黄土高原典型退耕区生态系统服务权衡与协同关系研究——以延安市为例

在退耕还林的背景下,从多尺度分析黄土高原生态系统服务的时空变化及权衡协同关系对促进该区经济发展和生态效益多赢具有重要意义。以黄土高原退耕还林典型区延安市为例,运用InVEST模型评估1988-2018年农作物生产、碳储量、生境质量、土壤保持、产水量5种关键生态系统服务物质量,采用偏相关分析法探讨生态系统服务间的权衡与协同关系及其时空变化特征。研究结果表明：（1）受土地利用变化影响,延安市农作物生产水平、土壤保持年际变化趋势波动较大,农作物生产水平呈波动增加的趋势,土壤保持退耕还林前呈减少,退耕还林后呈波动增加的趋势,碳储量和生境质量呈逐渐增加的趋势,产水量呈逐渐减弱的趋势。（2）生态系统服务与土地利用格局联系紧密。碳储量、生境质量的高值区域以及产水量的低值区域随林地分布格局变化而变化。（3）协同关系是延安市生态系统服务间相关关系的主体,主要发生在碳储量、生境质量、土壤保持、农作物生产之间,权衡关系主要存在于产水量和其他生态系统服务之间。（4）市、县域生态系统服务间关系的差异主要发生在生境质量和土壤保持之间。     

基于FLUS-InVEST模型的京津冀多情景土地利用变化模拟及其对生态系统服务功能的影响

研究未来不同情景下土地利用变化对区域生态系统服务的影响,可以为城市可持续发展的规划和决策提供有效支持。以京津冀城市群为研究区域,首先利用未来土地利用模拟（FLUS）模型模拟2045年自然发展情景、耕地保护情景和生态保护情景下的土地利用空间分布格局,并结合InVEST模型模拟研究区不同情景下的生境质量、产水量、碳储量、土壤保持量和水质净化服务,在此基础上运用层次分析法构建综合生态系统服务指数（CES）,从空间上反映多种生态系统服务的供给总量,研究不同情景下土地利用变化对生态系统服务功能的影响。研究结果表明：①FLUS模型的模拟精度较高,适用于研究区的土地利用模拟。②在生态保护情景下,除产水量相比2015年下降2.47%外,其他几种生态系统服务均有最大幅度的上升,且这4种生态系统服务在西北山区都出现增加的现象;自然发展情景下,城镇用地和农村居民点的扩张引发了大量的碳储量和生境质量损失;耕地保护情景下,水质净化能力出现最大程度的下降。③自然发展情景下京津冀区域CES的损失最大。CES下降幅度最大的区域主要发生在林地被城镇用地侵占,其次是林地被农村居民点侵占的地区,导致生境质量、碳储量和水质净化能力同时下降;在生态保护情景下,林地的增加促进了多种生态系统服务功能同时提升,京津冀区域的CES大幅提高,表明生态保护情景是最有利于可持续发展的土地利用方案。但同时需注意大量造林可能带来的水资源短缺,要因地制宜保护生态环境。研究结果可以为京津冀城市群可持续发展政策的制定提供参考依据,为研究未来不同政策情景下土地利用变化对生态系统服务的影响提供新思路。     

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。     

基于地理加权回归拓展模型的天然次生林碳储量空间分布

为精准获取区域尺度天然次生林的碳储量及其空间分布格局,以吉林省汪清林业局浪溪林场的天然次生林为研究对象,基于165块局级固定样地,以林分因子、地形因子和土壤因子为影响因子,将普通地理加权回归模型(GWR)作为基础,从空间维度、参数异质性特征和残差空间自相关性3个方面进行改进,构建7类拓展模型,即地理海拔加权回归模型(GAWR)、半参数地理加权回归模型(SGWR)、半参数地理海拔加权回归模型(SGAWR)、地理加权回归克里格模型(GWRK)、地理海拔加权回归克里格模型(GAWRK)、半参数地理加权回归克里格模型(SGWRK)和半参数地理海拔加权回归克里格模型(SGAWRK)。运用7类拓展模型对研究区的森林碳储量及其分布情况进行模拟估测,采用决定系数(R²)、均方误差(MSE)和赤池信息准则(AIC)对各种模型的拟合效果进行评价;最后,运用最优回归模型的拟合结果绘制森林碳储量空间分布图,分析研究区森林碳储量的分布规律。结果表明: 林分因子和地形因子对天然次生林碳储量产生了较大的影响,其中林分平均胸径是影响最大的变量,两者呈显著正相关;SGWR和SGAWR模型能够进一步降低GWR模型残差的空间自相关性;地理加权回归拓展模型能进一步提升GWR模型的拟合效果。其中,SGWRK模型具有最高的R²和最低的MSE和AIC。将海拔作为空间权重未能有效提高模型的拟合效果;浪溪林场森林总碳储量为205×10⁴ t,碳密度为8.56～145.74 t·hm^-2,平均值57.98 t·hm^-2,整体上呈现西北高、东南低,边缘高、内部低的分布格局。通过改进地理加权回归基础模型对参数异质性特征和残差空间自相关性的处理,可以更好地揭示研究区森林碳储量与相关变量间的空间关系,提升模型对区域尺度森林碳储量及其空间分布的估测精度。     

