基于生态系统服务的流域分区规划与管理——以于桥水库流域为例.pdf

Journal of Agricultural Resources and Environment农业资源与环境学报 2023,40（5）:1028-1039http:/Watershed zoning and management based on ecosystem services：a case study of Yuqiao Reservoir watershedZHANG Haiyang1,2,YANG Yanying1,3*,LIU Kai1,2,ZHOU Bin4,SU Deyue5,MA Cheng1,2,SHI Rongguang1,3*（1.Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Tianjin 300191,China;2.Graduate School ofChinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China;3.Key Laboratory for Environmental Factors Control of Agro-ProductQuality Safety,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Tianjin 300191,China;4.Tianjin Academy of Eco-Environmental Sciences,Tianjin 300191,China;5.Tianjin Yuqiao Reservoir Management Center,Tianjin 300074,China）Abstract：Quantifying the spatial distribution pattern of key ecosystem services(ESs),analyzing the trade-offs among ESs,and zoning theecological functions are important for achieving fine-grained management of the watershed.This study simulated the spatial distribution ofsix key ESs,including grain yield,nitrogen export,phosphorus export,carbon sequestration,water yield,and soil retention of the YuqiaoReservoir watershed in 2020,which is a typical interprovincial agricultural watershed in the Beijing TianjinHebei region using theInVEST model.Spearman correlation was used to judge the trade-offs and synergies among ESs.Watershed zoning was decided using K-基于生态系统服务的流域分区规划与管理以于桥水库流域为例张海洋1，2，杨琰瑛1，3*，刘凯1，2，周滨4，苏德岳5，马成1，2，师荣光1，3*（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081；3.农业农村部农产品质量安全环境因子控制重点实验室，天津 300191；4.天津市生态环境科学研究院，天津 300191；5.天津市于桥水库管理中心，天津300074）收稿日期：2023-02-17录用日期：2023-07-11作者简介：张海洋（1998），男，河北沧州人，硕士研究生，从事农业生态与面源污染治理研究。E-mail：*通信作者：杨琰瑛E-mail：；师荣光E-mail：基金项目：中国农业科学院科技创新工程（2023-CAAS-CXGC-SRG）；国家自然科学基金项目（42001264）Project supported：Funds for Science and Technology Innovation Project of the Chinese Academy of Agricultural Sciences（2023-CAAS-CXGC-SRG）；TheNational Natural Science Foundation of China（42001264）摘要：量化关键生态系统服务的空间分布格局，分析生态系统服务间权衡协同关系，对流域环境进行生态功能的规划分区，将有助于实现流域精细化管理。