1970—2020年北洛河流域产水、保土、固碳生态系统服务时空演变特征与权衡/协同关系

Spatiotemporal Evolution Characteristics and Trade-offs/Synergies of Water Yield， Soil Conservation， and Carbon Storage Ecosystem Services in the Beiluo River Basin from 1970 to 2020

摘要

目的 探究北洛河流域生态系统服务时空演变特征与权衡/协同关系，为该区资源的合理配置和可持续发展提供科学依据。 方法 基于1970—2020年6期土地利用/覆被数据、气象数据、土壤数据、数字高程模型（DEM）等多源数据，运用InVEST和CSLE等模型，定量评估分析北洛河流域1970—1990年土地利用相对稳定期、2000年左右的过渡期和2010—2020年生态恢复期的不同时期内产水量、土壤保持和碳储量3种典型关键生态系统服务的时空变化特征及其权衡/协同关系。 结果 1）流域总产水量表现为先增加后波动下降的趋势，2000年降至最低。土地利用稳定期产水总量的年代际平均值为10.16×10⁸ m³（37.75 mm），过渡期降低36.9%，而生态恢复期降低25.53%。林、耕、草3种土地利用类型中，耕地产水总量和产水深始终最大，林地的产水深始终最小。2）土壤保持总量整体呈波动增加趋势，2010年达到最高值。土地利用稳定期内，土壤保持总量的年代际平均值为305.62×10⁶ t（113.57 t/hm²），过渡期上升至364.52×10⁶ t，生态恢复期显著增加至426.19×10⁶ t（157.75 t/hm²），相较于第1时期增加38.9%。林地保持能力远高于耕地，梯田等工程措施的建设使耕地土壤保持功能大幅提升。3）碳储总量呈先稳定后持续增加趋势，2000年后开始显著增长，2020年较1970年增长24.09%。林地是主要的碳库，其碳储量显著增加，而草地和耕地碳储量随面积的减少而降低。4）在空间格局变化上，产水量减少、土壤保持和碳储量增加的地区主要集中在高塬沟壑区和丘陵沟壑区。5）在流域尺度上，1970—2020年北洛河流域产水量与土壤保持、碳储量之间存在权衡关系，土壤保持与碳储量呈协同关系。土壤保持与碳储量的协同度随时间降低，而产水量与其他二者的权衡关系相对稳定。 结论 随着植被恢复，流域产水、土壤保持和碳储量等生态系统服务功能具有明显的时间和空间变化特征，具有相对稳定的权衡协同关系，研究结果可为黄土高原生态系统服务综合效益的提升提供科学依据。

Abstract

Objective This study aimed to investigate the spatiotemporal changes and trade-offs/synergies of ecosystem services within the Beiluo River basin to provide a scientific foundation for rational resource allocation and sustainable development. Methods Utilizing multi-source data and models， such as InVEST and CSLE， to quantitatively assess and analyze the spatiotemporal variations and trade-offs/synergies of three key ecosystem services-water yield， soil conservation， and carbon storage-across different periods. These periods include the relatively stable land use period from 1970 to 1990， the transitional period around 2000， and the ecological restoration period from 2010 to 2020. Results 1） The overall water yield of the basin initially showed an increasing trend， followed by fluctuating decline， bottoming out in the 2000. During the first period， the average water yield was 10.16×10⁸ m³ （37.75 mm）， which decreased by 36.9% during the second period and by 25.53% during the third period compared to the initial period. Among the three land use types of forests， cropland， and grassland， the total water yield and water yield depth of cropland are always the highest， while the water yield depth of forest was always the lowest. 2） The total soil conservation displayed an upward trend with fluctuations， peaking in the 2010. Over the first period， the average annual soil conservation was 305.62×10⁶ t （113.57 t/hm²）， which increased to 364.52×10⁶ t in the transition period and significantly increased to 426.19×10⁶ t （157.75 t/hm²）during the third period. The soil conservation capacity of forests was significantly greater than that of cropland， and the construction of terraces and other engineering measures have greatly enhanced the function of cropland. 3） The total carbon storage remained stable and then continued to increase， with a notable increase from the 2000 onwards， and a 24.09% increase in the 2020 when compared with the 1970. Forests were the main carbon reservoirs， with their carbon storage significantly increasing， whereas that in grassland and cropland have decreased due to the reduction in their areas. 4） Regarding changes in the spatial pattern， the areas experiencing a decrease in water yield and an increase in soil conservation and carbon storage were mainly concentrated in the high plateau and gully areas， as well as the hilly and gully regions. 5） At the basin scale， there was a trade-off between water yield and soil conservation， as well as carbon storage. Soil conservation and carbon storage， however， exhibited a synergistic relationship. The degree of synergy between soil conservation and carbon storage decreased over time， while the trade-off between water yield and the other two remained relatively stable. Conclusion With the restoration of vegetation， the three key ecosystem service exhibited significant temporal and spatial variation characteristics， possessing relatively stable trade-off and synergistic relationships. The research results can provide a scientific basis for enhancing the comprehensive benefits of ecosystem services on the Loess Plateau.

