基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流域分區(qū)規(guī)劃與管理
——以于橋水庫(kù)流域?yàn)槔?/h1>
2023-10-21 06:28:26張海洋楊琰瑛劉凱周濱蘇德岳馬成師榮光
張海洋，楊琰瑛，劉凱，周濱，蘇德岳，馬成，師榮光
（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；4.天津市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，天津 300191；5.天津市于橋水庫(kù)管理中心，天津 300074）
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從自然生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種物質(zhì)或精神上的惠益[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的提高和人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，流域生態(tài)系統(tǒng)受到的影響越來(lái)越大，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化[3]。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)與管理，將有助于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布，能夠明確流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布特點(diǎn)，優(yōu)化空間布局，常用的評(píng)價(jià)方法有當(dāng)量因子法[6]、能值轉(zhuǎn)化法[7]和生態(tài)模型法[8]等。其中，生態(tài)模型法隨著近些年3S 技術(shù)的發(fā)展而得到了廣泛的應(yīng)用。生態(tài)模型能夠定量評(píng)估流域生態(tài)功能時(shí)空分布特征，分析多種類型因素變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響機(jī)制，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演變進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)[9-10]，突破傳統(tǒng)價(jià)值評(píng)估方法無(wú)法表征生態(tài)功能空間分布情況的局限性[11]。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多樣性和空間分布的差異性，加之人類活動(dòng)的影響，很容易造成區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定、不平衡，因此有必要進(jìn)行合理的空間規(guī)劃，以提高資源利用率，支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)[12]。1976 年，美國(guó)生態(tài)學(xué)家Bailey[13]首次提出了基于生態(tài)系統(tǒng)角度的區(qū)劃，此后，關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域劃分的研究逐漸增多[14]。我國(guó)在20 世紀(jì)末才開(kāi)始對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)研究給予重視[15]。生態(tài)系統(tǒng)中往往存在著多種服務(wù)之間的權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系[16]，一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致另一種服務(wù)的增強(qiáng)或減弱[17]。如糧食產(chǎn)量與水質(zhì)凈化間會(huì)存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系，因?yàn)榧Z食生產(chǎn)過(guò)程中肥料使用量的增加會(huì)導(dǎo)致土壤中更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨地表徑流進(jìn)入水體[18]；林地面積的增加則會(huì)提升流域的固碳量，但同時(shí)也會(huì)減少?gòu)搅鞯漠a(chǎn)生，即產(chǎn)水量下降[19]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇能夠識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)中不同分區(qū)的主導(dǎo)服務(wù)，它是指一系列在時(shí)間和空間上不斷重復(fù)出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[20]，可以為管理不同類別的區(qū)域提供足夠的權(quán)衡信息。目前多采用K-means 聚類分析法[21]、自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)法（SOFM）[22]、主成分分析法（PCA）[23]和空間自相關(guān)分析法[24]等識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，以便對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū)。學(xué)者們?cè)诖罅康纳钊胙芯肯?，取得了豐富成果[25-27]，Gong 等[28]利用K-means 聚類方法將甘肅白龍江流域劃分為5 個(gè)生態(tài)功能分區(qū)；閆曉露等[29]使用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將大連市劃分為4 類服務(wù)簇；Lin 等[30]借助K-means 聚類分析對(duì)西南三江流域進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的識(shí)別；李慧蕾等[31]使用自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行了生態(tài)功能區(qū)劃分；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系與服務(wù)簇識(shí)別存在尺度效應(yīng)[21]，然而由于小尺度上數(shù)據(jù)獲取難度較大，當(dāng)下所研究的多為行政區(qū)域和大流域尺度[32-35]，小流域尺度的劃分研究較為有限。因此本研究嘗試在小流域尺度上對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布及權(quán)衡/協(xié)同特征進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)流域的生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行劃分，進(jìn)而加強(qiáng)流域的生態(tài)管理。
于橋水庫(kù)是引灤入津工程中重要的調(diào)蓄水庫(kù)，是國(guó)家級(jí)重要飲用水水源地，也是南水北調(diào)前天津市唯一的飲用水源地，其生態(tài)環(huán)境狀況備受關(guān)注。有研究顯示，流域內(nèi)存在著較為嚴(yán)重的面源污染問(wèn)題，對(duì)水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響，并且農(nóng)業(yè)發(fā)展與水質(zhì)保護(hù)關(guān)系極不平衡[36-37]。近些年，對(duì)該流域的研究多為水質(zhì)[38-39]和景觀格局[40-41]等角度的分析，尚缺少對(duì)整體流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能角度的分區(qū)管理探究。
鑒于此，本研究以于橋水庫(kù)流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用InVEST模型對(duì)整個(gè)流域的糧食產(chǎn)量、氮輸出、磷輸出、固碳量、產(chǎn)水量和土壤保持6 項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估，分析各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布差異，以此為基礎(chǔ)探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，并利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃分，以期為流域規(guī)劃和管理提供決策依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
于橋水庫(kù)流域（39°56'～40°23'N，117°26'～118°12'E）位于天津市北部與河北省交界處，流域總面積約2 060 km2，包括淋河、沙河和黎河3條主要河流，是京津冀的重要生態(tài)屏障（圖1）。其流域面積位于河北省的面積約占78%，涉及唐山市遵化市、玉田縣和遷西縣，承德市興隆縣和天津市薊州區(qū)。流域地形自西北向東南傾斜，西北和北部為山地地區(qū)，中部為平原區(qū)，南部和東南地區(qū)為低山丘陵區(qū)。土地利用類型以耕地、林地為主。農(nóng)業(yè)是該流域主要的支柱產(chǎn)業(yè)，但流域整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高，是典型的農(nóng)業(yè)流域。氣候類型為溫帶大陸季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫10～13 ℃，年平均降雨655.5 mm。土壤類型主要為褐土，植被類型多種多樣，其中灌木林分布最多。
圖1 研究區(qū)地理位置及土地利用圖Figure 1 Geographical location and land use of the study area
2 材料與方法
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
本研究采用2020 年土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，精度為30 m×30 m，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）的中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)來(lái)源于Quick Bird衛(wèi)星，精度為37.5 m×37.5 m。土壤最大根系深度數(shù)據(jù)和土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球科學(xué)數(shù)據(jù)中心-土壤分中心的二普土種剖面數(shù)據(jù)[42]。土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）。
2.2 研究方法
2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估