南四湖流域关键生态系统服务的时空权衡关系

从多尺度科学地研究流域各生态系统服务间的权衡与协同关系,对流域实现经济发展与生态保护双重目标具有重要研究意义。运用InVEST模型模拟评估产水量、水质净化、土壤保持、碳存储、生物多样性维持和授粉等6类区域关键生态系统服务,并通过热点分析、相关分析和主成分分析,定量分析自改革开放以来（1980-2018年）这些生态系统服务的时空变化及其在不同尺度上的权衡关系。结果表明：（1）南四湖流域产水服务呈上升趋势,而水质净化、土壤保持、碳储存、生境质量、授粉等服务则总体呈下降趋势。（2）研究区东部林地和草地广布,是碳存储、生境质量和授粉服务的高值区,而建设用地分布的地区是产水量和土壤保持服务的高值区。（3）产水量与水质净化服务之间呈权衡关系,水质净化与生境质量、碳存储与授粉之间则存在较强的协同关系。（4）在子流域尺度上主要是存在着供给服务（产水量）与调节服务（水质净化和土壤保持）、供给服务（产水量）与支持服务（生境质量）之间的空间权衡关系;在县域尺度上,供给服务、调节服务与支持服务（产水量、水质净化、碳存储、生境质量和授粉）之间主要是空间协同关系,两个尺度之间具有较大差异。研究结果可为管理者在合适的空间尺度上制定相应的政策提供科学支撑,促进南四湖流域生态环境和社会经济协同发展。     

黄河三角洲高效生态经济区生态系统服务权衡协同关系

探究黄河三角洲高效生态经济区生态系统服务权衡与协同关系,对区域生态系统服务功能分区和高质量发展具有重要的现实意义。本研究利用InVEST模型、空间自相关和权衡协同度(ESTD)模型,分析黄河三角洲高效生态经济区2000—2020年生境质量、碳储存、土壤保持、水源涵养和水质净化5种生态系统服务在乡镇尺度上的时空变化特征及其权衡协同关系。结果表明：2000—2020年,研究区生境质量、碳储量和氮、磷输出量整体递减,土壤保持量和水源涵养量波动递增;生境质量呈现北高南低的分布格局,碳储存、氮、磷输出、土壤保持和水源涵养大致呈北低南高的格局。研究期间,研究区5种生态系统服务间在时间截面和时段上均以协同关系为主,但仍存在差异,在时间截面上协同关系主要存在于碳储存与其他服务之间,在时段上协同关系主要存在于生境质量与其他服务之间。研究结果可为黄河三角洲高效生态经济区生态系统服务的提升及生态系统功能分区提供理论指导与实践借鉴,并为国土空间格局优化提供基础支撑。     

乌江流域重要生态系统服务地形梯度分布特征分析

为探究流域尺度生态系统服务空间特点, 利用ArcGIS 软件和InVEST 模型, 从高程、坡度、地形起伏度和地形位指数等方面对乌江流域重要生态系统服务地形梯度分布特征进行了分析。结果表明: (1)水供给在各地形梯度上均呈小幅波动特点。碳储量、生境质量和水土保持随着坡度、地形起伏度和地形位指数的增加而增加, 随着高程增加呈波动起伏特点; (2)水土保持在各地形梯度上的变化突出, 生境质量和碳储量的变化居中, 而水供给变化较小; (3)碳储量、生境质量和水土保持在不同地形梯度上的差异明显, 而水供给在不同地形梯度上的差异较小。土地利用空间格局及流域地形特征是影响该区生态系统服务梯度差异的重要因素。以期为流域土地利用科学管理及生态环境保护提供科学依据。     

