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关中盆地生态服务权衡与协同时空差异

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

孙艺杰¹, 任志远¹^,²^,, 赵胜男¹

1. 陕西师范大学旅游与环境学院,西安 710119

2. 陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院,西安 710062

Spatial-temporal difference analysis of ecosystem service trade-off and synergy in the Guanzhong Basin of China

SUNYijie¹, RENZhiyuan¹^,²^,, ZHAOShengnan¹

1. College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University,Xi’an 710119, China;

2. Institute for Historical Environment and Socio-economic Development in Northwest China,Shaanxi Normal University,Xi’an 710062, China;

通讯作者:任志远,E-mail：renzhy@snnu.edu.cn
收稿日期:2016-06-2
修回日期:2016-09-5
网络出版日期:2016-11-16
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:

教育部人文社会科学重点研究基地项目（14JJD840004）国家自然科学基金项目（41371523）科技部科技支撑项目（2014BAL

作者简介:
-->作者简介：孙艺杰,女,辽宁兴城市人,硕士生,主要从事资源环境遥感与GIS的相关研究。E-mail：jessicasun@snnu.edu.cn

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摘要
本文基于空间相关分析、线性和幂函数回归等方法,分析了1990-2010年关中盆地初级生产力（NPP）、保水量和食物供给三种服务之间的相关性,拟合NPP与保水量、NPP与食物供给的空间权衡与协同关系,探讨生态服务之间权衡与协同关系的时空差异,进一步通过热点区识别,了解不同区域生态服务供给能力的强弱,为关中地区生态建设提供一定的理论决策依据。结果表明：①NPP与保水量多年均值的相关系数为0.409,即NPP增加会促进保水量的增加,反过来保水量的增加有利于NPP的累积,表现为协同关系;NPP与食物供给、食物供给与保水量多年均值的相关系数分别为-0.441、-0.366,均表现为权衡关系;②关中盆地NPP和保水量之间存在较强的协同关系,NPP和食物供给之间存在较强的权衡关系,具有一定的空间差异性。通过幂函数拟合发现,NPP与保水量在关中盆地东北部协同关系拟合显著,且都表现为多年增加的变化趋势; NPP与食物供给在关中盆地中部制约关系比较突出,NPP增加伴随着食物供给的幂函数形式下降;③关中盆地多重服务热点区基本位于南部边缘地区的秦岭和北部的北山。

关键词：关中盆地;生态服务价值;权衡与协同;热点区识别
Abstract
Based on spatial correlation analysis and linear and power function regression,we analyzed the correlation between net primary productivity,water conservation and food provision in the Guanzhong Basin from 1990-2010. We fit the spatial trade-off and synergy between NPP and water conservation and NPP and food provision,to explore the spatial and temporal differences between ecosystem service value. Through hotspot identification to understand the supply capacity of different regional ecological services we provide theoretical suggestions for ecological construction within the Guanzhong Basin. We found the correlation coefficient between the mean vale of NPP and water conservation to be 0.409,which means that NPP increases promote an increase in water retention,and in turn increasing the amount of water retention is conducive to the accumulation of NPP. The correlation coefficient between the mean vale of NPP and food provision is -0.441. The correlation coefficient between the mean vale of food provision and water conservation is -0.366. There is noticeable synergy between NPP and water conservation,and a noticeable trade-off between NPP and food provision. In respect of synergy,there is growth of NPP with growth in water conservation in cultivated land in northeastern Guanzhong Basin. In respect of trade-off,the growth in NPP with power function decline of food provision in cultivated land in the middle of the basin. Finally,hotspots are mostly in the southern edge of the Qinling Mountains and Northern Beishan.

