楊 帆,張麗雪,石 琳

浙江海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 舟山 316022

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中所得到的全部惠益[1]。受到自然因子和人類活動的影響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著此消彼長的權(quán)衡、相互增益的協(xié)同等形式關(guān)系[2—3],其關(guān)系呈現(xiàn)時空動態(tài)變化和空間尺度效應(yīng)[4—6]。研究發(fā)現(xiàn),權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的存在導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效用不能同時達(dá)到最大化[7],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成在人類利益偏好的選擇下發(fā)生改變,區(qū)域內(nèi)生態(tài)平衡、穩(wěn)定性遭到破壞[8—9],引發(fā)一系列的災(zāi)害效應(yīng)[10—11]。因此,明確研究區(qū)域環(huán)境變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系特征、尺度效應(yīng)、驅(qū)動因子及驅(qū)動機(jī)制對把握生態(tài)決策制定的合理性、維持自然與人類利益的均衡性、優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理具有重要的理論指導(dǎo)意義,在促進(jìn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展,生態(tài)環(huán)境的保護(hù)上發(fā)揮著重要作用。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量及服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系具有空間尺度性[6]。在當(dāng)前研究結(jié)果中,決定服務(wù)及關(guān)系時空異質(zhì)性的驅(qū)動因子主要為氣象、地形地貌、人類供需[12—14]。不同學(xué)者對于關(guān)系的驅(qū)動因素、驅(qū)動機(jī)制的研究存在差異性[15],表明在不同自然地理環(huán)境、不同區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及關(guān)系與驅(qū)動因子間存在復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系,需要進(jìn)行更具體的研究分析[8]。此外,研究中以短時間小區(qū)域?yàn)橹?存在探索尺度效應(yīng)時,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量變動小,權(quán)衡協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變不顯著等問題[6]。擴(kuò)大區(qū)域范圍探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,增大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量變動及服務(wù)之間關(guān)系的轉(zhuǎn)變程度,對增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析的全面性,提高數(shù)據(jù)參考價值是十分必要的。

當(dāng)前,全國沿海防護(hù)林(海防林)體系建設(shè)是中國為減少災(zāi)害,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)均衡發(fā)展而實(shí)行的重要生態(tài)建設(shè)工程[16]。工程區(qū)受到臺風(fēng)、洪澇、風(fēng)沙等自然災(zāi)害長期破壞的同時,生態(tài)環(huán)境也因人為干擾發(fā)生退化,沿海地區(qū)因此產(chǎn)生不同程度的經(jīng)濟(jì)損失[17]。20多年間,在經(jīng)過多期規(guī)劃后,沿海林地面積增加,區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的防震減災(zāi)、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、保育和改善土壤、涵養(yǎng)水源、固碳釋氧功能作用增強(qiáng)[18]。沿海地區(qū)森林復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對海嘯等自然災(zāi)害存在抗性和緩沖的作用[19],其地表植被特點(diǎn)及生物過程會改善土壤結(jié)構(gòu)、肥力、物理化學(xué)性質(zhì),提高土壤質(zhì)量,增強(qiáng)土壤保持能力,提高水文調(diào)節(jié)水平[20—21]。隨著海防林的建設(shè),植被、土壤性質(zhì)發(fā)生變化,造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量、權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的轉(zhuǎn)變,對沿海系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境、復(fù)原性(沿海地區(qū)減輕自然災(zāi)害的效應(yīng))、人類惠益具有重要影響[12]。目前,眾多研究者對于沿海地區(qū)的探究集中于海防林的災(zāi)難特性[22—23]、減災(zāi)效用[24—25]、林地結(jié)構(gòu)[26—27]、土壤性質(zhì)[16, 28]等方面,對于沿海林地建設(shè)工程實(shí)施后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系缺乏研究。探究沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,能夠?yàn)檠睾Ｉ鷳B(tài)建設(shè)工程實(shí)施效果定量評估提供數(shù)據(jù)參考,查找建設(shè)過程中的缺點(diǎn)為未來海防林合理規(guī)劃提供理論依據(jù)。基于上述沿海區(qū)域的研究局限、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系時空尺度特征及驅(qū)動因子、機(jī)制的研究不夠深入全面的問題。文章以沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程區(qū)為研究對象,選取區(qū)域內(nèi)生態(tài)效應(yīng)明顯的三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(固碳、土壤保持、產(chǎn)水量),通過修正的通用土壤流失方程(RUSLE)模型、InVEST模型計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量及21年海防林建設(shè)自然環(huán)境格局的變化分析,揭示了區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系時空特征演化、熱點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)變、驅(qū)動因子及機(jī)制區(qū)域性特征,并且對工程區(qū)內(nèi)4個建設(shè)分區(qū)、13建設(shè)工程分亞區(qū),建設(shè)期三階段的尺度效應(yīng)進(jìn)行分區(qū)分時分析。從不同角度、不同分析路徑對海防林工程區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行分析,明確區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)及內(nèi)在機(jī)制,為以后海防林區(qū)域性生態(tài)建設(shè)和管理提供決策依據(jù),使區(qū)域在不同時空尺度下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能夠協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

