陈心盟^,1, 王晓峰^,1,2, 冯晓明³, 张欣蓉¹, 罗广祥¹1.长安大学土地工程学院,西安 710064
2.陕西省土地整治重点实验室,西安 710064
3.中国科学院生态环境研究中心,北京 100085

Ecosystem service trade-off and synergy on Qinghai-Tibet Plateau

CHEN Xinmeng^,1, WANG Xiaofeng^,1,2, FENG Xiaoming³, ZHANG Xinrong¹, LUO Guangxiang¹1. School of Land Engineering, Chang′an University, Xi′an 710064, China
2. Shaanxi Key Laboratory of Land Consolidation, Xi′an 710064, China
3. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

通讯作者: 王晓峰（1977-）,男,甘肃庄浪县人,博士,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:2020-05-8接受日期:2020-06-23网络出版日期:2021-01-10

基金资助:

第二次青藏高原综合科学考察研究项目任务四“生态安全屏障功能与优化体系”.2019QZKK0405 国家重点研发计划项目.2018YFC0507300 中国科学院战略性先导科技专项.A类XDA2002040201

Received:2020-05-8Accepted:2020-06-23Online:2021-01-10
作者简介 About authors
陈心盟（1995-）,女,安徽安庆市人,硕士,主要从事生态遥感方面的研究。E-mail: qadcxm@163.com







摘要
青藏高原被称为世界的“第三极”,随着全球变化和频繁的人类活动,生态系统服务之间彼此消长,分析生态系统服务的时空变化及权衡协同关系对青藏高原地区的生态环境和经济的协调发展具有重要意义。本文结合遥感、气象、土地利用等多源数据,并基于逐像元相关分析法,对研究区长时间序列下产水价值量、固碳价值量和气候调节价值量间的权衡与协同关系时空动态特征进行分析。结果表明：① 1990—2015年,青藏高原三种生态系统服务产水、固碳和气候调节均呈现由西北向东南增加的空间分布格局,26年间,产水服务和气候调节服务呈波动增加的趋势,固碳服务年际间波动大涨幅小。② 不同土地利用类型中,林地类型中三种服务价值量总体较高,水体类型中固碳和气候调节价值量均较低,产水价值量较高,2015年不同的土地利用类型上,产水服务的价值量表现为：林地>水体>草地>耕地;固碳价值量呈现为：林地>耕地>草地>水体;气候调节价值量呈现为：林地>草地>耕地>水体。③ 青藏高原中,气候调节与产水、固碳与产水间存在着此消彼长的权衡关系,而气候调节与固碳服务则具有相互促进的协同关系,固碳与气候调节的相关度最强,气候调节与产水的相关性最弱。④ 保护情景下,气候与产水呈现弱协同关系,气候与固碳的协同性最强,产水与固碳间的权衡性最弱,最有利于青藏高原生态环境的良好发展。
关键词： 青藏高原;生态系统服务;权衡与协同;气候调节;情景模拟

Abstract
The Qinghai-Tibet Plateau is known as the "third pole" of the world. With the global changes and frequent human activities, its ecological problems are exacerbated. Analysis of the spatiotemporal changes of ecosystem services and trade-off synergy has important significance for the coordinated development of the ecological environment and economy in the Qinghai-Tibet Plateau. Based on climate regulation services, carbon sequestration and water production services, we combine remote sensing, meteorology, land use and other multi-source data, and use pixel-by-pixel correlation analysis to study the spatiotemporal dynamic characteristics of trade-offs and synergies in long-term sequences in the study area. The results showed that: (1) From 1990 to 2015, all the three ecosystem services presented a spatial distribution pattern, in which water production, carbon sequestration, and climate regulation increased from northwest to southeast. In the 26 years, water production services and climate regulation services showed a trend of increasing volatility, and inter-annual fluctuations in carbon sequestration services rose slightly. (2) Among different land use types, the three types of services in the forest land type are generally higher in value, while the values of carbon sequestration and climate regulation in the water body type are lower, and the value of water production is higher. In terms of land use types in 2015, the value of water production services was listed as forest land > water body > grassland > cultivated land; the value of carbon sequestration was presented as forest land > arable land > grassland > water body; the value of climate regulation was forest land > grassland > arable land > water body. (3) In the Qinghai-Tibet Plateau, there is a trade-off relationship between climate regulation and water production, carbon sequestration and water production. Climate regulation and carbon sequestration services have a mutually reinforcing synergistic relationship. Carbon sequestration and climate regulation are closely related. The correlation between climate regulation and water production is the weakest. (4) Under the protection scenario, the climate and water production exhibit a weak synergy relationship, with the strongest synergy between climate and carbon sequestration, and the weakest balance between water production and carbon sequestration, which is most conducive to the healthy development of the ecological environment of the Qinghai-Tibet Plateau.
Keywords：Qinghai-Tibet Plateau;ecosystem services;trade-offs and synergies;climate regulation;scenario simulation


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本文引用格式
陈心盟, 王晓峰, 冯晓明, 张欣蓉, 罗广祥. 青藏高原生态系统服务权衡与协同关系. 地理研究[J], 2021, 40(1): 18-34 doi:10.11821/dlyj020200399
CHEN Xinmeng, WANG Xiaofeng, FENG Xiaoming, ZHANG Xinrong, LUO Guangxiang. Ecosystem service trade-off and synergy on Qinghai-Tibet Plateau. Geographical Research[J], 2021, 40(1): 18-34 doi:10.11821/dlyj020200399

1 引言

生态系统服务是维持人类生存和可持续发展的资源和环境基础^[1],是直接或间接从生态系统中获得的产品和服务^[2],联合国千年生态系统评估^[3]将生态系统服务划分为支持服务、调节服务、供给服务和文化服务四大类。不同服务间具有复杂的相互关系^[4],主要表现为相互增益的协同关系与此消彼长的权衡关系^[5]。随着社会经济的发展及全球变化的影响,自然资源的不断消耗,常会发生一种服务的增加而导致其他生态服务下降的现象^[6]。青藏高原是世界屋脊和亚洲水塔,具有独一的生态系统,在全球变化影响下,生态系统服务具有明显的变化。因此急需理清生态服务间的关系,探究各服务间的影响因素、潜在联系和驱动机制系^[7],了解生态系统服务权衡与协同关系的动态变化,寻求区域生态环境保护和社会经济发展的最优解^[8,9],对区域及全球可持续发展具有重要意义。