Keywords：Guanzhong Basin;ecosystem service values;trade-off and synergy;hotspots

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孙艺杰, 任志远, 赵胜男. 关中盆地生态服务权衡与协同时空差异[J]. , 2016, 38(11): 2127-2136 https://doi.org/10.18402/resci.2016.11.11
SUN Yijie, REN Zhiyuan, ZHAO Shengnan. Spatial-temporal difference analysis of ecosystem service trade-off and synergy in the Guanzhong Basin of China[J]. 资源科学, 2016, 38(11): 2127-2136 https://doi.org/10.18402/resci.2016.11.11

1 引言

近十几年来,人类为了满足自身对于食物、淡水、纤维和能源等方面日益增加的需求,使得生态系统发生了前所未有的变化,而生态系统的变化在改善人类生活条件的同时,也削弱了自然界提供的诸如调节气候、养分循环、药材以及休闲与生态旅游等其他重要服务。水资源短缺、气候变化和土壤侵蚀对生态系统构成的威胁日益严重,并进一步危及人类自身的福祉。为了描述生态服务与人类社会发展的相互作用,Daily、Costanza等提出生态系统服务的概念,它是指生态系统和生态过程所形成及维持人类赖以生存和发展的自然环境条件与效用,为人们直接或间接从生态系统中得到的效益^[1-3]。2002年联合国发起组织的千年生态系统评估（MA）中指出,人们对于生态系统服务的利用正在快速增长,其中大约有60%的服务（24项中占有15项）正处于退化或不可持续的状态,这其中包括70%的调节服务和文化服务,而另一方面供给服务却在持续增长。千年生态系统评估报告的提出也使得生态系统服务成为国际生态学和相关学科研究的前沿和热点^[4-6]。然而,由于生态系统服务种类的复杂性、时空分布的异质性和人类需求的选择性等特征,生态服务之间存在此消彼长的权衡和相互增益的协同等关系^[7]。所谓权衡（trade-off）是指某些生态系统服务的供给由于其他类型生态系统的增加而减少的状况;协同（synergy）是指两种或多种生态系统服务同时增强的情形^[8-10]。吴健生等、李屹峰等分析了土地利用变化与生态变化之间的关系^[11,12]。刘焱序等对生态系统服务与生态系统健康进行评估,运用相关分析与热点识别,发现森林生态系统的支持和调节服务与生态系统健康为主要协同关系^[3]。杨晓楠等对关中-天水经济区的生态服务进行评估,以相关系数、生产可能性边界等方法分析得出调节服务与供给服务之间存在权衡关系,并通过情景模拟,认为保护情景下的土地利用方案最有利于生态环境^[13]。目前,生态服务权衡与协同研究已成为国内外生态服务研究的主要趋势,并且已经取得了可观的成果,但仍存在一些问题,包括：对于权衡与协同关系的空间异质性尚不够重视,且多基于统计关系的数量分析来反映区域的整体差异,缺乏区域内部时空差异的空间表达等。
本文主要研究支持服务中的NPP、调节服务中的保水服务以及供给服务中的食物供给服务之间的权衡与协同关系。国内研究表明造林可以增加碳储存、调剂气候,树根有利于稳定坡度,减少土壤侵蚀量,进而起到水土保持的作用。农田的扩张有利于粮食产量的增加,同时也使得灌溉需求增加,影响水量平衡。而城市扩张又使得农田面积大量减少,从而对粮食安全产生一定的威胁^[13]。总之,NPP、保水和食物供给之间存在着复杂的权衡与协同关系。因此,以连续生态服务价值数据为基础,栅格数据为分析单元,通过相关分析来判别生态服务权衡与协同关系,该方法在国内已有一些研究成果^[3]。本文在参考前人研究的基础上,以关中盆地为主要研究对象,测算其1990-2010年的NPP、保水价值量和食物供给价值量,分析三种生态服务价值的时空变化趋势;利用空间相关分析,计算 NPP、保水价值量和食物供给价值量之间的相关系数,判别生态服务之间权衡与协同关系; 对NPP与保水量、NPP与食物供给的时空序列栅格数据分别进行线性回归和幂函数回归分析,得到生态服务之间权衡与协同的空间差异分布图;最后,通过热点区叠加分析,了解不同区域的服务供给能力的强弱。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

关中盆地位于陕西省中部,地处秦岭以北、北山以南,西起宝鸡、东至潼关,东西长约360km,地貌类型以平原和黄土台塬为主,地势西高东低,属于暖温带半湿润半干旱季风气候,雨量适中,四季分明。作为陕西工农业发达和人口密集区,素有“八百里秦川”之美称。关中地区总面积为6.54万km²,包括西安市、宝鸡市、咸阳市、铜川市、渭南市以及杨凌农业高新技术产业示范区,聚集全省超过60%的人口,本文主要以五个市区为研究对象（图1）。以西安市为中心的关中地区,随着西部大开发、关天经济区和“一带一路”建设等国家政策的相继推出,使得关中地区在全国经济文化领域占有重要的地位,但同时对生态环境造成了巨大压力。

