楊 陽,竇艷星,王云強(qiáng),安韶山

1 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710061 2 中國科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心,西安 710061 3 陜西黃土高原地球關(guān)鍵帶國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,西安 710061 4 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊凌 712100 5 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接/間接地獲得的收益,它側(cè)重于人類從大自然中所獲取的各項(xiàng)服務(wù),影響著生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展；開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究能夠幫助我們有效促進(jìn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善,對(duì)于資源短缺等問題提供很好的解決辦法[1—3]。近百年來,隨著人類對(duì)大自然開發(fā)利用程度的加重,加上自然環(huán)境的惡化,全球范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了巨大的變化,同時(shí)伴隨著空氣質(zhì)量下降、水污染等一系列的環(huán)境問題,各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)了急劇降低,這給人類的生產(chǎn)生活帶來了極大的困擾,已成為全球性問題[4—5]。21世紀(jì)初,在聯(lián)合國的組織下,“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉”計(jì)劃(MA)得以實(shí)施,該計(jì)劃表明,近60%以上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)了不同程度的下降,并且這種下降趨勢(shì)很可能會(huì)持續(xù),這嚴(yán)重阻礙了人類的可持續(xù)發(fā)展[6—8]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),生態(tài)系統(tǒng)功能能夠?yàn)槿祟悇?chuàng)造高達(dá)15萬億英鎊的價(jià)值[9]；然而在人類不合理的開發(fā)利用下,這種價(jià)值損失了近2/3,諸如水土流失、生物多樣性大幅下降等問題,在導(dǎo)致生態(tài)功能下降的同時(shí),也破壞了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[7—8],如何評(píng)估和改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)顯得刻不容緩[10—11]。

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估方法,出現(xiàn)了一些以復(fù)雜理論和研究成果為基礎(chǔ)的評(píng)估模型,如InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)、ARIES(Artificial Intelligence for Ecosystem Services)和SolVES(Social Values for Ecosystem Services)等模型[12]。對(duì)比而言,InVEST模型發(fā)展更為成熟,且處于不斷更新和完善階段,具有“空間化、精細(xì)化、定量化”的特征,因此得到廣泛應(yīng)用,并在全球范圍內(nèi)均取得較好的反響[13—16]。然而,由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類多樣、空間分布不均衡、以及人類的選擇性使用,使得各種服務(wù)之間呈現(xiàn)出相互作用、聯(lián)系及交織的動(dòng)態(tài)關(guān)系,具體表現(xiàn)為協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系。當(dāng)前,已有較多的研究探討了多種尺度(如國家、區(qū)域、流域等尺度)上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系不盡一致[13—15]。例如,陳登帥等[17]采用生產(chǎn)可能性邊界法定量化了渭河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)生物多樣性與產(chǎn)水量呈權(quán)衡關(guān)系,而固碳與生物多樣性呈協(xié)同關(guān)系；對(duì)于延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),孫藝杰等[18]的結(jié)果表明食物供給與土壤保持表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity,NPP)與土壤保持、水源涵養(yǎng)表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系[19]。張瑜[20]等利用InVEST模型評(píng)估了黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化特征。結(jié)合InVEST模型與情景分析方法,Ouyang等[21]對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同土地利用方式下的相互作用關(guān)系,及流域土地利用變化趨勢(shì)進(jìn)行了定量研究,結(jié)果表明,科學(xué)地使用土地能夠有效權(quán)衡各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)直接的關(guān)系,促進(jìn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。傅伯杰等[22]總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡很大部分是由于人類的干擾和社會(huì)的發(fā)展,拉大了不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)此消彼長的趨勢(shì),因此需要從時(shí)空尺度合理評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。盡管眾多的學(xué)者研究了不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,但這些研究?jī)H僅靜態(tài)的分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系；還缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體的差異以及長時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)觀測(cè)研究。

