李 理,趙 芳,朱連奇,*,何莎莎,葉露培

1 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 開封 475004 2 北京師范大學(xué)政府管理學(xué)院， 北京 100875 3 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210023

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services,ES)是指人類為滿足自身需求從生態(tài)系統(tǒng)中所獲取的直接或間接收益[1-2],主要包含供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)等4種服務(wù)類型[3]。自1997年Constanza等率先估算全球尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以來,國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)對全球[4]、國家[5]、區(qū)域[6]、省市[7]、山區(qū)[8]、流域[9]等不同空間尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評估,并測度冰川[10]、森林[11]、草地[12]和濕地[13]等類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受到自然環(huán)境和人為干擾的綜合影響呈現(xiàn)此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和互相增益的協(xié)同關(guān)系[14-16],正確認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系是制定多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)管理決策的前提,有助于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最優(yōu)化,從而實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏[17]。權(quán)衡全球或區(qū)域尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系成為學(xué)界研究的熱點[18],統(tǒng)計描述法、空間統(tǒng)計制圖法、情景分析法和模型模擬法是權(quán)衡與協(xié)同常用分析方法[19-20],如王鵬濤運用二階偏相關(guān)分析逐像元計算土壤保持、NPP和產(chǎn)水的相關(guān)系數(shù),研究表明3種服務(wù)皆以權(quán)衡關(guān)系為主導(dǎo)[21]；錢彩云利用雙變量空間自相關(guān)測度白龍江流域產(chǎn)水量、土壤保持、碳儲量和糧食生產(chǎn)權(quán)衡程度,高高集聚和低低集聚為協(xié)同關(guān)系、高低集聚和低高集聚為權(quán)衡關(guān)系,識別空間尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)特征[22]。以往研究多集中于測度時間尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間權(quán)衡關(guān)系并進(jìn)行空間可視化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體間權(quán)衡程度研究相對薄弱[23-24]。在此情形下,亟需評估區(qū)域?qū)用嫔仙鷳B(tài)系統(tǒng)整體權(quán)衡關(guān)系及空間特征,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間非線性權(quán)衡關(guān)系研究進(jìn)行補充,揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡程度及空間差異,為制定流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策提供科學(xué)依據(jù)。因此,本文以淇河流域為對象研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡及空間分異機制,探討小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型之間的權(quán)衡與協(xié)同規(guī)律。

自然和人文因素綜合影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成及其權(quán)衡關(guān)系,探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的外部驅(qū)動機制受到學(xué)界的廣泛關(guān)注[25],如張宇碩通過層次分析法構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型分析京津冀濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響因素,結(jié)果得出氣候、土壤等內(nèi)部驅(qū)動力對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)起促進(jìn)作用,外部驅(qū)動力抑制生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升[26]；郭慧基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的均衡因子和產(chǎn)量因子測度方法,評估了1990—2015年北京市門頭溝區(qū)生態(tài)承載力,發(fā)現(xiàn)均衡因子和產(chǎn)量因子較通用因子更好體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)承載力[27]。上述研究大多通過分析外部驅(qū)動因素對各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響程度,但對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系對環(huán)境變量的響應(yīng)機制亟需厘清[28],已有研究表明植被覆蓋度[29]、土地利用類型[30]、地形[31]、人類活動影響[32]對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互關(guān)系的作用方向及影響程度存在差別,研究手段多為統(tǒng)計學(xué)方法,對外部驅(qū)動因素在空間尺度上影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動態(tài)權(quán)衡關(guān)系解釋程度不夠[33]。地理探測器是一種新型的空間統(tǒng)計方法,能有效識別同一地域單元上相鄰要素之間空間關(guān)聯(lián)程度[34-35],主要用于測度驅(qū)動因子影響程度及其交互作用,已廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)用地驅(qū)動[36]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分異[37]、糧食安全[38]、疾病監(jiān)測[39]、貧困化差異機制[40]等方面。流域是具有明顯物理邊界且綜合性極強的地理單元,運用地理探測器分析流域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的外部驅(qū)動因素,有助于識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系影響因素的地理影響及交互作用,能夠為流域的生態(tài)環(huán)境規(guī)劃及決策提供科學(xué)依據(jù)和實證分析。