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图1研究区范围
-->Figure 1The study area
-->

2.2 数据来源

本文采用的数据包括：
（1）遥感影像和DEM数据,来源于地理空间数据云（http：//www.giscloud.cn/）,分辨率均为30m。
（2）1990年、2005年土地利用数据由地球系统科学数据共享平台（www.geodata.cn）提供,1995年、2010年土地利用数据来源于“中国西部环境与生态科学数据中心”（http：//westdc.westgis.ac.cn）。
（3）气象数据,包括关中地区及周边站点的平均气温、风速、平均气压和太阳辐射等数据,来源于中国气象科学数据共享服务网站（http：//cdc.nmic.cn）。
（4）相关社会统计数据,来源于《陕西省统计年鉴》^[14]、《西安市统计年鉴》^[15]等关中盆地所在区域的各市、区县的统计年鉴。
（5）野外考察数据,通过实地调查与谷歌地图数据验证土地利用数据并修改与实际不相符的部分。

2.3 研究方法

2.3.1 初级生产力模型
本文采用基于遥感光能利用率的CASA模型来计算初级生产力（NPP）,由植被所吸收的光合有效辐射（APAR）与光能利用率（ε）两个指标的乘积来确定,计算公式如下：

\begin{matrix} NPP (x ， t) = APAR (x ， t) \times ε (x ， t) \end{matrix}

（1）
式中

\begin{matrix} NPP (x ， t) \end{matrix}

表示像元x在月份t的净初级生产力（g·C/m²）;APAR （x,t）为像元x在t月份吸收的光和有效辐射（MJ/m²）;

\begin{matrix} ε (x ， t) \end{matrix}

为像元x在t月份的实际光能利用率（g·C/MJ）。
NPP由物质量转化为价值量,采用标煤法模型^[16],公式如下：

\begin{matrix} V_{p} = \frac{C \times Q_{1}}{D \times Q_{2}} \times P \end{matrix}

（2）
式中

\begin{matrix} V_{p} \end{matrix}

为NPP价值量（元）;C为NPP物质量（t

\begin{matrix} ? \end{matrix}

C/（hm²

\begin{matrix} ? \end{matrix}

a））;D为标准煤系数为1;

\begin{matrix} Q_{1} \end{matrix}

为NPP的物质量所折合而成的热量（6.7kJ/g）;

\begin{matrix} Q_{2} \end{matrix}

为标准煤所折合而成的热量（10kJ/g）;P为单位标准煤的价格（元/t）。
2.3.2 保水模型
植被的保水功能主要通过林冠截留、枯枝落叶层保水以及疏松土壤层截留实现的^[17]。根据关中地区实际情况和获取的数据,本文采用综合蓄水能力法测算保水物质量,具体模型如下：

\begin{matrix} Q_{i} = Q_{if} + Q_{il} + Q_{is} \end{matrix}

（3）
式中

\begin{matrix} Q_{i} \end{matrix}

为保水总物质量（t）;

\begin{matrix} Q_{if} \end{matrix}

为植被林冠截留量（t）;

\begin{matrix} Q_{il} \end{matrix}

为枯落物最大持水量（t）;

\begin{matrix} Q_{is} \end{matrix}

为土壤层截留量（t）。
植被林冠截留量计算模型为：

\begin{matrix} Q_{if} = α_{Li} \times β_{ci} \times s \times 10 \end{matrix}

（4）
枯落物最大持水量计算模型为：

\begin{matrix} Q_{il} = ε_{ci} \times β_{i} \times s \end{matrix}

（5）
土壤层截留量计算模型为：

\begin{matrix} Q_{is} = \overset{65}{\sum_{i}} FMC \times s \times h_{i} \times 10 000 \end{matrix}

