韋鈞培，楊云川，2,3①，謝鑫昌，廖麗萍，2，3，田 憶，周津羽

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲取的各項(xiàng)產(chǎn)品與服務(wù)，對(duì)維持和改善人類福祉至關(guān)重要[1]。在人類-自然耦合系統(tǒng)中，人類活動(dòng)和自然環(huán)境的相互作用造就了生態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間異質(zhì)性[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間往往呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系(trade-offs)和相互增益的協(xié)同關(guān)系(synergies)[3]。其中，權(quán)衡關(guān)系意味著一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加是以其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)減弱為代價(jià)，協(xié)同關(guān)系意味著多個(gè)服務(wù)受相同的變化因素驅(qū)動(dòng)，具有一致的變化趨勢(shì)。千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估報(bào)告指出，人類對(duì)自然資源的無(wú)節(jié)制利用加劇了自然資源耗竭，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供求矛盾日益突出[4]。由于缺乏在流域尺度上對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間復(fù)雜關(guān)系的理解和管理，導(dǎo)致一些關(guān)鍵服務(wù)的供給能力持續(xù)衰退[5]。厘清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間分異和相互作用機(jī)制有助于實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與生態(tài)系統(tǒng)的“雙贏”[6]。

近年來(lái)，多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互關(guān)系研究在生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等諸多學(xué)科中備受關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用空間疊置法[7]、統(tǒng)計(jì)分析法[8]及情景模擬[9]等方法，借助InVEST[10]、ARIES[11]和CASA[12]等模型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的尺度效應(yīng)[13]、空間格局[14]和作用機(jī)制[15]等方面進(jìn)行研究。劉立程等[16]基于供需關(guān)系分析與評(píng)價(jià)了蘭州市4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；余玉洋等[17]從大、中、小不同空間尺度研究了秦巴山區(qū)5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系；劉洋等[7]研究了影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力，包括氣候、土壤、經(jīng)濟(jì)和用地等10類31種驅(qū)動(dòng)力。盡管當(dāng)前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究已取得相當(dāng)豐碩的成果，但仍然存在一定局限性[18]，如Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣可以用于快速辨識(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，但忽略了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的潛在關(guān)聯(lián)模式，且無(wú)法深入揭示多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互依存關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇(ecosystem service bundles)是一組在時(shí)間和空間上反復(fù)出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互依賴性[19-21]。運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)中多服務(wù)聚合模式，有利于決策者在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展框架下做出有針對(duì)性的科學(xué)決策[22]。

南寧市地形地貌復(fù)雜，景觀異質(zhì)性突出，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展使生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力。2015年5月，南寧市作為第一批國(guó)家海綿城市試點(diǎn)正式啟動(dòng)海綿城市建設(shè)(建設(shè)總面積為60.2 km2)，城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)亦成為研究熱點(diǎn)[23]。充分了解南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局以及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，對(duì)南寧海綿城市建設(shè)具有重要科學(xué)意義[24]。籍此，在估算南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基礎(chǔ)上，綜合利用雙變量Moran′sI指數(shù)、主成分因子分析和聚類分析等方法，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇角度研究各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間表征，為進(jìn)一步厘清多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間復(fù)雜依存關(guān)系及驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供借鑒，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論在海綿城市建設(shè)與管理中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以南寧市所在流域?yàn)檠芯繀^(qū)，其范圍位于22°～23° N、108°～109° E之間，上游至老口水利樞紐，下游至青龍江匯入邕江河口斷面，范圍覆蓋大部分南寧市轄區(qū)(圖1)。流域總面積為4 957 km2，流域內(nèi)地貌復(fù)雜多樣，以山地、丘陵和盆地為主，西、北、南三面環(huán)山，中部為狹長(zhǎng)河谷盆地且坡度小于15°，海拔在-134～999 m之間。該區(qū)域?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，夏季長(zhǎng)且氣溫高，降水充沛，冬季短而溫暖干燥，無(wú)霜期長(zhǎng)。南寧城區(qū)位于中央河谷盆地，邕江自西向東流經(jīng)城區(qū)，將城區(qū)一分為二。復(fù)雜的地形地貌條件和城市空間分布格局形成了多樣的下墊面特性，造就了南寧市復(fù)雜的水文生態(tài)過(guò)程。

