农牧交错带禁牧草地生态系统服务空间权衡与协同关系

仲俊涛，王 蓓，米文宝，樊新刚，杨美玲，杨显明

（1. 青海师范大学地理科学学院，西宁810008； 2. 兰州大学资源环境学院，兰州 730001；3. 宁夏大学资源环境学院，银川 750021）

0 引 言

草地生态系统服务是指草地生态系统及其生态过程形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，是通过生态系统的功能直接或间接提供的产品和服务[1]。生态系统服务类型复杂多样，空间异质性显著，人类对生态系统服务需求存在多样性和选择性，致使各服务间往往存在着此消彼长的权衡和相互促进的协同关系[2-3]。生态系统通常可通过自我调节而趋于稳定或平衡状态，当生态系统受到的外部影响低于其自我调节能力的阈值时，生态系统通过自我调节，依然能够为人类提供服务；但生态系统的自我调节能力有限，当受到的外部影响超过阈值时，生态系统受到伤害甚至崩溃，将严重影响其为人类提供的福祉[4]。特别是随着人类活动的不断加剧，使得供给服务上升，调节功能下降，生态平衡遭受严重破坏，最终危害人类福祉[5-6]。目前，全球24个生态系统中有15个正在不断恶化，约60%的生态系统服务持续下降，并且这种退化趋势在21世纪上半叶可能会加剧[7]，在此情形下，生态系统服务权衡与协同研究成为诸多学者关注的热点。因此，选取典型研究区，选择重要生态系统类型，从各服务间的权衡与协同特征、尺度效应、形成机制等方面出发，深刻理解服务间的权衡与协同关系，提高生态系统管理效率，促进生态-经济系统协同发展迫在眉睫。

要揭示生态系统服务间的关系，首先需对生态系统提供服务的能力进行精准测度，评估过程的主观性和多样性，常常导致生态系统服务权衡与协同关系的不确定性，因此，如何采用科学合理的生态系统服务评估理论与方法至关重要。在生态系统服务理论方面，不仅要综合考虑生态系统服务的空间异质性、动态性、整体性、持续有效性、范围有限性等特征，同时在评估体系构建时，应当区分生态系统的最终服务和中间服务，避免服务类型之间的重复等；在生态系统服务评估方法方面，以复杂理论和研究成果为基础构建的生态系统服务评估模型成为诸多学者选用的评估手段，近年来，出现了一些开发层次不同、量化的服务功能类别也有差别的服务评估模型，例如InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型、ARIES（Artificial Intelligence for Ecosystem Services）模型、SolVES（Social Values for Ecosystem Services）模型。相比之下，InVEST模型具有“精细化、定量化、空间化”的特征，且模型处于不断更新和完善阶段，发展更为成熟[8-9]，被广泛应用于自然资产和生态系统服务价值评估中，并在美国的北卡罗莱纳州[10]、乔治亚州[11]、缅因州[12]、印第安纳州[13]、英国[14]以及国内[15-16]等取得较好的评估结果。诚然，当前国内学者在采用InVEST模型对生态系统服务进行评估时，与国际先进水平相比存在一定差距，主要表现为在评估数据、参数处理方面，往往采用经验值、模型默认值，降低了评估结果的科学性。在生态系统服务权衡与协同关系研究方面，目前，研究内容主要集中在类型特征[17]、形成机制[18]、尺度效应[19]等方面，研究方法主要有统计描述法、空间制图法[20]、情景分析法等类型[21]。