（6）
式中

\begin{matrix} α_{Li} \end{matrix}

为降水量（mm）;

\begin{matrix} β_{ci} \end{matrix}

为林冠截留率（%）;s为面积（hm²）;

\begin{matrix} ε_{ci} \end{matrix}

为枯枝落叶层的干重（t/hm²）;

\begin{matrix} β_{i} \end{matrix}

为饱和吸水率（%）;FMC为田间最大持水量;

\begin{matrix} h_{i} \end{matrix}

为第i种土壤的厚度（m）。
田间最大持水量是根据W. E. Larson 和S. C. Gupta 于 1979年提出的公式进行计算^[13]。公式：

\begin{matrix} FMC = 0.003 075 \times n_{1} + 0.005 886 \times n_{2} \\ + 0.008 039 \times F + 0.002 208 \times O_{a} \\ - 0.143 40 \times R \end{matrix}

（7）
式中

\begin{matrix} n_{1} \end{matrix}

为土壤砂粒含量百分比;

\begin{matrix} n_{2} \end{matrix}

为土壤粉砂粒含量百分比;F为土壤黏粒含量百分比;

\begin{matrix} O_{a} \end{matrix}

为土壤有机质含量（%）;

\begin{matrix} R \end{matrix}

为土壤容重（g/cm³）。
保水价值量采用工程替代法来测算,计算公式如下：

\begin{matrix} V_{q} = L \times \frac{Q_{i}}{Q_{g}} \times V_{g} \end{matrix}

（8）
式中

\begin{matrix} V_{q} \end{matrix}

为保水功能价值量（元）;

\begin{matrix} Q_{i} \end{matrix}

为保水总物质量（t）;

\begin{matrix} Q_{g} \end{matrix}

为可替代生态系统的某工程的含水量;

\begin{matrix} V_{g} \end{matrix}

为替代工程的价值（元/m³）;L为发展阶段系数。
2.3.3 食物供给
人类的食物来源不仅包括粮食,还包括提供人类生存所需的其他作物,如油料、肉类、奶类、禽蛋、水产品等都是食物供给的主要来源。本文在进行食物供给价值量测算时,以不同土地利用类型的总产值为研究对象,为了方便计算,将研究区划分为1km×1km的栅格,结果得到研究区范围内每个格网的食物供给价值量。具体计算公式如下：

\begin{matrix} P_{i} = A_{i} \times N_{i} \end{matrix}

（9）
式中

\begin{matrix} P_{i} \end{matrix}

为每个格网食物i供给价值量（元）;

\begin{matrix} A_{i} \end{matrix}

为每个格网中食物i所占有的面积（km²）;

\begin{matrix} N_{i} \end{matrix}

为对应食物i的单位面积产值（元/km²）。

\begin{matrix} N_{i} = \frac{G_{i}}{S_{i}} \end{matrix}

（10）
式中

\begin{matrix} G_{i} \end{matrix}

为食物在研究区内的总产值（元）;

\begin{matrix} S_{i} \end{matrix}

为食物i在研究区中的总面积（km²）。食物供给总产值数据来源于统计局编制的统计年鉴^[14],不同类型的食物总产值对应不同的土地利用类型,其中农业总产值面积对应土地利用类型中的耕地面积,林业总产值面积对应林地总面积,牧业总产值面积对应草地面积,渔业总产值对应水域总面积,得到1990-2010年连续21年食物供给价值量。

3 结果与分析

3.1 关中盆地生态服务价值时空变化

1990-2010年关中盆地的NPP、保水、食物供给的价值量的多年均值和价值量变化率见图2。从图2a可知,NPP多年平均的最高值集中分布在关中盆地的边缘山地区,例如南部的秦岭、北面的北山,包括铜川市的耀州区、宝鸡市的凤县和太白县、西安市的周至县。最低值主要分布于盆地中部,与耕地、建设用地集中分布地区一致;从变化趋势来看（图2b）,关中盆地NPP价值量整体上呈现增长趋势,其中北部边缘地区以及西南部地区呈现增长的趋势,而西安市、铜川市大部分地区以及宝鸡市凤翔县、岐山县和扶风县表现为减少的动态趋势。关中盆地的保水价值量与该地区降水量和土地覆盖变化有很大的相关性,从保水价值量多年均值空间分布可见（图2c）,宝鸡市太白县、凤县、陈仓区、渭滨区和西安市的周至县和户县以及渭南市华县保水价值量较高,高值区分布在盆地四周,低值区集中在盆地中部, 因为关中盆地中部以耕地为主, 四周为山地,表现为林地和草地的土地利用类型;从空间变化趋势来看（图2d）,关中盆地保水量整体上呈现增加的趋势,其中四周边缘地区相较于盆地中部变化趋势明显。食物供给价值量多年平均单位面积价值为61.49万元/hm²,其中最高值集中分布在关中盆地中部,主要为咸阳市和西安市地区,最低值分布在铜川市和宝鸡市大部分地区,其中单位面积食物价值量对于不同土地类型表现为耕地和草地最大,其次为水域,此外食物供给价值量的时间动态变化趋势与多年均值空间分布大致相同（图2e,图2f）。

