喀斯特山地城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及關(guān)系研究
——以貴陽市為例

王秋紅， 王勇， 李維杰， 高敏， 傅俐

西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中得到的產(chǎn)品和服務(wù)，通常包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)4類[1].生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有多樣性、空間異質(zhì)性等特點(diǎn)，其關(guān)系表現(xiàn)出復(fù)雜的動態(tài)變化，即相互增益的協(xié)同關(guān)系、此消彼長的權(quán)衡關(guān)系等[2].所謂協(xié)同關(guān)系是指兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)同時(shí)增強(qiáng)或同時(shí)減弱，權(quán)衡關(guān)系是指一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增強(qiáng)/減弱會導(dǎo)致另一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的減弱/增強(qiáng).中國西南山地眾多，喀斯特地貌發(fā)育典型，碳酸鹽巖分布廣泛，面積約為50多萬km2[3]，在該地區(qū)城市發(fā)展過程中，不合理的人類活動導(dǎo)致水土流失和石漠化極為嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受到嚴(yán)重威脅.因此，明晰生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化，厘清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，可以有效推動喀斯特山地城市地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能管理[4]，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)“雙贏”目標(biāo).

近年來，探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系已經(jīng)成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重要議題，研究內(nèi)容多涉及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系識別[5]、尺度依存[6]以及影響因素[7]等.由于喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)背景與敏感的生態(tài)環(huán)境，研究者紛紛對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系展開研究.郎焱卿[8]以喀斯特山區(qū)為研究區(qū)，利用InVEST模型分別評估營養(yǎng)截留量、產(chǎn)水量、土壤保持量、碳儲量4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，通過生產(chǎn)可能性邊界明確4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系.Tian等[9]以貴州省西部典型喀斯特流域?yàn)槔?，結(jié)合SWAT和CASA模型，模擬和評估NPP、產(chǎn)水量、土壤侵蝕量3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，得出產(chǎn)水量與土壤侵蝕量為協(xié)同關(guān)系，NPP與產(chǎn)水量、土壤侵蝕量為權(quán)衡關(guān)系.Han等[10]以貴州省為研究區(qū)，探討1995-2015年間產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲存、糧食生產(chǎn)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系以及對土地利用變化的響應(yīng).高敏等[11]以實(shí)施了退耕還林等生態(tài)工程的典型喀斯特地區(qū)為研究區(qū)，研究不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，以明確生態(tài)工程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的影響.綜上所述，喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的研究多以流域、省域、喀斯特山區(qū)、生態(tài)工程實(shí)施地區(qū)等為研究區(qū)，而有關(guān)喀斯特典型山地城市地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的研究較少.

貴陽市地處喀斯特山地地區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)變異敏感性高、抗干擾能力弱[12].隨著城市化發(fā)展加快和建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張，該地區(qū)植被破壞、土壤侵蝕等一系列生態(tài)問題日益嚴(yán)峻[13-14]，許多區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平降低.因此，本研究利用RULSE、InVEST模型分析該地區(qū)土壤保持、產(chǎn)水量及碳固持3種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并基于喀斯特地區(qū)特殊的下墊面性質(zhì)對土壤保持量進(jìn)行修正，利用SPSS 20.0軟件中相關(guān)性分析和GeoDa軟件中雙變量局部空間自相關(guān)分析，探究3對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間和空間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，為管理者制定有效的生態(tài)管理策略提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽市位于貴州省中部，地處東經(jīng)106°07′-107°17′，北緯26°11′-26°55′，是貴州省的省會(圖1).貴陽市屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫為15.3 ℃，氣溫季節(jié)變化小，多年平均年降水量1 120 mm左右，干濕交替明顯，良好的水熱條件形成了貴陽市豐富多樣的生態(tài)環(huán)境，但也是生態(tài)脆弱區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)，土壤以酸性土壤為主，石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖分布廣泛，占總面積的85.02%，是石漠化、水土流失嚴(yán)重區(qū).該市地處黔中山原丘陵中部，地勢西南高、東北低，是以山地、丘陵地貌為主的丘原盆地地區(qū).貴陽市下轄6個(gè)市轄區(qū)：觀山湖區(qū)、云巖區(qū)、南明區(qū)、花溪區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、白云區(qū)，3個(gè)縣：修文縣、息烽縣、開陽縣，代管1個(gè)縣級市：清鎮(zhèn)市，總面積8 034 km2.近年來，貴陽市人口不斷增加，由2005年的350.7萬人增加到2015年的391.8萬人，經(jīng)濟(jì)水平得到快速發(fā)展，2005年貴陽市GDP為4 436 292萬元，2015年上升為24 972 691萬元，人均GDP由2005年的12 683元增加到2015年的55 018元.貴陽市在貴州省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位，到2015年，貴陽市GDP占貴州省GDP的31.82%，其人均GDP為全省最高.