地处北方农牧交错带核心区的宁夏盐池县，是构建西北地区生态安全屏障的关键区域，草地生态系统占据主导，然而由于自然与人为因素的双重作用，20世纪末，盐池县草地出现大面积退化现象，造成了严重的生态环境问题，政府于2001年开始全面禁牧。那么，禁牧十多年，草地生态系统恢复的如何，各服务间的关系又如何，以及如何进一步科学管理草地，都是需要回答的科学问题。为此，在精准评估禁牧前后草地主要服务功能的基础上，从时空角度厘清各服务间的作用关系，是深入理解生态系统服务的基础，可为农牧交错带禁牧草地资源管理提供参考。本文基于草地野外调查与试验数据，对InVEST模型进行本地化修正的基础上，精准评估禁牧前后碳储存、水源涵养和土壤保持功能时空格局，基于像元尺度，利用相关系数对 3种服务间的权衡与协同关系进行测度，厘清服务间权衡与协同的表现类型、形成机制和空间差异，为农牧交错带草地科学管理提供参考。

1 研究区概况

盐池县（37°04′～38°10′N，106°30′～107°41′E）地处中国西北内陆，宁夏回族自治区东部，属北方农牧交错带核心区，北部与内蒙古自治区鄂托克前旗相连，西部与宁夏灵武市、同心县接壤，东部和南部分别与陕西省定边县和甘肃省环县为邻（图1）。南北长约110 km，东西宽达66 km，总面积8 661 km2。属典型的中温带大陆性季风气候，年平均降水量290 mm，干旱少雨、风大沙多、日照充足、蒸发强烈，平均海拔1 489 m。盐池是宁夏唯一的牧业县，盐池滩羊驰名中外。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

根据联合国《千年生态系统评估》所提出的生态系统服务分类体系[22]，遵循科学性、全面性、重要性以及数据可获取性的原则，筛选碳储存、土壤保持和水源涵养3项主要服务类型，对禁牧前后5个时段草地生态系统服务进行测度。

2.1.1 碳储存功能

碳储存（Carbon Storage，CS）模块中，碳库包括地上生物量、地下生物量、死亡有机物及土壤碳库4部分。其中，地上生物量包括土壤以上的植物材料；地下生物量包括地表以下的植物材料；死亡有机质包括凋落的植物材料等；土壤碳库是土壤中储存的碳物质量。模型将不同区域草地的4类碳储量相加，即得到该区域碳储量。计算公式如下：

式中Cv为草地总碳储量，t/hm2；Cabove为地上部分碳储量，t/hm2；Cbelow为地下部分碳储量，t/hm2；Cdead为枯枝落叶层部分碳储量，t/hm2；Csoil为土壤碳储量，t/hm2。

2.1.2 水源涵养功能

水源涵养（Water Conservation，WC）分2步计算。第一步，基于水量平衡原理计算区域产水量；第二步，在产水量的基础上，通过地形指数、土壤饱和导水率和流速系数等水源涵养因子计算得到研究区水源涵养量，计算公式为

式中WC为水源涵养量（mm）；V为流速系数，KSAT为土壤饱和导水率（cm/d），Yield为产水量（mm），借助NeuroTheta软件实现；TI为地形指数，具体参数计算公式见王蓓等[23]、包玉斌等[24]研究成果。

2.1.3 土壤保持功能

土壤保持（Soil Conservation，SC）用于计算每一地块保持土壤的能力。采用通用土壤流失方程（RUSLE）对研究区土壤保持能力进行测算。首先，计算裸地情形下各种土地利用类型潜在的土壤侵蚀量RKLS，公式为

式中R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS为通过数字高程模型（DEM）测算得到的坡度及坡长因子，无量纲。

其次，在植被覆盖及工程措施等情形下计算潜在土壤流失量USLE（Universal Soil Loss Equation），公式为

式中C表示植被覆盖和管理因子，P表示工程措施因子。

根据上述在裸地情形及工程措施情形 2类情况下的结果，得到土壤保持量SC，t/(hm2·a)，计算公式为

参数R、K、LS、C、P因子具体计算公式见王蓓等[23]、包玉斌等[24]研究成果。

2.1.4 权衡与协同关系

运用相关分析法确定各服务间的空间权衡与协同关系。该方法通常用于研究变量之间相关关系[25]，其数值的大小反映了变量之间相关性的强弱。若为正值，则表明 2个变量具有协同关系；若为负值，则为权衡关系。相关公式如下：