工程區(qū)沿中國海岸線呈窄帶狀分布,東西跨越106°33′E—125°41′E,南北跨越3°30′N—41°49′N(圖1)。整個大陸部分呈半圓弧形狀,有遼東、山東和雷州三個突出的半島。氣候以季風(fēng)性氣候?yàn)橹?夏季受海洋季風(fēng)的影響,高溫多雨。日照、熱量、降雨以長江為界,南北差異明顯,年日照時長數(shù)長江以北達(dá)2800h,以南達(dá)2000h,長江以南熱量高,無霜期長,降雨量在1000mm以上。土壤以鐵鋁土、半水成土、人為土為主。工程區(qū)由于人為活動頻繁,形成了以人工林、天然次生林為主的森林植被類型。海防林工程區(qū)是我國最重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)帶,雖然面積不到我國國土面積的5%,但集中了我國18%以上的人口和 31%以上的國內(nèi)生產(chǎn)總值。

圖1 研究區(qū)概況

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評估方法

2.1.1固碳(CS)

植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)是地表植被單位時間內(nèi)在單元區(qū)域中所累積的有機(jī)物總量,受植被生物過程的影響。NPP是地表碳循環(huán)的重要組成部分,體現(xiàn)自然環(huán)境條件下生態(tài)系統(tǒng)的供給能力及反映陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況。因此將NPP作為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的固碳服務(wù)。數(shù)據(jù)選自MODIS產(chǎn)品中分辨率為1 km的2000—2020年MOD17A3數(shù)據(jù)集。

2.1.2土壤保持(SC)

海防林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土壤保持功能對沿海地區(qū)減少水土流失和土壤肥力的保持發(fā)揮著重要作用。文章采用基于水土流失方程(RUSLE)原理的InVEST模型計(jì)算,公式為:

Ac=Ap-Ar

Ap=R×K×L×S

R=0.0534Px1.6548

Ar=R×K×L×S×C×Pw

式中,Ac為年實(shí)際土壤保持量(t/hm2);Ap為年潛在土壤侵蝕量(t/hm2);Ar為年實(shí)際土壤侵蝕量(t/hm2);Px為降雨量;K為土壤可蝕性因子,采用土壤侵蝕與生產(chǎn)力評價模型(EPIC)計(jì)算得到;Sand 為砂粒(%);Silt為粉粒(%);Clay 為粘粒(%);Cx為有機(jī)碳含量(%);San為1-Sand/100;L、S分別為坡長和坡度因子,采用GIS對數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)填洼得到;R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1);C為植被覆蓋因子;Pw為水土保持措施,根據(jù)實(shí)際情況及參考文獻(xiàn)獲得[29—31]。

2.1.3產(chǎn)水量(WP)

產(chǎn)水量基于水量平衡法和Budyko水熱耦合平衡假設(shè)[32],假設(shè)除了蒸散發(fā)的雨量損失,剩余的降雨都達(dá)到流域出水口,由InVEST模型計(jì)算出流域分水嶺尺度的產(chǎn)水量,其中涉及降雨、蒸散、土壤等因素。具體公式如下:

式中,Y為該區(qū)域產(chǎn)水量(mm);Px為研究區(qū)域年降水量(mm);AET為研究區(qū)域?qū)嶋H蒸散量(mm);PET為該區(qū)域潛在蒸發(fā)量(mm),受氣象、地形地貌等因素的影響;W為土壤性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);K為蒸散系數(shù),參考相關(guān)文獻(xiàn)獲得[33—34];ET為在土壤充分保持濕潤的情況下,地面被特定短小植物覆蓋的蒸散量;Z表示降水季節(jié)性特征,數(shù)值介于1—10,基于區(qū)域水資源總量調(diào)整[32];AWC為植物有效可利用水,受土壤深度和特性影響,由Zhou提出的公式計(jì)算得到[35]。

2.1.4皮爾遜相關(guān)系數(shù)法與熱點(diǎn)分析

通過基于逐像元偏相關(guān)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)法定量評估時間序列的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系及相關(guān)驅(qū)動因素對其關(guān)系的影響,能夠在時間演變規(guī)律下對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進(jìn)行空間定量制圖及驅(qū)動因子對關(guān)系變動影響的探究。在研究固碳、土壤保持、產(chǎn)水量兩兩相關(guān)性時,采用偏相關(guān)分析,從而去除研究以外的其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,同時通過T檢驗(yàn)對其關(guān)系的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。計(jì)算公式為:

式中,r為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩者之間的相關(guān)系數(shù);n為年份或面板數(shù)據(jù);m、j、h分別代表不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變量;rmj×h為變量m和j在排除h后的一階偏相關(guān)系數(shù);rmj、rmh、rjh分別為兩個變量之間的相關(guān)系數(shù),一階偏相關(guān)系數(shù)>0為協(xié)同,反之為權(quán)衡;b為可控制變量的數(shù)目。T檢驗(yàn)的自由度為n-b-2,當(dāng)t>t0.1(n-b-2),即P<0.1,其相關(guān)性較顯著;t>t0.05(n-b-2),即P<0.05,其相關(guān)性顯著。

通過ArcGIS軟件,采用空間疊置分析法,將生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性及其顯著性疊加,并根據(jù)結(jié)果將三個生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系分為7類;根據(jù)其各自柵格單元值超過當(dāng)年各自生態(tài)服務(wù)的平均值,劃定熱點(diǎn)區(qū)[36]。其中,0類熱點(diǎn)區(qū)為0種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)超過當(dāng)年各自平均值,以此類推,等級越高,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平能力越強(qiáng)。將固碳、土壤保持、產(chǎn)水量熱點(diǎn)區(qū)進(jìn)行疊加,并進(jìn)行熱點(diǎn)區(qū)分級。分級情況詳見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系、熱點(diǎn)區(qū)等級

2.2 驅(qū)動力及機(jī)制分析法

文章根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[37—39]、區(qū)域特點(diǎn)選取降水等6個自然因子及人口密度等4個人類活動因子,通過地理探測器探究驅(qū)動因子對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及關(guān)系空間分異的解釋力以及各影響因子交互作用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及關(guān)系的影響[40]。其表達(dá)式:

2.3 數(shù)據(jù)來源與處理

氣象數(shù)據(jù)(降雨、蒸散、氣溫)選取2000—2020年1000m的逐月數(shù)據(jù),數(shù)字高程模型DEM選取ASTER GDEM 30M數(shù)據(jù)集。2000—2020年30m土地利用數(shù)據(jù)來源于武漢大學(xué)數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過矯正使用。根系深度數(shù)據(jù)選取200m土壤絕對深度(即地表到巖層的深度)數(shù)據(jù),植物可利用水選取200m可用土壤水容量(體積分?jǐn)?shù))直到枯萎點(diǎn)。流域數(shù)據(jù)選取中國Ⅰ級流域、中國行政邊界選取縣級。國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、人口密度(POP)數(shù)據(jù)選取1km 2000年、2005年、2010年、2015年、2019年數(shù)據(jù)。二氧化碳選取1km 2000—2020年數(shù)據(jù)。夜間燈光數(shù)據(jù)集選取1km 2000—2020年,下載數(shù)據(jù)利用偽不變像素方法校準(zhǔn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影為Krasovsky_1940_Albers。詳細(xì)數(shù)據(jù)信息見表2:

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空特征

在海防林建設(shè)期間(2000—2020年),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體呈上升趨勢,其中固碳和土壤保持服務(wù)增加趨勢明顯。如圖2所示,區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間協(xié)同度高的時間段分別在2001—2017年(土壤保持和產(chǎn)水量)、2011—2015年(固碳和土壤保持)、2011—2015年和2017—2019年(固碳和產(chǎn)水量)。產(chǎn)水量的高值區(qū)在1048.95—1051.27mm/km2(2016—2018年),土壤保持高值區(qū)在79.56—84.14t/hm2(2012—2016年),固碳高值區(qū)在651.99—665.93gC/m2(2018—2020年)。高值時間主要集中在研究階段的中后期,高值主要集中在長三角沿海地區(qū)以南。如圖3所示,固碳、土壤保持多年高值區(qū)分布在東南丘陵南部、廣西盆地及海南島西南部,產(chǎn)水量多年高值區(qū)分布在三角洲平原、廣西盆地西部及海南島東北部。在海防林建設(shè)期間,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在絕大部分區(qū)域呈增加態(tài)勢,服務(wù)能力增加的區(qū)域面積占比都在95%以上,其顯著增加區(qū)域大多與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)一致,主要分布在長江以南地區(qū),減少區(qū)域集中分在人類經(jīng)濟(jì)活動密集區(qū)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在這些區(qū)域呈減少趨勢與區(qū)域內(nèi)的植被、土壤、地形、人類活動密切相關(guān)。

圖2 2000—2020年固碳、土壤保持、產(chǎn)水量變化趨勢

圖3 2000—2020年固碳、土壤保持、產(chǎn)水量空間分布

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)特征

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)的劃定能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的強(qiáng)弱。從熱點(diǎn)區(qū)分布特點(diǎn)來看,沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程第二期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力水平最高(圖4),生態(tài)效益轉(zhuǎn)變最好的區(qū)域?yàn)殚L三角地區(qū)。如圖5所示,2000—2015年期間,0類和1類熱點(diǎn)區(qū)面積有所減少,分別減少13.86%、7.64%,2類、3類熱點(diǎn)區(qū)面積增加明顯,分別增加20.09%、8.76%,增加的2類熱點(diǎn)區(qū)主要由長三角沿海、珠三角及西南地區(qū)的1類熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化,增加的3類熱點(diǎn)區(qū)主要由東南沿海北部地區(qū)的1類熱點(diǎn)區(qū),珠三角北部2類熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化。2016—2020年期間,0類、3類熱點(diǎn)區(qū)面積減少,分別減少18.38%、61.65%,1類熱點(diǎn)區(qū)面積占比增加明顯,增加82%,2類熱點(diǎn)區(qū)面積增加不顯著。增加的1類熱點(diǎn)區(qū)主要由環(huán)渤海灣沿海地區(qū)的0類熱點(diǎn)區(qū),東南沿海臨海、珠三角及西南沿海地區(qū)的2類熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化,增加的2類熱點(diǎn)區(qū)主要由東南沿海地區(qū)、珠三角及西南沿海地區(qū)的3類熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化。

