降水和土地利用对黑河上游生态系统服务权衡与协同关系的影响

张元，张福平，丁家宝，宁亚洲，曾攀儒

（陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西 西安 710119）

生态系统服务是指生态系统所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，是人类直接或间接从生态系统中所获得的所有收益［1，2］。人类通过一些生活生产行为，从生态系统中获取对自身有利的福祉，这就使得生态系统会发生变化，从而产生权衡或协同的结果［3］。协同是指两种或两种以上生态系统服务之间的关系为正相关，即服务之间呈现出共同增加或共同减少的情况［4，5］。权衡一般是指两种或两种以上生态系统服务之间的关系为负相关，即一种服务的增加／减少会导致另一种服务的减少／增加［6］；但从广义上讲，权衡还可以是两种或多种生态系统服务变化速率不均匀的单向变化［7］。研究表明，生态系统服务之间的权衡与协同是同时存在的，而且往往权衡作用要远大于协同作用［8］，人类在进行选择时，往往会倾向于选择可以获取利益的服务，而忽视一些调节、支持服务，这样就会对生态平衡造成影响，甚至对生态系统造成破坏。所以研究生态系统服务的权衡协同关系，对于维持生态平衡、保护生态环境具有重要意义。

近年来，权衡协同的研究已成为该研究领域的热点之一，且大多数都集中于研究生态系统服务权衡协同关系的时空特征。如王鹏涛等［9］研究了汉江上游生态系统服务权衡与协同关系时空特征，Wang等［10］分析了重点脆弱生态区生态系统服务权衡与协同关系时空特征，Pan等［11］研究了西北干旱内陆河流域多种生态系统服务之间权衡和协同关系的时空格局。还有一些研究揭示了不同服务关系的尺度依赖，如余玉洋等［12］通过多种空间尺度对秦巴山区多种生态系统服务之间的关系进行探究，发现从500 m到200 km不同的空间尺度下，各种生态系统服务之间的关系会从权衡变为协同或者从协同变为权衡；Qiao等［13］发现在全域尺度和县域尺度下太湖流域生态系统服务的关系会有变化。但分析影响生态系统服务关系的研究较少，尤其是在干旱内陆河流域。

黑河上游位于祁连山区，植被覆盖良好，是重要的水土保持区。但近些年来由于超载放牧和毁林毁草，该流域植被减少，水土流失加剧，生态环境恶化［14］。2000年以后，国家启动黑河专项治理规划工程，以解决上游的生态问题。然而气候变化和一系列的治理措施对生态系统服务及其关系也产生了重要影响。已有研究表明，降水和土地利用对于生态系统服务及其关系的影响最为显著［15，16］。本研究以黑河上游为对象，利用InVEST模型和CASA模型测算了2000—2015年黑河上游的产水、土壤保持和植被净初级生产力，进一步分析了降水和土地利用对3种服务间关系的影响，以期为黑河上游的生态恢复提供理论指导。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

黑河发源于祁连山中段，是我国西北干旱区第二大内陆河。西起黑山、邻接疏勒河流域，东至大黄山、武威盆地，北部与蒙古接壤，流经青海、甘肃、内蒙古三省（自治区）。黑河上游包含青海省祁连县和甘肃省肃南裕固族自治县的大部分地区，介于37°43′18＂～39°9′8＂N、99°9′53＂～101°0′16＂E（图1）。研究区地势南高北低，平均海拔3 581 m，气候湿润寒冷。河道两岸山高谷深，植被覆盖良好，主要植被类型为高山草甸［17］。黑河流域上游垂直地带性分布明显，土壤类型众多［18］。

图1 研究区概况

1.2 数据来源

InVEST模型和CASA模型所需数据如表1所示。

表1 数据来源与参数处理说明

1.3 研究方法

1.3.1 产水（water yield，WY）估算方法 利用InVEST产水模块计算产水量。该模块是基于Budyko水热耦合平衡假设［20］，利用年平均降水量数据和蒸散数据计算，每个栅格单元的产水量为降水量减去实际蒸散后的水量，模型不做地表水、地下水、基流的区分。研究区每个栅格单元的年产水量，计算公式如下：

式中，WYxj为栅格单元x中土地利用类型为j的产水量（mm）；AETxj为栅格单元x中土地利用类型为j的实际蒸散量（mm）；Px为栅格单元x的降水量（mm）［21，22］。

