仲俊濤，王 蓓，米文寶，樊新剛，楊美玲，楊顯明

（1. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，西寧810008； 2. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730001；3. 寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021）

0 引 言

草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指草地生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，是通過生態(tài)系統(tǒng)的功能直接或間接提供的產(chǎn)品和服務(wù)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型復(fù)雜多樣，空間異質(zhì)性顯著，人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求存在多樣性和選擇性，致使各服務(wù)間往往存在著此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡和相互促進(jìn)的協(xié)同關(guān)系[2-3]。生態(tài)系統(tǒng)通?？赏ㄟ^自我調(diào)節(jié)而趨于穩(wěn)定或平衡狀態(tài)，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到的外部影響低于其自我調(diào)節(jié)能力的閾值時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)通過自我調(diào)節(jié)，依然能夠?yàn)槿祟愄峁┓?wù)；但生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)受到的外部影響超過閾值時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)受到傷害甚至崩潰，將嚴(yán)重影響其為人類提供的福祉[4]。特別是隨著人類活動(dòng)的不斷加劇，使得供給服務(wù)上升，調(diào)節(jié)功能下降，生態(tài)平衡遭受嚴(yán)重破壞，最終危害人類福祉[5-6]。目前，全球24個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中有15個(gè)正在不斷惡化，約60%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)持續(xù)下降，并且這種退化趨勢(shì)在21世紀(jì)上半葉可能會(huì)加劇[7]，在此情形下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同研究成為諸多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。因此，選取典型研究區(qū)，選擇重要生態(tài)系統(tǒng)類型，從各服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同特征、尺度效應(yīng)、形成機(jī)制等方面出發(fā)，深刻理解服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，提高生態(tài)系統(tǒng)管理效率，促進(jìn)生態(tài)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展迫在眉睫。

要揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系，首先需對(duì)生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)度，評(píng)估過程的主觀性和多樣性，常常導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的不確定性，因此，如何采用科學(xué)合理的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估理論與方法至關(guān)重要。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論方面，不僅要綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間異質(zhì)性、動(dòng)態(tài)性、整體性、持續(xù)有效性、范圍有限性等特征，同時(shí)在評(píng)估體系構(gòu)建時(shí)，應(yīng)當(dāng)區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)的最終服務(wù)和中間服務(wù)，避免服務(wù)類型之間的重復(fù)等；在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法方面，以復(fù)雜理論和研究成果為基礎(chǔ)構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型成為諸多學(xué)者選用的評(píng)估手段，近年來，出現(xiàn)了一些開發(fā)層次不同、量化的服務(wù)功能類別也有差別的服務(wù)評(píng)估模型，例如InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型、ARIES（Artificial Intelligence for Ecosystem Services）模型、SolVES（Social Values for Ecosystem Services）模型。相比之下，InVEST模型具有“精細(xì)化、定量化、空間化”的特征，且模型處于不斷更新和完善階段，發(fā)展更為成熟[8-9]，被廣泛應(yīng)用于自然資產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估中，并在美國的北卡羅萊納州[10]、喬治亞州[11]、緬因州[12]、印第安納州[13]、英國[14]以及國內(nèi)[15-16]等取得較好的評(píng)估結(jié)果。誠然，當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者在采用InVEST模型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，與國際先進(jìn)水平相比存在一定差距，主要表現(xiàn)為在評(píng)估數(shù)據(jù)、參數(shù)處理方面，往往采用經(jīng)驗(yàn)值、模型默認(rèn)值，降低了評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究方面，目前，研究?jī)?nèi)容主要集中在類型特征[17]、形成機(jī)制[18]、尺度效應(yīng)[19]等方面，研究方法主要有統(tǒng)計(jì)描述法、空間制圖法[20]、情景分析法等類型[21]。