本研究以典型跨省市农业流域于桥水库流域为例，借助InVEST模型对2020年流域内农业和环境的6种关键生态系统服务（粮食产量、氮输出、磷输出、固碳量、产水量和土壤保持）进行模拟，分析其空间分布特征，然后采用Spearman相关系数法判断生态系统服务间的权衡与协同关系，最后运用K-means聚类法识别生态系统服务簇，根据生态系统服务簇的特征对流域进行分区规划，并提出差异化管理措施。结果表明：产水量高值区主要分布在流域中北部地区，粮食产量、氮输出、磷输出的高值区主要分布在流域中南部，土壤保持和固碳服务的高值区则主要分布在流域的西北部。氮输出、磷输出与粮食产量，土壤保持与固碳服务互为协同关系（P0.01），而粮食产量服务与土壤保持服务间存在较强的权衡关系（P0.05）。根据子流域的生态系统服务特征，将于桥水库流域划分为粮食生产区、水源保护区、森林生态区和综合发展区4个功能区，分别占流域面积的22.32%、18.69%、29.30%和29.67%。最后，针对各分区内不同情况，提出了相应的管理措施建议，并建议今后将管理重心放在水库北岸的生态治理和区域内的农业面源污染治理。关键词：生态系统服务；权衡；协同；流域规划；水源保护；于桥水库中图分类号：X321文献标志码：A文章编号：2095-6819（2023）05-1028-12doi:10.13254/j.jare.2023.0077张海洋，杨琰瑛，刘凯，等.基于生态系统服务的流域分区规划与管理以于桥水库流域为例J.农业资源与环境学报,2023,40（5）:1028-1039.ZHANG H Y,YANG Y Y,LIU K,et al.Watershed zoning and management based on ecosystem services：a case study of Yuqiao Reservoir watershedJ.Journal of Agricultural Resources and Environment,2023,40（5）:1028-1039.2023年9月http:/张海洋，等：基于生态系统服务的流域分区规划与管理以于桥水库流域为例生态系统服务是指人类直接或间接从自然生态系统中获得的各种物质或精神上的惠益1-2。随着社会经济发展速度的提高和人类活动强度的增加，流域生态系统受到的影响越来越大，生态环境逐渐恶化3。对生态系统服务进行有效的评价与管理，将有助于生态系统的可持续发展4-5。量化生态系统服务的时空分布，能够明确流域生态系统服务的空间分布特点，优化空间布局，常用的评价方法有当量因子法6、能值转化法7和生态模型法8等。其中，生态模型法随着近些年 3S 技术的发展而得到了广泛的应用。生态模型能够定量评估流域生态功能时空分布特征，分析多种类型因素变化对生态系统服务功能的影响机制，对生态系统服务演变进行分析与预测9-10，突破传统价值评估方法无法表征生态功能空间分布情况的局限性11。生态系统服务的多样性和空间分布的差异性，加之人类活动的影响，很容易造成区域生态系统的不稳定、不平衡，因此有必要进行合理的空间规划，以提高资源利用率，支撑社会经济发展，促进生态文明建设12。1976年，美国生态学家Bailey13首次提出了基于生态系统角度的区划，此后，关于生态系统服务区域划分的研究逐渐增多14。我国在20世纪末才开始对生态系统服务功能分区研究给予重视15。生态系统中往往存在着多种服务之间的权衡或协同关系16，一种生态系统服务的增强会导致另一种服务的增强或减弱17。如粮食产量与水质净化间会存在较强的权衡关系，因为粮食生产过程中肥料使用量的增加会导致土壤中更多营养物质随地表径流进入水体18；林地面积的增加则会提升流域的固碳量，但同时也会减少径流的产生，即产水量下降19。生态系统服务簇能够识别生态系统中不同分区的主导服务，它是指一系列在时间和空间上不断重复出现的生态系统服务20，可以为管理不同类别的区域提供足够的权衡信息。目前多采用K-means聚类分析法21、自组织特征映射网络法（SOFM）22、主成分分析法（PCA）23和空间自相关分析法24等识别生态系统服务簇，以便对研究区进行生态功能分区。学者们在大量的深入研究下，取得了丰富成果25-27，Gong等28利用K-means聚类方法将甘肃白龙江流域划分为 5 个生态功能分区；闫晓露等29使用自组织神经网络方法将大连市划分为4类服务簇；Lin等30借助K-means聚类分析对西南三江流域进行了生态系统服务簇的识别；李慧蕾等31使用自组织特征映射网络对内蒙古自治区进行了生态功能区划分；生态系统服务间的权衡协同关系与服务簇识别存在尺度效应21，然而由于小尺度上数据获取难度较大，当下所研究的多为行政区域和大流域尺度32-35，小流域尺度的划分研究较为有限。因此本研究尝试在小流域尺度上对不同生态系统服务的空间分布及权衡/协同特征进行研究，在此基础上对流域的生态功能区进行划分，进而加强流域的生态管理。于桥水库是引滦入津工程中重要的调蓄水库，是国家级重要饮用水水源地，也是南水北调前天津市唯一的饮用水源地，其生态环境状况备受关注。有研究显示，流域内存在着较为严重的面源污染问题，对水质及生态环境产生了一定的影响，并且农业发展与水质保护关系极不平衡36-37。