方露露^,, 许德华, 王伦澈^,, 牛自耕, 张明中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院,武汉 430074

The study of ecosystem services and the comparison of trade-off and synergy in Yangtze River Basin and Yellow River Basin

FANG Lulu^,, XU Dehua, WANG Lunche^,, NIU Zigeng, ZHANG MingSchool of Geography and Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

通讯作者: 王伦澈（1987-）,男,安徽安庆人,教授,研究方向为气候变化与地理环境遥感。E-mail: wang@cug.edu.cn

收稿日期:2020-01-20接受日期:2020-03-2网络出版日期:2021-03-10

基金资助:

国家自然科学基金青年项目.41801021

Received:2020-01-20Accepted:2020-03-2Online:2021-03-10
作者简介 About authors
方露露（1996-）,女,安徽六安人,硕士,研究方向为生态系统服务。E-mail: 1512734211@qq.com







摘要
长江、黄河流域是中国重要的生态屏障,近几十年来强烈的人类活动改变了长江、黄河流域的自然景观,使生态系统功能遭到破坏,了解流域内生态系统服务的变化、相互作用和驱动因素是流域生态系统管理和调控的重要基础。本文利用土地利用、土壤类型和气象等数据,对2000—2016年长江、黄河流域的NPP、土壤保持和产水服务进行时空变化分析;采用相关分析法和约束线研究生态系统服务之间的权衡协同关系和约束效应。结果表明：① 2000—2016年,长江、黄河流域的NPP分别以3.21 gC/m²和3.92 gC/m²的速率递增,产水量和土壤保持量在长江流域分别以1.25 mm/a的速率递增和55 t/hm²的速率递减,而在黄河流域,产水量和土壤保持量分别以0.04 mm/a的速率递减和3.31 t/hm²的速率递增。② 长江、黄河流域的NPP、土壤保持和产水服务之间互为协同关系。长江流域的NPP和产水服务与土壤保持服务之间为驼峰型约束,NPP与产水量之间为凸波型约束。③ 黄河流域的NPP与土壤保持间的约束线形态为凸波型,NPP与产水量之间为驼峰型约束,而产水量与土壤保持之间为指数型。定量化研究不同流域的生态系统服务并探究其影响因素,对于了解和优化不同地区的生态系统服务有重要意义。
关键词： 生态系统服务;权衡与协同;时空变化;约束线;长江流域;黄河流域

Abstract
The Yangtze River Basin and Yellow River Basin are important ecological barriers in China, which is of great significance to regional sustainable development. In recent decades, the human activities have changed the natural landscape of the two great river basins, which causes the destruction of ecosystem functions. Understanding the changes, interactions, and drivers of ecosystem services are critical for the improvement of ecosystem management in the above basins. Using the data of land use, NDVI, soil type and meteorology, this paper analyzed the spatial and temporal changes of vegetation net primary productivity (NPP), water yield (WY) and soil retention (SR) in the Yangtze and Yellow river basins from 2000 to 2016. The correlation analysis method was used to explore the trade-off and synergy between ecosystem services, and the constraint lines were extracted to compare the constraint effects between WY and SR in the above two basins. The results showed that: (1) From 2000 to 2016, the NPP in the two river basins increased at a rate of 3.21 gC/m² and 3.92 gC/m², respectively. In the Yangtze River Basin, WY increased at a rate of 1.25 mm/a and SR decreased at a rate of 55 t/hm², while in the Yellow River Basin, WY decreased at a rate of 0.04 mm/a and SR increased at a rate of 3.31 t/hm². (2) There was a synergistic relationship between NPP, WY and SR in the two basins. And the constraint line between NPP-WY and NPP-SR was hump-shaped constraint in the Yangtze River Basin. (3) In the Yellow River Basin, there was a convex-waved type constraint line between NPP and SR, and hump-shaped constraint line between NPP and WY, while there was an exponential relationship between WY and SR. Precipitation is the main factor influencing the constraint lines between ecosystem services. Still, quantitative research on ecosystem services in different watersheds and the influencing factors is of great significance for understanding and optimizing ecosystem services in different regions.
Keywords：ecosystem services;trade-off and synergy;spatial and temporal variation;constrain line;Yangtze River Basin;Yellow River Basin