我國是世界上生態(tài)工程實(shí)施最廣泛的國家,貢獻(xiàn)了全球植被變綠面積的25%[23]。黃土高原是我國植被變綠增幅最大的區(qū)域之一,也是退耕還林還草、治溝造地、固溝保塬、淤地壩建設(shè)等重大生態(tài)工程實(shí)施的典型區(qū)域；在這些生態(tài)工程作用下,黃土高原植被覆蓋度明顯增加,其帶來的各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(儲(chǔ)水、固碳、生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù))也顯著提升[24—27]。有研究顯示,我國各類生態(tài)系統(tǒng)在2000—2010年期間,水源涵養(yǎng)、土壤保持與固碳、防風(fēng)固沙、洪水調(diào)蓄和食物生產(chǎn)功能得以改善和提升,而生物多樣性功能表現(xiàn)為下降趨勢(shì),其中退耕還林還草工程和自然區(qū)保護(hù)政策對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)起到了關(guān)鍵的作用[28]。隨著植被的快速恢復(fù),人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)作用力的不斷增強(qiáng),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)過度開發(fā),使人類福扯受到威脅,大部分生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)正在或者趨于退化,生態(tài)與環(huán)境問題大量涌現(xiàn),由此引發(fā)了一系列的水土流失、沙漠化嚴(yán)重、灌叢入侵、水資源平衡破壞、多樣性降低、保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量下降等,因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡和供給也成為研究的前沿與熱點(diǎn)領(lǐng)域[29—32]。當(dāng)前在“一帶一路”、“退耕還林/草工程”、“美麗中國建設(shè)”、“黃河高質(zhì)量發(fā)展”、“雙碳戰(zhàn)略”等一系列重大戰(zhàn)略的推動(dòng)下,黃土高原作為我國天然的西部生態(tài)屏障,該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)與植被恢復(fù)顯得極為重要。因此,合理評(píng)估黃土高原植被恢復(fù)條件下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),是推動(dòng)我國西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重大國家需求和科學(xué)保障。

以黃土高原植被恢復(fù)為研究背景,在黃土丘陵溝壑區(qū)選取兩個(gè)不同治理模式的典型小流域(紙坊溝流域,人工治理模式；坊塌流域,工程治理模式)；其中紙坊溝和坊塌流域都是延河流域的支流,兩個(gè)流域處于不同治理階段和模式,地理位置基本相毗鄰,隸屬于中國科學(xué)院水土保持研究所野外站臺(tái),2個(gè)小流域是黃土丘陵區(qū)退耕還林/草工程以來植被恢復(fù)和治理模式的典范代表。借助CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型,綜合1998、2008和2018年的遙感影像圖、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)等多源數(shù)據(jù),利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感解譯數(shù)據(jù)、退耕還林?jǐn)?shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù),采用InVEST模型對(duì)生態(tài)服務(wù)(碳儲(chǔ)量、土壤保持量、生境質(zhì)量和產(chǎn)水量)進(jìn)行評(píng)估,探究植被恢復(fù)過程中各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同效應(yīng)和權(quán)衡效應(yīng),這對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紙坊溝是黃土高原延河流域的支流之一,主要流經(jīng)地形復(fù)雜的黃土丘陵溝壑區(qū),該流域分布在紙坊溝村等3個(gè)自然村,位于延安市安塞縣境內(nèi)；坊塌流域分布于安塞縣境內(nèi)的沿河灣鎮(zhèn)坊塌自然村,與紙坊溝流域一樣同屬于延河流域的重要支流之一。對(duì)于這2個(gè)小流域而言,由于環(huán)境治理時(shí)間及模式等存在差異,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有一定的差異性,二者均位于安塞縣東南區(qū)域,屬于中科院水保所的重點(diǎn)流域研究觀測(cè)對(duì)象,2個(gè)小流域是黃土丘陵區(qū)退耕還林/草工程以來,黃土丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)和治理模式的典范代表。

紙坊溝流域呈現(xiàn)出明顯的南北狹長分布特點(diǎn),最低海拔為1010 m,最高海拔為1432 m,面積達(dá)到8.2 km2；坊塌流域面積略大于紙坊流域,達(dá)到8.6 km2,海拔與紙坊流域較為接近,最低海拔1023 m,最高海拔1381 m；受地理分布因素的制約,二者呈現(xiàn)出典型的暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候,通過該地區(qū)20年氣象資料分析,其年均溫達(dá)到8.8℃,年日照達(dá)2400 h[33—34]。

1.2 植被調(diào)查和樣品采集

2016年7月—10月進(jìn)行在紙坊溝和坊塌流域植被調(diào)查、土壤樣品采集等工作。在2個(gè)小流域選擇6種不同土地利用方式,其中包括耕地、退耕草地、人工草地、人工灌叢、人工林地、自然灌叢；如表1所示,結(jié)合不同的土地類型采取平行樣地的設(shè)置方法,在各樣地內(nèi)布設(shè)3個(gè)樣方；植被調(diào)查參照方精云等人[35]的植被清查統(tǒng)計(jì)方法,林地、灌叢樣方分別設(shè)置為10 m和3 m的正方形,而對(duì)于草本及裸地設(shè)置1 m×1 m的樣方；記錄植物群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。利用五點(diǎn)混合法收集土壤樣品,在記錄海拔及坡度等信息后,將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定理化性質(zhì)。其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集來源于文獻(xiàn)和站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