圖1 研究區(qū)地形及土地利用

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

使用數(shù)據(jù)包括：(1)2018年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲空間局(https:∥www.esa-landcover-cci.org/)，空間分辨率為300 m，根據(jù)需要將其進(jìn)行重分類簡(jiǎn)化；(2)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m；(3)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括區(qū)縣行政邊界、河流、公路和鐵路，來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)信息中心(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/)；(4)2018年氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水量和潛在蒸散發(fā)，提取自美國(guó)航空航天局(https:∥disc.gsfc.nasa.gov/)的全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS數(shù)據(jù)集)，空間分辨率為0.25°；(5)土壤數(shù)據(jù)，包括土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤深度，提取自北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)平臺(tái)(https:∥geodata.pku.edu.cn/)的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)中國(guó)土壤特征數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1 km；(6)相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《南寧統(tǒng)計(jì)年鑒2019》(http:∥tj.nanning.gov.cn/)。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法

根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)注程度和研究現(xiàn)狀，選擇生境質(zhì)量(habitat quality，HQ)和凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary production，NPP)2項(xiàng)支持服務(wù)，農(nóng)作物生產(chǎn)(crop production，CP)和產(chǎn)水量(water yield，WY)2項(xiàng)供給服務(wù)，以及碳儲(chǔ)量(carbon sequestration，CS)和土壤保持量(soil retention，SR)2項(xiàng)調(diào)節(jié)服務(wù)，共計(jì)3個(gè)類別6種類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行研究。這6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類活動(dòng)息息相關(guān)，是南寧市生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵服務(wù)，具有一定代表性，能充分反映研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體特征。

1.3.1生境質(zhì)量

采用InVEST模型生境質(zhì)量模塊結(jié)合土地利用類型和生物多樣性威脅因子的信息估算研究區(qū)生境質(zhì)量[25]，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，Qxj為j土地利用類型中x柵格生境質(zhì)量；Dxj為j土地利用類型中x柵格生境退化度；Hxj為j土地利用類型中x柵格生境適應(yīng)性；k為半飽和參數(shù)；ωr為r威脅因子權(quán)重；ry為y柵格中r威脅因子強(qiáng)度；irxy為y柵格中r威脅因子對(duì)x柵格的影響，包含線性型和指數(shù)型；βx為生境抗干擾水平；Sir為j土地利用類型對(duì)r威脅因子的敏感程度。

1.3.2凈初級(jí)生產(chǎn)力

采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型估算研究區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力，凈初級(jí)生產(chǎn)力主要受光合有效輻射和光能轉(zhuǎn)化率2個(gè)因素影響[26]，計(jì)算公式為

(3)

式(3)中，PNP為凈初級(jí)生產(chǎn)力(以C計(jì))，kg·m-2；t為月份；RAPA，xt為x柵格在t月吸收的光合有效輻射，MJ·m-2；εxt為x柵格在t月的實(shí)際光合利用率(以C計(jì))，kg·MJ-1。

1.3.3農(nóng)作物生產(chǎn)

結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)和南寧統(tǒng)計(jì)年鑒資料，估算研究區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)量。作物生產(chǎn)效率(作物單位面積產(chǎn)量)是農(nóng)田供應(yīng)服務(wù)中作物生產(chǎn)的重要指標(biāo)。農(nóng)作物總生產(chǎn)量可根據(jù)耕地面積乘以單位面積產(chǎn)量得到，但考慮到各流域面積大小不一，不方便比較，因此將農(nóng)作物總生產(chǎn)量換算成子流域平均作物產(chǎn)量。計(jì)算公式為

(4)

式(4)中，YC，mean為子流域平均作物產(chǎn)量，t；yC為單位面積產(chǎn)量，t·km-2；Abasin為子流域面積，km2；Acorpland為子流域耕地面積，km2。

1.3.4產(chǎn)水量

采用InVEST模型產(chǎn)水服務(wù)模塊估算研究區(qū)產(chǎn)水量，基于Budyko水熱平衡假設(shè)計(jì)算年尺度產(chǎn)水量[27]，計(jì)算公式為

(5)

(6)

式(5)～(6)中，Y為年產(chǎn)水量，mm；P為年降水量，mm；TAE為年實(shí)際蒸散量，mm；TPE為潛在蒸散量，mm，可通過(guò)參考作物蒸散量乘以植被蒸散系數(shù)得出；ω為修正的植被可利用含水量與預(yù)期降水量的比值。