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图21990-2010年生态服务价值空间分布
-->Figure 2Spatial distribution of ecological service value from 1990 to 2010
-->

3.2 权衡与协同的时间变化

由上面的研究结果可知,关中盆地NPP、保水量和食物供给三种服务在空间分布上具有明显的差异性。例如,在关中盆地四周边缘山地区是NPP和保水价值量的高值区,而食物供给能力较弱;而关中盆地中部地区食物供给价值量较高,但却是NPP和保水价值量的低值区。为了定量分析NPP、保水价值量和食物供给之间的空间异质性,本文以1990-2010年三种生态服务栅格数据的多年平均值为研究对象,采用ArcGIS工具Spatial Analyst Tools中Multivariate模块下的波段集统计,计算三种生态服务之间的相关系数矩阵（表1）,分析三种生态服务之间的相关性^[9]。
Table 1
表1
表11990-2010年关中盆地生态服务价值量多年平均值的相关系数
Table 1Interaction of ecosystem services from 1990 to 2010

	NPP	保水价值量	食物供给
NPP	1.000	0.409*	-0.441*
保水价值量	0.409*	1.000	-0.363*
食物供给	-0.441*	-0.363*	1.000

注：表中*为所有相关系数的检验,p<0.01。

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由表1的统计结果可知,NPP与保水价值量之间存在着正相关性,相关系数达到0.409。食物供给与NPP、保水价值量之间存在着较强的负相关性,相关系数分别为-0.441和-0.363。权衡与协同关系可以通过相关系数的取值差异来判断,NPP与保水价值量之间存在显著的正相关性,表现为相互增益的协同关系;食物供给与NPP之间存在较强的负相关,表现为此消彼长的权衡关系;同样食物供给与保水量之间相关系数为负值,说明两者存在权衡关系。分析其中原因可知,食物供给能量较强的农田地区,而NPP和保水能力较弱;NPP和保水能力较强的森林等地区,而食物供给能力较弱。
为了进一步判断生态服务之间权衡与协同关系的强弱变化,本文选取1990-2010年时间序列,计算NPP、保水量和食物供给三种服务的相关系数（图3,见2132页）,相关系数均通过显著性检验。由图3可知,1990-2000年之间,NPP与保水价值量之间的正相关性在1991年达到最小值为0.079,之后呈现增长的趋势。NPP与食物供给之间的负相关性在1991-1996年间同样呈现增长的趋势,且在1996年负相关性最强,达到-0.512。食物供给与保水价值量之间的负相关性在1993年达到最大为-0.490;2000-2010年之间,NPP与保水价值量之间的正相关性开始呈现波动的变化趋势,在2006年之后开始逐渐减小,NPP与食物供给之间的负相关性呈现较强的波动变化趋势,食物供给与保水价值量之间的负相关性呈现平缓的波动变化趋势。从中可以看出,NPP与保水价值量之间存在显著的正相关性,且具有较强的波动变化趋势,其中1994年相关系数最大为0.532。关中盆地保水价值量主要来自于降水和土地覆被变化,NPP主要来源于陆地植被通过光合作用所累积的有机物质量,在森林覆盖地区价值量较大,说明两者之间存在着较强的协同关系;而NPP与食物供给之间负相关性较大,1991-1996年间相关性变化率较大,波动趋势最大,食物供给价值量主要来源于耕种业、牧业和渔业,在耕地、草地供给能力较强,而NPP能力较弱,所以NPP与食物供给之间存在较强的权衡关系。