坡向以順時(shí)針方向,每45°作為一個(gè)等級(jí)(范圍在0—8之間)。數(shù)字1、2、3分別代表上坡位、中坡位和下坡位

1.3 遙感數(shù)據(jù)來源

(1)遙感影像獲取

紙坊溝和坊塌流域2018年遙感影像資料的獲得,通過黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心提取,對(duì)于1998年和2008年的遙感影像采取購買方式；空間分辨率為20 m,解譯精度大于84%。

(2)DEM數(shù)據(jù)

紙坊溝和坊塌流域內(nèi)DEM數(shù)據(jù)的獲取采取矢量化及等高線轉(zhuǎn)換的方式,利用ArcGIS (Arc Hydro模塊)填挖處理DEM,使DEM表面平滑,坡度數(shù)據(jù)借助于空間分析模塊計(jì)算,通過流域邊界的提取獲得高程數(shù)據(jù)。

(3)土地利用數(shù)據(jù)

結(jié)合紙坊溝和坊塌流域的遙感影像資料及Quick Bird數(shù)據(jù),借助于墨卡托投影系統(tǒng),在結(jié)合實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行對(duì)比分析。

(4)氣象數(shù)據(jù)

通過黃土高原安塞國家氣象站獲取相應(yīng)的氣象資料,主要是氣溫、降雨量及太陽輻射等方面,此外,還結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒及相關(guān)文獻(xiàn)資料。

1.4 InVEST模型評(píng)估

采用InVEST模型和ArcGIS 10.2軟件計(jì)算典型小流域的生境質(zhì)量、碳儲(chǔ)量、產(chǎn)水量、土壤保持服務(wù),以及空間分布特征。

(1)NPP(Net Primary Production)

NPP指的是植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力,代表碳儲(chǔ)存服務(wù)。采用CASA模型對(duì)NPP進(jìn)行計(jì)算[36]：

NPP (x,t)=APAR (x,t) ×ε(x,t)

式中：x表示柵格中的具體像元；t表示月份；NPP(x,t)、APAR(x,t)、ε(x,t)分別表示t月份時(shí),x像元上的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、植被吸收的光合有效輻射、植被的實(shí)際光能利用率。

(2)碳儲(chǔ)量

碳儲(chǔ)量的估算借助于InVEST模型,碳儲(chǔ)量主要包括大氣碳儲(chǔ)量、地上碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量、地下碳儲(chǔ)量、死亡有機(jī)碳。由于大氣碳難以進(jìn)行有效衡量,因此,本研究過程中對(duì)此不予估算。碳庫模型的計(jì)算建立在不同土地利用類型的基礎(chǔ)上,首先對(duì)碳密度進(jìn)行測(cè)算,之后再結(jié)合研究區(qū)域面積,進(jìn)而獲取總的碳儲(chǔ)量。具體的計(jì)算公式如下[37]：

C總碳=C地上碳+C土壤碳+C地下碳+C死亡碳

(3)產(chǎn)水模塊

利用水循環(huán)作用機(jī)理測(cè)算產(chǎn)水量,具體的參數(shù)包括降雨量、徑流、蒸發(fā)蒸騰、植被用水及土壤深度等影響因素,其中的Water Yield模塊運(yùn)行模式采取的是柵格單元,對(duì)于每個(gè)柵格單元而言,首先測(cè)定降雨量與蒸發(fā)蒸騰效應(yīng)之差,而流域尺度采取模塊加權(quán)的方式獲取相應(yīng)的產(chǎn)水量。

Yxj=(1-AETxj/Px)×Px

式中,Yxj、AETxj分別表示第j類土地利用類型在x單元格的年均產(chǎn)水量、年實(shí)際蒸散量；Px是x單元格的年降雨量。

(4)土壤保持模塊

在InVEST模型中,采用土壤流失方程(USLE)計(jì)算土壤保持量,USLE最早由美國農(nóng)業(yè)部提出,1980年引入中國,我國大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和驗(yàn)算；主要原理是潛在土壤侵蝕與實(shí)際土壤侵蝕之差。計(jì)算公式如下[38]：

ΔUSLE=RKLS-USLE=R×(1-C-Ps)

