基于土地利用的河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系研究

王曉萌，潘佩佩*，王曉旭，劉苗苗，趙倩石，王雪然，王新云

(1.河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.河北省環(huán)境變化遙感識別技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050024；3.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室，河北 石家莊 050024；4.河北雄安新區(qū)管理委員會規(guī)劃建設(shè)局，河北 保定 050021；5.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有收益，是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1,2]，而土地可為人類發(fā)展提供所需的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[3]。隨著社會發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人類活動導(dǎo)致土地利用類型、格局和強(qiáng)度發(fā)生顯著變化并直接或間接地影響生態(tài)系統(tǒng)過程與格局，從而改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供能力，深刻影響人類福祉[4,5]。尤其是近50多年來，土地利用變化對各類生態(tài)系統(tǒng)的影響比過去任何時期都廣泛，其帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化已引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[6,7]。例如：有學(xué)者探討了耕地[8]、林地[9]、水域[10]等土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響；還有學(xué)者針對湖泊生態(tài)系統(tǒng)[11]和城市生態(tài)系統(tǒng)[12]等開展了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究；傅伯杰等從理論構(gòu)建角度[6]、劉耀林等從實際土地利用空間優(yōu)化角度[13]對土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互影響進(jìn)行了研究；在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究方面，有學(xué)者分析了土地利用驅(qū)動下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化特征[14,15]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互影響，呈現(xiàn)出多重非線性關(guān)系，表現(xiàn)為此消彼長的權(quán)衡(tradeoffs)和相互增益的協(xié)同(synergies)關(guān)系[16-18]，已有研究利用生產(chǎn)可能性邊界法[19]、玫瑰圖[20]、相關(guān)系數(shù)法[21]、ESTD模型[10]等分析了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系。上述研究有助于從宏觀上深入理解土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互作用關(guān)系，但現(xiàn)有權(quán)衡/協(xié)同分析多針對流域[21，22]、區(qū)域[23]或市域[5]，不能反映區(qū)域內(nèi)部的空間分異特征，而區(qū)域差異性直接或間接影響當(dāng)?shù)赝恋乩靡?guī)律[24]，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，因此，開展典型區(qū)不同尺度區(qū)域差別化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及土地利用優(yōu)化調(diào)控研究至關(guān)重要。

河北省既是全國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，也是京津冀重要的生態(tài)屏障區(qū)，具有維護(hù)京津冀糧食安全和生態(tài)安全的“雙重功能”[18]，該區(qū)土地利用類型復(fù)雜多樣，土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響顯著。隨著生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)，河北省社會經(jīng)濟(jì)將持續(xù)轉(zhuǎn)型升級，如何通過合理調(diào)控土地利用以確保不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同發(fā)展是該區(qū)面臨的重要問題之一。本文在京津冀協(xié)同發(fā)展及雄安新區(qū)建設(shè)的背景下，應(yīng)用InVEST模型量化評估1985-2015年河北省農(nóng)作物生產(chǎn)、碳儲量、生境質(zhì)量和土壤保持4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，從不同尺度分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空分異特征及其權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，識別河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間復(fù)雜關(guān)系及相互影響，進(jìn)而科學(xué)地預(yù)測該區(qū)未來土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化趨勢，有利于指導(dǎo)土地利用政策的制定及土地空間布局優(yōu)化，對維持并提高河北省糧食—生態(tài)—經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要推動作用。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：1)河北省1985年、2000年、2005年、2015年4期土地(分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地)利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，其中，1985年遙感數(shù)據(jù)源為Landsat MSS，2000-2015年數(shù)據(jù)源為Landsat TM/ETM，數(shù)據(jù)通過人工目視解譯生成，空間分辨率均為1 km，投影坐標(biāo)系為Krasovsky_1940_Albers；2)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(農(nóng)作物產(chǎn)量、行政區(qū)面積等)，來源于《河北省統(tǒng)計年鑒》、《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》等。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估所需數(shù)據(jù)包括：1)碳庫數(shù)據(jù)(地上生物、地下生物、死亡生物和土壤的碳儲量)，根據(jù)河北省相關(guān)區(qū)域已有研究[25]，獲取各土地利用類型的碳密度數(shù)據(jù)，存儲為CSV格式；2)氣象和土壤數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，包括1985年以來中國逐年年降水量空間插值數(shù)據(jù)集、土壤質(zhì)地空間分布數(shù)據(jù)和土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)等；3)DEM數(shù)據(jù)，采用空間分辨率為30 m的ASTER GDEM數(shù)據(jù)；4)模型所用參數(shù)主要參考InVEST模型評估手冊及已有研究成果[5]。上述數(shù)據(jù)或參數(shù)均為開放數(shù)據(jù)或公開發(fā)表數(shù)據(jù)，已有相關(guān)研究公開使用[18]，可靠性高。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型(InVEST) 本研究基于當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的InVEST模型進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模擬，該模型是開源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型[26]，其最大優(yōu)勢在于可通過獲取本地化參數(shù)[27]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行模擬評估并實現(xiàn)結(jié)果的空間化表達(dá)，當(dāng)前已應(yīng)用于20多個國家和地區(qū)[28]。該模型可用于評估不同區(qū)域和景觀尺度的供給服務(wù)(如農(nóng)作物和水)、支持服務(wù)(碳循環(huán)、土壤保持、生境質(zhì)量)和調(diào)節(jié)服務(wù)(氣候調(diào)節(jié))等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，將生態(tài)系統(tǒng)功能與提供給人們的福利相聯(lián)系。本研究結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H，基于不同土地利用類型，應(yīng)用InVEST模型的農(nóng)作物生產(chǎn)、碳儲量、生境質(zhì)量和土壤保持4個子模塊對河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評估。