退耕还林(草)工程对渭河流域生态系统服务的影响

退耕还林(草)工程作为中国启动的重要生态补偿项目,对维护国家生态安全起着关键作用,系统剖析退耕还林(草)工程对生态系统服务的影响,有助于为健全生态补偿制度提供借鉴。本研究以渭河流域为例,基于土地利用数据、气象数据等资料,在分析退耕还林(草)工程实施以来渭河流域土地利用和生态系统服务时空变化的基础上,运用Invest模型、地理加权回归等方法,探究退耕还林(草)工程对渭河流域水源涵养、土壤保持、碳储量、生境质量等生态系统服务变化的影响。结果表明: 退耕还林(草)工程实施以来,渭河流域林草覆盖率呈波动上升趋势,林草面积增加2704.49 km²。2000—2018年间,渭河流域水源涵养、土壤保持、碳储量、生境质量均呈波动上升趋势,其中,水源涵养和固碳服务增幅较大,生境质量和土壤保持增幅较小。退耕还林(草)工程有效提升了渭河流域的水源涵养、土壤保持、固碳、生境质量等生态系统服务,但对不同地域单元生态系统服务影响强度不同。     

长三角城市群生态系统服务权衡强度时空演变及影响因素

人类活动扰动加剧了长三角城市群生态系统结构演变，从而导致不同生态系统服务之间冲突加剧。明晰城市生态系统服务权衡强度及其影响因素对经济社会发展与生态保护的双赢具有重要意义。基于InVEST模型分析长三角城市群2005年、2019年碳储存、粮食生产、生境质量、产水量和氮输出量生态系统服务时空格局演变，并利用相关性分析、均方根误差指数和冗余分析方法，测度权衡强度并揭示权衡强度演变的关键影响因素。结果表明：粮食生产分别与碳储存、生境质量和产水量之间，以及氮输出量与生境质量和碳储存之间，碳储存与产水量之间呈现出显著的权衡关系；权衡强度空间异质性显著的粮食生产与碳储存，粮食生产与产水量的权衡强度高值主要集中在北部粮食主产区和南部山区。氮输出与碳储存、碳储存与产水量之间的高强度权衡关系主要位于南部地区。粮食生产与生境质量以及氮输出与生境质量的高强度权衡区域多集中在社会经济快速发展地区。长三角城市群生态系统服务权衡强度受多个因素共同作用，其主要影响因素包括坡度、林地覆盖率、农田覆盖率、降雨、气温、建设用地率等。     

京津冀地区生态系统健康评估及时空变化

结合生态系统健康和景观生态学理论, 基于“压力—状态—响应(PSR)”模型构建了京津冀地区生态系统健康评价指标体系, 综合层次分析法和熵权法得到指标权重值。首先模拟了京津冀地区2000年和2015年的生境质量、固碳、水质净化、产水量、土壤保持等生态系统服务功能, 进而评价了京津冀地区2000年和2015年栅格尺度的生态系统健康空间分布和时空变化。研究结果显示: 1)生境质量、固碳功能和水土保持功能的高值主要分布在该区域北部和西部的山地区域, 而低值则主要分布在中部和东南部区域。水质净化功能主要分布在南部, 而产水量功能主要分布在沿海地区。2)京津冀地区生态系统压力主要分布在北京、天津的市区等地。时间上北部压力变化最小, 中部的北京、天津等地增加最大, 西部地区增加较小。3)状态最差的区域是各个地市的城区以及沿海地区, 而最好的地区分布在北部和西部等地的山区。时间上北部地区增加明显, 而南部有明显的降低趋势, 表现出从北向南变差的趋势。4)京津冀地区响应最好的是西部和北部的山地和天津、北京等地, 说明人类社会对于生态系统保护的意识较好。时间上, 南部和北部地区响应增加明显, 而中部的北京、天津等地增加较小。5)生态系统一般健康的区域占绝大多数, 主要分布在京津冀的中部、南部和西北部。良好地区主要分布在该区域的北部和西部的林地区域。时间上, 健康程度变化最大的在该区域的南部和北部, 而增加较小的地区分布在北京、天津周边。     

Spatio-temporal assessment of urbanization impacts on ecosystem services: Case study of Nanjing City,China