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本文引用格式
方露露, 许德华, 王伦澈, 牛自耕, 张明. 长江、黄河流域生态系统服务变化及权衡协同关系研究. 地理研究[J], 2021, 40(3): 821-838 doi:10.11821/dlyj020200044
FANG Lulu, XU Dehua, WANG Lunche, NIU Zigeng, ZHANG Ming. The study of ecosystem services and the comparison of trade-off and synergy in Yangtze River Basin and Yellow River Basin. Geographical Research[J], 2021, 40(3): 821-838 doi:10.11821/dlyj020200044

1 引言

生态系统服务指人类能从生态系统中获得的利益^[1]。人类福祉的提高和可持续发展的进步在很大程度上依赖于地球生态系统,但在过去的半个世纪中,由于全球的经济发展和人口增长导致三分之二的生态系统服务有所下降^[2],引起国内外****对生态系统服务变化和驱动因素的广泛关注^[3,4,5,6]。在全球变暖和快速城市化背景下,生态系统服务相关研究能为划定生态红线等提供理论参考,已逐渐成为地理学、生态学和相关学科的研究热点^[7]。

生态系统服务与生态系统的组成和结构有关^[8],气候变化导致的生态系统结构和过程的改变增加了生态系统服务的不确定性^[9],同时生态系统过程也受到土地利用变化的影响。国外研究****Gashaw等和Paudyal等通过对过去、现在和未来的土地利用变化估算生态系统服务的生物物理价值和经济价值,表明林地的增加对生态系统服务有积极影响^[10,11];国内****Lü、Wang等对黄土高原和滇西北地区的研究表明林草用地的增加有利于提高粮食产量、碳固存和土壤保持等服务,但也会造成区域产水量的下降^[12,13]。由于生态系统服务间的联系复杂,影响因素多样,使目前的研究仍存在一些不足：单一的研究区域使生态恢复政策所表现出来的生态效益具有限制性;研究尺度缺乏对连续时间尺度上的动态追踪^[14,15];生态系统服务间的区域差异性需要加强生态系统服务相互关系和空间关联的研究。

生态系统服务间的关系主要表现为权衡和协同两种形式^[16],协同是指多种生态系统服务间同增同减的状态,权衡是指一种生态系统服务的增加使另一种生态系统服务随之减少^[17]。生态系统服务种类多样、空间分布不均衡,多个生态系统服务难以同时达到利益最大化^[18]。为了明确生态系统服务之间的动态关联,常用相关分析法来判定两个生态系统服务之间的权衡协同关系,随着研究的广泛开展,更多的研究基于相关分析结合聚类分析^[19]、主成分分析^[20]等方法揭示生态系统服务之间的交互作用。但生态系统服务间并非简单的线性相关,而是受到诸多因素的影响而呈不均匀散布^[21],传统的相关性和回归无法衡量生态系统服务多个因素之间的复杂作用。当研究尺度增大,影响因素的不确定性增加,生态系统服务相互之间更加离散,因此引入约束线方法,揭示生态系统服务权衡协同关系的作用方式。约束线方法在生态学研究中的应用日益成熟^{[22,23,24,25]},相关分析法结合约束线对于加强不同生态系统服务之间的驱动因素和影响机制的理解具有指导作用。

长江、黄河是流域经济发展的纽带,经过长期开发利用,流域经济的快速增长也伴随着对生态环境的巨大损害,长江流域旱涝灾害频发,水安全累积风险不断增大;黄河流域水土流失严重,水环境保护形势严峻。党的十八大以来,习近平总书记多次实地考察长江、黄河流域的保护和发展情况,对流域环境保护和生态修复作出重要指示。本文根据长江、黄河流域的突出生态问题,同时考量研究区尺度性影响及数据限制,选择产水量、土壤保持和NPP三项生态系统服务。采用InVEST模型和CASA模型量化并揭示生态系统服务在时间和空间上的演变特征;结合相关系数分析长江、黄河流域生态系统服务间的权衡协同关系;基于约束线方法对比长江、黄河流域生态系统服务之间的约束效应,分析主要驱动力对不同流域生态系统服务变化的贡献。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

长江、黄河分别是中国的第一和第二大河（图1）,均起源于青藏高原,但气候、植被和国家需求存在巨大差异。长江流域位于24°N~36°N,90°E~122°E之间,横跨中国东部、中部和西部三大经济区,共计11个省、市、自治区,流域总面积180万km²,拥有全国40%多的人口,流域经济带为全国的经济发展做出了巨大贡献。流域年平均气温12~18℃,平均降雨量为1000~1400 mm,降水丰富但时空变化大。植被多为亚热带常绿阔叶林,生物多样性丰富。黄河流域位于32°N~42°N,96°E~119°E之间,覆盖9个省、市、自治区,流域总面积约80万km²,是重要的粮食棉花生产区。流域年平均气温8~14℃,年降水量在200~650 mm之间,年际变化大,时空分布不均。植被多为暖温带落叶阔叶林和温带草原,流域内矿产资源丰富,发展潜力大。