審圖號：黔S(2020)007號，下同.

1.2 數(shù)據(jù)來源

① 氣象數(shù)據(jù).2005年和2015年降水量、氣溫空間插值數(shù)據(jù)集，分辨率為1 km，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/).② 土地利用數(shù)據(jù).2005年和2015年的中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，分辨率為1 km，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/).③ 數(shù)字高程數(shù)據(jù).30 m分辨率的ASTGTM2 DEM數(shù)據(jù)，來源于美國地質(zhì)勘探局(https：//earthexplorer.usgs.gov/).④ 植被覆蓋指數(shù)NDVI數(shù)據(jù).分辨率為1 km，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/).⑤ 土壤數(shù)據(jù).分辨率為1 km，來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//westdc.westgis.ac.cn/)，包括土壤深度，土壤沙粒、粉粒、黏粒、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù).⑥ 凈初級生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù).來源于全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)的《北緯 18°以北中國陸地生態(tài)系統(tǒng)逐月凈初級生產(chǎn)力1 km 柵格數(shù)據(jù)集(1985-2015)》[15](http：//www.geodoi.ac.cn/WebCn/HistoryList.aspx)，分辨率為1 km，利用ArcGIS 10.2中Map Algebra工具將2005年和2015年各月NPP相加得到年數(shù)據(jù).

1.3 研究方法

1.3.1 土壤保持服務(wù)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的土壤保持服務(wù)通常用土壤保持量來進(jìn)行評估，本研究采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)估算貴陽市土壤保持量，計(jì)算公式如下：

Ac=Ap-Ar

(1)

Ap=R×K×LS

(2)

Ar=R×K×LS×C×P

(3)

式中：Ac為土壤保持量(t/hm2)；Ap為實(shí)際土壤流失量(t/hm2)；Ar為潛在土壤流失量(t/hm2)；R為降雨可侵蝕因子，是基于年降雨量估算降雨侵蝕力的簡易算法[16]，由于此種方法忽視了喀斯特地區(qū)下墊面的性質(zhì)，根據(jù)錢慶歡等[17]研究對降雨侵蝕力進(jìn)行修正；K為土壤可侵蝕性因子，采用Williams等[18]提出的利用土壤粒度和土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；L為坡長因子，S為坡度因子，C為植被覆蓋因子，無量綱，采用Zhang等[19]提出的公式計(jì)算；P為土壤保持措施因子，無量綱，參考許月卿等[20]研究對本研究區(qū)土壤保持措施因子賦值，其中旱地0.4，水田0.15，林地1，草地1，水域0，城鎮(zhèn)、工礦及居民用地0，未利用地1.

1.3.2 產(chǎn)水量服務(wù)

本研究運(yùn)用InVEST模型中Water Yield模塊對貴陽市產(chǎn)水量服務(wù)進(jìn)行估算，該模塊是基于水量平衡原理對區(qū)域的產(chǎn)水量進(jìn)行估算，計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

PET(x)=Kc(x)×ET0(x)

(6)

(7)

式中：Y(x)為柵格象元x上年均產(chǎn)水量(mm)；AET(x)為柵格象元x的年實(shí)際蒸散量(mm)；P(x)為柵格象元x的年降雨量(mm)；PET(x)為潛在蒸散量；w(x)為非物理參數(shù)；ET0(x)為參考蒸散量；Kc(x)為蒸散發(fā)系數(shù)；AWC(x)為植物可利用含水量；Z為Zhang系數(shù)[21].

