黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空演變及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究

任 娟，趙雪雁，徐省超，馬平易，杜昱璇

西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（ecosystem services）是生態(tài)系統(tǒng)直接或間接為人類提供產(chǎn)品、服務(wù)以及生活、生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)人類福祉的提升與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義（Costanza et al，2014；謝高地等，2015）。2015年聯(lián)合國開展的千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估對(duì)于區(qū)域發(fā)展、生態(tài)保護(hù)和人類福祉的重要性（劉志濤等，2021），使其逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者和國際組織研究的熱點(diǎn)話題之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及自然環(huán)境不斷變遷，氣候、土地利用變化和人類活動(dòng)等因素不斷影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布，同時(shí)，人類對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求和偏好存在顯著差異，通常會(huì)采取人為干預(yù)的方式來改變某項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力，使各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系不斷轉(zhuǎn)變（Zhong et al，2020）。因此，明晰生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空演變及權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，不僅是確保生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)長期供應(yīng)的前提，更可為促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為區(qū)域生態(tài)平衡和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的橋梁（Gong et al，2019），存在多種服務(wù)類型且其關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，主要表現(xiàn)為此消彼長的權(quán)衡和相互增益的協(xié)同關(guān)系（李雙成等，2013；Liu et al，2022）。在全球環(huán)境變化和人類活動(dòng)影響日益加劇的背景下，科學(xué)判斷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系可為保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的“共贏”奠定基礎(chǔ)（戴爾阜等，2015）。國內(nèi)外學(xué)者圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系開展了大量研究，主要以研究區(qū)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為基準(zhǔn)，探究多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與其之間的協(xié)同權(quán)衡關(guān)系，促進(jìn)整體生態(tài)系統(tǒng)功能的提升，如牛麗楠等（2022）對(duì)西部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)供給與水源涵養(yǎng)、土壤保持為協(xié)同關(guān)系，與防風(fēng)固沙主要為權(quán)衡關(guān)系且集中分布于農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)；祝萍等（2020）指出北方重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的牧草供給與防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)、土壤保持服務(wù)間存在協(xié)同關(guān)系；而湘江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在2000 —2015年，由負(fù)協(xié)同和權(quán)衡逐漸變?yōu)檎騾f(xié)同，該區(qū)域的生態(tài)建設(shè)在不斷優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Deng et al，2021）；另有學(xué)者基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，利用情景模擬分析等工具為未來規(guī)劃管理提供可行性建議，如Morán-Ordó?ez et al（2020）對(duì)地中海森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：影響未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵因素主要是政策管理而不是氣候；Frizzle et al（2022）利用貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)模型分析木材供給狀況下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同的變化，確定木材供給額度和范圍，為森林的可持續(xù)開發(fā)提供合理建議。總體來看，已有研究多基于某一區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，探究其之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，而目前較少關(guān)注黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。當(dāng)前，亟需厘清黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系，為后續(xù)管理措施的制定實(shí)施提供合理建議。

黃河流域不僅是中華文明的主要發(fā)祥地，也是重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)地帶，承擔(dān)著重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。然而，受頻繁的人類活動(dòng)和自然災(zāi)害影響，黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)以及人地矛盾突出等問題仍十分嚴(yán)重（楊開忠和董亞寧，2020）。尤其是處于干旱、半干旱生態(tài)脆弱區(qū)的黃河中游地區(qū)，是中國水土流失的重點(diǎn)治理區(qū)域，人口迅速增長和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展導(dǎo)致該區(qū)的生態(tài)壓力進(jìn)一步增大（趙雪雁等，2021a；楊澤龍等，2022）。協(xié)調(diào)黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系，對(duì)于保證其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)等功能長期有效的發(fā)揮作用、推進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)保護(hù)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義?；诖?，本研究以黃河中游地區(qū)為研究對(duì)象，利用InVEST模型評(píng)估2000 — 2020年黃河中游地區(qū)的水源涵養(yǎng)、土壤保持、固碳和生境質(zhì)量服務(wù)，并分析其時(shí)空演變特征。在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析法分析黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，引入逐像元相關(guān)分析法測量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡協(xié)同區(qū)域的空間分布及變化趨勢，旨在為黃河中游地區(qū)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供決策參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