Graphical abstract

关键词

生态系统服务 / InVEST模型 / CSLE模型 / 权衡与协同 / 北洛河流域

Key words

ecosystem services / InVEST Model / CSLE Model / trade-offs and synergies / Beiluo River basin

Online（www.cnki.net）:2025-02-21

生态系统服务（ecosystem service）是指自然生态系统及其物种提供的人类赖以生存的条件和过程^［1］，涵盖人类从生态系统及其生态过程中直接或间接获取的各种惠益^［2］，不仅可为人类生存与发展提供相应的物质资料，同时还为维持生物地球化学循环、生物多样性和地球生态系统的平衡与稳定提供重要支撑^［1］。长期以来人类对生态系统服务的认识不够全面，导致对生态环境不合理的开发利用，生态环境遭到严重破坏，全球范围内约占60%的生态系统服务正在处于退化或不可持续利用状态^［3］。近20 a来，生态系统服务功能受到前所未有的重视，联合国千年生态系统评估项目的落地、国际生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台的正式建立，以及多种生态修复工程的实施，有效推动在全球和各区域等不同尺度的生态系统服务研究。对于区域尺度而言，定量化评估其区域生态系统服务，研究不同生态系统服务间的权衡/协同关系，对于该区自然资源的合理配置利用及实现区域可持续发展具有极其重要的意义。

黄土高原位于黄河流域中游，地理条件复杂，植被覆盖度低，降水集中且多暴雨，长期受人类活动侵扰，面临着严重的生态环境退化问题，是世界上水土流失最严重的地区^［4］。多年来，为全面提高生态环境质量，该地区投入大量资源，实施一系列生态治理项目，尤其是自1999年我国启动退耕还林（草）工程后，黄土高原的植被覆盖情况得到显著恢复^［5］，下垫面情况发生深刻变化，导致各项生态系统服务在不同程度上发生改变^［6-7］。北洛河流域位于黄土高原腹地，跨越黄土高原主要的植被、土壤、气候和地貌类型区，也是全国水土流失重点防治区和治理区之一^［8］。全面深入的生态修复工程和措施，影响全流域的生态系统服务空间格局。不同的土地利用类型具有提供不同类型、数量、质量的生态系统服务的能力，必然对流域的生态系统服务及其权衡/协同关系产生重要影响。在当下“双碳”战略实施背景下，不仅要关注流域的水土资源保护，而且也要关注流域的碳固存^［9］。目前，对于北洛河流域的研究，大多见于黄河流域^［10］、黄土高原^［4］、渭河流域^［11］和陕西省^［12］等大尺度、短时段的分析，而基于精细化、多源数据、长序列的多重生态系统服务及其权衡/协同关系的研究较少，有待进一步深入研究。

基于上述背景，本文以黄土高原北洛河流域为研究区，综合利用1970—2020年6期土地利用/覆被数据、气象数据、土壤数据、数字高程模型（DEM）等多源数据，运用InVEST和CSLE等模型，定量评估分析产水量、土壤保持和碳储量3种典型关键生态系统服务的时空变化特征并揭示其不同时期的时空异质性，探讨多种生态系统服务之间的权衡/协同关系。研究结果可为多源数据基础下的长时间序列生态系统服务研究进行历史演变视角的判断和分析，为实现黄土高原地区资源的生态修复和可持续发展提供参考和理论依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

