燕山—太行山区生态系统服务价值权衡/协同关系的多尺度分析

郑德凤，万巨影，白丽娜，吕乐婷

(辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029)

生态系统服务是生态系统供给人类的可使用的自然资源[1]，主要指人类通过直接或间接手段得到的可以支持生命发展的产品与服务，一般分为供给、调节、文化和支持4类典型生态系统服务[2]，可采用生态系统服务价值(ecosystem services value，ESV)来表征。不同时空变化过程中，各生态系统服务存在权衡/协同关系。权衡关系指地理要素空间分布存在某一项生态系统服务价值的增减，对其他生态系统服务价值产生影响；协同关系指2种或2种以上生态系统服务价值同时增减。权衡/协同关系与人们对生态系统的需求相关[3-4]。国内外学者针对湿地[5]、流域[6]、生态保护区[7]和农耕区[8]，采用情景模拟法[9]、空间分析法[10]及相关统计学方法[11]等，围绕生态系统服务权衡/协同的理论基础[12]、驱动机制[13]及尺度效应[14]展开了大量研究。尽管权衡/协同的研究内容较为广泛，但研究尺度存在一定局限性，以往研究以单一尺度为侧重点，分别对宏观或微观尺度网格单元[15-16]展开研究，而缺乏多尺度耦合探究。展开多空间尺度生态系统服务权衡/协同关系研究，有利于促进权衡/协同关系的转换，通过时间尺度探究时间序列ESV演变规律，并结合空间尺度下网格单元、乡镇、县域等微观尺度梳理ESV权衡/协同空间分布形式，可以促进区域生态保护措施落实，为生态系统可持续发展提供理论支撑。

燕山—太行山区作为国家14个集中连片特困区之一，跨越河北、山西和内蒙古3个省份，承担了如京津冀沙源治理、太行山绿化等重点生态建设任务。已有研究表明，生态系统服务的尺度关联特征使同一组生态系统服务权衡/协同关系在不同尺度存在差异[14-15]。关于燕山—太行山区生态系统服务权衡/协同关系时空特征及动态变化的研究较为薄弱，已有研究多集中于土地利用程度[17-18]、贫困度[19]对生态系统服务的影响，对ESV权衡/协同关系研究集中于河北省[20]、京津冀[21]等省域或城市群等大尺度范围。在研究内容上，现有研究多侧重生态补偿与生态支撑区划分[17]，对于生态系统服务关系研究较少；在研究区域方面，目前仍缺乏不同尺度生态系统服务权衡/协同关系方面的相关研究。为此，根据燕山—太行山区区域特征对当量因子进行修正，估算生态系统服务价值并探讨其空间格局变化情况，采用相关分析揭示燕山—太行山区时间序列各项生态系统服务权衡/协同关系，并通过双变量自相关法对比县域、乡镇和网格单元3种研究尺度的生态系统服务权衡/协同关系及空间分布特征，研究结果可为“后扶贫时代”燕山—太行山区生态系统维护与可持续发展提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况与数据来源

燕山—太行山区占地面积为9.3万hm2，地理位置为38°～43° N，113°～119° E，包括33个县域。研究区内降水分布不均，年均降水量为300～580 mm，区域土地利用类型以林地、草地和耕地为主(图1)。

图1 研究区位置与土地利用类型

2000、2005、2010、2015和2019年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/)，分辨率为30 m。农作物播种总面积、农作物产量和粮食生产净利润从2000—2019年《河北统计年鉴》《内蒙古统计年鉴》《全国农产品生产资料汇编》获得。

土地利用数据分类标准与生态系统价值估算模型中的分类存在一定差别，需要对土地利用类型进行重分类。根据谢高地等[22]提出的单位面积生态系统服务价值当量表，将土地利用分为耕地、林地、草地、湿地、水域和荒漠6类。其中，燕山—太行山区未利用土地涵盖沙地、盐碱地、裸地、裸岩石质地和沼泽，沙地和盐碱地生态系统服务价值与荒漠一致，沼泽地生态系统服务价值则与湿地较为相近；裸土地、裸岩石质地、城乡工矿居民用地与裸地生态系统服务价值较为一致[8]，故将沙地、盐碱地、裸土地、裸岩石质地和城乡工矿居民用地都归为荒漠[23-24]，沼泽地归为湿地。

1.2 生态系统服务价值估算模型

生态系统为维持其内部稳定状态，必须要消耗自身的一部分价值，参考谢高地等[22]提出的生态系统服务价值评估方法，并结合单位面积标准当量对研究区生态系统服务价值进行修正，计算公式为

(1)

(2)

式(1)～(2)中，VES,z为z时期生态系统服务价值，元；Dz为单位标准当量因子的价值量，元·hm-2；sk为k类粮食的播种面积，hm2；pk为净利润，元·kg-1；qk为单位面积产量，kg·hm-2；s为粮食播种总面积，hm2；eij为土地利用类型i生态系统服务类型j的价值；Si为土地利用类型i的面积，hm2。单位标准当量存在地区差异性，该研究确定2015年燕山—太行山区单位标准当量为3 068.65元·hm-2，由此计算燕山—太行山区单位面积ESV，结果见表1。