图1

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图1研究区地理位置

Fig. 1Location of the study area

2.2 数据来源

主要基础数据：

（1）气象观测数据（http://data.cma.cn/）,包括2000—2016年长江、黄河流域的太阳辐射、日累计降水量、平均气温等307个气象站点数据,从每日测量值计算气候变量的年度和季节平均值,并利用普通克里金方法进行插值。

（2）土地利用数据（http://www.resdc.cn/）,选取中国科学院编制的1000 m分辨率的2000年、2005年、2010年和2015年四期土地利用数据,分别表示2000—2004年、2005—2009年、2010—2014年、2015—2016年间隔的土地利用情况^[23]。该数据采用三级分类系统,将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大地类,在保证了面积精度的前提下,可以满足生态系统服务制图需求^[26];土地覆被数据（https://modis.gsfc.nasa.gov/）,来源于MODIS产品MCD12Q1数据,采用第四类NPP分类方案,得到2000—2016年的土地覆盖类型数据。

（3）DEM（http://dwtkns.com/srtm/）,采用ASTER Global Digital Elevation Model（ASTER GDEM）数据,空间分辨率90 m。

（4）NDVI（http://www.resdc.cn/）,采用2000—2016年中国月度植被指数（NDVI）空间分布数据集,分辨率为1000 m。

（5）土壤数据（http://westdc.westgis.ac.cn）,包括土壤质地,土壤砂含量、淤泥含量、黏土含量和有机碳含量以及根系深度等数据,采用基于世界土壤数据库（HWSD）的中国土壤数据集（v1.1）,分辨率为1000 m。 以上所有数据都基于ArcGIS软件,转换为统一的投影坐标系（Albers_Conic_Equal_Area）,并重采样为1000 m的空间分辨率。

3 研究方法

3.1 生态系统服务的量化

3.1.1 NPP NPP（Net primary production）指植被净初级生产力,用于表征生态系统碳储存服务^[27]。NPP的计算主要基于CASA模型^[28]。计算公式如下：

（1）NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)
式中：NPP（x, t）是x像元上的植被在t月份的净初级生产力;x表示栅格数据中的具体像元;t表示时间;APAR（x, t）是x像元上的植被在t月份吸收的光合有效辐射（MJ/m²）;e（x, t）是x像元上植被在t月份的实际光能利用率^{[29,30,31,32]}。

3.1.2 产水服务 产水服务利用InVEST模型产水量模块进行评估,主要基于Budyko水热耦合平衡假设公式^[33]：

（2）Y(x)=1-AET(x)P(x)×P(x)
（3）AET(x)P(x)=1+PET(x)P(x)-1+PET(x)P(x)W1W
（4）PET(x)=Kc(x)×ETo(x)
（5）W(x)=AWC(x)×ZP(x)+1.25
式中：Y（x）为流域内每个栅格单元x的年产水量（mm）;AET（x）为栅格单元x的年实际蒸散发量（mm）;P（x）为栅格单元x的年降水量（mm）;PET（x）为栅格单元x的潜在蒸散量;Kc（x）为作物蒸散发系数;ETO（x）表示栅格单元x的参考作物蒸散;AWC（x）为土壤有效含水量（mm）,由植物利用水分含量（PAWC）、土壤的最大根系埋藏深度和植物根系深度的最小值决定;W（x）表示自然气候-土壤性质的非物理参数;Z采用文献^[34]的系数。

3.1.3 土壤保持 土壤保持服务基于InVEST模型沉积物保留模块进行评估,其计算原理主要来自于USLE（通用土壤流失）方程^[35]。计算公式如下：

（6）SC=Ap-Ar=R×K×L×S×1-C×P
式中：SC为土壤保持量（t/hm²）,由潜在土壤侵蚀（Ap）与实际土壤侵蚀（Ar）之差决定;R为降雨侵蚀因子,本文受降雨过程资料限制,R值根据不同类型雨量资料进行估算和验证^{[36, 37]};K为土壤可蚀性因子,采用1990年 Williams 等提出的侵蚀-生产力评价模型（EPIC）进行计算^[38];LS为坡长坡度因子;C为植被覆盖和管理因子;P为土壤保持措施因子。模型中,P、C值是用于调节计算土壤保持量的实际偏差的固定值^[39],见表1,因此参照美国农业部手册703号及相关文献来确定^{[40,41,42,43,44,45,46]}。

