李效坤 许崇强 杨文嵘

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 500025)

生态系统服务是指为人类直接或间接从生态系统得到的所有收益[1]。生态系统服务种类多样，不同生态系统服之间通常表现为此消彼长的权衡关系和相互增益的协同关系[2]。科学地认知不同类型生态系统服务关系是实现生态系统可持续管理的前提[3]，对合理规划区域发展、实现生态补偿的保障具有重要意义[4]。生态系统服务权衡与协同关系的研究已成为热点问题，许多学者对不同生态系统服务间的相互关系进行了大量研究[5]。对关天经济区的粮食产量、固碳、水文调节等生态系统服务进行了权衡/协同关系的研究[6]。我国重点脆弱生态区，产水服务、NPP和土壤保持表现为整体协同、局部权衡的关系，并且协同关系呈减弱的趋势[7]。对呼包鄂榆地区2010年4项生态系统服务进行测量并利用相关分析法对不同生态系统服务间的权衡关系进行分析[8]。

贵阳市是典型喀斯特地貌城市，自然资源丰富。随着城市的快速发展和自然资源的不断开发，区域生态环境遭到破坏。因此，本文选取贵阳市为研究对象，根据研究区的现状问题，选取碳储存、土壤保持、水源涵养和生境质量4项关键的生态系统服务，计算其2020年的服务量，基于相关性分析对服务间的权衡与协同关系和特征进行探究，为区域的生态安全和可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵阳市总面积为8034km2，占贵州省面积的4.56%。地貌以山地、丘陵为主，属于典型的喀斯特地貌，喀斯特地貌发育极强，同时地势坡陡，容易造成水土流失和石漠化等环境问题。区域内植被种类多样，森林覆盖率52.16%，属亚热带高原季风湿润气候区，气候温暖湿润，冬暖夏凉。

1.2 数据来源

2020年生态系统数据通过地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)获取的Landsat 8遥感数据生产。降雨量等气候数据来源于中国气象局(http：//data.cma.cn/)。2020年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http：//www.resdc. cn/)。利用ArcGIS 10.7重采样为90m。

1.3 生态系统服务模型

1.3.1 碳储存

本文利用InVEST模型中的Carbon模块，对4种碳库量相加进行测算碳存储服务。其中不同土地利用类型的碳库碳密度值，通过参考以往研究者的研究结果得到[9]。计算公式：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Cdeal+Csoil

(1)

式中，Ctotal代表总碳储量；Cabove和Cbelow代表地上、地下部分碳储量；Cdeal和Csoil代表死亡有机碳储量和土壤碳储量，单位均为t·hm-2·a-1。

图1 贵阳市概况图

1.3.2 土壤保持

本文通过中国水土流失方程(CSLE)计算土壤保持量，为潜在土壤流失量与实际土壤流失量之差[10]。利用径流场监测数据对BET因子进行修正，计算公式：

Ac=Ap-Ar

(2)

Ap=R×K×LS

(3)

Ar=R×K×LS×BET

(4)

式中，Ac代表土壤保持量；Ap、Ar分别表示潜在土壤流失量和实际土壤流失量，单位均为t·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀因子，t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；K为土壤侵蚀因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；L、S为坡长、坡度因子；BET分别表示生物措施、工程措施和耕作措施因子。各因子详细计算参见相关文献[11]。

1.3.3 水源涵养

水源涵养量通过水文学的水量平衡方程计算，其原理为降水量减去蒸散发消耗即产流量，产流量越大则水源涵养功能越高[12]，计算公式：

(5)

式中，Qwater conservation代表水源涵养量，m3；Pi、Ri和ETi代表降雨量、暴雨径流量和蒸散发量，单位均为mm；Ai为i类生态系统的面积，m2；j为研究区生态系统类型数。

1.3.4 生境质量

生境质量能反映出生态系统为生物个体、物种和群落生存提供适合条件的能力，还可以反映出生物多样性[13]。利用InVEST模型中生境质量模块计算出研究区的生境质量。计算公式：

(6)

式中，Qxj代表生境质量；Hj代表生境适宜性；Dxj表示生境退化度；K为半饱和常数，默认为0.05。

(7)

式中，R表示胁迫因子总数；Yr代表胁迫因子r的栅格总数；ωr为胁迫因子权重，范围0～1；ry代表栅格单元y的胁迫因子值，其值为0或1；irxy为栅格单元y的胁迫因子值ry对生境栅格单元x的影响程度；βx为栅格单元x的可达性；Sjr表示土地利用类型j对胁迫因子r的敏感度。