黃河中游是指從內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)到河南桃花峪花園口的區(qū)域，涉及內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、山西、陜西和河南6省（自治區(qū)）中的30個(gè)地級(jí)市228個(gè)縣區(qū)，據(jù)《黃河年鑒2021》（https://data.cnki.net/yearbook/Single/N2021120067）統(tǒng)計(jì)其總面積約為34.38 ×104km2，占全流域面積的43.25%，主干道河長約1206.4 km，流域區(qū)間增加水量占黃河總水量的42.5%，增加沙量占全黃河沙量的92%，是黃河洪水和泥沙的主要來源區(qū)，水土流失十分嚴(yán)重（林依雪等，2020）。黃河中游大部分流經(jīng)黃土高原，主要包括隴中高原、山西高原、陜北高原、鄂爾多斯高原和關(guān)中盆地等（圖1）。氣候以暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?，多年平均氣?2 — 13℃，年降水量300 — 700 mm（王曉峰等，2020）。

圖1 研究區(qū)Fig. 1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。其中，2000 — 2020年降水量等氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）；土壤屬性數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）的中國土壤數(shù)據(jù)集（v1.1）（https://data.tpdc.ac.cn/）；土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/），根據(jù)本文需求將土地利用類型劃分為林地、草地、農(nóng)田、建設(shè)用地、水體、未利用地6大類；DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。同時(shí)將柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為100 m，投影坐標(biāo)系統(tǒng)一采用Albers_cgcs 2000。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

作為中國重要的生態(tài)屏障區(qū)，黃河中游地區(qū)在土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳及生物多樣性保護(hù)等方面具有重要作用（汪芳等，2020）。基于此，本文利用InVEST模型對(duì)黃河中游地區(qū)的土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳和生境質(zhì)量服務(wù)進(jìn)行評(píng)估。模型參數(shù)及相關(guān)變量的選擇參考已有研究（楊園園等，2012；趙雪雁等，2021b）。

（1）土壤保持服務(wù)

作為中國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，黃河中游地區(qū)的土壤侵蝕現(xiàn)象不僅嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，也關(guān)系到未來可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。利用InVEST模 型 中 的Sediment Delivery Ratio模塊分析黃河中游地區(qū)土壤保持能力，計(jì)算公式如下：

式中：SEDRETx為研究區(qū)柵格單元x的土壤保持量（t）；RKLSx和USLEx分別為潛在土壤侵蝕量（t）和實(shí)際土壤侵蝕量（t）；Rx為降雨侵蝕性因子；Kx為土壤可侵蝕性因子；LSx為坡長-坡度因子；Cx為植被覆蓋因子；Px為水土保持因子。

（2）水源涵養(yǎng)服務(wù)

水源涵養(yǎng)服務(wù)作為黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主導(dǎo)功能，對(duì)后續(xù)生態(tài)保護(hù)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要（林伊雪等，2020）。利用InVEST模型中的Water Yield模塊計(jì)算水源涵養(yǎng)能力，具體公式如下：

式中：Yjx為年產(chǎn)水量（mm）；AETx為年均蒸散量（mm）；Px為年均降水量（mm）；ωx為修正植被年可利用水量與降水量的比值；Rxj為干燥指數(shù)；Z為Zhang系數(shù)（包玉斌等，2016）；AWCx為土壤有效含水量（mm）；Kxj為植被蒸散系數(shù)；ETx為參考作物蒸散。

（3）固碳服務(wù)

利用InVEST模型中Carbon模塊評(píng)估固碳服務(wù)，主要通過四種碳庫（地上碳儲(chǔ)量、地下碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量和死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量）進(jìn)行計(jì)算（張文華等，2016），具體公式如下：