1.3.3 碳固持服務(wù)

本研究碳固持服務(wù)采用NPP來進(jìn)行表征，陳鵬飛[15]主要采用Carnegie Ames-Stanford Approach(CASA)模型對NPP進(jìn)行定量估算，該模型由光合有效輻射和光能利用率兩個(gè)因子決定，計(jì)算公式如下：

NPP(x，t)=APAR(x，t)×ε(x，t)

(8)

式中：x為柵格數(shù)據(jù)像元的空間位置；t為時(shí)間(月份)；NPP(x，t)為x像元上t月份凈初級生產(chǎn)力(gC/m2)；APAR(x，t)為x像元上t月份光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x，t)為x像元上t月份光能利用率(gC/MJ).

1.3.4 空間自相關(guān)分析法

空間自相關(guān)是指某一變量在同一個(gè)分布區(qū)內(nèi)的相鄰或相近空間單元之間潛在相互依賴性，包括全局空間自相關(guān)與局部空間自相關(guān)[22]，為了描述多個(gè)變量間的空間相關(guān)性，Anselin等[23]在單變量空間自相關(guān)的基礎(chǔ)上提出了雙變量空間自相關(guān).

全局空間自相關(guān)反映整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)各空間單元與鄰近空間單元之間的相似性，本研究采用全局空間自相關(guān)指數(shù)Moran’sI作為全局自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算公式為：

(9)

與全局空間自相關(guān)相比，局部空間自相關(guān)可以反映每個(gè)空間單元與鄰近空間單元之間的空間異質(zhì)性，可以用Gi統(tǒng)計(jì)量、Moran散點(diǎn)圖、LISA集聚圖等方法進(jìn)行分析[24-25].本研究選用局部LISA集聚圖對貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間聚集差異進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

(10)

2 研究結(jié)果

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化

本研究評估了2005年、2015年貴陽市土壤保持、產(chǎn)水量和碳固持3種典型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù).從時(shí)間變化趨勢看(表1)，在2005-2015年間，土壤保持量、產(chǎn)水量和碳固持總量上均為增加趨勢，土壤保持量約增加200 471.27 t/hm2，產(chǎn)水量約增加2 105 547.25 mm，碳固持約增加362 508.00 gC/m2，其中產(chǎn)水量的變化率最高，可達(dá)89.64%.自2002年貴陽市成為首個(gè)全國建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)生態(tài)試點(diǎn)城市以來，貴陽市政府在對貴陽生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會等狀況分析的基礎(chǔ)上通過了《關(guān)于建設(shè)生態(tài)文明城市的決定》，大力進(jìn)行生態(tài)文明建設(shè)，林地質(zhì)量不斷提高，使得貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體狀況得到改善.

表1 2005和2015年貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間變化

從空間變化趨勢看(圖2)，貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局差異性顯著.土壤保持與碳固持服務(wù)呈現(xiàn)出南部地區(qū)低、北部地區(qū)高的空間格局，產(chǎn)水量服務(wù)則呈現(xiàn)出南部地區(qū)高、北部地區(qū)低的空間格局.其中，碳固持與土壤保持服務(wù)的高值區(qū)主要分布在開陽縣東部、息烽縣東部、烏當(dāng)區(qū)南部等地區(qū)，低值區(qū)主要分布于白云區(qū)、觀山湖區(qū)以及清鎮(zhèn)市南部.產(chǎn)水量服務(wù)的高值區(qū)集中分布在白云區(qū)、云巖區(qū)、南明區(qū)以及觀山湖區(qū)東部，低值區(qū)分布在開陽縣、息烽縣、修文縣西部.2005-2015年間，土壤保持服務(wù)東部地區(qū)增益高，西南部地區(qū)增益低，產(chǎn)水量服務(wù)由西部向東部地區(qū)增益逐步增加，碳固持服務(wù)在白云區(qū)、云巖區(qū)、南明區(qū)、花溪區(qū)北部等城市建成區(qū)及周邊表現(xiàn)為減少趨勢.

圖2 2005和2015年貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布變化

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間集聚特征

為了明確各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的集聚特征，更直觀地分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布差異，本研究在DEM的基礎(chǔ)上將貴陽市劃分為432個(gè)小流域，運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件Zone Statistic工具將2005年和2015年3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的柵格值進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，再賦值給矢量圖層，將結(jié)果導(dǎo)入到GeoDa軟件中進(jìn)行單變量空間自相關(guān)分析.

貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的Moran’sI指數(shù)(表2)反映出各流域單元均具有全局空間自相關(guān)性.從Moran’sI值的大小可以看出，2005年和2015年3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集聚程度從高到低依次為碳固持、產(chǎn)水量、土壤保持，且2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集聚程度高于2005年.

