遼河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同研究

張世棟,李明玉*,相恒星，王宗明，于 媛

(1.延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130102)

生態(tài)環(huán)境是人類可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，生態(tài)文明是指人與自然和諧相處的模式。黨的十八大以來，國(guó)家把生態(tài)文明建設(shè)放在突出位置，公布了生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)名單，強(qiáng)調(diào)區(qū)域內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展[1]。2015年9月，在聯(lián)合國(guó)成立70周年之際，各國(guó)通過了《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，該議程的核心內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(Sustainable Development Goals，SDGs)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為人與生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系最為密切的指標(biāo)，如何有效度量和監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是促進(jìn)人與自然和諧相處、實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。圍繞陸地生態(tài)系統(tǒng)多個(gè)服務(wù)設(shè)計(jì)保護(hù)措施時(shí)，多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系發(fā)揮重要指示作用，將有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類通過生態(tài)系統(tǒng)的功能直接或間接得到的產(chǎn)品和服務(wù)的收益[2-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡是指某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的提高導(dǎo)致其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的降低；協(xié)同指的是某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的提高導(dǎo)致其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的共同增加[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的多樣性，空間的異質(zhì)性以及人類利用方式的不同，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間形成較為復(fù)雜的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[5]。全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)強(qiáng)調(diào)區(qū)域發(fā)展一致性，強(qiáng)調(diào)資源薄弱區(qū)域重點(diǎn)提高使用效率[1]，因此需要確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分配。另一方面，面對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互沖突時(shí)，需要決策者確定優(yōu)先目標(biāo)，解決關(guān)鍵權(quán)衡問題，加強(qiáng)跨部門的互動(dòng)，為可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的整合提供支持。因此，如何高效的評(píng)估可持續(xù)發(fā)展下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化，正確認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)—社會(huì)良性發(fā)展迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了大量有益的探索，其中，Richard等[6]運(yùn)用帕累托邊界進(jìn)行權(quán)衡分析，研究了熱帶沿海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。Howe等[7]運(yùn)用系統(tǒng)制圖方法對(duì)2000—2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)研究進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系高于協(xié)同關(guān)系。Zhong等[8]以福建省為研究區(qū)域，采用均方根偏差探究農(nóng)業(yè)土地整理前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的變化。祝萍等[9]和余玉洋等[10]利用相關(guān)分析法研究了北方重點(diǎn)功能區(qū)和秦巴山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了相同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同尺度下權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不同。還有學(xué)者對(duì)關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)[11]、石羊河流域[12]、三江源地區(qū)[13]采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、雙變量空間自相關(guān)分析對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行研究。綜上所述，相關(guān)性分析、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡度模型(Ecosystem Services Trade-off Degree，ESTD)、玫瑰圖和可能性邊界圖是較為常用的方法，其中，相關(guān)性分析和均方根偏差最能同時(shí)定性和定量地刻畫生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的變化[14]。

遼河流域地處蒙古高原與華北平原的生態(tài)過渡地帶，流域內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，被列為國(guó)家生態(tài)文明先行示范區(qū)之一。遼河流域西部分布著渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)、科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)帶，防風(fēng)固沙具有著重要的意義；且東北地區(qū)黑土地退化嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)耕地面積較多，土壤保持服務(wù)與之密切相關(guān)。此外，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，受人為活動(dòng)干擾破壞明顯，生境質(zhì)量發(fā)生顯著變化[15]。因此，在可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)報(bào)告主旨下，首先基于多源遙感數(shù)據(jù)量化2000—2015年3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(土壤保持、防風(fēng)固沙、生境質(zhì)量)，分析遼河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空格局特征；其次，基于相關(guān)性分析和均方根偏差方法探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，揭示權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系在空間上的異質(zhì)性，為遼河流域生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河流域位于中國(guó)東北地區(qū)西南部(40°31′N～45°17′N，116°54′ E～125° 32′ E)(圖1)，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫 4～9 ℃，年降水量500～650 mm，主要植被為暖溫帶落葉闊葉林和溫帶性灌叢，四季分明，冬季漫長(zhǎng)。流域全長(zhǎng)1 345 km，總面積約21.9×104km2，包括4個(gè)子流域：西遼河流域、東遼河流域、渾太河流域和遼河干流流域。山地分布在流域東西兩側(cè)，中部為遼河沖積平原，地勢(shì)整體呈西高東低趨勢(shì)，包括遼寧省鐵嶺市、撫順市、沈陽市、阜新市、錦州市、鞍山市、遼陽市、盤錦市、丹東市、本溪市、朝陽市和營(yíng)口市，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市、通遼市、興安盟部分地區(qū)以及吉林省松原市、遼源市、四平市和白城市等19個(gè)地級(jí)市。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究采用多源數(shù)據(jù)集進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估。關(guān)于數(shù)據(jù)類型、分辨率和數(shù)據(jù)源的描述見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源Table 1 The data sources