Tab. 1
表1
表1不同土地利用类型P值和C值
Tab. 1P value and C value of different land use types

土地利用类型		耕地	林地	草地	水域	建设用地	未利用地
长江流域	P	0.40	1	1	0	0	1
	C	0.19	0.02	0.31	0	0	1
黄河流域	P	0.30	1	1	0	0	1
	C	0.23	0.08	0.24	0	0	1

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3.2 约束线提取

约束线方法为揭示生态系统服务内部的影响机制提供了新的思路^[21]。本文选择分位数分割法提取约束线,根据生态系统服务之间的散点图,将x轴上的生态系统服务的价值范围等分为100部分,得到100列,取每列99%的分位数作为边界点,得到100个边界点来拟合每条约束线,使用Origin 2018软件,根据散射点云的形状和拟合优度,模拟获得最优约束线^[22]。

4 研究结果

4.1 长江黄河流域生态系统服务的空间格局与时间变化

4.1.1 NPP 长江流域NPP较高值分布在西南山区为（600~800）gC/m²,源头地区的NPP值相对较低为（0~150）gC/m²（图2）。黄河流域NPP分布自西北向东南递增,南北差异较大,NPP低值区分布在北部黄土高原为（0~50）gC/m²,东南地区NPP大部分在（200~400）gC/m²,两个流域的NPP空间分布与前人的研究结果大致相同^[32,47]。时间变化上,长江流域西南地区增长趋势显著,该地受到南亚夏季风的影响,具有丰富的水热资源,NPP相对较高^[29]。黄河流域的NPP增长集中在陕西南部地区,生态恢复计划的实施增加了该地的植被覆盖度,提高了NPP^[48]。研究期间两个流域的NPP都明显增长,长江流域NPP年均值最高在2013年为425 gC/m²（图3a,见第826页）,黄河流域年均值最高在2016年为265 gC/m²（图3b,见第826页）。

图2

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图22000—2016年长江、黄河流域NPP空间分布

Fig. 2Spatial distribution of NPP in the Yangtze River Basin and Yellow River Basin from 2000 to 2016

图3

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图32000—2016年长江、黄河流域生态系统服务的时间趋势

Fig. 3Time trend of ecosystem services in the Yangtze River Basin and Yellow River Basin from 2000 to 2016



4.1.2 产水服务 2000—2016年长江、黄河流域的产水量分布都呈现出自东南向西北递减的空间格局（图4,见第827页）,从上游到下游产水量差异较大。黄河流域也表现出相同的分布格局,但黄河流域的空间差异比长江流域小,差距都在100 mm之间。时间变化上,长江流域四川、贵州和湖南等地产水量下降,黄河流域青海地区产水量增长明显,而宁夏地区产水量下降。研究期间,长江流域产水量以1.25 mm/a的速率递增,在黄河流域以0.04 mm/a的速率轻微递减。两个流域的产水量年际变化剧烈,长江流域在2011年出现极低值为500 mm（图3c）,之后开始波动上升,黄河流域在2003年出现极高值为332 mm（图3d）。

图4

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图42000—2016年长江、黄河流域产水量的空间分布

Fig. 4Spatial distribution of water yield in the Yangtze River Basin and Yellow River Basin from 2000 to 2016



4.1.3 土壤保持服务 长江流域土壤保持量高值区位于四川和云南地区, 土壤保持量大于40000 t/hm²,土壤保持低值区主要分布在长江源头和下游地势平坦地区,范围在（0~500）t/hm²。黄河流域高土壤保持量主要分布在西南山区,宁夏中部和陕西地区土壤保持量呈减少趋势,长江流域的西南地区土壤保持量减少明显,两个流域土壤保持的空间格局基本保持不变,土壤保持量最高值都分布在陡峭山区（图5,见第827页）。研究期间长江流域土壤保持以55 t/hm²的速率递减,并在2011年达到最低值11939 t/hm²之后又开始波动上升（图3e）;而在黄河流域土壤保持以3.31 t/hm²的速率递增,最高值出现在2003年为2484 t/hm²（图3f）,之后变化相对较稳定。

