京津冀地区生态系统服务供需测度及时空演变

生态系统服务供需状况深刻影响地区生态安全与经济社会的可持续发展。以京津冀为研究区,选取产水、碳固持以及粮食生产3项生态系统服务,应用InVEST模型、ArcGIS空间分析模块,定量测度2005年与2015年京津冀地区生态系统服务供需水平,探索京津冀地区生态系统服务供需时空格局及类型演变特征。结果表明：（1）在2005年与2015年,京津冀地区产水服务处于供需赤字状态,碳固持服务和粮食生产服务处于供需盈余状态,且各项生态系统服务供需状态呈显著的空间异质性;（2）2005年与2015年京津冀地区生态系统服务综合供需状况呈赤字状态,主要赤字范围以京津为中心呈环状分布,并在此期间范围有所扩大。（3）基于生态系统服务供需状况,将京津冀各县区划分为生态涵养区、生态保育区、生态改良区、生态恢复区以及生态控制区,并针对各类型区生态系统供需状况及其时空演变规律,提出了相应的政策建议。     

基于改进型遥感生态指数的京津冀地区生态系统服务价值时空演变及其驱动因素

生态系统服务价值(ESV)的时空变化及其驱动因素的确定是生态系统服务管理和决策的基础。基于2013、2015、2017、2019、2021以及2023年6期土地利用/土地覆盖遥感监测数据,对京津冀地区的遥感生态指数和ESV进行计算,并分析其时空演变、损益情况及驱动因素。研究发现:研究期内京津冀地区存在大量耕地向其他土地利用类型转化,其中耕地转不透水面和草原的面积最多;ESV总体变化呈现出先降低后上升的趋势,ESV的空间分布呈现出山地高于平原地区,沿海地区高于内陆地区;2013-2023年京津冀地区ESV变化指数总体表现出先减少后增加的态势,尤其是在2017-2023年阶段研究区域内部获得增益最多;ESV的损益情况分析表明,京津冀地区的ESV变化呈现出先损失后增益再平稳的态势。相比自然因素,社会经济因素对ESV的影响更强,尤其是人均GDP在其中发挥了关键驱动作用,而人类活动强度(HAI值)大体呈现上升态势,北京市、天津市等经济活力较强的地区人类活动强度较高,并且在2023年分别达到峰值0.7466和0.6801;交互探测结果表明,各因子对研究区生态系统服务价值作用呈现双因子增强和非线性增强,表明京津冀地区ESV不仅受各驱动因子单独作用,同时也会受到驱动因子叠加影响。研究结果为京津冀地区的生态环境与区域经济协调发展提供了参考依据。     

京津冀地区城市化对典型生态系统服务供需关系的影响

京津冀地区是中国经济最发达、人口最密集的地区之一,快速的城市化进程严重影响了生态系统服务的供需关系。为了使京津冀地区在未来的城市化进程中实现社会经济发展与生态环境保护中的可持续协调发展,需要正确理解城市化对生态系统服务供需的影响,为京津冀地区生态环境管理提供参考依据。因此,基于Pearson相关性、随机森林、双变量局部空间自相关等方法探究京津冀地区不同城市化强度区域内生态系统服务供需的匹配关系以及对城市化对生态系统服务供需的影响特征。研究发现：2000-2020年间,京津冀地区城市化综合水平涨幅达到148.15%;碳储存和生境质量服务赤字区域扩增明显,食物生产与PM_2.5去除服务盈余区域有所增加,但各项生态系统服务供需空间错配性较强;城市化对生态系统服务供需比具有显著的负相关关系;既有城市化区域生态系统服务对空间城市化和人口城市化敏感性较强,城市化扩张区域和农村区域对空间城市化敏感性较强,空间城市化是影响生态系统服务供需关系的主要因素;不同城市化水平区域内城市化与生态系统服务供需比的错配特征具有显著差异。因此,本文探究了不同城市化强度区域内城市化指标对生态系统服务供需影响的差异性,为实现京津冀地区的城市化与生态系统服务的协同发展提供科学依据。     