表2 貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的Moran’s I估計(jì)值

從局部LISA聚類圖(圖3)可知，貴陽市3種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的集聚特征具有顯著的差異性.總體上，正相關(guān)類型(高高集聚和低低集聚)表現(xiàn)出較強(qiáng)的集聚特征，而負(fù)相關(guān)類型(高低集聚和低高集聚)零散分布，集聚性較低.具體來看，2005年和2015年土壤保持的顯著高高集聚單元與顯著低低集聚單元在數(shù)目和集中區(qū)域上均沒有明顯變化，顯著高高集聚單元零散地分布于東北、西北等地區(qū)，顯著低低集聚單元集中分布在觀山湖區(qū)、清鎮(zhèn)市南部、花溪區(qū)北部等地區(qū).與2005年相比，2015年產(chǎn)水量的顯著高高集聚單元由61個(gè)上升至76個(gè)，集中擴(kuò)張區(qū)域范圍主要分布在貴陽市主城區(qū)及周邊，主要由于2005-2015年間貴陽市主城區(qū)周邊建設(shè)用地及居民工礦用地顯著擴(kuò)張；顯著低低集聚單元數(shù)目由65個(gè)上升至86個(gè)，顯著低低集聚單元集中區(qū)明顯轉(zhuǎn)移，由2005年貴陽市北部地區(qū)及西部地區(qū)零散分布向貴陽市西北部地區(qū)集聚.2015年流域碳固持顯著高高集聚單元由2005年的57個(gè)上升至67個(gè)，集中區(qū)域由烏當(dāng)區(qū)、修文縣的東部地區(qū)等向西北部的息烽縣轉(zhuǎn)移；顯著低低集聚單元由38個(gè)上升至58個(gè)，集中區(qū)域未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)移，主要分布在貴陽市南部，但范圍有明顯的擴(kuò)張.

圖3 2005和2015年貴陽市3種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)局部LISA圖

2.3 不同地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對比

土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的差異主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即同一種土地利用類型對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的差異，以及同一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同土地利用類型上的差異[26].結(jié)合貴陽市土地利用，本研究重點(diǎn)關(guān)注2005年、2015年貴陽市耕地、林地、草地以及建設(shè)用地中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化情況.利用ArcGIS 10.2軟件Zone Statistic得到3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在2005年和2015年不同土地利用類型中的均值和總量，對不同土地利用類型中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示.

從單位面積中可以看出(圖4a)，碳固持服務(wù)林地最高，草地略大于耕地，三者單位面積總量達(dá)72%以上；土壤保持服務(wù)林地最高，草地與耕地相差不大，三者單位面積總量達(dá)75%左右；產(chǎn)水量服務(wù)建設(shè)用地最高，林地最低，草地大于耕地.從總量供給百分比上看(圖4b)，林地提供的3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)度從高到低依次為：土壤保持、碳固持、產(chǎn)水量，說明該研究區(qū)的土壤保持服務(wù)與碳固持服務(wù)主要由林地提供.草地在研究區(qū)所占的面積雖然小于耕地的面積，但是其提供的3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量均高于耕地，并且耕地和草地的產(chǎn)水量服務(wù)較強(qiáng)，從高到低依次為：產(chǎn)水量、碳固持、土壤保持.建設(shè)用地雖然單位面積上提供的產(chǎn)水量服務(wù)較高，但是相比于耕地、林地、草地而言，在研究區(qū)所占面積較小，提供的總產(chǎn)水量服務(wù)較少.總體來看，貴陽市土壤保持服務(wù)、產(chǎn)水量服務(wù)、碳固持服務(wù)主要由耕地、林地、草地提供，2005年三者提供的土壤保持服務(wù)、產(chǎn)水量服務(wù)、碳固持服務(wù)總供給量分別占整個(gè)研究區(qū)的98.34%，93.39%，98.05%，2015年分別占整個(gè)研究區(qū)的96.96%，89.91%，96.75%.

圖4 不同土地利用類型中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)百分比

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

基于流域單元，將3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)2005-2015年間的變化量進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，并對其數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，用GeoDa軟件進(jìn)行雙變量局部空間自相關(guān)分析，研究貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系及空間分布特征.