图5

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图52000—2016年长江、黄河流域土壤保持服务的空间分布

Fig. 5Spatial distribution of soil retention in the Yangtze River Basin and Yellow River Basin from 2000 to 2016

4.2 长江黄河流域生态系统服务间的权衡协同关系

根据斯皮尔曼相关分析,生态系统服务间的相关系数均在0.01水平上显著相关（表2,见第828页）。相关性表明：长江、黄河流域的三项生态系统服务之间均互为正相关,呈协同关系,但除了黄河流域的NPP与产水量之间相关性较强,其余生态系统服务之间的相关性均较弱。具体来说,长江流域的NPP、产水量与土壤保持之间的相关系数在0.1范围浮动,年际变化不大;而黄河流域的NPP、产水量与土壤保持之间的相关系数在0.2范围浮动。长江流域NPP与产水量之间的相关系数在0.2~0.5之间;黄河流域的植被对水分条件相对敏感,NPP与产水量之间的协同作用比长江流域强,相关系数在0.6范围浮动,年际变化平稳。流域内较高的NPP反映出良好的植被覆盖,有利于增加降水截留,对降水造成的土壤侵蚀起到抑制作用^{[49, 50]},相互之间呈同增同长的协同关系。

Tab. 2
表2
表2生态系统服务间的相关系数
Tab. 2Correlation coefficients between ecosystem services

	长江流域				黄河流域
	产水与土壤保持	NPP与土壤保持	NPP与产水		产水与土壤保持	NPP与土壤保持	NPP与产水
2000年	0.135**	0.097**	0.223**		0.314**	0.227**	0.693**
2005年	0.099**	0.108**	0.379**		0.377**	0.247**	0.666**
2010年	0.107**	0.133**	0.439**		0.289**	0.195**	0.646**
2015年	0.151**	0.142**	0.280**		0.256**	0.209**	0.651**

注：**表示在0.01水平上显著相关。

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4.3 长江黄河流域生态系统服务间的约束关系

生态系统服务之间不仅相互关联也相互约束^[51]。如图6（见第828页）所示,黄河流域的NPP与土壤保持间的约束线形态为凸波型（图6A,见第828页）,即NPP对土壤保持服务的约束效应表现出波动特征,拟合度R²在0.2范围。NPP与产水量之间的约束线为驼峰型（图6B,见第828页）,即表示随着NPP的增加,对土壤保持和产水量的约束作用先减小后增加。约束线拟合度R²均超过0.4,拟合效果相对较好。从产水量与土壤保持之间的约束线来看,产水量通过约束水分条件对区域内的土壤保持具有非线性约束（图6C）。地处相对干旱的黄河流域,产水量与土壤保持之间为指数型约束线,即随着产水量的增加,对土壤保持的约束作用在整个流域内持续减小,拟合度R²在0.4范围。

图6

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图6黄河流域生态系统服务间的散点图及约束线

Fig. 6Scatter plots and constraint lines between ecosystem services in the Yellow River Basin



长江流域的NPP和产水量与土壤保持服务之间均为驼峰型约束（图7A、图7C）,拟合度R²在0.2~0.4之间。NPP与产水量之间的约束线形态为凸波型（图7B）,拟合度R²均超过0.5,拟合效果较好,NPP与产水服务之间的约束效应与黄河流域相似。NPP作为植被覆盖度的表现,高NPP表现出良好的植被覆盖^[52],在干旱地区,蒸散量高,随着植被的生长,水分利用率降低,也会导致产水量的下降^{[53, 54]},因此,产水量随着NPP的增加而表现出先增加后减少的状态。

图7

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图7长江流域生态系统服务间的散点图及约束线

Fig. 7Scatter plots and constraint lines between ecosystem services in the Yangtze River Basin

5 讨论和结论

5.1 讨论

5.1.1 长江、黄河流域生态系统服务约束关系的对比分析 对比长江黄河流域的约束关系可知,产水服务与土壤保持服务约束线在两个流域表现出完全不同的形态,在黄河流域为指数型,而在长江流域为驼峰型约束线。黄河流域产水量受到降雨和蒸散限制,多集中在600 mm范围内。Jiang等对黄土高原水土流失的研究表明,降雨量低于约450~500 mm时,不足以维持良好的植被覆盖,而当降雨超过阈值时,植被的土壤保持功能就会增强,土壤流失也会大大减少^[55]。因此黄河流域的产水量在600 mm范围以内时,土壤保持服务随着产水量的增加而提高。