式中,ΔUSLE是年平均土壤保持量(t hm-2a-1)；USLE是植被覆蓋下的土壤流失量；RKLS是裸地土壤流失量；LS是坡長與坡度因子,根據(jù)DEM模型獲得；C代表植被與管理因子；Ps代表土壤保持措施因子。

R是降水徑流侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)),計(jì)算模型表達(dá)如下[38]：

式中,Pi表示月平均降雨量；P表示年平均降雨量；單位均為mm；

R的單位是100 ac h a-1,轉(zhuǎn)換成國際單位MJ mm hm-2h-1a-1需乘以17.02的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

K指的是土壤可侵性因子(t h MJ-1mm-1),與土壤質(zhì)地、降雨徑流、有機(jī)碳、土壤滲透等有關(guān),通過EPIC(Erosion/Productivity Impact Calculator)模型計(jì)算[38]：

{1.0-0.7×(1-SAN/100)/[1-SAN/100+exp[22.9×(1-SAN/100)-5.51]]}

式中,SIL、SAN、CLA分別指的是粉粒、沙粒和黏粒含量(%)；SOC指的是有機(jī)碳含量(%)。

1.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡值的量化

逐像元的提取4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)后,計(jì)算兩兩之間的相關(guān)性系數(shù),當(dāng)系數(shù)為負(fù)值時(shí),認(rèn)為兩者屬于權(quán)衡關(guān)系,當(dāng)為正值時(shí),則為協(xié)同關(guān)系。在空間上,通過MATLAB軟件開展逐像元的長時(shí)間序列的相關(guān)性分析。計(jì)算公式如下[39]：

式中：R是兩種服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)；i為像元的行號(hào)；j為像元的列號(hào)；n為柵格數(shù)據(jù)的時(shí)間序列；ES1、ES2為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

1.6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生產(chǎn)可能性邊界

生產(chǎn)可能性邊界又可以稱為效率曲線(Efficiency frontiers)或者帕累托曲線(Pareto frontiers)。在坐標(biāo)軸上繪制出的圖形稱為生產(chǎn)可能性曲線(Production Possibility Frontier, PPF),或轉(zhuǎn)換線[40—42]。PPF是對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)所能達(dá)到的最大產(chǎn)量組合的描述,適合用于篩選各種生產(chǎn)組合。PPF曲線內(nèi)的點(diǎn)表示仍有資源未得到完全利用,存在資源閑置,說明生產(chǎn)還有潛力；而曲線之外的點(diǎn),則表示現(xiàn)有的技術(shù)和資源條件是達(dá)不到的；只有曲線上的點(diǎn),才是資源配置效率最高的點(diǎn)。本研究采用PPF來分析黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系。先對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩圖層進(jìn)行比值,按照比值大小將每個(gè)單元格從小到大排列,然后依次對(duì)單元格對(duì)應(yīng)的地理位置累計(jì)求和,繪制出相應(yīng)的曲線,即為PPF曲線。

2 結(jié)果分析

2.1 NPP變化趨勢(shì)

圖1顯示了紙坊溝流域1998—2018年平均值空間分布特征。1998—2018年平均植被NPP自中部向北部和南部遞增,北部和南部植被NPP變化幅度較大,中部處于輕微變化區(qū)域；1998年紙坊溝流域植被NPP分布不均勻,此時(shí)NPP大多集中在15—40 g/m2之間,2008年NPP較均勻,此時(shí)NPP大多在20—80 g/m2之間,2018年NPP分布較為均勻,此時(shí)NPP大多在50—100 g/m2之間。

圖1 紙坊溝流域1998—2018年NPP分布圖Fig.1 NPP from 1998 to 2018 in Zhifanggou

圖2顯示了坊塌流域1998—2018年平均值空間分布特征。1998—2018年平均植被NPP自中部向四周遞增,東部和南部植被NPP變化幅度較大,中部處于輕微變化區(qū)域；1998年NPP分布較為均勻,此時(shí)NPP大多集中在20—40 g/m2之間,2008年NPP大多在20—60 g/m2之間,2018年NPP大多在50—110 g/m2之間。

2.2 土壤保持功能評(píng)估

通過圖3可知,紙坊溝流域1998—2018年單位面積土壤保持量呈上升趨勢(shì),不同區(qū)域存在較為明顯的差異,其中變化較大的是南部區(qū)域,而中部變化較?。?998年單位面積土壤保持量并沒有較為明顯的變化,其低值為45 t/hm2,高值為232 t/hm2；2008年呈現(xiàn)出中部高的特點(diǎn),南北區(qū)域則變化小,最低值為53 t/hm2,最高值為299 t/hm2；2018年則保持較為均勻的變化趨勢(shì),最低值為78 t/hm2,最高值為320 t/hm2。