圖4 2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)面積時間變化

圖5 2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)熱點(diǎn)區(qū)空間變化

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系時空特征

3.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系時間分布

2000—2020年間,沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系主要以協(xié)同為主(圖6)。固碳和土壤保持協(xié)同關(guān)系高值年為2003年(0.68),低值年為2000年(0.33),土壤保持和產(chǎn)水量協(xié)同關(guān)系高值年為2006年(0.72),低值年為2011年(0.05),固碳和產(chǎn)水量協(xié)同關(guān)系高值年為2011年(0.66),低值區(qū)為2001年(0.01)。權(quán)衡出現(xiàn)在產(chǎn)水量和固碳之間,分別在2006年(-0.04)和2020年(-0.11),這兩年降雨量偏低,日照時間充足,產(chǎn)水量和固碳出現(xiàn)相反的高低值,導(dǎo)致這兩年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程二期(2001—2015年),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間為協(xié)同關(guān)系,固碳和土壤保持協(xié)同度呈先增加后降低趨勢,土壤保持和產(chǎn)水量關(guān)系協(xié)同度呈現(xiàn)先降低后增加趨勢,固碳和產(chǎn)水量關(guān)系協(xié)同度呈現(xiàn)輕幅度降低后增加趨勢。三期前階段(2016—2020年)固碳和土壤保持關(guān)系協(xié)同度呈現(xiàn)增加后降低趨勢,固碳和土壤保持關(guān)系協(xié)同度呈現(xiàn)增加趨勢,固碳和產(chǎn)水量關(guān)系協(xié)同度呈現(xiàn)減少趨勢。區(qū)域內(nèi)主要受到氣象、人類供需變動的影響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系呈現(xiàn)時間差異性。

圖6 2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時間關(guān)系變化

3.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系空間分布

海防林建設(shè)期間,固碳與土壤保持關(guān)系空間分布和固碳與產(chǎn)水量關(guān)系空間分布截然相反,土壤保持與產(chǎn)水量關(guān)系呈現(xiàn)顯著協(xié)同(圖7)。2000—2020年,固碳和土壤保持以協(xié)同關(guān)系為主,協(xié)同關(guān)系為0.25(表3),協(xié)同面積為15.13×104km2,占比46.9%,主要分布在環(huán)渤海灣、長三角平原、東南丘陵南部、雷州半島、廣西盆地,權(quán)衡關(guān)系面積占比35.93%,主要分布在山東半島、江淮平原、東南丘陵中部、珠三角平原及海南島中部地區(qū)。土壤保持和產(chǎn)水量協(xié)同關(guān)系明顯,協(xié)同關(guān)系為0.69,協(xié)同面積占比82%,其中顯著協(xié)同占比78.21%。固碳與產(chǎn)水量以協(xié)同關(guān)系為主,協(xié)同關(guān)系為0.24,協(xié)同關(guān)系面積為18.63×104km2,占比44.24%,主要分布在長江以北、珠三角平原、廣西盆地、海南島西北部,權(quán)衡關(guān)系面積占比38.59%,主要分布于東南丘陵、珠三角平原、雷州半島及海南島東南部。受其氣象、地形地貌影響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系空間布局復(fù)雜。

表3 2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)系數(shù)

圖7 2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系空間分布

3.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系尺度效應(yīng)

基于氣候帶、自然災(zāi)害特點(diǎn)、區(qū)域規(guī)劃劃分的四個工程分區(qū),存在顯著尺度效應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系為長江三角洲的固碳與土壤保持關(guān)系、東南沿海地區(qū)和珠三角及西南沿海地區(qū)的固碳與產(chǎn)水量關(guān)系,與全區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間協(xié)同關(guān)系相反,這些地區(qū)關(guān)系為權(quán)衡。長三角沿海地區(qū)固碳和土壤保持主要為權(quán)衡關(guān)系,權(quán)衡系數(shù)為-0.03,權(quán)衡面積占比高于協(xié)同10.27%(圖8)。該區(qū)域其它生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間為協(xié)同關(guān)系,協(xié)同系數(shù)為0.65(土壤保持和產(chǎn)水量)、0.18(固碳和產(chǎn)水量),其面積分別占77.72%、60.91%。東南、珠三角及西南沿海地區(qū)固碳和產(chǎn)水量主要為權(quán)衡關(guān)系,權(quán)衡相關(guān)系數(shù)分別為-0.21、-0.03,其權(quán)衡面積占比高于協(xié)同關(guān)系的8.28%—50.65%。兩個區(qū)域的土壤保持與產(chǎn)水量、固碳主要為協(xié)同關(guān)系,協(xié)同相關(guān)系數(shù)分別為0.77、0.63(土壤保持和產(chǎn)水量)、0.01、0.07(固碳和土壤保持)。東南沿海地區(qū)的固碳與土壤保持權(quán)衡關(guān)系比協(xié)同關(guān)系面積占比高2.6%,但區(qū)域協(xié)同強(qiáng)度高,在均衡之后,全域整體呈現(xiàn)較低的協(xié)同關(guān)系。