由表1可知，土地覆被數(shù)據(jù)以Landsat Thematic Mapper(ETM+)、Landsat Operational Land Imager(OLI)為數(shù)據(jù)源，利用eCognition8.64采用面向?qū)ο蠓指罘椒ǖ玫?，?000和2015年的分類精度分別為92%和94%[16]。所有數(shù)據(jù)重采樣為1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤保持服務(wù)

土壤保持和沉積是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的重要方面，土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,USLE)模型將土壤侵蝕減少與持留之和視為土壤保持。將土壤質(zhì)地、土地覆被類型、數(shù)字高程等數(shù)據(jù)，以柵格為單位計(jì)算土壤保持量，具體計(jì)算公式如下[17]。

SEDRETi=RKLSi-USLEi,

(1)

RKLSi=Ri×Ki×LSi,

(2)

USLEi=Ri×Ki×LSi×Ci×Pi.

(3)

式中，SEDRETi表示柵格i的土壤保持量/t；RKLSi表示柵格i的潛在土壤侵蝕量t；USLEi表示柵格i的實(shí)際土壤侵蝕量/t；Ri表示柵格i的降雨侵蝕力/[MJ·mm/(km2·h·a)][18]；Ki表示柵格i的土壤可蝕性/[t·km2·h/(km2·MJ·mm)][19]；Ci表示柵格i的植被覆蓋因子[20]，R、K和C因子計(jì)算過程由表2可知；LSi表示柵格i的坡度坡長(zhǎng)因子，基于數(shù)字高程模型利用ArcGIS提取、計(jì)算得到[21]；Pi表示柵格i的土壤保持措施因子，根據(jù)各子流域的研究成果調(diào)整使用[22]。

表2 土壤保持服務(wù)各因子計(jì)算公式Table 2 The equation of factors of soil conservation service

1.3.2 防風(fēng)固沙服務(wù)

防風(fēng)固沙服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)和過程，使風(fēng)力減弱，風(fēng)蝕量降低。防風(fēng)固沙服務(wù)通過風(fēng)速、土壤、植被覆蓋等因素估算潛在和實(shí)際風(fēng)蝕量，以兩者差值作為生態(tài)系統(tǒng)固沙量來評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)的強(qiáng)弱[23]。具體計(jì)算公式為：

SR=SLr-SL，

(4)

式中，SR表示防風(fēng)固沙量/kg·m-2；SLr表示潛在土壤風(fēng)蝕量/kg·m-2；SL表示實(shí)際土壤風(fēng)蝕量/kg·m-2。土壤風(fēng)蝕量采用修正風(fēng)蝕方程(Revised Wind Equation,RWEQ)計(jì)算，具體公式如下：

(5)

QMAXr=109.8·(WF×EF×SCF×K')

(6)

Sr=150.71×[WF×EF×SCF×K'×COG]-0.371 1

(7)

(8)

QMAX=109.8·(WF×EF×SCF×K'×COG)

(9)

S=150.71×[WF×EF×SCF×K'×COG]-0.371 1

(10)

式中，SLr表示潛在風(fēng)蝕量/kg·m-2；QMAXr表示潛在風(fēng)力的最大輸沙能力/kg·m-1；Sr表示潛在關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度/m；SL表示實(shí)際風(fēng)蝕量/kg·m-2；QMAX為風(fēng)力的最大輸沙能力/kg·m-1；S為關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度/m；z表示下風(fēng)向距離/m，取50 m[24]；WF為氣象因子/kg·m-1；EF為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結(jié)皮因子；K'為土壤粗糙度因子；COG為植被因子，各因子計(jì)算公式見表3[23-26]。

表3 防風(fēng)固沙服務(wù)各因子計(jì)算公式Table 3 The equation of factors of sand storm prevention