地處北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶核心區(qū)的寧夏鹽池縣，是構(gòu)建西北地區(qū)生態(tài)安全屏障的關(guān)鍵區(qū)域，草地生態(tài)系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)，然而由于自然與人為因素的雙重作用，20世紀(jì)末，鹽池縣草地出現(xiàn)大面積退化現(xiàn)象，造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，政府于2001年開始全面禁牧。那么，禁牧十多年，草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的如何，各服務(wù)間的關(guān)系又如何，以及如何進(jìn)一步科學(xué)管理草地，都是需要回答的科學(xué)問題。為此，在精準(zhǔn)評(píng)估禁牧前后草地主要服務(wù)功能的基礎(chǔ)上，從時(shí)空角度厘清各服務(wù)間的作用關(guān)系，是深入理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)，可為農(nóng)牧交錯(cuò)帶禁牧草地資源管理提供參考。本文基于草地野外調(diào)查與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)InVEST模型進(jìn)行本地化修正的基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)評(píng)估禁牧前后碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持功能時(shí)空格局，基于像元尺度，利用相關(guān)系數(shù)對(duì) 3種服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行測(cè)度，厘清服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同的表現(xiàn)類型、形成機(jī)制和空間差異，為農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地科學(xué)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣（37°04′～38°10′N，106°30′～107°41′E）地處中國西北內(nèi)陸，寧夏回族自治區(qū)東部，屬北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶核心區(qū)，北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗相連，西部與寧夏靈武市、同心縣接壤，東部和南部分別與陜西省定邊縣和甘肅省環(huán)縣為鄰（圖1）。南北長(zhǎng)約110 km，東西寬達(dá)66 km，總面積8 661 km2。屬典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量290 mm，干旱少雨、風(fēng)大沙多、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈，平均海拔1 489 m。鹽池是寧夏唯一的牧業(yè)縣，鹽池灘羊馳名中外。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

根據(jù)聯(lián)合國《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》所提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類體系[22]，遵循科學(xué)性、全面性、重要性以及數(shù)據(jù)可獲取性的原則，篩選碳儲(chǔ)存、土壤保持和水源涵養(yǎng)3項(xiàng)主要服務(wù)類型，對(duì)禁牧前后5個(gè)時(shí)段草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行測(cè)度。

2.1.1 碳儲(chǔ)存功能

碳儲(chǔ)存（Carbon Storage，CS）模塊中，碳庫包括地上生物量、地下生物量、死亡有機(jī)物及土壤碳庫4部分。其中，地上生物量包括土壤以上的植物材料；地下生物量包括地表以下的植物材料；死亡有機(jī)質(zhì)包括凋落的植物材料等；土壤碳庫是土壤中儲(chǔ)存的碳物質(zhì)量。模型將不同區(qū)域草地的4類碳儲(chǔ)量相加，即得到該區(qū)域碳儲(chǔ)量。計(jì)算公式如下：

式中Cv為草地總碳儲(chǔ)量，t/hm2；Cabove為地上部分碳儲(chǔ)量，t/hm2；Cbelow為地下部分碳儲(chǔ)量，t/hm2；Cdead為枯枝落葉層部分碳儲(chǔ)量，t/hm2；Csoil為土壤碳儲(chǔ)量，t/hm2。

2.1.2 水源涵養(yǎng)功能

水源涵養(yǎng)（Water Conservation，WC）分2步計(jì)算。第一步，基于水量平衡原理計(jì)算區(qū)域產(chǎn)水量；第二步，在產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上，通過地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù)等水源涵養(yǎng)因子計(jì)算得到研究區(qū)水源涵養(yǎng)量，計(jì)算公式為

式中WC為水源涵養(yǎng)量（mm）；V為流速系數(shù)，KSAT為土壤飽和導(dǎo)水率（cm/d），Yield為產(chǎn)水量（mm），借助NeuroTheta軟件實(shí)現(xiàn)；TI為地形指數(shù)，具體參數(shù)計(jì)算公式見王蓓等[23]、包玉斌等[24]研究成果。

2.1.3 土壤保持功能

土壤保持（Soil Conservation，SC）用于計(jì)算每一地塊保持土壤的能力。采用通用土壤流失方程（RUSLE）對(duì)研究區(qū)土壤保持能力進(jìn)行測(cè)算。首先，計(jì)算裸地情形下各種土地利用類型潛在的土壤侵蝕量RKLS，公式為

式中R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS為通過數(shù)字高程模型（DEM）測(cè)算得到的坡度及坡長(zhǎng)因子，無量綱。

