1、研究背景
近几十年来，由于人口增长，陶莱河流域的自然资源利用率大大提高，造成了严重的生态问题。近年来，一些学者对中国几个内陆河流域进行了研究，如疏勒河流域、石羊河流域、黑河流域。然而，这些研究大多使用长期时间序列数据调查了生态系统的空间分布和区域生态系统的变化。只有少数研究集中于环境服务的复杂权衡/协同作用。本研究旨在分析陶莱河流域典型生态系统的权衡/协同效应，寻求经济发展与生态保护之间的平衡，从而为保障陶莱河流域区域生态恢复与保护提供科学依据。
2、研究区概况
陶莱河流域是黑河流域的一级支流。研究区地势西南高东北低，从西南向东北倾斜。区域包括嘉峪关市、酒泉市肃州区、金塔县、肃南县、肃北县、高台县以及祁连县的一小部分。该流域的工农业活动发展迅速，构成了河西走廊的一个经济带。作为甘肃省区域发展战略的核心区域之一，由于人类长期不合理的开发利用，陶莱河面临着严重的环境问题，严重威胁着流域的生态健康。
3、数据和方法
3.1 数据来源
3.2 研究方法
3.2.1 潜在初级净生产力
研究采用CASA模型估算PNPP，同时采用Mao（2014）提出的方法计算潜在光合有效辐射吸收率（PFPAR），以取代CASA模型中的有效光合辐射吸收率（FPAR），该方法基于水胁迫系数和最大光能利用率的改进参数。这种方法的优点是避免了使用气象模型时过分强调气象数据与植被之间的线性关系的问题，从而可以准确估计潜在条件下的植被NPP值。
3.2.2 生态系统服务评估
本研究以联合国千年生态系统评估(MA, 2005) ES评价标准为基础，遵循重要性、全面性、科学性原则，结合桃莱河流域实际情况，选取4个典型ES，分别对桃莱河流域潜在生态环境、实际生态环境进行评价，分别为固碳、释氧、防风固沙、产水。各ES的计算公式见表2和表3。
3.2.3 ES热点分析
将陶莱河流域四个ES的平均值作为阈值。固碳值、释氧值、防风固沙值和产水值均高于各自的阈值，表明该地区是ES的主要热点地区。本研究通过对四个ES热点地区的叠加，得到了研究区域内各种ES的总体分布。另一方面，当该地区的四个ES值分别低于和高于各自的平均值时，该地区被划分为0类和4类热点地区。同理，第一类、第二类和第三类热点区域是根据区域内ES超过相应ES阈值平均值的个数来定义的。
3.2.4 ES权衡的度量
在本研究中，通过使用Origin Pro2021b软件确定Pearson相关系数，使用Pearson相关分析定量评估四个ES之间的权衡/协同关系。显著的负相关系数和正相关系数分别表明ES之间存在显著的权衡和协同关系。此外，为了进一步定量衡量权衡程度，本研究使用RMSE来衡量四个ES之间的权衡强度。权衡强度是衡量两种服务反向变化程度的指标，即在同一方向上变化但速度不一致的程度。可以直观量化ES的权衡程度。
3.2.5 潜在和实际状态下ES权衡的空间匹配
空间关联的二元局部指标可以表明一个空间单元的属性值与其相邻空间单元相同属性值的相关程度和空间聚集性。通过LISA地图的可视化，可以揭示ES权衡强度的潜在-实际空间匹配模式。
4、结果分析
4.1 ES空间分布
结果表明，潜在状态下固碳和释氧值较高的区域主要分布在流域中部和北部的绿洲农业区，以及南部以灌丛和草地为主的大片区域。而低碳和低氧释放区主要分布在南祁连山的水区和冰雪区。2020年研究区总潜在固碳量和释氧量分别为4.39 × 106和11.88 × 106 t，平均碳和氧密度分别为277.76 t和751.03t/km2。另一方面，实际状态下固碳和释氧值较高的地区主要位于流域中部的绿洲农业区，以及祁连河的南部的一小部分地区而桃莱河流域中北部的戈壁、荒漠和裸地则是大面积低碳低氧区。此外，2020年流域实际固碳总量为0.82 × 106 t，释氧总量为2.22 × 106t，平均碳氧密度分别为51.99和140.58 t/km2。实际状态下的总固碳量和释氧量及其平均密度值均小于势态下的观测值。
在潜在和实际状态下，在陶莱河流域南部祁连山地区观察到具有较强防风固沙能力的区域。该地区土地利用类型以林地和草地为主，植被盖度高，可防止陶莱河流域的风沙灾害。防风固沙能力较弱的地区分布在盆地中部和北部的戈壁沙漠地区。
在潜力状态和实际状态下，盆地南部祁连山地区的土地利用类型以林地、草地和水源为主研究区2020年总潜力和实际产水分别为9.54×1010和9.66×1010mm，潜力和产水密度分别为6.02×106和6.10×106mm/km2。