通過圖4得知,坊塌流域單位面積土壤保持量存在一定的時(shí)空差異,整體呈上升趨勢(shì),且變化幅度較小,呈較為均勻的分布特點(diǎn)；1998年單位面積土壤保持量并沒有較為明顯的變化,最低值為22 t/hm2,最高值為190 t/hm2；2008年呈現(xiàn)出中部高的特點(diǎn),南北區(qū)域則變化小,最低值為35 t/hm2,最高值為221 t/hm2；2018年則保持較為均勻的變化趨勢(shì),最低值為46 t/hm2,最高值為267 t/hm2。

圖2 坊塌流域1998—2018年NPP分布圖Fig.2 NPP from 1998 to 2018 in Fangta

圖3 紙坊溝流域1998—2018年單位面積土壤保持量Fig.3 Soil conservation per unit area from 1998 to 2018 in Zhifanggou

圖4 坊塌流域1998—2018年單位面積土壤保持量Fig.4 Soil conservation per unit area from 1998 to 2018 in Fangta

2.3 產(chǎn)水量功能評(píng)估

通過圖5得知,紙坊溝流域1998—2018年單位面積產(chǎn)水量呈逐步增加的趨勢(shì),南部區(qū)域波動(dòng)不大,而北部地區(qū)變化較大；1998年單位面積產(chǎn)水量南北差異較大,南部區(qū)域產(chǎn)水量較高(43 mm/hm2),北部產(chǎn)水量較低(317 mm/hm2)；2008年單位面積產(chǎn)水量南北差異較大,最低值為33 mm/hm2,最高值為326 mm/hm2；2018年單位面積產(chǎn)水量變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出典型的南北小、中部大特點(diǎn),最低值為26 mm/hm2,最高值為356 mm/hm2。

通過圖6得知,坊塌流域1998年單位面積產(chǎn)水量空間分布差異較大,南部、北部區(qū)域較高,而中部較低；2008年呈現(xiàn)出北低南高的特點(diǎn),最低值為17 mm/hm2,最高值為298 mm/hm2；2018年由北部向南部區(qū)域的產(chǎn)水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì),最低值為23 mm/hm2,最高值為324 mm/hm2。

圖5 紙坊溝流域1998—2018年單位面積土壤產(chǎn)水量Fig.5 Soil water yield per unit area from 1998 to 2018 in Zhifanggou

圖6 坊塌流域1998—2018年單位面積土壤產(chǎn)水量Fig.6 Soil water yield per unit area from 1998 to 2018 in Fangta

2.4 碳儲(chǔ)量功能評(píng)估

紙坊溝流域單位面積碳儲(chǔ)量在不同年份存在較大的差異(圖7)。1998年單位面積碳儲(chǔ)量較高的是北部區(qū)域,而南部較低,最低值為1.59 t/hm2,最高值為13.26 t/hm2；2008年單位面積碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出典型的南北高、中部低的變化特點(diǎn),最低值為3.02 t/hm2,最高值為16.99 t/hm2；2018年碳儲(chǔ)量也呈現(xiàn)出典型的南北高、中部低的變化特點(diǎn),最低值為2.47 t/hm2,最高值為27.26 t/hm2。

從圖8可知,坊塌流域1998年單位面積碳儲(chǔ)量分布具有明顯的地域差異,南部及北部區(qū)域含量較高,而中部低,最低值為1.02 t/hm2,最高值為1.53 t/hm2；對(duì)于2008年,由北向南遞減的變化趨勢(shì)尤為突出,最低值為1.23 t/hm2,最高值為14.63 t/hm2,呈現(xiàn)較大的差異；而對(duì)于2018年,由北向南遞減,最低值為2.01 t/hm2,最高值為19.52 t/hm2。

圖7 紙坊溝流域1998—2018年單位面積碳儲(chǔ)量Fig.7 Soil carbon storage per unit area from 1998 to 2018 in Zhifanggou

圖8 坊塌流域1998—2018年碳儲(chǔ)量Fig.8 Soil carbon storage per unit area from 1998 to 2018 in Fangta