生态系统服务的概念、价值、权衡等研究已经成为国内外相关学科领域研究的热点问题,并逐渐被应用于区域的土地利用规划和决策中^[10,11,12]。Howe等^[13]对全球2000—2013年生态系统服务研究文献进行汇总,分析表明权衡关系几乎为协同效应的三倍,权衡结果的现实需求远大于双赢结果。生态系统服务间的关系具有区域差异性,王鹏涛等^[14]以汉江上游流域为研究区,基于逐项元偏相关的时空统计制图法进行生态系统服务权衡与协同分析,发现土壤保持与NPP、土壤保持与产水服务间以权衡关系为主,NPP与产水服务以协同关系为主;陈登帅等^[15]基于生产可能性边界法,对渭河流域生态系统服务的关系进行了量化分析,研究表明产水和固碳、产水和生物多样性间呈权衡关系,固碳和生物多样性间呈协同关系;孙艺杰等 ^[16]通过偏相关分析,探究了延安市的生态系统服务价值间的权衡与协同关系,发现土壤保持和食物供给、水源涵养与NPP间存在权衡关系,NPP与土壤保持、NPP与水源涵养间存在协同关系。****们运用多种方法,在不同尺度上对生态系统服务的权衡与协同关系进行分析并已有一定的成就,但多数研究主要从定性的角度分析区域权衡与协同的整体关系,而缺乏对区域内部的空间差异的研究;集中于短期或单个时间节点的静态分析,对于生态系统服务权衡与协同关系的长时间序列的动态变化的研究较少。青藏高原特殊的地理位置和丰富的自然资源对中国及周边地区发挥着重要的生态屏障功能^[17],但由于其气候复杂,生态具有脆弱性,随着全球环境变化和人类活动的增多,青藏高原地区的生态系统变得更加敏感、脆弱,生态环境问题进一步加剧,因此对青藏高原生态系统服务间的关系进行权衡与协同分析,为区域生态发展和环境建设提供理论支持具有重要性。

青藏高原是中国最大的生态脆弱区,具有海拔高、气温低、降水少、生态系统结构简单的特点^[18]。青藏高原作为“亚洲水塔”是重要的储水区域,为陆地生态系统提供基础的水分资源^[19],近年来全球变暖导致地表蒸发加剧,产水量的变化对青藏高原生态系统具有较大影响^[20];张建云等^[21]研究了青藏高原水资源的演变规律与变化趋势,发现由于气温升高导致冰川积雪融化径流的增多是青藏高原水资源量增加的主要原因,产水服务是青藏高原重要的生态系统服务之一,研究其变化与相关服务关系对维护区域可持续发展有着重要意义。固碳功能是生态系统服务功能的重要组成部分,是衡量区域生态系统功能与状况的定量指标^[22],刘宪锋等^[23]基于MODIS/NDVI数据估算了2000年、2005年和2010年的青藏高原固碳释氧价值量,研究表明固碳释氧价值量呈东南多西北少的空间格局,与青藏高原的水热分布基本一致,受气候异常变化与人类活动影响,青藏高原的生态环境变化显著,研究其固碳价值量、时空分异差异和动态变化,有利青藏高原的生态环境保护、固碳释氧循环的研究和自然资源的合理开发。青藏高原是中国重要的湿地分布区,大面积分布着独特的高寒湿地^[24],张翼然等^[25]通过收集全国71个湿地案例点的价值评价数据,对比湿地系统中各项生态系统价值量,结果表明,湿地的各服务中气候调节服务的价值量处第一位,分析和评估研究区的气候调节服务,对青藏高原的生态系统可持续发展具有理论和实践意义。目前对青藏高原单一生态系统服务的研究较多并已取得一定的成就,但在研究青藏高原多种生态系统之间的关系方面较为薄弱。

因此,本研究基于CASE模型、InVEST模型和价值当量法计算青藏高原1990—2015年产水、固碳和气候调节三种服务的价值量,并分析三种服务的空间格局和时间变化趋势,通过玫瑰图分析不同地类中三种服务的发展差异,采用逐年逐像元的相关分析法和GIS空间制图法,分析三种服务间的权衡与协同关系,最后对2040年青藏高原土地利用类型进行情景模拟,探究三种服务的未来变化趋势和相互关系,以期揭示青藏高原生态系统服务权衡协同关系的时间变化和空间异质性,并通过情景模拟为研究区未来的土地利用规划和生态系统管理提供科学启示。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

青藏高原（26°00′N~39°47′N,73°19′E~104°47′E）地处中国西部,是全球海拔最高,中国面积最大的高原,被称为世界的“第三极”（图1）,总面积约为250万km²,约占中国面积的25％,主要为高原山地气候类型,土地利用类型中草地面积广阔,北部大面积分布未利用地,林地则主要分布于东南部,耕地、草地和城镇用地面积较小。青藏高原地理位置特殊,气候差异显著,对高原邻近地区及中国的气候调节和碳固定具有重要影响,高原南部和东部河网密集,是亚洲众多著名河流的发源地,也是湖泊、冰川和多年积雪的主要分布区,是中国水资源产生、存储和运输的重要区域。近年来,人类活动与气候变化加剧,导致青藏高原的生态系统更加敏感,环境问题日益严峻。

图1

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图12015年青藏高原地形与土地利用类型

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1671号）绘制,底图无修改。
Fig. 1Topography and land use classification of Qinghai-Tibet Plateau in 2015