京津冀地区生态系统抵抗力变化及其影响因子阈值

全球变暖显著影响了生态系统的稳定性和其应对环境干扰的能力。采用基于临界慢化(Critical Slowing Down)理论的方法,以长时序月度净初级生产力(NPP)作为生态系统状态的表征变量,通过计算各植被类型生态系统状态的时间自相关(滞后1个月)来量化抵抗力,研究2001-2021年京津冀地区生态系统抵抗力变化,并结合抵抗力突变点,确定生态系统在不同温度条件下维持稳定的降水量阈值。结果表明:(1)2001-2021年京津冀地区不同植被类型生态系统的抵抗力由大到小依次为:落叶阔叶林、落叶针叶林、常绿针叶林、灌木、混交林、草地;(2)约96.1%的林草区域NPP呈现增长趋势,但约有73.4%的区域表现出抵抗力下降的趋势;抵抗力在2014年到2021年间出现了较多的突变,并在2019年3月至6月出现最大峰值,突变发生的区域集中在北京西南部、保定北部、张家口南部的交界地带,其中抵抗力突增的主要是落叶阔叶林,而突降的主要是混交林;(3)结合所检测到的抵抗力突降点,确定了在不同温度下落叶阔叶林、常绿针叶林、混交林、草地生态系统维持稳定的月降水量阈值,以京津冀地区旱季月均温度14.1℃为例,常绿针叶林需要32.0mm月降水量以阻止生态系统的消极转变,落叶阔叶林需要24.0mm,混交林需要16.1mm,草地需要27.9mm。     

汾河上游流域生态系统服务变化及驱动因素

随着社会经济的发展,人类对生态系统服务选择的加剧,生态系统服务面临的形势更加严峻。以汾河上游流域为研究区,以遥感影像、气象、土壤、统计数据及专题地图等为数据源,基于Arc GIS平台,采用CASA、In VEST等模型,评价了2000年和2008年汾河上游流域泥沙截持、产水量、NPP、固碳释氧、粮食生产五项生态系统服务变化情况;同时,整合人口、居民点、道路定量评价了研究区2000和2008年人类活动强度,并采用SPSS典型相关分析方法(CCA),对生态系统服务的自然与人文驱动因素进行了分析。结果表明:2000—2008年间,研究区5项生态系统服务变化明显。其中,泥沙截持服务减少43.30 t/hm~2,减少范围占整个流域87.5%,只有北端局部区域有所增强;产水服务增加4.74 t/hm~2,产水服务增加的区域占到了流域总面积的89.6%; NPP生产服务增加0.86 t/hm~2,NPP增加的区域占研究区的93.7%,仅边缘零星区域NPP减少;固碳释氧服务与NPP生产服务呈现一致的时空格局,增加量达2.18 t/hm~2,仅流域边缘零星分布减少的斑块;粮食生产服务总体上有所降低,下降幅度为15.65 kg/hm~2,粮食生产减少的区域占到整个流域的65%。同期,该区域人类活动强度有所增强,人类活动指数(HAI)由0.19增加到0.21,呈现出北低南高的空间格局。相关性分析表明,2000—2008年前,人类活动与泥沙截持和产水服务呈现极显著的正相关(r=0.637**和r=0.656**)。典型相关分析则(CCA)表明:影响泥沙截持服务的主要驱动因子是坡度,影响产水量的主要因素是降雨量和温度; 2000—2008两年间生态系统服务变化量的典型相关分析表明泥沙截持和产水服务受日照时数、相对湿度、降雨等自然因子的影响,NPP生产/固碳释氧的主要影响因子为温度和坡向。     

清江流域生态系统服务权衡时空效应及驱动因素

识别流域生态系统服务权衡协同关系的时空分异特征及其影响因素,是生态系统管理和调控的重要基础,对高效配置环境资源和合理制定生态环境政策具有重要意义。本研究运用相关性分析、均方根偏差等方法分析清江流域2000—2020年粮食供给、净初级生产力(NPP)、土壤保持和产水服务间的权衡协同关系,并采用地理探测器分析影响生态系统服务权衡的决定因素。结果表明：2000—2020年,清江流域粮食供给服务呈下降趋势,NPP、土壤保持和产水服务呈递增态势;粮食供给与土壤保持服务、NPP与产水服务间权衡强度呈下降趋势,其他服务间权衡强度均呈增加趋势。粮食供给与NPP、土壤保持、产水服务间呈现东北权衡、西南协同的格局;NPP与土壤保持、产水服务在中部为协同关系、四周为权衡关系;土壤保持与产水服务表现为高度协同。土地利用和归一化植被指数为粮食供给与其他生态系统服务间权衡强度的主导因素,降水、气温和高程为产水服务与其他生态系统服务间权衡强度的主导因素,生态系统服务间权衡强度并非受单一因素的影响,两种服务间的相互作用或共同影响因素的驱动是其决定因素。研究结果可为国土空间生态修复规划策略的制定提供参考。     