淇河流域位于中國第二級階梯向第三級階梯過渡區(qū)域,地處太行山與華北平原的地理過渡地帶,具備豐富的水源涵養(yǎng)功能及供給服務(wù)能力[41]。本文以淇河流域為研究對象,利用CASA模型、InVEST模型測度2000—2015年流域內(nèi)固碳、土壤保持、水源供給等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),刻畫流域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化特征,運用空間疊置法度量不同時段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間權(quán)衡程度,進(jìn)一步利用相關(guān)性分析精準(zhǔn)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間權(quán)衡關(guān)系,結(jié)合地理探測器中因子探測和交互探測模塊分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系外部驅(qū)動機制,從而量化自然環(huán)境和人為擾動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的影響程度,為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及提升人類福祉提供理論依據(jù)和實證分析。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及高程示意圖Fig.1 Location and elevation of the study area

淇河流域(35°32′—36°15′N, 113°15′—114°23′E)地處華北平原西南部和太行山南段之間,源于山西省陵川縣方腦嶺,經(jīng)河南省匯入海河支流衛(wèi)河,流域面積2227 km2,呈現(xiàn)西高東低分布態(tài)勢(圖1)。研究區(qū)主要氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量574 mm,年均氣溫11.9℃,夏季降水集中；復(fù)雜的地形使淇河流域生態(tài)環(huán)境脆弱,多樣的地貌類型使流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)復(fù)雜的變化。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2000、2005和2010年淇河流域土地覆被/利用數(shù)據(jù)均來自中國地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享平臺-黃河中下游科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn/),2015年土地利用數(shù)據(jù)在參考研究區(qū)歷年土地利用類型圖的基礎(chǔ)上對LANDSAT5多波段遙感影像(來源于地理空間數(shù)據(jù)云,http://www.gscloud.cn/)進(jìn)行人機交互目視解譯并進(jìn)行實地勘察,其Kappa系數(shù)為86%；研究區(qū)內(nèi)9個氣象站點的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來于河南省氣象局及中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)；土壤數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享平臺-黃河下游科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://henu.geodata.cn)；植被NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局 (NASA) 16 d合成的空間分辨率為250 m MOD13Q1產(chǎn)品,利用最大合成法提取每年7月中NDVI的最大值,從而合成逐年NDVI數(shù)據(jù)；DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn),分辨率為30m；土地利用強度和人類活動影響通過文獻(xiàn)計算得到[42-43]。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法

本文利用CASA模型和InVEST模型等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型,定量估算淇河流域固碳、土壤保持與水源供給服務(wù)時空變化特征。固碳利用CASA(Carnegie Ames-Stanford Approach)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程模型估算生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP),參數(shù)確定及模型計算方法,具體見參考文獻(xiàn)[44]；土壤保持服務(wù)利用InVEST模型中SDR(Sediment Delivery Ratio Model)模塊進(jìn)行計算,結(jié)合土地利用/覆被數(shù)據(jù)、DEM、土壤數(shù)據(jù)和降水等多種數(shù)據(jù)對土壤流失方程進(jìn)行修正,模型中所需的降雨侵蝕力因子(R)是利用Kriging插值得到并運用Wischmeier的月尺度經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計算得到[45],土壤可蝕性因子(K)是通過Williams等提出的EPIC模型對流域內(nèi)1∶100萬土壤數(shù)據(jù)集進(jìn)行計算,植被覆蓋因子(C)參考蔡崇法的計算方法得到[46],水土保持措施因子(P)參考以往的研究并結(jié)合研究區(qū)土地利用情形及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動確定[47-48]；水源供給服務(wù)根據(jù)InVEST模型中產(chǎn)水量模塊計算得到,該模塊是根據(jù)水量平衡原理并通過Budyko曲線[49]和年降雨量計算得到,相關(guān)參數(shù)通過文獻(xiàn)[50-51]進(jìn)行修正。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同量化方法

基于Matlab平臺對固碳、土壤保持和水源供給服務(wù)逐像元進(jìn)行相關(guān)性分析,量化固碳與土壤保持、固碳與水源供給及土壤保持和水源供給服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同程度并進(jìn)行可視化表達(dá)。進(jìn)一步利用t檢驗法對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡強度進(jìn)行顯著性分析,若P<0.01,則權(quán)衡/協(xié)同度通過了極顯著性檢驗,若0.01

(1)

式中：ESstd為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化的值(介于0—1),ESpixel、ESmax、ESmin分別為某類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)任意柵格值、最大值和最小值,按照自然斷裂點法將服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化的值分類為高、中、低；CODE為三位數(shù)疊置代碼,碳為固碳、水為水源供給、土為土壤保持,代碼序列依次為固碳、水源供給和土壤保持,值介于111和333之間,分別對應(yīng)服務(wù)類型的供給能力,即低、中、高。參考張靜靜等[14]研究將一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力高而其它生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較低視為強權(quán)衡,兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力高而另一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力低定義為弱權(quán)衡；高協(xié)同表現(xiàn)為各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都處于較高水平、如供給能力組合中333、332等,低協(xié)同是各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都處于較低水平,如111、221等,具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表1：

