国家屏障区生态系统服务权衡与协同

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尹礼唱¹^,², 王晓峰^,¹^,³, 张琨⁴, 肖飞艳¹, 程昌武¹, 张欣蓉¹1. 长安大学地球科学与资源学院, 西安 710054
2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100089
3. 陕西省土地工程重点实验室, 西安 710054
4. 生态环境部南京环境科学研究所, 南京 210042

Trade-offs and synergy between ecosystem services in National Barrier Zone

YIN Lichang¹^,², WANG Xiaofeng^,¹^,³, ZHANG Kun⁴, XIAO Feiyan¹, CHENG Changwu¹, ZHANG Xinrong¹1. College of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054, China
2. Research Centre for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100089, China
3. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Land Engineering, Xi'an 710054, China
4. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment of China, Nanjing 210042, China

通讯作者: 王晓峰（1977-），男，甘肃平凉人，博士，副教授，主要从事生态遥感方面的教学与科研。E-mail: wangxf@chd.edu.cn

收稿日期:2018-05-20修回日期:2019-05-15网络出版日期:2019-09-20

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFC0507300
中国科学院科技服务网络计划.KFJ-STS-ZDTP-036
陕西省自然科学基础研究计划.2018JM4016

Received:2018-05-20Revised:2019-05-15Online:2019-09-20
作者简介 About authors
尹礼唱（1992-）,男,湖北黄石人,博士研究生,主要从事生态遥感方面的研究E-mail:yinlichang3064@163.com。

摘要
对不同服务间存在的此消彼长的权衡关系和相互增益的协同关系的正确认知,是开展多种生态系统服务可持续管理决策的前提。2018年国家重点专项“典型脆弱生态修复与保护研究”中明确指出要优化“两屏三带”生态系统服务格局,而服务的优化离不开对权衡与协同关系的准确认知。因此,在国家尺度上开展国家屏障区生态系统服务权衡与协同研究具有重要性和迫切性。本文采用RUSLE模型、CASA模型和InVEST产水模型分别评估国家屏障区2000—2015年土壤保持、固碳和产水服务的空间分布格局,并分析三种服务的变化趋势,采用相关分析法和均方根偏差法量化不同服务在各子屏障带整体和空间上的权衡与协同关系。结论如下：① 国家屏障区的三项服务在空间上均呈现由东南向西北减少的格局, 而在时间上,土壤保持与产水显著增加(p<0.05),增加量分别为 20.64 t/(km ²·a)和4.13mm/a,而固碳呈现微弱的上升趋势(p=0.96),服务的提升有利于保障国家生态安全。② 在各子屏障带整体上,土壤保持、固碳及产水间相关系数基本大于0（p<0.05）,表明三者以协同为主;而在空间上,两两服务间的权衡与协同关系存在着极强的空间异质性,如东北森林带固碳与产水、固碳与土壤保持的权衡关系像元比例分别达49%和27%,且均集中在北部。因此,在进行生态环境建设时,需要同时考虑到整体与局部空间的服务权衡与协同关系的不同,以制定更为合理的生态保护政策。
关键词： 国家屏障区;两屏三带;生态系统服务;权衡;协同

Abstract

The better understanding of the trade-off and synergy relationship between different services is the foundation for the sustainable management of decision-making of various ecosystem services. In 2018, the national key special project titled as “Typical fragile ecological restoration and protection research” clearly pointed out that it was necessary to optimize the ecosystem services pattern of “Two ecological barriers and three shelters”, and the optimization of services is inseparable from the accurate understanding of trade-offs and synergies. Therefore, it is important and urgent to carry out trade-offs and synergies research in National Barrier Zone ecosystem services on a national scale. In this paper, the RUSLE model, CASA model and InVEST water yield model were used to evaluate the spatial distribution pattern of soil conservation, carbon sequestration and water yield services in the National Barrier Zone during 2000-2015, and to analyze the trends of the three ecosystem services. Correlation analysis and root mean square deviation were used to quantify the trade-offs and synergies between different services in the overall aspect and spatial aspect of each sub-barrier zone. The conclusions are as follows: (1) The spatial pattern of three ecosystem services of National Barrier Zone decreased from southeast to northwest and temporally, soil retention and water yield increased significantly with slope of 20.64 t/ (km ²·a) and 4.13 mm/a, respectively. Carbon sequestration showed a slight upward trend (p=0.96). The promotion of services is significantly helpful to the protection of national ecological security. (2) The correlation coefficient among soil retention, carbon sequestration and water production was greater than 0, indicating that the three ecosystem services were synergistic in all sub-barrier zones. Spatially, there is a strong heterogeneity between the trade-offs and synergies, and it is found that the pixel ratio of trade-off between carbon sequestration and water production is 49%, while that between carbon sequestration and soil retention is 27% in the forest barrier of Northeast China. Therefore, it is highly recommended to consider the differences of services in the trade-off relationship among all the sub-barrier zones and spatial areas to make the policy for the construction of sustainable ecological environment.