其次，在植被覆蓋及工程措施等情形下計(jì)算潛在土壤流失量USLE（Universal Soil Loss Equation），公式為

式中C表示植被覆蓋和管理因子，P表示工程措施因子。

根據(jù)上述在裸地情形及工程措施情形 2類情況下的結(jié)果，得到土壤保持量SC，t/(hm2·a)，計(jì)算公式為

參數(shù)R、K、LS、C、P因子具體計(jì)算公式見王蓓等[23]、包玉斌等[24]研究成果。

2.1.4 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

運(yùn)用相關(guān)分析法確定各服務(wù)間的空間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。該方法通常用于研究變量之間相關(guān)關(guān)系[25]，其數(shù)值的大小反映了變量之間相關(guān)性的強(qiáng)弱。若為正值，則表明 2個(gè)變量具有協(xié)同關(guān)系；若為負(fù)值，則為權(quán)衡關(guān)系。相關(guān)公式如下：

式中ES1與ES2分別代表2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；r為ES1與ES2之間的相關(guān)系數(shù)；i、j分別代表柵格數(shù)據(jù)中具體像元的行號(hào)和列號(hào)；n為柵格數(shù)據(jù)的時(shí)間序列。

在MATLAB軟件中，選擇Visual Studio作為開發(fā)平臺(tái)，利用 InVEST模型所使用的擴(kuò)展類庫，反編譯生成Python源文件，結(jié)合鹽池縣實(shí)際，參考其他學(xué)者[25]在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估中已采用的有關(guān)各項(xiàng)服務(wù)類型的生態(tài)評(píng)估模型，生成新的Python代碼，基于像元尺度計(jì)算鹽池縣草地碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持 3種服務(wù)功能兩兩之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)間的關(guān)系進(jìn)行空間制圖。

2.2 數(shù)據(jù)來源

草地碳庫：在鹽池縣完成63個(gè)樣地、315個(gè)草地樣方，規(guī)格為1 m×1 m，收集地上生物量；在實(shí)驗(yàn)室烘干箱內(nèi)對(duì)植物進(jìn)行烘干處理（恒定65 ℃烘干至質(zhì)量恒定），測(cè)得地上部分干物質(zhì)量，根據(jù)干物質(zhì)的基本構(gòu)成，乘以0.45系數(shù)，確定地上碳儲(chǔ)量。由于草地樣地和TM 遙感影像尺度相同（同為30 m×30 m），采用63個(gè)樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地上碳儲(chǔ)量與草地 NDVI值進(jìn)行線性回歸，利用擬合公式Y(jié)=376.95X?28.198（R2=0.84）推演出整個(gè)草地的地上碳儲(chǔ)量。植物總碳儲(chǔ)量參考黃土高原草原植被碳構(gòu)成[26]及樸世龍等相關(guān)研究成果[27]，確定地上碳儲(chǔ)量占植物總碳量的23.48%。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)通過樣地土壤采樣后進(jìn)行土壤農(nóng)化分析獲得，同時(shí)參考西部數(shù)據(jù)中心的 1:100萬土壤數(shù)據(jù)和第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)的8 595個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù)，采用的土壤分類系統(tǒng)主要為FAO-90，主要獲取字段T_OC：Real（有機(jī)碳含量）。在獲取土壤碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)后，隨機(jī)選取20個(gè)采樣點(diǎn)的土壤碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)與同一點(diǎn)1:100萬土壤數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算誤差系數(shù)，驗(yàn)證精度，確定土壤碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的可靠性。土壤數(shù)據(jù)：砂粒、粉粒、黏粒的含量、土壤深度，通過土壤野外采樣獲取，并參考西部數(shù)據(jù)中心《全國第二次土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)集》。

2.2.2 遙感數(shù)據(jù)

2000、2004、2007、2010和2015年草地空間分布數(shù)據(jù)采用人機(jī)交互式解譯方法，結(jié)合多次野外調(diào)查，解譯精度在84%之上，空間分辨率為30 m。

2.3.3 其他數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)：2000、2004、2007、2010和2015年的年降雨量、月降水量、日最高溫、日最低溫等，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）的中國地面氣候資料年、月、日值數(shù)據(jù)集，將不同方法的插值結(jié)果相比較，最終選用普通克里金法對(duì)研究區(qū)周圍10個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。DEM數(shù)據(jù)：借助ArcGIS中的Arc Hydro模塊，通過對(duì)DEM進(jìn)行填挖處理，致使DEM的表面平滑，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)填挖之后的DEM進(jìn)行流向提取、流量提取、匯水累積閾值設(shè)置、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等處理，實(shí)現(xiàn)集水區(qū)的集成。在對(duì)匯水累計(jì)閾值進(jìn)行確定時(shí)，根據(jù)研究目的，秉承盡可能細(xì)化河網(wǎng)但不破碎的原則，經(jīng)過多次嘗試輸入不同的閾值，將每次的集水區(qū)生成結(jié)果與實(shí)際的河網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)匯水累計(jì)閾值達(dá)到32 000時(shí)，生成的河網(wǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)際河網(wǎng)最為接近。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空格局