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.4 地理探測器

地理探測器能有效分析同一地域單元上兩個要素之間的地理關(guān)聯(lián)性以及不同區(qū)域變量的差異性,可以揭示區(qū)域尺度上要素之間的因果性[54-55]。本文利用地理探測器中因子探測和交互探測兩個模塊,其中環(huán)境變量通過自然斷裂點法進(jìn)行分類,以此探測各影響因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的影響及交互作用影響程度,公式如下：

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化特征

淇河流域固碳、土壤保持與水源供給空間分布及變化趨勢(圖2)。近15年來研究區(qū)平均固碳、土壤保持及水源供給量分別為375.55 gC m-2a-1、396.72 t hm-2a-1和67.26 mm/a,且各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布上存在差別：固碳含量表現(xiàn)為西北高、東南低,高值區(qū)集中分布淇河上游地區(qū),低值區(qū)分布于下游區(qū)域；土壤保持量高值區(qū)集聚態(tài)勢不顯著,流域中上游、中下游分布較廣；水源供給量高值區(qū)主要分布于流域四至及中下游區(qū)域,低值區(qū)分布范圍較廣。2000—2015年間固碳含量以18.20 gC m-2a-1的速率遞減,超過90%的區(qū)域呈減少態(tài)勢,淇河上游及下游地區(qū)減幅最大；土壤保持量遞減速率為1.2 t hm-2a-1,減少幅度主要集中于[-8,-0],流域內(nèi)土壤保持含量均以一定速率遞減；水源供給服務(wù)遞減率為0.16mm/a,95%的區(qū)域產(chǎn)水量減少,流域中下游區(qū)域產(chǎn)水量增加較為明顯。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布及變化速率Fig.2 Spatial distribution and change rate of ecosystem services

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系定量分析

3.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡分析

由圖3和表3可知,2000—2015年淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系以低協(xié)同和強權(quán)衡關(guān)系為主,其中低協(xié)同主要分布于流域上游和下游,固碳、土壤保持和水源供給等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體較低；研究區(qū)中下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系以強權(quán)衡為主導(dǎo),表示一類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力較高而其它類型較低；從各時期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系像元個數(shù)及所占比例來看,強權(quán)衡僅在2000年像元個數(shù)占比低于50%,其它時期均高于50%,表明淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以強權(quán)衡為主導(dǎo)；在弱權(quán)衡方面,2005年像元數(shù)量最多(1519個)、2015年次之(813個)、2000年最少(451個)；高協(xié)同是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都處于較高水平,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系達(dá)到最理想的狀態(tài),2015年占比最多(10.74%)、2005年次之(10.63%)、2000年最少(7.43%)；低協(xié)同在2000年所占比例最高(50.64%)、2010年次之(37.20%)、2005年最低(31.69%),反映固碳、土壤保持和水源供給服務(wù)都處于較低水平,也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系中最不理想的狀態(tài)。研究時段內(nèi),低協(xié)同分布的面積減少了16.21%,強權(quán)衡、高協(xié)同和弱權(quán)衡分別增加了11.85%、3.31%和1.05%,表明流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同程度加強,生態(tài)環(huán)境呈好轉(zhuǎn)趨勢。

圖3 2000—2015年淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系Fig.3 Ecosystem services trade-offs/synergies from 2000 to 2015 in the Qi River Basin