1.3.3 生境質(zhì)量

生境質(zhì)量指生態(tài)系統(tǒng)能夠提供物種生存、繁殖條件的能力。該文基于生境適宜性模型(habitat suitability index model,HSI)，選取對(duì)生境質(zhì)量具有直接影響的生存環(huán)境影響因子[27-28](表4)，具體計(jì)算公式如下：

(11)

式中，HSI為生境質(zhì)量；n為指標(biāo)因子個(gè)數(shù)；wi為權(quán)重；fi為指標(biāo)因子計(jì)算值。

不同環(huán)境影響因子對(duì)生境質(zhì)量影響程度不同，為避免人為主觀因子的影響，運(yùn)用熵值法和層次分析法確定因子權(quán)重(表4)。

表4 生境質(zhì)量各因子權(quán)重Table 4 Ecological environment quality evaluation factor weight

為便于對(duì)遼河流域生境質(zhì)量進(jìn)行比較，按照適宜性得分對(duì)流域生境質(zhì)量做標(biāo)準(zhǔn)化處理，分為質(zhì)量?jī)?yōu)秀(65～100)、質(zhì)量良好(50～65)、質(zhì)量一般(40～50)、質(zhì)量差(0～40)等4個(gè)等級(jí)[27]。

1.3.4 相關(guān)分析

該文以遼河流域3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在流域尺度上，基于像元測(cè)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)關(guān)系。利用ArcGIS10.4建立漁網(wǎng)采樣，設(shè)置采樣點(diǎn)距離為1 km，將各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值賦予采樣點(diǎn)上，再將采樣點(diǎn)導(dǎo)入SPSS軟件采用Pearson相關(guān)性系數(shù)法[12]計(jì)算。若相關(guān)性系數(shù)在1%的顯著水平上為正值[29]，則表明2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有協(xié)同關(guān)系，一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加會(huì)促進(jìn)另一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加。若相關(guān)系數(shù)在1%的顯著水平上為負(fù)值時(shí)，則表明2種服務(wù)具有權(quán)衡關(guān)系，一種服務(wù)的增加會(huì)引起另一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的減少。

1.3.5 均方根偏差

均方根偏差(Root Mean standard Deviation,RMSD)用于量化兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系，并量化這2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)偏向其中一種服務(wù)[8]。這個(gè)方法使用點(diǎn)到直線的距離來表達(dá)兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系。距離越大，2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系越強(qiáng)烈。因?yàn)椴煌纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的單位不同，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)據(jù)必須標(biāo)準(zhǔn)化，以便生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在等式中介于0和1之間。具體公式為：

(12)

原點(diǎn)到坐標(biāo)點(diǎn)與1∶1線夾角越大時(shí)，兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡越大。圖中權(quán)衡程度：A=B>D,C點(diǎn)的權(quán)衡程度為0；A、D點(diǎn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)2收益，B點(diǎn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)1收益。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化

2000—2015年，土壤保持服務(wù)高值區(qū)位于流域兩側(cè)，包含鐵嶺市、丹東市、撫順市、本溪市和赤峰市西部，該區(qū)域大部分地區(qū)被原始森林覆蓋，森林生態(tài)系統(tǒng)提供較高土壤保持服務(wù)。低值區(qū)域主要分布在遼河流域中部(圖3)。2000年、2015年土壤保持服務(wù)空間格局基本穩(wěn)定，大致呈現(xiàn)出中部低，東部和西部高的分布。2000—2015年，土壤保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，由2000年的5.5×108t增至2015年的6.0×108t，增長(zhǎng)率為8.4%。2015年土壤保持服務(wù)相比于2000年，高值區(qū)域面積稍有增長(zhǎng)，主要分布在流域東北部，增值區(qū)域分布在耕地轉(zhuǎn)化為林地的區(qū)域。