2.2 数据来源及预处理

依据InVEST模型计算产水服务、CASA模型估算固碳服务及其气候调节服务计算需要,本文所需的数据主要包括气象数据、土壤数据、NDVI数据、DEM数据、土地利用数据、基础地理数据和经济价格数据。气象数据包括降水、气温和潜在蒸散发等,下载于国家气象信息中心（http://data.cma.cn）的中国地面气候资料日值数据集v3.0,选取青藏高原1990—2015年的日均气温、日降水、日日照时数、日风速和日相对湿度为基础并采用专业的Anusplin软件进行空间插值,得到青藏高原日尺度的气象数据,空间分辨率为8 km。土壤数据,采用维也纳国际应用系统研究所（IIASA）构建的世界土壤数据库（HWSD）中的中国土壤数据集v1.1,并通过ArcGIS10.2软件中的重采样工具将其分辨率统一为8 km。NDVI数据采用GIMMS-NDVI数据集（https://ecocast.arc.nasa.gov）,该数据集时间分辨率为15d,基于最大合成法计算NDVI的月值,再通过月NDVI值得出年NDVI数据,将计算出的1990—2015年NDVI值进行批量投影变换、裁剪和重分类,得到8 km分辨率的年NDVI栅格数据集。DEM高程数据下载于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）,其中DEM数据的空间分辨率为250 m。土地利用数据来自中国科学院资源环境科学数据中心,共1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年六期数据,本文将土地利用类型划分为耕地、草地、林地、水域、城镇用地和未利用地共六大类。青藏高原的道路、行政界线、河流等基础地理信息来源于国家基础信息中心（http://www.ngcc.cn/ngcc/）。水库建设成本、煤炭价格和粮食价格等社会经济数据来源于《中国统计年鉴》《西藏省统计年鉴》《水资源公报》等,用于计算产水、固碳和气候调节三种服务的价值量。

2.3 研究方法

2.3.1 产水服务价值 产水服务又称为地表产水量,是流域水文模型的一个输出。本研究产水量服务基于InVEST模型计算,基于水量平衡的原理,某栅格单元产水量为降雨量与实际蒸发量之间的差值,计算公式为：

（1）Yxj=1-AETxjPxj×Px
式中：Y_xj为第j土地利用类型栅格x的产水量（mm）;AET_xj为第j土地利用类型栅格x年实际水分蒸散量（mm）;P_xj为第j类土地利用类型栅格x的年降雨量（mm）。

产水量的价值具有外溢性,难以形成排他收益,本文产水价值量估算采用影子工程法计算^[26]：

（2）EW=G×C
式中：EW为水源涵养价值（元/a）;G为水源涵养量（m³/a）;C为建设水库单位库容的工程成本。

2.3.2 固碳服务价值 将生态系统净初级生产力（Net Primary Productivity,固碳）作为指标对区域固碳服务进行定量评估,本研究根据Potter^[27]等建立的CASA模型,采用光能利用原理对固碳进行估算^[28,29]：

（3）NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)
式中：NPP(x, t)表示像元x在t时间内的固碳量;APAR(x, t)和ε(x, t)分别表示像元x在时间t内吸收的光合有效辐射（MJ/m²）和实际光能利用率（g·C/MJ）。根据计算所得的固碳物质量,采用能量固定替换法^[30]计算价值量：

（4）V=AQ1AQ2×P
式中：V为固碳价值量（元）;A为固碳物质量（t·C/(hm²·a)）;P为单位标准煤价格（元/t）,取345.5元/t;Q₁表示干重折合热量,取6.7 kJ/g;Q₂为标准煤折合热量,取10 kJ/g。

2.3.3 气候调节价值 在青藏高原生态系统服务中,气候调节占据重要位置,利用青藏高原土地利用类型,结合谢高地^[31]生态系统单位面积生态服务价值表,计算气候调节价值量,计算公式如下：

（5）Gi=Ai×Ni
式中：G_i为第i种土地利用类型的气候调节价值量（元）;A_i为第i种土地利用类型的占有面积（hm²）;N_i为第i种土地利用类型的气候调节单位价值（元/hm²）。

2.3.4 生态系统服务权衡与协同分析方法 时间上,逐像元的提取研究区内三种生态系统的价值量,计算两两服务之间的相关系数,并进行显著性检验^[32],当两种服务间的相关性系数为正值,认为两者具有协同关系,当相关性系数为负值时,则为权衡关系。在空间上,通过MATLAB进行逐像元的长时间序列的相关性分析并制图。计算相关系数：

（6）R=∑n=1nES1n(ij)-ES1(ij)ES2n?(ij)∑n=1nES1n?(ij)-ESI(ij)2∑n=1nES2n?(ij)-ES2(ij)2
式中：ES1与ES2代表两种生态系统服务;R为两种服务之间的相关系数;i、j为栅格数据中像元的行号和列号;n为栅格数据的时间序列。文中将生态系统服务权衡与协同关系划分以下等级（表1）。

Tab.1
表1
表1相关性分类等级
Tab.1Relevance classification level

相关性等级	R值	P值
无相关性	R = 0	0.01<P<0.05
强协同	R>0	0.01<P<0.05
中协同	R>0	0.05<P<0.10
弱协同	R>0	0.10<P
弱权衡	R<0	0.10<P
中权衡	R<0	0.05<P<0.10
强权衡	R<0	0.01<P<0.05

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2.3.5 土地利用情景模拟 本文根据青藏高原的土地转移规律并结合青藏高原的未来发展规划,构建了三种土地利用类型情景（计划情景、开发情景、保护情景）,运用CA-Markov模型^[33],针对不同情景,设置不同的驱动因子,得到2040年三种模拟情景的土地利用类型图。计划情景中,不进行人为干预,土地利用类型按原有的趋势变化,根据1990—2015年的土地利用类型,计算研究区往年的土地利用转移矩阵,并模拟2040年的土地利用类型;开发情景中,在现有的土地利用基础上,设置公路、铁路、县级和市级城镇为驱动因素,大力促进城市化发展;保护情景中,研究区主要为干旱半干旱地区,当坡度大于15°时水土流失加剧,本情景中对坡度大于15°的耕地进行退耕还林还草措施,对水域和湖泊进行保护,将城镇、工业用地、铁路、公路设置为限制因素,以保护生态为主要目标,减缓城镇化进程,限制过度的工业发展。

