生态系统服务是生态系统形成并维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用^[1]，各类生态系统服务在自然规律约束和人类活动影响下往往存在复杂的协同/权衡关系^[2]。土壤保持、水源涵养是与区域水土保持密切相关的2项生态系统服务功能：生态系统通过水源涵养功能截留、蓄积降水，调节水文循环，提供植被需水量^[3]；良好的植被覆盖具有土壤保持功能，从而减少水土流失^[4]。土壤保持、水源涵养功能协同提升有利于增强水土保持治理效果；二者的权衡关系则意味着土壤保持量与水源涵养量反向变化，是开展退耕还林、植被营造等生态工程时需要关注和解决的重要问题^[5]。探究生态系统土壤保持、水源涵养功能相互关系的时空特征及影响因素，可为生态保护工程规划提供科学依据。

近年来，不同生态系统服务之间的协同/权衡关系正在成为相关领域研究热点。借助统计分析、空间制图、模型模拟、情景分析等方法^[6]，学者们对生态系统服务协同/权衡关系的时空格局^[7]、尺度效应^[8]、驱动因素^[9]、类型特征^[10]等方面进行研究。土壤保持、水源涵养作为2项重要的生态系统服务功能，其相互关系得到广泛关注。陕北地区位于黄土高原中部，生态环境脆弱, 是我国水土流失最为严重的地区之一。1999年退耕还林工程实施以来，陕北地区林地、草地面积增加，生态系统服务功能显著提升^[11-12]。现有研究主要从区域尺度或行政单元尺度分析陕北地区生态系统土壤保持、水源涵养功能变化情况，而二者在不同流域、用地类型、土壤类型等小尺度地理单元上的协同/权衡关系及其影响因素有待深入探讨^[13-14]。为此，笔者基于遥感数据、气象站点监测数据，选取2000、2010、2018年3个时间节点，分析陕北地区不同空间尺度的土壤保持、水源涵养协同/权衡关系及其影响因素，旨在为陕北地区未来生态保护提供参考。

陕北地区位于E 107°15′~110°15′、N 35°02′~39°35′之间，处于黄土高原中部地带，由榆林、延安2个地级市构成，共23个县2个市辖区，总面积7.99万km²(图 1)。陕北地区地貌复杂，西北部是黄土丘陵与毛乌素沙地过渡地带，东南部为黄土高原，西部为白于山黄土丘陵，东北部是以梁峁地形为主的黄土丘陵，南部为黄龙山、劳山、子午岭沿线山地林区^[15]。陕北地区是黄土高原与鄂尔多斯高原、暖温带半湿润季风气候与温带大陆性季风气候的过渡区，处于农牧交错地带，气候、植被、地貌过渡性明显。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置 Fig. 1 Location of the study area

采用修正通用土壤侵蚀方程(RUSLE)计算潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量，二者之差即为土壤保持量^[16]，计算公式为：

式中: A_p为潜在土壤侵蚀模数，t/(hm²·a)；A_r为实际土壤侵蚀模数，t/(hm²·a)；A_c为土壤保持量，t/(hm²·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm²·h/(hm²·MJ·mm)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm²·h·a)；L为坡长因子；S为坡度因子；C为地表植被覆盖因子；P为土壤保持措施因子。L、S、C、P量纲均为1。

采用水量平衡法计算生态系统水源涵养量，该方法着眼于水量的输入和输出，综合考虑降雨、蒸散和径流特征的影响^[17]，计算公式为：

式中：Q为水源涵养服务的功能量，m³；P_i为降雨量，mm；R_i为地表径流量，mm；E_i为蒸散发量，mm；A_i为不同土地利用类型的面积，m²；α_i为不同土地覆被类型的平均地表径流系数(表 1)^[17-18]；i为第i种土地覆被类型。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同土地覆被类型的地表径流系数 Tab. 1 Surface runoff coefficient of different landcover types 土地覆被类型 Landcover type 地表径流系数 Surface runoff coefficient 农田Farmland 0.18 森林Forest 0.03 灌丛Shrub 0.04 草地Grassland 0.09 湿地、水域Wetland and waters 0 荒漠Desert 0.70 建设用地Built-up land 0.90