式中ES1与ES2分别代表2种生态系统服务；r为ES1与ES2之间的相关系数；i、j分别代表栅格数据中具体像元的行号和列号；n为栅格数据的时间序列。

在MATLAB软件中，选择Visual Studio作为开发平台，利用 InVEST模型所使用的扩展类库，反编译生成Python源文件，结合盐池县实际，参考其他学者[25]在生态系统服务评估中已采用的有关各项服务类型的生态评估模型，生成新的Python代码，基于像元尺度计算盐池县草地碳储存、水源涵养和土壤保持 3种服务功能两两之间的权衡与协同关系，并对生态系统间的关系进行空间制图。

2.2 数据来源

草地碳库：在盐池县完成63个样地、315个草地样方，规格为1 m×1 m，收集地上生物量；在实验室烘干箱内对植物进行烘干处理（恒定65 ℃烘干至质量恒定），测得地上部分干物质量，根据干物质的基本构成，乘以0.45系数，确定地上碳储量。由于草地样地和TM 遥感影像尺度相同（同为30 m×30 m），采用63个样地实测数据，对地上碳储量与草地 NDVI值进行线性回归，利用拟合公式Y=376.95X−28.198（R2=0.84）推演出整个草地的地上碳储量。植物总碳储量参考黄土高原草原植被碳构成[26]及朴世龙等相关研究成果[27]，确定地上碳储量占植物总碳量的23.48%。土壤有机碳储量数据通过样地土壤采样后进行土壤农化分析获得，同时参考西部数据中心的 1:100万土壤数据和第二次全国土壤普查数据的8 595个土壤剖面数据，采用的土壤分类系统主要为FAO-90，主要获取字段T_OC：Real（有机碳含量）。在获取土壤碳储量数据后，随机选取20个采样点的土壤碳储量数据与同一点1:100万土壤数据相比较，计算误差系数，验证精度，确定土壤碳储量数据的可靠性。土壤数据：砂粒、粉粒、黏粒的含量、土壤深度，通过土壤野外采样获取，并参考西部数据中心《全国第二次土壤质地数据集》。

2.2.2 遥感数据

2000、2004、2007、2010和2015年草地空间分布数据采用人机交互式解译方法，结合多次野外调查，解译精度在84%之上，空间分辨率为30 m。

2.3.3 其他数据

气象数据：2000、2004、2007、2010和2015年的年降雨量、月降水量、日最高温、日最低温等，来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn）的中国地面气候资料年、月、日值数据集，将不同方法的插值结果相比较，最终选用普通克里金法对研究区周围10个气象监测站的数据进行插值。DEM数据：借助ArcGIS中的Arc Hydro模块，通过对DEM进行填挖处理，致使DEM的表面平滑，在此基础上，通过对填挖之后的DEM进行流向提取、流量提取、汇水累积阈值设置、数据结构转换等处理，实现集水区的集成。在对汇水累计阈值进行确定时，根据研究目的，秉承尽可能细化河网但不破碎的原则，经过多次尝试输入不同的阈值，将每次的集水区生成结果与实际的河网数据进行对比分析，多次试验发现，当汇水累计阈值达到32 000时，生成的河网数据与实际河网最为接近。

3 结果与分析

3.1 草地生态系统服务时空格局

通过整理、计算，将基础数据及相关参数代入InVEST模型，通过运行得到盐池县2000、2004、2007、2010和2015年5个年份草地生态系统服务碳储存、水源涵养和土壤保持量分布图（图2～图4），并对各研究时段碳储存、水源涵养和土壤保持量及变化情况进行分析，整理得到盐池县乡镇尺度草地碳储存、水源涵养和土壤保持数据及均值。

