本文摘要：摘要：理解生態系統服務間的相互關系，對于區域生態系統服務的管理和優化具有重要意義。本文以科爾沁沙地為研究區，評估了20002018年植被凈初級生產力、產水服務、土壤保持服務和風力侵蝕負服務的時空變化，基于分位數分割法提取生態系統服務對之間相互關系
摘要：理解生態系統服務間的相互關系，對于區域生態系統服務的管理和優化具有重要意義。本文以科爾沁沙地為研究區，評估了2000—2018年植被凈初級生產力、產水服務、土壤保持服務和風力侵蝕負服務的時空變化，基于分位數分割法提取生態系統服務對之間相互關系的約束線，分析景觀水平和類水平上生態系統服務對之間的約束關系，并用約束關系的閾值、約束線回歸方程的斜率和常數項來表征約束線的關鍵特征值。結果表明：(1)2000—2018年科爾沁沙地植被凈初級生產力、產水量、土壤保持量和風力侵蝕量的多年均值分別為256.5gC/m2，211.9mm，26.3t/km2和3.8t/m2;整體上，這四項關鍵生態系統服務有所改善。在空間上，植被凈初級生產力改善的區域主要位于東南部和中部地區;產水量在中部偏南的區域增加;土壤保持量主要在西北部和西南邊緣有顯著增加;中部和北部地區的風力侵蝕量有所減少，南部的翁牛特旗、奈曼旗和科爾沁左翼后旗等旗縣作為風蝕重度區，風力侵蝕仍在加劇，應當重點治理。(2)植被凈初級生產力與產水量、土壤保持量、風力侵蝕量的約束線，產水量與土壤保持量、風力侵蝕量的約束線均呈拋物線型;而土壤保持量與風力侵蝕量的約束關系呈線性類型。這些約束線的類型在2000—2018年間幾乎保持不變。(3)植被凈初級生產力的變化對其他生態系統服務的動態起到放大器的作用。它微小的變化會引起其他生態系統服務較大幅度的變化，是塑造約束關系強度的關鍵性服務。約束線閾值范圍能夠為合理利用區域植被凈初級生產力提供初步依據，可以使植被凈初級生產力對其他服務的負面約束作用最小化。(4)林地和草地提供土壤保持服務的能力較耕地水平高。在景觀管理實踐中，應重點發展草地、林地生態系統;在耕作條件適宜的地區選擇需水量較少、耐旱的農作物并實施節水灌溉，以提高科爾沁沙地景觀總體生態系統服務的供給能力。探究生態系統服務對的約束關系及識別其關鍵特征可以為土地利用優化，調整管理措施及實現區域可持續性提供科學依據。
關鍵詞：沙地;生態系統服務;約束關系;土地利用;特征值
生態系統服務是指人類從自然生態系統中獲得的直接和間接利益[1]，是生態系統所形成并維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[2]，包括供給服務(如維持人類生存的糧食、淡水等)，調節服務(如洪水調節、氣候調節等)，支持服務(如維持地球生命生存環境的養分循環)和文化服務(如精神、娛樂和文化收益)[3]。各項生態系統服務間是相互影響的，它們的可持續供給對維持整個生態系統穩定和提高人類福祉具有重要意義。
由于生態系統服務的類型豐富，空間分布的異質性和人類對生態系統服務的需求偏好[4]，生態系統服務之間形成了復雜的關系�？茖W認知和理解生態系統服務之間的關系是區域生態系統服務管理和優化的關鍵[5]。目前，生態系統服務間關系的研究多為二元化方法，即此消彼長的權衡關系與相互促進的協同關系[6⁃7]。研究內容多包括權衡與協同特征的識別、時空變化的分析和驅動因子的探究等[8⁃11]。
例如，申嘉澍等人采用空間疊加和統計方法定性分析京津冀城市群生態系統服務在不同服務簇中權衡與協同的空間分布格局[12]。Raudsepp⁃Hearne等人利用相關系數反映加拿大魁北克城市景觀供給服務和調節服務之間權衡關系的強度[13]。Kubiszewski等人通過模擬未來情景下土地利用情況，估算生態系統服務的未來價值及服務間可能存在的關系[14]。
然而國內外關于權衡與協調的研究存在一些局限。權衡與協調關系的相關分析是假設生態系統服務之間的關系是單調的，這種二元化的分析忽略了生態系統受多種因素共同影響的復雜性，樣本點往往呈現散點云的分布，而不全是圍繞著某一條線分布;其次，二元化的權衡與協同分析表征生態系統服務間的定量關系，卻難以科學地解釋背后的生態學機理。