式 中：Ctotal、Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead分 別 為 總 碳儲(chǔ)量、地上碳儲(chǔ)量、地下碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量、死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量。

（4）生境質(zhì)量

生境質(zhì)量決定了環(huán)境為人類和其他生物提供適宜的生活、生產(chǎn)條件能力的大小，是生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵（Sun et al，2019）。利用InVEST模型中Habitat Quality模塊來計(jì)算生境質(zhì)量（鄧楚雄等，2021），具體公式如下：

式中：Qxj為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型j中柵格單元x的生境質(zhì)量，其范圍在0 — 1，越接近1，表示其生境質(zhì)量越好，反之亦然；Hj為土地利用類型j的生境適宜度；為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型j中柵格單元x生境退化度，k為半飽和參數(shù)，通常為生計(jì)退化度的一半，z為模型默認(rèn)參數(shù)。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

本文利用逐像元相關(guān)分析法，通過兩組生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)正負(fù)值判斷像元尺度上的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，將黃河中游地區(qū)2000 — 2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)性矩陣。具體計(jì)算公式如下：

式中：R為相關(guān)系數(shù)，若R為正值，兩個(gè)服務(wù)之間的關(guān)系為協(xié)同，反之則為權(quán)衡；若R為0，則無相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果分析

2.1 黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化

2.1.1 土壤保持服務(wù)的時(shí)空變化

2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)的土壤保持量總體呈波動(dòng)上升趨勢（圖2a），由194.78 t · hm-2上 升到637.99 t · hm-2，增 幅達(dá)227.54%。分 階段來看，2000 — 2005年，黃河中游土壤保持量有所 提 升，由194.78 t · hm-2增 至345.61 t · hm-2，增幅達(dá)77.44%；2005 — 2015年土壤保持量持續(xù)下降，由345.61 t · hm-2降 至195.44 t · hm-2，降 幅 達(dá)43.45%；2015 — 2020年黃河中游土壤保持量顯著提升，由195.44 t · hm-2上升至 637.99 t · hm-2，增幅為226.44%。此外，2000 — 2020年，土壤保持服務(wù)量的區(qū)域差異有所擴(kuò)大，變異系數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢，由2.51增至2.54，增幅為1.20%（圖3）。

圖2 2000 — 2020年黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量變化趨勢Fig. 2 Trends of ecosystem services in the middle reaches of the Yellow River from 2000 to 2020

從空間分布來看，2000 — 2020年黃河中游土壤保持量總體表現(xiàn)為“南高北低”的分布格局（圖4a1 — 4e1）。其中，高值區(qū)集中分布在關(guān)中盆地南部和山西高原東部縣區(qū)，隨著時(shí)間變化向隴中高原東南部和山西高原中部移動(dòng)；低值區(qū)集中分布于鄂爾多斯高原南部和陜北高原北部，且在陜北高原南部也有零星分布，如烏審旗、伊金霍洛旗、榆陽區(qū)等縣區(qū)，隨后向關(guān)中盆地東部移動(dòng)。

2.1.2 水源涵養(yǎng)服務(wù)的時(shí)空變化

2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)呈波動(dòng)上升趨勢（圖2a），由271.6 m3· hm-2增至483.5 m3· hm-2，增幅為78.02%。分階段來看，2000 — 2010年，黃河中游地區(qū)水源涵養(yǎng)量持續(xù)增 加，從271.6 m3· hm-2增 至383.3 m3· hm-2，增 幅為41.13%；而2010 — 2015年水源涵養(yǎng)量顯著下降，由383.3 m3· hm-2降 至220.7 m3· hm-2，降 幅 為42.42%；2015 — 2020年黃河中游水源涵養(yǎng)量再次顯 著 增 加，由220.7 m3· hm-2增 至483.5 m3· hm-2，增幅為119.08%。此外，2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)水源涵養(yǎng)變異系數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢（圖3），由1.17降至1.03，降幅達(dá)11.97%，表明水源涵養(yǎng)服務(wù)的區(qū)域差異趨于減小。