圖8 2000—2020年沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程分區(qū)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系面積占比

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系驅(qū)動因子及驅(qū)動機(jī)制

基于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造的復(fù)雜性及自然因子對生態(tài)服務(wù)間關(guān)系的約束性,不同區(qū)域、不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在驅(qū)動因子作用的多樣性[41]。如表4所示,固碳與土壤保持權(quán)衡協(xié)同關(guān)系主要自然驅(qū)動因子在長江以北為氣溫(-0.61、0.24),長江以南為植被(-0.29、-0.3)。土壤保持和產(chǎn)水量權(quán)衡協(xié)同關(guān)系主要自然驅(qū)動因子在珠三角以北為植被(0.16、0.32、0.2),珠三角及西南沿海地區(qū)為氣溫(0.26)、高程(-0.23)。固碳與產(chǎn)水量間關(guān)系在環(huán)渤海灣、東南沿海地區(qū)主要自然驅(qū)動因子為氣溫(0.57、-0.38),長三角、珠三角及西南沿海地區(qū)為植被(0.15、0.14)。人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系顯著負(fù)效應(yīng)程度在-0.2—-0.35,顯著正效應(yīng)程度在0.21—0.31(表5)。在因子交互作用中,對權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的影響效果為雙因子增強(qiáng)、非線性增強(qiáng)兩種,60%以上為非線性增強(qiáng),多因子影響效果顯著增加。權(quán)衡協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變是由氣候、地形地貌、人類活動強(qiáng)度等因子綜合作用產(chǎn)生的復(fù)雜效果,并不是單純幾個因素單一方向的作用,其特點(diǎn)表現(xiàn)為主導(dǎo)因素的空間異質(zhì)性、影響效果差異性。

表4 沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程分區(qū)自然因子對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的影響系數(shù)

表5 沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程分區(qū)人類活動因子對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的影響系數(shù)

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及關(guān)系特征分析

植被固碳是由植物的生態(tài)生理特征和氣候因子之間相互復(fù)雜的作用決定的,會對植被產(chǎn)生不同的區(qū)域、時間效應(yīng)[42—43]。工程區(qū)內(nèi)植被是固碳服務(wù)的最大單因子影響因素,氣溫與降水是固碳服務(wù)最大多因子綜合影響因素。降雨與地形、地表特點(diǎn)是土壤保持、產(chǎn)水量主要多因子影響因素。2006—2015年間區(qū)域內(nèi)降雨水平較其他時間段增加8.44%,日照時數(shù)減少,太陽輻射降低,影響植被的光合作用[44],導(dǎo)致時間段內(nèi)區(qū)域固碳能力水平不高。在環(huán)渤海灣地區(qū),由于北部地區(qū)植被對溫度的敏感性,在氣溫升高時,固碳能力提升較大[45],區(qū)域內(nèi)固碳較其它服務(wù)增加明顯。到2020年,在海防林工程的進(jìn)行下,森林面積提高0.13%,進(jìn)一步增加沿海地區(qū)森林蓄積,增加地表植被覆蓋率和土壤根系豐富度[46],提高降雨攔截率[47],穩(wěn)定土壤構(gòu)造、特性[48—49],從而使區(qū)域土壤保持、產(chǎn)水量能力增強(qiáng)[50]。2000—2020年期間,土壤保持和產(chǎn)水量之間的協(xié)同較高,固碳與土壤保持、產(chǎn)水量整體協(xié)同度較低,其主要是降水、地表特點(diǎn)(植被、城鎮(zhèn)化)和其他因素相互作用的結(jié)果。此外,三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間整體相關(guān)系數(shù)也受到學(xué)者們計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量方法、權(quán)衡協(xié)同關(guān)系強(qiáng)度和分布區(qū)域面積的影響[51]。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系尺度效應(yīng)分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系存在尺度效應(yīng),隨著空間和時間的變化而變化[5—6],為了進(jìn)一步探究更小區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系變化,以研究區(qū)建設(shè)工程分亞區(qū)為界限探究不同區(qū)域關(guān)系層級特性。研究發(fā)現(xiàn),在13個分亞區(qū)中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系尺度效應(yīng)更加顯著,出現(xiàn)更多權(quán)衡關(guān)系和更強(qiáng)協(xié)同關(guān)系。如圖9所示,在分亞區(qū)中固碳和土壤保持呈高度協(xié)同且多年維持平穩(wěn)狀態(tài),9/13的區(qū)域多年平均協(xié)同系數(shù)在0.5以上,和全區(qū)域固碳與土壤保持弱協(xié)同關(guān)系差異性明顯。分亞區(qū)中9/13的區(qū)域土壤保持與產(chǎn)水量關(guān)系為權(quán)衡關(guān)系,與全區(qū)域、建設(shè)工程分區(qū)中多年呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系截然相反。土壤保持與固碳、產(chǎn)水量關(guān)系在全區(qū)域與分亞區(qū)中差異性顯著,證明區(qū)域越大,其與小區(qū)域中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的尺度效應(yīng)越明顯。而小區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系可能由于驅(qū)動因子相互間作用的簡化往往更符合大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果,在分亞區(qū)中固碳與土壤保持呈高度協(xié)同,土壤保持與產(chǎn)水量呈較高的權(quán)衡,這與學(xué)者[52]研究一致。