1.3.5碳儲(chǔ)量

采用InVEST模型碳儲(chǔ)量模塊估算研究區(qū)碳儲(chǔ)量，基于土地利用類型，分別統(tǒng)計(jì)地上生物、地下生物、土壤和死亡有機(jī)質(zhì)4種基本碳庫(kù)[28]，計(jì)算公式為

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead。

(7)

式(7)中，Ctot為總碳儲(chǔ)量，Mg·hm-2；Cabove為地上生物碳儲(chǔ)量，Mg·hm-2；Cbelow為地下生物碳儲(chǔ)量，Mg·hm-2；Csoil為土壤碳儲(chǔ)量，Mg·hm-2；Cdead為死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量，Mg·hm-2。

1.3.6土壤保持量

采用InVEST模型沉積物保留模塊估算研究區(qū)土壤保持量，基于修正通用土壤流失方程，并綜合考慮地塊對(duì)上游沉積物的攔截能力[29]，計(jì)算公式為

DS=SRKL-EUSL，

(8)

SRKL=R×K×KLS，

(9)

EUSL=R×K×KLS×P×C。

(10)

式(8)～(10)中，DS為土壤保持量，t·hm-2；SRKL為自然條件下土壤侵蝕量，t·hm-2；EUSL為在管理和工程措施保護(hù)下的實(shí)際土壤侵蝕量，t·hm-2；R為降雨侵蝕因子，MJ·mm·hm-2·h-1；K為土壤可侵蝕性因子，t·h·MJ-1·mm-1；KLS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為土壤保持措施因子。

1.4 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析方法

雙變量Moran′sI指數(shù)由單變量Moran′sI指數(shù)拓展而來(lái)，可揭示不同要素空間分布的相關(guān)性，計(jì)算公式為

(11)

全局Moran′sI指數(shù)只能反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體關(guān)系，然而受下墊面土地利用類型空間異質(zhì)性影響，局部區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)會(huì)呈現(xiàn)不同的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，因此采用局部Moran′sI指數(shù)對(duì)局部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系進(jìn)行分析，計(jì)算公式為

(12)

式(12)中，Ii為局部Moran′sI指數(shù)。

1.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分析方法

1.5.1主成分因子分析

生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)多要素相互作用的復(fù)雜巨系統(tǒng)，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在明顯差異。主成分因子分析是判定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能否在服務(wù)簇中共存的前提。主成分因子分析法通過(guò)變量旋轉(zhuǎn)，在具有相關(guān)關(guān)系的多個(gè)變量中提取出幾個(gè)少數(shù)相互獨(dú)立的新變量作為主成分因子，并盡可能地保留全部信息[30]。計(jì)算公式為

Zi=ai1F1+ai2F2+…+ainFn。

(13)

式(13)中，Zi為i主成分得分；Fn為公共因子；ain為因子荷載。

1.5.2聚類分析

根據(jù)相似性原則通過(guò)衡量不同子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相似度，將研究區(qū)劃分為數(shù)個(gè)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。其中，具有較高相似度的子流域被劃分至同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中，而具有較高相異度的子流域被劃分至不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中。聚類分析結(jié)果可為不同生態(tài)環(huán)境量身定制有針對(duì)性的管理措施與方案。譜聚類(spectral clustering)是廣泛使用的聚類算法，與傳統(tǒng)的K-Means聚類算法相比，譜聚類具有適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算量小、聚類效果好的特點(diǎn)[31]。采用GeoDa軟件進(jìn)行譜聚類分析及可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局