圖3 2000 — 2020年黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變異系數(shù)Fig. 3 Coefficient of variation of ecosystem services in the middle reaches of the Yellow River from 2000 to 2020

從空間分布來看，2000 — 2020年黃河中游地區(qū)水源涵養(yǎng)量整體呈“南高北低”的分布格局（圖4a2 — 4e2）。其中，高值區(qū)集中分布于關(guān)中盆地南部和隴中高原東南部地區(qū)（如太白縣、周至縣、洛南縣以及麥積區(qū)等縣區(qū)）；低值區(qū)在黃河中游北部地區(qū)（如內(nèi)蒙南部、陜西和山西的北部等）大范圍集聚?？傮w來看，2000 — 2020年水源涵養(yǎng)服務(wù)高值區(qū)數(shù)量有所增加，并表現(xiàn)為向隴中高原東南部轉(zhuǎn)移趨勢，低值區(qū)變化不明顯。

2.1.3 固碳服務(wù)的時(shí)空變化

2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)單位面積固碳服務(wù)量呈波動(dòng)下降趨勢（圖2b），由47.70 t · hm-2降至46.99 t · hm-2，降幅為1.49%。其中，2000 —2005年，黃河中游地區(qū)單位面積固碳服務(wù)量有所增 加，由47.70 t · hm-2升 至47.85 t · hm-2，增 幅 為0.31%；2005 — 2020年單位面積固碳服務(wù)量持續(xù)下 降，由47.85 t · hm-2降 至46.99 t · hm-2，降 幅 達(dá)1.80%。2000 — 2020年，單位面積固碳服務(wù)量的區(qū)域差異呈擴(kuò)大趨勢，變異系數(shù)由0.68增至0.81，增幅為19.18%（圖3）。

從空間分布來看，2000 — 2020年黃河流域中游地區(qū)單位面積固碳服務(wù)量的高值區(qū)主要分布在關(guān)中盆地的南部和山西高原的東部地區(qū)（如周至縣、欒川縣、安澤縣及交城縣等）；低值區(qū)主要分布于鄂爾多斯高原和陜北高原北部地區(qū)（如烏審旗、榆陽區(qū)、橫山區(qū)等）（圖4a3 — 4e3）。總體來看，黃河中游地區(qū)單位面積固碳服務(wù)量整體變動(dòng)不大，某些年份圍繞高、低值區(qū)存在稍許擴(kuò)散或收縮，如2015 — 2020年，陜北高原米脂縣由低值向較低值轉(zhuǎn)變；2010—2015年，山西高原東部的翼城縣和澤州縣由高值向較高值轉(zhuǎn)變。

2.1.4 生境質(zhì)量的時(shí)空變化

2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)呈“倒U型”變化趨勢（圖2b），由0.4255增至0.4273，增幅達(dá)0.42%。其中，在2000 — 2015年，生境質(zhì)量指數(shù)呈增加趨勢，由0.4255增至0.4362，增幅為2.51%；而在2015 — 2020年生境質(zhì)量指數(shù)呈明顯下降趨勢，由0.4362降至0.4273，降幅達(dá)2.04%。同時(shí)，2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)的變異系數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢（圖3），由0.56增至0.69，增幅為23.21%，表明該區(qū)生境質(zhì)量的區(qū)域差異趨于增大。

從空間分布來看，2000 — 2020年黃河中游生境質(zhì)量的高值區(qū)集中分布于陜北高原南部、山西高原中部及東南部、關(guān)中盆地南部地區(qū)（如黃龍縣、交城縣、沁源縣等）；低值區(qū)主要位于關(guān)中盆地中部及東部（如咸陽市、鄭州市的部分縣區(qū)），這類地區(qū)地形平坦、人口分布較為集中，頻繁的人類活動(dòng)導(dǎo)致生境質(zhì)量水平較低（圖4a4 — 4e4）。總體來看，2000 — 2015年黃河中游地區(qū)生境質(zhì)量圍繞其高值區(qū)有擴(kuò)散趨勢，但在2015 — 2020年高值區(qū)數(shù)量有所下降，低值區(qū)變化并不明顯。