2.5 生境質(zhì)量評(píng)估

結(jié)合生境質(zhì)量的分布特點(diǎn),紙坊溝流域生境質(zhì)量呈逐漸上升趨勢(shì)(圖9)；1998年生境質(zhì)量指數(shù)較高的是中部區(qū)域,最低值為0.06,最高值為0.81；2008年,由北向南遞減趨勢(shì),最低值為0.05,最高值為0.92；2018年呈兩端高、中部較低的特點(diǎn)。坊塌流域1998年生境指數(shù)變化并不大(圖10),最低值為0.09,最高值為0.77；對(duì)于2008和2018年,生境指數(shù)最低值分別為0.16、0.15,最高值分別為0.79、0.87,呈現(xiàn)出較為均勻的分布特點(diǎn)。

圖9 紙坊溝流域1998—2018年生境質(zhì)量Fig.9 Habitat quality from 1998 to 2018 in Zhifanggou

2.6 不同土地利用方式間權(quán)衡與協(xié)同特征

由圖11可知,紙坊溝流域林地、草地、梯田和灌叢,土壤保持量和碳儲(chǔ)量以協(xié)同關(guān)系為主,協(xié)同關(guān)系比例超過了50%；道路、建筑用地、耕地和裸地,空間方面的權(quán)衡關(guān)系比例超過了50%。對(duì)于裸地和道路,產(chǎn)水量與土壤保持呈權(quán)衡關(guān)系,在空間方面的權(quán)衡關(guān)系比例超過了50%。

由圖12可知,坊塌流域林地、草地、梯田和灌叢,土壤保持和碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系；所有土地利用類型下產(chǎn)水量和土壤保持表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系；對(duì)于建筑用地和道路,土壤保持和生境質(zhì)量以權(quán)衡關(guān)系為主,其他土地利用類型更多的呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系。對(duì)于建筑用地和道路,碳儲(chǔ)量、產(chǎn)水量呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。

2.7 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化

使用Python語言繪制產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量、土壤保持之間的生產(chǎn)可能性邊界(PPF)曲線,然后從定量角度研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系。由圖13可知,紙坊溝流域土壤保持量與碳儲(chǔ)量之間協(xié)同關(guān)系明顯,從點(diǎn)a到b和c到d,土壤保持增加量分別為43.49 t/hm2和37.53 t/hm2,碳儲(chǔ)量分別增加了2.97 t/hm2和3.16 t/hm2。產(chǎn)水量與碳儲(chǔ)量、土壤保持量的PPF曲線均是“凹”趨勢(shì)(協(xié)同關(guān)系)。也即：隨著產(chǎn)水量的增加,碳儲(chǔ)量、土壤保持量增加的更明顯。而生境質(zhì)量與產(chǎn)水量、土壤保持量、碳儲(chǔ)量的PPF曲線均是“凸”趨勢(shì)(權(quán)衡關(guān)系),也即：隨著生境質(zhì)量逐漸提升,產(chǎn)水量、土壤保持量、碳儲(chǔ)量逐漸減小。

由圖14可知,坊塌流域土壤保持量和碳儲(chǔ)量協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)明顯,從點(diǎn)a到b和c到d,土壤保持增加量分別為44.53 t/hm2和60.59 t/hm2,碳儲(chǔ)量分別增加了2.72 t/hm2和5.40 t/hm2,這說明碳儲(chǔ)量累計(jì)越多,對(duì)土壤保持越有利。同樣地,產(chǎn)水量與碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量與土壤保持量、生境質(zhì)量與產(chǎn)水量之間的PPF曲線表現(xiàn)為向內(nèi)“凹”的趨勢(shì),也即隨著碳儲(chǔ)量的增加,產(chǎn)水量和土壤保持量呈同增同減的協(xié)同關(guān)系。然而,產(chǎn)水量與土壤保持量、生境質(zhì)量與碳儲(chǔ)量之間的PPF曲線均是“凸”趨勢(shì)(權(quán)衡關(guān)系),也即隨著碳儲(chǔ)量累積的增加,生境質(zhì)量逐漸減??；隨著土壤保持量逐漸累積,產(chǎn)水量也逐漸減小。

圖11 紙坊溝流域不同土地利用權(quán)衡協(xié)同統(tǒng)計(jì)Fig.11 Tradeoff and synergy of different land use types in Zhifanggou

圖12 坊塌流域不同土地利用權(quán)衡協(xié)同統(tǒng)計(jì)Fig.12 Tradeoff and synergy of different land use types in Fangta

圖13 紙坊溝流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)帕累托效率曲線Fig.13 Pareto efficiency curve of ecosystem services in Zhifanggou圖中從點(diǎn)a到點(diǎn)b的變化量表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的機(jī)會(huì)成本,從點(diǎn)c到點(diǎn)d的變化量表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)所需要付出的計(jì)劃成本