近些年，对该流域的研究多为水质38-39和景观格局40-41等角度的分析，尚缺少对整体流域生态系统服务功能角度的分区管理探究。鉴于此，本研究以于桥水库流域为研究对象，利用InVEST模型对整个流域的粮食产量、氮输出、磷输出、固碳量、产水量和土壤保持6项生态系统服务功能进行评估，分析各项生态系统服务的空间分布差means clustering to identify the ES bundles.Suggestions for appropriate management were proposed accordingly.The results showed thatthe six ESs showed distinct spatial patterns in the Yuqiao Reservoir watershed.Water yield was mainly located in the central urban andnorthern mountainous areas.Grain yield,nitrogen and phosphorus exports were mainly distributed in the central and southern plains.Soilretention and carbon storage occurred mainly in the northwestern mountainous area.Synergies were found among nitrogen export,phosphorus export,and grain yield（P0.01）.soil retention and carbon sequestration were also showed synergistic（P0.01）.While,therewas a strong trade-off between grain yield and soil retention（P0.05）.The Yuqiao Reservoir watershed can be divided into four districtswith different ES bundles in 2020:grain production zone,water source protection zone,forest ecological zone,and comprehensivedevelopment zone,accounting for 22.32%,18.69%,29.30%,and 29.67%of the watershed,respectively.In the future,watershedmanagement should focus on the ecological management of the north bank of the reservoir and control of the agricultural nonpoint sourcepollution.Keywords：ecosystem services;trade-offs;synergies;watershed planning;water resource protection;Yuqiao Reservoir 1029http:/农业资源与环境学报 第40卷 第5期 乡村环境规划与管理专刊异，以此为基础探究生态系统服务之间的权衡协同关系，并利用生态系统服务簇对研究区进行生态功能区划分，以期为流域规划和管理提供决策依据。1研究区概况于桥水库流域（39564023N，1172611812E）位于天津市北部与河北省交界处，流域总面积约2 060 km2，包括淋河、沙河和黎河3条主要河流，是京津冀的重要生态屏障（图1）。其流域面积位于河北省的面积约占78%，涉及唐山市遵化市、玉田县和迁西县，承德市兴隆县和天津市蓟州区。流域地形自西北向东南倾斜，西北和北部为山地地区，中部为平原区，南部和东南地区为低山丘陵区。土地利用类型以耕地、林地为主。农业是该流域主要的支柱产业，但流域整体经济发展水平不高，是典型的农业流域。气候类型为温带大陆季风半湿润气候，年平均气温1013，年平均降雨655.5 mm。土壤类型主要为褐土，植被类型多种多样，其中灌木林分布最多。2材料与方法2.1 数据来源本研究采用2020年土地利用遥感监测数据，精度为30 m30 m，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https：/ QuickBird卫星，精度为37.5 m37.5 m。土壤最大根系深度数据和土壤有机质含量数据来源于国家地球科学数据中心-土壤分中心的二普土种剖面数据42。土壤质地数据与气象数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https：/ 研究方法2.2.1 生态系统服务评估本研究利用于桥水库流域数字高程（DEM）数据，借助GIS Hydrology功能提取得到流域边界和79个子流域，并根据以往的研究，将河网流量阈值调整为10 000，为避免模型运行时间过长，通过编辑器功能，结合河网分布情况，最终将子流域合并为26个。