表 1 不同土地覆被类型的地表径流系数 Tab. 1 Surface runoff coefficient of different landcover types

采用相关分析法研究土壤保持、水源涵养功能间的协同/权衡关系。由于植被覆盖程度、降雨量能够同时影响生态系统土壤保持、水源涵养功能^{[3, 17]}，将归一化植被指数(NDVI)、降雨量作为控制变量计算生态系统土壤保持量、水源涵养量的偏相关系数，并以偏相关系数表征协同/权衡度^[7]。为分析土壤保持、水源涵养功能相互关系的空间尺度依赖性及其影响因素，对不同空间尺度上的偏相关系数分别进行计算。通过分析各用地类型、土壤类型、坡度分级的偏相关系数及其变化，探讨用地变化、土壤类型、坡度等对协同/权衡关系的影响；并通过多项式回归方法研究降雨量、植被覆盖变化对生态系统土壤保持、水源涵养功能相互关系的非线性影响。

土地利用类型数据来源于资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)中国多时期土地利用土地覆被遥感监测数据集(CNLUCC)，包括2000、2010和2018年3期，空间分辨率1 km。土壤质地来源于国家冰川冻土沙漠数据中心(http://www.cryosphere.csdb.cn)基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集(v1.1)。实际蒸散发量来源于MODIS全球蒸散发产品MOD16 (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)，空间分辨率500 m。降雨量来源于国家气象科学中心(http://data.cma.cn)站点监测数据，采取克里金插值法得到连续栅格数据。归一化植被指数(NDVI)来源于资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)中国年度植被指数空间分布数据集。海拔来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn) SRTMDEM 90 m分辨率高程数据。为保证空间数据精度的一致性，采用ArcGIS重采样工具将不同来源数据统一重采样为500 m空间分辨率栅格参与计算。

如图 2所示，2000—2018年，陕北地区土壤保持功能量和水源涵养功能量均有增加。单位面积土壤保持量由226.2增加至237.1 t/hm²，土壤保持总量由18.07亿增加至18.77亿t。土壤保持量增加面积比例为53.06%，主要分布于陕北地区中部黄土丘陵地带。该区域也是植被营造和退耕还林(草)工程的重点区域。单位面积水源涵养量由105.3增加至107.7 mm，水源涵养总量由84.13亿增加至86.05亿m³。水源涵养量增加面积比例为49.92%，增加区域主要分布于南部黄龙山、子午岭林区。

图 2(Fig. 2)

图 2 陕北地区土壤保持和水源涵养量功能变化特征 Fig. 2 Variation characteristics of soil conservation and water conservation in northern Shaanxi

从不同流域的水源涵养、土壤保持量分布情况来看，位于陕北地区南部的宜川河、云岩河、北洛河流域得益于较高的降水量和良好的植被覆盖状况，平均土壤保持量和水源涵养量均较高；而秃尾河流域、鄂尔多斯内流区由于处于黄土丘陵植被稀少地带，土壤、地形保水条件差，易发生水土流失，土壤保持量和水源涵养量均较低。2000—2018年，陕北地区各流域土壤保持量主要呈上升趋势；黄河干流区、北洛河、清涧河、云岩河、宜川河等流域水源涵养量持续上升，而窟野河、秃尾河、佳芦河、鄂尔多斯内流区、无定河等流域水源涵养量略有降低，减少量在10~20 mm之间。

在整个陕北地区尺度上，2000、2010和2018年土壤保持和水源涵养相关系数分别为0.071、0.078和0.170，表现为微弱的协同关系，且协同关系有所增加(图 3)。在流域尺度上，黄河干流区、鄂尔多斯内流区、北洛河流域土壤保持和水源涵养功能显著正相关，其中鄂尔多斯内流区、北洛河流域在3个研究时间节点上协同性呈现逐渐增强趋势。秃尾河流域、佳芦河流域土壤保持、水源涵养功能主要为负相关(权衡关系)。其中秃尾河流域在2000、2010和2018年3个时间节点上均表现为权衡关系；佳芦河流域在2000、2010年为权衡关系但权衡关系逐渐减弱，2018年权衡关系转变为协同关系。