圖4 2000 — 2020年黃河中游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局Fig. 4 Spatial distribution pattern of ecosystem services in the middle reaches of the Yellow River from 2000 to 2020

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

黃河中游地區(qū)土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳和生境質(zhì)量4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)性結(jié)果表明（表1）：固碳 — 生境質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)均為正值且通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其相關(guān)系數(shù)變化趨勢較為穩(wěn)定，僅有2010 — 2015年的相關(guān)系數(shù)為0.763，其余均在0.8以上；固碳 — 水源涵養(yǎng)的相關(guān)系數(shù)并不顯著；固碳 — 土壤保持的相關(guān)系數(shù)在2005 — 2010年、2010 — 2015年均通過了0.01水平上的顯著性檢驗(yàn)，其均為負(fù)值且逐年遞增，說明其兩者的權(quán)衡程度逐漸減弱；生境質(zhì)量 — 水源涵養(yǎng)的相關(guān)系數(shù)僅2015 — 2020年在0.05的水平上顯著，且為正值，表示2015 — 2020年兩者之間為協(xié)同關(guān)系；生境質(zhì)量—土壤保持的相關(guān)系數(shù)在2005 — 2010年、2010 — 2015年分別通過了0.01、0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其均為負(fù)值且絕對(duì)值遞減，表明其兩者的權(quán)衡程度逐漸減弱；水源涵養(yǎng) — 土壤保持的相關(guān)系數(shù)在2000 —2005 年、2010 — 2015 年、2015 — 2020 年均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其均為正值且逐年遞減，表明其兩者為協(xié)同關(guān)系且協(xié)同程度逐漸減弱。

表1 不同階段黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)性Tab. 1 Correlation between ecosystem services in the middle reaches of the Yellow River at different stages

逐像元相關(guān)分析結(jié)果表明：2000 — 2020年黃河中游大部分區(qū)域固碳 — 生境質(zhì)量表現(xiàn)為不相關(guān)關(guān)系，其中，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的區(qū)域面積占比呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的4.19%上升至2015 — 2020年的15.32%（圖5）。2000 — 2005年協(xié)同區(qū)集中分布于甘肅東南部和寧夏東南部地區(qū)，隨著時(shí)間推移逐漸向黃河中游地區(qū)整體擴(kuò)散，并無集聚分布（圖6）；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的面積占比同樣呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的0.96%上升至2015 — 2020年的5.56%，協(xié)同區(qū)與權(quán)衡區(qū)無明顯劃分界限。

2000 — 2020年黃河中游大部分區(qū)域固碳—水源涵養(yǎng)表現(xiàn)為不相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的面積占比呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的2.99%上升至2015 — 2020年的12.58%（圖5），在2000 — 2005年集中分布于隴東高原東部及寧夏省東南部，在2015—2020年均勻分布于黃河中游地區(qū)，無明顯集聚區(qū)域（圖6）；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的面積占比也呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的2.04%上升至2015 — 2020年的8.18%，協(xié)同區(qū)與權(quán)衡區(qū)無明顯劃分界限。

2000 — 2020年黃河中游大部分區(qū)域固碳—土壤保持表現(xiàn)為不相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的面積占比呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的2.88%上升至2015 — 2020年的9.77%（圖5），在2000 — 2005年集中分布于甘肅省東南部及寧夏省東南部，隨著時(shí)間推移逐漸擴(kuò)散到整個(gè)黃河中游地區(qū)，無明顯集聚區(qū)域（圖6）；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的面積占比呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的1.98%上升至2015 — 2020年的10.01%，協(xié)同區(qū)與權(quán)衡區(qū)無明顯劃分界限。

