生态系统服务是生态系统提供的人类赖以生存的自然环境条件与效用, 为人类直接或间接从生态系统得到的所有惠益^[1], 作为连接人类社会和自然生态系统的桥梁, 开展生态系统服务的相关研究对于提高人类福祉和实现区域可持续发展具有重要现实意义。随着人类活动强度的加剧与生态环境恶化, 导致区域生态系统服务正在退化, 这严重影响着区域可持续发展, 在此背景下, 如何量化评估区域生态系统服务及其权衡与协同关系, 优化生态系统管理已成为全球关注的问题。二十大报告、“十四五”规划与《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)》等文件提出必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念, 提升生态系统质量和稳定性, 全面加强黄河等重点生态区的生态保护和修复工作。作为我国重要的生态屏障, 黄河流域生态保护与高质量发展已上升为重大国家战略, 《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》指出要加快遏制黄河上游生态退化趋势, 恢复重要生态系统。因此, 明确黄河上游生态系统服务之间的权衡协同关系, 提升生态系统服务能力, 对于推动区域生态产品价值化^[2], 实现生态保护与高质量发展的目标具有重大意义。生态系统服务的概念最早是以“环境服务”^[3]、“自然服务”^[4]的形式被提出的, 至1982年生态系统服务的术语才被提出并做出了定义：生态系统服务是指生态系统提供的人类赖以生存的自然环境条件与效用, 为人类直接或间接从生态系统得到的所有惠益^[1], 此概念也成为学术界普遍认同并广泛使用的一种观点。为使生态系统服务价值更加直观的被人们所认识, Costanza等^[5]采用当量因子法将全球生态系统服务进行了量化；联合国千年生态系统评估项目(Millennium Ecosystem Assessment, MA)^[6]提出的生态系统服务研究框架体系受到各国学者的广泛认可和接受, 为探索生态系统服务之间的相互关系提供了思路和方法。我国相关研究起步较晚于国外, 20世纪90年代, “生态系统服务”一词被引入我国, 为正确评估中国的生态系统服务价值, 谢高地等学者^[7]结合国外研究提出了适合中国实际情况的生态系统服务价值化方法, 将生态系统服务划分为供给服务、调节服务、支持服务、文化服务4个一级类型和11个二级类型, 并对中国的生态系统服务进行了核算^[8]；欧阳志云等学者提出了“生态系统服务功能”的定义^[9]；自此之后, 国内许多学者根据我国的用地类型和地理条件, 划分具有我国自然和社会发展特点的生态系统^[10], 并对生态系统服务价值进行评估^[11], 进而开始研究生态系统服务之间的关系。随着国内外研究的不断深入发现, 各类生态系统服务之间并不是相互独立的, 而是相互联系的, 通常表现为权衡或者协同关系。权衡关系是指两种或多种生态系统服务之间此消彼长的关系, 协同关系则是指两种或多种生态系统服务之间同增同减的关系^[12]。

随着人类活动对自然生态系统的干扰日益增强, 所产生的负面影响也愈加严重, 使得生态系统服务的相关研究成为各学科研究的热点^[13]。生态系统服务与人类福祉和经济社会可持续发展密切相关, 全面深入地理解生态系统服务之间复杂的关系, 分析各类生态系统服务的相关关系, 减少生态系统服务间不必要的权衡, 促进生态系统服务间的协同, 实现生态系统服务长期稳定供给, 对生态系统保护和管理具有重要意义^[14]。20世纪末, 对于生态系统服务权衡与协同关系的研究大多是以数值形式进行表示；研究内容大多聚焦于生态系统服务权衡协同关系的概念辨析^[15]、研究框架^[16]等理论方面；研究方法大多采用统计学方法分析生态系统服务价值以及权衡协同的数量关系^[17]；研究区域大多为地理条件较为单一的小尺度地区, 例如对省、市、县等行政单元生态系统服务的相关研究^[18]。随着3S技术的广泛应用以及对生态系统服务及其权衡协同关系的深入研究, 越来越多的研究从动态的、长时间序列角度出发^[19], 对生态系统服务及其权衡协同关系的时空演化特征^[20]、区域差异^[21]、集聚特征^[22]等方面进行分析, 并将其研究结果进行可视化制图与表达；研究方法多采用相关分析法^[23]、聚类分析法^[24]等多元分析方法, 探究生态系统服务间的不同关系特征, 并运用地理探测器^[25]、主成分分析法^[26]、情景模拟^[27]等方法, 进一步探索了生态系统服务权衡协同关系的驱动因素、形成机理、未来发展预测等；研究区域也从地理环境单一的小尺度地区扩展到多因素影响下的复杂地理单元, 例如对流域^[28]、黄土高原地区^[29]、喀斯特地区^[30]等生态系统服务的研究。众多学者对黄河上游地区的研究主要集中在生态保护与高质量发展的定性分析方面^[31], 对于生态系统服务及其关系的定量分析较少。关于黄河流域生态系统服务权衡协同的研究大多集中在黄河全流域^[32]、黄河中游^[33]、黄河流域甘青段^[34]等区域, 对于黄河流域重要生态功能区的黄河上游生态系统服务时空演化及其权衡协同关系的研究比较缺乏, 因此, 进一步完善黄河上游生态系统服务权衡与协同关系的研究对于实现黄河流域生态保护与高质量发展具有重大意义。