受不同環(huán)境因素影響，南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)較大的空間差異特征(圖2)。如圖2所示，研究區(qū)生境質(zhì)量受建設(shè)用地、鐵路和公路影響較大，城區(qū)及交通主干道周邊生境退化嚴(yán)重，遠(yuǎn)郊山區(qū)生境質(zhì)量較高。研究區(qū)氣溫高，降水充沛，凈初級(jí)生產(chǎn)力受水熱條件限制較小，北部和南部山區(qū)植被茂密，凈初級(jí)生產(chǎn)力較高，而城區(qū)植被覆蓋少，凈初級(jí)生產(chǎn)力相對(duì)較低。研究區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)量呈中部高、南北低的分布格局，這是由于耕地主要集中在河谷平原和丘陵地帶，加之青秀區(qū)、邕寧區(qū)和江南區(qū)農(nóng)作物單產(chǎn)較高，因此中部地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)量較高。研究區(qū)產(chǎn)水量空間分布較為復(fù)雜，產(chǎn)水量受降水、蒸散發(fā)和土壤有效含水量等多方面因素影響。城區(qū)降水量適中，但植被稀疏，蒸散量小，不透水人工表面的土壤有效含水量低，故產(chǎn)水量最大。研究區(qū)碳儲(chǔ)量分布與凈初級(jí)生產(chǎn)力相似，呈南北高、中部低趨勢(shì)，北部和南部郊區(qū)土地利用類型以林地和灌木為主，碳儲(chǔ)量較高，而中部城區(qū)土地利用類型以建設(shè)用地為主，碳儲(chǔ)量趨于零。研究區(qū)土壤保持量呈東部低、北部和西南部高的分布格局，盡管北部山區(qū)地勢(shì)高，土壤可侵蝕性強(qiáng)，但土地利用類型以林地和灌木為主，土壤不易侵蝕，因此土壤保持量較高；而東部河谷平原地勢(shì)平坦，土壤可侵蝕性低，但土地利用以耕地為主，土壤易侵蝕，因此土壤保持量較低。綜上，盡管研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布各不相同，城區(qū)除產(chǎn)水量外的其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均處于較低水平。

HQ為生境質(zhì)量，NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力，CP為農(nóng)作物生產(chǎn)，WY為產(chǎn)水量，CS為碳儲(chǔ)量，SR為土壤保持量。

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

2.2.1權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的數(shù)值體現(xiàn)

為綜合揭示南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，參考前人研究方法[5]，以子流域?yàn)榛A(chǔ)單元，采用ArcGIS 10.2軟件對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)?？紤]到各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位不同，實(shí)際數(shù)值相差很大，需預(yù)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。在此基礎(chǔ)上使用雙變量全局和局部Moran′sI指數(shù)進(jìn)一步探析6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。

對(duì)6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩進(jìn)行雙變量Moran′sI指數(shù)分析(表1)。如表1所示，研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系顯著。同類別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在生態(tài)系統(tǒng)中的功能相似，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，各類別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部協(xié)同關(guān)系由強(qiáng)到弱依次為支持服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和供給服務(wù)。具體而言，支持服務(wù)中生境質(zhì)量-凈初級(jí)生產(chǎn)力呈顯著協(xié)同關(guān)系(Moran′sI指數(shù)為0.69)；供給服務(wù)中農(nóng)作物生產(chǎn)-產(chǎn)水量呈較弱的協(xié)同關(guān)系(Moran′sI指數(shù)為0.11)；調(diào)節(jié)服務(wù)中碳儲(chǔ)量-土壤保持量呈顯著協(xié)同關(guān)系(Moran′sI指數(shù)為0.37)。

表1 南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)雙變量全局Moran′s I指數(shù)矩陣Table 1 Global bivariate Moran′s I index matrix among six typical ecosystem services in Nanning

不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別間既有協(xié)同關(guān)系，又有權(quán)衡關(guān)系。支持服務(wù)與供給服務(wù)間，生境質(zhì)量-農(nóng)作物生產(chǎn)呈顯著協(xié)同關(guān)系(Moran′sI指數(shù)為0.24)，凈初級(jí)生產(chǎn)力-產(chǎn)水量呈顯著權(quán)衡關(guān)系(Moran′sI指數(shù)為-0.26)。支持服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)間，生境質(zhì)量-碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量-土壤保持量、凈初級(jí)生產(chǎn)力-碳儲(chǔ)量和凈初級(jí)生產(chǎn)力-土壤保持量均呈顯著協(xié)同關(guān)系，其Moran′sI指數(shù)分別為0.71、0.36、0.80和0.38。供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)間，農(nóng)作物生產(chǎn)-碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量-土壤保持量均呈顯著協(xié)同關(guān)系，其Moran′sI指數(shù)均為0.26；而產(chǎn)水量-碳儲(chǔ)量呈顯著權(quán)衡關(guān)系(Moran′sI指數(shù)為-0.21)。其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間無(wú)顯著協(xié)同或權(quán)衡關(guān)系。