本研究利用InVEST模型对研究区进行生态系统服务评估，基于 2020年土地利用数据，划分出 26个子流域，并选取Water yield、Sediment delivery ratio（SDR）、Nutrient delivery ratio（NDR）、Crop production（percentile）和Carbon 5个模块，分别对于桥水库流域内产水量、土壤保持、氮输出、磷输出、粮食产量和固碳量6种生态系统服务进行模拟。图1 研究区地理位置及土地利用图Figure 1 Geographical location and land use of the study area耕地林地草地水域城镇用地农村居民点裸地0510 kmN 10302023年9月http:/张海洋，等：基于生态系统服务的流域分区规划与管理以于桥水库流域为例（1）产水量Water yield模块是一个简化的水循环模型，基础公式为：Yxj=()1-AETxjPxj Pxj（1）式中：Yxj为第j类土地利用类型栅格x的产水量，mm；AETxj为第j类土地利用类型栅格x的每年实际水分蒸发量，mm；Pxj为第j类土地利用类型栅格x的年降雨量，mm。（2）水土保持SDR模块的原理是模拟陆地表面沉积物的产生以及沉积物向河流的运移，对传统通用土壤流失方程进行修正后，公式43为：USLEx=Rx Kx LSx Cx Px（2）式中：Rx为降雨侵蚀力因子；Kx为土壤可侵蚀性因子；LSx为坡度坡长因子；Cx为覆被管理因子；Px为措施因子。Cx和Px参考以往研究44-47进行整理。（3）水质净化NDR模块用于估算一定区域内氮、磷的输出量，原理为分别计算研究区地上部分和地下部分氮和磷的输出量，两部分之和即为氮、磷的输出总量。氮、磷的输出量越大，水质净化功能就越弱。地上部分养分运移率计算公式为：NDRi=NDR0,i1+exp()ICi-IC0k-1（3）式中：NDR0,i是i栅格中未被下游栅格所截留的养分比例；ICi是栅格i的地形指数；IC0和k为标定参数。地下部分养分运移率计算公式：NDRsubs,i=1-effsubs(1-e-5lilsubs)（4）其中：effsubs是地下所能达到的最大养分拦截效率；lsubs是地下径流的截留长度，m；li是栅格i到径流的距离，m。最终的养分运移总量为地上运移量和地下运移量之和。其中，栅格i处的养分运移量为：xexpi=Loadsurf,i NDRsurf,i+Loadsubs,i NDRsubs,i（5）式中：Loadsurf，i是地上部分养分负荷量；Loadsubs，i是地下部分养分负荷量；NDRsurf，i是地上部分养分运移率；NDRsubs，i是地下部分养分运移率。（4）粮食产量Crop Production（percentile）模块根据现有的土地利用数据，并结合数据库中已有的175种作物在2000年观测的产量，以气候作为驱动去估算作物产量，并计算集约化分别提升25%、50%、75%和95%情况下的作物产量。Crop Production（percentile）模块工作原理为在数据库中裁剪出研究区的气候地图，通过已裁剪出的气候地图进行重分类，计算研究区集约化提升水平下的产量，并将研究区非耕地部分的作物产量值赋为0。前期调研发现，于桥水库流域以玉米为主要粮食作物，因此用玉米产量表征流域粮食产量。通过与统计年鉴中流域内实际玉米产量进行比较，选择集约化提升25%水平下的玉米产量作为模拟结果。（5）固碳Carbon模块基于规则单元的栅格土地利用图运行，每个单元分配了一种土地利用类型。模块需要每个土地利用类型的四种基本碳库（地上部分碳储量、地下部分碳储量、土壤碳储量和死亡有机物碳储量），四个碳库之和即为总碳储量，公式48为：Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead（6）式中：Ctotal为总碳储量，thm-2；Cabove为地上部分碳储量，thm-2；Cbelow为地下部分碳储量，thm-2；Csoil为土壤碳储量，thm-2；Cdead为死亡有机物碳储量，thm-2。由于死亡有机物碳储量在碳库中占比较小，故本研究不予考虑，统一设置为0。其他三大碳库参考以往研究49-52进行设置。2.2.2 生态系统服务权衡协同关系本研究以子流域为分析单元，基于流域中26个子流域的6种生态系统服务单位面积服务量进行相关性分析，利用SPSS软件中的Spearman相关系数法来衡量生态系统服务间的权衡与协同关系53。当相关系数r0时，生态系统服务间为权衡关系；反之则为协同关系。2.2.3 生态系统服务功能分区利用主成分分析和K-means聚类分析法进行生态系统服务功能区的划分。本研究中的主成分分析以26个子流域的6种生态系统服务总量进行统计分析。主成分分析可以去除变量中的冗余信息54，判断各生态系统服务在生态系统服务簇中共存关系，并对生态系统服务间的重复供给情况进行排除，使得聚类的稳健性提高55。