遼河流域的科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)構(gòu)成遼河流域防風(fēng)固沙服務(wù)的高值區(qū)，防風(fēng)固沙服務(wù)與潛在風(fēng)力侵蝕量和實(shí)際侵蝕量有關(guān)，牧草可以固定地表的地表土壤，減少區(qū)域的實(shí)際侵蝕量，又因該區(qū)域的潛在風(fēng)力侵蝕量大，提高了該區(qū)域的防風(fēng)固沙能力。防風(fēng)固沙能力低值區(qū)出現(xiàn)在遼寧省東部，包括撫順市和本溪市等地，土地覆被類型為林地，相比于土壤保持服務(wù)，林地提供最小的防風(fēng)固沙服務(wù)。2000—2015年，呈現(xiàn)微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，由2000年1.29×108t增長(zhǎng)至2015年1.35×108t，增長(zhǎng)率為4.7%。防風(fēng)固沙服務(wù)在赤峰市東部變化比較劇烈，高增強(qiáng)區(qū)和高衰減區(qū)均位于此區(qū)域。土地覆被類型上看，增強(qiáng)區(qū)主要分布在草地和農(nóng)田區(qū)；防風(fēng)固沙能力衰減區(qū)主要分布在鹽堿裸地及農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)。

遼河流域生境質(zhì)量最好的區(qū)域與林地空間分布較為一致，主要分布于流域東部的大片林區(qū)，這些地區(qū)水源與食物相對(duì)充足，比較適合各生物的棲息和生存。生境質(zhì)量良好區(qū)域廣泛分布于東部區(qū)域內(nèi)，涵蓋東部區(qū)域以及吉林省和遼寧省的部分地區(qū)。生境質(zhì)量一般區(qū)域主要分布四平市、通遼市、赤峰市以及遼寧省的北部地區(qū)，這些地區(qū)大量分布著中產(chǎn)田區(qū)，其遮蔽條件和NDVI值都比較低，其生境質(zhì)量評(píng)價(jià)因子與生境質(zhì)量分布一致。生境質(zhì)量差的區(qū)域集中分布于赤峰市、通遼市等交通比較發(fā)達(dá)，居民地較密集的區(qū)域以及道路和居民地集中分布的緩沖地帶，這些地區(qū)往往是受人類活動(dòng)干擾比較強(qiáng)的區(qū)域，幾乎完全不適合生物的生存。2000—2015年，生境質(zhì)量增強(qiáng)區(qū)域較為分散，生境質(zhì)量衰減區(qū)域在沈陽市分布較為集中。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相關(guān)性分析

該研究對(duì)2000、2015年遼河流域的3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)。相關(guān)性結(jié)果為正值表明2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有協(xié)同關(guān)系；結(jié)果為負(fù)值表明2種服務(wù)具有權(quán)衡關(guān)系。該研究發(fā)現(xiàn)生境質(zhì)量與土壤保持服務(wù)表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，防風(fēng)固沙服務(wù)與土壤保持服務(wù)、生境質(zhì)量表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。2000—2015年，土壤保持服務(wù)和生境質(zhì)量高值區(qū)域土地覆被類型多為林地，林地面積增加，土壤保持服務(wù)與生境質(zhì)量同時(shí)提高，生境質(zhì)量與土壤保持服務(wù)的協(xié)同系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；防風(fēng)固沙服務(wù)與土壤保持服務(wù)權(quán)衡系數(shù)呈減少趨勢(shì),流域內(nèi)草地面積增加，耕地面積和裸地面積減少，而草地生態(tài)系統(tǒng)提供土壤保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)高于耕地生態(tài)系統(tǒng)[17]，權(quán)衡系數(shù)減少；防風(fēng)固沙服務(wù)與生境質(zhì)量權(quán)衡系數(shù)呈增加趨勢(shì)，流域內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量變優(yōu)，森林生態(tài)系統(tǒng)具有龐大的根系系統(tǒng)和茂密的地上部分，致使區(qū)域內(nèi)潛在風(fēng)蝕量和實(shí)際風(fēng)蝕強(qiáng)度均較小，防風(fēng)固沙服務(wù)較弱，權(quán)衡系數(shù)增加(表5)。

表5 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)性關(guān)系Table 5 Pearson correlations between pairs of ecosystem services