圖9 13個沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程亞區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系時間變化

4.3 不足

生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,能提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),并且各種服務(wù)之間相互聯(lián)系、影響[53],它們之間存在著線性、非線性關(guān)系[3]。目前文章雖然對兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間剔除第三種的影響,但仍存在其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,后續(xù)將進(jìn)行多種生態(tài)系統(tǒng)多重關(guān)系的空間自相關(guān)研究。同時,對于當(dāng)前缺乏海防林措施實(shí)施效果及可能出現(xiàn)問題的討論,在以后的研究過程中應(yīng)該基于對未來的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系情景進(jìn)行預(yù)測,掌握當(dāng)前生態(tài)保護(hù)與管理措施對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及關(guān)系的功能提升效果。此外,基于皮爾遜系數(shù)、地理探測器對建設(shè)工程分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動因子的區(qū)域分析,為區(qū)域性制定生態(tài)保護(hù)政策提供理論依據(jù),雖然考慮了因子的區(qū)域性特點(diǎn)、影響程度、作用方向,但其因子的影響機(jī)制探究不足。未來應(yīng)考慮通過建立相關(guān)模型探究其影響因素的綜合驅(qū)動機(jī)制。

5 結(jié)論

文章對海防林背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及關(guān)系在時空特征、熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變、尺度效應(yīng)、內(nèi)在機(jī)制多角度進(jìn)行分析,揭示海防林建設(shè)后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系狀況及驅(qū)動力。主要結(jié)論有:(1)經(jīng)過海防林二期、三期建設(shè),地表植被增加顯著,區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量呈增加趨勢。區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量增加顯著地區(qū)主要為長江以南區(qū)域。(2)海防林二期建設(shè)取得的生態(tài)效果較好,熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變升級明顯,總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力提高10.63%,提升效果最好的區(qū)域?yàn)殚L三角地區(qū)。(3)工程區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系為協(xié)同,但這種關(guān)系在建設(shè)工程亞區(qū)中存在明顯的尺度效應(yīng)。(4)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動因子、驅(qū)動機(jī)制存在空間異質(zhì)性,在長江以北主要受到氣象因子的影響,長江以南則為地形、高程,人類對權(quán)衡協(xié)同關(guān)系存在重要影響。(5)建議在對區(qū)域之間關(guān)系調(diào)節(jié)建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)依據(jù)氣候、植被、地形、人類活動等因素進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì),并依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及關(guān)系特征分布劃分不同生態(tài)管理分區(qū)。針對區(qū)域尺度內(nèi)弱項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系內(nèi)在發(fā)生機(jī)制以改良生態(tài)服務(wù)結(jié)構(gòu)為主,提高生態(tài)服務(wù)效應(yīng)為方向采取措施來提高整體生態(tài)服務(wù)能力和生態(tài)管理水平。