本研究利用于橋水庫(kù)流域數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)，借助GIS Hydrology 功能提取得到流域邊界和79個(gè)子流域，并根據(jù)以往的研究，將河網(wǎng)流量閾值調(diào)整為10 000，為避免模型運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)編輯器功能，結(jié)合河網(wǎng)分布情況，最終將子流域合并為26 個(gè)。本研究利用InVEST模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，基于2020 年土地利用數(shù)據(jù)，劃分出26 個(gè)子流域，并選取Water yield、Sediment delivery ratio（SDR）、Nutrient delivery ratio（NDR）、Crop production（percentile）和Carbon 5 個(gè)模塊，分別對(duì)于橋水庫(kù)流域內(nèi)產(chǎn)水量、土壤保持、氮輸出、磷輸出、糧食產(chǎn)量和固碳量6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行模擬。
（1）產(chǎn)水量
Water yield 模塊是一個(gè)簡(jiǎn)化的水循環(huán)模型，基礎(chǔ)公式為：
式中：Yxj為第j類土地利用類型柵格x的產(chǎn)水量，mm；AETxj為第j類土地利用類型柵格x的每年實(shí)際水分蒸發(fā)量，mm；Pxj為第j類土地利用類型柵格x的年降雨量，mm。
（2）水土保持
SDR 模塊的原理是模擬陸地表面沉積物的產(chǎn)生以及沉積物向河流的運(yùn)移，對(duì)傳統(tǒng)通用土壤流失方程進(jìn)行修正后，公式[43]為：
式中：Rx為降雨侵蝕力因子；Kx為土壤可侵蝕性因子；LSx為坡度坡長(zhǎng)因子；Cx為覆被管理因子；Px為措施因子。Cx和Px參考以往研究[44-47]進(jìn)行整理。
（3）水質(zhì)凈化
NDR 模塊用于估算一定區(qū)域內(nèi)氮、磷的輸出量，原理為分別計(jì)算研究區(qū)地上部分和地下部分氮和磷的輸出量，兩部分之和即為氮、磷的輸出總量。氮、磷的輸出量越大，水質(zhì)凈化功能就越弱。
地上部分養(yǎng)分運(yùn)移率計(jì)算公式為：
式中：NDR0,i是i柵格中未被下游柵格所截留的養(yǎng)分比例；ICi是柵格i的地形指數(shù)；IC0和k為標(biāo)定參數(shù)。
地下部分養(yǎng)分運(yùn)移率計(jì)算公式：
其中：effsubs是地下所能達(dá)到的最大養(yǎng)分?jǐn)r截效率；lsubs是地下徑流的截留長(zhǎng)度，m；li是柵格i到徑流的距離，m。
最終的養(yǎng)分運(yùn)移總量為地上運(yùn)移量和地下運(yùn)移量之和。其中，柵格i處的養(yǎng)分運(yùn)移量為：
式中：Loadsurf，i是地上部分養(yǎng)分負(fù)荷量；Loadsubs，i是地下部分養(yǎng)分負(fù)荷量；NDRsurf，i是地上部分養(yǎng)分運(yùn)移率；NDRsubs，i是地下部分養(yǎng)分運(yùn)移率。
（4）糧食產(chǎn)量
Crop Production（percentile）模塊根據(jù)現(xiàn)有的土地利用數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的175種作物在2000年觀測(cè)的產(chǎn)量，以氣候作為驅(qū)動(dòng)去估算作物產(chǎn)量，并計(jì)算集約化分別提升25%、50%、75%和95%情況下的作物產(chǎn)量。Crop Production（percentile）模塊工作原理為在數(shù)據(jù)庫(kù)中裁剪出研究區(qū)的氣候地圖，通過(guò)已裁剪出的氣候地圖進(jìn)行重分類，計(jì)算研究區(qū)集約化提升水平下的產(chǎn)量，并將研究區(qū)非耕地部分的作物產(chǎn)量值賦為0。
前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，于橋水庫(kù)流域以玉米為主要糧食作物，因此用玉米產(chǎn)量表征流域糧食產(chǎn)量。通過(guò)與統(tǒng)計(jì)年鑒中流域內(nèi)實(shí)際玉米產(chǎn)量進(jìn)行比較，選擇集約化提升25%水平下的玉米產(chǎn)量作為模擬結(jié)果。
（5）固碳
Carbon 模塊基于規(guī)則單元的柵格土地利用圖運(yùn)行，每個(gè)單元分配了一種土地利用類型。模塊需要每個(gè)土地利用類型的四種基本碳庫(kù)（地上部分碳儲(chǔ)量、地下部分碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量和死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量），四個(gè)碳庫(kù)之和即為總碳儲(chǔ)量，公式[48]為：
式中：Ctotal為總碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Cabove為地上部分碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Cbelow為地下部分碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Csoil為土壤碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Cdead為死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量，t·hm-2。
由于死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量在碳庫(kù)中占比較小，故本研究不予考慮，統(tǒng)一設(shè)置為0。其他三大碳庫(kù)參考以往研究[49-52]進(jìn)行設(shè)置。
2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系
本研究以子流域?yàn)榉治鰡卧?，基于流域?6 個(gè)子流域的6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積服務(wù)量進(jìn)行相關(guān)性分析，利用SPSS 軟件中的Spearman 相關(guān)系數(shù)法來(lái)衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[53]。當(dāng)相關(guān)系數(shù)r＜0 時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間為權(quán)衡關(guān)系；反之則為協(xié)同關(guān)系。
2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)
利用主成分分析和K-means 聚類分析法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)的劃分。本研究中的主成分分析以26 個(gè)子流域的6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。主成分分析可以去除變量中的冗余信息[54]，判斷各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存關(guān)系，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的重復(fù)供給情況進(jìn)行排除，使得聚類的穩(wěn)健性提高[55]。K-means 聚類分析法能夠識(shí)別具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的組合。
3 結(jié)果與分析
3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局
于橋水庫(kù)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布具有明顯差異（圖2）。產(chǎn)水量服務(wù)整體呈現(xiàn)北高南低的分布格局，總產(chǎn)水量為2.28×108m3，平均產(chǎn)水深度111.55 mm。高值區(qū)主要分布在河北省遵化市城區(qū)和流域北部的連片山區(qū)以及水庫(kù)西北部局部地區(qū)。三條主要河流中沙河和黎河上游產(chǎn)水量較大，產(chǎn)水深度在300～400 mm之間，淋河上游的產(chǎn)水量較小，產(chǎn)水深度低于50 mm。1～3 號(hào)、8 號(hào)子流域產(chǎn)水量較高，7 號(hào)、20 號(hào)和25 號(hào)子流域產(chǎn)水量較低（表1）。土壤保持服務(wù)表現(xiàn)出西北高、東南低的分布趨勢(shì)，土壤保持量較高的區(qū)域集中在西北部山區(qū)，即天津市薊州區(qū)山區(qū)和河北省興隆縣山區(qū)，整個(gè)流域的土壤保持量為1.75×107t。高值區(qū)主要包括1 號(hào)、8 號(hào)、11 號(hào)子流域，低值區(qū)包括17號(hào)、20號(hào)、26號(hào)子流域。流域氮輸出總量為1 978.16 t，輸出量在流域中部和南部平原地區(qū)較高，并且在高值區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)由東北部平原地區(qū)向西南部水庫(kù)區(qū)逐漸減少的趨勢(shì)。流域四周的環(huán)中部平原山區(qū)、丘陵地帶和水庫(kù)庫(kù)區(qū)氮輸出較低。氮輸出最高的是3號(hào)子流域，輸出最低的為20號(hào)子流域。流域磷輸出總量為30.03 t，其空間分布與氮輸出極為相似，高值區(qū)亦為流域中部及南部平原區(qū)，說(shuō)明中部和南部平原區(qū)水質(zhì)凈化服務(wù)較差，需重點(diǎn)關(guān)注。流域周邊的山地丘陵區(qū)與水庫(kù)庫(kù)區(qū)為低值區(qū)，磷輸出最高的是3 號(hào)子流域，最低的為20 號(hào)子流域。糧食產(chǎn)量服務(wù)的空間分布與氮磷輸出服務(wù)相似，高值區(qū)分布在流域中部和南部平原區(qū)，兩種服務(wù)均與耕地存在密切關(guān)系，而流域中部和南部主要土地利用類型即為耕地。于橋水庫(kù)流域糧食（玉米）產(chǎn)量為2.38×105t。產(chǎn)量較高的為10 號(hào)、22 號(hào)子流域，較低的為20 號(hào)、26 號(hào)子流域。固碳服務(wù)整體呈現(xiàn)西北高、東南低的分布趨勢(shì)，總固碳量達(dá)1.80×107t，西北部的固碳強(qiáng)度最高，其次為北部，流域中東部以及水庫(kù)庫(kù)區(qū)為低值區(qū)。固碳服務(wù)的高值區(qū)與土壤保持服務(wù)的高值區(qū)有較高重合，基本分布在流域中的山區(qū)，而流域中山區(qū)土地利用類型多為林地，因此固碳能力與土壤保持能力較強(qiáng)。固碳量較高的為8 號(hào)、11 號(hào)子流域，較低的為20 號(hào)、26 號(hào)子流域。
表1 于橋水庫(kù)流域子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量Table 1 Ecosystem services in sub-watersheds of Yuqiao Reservoir watershed
圖2 于橋水庫(kù)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布Figure 2 Spatial distribution of ecosystem services in Yuqiao Reservoir watershed