2.2.2權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的空間表達(dá)

全局Moran′sI指數(shù)只能反映整體上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同/權(quán)衡關(guān)系，然而受到不同自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響，研究區(qū)各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同/權(quán)衡關(guān)系并不是均一的，會(huì)隨空間位置不同發(fā)生變化。對(duì)Moran散點(diǎn)圖進(jìn)行空間可視化，以Moran散點(diǎn)圖坐標(biāo)軸為分界線，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間集聚形式分為4類，其中第1象限為高值協(xié)同區(qū)(高-高型集聚)，第3象限為低值協(xié)同區(qū)(低-低型集聚)，第2象限和第4象限分別為高低值和低高值權(quán)衡區(qū)(分別為高-低型和低-高型集聚)。依據(jù)局部Moran′sI指數(shù)的顯著性去除不顯著區(qū)域。根據(jù)子流域集聚類型按不同顏色繪制研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間集聚圖(圖3)。

圖3 南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)聚類分析

同類別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，生境質(zhì)量-凈初級(jí)生產(chǎn)力在研究區(qū)北部和南部地區(qū)為高值協(xié)同區(qū)，在中北部地區(qū)為低值協(xié)同區(qū)〔圖3(a)〕。農(nóng)作物生產(chǎn)-產(chǎn)水量高值協(xié)同區(qū)位于研究區(qū)西部地區(qū)，低值協(xié)同區(qū)零散分布于南部和北部地區(qū)，而高低值和低高值權(quán)衡區(qū)零散分布于東北部地區(qū)〔圖3(b)〕。碳儲(chǔ)量-土壤保持量高值和低值協(xié)同區(qū)分布于研究區(qū)東北部地區(qū)，低高值權(quán)衡區(qū)分布于東部地區(qū)〔圖3(c)〕。

在支持服務(wù)與供給服務(wù)間，生境質(zhì)量-農(nóng)作物生產(chǎn)和凈初級(jí)生產(chǎn)力-農(nóng)作物生產(chǎn)空間分布格局相似，高值協(xié)同區(qū)分布于研究區(qū)東部和西北部地區(qū)，周邊伴隨少量高低值權(quán)衡區(qū)；低值協(xié)同區(qū)分布于中北部地區(qū)，而低高值權(quán)衡區(qū)分布于南部和北部地區(qū)〔圖3(d)、圖3(e)〕。生境質(zhì)量-產(chǎn)水量和凈初級(jí)生產(chǎn)力-產(chǎn)水量空間分布格局相似，高值協(xié)同區(qū)和高低值權(quán)衡區(qū)分布于研究區(qū)西部地區(qū)，低值協(xié)同區(qū)和低高值權(quán)衡區(qū)分布于南部和中東部地區(qū)〔圖3(f)、圖3(g)〕。

在支持服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)間，生境質(zhì)量-碳儲(chǔ)量和凈初級(jí)生產(chǎn)力-碳儲(chǔ)量空間分布格局相似，高值協(xié)同區(qū)分布于研究區(qū)東北部和西南部地區(qū)，低值協(xié)同區(qū)分布于中部地區(qū)，高低值和低高值權(quán)衡區(qū)較少，零散分布于北部地區(qū)〔圖3(h)、圖3(i)〕。生境質(zhì)量-土壤保持量和凈初級(jí)生產(chǎn)力-土壤保持量高值協(xié)同區(qū)主要分布于北部地區(qū)，低值協(xié)同區(qū)分布于中部地區(qū)，而低高值權(quán)衡區(qū)分布于東北地區(qū)〔圖3(j)、圖3(k)〕。