北洛河流域（34°39′55″~37°18′22″N，107°33′33″~110°10′54″E）是黄河二级支流，渭河一级支流，全长680.3 km，发源于陕西省定边县境内，自西北向东南，流经陕西省和甘肃省5个地（市）18个县（区），于大荔县三河口汇入渭河。流域总面积为2.69×10⁴ km²，海拔304~1 883 m（图1b），属暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温7.9~10.6 ℃，多年平均降水量512 mm，其中5—9月占全年降水量的76.2%，降水多以暴雨形式出现。流域土壤类型以黄绵土和风沙土为主，还分布有黑垆土、灰褐土和水稻土等土壤类型。流域地貌类型丰富多样，涵盖黄土高原的主要地貌类型。流域上游为黄土丘陵沟壑区，面积约占1/4，地形破碎，植被覆盖度低，是流域粗泥沙的集中来源地；中游包括高塬沟壑区和土石山林区，其中高塬沟壑区塬面平整，沟谷重力侵蚀活跃，面积约占流域面积的20%，土石山林区属暖温带落叶阔叶林区，包括子午岭林区和黄龙山林区，水土流失较为轻微，占流域面积的40%；下游为阶地平原区，地势平坦开阔，沟壑稀疏且发育较浅，侵蚀程度低。1970—2020年，流域内的土地利用类型始终以耕地、林地和草地为主。21世纪以前，耕地、林地和草地面积比例相对稳定，维持在1.0∶1.1∶0.6，耕地集中分布于阶地平原区和高塬沟壑区，林地主要分布在土石山林区和高塬沟壑区，草地分布在丘陵沟壑区。经过长期生态修复和水土流失治理后，尤其随着1999年后退耕还林/草工程的大力实施及多种生态修复工程的不断开展，该流域植被覆盖情况得到显著改善，全流域林地面积显著增加，迅速增长至2020年的58.7%。与此同时，耕地面积占比下降至22%，上游丘陵沟壑区和中游的高塬沟壑区的土地利用变化最为剧烈，严重的水土流失状况得到有效控制。

1.2 数据来源与处理

本研究使用的数据主要包括土地利用/覆被数据、气象数据、土壤数据、数字高程模型（DEM）等。数据来源为：

1）土地利用/覆被数据：来源于课题组积累，利用GEE平台提供的1985—2019年Landsat影像，参考《土地利用现状分类》标准，依据研究区土地利用现状和特点，划分为5种土地利用类型（耕地、林地、草地、水域和建设用地），选取相应样本点，训练随机森林模型进行土地利用分类。根据美国地质调查局（https：//earthexplorer.usgs.gov/）下载的KeyHole卫星图像，对80年代的土地利用数据进行修改，生成1970年土地利用图。经验证，数据整体精度在78%~84%，最终获得1970年、1980年、1990年、2000年、2010年、2019年6期分辨率30 m的土地利用数据集^［13］。根据土地利用变化情况，将6期土地利用划分为土地利用稳定期（1970—1990年）、过渡期（2000年）、生态恢复期（2010—2020年）3个时段。

2）气象数据：来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn），选取北洛河流域内及周边23个气象站点（图1a）的1965—2020年气象日值数据（包括降雨量、气温、气压、风速、相对湿度、日照时间等资料），运用Penman-Monteith公式估算站点潜在蒸散发量，参考第一次全国水利普查水土保持情况普查水力侵蚀普查^［14］中提出的冷暖季日降水量估算模型计算站点降雨侵蚀力。根据土地利用/覆被数据时间，同时为避免单一年份数据的突变性，以1965年数据为起点，以每10 a划分时间段并进行多年平均后，利用Kriging空间插值获取流域1970年代（1965—1974年）、1980年代（1975—1984年）、1990年代（1985—1994年）、2000年代（1995—2004年）、2010年代（2005—2014年）和2020年代（2015—2020年）的6期降水量、降雨侵蚀力及潜在蒸散发量数据。

3）土壤数据：来源于国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn）^［15］，空间分辨率为90 m，包括土壤厚度、土壤粉粒、土壤黏粒、土壤砂粒和土壤有机碳。利用周文佐^［16］提出的经验公式，分层计算植被可利用质量含水率，采用梯形计算法加权平均，得到最终植物可利用质量含水率。

4）数字高程模型（DEM）：陕西省部分（分辨率5 m）来源于陕西省测绘地理信息局。12.5 m分辨率DEM数据，数据范围为整个研究区，来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心。