3.1.1 碳储量

由图 2可知，盐池县草地单位面积碳储量呈现从东北向西南逐渐递减的分布规律，最大值为11.56 t/hm2，均值介于5.51～6.19 t/hm2。全面禁牧前的2000年，草地碳储存总量为217.46万t，单位面积均值为5.78 t/hm2，经过2004年的持续增加，到2007年总量达到244.78万t，单位面积均值为6.01 t/hm2，增长3.98%，随后转为下降态势，到2010年总量下降为225.01万t，单位面积均值为5.51 t/hm2，下降9.17%，随后又转为增长态势，2015年总量达到263.12万t，单位面积均值为6.19 t/hm2，增长11.23%。

①入选患者均符合中国2型糖尿病诊治指南[2]（2013版）中定义的2型糖尿病诊断标准，空腹血糖（FPG）≥7.0 mmol/L，餐后2 h血糖＞11.1 mmol/L的2型糖尿病患者。②患者表示知情同意，愿意参加本研究。

2000－2004年，碳储存功能全县整体处于增长状态，但增长幅度存在区域差异，北部地区增幅较大，而广大中南部地区增幅相对较小；2004－2007年，草地碳储存功能整体处于快速增长状态，草地碳储存功能达到较高水平；2007－2010年，草地碳储存量又处于大面积下降状态，增长的范围极少；2010－2015年，碳储存功能增加显著，全县基本处于增长状态，增幅较大。总之 2000－2015年，盐池草地碳储存功能显著增强，在2007年达到一个小高峰，随后出现下降，而后转为稳定增长态势，表现为一个显著的“N”型波动上升态势。

3.1.2 水源涵养量

由图3可知，2000年盐池县草地水源涵养总量为2 884万t，单位面积均值为76.69 t/hm2，经过2004年的增加，到2007年总量达到7 869万t，单位面积均值为193.12 t/hm2，增长151.82%，随后转为下降状态，到2010年总量下降为4 923万t，单位面积均值120.60 t/hm2，下降 37.55%，随后又转为增长态势，2015年总量达到6 118万t，单位面积均值为143.92 t/hm2，增长19.34%。

草地水源涵养量在研究时段内波动十分剧烈，2000－2007年，水源涵养量全县大部处于增加状态，北部增加幅度大于南部地区；2007－2010年，草地水源涵养量处于全面下降的态势，且降幅较大；2010－2015年，又转为全面恢复和提升，同样北部增加幅度大于南部地区。总之，草地水源涵养量在2000－2015年间总量提升比较明显，且保持功能也有显著提升，总体呈“N”型波动上升的态势。

图2 2000－2015年盐池县草地碳储量时空格局Fig.2 Temporal and spatial pattern of grassland carbon storage in Yanchi County during 2000－2015

图3 2000－2015年盐池县草地水源涵养量时空格局Fig.3 Temporal and spatial pattern of grassland water conservation in Yanchi County during 2000－2015

图4 2000－2015年盐池县草地土壤保持量时空格局Fig.4 Temporal and spatial patterns of the grassland soil conservation in Yanchi County during 2000－2015

3.1.3 土壤保持量

由图4可知，2000年草地土壤保持总量为1 383万t，单位面积均值36.78 t/hm2，随后逐渐增加，到2007年总量达到4 056万t，单位面积均值达99.53 t/hm2，增长170.61%，随后转为下降状态，到2010年总量下降为2 194万t，单位面积均值53.75 t/hm2，下降45.99%，随后又转为增长态势，在2015年总量达到3 474万t，单位面积均值81.71 t/hm2，增长52.01%。

草地土壤保持量在各研究时段波动十分剧烈，2000－2007年，土壤保持量全县大部分处于增加状态，南部增幅大于北部地区；2007－2010年，土壤保持量又处于全面下降态势，且降幅较大；2010－2015年，处于全面恢复和提升过程，南部增幅大于北部。总之，草地土壤保持量在2000－2015年间总量提升比较明显，且保持功能有显著提升，总体上呈“N”型波动上升的态势，提升幅度南部大于北部。