4.2 ES热点区识别
四个ES的潜在-实际热点分布如图4所示。结合图5结果可以看出，潜在状态和实际状态下的0类总面积分别为6611和9058 km2，分别占陶莱河流域总面积的41.97%和57.43%，主要分布在戈壁中部和北部、荒漠和裸土区。潜在和实际状态下的4类服务面积分别为760和758 km2，分别占总服务面积的4.83%和4.84%。主要分布在盆地南部祁连山地区。另外，剩余的第一类、第二类和第三类服务的总面积和面积比如图5所示。
4.3 ES权衡
4.3.1 权衡的定性识别
从图6可以看出，潜在固碳量与潜在释氧量、潜在固碳量与潜在防风固沙量、潜在释氧量与潜在防风固沙量、潜在防风固沙量与潜在产水量之间的相关系数在p < 0.01水平上呈极显著正相关，说明这些ES之间存在显著的协同关系。而潜在固碳量与潜在产水量、潜在释氧量与潜在产水量之间的相关系数在p < 0.01水平上呈极显著负相关，表明这些ES之间存在显著的权衡。同样，在实际条件下，四个生态系统中任意两个服务组合之间的相关系数在p < 0.01水平上呈显著正相关(双尾)，表明任意两个服务组合之间存在显著的协同关系。此外，固碳释氧服务与防风固沙服务协同程度最高，相关系数为0.31;固碳释氧服务与产水服务协同程度最低，相关系数为0.052。
4.3.2 ES权衡的定量度量
ES权衡强度的空间分布如图7和图8所示。结果表明，潜在状态下ES权衡强度较强的小面积区域主要分布在陶莱河流域中部和北部绿洲农业区。而在实际状态下，流域内ES权衡较强的区域扩展到研究区南部祁连山和中部绿洲农业区的大部分地区。另一方面，ES权衡强度较低主要在流域的戈壁、沙漠和裸露土壤区域。
4.4 潜在和实际状态下ES权衡的空间匹配
空间关联的二元局部指标的结果显示，陶莱河流域潜在与实际权衡ES强度有5种聚集类型，即高-高(高实际与高潜在)、低-低(低实际与低潜在)、低-高(低实际与高潜在)、高-低(高实际与低潜在)空间聚集类型，以及一个不显著区域(图9a)。此外，本研究还分析了各显著性水平的空间分布(图9b)。
结合图10的结果可以看出，研究区不显著区总面积为5760km2，占陶莱河流域总面积的36.36%。高-高和低-低空间聚集类型分别为2444和5754km2，分别占陶莱河流域总面积的15.43%和36.32%。低-高集聚型空间总面积为1697km2，占陶莱河流域总面积的10.72%。高-低空间聚集型总面积为186 km2，占陶莱河流域总面积的1.17%。
5、讨论与结论
5.1 讨论
5.1.1 人类活动对生态系统的影响
本研究评估并比较了陶莱河流域四种典型生态系统在潜在状态和实际状态下的变化。此外，研究了ES热点的空间分布，探讨了人类活动对ES的影响。结果表明:陶莱河流域2020年潜在状态下的总固碳量和释氧量分别为4.39×106和11.88×106t，实际状态下的总固碳量和释氧量分别为0.82×106和2.22×106t，表明潜在状态下的固碳量和释氧量远高于实际状态下的观测值。此外，陶莱河流域潜在防风固沙能力平均值显著高于实际防风固沙能力值。而陶莱河流域2020年潜在状态和实际状态下的总产水量分别为9.54×1010mm和9.66×1010mm，两种状态下的产水服务物理质量基本相同。人类活动的确是造成这种差异的原因。其中，固碳、释氧和防风固沙服务价值较高的区域主要集中在林地、耕地和高盖度草地为主的区域。事实上，这些地区的生态环境非常脆弱，很容易受到人类活动的影响，这就解释了在潜在的实际状态之间ES数量的巨大差异。产水ES值高的地区主要分布在水、冰、雪和多年冻土区。这些区域远离人类活动区域，因此不容易受到人类活动的干扰。因此，在潜在状态和实际状态下，产水量略有变化。
5.1.2 人类活动对ES权衡的影响
本研究探讨了四种服务在潜在状态和实际状态下的关系。结果表明，在潜在状态下，固碳、释氧和产水服务之间存在显著的权衡关系，而其他两者之间表现出显著的协同关系。在实际状态下，ES之间存在显著的协同相互关系。本研究的结果与以前的研究报告存在一些差异。这是由于这些ES之间或ES与常见驱动因素(如降水、温度、地形和土地利用)之间的相互作用。因此，需要进一步的综合评估研究，以更好地了解这些地区的生态状况。