1.3.2 土壤保持（soil conversation，SC）估算方法

InVEST土壤保持模块认为土壤侵蚀减少量与持留量的差值即为土壤保持量，前者为土壤潜在侵蚀量与实际侵蚀量的差，后者为地块拦截上坡沉积物的能力，以来沙量与泥沙持留率的乘积表示［23］。由此可见，该模型相对于通用土壤流失方程（USLE），考虑了植被在缓减侵蚀和截留上坡来沙的作用［24，25］。计算公式如下：

式中，SCx、PKLSx、USLEx和SEDRx分别为栅格x的土壤保持量（t）、潜在侵蚀量（t）、实际侵蚀量（t）和持留量（t）。

1.3.3 植被净初级生产力（net primary productivity，NPP）估算方法 利用CASA模型计算研究区的植被净初级生产力。在模型中，光合有效辐射与光能利用率的乘积代表植被NPP的值［26］。公式如下：

式中，NPP（x，t）为像元x在t时间内单位面积植被净初级生产力（gC·m－2），APAR（x，t）代表像元x在t时间内吸收的光合有效辐射（MJ·m－2），ε（x，t）表示像元x在t时间内植被实际的光能利用率（gC·MJ）。

1.3.4 生态系统服务间相关性分析方法 利用Matlab软件对黑河上游2000—2015年间3种生态系统服务间的相关性进行量化分析。利用t检验，将生态系统服务的权衡与协同关系分为7类，即协同**（r＞0，t≤0.05），协同*（r＞0，0.05＜t≤0.1），协同（r＞0，t＞0.1），权衡**（r＜0，t≤0.05），权衡*（r＜0，0.05＜t≤0.1），权衡（r＜0，t＞0.1）；其余的为不相关［27］。

1.3.5 标准化处理 由于服务的单位和范围值不一致，为了便于比较，对服务数值进行标准化处理，公式如下，其中ESi为服务量化任意值，ESmin指服务量化最小值，ESmax指服务量化最大值［28］。

2 结果与分析

2.1 黑河上游生态系统服务权衡与协同关系的时空特征

2.1.1 黑河上游生态系统服务及其关系的时间特征分析 黑河上游流域2000—2015年产水、土壤保持及NPP三种服务均值的年际变化情况如图2a、b、c所示。可见，黑河上游地区产水、土壤保持和NPP年际变化波动较大，总体呈增加趋势。2000—2015年产水量平均值为60.07 mm，最低值在2002年（47.38 mm），最高值在2007年（73.94 mm），以0.64 mm·a－1的速率递增；产水总量年际波动极大，尤其是2002—2007年间，产水低值、高值交替出现。土壤保持的多年平均值为435.52 t·hm－2，2000—2012年间土壤保持量在波动中增加，并于2012年达到峰值（692.82 t·hm－2），之后每年的土壤保持量均下降，至2015年出现急剧降低的情况。研究区内NPP多年平均总量为277.39 gC·m－2，在238.84～315.84 gC·m－2之间上下浮动。

对3种服务进行标准化处理，利用多项式拟合两两服务之间随时间的变化趋势，由图2d、e、f可见，产水与土壤保持在2000—2010年变化趋势一致，而在2010年后呈现出明显的产水增加土壤保持减少／产水减少土壤保持增加的变化规律，这表明产水与土壤保持在2000—2010年之间是协同关系，而在2011—2015年为权衡关系。NPP与产水在2000—2010为权衡关系，而在2011—2015年转变为协同关系。NPP与土壤保持在研究时段内一直是此消彼长的权衡关系。

图2 生态系统服务及其关系的时间变化趋势

2.1.2 黑河上游生态系统服务及其关系的空间特征分析 从空间分布情况来看，2000—2015年产水、土壤保持和NPP三种服务均呈现出东南高西北低、山地高河谷低的分布态势（图3a、b、c）。16年间，黑河上游流域产水深度平均值为77.62 mm，但空间分布不均，整体呈现由东南向西北递减的分布规律，青海省境内的祁连县是产水分布的高值区，其北部靠近祁连山山麓地带及与甘肃交界的边缘地区产水量均高于129 mm；沿河谷分布着均值在59 mm的产水地带；而低值区则出现在肃南西北角和邻接高台、临泽、张掖的南部地区。土壤保持年均值为436.12 t·hm－2，空间上也是呈现出西北劣于东南的分布情况；但不同的是，土壤保持无特别明显的高值集中区，只是在研究区东部、沿河谷地带植被覆盖较好的地区有呈条带状延伸的分布规律；在肃南与酒泉接壤的地域有零星分布的高值点，而低值区与高值区穿插分布。NPP的分布情况与产水基本一致。