3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系
相關(guān)性分析（表2）顯示，氮輸出與磷輸出之間相關(guān)系數(shù)為0.869（P＜0.01），呈顯著正相關(guān)，互為協(xié)同關(guān)系；氮輸出與土壤保持相關(guān)系數(shù)為-0.497（P＜0.01），呈顯著負(fù)相關(guān)，磷輸出與土壤保持并未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，但存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，可以說(shuō)明水質(zhì)凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)互為協(xié)同關(guān)系；糧食產(chǎn)量與氮輸出和磷輸出的相關(guān)系數(shù)分別為0.963（P＜0.01）和0.795（P＜0.01），皆呈顯著正相關(guān)，表明糧食產(chǎn)量服務(wù)與水質(zhì)凈化服務(wù)間存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系；土壤保持與糧食產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)為-0.490（P＜0.05），表明土壤保持服務(wù)與糧食供給服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系；土壤保持與固碳量相關(guān)系數(shù)為0.839（P＜0.01），呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤保持服務(wù)與固碳服務(wù)為協(xié)同關(guān)系。
表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系Table 2 Trade-offs and synergies among ecosystem services
3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)
主成分分析篩選出兩個(gè)主成分因子（表3），主成分1 解釋了60.42%的方差變異，糧食產(chǎn)量、產(chǎn)水量、氮輸出和磷輸出具有較高的正荷載，由于氮、磷輸出與糧食產(chǎn)量及產(chǎn)水量間均呈正相關(guān)關(guān)系（表2），因此主成分1 反映出水質(zhì)凈化服務(wù)與產(chǎn)水量及糧食產(chǎn)量服務(wù)間是權(quán)衡關(guān)系，但氮和磷是以輸出量來(lái)表征服務(wù)的功能，所以指標(biāo)間關(guān)系為協(xié)同關(guān)系，能夠在同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存；主成分2 解釋了26.25%的方差變異，土壤保持服務(wù)與固碳服務(wù)具有較高的載荷，所以主成分2 反映的是二者間的協(xié)同關(guān)系，且二者呈正相關(guān)關(guān)系，因此能夠在同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存。
表3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)因子載荷Table 3 Factors loading of ecosystem services
通過(guò)K-means 聚類分析法對(duì)于橋水庫(kù)流域進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集劃分，并根據(jù)R語(yǔ)言中的聚類方差解釋度（TWSS）[56]以及流域內(nèi)的生態(tài)特征，結(jié)合不同服務(wù)集內(nèi)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異性，最終劃分為水源保護(hù)區(qū)、森林生態(tài)區(qū)、糧食生產(chǎn)區(qū)和綜合發(fā)展區(qū)4個(gè)分區(qū)，并用玫瑰圖表示不同分區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系（圖3）。
圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇特征Figure 3 Ecosystem services function zones and their ecosystem services bundles
3.3.1 水源保護(hù)區(qū)
水源保護(hù)區(qū)是以于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)（26 號(hào)子流域）為核心區(qū)域，由周邊的15 號(hào)、17 號(hào)、20 號(hào)、21 號(hào)、24 號(hào)和25號(hào)子流域組成（圖3），總面積382.85 km2，占流域面積的18.70%。整個(gè)區(qū)域位于流域下游地區(qū)，行政區(qū)劃上大部分位于天津市薊州區(qū)內(nèi)。區(qū)域內(nèi)總體上以產(chǎn)水服務(wù)和糧食供給服務(wù)為主，其他服務(wù)水平均較低。氮輸出高于磷輸出，說(shuō)明在該分區(qū)內(nèi)氮元素對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響大于磷元素。該分區(qū)內(nèi)土地利用類型以水域和耕地為主，耕地提升了糧食產(chǎn)量服務(wù)，并且薊州區(qū)部分城區(qū)和上游零散的農(nóng)村居民點(diǎn)及不透水地面也促進(jìn)區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)水量增加。
3.3.2 森林生態(tài)區(qū)
森林生態(tài)區(qū)位于于橋水庫(kù)流域內(nèi)淋河上游的西北部山區(qū)，由8～11 號(hào)子流域組成（圖3），行政區(qū)劃上主要位于河北省興隆縣境內(nèi)，區(qū)域總面積600.04 km2，占流域面積的29.30%。該分區(qū)的土壤保持服務(wù)和固碳服務(wù)與其他分區(qū)相比均處于最高水平，氮和磷輸出量低，說(shuō)明水質(zhì)凈化服務(wù)較高。玫瑰圖顯示區(qū)域內(nèi)的土壤保持服務(wù)及固碳服務(wù)與氮輸出、磷輸出、糧食產(chǎn)量服務(wù)存在強(qiáng)烈的權(quán)衡關(guān)系（圖3），這可能與該分區(qū)大部分土地利用類型是林地有關(guān)，大面積的樹(shù)木能夠提高區(qū)域內(nèi)的土壤保持和固碳能力，同時(shí)對(duì)水的需求量較大，因此使得產(chǎn)水量服務(wù)處于較低水平。此外，該分區(qū)內(nèi)的氮、磷的輸出源很少，并且林地本身就擁有較高的水質(zhì)凈化能力，因此森林生態(tài)區(qū)內(nèi)水質(zhì)凈化服務(wù)極高。
3.3.3 糧食生產(chǎn)區(qū)
糧食生產(chǎn)區(qū)主要包括于橋水庫(kù)流域的中部和南部平原地區(qū)，共10個(gè)子流域，總面積457.11 km2，占流域總面積的22.32%，行政區(qū)劃上基本位于河北省遵化市境內(nèi)。該分區(qū)內(nèi)的各生態(tài)服務(wù)間關(guān)系與森林生態(tài)區(qū)內(nèi)恰好相反，產(chǎn)水量、氮輸出、糧食產(chǎn)量服務(wù)皆為4 個(gè)分區(qū)中的最高水平，土壤保持與固碳服務(wù)很低，糧食生產(chǎn)與固碳服務(wù)和土壤保持之間存在強(qiáng)烈的權(quán)衡關(guān)系。糧食生產(chǎn)區(qū)內(nèi)耕地為主要土地利用類型，因此成為于橋水庫(kù)流域的主要糧食供給區(qū)域。而許多農(nóng)村居民點(diǎn)零散分布在區(qū)域內(nèi)，形成了大面積不透水地面，增加了區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)水量，并且區(qū)域內(nèi)的主要農(nóng)產(chǎn)品作物為低耗水的玉米和板栗，使該區(qū)域的產(chǎn)水量服務(wù)非常高。大面積的耕地意味著該區(qū)域中會(huì)有大量的氮輸出和磷輸出，使該區(qū)域成為流域內(nèi)主要的氮和磷輸出區(qū)。
3.3.4 綜合發(fā)展區(qū)
綜合發(fā)展區(qū)主要包括流域北部和東部的1～5 號(hào)子流域，總面積為607.64 km2，占整個(gè)流域總面積的29.67%，為面積最大的分區(qū)，行政區(qū)劃上屬河北省遵化市和興隆縣。區(qū)域內(nèi)的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系比較均衡，但服務(wù)水平均較低，其中，磷輸出的強(qiáng)度大于氮輸出，與水源保護(hù)區(qū)相反，可能是由于該區(qū)域內(nèi)包含大量城鎮(zhèn)，居民生活使用的洗滌劑含有大量磷。綜合發(fā)展區(qū)中的土地利用類型較為全面，包括林地、草地、耕地和城鎮(zhèn)用地等，遵化市城區(qū)位于綜合發(fā)展區(qū)內(nèi)，城區(qū)北部的燕山余脈山區(qū)以灌木林為主，對(duì)水量消耗較大，因此區(qū)域內(nèi)整體產(chǎn)水量較低，同時(shí)山區(qū)的林地提供了一定的土壤保持和固碳服務(wù)。
4 討論
本研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)水量的高值區(qū)與城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民用地基本重合，可能因?yàn)槌擎?zhèn)與農(nóng)村用地的人類活動(dòng)程度高于其他土地利用類型，使得水分蒸散量較少。土壤保持量的高值區(qū)基本分布在流域西北部，此區(qū)域存在大面積林地，而林地對(duì)土壤流失有著攔截作用，因此土壤保持量較高；氮輸出與磷輸出的高值區(qū)與耕地的分布極為相似，這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入的大量化肥、農(nóng)藥有直接關(guān)系；糧食產(chǎn)量的高值區(qū)同樣為耕地所在地，而流域中南部耕地糧食產(chǎn)量更高的原因可能是此區(qū)域降雨量較高；固碳量的高低直接受植被覆蓋影響，而林地固碳作用的效果更好，因此高值區(qū)基本分布在林地。
在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系中，糧食產(chǎn)量服務(wù)與水質(zhì)凈化服務(wù)間存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系，糧食產(chǎn)量的提升往往依靠化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品的增加，導(dǎo)致了氮、磷輸出的增加，這與劉曉娜等[57]、Chen 等[58]的研究結(jié)果一致；水質(zhì)凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)間為協(xié)同關(guān)系，因?yàn)榈?、磷的輸出是以降雨沖刷和水土流失為基礎(chǔ)，若土壤保持量增加，則氮、磷輸出會(huì)隨之減少；土壤保持服務(wù)和糧食供給服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系，因?yàn)楦刂械姆?、種植與收獲過(guò)程都會(huì)導(dǎo)致土壤表層松動(dòng)，這與汪仕美等[21]、閆曉露等[29]的研究結(jié)果一致。