3.2 生态系统服务权衡与协同关系空间格局

在权衡同时，对所得权衡关系利用t检验方法，判断其相互之间的显著性，划分权衡与协同系数等级，并对不同权衡关系的象元个数进行统计（图5），对其乡镇尺度空间占比进行计算（图6）。

由图5可以看出，盐池县草地土壤保持功能与水源涵养功能呈显著的协同关系，协同关系面积占86.34%，协同关系规律表现为自东南向西北逐渐增强的态势，权衡关系只在东南部地区有少量分布，且权衡等级较低；碳储存功能与水源涵养功能关系复杂，权衡与协同关系不鲜明，二者面积占比相当，其中协同关系占 52.34%，权衡关系占47.66%，在地形起伏较大的区域表现出显著的权衡关系，如南部麻黄山区和中南部的沙带，而广大中北部地区表现出低水平的协同关系；碳储存功能与土壤保持功能呈协同关系，协同关系面积比重为69.55%，全县大部分地区表现出低水平的协同关系，权衡关系分布零散，规律性不明显，通过对土地利用的观察，发现其分布区主要为新增草地，即新增草地土壤保持功能与碳储存功能存在一定的权衡关系。

图5 草地生态系统服务空间权衡与协同关系Fig.5 Spatial trade-offs and synergies relationship of grassland ecosystem services

图6 乡镇尺度草地生态系统服务权衡与协同关系占比Fig.6 Proportion of grassland ecosystem service trade-offs and synergies relationship at township scale

由图 6可知，土壤保持功能与水源涵养功能各乡镇都以协同关系为主，且协同关系面积占比都很高，比例从高到低依次是冯记沟乡（93.92%）、花马池镇（92.73%）王乐井乡（92.17%）、高沙窝镇（90.26%）、惠安堡镇（88.47%）、麻黄山乡（84.25%）、青山乡（72.29%）和大水坑镇（71.89%），其中协同等级最高的是高沙窝镇（83.52%的“协同**”关系），权衡关系比例低，主要在大水坑镇和青山乡存在少许低等级的权衡关系。表明草地土壤保持功能与水源涵养功能具有显著的协同关系，当草地的土壤保持功能强大时，其水源涵养功能同样较大，二者呈现出相辅相成的关系。

碳储存功能与水源涵养功能表现出复杂的权衡与协同关系。各乡镇中协同关系面积比例介于 37.28%～68.04%之间，权衡关系介于31.39%～62.72%之间，麻黄山乡的协同关系最高，王乐井乡的权衡关系最高，其中权衡关系为主的有王乐井乡（62.72%）、高沙窝镇（61.55%）、冯记沟乡（59.10%）和花马池镇（55.97%），协同关系处于优势的有麻黄山乡（68.04%）、青山乡（56.28%）、惠安堡镇（54.57%）和大水坑镇（52.09%），由此可以看出，地形因素是决定草地碳储存与水源涵养协同与权衡关系的主导因素，当地形起伏较大时，多属协同关系，当地形平坦时多属权衡关系。

在碳储存与土壤保持功能关系中，协同关系仍是主导，各乡镇协同关系面积比例从高到低依次是王乐井乡（80.05%）、大水坑镇（76.74%）、青山乡（75.64%）、高沙窝镇（75.11%）、冯记沟乡（67.23%）、花马池镇（64.95%）和惠安堡镇（64.36%），而麻黄山乡以权衡关系为主（57.57%）。这说明碳储存功能与土壤保持功能的协同也主要受地形因素影响，在地形起伏平缓的地区碳储存功能与土壤保持功能呈协同关系，地形起伏特别大的地区碳储存功能与土壤保持功能呈权衡关系，但这种权衡与协同关系受地形的影响要小于碳储存功能与水源涵养功能的关系受地形影响的程度。