Keywords：National Barrier Zone;two ecological barriers and three shelters;ecosystem service;tradeoff;synergy

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本文引用格式
尹礼唱, 王晓峰, 张琨, 肖飞艳, 程昌武, 张欣蓉. 国家屏障区生态系统服务权衡与协同. 地理研究[J], 2019, 38(9): 2162-2172 doi:10.11821/dlyj020180578
YIN Lichang. Trade-offs and synergy between ecosystem services in National Barrier Zone. Geographical Research[J], 2019, 38(9): 2162-2172 doi:10.11821/dlyj020180578

1 引言

生态系统服务是人类权益和福祉的重要保障^[1]。不同服务间存在普遍的相互作用,且关系复杂,在多重因素的共同影响下,具有此消彼长的权衡关系和相互增益的协同关系,即权衡指一种或多种生态系统服务的增加,会相应的引起其他服务的减少,而协同指两种及两种以上的生态系统服务的供给同时增加或减少^{[2, 3]}。对权衡与协同关系的正确认知,是开展多种生态系统服务可持续管理决策的前提^[4]。因此,生态系统服务权衡与协同研究已引起学术界和决策者的高度关注^[5],成为当前地理学和生态学等交叉领域的的重要研究热点^[6]。

许多研究者针对不同空间尺度的生态系统服务相互关系进行了大量有益的探索。在流域尺度上,如密西西比河流域森林转变成农地过程中,以固碳服务的下降为代价换取了粮食供给的增加^[7]。汉江上游流域碳固持服务与产水服务以协同关系为主^[8]。在区域尺度上,固碳和产水在陕北黄土高原表现为权衡关系^[9],而在鄂尔多斯市无显著权衡关系^[10],NPP与保水服务在关中-天水经济区呈现协同关系^[11]。而中国生态环境脆弱,不仅存在东北森林退化,内蒙高原、河西走廊和塔里木盆地等区域土地沙漠化,而且同时存在着黄土高原水土流失严重,青藏高原草地退化等生态问题。为改善环境,维护国家生态安全,政府在主体功能区划中提出了“两屏三带”国家生态安全屏障框架,傅伯杰等以县域为边界确定了国家屏障区边界,并开展了2000—2010年生态系统服务综合评估^[12]。近年来随着生态工程实施,生态屏障区生态系统服务功能不同程度有所改善^[[13]。为了进一步巩固和提升区域生态服务功能,确保国家生态安全,2018年国家重点专项“典型脆弱生态修复与保护研究”中明确指出要优化“两屏三带”生态系统服务格局,揭示中国生态安全的关键屏障区域,而服务的优化离不开对权衡与协同关系的准确认知。因此,在国家尺度上开展国家屏障区生态系统服务权衡与协同研究具有重要性和迫切性。

基于此,本研究采用RUSLE模型、CASA模型和InVEST产水模型分别评估国家屏障区2000—2015年土壤保持,固碳和产水服务的空间分布格局,并分析三种服务的变化趋势,采用相关分析法和均方根偏差法量化不同服务在子屏障带整体和空间上的权衡与协同关系,为大尺度的国家屏障区生态系统服务优化提供参考。

