表示協(xié)同關系，高低集聚和低高集聚表示權衡關系。由圖6 還能看出權衡協(xié)同關系空間特征，生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同關系的空間異質(zhì)性顯著(P＜ 0.05)，民勤共有248 個村莊，圖例中括號內(nèi)數(shù)字表示對應集聚特征的圖斑數(shù)量(共有489 個圖斑，一個村可能包含多個圖斑)。防風固沙與碳儲量在2000-2010 年期間權衡面積占比64.21%，協(xié)同面積占比15.19%，其余20.60%不顯著(P＞ 0.05)，權衡關系位于西部和北部地區(qū)，例如紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)，協(xié)同關系主要存在于民勤東南部；2010-2020 年期間80.65%的地區(qū)未表現(xiàn)出顯著關系(P＞ 0.05)，16.70%為權衡關系，2.66%為協(xié)同關系，協(xié)同關系主要位于中部綠洲部分地區(qū)，權衡關系主要發(fā)生在南湖鎮(zhèn)。防風固沙與食物供給在2000-2010 年間的協(xié)同關系占比68.38%，權衡關系占比21.27%，權衡關系主要發(fā)生在紅砂崗鎮(zhèn)、東湖鎮(zhèn)和民勤中部少量綠洲地區(qū)，協(xié)同關系主要表現(xiàn)在東南地區(qū)；2010-2020 年期間兩者權衡協(xié)同面積與位置幾乎相反，權衡關系占比68.87%，協(xié)同關系占比19.21%，原本大片的低低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)榈透呒邸Ｌ純α颗c食物供給在2000-2010 年期間權衡關系占比66.98%，協(xié)同關系面積占比23.45%，協(xié)同關系主要位于昌寧鎮(zhèn)、中部綠洲和南湖鎮(zhèn)，權衡關系位于民勤西北與東北兩處大區(qū)域，主要包含紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)；2010-2020 年期間兩者權衡協(xié)同關系區(qū)域也相反，協(xié)同面積占比68.21%，權衡面積占比19.86%，原來的高低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒呒?。上述的防風固沙與食物供給、碳儲量與食物供給在2000-2010 年和2010-2020 年在空間上的集聚特征發(fā)生了較大變化，但莫蘭指數(shù)數(shù)值變化不大。

圖6 民勤縣3 種典型生態(tài)系統(tǒng)服務聚類圖Figure 6 Partial map of three typical ecosystem services in Minqin County

從上述分析發(fā)現(xiàn)，防風固沙與食物供給、碳儲量與食物供給在2000-2010 年和2010-2020 年間在空間上的權衡協(xié)同關系發(fā)生了較大變化，集聚特征變化明顯。在2000-2010 年防風固沙與食物供給低低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)?010-2020 年的低高集聚主導，碳儲量與食物供給由高低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒呒壑鲗?，這與食物供給在2000-2010 年平均產(chǎn)量增幅較大，但又在2010-2020 年間平均產(chǎn)量幾乎未發(fā)生變化有關。此外，民勤中部綠洲區(qū)域村莊密集，單個村莊面積較小，而四周戈壁荒漠區(qū)域村莊面積較大，所以在權衡協(xié)同面積上和村莊數(shù)量上未能匹配，出現(xiàn)了部分權衡面積占比較大，對應的權衡村莊數(shù)量卻較少的情況。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

通過對民勤生態(tài)系統(tǒng)服務變化的評估可以看到，民勤縣近20 年來，防風固沙效果顯著，造林綠化質(zhì)量提升，食物產(chǎn)量增加。權衡協(xié)同研究方面，協(xié)同可以體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務之間本身的聯(lián)系，民勤防風固沙與碳儲量存在顯著的協(xié)同關系，防風固沙主要依靠林地、草地[34]，與碳儲量聯(lián)系緊密；碳儲量與食物供給存在一定的協(xié)同作用，食物供給所依靠的耕地在碳儲量中也發(fā)揮作用。權衡表明生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在競爭關系，食物供給依靠耕地，耕地與林地草地存在一定的競爭性，盡管兩者具有相似的特征，均有防風固沙與碳固持功能，但灌溉農(nóng)作物會消耗較多的水資源，使得區(qū)域內(nèi)水資源減少，長此以往，會在一定程度上對林地草地造成影響，降低其防風固沙與碳固持能力，因此防風固沙與食物供給呈權衡關系[11]，碳儲量與食物供給呈現(xiàn)的協(xié)同關系不如防風固沙與碳儲量顯著?？傮w來看，民勤縣對生態(tài)文明建設高度關注，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的道路，在積極構(gòu)筑生態(tài)防護屏障、全力打造全國生態(tài)建設示范區(qū)等方面成效顯著。