青藏高原生态系统服务供需变化及其驱动因素

准确识别生态系统服务供给与需求的空间特征和空间匹配,确定影响供需关系的因素,对指导区域生态系统管理和恢复具有重要意义。采用修正通用土壤流失方程（RUSLE）、生态系统服务和权衡综合评估模型（InVEST）和卡内基-艾姆斯-斯坦福模型（CASA）等多种模型方法探讨青藏高原土壤保持、产水和碳固定服务的供给与需求的时空特征,并结合冗余分析,进一步识别青藏高原生态系统服务供给、需求与供需比的影响因素。结果表明：（1）2000-2018年青藏高原土壤保持、产水和碳固定服务的供给量,以及产水和碳固定服务的需求量均呈现增加趋势,供给量分别增加30.57t、63.61×10⁴m³、33.81t,需求量分别增加153.42m³和5.09t,而土壤保持服务需求量呈减少趋势,减少16.39t。（2）青藏高原各项生态系统服务供需匹配状况不同,碳固定服务供需比呈下降趋势,产水服务供需比呈上升趋势,土壤保持服务供需比波动变化,总体呈上升趋势,局部呈下降趋势。（3）各项生态系统服务供需关系均以低低型空间匹配为主。（4）降水和坡度是影响生态系统服务供给的主要因素,生态系统服务需求主要受人口密度和国内生产总值的影响,降水和温度是影响生态系统服务供需比的关键因素。研究评估青藏高原生态系统服务供给与需求之间的关系,以及明确供需关系的空间显性驱动力,为区域的生态系统综合管理提供依据。     

土地利用变化影响下洞庭湖地区生态系统服务价值的时空演变

对洞庭湖地区多年遥感影像进行解译,结合其经济发展统计数据,在地理信息系统技术支持下,估算各土地利用类型的生态价值系数,并运用空间自相关、高地聚类及热点分析等空间地统计分析方法,探究洞庭湖地区生态系统服务价值(ESV)的时空变化特征.结果表明: 2000—2013年间,洞庭湖地区的ESV小幅上升,由3868.39亿元上升至3886.62亿元,湿地面积的增加是ESV上升的主要原因;洞庭湖地区的ESV高值区与低值区相互溶解渗透,次高值区对高值及低值区呈包围态势;洞庭湖地区的ESV及其动态演化表现出明显的空间自相关与高低值聚集现象,但其自相关与聚集程度趋于减弱;研究期间洞庭湖地区的ESV热点区重心主要向西稍偏北方向移动,其轨迹大体上呈 “S”型态势,迁移速度缓慢但具有明显的阶段性,经历了 “剧烈—缓慢—剧烈”的变化阶段.     

洞庭湖生态经济区生态系统服务价值的时空演绎及其驱动因素

伴随城镇化的快速推进,生态系统服务价值(ESV)的时空评估及驱动因子探测对区域社会-经济-生态协调可持续发展具有重要意义。借助洞庭湖生态经济区2005、2010、2015、2018年的遥感解译数据,从3 km×3 km的格网尺度出发,在ArcGIS和GeoDa的技术支撑下,结合当量因子法、空间自相关分析、热点分析等方法来研究洞庭湖生态经济区ESV的时空格局演变,进一步运用地理探测器工具探究ESV空间分异的主导驱动因子及各驱动因子的交互作用机制。结果表明:2005—2018年,研究区建设用地有最明显的增长态势,增幅高达49.2%,草地和水域呈较大规模减小,其他土地资源变化不显著。研究期间,生态系统服务价值总体逐渐递减,仅未利用地的ESV呈大幅增长态势,其他地类的ESV均呈不同规模的减少态势。研究区ESV总体呈\"中间高四周低\"的空间分布格局,且ESV空间分布存在显著的集聚效应,但ESV的高值和低值集聚效应均有逐渐弱化的倾向,表明生态价值空间集聚效应逐渐递减。研究区ESV空间分异受自然环境和社会经济因子耦合协调的作用,其中,人为影响指数的贡献最大。     

近30年来京津冀地区湿地景观变化及其驱动因素

湿地是水陆生态系统的转换区,是地球上生物多样性和生产力最高的生态系统之一。在快速城镇化和社会经济发展的推动下,京津冀地区湿地生态环境面临较大地威胁。利用1980年代末到2015年7期土地生态遥感解译数据,运用GIS空间分析和主成分分析方法,分析了京津冀地区湿地景观时空变化及其驱动力。研究结果表明:(1)1980s末—2015年期间,京津冀地区湿地面积的变化呈现从略微增长到快速减少趋势,近十年减少趋势略有减缓。湿地总面积减少了2695.05 km2,较1980s末年减少了20.08%;河北省湿地面积减少最多,且天然湿地减少占据主导地位,其次是天津市和北京市。(2)湿地面积损失较为严重的区域主要分布在环渤海区域、北京市和河北省张家口市和唐山市。湿地受损主要是水田和滩涂向非湿地转换引起的。(3)水田和水库坑塘构成的人工湿地是京津冀地区优势景观类型。湖泊、河渠、滩地破碎度增加,且空间分布离散,连通性差。(4)选取9个驱动因素指标进行主成分分析,人类活动是影响湿地景观格局变化的主要因素,城市扩张和农业发展是侵占湿地的主要表现形式,此外气候和政策等因素也对湿地变化存在一定影响。     