2 研究区概况与方法

2.1 研究区概况

国家屏障区涵盖了青藏高原生态屏障（82°50'E—105°5"E, 29°40'N—38°10'N）、东北森林带（118°48'E—134°22"E,40°52'N—53°34'N）、川滇-黄土高原生态屏障（99°05'E—114°25"E,24°10'N—38°50'N）、南方丘陵山地带（103°10'E—119°15"E, 22°45'N—27°10'N）和北方防沙带（75°50'E—124°18"E, 36°45'N—45°06'N）,其中北方防沙帯由塔里木防沙帯,河西走廊防沙帯和内蒙古防沙帯构成^[14],总面积达313.462万km²,以森林、草地和农田生态系统为主（见图1）。东北森林带森林资源十分丰富,是中国重要的木材基地之一。北方防沙带植被覆盖度较低,植被类型由荒漠景观、草原景观和森林景观构成,是典型的农牧交错带。青藏高原生态屏障以青海省为核心,同时囊括了西藏自治区、甘肃省和四川省的部分区县,平均海拔在4000 m以上,以草地为主。川滇-黄土高原生态屏障区水土流失严重,同样也是中国退耕还林还草的重点区域。南方丘陵山地带人口众多,地形复杂,年降水量在800 mm以上,也存在着严重的水土流失现象。

图1

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图1研究区概况

Fig. 1Location of the study area

2.2 数据来源

（1）气象数据是来自中国气象数据网的中国地面气候资料日值数据集V3.0,包括了计算潜在蒸散发的各气象要素和日降水。本文采用专业的气象插值软件ANUSPLIN^[15]批量插值上述全国气象要素,时空分辨率均为1km/d。

（2）空间分辨率为1km的2000年、2005年、2010年和2015年的中国土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心,精确度较高。

（3）采用最大合成法提取每年12月中的NDVI最大值,从而合成逐年NDVI数据,其中逐月NDVI数据来自地理空间数据云,空间分辨率为1 km。

2.3 研究方法

2.3.1 生态系统服务定量评估方法

（1）土壤保持服务。土壤保持量采用RUSLE模型估算^[16]。

（2）产水服务。产水服务根据InVEST产水模型即降水与植被地表蒸散（ET）间的差来体现。其中PET是根据Penman-Monteith公式^[17]计算,而Rn项采用Yin等在中国地区的修正公式^[18]：

（1）

R_{n} = 0.77 (0.2 + 0.79 \frac{n}{N}) R_{SO} - δ (\frac{T_{x, k}^{4} + T_{n, k}^{4}}{2}) (0.56 - 0.25 \sqrt[]{e}) (0.1 + 0.9 \frac{n}{N})

式中：R_n为净辐射（W/m²）;n和N分别是实际日照时数和最大可能日照时数（h）;R_SO是晴空辐射;T_x,k和T_n,k分别是24 h期间的最大和最小绝对温度（k）;e是饱和水汽压差（kPa）。

（3）固碳服务。将生态系统净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）作为指标来对区域固碳服务进行定量评估。在多种数据的支撑下,采用CASA（Carnegie Ames-Stanford Approach）模型实现大尺度上NPP的估算^[19]。

（4）生态系统服务变化趋势。基于MATLAB 2012b平台进行逐像元一元线性回归。

2.3.2 生态系统服务权衡与协同量化方法两种生态系统服务的相关系数为负值且通过了显著性检验时,则认为两者具有权衡关系,而相关系数为正值且通过了显著性检验时,则认为具有协同关系^[20]。在整体上,单项服务在各子屏障内均存在着空间异质性,这种空间分布格局可能在整体上产生权衡与协同关系,因此本文提取出每个屏障区对应像元的三种生态系统服务,计算两两间的相关系数,并进行显著性检验^[10,21]。在整体上进行权衡与协同的量化,只能够在宏观上掌握区域的权衡与协同关系,但对区域内部的存在着复杂的空间权衡关系尚不明晰,通过在像元上对长时间序列的相关分析、回归分析或幂函数回归分析能够量化这种空间权衡关系^[22,23]。因此像元上的权衡与协同的量化是对整体权衡与协同量化的进一步补充,有助于在整体把握国家屏障区各子屏障的权衡与协同关系的同时,也有利于理解其空间上的权衡关系。本文通过计算每个像元上两两服务间的相关系数并进行显著性检验来判定空间上的权衡与协同关系。此外,传统上的通过负相关来表征的权衡关系已延伸到变化幅度的不均匀率^[24],均方根偏差法（Root Mean Standard Deviation, RMSD）是量化任意两个或两个以上生态系统服务之间权衡度的一个简单而有效的方式^[25],RMSDE值越大则代表权衡性越高。本研究进一步采用均方根偏差法对相关系数通过显著性检验的区域的两两服务间的权衡与协同关系进行量化。公式为：