Rapid urbanization is a global phenomenon that has altered many ecosystems, causing a decline in many ecosystem services, generating ecological risks such as water shortages, air pollution, and soil pollution. Here, we present a conceptual framework quantifying how urbanization influences the ecosystem services in a typical city (Nanjing) of China. Between 2000 and 2010, we separated the city into three urbanization categories (developing urban, developed urban, and rural areas) and quantified the status of six critical ecosystem services (food supply, carbon sequestration, soil water storage, air pollution removal, habitat suitability, and recreation potential). Our results show that urbanization significantly impacted all ecosystem services, with detected changes in ecosystem services being spatially heterogeneous due to urban expansion and population mobility. Developed areas contained greater amounts of green infrastructure, which improved carbon storage and reduced air pollution. In contrast, the rapid expansion of urban and industrial land in developing urban areas led to lower food supply, carbon sequestration, soil water storage, and habitat suitability. The expansion of rural residential areas led to lower soil water storage, carbon sequestration, and food supply, while greater amounts of abandoned cropland resulted in increased carbon sequestration, but decreased food supply in rural areas. Analysis of the interactions between pairs of ecosystem services identified urbanization development problems, including abandoned cropland and the expansion of rural residential land. Lastly, we proposed four key urban planning measures to mitigate the loss of ecosystem services during rapid urbanization. Acquiring quantitative knowledge about how rapid urbanization drives changes to ecosystem changes may help guide sustainable urban planning with respect to ecosystem service use, urban development, and human welfare benefits.     

北方农牧交错带多伦县生态系统服务权衡与协同关系研究

科学理解生态系统服务的权衡/协同关系,对于正确指导生态系统可持续管理实践具有重要意义。以位于北方农牧交错带的多伦县为研究区,基于土地利用/覆被、气象、土壤类型、归一化植被指数(NDVI)以及社会经济统计资料等多种数据,分析了2000年、2015年食物供给、碳固持、土壤保持、防风固沙及产水量5种生态系统服务的时空变化,识别了5种服务的供给热点区,并基于相关分析法从县域、乡镇及不同地类3种尺度上对生态系统服务间的权衡/协同关系进行分析。结果表明:(1)2000—2015年,食物供给与土壤保持量增幅较大,产水量与碳固持的供给量增幅较小,防风固沙量大幅下降,5种服务的空间格局基本保持不变;(2)多伦县1类热点区面积明显增加,3类热点区面积明显减少;面积占比超过50%的草地提供5种服务的能力强于耕地;(3)多伦县生态系统服务的权衡关系主要存在于产水量与土壤保持、产水量与碳固持、产水量与食物供给三对服务中;由于研究区生态系统环境的空间异质性较强,各乡镇和两种地类(草地和耕地)上分别只有4对和3对生态系统服务的权衡/协同关系与县域保持一致;(4)不同土地利用类型、海拔、土壤类型等因素的组合使多伦县乡镇之间及乡镇与县域之间的权衡/协同关系存在明显差异。因此,在生态环境更为复杂的整个北方农牧交错带,更需选取合适的空间尺度进行生态系统服务的权衡/协同关系分析,以指导决策者制定合理的生态系统管理措施。     

Quantification and assessment of changes in ecosystem service in the Three-River Headwaters Region,China as a result of climate variability and land cover change

Rapid and periodic assessment of the impact of land cover change and climate variability on ecosystem services at regional levels is essential to understanding services and sustainability of ecosystems. This study focused on quantifying and assessing the changes in multiple ecosystem services in the Three-River Headwaters Region (TRHR), China in 2000–2012. Based on the widely used biophysical models including Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-Offs (InVEST), Revised Wind Erosion Equation (RWSQ), and Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA) models, this study assessed the historical flow of regulating services, including soil conservation, water yield, and carbon sequestration, and provisioning service food provision. The soil conservation function of ecosystem was slightly enhanced as a whole, and water yield increased sharply, with both the soil conservation and water yield showing an increasing spatial homogenization. The net primary productivity (NPP) and food production increased substantially from 2000 to 2012. Ecosystem services are closely and complexly interlinked. The correlation analyses indicated a trade-off between the water yield and carbon sequestration, however, a synergy between soil conservation and carbon sequestration. Congruence between the three different ecosystem provisioning services, including pasture, meat, and grain, was found. There was also a synergy between food production and ecosystem carbon sequestration in the TRHR. Climatic variability and vegetation restoration are important for the ecosystem services flow. Correlation analyses showed that the increase in precipitation significantly enhanced the water yield (P < 0.01) and soil erosion (P < 0.01), while the temperature increase influenced positively the NPP (P < 0.1). The experience of ecological rehabilitation and the change in key ecosystem services in the TRHR exemplified the positive effects of environmental policies and the necessity of adopting an adaptive management approach. Thus the ecological construction and policy making should take climate variability into account, and facilitate synergies on multiple ecosystem services in order to maximize human well-being and preserve its natural ecosystems.     