2000 — 2020年黃河中游大部分地區(qū)生境質(zhì)量 — 水源涵養(yǎng)表現(xiàn)為協(xié)同權(quán)衡關(guān)系。其中，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的面積占比呈波動(dòng)下降趨勢，由2000 — 2005年的 56.70% 降至 2015 — 2020年的26.77%（圖5），從空間分布來看，2000 — 2005年協(xié)同區(qū)域集中分布于甘肅東南部、陜西中部及南部和山西中南部等地區(qū)，隨著時(shí)間推移協(xié)同區(qū)域逐漸縮小，2015 — 2020年集中分布于內(nèi)蒙古與寧夏、陜西和山西交界地區(qū)、山西與河南交界地區(qū)等（圖6）；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的面積占比持續(xù)上升，由2000 — 2005年的34.80%上升至2015 — 2020年的65.24%，2000 — 2005年權(quán)衡關(guān)系區(qū)域集中分布于寧夏東部、山西和陜西北部及中部，到2015 — 2020年除內(nèi)蒙古與寧夏、陜西和山西交界地區(qū)、山西與河南交界地區(qū)外，其余區(qū)域均為權(quán)衡區(qū)域。

圖5 2000 — 2020年黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系面積占比Fig. 5 Proportion of ecosystem services tradeoff synergy area in the middle reaches of the Yellow River from 2000 to 2020

2000 — 2020年黃河中游大部分地區(qū)生境質(zhì)量—土壤保持表現(xiàn)為協(xié)同權(quán)衡關(guān)系。其中，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的面積占比不斷下降，由2000 — 2005年 的73.30%降 至2015 — 2020年 的16.55%（圖5），從空間分布來看，2000 — 2005年協(xié)同區(qū)域廣泛分布于黃河中游地區(qū)，集中于山西、陜西中部和甘肅東南部地區(qū)，隨著時(shí)間推移協(xié)同區(qū)域范圍逐漸縮小，到2015 — 2020年僅在內(nèi)蒙古與陜西交接處、陜西北部零星分布（圖6）；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的面積占比呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的18.47%上升至2015 — 2020年的73.51%，2000 — 2005年表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域僅零星分布于陜西北部、陜西和甘肅交接等地區(qū)，到2015 — 2020年廣泛分布于黃河中游地區(qū)。

2000 — 2020年黃河中游大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)—土壤保持表現(xiàn)為協(xié)同權(quán)衡關(guān)系。其中，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的面積占比呈波動(dòng)上升趨勢，由2000 — 2005年的64.46%上升至2015 — 2020年的75.92%（圖5），從空間分布來看，2000 — 2005年協(xié)同區(qū)域廣泛分布于甘肅東南部、內(nèi)蒙古南部、陜西中部及南部和山西中南部等地區(qū)，隨著時(shí)間推移協(xié)同區(qū)域范圍稍有擴(kuò)大，到2015 — 2020年除內(nèi)蒙古與陜西、山西交接處以及河南西北部外，其余均為協(xié)同區(qū)域（圖6）；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的面積占比呈波動(dòng)下降趨勢，由2000 — 2005年的26.88%降至2015 — 2020年的14.33%，2000 — 2005年表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域僅分布于寧夏南部、陜西北部和中部、山西北部等部分地區(qū)，到2015 — 2020年縮減至僅有內(nèi)蒙古與陜西、山西交接處以及河南西北部等地有權(quán)衡區(qū)域。

圖6 2000 — 2020年黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系空間分布圖Fig. 6 Spatial distribution of ecosystem services tradeoffs / synergies in the middle reaches of the Yellow River from 2000 to 2020