从全区来看，黑河上游的大部分地区产水和土壤保持协同关系，且大部分区域协同关系的t检验值大于0.1，只是在一些河谷地带会有权衡集中分布的情况（图3d）。产水与NPP的相互关系以协同为主，协同的区域主要分布在沿河流地区；在研究区北部还出现了协同关系和权衡关系相间分布的情况（图3e）。土壤保持与NPP主要呈现权衡关系，但这种相互关系呈现出显著的空间差异：黑河上游东部地区NPP与土壤保持的相互关系以权衡关系为主，并且这种关系呈条带状一直延伸到肃南西部；而在肃南西南部沿河谷地带、肃南邻接高台、临泽、张掖的南部地区及部分边界地区呈现出协同关系（图3f）。

图3 生态系统服务及其关系的空间分布

2.2 降水和土地利用对黑河上游生态系统服务权衡与协同关系的影响

2.2.1 降水对黑河上游生态系统服务权衡与协同关系的影响 基于上述分析，发现2010年左右服务之间的关系发生变化，因此，为了避免其他因素的影响，除降水数据外，其他数据均使用2010年的数据。经计算得到不同降水下产水、土壤保持和NPP的标准化值，利用多项式拟合其趋势，结果如图4。发现在降水小于320 mm时，产水和土壤保持的变化速率相差不大，尤其是在290～320 mm之间二者的变化速率几乎一致；但当降水达到320 mm之后，二者的变化速率相差越来越大，至370 mm时出现明显的负相关，之后两者的变化速率差距又缩小（图4a）。产水与NPP的变化速率在降水小于320 mm时差异较大，但当降水达到320 mm后，二者的变化速率开始接近（图4b）。随着降水的增加，土壤保持与NPP之间的变化速率差距处于增大－缩小的波动变化之中，但以增大为主（图4c）。所以降水的增加使得产水与土壤保持由协同变为权衡，产水与NPP由权衡变为协同；而土壤保持与NPP之间的权衡与协同关系不断变化，总体以权衡为主。

图4 降水对生态系统服务关系的影响

根据气象站点多年降水数据统计分析可知，2000—2015年降水均值为311.15 mm，以2.20 mm·a－1的速率增长，而2010年的年均降水为324.38 mm，所以2010年左右服务关系发生变化的原因之一为降水量增加。降水增加会引起产水量增长［29］，同时也会增加降水侵蚀性，造成土壤保持量减少［30］，所以降水会成为改变产水和土壤保持关系的因素之一。在前期降水较少，植被会吸收大部分降水维持自身生长，整个系统的产水就会减少，这时NPP与产水呈现权衡关系；当降水增加后，除完全满足植被生长外，大部分降水转化为产水，此时NPP与产水就会转变为协同关系。

2.2.2 土地利用对黑河上游生态系统服务权衡与协同关系的影响 利用中国科学院资源环境科学数据中心（http：／／www.resdc.cn／）提供的2000、2005、2010、2015年四期土地利用数据，把研究区内土地利用类型按面积从高到低排序，选取占研究区总面积95%以上的低覆盖度草地、中覆盖度草地、其它未利用地（包括高寒荒漠、苔原等）、高覆盖度草地、裸岩石质地、灌木林地、有林地及疏林地进行生态系统服务及其关系的统计分析，结果见表2。可见，疏林地的产水最多，低覆盖度草地的产水最少；林地的覆盖度与其产水能力呈反比，而草地的覆盖度与其产水呈正比；土壤保持能力为林地＞草地＞未利用地，随着地表植被覆盖度的减少而减少。在NPP中，林地的平均能力要优于草地，但出现了高覆盖度草地略大于疏林地的特殊情况。

表2 不同土地类型各生态系统服务多年均值

降水是影响产水能力的主要因素［31］，林地可以有效拦截降雨，虽然土壤渗透性强、蒸散量高会导致林地产水量减少，但研究区林地多位于降水高值区，所以产水最高。与其他树木相比，灌木耗水较少，所以灌木林地的产水也较高。未利用地对降水的消耗最少，降水大部分转化为产水，所以产水也较高。林地有着强大的根系，而草地的根系较浅，所以草地拦截能力较弱，土壤保持低于林地；除高覆盖度草地的NPP高于疏林地外，草地的NPP低于林地。