圖14 坊塌流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)帕累托效率曲線Fig.14 Pareto efficiency curve of ecosystem services in Fangta

3 討論

近些年,隨著“兩山”、“雙碳”、“美麗中國”和“黃河高質(zhì)量發(fā)展”等重大戰(zhàn)略的提出,我國對(duì)黃土高原生態(tài)環(huán)境的重視程度越來越高,與之相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受到了更多的關(guān)注[43—46]。本文通過InVEST模型,對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)1998—2018年紙坊溝和坊塌流域的產(chǎn)水、固碳、水土保持和生境質(zhì)量4種服務(wù)進(jìn)行分析,探究植被恢復(fù)過程中各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同效應(yīng)和權(quán)衡關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),紙坊溝與坊塌流域NPP在1998—2018年間逐漸增加,其中前十年增加微弱,后十年增加急劇,這一結(jié)果與前人對(duì)黃土高原NPP時(shí)間變化的結(jié)果一致[47—48],表明退耕還林后,土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,植被覆蓋度明顯提高,NPP也隨之增加；其次,植被生長具有一定的周期性,耕地面積的減小并不能瞬時(shí)帶來NPP的增加,因此NPP的增加與植被恢復(fù)過程也具有一定的滯后性,其中前十年為植被緩慢恢復(fù)期,后十年為植被顯著恢復(fù)期。

降水與蒸發(fā)是決定產(chǎn)水量的兩個(gè)主要因子,氣象數(shù)據(jù)表明,自1998年以后黃土高原地區(qū)氣溫波動(dòng)上升使得蒸發(fā)量增強(qiáng),且1998—2018年降水量增加顯著,兩者的增加導(dǎo)致了產(chǎn)水量的增加[47],與本研究的結(jié)果相一致。此外,碳儲(chǔ)量、土壤保持量、生境質(zhì)量1998—2018年均逐漸增加,增加幅度有所不同,主要是由于隨著退耕還林還草工程的實(shí)施,土壤養(yǎng)分和質(zhì)量得到了明顯的提升；對(duì)于1998—2008年,作為退耕的第一階段,大量耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸?植被得到逐步恢復(fù),而后十年是植被的快速恢復(fù)期[49],林地和草地面積明顯增加,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)得到了大幅提升,尤其是在碳儲(chǔ)量和土壤保持功能方面。此外,產(chǎn)水量和生境質(zhì)量的提高促進(jìn)了多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升[49]。對(duì)于2008—2018年,作為退耕的后十年,耕地面積的下降幅度有所減緩,相應(yīng)地,林地和草地的增加速度減慢,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升速度減緩,尤其是碳儲(chǔ)量與土壤保持,這與前十年相比出現(xiàn)較大差異；通過生境質(zhì)量分析得知,隨著退耕還林工程的不斷實(shí)施,生境質(zhì)量得以提升。從空間上看,紙坊溝流域產(chǎn)水、碳儲(chǔ)量、土壤保持、生境質(zhì)量呈現(xiàn)出南北高、中部低,而坊塌流域各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)由北向南遞減,主要是由于紙坊溝流域南北部和坊塌流域的南部森林、灌木分布廣泛,植被覆蓋度高,大量的枯枝落葉對(duì)水分起到了攔截左右,這樣可以促進(jìn)水源涵養(yǎng)的提高；與此同時(shí),龐大的植物根系不斷傳輸水分給土壤,使土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固[50]；本研究還發(fā)現(xiàn)：森林、灌叢和草地碳儲(chǔ)量較大,主要是由于植被的光合作用固碳、以及根系固碳使得生態(tài)系統(tǒng)碳匯增加,伴隨著土壤碳儲(chǔ)量的增加,土壤肥和水分均得以提升,進(jìn)而減少了土壤侵蝕和增加了土壤保持量[51]。與此同時(shí),這些區(qū)域大部分屬于保護(hù)區(qū),受到人類的管控,生態(tài)系統(tǒng)類型多樣化,生境質(zhì)量和多樣性都維持在較高水平。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系可知,對(duì)于紙坊溝流域,不同年份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在較大差異,其中2008和2018年呈現(xiàn)出明顯的權(quán)衡關(guān)系,而在1998年表現(xiàn)出協(xié)同關(guān)系。對(duì)于坊塌流域,1998和2018年呈現(xiàn)出權(quán)衡關(guān)系,而2008年表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。低協(xié)同是一種比較穩(wěn)定的狀態(tài),對(duì)于每一種服務(wù)而言,獨(dú)立或者綜合作用結(jié)果都較差,1998年紙坊溝流域基本表現(xiàn)出低的協(xié)同關(guān)系,主要是由于其脆弱的生態(tài)環(huán)境與人類的活動(dòng)對(duì)環(huán)境的破壞作用導(dǎo)致。高協(xié)同關(guān)系一般各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較好,各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合表現(xiàn)為互利協(xié)同模式[50—51],比如2018年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以高協(xié)同為主。相對(duì)比而言,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系較弱的區(qū)域,主要是由于部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較高導(dǎo)致其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較低,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)波動(dòng)較大,彼此之間存在激烈競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)[52—53]。無論是1998年的坊塌流域,還是2008年紙坊溝流域,高權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域分布較為廣泛,高權(quán)衡關(guān)系主要是因?yàn)榈匦纹鸱欢?林分質(zhì)量較差以及人類活動(dòng)的干擾,使得各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈明顯的權(quán)衡關(guān)系[38—39]。針對(duì)這些區(qū)域,需加強(qiáng)對(duì)林分的管理以提升其固碳量、土壤保持量和生境質(zhì)量,以緩解較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系；此外,還可以結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,適當(dāng)?shù)母淖兇址诺霓r(nóng)業(yè)管理模式,用以提升森林資源的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