基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的功能區(qū)劃分，分析區(qū)域內(nèi)各服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，明確其中主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，因地制宜地實(shí)施生態(tài)保護(hù)規(guī)劃與管理措施，可為區(qū)域發(fā)展與生態(tài)建設(shè)提供決策支持。本研究針對(duì)于橋水庫(kù)流域內(nèi)的糧食產(chǎn)量、氮輸出、磷輸出、固碳量、產(chǎn)水量和土壤保持6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，使用Kmeans 聚類分析法劃分出4 類生態(tài)功能區(qū)，并提出發(fā)展管理建議。
水源保護(hù)區(qū)位于于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)，是水源保護(hù)關(guān)鍵的最后“一公里”。2000 年以來(lái)，為保護(hù)水庫(kù)水質(zhì)，政府對(duì)庫(kù)區(qū)實(shí)施了一系列生態(tài)保護(hù)措施，如對(duì)水庫(kù)周圍進(jìn)行環(huán)湖生態(tài)防護(hù)帶建設(shè)，入庫(kù)河段建設(shè)前置庫(kù)濕地[59]。有研究發(fā)現(xiàn)，2010—2020年間流域內(nèi)增加的林地基本都分布在于橋水庫(kù)河流入庫(kù)口處[60]，同時(shí)實(shí)施“南遷北管”措施，對(duì)水庫(kù)南岸農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行搬遷，嚴(yán)控北岸開(kāi)展對(duì)水質(zhì)有害的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)，這些生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施使得水庫(kù)水質(zhì)得到了很大改善。于橋水庫(kù)主要保護(hù)措施基本落實(shí)在水庫(kù)入水口和水庫(kù)南岸地區(qū)，針對(duì)水庫(kù)北岸的生態(tài)保護(hù)措施略顯不足，建議將今后的管理重心放在水庫(kù)北岸的生態(tài)治理和區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染治理，具體措施包括在17 號(hào)子流域內(nèi)增設(shè)淋河入庫(kù)林草緩沖帶，在20號(hào)、24號(hào)和25 號(hào)子流域內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、休閑觀光農(nóng)業(yè)；對(duì)北岸臨近庫(kù)區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行異地搬遷，并做好生態(tài)補(bǔ)償工作。
森林生態(tài)區(qū)內(nèi)的森林對(duì)整個(gè)流域的土壤保持、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、氣候調(diào)節(jié)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此保護(hù)好流域內(nèi)的森林資源十分重要。建議基于天津市和河北省的生態(tài)紅線劃分區(qū)[61]，加強(qiáng)流域內(nèi)九龍山國(guó)家森林公園、上元古界國(guó)家自然保護(hù)區(qū)等自然公園的保護(hù)以及對(duì)龍門(mén)口水庫(kù)和上關(guān)湖風(fēng)景區(qū)的水質(zhì)保護(hù)工作。嚴(yán)格控制淋河上游工礦企業(yè)，適當(dāng)發(fā)展旅游、文化、康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)，但需要注意避免清東陵及其周邊地區(qū)的過(guò)度開(kāi)發(fā)，建立生態(tài)保護(hù)和文化旅游增收平衡體系[62]。
糧食生產(chǎn)區(qū)是于橋水庫(kù)流域中糧食生產(chǎn)、水量供給和氮、磷輸出的主要區(qū)域，這一區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主要矛盾是糧食生產(chǎn)和氮、磷輸出二者間的強(qiáng)烈權(quán)衡。因此，本區(qū)域的治理應(yīng)以保證糧食供給為基礎(chǔ)，同時(shí)盡量減少氮、磷輸出對(duì)下游水庫(kù)水質(zhì)的影響。具體措施可分為源頭防控和過(guò)程防控。在源頭防控方面，積極推廣規(guī)模集約化農(nóng)業(yè)[56]，提高水肥的施用效率，加強(qiáng)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶科學(xué)用肥、用藥的知識(shí)培訓(xùn)，盡量避免濫用化肥、農(nóng)藥，加大力度推廣測(cè)土配方施肥、有機(jī)肥、緩釋肥、生態(tài)溝渠、林草隔離帶等面源綜合控制措施；在過(guò)程防控方面，以治理水土流失為切入點(diǎn)，開(kāi)展重點(diǎn)湖泊河流的岸邊緩沖帶建設(shè)，如在沙河支流匯流地水平口濕地開(kāi)展植樹(shù)造林，在沙河和黎河的干流附近設(shè)置林地緩沖帶[63]。此外，加強(qiáng)該分區(qū)中部丘陵地區(qū)林草地的保護(hù)，防止其被轉(zhuǎn)化為其他用途。
綜合發(fā)展區(qū)是于橋水庫(kù)流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系較為均衡，因此，該區(qū)的管理方式應(yīng)是在保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，穩(wěn)定各服務(wù)間的均衡關(guān)系。具體的措施包括控制城市化進(jìn)程、避免城市化粗放式擴(kuò)張。有研究表明，雖然城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張會(huì)增加產(chǎn)水量服務(wù)，但隨之也會(huì)增加城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)[64]。該區(qū)域內(nèi)磷的輸出量較大，主要是居民生活洗滌造成的，建議推廣無(wú)磷洗劑，加強(qiáng)生活污水的收集和集中處理；此外，建議對(duì)沙河和黎河支流上的工礦企業(yè)進(jìn)行管控，盡量避免工礦業(yè)污染物進(jìn)入水體造成污染。
囿于數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究的糧食產(chǎn)量服務(wù)僅用玉米作物進(jìn)行表征，通過(guò)土地利用變化直觀反映糧食產(chǎn)量的變化，有一定的參考意義，但當(dāng)下的模型無(wú)法將技術(shù)進(jìn)步對(duì)糧食產(chǎn)量的影響納入考慮范疇，今后的研究應(yīng)考慮技術(shù)進(jìn)步對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，進(jìn)一步提升模型模擬的準(zhǔn)確性。此外，化肥減施增效、化肥零增長(zhǎng)行動(dòng)的實(shí)施，以及測(cè)土配方施肥等技術(shù)和管理手段提升所帶來(lái)的氮磷輸出的減少，也未在模型中進(jìn)行精確的模擬，因此下一步研究中，開(kāi)展中長(zhǎng)期的實(shí)地監(jiān)測(cè)，有利于更加精準(zhǔn)模擬流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。
5 結(jié)論
本研究以于橋水庫(kù)流域?yàn)槔?，采用InVEST 模型定量評(píng)估了流域2020 年6 項(xiàng)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布格局，利用相關(guān)分析法揭示了各項(xiàng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，最后通過(guò)主成分分析和K-means聚類分析將于橋水庫(kù)流域劃分為4 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)，提出因地制宜的管理措施建議。主要結(jié)論如下：
（1）于橋水庫(kù)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布具有明顯差異。產(chǎn)水量服務(wù)整體呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢(shì)，高值區(qū)主要分布在遵化市城區(qū)和流域北部的連片山區(qū)以及水庫(kù)西北部局部地區(qū)；土壤保持服務(wù)表現(xiàn)出西北高、東南低的分布格局，高值區(qū)集中在西北部山區(qū)；水質(zhì)凈化服務(wù)中，氮輸出與磷輸出空間分布高度重合，高值區(qū)皆為流域中部及南部平原區(qū)；糧食產(chǎn)量服務(wù)與氮輸出、磷輸出的空間分布重疊，高值區(qū)分布在流域中部和南部平原區(qū)；固碳服務(wù)整體呈現(xiàn)西北高、東南低的分布格局，西北部是燕山余脈，森林分布廣，固碳強(qiáng)度最高。
（2）各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性分析表明：氮輸出、磷輸出與糧食生產(chǎn)之間互為協(xié)同關(guān)系；土壤保持服務(wù)和固碳服務(wù)互為協(xié)同關(guān)系；糧食產(chǎn)量服務(wù)與土壤保持服務(wù)間存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系和主成分分析顯示，保護(hù)好流域水質(zhì)的關(guān)鍵在于處理好糧食生產(chǎn)和水質(zhì)凈化的權(quán)衡關(guān)系，而加強(qiáng)森林的保護(hù)可以協(xié)同增加固碳和土壤保持服務(wù)。
（3）依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的特征，將于橋水庫(kù)流域劃分為水源保護(hù)區(qū)、森林生態(tài)區(qū)、糧食生產(chǎn)區(qū)和綜合發(fā)展區(qū)4 個(gè)功能區(qū)。其中：水源保護(hù)區(qū)以產(chǎn)水服務(wù)和糧食產(chǎn)量為主，建議加強(qiáng)北岸的管控工作；森林生態(tài)區(qū)以土壤保持和固碳服務(wù)為主，建議加強(qiáng)森林的保護(hù)；糧食生產(chǎn)區(qū)以產(chǎn)水量、氮輸出、磷輸出及糧食產(chǎn)量服務(wù)為主，需要加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源的管控；綜合發(fā)展區(qū)需要控制城鎮(zhèn)化用地過(guò)度擴(kuò)張，加強(qiáng)生活源和工業(yè)源污染物的管控。
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農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)2023年5期