由表3可见，各种土地类型的产水和NPP均呈协同**关系；林地和高覆盖度草地的土壤保持和NPP呈协同**关系，其余土地类型的土壤保持和NPP呈权衡**关系。裸岩石质地和其它未利用地的产水与土壤保持为权衡*关系，这是因为裸岩石质地和其它未利用地的产水较高，但土壤保持能力几乎为零；林地和草地中产水和土壤保持为协同关系，虽然林地的产水和土壤保持能力最高，但产水与土壤保持的协同关系却弱于草地；对于草地来说，覆盖度越高产水越高，土壤保持能力越强，在中覆盖度草地中二者呈现出最强的协同关系。所有土地利用类型中产水与NPP的关系均为协同**，但林地的这种协同关系要弱于草地，这是因为林地的耗水要大于草地。综上所述，林地，尤其是灌木林地，土壤保持能力和NPP最为突出，但服务之间的协同发展，尤其是水供给方面的协同发展却要弱于草地。产水与土壤保持、产水与NPP的协同关系均以中覆盖度草地的最高，高覆盖度草地的次之；而土壤保持与NPP的协同关系则以灌木林地的最大，高覆盖度草地的次之。所以高覆盖度草地的综合协同能力最优。

表3 不同土地类型生态系统服务间的相关性

3 讨论

本研究分析了黑河上游生态系统服务及其关系的时空特征，进一步分析了降水和土地利用对生态系统服务权衡与协同关系的影响。结果表明，不同尺度的分析可能得到不同的结论，如：在时间和空间尺度上土壤保持与NPP均为权衡关系；但产水与土壤保持在时间尺度上表现为先协同后权衡的关系，产水与NPP表现为先权衡后协同的关系，而在空间尺度中他们之间均以协同关系为主。此外，研究所得到的“320 mm左右的降水会改变服务关系”的结论也只是针对特定条件下的研究区得出的（除降水数据外，其他数据均使用2010年的数据），而且也只是得出“降水增加会使产水与土壤保持由协同变为权衡、产水与NPP由权衡变为协同”这样定性的结论，至于降水值究竟为多少才能发生上述关系的转变还需要进一步探究。

本研究结果表明降水会对生态系统服务之间的关系产生影响，而大量研究证实黑河上游的气候呈暖湿化发展趋势［32，33］，所以为了应对降水增加带来的影响，尤其是在土壤保持方面的影响，我们需要一些合理有效的措施，植树造林、提高草地覆盖度等措施都可以提高土壤保持量。但与此同时我们还需要注意的是：过量的植被会消耗降水使得区域的产水变少，尤其是林地，虽然水源涵养和土壤保持能力都高，但其蒸腾作用也强［34］，会消耗大量降水。

黑河上游作为黑河流域的主产流区，必须要适度发展才能为解决中下游用水矛盾提供有力保障。黑河上游草地面积最大，所以草地，尤其是面积占比高的中、低覆盖度草地中各种服务的关系会直接影响到整个黑河流域。本研究结果表明，中覆盖度草地中产水与土壤保持、产水与NPP均为最高协同，土壤保持与NPP为权衡关系；高覆盖度草地的综合协同能力最优。因此，合理提高黑河上游的草地覆盖度对于区域协调发展是十分必要的。

4 结论

本研究分析了黑河上游生态系统服务及其关系的时空特征，并进一步分析了降水和土地利用对生态系统服务权衡、协同关系的影响。结论如下：①2000—2015年产水、土壤保持、植被净初生产力三种服务在波动中增加。产水与土壤保持在2000—2010年之间是协同关系，而在2011—2015年为权衡关系；NPP与产水在2000—2010为权衡关系，而在2011—2015年转变为协同关系；NPP与土壤保持一直是此消彼长的权衡关系。从空间分布来看，产水、土壤保持和NPP三种服务均呈现出东南高西北低、山地高河谷低的分布态势；产水与土壤保持、产水与NPP在空间上以协同关系为主，土壤保持与NPP则以权衡关系为主。②降水的增加会使产水与土壤保持由协同关系变为权衡关系，而使产水与NPP由权衡关系变为协同关系；降水对土壤保持与NPP的关系无明显影响。③中覆盖度草地的产水与土壤保持、产水与NPP均为最高协同，高覆盖度草地次之；灌木林地的土壤保持与NPP协同关系最大，高覆盖度草地次之。因此，高覆盖度草地的综合协同能力最优。