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡強(qiáng)度分析

相關(guān)系數(shù)的正負(fù)和大小只能定性的表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作用關(guān)系的方向和強(qiáng)弱，需進(jìn)一步對(duì)服務(wù)間的權(quán)衡進(jìn)行定量分析(表6)。2000—2015年,遼河流域3對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同程度呈現(xiàn)較大的差異，RMSD值域變化不大；土壤保持服務(wù)與防風(fēng)固沙服務(wù)、土壤保持服務(wù)與生境質(zhì)量、防風(fēng)固沙服務(wù)和生境質(zhì)量RMSD均值呈下降趨勢(shì)，說明在流域尺度上，3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)權(quán)衡程度下降(圖4)。由相關(guān)性分析已知，遼河流域土壤保持服務(wù)與防風(fēng)固沙服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系，2000年 RMSD高值區(qū)域出現(xiàn)在通遼市、四平市分布著農(nóng)牧交錯(cuò)帶，土地覆被類型主要為草地，2000、2015年RMSD分別為0.163和0.155，高于流域均值。草地提供較高的防風(fēng)固沙服務(wù)，但由于自然環(huán)境、氣候、土壤制約，土壤保持服務(wù)與防風(fēng)固沙服務(wù)之間表現(xiàn)出顯著的權(quán)衡關(guān)系。RMSD低值區(qū)域位于遼河流域東部，表現(xiàn)為土壤保持服務(wù)相對(duì)收益，土地覆被類型主要為林地，2000、2015年RMSD為0.068、0.062，低于流域均值，土壤保持服務(wù)較高，防風(fēng)固沙服務(wù)較低，研究區(qū)主要表現(xiàn)為土壤保持服務(wù)相對(duì)收益，防風(fēng)固沙服務(wù)的空間異質(zhì)性較大。

表6 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡強(qiáng)度Table 6 Trade-offs between ecosystem services from 2000 to 2015

土壤保持服務(wù)與生境質(zhì)量為協(xié)同關(guān)系，RMSD高值區(qū)分布沈陽市、赤峰市東部，赤峰市東部分布著裸地和鹽堿地，土壤保持服務(wù)和生境質(zhì)量極差，2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)強(qiáng)烈的權(quán)衡；沈陽市和遼陽市伴隨著城市擴(kuò)張，人類干擾強(qiáng)烈、農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，土壤保持服務(wù)和生境質(zhì)量相對(duì)較弱。RMSD低值區(qū)分布于流域東部，生境質(zhì)量相對(duì)收益，植被覆蓋度高，擁有良好的土壤保持服務(wù)，同時(shí)生境質(zhì)量?jī)?yōu)秀，具有良好的協(xié)同作用，此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系較弱。

防風(fēng)固沙服務(wù)和生境質(zhì)量RMSD高值區(qū)域出現(xiàn)在遼河流域西部，包括通遼市和赤峰市東部，草地和其他用地為主要土地覆被類型，生境質(zhì)量受遮蔽條件、水源狀況、NDVI等生境因子的制約，生境質(zhì)量較差，防風(fēng)固沙服務(wù)相對(duì)受益；RMSD 低值區(qū)域分布在遼河流域東部，為生境質(zhì)量高值區(qū)，該區(qū)域植被覆蓋度高，防風(fēng)固沙服務(wù)、生境質(zhì)量、土壤保持服務(wù)平衡，屬于生態(tài)盈余區(qū)，生境質(zhì)量相對(duì)受益。2000—2015年，防風(fēng)固沙服務(wù)與生境質(zhì)量RMSD高值區(qū)面積縮減，自2000年退耕還林/還草政策實(shí)施以來，生境狀況、植被覆蓋度、生物豐度提高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡程度降低；沈陽市RMSD由低值區(qū)變?yōu)橹兄祬^(qū)，該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)與生境質(zhì)量權(quán)衡程度增強(qiáng)。

3 討論

遼河流域內(nèi)渾善達(dá)克和科爾沁地區(qū)地處北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，土地覆被類型主要為耕地和草地，防風(fēng)固沙量與徐杰等[22]對(duì)科爾沁沙地防風(fēng)固沙量計(jì)算結(jié)果12 510 t/km2相比偏小，相對(duì)誤差為22%，這可能與不同土壤類型起沙風(fēng)速設(shè)置有關(guān)。該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)與生境質(zhì)量、土壤保持服務(wù)主要變現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系，2000—2015年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系表現(xiàn)為權(quán)衡程度的降低，這與祝萍[9]的研究結(jié)果一致。此外，研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)牧交錯(cuò)帶防風(fēng)固沙服務(wù)與生境質(zhì)量權(quán)衡度高于防風(fēng)固沙服務(wù)與土壤保持服務(wù)的權(quán)衡程度，這可能是由于該區(qū)域植被類型單一、水源狀況差，生物多樣性嚴(yán)重受限而導(dǎo)致。