城市生态系统修复研究进展

城市生态系统是社会-经济-自然复合生态系统。城市生态系统修复的实质是协调好城市复合生态系统的自然过程、经济过程和社会过程之间的关系,促进复合生态系统的各方面协调高效可持续发展。以城市绿地、城市湿地、城市废弃地三类主要的城市生态空间为对象,论述了城市生态系统修复的研究进展,提出当前城市生态系统修复存在以人工修复技术为主、自然修复不足、机理和量化研究缺乏、理论和应用脱节、管理机制不健全、复合生态系统理论体现不足等问题。梳理了当前城市生态系统修复的研究热点,包括城市生态系统修复机理、城市生态资产与生态系统服务、城市生态系统质量和健康、问题导向的生态修复、面向人类福祉的生态修复、生态修复多学科融贯,以及新方法和新技术的应用等几个方面。提出了城市生态修复与管理的相关对策和建议,可为我国城市生态系统修复的研究和实践提供参考。     

国土空间生态修复与保护空间识别——以北京市为例

构建国土空间修复与保护识别体系可以有效实现区域生态系统修复与保护,然而,当前国土空间生态修复与保护研究和规划缺乏从系统性和完整性的角度识别关键生态修复与保护区。因此构建了系统的生态修复与保护空间识别方法,以实现区域协调发展、保障区域生态安全。基于该方法,以北京市为例,通过评估生态系统服务、生态系统质量和生态问题,构建生态修复与保护空间格局。研究结果表明：(1) 2000—2015年生态系统服务和质量退化区主要集中在平原区和密云水库北部,面积为760.4 km~2;生态系统质量低下区主要分布在西南部山区和东北部山区,面积为4925 km~2;水土流失问题区零星分布在山区,面积为130.1 km~2;基于以上三者的北京生态修复建议区总面积5606 km~2。(2)建议北京生态保护区6391 km~2,主要分布在北部山区和西南部山区,保护了79.63%的水源涵养功能,74.97%的土壤保持功能,58.79%的洪水调蓄功能和60.3%的自然栖息地。本研究构建的生态修复与保护空间识别方法体系,为北京生态修复和保护规划与生态安全格局构建提供科学依据,还可以为其他地区的生态修复与保护规划提供参考。     

基于生态系统服务与引力模型的珠三角生态安全与修复格局研究

随着我国城镇化的快速推进,大型城市群及周边区域的生态环境问题日益突显。为了促进区域生态保护、生态修复以及精细化生态管理,空间尺度上的区域生态安全和修复格局的识别必不可少。选取珠三角地区为研究对象。首先,基于InVEST生态模型计算区域关键生态系统服务,并根据SOFM神经网络模型识别以林地为主的36个生态源地,约占区域总面积的29.56%。其次,基于最小阻力路径模型识别141条关键生态廊道(1900 km),10个承接生态流流动的生态节点以及2776 km²处于生态过渡地段的高优先级生态修复区。最后,依据引力模型判定的生态廊道重要性,将重要生态源地及其辐射区域整合形成东北部、西北部、东南部、西部和南部5个生态区。由此,提出以生态源地为核心、以生态廊道为主轴、以生态节点为承接点、以生态障碍点为修复区的珠三角区域生态安全和修复格局,并对各类别生态要素提出相应生态修复与管理措施,有利于解决大型城市群跨区域的共性生态环境问题。     