根据约束线的拟合方程求导得到长江流域的产水服务和土壤保持服务约束线的阈值范围,在较为湿润的长江流域,当产水量范围超过500~600 mm阈值范围时,土壤保持量开始逐渐下降。长江流域降水充足,当降水达到阈值范围时,植被生长已处于稳定状态,若降雨继续增加,其提供的动能变大,高强度降雨达到土壤入渗能力的速率时,会发生过量径流^[56],导致土壤保持服务随之下降,因此长江流域的产水量与土壤保持之间为驼峰型约束。

总的来说,长江流域和黄河流域生态系统服务之间约束关系的不同,主要是景观异质性和气候差异引起的,降水是影响长江、黄河流域产水量变化的主要因素,但在长江、黄河流域表现出不同的响应过程,表明生态系统服务受多种因素综合作用,且因区域环境的不同而产生不同的影响效应。

5.1.2 影响生态系统服务波动的因素 生态系统服务变化受直接因素和间接因素共同影响,对于长江、黄河流域,气候和土地利用变化都是推动生态系统服务变化的重要因素。

（1）降水和温度在各种生态过程中起着重要作用^[57]。温度的变化对长江流域的NPP增长（r =0.564*）有积极作用,对黄河流域（r =0.265）无显著作用,气温的升高可以通过代谢增强光合作用以及提高营养物的分解来增加NPP^[58]。降雨是影响产水量和土壤保持的关键气候因子,根据相关性分析,降雨对长江、黄河流域的土壤保持服务（r_长江=0.696**,r_黄河=0.868**）和产水服务（r_长江=0.995**,r_黄河=0.841**）都呈显著正相关关系,说明降水变异性与水土保持密切相关,与其他****的研究结论相呼应^{[59, 60]}。相比于长江流域,降雨对黄河流域的产水服务影响更强。

通过气候因素与生态系统服务的相关性分析,发现气温对于长江、黄河流域内的生态系统服务影响并不显著,因此,着重分析了对降雨响应敏感的产水服务和土壤保持服务与降雨之间的关系。如图8、图9所示,长江流域的降雨与土壤保持服务间为驼峰型约束关系;而黄河流域的降雨与土壤保持服务之间呈指数型。从提取的散点图中可以看到,随着降雨量的增加,黄河流域的土壤保持量不断增加（图8B）,而长江流域的土壤保持量在降雨量超过1000 mm范围以后开始逐渐下降（图8A）。在相对干旱的黄河流域,适量的降雨能促进植被的生长,提高植被覆盖度,有利于提升土壤保持能力,但当降水超过阈值,也会对土壤造成冲刷,造成土壤保持功能的下降^[61]。因此在较湿润的长江流域,土壤保持服务随着降雨的增加呈先增加后减少的状态。

图8

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图8土壤保持服务与降雨量的关系

Fig. 8Relationships between soil retention and precipitation

图9

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图9产水服务与降雨量的关系

Fig. 9Relationships between water yield and precipitation



降水也是产水服务的主要驱动因素,从提取的约束线来看,降雨对长江流域和黄河流域的产水服务都呈正凸型约束效应（图9A、图9B）,随着降雨量的增加,对产水服务的约束作用逐渐减小,产水量逐渐趋于平稳。在黄河流域,产水量随着降雨量的增加而缓慢增加,而在降雨量相对充足的长江流域,当降雨超过500 mm时,产水量没有随着降雨量的增加而发生强烈变化。

潜在蒸散量是影响产水量的另一因素,如图10a、图10b所示,随着年均潜在蒸散量的增加（减少）,长江、黄河流域的产水量反而减少（增加）,说明潜在蒸散量对长江流域和黄河流域的产水服务（r_长江=-0.740**;r_黄河=-0.757**）有负面影响。土壤保持服务随着降雨侵蚀力的增加（减少）而增加（减少）,并且随着异常年份降雨侵蚀力的极端变化,土壤保持服务也呈现出相应的变化,两者的波动起伏随时间保持同步（图10c、图10d）。总的来说,降雨是影响长江、黄河流域生态系统服务约束效应最重要的因素,并且由于流域气候环境的不同,降雨对生态系统服务间的约束作用也不断发生变化。