(1)農(nóng)作物生產(chǎn)是重要的供給服務(wù)，可用單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量表征[22]。公式如下：

F(x)=CY(x)/A(x)

(1)

式中：F(x)為農(nóng)作物生產(chǎn)(t/hm2)；CY(x)為農(nóng)作物產(chǎn)量(t)；A(x)為行政區(qū)面積(hm2)。

(2)碳儲量代表陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力[29]，為生態(tài)系統(tǒng)支持服務(wù)的評價指標(biāo)，所需數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)和碳庫數(shù)據(jù)。公式如下[30]：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(2)

式中：Ctotal表示碳總量(t)；Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead分別表示地上碳儲量、地下碳儲量、土壤碳儲量和死亡生物碳儲量。

(3)生境質(zhì)量指數(shù)表征一個地區(qū)的生物多樣性水平[31，32]，通過土地利用數(shù)據(jù)、威脅因子、生境敏感性因子等計算獲得，數(shù)值范圍為0～1，越接近1，表示生境質(zhì)量越好。公式如下[31]：

(3)

式中:Qxj為生境質(zhì)量指數(shù)；Hj、Dxj分別為生境適宜度和生境退化度；k為半飽和系數(shù)，本研究設(shè)為0.5。

(4)土壤保持量(SDR，單位：t)由潛在土壤流失量(RKLS)減去實際土壤流失量(USLE)而得[33]，輸入數(shù)據(jù)包括土地利用、DEM、降水量、土壤屬性數(shù)據(jù)等。公式如下：

SDR=RKLS-USLE

(4)

RKLS=R×K×LS

(5)

USLE=R×K×LS×C×P

(6)

式中：R、LS分別為降雨侵蝕性因子和坡長因子；K為土壤可蝕性因子(式(7))[33]；C為荒草地植被覆蓋與管理因子(式(8))，數(shù)值介于0～1之間；P為水土保持措施因子。

K=[2.1×10-4×(12-O)M×1.14+3.25×(S-2)+2.5×(G-3)]/100×0.1317

(7)

式中：O為有機(jī)質(zhì)含量的百分?jǐn)?shù)；M為土壤顆粒級配參數(shù)；S、G分別為土壤結(jié)構(gòu)等級和滲透等級。

C=0.988e-0.11Rv

(8)

式中：Rv為植被覆蓋度(%)。

1.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)(ESCI)ESCI既能以時間序列表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化趨勢，又能研究未來多目標(biāo)情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的動態(tài)變化過程[22]：ESCI>0表示增益，ESCI<0表示減損，ESCI=0表示既無增益也無減損。公式如下：

ESCI=(ESCICUR-ESCIHIS)/ESCIHIS

(9)

式中：ESCICUR、ESCIHIS分別為當(dāng)前情景下和歷史過程中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

1.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同模型(ESTD) 該模型基于線性擬合分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動態(tài)變化及權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，可分析各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互作用關(guān)系并衡量其作用強(qiáng)度大小[10]：ESTD<0表示兩者間存在權(quán)衡關(guān)系，ESTD>0表示兩者間存在協(xié)同關(guān)系，絕對值大小反映兩者間相互作用強(qiáng)度,即權(quán)衡/協(xié)同水平高低。公式如下[32]：