K-means聚类分析法能够识别具有相似生态系统服务的组合。3结果与分析3.1 生态系统服务空间分布格局于桥水库流域生态系统服务的空间分布具有明 1031http:/农业资源与环境学报 第40卷 第5期 乡村环境规划与管理专刊显差异（图2）。产水量服务整体呈现北高南低的分布格局，总产水量为 2.28108m3，平均产水深度111.55 mm。高值区主要分布在河北省遵化市城区和流域北部的连片山区以及水库西北部局部地区。三图2 于桥水库流域生态系统服务空间分布Figure 2 Spatial distribution of ecosystem services in Yuqiao Reservoir watershed（a）产水量Water yield（b）土壤保持Soil retention（c）氮输出Nitrogen export（d）磷输出Phosphorus export（e）粮食产量Grain yield（f）固碳量Carbon sequestration产水深度/mmHigh：606.47Low：0单位栅格氮输出量/kgHigh：4.42Low：0单位栅格粮食产量/tHigh：0.39Low：0单位栅格土壤保持量/tHigh：8 349.90Low：0单位栅格磷输出量/kgHigh：0.19Low：0单位栅格固碳量/tHigh：14.01Low：00510 kmN 10322023年9月http:/张海洋，等：基于生态系统服务的流域分区规划与管理以于桥水库流域为例条主要河流中沙河和黎河上游产水量较大，产水深度在300400 mm之间，淋河上游的产水量较小，产水深度低于50 mm。13号、8号子流域产水量较高，7号、20号和25号子流域产水量较低（表1）。土壤保持服务表现出西北高、东南低的分布趋势，土壤保持量较高的区域集中在西北部山区，即天津市蓟州区山区和河北省兴隆县山区，整个流域的土壤保持量为1.75107t。高值区主要包括1号、8号、11号子流域，低值区包括17号、20号、26号子流域。流域氮输出总量为1 978.16 t，输出量在流域中部和南部平原地区较高，并且在高值区内呈现由东北部平原地区向西南部水库区逐渐减少的趋势。流域四周的环中部平原山区、丘陵地带和水库库区氮输出较低。氮输出最高的是3号子流域，输出最低的为20号子流域。流域磷输出总量为30.03 t，其空间分布与氮输出极为相似，高值区亦为流域中部及南部平原区，说明中部和南部平原区水质净化服务较差，需重点关注。流域周边的山地丘陵区与水库库区为低值区，磷输出最高的是3号子流域，最低的为20号子流域。粮食产量服务的空间分布与氮磷输出服务相似，高值区分布在流域中部和南部平原区，两种服务均与耕地存在密切关系，而流域中部和南部主要土地利用类型即为耕地。于桥水库流域粮食（玉米）产量为 2.38105t。产量较高的为10号、22号子流域，较低的为20号、26号子流域。固碳服务整体呈现西北高、东南低的分布趋势，总固碳量达1.80107t，西北部的固碳强度最高，其次为北部，流域中东部以及水库库区为低值区。固碳服务的高值区与土壤保持服务的高值区有较高重合，基本分布在流域中的山区，而流域中山区土地利用类型多为林地，因此固碳能力与土壤保持能力较强。固碳量较高的为8号、11号子流域，较低的为20号、26号子流域。3.2 生态系统服务的权衡协同关系相关性分析（表2）显示，氮输出与磷输出之间相关系数为0.869（P0.01），呈显著正相关，互为协同关系；氮输出与土壤保持相关系数为-0.497（P0.01），呈显著负相关，磷输出与土壤保持并未表现出显著相关性，但存在一定的负相关关系，因此，可以说明水质净化服务与土壤保持服务互为协同关系；粮食产量与氮输出和磷输出的相关系数分别为0.963（P0.01）和0.795（P0.01），皆呈显著正相关，表明粮食产量服务与水质净化服务间存在较强的权衡关系；土壤保持与粮食产量相关系数为-0.490（P0.05），表明土壤保持服务与粮食供给服务为权衡关系；土壤保持与固碳量相关系表1 于桥水库流域子流域生态系统服务量Table 1 Ecosystem services in sub-watersheds of YuqiaoReservoir watershed子流域Sub-watershed1234567891011121314151617181920212223242526产水量Wateryield/105m3168.90212.35303.17116.7681.5429.8924.76240.34131.35114.23136.7863.9633.4389.4472.0455.3328.4346.9632.658.0443.7169.6040.6052.2023.9063.02土壤保持Soilretention/104t166.1396.9884.585.7655.001.101.00611.7640.3336.90430.0110.9410.5529.3352.436.370.8512.2112.830.0630.6