图 3(Fig. 3)

**表示相关系数在0.05水平上显著，*表示相关系数在0.1水平上显著，下图同。 ** indicates that the correlation coefficient is significant at the level of 0.05, * indicates that the correlation coefficient is significant at the level of 0.1, the same in the figures below. 图 3 不同流域的土壤保持和水源涵养功能的协同/权衡度 Fig. 3 Synergy/trade-off relationships of soil conservation and water conservation in different basins

2000—2018年，陕北地区土地利用发生较大转变，主要表现为耕地面积减少以及林地、草地、建设用地面积增加(表 2)。偏相关分析结果(图 4)表明陕北地区耕地的土壤保持、水源涵养功能呈现出协同性波动增长态势；草地、林地均呈现权衡减弱协同增强的态势；建设用地、荒漠地区土壤保持、水源涵养功能之间无显著相关性；由耕地转为草地地区协同关系增强但并不显著，由耕地转为林地地区协同关系明显增强。此外，由耕地转为草地、林地的地区，土壤保持量、水源涵养功能量有不同程度的增加，退耕还林、林地生态保护等措施有利于水源涵养、土壤保持功能的协同上升(图 5)。

表 2(Tab. 2)

表 2 2000、2010和2018年各类土地利用类型面积及比例 Tab. 2 Areas and proportions of various land use types in 2000, 2010 and 2018 用地类型 Land use type 2000 2010 2018 面积 Area/km2 比例 Proportion/% 面积 Area/km2 比例 Proportion/% 面积 Area/km2 比例 Proportion/% 耕地Farmland 28 373.66 35.51 25 918.52 32.80 24 610.49 31.17 林地Forestland 12 555.77 13.84 13 406.32 14.90 14 005.32 15.65 草地Grassland 33 068.77 43.26 34 716.86 44.95 35 409.77 45.69 建设用地Built-up land 453.65 0.57 861.42 1.08 1173.78 1.49 水域Wetland 580.50 0.73 576.23 0.73 578.84 0.74 荒漠Desert 4 707.23 5.89 4 283.54 5.36 4 011.33 5.09 其他用地Other lands 170.46 0.21 147.15 0.18 120.51 0.16

表 2 2000、2010和2018年各类土地利用类型面积及比例 Tab. 2 Areas and proportions of various land use types in 2000, 2010 and 2018

图 4(Fig. 4)

图 4 土地利用及其变化对土壤保持和水源涵养协同/权衡关系的影响 Fig. 4 Influences of land use and its change on synergy/trade-off relationships between soil conservation and water conservation

图 5(Fig. 5)

图 5 土地利用及其变化对土壤保持和水源涵养量的影响 Fig. 5 Influences of land use and its change on soil conservation and water conservation

坡度 < 2°区域土壤保持与水源涵养功能的协同关系最强，坡度>25°区域呈现出协同关系逐渐增强趋势，而坡度15°~25°地区协同减弱权衡增强(图 6)。坡度是黄土高原退耕还林相关研究共同关注的热点因素^[3]，本文中坡度15°~25°地区土壤保持、水源涵养功能权衡关系加强的结果与已有研究结论^[14]相一致。坡度>25°地带是退耕还林、生态营造的重点区域，良好的生态措施促进生态系统土壤保持与水源涵养功能的相互协调；坡度6°~25°地带虽然坡度相对较大，易于发生水土流失，但不属于必须进行退耕还林的区域，该区域生态工程受农民生活、粮食安全和生态环境的多重影响而无法实现坡耕地全部退耕^[19]，生态保护措施相对较弱，导致协同关系在较低水平波动或下降。从土壤类型对协同/权衡关系的影响来看，壤土、黏壤土得益于相对适中的透水和保水能力，在植被覆盖改善的背景下土壤保持与水源涵养功能协同增强，且协同性高于砂土、黏土地区。