4 讨 论

草地生态系统服务评估是本研究的前提和基础，对InVEST模型本地化修正后，在盐池县草地生态系统服务评估中取得了较好效果，为精准确定生态补偿标准提供了基础。研究运用草学野外调查和试验方法，在对草地植被和土壤实测的基础上，获取和修正模型所需参数，包括草地碳库数据、植被数据、土壤数据等。评估得到盐池县草地碳储量均值为5.78～6.19 t/hm2，水源涵养功能2000年为76.69 t/hm2，2015年为143.92 t/hm2，土壤保持能力2000年为36.78 t/hm2，2015年为81.71 t/hm2。包玉斌[24]2014年对陕北黄土高原运用InVEST模型研究，所得定边县（盐池县东邻）介于8.2～10.4 t/hm2、水源涵养均值介于 101.8～279.7 t/hm2之间、土壤保持能力为59.5～92.4 t/hm2，其研究结果均略大于本研究，由于陕北黄土高原在水热条件上都优于宁夏盐池县，因此本研究结果符合实际。

研究得到的草地土壤保持与水源涵养功能呈显著的协同关系，碳储存与水源涵养功能关系复杂，权衡与协同关系不显著，碳储存与土壤保持功能呈协同关系。巩杰等[28]对白龙江流域研究也认为土壤保持与水源涵养呈显著的协同关系；郑德凤等[29]研究也发现协同关系是三江源国家公园生态系统服务之间的主导关系；尹礼唱等[30]认为在中国的屏障带，土壤保持、固碳及产水间三者以协同为主，其中东北森林带固碳与水源涵养功能关系复杂，权衡与协同关系不显著，权衡关系像元比例为49%，与本研究的47.66%非常接近。王鹏涛等[25]研究发现汉江上游的土壤保持与产水服务均以权衡关系为主；戴路炜[31]对农牧交错带多伦县研究发现产水量与土壤保持、产水量与碳固持显著权衡；Pan等[32]研究发现在西北干旱内陆河流域区域尺度上，水源涵养和土壤保持生态系统服务间存在此消彼长的权衡关系，这与本研究的结果存在差异，造成这种差异的原因可能是地形因子的影响，地形因素是决定碳储存-水源涵养功能和碳储存-土壤保持功能协同与权衡关系的主导因素，当地形起伏较大时，多属协同关系，当地形平坦时多属权衡关系，另外研究尺度差异也可能是影响因素，这仍需进一步研究。

5 结 论

1）2000－2015年，盐池县草地生态系统碳储存、水源涵养和土壤保持功能显著增加，但存在一个显著的“N型”波动。草地碳储存总量及单位面积均值由217.46万t、5.78 t/hm2增加到263.12万t、6.19 t/hm2；水源涵养总量在波动中增加，由2 884万t、单位面积均值76.69 t/hm2增加到6 118万t、143.92 t/hm2；土壤保持总量波动也比较剧烈，由1 383万t、单位面积均值36.78 t/hm2增加到3 474万t、81.71 t/hm2。草地碳储存功能在研究时段内变化幅度较小，增加或减少都是缓慢且连续的，而水源涵养功能和土壤保持功能则处于大幅度增加或减少的状态；就区域差异而言，碳储存和水源涵养功能的增加北部高于南部，而土壤保持功能则是南部大于北部。

2）草地土壤保持功能与水源涵养功能呈显著的协同关系，协同关系面积占86.34%，在空间上表现为自东南向西北逐渐增强的变化规律，权衡关系只在东南部有少量分布，且等级较低；碳储存功能与水源涵养功能关系复杂，权衡与协同关系不显著，二者面积占比相当，分别为47.66%和52.34%，其中在地形起伏较大的南部地区表现出显著的权衡关系，而广大中北部地形起伏和缓的地区变现出低水平的协同关系；碳储存功能与土壤保持功能呈协同关系，协同关系面积比例达69.55%，全县大部分地区表现出低水平的协同关系，权衡关系分布零散，规律性不明显。地形因素是决定碳储存-水源涵养功能和碳储存-土壤保持功能协同与权衡关系的主导因素，在地形起伏较大的区域，二者多属协同关系，在地形平坦的区域，二者则多为权衡关系。