三峡库区森林生态系统服务权衡与协同分析

王娜，楚鑫磊，勾蒙蒙，李乐，喇蕗梦，刘常富,

1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所/国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京 100091；2. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037

日益严重的环境污染、资源危机和生物多样性丧失推动了全球生态系统服务的研究（李文华等，2009；李双成等，2011；邓楚雄等，2019）。作为联系自然与人类的桥梁与纽带，生态系统服务是指生态系统形成和维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用（Daily，1997），是人类从生态系统中直接或间接获得的所有惠益（Costanza et al.，1997），包含供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4种类型（Ma，2005；Rodríguez et al.，2006）。由于人类对生态系统服务的选择偏好（傅伯杰等，2016；彭建等，2017；Soto et al.，2018），不同服务之间往往呈现出复杂的相互作用关系，即此消彼长的权衡作用和相互增益的协同作用（Bennett et al.，2009；Power，2010）。识别区域生态系统服务之间的权衡关系，有助于实现利益相关者惠益最大化，从而实现区域发展与生态保护的“双赢”。

作为陆地生态系统的主体，森林生态系统具有木材供给、水土保持、涵养水源、固碳增汇（Tang et al.，2018）等多重生态系统服务，对全球生态系统和人类经济社会发展起着至关重要和无可代替的作用（江泽慧，2007；徐雨晴等，2018）。过去几十年间，由于高强度的经济活动和粗放式的森林经营管理，加之对生态系统服务认知的严重缺乏，导致了生物多样性减少、水土流失、污染物传播等一系列的生态问题。自20世纪90年代Daily（1997）和Costanza et al.（1997）提出生态系统服务概念、原理、分类和评估方法后，森林生态系统服务也受到了越来越多的关注（刘世荣等，2015），如张静静等（2020a）探讨了伏牛山地区森林生态系统服务权衡/协同的多尺度效应；吴炜等（2019）分析了中亚热带3种次生林生态系统服务权衡与协同关系及其影响因素。然而在生态系统服务价值评估及其对土地利用变化（Kim，2014；Kindu et al.，2016）和景观格局（Estoque et al.，2016）变化的响应研究中，森林仅被作为土地利用的一种类型进行探讨，各森林生态系统服务价值及其权衡与协同关系仍待深入研究。目前关于森林生态系统服务的研究多集中于价值评估，既包含单一服务类型，如涵养水源服务（李晶等，2003；周佳雯等，2018）和固碳服务（孙滨峰等，2018；高艳妮等，2019）等的深入剖析，也包含多种服务类型的综合探讨，尺度上涵盖了从国家（王兵等，2011）、区域（肖骁等，2017；黄龙生等，2018；张静静等，2020b）等多尺度的研究。但不同研究区域多重森林生态系统服务的权衡与协同关系的量化研究存在不足（虞依娜等，2020），而且森林生态系统提供服务的能力受森林结构功能和外界环境因素的共同影响，因此针对森林生态系统服务权衡与协同作用程度的影响因素分析亟待加强。

三峡库区是中国重点敏感生态区，也是长江中上游生态屏障，生态地位突出。但三峡库区面临着生态本底脆弱、生态系统稳定性较低的问题，加之受库区建设和城镇化等因素的影响，森林生态系统面临承载力不足、森林质量较低、服务能力弱化等问题（肖文发等，2004；程瑞梅，2008；张财宝，2013）。在此背景下，揭示三峡库区森林生态系统服务时空动态特征，分析森林生态系统服务权衡关系动态，对于深入探讨生态政策和城镇化等因素对库区森林生态系统服务的影响至关重要。本文在分析1990—2000年和2000—2015年森林生态系统服务时空动态变化和空间聚集特征的基础上，运用相关分析以及空间分析评估6种生态系统服务（涵养水源、固碳释氧、保育土壤、生物多样性保护、积累营养物质和净化大气环境）之间的权衡与协同关系，以期为流域生态保护与可持续生态系统管理提供理论基础与技术支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