ESTD=(ESCib-ESCia)/(ESCjb-ESCja)

(10)

式中：ESCia、ESCib分別表示初期和末期i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量；ESCja、ESCjb分別表示初期和末期j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化量。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省土地利用變化分析

河北省耕地、林地和草地面積占比較高，耕地主要分布在冀中南平原地區(qū)，林地和草地主要分布在太行山—燕山沿線的丘陵山區(qū)和壩上地區(qū)。由圖1可知：1985-2015年耕地面積占比明顯減少，由52.77%降至48.40%；其次是草地，減少了0.58%，集中分布在河北省西北部和太行山沿線地區(qū)；未利用地因耕地、草地占用共減少了0.41%；同期城鎮(zhèn)化發(fā)展及工礦、交通用地擴(kuò)張使得全省建設(shè)用地增長了5.05%，中、南部地區(qū)尤為明顯；隨著生態(tài)保護(hù)力度提升及退耕還林、還草政策大力實施，林地面積增加0.28%，主要分布在太行山沿線和張家口—承德等地區(qū)；水域面積變化不明顯。總體上，1985-2015年河北省土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，建設(shè)用地、林地面積不斷增加，耕地、草地、未利用地有所減少。

圖1 1985-2015年河北省土地利用變化Fig.1 Land use changs in Hebei Province from 1985 to 2015

從轉(zhuǎn)出特征看，耕地、林地、草地及建設(shè)用地間轉(zhuǎn)化較多。其中耕地流失顯著，達(dá)12 493.53 km2(表1)，80.73%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地(表2)；在生態(tài)建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展推動下，草地轉(zhuǎn)出面積居第二位，主要轉(zhuǎn)為林地(41.79%)和耕地(25.95%)；林地轉(zhuǎn)出2 147.67 km2，其中65.71%轉(zhuǎn)為草地；建設(shè)用地轉(zhuǎn)出2 138.85 km2，受耕地“占補(bǔ)平衡”政策影響，68.04%轉(zhuǎn)為耕地；水域和未利用地轉(zhuǎn)出相對較少。

表1 1985-2015年河北省各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 1 Transfer matrix of land use types in Hebei Province from 1985 to 2015 km2

表2 1985-2015年河北省各土地利用類型轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出比例Table 2 Transfer ratio of land use types in Hebei Province from 1985 to 2015 %

從轉(zhuǎn)入特征看，快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致建設(shè)用地轉(zhuǎn)入最多，高達(dá)11 642.4 km2，其中86.63%源于耕地；耕地轉(zhuǎn)入面積達(dá)4 295.34 km2，主要源于建設(shè)用地(33.88%)和草地(23.20%)；草地轉(zhuǎn)入面積居第三位，51.28%源于林地；林地轉(zhuǎn)入面積達(dá)2 681.28 km2，主要源于草地(59.87%)和耕地(32.24%)；水域和未利用地轉(zhuǎn)入面積相對較少?？梢娊ㄔO(shè)用地的迅速擴(kuò)張和耕地的快速減少代表了河北省1985-2015年土地利用變化的總體特征，也將對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)帶來顯著影響。

2.2 河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空異質(zhì)性分析

受土地利用變化影響，1985-2015年河北省各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化時空差異顯著(表3)。

表3 1985-2015年河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化Table 3 Changes of ecosystem services in Hebei Province from 1985 to 2015

(1)1985-2015年河北省農(nóng)作物生產(chǎn)增長了135.66 t/hm2，其中1985-2000年增加最明顯，增長率為85.26%。分區(qū)域看(圖2a-圖2d)，1985-2015年河北省不同區(qū)域變化明顯，東北部的張北縣、康?？h等在2000年后農(nóng)作物產(chǎn)量提高，農(nóng)作物生產(chǎn)水平由減損變?yōu)樵鲆妗Ｓ捎诟胤植紡V泛，冀中南的館陶縣、臨漳縣、隆堯縣等農(nóng)作物生產(chǎn)增益明顯，特別是2005年以來各項惠農(nóng)政策實施帶動農(nóng)民的積極性，作物產(chǎn)量得到大幅躍升，加之農(nóng)業(yè)技術(shù)的提高和化肥農(nóng)藥的合理投入，即使在耕地面積出現(xiàn)減少的情況下，農(nóng)作物生產(chǎn)功能依然呈現(xiàn)增益。