本研究选取耕地、城镇、农村居民点和建设用地作为威胁因子，部分参数设置参考相关文献[9]和InVEST模型使用手册。

1.3.5 生态系统服务的权衡与协同关系分析方法

本文采用Pearson相关系数评价不同生态系统服务两两之间的相关关系，以此探究4项生态系统服务之间的权衡与协同关系[14]。为了量化不同生态系统服务之间的关系，对其进行标准化处理。利用ArcGIS 10.7中“Create Random Points”工具，创建60000个随机点，通过SPASS计算不同生态系统服务中提取随机点值之间的Pearson相关系数，并进行显著性检验。当2种生态系统服务间的相关系数为正时，两者是协同关系；为负时，两者是权衡关系。Pearson相关系数，计算公式：

(8)

2 结果与分析

2.1 生态系统服务评价

贵阳市的碳储存和土壤保持服务空间分布如图2所示。碳储存服务高值区主要分布在东部偏北和西部偏北，其分布空间与图4中林地的分布有较高的吻合度，其原因在于林地相比其他土地利用类型拥有较高的碳生产和贮存的能力。碳储存服务低值区主要分布在区域的中南部，属于城市建设用地的范围。从整体来看，贵阳市平均碳储量为20.33t·hm-2，固碳能力较强。贵阳市平均土壤保持量为892.30t·hm-2，空间分布较为零散，高值区主要以南北长条形状出现，低值区与图4中草地和建设用地分布较为吻合，相对于其他用地类型，这2类土地利用类型的土壤保持能力较低。

图2 碳储存和土壤保持空间分布图

贵阳市的水源涵养和生境质量服务空间分布如图3所示。贵阳市平均水源涵养量为38.81mm，其分布具有一定的区域性差异，高值区主要集中分布在中部的2块区域，该区域的土地利用类型主要以林地为主，这是由于林地拥有较强的储水能力，具体见图4。生境质量平均值为0.478，其分布存在明显的区域差异性，高值区与低值区都呈现出聚集分布，高值区主要分布在研究区的北部，而低值区主要集中分布在研究区的偏南区域，此分布情况主要是由人类活动的强度造成的。

图3 水源涵养和生境质量空间分布图

图4 土地利用类型空间分布图

2.2 生态系统服务间的权衡与协同关系

各项生态系统服务之间的相关系数如表1所示。碳储存、土壤保持、水源涵养和生境质量之间的两两相关系数均为正值，表明各项生态系统服务之间都是协同关系。其中，碳储存与生境质量的相关性系数最大，该系数可达0.542，证明2种生态系统服务之间的协同关系较强；其次水源涵养和土壤保持之间存在着明显的协同关系，相关系数是0.319。生境质量与水源涵养和土壤保持的相关系数分别为0.298和0.243，证明生境质量与水源涵养和土壤保持这2项生态系统服务之间都具有一定的协同关系；其中水源涵养和碳储存之间也存在着一定的协同关系，该相关系数为0.295。土壤保持和碳储存的正相关系数最小，两者间的协同关系最弱。

表1 4项生态系统服务间的相关性

3 讨论与结论

3.1 讨论

贵阳市2020年碳储存、土壤保持、水源涵养和生境质量4项生态系统服务两两之间整体表现出协同关系。其中，碳储存与生境质量这2项生态系统服务间的相关性最大，且服务高值区的空间分布与林地的分布关系较为密切；显示出相比于其他土地类型，林地对这2项生态系统服务量影响最大。研究区各项生态系统服务之间都表现为协同关系，这与研究区的森林覆盖率达到52.16%相关。因为林地具有较强的生态系统服务能力，林地在研究区内面积占比的大小对各类生态系统服务量造成的影响较大，其中对水源涵养和土壤保持这2项生态系统服务能力影响相对较小。

3.2 结论

本文选取了4项生态系统服务并对2020年的服务量进行了计算，利用相关性分析和显著性检验，分析了研究区2020年各项生态系统服务间的权衡与协同关系特征。本文仅选取研究区内主要的碳储存、土壤保持、水源涵养和生境质量4项生态系统服务，而生态系统服务之间的关系复杂，在研究中还需要考虑更多类型的生态系统服务。本文是基于2020年1年的时间点对生态系统服务进行计算和分析，因为生态系统是处于动态变化的状态，生态系统服务也会随时间变化，因此在之后的研究中还需要探究长时间的连续时间段内，对更多生态系统服务类型之间权衡和协同关系进行分析，探讨生态系统服务间关系在时空尺度上的变化特征和其中的影响因子，为区域的生态安全维护和可持续发展提供科学的理论依据。