通過整理、計(jì)算，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)代入InVEST模型，通過運(yùn)行得到鹽池縣2000、2004、2007、2010和2015年5個(gè)年份草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持量分布圖（圖2～圖4），并對(duì)各研究時(shí)段碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持量及變化情況進(jìn)行分析，整理得到鹽池縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度草地碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持?jǐn)?shù)據(jù)及均值。

3.1.1 碳儲(chǔ)量

由圖 2可知，鹽池縣草地單位面積碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)從東北向西南逐漸遞減的分布規(guī)律，最大值為11.56 t/hm2，均值介于5.51～6.19 t/hm2。全面禁牧前的2000年，草地碳儲(chǔ)存總量為217.46萬t，單位面積均值為5.78 t/hm2，經(jīng)過2004年的持續(xù)增加，到2007年總量達(dá)到244.78萬t，單位面積均值為6.01 t/hm2，增長(zhǎng)3.98%，隨后轉(zhuǎn)為下降態(tài)勢(shì)，到2010年總量下降為225.01萬t，單位面積均值為5.51 t/hm2，下降9.17%，隨后又轉(zhuǎn)為增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2015年總量達(dá)到263.12萬t，單位面積均值為6.19 t/hm2，增長(zhǎng)11.23%。

①入選患者均符合中國2型糖尿病診治指南[2]（2013版）中定義的2型糖尿病診斷標(biāo)準(zhǔn)，空腹血糖（FPG）≥7.0 mmol/L，餐后2 h血糖＞11.1 mmol/L的2型糖尿病患者。②患者表示知情同意，愿意參加本研究。

2000－2004年，碳儲(chǔ)存功能全縣整體處于增長(zhǎng)狀態(tài)，但增長(zhǎng)幅度存在區(qū)域差異，北部地區(qū)增幅較大，而廣大中南部地區(qū)增幅相對(duì)較??；2004－2007年，草地碳儲(chǔ)存功能整體處于快速增長(zhǎng)狀態(tài)，草地碳儲(chǔ)存功能達(dá)到較高水平；2007－2010年，草地碳儲(chǔ)存量又處于大面積下降狀態(tài)，增長(zhǎng)的范圍極少；2010－2015年，碳儲(chǔ)存功能增加顯著，全縣基本處于增長(zhǎng)狀態(tài)，增幅較大?？傊?2000－2015年，鹽池草地碳儲(chǔ)存功能顯著增強(qiáng)，在2007年達(dá)到一個(gè)小高峰，隨后出現(xiàn)下降，而后轉(zhuǎn)為穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，表現(xiàn)為一個(gè)顯著的“N”型波動(dòng)上升態(tài)勢(shì)。

3.1.2 水源涵養(yǎng)量

由圖3可知，2000年鹽池縣草地水源涵養(yǎng)總量為2 884萬t，單位面積均值為76.69 t/hm2，經(jīng)過2004年的增加，到2007年總量達(dá)到7 869萬t，單位面積均值為193.12 t/hm2，增長(zhǎng)151.82%，隨后轉(zhuǎn)為下降狀態(tài)，到2010年總量下降為4 923萬t，單位面積均值120.60 t/hm2，下降 37.55%，隨后又轉(zhuǎn)為增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2015年總量達(dá)到6 118萬t，單位面積均值為143.92 t/hm2，增長(zhǎng)19.34%。

草地水源涵養(yǎng)量在研究時(shí)段內(nèi)波動(dòng)十分劇烈，2000－2007年，水源涵養(yǎng)量全縣大部處于增加狀態(tài)，北部增加幅度大于南部地區(qū)；2007－2010年，草地水源涵養(yǎng)量處于全面下降的態(tài)勢(shì)，且降幅較大；2010－2015年，又轉(zhuǎn)為全面恢復(fù)和提升，同樣北部增加幅度大于南部地區(qū)?？傊莸厮春B(yǎng)量在2000－2015年間總量提升比較明顯，且保持功能也有顯著提升，總體呈“N”型波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì)。