3 结果分析

3.1 青藏高原生态系统服务时空动态分析

3.1.1 青藏高原生态系统服务时间变化 1990—2015年间,青藏高原地区的产水服务和气候调节服务的平均价值量呈显著上升趋势,固碳服务的平均价值量呈轻微上升趋势（图2）。具体分析,产水服务平均价值量的最高值为2015年的1037元/hm²,最低值为1994年的6元/hm²,多年平均值为551元/hm²。年际间,产水服务平均价值量呈波动上升趋势,平均价值量由1990年的282元/hm²增长至2015年的1037元/hm²,平均价值量增加了755元/hm²。固碳服务平均价值量的最高值为1990年的730元/hm²,最低值为2003年的634元/hm²,多年平均价值量为672元/hm²。年际变化,以2003年为界,2003年前固碳平均价值量的波动较大并在2003年达到最低值,之后波动减弱,固碳平均价值量由1990年的652元/hm²增长至2015年的672元/hm²,仅增加了20元/hm²。气候调节服务平均价值量的最高值为1994年的9203元/hm²,最低值为1990年的7929元/hm²,多年平均价值量为8492元/hm²。26年间,气候调节呈波动增长趋势,平均价值量由1990年的7606元/hm²增长至2015年的8656元/hm²,26年间增加了959元/hm²。

图2

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图21990—2015年青藏高原生态系统服务价值量变化

Fig. 2The value of ecosystem services on the Qinghai-Tibet Plateau from 1990 to 2015



3.1.2 青藏高原生态系统服务空间分布及变化特征 青藏高原产水服务的空间格局表现为中部及南部高,东西两侧低（图3,见第24页）。高值区主要分布于高原的南部,包括林芝县东南部和怒江傈傈族自治州,低值区分布在高原的西部及北部,主要有噶尔县、那曲县、酒泉市和乌兰县等地;1990—2015年间,研究区内产水服务价值量增加比率为83.5％,增加区域分布于青藏高原南部和西北部的大部分地区,减少区域零星分布于青藏高原中南部和北部,产水服务变化的平均价值量为735.7元/hm²,说明研究区内产水量增加明显。

图3

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图31990—2015年青藏高原生态系统服务价值量时空变化格局

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1671号）绘制,底图无修改。
Fig. 3Spatio-temporal changes in the value of ecosystem services on the Qinghai-Tibet Plateau from 1990 to 2015



青藏高原固碳服务在空间上呈由东南向西北减小的格局（图3,见第24页）。固碳服务价值量的高值区分布于高原南部和东部,主要包括林芝县和泽当县的东南部、夏河县、马尔康县和玛沁县,低值区则分布于高原的西北部,主要有噶尔县、库尔勒市和那曲县,且与研究区土地利用类型中的未利用地的分布重叠较多;时间变化上,研究区的固碳价值量增加的像元比率为53.21％,增加和减少的区域在全区内零散分布,固碳服务变化的平均价值量为29.70元/hm²,表明26年间研究区的固碳服务增长微弱。

气候调节服务在研究区内呈现北部低,东部边缘和南部价值量高的分布格局（图3）。气候调节服务的高值区处于林芝县西南部和泽当县的东南部及高原东部边缘地区,与土地利用现状图叠加可知,高值区的分布与林地的分布区域大致相同,表明研究区内林地类型的气候调节价值高,低值区处于高原的北部边缘,主要有库尔勒市和乌兰县;26年间,研究区内71.4％的区域气候调节价值量增加,增加区域主要分布于研究区的东部和中南部,减少区域则分布于青藏高原北部和西北部,气候调节服务的平均变化量为2260.7元/hm²,表明研究区整体气候调节呈增长趋势。

3.2 青藏高原不同地类生态系统服务动态变化

同一土地利用类型中,不同生态系统服务的分布具有差异性,同一种服务在不同地类上的分布也各不相同。通过1990—2015年六期土地利用数据,对产水、固碳和气候调节三种生态系统服务进行分区统计,得到草地、耕地、林地和水体四种土地类型上的三种生态系统服务价值量的均值。运用matlab对获得的数据进行归一化处理,以便于比较不同地类上生态系统服务之间的关系,消除三种生态系统服务在各自量级大小上的差异性,基于R语言对处理过的数据进行可视化,得到青藏高原不同地类生态系统服务玫瑰图（图4,见第25页）。

图4

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图4青藏高原不同地类生态系统服务价值玫瑰图

Fig. 4Rose map of the value of ecosystem services on the Qinghai-Tibet Plateau by land use types



同一地类上看,耕地类型中,固碳价值量最高,产水价值量最低;林地类型里气候调节价值量最高,产水次之,固碳量最低,林地中三种生态系统服务量总体较高;草地类型中气候调节量较高,产水量其次,固碳量最低;水域中气候调节和固碳价值量均较低,产水价值量最高。

1990—2015年间,耕地类型上产水和气候调节价值量不断增长,固碳价值量从1990年至2010年不断下降,2010年至2015年逐渐增加;林地类型中产水价值量不断上升,固碳价值量在2005年前呈下降趋势,2005年后开始上升,气候调节价值量较稳定,多年间呈微弱下降趋势;草地类型上的产水、固碳和气候调节价值量均呈增长趋势;水域类型中产水价值量呈不断增加的趋势,固碳与气候调节则呈下降趋势。以2015年为例,不同的土地利用类型中,固碳价值量呈现为：林地>耕地>草地>水体;气候调节价值量呈现为：林地>草地>耕地>水体;产水服务的价值量表现为：林地>水体>草地>耕地。