(2)1985-2015年河北省碳儲量呈先增后減趨勢，1985-2000年增長率達(dá)30.61%，2000-2005年減少率為23.26%。由圖2e-圖2h可知，增益地區(qū)主要集中在河北省東部和北部壩上的崇禮縣、圍場滿族蒙古族自治縣等，主要緣于該區(qū)生態(tài)修復(fù)和保護(hù)政策的大力實施，加之城市及其周邊地區(qū)生態(tài)綠化的完善，使得林地、草地占比增加，固碳能力顯著增強(qiáng)。但經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致河北省中南部地區(qū)耕地顯著減少，植被覆蓋率降低，固碳能力減弱，碳儲量減損明顯，尤其是黃驊市、灤南縣、保定市區(qū)變化顯著。

(3)1985-2015年河北省生境質(zhì)量由0.58降至0.56，總體呈減少態(tài)勢，但變化較平穩(wěn)。由圖2i-圖2l可知，增益地區(qū)主要集中在河北省西北部和太行山沿線地區(qū)，如圍場滿族蒙古族自治縣、易縣南部等，該區(qū)林地、草地面積占比較大，生境質(zhì)量相對較高。而中南部的石家莊周邊縣市等受城鎮(zhèn)化影響較大，建設(shè)用地擴(kuò)張導(dǎo)致耕地、林地與草地等出現(xiàn)不同程度的減少，生境質(zhì)量減損明顯；其次是南部的肥鄉(xiāng)縣、曲周縣等，耕地大幅減少也導(dǎo)致生境質(zhì)量減損明顯。

(4)1985-2015年土壤保持呈波動遞減趨勢，1985-2000年減少了23.95%，2000-2005年增長了10.54%，2005-2015年又減少了2.7%。整體看(圖2m-圖2p)，河北省南部地勢低平，徑流量和水土流失量小，加之該區(qū)耕地面積廣闊，作物具有一定的保持水土能力，土壤保持增益明顯；而河北省北部的張家口、承德大部分地區(qū)，因土地利用不合理，土壤保持減損明顯。

圖2 1985-2015年河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem service changes in Hebei Province from 1985 to 2015

2.3 河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同分析

2.3.1 省域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同分析 對省域1985-2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，當(dāng)相關(guān)系數(shù)為負(fù)且通過顯著性檢驗(P<0.01)時，認(rèn)為存在權(quán)衡關(guān)系，反之存在協(xié)同關(guān)系。由表4可知，河北省碳儲量與農(nóng)作物生產(chǎn)、土壤保持與生境質(zhì)量均呈正相關(guān)，表現(xiàn)出相互增益的協(xié)同關(guān)系，其中土壤保持與生境質(zhì)量協(xié)同關(guān)系最強(qiáng)，碳儲量與農(nóng)作物生產(chǎn)呈現(xiàn)弱協(xié)同，主要原因在于河北省全面推進(jìn)退耕還林、還草工程，生態(tài)環(huán)境得以改善，促進(jìn)了區(qū)域內(nèi)糧食安全和生態(tài)安全的協(xié)同提升。農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量、土壤保持以及碳儲量與生境質(zhì)量、土壤保持均呈負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)出此消彼長的權(quán)衡關(guān)系，其中生境質(zhì)量與農(nóng)作物生產(chǎn)呈現(xiàn)強(qiáng)權(quán)衡作用，原因在于建設(shè)用地擴(kuò)張占用大量耕地，加之退耕還林導(dǎo)致農(nóng)作物生產(chǎn)能力降低，但城市生態(tài)用地和林地的增加會帶來生境質(zhì)量的提高。生境質(zhì)量與碳儲量的權(quán)衡程度最弱。

表4 河北省4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of four ecosystem services in Hebei Province