圖2 2000－2015年鹽池縣草地碳儲(chǔ)量時(shí)空格局Fig.2 Temporal and spatial pattern of grassland carbon storage in Yanchi County during 2000－2015

圖3 2000－2015年鹽池縣草地水源涵養(yǎng)量時(shí)空格局Fig.3 Temporal and spatial pattern of grassland water conservation in Yanchi County during 2000－2015

圖4 2000－2015年鹽池縣草地土壤保持量時(shí)空格局Fig.4 Temporal and spatial patterns of the grassland soil conservation in Yanchi County during 2000－2015

3.1.3 土壤保持量

由圖4可知，2000年草地土壤保持總量為1 383萬t，單位面積均值36.78 t/hm2，隨后逐漸增加，到2007年總量達(dá)到4 056萬t，單位面積均值達(dá)99.53 t/hm2，增長(zhǎng)170.61%，隨后轉(zhuǎn)為下降狀態(tài)，到2010年總量下降為2 194萬t，單位面積均值53.75 t/hm2，下降45.99%，隨后又轉(zhuǎn)為增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，在2015年總量達(dá)到3 474萬t，單位面積均值81.71 t/hm2，增長(zhǎng)52.01%。

草地土壤保持量在各研究時(shí)段波動(dòng)十分劇烈，2000－2007年，土壤保持量全縣大部分處于增加狀態(tài)，南部增幅大于北部地區(qū)；2007－2010年，土壤保持量又處于全面下降態(tài)勢(shì)，且降幅較大；2010－2015年，處于全面恢復(fù)和提升過程，南部增幅大于北部?？傊?，草地土壤保持量在2000－2015年間總量提升比較明顯，且保持功能有顯著提升，總體上呈“N”型波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì)，提升幅度南部大于北部。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間格局

在權(quán)衡同時(shí)，對(duì)所得權(quán)衡關(guān)系利用t檢驗(yàn)方法，判斷其相互之間的顯著性，劃分權(quán)衡與協(xié)同系數(shù)等級(jí)，并對(duì)不同權(quán)衡關(guān)系的象元個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖5），對(duì)其鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度空間占比進(jìn)行計(jì)算（圖6）。

由圖5可以看出，鹽池縣草地土壤保持功能與水源涵養(yǎng)功能呈顯著的協(xié)同關(guān)系，協(xié)同關(guān)系面積占86.34%，協(xié)同關(guān)系規(guī)律表現(xiàn)為自東南向西北逐漸增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，權(quán)衡關(guān)系只在東南部地區(qū)有少量分布，且權(quán)衡等級(jí)較低；碳儲(chǔ)存功能與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系復(fù)雜，權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不鮮明，二者面積占比相當(dāng)，其中協(xié)同關(guān)系占 52.34%，權(quán)衡關(guān)系占47.66%，在地形起伏較大的區(qū)域表現(xiàn)出顯著的權(quán)衡關(guān)系，如南部麻黃山區(qū)和中南部的沙帶，而廣大中北部地區(qū)表現(xiàn)出低水平的協(xié)同關(guān)系；碳儲(chǔ)存功能與土壤保持功能呈協(xié)同關(guān)系，協(xié)同關(guān)系面積比重為69.55%，全縣大部分地區(qū)表現(xiàn)出低水平的協(xié)同關(guān)系，權(quán)衡關(guān)系分布零散，規(guī)律性不明顯，通過對(duì)土地利用的觀察，發(fā)現(xiàn)其分布區(qū)主要為新增草地，即新增草地土壤保持功能與碳儲(chǔ)存功能存在一定的權(quán)衡關(guān)系。

圖5 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系Fig.5 Spatial trade-offs and synergies relationship of grassland ecosystem services

圖6 鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系占比Fig.6 Proportion of grassland ecosystem service trade-offs and synergies relationship at township scale