3 討論

本文綜合分析2000 — 2020年黃河中游地區(qū)4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化特征及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：黃河中游地區(qū)土壤保持和水源涵養(yǎng)均表現(xiàn)為波動(dòng)上升趨勢，且呈“南高北低”的分布特征。土壤保持服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)具有儲(chǔ)存泥沙和防止土壤侵蝕的能力（Costanza et al，1998），黃河中游流經(jīng)中國黃土高原地區(qū)，是重要的泥沙補(bǔ)給河段，也是水土流失的重災(zāi)區(qū)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的普遍增強(qiáng)，在退耕還林（草）和水土流失綜合治理等政策指導(dǎo)下，黃河中游地區(qū)的植被條件及生態(tài)環(huán)境狀況得到持續(xù)改善，自然生態(tài)條件的持續(xù)優(yōu)化會(huì)促進(jìn)土壤保持能力進(jìn)一步的提升，殷寶庫等（2021）也證明了黃河中游近20 a來水土流失和土壤侵蝕狀況得到有效緩解。降雨量作為水源涵養(yǎng)的關(guān)鍵影響因素（王盛等，2022），黃河中游地區(qū)降水量具有由南向北遞減的趨勢，從而導(dǎo)致水源涵養(yǎng)具有“南高北低”的分布格局，且隨著植被覆蓋度的提升，水源涵養(yǎng)服務(wù)總體也呈上升趨勢（徐省超等，2021），已有研究同樣表明：植被覆蓋在緩解氣候變暖帶來的水分流失問題方面具有重要作用（柳冬青等，2020；楊澤龍等，2022）。

研究發(fā)現(xiàn)固碳服務(wù)總體呈波動(dòng)下降趨勢，并表現(xiàn)為“東南高、西北低”的空間分布特征；生境質(zhì)量呈波動(dòng)上升趨勢，且高低值區(qū)相間分布，而2015 — 2020年，生境質(zhì)量出現(xiàn)下降趨勢。究其原因，可能是人類活動(dòng)和氣候變化的綜合影響形成的極端天氣，尤其會(huì)對(duì)植被茂密區(qū)域產(chǎn)生顯著影響（Kang and Eltahir，2018），使黃河中游地區(qū)的固碳服務(wù)有小幅度的下降。而生境質(zhì)量前期的提升和黃河中游地區(qū)前期的退耕還林（草）、水土保持工程的實(shí)施密不可分，但隨著時(shí)間推移，生態(tài)恢復(fù)工程帶來的某些弊端逐漸顯現(xiàn)，過量的植被恢復(fù)并沒有帶來生態(tài)環(huán)境的持續(xù)優(yōu)化，反而會(huì)使其之間出現(xiàn)不利競爭，不合理的規(guī)劃導(dǎo)致大量“低矮樹”的出現(xiàn)，且林下植被也大量死亡，林依雪等（2020）的研究同樣證實(shí)了長時(shí)間尺度下，退耕還林（草）工程可能出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境問題。

通過分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系發(fā)現(xiàn)：黃河中游大部分地區(qū)固碳服務(wù)與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)為不相關(guān)關(guān)系，而生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)則表現(xiàn)為權(quán)衡區(qū)域持續(xù)增加。原因可能在于：退耕還林（草）工程會(huì)導(dǎo)致植被實(shí)際蒸散量增加，不斷地消耗淺層地下水資源，出現(xiàn)土壤含水量下降的情況（Jia et al，2017）。研究發(fā)現(xiàn)生境質(zhì)量和土壤保持的權(quán)衡區(qū)域面積在波動(dòng)中上升，協(xié)同區(qū)域則相反。究其原因，可能是由于人類活動(dòng)和氣候變化等不確定因素，使本就處于生態(tài)脆弱地區(qū)的黃河中游地區(qū)出現(xiàn)土壤保持能力的波動(dòng)，加之人類對(duì)土地的不合理利用，近些年來生境質(zhì)量有所降低，使權(quán)衡區(qū)域面積不斷擴(kuò)大。研究同樣表明：水源涵養(yǎng)和土壤保持的協(xié)同區(qū)域面積在波動(dòng)中增加，而權(quán)衡區(qū)域則相反。該結(jié)果與以往學(xué)者研究結(jié)果一致（Yang et al，2019；Shen et al，2020）。王盛等（2022）指出降水變化與土壤保持之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)土壤保持強(qiáng)度會(huì)隨降水量的增加而有所提升。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