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——基于重慶市水稻種植戶的調(diào)研數(shù)據(jù)
張海洋，楊琰瑛，劉凱，周濱，蘇德岳，馬成，師榮光
（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全環(huán)境因子控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；4.天津市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，天津 300191；5.天津市于橋水庫(kù)管理中心，天津 300074）
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從自然生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種物質(zhì)或精神上的惠益[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的提高和人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，流域生態(tài)系統(tǒng)受到的影響越來(lái)越大，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化[3]。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)與管理，將有助于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布，能夠明確流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布特點(diǎn)，優(yōu)化空間布局，常用的評(píng)價(jià)方法有當(dāng)量因子法[6]、能值轉(zhuǎn)化法[7]和生態(tài)模型法[8]等。其中，生態(tài)模型法隨著近些年3S 技術(shù)的發(fā)展而得到了廣泛的應(yīng)用。生態(tài)模型能夠定量評(píng)估流域生態(tài)功能時(shí)空分布特征，分析多種類型因素變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響機(jī)制，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演變進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)[9-10]，突破傳統(tǒng)價(jià)值評(píng)估方法無(wú)法表征生態(tài)功能空間分布情況的局限性[11]。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多樣性和空間分布的差異性，加之人類活動(dòng)的影響，很容易造成區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定、不平衡，因此有必要進(jìn)行合理的空間規(guī)劃，以提高資源利用率，支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)[12]。1976 年，美國(guó)生態(tài)學(xué)家Bailey[13]首次提出了基于生態(tài)系統(tǒng)角度的區(qū)劃，此后，關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域劃分的研究逐漸增多[14]。我國(guó)在20 世紀(jì)末才開(kāi)始對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)研究給予重視[15]。生態(tài)系統(tǒng)中往往存在著多種服務(wù)之間的權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系[16]，一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致另一種服務(wù)的增強(qiáng)或減弱[17]。如糧食產(chǎn)量與水質(zhì)凈化間會(huì)存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系，因?yàn)榧Z食生產(chǎn)過(guò)程中肥料使用量的增加會(huì)導(dǎo)致土壤中更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨地表徑流進(jìn)入水體[18]；林地面積的增加則會(huì)提升流域的固碳量，但同時(shí)也會(huì)減少?gòu)搅鞯漠a(chǎn)生，即產(chǎn)水量下降[19]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇能夠識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)中不同分區(qū)的主導(dǎo)服務(wù)，它是指一系列在時(shí)間和空間上不斷重復(fù)出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[20]，可以為管理不同類別的區(qū)域提供足夠的權(quán)衡信息。目前多采用K-means 聚類分析法[21]、自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)法（SOFM）[22]、主成分分析法（PCA）[23]和空間自相關(guān)分析法[24]等識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，以便對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū)。學(xué)者們?cè)诖罅康纳钊胙芯肯?，取得了豐富成果[25-27]，Gong 等[28]利用K-means 聚類方法將甘肅白龍江流域劃分為5 個(gè)生態(tài)功能分區(qū)；閆曉露等[29]使用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將大連市劃分為4 類服務(wù)簇；Lin 等[30]借助K-means 聚類分析對(duì)西南三江流域進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的識(shí)別；李慧蕾等[31]使用自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行了生態(tài)功能區(qū)劃分；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系與服務(wù)簇識(shí)別存在尺度效應(yīng)[21]，然而由于小尺度上數(shù)據(jù)獲取難度較大，當(dāng)下所研究的多為行政區(qū)域和大流域尺度[32-35]，小流域尺度的劃分研究較為有限。因此本研究嘗試在小流域尺度上對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布及權(quán)衡/協(xié)同特征進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)流域的生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行劃分，進(jìn)而加強(qiáng)流域的生態(tài)管理。
于橋水庫(kù)是引灤入津工程中重要的調(diào)蓄水庫(kù)，是國(guó)家級(jí)重要飲用水水源地，也是南水北調(diào)前天津市唯一的飲用水源地，其生態(tài)環(huán)境狀況備受關(guān)注。有研究顯示，流域內(nèi)存在著較為嚴(yán)重的面源污染問(wèn)題，對(duì)水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響，并且農(nóng)業(yè)發(fā)展與水質(zhì)保護(hù)關(guān)系極不平衡[36-37]。近些年，對(duì)該流域的研究多為水質(zhì)[38-39]和景觀格局[40-41]等角度的分析，尚缺少對(duì)整體流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能角度的分區(qū)管理探究。
鑒于此，本研究以于橋水庫(kù)流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用InVEST模型對(duì)整個(gè)流域的糧食產(chǎn)量、氮輸出、磷輸出、固碳量、產(chǎn)水量和土壤保持6 項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估，分析各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布差異，以此為基礎(chǔ)探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，并利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃分，以期為流域規(guī)劃和管理提供決策依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
于橋水庫(kù)流域（39°56'～40°23'N，117°26'～118°12'E）位于天津市北部與河北省交界處，流域總面積約2 060 km2，包括淋河、沙河和黎河3條主要河流，是京津冀的重要生態(tài)屏障（圖1）。其流域面積位于河北省的面積約占78%，涉及唐山市遵化市、玉田縣和遷西縣，承德市興隆縣和天津市薊州區(qū)。流域地形自西北向東南傾斜，西北和北部為山地地區(qū)，中部為平原區(qū)，南部和東南地區(qū)為低山丘陵區(qū)。土地利用類型以耕地、林地為主。農(nóng)業(yè)是該流域主要的支柱產(chǎn)業(yè)，但流域整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高，是典型的農(nóng)業(yè)流域。氣候類型為溫帶大陸季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫10～13 ℃，年平均降雨655.5 mm。土壤類型主要為褐土，植被類型多種多樣，其中灌木林分布最多。
圖1 研究區(qū)地理位置及土地利用圖Figure 1 Geographical location and land use of the study area
2 材料與方法
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
本研究采用2020 年土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，精度為30 m×30 m，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）的中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)來(lái)源于Quick Bird衛(wèi)星，精度為37.5 m×37.5 m。土壤最大根系深度數(shù)據(jù)和土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球科學(xué)數(shù)據(jù)中心-土壤分中心的二普土種剖面數(shù)據(jù)[42]。土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）。
2.2 研究方法
2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估