在供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)間，農(nóng)作物生產(chǎn)-碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量-碳儲(chǔ)量空間分布格局相似，低值協(xié)同區(qū)分布于研究區(qū)中部地區(qū)，高低值權(quán)衡區(qū)分布于北部和南部地區(qū)，高值協(xié)同區(qū)較少，分布于北部地區(qū)，產(chǎn)水量-碳儲(chǔ)量低高值權(quán)衡區(qū)零散分布于中部地區(qū)〔圖3(l)、圖3(m)〕。農(nóng)作物生產(chǎn)-土壤保持量低值協(xié)同區(qū)分布于研究區(qū)中部地區(qū)，高值協(xié)同區(qū)較少，分布于西部地區(qū)，高低值權(quán)衡區(qū)分布于東北部地區(qū)，低高值權(quán)衡區(qū)分布于東部地區(qū)〔圖3(n)〕。產(chǎn)水量-土壤保持量高值協(xié)同區(qū)零散分布于研究區(qū)北部和西部地區(qū)，低值協(xié)同區(qū)分布于中東部地區(qū)，高低值權(quán)衡區(qū)分布于東北部地區(qū)，低高值權(quán)衡區(qū)分布于中部地區(qū)〔圖3(o)〕。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇

2.3.1主成分因子分析

首先采用KMO和Barttett球形梯度檢驗(yàn)方法確定因子分析對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)據(jù)的適用性。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，KMO值為0.58，Barttett球形梯度檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量觀測(cè)值為523.8，通過(guò)顯著水平為0.01的檢驗(yàn)，表明各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相關(guān)性較強(qiáng)，滿足主成分因子分析前提條件。采用varimax歸一算法對(duì)各因子荷載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便使提取的主成分因子具有更好的解釋性。南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主成分因子分析結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)因子特征值大于1的原則，篩選出3個(gè)主成分因子，這3個(gè)主成分因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)82%，可解釋大部分變量信息。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要因子荷載Table 2 Factors loading of ecosystem services

主成分1解釋了47%的方差變異，生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力、農(nóng)作物生產(chǎn)和碳儲(chǔ)量具有較高的正荷載，這4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間呈顯著正相關(guān)(表1)。城區(qū)人類活動(dòng)密集，生境威脅高，植被稀疏，凈初級(jí)生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量低，建設(shè)用地侵占耕地導(dǎo)致農(nóng)作物生產(chǎn)量低，因此生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力、農(nóng)作物生產(chǎn)和碳儲(chǔ)量在城區(qū)呈現(xiàn)一致的低值協(xié)同關(guān)系。

主成分2解釋了19%的方差變異，土壤保持量具有較高的正荷載，農(nóng)作物生產(chǎn)則具有較低的負(fù)荷載，農(nóng)作物生產(chǎn)與土壤保持量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(表1)，高低值權(quán)衡區(qū)分布于研究區(qū)東北部地區(qū)，而低高值權(quán)衡區(qū)分布于研究區(qū)東部地區(qū)。一方面土壤侵蝕通過(guò)影響土壤性質(zhì)和減少土壤厚度造成耕地農(nóng)作物生產(chǎn)力下降；另一方面，過(guò)度開(kāi)墾會(huì)加劇土地退化和土壤流失。

主成分3解釋了16%的方差變異，農(nóng)作物生產(chǎn)和產(chǎn)水量具有較高的正荷載，農(nóng)作物生產(chǎn)與產(chǎn)水量呈現(xiàn)正相關(guān)(表1)，在空間上也以高值協(xié)同區(qū)和低值協(xié)同區(qū)為主。產(chǎn)水量與植被蒸散量總體上呈近似反比關(guān)系，研究區(qū)南部山區(qū)以林地為主，蒸散量大導(dǎo)致產(chǎn)水量低；西部地區(qū)耕地蒸散量略低，導(dǎo)致產(chǎn)水量較高，因此產(chǎn)水量與農(nóng)作物生產(chǎn)在一定程度上呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系。

加粗?jǐn)?shù)據(jù)為每個(gè)主成分因子中較高荷載值。

以上分析表明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間不僅存在成對(duì)的兩兩相互作用，還以服務(wù)簇形式呈現(xiàn)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)合關(guān)系，主成分因子分析能揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的驅(qū)動(dòng)形式主要有共同驅(qū)動(dòng)因子和直接相互作用[32]2種。主成分1和主成分3反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受共同驅(qū)動(dòng)因子促進(jìn)或抑制作用，表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系；而主成分2反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的直接相互作用，即一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量增加會(huì)抑制另一種服務(wù)供給量增加，2種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。