图 6(Fig. 6)

图 6 坡度、土质条件对土壤保持、水源涵养协同/权衡关系的影响 Fig. 6 Influences of slope and soil conditions on synergy/trade-off relationships between soil conservation and water conservation

多项式回归结果表明，NDVI与协同关系的拟合曲线为先促进后抑制的“倒U型”(图 7)，植被覆盖条件的改善在流域平均NDVI < 0.7时有利于土壤保持、水源涵养功能协同性的提升，随着植被覆盖继续增加，土壤保持和水源涵养功能协同减弱权衡增强。年降雨量对土壤保持、水源涵养协同关系的影响表现为微弱促进作用，值得注意的是该结论受本文时间尺度的限制而存在局限性：在短时强降雨或年降雨量继续增加的情况下，尽管水源涵养功能增强，但降雨侵蚀力的作用可能导致水土流失加重^[20]，使生态系统土壤保持和水源涵养功能协同减弱权衡加强。

图 7(Fig. 7)

图 7 NDVI、降雨对土壤保持、水源涵养协同/权衡关系的影响 Fig. 7 Impacts of NDVI and rainfall on synergy/trade-off relationships between soil conservation and water conservation

1) 2000—2018年陕北地区土壤保持量与水源涵养量均有所增加。在陕北地区尺度上，生态系统土壤保持、水源涵养功能主要表现为协同关系，且协同程度有所上升。在流域尺度上，黄河干流区、鄂尔多斯内流区、北洛河流域土壤保持量、水源涵养量为协同关系，而秃尾河流域、佳芦河流域为权衡关系。

2) 退耕还林以来陕北地区土地利用变化使土壤保持、水源涵养功能协同关系增强；坡度>25°地区为退耕还林重点区域，协同关系呈增势趋势；坡度15°~25°地区易发生水土流失且难以实现坡耕地全部退耕，土壤保持、水源涵养功能呈协同减弱权衡增强趋势；壤土、黏壤土地区2类生态服务功能协同关系的程度高于砂土、黏土地区。

3) 在陕北地区流域尺度上，降雨量增加对土壤保持、水源涵养协同关系的影响表现为微弱促进作用，植被覆盖对土壤保持、水源涵养协同关系的影响表现为“倒U型”作用：在流域平均NDVI < 0.7时，植被覆盖程度增加有利于土壤保持、水源涵养功能协同性的提升；当植被覆盖程度继续增加时，协同关系则呈下降趋势，并逐渐转为权衡关系。

不同生态系统服务之间存在着复杂相互关系，根据不同因素对研究区域进行降尺度划分并研究生态系统服务功能间相互关系，有助于认识不同生态服务功能协同/权衡关系的形成原因。通过分析各流域2000、2010、2018年协同/权衡关系与NDVI、降水量的拟合曲线，可知植被覆盖条件改善对土壤保持、水源涵养协同程度起到了先促进后抑制的“倒U型”作用，推测出现该现象的原因为：在植被营造初期，植被根系对土壤的固定作用有利于降低土壤可蚀性、增加降水入渗，冠层对降水的截留作用减小降雨侵蚀力^[21]，导致土壤保持量和水源涵养量同时增加，协同程度增强；随着植被覆盖条件继续改善，植被生态需水量和叶面蒸腾量的增加^{[13, 22]}抵消对水源涵养的提升作用，此时生态系统植被的土壤保持功能继续提升，而水源涵养功能则保持稳定甚至下降，土壤保持与水源涵养功能间的协同关系减弱下降。因此，陕北地区未来植被营造应在当地水资源承载力能够容纳的范围内进行；对于已退耕还林地区，可通过调查土壤水资源条件和不同植物需水特性，改善植被树种结构，促进生态系统土壤保持和水源涵养功能协同提升。