約束線分割法，被證明是分析生態系統服務非線性特征的適宜方法[5，15⁃17]，但現階段關于約束關系的量化及驅動機制的案例研究還有待于進一步深化�？茽柷呱车刈鳛槲覈拇笊车�(毛烏素沙地，渾善達克沙地，科爾沁沙地和呼倫貝爾沙地)之一，人地矛盾突出。近二十年來，政府致力于實施一系列生態工程調整土地利用類型，提高生態環境質量[18⁃19]。
這些工程取得良好的效果，但2000—2015年間科爾沁沙地地區生態赤字仍在不斷增加，大面積的農業灌溉對水資源造成壓力，導致水資源可利用性減小[20⁃22]。李佳鳴等人的研究指出，科爾沁地區生態恢復效率較低，其生態系統服務價值的提升滯后于內蒙古整體水平[23]。而有關科爾沁沙地的研究中，多以價值量評估生態系統服務，不僅較少利用模型評估生態系統服務物質的量，還缺乏服務間的非線性關系的討論。鑒于此，本研究基于遙感數據評估了2000—2018年科爾沁沙地長時間序列下的四種關鍵生態系統服務(凈初級生產力、產水服務、土壤保持服務和風力侵蝕負服務);揭示沙地關鍵生態系統服務的非線性約束關系，闡明約束作用關系的生態學意義，以期為實現科爾沁沙地的土地利用優化提供決策支持。
1研究區概況
研究區地理位置Fig.1Locationofthestudyarea科爾沁沙地(117°49′E—123°42′E，41°41′N—46°05′N)位于內蒙古自治區東南部，地處東北平原向內蒙古高原的過渡地帶，是北方農牧交錯帶的典型地區之一。
總面積為12.29×104km2(沙化土地面積為1.79×104km2)[21]，包括內蒙古自治區的15個縣級行政縣。沙地地勢西高東低，海拔高度范圍為86m至1935m，北部是大興安嶺及其丘陵地區，中部是沖積平原，南部是黃土丘陵區。土地利用主要以耕地、草地和林地為主。
科爾沁沙地主要分布的河流有西遼河、老哈河和烏爾吉木倫河等;主要土壤類型有栗鈣土、沙土、草甸土和鹽堿土等;原生植被景觀為典型草原到森林草原的過渡類型。該區域位于干旱與半干旱區，對氣候變化敏感，年降雨量350mm左右，主要集中在夏季(6、7、8月);年平均風速3.5—4.5m/s。在干旱多風等氣候因素和過度的草地開墾等人類活動影響下，科爾沁沙地生態環境脆弱。除了國家層面的生態工程，在科爾沁沙地還特別地實施了2004年“雙百萬畝”綜合治理工程和2014年“雙千萬畝”綜合治理工程[24]�？偟膩碚f，沙地得到一定改善，但是仍有部分“遠沙大沙”沒有得到有效治理，沙漠化形勢依舊嚴峻[25]。
2數據與方法
2.1數據來源與處理
利用MRT(ModisReprojectionTool)投影工具軟件對歸一化植被指數(normalizeddifferencevegetation，NDVI)遙感數據進行鑲嵌和定義投影等批處理，再通過最大值合成得到每月合成影像;選取研究區以及周邊16個氣象臺站的降水、氣溫、風速和日照時數等地面氣候資料，采用克里金插值法進行插值得到柵格數據;土地利用數據按照一級分類系統劃分，包含林地、草地、水域、農田、建設用地和未利用地六大類。所有數據經重采樣，空間分辨率為250m，坐標與投影均保持一致(UTMZone50N，WGS1984)。
2.2研究方法
2.2.1生態系統服務評估
本文定量估算了2000—2018年科爾沁沙地4種重要的生態系統服務功能，分別是凈初級生產力(netprimaryproductivity，NPP)，產水服務(wateryield，WY)，土壤保持服務(soilconservation，SC)和風力侵蝕負服務(winderosion，WE)。NPP是地表碳循環的重要組成，表征生態系統的質量狀況。