三峡库区（106°—110°50′E、29°16′—31°25′N）地处长江中上游，地跨湖北省和重庆市的 20个区县，幅员面积为576.68×104hm2。全区由库首、腹地和库尾三部分组成，其中腹地以万州南部为界分为腹东和腹西（陈雅如等，2017）。库区地势东高西低，四面环山，地形地貌复杂，是典型的山地区域。三峡库区属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温在 17—19 ℃之间，年平均降雨量在 1000—1250 mm之间。区域植被类型丰富，以针叶林、阔叶林、混交林和灌木林为主，其中针叶林占地面积最大（肖文发等，2000）（图1）。

图1 三峡库区位置图Fig. 1 The location of the Three Gorges Reservoir Area

1.2 数据来源

本文数据包括：三峡库区 1990、2000、2015年的遥感影像（Landsat TM/ETM+/OLI）数据（http://earthexplorer.usgs.gov/），分辨率 30×30 m；三峡库区森林资源二类调查数据、固定样地数据和实地长期定位监测数据，前者作为基础数据，后者作为对照和辅助数据；通过解译遥感影像，获取3个时期的森林数据，并以二类调查数据和样地数据辅助修正，各时期影像分类精度高于85%以满足研究需求（黄春波等，2018）。

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统服务价值评估

本研究选取了涵养水源、保育土壤、固碳释氧、生物多样性保护、积累营养物质和净化大气环境6种生态系统服务开展价值评估。根据千年生态系统服务确定的生态系统服务分类体系，6种生态系统服务共涉及调节服务和支持服务2大类，其中涵养水源、固碳释氧、积累营养物质和净化大气环境为调节服务，保育土壤和生物多样性保护为支持服务。涵养水源价值评估参考王鹏程（2007）对三峡库区涵养水源研究结果，以林冠截留量、枯落物持水量和土壤入渗量进行估算；保育土壤、固碳释氧、生物多样性保护、积累营养物质和净化大气环境价值评估参照《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T1721—2008）（王兵等，2008）。此外，结合三峡库区森林资源二类调查数据、固定样地数据及定位站长期监测与研究成果（刘常富，2014），并根据林龄、森林类型等对参数进行了矫正（楚鑫磊等，2019）。

1.3.2 生态系统服务变化指数测算

采用生态服务变化指数（IESC）对库区（TGRA）及各区县（County）森林生态系统服务价值的动态进行分析（李晶等，2016），当IESC=0时表示生态系统服务未发生变化，IESC为正值和负值时分别表示生态系统服务有增益和有减损，IESC绝对值大小用于表示生态系统服务变化的程度。

式中，IESC,i代表第i种生态系统服务价值变化指数；VF,i代表第i种生态系统服务最终时期价值量，VI,i代表第i种生态系统服务最初时期价值量。

1.3.3 生态系统服务权衡与协同分析

采用简单相关和空间自相关分析相结合的方法判定生态系统服务之间的关系。根据相关系数正负判定生态系统服务之间的权衡与协同关系，正值表示协同关系，负值表示权衡关系，相关系数大小表征生态系统服务之间相互作用关系的程度。运用全局Moran’sI指数分析县域生态系统服务的空间依赖程度，其范围在[-1, 1]之间；当全局Moran’sI指数为 0表示服务趋于空间随机分布；当全局Moran’sI指数大于0表示服务呈正相关，趋于空间聚合；当全局Moran’sI指数小于0表示服务呈负相关，趋于空间离散。采用Z值进行显著性检验，当Z大于1.96或小于1.96（α=0.05）时，表明县域尺度生态系统服务在空间上具有显著相关性（王宏亮等，2020），计算公式如下：