從雙變量相關(guān)分析的結(jié)果看(表3)，土壤保持—產(chǎn)水量、土壤保持—碳固持為相互增益的協(xié)同關(guān)系，其中，土壤保持與碳固持呈現(xiàn)出較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.143；土壤保持與產(chǎn)水量呈現(xiàn)出較弱的協(xié)同關(guān)系，相關(guān)系數(shù)僅為0.071；產(chǎn)水量與碳固持為此消彼長的權(quán)衡關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.536，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系.土壤保持—碳固持為協(xié)同關(guān)系，是因?yàn)橹脖桓采w的改善有利于碳固持能力的增加，降低土壤侵蝕，促進(jìn)土壤保持服務(wù)的提升[27].產(chǎn)水量—土壤保持為協(xié)同關(guān)系，產(chǎn)水量為降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)量，2005-2015年間，貴陽市降水量增加明顯，但是溫度升高不顯著，降水成為影響產(chǎn)水量服務(wù)的主要?dú)夂蛞蜃?，降水的增加也會促進(jìn)土壤保持功能增加，從而使土壤保持與產(chǎn)水量為協(xié)同關(guān)系.產(chǎn)水量—碳固持為權(quán)衡關(guān)系，植被與碳固持的關(guān)系密切，植被的增加有利于碳固持的增加，但是植被與產(chǎn)水量呈負(fù)相關(guān)，植被的增加會增大蒸發(fā)，使產(chǎn)水量減少[28]，從而導(dǎo)致二者為權(quán)衡關(guān)系.

表3 貴陽市3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)性

通過流域尺度的Moran’sI指數(shù)值(表3)可以看出，2005-2015年間土壤保持—碳固持、土壤保持—產(chǎn)水量在空間上呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，Moran’sI指數(shù)分別為0.149和0.125，產(chǎn)水量—碳固持在空間上為權(quán)衡關(guān)系，Moran’sI指數(shù)為-0.499，這與雙變量相關(guān)分析所得的結(jié)果一致，說明2005-2015年間貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系時(shí)空變化一致.

從流域尺度的LISA圖(圖5)可以看出，土壤保持—碳固持、產(chǎn)水量—碳固持、土壤保持—產(chǎn)水量權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的空間異質(zhì)性有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.土壤保持—碳固持的協(xié)同關(guān)系主要分布在觀山湖區(qū)、白云區(qū)、清鎮(zhèn)市南部、開陽縣東部等地區(qū)，權(quán)衡關(guān)系零散地分布在貴陽市西南、西北地區(qū).產(chǎn)水量—碳固持主要表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系，集中分布在貴陽市東南部以及西北部地區(qū)，主要包括云巖區(qū)、南明區(qū)、花溪區(qū)北部、烏當(dāng)區(qū)南部、觀山湖區(qū)東部、息烽縣等地區(qū).土壤保持與產(chǎn)水量協(xié)同關(guān)系主要分布在貴陽市西北部地區(qū)，主要包括息烽縣與修文縣西部、清鎮(zhèn)市北部等地區(qū)，權(quán)衡關(guān)系主要分布在貴陽市東南部地區(qū)，主要包括花溪區(qū)中部、南明區(qū)、觀山湖區(qū)東部等地區(qū).貴陽市東南部為中心城區(qū)，其城市化水平顯著提高，導(dǎo)致該地區(qū)人地矛盾尤為突出，在本研究的3對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，產(chǎn)水量—碳固持、土壤保持—產(chǎn)水量2對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在該地區(qū)均表現(xiàn)出權(quán)衡關(guān)系.一方面，貴陽市中心城區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展與人口的迅速增加，城市建設(shè)用地以及居民工礦用地面積增加，導(dǎo)致不透水表面增加，土壤蓄水能力下降，產(chǎn)水量服務(wù)顯著提高[29]；另一方面，城市建設(shè)用地及居民工礦用地?cái)U(kuò)大會大量占用耕地、林地與草地，而耕地、林地、草地的土壤保持與碳固持服務(wù)遠(yuǎn)高于建設(shè)用地，導(dǎo)致該地區(qū)土壤保持與碳固持服務(wù)降低.