2.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同區(qū)域空間分異 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同空間分異明顯。從供給服務(wù)與支持服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同特征看，農(nóng)作物生產(chǎn)與碳儲量(圖3a)在河北省北部及太行山沿線協(xié)同關(guān)系明顯，東南部平原地區(qū)權(quán)衡關(guān)系明顯，整體上呈現(xiàn)西北協(xié)同—東南權(quán)衡的關(guān)系；農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量(圖3b)在北部的張家口、承德部分地區(qū)協(xié)同關(guān)系顯著，中南部地區(qū)則呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系，整體上呈現(xiàn)北部協(xié)同—中南權(quán)衡的關(guān)系；農(nóng)作物生產(chǎn)與土壤保持(圖3c)在東北部以及張家口—承德地區(qū)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，在西南部表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系，整體上呈現(xiàn)東北協(xié)同—西南權(quán)衡的關(guān)系。從支持服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同特征看，河北省碳儲量與生境質(zhì)量(圖3d)總體上呈現(xiàn)西北地區(qū)以協(xié)同為主、東南地區(qū)以權(quán)衡為主的關(guān)系，這與該區(qū)耕地面積廣闊有關(guān)；受河北省土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)環(huán)境改善的影響，全省生境質(zhì)量與土壤保持(圖3e)協(xié)同關(guān)系較為明顯，且在燕山—太行山沿線地區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)協(xié)同關(guān)系;而碳儲量與土壤保持權(quán)衡關(guān)系較為明顯(圖3f)。分區(qū)域看，河北省北部地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量、土壤保持呈現(xiàn)明顯的協(xié)同關(guān)系，表明該區(qū)退耕還林、還草等政策的實施立足于糧食安全與生態(tài)安全協(xié)同發(fā)展，在促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)的同時，還注重農(nóng)作物生產(chǎn)水平的提升。因此在生態(tài)退耕背景下，林地、草地面積增加可促進(jìn)河北省北部地區(qū)生境質(zhì)量和土壤保持能力提高，但不會影響農(nóng)作物生產(chǎn)功能的提升。冀中南平原地區(qū)作為河北省重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)作物生產(chǎn)與碳儲量、土壤保持權(quán)衡關(guān)系明顯，該區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量的提高以碳儲量、土壤保持能力的降低為代價，表明耕地面積過度擴(kuò)張會給生態(tài)系統(tǒng)帶來相應(yīng)損失，對區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅；未來該區(qū)應(yīng)合理調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，提高生態(tài)系統(tǒng)所帶來的各項惠益。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同空間分異格局Fig.3 Spatial differentiation pattern of ecosystem service trade-off/synergy relationship

2.3.3 縣域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同空間集聚特征 為更有針對性地開展區(qū)域土地利用調(diào)控，本研究利用GeoDa軟件分析縣域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同空間集聚特征(圖4，彩圖見附錄2)。其中高—高、低—低均表示協(xié)同關(guān)系，高—低、低—高均表示權(quán)衡關(guān)系，不顯著則表示不具有顯著的相關(guān)性。農(nóng)作物生產(chǎn)與碳儲量、農(nóng)作物生產(chǎn)與土壤保持的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系集聚特征相似，協(xié)同關(guān)系主要分布在承德市的隆化縣和灤平縣、張家口市康保縣；權(quán)衡關(guān)系在河北省西部的蔚縣、陽原縣較為集中(圖4a、圖4b)。由圖4c可見，農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系集聚特征相對較為分散，其協(xié)同關(guān)系主要位于河北省中部的安新縣、任丘市、行唐縣及南部的館陶縣；權(quán)衡關(guān)系主要分布于圍場滿族蒙古族自治縣、霸州市和青龍滿族自治縣。圖4d則表明碳儲量與生境質(zhì)量權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系集聚特征較為分散，權(quán)衡關(guān)系集中于東部的圍場滿族蒙古族自治縣、青龍滿族自治縣以及中部的行唐縣、霸州市和任丘市；協(xié)同關(guān)系集聚在遵化市、無極縣、新河縣。同時，碳儲量與土壤保持權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系集聚特征明顯，協(xié)同關(guān)系主要位于承德的隆化縣、灤平縣和保定的阜平縣；而權(quán)衡關(guān)系集中于承德的興隆縣、寬城滿族自治縣以及張家口的康保縣、蔚縣、涿鹿縣等(圖4e)。圖4f則表明生境質(zhì)量與土壤保持權(quán)衡關(guān)系集聚于保定中部，同時平山縣、康?？h、平泉縣也出現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系集聚；協(xié)同關(guān)系主要位于承德的平泉縣、保定的易縣和淶水縣等。河北省中部地區(qū)城市生態(tài)用地增加，生境質(zhì)量提升相對較快，但過度開發(fā)導(dǎo)致耕地被占用而造成農(nóng)作物生產(chǎn)能力下降，農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系；西北部地區(qū)由于林地、草地面積占比較大，加之受生態(tài)退耕政策的影響，生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)與支持服務(wù)呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系，但部分縣市惠農(nóng)政策的出臺及農(nóng)用機(jī)械水平的提高促進(jìn)了農(nóng)作物生產(chǎn)水平提升，確保了協(xié)同發(fā)展。縣域尺度權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系分析與上文空間分異格局總體趨勢基本一致，但縣域尺度權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系研究更有利于不同地區(qū)結(jié)合實際，有針對性地開展土地利用優(yōu)化調(diào)控，避免不必要的權(quán)衡風(fēng)險，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)—社會—生態(tài)協(xié)同發(fā)展。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間局部LISA圖Fig.4 Local LISA diagram of ecosystem services