以上栅格数据统一使用WGS_1984_UTM_Zone_49N投影，数据重采样为30 m。

2 研究方法

2.1 产水量估算

本研究采用InVEST模型中的Water Yield模块，基于水量平衡原理和Budyko水热耦合平衡假设，考虑气候、地形、土壤、植被等多种因素，评估栅格单元的产水能力，即栅格单元的产水量Y_x为该栅格单元年平均降雨量与年平均实际蒸散量的差值，计算公式为：

Y_x=(\mathrm{1}-\frac{\mathrm{A}\mathrm{E}{\mathrm{T}}_x}{P_x})\times P_x（1）

\frac{\mathrm{A}\mathrm{E}{\mathrm{T}}_x}{P_x}=\frac{\mathrm{1}+{\omega }_x{R}_x}{\mathrm{1}+{\omega }_x{R}_x+\mathrm{1}/R_x}（2）

{\omega }_x=Z\frac{\mathrm{A}\mathrm{W}{\mathrm{C}}_x}{P_x}+\mathrm{1.25}（3）

\mathrm{A}\mathrm{W}\mathrm{C}=\mathrm{M}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{t}.\mathrm{L}\mathrm{a}\mathrm{y}\mathrm{e}\mathrm{r}.\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{p}\mathrm{t}\mathrm{h},\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{o}\mathrm{t}.\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{p}\mathrm{t}\mathrm{h}\right)\times \mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{W}\mathrm{C}（4）

R_x=\frac{K_{cx}\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{0}}}{P_x}（5）

式中：Y_x为栅格单元x的年产水量，mm；\mathrm{A}\mathrm{E}{\mathrm{T}}_x为栅格单元x的年平均实际蒸散发量，mm；P_x为栅格单元x的年平均降雨量，mm；{\omega }_x为自然气候-土壤性质的非物理参数；R_x为Budyko干燥指数；Z为季节常数（ZHANG常数）。根据《陕西省水资源公报》数据进行率定，Z取14时，模型计算1970—2020年平均值与公报提供的数据平均值误差为1.3%，可以满足精度要求。\mathrm{A}\mathrm{W}{\mathrm{C}}_x为植被可利用含水量，mm，由植物可利用含水率（\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{W}\mathrm{C}）及土壤的最大根系埋藏深度和植物根系深度的最小值决定；K_{cx}为不同土地利用类型的作物蒸散发系数，是实际蒸散发量与参考蒸散发量的比值；\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{0}}为栅格单元x的参考蒸散发量。本文参考已有的相关研究^［17］确定模型运行所需的生物物理系数表。

2.2 土壤保持量计算

本研究采用充分考虑中国坡面侵蚀特点和治理土壤侵蚀所实施的生物措施、工程措施和耕作措施建立的中国土壤流失方程CSLE（Chinese Soil Loss Equation）^［18］来估算北洛河流域的土壤保持量，即土壤在没有植被覆盖和人为管理情况下的潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量二者之差，其计算公式为：

A=RKLSBET（6）

A_{\mathrm{p}}=RKLS（7）

A_{\mathrm{C}}=A_{\mathrm{p}}-A（8）

式中：A为单位面积内的实际土壤侵蚀量，t/（hm²·a）；A_{\mathrm{p}}为单位面积内的潜在土壤侵蚀量，t/（hm²·a）；A_{\mathrm{C}}为单位面积内的土壤保持量，t/（hm²·a）；R为降雨侵蚀力因子，（MJ·mm）/（hm²·h·a）；K为土壤可蚀性因子，（t·hm²·h）/（hm²·MJ·mm），采用第一次全国水利普查水土保持情况普查成果^［14］；L为坡长因子；S为坡度因子；采用“土壤侵蚀模型地形因子计算工具”^［19］，计算LS因子；B为植被覆盖和生物措施因子；E为工程措施因子；T为耕作措施因子。HE等^［20］研究表明，CSLE模型在本流域中的应用，决定系数R²达到0.89，NSE为0.72，作为本文公式中因子取值参考。

2.3 碳储量估算

InVEST模型中碳储量模块根据各个土地利用类型为基础评估单元，通过对地上生物量碳库、地下生物量碳库、土壤碳库和死亡有机物碳库这4种碳库的碳密度乘以各地类的面积并求和，最终得到北洛河流域的总碳储量。其计算公式为：

C_m=C_{m\_\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{o}\mathrm{v}\mathrm{e}}+C_{m\_\mathrm{b}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{w}}+C_{m\_\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}+C_{m\_\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{d}}（9）