本研究利用于橋水庫(kù)流域數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)，借助GIS Hydrology 功能提取得到流域邊界和79個(gè)子流域，并根據(jù)以往的研究，將河網(wǎng)流量閾值調(diào)整為10 000，為避免模型運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)編輯器功能，結(jié)合河網(wǎng)分布情況，最終將子流域合并為26 個(gè)。本研究利用InVEST模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，基于2020 年土地利用數(shù)據(jù)，劃分出26 個(gè)子流域，并選取Water yield、Sediment delivery ratio（SDR）、Nutrient delivery ratio（NDR）、Crop production（percentile）和Carbon 5 個(gè)模塊，分別對(duì)于橋水庫(kù)流域內(nèi)產(chǎn)水量、土壤保持、氮輸出、磷輸出、糧食產(chǎn)量和固碳量6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行模擬。
（1）產(chǎn)水量
Water yield 模塊是一個(gè)簡(jiǎn)化的水循環(huán)模型，基礎(chǔ)公式為：
式中：Yxj為第j類土地利用類型柵格x的產(chǎn)水量，mm；AETxj為第j類土地利用類型柵格x的每年實(shí)際水分蒸發(fā)量，mm；Pxj為第j類土地利用類型柵格x的年降雨量，mm。
（2）水土保持
SDR 模塊的原理是模擬陸地表面沉積物的產(chǎn)生以及沉積物向河流的運(yùn)移，對(duì)傳統(tǒng)通用土壤流失方程進(jìn)行修正后，公式[43]為：
式中：Rx為降雨侵蝕力因子；Kx為土壤可侵蝕性因子；LSx為坡度坡長(zhǎng)因子；Cx為覆被管理因子；Px為措施因子。Cx和Px參考以往研究[44-47]進(jìn)行整理。
（3）水質(zhì)凈化
NDR 模塊用于估算一定區(qū)域內(nèi)氮、磷的輸出量，原理為分別計(jì)算研究區(qū)地上部分和地下部分氮和磷的輸出量，兩部分之和即為氮、磷的輸出總量。氮、磷的輸出量越大，水質(zhì)凈化功能就越弱。
地上部分養(yǎng)分運(yùn)移率計(jì)算公式為：
式中：NDR0,i是i柵格中未被下游柵格所截留的養(yǎng)分比例；ICi是柵格i的地形指數(shù)；IC0和k為標(biāo)定參數(shù)。
地下部分養(yǎng)分運(yùn)移率計(jì)算公式：
其中：effsubs是地下所能達(dá)到的最大養(yǎng)分?jǐn)r截效率；lsubs是地下徑流的截留長(zhǎng)度，m；li是柵格i到徑流的距離，m。
最終的養(yǎng)分運(yùn)移總量為地上運(yùn)移量和地下運(yùn)移量之和。其中，柵格i處的養(yǎng)分運(yùn)移量為：
式中：Loadsurf，i是地上部分養(yǎng)分負(fù)荷量；Loadsubs，i是地下部分養(yǎng)分負(fù)荷量；NDRsurf，i是地上部分養(yǎng)分運(yùn)移率；NDRsubs，i是地下部分養(yǎng)分運(yùn)移率。
（4）糧食產(chǎn)量
Crop Production（percentile）模塊根據(jù)現(xiàn)有的土地利用數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的175種作物在2000年觀測(cè)的產(chǎn)量，以氣候作為驅(qū)動(dòng)去估算作物產(chǎn)量，并計(jì)算集約化分別提升25%、50%、75%和95%情況下的作物產(chǎn)量。Crop Production（percentile）模塊工作原理為在數(shù)據(jù)庫(kù)中裁剪出研究區(qū)的氣候地圖，通過(guò)已裁剪出的氣候地圖進(jìn)行重分類，計(jì)算研究區(qū)集約化提升水平下的產(chǎn)量，并將研究區(qū)非耕地部分的作物產(chǎn)量值賦為0。
前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，于橋水庫(kù)流域以玉米為主要糧食作物，因此用玉米產(chǎn)量表征流域糧食產(chǎn)量。通過(guò)與統(tǒng)計(jì)年鑒中流域內(nèi)實(shí)際玉米產(chǎn)量進(jìn)行比較，選擇集約化提升25%水平下的玉米產(chǎn)量作為模擬結(jié)果。
（5）固碳
Carbon 模塊基于規(guī)則單元的柵格土地利用圖運(yùn)行，每個(gè)單元分配了一種土地利用類型。模塊需要每個(gè)土地利用類型的四種基本碳庫(kù)（地上部分碳儲(chǔ)量、地下部分碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量和死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量），四個(gè)碳庫(kù)之和即為總碳儲(chǔ)量，公式[48]為：
式中：Ctotal為總碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Cabove為地上部分碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Cbelow為地下部分碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Csoil為土壤碳儲(chǔ)量，t·hm-2；Cdead為死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量，t·hm-2。
由于死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量在碳庫(kù)中占比較小，故本研究不予考慮，統(tǒng)一設(shè)置為0。其他三大碳庫(kù)參考以往研究[49-52]進(jìn)行設(shè)置。
2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系
本研究以子流域?yàn)榉治鰡卧?，基于流域?6 個(gè)子流域的6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積服務(wù)量進(jìn)行相關(guān)性分析，利用SPSS 軟件中的Spearman 相關(guān)系數(shù)法來(lái)衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[53]。當(dāng)相關(guān)系數(shù)r＜0 時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間為權(quán)衡關(guān)系；反之則為協(xié)同關(guān)系。
2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)
利用主成分分析和K-means 聚類分析法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)的劃分。本研究中的主成分分析以26 個(gè)子流域的6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。主成分分析可以去除變量中的冗余信息[54]，判斷各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存關(guān)系，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的重復(fù)供給情況進(jìn)行排除，使得聚類的穩(wěn)健性提高[55]。K-means 聚類分析法能夠識(shí)別具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的組合。
3 結(jié)果與分析
3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局
于橋水庫(kù)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布具有明顯差異（圖2）。產(chǎn)水量服務(wù)整體呈現(xiàn)北高南低的分布格局，總產(chǎn)水量為2.28×108m3，平均產(chǎn)水深度111.55 mm。高值區(qū)主要分布在河北省遵化市城區(qū)和流域北部的連片山區(qū)以及水庫(kù)西北部局部地區(qū)。三條主要河流中沙河和黎河上游產(chǎn)水量較大，產(chǎn)水深度在300～400 mm之間，淋河上游的產(chǎn)水量較小，產(chǎn)水深度低于50 mm。1～3 號(hào)、8 號(hào)子流域產(chǎn)水量較高，7 號(hào)、20 號(hào)和25 號(hào)子流域產(chǎn)水量較低（表1）。土壤保持服務(wù)表現(xiàn)出西北高、東南低的分布趨勢(shì)，土壤保持量較高的區(qū)域集中在西北部山區(qū)，即天津市薊州區(qū)山區(qū)和河北省興隆縣山區(qū)，整個(gè)流域的土壤保持量為1.75×107t。高值區(qū)主要包括1 號(hào)、8 號(hào)、11 號(hào)子流域，低值區(qū)包括17號(hào)、20號(hào)、26號(hào)子流域。流域氮輸出總量為1 978.16 t，輸出量在流域中部和南部平原地區(qū)較高，并且在高值區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)由東北部平原地區(qū)向西南部水庫(kù)區(qū)逐漸減少的趨勢(shì)。流域四周的環(huán)中部平原山區(qū)、丘陵地帶和水庫(kù)庫(kù)區(qū)氮輸出較低。氮輸出最高的是3號(hào)子流域，輸出最低的為20號(hào)子流域。流域磷輸出總量為30.03 t，其空間分布與氮輸出極為相似，高值區(qū)亦為流域中部及南部平原區(qū)，說(shuō)明中部和南部平原區(qū)水質(zhì)凈化服務(wù)較差，需重點(diǎn)關(guān)注。流域周邊的山地丘陵區(qū)與水庫(kù)庫(kù)區(qū)為低值區(qū)，磷輸出最高的是3 號(hào)子流域，最低的為20 號(hào)子流域。糧食產(chǎn)量服務(wù)的空間分布與氮磷輸出服務(wù)相似，高值區(qū)分布在流域中部和南部平原區(qū)，兩種服務(wù)均與耕地存在密切關(guān)系，而流域中部和南部主要土地利用類型即為耕地。于橋水庫(kù)流域糧食（玉米）產(chǎn)量為2.38×105t。產(chǎn)量較高的為10 號(hào)、22 號(hào)子流域，較低的為20 號(hào)、26 號(hào)子流域。固碳服務(wù)整體呈現(xiàn)西北高、東南低的分布趨勢(shì)，總固碳量達(dá)1.80×107t，西北部的固碳強(qiáng)度最高，其次為北部，流域中東部以及水庫(kù)庫(kù)區(qū)為低值區(qū)。固碳服務(wù)的高值區(qū)與土壤保持服務(wù)的高值區(qū)有較高重合，基本分布在流域中的山區(qū)，而流域中山區(qū)土地利用類型多為林地，因此固碳能力與土壤保持能力較強(qiáng)。固碳量較高的為8 號(hào)、11 號(hào)子流域，較低的為20 號(hào)、26 號(hào)子流域。
表1 于橋水庫(kù)流域子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量Table 1 Ecosystem services in sub-watersheds of Yuqiao Reservoir watershed
圖2 于橋水庫(kù)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布Figure 2 Spatial distribution of ecosystem services in Yuqiao Reservoir watershed