紙坊溝、坊塌流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系存在明顯的空間差異性。協(xié)同區(qū)域面積比例雖大,但其中又混合著權(quán)衡區(qū)域,權(quán)衡和協(xié)同區(qū)域呈絮狀交錯(cuò)分布[54]。胡秀芳等[55]對(duì)黑河流域的研究表明：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系南北區(qū)域性差異很大,但仍然有30%的區(qū)域沒有權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系。張靜靜等[39]研究了伏牛山森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高權(quán)衡關(guān)系的森林面積約占61%,高協(xié)同關(guān)系的森林面積約占29%。在荒漠草原,碳儲(chǔ)量與土壤保持呈協(xié)同關(guān)系,而碳儲(chǔ)量與水源涵養(yǎng)的協(xié)同關(guān)系均不明顯[52]。在青藏高原,氣候調(diào)節(jié)與碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,而產(chǎn)水量與碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系[56]。這些研究與本研究不相一致,可能不同地區(qū)的地形類型、氣候類型和人類活動(dòng)等影響不盡一致[57-58]。此外,本研究處于黃土丘陵溝壑區(qū),受復(fù)雜的植被、地形地貌及氣候條件的影響,紙坊溝和坊塌流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系呈明顯的空間差異分布。由此,在退耕還林還草工程實(shí)施過程中,要充分結(jié)合不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)開展針對(duì)性的保護(hù),在協(xié)同或權(quán)衡效應(yīng)的基礎(chǔ)上,提出針對(duì)性保護(hù)措施,并維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定性發(fā)展。

本項(xiàng)研究從靜態(tài)的時(shí)間點(diǎn)上探討了1998年、2008年和2018年黃土丘陵溝壑區(qū)典型流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,具有明顯的區(qū)域分異和時(shí)空分異特征,然而,全面理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡和協(xié)同區(qū)域和時(shí)空尺度仍是一大難題[59]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的,未來更應(yīng)加強(qiáng)權(quán)衡與協(xié)同的連續(xù)性和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變特征研究。另外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系中蘊(yùn)含了許多生物過程、物理機(jī)理以及化學(xué)機(jī)制,如果缺乏對(duì)生物、物理、化學(xué)過程的深入剖析,這將會(huì)影響對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制的認(rèn)知。因此,在研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系時(shí),應(yīng)更多的涉及生物、物理、化學(xué)過程的解釋,以提升生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定,促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)隨著植被的恢復(fù),坊塌和紙坊溝NPP和各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)均得到了大幅的提升,其中1998—2008年增幅較大(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)顯著提高),而2008—2018年增幅較小(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提高)。

(2)在植被恢復(fù)20年(1998—2018),坊塌和紙坊溝流域受自然因素及人為因素的制約,各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,局部區(qū)域表現(xiàn)出權(quán)衡關(guān)系；這主要是由于植被恢復(fù)造成了各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加,然而在時(shí)間和空間上增幅不同,從而表現(xiàn)出以協(xié)同關(guān)系為主的分布模式；因此,在退耕還林的生態(tài)環(huán)境保護(hù)過程中,需要基于各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,因地制宜的劃分和制定保護(hù)策略。