（2）

E S_{std} = (E S_{i} - E S_{\min}) / (E S_{\max} - E S_{\min})

（3）

RMSD = \sqrt[]{\frac{1}{(n - 1)} \overset{n}{\sum_{i = 1}} (E S_{std} {- \overset{S_{std}}{E})}^{2}}

式中：

E S_{std}

表示经过归一化的生态系统服务值;

E S_{i}

表示生态系统服务值;

E S_{\max}

和

E S_{\min}

分别为区域生态系统服务的最大值和最小值,为避免异常值的干扰,最大值和最小值分别为区域生态系统服务99.9%和0.1%的阈值;n代表生态系统服务的个数;

\overset{S_{std}}{E}

表示n种生态系统服务的平均值。

3 结果与分析

3.1 国家屏障区生态系统服务时空动态特征

国家屏障区的土壤保持,固碳和产水的空间分布及变化趋势格局及如图2所示。单项服务均呈现东南高而西北低的格局,即高值区集中于川滇-黄土高原生态屏障和南方丘陵山地带,中间值在东北森林带和青藏高原生态屏障的东南部,而低值区位于青藏高原生态屏障的西北部和北方防沙帯。近15年,国家屏障区的平均土壤保持、NPP及产水量分别为2996.49 t/（km²·a）、259.93 gC/（m²·a）和206.63 mm/a（表1）;川滇-黄土高原生态屏障的平均土壤保持、NPP及产水量分别为10412.46 t/（km²·a）、435.45 gC/（m²·a）和339.04 mm/a,而在北方防沙帯上述三种服务则分别为849.03 t/（km²·a）、121.31 t/（km²·a）和52.56 t/（km²·a）。

图2

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图22000—2015年国家屏障区生态系统服务时空变化格局

Fig. 2Spatio-temporal change pattern of ecosystem services in National Barrier Zone from 2000 to 2015

Tab. 1
表1
表12000—2015年国家屏障区生态系统服务均值与斜率
Tab. 1Average value and trends in ecosystem services in National Barrier Zone from 2000 to 2015

生态系统服务类型	屏障带	平均值	斜率	显著性p值
固碳（gC/（m²·a））	青藏高原生态屏障	115.1	0.11	0.76
	东北森林带	364.6	-2.23	0.03
	川滇-黄土高原生态屏障	435.5	2.37	0.01
	南方丘陵山地带	672.4	-1.72	0.12
	北方防沙帯	121.3	1.25	0.01
	国家屏障区	259.9	0.01	0.96
土壤保持（t/（km²·a））	青藏高原生态屏障	2325.4	6.12	0.15
	东北森林带	1430.0	11.31	0.02
	川滇-黄土高原生态屏障	10412.5	63.87	0.00
	南方丘陵山地带	4287.4	68.02	0.00
	北方防沙帯	849.0	6.13	0.00
	国家屏障区	2996.5	20.64	0.00
产水（mm/a）	青藏高原生态屏障	159.6	3.54	0.18
	东北森林带	160.9	6.69	0.01
	川滇-黄土高原生态屏障	339.0	4.13	0.14
	南方丘陵山地带	721.4	-8.80	0.31
	北方防沙帯	52.6	1.33	0.00
	国家屏障区	206.6	4.13	0.00

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2000—2015年间,国家屏障区84.7%的区域土壤保持服务增加,增速较大区域集中在川滇-黄土高原屏障带的中部,土壤保持服务降低区域较为零星分布;49.8%的区域固碳服务上升,集中在北方防沙帯和青藏高原生态屏障的北部,固碳服务降低区域主要分布在东北森林带;86.3%的区域产水量增加,增幅较大区域集中在东北森林带的西北部和南方丘陵山地带的中部,而产水量降低区域集中于川滇-黄土高原的东南端（图2）。