采用局部Moran’sI指数识别各服务之间的空间聚集特征及相邻局部区域单元之间的空间相关关系（Anselin，1995）。采用LISA聚集图分析县域生态系统服务的空间聚集性，共包含高高聚集、低低聚集、高低聚集、低高聚集、非显著相关5种类型。其中，高高聚集和低低聚集为正相关，表示空间聚合程度高；高低聚集和低高聚集为负相关，表示空间离散程度高；非显著相关表示无明显的聚合和离散特征（管青春等，2019）。

局部Moran’sI指数计算公式为：

式中，Yi和Yj各代表单元i和单元j的属性值；n为空间单元数量（本研究划分为20个）；Wij为权重矩阵（根据空间邻接关系建立）。

2 结果与分析

2.1 森林生态系统服务价值时空变化

2.1.1 时间变化

由表1可知，涵养水源（WC）、保育土壤（SC）、固碳释氧（CS）、生物多样性保护（BC）、积累营养物质（NA）和净化大气环境（AP）6种生态系统服务的IESC在1990—2000年和2000—2015年均为正值，表明库区生态系统服务价值呈现上升趋势。具体来说，涵养水源在 1990—2000年呈现出较快的价值增长趋势，在2000年后增长趋势降低；而其他5种服务均表现为在2000—2015年的价值增长程度高于1990—2000年。

表1 1990—2015年不同时期三峡库区森林生态系统服务变化指数（IESC）Table 1 IESC of forest in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

从损益变化来看，生态系统服务变化指数在空间上差异明显。除涵养水源在1990—2000年和2000—2015年均有增减外，其他5种服务在两时期为完全增益状态。涵养水源服务的IESC值在两时期均存在负值，2000—2015年IESC最小值和最大值同步变大，体现出涵养水源服务价值呈减损程度降低、增益程度提高的变化趋势，结合库区 2000—2015年增长趋势有所降低的结果，说明局部地区森林涵养水源能力显著增强；保育土壤、生物多样性保护、积累营养物质的IESC在两时期的极值变化呈两极分化趋势，其中保育土壤和生物多样性保护服务的IESC最大值均相差近1倍，表明2000年后局部地区保育土壤和生物多样性保护服务价值变化加剧；固碳释氧、净化大气环境IESC值呈逐渐增加趋势，表明库区森林固碳释氧和净化大气环境能力有所提高，增益程度加强。

从1990—2000年和2000—2015年6种森林生态系统服务价值变化指数空间分布（图2）来看，涵养水源在两时期的IESC分布格局变化突出，减损区域由西向东转移，1990—2000年的增益区域为东部高于西部，但2000—2015年表现出相反状态，腹西和库尾的增益状态发展显著。保育土壤、生物多样性保护、净化大气环境在1990—2000年增益不明显，在2000—2015年增益强度有所提高，但两时期IESC分布格局差异较小。固碳释氧和积累营养物质在1990—2000年的增益状态表现为西部高于东部，而2000—2015年呈现出自西向东转移的态势。

图2 三峡库区森林生态系统服务变化指数空间分布图Fig. 2 Spatial distribution of IESC in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

2.1.2 空间聚集特征

1990、2000、2015年6种生态系统服务的全局莫兰指数（Moran’sI）均为正值，且多数服务通过了显著性检验，表明各服务均为空间正相关关系（表2）。其中涵养水源和生物多样性保护的Moran'sI先增后减，固碳释氧和积累营养物质的Moran'sI先减后增，保育土壤和净化大气环境的 Moran'sI呈增长趋势。

表2 三峡库区6种森林生态系统服务全局莫兰指数Table 2 Moran’s I of six forest ecosystem services in the Three GorgesReservoir Area