C_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}={\displaystyle \sum _{m=\mathrm{1}}^n}{C}_m{A}_m（10）

式中：m为某一土地利用类型；C_m为土地利用类型m总的碳密度，t/hm²；C_{m\_\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{o}\mathrm{v}\mathrm{e}}为土地利用类型m的地上生物量的碳密度，t/hm²；C_{m\_\mathrm{b}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{w}}为土地利用类型m的地下生物量的碳密度，t/hm²；C_{m\_\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}为土地利用类型m的土壤碳密度，t/hm²；C_{m\_\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{d}}为土地利用类型m的死亡有机质的碳密度，t/hm²；A_m为土地利用类型m的区域总面积，hm²；C_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}为区域内总的碳储量，t，其中碳密度数据参考北洛河流域及黄土高原区域耕地^［21-22］、林地^［23］和草地^［17］等不同的碳密度研究成果^［24］。

2.4 生态系统服务权衡与协同关系分析

生态系统服务种类多样，在空间上也存在分布不均衡的问题。同时由于人类出于目的偏好选择使用生态系统服务，从而使生态系统服务之间出现此消彼长的权衡和相互增益的协同复杂关系。权衡是指某些类型生态系统服务的增加导致其他类型生态系统服务供给减少的状况，而协同则是指2种或多种生态系统服务同时增强或者同时减少的情形^［25］。

本文利用ArcGIS软件在北洛河流域内随机生成10 000个样本点，并提取各样本点对应的6期3种生态系统服务的估算值，并分别采用Min-Max标准化方法对提取值进行预处理（值域为［0，1］）以消除各生态系统服务间不同量纲的影响，随后运用Origin软件，利用Pearson相关系数法^［26］对1970—2020年北洛河流域和流域不同地貌区的6期产水量服务、土壤保持服务、碳储量服务3种典型生态系统服务的权衡与协同关系进行探讨，若2种服务之间的相关系数为正值，且通过显著性检验，则2种服务为协同关系；若为负值，二者则为权衡关系。

3 结果与分析

3.1 产水量时空变化特征

运用InVEST模型的Water Yield模块估算得到北洛河流域1970—2020年6期总产水量（图2 a）。流域总产水量在1970—2020年呈先增加后波动下降趋势，1970年代流域总产水量为7.56×10⁸ m³，1980年代分别大幅上升至14.11×10⁸ m³，达到最大值，增幅近1倍，2000年过渡期为研究期内最低，降至6.41×10⁸ m³，在接下来的生态修复期间，先上升后下降，最终达到2020年的6.98×10⁸ m³。相应的产水深，从1970年的28.11 mm上升至1980年的52.43 mm，而后下降至2020年的25.95 mm。

就不同土地利用类型而言，耕地产水总量总体虽呈下降趋势，但始终占比最大；草地产水总量由于其面积的减少而波动下降至1.41×10⁸ m³；林地产水总量则呈波动上升趋势，最终增加至1.65×10⁸ m³。建设用地产水总量在2000年前占比最小，约12.00%，在2000年后占比上升至约23.00%，是流域内建设用地面积扩张所导致。对于各时期不同土地利用类型的产水深而言，除水域之外，在4种用地类型中，建设用地的产水深始终保持最大，其次为耕地和草地，最小为林地。

1970—2020年北洛河不同地貌区产水深及产水量空间分布情况（图2b、图3）表明，流域产水深整体位于中游高塬沟壑区的洛川县、富县和下游阶地平原区的白水县、澄城县等，区域相对较高，向流域西北方向辐射递减。丘陵沟壑区和高塬沟壑区产水量高值区范围和强度均随时间逐渐缩减，但高塬沟壑区的减少幅度远大于丘陵沟壑区，其值分别减少约28.15%和4.22%，2020年二者接近；土石山林区的产水量也呈小幅下降趋势，于2020年降至17.26 mm；产水量增加的区域主要集中于阶地平原区，涨幅约40.64%。

3.2 土壤保持服务时空变化特征

基于CSLE模型估算北洛河流域1970—2020年6期土壤保持总量，其总体呈增加趋势（图4a）。该流域1970年的土壤保持总量约为267.40×10⁶ t，波动上升至2010年并达到最高值，约为458.17×10⁶ t，随后在2020年小幅下降至394.21×10⁶ t。研究期间，流域土壤保持总量共增加126.81×10⁶ t，增幅为47.4%；流域单位面积土壤保持量则从20世纪70年代的99.38 t/hm²波动增加至2020年的146.53 t/hm²。