基于改進的CASA(Carnegie⁃Ames⁃Stanford⁃Approach)模型[26]，NPP由植物吸收的光合有效輻射和實際光能利用率進行估算。CASA模型的輸入數據包括月均溫度、月降雨量、月總日照輻射、月NDVI、土地利用分類數據和相關生物參數[27]。產水服務用產水量來表征，指降水量除去蒸騰作用部分的水源供給部分[28]。采用InVEST模型產水模塊[29]，基于budyko水量平衡原理方程得到產水量。產水模塊輸入數據包括月總降水量、月潛在蒸散發(PET)、土壤深度、土壤有效水分(PAWC)、土地利用/覆蓋數據、流域矢量數據、生物參數以及Zhang系數。
土壤保持服務用土壤保持量來表征[30]，即潛在土壤流失與實際土壤流失之間的差值。采用修訂土壤通用流失方程(RULSE)[30]，模型輸入數據包括降水侵蝕力因子、土壤侵蝕性因子、地形因子、植被覆蓋因子和水土保持措施因子。風力侵蝕負服務采用修訂的土壤風蝕方程(RWEQ)計算土壤風蝕量[31]。風力侵蝕是導致科爾沁沙地生態環境惡化的主要原因。模型輸入包括氣候因子、土壤可蝕性因子、土壤結皮因子、土壤糙度因子和結合殘差因子。
2.2.2生態系統服務約束線提取方法
約束線能夠刻畫在多因素影響的復雜生態系統中限制變量對響應變量的限制作用，從而使響應變量不超過某一個范圍或能夠達到的最大值[32⁃33]。目前主要有4種繪制方法：參數法、散點云網格法、分位數回歸法和分位數分割法[34]。本研究采取分位數分割法，首先繪制成對生態系統服務的散點圖，將x軸按照其值域平均分為100組，選取每一組中99.9%的分位數作為邊界點，最后在Origin2019中用提取到的邊界點擬合得到約束線[16]。約束線上的點表示變量y受變量x影響時，變量y的理論最大值。
2.2.3約束線特征值分析方法
本文通過箱線圖和離散度分析約束線特征值的變化情況。箱線圖以四分位數和四分位距為基礎，能夠直觀明了的識別異常值。在R語言軟件中，使用plotbox函數確定超過上限和下限的約束線閾值。離散度即變異系數，用來分析線性約束線的特征值斜率和常數項。變異系數是標準偏差的絕對值除以平均值，變異系數越小其偏離程度越小。對多年線性約束線特征值變化趨勢分析采用Sen趨勢分析[35]并結合Mann-Kendall檢驗對變化趨勢進行顯著性分析[36⁃37]，判斷其是否在長時間序列上發生顯著變化。
3結果與分析
3.1生態系統服務時空特征
2000—2018年科爾沁沙地4種生態系統服務均值空間分布及變化量。植被凈初級生產力多年平均值為256.5gC/m2，空間分布具有明顯的異質性。植被凈初級生產力的高值區主要集中在研究區西北部的草地和林地，低值區主要分布在中部和西南部。從變化量來看，植被凈初級生產力在東南部和中部增量高，最高可達25.3gC/m2;在西部有所減少。產水服務的多年供給平均值為211.9mm，空間格局差異明顯。產水量高值區主要集中在科爾沁沙地東部，最高值可達522.2mm;低值區分布在西北部。
從變化量來看，中部偏東南地區及北部部分地區產水服務呈增加趨勢;相反地，東部邊緣地區和西部為產水量減少區域。土壤保持服務多年平均值達到196.84t/km2，空間分布差異較小，高值區主要分布在坡度較高的西北和西南地區。從變化量來看，土壤保持服務整體呈增加趨勢，增量最高值分布在西北大片區域和西南小片區域;局地地區土壤保持服務減少量稍小，約26.3t/km2。
風力侵蝕量的多年供給平均值為3.8t/m2，空間分布明顯差異。風力侵蝕高值區呈條帶狀分布在南部的沙地，土壤類型多為風沙土，涉及翁牛特旗、奈曼旗和科爾沁左翼后旗等旗縣。從變化量來看，大部分地區風力侵蝕量有所減少，其中中部地區明顯改善，風力侵蝕強度較大減少;南部沙地是風力侵蝕量增加的高值區，該地區的風力侵蝕情況仍在加劇。
3.2生態系統服務約束關系
不同水平下的生態系統服務兩兩之間的約束線提取結果。植被凈初級生產力與產水量、土壤保持量和風力侵蝕量，產水量與土壤保持量和風力侵蝕量，在景觀水平和類水平上的約束線類型一致，兩兩之間呈現為拋物線類型。土壤保持量與風力侵蝕量，在景觀水平和類水平上均呈現線性約束線。
3.2.1植被凈初級生產力和產水量的約束關系