黄河上游地处青藏高原和黄土高原的交汇处, 具有西北干旱气候和高原高寒气候的双重属性, 生态系统脆弱, 是全球气候变化敏感区域之一^[35]。黄河上游流域作为黄河流域生态保护的核心地区, 具有生态系统多样性的特征, 是我国极其重要的生态保护屏障, 承担着重要的生态系统服务功能；同时作为乡村振兴的重点区域, 黄河上游流域的经济发展相对滞后, 生态环境比较脆弱, 生态保护修复任务重, 发展不平衡不充分的问题十分突出, 因此其生态保护和高质量发展对于全流域乃至我国的经济社会发展与生态安全具有重大战略意义。然而, 黄河上游流域在发展过程中由于其生态脆弱性, 导致生态系统退化、水源涵养功能降低、植被破坏、碳储量下降等生态问题频发, 严重影响了区域可持续发展。本文以黄河上游流域为研究区域, 采用InVEST模型, 双变量相关性分析以及空间自相关分析等方法, 在定量评估研究区域2000—2020年产水量、生境质量、碳储量和土壤保持4项关键生态系统服务的基础上, 分析生态系统服务的时空演化特征, 对各项生态系统服务之间的权衡和协同关系进行分析并将其进行空间可视化, 以期揭示黄河上游流域各项生态系统服务之间的权衡与协同关系及其动态变化过程, 为黄河流域实现生态保护和高质量发展提供必要参考。

1 研究区域与数据来源 1.1 研究区概况

黄河上游是指从河源至内蒙古托克托河口镇的区域, 包括青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古5省(自治区), 河长3472km, 流域面积约为42.8×10⁴ km², 占全黄河流域总面积的51.3%, 地势西南高、东北低, 横跨青藏高原与黄土高原(图 1)；降雨量由西南向东北递减, 大部分地区位于400mm等降水量线以西, 气候干旱少雨, 多年平均降水量446mm, 仅为长江流域的40%^[36]。黄河上游流域是我国生态保护的核心地区, 拥有丰富的自然资源, 是黄河流域及我国西北地区极其重要的生态屏障^[37]。

1.2 数据来源

本研究的数据类型及来源如表 1所示：

上述栅格数据统一重采样为1000m的空间分辨率, 并转换为统一的WGS_1984_Albers投影坐标系。

2 研究方法 2.1 生态系统服务计算方法 2.1.1 产水量

采用InVEST模型的产水量模块评估研究区域产水量, 利用年均降水量, 年潜在蒸散量、植物有效含水量、植被类型和土壤深度等数据计算研究区年产水量。

(1)

式中：Y(x)为年产水量(mm)；AET(x)为栅格单元x的年实际蒸发量(mm)；P(x)为栅格单元x的年降水量(mm)。

(2)

(3)

(4)

式中：PET(x)为栅格单元x的潜在蒸散量；ET₀(x)为参考植被蒸散量；K_c(x)为作物蒸散发系数；AWC(x)为植物可利用含水量；ω(x)为经验参数；Z为经验常数。

2.1.2 生境质量

采用InVEST模型中的生境质量模块进行评估, 通过退化程度和生境适宜性计算得到研究区生境质量。

(5)

式中：Q_xj为土地利用j中栅格x的生境质量指数；H_j为生境类型j的生境适宜度, 取值范围为0—1；D_xj为生境退化指数；k为半饱和常数；z为归一化常量。

2.1.3 碳储量

采用InVEST模型中的碳储存模型评估研究区域生态系统的碳储量。

(6)