流域主要的3种土地利用类型为林地、草地和耕地。林地的土壤保持总量占比在研究期间一直居高，增加量约102×10⁶ t，占总增长量的80.48%，草地的土壤保持总量有所降低，减少约4.15%。多年来，林地和草地的土壤保持总量约占流域总量的90%以上，表明2种土地利用类型在流域土壤保持方面起着主导作用；就耕地而言，其土壤保持总量仍呈明显波动提升趋势，2020年为32.78×10⁶ t，相较于1970年的5.71×10⁶ t增加约4.7倍。图4a为研究期间不同土地利用类型单位面积土壤保持量的变化。其中，林地远高于耕地，保持稳定波动；草地呈上升趋势，于2020年增加至159.17 t/hm²，逐渐接近于林地；耕地的土壤保持功能则大幅上升，由5.8 t/hm²上升至55.39 t/hm²。

1970—2020年北洛河流域土壤保持生态系统服务不同地貌区单位面积土壤保持量和流域空间分布格局见图4b和图5。单位面积土壤保持量整体呈中部东西两侧高、南北部低的空间特征，不同地貌区均表现出不同程度的增长。上游丘陵沟壑区2020年的单位面积土壤保持量较1970年明显提升，增加约1倍，达到152.97 t/hm²，但其西北部相对稳定，未有明显变化；高塬沟壑区的单位面积土壤保持量也显著增强，除该区域塬面的耕地外，其余部分均有不同程度的提升，总体约增加54.46 t/hm²；土石山林区的土壤保持功能则保持波动上升，2020年增加至183.89 t/hm²；阶地平原区北部的单位面积土壤保持量有所增加，总体保持小幅上升。

3.3 碳储量服务时空变化特征

运用InVEST模型的Carbon storage模块计算得北洛河流域6个时期的碳储量，分别为243.80×10⁶、243.25×10⁶、245.81×10⁶、272.75×10⁶、296.17×10⁶、302.52×10⁶ t，其单位面积碳储量分别为90.62、90.46、91.36、101.39、110.08、112.45 t/hm²（图6a）。在土地利用稳定期内，该地区碳储量相对保持稳定，之后呈增加状态。2020年较1970年增长24.09%，净增加58.72×10⁶ t，其碳汇功能和生态系统稳定性明显增强。

就不同地类的碳储量而言，林地、耕地、草地是流域重要的碳库。林地碳储量由1970年的163.09×10⁶ t持续增加至2020年的247.11×10⁶ t，上升约51.52%；草地和耕地的碳储量均随其面积减少而降低，2020年分别为25.60×10⁶ t和24.91×10⁶ t，减少29.51%和39.85%；建设用地的碳储量随着城市的扩张有所提升，从1970年的2.62×10⁶ t稳定增长至2020年的4.55×10⁶ t；水域碳储量在研究期间基本保持稳定，约为0.34×10⁶ t。

不同地貌区的单位面积碳储量变化见图6b。流域的单位面积碳储量和土壤保持量空间分布变化规律相似（图7）。21世纪90年代前，流域单位面积碳储量分布格局基本保持稳定，2000年后，丘陵沟壑区和高塬沟壑区的固碳能力明显增强，而位于丘陵沟壑区西北部的部分区域变化不大，高值区域始终集中于中游两侧的土石山林区，且其单位面积碳密度也有小幅增加；阶地平原区低值区面积增加，但单位面积碳储量保持稳定。

3.4 北洛河流域生态系统服务权衡/协同关系

对北洛河流域1970—2020年产水量、土壤保持和碳储量3种典型生态系统服务两两一组进行相关性分析，均通过显著性检验（p≤0.01）（图8）。北洛河流域产水量与土壤保持和碳储量之间相关系数均为负值，始终存在显著权衡的关系，同时产水量和碳储量的相关系数绝对值始终大于产水量和土壤保持，说明碳储量与产水量之间的权衡程度也始终大于土壤保持与产水量，而土壤保持和碳储量之间相关系数为正值，始终存在显著协同的关系。