3.3 青藏高原生态系统服务权衡与协同分析

3.3.1 生态系统服务相关性的时间变化 对研究区1990—2015年三种生态系统服务进行逐年的相关性分析,得到权衡与协同动态变化图（图5）。气候调节和产水服务,总体上呈微弱的权衡关系,相关系数26年间呈波动上升的趋势,在2011年达到最大值0.115,最小值为1990年的-0.065,单年间的相关性在弱权衡和弱协同间波动变化;气候调节和固碳服务,在26年间均为协同关系,年际间呈现波动缓慢上升的趋势,相关性最大值为2001的0.304,最小值为1990年的0.216,多年间相关性虽有波动但变化幅度小,表明青藏高原气候调节和固碳服务的协同关系较为稳定;产水和固碳服务,相关性在1990—2015年间呈缓慢上升趋势,26年间均为权衡关系,相关性最大值为2007年的-0.062,最小值为2000年的-0.339,两种服务在年际间的相关性波动幅度较大,但从26年间的变化趋势上看较为平稳。

图5

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图51990—2015年青藏高原生态系统服务的权衡与协同动态变化

Fig. 5Trade-offs and synergistic dynamics of ecosystem services on the Qinghai-Tibet Plateau from 1990 to 2015



3.3.2 生态系统服务相关性的空间分布 本研究以1990—2015年为时间序列,通过matlab软件平台,基于像元尺度对青藏高原产水、固碳和气候调节三种服务的价值量进行相关性分析,并制作青藏高原生态系统服务权衡与协同空间分布图（图6）。

图6

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图6青藏高原生态系统服务权衡与协同空间分布

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1671号）绘制,底图无修改。
Fig. 6Spatial distribution of trade-offs and synergies on the Qinghai-Tibet Plateau



气候调节服务与产水服务在空间整体上呈权衡关系（60.19％）,主要分布在高原的中部,北部边缘和东南部,极显著权衡分布于那曲县和格尔木市相接的中部地区;协同的区域主要集中在高原的西南部的边缘地区,并零星分布在那曲县北部、乌兰县西北部、同仁县等地区。气候调节服务与固碳服务空间上以协同关系为主（72.29％）,表明青藏高原上这两种服务的协同作用更为广泛,其空间分布格局复杂,协同作用和权衡作用在空间上相互交叉,协同关系主要分布于研究区的中部和南部地区,包括那曲县、格尔木市和林芝县西南部,权衡关系则零星分布于研究区南部和东北部地区。产水服务与固碳服务的相互关系以权衡为主（56.78％）,权衡关系主要分布在高原的西部和中南部地区,包括噶尔县、那曲县、林芝县东部和昌都地区;协同关系则分布于青藏高原的东北部和西南部,包括拉萨市、泽当县、治多县和共和县等地。

3.3.3 不同地类间权衡与协同关系特征分析 对研究区各土地利用类型上的三种生态服务间的关系进行统计分析（图7）。不同地类上,气候调节与产水服务的相互关系以权衡为主,土地利用类型中的耕地、草地、水域、城镇用地和未利用地的权衡作用均超过50％,权衡关系占比最高的是城镇用地,权衡比率为69.4％,在林地利用类型上,生态系统的相互关系主要为协同关系,协同关系的占比为51.1％;气候调节和固碳服务间以协同关系为主,其中,草地地类上协同关系比率最高,达到73.1％,水域生态系统中协同关系最低为50.2％,各土地利用类型上的生态系统协同关系均超过50％;产水与固碳服务在各地类间以权衡关系为主,林地、草地、水域、城镇用地和未利用土地的权衡关系占比均超过60％,水域类型中权衡关系比率最高为70.9％,仅在耕地类型中,生态系统间的关系以协同为主,协同关系比率为57.4％。同一土地类型中,林地、水域、草地、城镇用地和未利用地上,气候调节和产水、产水和固碳间均为权衡关系,气候调节与固碳则为协同关系;耕地利用类型上,气候调节和固碳、产水与固碳间为协同关系,仅气候调节和产水表现为权衡关系。

图7

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图7青藏高原不同地类间生态系统服务权衡与协同统计

Fig. 7Trade system trade-offs and synergistic statistics between land types on the Qinghai-Tibet Plateau

3.4 土地利用情景模拟及不同情景下的生态系统服务空间差异

3.4.1 不同情景下的生态系统服务空间分布 本文运用CA-Markov模型预测了青藏高原2040年土地利用类型,并构建了三种土地利用类型情景（图8）。计划情景中,2040年的耕地面积为30380 km²比2015年的18833 km²上升了61.7％;林地面积由2015年的269185 km²下降至245254 km²,下降比率为8.8％;草地面积由1508597 km²增加至1528082 km²,增加了1.2％;城镇用地面积上升率为91.6％,25年间上升了2130 km²。开发情景中,耕地面积降低了7.8％,林地面积下降比率为2.8％,草地面积下降了4.3％,城镇地面积上升了140％。保护情景中,耕地面积下降了7.0％,林地面积降低了3.4％,草地面积则相较于2015年上升了24.7％,城镇用地面积增加比率为40.5％。

图8

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图82040年青藏高原土地利用类型情景模拟

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1671号）绘制,底图无修改。
Fig. 8Scenario simulation of land use types on the Qinghai-Tibet Plateau in 2040



根据模拟得到的三种土地利用分类结果,测算青藏高原产水、固碳和气候调节三种生态系统服务2040年的价值量（图9）。产水服务价值总量在2015年为4170万元,在2040年的模拟情景中,计划情景里的产水服务价值总量为4270万元,开发情景中为3970万元,保护情景下为4220万元,计划和保护情景中产水服务总量均为增加,开发情景下产水服务的价值总量则是降低的;固碳服务价值总量在2015年为2660万元,计划情景中和开发情景的固碳价值总量分别为2350万元和2180万元,均低于2015年,保护情景下价值总量为2790万元,相比于2015年增加了130万元,;气候调节在三种情景中的变化与固碳一致,2015年的价值总量为3.38亿元,计划情景中减少了2100万元,开发情景中减少了3100万元,保护情景下气候调节的价值总量比2015年增加了1010万元。

图9

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图92040年青藏高原土地利用情景模拟及生态系统服务价值空间分布