式中：C_tot为总碳储量；C_above为地上生物碳储量；C_below为地下生物碳储量；C_soil为土壤碳储量；C_dead为死亡有机碳储量。

2.1.4 土壤保持

采用InVEST模型中的土壤保持模块评估研究区的土壤保持量, 土壤保持量包括侵蚀减少和泥沙持留两部分, 可通过通用土壤流失方程来评估土壤保持能力。

(7)

(8)

(9)

式中：RKLS表示土壤潜在侵蚀量；USLE表示土壤实际侵蚀量；SDR表示土壤保持量；R表示降雨侵蚀力因子；K表示土壤可侵蚀性因子；LS表示坡度坡长因子；P表示水土保持措施因子；C表示植被覆盖和管理因子。

2.2 生态系统服务权衡与协同研究方法 2.2.1 相关性分析

采用Pearson相关性分析测算各项生态系统服务间的权衡协同关系。

(10)

式中：R为相关系数；和Y分别为两个因素；i为样本个数。

2.2.2 双变量空间自相关分析

使用双变量空间自相关分析表征生态系统服务的集聚与分异特征。利用双变量局部莫兰指数分析县域尺度下生态系统服务两两之间权衡协同关系的空间分布。

(11)

式中, I_i为局部莫兰指数；n为评价空间单元数量；x_i和x_j为区域生态系统服务量；w_ij为空间权重矩阵。

3 结果分析 3.1 生态系统服务时空分布特征 3.1.1 空间分布特征

2000—2020年黄河上游各项生态系统服务具有明显的空间分异特征, 整体表现为“西南高, 东北低”的分布格局, 高值区主要分布在流域西南部, 低值区主要分布于流域东北部(图 2)。

降雨和蒸散是影响产水量的主要因素, 因此产水量高值区分布于流域西南部, 该区域属于高原山地气候区与亚热带季风气候区, 降水丰沛、蒸散量较小, 例如青海省东南部的久治县、四川省西北部若尔盖县以及甘肃省南部的玛曲县等, 低值区位于干旱少雨的温带大陆气候区和温带季风气候区交界处, 主要包括流域中部和北部的内蒙古、宁夏及甘肃中部地区。生境质量与碳储量的空间分布格局相似, 两者均与研究区土地覆被类型密切相关, 高值区均分布于流域西南部与祁连山的高原草甸以及山区林地, 主要包括青海省大部分地区、甘肃省碌曲县、卓尼县等以及内蒙古的鄂托克旗等地区, 低值区主要位于流域中部的沙漠地区, 包括内蒙古的阿拉善左旗以及甘肃省北部民勤县；此外, 青海湖等水域属于碳储量的低值区, 生境质量的高值区。土壤保持整体呈现出山地丘陵高, 河谷平原低的分布格局, 土壤保持高值区主要分布于流域西南部, 包括甘肃省夏河县和青海省东南部的循化撒拉族自治县等地区, 低值区主要分布于流域北部的内蒙古、宁夏及甘肃东北部地区。

3.1.2 时空演变特征

采用2020年与2000年的差值表征各项生态系统服务功能的空间变化情况。2000—2020年, 各项生态系统服务表现出不同的波动变化趋势, 产水量和土壤保持整体减少, 生境质量与碳储量呈现整体增加的趋势(表 2), 其分布格局具有显著的空间差异性(图 3)。

2000—2020年, 黄河上游产水量呈现增加-减少-增加-增加的波动变化趋势, 整体呈减少趋势, 共减少54.36×10⁸m³, 平均减幅为12.24%, 其中, 2005年产水量最高, 2015年最低。从变化的空间分布情况来看, 产水量增加的区域主要位于流域西南部, 包括四川省的若尔盖县、甘肃省的玛曲县以及青海省的久治县等地区, 减少区域主要分布于流域中部和东北部广大地区。生境质量指数变化幅度较小, 呈现减少-增加-不变-增加的变化趋势, 整体呈增加的趋势, 提升了0.014, 平均增幅为2.66%。从空间上看, 生境质量指数增加的区域主要分布于青海省, 其西北部的久治县变化较明显, 其他地区变化不显著, 表现为增加和减少交替分布的格局, 未形成集中分布的趋势。碳储量呈现减少-增加-减少-增加的波动变化趋势, 整体呈增加趋势, 共增加4.87×10⁷t, 平均增幅为1.86%, 其中, 2020年碳储量最高。在空间分布上, 碳储量的变化趋势与生境质量呈相似的分布格局, 增加区域主要分布于青海省, 西北部的久治县增加最显著, 减少区域主要位于四川省的若尔盖县, 其他地区变化不显著, 表现为增加和减少交替分布的格局, 未形成集中分布趋势。土壤保持呈现减少-增加-减少-增加的波动变化趋势, 整体呈减少趋势, 共减少4.28×10⁷t, 平均减幅为3.01%, 其中, 2000年的土壤保持量最高。在空间分布上, 土壤保持增加区域和减少区域集中分布于流域西南部, 增加区域主要分布在甘肃省, 减少区域主要分布在青海省, 其他地区均无显著变化。