3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系
相關(guān)性分析（表2）顯示，氮輸出與磷輸出之間相關(guān)系數(shù)為0.869（P＜0.01），呈顯著正相關(guān)，互為協(xié)同關(guān)系；氮輸出與土壤保持相關(guān)系數(shù)為-0.497（P＜0.01），呈顯著負(fù)相關(guān)，磷輸出與土壤保持并未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，但存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，可以說(shuō)明水質(zhì)凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)互為協(xié)同關(guān)系；糧食產(chǎn)量與氮輸出和磷輸出的相關(guān)系數(shù)分別為0.963（P＜0.01）和0.795（P＜0.01），皆呈顯著正相關(guān)，表明糧食產(chǎn)量服務(wù)與水質(zhì)凈化服務(wù)間存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系；土壤保持與糧食產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)為-0.490（P＜0.05），表明土壤保持服務(wù)與糧食供給服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系；土壤保持與固碳量相關(guān)系數(shù)為0.839（P＜0.01），呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤保持服務(wù)與固碳服務(wù)為協(xié)同關(guān)系。
表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系Table 2 Trade-offs and synergies among ecosystem services
3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)
主成分分析篩選出兩個(gè)主成分因子（表3），主成分1 解釋了60.42%的方差變異，糧食產(chǎn)量、產(chǎn)水量、氮輸出和磷輸出具有較高的正荷載，由于氮、磷輸出與糧食產(chǎn)量及產(chǎn)水量間均呈正相關(guān)關(guān)系（表2），因此主成分1 反映出水質(zhì)凈化服務(wù)與產(chǎn)水量及糧食產(chǎn)量服務(wù)間是權(quán)衡關(guān)系，但氮和磷是以輸出量來(lái)表征服務(wù)的功能，所以指標(biāo)間關(guān)系為協(xié)同關(guān)系，能夠在同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存；主成分2 解釋了26.25%的方差變異，土壤保持服務(wù)與固碳服務(wù)具有較高的載荷，所以主成分2 反映的是二者間的協(xié)同關(guān)系，且二者呈正相關(guān)關(guān)系，因此能夠在同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中共存。
表3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)因子載荷Table 3 Factors loading of ecosystem services
通過(guò)K-means 聚類分析法對(duì)于橋水庫(kù)流域進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集劃分，并根據(jù)R語(yǔ)言中的聚類方差解釋度（TWSS）[56]以及流域內(nèi)的生態(tài)特征，結(jié)合不同服務(wù)集內(nèi)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異性，最終劃分為水源保護(hù)區(qū)、森林生態(tài)區(qū)、糧食生產(chǎn)區(qū)和綜合發(fā)展區(qū)4個(gè)分區(qū)，并用玫瑰圖表示不同分區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系（圖3）。
圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分區(qū)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇特征Figure 3 Ecosystem services function zones and their ecosystem services bundles
3.3.1 水源保護(hù)區(qū)
水源保護(hù)區(qū)是以于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)（26 號(hào)子流域）為核心區(qū)域，由周邊的15 號(hào)、17 號(hào)、20 號(hào)、21 號(hào)、24 號(hào)和25號(hào)子流域組成（圖3），總面積382.85 km2，占流域面積的18.70%。整個(gè)區(qū)域位于流域下游地區(qū)，行政區(qū)劃上大部分位于天津市薊州區(qū)內(nèi)。區(qū)域內(nèi)總體上以產(chǎn)水服務(wù)和糧食供給服務(wù)為主，其他服務(wù)水平均較低。氮輸出高于磷輸出，說(shuō)明在該分區(qū)內(nèi)氮元素對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響大于磷元素。該分區(qū)內(nèi)土地利用類型以水域和耕地為主，耕地提升了糧食產(chǎn)量服務(wù)，并且薊州區(qū)部分城區(qū)和上游零散的農(nóng)村居民點(diǎn)及不透水地面也促進(jìn)區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)水量增加。
3.3.2 森林生態(tài)區(qū)
森林生態(tài)區(qū)位于于橋水庫(kù)流域內(nèi)淋河上游的西北部山區(qū)，由8～11 號(hào)子流域組成（圖3），行政區(qū)劃上主要位于河北省興隆縣境內(nèi)，區(qū)域總面積600.04 km2，占流域面積的29.30%。該分區(qū)的土壤保持服務(wù)和固碳服務(wù)與其他分區(qū)相比均處于最高水平，氮和磷輸出量低，說(shuō)明水質(zhì)凈化服務(wù)較高。玫瑰圖顯示區(qū)域內(nèi)的土壤保持服務(wù)及固碳服務(wù)與氮輸出、磷輸出、糧食產(chǎn)量服務(wù)存在強(qiáng)烈的權(quán)衡關(guān)系（圖3），這可能與該分區(qū)大部分土地利用類型是林地有關(guān)，大面積的樹(shù)木能夠提高區(qū)域內(nèi)的土壤保持和固碳能力，同時(shí)對(duì)水的需求量較大，因此使得產(chǎn)水量服務(wù)處于較低水平。此外，該分區(qū)內(nèi)的氮、磷的輸出源很少，并且林地本身就擁有較高的水質(zhì)凈化能力，因此森林生態(tài)區(qū)內(nèi)水質(zhì)凈化服務(wù)極高。
3.3.3 糧食生產(chǎn)區(qū)
糧食生產(chǎn)區(qū)主要包括于橋水庫(kù)流域的中部和南部平原地區(qū)，共10個(gè)子流域，總面積457.11 km2，占流域總面積的22.32%，行政區(qū)劃上基本位于河北省遵化市境內(nèi)。該分區(qū)內(nèi)的各生態(tài)服務(wù)間關(guān)系與森林生態(tài)區(qū)內(nèi)恰好相反，產(chǎn)水量、氮輸出、糧食產(chǎn)量服務(wù)皆為4 個(gè)分區(qū)中的最高水平，土壤保持與固碳服務(wù)很低，糧食生產(chǎn)與固碳服務(wù)和土壤保持之間存在強(qiáng)烈的權(quán)衡關(guān)系。糧食生產(chǎn)區(qū)內(nèi)耕地為主要土地利用類型，因此成為于橋水庫(kù)流域的主要糧食供給區(qū)域。而許多農(nóng)村居民點(diǎn)零散分布在區(qū)域內(nèi)，形成了大面積不透水地面，增加了區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)水量，并且區(qū)域內(nèi)的主要農(nóng)產(chǎn)品作物為低耗水的玉米和板栗，使該區(qū)域的產(chǎn)水量服務(wù)非常高。大面積的耕地意味著該區(qū)域中會(huì)有大量的氮輸出和磷輸出，使該區(qū)域成為流域內(nèi)主要的氮和磷輸出區(qū)。
3.3.4 綜合發(fā)展區(qū)
綜合發(fā)展區(qū)主要包括流域北部和東部的1～5 號(hào)子流域，總面積為607.64 km2，占整個(gè)流域總面積的29.67%，為面積最大的分區(qū)，行政區(qū)劃上屬河北省遵化市和興隆縣。區(qū)域內(nèi)的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系比較均衡，但服務(wù)水平均較低，其中，磷輸出的強(qiáng)度大于氮輸出，與水源保護(hù)區(qū)相反，可能是由于該區(qū)域內(nèi)包含大量城鎮(zhèn)，居民生活使用的洗滌劑含有大量磷。綜合發(fā)展區(qū)中的土地利用類型較為全面，包括林地、草地、耕地和城鎮(zhèn)用地等，遵化市城區(qū)位于綜合發(fā)展區(qū)內(nèi)，城區(qū)北部的燕山余脈山區(qū)以灌木林為主，對(duì)水量消耗較大，因此區(qū)域內(nèi)整體產(chǎn)水量較低，同時(shí)山區(qū)的林地提供了一定的土壤保持和固碳服務(wù)。
4 討論
本研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)水量的高值區(qū)與城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民用地基本重合，可能因?yàn)槌擎?zhèn)與農(nóng)村用地的人類活動(dòng)程度高于其他土地利用類型，使得水分蒸散量較少。土壤保持量的高值區(qū)基本分布在流域西北部，此區(qū)域存在大面積林地，而林地對(duì)土壤流失有著攔截作用，因此土壤保持量較高；氮輸出與磷輸出的高值區(qū)與耕地的分布極為相似，這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入的大量化肥、農(nóng)藥有直接關(guān)系；糧食產(chǎn)量的高值區(qū)同樣為耕地所在地，而流域中南部耕地糧食產(chǎn)量更高的原因可能是此區(qū)域降雨量較高；固碳量的高低直接受植被覆蓋影響，而林地固碳作用的效果更好，因此高值區(qū)基本分布在林地。
在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系中，糧食產(chǎn)量服務(wù)與水質(zhì)凈化服務(wù)間存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系，糧食產(chǎn)量的提升往往依靠化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品的增加，導(dǎo)致了氮、磷輸出的增加，這與劉曉娜等[57]、Chen 等[58]的研究結(jié)果一致；水質(zhì)凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)間為協(xié)同關(guān)系，因?yàn)榈?、磷的輸出是以降雨沖刷和水土流失為基礎(chǔ)，若土壤保持量增加，則氮、磷輸出會(huì)隨之減少；土壤保持服務(wù)和糧食供給服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系，因?yàn)楦刂械姆?、種植與收獲過(guò)程都會(huì)導(dǎo)致土壤表層松動(dòng)，這與汪仕美等[21]、閆曉露等[29]的研究結(jié)果一致。