注：此图基于国家自然资源部标准地图服务系统的标准地图（审图号：GS（2019）1671号）绘制,底图无修改。
Fig. 9Scenario simulation of land use and the spatial distribution of ecosystem service value on the Qinghai-Tibet Plateau in 2040



3.4.2 不同情景下的生态系统服务的权衡与协同关系 对不同模拟情景下的产水、固碳和气候调节三种服务进行相关性分析（图10）。计划情景中,气候调节和固碳服务为协同关系,气候调节和产水、产水和固碳服务呈权衡关系;开发情景中与计划情景一致,且产水和固碳服务间此消彼长的权衡作用在三种模拟情境中最强;保护情景下,气候调节与产水服务呈弱协同关系,气候调节与固碳服务的协同性在三种情境中最强,产水与固碳服务间的权衡性最弱,最有利于青藏高原生态环境的和谐发展。

图10

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图102040年三种情景下青藏高原生态系统服务的相关性

Fig. 10Correlation of ecosystem services on the Qinghai-Tibet Plateau in three scenarios in 2040

4 结论与讨论

4.1 结论

生态系统服务的时空动态变化及其权衡与协同关系是生态系统服务研究的重要内容,对区域的生态环境高效管理具有重要意义。本文计算了青藏高原的产水、固碳与气候调节三种服务的价值量,利用GIS空间制图法和玫瑰图法,分析了研究区三种服务价值量的时空变化特征及其在不同土地利用类型上的发展,采用相关性分析法探讨了三种服务间的权衡与协同关系的时间变化和空间分布,同时通过情景模拟分析2040年不同情景下的三种服务间的关系特征,得到主要结论如下：

（1）1990—2015年,青藏高原的三种生态系统服务在时间上表现为“整体上升-局部下降”的变化特征,其中产水服务价值总量增长最多,其次为气候调节服务,固碳服务增长最小;空间上,三种服务均呈现由东南向西北减少的格局,由于青藏高原东南部多为林地,所以各服务的价值量较高,逐渐向西北出现草地及寒荒漠导致三种服务逐渐减少。

（2）26年间,产水服务在各土地利用类型中均呈上升趋势,固碳服务在耕地和林地类型中呈现先下降后上升的趋势,在草地类型中持续增长,在水域类型中持续下降,气候调节服务在耕地和草地类型中增加,而在林地和水域中呈下降趋势,2015年三种服务均在林地类型中价值量最高,与各服务空间分布的高值区表现一致。

（3）整体上,研究区气候调节与产水服务呈权衡关系,气候调节与固碳服务呈协同关系,产水与固碳服务呈权衡关系。空间分布上,气候调节与产水服务在高原的中部和北部边缘呈权衡关系,高原南部、西南及东部边缘呈协同关系,气候调节与固碳表现出“全区大部分协同-零散分布权衡”的格局,产水与固碳服务呈现南部多权衡,东北部多协同的空间分布差异。时间变化上,气候调节与产水服务26年间在弱权衡及弱协同间相互变化,气候调节与固碳服务的协同关系较为稳定,产水和固碳服务的权衡关系年际间波动较大并呈现弱化趋势。

（4）2040年计划情景中产水价值总量最多,开发情景中三种生态系统服务的价值总量都有所下降,其中气候调节价值总量的下降率最高,在保护情景下固碳、气候调节价值总量最多,且气候与产水呈现弱协同关系,气候与固碳的协同性最强,产水与固碳间的权衡性最弱,是模拟的三种情景中,生态综合效益最优的未来发展情景。

4.2 讨论

目前对生态系统服务间相互关系的研究主要集中于某一年或较短的时间尺度内,缺乏长期的连续时间序列的的时空动态分析^[34],基于长时间序列数据对生态系统服务相关性进行分析,有利于减少因生态系统时间变化中的异常因素和时间滞后效应导致的错误影响^[35],提高权衡与协同分析的可靠性。本文对青藏高原1990—2015年的产水、固碳和气候调节三种服务的价值量的空间格局和时间变化进行分析,探究三种服务间的权衡与协同关系及其动态变化。

1990—2015年青藏高原地区降水量显著增加^[36],且研究区气温自1996年以后相对较高并波动上升^[37]导致蒸发量加强,降水和蒸发是影响产水量的主要因素,两者的增加导致了青藏高原产水量的增加,与本文中青藏高原的产水服务价值量呈波动上升趋势的结论相符。多名****研究表明,青藏高原的固碳量年均值呈由东南向西北递减的空间格局^[38],在时间变化上全高原区内的固碳量呈现波动变化^[39]。近年来,研究区的高寒草地覆被状况整体好转,林地恢复良好,裸地轻微减少^[40],且高原内的封闭湖泊水量持续增加^[41],因此导致高原内的气候调节价值量总体上也呈现增加趋势。

青藏高原各服务间的关系,气候调节与产水服务整体上呈权衡关系,年际间则在权衡关系和协同关系间相互波动,气候调节价值量多年间的变化幅度较大,导致其与产水服务在单年间相互性的波动变化。气候调节和固碳服务的变化上,两者均表现为在2000年前变化波动剧烈,2000年后变化幅度变小,且两者的变化态势较为一致,导致气候调节和固碳服务间呈多年协同的关系。研究区内产水和固碳服务间权衡作用占主导地位,植被的增加会促进固碳能力的加强,但同时会影响水文环境导致产水量减小^[42],该结论也与其他****的研究^[43]基本一致。单一年份的生态系统服务间的关系与空间整体上的关系并不完全一致,如气候和产水服务,空间整体上权衡关系占主体,而单一年份中则会出现弱协同关系,表明生态系统服务间的相互关系在空间整体和时间上存在差异性,因此,在分析地区生态系统服务权衡与协同关系时,不能仅了解某一年份的关系,需更加深入的分析研究区长时间的权衡与协同关系变化以及其空间关系特征。