局部自相关结果表明，三峡库区6种生态系统服务呈现出相似的聚集特征，在一定程度上表现出空间异质性（图3）。涵养水源在2000年和2015年均在库首有1个显著高高聚集的区县，显著低低聚集区县由1990年的4个增至5个，聚集分布区域呈现由库尾向腹地扩展趋势。保育土壤的显著高高聚集区县在2015年增至2个，显著低低聚集区县数量和分布在1990、2000、2015年未发生变化，主要集中在库区西南部。固碳释氧的显著高高聚集区县数量呈波动变化，2015年的显著高高聚集区县数量最多，且集中聚集状态与同期的保育土壤保持一致。生物多样性保护的显著高高聚集区县在2015增至3个，集中区域同样呈现由库首向西南部腹地扩展的趋势，显著低低聚集区县数量和分布在3个时期保持不变，集中区域位于库区西南部。积累营养物质仅在 2015年出现显著高高聚集区县，集中分布于库首和腹东区域，2015年显著低低聚集区县数量较其他时期增加了1个，在空间上呈现向西南部库尾扩展的趋势。净化大气环境的显著高高聚集和显著低低聚集在 1990、2000、2015年具有相同的区县数量和分布状态，显著高高聚集区县位于东北部，显著低低聚集区县位于西南部。

图3 1990—2015年三峡库区6种生态系统服务局部LISA图Fig. 3 LISA cluster map of six ecosystem services in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

综上，三峡库区6种森林生态系统服务在局域空间上以聚集分布为主，少见低高和高低的离散分布状态。各服务价值整体上呈现出东北部高高聚集、西南部低低聚集的集聚规律。

2.2 森林生态系统服务权衡协同关系

2.2.1 权衡与协同关系

相关分析表明，6种生态系统服务多表现为协同关系，不同时期协同程度存在差异（表3）。1990—2000年6种服务相互之间均呈较强的协同关系，其中保育土壤-生物多样性保护、固碳释氧-积累营养物质、固碳释氧-净化大气环境之间的协同作用较强（相关系数最高值达0.979）；2000—2015年各服务之间仍多呈协同关系，但协同程度较之 1990—2000年有所减弱，涵养水源-固碳释氧、涵养水源-积累营养物质呈现出较弱的权衡关系。

表3 1990—2015年不同时期三峡库区6种森林生态系统服务相关关系Table 3 The correlation among six forest ecosystem services in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

对比相关系数和Moran’sI指数（表3）可知，1990—2000年6种生态系统服务之间在时空上均表现出显著正相关，即存在协同关系，时间上的协同强度高于空间；2000—2015年涵养水源与其他 5种服务在时间上的相关性不显著，而在空间上呈现权衡关系，其他服务与1990—2000年表现出相同的相关关系。由此可见，6种生态系统服务在时空尺度上的相互作用方向与强度存在一定差异性，整体上相关关系以协同为主。然而各服务之间协同程度的降低和权衡关系的出现表明，虽然2000年退耕还林工程推动了库区森林面积和覆盖度增加，但三峡库区蓄水完成后，局部地区城镇化和移民工程基础设施建设等人为影响（严恩萍等，2014；国洪磊等，2016）制约了森林质量的恢复与提升。

2.2.2 权衡与协同空间分布特征

6种生态系统服务之间双变量局部空间自相关分析表明，各服务之间多表现为高高聚集和低低聚集的协同关系，具有显著的空间异质性（图4）。1990—2000年涵养水源-保育土壤、涵养水源-固碳释氧、涵养水源-生物多样性保护、保育土壤-固碳释氧、保育土壤-生物多样性保护、固碳释氧-生物多样性保护、涵养水源-净化大气环境、保育土壤-净化大气环境、生物多样性保护-净化大气环境9对服务之间均在库首和库尾表现出协同关系，具体表现为库首高高聚集、库尾低低聚集，另前6对服务在库区腹西也表现出低低聚集的协同关系；涵养水源-积累营养物质、保育土壤-积累营养物质、生物多样性保护-积累营养物质 3对服务的协同表现在库首和腹西，库首高高聚集、腹西低低聚集；固碳释氧-积累营养物质、固碳释氧-净化大气环境、积累营养物质-净化大气环境的协同表现在库尾和腹西，为低低聚集分布，另库首表现出低高聚集的权衡。