在景觀水平和類水平上，2000—2018年植被凈初級生產力與產水量的約束線均呈拋物線類型，約束線的形狀在各個水平上幾乎沒有變化。隨著植被凈初級生產力的增加，其對產水量的約束作用先減少后增加，即當植被凈初級生產力未超過閾值時，植被凈初級生產力逐漸增加，其對產水量的約束作用逐漸減小;當植被凈初級生產力超過閾值時，植被凈初級生產力逐漸增加，植被生長消耗較多水分，在降水量總量有限的情況下，產水量減少，因此植被凈初級生產力對產水量的約束作用逐漸增強。
4討論
目前關于沙地生態系統服務的研究結果表明生態恢復政策對環境質量改善有積極作用[40]，但具體的政策實施方案仍需不斷優化。本文通過探究沙地生態系統服務的非線性關系，即各項服務間的約束線及其特征值，為沙地土地利用優化提供了定量依據，也為預測服務的潛在最大值提供了有效手段[41]。植被凈初級生產力與產水量的拋物線類型約束線一方面很好地解釋了科爾沁沙地在荒漠化逆轉過程中出現水資源短缺的問題，當植被凈初級生產力增加到超過閾值時，產水量反而會減小，約束作用變強。
另一方面，其閾值對于優化區域整體生態系統服務的供給，合理分配資源至關重要。Hao等[42]在錫林郭勒盟的生態系統服務約束關系研究中同樣指出，植被凈初級生產力的閾值是實現植被凈初級生產力、產水、土壤水蝕控制和土壤風蝕控制協同的重要參考指標。官冬杰等[43]以重慶市濕地為研究區的結果表明，在景觀水平上水資源供給服務和水土保持服務間呈拋物線型約束關系，降水和氣溫作為主要的自然因素直接影響濕地的生態系統服務。
相比于水資源高供給的濕地，科爾沁沙地產水量低導致本研究中的產水量與土壤保持量的拋物線型約束關系較弱。戴路煒等[11]關于北方農牧交錯帶多倫縣的研究結果表明，土壤保持與防風固沙服務之間為權衡關系，但無法解釋生態系統服務間相互作用的閾值特征;本研究很好地揭示了土壤保持量和風力侵蝕量線性約束關系的斜率與截距，可為政策制定者提供定量依據。由于數據可得性限制，本文重點探討了支持服務(凈初級生產力)和調節服務(土壤保持、產水和風力侵蝕)，但對供給服務和文化服務沒有涉及，政策制定者應充分注重景觀的多功能性，以整體生態系統服務最優為目標，而不是某項生態系統服務達到最大化。
5結論
通過對科爾沁沙地生態系統服務時空變化及約束關系的研究，本文得到以下結論：
(1)2000—2018年科爾沁沙地植被凈初級生產力、產水量、土壤保持量和風力侵蝕量的多年均值分別為256.5gC/m2，211.9mm，26.3t/km2和3.8t/m2。翁牛特旗、奈曼旗和科爾沁左翼后旗等旗縣是風力侵蝕的重度區，應當重點治理。
(2)植被凈初級生產力與產水量、土壤保持量、風力侵蝕量的約束線均呈開口向下拋物線類型，隨著植被凈初級生產力的增加，三種服務均呈先增加后減小的變化趨勢，表明植被凈初級生產力對三種服務的約束效應均呈先減小后增加的變化特征。產水量與土壤保持量、風力侵蝕量的約束線也呈拋物線類型，但拋物線形狀扁平趨于直線。土壤保持量與風力侵蝕量的約束關系呈線性類型。
(3)植被凈初級生產力的變化對其他生態系統服務的動態起到放大器的作用，它的微小變化可能會引起產水量、土壤保持服務、風力侵蝕量較大幅度的變化。以植被凈初級生產力與其他類型生態系統服務的約束線閾值為基礎，合理利用或提高區域植被凈初級生產力，可以減少其動態變化對其他服務的負面約束作用，從而促進整體生態系統服務達到較優狀態。
土壤論文范例：福建省土壤-蔬菜系統中鉻轉移規律研究
(4)林地和草地提供土壤保持服務的能力較耕地高，應重點發展草地、林地生態系統。同時，應在耕作條件適宜的地區選擇需水量較少的農作物并實施節水灌溉，有效改善和提高耕地的生態系統服務，以提高科爾沁沙地景觀總體生態系統服務的供給能力。
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作者：金海珍1，于德永1，∗，郝蕊芳2，黃婷1
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