表3 淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系像元數(shù)量及比例/%

3.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩權(quán)衡分析

基于像元尺度計算2000—2015年固碳、土壤保持和水源供給相關(guān)性并進(jìn)行空間制圖,圖4表示固碳與水源供給、固碳與土壤保持及水源供給和土壤保持服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同程度及顯著性檢驗分析。固碳與水源供給服務(wù)關(guān)系以權(quán)衡為主導(dǎo),比重為65.2%,且通過顯著性水平檢驗僅占3.04%,表明兩者生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡程度處于較低狀態(tài)、顯著性水平不高,時間尺度上固碳服務(wù)的增加/減少對水源供給服務(wù)的減弱/增強的影響較為平緩,協(xié)同關(guān)系比重為34.8%,且通過顯著性檢驗為2.63%；固碳與土壤保持權(quán)衡、協(xié)同占比分別為2.63%、97.37%,主導(dǎo)服務(wù)類型為協(xié)同關(guān)系,其中協(xié)同度大于0.8的像元占比8.08%、0.5—0.8占比64.76%,即研究時段內(nèi)固碳與土壤保持服務(wù)變化方向一致、協(xié)同程度高,通過顯著性水平的像元比重為10.56%,其中約有8.54%像元表現(xiàn)極顯著相關(guān)、1.68%像元為顯著相關(guān);水源供給和土壤保持服務(wù)關(guān)系表明,權(quán)衡關(guān)系比重為90.06%,通過顯著性檢驗的像元數(shù)為5969,占比18.41%,反映淇河流域水源供給服務(wù)和土壤保持服務(wù)空間尺度上表現(xiàn)為此消彼長的權(quán)衡關(guān)系,即像元尺度上水源供給服務(wù)能力的增加會減損土壤保持服務(wù)供給量。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩權(quán)衡關(guān)系及顯著性分析Fig.4 Trade-off relationship and significance analysis of ecosystem services

3.3 淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡驅(qū)動力探測

3.3.1因子探測

運用地理探測器中因子探測模塊對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系外部驅(qū)動因子進(jìn)行分析,揭示自然環(huán)境因子和人類活動影響空間尺度上對權(quán)衡關(guān)系的影響機制(表4),發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩權(quán)衡關(guān)系對不同環(huán)境變量響應(yīng)程度存在差別：在固碳與土壤保持權(quán)衡方面,植被NDVI影響最強(0.306)、氣溫次之(0.247)、土地利用強度最弱(0.002)；固碳與水源供給方面,植被NDVI影響強度遠(yuǎn)大于其它環(huán)境變量,證明固碳與水源供給權(quán)衡關(guān)系主控因子為植被NDVI；水源供給與土壤保持服務(wù)外部驅(qū)動機制表明,降水量因子解釋力最強、為0.594,氣溫次之(0.574),土地利用程度影響能力最弱(0.004),發(fā)現(xiàn)兩類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系受自然環(huán)境因子影響顯著高于人類活動及植被NDVI,主要原因為地形及氣候條件決定了水源供給及土壤保持服務(wù)供給強度,顯著影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系。

表4 淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡因子探測結(jié)果

3.3.2交互探測結(jié)果分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的影響過程受到外部因素多重影響,各影響因素彼此存在交互關(guān)系。由交互探測結(jié)果(表5)可以看出,兩兩因素交互探測后對各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系因子解釋力顯著增大,從不同交互類型來看,主要表現(xiàn)為雙因子增強和非線性增強兩種類型：在固碳與土壤保持服務(wù)中,植被NDVI與氣溫、降水和高程交互后因子解釋力分別達(dá)到0.4以上,植被NDVI、氣溫、降水和高程相互作用后對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系解釋程度增強,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系受到多種因素共同作用,而非單一因子起決定性作用；在水源供給與土壤保持服務(wù)中,氣溫、降水和高程與其它環(huán)境因素交互后解釋力明顯增強,反映氣溫、降水和高程在水源供給服務(wù)與土壤保持服務(wù)關(guān)系中處于核心位置,解釋程度遠(yuǎn)高于其它環(huán)境變量。

表5 淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡各影響因素交互探測

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

4.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同

目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡研究多集中于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間相互關(guān)系的時空權(quán)衡分析及空間表達(dá)上,缺乏對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體權(quán)衡機制的深入剖析。本文定量評估了淇河流域固碳、土壤保持和水源供給服務(wù),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體關(guān)系以強權(quán)衡和低協(xié)同為主導(dǎo),其中低協(xié)同是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系都處于較低水平,也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最不理想的狀態(tài),迫切需要政府部門制定有關(guān)政策進(jìn)行調(diào)控,促使低協(xié)同區(qū)域逐漸過渡至高協(xié)同。運用空間疊置法對于研究區(qū)域尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體權(quán)衡關(guān)系有積極意義,但仍需進(jìn)一步研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系演變趨勢及局部特征。相關(guān)性結(jié)果表明,固碳與水源供給、水源供給與土壤保持以權(quán)衡為主導(dǎo),固碳與土壤保持以協(xié)同關(guān)系為主,且空間格局上存在差異,其原因為約束閾值對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系產(chǎn)生一定的影響[56],如固碳較高的區(qū)域植被覆蓋水平較高,抑制了土壤侵蝕作用,這時固碳與土壤保持服務(wù)呈協(xié)同關(guān)系,而植被覆蓋度較高的區(qū)域降水量較為充沛,土壤侵蝕程度加劇,固碳與土壤保持服務(wù)表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系[21]。另外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系存在尺度特征,潘競虎發(fā)現(xiàn)縣域尺度上各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,而區(qū)域尺度上土壤保持與水源供給、糧食生產(chǎn)為權(quán)衡關(guān)系[57],未來應(yīng)加強流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系尺度特征與區(qū)域差異的研究,構(gòu)建柵格-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-縣域-流域多級評價單元,明晰各尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力及權(quán)衡關(guān)系。本研究集中評估固碳、土壤保持和水源供給等調(diào)節(jié)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,后期應(yīng)開展其它類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的估測并權(quán)衡其相互關(guān)系,從而建立流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇并刻畫各項服務(wù)權(quán)衡關(guān)系,為流域國土空間規(guī)劃及優(yōu)化提供參考。