图4 1990—2015年不同时期三峡库区6种生态系统服务间局部LISA图Fig. 4 LISA cluster map between two ecosystem services in the Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2015

2000—2015年涵养水源与其他5种服务呈现明显的权衡关系，具体为低高聚集表现在库首和腹东，高低聚集表现在库尾和腹西。其余 10对服务表现出相似的空间分布特征，协同表现在腹地东西两侧和库尾北部。与 1990—2000年相比，2000—2015年涵养水源与其他5种服务空间上的协同关系呈减缩趋势，在库区东北部和西南部出现权衡关系；其余 10对服务空间上的协同关系呈自东向西扩展趋势，且高高聚集和低低聚集由零散分布向组团分布转变。

3 讨论

本研究运用生态服务变化指数、相关分析与空间分析，阐释了6种森林生态系统服务时空变化动态、空间聚集特征及各服务间权衡与协同关系。结果表明1990—2000年和2000—2015年各服务价值均处于增益状态，而且 2000年后的价值增益程度有所提高，表明退耕还林等生态恢复工程有效地控制了森林损失，促进了森林恢复（Teng et al.，2017）。森林恢复、土壤保持和水源保护等措施又有效缓解了降雨侵蚀、控制了地表径流、减少了水土流失并增加了土壤有机碳含量（Huang et al.，2019），从而增强了库区森林涵养水源和保土固碳能力。退耕还林推动着三峡库区耕地等土地利用类型向林地转移增加（Teng et al.，2019），提高了森林植被覆盖率，并优化了林分结构和景观格局（Ghazoul et al.，2017）。森林管理措施与土地利用变化（黄春波等，2018）对森林生态系统水文等调节过程及其功能产生显著正影响（曹云等，2006），也在一定程度上缓解了人为干扰带来的生态损害效应（马骏等，2014），推动森林生态系统服务价值总体提升。在IESC空间格局变化方面，库区森林面积、林龄等导致各服务空间格局存在差异性。2000年后库区造林在一定程度上缓解了西南都市区城市建设造成的森林破碎化，森林恢复与覆盖度增加推动西南部涵养水源增益程度提高；同时由于东北部陡坡地土壤侵蚀强度高于西南部，退耕还林后东北部水土流失量下降趋势更为明显（Teng et al.，2019），故而固碳释氧和积累营养物质增益状态表现出自西南向东北部扩展趋势；此外目前新增森林处于幼林阶段，可能由于森林恢复对其生态系统服务的时滞效应（Chen et al.，2014；Blanco et al.，2017)，导致保育土壤、生物多样性保护、净化大气环境等服务增益变化不明显。

库区各生态系统服务价值具有空间异质性，分布格局呈东北部高高聚集、西南部低低聚集的规律特征，价值的空间分布格局与齐静等（2020）对三峡库区多类型生态系统服务价值的研究基本一致，反映出森林生态系统是库区生态系统服务价值的主要支撑（严恩萍等，2014）。生态系统服务低值聚集区主要分布在库尾长寿、渝北、重庆、巴南和涪陵等平原区域，海拔较低、地势较平缓，是城镇化及经济高度发展的都市区，这些区域面临着城市用地扩张、土地利用不合理、生态环境退化等严峻考验。城镇化进程的推进导致林地侵占和森林景观破碎化（陈雅如等，2017；陈雅如等，2018），因此需要优化国土空间、加强森林生态系统保护与修复，提高该区域乃至整个库区森林生态系统服务价值。生态系统服务价值高值聚集区主要分布在库首秭归、奉节和巫山等中低山区域，相较于西部都市区，山地森林景观破碎化程度较低，森林资源丰富且覆盖度高，因此形成了生态系统服务价值高值聚集的协同发展。随着空间演变，生态系统服务价值高值分布区域扩增，表明系列生态恢复工程的实施推动了人工林面积的增加，而且林龄增长促使林分蓄积量得以提高（Nishizono，2010），保障了库区生态环境的正向演变。此外自然保护区的建立保护了生物多样性和自然遗产（黄龙生等，2018），保障了库区森林生态系统的完整性与稳定性，是提升库区森林生态系统服务的有效途径。