不同生态恢复方式下生态系统服务与生物多样性恢复效果的整合分析

全球范围内关键生态系统服务的减少使人类社会面临巨大的威胁,生物多样性是生态系统提供各种产品和服务的基础。生态恢复工程对退化的生态系统服务和生物多样性进行修复,对于缓解人类环境压力具有非常重要的意义。长期的理论和实践工作形成了多种生态恢复措施:(1)单纯基于生态系统自我设计的自然恢复方式,(2)人为设计对环境条件进行干预,反馈影响生态系统的自我设计,(3)人为设计对目标种群和生态系统进行直接干预和重建。这3类恢复方式可以在不同程度上定向的影响生态系统的恢复进程,反映了人类对生态系统的低度、中度和高度介入。哪种恢复方式和介入程度能够实现更好的恢复效果,是生态恢复学中的一个关键问题,但到目前为止,虽广有争议,却无定量的分析和结论。针对这个空白,通过对ISI Web of Knowledge数据库中生态恢复相关文献的整合分析,基于数学统计的方法定量比较在不同条件下低度介入(自然恢复)、中度介入(环境干预)和高度介入(直接干预)3种恢复方式对生态系统服务与生物多样性的恢复效果。论文从4个方面展开研究:(1)低度、中度、高度介入生态恢复方式的划分,(2)比较3大类介入方式对生态系统服务和生物多样性恢复效果的差异,(3)不同气候条件、生态系统类型和恢复时间等背景因素的影响,(4)生物多样性恢复和生态系统服务恢复之间的关系。研究结果揭示了不同生态恢复方式的适用条件,以及对生物多样性和生态系统恢复相互关系的作用,对生态恢复实践中恢复方式的选择有指导作用。对未来的研究也有启示意义,如针对特定生态系统服务或具体研究问题进一步探索低度、中度和高度介入生态恢复方式的作用规律和机制;将地区的社会经济水平、生态系统的受损程度等因素纳入生态恢复方式的考察,以最优化生态恢复成本-效率等。     

生态技术评价方法及全球生态治理技术研究

全球范围内生态退化形势严峻,生态技术在遏制生态退化进程中发挥着重要作用。长期以来,对生态技术缺乏系统研究和评价,影响了其在脆弱生态区生态治理中的应用与推广。\"生态技术评价方法、指标体系及全球生态治理技术评价\"项目(2016YFC0503700)获得国家重点研发计划\"典型脆弱生态修复与保护研究\"专项支持。该项目旨在厘清全球生态退化状况及其对生态技术的需求,建立生态技术评价指标体系与方法模型,评价国内外不同类型生态技术以及重大生态工程区和不同生态退化区域的生态技术实施效果,筛选和推介满足我国及发展中国家生态治理需求的生态技术,建立生态技术评价平台和集成系统,为推动我国生态文明建设和发展中国家生态治理提供科学支撑。     

生态系统服务理论与山水林田湖草生态保护修复的应用

科学有效的理论基础是推进山水林田湖草生态保护修复工程顺利实施的保障。探讨了生态系统服务理论在山水林田湖草生态保护修复中的应用,以“压力-状态-响应”为主线构建了不同时空尺度上山水林田湖草与生态系统服务之间的关系认知框架,分析了山水林田湖草系统修复工程中生态系统服务研究的关键问题：（1）山水林田湖草系统修复工程区主要生态系统服务的时空演变规律与驱动机制;（2）山水林田湖草系统修复工程区多种生态系统服务之间的权衡与协同关系;（3）山水林田湖草系统修复工程区生态系统服务集成与生态系统管理策略;（4）山水林田湖草系统修复工程调控及其尺度效应;（5）探索优质生态产品价值实现机制,阐述了生态系统服务理论在山水林田湖草系统修复中的现实意义,以期有效推动山水林田湖草生态保护修复工程从科学到实践的深入。     

基于生态系统服务的山水林田湖草生态保护修复研究——以南太行地区鹤山区为例

开展山水林田湖草生态保护修复是生态文明建设的重要内容,将生态系统服务评价成果与山水林田湖草生态保护修复工程相结合,以国家第三批山水林田湖草生态保护修复试点-河南省南太行地区鹤山区为例,探究生态系统服务评价成果在区域山水林田湖草生态保护修复中的应用。结果表明,近年来鹤山区生态系统服务价值整体呈下降趋势且生态环境破坏严重。其中,2014-2017年鹤山区各土地类型二级服务ESV减少了303.95万元。研究期内,水资源供给、气体调节功能、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、生物多样性和美学景观等8项生态服务价值都出现不同程度的下降;在鹤山区生态保护修复工作中需要重点关注生态系统的水文调节、净化环境、土壤保持和生物多样性等服务功能,相应的生态保护修复工程应集中在河道生态修复与湿地保护、矿山生态环境修复与土地整治、森林及生物多样性保护修复;鹤山区山水林田湖草生态保护修复工程能够提升区域生态服务价值。其中,工程实施后的生态系统服务价值总量预计能达到36407.95万元,比2017年增加7741.96万元,增长率为27%且各项生态服务价值均有提升。研究结果对鹤山区山水林田湖草生态保护修复工程的实施有一定的指导性作用。