2.3.2聚類分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系空間分異性導(dǎo)致服務(wù)簇在空間上同樣呈現(xiàn)聚合特征。對(duì)南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行譜聚類分析，最終得到5類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，根據(jù)其特點(diǎn)，分別命名為山地生態(tài)均衡區(qū)、森林生態(tài)保育區(qū)、城市生態(tài)脆弱區(qū)、丘陵產(chǎn)量區(qū)和河谷水土流失區(qū)(圖4)。如圖4所示，同類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇在空間上呈明顯聚集，而各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的組成結(jié)構(gòu)存在明顯差異。以玫瑰圖展示南寧市各生態(tài)分區(qū)每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對(duì)大小。

圖4 南寧市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間分布與組成結(jié)構(gòu)

聚類I為山地生態(tài)均衡區(qū)，分布于北部和西部山區(qū)，面積為681 km2，土地利用類型以耕地和林地為主，占比分別為61.9%和30.1%。該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成結(jié)構(gòu)均衡，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給均較高，呈現(xiàn)高值協(xié)同關(guān)系。

聚類Ⅱ?yàn)樯稚鷳B(tài)保育區(qū)，分布于研究區(qū)南部和北部森林，面積為1 226 km2，土地利用類型以林地和耕地為主，占比分別為49.6%和36.0%。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量和土壤保持量服務(wù)較高，其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較低。該區(qū)域今后應(yīng)以保護(hù)為主，盡量減少對(duì)其開(kāi)發(fā)。

聚類Ⅲ為城市生態(tài)脆弱區(qū)，集中分布于南寧市城區(qū)，面積為597 km2，土地利用類型以建設(shè)用地和耕地為主，占比分別為45.7%和37.1%。該區(qū)域人類活動(dòng)密集，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。盡管城區(qū)產(chǎn)水量服務(wù)較高，但是這部分產(chǎn)水量服務(wù)并不能被直接利用，反而會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇。

聚類Ⅳ為丘陵產(chǎn)量區(qū)，廣泛分布于研究區(qū)中南部地區(qū)，面積為1 791 km2，土地利用類型以耕地為主，占比為73.4%。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，農(nóng)作物生產(chǎn)和碳儲(chǔ)量服務(wù)較突出，其他服務(wù)略低，處于均值水平，該區(qū)域是南寧市主要糧食來(lái)源區(qū)域。

聚類Ⅴ為河谷水土流失區(qū)，集中分布于流域下游的河谷區(qū)域，面積為663 km2，土地利用類型以耕地為主，占比為79.0%，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組成結(jié)構(gòu)與丘陵產(chǎn)量區(qū)類似，但水土流失情況更為嚴(yán)重，在維持該區(qū)域糧食產(chǎn)量的同時(shí)需注意防止水土流失。

3 討論

該研究聚焦于城市流域，在研究區(qū)15對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系中，11對(duì)關(guān)系呈顯著協(xié)同關(guān)系，2對(duì)關(guān)系呈微弱權(quán)衡關(guān)系，其他2對(duì)關(guān)系呈微弱協(xié)同關(guān)系，這與大多數(shù)基于自然流域的研究結(jié)果[22]略有不同。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在尺度關(guān)聯(lián)特性，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同區(qū)域的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系存在較大差異[6]。以農(nóng)作物生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，大部分研究結(jié)果表明農(nóng)作物生產(chǎn)與支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)呈權(quán)衡關(guān)系[12]，一般認(rèn)為，開(kāi)墾農(nóng)田會(huì)破壞原有的自然環(huán)境，造成支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)減少，使其表現(xiàn)出權(quán)衡關(guān)系。但該研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)與支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)呈微弱協(xié)同關(guān)系，究其原因，人類活動(dòng)日益加劇使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生變化，深刻影響各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡和協(xié)同作用[33]。受城市區(qū)域人類活動(dòng)影響，農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量的散點(diǎn)關(guān)系大體呈“∧”形狀(圖5)，城市生態(tài)脆弱區(qū)散點(diǎn)集中分布于第3象限低值協(xié)同區(qū)，根據(jù)2.3.2節(jié)聚類分析結(jié)果，排除城市生態(tài)脆弱區(qū)，重新對(duì)非城市區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行回歸分析。與流域回歸分析結(jié)果(農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量的回歸系數(shù)分別為0.24、0.14和0.26)相比，非城市區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)與生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量的回歸系數(shù)分別為-0.18、-0.78和-0.78，明顯減小，這3對(duì)關(guān)系從弱協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)為權(quán)衡關(guān)系。在城市生態(tài)脆弱區(qū)，農(nóng)作物生產(chǎn)分別與支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)呈低值協(xié)同關(guān)系，并影響整個(gè)研究區(qū)，最終使得農(nóng)作物生產(chǎn)分別與生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量整體上呈微弱協(xié)同關(guān)系。由此可見(jiàn)，城市在整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮舉足輕重的作用。