對生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡協(xié)同關系進行分析有助于促進資源合理配置和實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。將本研究得到的生態(tài)系統(tǒng)服務變化與權衡協(xié)同關系進一步應用到民勤生態(tài)修復與國土空間規(guī)劃上，針對現(xiàn)有問題，未來民勤應合理配置土地資源，解決好耕地與林地關系，在增加耕地面積的同時提升單位產(chǎn)量，不占用其他生態(tài)用地，優(yōu)化自然資源，尤其是水資源配置。當前民勤既有退耕還林工程以抵御風沙、遏制荒漠化，也在大力開墾耕地，發(fā)展瓜果產(chǎn)業(yè)，兩者之間既要考慮生態(tài)效益，也要謀求發(fā)展，實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展，達到生態(tài)保護與糧食生產(chǎn)的雙贏。通過對民勤生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同關系的分析和經(jīng)驗總結(jié)，可以進一步推廣到其余北方防沙帶地域[32]。

生態(tài)系統(tǒng)服務類型多樣，本研究僅選取了在民勤區(qū)域影響較大的三大類生態(tài)系統(tǒng)服務，涵蓋范圍不夠全面，并且各種服務之間相互作用，僅僅分析兩兩之間的相互關系是不充分的。同時，權衡協(xié)同關系分析所用的相關分析雖然能得到生態(tài)系統(tǒng)服務之間權衡協(xié)同的數(shù)值關系[11,32]，雙變量自相關的聚類分析也可以表現(xiàn)權衡協(xié)同的空間關系，但兩者均未能解釋權衡協(xié)同關系變化的機理與形成過程。因此，未來還需要進一步豐富生態(tài)系統(tǒng)服務類型并探索不同類型服務之間權衡協(xié)同關系變化機理，以期為區(qū)域生態(tài)優(yōu)化與空間治理提供更科學的決策依據(jù)。

4.2 結(jié)論

本研究以北方防沙帶典型縣域民勤縣為研究區(qū)， 利 用ArcGIS10.3、 R4.1.1、 GeoDa1.20 軟 件 和InVEST3.90 模型對該區(qū)域2000 年、2010 年和2020年的防風固沙、碳儲量和糧食供給3 項生態(tài)系統(tǒng)服務及其權衡協(xié)同關系進行評估、測度，最終得到如下結(jié)論：

1) 2000-2020 年3 項生態(tài)系統(tǒng)服務總量均持續(xù)增加。民勤縣2000 年、2010 年、2020 年防風固沙總量分別為7.93 × 107、1.32 × 108和1.66 × 108kg，碳儲量 總 量 分 別 為1.43 × 107、1.56 × 107和1.64 × 107t，食物供給服務總量分別為2.61 × 105、7.26 × 105和1.28 × 106t。三者的總量分別增加了8.64 × 107kg、2.17 × 107t 和1.02 × 106t，3 種 生 態(tài) 系 統(tǒng) 服 務 在 前10 年內(nèi)增加的幅度較大，在后10 年內(nèi)增長幅度均有所放緩。從空間分布上看，3 種生態(tài)系統(tǒng)服務量較高的地區(qū)均位于民勤中部綠洲地區(qū)，周圍荒漠戈壁地區(qū)服務供給較少。

2)防風固沙與碳儲量、碳儲量與食物供給呈現(xiàn)協(xié)同關系，防風固沙與食物供給呈現(xiàn)權衡關系，其中防風固沙與碳儲量服務協(xié)同關系較強，3 年的相關系數(shù)分別為0.36、0.43 和0.38，防風固沙與食物供給權衡關系較弱，且有轉(zhuǎn)為協(xié)同關系的趨勢，3 年相關系數(shù)分別為-0.03、-0.23 和0.03，碳儲量與食物供給的3 年相關關系分別為0.08、0.03 和0.15，其協(xié)同關系逐漸增強。

3)生態(tài)系統(tǒng)服務間權衡協(xié)同關系空間異質(zhì)性顯著，區(qū)域差異明顯，在2000-2010 年與2010-2020年兩個時間段上兩兩之間空間自相關系數(shù)變化不大，但各地集聚特征呈現(xiàn)出較大的空間差異。防風固沙與碳儲量集聚特征以低低集聚和低高集聚為主，2000-2010 年權衡關系位于西部和北部地區(qū)，例如紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)，協(xié)同關系表現(xiàn)在東南部；防風固沙與食物供給在2000-2010 年的協(xié)同關系主要發(fā)生在紅砂崗鎮(zhèn)、東湖鎮(zhèn)和民勤中部少量綠洲地區(qū)，協(xié)同關系主要表現(xiàn)在東南地區(qū)，2010-2020年兩者權衡協(xié)同關系幾乎相反，民勤綠洲外圍區(qū)域由低低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)榈透呒?；碳儲量與食物供給從2000-2010 年的高低集聚主導轉(zhuǎn)變?yōu)?010-2020年的高高集聚主導，2000-2010 年協(xié)同關系主要位于昌寧鎮(zhèn)、中部綠洲和南湖鎮(zhèn)，權衡關系位于民勤西北與東北兩處區(qū)域，包含紅砂崗鎮(zhèn)和東湖鎮(zhèn)等。