713.1311.7621.413.400.27氮输出Nitrogenexport/t49.28122.42147.0492.19100.0150.7335.54103.18108.53131.33113.8386.1849.59107.4475.0978.7644.3971.8236.958.6666.24124.0849.8651.9428.6044.47磷输出Phosphorusexport/t0.761.862.672.001.780.730.571.741.631.931.611.240.701.671.000.960.481.250.670.051.041.800.720.490.240.44粮食产量Grainyield/102t22.83112.63146.28109.63106.3876.2250.8576.55141.92155.9599.97114.2971.75134.70100.22117.6599.58117.9050.458.4475.12191.5578.8276.4939.081.60固碳量Carbonsequestration/105t13.6113.3614.193.917.882.101.5624.678.579.1024.654.452.925.908.354.021.943.542.720.645.956.062.784.461.730.60注：*表示在0.05水平上显著，*表示在0.01水平上显著。Note：*represents significant at 0.05 level，*represents significantat 0.01 level.生态系统服务Ecosystemservices产水量土壤保持氮输出磷输出粮食产量固碳量产水量Wateryield10.2080.1980.3850.1380.216土壤保持Soilretention1-0.497*-0.245-0.490*0.839*氮输出Nitrogenexport10.869*0.963*-0.238磷输出Phosphorusexport10.795*-0.054粮食产量Grainyield1-0.297固碳量Carbonsequestration1表2 生态系统服务间权衡协同关系Table 2 Trade-offs and synergies among ecosystem services 1033http:/农业资源与环境学报 第40卷 第5期 乡村环境规划与管理专刊数为0.839（P0.01），呈显著正相关，说明土壤保持服务与固碳服务为协同关系。3.3 生态系统服务功能分区主成分分析筛选出两个主成分因子（表3），主成分1解释了60.42%的方差变异，粮食产量、产水量、氮输出和磷输出具有较高的正荷载，由于氮、磷输出与粮食产量及产水量间均呈正相关关系（表 2），因此主成分1反映出水质净化服务与产水量及粮食产量服务间是权衡关系，但氮和磷是以输出量来表征服务的功能，所以指标间关系为协同关系，能够在同一生态系统服务簇中共存；主成分 2解释了 26.25%的方差变异，土壤保持服务与固碳服务具有较高的载荷，所以主成分2反映的是二者间的协同关系，且二者呈正相关关系，因此能够在同一生态系统服务簇中共存。通过K-means聚类分析法对于桥水库流域进行生态系统服务集划分，并根据R语言中的聚类方差解释度（TWSS）56以及流域内的生态特征，结合不同服务集内提供的生态系统服务的差异性，最终划分为水源保护区、森林生态区、粮食生产区和综合发展区4个分区，并用玫瑰图表示不同分区内生态系统服务间权衡与协同关系（图3）。3.3.1 水源保护区水源保护区是以于桥水库库区（26号子流域）为核心区域，由周边的15号、17号、20号、21号、24号和25号子流域组成（图3），总面积382.85 km2，占流域面积的18.70%。整个区域位于流域下游地区，行政区划上大部分位于天津市蓟州区内。区域内总体上以产水服务和粮食供给服务为主，其他服务水平均较低。氮输出高于磷输出，说明在该分区内氮元素对库区水质的影响大于磷元素。该分区内土地利用类型以水域和耕地为主，耕地提升了粮食产量服务，并且蓟州区部分城区和上游零散的农村居民点及不透水地面也促进区域内的产水量增加。3.3.2 森林生态区森林生态区位于于桥水库流域内淋河上游的西北部山区，由811号子流域组成（图3），行政区划上主要位于河北省兴隆县境内，区域总面积 600.04km2，占流域面积的29.30%。