3.2 生态系统服务权衡与协同关系分析 3.2.1 生态系统服务权衡与协同关系的关联特征

由图 4可知, 2000—2020年, 各项生态系统服务均通过0.05水平上的显著性检验, 各生态系统服务两两之间均存在不同程度的相关关系(图 4)。产水量与生境质量、碳储量呈负相关关系, 表明产水量与其存在此消彼长的权衡关系；产水量与土壤保持呈显著的正相关, 两者为同增共减的协同关系；土壤保持与生境质量之间呈权衡关系, 与碳储量表现出协同关系；碳储量与生境质量呈现显著的协同关系。

3.2.2 生态系统服务权衡与协同关系的空间表达

为了解流域内不同生态系统服务在空间上的权衡和协同关系, 使用双变量空间自相关分析表征各类生态系统服务两两之间关系的空间集聚与分异特征。以县区为单元, 将2000—2020年生态系统服务变化量分区统计结果赋值到矢量图层中, 后导入GeoDA软件进行生态系统服务双变量局部空间自相关分析, 高-高集聚与低-低集聚均表示协同关系, 高-低集聚与低-高集聚均表示权衡关系。

各项生态系统服务间的权衡与协同关系具有显著的空间异质性和尺度效应, 在全域尺度和县域尺度上的权衡协同关系表现出不一致性, 且不同分区之间具有明显的差异性(图 5)。碳储量-生境质量的协同主要表现在流域中部和西南部, 权衡关系主要表现在流域东北部。青海段除共和县、乌兰县表现为权衡, 其他地区如玛沁县、兴海县等表现为协同关系, 四川段阿坝县表现为协同、红原县和石渠县表现为权衡, 甘肃段的山丹县、永登县等地区表现为协同, 宁夏段仅有海原县表现为协同, 内蒙古段仅有阿拉善左旗地区为权衡关系, 其他地区均表现为不显著。碳储量-土壤保持、生境质量-土壤保持和产水量-土壤保持的协同主要表现在流域中部, 权衡关系主要表现在流域西南部的西北和东南两侧。宁夏段的沙坡头区与青海段的玛多县、达日县等3对关系均表现为权衡, 乌兰县、同仁县等均为协同, 此外, 共和县表现为碳储量-土壤保持的协同, 同时表现为生境质量-土壤保持和产水量-土壤保持的权衡, 海晏县、门源回族自治县表现为生境质量-土壤保持的协同, 碳储量-土壤保持和产水量-土壤保持的权衡；甘肃段的山丹县3对关系均表现为协同, 和政县、康乐县为权衡关系, 夏河县等地区及四川段的阿坝县和若尔盖县表现为碳储量-土壤保持和生境质量-土壤保持的权衡, 产水量-土壤保持的协同, 流域东北部的内蒙古段表现为不显著。碳储量-产水量与生境质量-产水量的协同主要分布于青海段的兴海县、玛多县等地区以及宁夏段的沿黄城市群等地区, 权衡关系主要分布在内蒙古段的阿拉善左旗和乌拉特中旗地区以及甘肃段的卓尼县、碌曲县。