表1显示了2000—2015年间,国家屏障区各子屏障带在整体上的NPP、土壤保持和产水的变化趋势,结果表明各项生态系统服务变化量与变化方向不一致。固碳服务在川滇-黄土高原生态屏障和北方防沙帯呈现显著增加趋势（p<0.05）,年增加量分别为2.37 gC/m²和1.25 gC/m²,在东北森林带呈现显著降低趋势（p<0.05）,年减少量为2.23 gC/m²,而其他子屏障带的固碳服务无显著变化,最终使得国家屏障区的固碳服务整体上表现出微弱的上升趋势(p=0.96)。除青藏高原生态屏障外,其他子屏障的土壤保持服务均显著增加（p<0.05）,其中南方丘陵山地带和川滇-黄土高原生态屏障的土壤保持服务增速快,分别为68.02 t/（km²·a）和63.87 t/（km²·a）,多个子屏障带的土壤保持服务的快速增加使得国家屏障区土壤保持服务整体呈现显著的上升趋势(p<0.05),斜率为24.64t/(km²·a);产水服务除了南方丘陵山地带呈现微弱的下降趋势外,另外4个子屏障带均呈现上升趋势,其中东北森林带和北方防沙帯的产水服务呈现显著上升,年增加量分别为6.69mm/a和1.33mm/a,从而使得国家屏障区整体的产水服务呈现显著的上升趋势,年增加量达到4.13mm/a.

3.2 国家屏障区生态系统服务权衡与协同

3.2.1 子屏障带的权衡与协同本文对两两服务间的相关系数进行了逐年的测定,并计算2000—2015年相关系数的平均值,结果如表2所示。除川滇-黄土高原生态屏障的固碳与产水服务相关系数为-0.025外,其它各子屏障区三种服务之间的相关系数均高于0,且都通过了显著性检验（p<0.05）,表明固碳和产水服务在整体上以协同关系为主,而无显著的权衡关系。

Tab. 2
表2
表22000—2015年国家屏障区各子屏障带整体平均相关系数
Tab. 2Overall average correlation coefficient of each sub-barrier zone in National Barrier Zone

子屏障带	服务对类型	整体平均相关系数	标准差
青藏高原生态屏障	固碳与土壤保持	0.406	0.017
	固碳与产水	0.476	0.134
	产水与土壤保持	0.371	0.076
东北森林带	固碳与土壤保持	0.125	0.034
	固碳与产水	0.039	0.117
	产水与土壤保持	0.184	0.090
川滇-黄土高原生态屏障	固碳与土壤保持	0.049	0.076
	固碳与产水	-0.025	0.137
	产水与土壤保持	0.377	0.049
南方丘陵山地带	固碳与土壤保持	0.045	0.059
	固碳与产水	0.104	0.204
	产水与土壤保持	0.125	0.041
北方防沙帯	固碳与土壤保持	0.237	0.027
	固碳与产水	0.238	0.088
	产水与土壤保持	0.398	0.048

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在固碳与产水方面,青藏高原的固碳与产水相关系数高,为0.48±0.13,其次是北方防沙帯,东北森林带和南方丘陵山地带,其相关系数分别为0.24±0.09、0.039±0.12和0.10±0.20。在固碳与土壤保持方面,青藏高原生态屏障的固碳与土壤保持的相关系数高于其他子屏障带的相关系数,达到0.41±0.02,其次是在北方防沙帯上,其固碳与土壤保持的相关系数为0.24±0.03,而东北森林带,南方丘陵山地带和川滇-黄土高原生态屏障相关性均较弱,低于0.15,为弱相关。在产水和土壤保持方面,东北森林带和南方丘陵山地带的产水和土壤保持的相关系数分别为0.18±0.09和0.13±0.04,相关性较弱,而其它三个屏障带的相关系数均较高,均在0.37~0.40间。因此,在整体上,青藏高原生态屏障的固碳和产水、固碳和土壤保持以及土壤保持和产水服务间均呈现较强的协同关系,国家屏障区各子屏障带的三种生态系统服务间也基本以协同为主。