本研究强调，人类活动不仅会对生态环境产生负面影响，也会对当地生态环境的健康发展产生积极影响。在此基础上，运用Pearson相关分析方法，探讨了陶莱河流域潜在生态生态系统与实际生态生态系统的相互关系。结果表明，潜在状态下固碳、释氧和产水服务之间存在显著的权衡关系，实际状态下各生态系统之间存在显著的协同相互关系，表明人类活动可以影响生态系统之间的相互关系并促进它们之间的协同相互关系。因此，区域生态环境管理者应制定相关有效的政策，以实现陶莱河流域区域生态与经济的协调发展。
本研究利用空间关联的二元局部指标，探讨了ES权衡强度的空间聚集状态。结果表明，陶莱河流域ES权衡强度存在5种空间聚集类型，即高-高(高实际权衡、高潜在权衡)、低-低(低实际权衡、低潜在权衡)、低-高(低实际权衡、高潜在权衡)、高-低(高实际权衡、低潜在权衡)、空间聚集不显著。高-低空间聚集特征表明，在潜在状态和实际状态下，部分地区的ES强度分别为低权衡和高权衡。这些地区需要得到区域生态管理者和决策者的进一步关注和控制。这些区域主要位于研究区中部和北部的绿洲农业区，以及研究区南部的一小部分祁连山地区，可以由相关环境管理者严格控制。低-高空间聚集类型表明潜在状态下的生态环境交换强度较高，而人类活动的干预和控制降低了区域生态环境交换强度。这种空间聚集类型是这些地区有效控制战略的一个指标，在这些地区，环境管理者和政策制定者通过一系列科学措施和方法成功地降低了权衡性ES强度。因此，未来可能会继续实施这些措施和方法，实现区域生态环境的高质量发展。此外，干旱内陆河流域生态系统规划应着眼于生态系统的健康发展，维护流域生态功能，促进生态系统之间的协同关系，减少ES权衡的发生，提高区域生态环境的可持续发展能力。
5.1.3 不确定性和未来方向
虽然本研究评估了陶莱河流域的四个典型ESs，但在数据采集和协调方面遇到了许多困难，包括遥感数据分辨率不一致、关键数据无法开放访问等。在得到的结果中存在一些不可避免的误差。事实上，模型参数值有时是根据经验方法或参考数据分配到相似的领域，导致主观误差。本研究采用Pearson相关分析对ES之间的整体相互关系进行分析。然而，以往的研究表明，这种方法缺乏区域ES的历史数据，所以ES之间的重要相互联系可能会被忽视。
未来研究的重点是构建科学的模型，全面系统地衡量干旱内陆河流域生态系统之间的相互关系，全面阐明造成权衡的因素和机制。本研究表明，ES之间的时空权衡/协同具有显著的异质性和差异性。因此，未来需要在空间尺度上对长时间序列ES及其相互关系进行深入研究。
5.2 结论
在潜在状态和实际状态下，四个ES的空间分布存在明显的空间异质性。此外，实际状态下固碳、释氧、防风固沙服务的物质量明显低于势态下观测值，而实际状态下产水服务的物质量略高于势态下观测值。
人类活动影响了区域生态系统之间的相互关系，促进了大多数生态系统的协同变化。结果表明，人类活动改变了陶莱河流域固碳、释氧和产水服务之间的相互关系，由生态系统平衡关系转变为生态系统协同关系，并提高了各生态系统之间的协同效应程度。这一发现表明，人类活动不仅对生态系统产生了负面影响，也对当地生态系统的健康发展产生了积极影响。此外，在这一与人类活动有关的影响过程中，政策指导和方向也很重要。区域生态管理部门和政策制定者应根据区域实际发展状况，制定相应的生态保护战略。
人类活动增加了部分区域的ES权衡强度。这些地区的政策制定者应严格控制人类活动的程度和影响，尽快实现生态和经济的良好协同发展。此外，人类活动降低了部分区域的ES权衡强度，这是研究区成功控制政策的特征。因此，这些控制政策可以在其他地区实施，以调节其生态政策。
Zhao, T., Pan, J., Bi, F. Can human activities enhance the trade-off intensity of ecosystem services in arid inland river basins? Taking the Taolai River asin as an example. Science of The Total Environment 861, 2023,861: 160662.
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