4 讨论与结论 4.1 讨论

(1) 生态系统服务分布格局与流域内土地覆被类型有密切的联系^[38]。流域西南部与祁连山地区土地覆被多为高原草甸及山区林地, 属于人类活动干扰少的生态地区, 植被覆盖度高, 生物多样性指数较高, 是各项生态系统服务的高值区；流域东北部广大地区土地覆被多为沙漠与低覆盖度草地, 植被覆盖度低, 且人类活动强度较大, 属于各项生态系统服务的低值区；2000—2020年黄河上游产水量和土壤保持整体呈下降趋势, 生境质量与碳储量呈现整体增加趋势, 这与已有相关研究结果基本一致^[39]。产水量受到降雨和潜在蒸散量的强烈影响, 黄河上游地区降水量具有由西南向东北递减的趋势, 潜在蒸散量则由西南向东北递增, 从而导致产水量具有“西南高、东北低”的分布格局；由于退耕还林还草等政策作用, 使得区域植被覆盖度有所提高, 同时, 植物需水量以及地面截留水量增大, 导致了产水量的减少以及碳储量和生境质量的增加。本文研究结果显示土壤保持与产水量呈现显著正相关关系, 说明降水与土壤保持密切相关, 方露露等^[40]的研究表明产水量在600mm以内时土壤保持量随产水量的增加而增加, 这表明适量的降水能促进植被生长, 提高植被覆盖度, 有利于提升土壤保持能力、碳储量与生境质量。而当产水量超过600mm的阈值时, 加之海拔高、坡度大的地形条件, 就会对土壤造成冲刷, 导致土壤保持量下降, Jiang等^[41]以黄土高原为例的水土流失研究也揭示了降水量对区域土壤保持的影响机制, 少于450—500mm的降水量, 无法维持区域良好的植被覆盖, 而当降水超过阈值时, 就会对土壤造成冲刷, 导致土壤保持量下降, 这与本文研究结果相符。

(2) 生态系统服务权衡协同关系具有明显的尺度效应。各类生态系统服务间的权衡与协同关系在不同尺度上会有不同的体现^[42], 本研究中, 全域尺度和县域尺度上, 生态系统服务间的权衡协同关系存在明显的空间差异。例如, 在全域尺度上, 碳储量-土壤保持以协同关系为主, 但在县域尺度上, 青海省玛多县、达日县等部分县区呈显著的权衡关系, 与已有相关研究结果一致^[43]。这是由于生态系统的外部形态与内部结构是不断变化的, 不同尺度的地理单元土地利用类型的构成和配置不同, 县域尺度上的土地利用构成较为综合复杂, 流域尺度各单元则具有相似的自然地理特征, 这使得不同尺度具有不同的研究结果, 区域生态系统服务具有空间异质性与尺度效应, 这决定了生态系统服务间的相互作用关系也具有尺度效应。

(3) 本研究的不足之处在于, 模型所需的部分数据和参数是参考已有文献资料获得, 可能与研究区域实际情况有出入, 因此会造成与已有研究结果的差异性, 由于生态系统服务复杂的时空异质性, 其准确性仍需更加深入研究；此外, 评估模型InVEST本身存在局限性, 例如, 土壤保持模块计算结果仅代表沟蚀和沟间侵蚀, 模型中的参数研究较少, 评估效果可能不佳；本研究只对产水量等4类生态系统服务两两之间的权衡协同关系进行了分析, 对于其驱动因素与作用机制尚未进行深入研究, 在未来的研究中有必要深入探讨不同尺度下生态系统服务权衡与协同关系的动态变化及其驱动因素, 应加强黄河上游流域生态系统服务的全面评估, 依据生态系统服务的空间自相关分布格局, 针对性的提出生态系统服务分区及人类活动管控对策和建议。

4.2 结论

(1) 2000—2020年黄河上游地区产水量、生境质量、碳储量与土壤保持4项生态系统服务分布格局表现出明显的空间分异特征, 整体表现为“西南高, 东北低”的分布格局。

(2) 研究结果表明, 2000—2020年黄河上游各项生态系统服务均呈现波动变化的趋势, 产水量和土壤保持呈现整体减少趋势, 产水量减少区域主要分布于流域中部和东北部, 土壤保持减少区域主要分布在以黄河为中轴线的黄河西北部地区；生境质量与碳储量整体呈现增加的趋势, 两者呈现出相似的变化格局, 增加区域主要分布于青海省西北部。

(3) 研究发现, 各项生态系统服务两两之间均存在不同程度的相关关系, 产水量与生境质量、碳储量呈现此消彼长的权衡关系, 产水量-土壤保持与生境质量-碳储量之间呈现显著的协同关系, 土壤保持-碳储量之间呈现不太显著的协同关系。

(4) 生态系统服务权衡协同关系具有明显的尺度效应, 在县域尺度的空间分布格局上, 各项生态系统服务间的权衡与协同关系表现出显著的空间异质性。碳储量-土壤保持与生境质量-土壤保持的空间权衡关系分布区域相似, 碳储量-产水量与生境质量-产水量的低值集聚区和高-低集聚区分布一致, 高值集聚区与低-高集聚区分布相似, 产水量-土壤保持与生境质量-土壤保持的高-低集聚区分布较集中且相似, 碳储量-生境质量的高、低值集聚区均分布比较分散, 与其他生态系统服务关系分布格局相比具有明显的空间差异性。