3.2.2 空间的权衡与协同由图2知,每个像元的三种生态系统服务在时间序列上变化速率与变化方向不一致,会产生权衡与协同关系。因此,本节通过计算像元不同服务在时间序列上的相关关系来识别国家屏障区在空间上的权衡与协同关系（见图3）,分别统计每个子屏障带权衡、协同和无显著权衡与协同关系的像元比例（见表3）。

图3

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图3国家屏障区空间的权衡与协同关系分布

Fig. 3The distribution of trade-offs and synergies in the space of National Barrier Zone

Tab. 3
表3
表3国家屏障区空间的权衡与协同关系比例
Tab. 3The ratio of trade-offs and synergies in the space of National Barrier Zone （%）

服务对类型	子屏障带	协同比例	权衡比例	无显著关系比例
土壤保持与产水	青藏高原生态屏障	75.22	0.15	24.63
	东北森林带	69.53	0.01	30.46
	川滇-黄土高原生态屏障	33.88	0.45	65.67
	南方丘陵山地带	40.90	0.08	59.02
	北方防沙帯	65.82	0.01	34.17
土壤保持和固碳	青藏高原生态屏障	3.20	6.99	89.81
	东北森林带	2.76	28.04	69.19
	川滇-黄土高原生态屏障	9.24	4.50	86.27
	南方丘陵山地带	2.17	11.64	86.19
	北方防沙帯	23.96	0.74	75.30
固碳和产水	青藏高原生态屏障	1.88	16.86	81.26
	东北森林带	2.09	49.59	48.32
	川滇-黄土高原生态屏障	6.27	14.87	78.86
	南方丘陵山地带	2.17	30.61	67.22
	北方防沙帯	16.65	1.74	81.62

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在土壤保持与产水方面上,各子屏障带表现为权衡关系的像元比例基本为0,表明各子屏障带在空间上土壤保持与产水无显著权衡关系。青藏高原生态屏障、东北森林带和北方防沙帯的土壤保持与产水的协同像元的比例均超过了65%,说明以协同关系为主,而川滇-黄土高原屏障和南方丘陵山地带在像元上的无显著权衡与协同关系的比例超过了50%,表明以无显著权衡与协同关系为主,存在协同关系的像元主要分别集中于中部和东部地区。

在固碳与产水关系上,东北森林带以权衡和无显著关系为主,其中权衡像元聚集在北部,无显著关系集中在南部。其它子屏障带像元的固碳与产水关系均以无显著关系为主,比例均超过了65%。在青藏高原生态屏障、川滇-黄土高原生态屏障和南方丘陵山地带中,权衡关系的像元占比远高于协同关系,协同关系占比基本为0,而在北方防沙帯中则相反。

在土壤保持和固碳关系中,各子屏障带的土壤保持和固碳关系表现为无显著关系的像元基本超过了70%,表明在空间上以无显著关系为主,而权衡和协同关系的占比较小,尤其是在青藏高原生态屏障,比例仅为10.19%。东北森林带和南方丘陵山地带的权衡像元分别集中在北部和中部地区,而北方防沙帯和川滇-黄土高原生态屏障的协同像元均集中在东北部。

综上所述,青藏高原生态屏障、东北森林带和北方防沙帯在空间上的土壤保持和产水关系以协同效应为主,东北森林带在空间的固碳和产水关系上以权衡效应为主,而在空间的土壤保持和固碳关系上,各子屏障带均无显著关系。

3.3 国家屏障区生态系统服务的权衡度

由3.2章节可知,各屏障带的土壤保持、产水及固碳服务间的权衡与协同主导关系不一致。针对权衡或协同关系主导的屏障带,采用均方根偏差法对具有权衡或协同关系的像元计算权衡度,并分别统计权衡像元和协同像元的RMSD均值,由于两两服务间主导关系在川滇-黄土高原生态屏障均是以无显著关系为主,故未计算服务间在川滇-黄土高原生态屏障的权衡度,结果见表4。青藏高原生态屏障、东北森林带和北方防沙帯在土壤保持和产水关系上的RMSD值均很低,不足0.1,分别为0.080、0.094和0.031,表明权衡度很低。而东北森林带在固碳和产水的关系上RMSD值较高,为0.157,表明具有较强的权衡性。同时可知生态系统服务关系以协同为主导的RMSD值低于以权衡为主导的RMSD值。