该分区的土壤保持服务和固碳服务与其他分区相比均处于最高水平，氮和磷图3生态系统服务功能分区及生态系统服务簇特征Figure 3 Ecosystem services function zones and their ecosystem services bundles表3 生态系统服务因子载荷Table 3 Factors loading of ecosystem services生态系统服务Ecosystem services粮食产量产水量氮输出磷输出土壤保持固碳特征值方差贡献率/%累计方差贡献率/%主成分1Principal component 10.9100.7270.8980.913-0.0150.2953.62560.4260.42主成分2Principal component 2-0.007-0.0140.3760.3510.9820.9421.57526.2586.670510 kmN水源保护区Water source protection zone粮食生产区Grain production zone森林生态区Forest ecological zone综合发展区Comprehensivedevelopment zone 10342023年9月http:/张海洋，等：基于生态系统服务的流域分区规划与管理以于桥水库流域为例输出量低，说明水质净化服务较高。玫瑰图显示区域内的土壤保持服务及固碳服务与氮输出、磷输出、粮食产量服务存在强烈的权衡关系（图3），这可能与该分区大部分土地利用类型是林地有关，大面积的树木能够提高区域内的土壤保持和固碳能力，同时对水的需求量较大，因此使得产水量服务处于较低水平。此外，该分区内的氮、磷的输出源很少，并且林地本身就拥有较高的水质净化能力，因此森林生态区内水质净化服务极高。3.3.3 粮食生产区粮食生产区主要包括于桥水库流域的中部和南部平原地区，共10个子流域，总面积457.11 km2，占流域总面积的22.32%，行政区划上基本位于河北省遵化市境内。该分区内的各生态服务间关系与森林生态区内恰好相反，产水量、氮输出、粮食产量服务皆为4个分区中的最高水平，土壤保持与固碳服务很低，粮食生产与固碳服务和土壤保持之间存在强烈的权衡关系。粮食生产区内耕地为主要土地利用类型，因此成为于桥水库流域的主要粮食供给区域。而许多农村居民点零散分布在区域内，形成了大面积不透水地面，增加了区域内的产水量，并且区域内的主要农产品作物为低耗水的玉米和板栗，使该区域的产水量服务非常高。大面积的耕地意味着该区域中会有大量的氮输出和磷输出，使该区域成为流域内主要的氮和磷输出区。3.3.4 综合发展区综合发展区主要包括流域北部和东部的15号子流域，总面积为 607.64 km2，占整个流域总面积的29.67%，为面积最大的分区，行政区划上属河北省遵化市和兴隆县。区域内的各生态系统服务间关系比较均衡，但服务水平均较低，其中，磷输出的强度大于氮输出，与水源保护区相反，可能是由于该区域内包含大量城镇，居民生活使用的洗涤剂含有大量磷。综合发展区中的土地利用类型较为全面，包括林地、草地、耕地和城镇用地等，遵化市城区位于综合发展区内，城区北部的燕山余脉山区以灌木林为主，对水量消耗较大，因此区域内整体产水量较低，同时山区的林地提供了一定的土壤保持和固碳服务。4讨论本研究发现，产水量的高值区与城镇用地和农村居民用地基本重合，可能因为城镇与农村用地的人类活动程度高于其他土地利用类型，使得水分蒸散量较少。土壤保持量的高值区基本分布在流域西北部，此区域存在大面积林地，而林地对土壤流失有着拦截作用，因此土壤保持量较高；氮输出与磷输出的高值区与耕地的分布极为相似，这与农业生产中投入的大量化肥、农药有直接关系；粮食产量的高值区同样为耕地所在地，而流域中南部耕地粮食产量更高的原因可能是此区域降雨量较高；固碳量的高低直接受植被覆盖影响，而林地固碳作用的效果更好，因此高值区基本分布在林地。在生态系统服务的权衡与协同关系中，粮食产量服务与水质净化服务间存在较强的权衡关系，粮食产量的提升往往依靠化肥、农药等农业投入品的增加，导致了氮、磷输出的增加，这与刘晓娜等57、Chen等58的研究结果一致；水质净化服务与土壤保持服务间为协同关系，因为氮、磷的输出是以降雨冲刷和水土流失为基础，若土壤保持量增加，则氮、磷输出会随之减少；土壤保持服务和粮食供给服务为权衡关系，因为耕地中的翻耕、种植与收获过程都会导致土壤表层松动，这与汪仕美等21、闫晓露等29的研究结果一致。基于生态系统服务簇的功能区划分，分析区域内各服务间的权衡与协同关系，明确其中主导生态系统服务，因地制宜地实施生态保护规划与管理措施，可为区域发展与生态建设提供决策支持。本研究针对于桥水库流域内的粮食产量、氮输出、磷输出、固碳量、产水量和土壤保持 6 种生态系统服务，使用 K-means聚类分析法划分出4类生态功能区，并提出发展管理建议。水源保护区位于于桥水库库区，是水源保护关键的最后“一公里”。2000年以来，为保护水库水质，政府对库区实施了一系列生态保护措施，如对水库周围进行环湖生态防护带建设，入库河段建设前置库湿地59。有研究发现，20102020年间流域内增加的林地基本都分布在于桥水库河流入库口处60，同时实施“南迁北管”措施，对水库南岸农村居民点进行搬迁，严控北岸开展对水质有害的经济生产活动，这些生态保护措施的实施使得水库水质得到了很大改善。于桥水库主要保护措施基本落实在水库入水口和水库南岸地区，针对水库北岸的生态保护措施略显不足，建议将今后的管理重心放在水库北岸的生态治理和区域内的农业面源污染治理，具体措施包括在17号子流域内增设淋河入库林草缓冲带，在20号、24号和25号子流域内进一步加强种植结构调整，发展有机农业、休闲观光