图10

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图102000—2016年长江、黄河流域潜在蒸散量-产水量和降雨侵蚀力-土壤保持变化的比较

Fig. 10Comparison of potential evapotranspiration-water yield and rainfall erosivity-SR in the Yangtze River Basin and Yellow River Basin from 2000 to 2016



（2）人为因素对生态系统服务的影响主要表现为人类活动对土地利用类型的改变,而土地利用类型的形态和强度变化又通过改变相应的生态过程反馈生态系统服务供给^[62]。从20世纪90年代以来,中国陆续启动一系列生态保护与恢复建设工程,黄河流域大部分地区参与实施退耕还林还草工程,长江流域启动防护林体系建设。根据统计数据显示（图11）,2000—2015年,长江流域的耕地和草地面积持续性减少,林地面积呈先增加后减少的阶段性变化;黄河流域的耕地持续减少,林地总体增加。研究结果表明,随着林地的增加,长江流域产水服务略有下降,土壤保持服务不断上升（表3,见第833页）。而在黄河流域,草地虽然占主导,但林地的产水服务和土壤保持服务水平更高（表4,见第833页）,并且随着林地面积的增加,土壤保持的服务水平不断提高。说明森林的聚集对NPP和土壤保持有积极作用,而对产水量有负面影响^{[59, 63]}。总体而言,林地的增加对生态问题的改善具有积极作用。

图11

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图11长江、黄河流域的土地利用变化

Fig. 11Land use change in the Yangtze River Basin and Yellow River Basin



Tab. 3
表3
表3长江流域不同土地利用类型的生态系统服务均值
Tab. 3Mean value of ecosystem services for different land use types in the Yangtze River Basin

	产水量均值（mm/a）					土壤保持均值（t/hm2）
	2000年	2005年	2010年	2015年		2000年	2005年	2010年	2015年
耕地	8250.32	8256.33	8531.26	8330.81		803.90	807.73	848.73	904.34
林地	23698.00	20893.34	22549.54	21504.06		797.38	753.83	823.07	848.57
草地	14678.56	14665.30	14516.57	13311.51		509.97	499.47	456.13	443.20

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Tab. 4
表4
表4黄河流域不同土地利用类型的生态系统服务均值
Tab. 4Mean value of ecosystem services for different land use types in the Yellow River Basin

	产水量均值（mm/a）					土壤保持均值（t/hm2）
	2000年	2005年	2010年	2015年		2000年	2005年	2010年	2015年
耕地	981.56	1171.88	1068.04	920.95		264.17	284.45	282.36	260.93
林地	4259.06	5244.81	4603.91	3837.84		268.00	295.03	286.31	295.04
草地	1428.71	2021.40	1643.04	1364.50		217.44	254.76	241.46	215.99

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随着城市化的发展,长江、黄河流域建设用地的增长速率分别达到了55%和31%,尤其在2010—2015年阶段增长速度更加明显。快速的城市化进程伴随着更广泛密集的城市基础设施建设和对资源的大量消耗,建设用地的大规模扩张占用周边的林草用地,威胁到生态功能区相关的土地利用类型的保护,导致生态系统服务的不均衡发展^{[64, 65]},但其具体影响还需要进一步研究。

综上所述,土地利用变化和气候变化共同推动了生态系统服务的变化。土地覆被格局决定着生态系统服务的整体分布,而气候、地形地貌、土壤等因素影响着生态系统服务的局部差异,这些因素的共同作用造成了生态系统服务的空间异质性。在气候变化的大背景下,人类活动的变化也会引起土地利用形态和土壤的变化,从而导致一系列生态系统服务发生变化。在气候类型不同的长江、黄河流域,退耕还林、还草都需选择降水和地形适宜地区,且要适地适树^[66]。黄河流域由于水资源的限制,更适合种植灌木和草本植物,同时也需要注重对原生植物的保护。长江流域可以以乔木为主要恢复树种,控制天然林的采伐,同时调整产业发展结构。两个流域在经济发展的同时都应兼顾生态承载力,加强城市生态环境的建设,调节经济发展与生态建设之间的矛盾,促进经济与生态的协调可持续发展。