权衡与协同关系研究表明，在 1990—2015年库区各生态系统服务之间以正相关的协同为主，且时间（相关系数）与空间（Moran'sI指数）尺度的权衡与协同关系基本一致。2000年后涵养水源与其他5种服务由协同转为权衡，可能由于退耕还林工程推进，伴随着林龄增加导致其他生态系统服务价值的提升以土壤容水量消耗为代价（欧朝蓉等，2020），这一点也与林地土壤碳储量、水储量和林下植被多样性等对林龄差异化响应的研究结果一致（Lu et al.，2014）。同时由于2000年后三峡工程开始蓄水（国洪磊等，2016），蓄水量的增加引起了库区气候变化，如降水量的减少等（陈祥义等，2015），在一定程度上削弱了森林涵养水源功能，表明森林生态系统服务权衡与协同是内部因素（林龄、森林结构等）和外部因素[如库区蓄水（国洪磊等，2016）、土地利用变化（熊杰等，2018）、生态工程实施]共同作用的结果。权衡与协同的空间分布规律表现为散布转向组团，2000—2015年协同聚集区域扩增，“高-高”协同与“低-低”协同的空间聚集状态与 2015年各服务价值空间聚集特征相似，库首山区和库尾平原分别是各服务“高-高”协同和“低-低”协同的主要分布区域。“高-高”协同分布区域比例增长有助于实现自然环境保护与社会经济发展的双赢，因此需积极应对城市化发展问题、推动实施生态保障工程，促使生态系统服务之间“低-低”协同转变为“高-高”协同并弱化权衡，同步提升涵养水源、保育土壤、生物多样性保护等生态系统服务价值。本研究在一定程度上分析了不同时空尺度生态系统服务权衡与协同关系，但各服务相互作用的内部机理和影响机制尚未深入剖析，未来要继续探讨不同生态系统服务之间权衡与协同对自然和人为驱动因素的响应机制，尤其要重点关注内在生态因素，量化不同森林类型、结构、生长发育过程等对森林提供服务能力及各服务相互关系的影响。

4 结论

本研究采用生态系统服务变化指数、相关系数、空间分析等方法，分析了1990—2015年三峡库区森林生态系统服务时空变化动态、空间聚集特征及生态系统服务权衡与协同关系，主要结论如下：

（1）6种生态系统服务价值均有所增加且IESC值域表现出两极分化、极值持平和极值倍增等不同变化趋势。IESC空间分布格局变化迥异，涵养水源、固碳释氧和积累营养物质在 2000年前后增益状态呈相反的变化趋势，前者为自东北向西南转移变化，后两者呈自西南向东北扩展变化；保育土壤、生物多样性保护、净化大气环境在两时期的增益变化不明显。

（2）6种生态系统服务均为空间正相关，局部呈现出相似的集聚特征。各服务显著高高聚集和显著低低聚集单元数目均有所增加，空间分布呈东北部高高聚集、西南部低低聚集的规律特征。

（3）同一时期6种服务之间Moran'sI指数和相关性系数的表现基本一致，而不同时期的相关关系及程度存在差异。1990—2000年各服务在时空上均呈正相关的协同关系，时间上的协同程度高于空间；2000—2015年涵养水源与其他5种服务在时空上出现负相关的权衡关系，其他服务之间虽仍为协同关系，但协同程度有所减弱。

（4）空间格局上，两时期各服务之间权衡与协同关系异质性显著。2000年后，涵养水源与其他5种服务由正相关协同转变为负相关权衡，其余各服务之间协同关系的分布区域均有所增加，且空间聚集由散布向组团转变。