圖5 全流域回歸與非城市區(qū)域回歸對(duì)比

人類在選擇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)往往存在偏好，有意地強(qiáng)化特定類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，無(wú)意識(shí)地削弱其他類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，這加劇了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的沖突。因此，人類選擇的偏好性是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上集聚的重要原因?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇開(kāi)展研究有助于管理者識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域特征，明確區(qū)域管理目標(biāo)，采取因地制宜的調(diào)控措施，提升生態(tài)系統(tǒng)總體效益，維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與生態(tài)系統(tǒng)的雙贏?？紤]到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的外部性，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理對(duì)非目標(biāo)區(qū)域的影響，應(yīng)從流域整體出發(fā)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。以產(chǎn)水量為例，王亞慧等[34]研究結(jié)果表明，盡管城區(qū)范圍產(chǎn)水服務(wù)較高，然而這一部分水資源往往不能被有效利用，反而會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問(wèn)題。筆者研究結(jié)果與之一致。當(dāng)前南寧市海綿城市建設(shè)尚缺乏流域尺度的城市生態(tài)水文學(xué)理論指導(dǎo)，研究?jī)?nèi)容局限于微觀層面的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施應(yīng)用，建設(shè)成效局限于部分區(qū)域。生態(tài)系統(tǒng)的水平和層次結(jié)構(gòu)造就了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的“源-匯”格局，區(qū)域水生態(tài)問(wèn)題必然是跨尺度、跨流域的系統(tǒng)性問(wèn)題[35]，解決城市水問(wèn)題的出路在于構(gòu)建宏觀層面的流域水生態(tài)安全格局。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包含支持服務(wù)、供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)，雖然權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系同樣存在于文化服務(wù)與其他服務(wù)之間，但是文化服務(wù)的研究較為滯后，目前尚無(wú)統(tǒng)一估算方法，因此筆者研究未涉及文化服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)既存在高度的空間分異性，同時(shí)也存在時(shí)間動(dòng)態(tài)性，筆者研究?jī)H分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的變化，未對(duì)時(shí)間尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行研究。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空多尺度動(dòng)態(tài)變化研究，深入探索氣候變化及人類活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互作用機(jī)制。

4 結(jié)論

在估算南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)并分析其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的基礎(chǔ)上，從服務(wù)簇角度探析了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的復(fù)雜關(guān)系，得出如下結(jié)論：

(1)受不同環(huán)境因素影響，南寧市6種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)較大的空間差異，其中生境質(zhì)量、凈初級(jí)生產(chǎn)力、農(nóng)作物生產(chǎn)、碳儲(chǔ)量和土壤保持量呈郊區(qū)高、城區(qū)低的分布格局，而產(chǎn)水量與之相反。

(2)研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，同類別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部協(xié)同關(guān)系由強(qiáng)到弱依次為支持服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和供給服務(wù)。不同類別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間，支持服務(wù)與條件服務(wù)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，供給服務(wù)與其他服務(wù)之間既有協(xié)同關(guān)系，又有權(quán)衡關(guān)系，其中，以與產(chǎn)水量有關(guān)的權(quán)衡關(guān)系居多。

(3)3個(gè)主成分因子反映了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制，其中主成分1和3反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受共同驅(qū)動(dòng)因子影響，主成分2反映各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互抑制作用。

(4)根據(jù)聚類分析結(jié)果，南寧市可分為5類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，分別為山地生態(tài)均衡區(qū)、森林生態(tài)保育區(qū)、城市生態(tài)脆弱區(qū)、丘陵產(chǎn)量區(qū)和河谷水土流失區(qū)。

該研究成果有助于將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的科學(xué)認(rèn)知轉(zhuǎn)化為決策應(yīng)用，為南寧市景觀格局規(guī)劃設(shè)計(jì)與區(qū)域自然資源優(yōu)化配置提供參考，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)人類福祉全面提升。