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图31990-2010年生态服务价值之间的相关系数
-->Figure 3Correlation coefficient of ecosystem services from 1990 to 2010
-->

3.3 权衡与协同的空间差异性

生态服务权衡与协同关系研究逐渐成为生态系统服务研究的热点之一,研究方法包括空间制图法、情景分析和模型模拟等^[17]。本文将1990-2010年关中盆地NPP与保水价值量、NPP与食物供给价值量分别进行线性回归和幂函数回归分析,以1km×1km的栅格数据为基本单元,分别将1990-2010年生态服务价值的tif栅格数据进行波段合成,从而形成单个tif栅格数据导入到Matlab中。其次,将NPP与保水价值量、NPP与食物供给价值量进行逐一栅格的线性函数和幂函数回归分析。通过回归分析分别得到NPP与保水价值量、NPP与食物供给价值量之间的变化率,其空间分布如图4、图5所示。当两者的变化率为正值时,表明一个变量的变化随着另一个变量的增加（减少）而增加（减少）,即两者为同向发展关系;反之,当两者的变化率为负值时,表明一个变量的变化随着另一个变量的增加（减少）而减少（增加）,即两者为逆向发展关系。
图4所示,关中盆地NPP和保水价值量整体上呈现相互增益的协同关系（a>0）,即随着NPP价值量的增加（或减少）,保水价值量也同时增加（或减少）。NPP价值量与保水价值量的协同关系在关中盆地是广泛存在的,在关中盆地西北部NPP和保水价值量协同关系显著,其中包括渭南市大荔县、华阴县、临渭区、合阳县和韩城县以及宝鸡市千阳县,NPP和保水价值量都表现为增加的变化趋势;在幂函数拟合中,同样在渭南市大荔县、合阳县协同关系拟合显著,但在秦岭南麓以及铜川市耀州区和咸阳市旬邑县两者协同关系拟合效果并不明显。

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图4NPP与保水价值量的协同关系
-->Figure 4The synergy from NPP and water conservation
-->

图5所示,关中盆地NPP与食物供给之间存在着复杂的空间权衡关系（a<0）,秦岭北部、西安市城中心地区、铜川市西部以及宝鸡市凤翔县、岐山县和扶风县权衡关系较好,指数a均小于0;在幂指数拟合中,关中盆地中部包括西安市灞桥区、高陵区、未央区和临潼区和宝鸡市凤翔县、岐山县和扶风县以及铜川市耀州区、王益区,NPP与食物供给之间制约关系较为突出,NPP减少伴随着食物供给的幂函数形式增加。主要由于该地区位于关中盆地中部,以耕地、草地为主要土地利用类型,人口增加,城市的扩展,森林滥砍滥伐的现象严重,因此该地区生态服务的供给服务与调节服务功能权衡关系较强。

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图5NPP与食物供给的权衡关系
-->Figure 5The trade-off from NPP and food providing
-->

3.4 生态系统服务空间热点分析

在空间权衡与协同分析的基础上,通过热点区识别,进一步了解不同区域服务供给能力的强弱。虽然相同的生态系统可以提供不同的服务,例如林地既可以提供保水价值量,又可以提供NPP价值量,但提供服务的能力有大小,表现为单位面积服务供给的数量有多有少。本文将关中盆地NPP、保水价值量和食物供给服务超过各自平均值的地区,作为该项服务的热点区,将三种服务的热点区叠加分析得到关中盆地多重服务热点区分布（图6）。在这里定义：0类服务热点区为“三种服务价值都未超过其平均值的区域”;1类服务热点区为“能提供一种超过其平均值的服务的区域”;2类服务热点区为“能提供两种超过其平均值的服务的区域”;3类服务热点区为“能提供三种超过其平均值的服务的区域”。对图6中多重服务热点区进行区域统计,其中2类服务热点区域占区域总面积的的30.96%,3类热点区域占区域总面积的3.06%。秦岭北部和北山南部,分布在宝鸡市凤县、太白县和铜川市耀州区等地区,以NPP和保水为其主要生态服务;关中盆地中部,分布在渭南市临渭区、西安市临潼区和高陵区,以NPP和食物供给为其主要生态服务;三种服务均超过各自平均值的区域主要分布在西安市周至县、户县、蓝田县以及咸阳市旬邑县。由此可见,关中盆地的多重服务热点区基本集中在盆地边缘山地区,以林地和草地为主要的土地利用类型,植被覆盖度较好,土壤质地优良,具有较好的NPP和保水能力,同时由于土地利用类型为农田,所以食物供给能力也较高。