三种情景中,保护情景有利于促进研究区的产水、固碳和气候调节。本研究仅探讨了产水、固碳和气候调节三种服务,但由于其地域单元的特殊性,青藏高原有多种生态服务,后续应加强研究青藏高原多种服务间的权协关系以及时空异质性;并结合区域特点深入分析生态系统服务间权衡与协同关系的影响因素及驱动机制,为政府决策和生态修复等提供理论参考。

致谢

真诚感谢外审的两位匿名专家在论文评审中付出的时间和精力。评审专家1对本文综述的建议使我们完善了综述的凝练,对于本文公式格式的建议促使本研究的格式更加规范,根据专家的意见对全文的语言进一步精炼,使文章的逻辑性和可读性更加完善;评审专家2对文献综述的修改意见,使得本研究的综述进一步完善并提出本研究的科学问题,“建议说明产水、固碳与气候调节三种服务是如何选取的及其对青藏高原的重要性”的修改意见使得本文的研究背景更加深入,“三种情景的原则、约束条件及参数的论文不够”的修改意见,使得本文的研究方法更加具体清晰。两位专家的意见都对于本文最终的完善起到了重要的作用,使本文收益匪浅,谢谢！

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Mountainous rural communities have traditionally managed their land extensively, resulting in land uses that provide important ecosystem services for both rural and urban areas. Over recent decades, these communities have undergone drastic changes in economic structure, population size and land use. Our understanding of the exact mechanisms that drive these changes is limited, and there is also a lack of integrative approaches to enable decision makers to steer rural development towards a more sustainable path. In this study, we build a dynamic simulation model to calculate the trade-offs between the provisions of two ecosystem services - landscape aesthetic value and water supply for human use - and the economic development associated with different land use changes. The study area for the simulation comprises two rural communities located in southern Spain. Our results show trade-offs between economic development and the provision of the selected ecosystem services in the selected study area. Land use intensification results in economic development but is not enough to prevent population loss and has a negative impact on both the water supply and on aesthetic services. We conclude that more proactive management policies are needed to mitigate a loss in ecosystem services. Simulation models like ours may facilitate the choice of these policies, as they could test the result of land use planning policies contributing therefore, to a more integrative and sustainable management of rural communities.

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-2·yr-1,且多年来以16.10 t·hm-2·yr-1速率递增。多年平均产水量为250.34 mm,多年递增速率为3.79 mm·yr-1。NPP多年平均值为854.11 gC·m-2·yr-1,多年递减速率为8.54 gC·m-2·yr-1。② 汉江上游土壤保持量在空间上呈现出“南北山地高,河谷盆地低”的分布格局;植被NPP在空间上表现为汉江河谷地带低,其余地方高的态势;产水服务在空间上呈现由北向南递增的分布规律。③ 整个汉江上游流域土壤保持与NPP、土壤保持与产水服务均以权衡关系为主,权衡关系区域的面积占比分别达到62.77%和71.60%;NPP与产水服务以协同关系为主,协同关系的面积占比达到62.89%。④ 林地、湿地、耕地、人工表面及裸地中,土壤保持与NPP服务、土壤保持与产水服务在空间上以权衡关系为主,产水与NPP服务在空间上以协同关系为主;而草地表现为三种服务两两之间均以权衡关系为主。定量评估生态系统服务相互关系的时空特征,有利于研究生态系统服务之间相互关系在时间上的非线性变化以及空间上的分布异质性,对区域土地管理与生态系统服务优化具有重要的指导意义。]]>
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研究生态系统服务之间以及与土地利用类型之间的复杂关系，进行生态系统服务导向下的土地利用优化，对实现社会经济与生态保护协调可持续发展具有重要的意义。以渭河流域关中-天水经济区段（简称关天段）为研究对象，在子流域尺度估算了2000-2013年的生物多样性、固碳和产水3种生态系统服务量，定量化研究彼此之间的权衡和协同关系；并利用CA-Markov模型预测2050年土地利用变化情景，以此测算未来情景下的生态系统服务并引入生产可能性边界（PPF）方法，进行权衡与协同分析，探究2050年最优生态系统服务下的土地利用格局。研究得出：①2000-2013年研究区的总产水量呈增加趋势。秦岭与六盘山地区总固碳量较大，生物多样性质量较高；而关中平原地区人口和城市分布较多，固碳能力较差，生境退化度普遍较高。②固碳与生物多样性之间呈现协同关系，而产水与生物多样性和产水与固碳之间均表现为权衡关系。③绘制了2050年的生态系统服务下的最优帕累托效率曲线，并进一步进行权衡协同分析，得到相对应的土地利用优化图。将生态系统服务及权衡需求纳入到土地决策和优化管理过程中，将有助于研究区的生态，社会和经济达到共赢状态。
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青藏高原对我国乃至亚洲生态安全具有重要的屏障作用。在全球变化和人类活动的综合影响下,青藏高原呈现出生态系统稳定性降低、资源环境压力增大等问题,突出表现为:冰川退缩显著、土地退化形势严峻、水土流失加剧、生物多样性威胁加大与珍稀生物资源减少、自然灾害增多等。这些问题严重影响了青藏高原区域生态安全屏障功能的发挥。针对当前高原生态安全状况,在总结相关研究成果和生态建设实践经验的基础上,提出了加强青藏高原国家生态安全屏障保护与建设的对策建议：加强气候变化对青藏高原生态屏障作用影响及区域生态安全调控作用的基础研究;系统开展高原生态安全屏障保护和建设关键技术研究与示范推广;部署建设生态屏障功能动态监测体系,加强生态安全屏障保护与建设成效评估,构建评估体系和标准,并凝练经验,以系统提升国家生态安全屏障的总体功能,在应对全球变化中占据主动地位。
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首先利用青藏高原近45年气象台站年降水记录，对高原中东部年降水做了空间变化分析，发现高原以唐古拉山为界，高原南北降水变化存在明显差异，特别是高原南部和高原东北部降水几乎成相反的变化。进一步分析5个重建的长时间降水序列，发现青藏高原南北降水在百年时间尺度上也存在明显的差异。在百年时间尺度上，过去600年高原南北降水变化都在1740和1850年左右发生突变，1740年以前，整个高原北部降水都在波动中增加，而高原南部在减小；1740－1850年期间，高原北部降水在波动中减小，而高原南部在增加；1850年以后，高原北部降水又在波动中增加，而高原南部降水在减小。高原南北降水变化的空间差异主要是由季风和西风带决定的。]]>
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2,土壤保持单位面积年均价值量约为768.889元/hm2,食物供给单位面积年均价值量约为167.874元/hm2。从空间角度分析,NPP和土壤保持的高值区均分布在盆地边缘的山地,低值区集中于盆地中部,而食物供给呈相反格局。从时间角度分析,三种生态系统服务均呈现增加的趋势。2000-2012年,NPP单位面积价值量增幅为21%,土壤保持单位面积价值量增幅为46.7%,食物供给单位面积价值量增幅为245.7%。② NPP与土壤保持呈现协同关系,而NPP与食物供给、土壤保持与食物供给呈现权衡关系。③ 13年来关中盆地生态系统服务呈现冲突加强协同减弱的趋势。具体而言,NPP与土壤保持的协同关系表现出明显的下降趋势,NPP与食物供给的权衡关系逐渐增强,而土壤保持与食物供给的权衡关系在13年间基本保持稳定状态。④ 从土地利用变化的角度看,研究区生态系统服务权衡增加协同减少主要归因于耕地和林地的大量减少。同时,权衡土地资源利用中各类冲突对于土地资源的优化使用也有重大的意义。]]>
[ Hao Mengya, Ren Zhiyuan, Sun Yijie, et al. The dynamic analysis of trade-off and synergy of ecosystem services in the Guanzhong Basin
Geographical Research, 2017,36(3):592-602.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlyj201703016.
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-2、4.87 t?hm-2和7.35 t?hm-2, 统计模型中综合模型与北京模型和CASA模型估算结果最为相近; (2)研究区NPP价值随时间序列递增, 耕地与建设用地的增幅集中在2000-2003年, 而草地与未利用地增幅集中于2006-2009年, 草地增长最快, 2009年达7.91 107 万元; (3)以县域为单元分析NPP价值空间差异, 空间分布的不对称性、趋向均值的偏离程度有所增加, 但高值集聚特征也有所加强; (4) NPP价值的空间集聚变化有低值快速升高、高值继续升高、较高值出现下降3种趋势, 青藏高原与黄土高原NPP价值增速最快。NPP价值升高趋势比下降趋势更明显, 反映了西北地区生态环境呈现整体好转、局部恶化的态势。]]>
[ Ren Zhiyuan, Liu Yanxu. Contrast in vegetation net primary productivity estimation models and ecological effect value evaluation in Northwest China
Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013,21(4):494-502.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.3724/SP.J.1011.2013.00494.
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8 yuan annually,accounting for17.68%of annual ecosystem services value of China and0.61%of the world.The value of soil formation and disposition provided by ecosys-tem s is the highest,which occupies19.3%of the total ecosystem services value and then,the value of waste treatment takes up16.8%,water conservation value,16.5%and biodiversity,16%.The forest and the grassland ecosystem s offered the main ecosystem services value,being31.3%and48.3%of the total value provided by different ecosystem types,respectively.]]>