石羊河流域生态系统服务权衡与协同关系研究

生态系统服务权衡与协同研究是国际生态学、地理学等学科研究的热点。以石羊河流域为研究区,借助In VEST模型,对流域2005、2010和2015年的水源涵养、土壤保持、水质净化、碳储存和生物多样性五项服务进行精准测度,分析服务的时空格局及演变特征,并利用相关系数法逐像元定量计算5种服务之间的权衡与协同关系,从不同尺度分析权衡与协同关系的空间格局特征。结果表明:(1)各项服务具有空间异质性:水源涵养、土壤保持、碳储存、生物多样性呈"西南高-东北低"的空间格局,且水质净化、碳储存服务的高值区沿河流分布。(2) 10年期间,水源涵养、水质净化、碳储存、生物多样性服务呈现"整体增加-局部减少"的变化趋势,而土壤保持呈"整体减少-局部增加"的变化特征。(3)多种服务之间权衡与协同关系具有区域依赖特征:水源涵养与土壤保持、水源涵养与水质净化、水质净化与碳储存、水质净化与生物多样性、土壤保持与碳储存、土壤保持与生物多样性以权衡关系为主;水源涵养与碳储存、水源涵养与生物多样性、土壤保持与水质净化、碳储存与生物多样性以协同关系为主。定量可视化评估生态系统服务及权衡关系,为制定区域发展与生态保护双赢政策提供依据,同时也为其他流域的相关研究提供可靠参考。     

陇中黄土丘陵区土地利用强度-生态系统服务-人类福祉时空关系研究——以安定区为例

基于土地利用和社会统计数据,构建了"土地利用强度-生态系统服务-人类福祉"多尺度分析框架,从县区和乡镇尺度探讨了定西市安定区1990—2015年土地利用强度-生态系统服务-人类福祉的时空权衡/协同关系。结果表明:1990—2015年安定区土地利用强度-生态系统服务-人类福祉关系变化存在区域整体相似性和乡镇局部差异性;土地利用强度的增加,提高了供给服务和生产资料供给福祉,但弱化了调节和支持服务;供给与支持服务权衡主要集中于安定区北部和西南部。该区生态系统服务间的权衡程度较高,不利于生态系统服务保育和居民福祉的持续提升。区域的脱贫致富因立足于提高居民福祉,退耕还林还草、发展特色高效产业、劳务输出等是实现该区社会生态系统的经济收益与生态效益共赢的有效途径。     

基于地形梯度的甘肃白龙江流域典型生态系统服务分布特征

白龙江流域是长江上游重要的水源涵养区和生态屏障,同时也是国家级贫困县集中连片区(秦巴山区)。基于ArcGIS软件和InVEST模型,从高程、坡度、地形起伏度、地形位指数等方面分析了甘肃白龙江流域典型生态系统服务的地形梯度特征。结果表明:(1)甘肃白龙江流域碳储量、水源涵养、生境质量、土壤保持服务功能的空间分异明显,其高值区主要分布在自然保护区、林区,低值区则在河谷、城镇、农耕地区。(2)碳储量、水源涵养和生境质量随着坡度和地形起伏度的增加而增加,土壤保持则呈先增加后降低的趋势,随地形位指数增加呈现波动变化;(3)流域综合生态系统服务供给重要区域逐渐向两极分化,多种生态系统供给服务的重要区域主要在中高梯度片区,而一般区主要分布在低梯度片。地形特征是影响流域生态系统服务梯度差异的重要因素。通过分析流域不同地形因子下分析碳储量、水源涵养、生境质量、土壤保持的空间分异特征,可为中国西部山地流域生态系统格局优化管控和生态文明建设提供科学依据。     

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。     

密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系

生态系统管理的一个重要挑战是在区域尺度上管理生态系统服务并提高当地居民福祉。以2009年土地利用数据和社会经济数据为基础,利用InVEST模型和空间制图在乡镇尺度上对密云水库上游流域水资源供给服务、土壤保持服务、水质净化服务、产品供给服务以及居民福祉进行了定量评估和空间特征刻画,并探讨了生态系统服务与居民福祉的不同关系模式。结果表明,流域内各乡镇土壤保持服务从上游到下游呈逐渐递增的趋势,水质净化服务从上游到下游整体上也呈逐渐递增的趋势,流域内水质净化服务功能与水资源供给服务、粮食供给服务、蔬菜供给服务以及畜牧产品供给服务在空间上呈显著负相关;基于生态系统服务与居民福祉在空间上的聚集特征,可将56个乡镇划分为低服务低福祉模式、供给服务依赖模式和高服务高福祉模式,针对这3种关系模式特点,可分别提出改善生态系统服务功能和居民福祉的管理措施。案例研究可为其他区域实施分区管理、协调生态系统服务功能保护与居民福祉的关系提供借鉴。