研究期间，土壤保持与碳储量的相关系数呈现持续下降的趋势，绝对值由1970年的0.62下降至2020年的0.39，随着时间变化，其协同程度有所降低，可能是由于2000年后降雨增加，降雨侵蚀力增加，但碳储量变化相对较小；而产水量和碳储量的作用关系则呈小幅平稳波动，相关系数绝对值为0.25，其权衡程度变化不大；产水量和土壤保持的权衡程度变化幅度与产水量和碳储量类似，其相关系数绝对值为0.45~0.50，说明2组生态系统服务的权衡关系较为稳定。

同时根据流域不同的地貌区划分，提取地貌区内的样本点，分析不同地貌区内的权衡与协同关系（图9）。1970—2020年，除丘陵沟壑区2000年的产水量和土壤保持、阶地平原区1970年、1990年和2000年的产水量和土壤保持未通过显著性检验外，其余均通过显著性检验。

由图9可知，在4个地貌区中，土壤保持和碳储量之间始终为显著协同的关系，同时相关系数均呈不同程度的下降趋势，其中二者在高塬沟壑区和阶地平原区上的协同度高于其在丘陵沟壑区和土石山林区上的协同度。2000年前，不同地貌区内二者的协同程度均小于整个流域，而2000年后则有所不同，阶地平原区内二者的协同度始终大于整个流域。产水量和土壤保持之间的关系在4个地貌区中则各有不同，丘陵沟壑区于2010年后由协同向权衡转变，但权衡程度较低；高塬沟壑区和土石山林区的权衡程度相近，在2000年后均有所降低；在阶地平原区同样也表现出权衡的关系，且权衡度有所增加。丘陵沟壑区的产水量与碳储量之间的相关系数始终为负值，且表现出持续增加的趋势，2020年其绝对值上升至0.52，二者的权衡关系明显加强；高塬沟壑区内产水量与碳储量在研究期间始终表现出权衡关系，其程度波动起伏，小幅降低；土石山林区内二者的权衡程度相较于其他3个地貌区和整个流域来说最强，与高塬沟壑区一样均呈小幅降低趋势；阶地平原区则与高塬沟壑区和土石山林区完全相反，权衡程度有所上升。

4 讨 论

4.1 流域生态系统服务变化

从水量平衡角度，降水和蒸散发是影响水分供给的2个核心因素，直接影响流域产水能力和产水总量。北洛河流域产水总量1970—1980年急剧增加，可能与该时期降水量明显增加54.58 mm，而同期平均实际蒸散发量增加幅度较小有关。随着退耕还林工程的实施，虽然降水量有波动增加，但1990—2020年流域总产水量呈波动降低趋势。丘陵沟壑区林地面积增加幅度最为显著，相较于1970年，虽然后期降雨大幅增加，但其产水量仍表现为降低趋势。而在降雨量前后未有明显变化的情况下，由于林地面积的增加，高塬沟壑区产水量显著下降。由于建设用地的扩张，在降雨量减少的情况下，阶地平原区的产水量有所增加，与孙小银等^［27］分析结果基本相同。就不同土地利用类型的产水深来说，其产水深的波动变化与不同时期的降水量和蒸发量关系密切。

1970—2020年，流域的土壤保持服务得到显著提升，丘陵沟壑区和高塬沟壑区增长尤为明显，说明2000年后推动流域林地面积大量增加的退耕还林工程和梯田等一系列水土保持治理措施的实施，有效减少地表产沙，对提升土壤保持功能有明显的促进作用，与周杰等^［28］和张琨等^［5］的研究结果吻合。就不同土地利用类型而言，林、草地的土壤保持能力相对最强。植被可以固结土壤，提升土壤团聚体结构的稳定性并改良土壤结构。草地和地表枯枝落叶层能够有效缓冲降水对黄土的直接击溅和冲刷^［29］。林木冠层在截留降水和降低降水强度等方面也发挥重要作用。

流域碳储量服务在土地利用稳定期保持相对稳定。在退耕还林工程实施后，由于土地利用类型的转移以碳密度低的耕地向碳密度高的林地转化为主，植被显著恢复，流域土地利用结构的变化促使碳储量表现出持续增加的态势，流域的固碳能力显著提升，与土壤保持变化范围和趋势类似。上游的丘陵沟壑区和中游的高塬沟壑区由于林地面积的扩张而增加明显，碳储量的变化与土地利用变化关系密切，姚楠等^［30］和安健吉等^［31］的研究表现出相似的结果。而阶地平原区内的碳储量低值区面积增加是城市化的推进和建设用地面积扩张所导致。