[32] 武文欢, 彭建, 刘焱序, 等. 鄂尔多斯市生态系统服务权衡与协同分析
地理科学进展, 2017,36(12):1571-1581.
DOI:http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.18306/dlkxjz.2017.12.012URL [本文引用: 1]
-2增至224.2 kg·hm-2,碳储存量由8.32 t·hm-2增至8.41 t·hm-2,平均产水量由153.64 mm增至291.90 mm,土壤保持量平均值由47.79 kg·hm-2增至59.04 t·hm-2;②产水与土壤保持之间存在协同关系(相关系数分别为0.972和0.771),食物供给与土壤保持之间存在协同关系(相关系数分别为0.505、0.736),食物供给和碳储存之间存在权衡关系(相关系数分别为-0.584、-0.512);③多重生态系统服务供给的热点区主要分布在鄂尔多斯市东部;④产水量和土壤保持、碳储存在耕地和林地中呈现此消彼长的变化方式,而在草地中4种生态系统服务同时增加。]]>
[ Wu Wenhuan, Peng Jian, Liu Yanxu, et al. Tradeoffs and synergies between ecosystem services in Ordos city
Progress in Geography, 2017,36(12):1571-1581.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.18306/dlkxjz.2017.12.012.
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Landscape pattern indexes are quantitative descriptions of the spatial composition and configuration of land use, which can influence a variety of ecological phenomena. In this paper, we propose a land use change simulation model based on landscape pattern indexes, Markov chain and cellular automata. In the model, Markov Chain is applied to predict the amount of land use change; transition potential maps generated from natural and socioeconomic indexes are used to control the spatial distribution of land use; landscape pattern indexes in the start year are used to differentiate the transition probabilities of land use classes within different sub-regions of the study area. First, the principles and implementation of the model were described. Then the model was successfully applied to the simulation of land use change in Changping, a district of Beijing. Based on land use maps in years 1988 and 1998, the land use map in year 2008 was simulated. By analyzing the simulation result, the effectiveness of the model for land use change simulation was demonstrated. By comparing results simulated by this model and the results simulated by Markov-CA model with the actual land use map, the advantage of this model in spatial accuracy was shown. (C) 2014 Elsevier B.V.

[34] 尹礼唱, 王晓峰, 张琨, 等. 国家屏障区生态系统服务权衡与协同
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DOI:http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlyj020180578URL [本文引用: 1]
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。]]>
[ Yin Lichang, Wang Xiaofeng, Zhang Kun, et al. Trade-offs and synergy between ecosystem services in National Barrier Zone
Geographical Research, 2019,38(9):2162-2172.]. DOI: http://www.dlyj.ac.cn/article/2021/1000-0585/10.11821/dlyj020180578.
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