由圖 6可知，土壤保持功能與水源涵養(yǎng)功能各鄉(xiāng)鎮(zhèn)都以協(xié)同關(guān)系為主，且協(xié)同關(guān)系面積占比都很高，比例從高到低依次是馮記溝鄉(xiāng)（93.92%）、花馬池鎮(zhèn)（92.73%）王樂井鄉(xiāng)（92.17%）、高沙窩鎮(zhèn)（90.26%）、惠安堡鎮(zhèn)（88.47%）、麻黃山鄉(xiāng)（84.25%）、青山鄉(xiāng)（72.29%）和大水坑鎮(zhèn)（71.89%），其中協(xié)同等級(jí)最高的是高沙窩鎮(zhèn)（83.52%的“協(xié)同**”關(guān)系），權(quán)衡關(guān)系比例低，主要在大水坑鎮(zhèn)和青山鄉(xiāng)存在少許低等級(jí)的權(quán)衡關(guān)系。表明草地土壤保持功能與水源涵養(yǎng)功能具有顯著的協(xié)同關(guān)系，當(dāng)草地的土壤保持功能強(qiáng)大時(shí)，其水源涵養(yǎng)功能同樣較大，二者呈現(xiàn)出相輔相成的關(guān)系。

碳儲(chǔ)存功能與水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)出復(fù)雜的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中協(xié)同關(guān)系面積比例介于 37.28%～68.04%之間，權(quán)衡關(guān)系介于31.39%～62.72%之間，麻黃山鄉(xiāng)的協(xié)同關(guān)系最高，王樂井鄉(xiāng)的權(quán)衡關(guān)系最高，其中權(quán)衡關(guān)系為主的有王樂井鄉(xiāng)（62.72%）、高沙窩鎮(zhèn)（61.55%）、馮記溝鄉(xiāng)（59.10%）和花馬池鎮(zhèn)（55.97%），協(xié)同關(guān)系處于優(yōu)勢(shì)的有麻黃山鄉(xiāng)（68.04%）、青山鄉(xiāng)（56.28%）、惠安堡鎮(zhèn)（54.57%）和大水坑鎮(zhèn)（52.09%），由此可以看出，地形因素是決定草地碳儲(chǔ)存與水源涵養(yǎng)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的主導(dǎo)因素，當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，多屬協(xié)同關(guān)系，當(dāng)?shù)匦纹教箷r(shí)多屬權(quán)衡關(guān)系。

在碳儲(chǔ)存與土壤保持功能關(guān)系中，協(xié)同關(guān)系仍是主導(dǎo)，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)協(xié)同關(guān)系面積比例從高到低依次是王樂井鄉(xiāng)（80.05%）、大水坑鎮(zhèn)（76.74%）、青山鄉(xiāng)（75.64%）、高沙窩鎮(zhèn)（75.11%）、馮記溝鄉(xiāng)（67.23%）、花馬池鎮(zhèn)（64.95%）和惠安堡鎮(zhèn)（64.36%），而麻黃山鄉(xiāng)以權(quán)衡關(guān)系為主（57.57%）。這說明碳儲(chǔ)存功能與土壤保持功能的協(xié)同也主要受地形因素影響，在地形起伏平緩的地區(qū)碳儲(chǔ)存功能與土壤保持功能呈協(xié)同關(guān)系，地形起伏特別大的地區(qū)碳儲(chǔ)存功能與土壤保持功能呈權(quán)衡關(guān)系，但這種權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系受地形的影響要小于碳儲(chǔ)存功能與水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系受地形影響的程度。

4 討 論

草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估是本研究的前提和基礎(chǔ)，對(duì)InVEST模型本地化修正后，在鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估中取得了較好效果，為精準(zhǔn)確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)提供了基礎(chǔ)。研究運(yùn)用草學(xué)野外調(diào)查和試驗(yàn)方法，在對(duì)草地植被和土壤實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，獲取和修正模型所需參數(shù)，包括草地碳庫數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等。評(píng)估得到鹽池縣草地碳儲(chǔ)量均值為5.78～6.19 t/hm2，水源涵養(yǎng)功能2000年為76.69 t/hm2，2015年為143.92 t/hm2，土壤保持能力2000年為36.78 t/hm2，2015年為81.71 t/hm2。包玉斌[24]2014年對(duì)陜北黃土高原運(yùn)用InVEST模型研究，所得定邊縣（鹽池縣東鄰）介于8.2～10.4 t/hm2、水源涵養(yǎng)均值介于 101.8～279.7 t/hm2之間、土壤保持能力為59.5～92.4 t/hm2，其研究結(jié)果均略大于本研究，由于陜北黃土高原在水熱條件上都優(yōu)于寧夏鹽池縣，因此本研究結(jié)果符合實(shí)際。