以耕地為主的中部區(qū)域，土壤保持量為764.5 t/km2，與祁寧等[30]計(jì)算的土壤保持量662.36±1 688.23 t/km2相比，相對(duì)誤差為13.4%。分析其原因，雖然估算模型相同，但空間分析和地理邊界不同，祁寧等基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇進(jìn)行計(jì)算，而該研究依據(jù)土地覆被類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。防風(fēng)固沙服務(wù)與生境質(zhì)量、土壤保持服務(wù)與防風(fēng)固沙服務(wù)之間存在權(quán)衡關(guān)系，這與祁寧等[30]和Pan等[31]的研究結(jié)果一致。雖然自2000以來，在退耕還林/還草政策支持下，生態(tài)系統(tǒng)逐步正向演替，但受城市化和人為活動(dòng)的長(zhǎng)期干擾，致使該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間仍表現(xiàn)為強(qiáng)烈的權(quán)衡，并在沈陽、鞍山等城市表現(xiàn)更為明顯。

流域東部以落葉櫟林為主，土壤保持量與祁寧等[30]計(jì)算結(jié)果8 339.99±9 320.99 t/km2相比，相對(duì)誤差為8.7%。相比于建設(shè)用地和耕地，森林具有較高的土壤保持、維持生物多樣性的能力。森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡程度較低，這與孫藝杰等[32]的研究結(jié)果相同。但與流域西部森林生態(tài)系統(tǒng)相比，權(quán)衡程度較低，探究其原因，一方面流域西部以疏林草原為主，生態(tài)系統(tǒng)組分差異較大，另一方面流域東部受到林業(yè)政策影響廣泛，因此，流域東部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡程度最低。以上均表明該研究采用相關(guān)性分析和均方根偏差很好的刻畫了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的關(guān)系。

此外，由于多源遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率不同，該研究將數(shù)據(jù)重采樣為1 km空間分辨率，導(dǎo)致量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量較為粗糙，而研究結(jié)果案例支持意義表現(xiàn)為：1) 流域尺度上權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系空間差異；2) 不同土地覆被類型權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，不能代表更小尺度存在相同關(guān)系，需要進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)源的精度，并結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的尺度效應(yīng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

遼河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化趨勢(shì)總體向好，但目前仍然存在防風(fēng)固沙服務(wù)與土壤保持服務(wù)、生境質(zhì)量權(quán)衡嚴(yán)重等問題。該研究提出以下建議：1) 通遼市、赤峰市東部防風(fēng)固沙服務(wù)優(yōu)秀，但土壤保持服務(wù)、生境質(zhì)量較差，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體效益還比較低，土壤保持服務(wù)和生境質(zhì)量是生態(tài)治理的重點(diǎn)；2) 生境質(zhì)量最差區(qū)，劃定生態(tài)紅線，建立物種重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，遏制生物多樣性的喪失；3) 退耕還林在遼河流域東部效果顯著，森林生態(tài)系統(tǒng)得到較好管理，權(quán)衡程度降低，需要總結(jié)案例經(jīng)驗(yàn)，以便保持可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

該研究利用2000年、2015年多源數(shù)據(jù)，基于USLE模型、HSI模型分析遼河流域2000—2015年3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(土壤保持、防風(fēng)固沙、生境質(zhì)量)，并基于相關(guān)性分析和均方根偏差探究了遼河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。結(jié)論如下：

1) 遼河流域3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布不均，防風(fēng)固沙服務(wù)高值區(qū)分布流域西部，土壤保持、生境質(zhì)量高值區(qū)分布在流域東部。2000—2015年，3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈微弱增強(qiáng)趨勢(shì)。

2) 通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)性計(jì)算表明，土壤保持服務(wù)與生境質(zhì)量表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系；防風(fēng)固沙服務(wù)與生境質(zhì)量、土壤保持服務(wù)與防風(fēng)固沙服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系。

3) 通過RMSD定量流域的權(quán)衡程度，2000—2015年，遼河流域3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間RMSD呈下降趨勢(shì)，權(quán)衡程度降低；權(quán)衡強(qiáng)度高值區(qū)域分布在赤峰市東部,權(quán)衡強(qiáng)度低值區(qū)分布在流域東部。