表1 燕山—太行山区单位面积生态系统服务价值(ESV)

1.3 相关分析与双变量空间自相关方法

相关分析法用于分析变量之间的线性关系[25]，利用相关系数可对变量间的相关性强弱进行分析，若为正值，表明两变量间存在同时增加或减少的协同关系；若为负值，则两变量存在相互抑制作用。相关系数计算公式为

(3)

地理现象在空间相互作用和空间扩散的影响下通常具有不同程度的空间相关性[26]，一般采用Moran′sI指数探讨多变量之间的空间相关性。双变量空间自相关结果表现为高-高集聚、低-低集聚空间分布特征，表示生态系统服务之间为协同作用，低-高集聚、高-低集聚则表示权衡作用[27]。该研究引用此方法进行双变量生态系统服务空间上的相关性研究，相关公式参照文献[26]。

2 结果与分析

2.1 燕山—太行山区生态系统服务价值动态变化

由表2可知，2000—2019年研究区ESV为增—减—增波动态势，不同服务类型变化各异。其中，2005—2010年调节服务增加1.59亿元，供给、支持和文化服务3项表现为减少趋势。由图2可知，燕山—太行山区各类用地ESV排序由高到低为林地、草地、耕地、湿地、水域和荒漠。各类用地ESV变化趋势不一致，林地可产生较高ESV，占比为54.48%。耕地和草地ESV在2000—2015年减少，2015—2019年增加，2000—2019年耕地和草地ESV分别增加14.08亿和14.21亿元。2005—2019年湿地服务价值逐年减少，共减少63.85亿元。水域ESV变化较为显著，2005—2010年增加2.70亿元，2010—2019年减少0.89亿元。

由表3可知，燕山—太行山区各县域ESV较高地区以河北省为主，如围场、丰宁和隆化等，较低县域为望都和完县。2000—2019年ESV明显增加的县域有围场、隆化和尚义，明显下降的有康保、沽源和张北，分别减少3.41亿、4.66亿和4.93亿元。

表2 2000—2019年燕山—太行山区各类生态系统服务价值(ESV)

表3 2000—2019年燕山—太行山区县域平均生态系统服务价值(ESV)

图2 2000—2019年燕山—太行山区各类用地生态系统服务价值(ESV)

2.2 燕山—太行山区生态系统服务权衡/协同关系

2.2.1燕山—太行山区生态系统服务的相关性

研究区各类生态系统服务相关系数见表4。由表4可知，11类生态系统服务组成的121组相关系数值均通过0.01水平的显著性检验。供给服务中，食物生产与气体调节、气候调节、净化环境、生物多样性和美学景观存在权衡关系；调节服务中，气体调节与气候调节、净化环境、土壤保持、维持养分循环和生物多样性存在协同关系(相关系数>0.9)；气候调节与净化环境和土壤保持为协同关系(相关系数>0.9)；支持服务中土壤保持与维持养分循环存在协同关系，生物多样性与美学景观存在协同关系(相关系数=0.98)。总体来看，协同关系为研究区生态系统服务的主导关系。

2.2.2燕山—太行山区生态系统服务的多尺度空间集聚特征

为探究燕山—太行山区生态系统服务权衡/协同空间分布特征，采用等间距方式将研究区划分为3 908个5 km×5 km的网格单元，分别在网格单元、乡镇和县域尺度计算双变量空间自相关系数。由表5可知，4类生态系统服务空间均呈协同关系，各尺度双变量空间自相关系数由高到低为县域尺度、网格单元和乡镇尺度。

以2019年为例，绘制网格、乡镇和县域3种尺度下4类典型生态系统服务LISA集聚图，以探究生态系统服务在不同尺度的空间集聚特征(图3～5)。由图3可知，网格尺度生态系统服务关系存在空间差异，表现为协同关系的区域主要分布在研究区北侧，且分布较为集中。表现为权衡关系的区域分布较为分散，其单元格数量不超过500个。但供给服务与文化服务表现为权衡关系的区域分布较为集中，单元格数量共552个。

由图4可知，乡镇尺度由433个单元格组成，其双变量空间自相关系数较低，4项服务表现为协同关系的区域集中在研究区北侧。其中，调节-文化服务表现为协同关系的乡镇数量(62个)最多。权衡关系中，供给服务与调节和支持服务表现明显，单元格数量为39个，但没有形成集聚效应。

由图5可知，县域尺度双变量空间自相关系数较高，4项生态系统服务都表现为协同关系。供给-调节服务表现为协同关系的区域分布在研究区北部丰宁、隆化和围场，中部怀安、阳高和阳原，以及南部唐县。