5.1.3 模型计算的不确定性 本文的研究区跨度较大,植被覆盖、土地利用结构、地域气候变化在同一流域内部已经有较大差异,而连续年份的土地利用数据缺失,会导致数据细节的损失。同时测算的长江流域产水量与土壤保持之间达到显著相关的相关系数较小,其他****的研究结果也有此种情况^{[67, 68]}。另外,InVEST模型中的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,特别是在预测沟谷侵蚀时,对土壤流失的估算效果不佳。通过与其他****的研究对比,本文对流域内的土壤保持量略有高估^{[46, 69]},未来通过对大尺度研究中地形、土壤等影响因子的详细分析,能进一步明确生态系统服务的空间异质性。

5.2 结论

本文使用2000—2016年连续时间序列数据,分析了长江、黄河流域的NPP、产水量和土壤保持服务的时空变化特征,揭示了生态系统服务间的相互关系,并讨论了两个流域生态系统服务相互作用的影响因素,主要结论如下：

（1）2000—2016年间,长江、黄河流域的NPP分别以3.21 gC/m²和3.92 gC/m²的速率递增,产水服务和土壤保持服务在长江流域分别以1.25 mm/a的速率递增和55 t/hm²的速率递减,而在黄河流域,产水服务和土壤保持服务分别以0.04 mm/a的速率递减和3.31 t/hm²的速率递增。空间分布上,长江、黄河流域的生态系统服务都表现出强烈的空间异质性,产水量分布从东南向西北递减,土壤保持服务呈现“山地丘陵高,河谷平原低”的分布态势。

（2）长江、黄河流域的NPP、土壤保持和产水服务之间互为协同关系。长江流域的NPP和产水量与土壤保持服务之间的约束线形态为驼峰型,NPP与产水量之间为凸波型约束。黄河流域的NPP与土壤保持间的约束线形态为凸波型,NPP与产水量之间为驼峰型约束,而产水量与土壤保持之间为指数型约束。两个流域间的约束线形态略有差异。

（3）长江、黄河流域生态系统服务的变化受到气候、土地利用变化和人类活动的共同影响。温度的变化对长江流域的NPP增长（r=0.564*）有积极作用,对黄河流域（r=0.265）无显著作用;降雨对长江、黄河流域的土壤保持服务（r_长江=0.696**,r_黄河=0.868**）和产水服务（r_长江=0.995**,r_黄河=0.841**）都呈显著正相关关系;人类改变生态系统过程的主观活动（生态恢复、水土保持措施等）也会对生态系统服务产生较大影响。

总体而言,了解生态系统服务相互之间的复杂联系和约束效应,可更好的发挥人类活动对生态系统服务影响的可控性,以避免不必要的权衡风险,有助于生态系统服务间的协同发展,对于现实经济增长与生态平衡具有指导作用。

致谢

真诚感谢二位匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文土壤保持服务中的方法选择、NPP计算指标选取方面的修改意见,使本文获益匪浅。

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Due to the lengthy historic land use by humans and the climate change characterized by warming and drying, the Loess Plateau has been plagued by ecosystem degradation for a long time. A series of ecological conservation projects launched since the 1970s altered the land use pattern greatly, and exerted a profound influence on the ecosystem services. Based on the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) and Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA) models, we assessed the historical fluctuation of sediment control, water yield, and net primary production (NPP) in the Loess Plateau. The results showed that sediment retention was greatly consolidated indicated by the sharp decrease of sediment export. Water yield decreased at first and increased later. Both sediment export and water yield showed an increasing 'spatial homogenization' tendency during the period. NPP was steady between 1990 and 2000, and then increased greatly after 2000. Ecosystem services are interlinked closely and complexly. Correlation analyses indicated a positive relationship between the difference in sediment export and water yield (r(2)=0.776**) from 1975 to 2008, with negative correlations between the difference of NPP and water yield (r(2)=-0.422**)/sediment export (r(2)=-0.240*) from 1990 to 2008. This, to some extent, implies that there are tradeoffs between the services of water yield and sediment control/NPP, and there is synergy between sediment control and NPP. Climatic and land use changes are the major drivers on ecosystem services fluctuation. Correlation analyses showed that the decrease of precipitation significantly hindered water yield (r(2)=0.980**) and sediment export (r(2)=0.791**). The increase of temperature exerted a slight negative influence on water yield (r(2)=-0350**). A spatial concordance existing between the 'cropland to grass/woodland' area and the high sediment control (r(2)=0313**)/NPP (r(2)=0.488**) area indicated that the land use change from cropland to woodland/grassland significantly consolidated sediment control and NPP production. The observed spatio-temporal variation of ecosystem services and their correlations provide an operable criterion for land use management policies. (C) 2013 Elsevier B.V.

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