厘清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化特征及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，對(duì)黃河中游地區(qū)生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。本文利用InVEST模型、ArcGIS和Matlab等工具，分析了黃河中游地區(qū)的土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳和生境質(zhì)量服務(wù)的時(shí)空變化特征及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)土壤保持、水源涵養(yǎng)和生境質(zhì)量服務(wù)均呈波動(dòng)上升趨勢，其中土壤保持服務(wù)增幅最大，生境質(zhì)量服務(wù)增幅最?。欢烫挤?wù)呈波動(dòng)下降趨勢。

（2）2000 — 2020年，土壤保持與水源涵養(yǎng)服務(wù)受自然因素與退耕還林（草）政策的綜合影響整體表現(xiàn)為“南高北低”的分布格局，其高值區(qū)、低值區(qū)均有小范圍移動(dòng)；固碳服務(wù)的高值區(qū)集中分布于關(guān)中盆地南部和山西高原東部，低值區(qū)主要分布于鄂爾多斯高原和陜北高原北部，高低值區(qū)變化不明顯；生境質(zhì)量服務(wù)高低值區(qū)相間分布、高值區(qū)集中分布于陜北高原南部、山西高原中部等地，受人類活動(dòng)影響低值區(qū)主要位于關(guān)中盆地中部及東部，高值區(qū)圍繞集中區(qū)域稍有擴(kuò)散，低值區(qū)變化不明顯。

（3）2000 — 2020年，黃河中游地區(qū)固碳和生境質(zhì)量、生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)以及水源涵養(yǎng)和土壤保持為協(xié)同關(guān)系；固碳和土壤保持、生境質(zhì)量和土壤保持為權(quán)衡關(guān)系；固碳和水源涵養(yǎng)整體上表現(xiàn)為不相關(guān)。

（4）從空間分布來看，在黃河中游地區(qū)，固碳服務(wù)和生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)、土壤保持服務(wù)的權(quán)衡、協(xié)同區(qū)域面積比例隨時(shí)間不斷增加，分布區(qū)域大致為甘肅東部向整個(gè)黃河中游地區(qū)擴(kuò)散，但表現(xiàn)為不相關(guān)關(guān)系的面積占比最大；受蒸散量以及人類活動(dòng)等要素的影響生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)、土壤保持在大部分區(qū)域表現(xiàn)為權(quán)衡協(xié)同顯著相關(guān)，且權(quán)衡區(qū)域所占面積比例持續(xù)上升，協(xié)同區(qū)域相反；水源涵養(yǎng)和土壤保持在大部分區(qū)域表現(xiàn)為權(quán)衡協(xié)同顯著相關(guān)，且權(quán)衡區(qū)域所占面積比例在波動(dòng)中下降，協(xié)同區(qū)域相反，這與當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)工程的實(shí)施密切相關(guān)。

4.2 建議

為確保黃河中游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的持續(xù)供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，未來隨著生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目進(jìn)入成熟期，植被恢復(fù)所帶來的一些問題也逐漸凸顯，在后續(xù)生態(tài)保護(hù)管理中，應(yīng)由增加植被覆蓋數(shù)量向優(yōu)化管理已有植被所轉(zhuǎn)變，根據(jù)種植區(qū)域?qū)χ脖活愋鸵约胺秶M(jìn)行合理規(guī)劃，提升總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，考慮多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同發(fā)展，控制減少權(quán)衡區(qū)域的擴(kuò)散；其次，考慮到黃河中游大部分地區(qū)位于黃土高原地區(qū)，由于獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造和集中季節(jié)性降雨，導(dǎo)致該地極端災(zāi)害發(fā)生的頻率較高，在合理規(guī)劃植被過程中，也應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件變化情況，探索多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同發(fā)展路徑，減少災(zāi)害帶來的損失；此外，黃河中游作為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的地區(qū)之一，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響同樣不容小覷，對(duì)于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)應(yīng)適當(dāng)減少人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，提升當(dāng)?shù)鼐用袼帘３值拳h(huán)保意識(shí)，實(shí)現(xiàn)黃河中游地區(qū)生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展。