4.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡驅(qū)動機制探討

本文運用遙感、GIS和地理探測器技術(shù),系統(tǒng)分析了淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系及其空間分異的驅(qū)動機制,地理探測器有助于揭示淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡程度空間分異的主要外部驅(qū)動因子及其交互作用,較以往的統(tǒng)計學(xué)方法,優(yōu)勢在于能夠定量描述各環(huán)境變量對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的空間影響,對于研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的驅(qū)動機制是一種有益的嘗試,為流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管制及生態(tài)安全格局的建立提供依據(jù)。綜合來看,自然環(huán)境因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系影響強度顯著高于人類活動影響,植被NDVI、氣溫、降水和高程是影響淇河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的主導(dǎo)因子,且交互作用后因子解釋力明顯增大,表明流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系受到多種因素共同影響,而非單一因素起決定性作用。在CASA和InVEST模型參數(shù)輸入過程中需要輸入諸如植被NDVI、地形等要素,一定程度上增加了自然要素的影響程度,此外,自然環(huán)境決定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給強度并形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,這也可能對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。有研究表明,土地利用/覆被變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的主導(dǎo)因子[58-59],本文通過計算土地利用強度和人類活動影響表征人為擾動程度,結(jié)果顯示兩者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系影響程度較低,主要是生態(tài)用地提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),但土地利用強度及人為影響較弱,其次,數(shù)據(jù)分辨率較低也可能是影響地理探測結(jié)果的因素之一。因此,今后研究的重點應(yīng)包含：(1)提高土地利用/覆被及DEM數(shù)據(jù)的分辨率,準(zhǔn)確評估流域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力；(2)選取自然環(huán)境-社會經(jīng)濟-人類活動等多種影響因素,探究其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的影響機理；(3)基于土地利用/覆被變化,進(jìn)一步測度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的變化機制；(4)關(guān)注極端氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡關(guān)系的影響,建立極端氣候與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空匹配關(guān)系,揭示全球變化背景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系變化情形,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)、構(gòu)建和諧的人地關(guān)系提供理論依據(jù)。

4.2 結(jié)論

(1)2000—2015年,淇河流域多年平均固碳量為375.55 gC m-2a-1,呈西北高、東南低分布趨勢,多年遞減速率為18.20 gC m-2a-1；多年平均土壤保持量為396.72 t hm2a-1,多年遞減速率為1.2 t hm-2a-1,空間差異不顯著；多年平均水源供給量為67.26 mm/a,高值區(qū)主要分布于流域四至及中下游區(qū)域,低值區(qū)分布廣泛,以0.16 mm/a的速率遞減。

(2)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系中,以強權(quán)衡和低協(xié)同關(guān)系為主,其中強權(quán)衡主要分布于流域中下游、低協(xié)同主要分布于研究區(qū)下游及中上游：研究時段內(nèi)低協(xié)同分布的面積減少了16.21%,強權(quán)衡、高協(xié)同和弱權(quán)衡分別增加了11.85%、3.31%和1.05%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩之間關(guān)系表明,固碳與水源供給、水源供給與土壤保持服務(wù)以權(quán)衡關(guān)系為主,水源供給與土壤保持服務(wù)以協(xié)同關(guān)系為主,空間特征及顯著性水平表現(xiàn)為異質(zhì)性。

(3)地理探測器結(jié)果表明：固碳與土壤保持方面,植被NDVI影響最強(0.306)、氣溫次之(0.241)、土地利用程度最弱(0.002)；固碳與水源供給方面,植被NDVI因子解釋力顯著高于其它因素,為0.381；水源供給與土壤保持方面,降水、氣溫和高程因子解釋力均高于0.5；交互探測后各影響因子解釋能力顯著增強,主要為雙因子增強和非線性增強兩種類型。