基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的功能區(qū)劃分，分析區(qū)域內(nèi)各服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，明確其中主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，因地制宜地實(shí)施生態(tài)保護(hù)規(guī)劃與管理措施，可為區(qū)域發(fā)展與生態(tài)建設(shè)提供決策支持。本研究針對(duì)于橋水庫(kù)流域內(nèi)的糧食產(chǎn)量、氮輸出、磷輸出、固碳量、產(chǎn)水量和土壤保持6 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，使用Kmeans 聚類分析法劃分出4 類生態(tài)功能區(qū)，并提出發(fā)展管理建議。
水源保護(hù)區(qū)位于于橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)，是水源保護(hù)關(guān)鍵的最后“一公里”。2000 年以來(lái)，為保護(hù)水庫(kù)水質(zhì)，政府對(duì)庫(kù)區(qū)實(shí)施了一系列生態(tài)保護(hù)措施，如對(duì)水庫(kù)周圍進(jìn)行環(huán)湖生態(tài)防護(hù)帶建設(shè)，入庫(kù)河段建設(shè)前置庫(kù)濕地[59]。有研究發(fā)現(xiàn)，2010—2020年間流域內(nèi)增加的林地基本都分布在于橋水庫(kù)河流入庫(kù)口處[60]，同時(shí)實(shí)施“南遷北管”措施，對(duì)水庫(kù)南岸農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行搬遷，嚴(yán)控北岸開(kāi)展對(duì)水質(zhì)有害的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)，這些生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施使得水庫(kù)水質(zhì)得到了很大改善。于橋水庫(kù)主要保護(hù)措施基本落實(shí)在水庫(kù)入水口和水庫(kù)南岸地區(qū)，針對(duì)水庫(kù)北岸的生態(tài)保護(hù)措施略顯不足，建議將今后的管理重心放在水庫(kù)北岸的生態(tài)治理和區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染治理，具體措施包括在17 號(hào)子流域內(nèi)增設(shè)淋河入庫(kù)林草緩沖帶，在20號(hào)、24號(hào)和25 號(hào)子流域內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、休閑觀光農(nóng)業(yè)；對(duì)北岸臨近庫(kù)區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行異地搬遷，并做好生態(tài)補(bǔ)償工作。
森林生態(tài)區(qū)內(nèi)的森林對(duì)整個(gè)流域的土壤保持、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、氣候調(diào)節(jié)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此保護(hù)好流域內(nèi)的森林資源十分重要。建議基于天津市和河北省的生態(tài)紅線劃分區(qū)[61]，加強(qiáng)流域內(nèi)九龍山國(guó)家森林公園、上元古界國(guó)家自然保護(hù)區(qū)等自然公園的保護(hù)以及對(duì)龍門(mén)口水庫(kù)和上關(guān)湖風(fēng)景區(qū)的水質(zhì)保護(hù)工作。嚴(yán)格控制淋河上游工礦企業(yè)，適當(dāng)發(fā)展旅游、文化、康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)，但需要注意避免清東陵及其周邊地區(qū)的過(guò)度開(kāi)發(fā)，建立生態(tài)保護(hù)和文化旅游增收平衡體系[62]。
糧食生產(chǎn)區(qū)是于橋水庫(kù)流域中糧食生產(chǎn)、水量供給和氮、磷輸出的主要區(qū)域，這一區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主要矛盾是糧食生產(chǎn)和氮、磷輸出二者間的強(qiáng)烈權(quán)衡。因此，本區(qū)域的治理應(yīng)以保證糧食供給為基礎(chǔ)，同時(shí)盡量減少氮、磷輸出對(duì)下游水庫(kù)水質(zhì)的影響。具體措施可分為源頭防控和過(guò)程防控。在源頭防控方面，積極推廣規(guī)模集約化農(nóng)業(yè)[56]，提高水肥的施用效率，加強(qiáng)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶科學(xué)用肥、用藥的知識(shí)培訓(xùn)，盡量避免濫用化肥、農(nóng)藥，加大力度推廣測(cè)土配方施肥、有機(jī)肥、緩釋肥、生態(tài)溝渠、林草隔離帶等面源綜合控制措施；在過(guò)程防控方面，以治理水土流失為切入點(diǎn)，開(kāi)展重點(diǎn)湖泊河流的岸邊緩沖帶建設(shè)，如在沙河支流匯流地水平口濕地開(kāi)展植樹(shù)造林，在沙河和黎河的干流附近設(shè)置林地緩沖帶[63]。此外，加強(qiáng)該分區(qū)中部丘陵地區(qū)林草地的保護(hù)，防止其被轉(zhuǎn)化為其他用途。
綜合發(fā)展區(qū)是于橋水庫(kù)流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系較為均衡，因此，該區(qū)的管理方式應(yīng)是在保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，穩(wěn)定各服務(wù)間的均衡關(guān)系。具體的措施包括控制城市化進(jìn)程、避免城市化粗放式擴(kuò)張。有研究表明，雖然城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張會(huì)增加產(chǎn)水量服務(wù)，但隨之也會(huì)增加城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)[64]。該區(qū)域內(nèi)磷的輸出量較大，主要是居民生活洗滌造成的，建議推廣無(wú)磷洗劑，加強(qiáng)生活污水的收集和集中處理；此外，建議對(duì)沙河和黎河支流上的工礦企業(yè)進(jìn)行管控，盡量避免工礦業(yè)污染物進(jìn)入水體造成污染。
囿于數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究的糧食產(chǎn)量服務(wù)僅用玉米作物進(jìn)行表征，通過(guò)土地利用變化直觀反映糧食產(chǎn)量的變化，有一定的參考意義，但當(dāng)下的模型無(wú)法將技術(shù)進(jìn)步對(duì)糧食產(chǎn)量的影響納入考慮范疇，今后的研究應(yīng)考慮技術(shù)進(jìn)步對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，進(jìn)一步提升模型模擬的準(zhǔn)確性。此外，化肥減施增效、化肥零增長(zhǎng)行動(dòng)的實(shí)施，以及測(cè)土配方施肥等技術(shù)和管理手段提升所帶來(lái)的氮磷輸出的減少，也未在模型中進(jìn)行精確的模擬，因此下一步研究中，開(kāi)展中長(zhǎng)期的實(shí)地監(jiān)測(cè)，有利于更加精準(zhǔn)模擬流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。
5 結(jié)論
本研究以于橋水庫(kù)流域?yàn)槔?，采用InVEST 模型定量評(píng)估了流域2020 年6 項(xiàng)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布格局，利用相關(guān)分析法揭示了各項(xiàng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，最后通過(guò)主成分分析和K-means聚類分析將于橋水庫(kù)流域劃分為4 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)，提出因地制宜的管理措施建議。主要結(jié)論如下：
（1）于橋水庫(kù)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布具有明顯差異。產(chǎn)水量服務(wù)整體呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢(shì)，高值區(qū)主要分布在遵化市城區(qū)和流域北部的連片山區(qū)以及水庫(kù)西北部局部地區(qū)；土壤保持服務(wù)表現(xiàn)出西北高、東南低的分布格局，高值區(qū)集中在西北部山區(qū)；水質(zhì)凈化服務(wù)中，氮輸出與磷輸出空間分布高度重合，高值區(qū)皆為流域中部及南部平原區(qū)；糧食產(chǎn)量服務(wù)與氮輸出、磷輸出的空間分布重疊，高值區(qū)分布在流域中部和南部平原區(qū)；固碳服務(wù)整體呈現(xiàn)西北高、東南低的分布格局，西北部是燕山余脈，森林分布廣，固碳強(qiáng)度最高。
（2）各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性分析表明：氮輸出、磷輸出與糧食生產(chǎn)之間互為協(xié)同關(guān)系；土壤保持服務(wù)和固碳服務(wù)互為協(xié)同關(guān)系；糧食產(chǎn)量服務(wù)與土壤保持服務(wù)間存在較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系和主成分分析顯示，保護(hù)好流域水質(zhì)的關(guān)鍵在于處理好糧食生產(chǎn)和水質(zhì)凈化的權(quán)衡關(guān)系，而加強(qiáng)森林的保護(hù)可以協(xié)同增加固碳和土壤保持服務(wù)。
（3）依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的特征，將于橋水庫(kù)流域劃分為水源保護(hù)區(qū)、森林生態(tài)區(qū)、糧食生產(chǎn)區(qū)和綜合發(fā)展區(qū)4 個(gè)功能區(qū)。其中：水源保護(hù)區(qū)以產(chǎn)水服務(wù)和糧食產(chǎn)量為主，建議加強(qiáng)北岸的管控工作；森林生態(tài)區(qū)以土壤保持和固碳服務(wù)為主，建議加強(qiáng)森林的保護(hù)；糧食生產(chǎn)區(qū)以產(chǎn)水量、氮輸出、磷輸出及糧食產(chǎn)量服務(wù)為主，需要加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源的管控；綜合發(fā)展區(qū)需要控制城鎮(zhèn)化用地過(guò)度擴(kuò)張，加強(qiáng)生活源和工業(yè)源污染物的管控。
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