3 結(jié)論與討論

本研究基于河北省1985年、2000年、2005年和2015年土地利用和土壤、氣象、碳庫等數(shù)據(jù)，分析農(nóng)作物生產(chǎn)、碳儲量、生境質(zhì)量和土壤保持4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化格局及其權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，得出以下結(jié)論：1)1985-2015年河北省土地利用變化顯著，總體特征為建設(shè)用地迅速擴(kuò)張和耕地銳減。受土地利用變化影響，4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化迥異：農(nóng)作物生產(chǎn)增益明顯；碳儲量先增后減，總體呈減少趨勢；生境質(zhì)量變化平穩(wěn)；土壤保持呈波動遞減趨勢。2)從省域尺度看，1985-2015年河北省碳儲量與農(nóng)作物生產(chǎn)、土壤保持與生境質(zhì)量均呈協(xié)同關(guān)系，而農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量、土壤保持以及碳儲量與生境質(zhì)量、土壤保持均呈權(quán)衡關(guān)系。從空間分異特征看，農(nóng)作物生產(chǎn)與碳儲量呈西北協(xié)同—東南權(quán)衡關(guān)系，與生境質(zhì)量呈北部協(xié)同—中南權(quán)衡關(guān)系，與土壤保持呈東北協(xié)同—西南權(quán)衡關(guān)系；生境質(zhì)量與碳儲量整體呈西北協(xié)同—東南權(quán)衡關(guān)系，生境質(zhì)量與土壤保持協(xié)同關(guān)系明顯，碳儲量與土壤保持權(quán)衡關(guān)系顯著。3)從縣域尺度的集聚特征看，土壤保持與碳儲量、生境質(zhì)量以及農(nóng)作物生產(chǎn)與碳儲量、土壤保持的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系集聚特征明顯，而生境質(zhì)量與農(nóng)作物生產(chǎn)、碳儲量權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系集聚特征較為分散。

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展及雄安新區(qū)建設(shè)不斷推進(jìn)，未來河北省土地利用將持續(xù)變化并對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響顯著。冀中南糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)水平的提升對生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)的提升具有促進(jìn)作用，但導(dǎo)致碳儲量、生境質(zhì)量減損，威脅著區(qū)域糧食安全和生態(tài)安全，因此，該區(qū)在持續(xù)強(qiáng)化土地利用分區(qū)及耕地利用保護(hù)的同時，要兼顧區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)，確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展；太行山—燕山沿線地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)與碳儲量、土壤保持協(xié)同關(guān)系明顯，因此，在未來的發(fā)展規(guī)劃和優(yōu)化調(diào)控中更應(yīng)注重耕地合理利用及林地等生態(tài)用地的保護(hù)，確保生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)持續(xù)提供；耕地的不合理開發(fā)不但影響農(nóng)作物持續(xù)產(chǎn)出，也不利于生態(tài)環(huán)境的改善，壩上地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量、土壤保持權(quán)衡關(guān)系顯著，因而該區(qū)要謹(jǐn)慎開發(fā)農(nóng)業(yè)用地，采用科學(xué)的用地方式和生態(tài)用地保護(hù)政策對區(qū)域糧食安全與生態(tài)安全協(xié)調(diào)發(fā)展至關(guān)重要。

本研究基于土地利用變化系統(tǒng)分析了河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化，既能直觀體現(xiàn)河北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)宏觀格局，又能揭示權(quán)衡/協(xié)同空間分異規(guī)律，研究結(jié)果可為該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升及生態(tài)系統(tǒng)功能分區(qū)提供理論指導(dǎo)與實踐借鑒，并為未來河北省土地利用空間格局優(yōu)化及生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。受篇幅限制，僅探討了1985-2015年生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)和支持服務(wù)的時空變化，今后還需深入開展多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合評估，為河北省新一輪國土空間規(guī)劃以及生態(tài)安全格局構(gòu)建提供依據(jù)。為減少不合理的土地利用所帶來的生態(tài)環(huán)境問題，基于不同土地利用情景模擬下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系將是下一步的研究方向[19]。