圖5 貴陽市3種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間局部LISA圖

3 結(jié)論與討論

本研究利用RULSE、InVEST模型分析2005-2015年貴陽市土壤保持、產(chǎn)水量及碳固持3種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化，利用SPSS 20.0軟件中相關(guān)性分析和GeoDa軟件中雙變量局部空間自相關(guān)分析，探討了土壤保持—碳固持、產(chǎn)水量—碳固持、土壤保持—產(chǎn)水量3對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1)2005-2015年間貴陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體上呈上升趨勢，從空間分布上看，土壤保持與碳固持均表現(xiàn)出南部地區(qū)低、北部地區(qū)高的空間分布特征，主要與北部地區(qū)林地面積分布較廣關(guān)系密切，產(chǎn)水量則表現(xiàn)出相反的空間分布特征.2005年和2015年貴陽市土壤保持、產(chǎn)水量、碳固持3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均具有空間自相關(guān)性，與2005年相比，2015年除土壤保持服務(wù)集聚特征沒有明顯變化外，其余兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在集聚單元數(shù)目、范圍與位置上均有變化.

(2)單位面積百分比中土壤保持服務(wù)與碳固持服務(wù)林地最高，產(chǎn)水量服務(wù)建設(shè)用地最高；總量百分比中，貴陽市土壤保持、產(chǎn)水量、碳固持3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要由耕地、林地、草地提供.因此，在貴陽市城市建設(shè)中，需保護(hù)林地、草地等土地資源，加大城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，例如，在城市建成區(qū)設(shè)立綠化帶，一方面植被的生長可以提高碳固持與土壤保持服務(wù)，另一方面可以消除城市不透水面的負(fù)面影響，提高主城區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能.

(3)貴陽市土壤保持—產(chǎn)水量、土壤保持—碳固持為協(xié)同關(guān)系，產(chǎn)水量—碳固持為權(quán)衡關(guān)系.在空間上，貴陽市西南部地區(qū)土壤保持—碳固持為協(xié)同關(guān)系，貴陽市西北部地區(qū)土壤保持—產(chǎn)水量為協(xié)同關(guān)系，但是貴陽市東南部經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū)，主要包括花溪區(qū)中部、南明區(qū)、觀山湖區(qū)東部等，產(chǎn)水量—碳固持、土壤保持—產(chǎn)水量2對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均為權(quán)衡關(guān)系.一方面，城市建設(shè)用地、工業(yè)用地與商業(yè)用地增加會占用耕地、林地、草地等土地資源.另一方面，城市化建設(shè)需要利用林木來提供原材料，進(jìn)一步降低了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能.因此，在城市化建設(shè)中土地資源要集約化發(fā)展，政府要嚴(yán)格把控審批項(xiàng)目，限制城市建設(shè)中工業(yè)用地與商業(yè)用地的擴(kuò)張，減少因耕地、林地、草地的占用所造成的負(fù)面影響.

通過與喀斯特地區(qū)相關(guān)研究對比可看出，土壤保持與碳固持在多數(shù)研究中均表現(xiàn)出協(xié)同關(guān)系，但是產(chǎn)水量與碳固持、土壤保持與產(chǎn)水量在不同地區(qū)表現(xiàn)出不同的關(guān)系.例如，郎焱卿[8]以喀斯特山區(qū)為研究區(qū)探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系，結(jié)果顯示產(chǎn)水量與碳固持、土壤保持與產(chǎn)水量均為權(quán)衡關(guān)系；但是Han等[10]以貴州省為研究區(qū)，結(jié)果顯示產(chǎn)水量與碳固持、土壤保持與產(chǎn)水量為協(xié)同關(guān)系.因此，在喀斯特背景下，不同研究尺度的自然環(huán)境條件不同，加上人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度不同，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間表現(xiàn)出的關(guān)系也就不同.

本研究對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的判斷是在2005年和2015年兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有研究表明僅靜態(tài)研究兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)或某幾個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)可能對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互關(guān)系造成誤判[30]，未來研究需要使用長時(shí)間序列的數(shù)據(jù)探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系，來提高權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系判斷的準(zhǔn)確性.另外，本文僅對貴陽市土壤保持、產(chǎn)水量和碳固持3種典型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行研究，但是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多樣，今后應(yīng)對其他重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如食物供給、生物多樣性、水體凈化、休閑娛樂等進(jìn)行研究，為貴陽市生態(tài)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供更加全面有效的生態(tài)系統(tǒng)管理策略.