研究得到的草地土壤保持與水源涵養(yǎng)功能呈顯著的協(xié)同關(guān)系，碳儲(chǔ)存與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系復(fù)雜，權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不顯著，碳儲(chǔ)存與土壤保持功能呈協(xié)同關(guān)系。鞏杰等[28]對(duì)白龍江流域研究也認(rèn)為土壤保持與水源涵養(yǎng)呈顯著的協(xié)同關(guān)系；鄭德鳳等[29]研究也發(fā)現(xiàn)協(xié)同關(guān)系是三江源國家公園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的主導(dǎo)關(guān)系；尹禮唱等[30]認(rèn)為在中國的屏障帶，土壤保持、固碳及產(chǎn)水間三者以協(xié)同為主，其中東北森林帶固碳與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系復(fù)雜，權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不顯著，權(quán)衡關(guān)系像元比例為49%，與本研究的47.66%非常接近。王鵬濤等[25]研究發(fā)現(xiàn)漢江上游的土壤保持與產(chǎn)水服務(wù)均以權(quán)衡關(guān)系為主；戴路煒[31]對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶多倫縣研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)水量與土壤保持、產(chǎn)水量與碳固持顯著權(quán)衡；Pan等[32]研究發(fā)現(xiàn)在西北干旱內(nèi)陸河流域區(qū)域尺度上，水源涵養(yǎng)和土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系，這與本研究的結(jié)果存在差異，造成這種差異的原因可能是地形因子的影響，地形因素是決定碳儲(chǔ)存-水源涵養(yǎng)功能和碳儲(chǔ)存-土壤保持功能協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的主導(dǎo)因素，當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，多屬協(xié)同關(guān)系，當(dāng)?shù)匦纹教箷r(shí)多屬權(quán)衡關(guān)系，另外研究尺度差異也可能是影響因素，這仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

1）2000－2015年，鹽池縣草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)和土壤保持功能顯著增加，但存在一個(gè)顯著的“N型”波動(dòng)。草地碳儲(chǔ)存總量及單位面積均值由217.46萬t、5.78 t/hm2增加到263.12萬t、6.19 t/hm2；水源涵養(yǎng)總量在波動(dòng)中增加，由2 884萬t、單位面積均值76.69 t/hm2增加到6 118萬t、143.92 t/hm2；土壤保持總量波動(dòng)也比較劇烈，由1 383萬t、單位面積均值36.78 t/hm2增加到3 474萬t、81.71 t/hm2。草地碳儲(chǔ)存功能在研究時(shí)段內(nèi)變化幅度較小，增加或減少都是緩慢且連續(xù)的，而水源涵養(yǎng)功能和土壤保持功能則處于大幅度增加或減少的狀態(tài)；就區(qū)域差異而言，碳儲(chǔ)存和水源涵養(yǎng)功能的增加北部高于南部，而土壤保持功能則是南部大于北部。

2）草地土壤保持功能與水源涵養(yǎng)功能呈顯著的協(xié)同關(guān)系，協(xié)同關(guān)系面積占86.34%，在空間上表現(xiàn)為自東南向西北逐漸增強(qiáng)的變化規(guī)律，權(quán)衡關(guān)系只在東南部有少量分布，且等級(jí)較低；碳儲(chǔ)存功能與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系復(fù)雜，權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不顯著，二者面積占比相當(dāng)，分別為47.66%和52.34%，其中在地形起伏較大的南部地區(qū)表現(xiàn)出顯著的權(quán)衡關(guān)系，而廣大中北部地形起伏和緩的地區(qū)變現(xiàn)出低水平的協(xié)同關(guān)系；碳儲(chǔ)存功能與土壤保持功能呈協(xié)同關(guān)系，協(xié)同關(guān)系面積比例達(dá)69.55%，全縣大部分地區(qū)表現(xiàn)出低水平的協(xié)同關(guān)系，權(quán)衡關(guān)系分布零散，規(guī)律性不明顯。地形因素是決定碳儲(chǔ)存-水源涵養(yǎng)功能和碳儲(chǔ)存-土壤保持功能協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的主導(dǎo)因素，在地形起伏較大的區(qū)域，二者多屬協(xié)同關(guān)系，在地形平坦的區(qū)域，二者則多為權(quán)衡關(guān)系。