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图6关中盆地多重生态服务热点区
-->Figure 6The hot spots in Guanzhong Basin
-->

4 结论

本文基于ArcGIS和Matlab软件平台,得到1990-2010年关中盆地NPP、保水和食物供给三种服务的价值量,通过计算三者之间的相关系数矩阵判别生态服务之间的权衡与协同关系,并从相关系数的时间变化反映权衡与协同关系的强弱变化。其次,利用线性函数和幂函数回归分析,拟合NPP与保水价值量、NPP与食物供给的权衡与协同关系的空间分布特征。最后,识别关中盆地生态热点区,为划分生态功能区提供依据。
（1）NPP和保水价值量高值主要分布在关中盆地边缘地区,表现为以林地为主,低值区位于关中盆地中部;而食物供给却与之相反,位于关中盆地中部的西安市和咸阳市,食物供给能力较强,主要表现为耕地和草地,铜川市和宝鸡市食物供给价值量相对较小。
（2）相关系数结果表明：NPP与保水量为正相关,两者之间存在较强的协同关系;食物供给与NPP、食物供给与保水量之间均为负相关,均表现为权衡关系。从时间变化趋势来看,NPP与保水量的正相关性、NPP与食物供给的负相关性都呈现先增加后减小的变化趋势,而食物供给与保水量的负相关性整体呈波动的变化趋势。
（3）NPP与保水量之间的协同关系广泛存在于整个关中盆地,幂函数拟合较好的区域主要位于盆地东部边缘地区;在关中盆地中部,NPP与食物供给的制约关系比较突出,NPP增加伴随着食物供给的幂函数形式下降。
（4）关中盆地生态热点区主要位于盆地边缘山地区,以林地和草地为主要的土地利用类型,生态服务价值较高。

5 讨论

目前针对生态服务价值评估及其权衡与协同分析的研究对象主要为某一年的空间分析或者几个时间点之间的时空分析,而针对连续时间序列的时空分析研究较少。本文对关中盆地1990-2010年连续21年的NPP、保水价值量和食物供给价值量的权衡与协同关系进行时空差异分析,结果表明在关中盆地广泛存在着NPP与保水价值量相互增益的协同关系、NPP与食物供给此消彼长的权衡关系,多种服务之间也存在着权衡与协同的空间差异性。在分析空间权衡关系的基础上,通过热点区识别,了解不同区域服务供给能力的强弱,注重生态服务功能的平衡关系。在原有的生态保护政策中,虽然增加了NPP、水土保持、固碳释氧、气候调节等支持和调节功能,但另一方面也导致食物供给等供给服务下降,无法满足人类的基本服务功能,这就要求在社会不断发展、又能满足粮食安全、以及人类生存的前提下,寻求资源的合理优化配置,保证生态环境安全,达到生态与社会发展的平衡点。近年来,关中地区经济发展较快,面临着人口增长与城市扩张的双重压力,资源约束力持续增加,生态问题更加复杂,同时城市扩张直接威胁着区域内粮食安全。划定生态保护红线,构建生态安全格局,遏制生态环境退化趋势,促进人口、资源、环境均衡发展显得尤为重要。本文仅对NPP、保水和食物供给三种生态服务进行空间权衡与协同分析,探索关中盆地生态系统服务热点区,今后将从影响机制和未来情景预测等方面对生态系统服务进行研究。例如,土地利用类型和土地分配方式的不同是否会影响生态系统服务的供给能力,通过不同情境下对生态系统服务的模拟寻求双赢的场景,为政府生态规划建设提供建议。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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关中盆地生态服务权衡与协同时空差异

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Spatial-temporal difference analysis of ecosystem service trade-off and synergy in the Guanzhong Basin of China

1 引言