4.2 流域生态系统服务权衡/协同关系

在流域尺度上，土壤保持和碳储量之间存在显著协同关系。林地发挥着吸收储存二氧化、释放氧气、固持土壤和减少水土流失的作用，随着植被覆盖度的提高，不仅提升土壤保持效益，流域的固碳能力也随之提升，庞彩艳等^［32］在黄河上游的研究具有相同的结论。产水量与土壤保持之间存在显著权衡的关系，是由于土壤侵蚀的过程和地表产流产沙关系密切，径流的增加可能带走更多的泥沙，但在祁连山地区内，产水量与土壤保持之间呈显著的协同关系^［33］，究其原因可能是在气候，土壤及人类活动等方面存在差异。产水量与碳储量之间也表现出显著的权衡关系，植被的增加直接导致需水量变大，截留降水作用加强，进而产水能力降低，流域碳储量增加，与陈登帅等^［34］研究结果相同。

在地貌区尺度上，生态系统服务间的差异主要表现在产水量和土壤保持之间，2000年前丘陵沟壑区内二者表现为协同关系，而其余地貌区内二者则主要为权衡关系，随后二者在丘陵沟壑区内又转为显著权衡的关系，但权衡程度相对较低，其转变原因还有待进一步深入探究。

4.3 不足与展望

本研究存在一定的不足，产水量和碳储量相关参数的设置参考已有文献资料获得，可能与研究区域实际情况有所不同，导致研究结果存在着一定的不确定性，其中，Z常数的取值后续可考虑根据流域实际气候情况进行分区取值。土壤保持服务则由于CSLE模型模拟的局限性，存在着在部分地区模拟精度较低的情况，但整体来说模拟精度良好。除此之外，仅对6期产水量、土壤保持和碳储量3种生态系统服务进行评估，并研究两两之间的权衡和协同关系，对连续时序下的生态系统服务的动态变化和驱动因素研究不够。下一步拟将深入探讨连续时间序列下生态系统服务的变化，及权衡协同关系转变的内在原因，加强对北洛河流域生态系统服务的全面评估，并为流域的可持续协调发展提出更为有效和灵活的管理策略及自然资源配置建议。

5 结 论

1）北洛河流域总产水量在研究期间表现出先增加后波动下降的趋势，2000年降至最低。1970—1990年的土地利用稳定期，其产水总量的年代际平均值为10.16×10⁸ m³（37.75 mm），2000年的过渡期降低36.9%，而2010—2020年的生态恢复期的平均值则相较于第1时期降低25.53%。主要土地利用类型中，耕地产水总量和产水深始终保持最大，林地的产水深最小。研究区产水量呈现中下游向西北递减的格局。高塬沟壑区产水量减少幅度最大，阶地平原区产水量增加。

2）1970—2020年，土壤保持总量波动增加，2010年达到最高值。第1时期的土壤保持总量的年际平均值为305.62×10⁶ t（113.57 t/hm²），过渡期上升至364.52×10⁶ t，生态恢复的第3时期年际平均值显著上升至426.19×10⁶ t（157.75 t/hm²），较第1时期增加38.9%，主要原因是林地面积的增加。流域单位面积土壤保持能力显著上升，林地保持能力远高于耕地，梯田等工程措施的建设使耕地土壤保持功能大幅提升。流域中部的林区土壤保持量较高，南北部较低。不同地貌区土壤保持量均明显增长，尤以丘陵沟壑区和高塬沟壑区增加显著。

3）流域总碳储量整体呈先稳定后持续增加趋势，2000年的过渡期后开始显著增长，第3时期较第1时期增长24.09%。作为主要碳库，林地碳储量显著增加，而草地和耕地碳储量随面积减少而降低。单位面积碳储量空间分布与土壤保持量相似，第1时期内保持稳定，随后丘陵沟壑区和高塬沟壑区固碳能力明显增加。

4）流域产水量、土壤保持和碳储量3种生态系统服务之间存在显著的相关性（p≤0.01）。产水量与碳储量和土壤保持之间存在显著的权衡关系，且与碳储量的权衡程度大于与土壤保持的权衡程度。而土壤保持与碳储量之间则表现出显著的协同关系。土壤保持和碳储量的协同程度随着时间而下降，产水量和土壤保持，及其与碳储量之间的权衡关系变化均比较稳定。不同地貌区协同与权衡关系程度有差别，但总体上与整个流域保持一致。

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