Tab. 4
表4
表42000—2015年国家屏障区生态系统服务间的权衡度
Tab. 4Trade-offs between ecosystem services in National Barrier Zone from 2000 to 2015

子屏障带	主导类型	生态系统服务对	均方根误差
青藏高原生态屏障	协同	土壤保持和产水	0.080
东北森林带	协同	土壤保持和产水	0.094
北方防沙帯	协同	土壤保持和产水	0.031
东北森林带	权衡	固碳和产水	0.157

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4 结论与讨论

4.1 讨论

国家屏障区的多重生态系统服务对维系中国的生态安全格局起着十分重要的作用,对其服务相互关系的正确认知有助于生态系统的管理。

（1）目前关于生态系统服务评估及相互关系的量化主要以静态分析为主,即关注在某一年的空间分析或较短时间尺度的时空分析上,而缺乏长时间连续序列的时空分析^[22]。如果仅静态研究两个时间节点或某几个时间段可能会误判生态系统服务间的相互关系^[23]。而如果采用长时间序列的数据进行区域长时间尺度的生态系统服务权衡与协同关系的分析,则能够进一步增加结果的可信度^[8]。本文以国家屏障区的固碳、土壤保持与产水服务为例进行了2000—2015年连续16年的生态系统服务评估,并从子屏障带的整体和空间上对权衡与协同关系进行了评估,结果的可信度较高,有效解决了生态系统服务关系研究中时间不连续的问题。

（2）分别从整体和空间上对国家屏障区的固碳、产水和土壤保持的权衡与协同关系进行了评估,结果显示子屏障带整体上的权衡与协同关系与其空间上的权衡与协同关系并不完全一致,如青藏高原生态屏障的土壤与产水关系在整体和空间上均以协同关系为主,而东北森林带的土壤保持与固碳在空间上以权衡关系为主,在整体上则表现为较弱的协同关系,说明生态系统服务间的权衡与协同关系在整体与局部之间存在着差异性,仅仅了解整体上服务的权衡与协同关系是不够的,需要更加深入的分析空间上的权衡与协同关系,以便在制定生态保护政策时,需要在大背景下结合局部的特征来因地制宜的制定生态保护政策。

（3）本文集中于调节服务间的相互关系的探讨,而其他服务间同样存在权衡与协同关系。固碳、产水和土壤保持不能够完全代表子屏障带的主要生态系统服务。东北森林带涵盖了中国的大兴安岭和小兴安岭及松嫩平原,其水源涵养和食物供给能力强,青藏高原生态屏障能够有效调节中国气候,在气候调节服务方面具有很强的辐射效应,北方防沙帯,是以防风固沙为主,能够减缓风沙对京津冀地区的侵袭。因此,后期仍需对国家屏障区生态系统服务更加全面细致的评估,形成生态系统服务簇,进一步刻画服务簇中多项服务间的权衡与协同关系,以便于更好的服务管理和优化。

（4）国家屏障区2000—2015年土地利用类型发生了变化^[12]。这种变化会影响到生态系统服务的结构和过程,从而影响到服务间的权衡与协同关系。同时,随着中国人口、经济和城市化的快速发展,绿地向建设用地的大量转换,会破坏生态环境,减弱生态系统服务供给能力。因此,后续的研究中将重点关注国家屏障区土地利用变化过程中服务相互关系的演化及采用情景分析法分析未来不同发展情景下国家屏障区的权衡与协同关系变化及效应,寻求经济发展和环境友好的双赢局面,为政府生态规划建设提供参考。

4.2 结论

（1）2000—2015年间,国家屏障区的三项服务土壤保持,产水和固碳在空间上均呈现由东南向西北减少的格局, 而在时间上,前两项生态系统服务显著增加(p<0.05),增加量分别为 20.64 t/(km²·a)和4.13mm/a,而固碳呈现微弱的上升趋势(p=0.96),服务的提升有利于保障国家生态安全。

（2）在子屏障带整体上,土壤保持、固碳及产水的相关系数基本大于0,表明三者以协同为主。而在空间上,两两服务间的权衡与协同关系存在着极强的空间异质性。在进行生态环境建设时,需要同时考虑到整体与局部空间的服务权衡与协同关系的不同,以制定更为合理的生态保护政策。

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