表4 燕山—太行山区各类生态系统服务的相关关系

表5 燕山—太行山区生态系统服务价值双变量自相关分析

3 讨论

3.1 生态系统服务价值时空变化分析

2000—2019年燕山—太行山区ESV总体保持增加—降低—增加趋势，降低趋势主要出现在2015年，各项服务价值均有所降低，降幅较大的为食物生产和水文调节，食物生产ESV降低主要是由于耕地面积变化所致。截至2015年，研究区耕地面积逐年减少，这与工业化发展、城镇化推进密切相关[27]。建设用地侵占耕地面积，而迫于社会发展的经济压力，农民对耕地需求量增加，出现水域、湿地转为耕地的逆生态化过程，这为生态环境带来巨大压力[28]。水文调节ESV降低是由于提供调节服务的水域和湿地面积减少，林地面积逐年增加，植被蒸发量增加[29]，生态系统调节功能减弱。

伴随燕山小流域治理、太行山绿化等生态恢复工程建设的实施[19]，研究区林地面积逐年增加，生态用地的质量和数量得到提升[30]，为研究区生态恢复与环境改善奠定基础。作为燕山—太行山绿化建设的责任主体，县级及以上政府应落实行政责任制，依据山区地形地貌特点，因地制宜采取相应建设对策，在ESV高值区采取封山育林等政策维持现有林区状况，在ESV较低的丘陵区采取人工造林、育林措施，形成分区治理、统筹协调的生态环境保护系统。燕山—太行山区连接河北、山西和内蒙古3个省份，应利用好区域优势，合理规划生产、生活、生态的三生空间布局，坚守生态与发展2条线并进，提高人们的生态保护意识，促进区域生态环境可持续发展。

图例中括号内数值为单元格数量。

图例中括号内数值为单元格数量。

图例中括号内数值为单元格数量。

3.2 生态系统服务权衡/协同关系分析

在探讨ESV权衡/协同关系的基础上，增加不同研究尺度的空间相关分析步骤，采用时空分异特性寻求平衡贫困区经济发展与生态环境修复的标准[19]。相关分析可用于计算较长时间间隔内网格单元变量的相关程度，双变量自相关分析可表征县域、乡镇和网格单元3种不同尺度空间集聚性。相关分析中协同关系为主导关系，但供给服务与其他3项服务存在不同程度的权衡关系。食物生产与调节服务中气体调节、气候调节和净化环境3项服务存在权衡关系，这与孙艺杰等[13]研究发现的调节因子中净初级生产力与食物供给存在冲突关系表现一致。其次，食物生产与生物多样性和美学景观之间存在权衡关系，燕山—太行山区为食物供给提供来源的土地类型多为耕地，耕地存在美学景观价值，但其价值小于林地、草地等用地类型。巩杰等[27]对甘肃白龙江的研究表明，食物供给与生境质量间存在协同关系。笔者的研究结果与其存在差别，其原因与权衡/协同关系在不同地区存在地域差异相关[6]。

生态系统服务双变量权衡/协同关系空间集聚特征存在尺度差异，县域尺度双变量相关系数与空间集聚程度明显高于网格单元和乡镇尺度，这与刘华超等[7]、乔斌等[15]得出的生态系统服务权衡/协同关系对研究尺度存在依赖性的结论相符。对网格单元、乡镇和县域3种尺度的研究结果进行对比分析，可以增加生态系统服务评估结果的可信程度。结合《河北省人大常委会关于加强太行山燕山绿化建设的决定》提及的将市、县、乡镇分级规划，各级单位配合落实区域生态建设[31]，从侧面反映开展县域、乡镇尺度研究的必要性，这有利于研究区结合实际情况，因地制宜开展生态环境保护相关工作。

3.3 不足与展望

基于当量因子法的ESV估算模型可以运用货币价值表达ESV，方法便于操作，但该模型也存在一定局限性[20]，如忽略了同种土地利用类型因所处环境不同而导致的结果差异；其次，由于计算过程中未涉及城市用地生态系统服务价值[18]，忽略了城市绿化和生态公园提供的ESV。未来应对生态系统服务内部驱动因素展开进一步研究，考虑不同情景下生态系统服务相互影响的动态变化情况。

4 结论

(1)2000—2019年燕山—太行山区ESV表现为增加—降低—增加的变化趋势。受绿化政策影响，林地ESV逐年增加，需要重点关注研究区林地、耕地和草地的转换关系。

(2)燕山—太行山区生态系统服务以协同关系为主，供给服务中食物生产与气体调节、气候调节、净化环境、生物多样性和美学景观存在权衡关系。

(3)不同研究尺度生态系统服务存在空间差异，网格单元与乡镇尺度的生态系统服务权衡关系分布分散，协同关系集中分布在研究区北部。研究区县域尺度生态系统服务表现为协同关系，主要分布在荒山造林、荒地造林等工程覆盖的县域，如丰宁、隆化、围场、怀安、阳原、阳高和唐县等。