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。     

中国快速城市化区域生态系统服务价值预测及权衡研究——以佛山市为例

中国快速城市化区域由于经济迅速发展需要以及人类活动不断干扰,导致土地利用变化剧烈,影响生态系统功能发挥和服务供给,给予生态环境带来巨大压力。分析和预测快速城市化区域生态服务价值(Ecosystem Service Value, ESV)时空演变特征、权衡与协同关系,对协调区域可持续发展具有重要意义。通过FLUS(Future Land Use Simulation)模型、价值当量表估算法、皮尔逊相关分析和双变量自相关等方法,分析并预测2005—2025年佛山市土地利用变化对ESV的影响,同时探究2025年多情景下生态系统服务之间的权衡与协同关系。结果表明:(1)2005—2025佛山市土地利用格局变化明显,生态保护情景下土地利用变化程度最缓和。(2)2005—2015年ESV共下降11.41亿元,经济发展情景下的ESV下降趋势最明显。(3)供给、调节、支持与文化4种单项ESV,分别下降1.95、5.02、4.08、0.36亿元;生态保护情景下的各项ESV均上升。(4)生态系统服务之间均存在明显的协同作用,经济发展情景下的协同关系最显著;西南和东北区域主要表现为协同关系,局部区域表现为权...     

闽江流域生态系统服务价值评估及权衡协同关系

探讨流域地区的生态系统服务功能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。以闽江流域为研究对象,利用2006年、2011年、2016年三期遥感影像提取闽江流域各个县市的耕地、森林、草地、水体、不透水地表和裸地等专题信息,综合生态系统服务价值表、生态系统服务价值估算模型以及生态系统服务功能权衡协同模型,评估闽江流域生态系统服务价值,并分析该流域生态系统服务价值变化规律趋势及权衡协同关系。结果表明:2006—2016年闽江流域土地利用类型变化较大,森林面积、耕地面积、不透水地表增多,草地面积、水体面积、裸地面积减少,水体面积变化最大;生态系统服务价值总量由2006年的101.12×10⁹元减少到2016年的99.54×10⁹元。2006—2016年,闽江流域内各生态系统服务之间关系以协同关系为主导;2011—2016年,协同关系占比显著提升,但协同度有所降低。同期内,闽江流域生态系统服务功能权衡协同的相似结果亦表现在闽江上游区域中,可认为闽江上游区域作为城市化进程的"衍射区域",可有效地作为调整闽江流域生态系统服务关系的关键区域。     

粤港澳大湾区生态系统服务时空演化及其权衡与协同特征

打造国际一流湾区和世界级城市群的粤港澳大湾区,生态保护、环境优化与城市发展、经济开放具有同等重要地位,掌握其城镇化过程中生态系统及其服务变化状况有助于科学合理、有针对性的制定生态保护修复相关政策。基于2000—2015年粤港澳大湾区生态系统宏观格局变化,分析了大湾区生态系统生产力、水源涵养、土壤保持服务的时空演化特征,进而探讨了供给与调节服务之间的权衡与协同关系。结果表明:(1)森林与农田是大湾区的主体生态系统,面积占大湾区国土面积的54.1%和22.8%,近15年由于城镇面积快速增长(增幅达68.6%),导致森林、农田、湿地面积不断减少。(2)基于净初级生产力的供给服务量和土壤保持量整体上均呈现轻度增加趋势,特别是江门、肇庆等生态服务主要提供区域;东南部最高、北部次之、中部偏低的水源涵养量,除西北部呈现增加趋势以外,其它区域皆呈现减少趋势;城镇扩张是生态系统供给、调节服务明显减少的主要影响因素。(3)大湾区生态系统供给服务与水源涵养、土壤保持调节服务之间的相关关系均以协同为主,然而,在大湾区东北部和南部的广州、惠州、江门等区域呈现明显的权衡关系,提示大湾区发展过程中,需要在这些呈现权...     

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。     

黑河流域生态系统服务空间协同与权衡变化

黑河流域是西北地区重要的生态功能区,流域内生态系统服务变化对当地社会经济发展和流域生态安全具有重要影响,其社会-生态-环境问题一直受到高度关注,因此开展黑河流域生态系统服务评估及协同/权衡关系研究对该区域的可持续发展具有重要意义.本文采用基于时间序列的双变量逐像元相关分析,对黑河流域1990-2015年的各项关键生态系...     

黄土丘陵沟壑区典型小流域生态系统服务权衡与协同关系研究

黄土高原植被恢复状况制约生态系统服务的提升,本研究依托中国科学院水利部水土保持研究所安塞国家科学野外观测站的基础土壤、植被、气象和水文等数据,在黄土丘陵沟壑区选取纸坊沟和坊塌2个典型小流域,通过购买1998、2008和2018年遥感影像,采用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型对生态服务(碳储量、土壤保持量、生境质量和产水量)进行评估,探究植被恢复过程中生态系统服务的协同效应和权衡关系。通过对比得知：随着植被的恢复,坊塌和纸坊沟各生态服务(碳储量、土壤保持量、生境质量和产水量)均得到了大幅度的提升,其中2008—2018年增加幅度较小,而1998—2008年增加幅度较大,主要原因在于该阶段(1998—2008年)是退耕还林还草的初始10年,林地及草地面积增长较多,而后10年为退耕的延续阶段,退耕面积增长减缓。从1998—2018年,受自然因素和人为因素的影响,坊塌和纸坊沟流域生态系统服务表现出协同和权衡关系。对于坊塌流域,2008年生态系统服务主要表现为协同关系,1998、2018年以权衡关...     

基于服务簇的东北地区生态系统服务权衡与协同

生态系统服务簇是多种生态系统服务的组合,能够表征生态系统服务间权衡与协同关系,可为制定有效的区域社会-生态系统管理方案提供科学依据。研究采用全局Moran′s I指数、主成分分析、聚类分析等方法,系统阐明了东北地区6种生态系统服务的组成、权衡与协同、作用机制和区域差异。结果表明:(1)6种生态系统服务均表现出显著的正空间自相关(Moran′s I>0),即各生态系统服务存在空间聚类分布,而非随机分布;(2)聚类分析将东北地区划分为南部经济-生态协调区、东北部森林生态平衡区、西部防风固沙区和中部粮食生产区四个生态功能区;(3)水源涵养、固碳和土壤保持服务之间具有极显著的协同关系(r=0.73,r=0.70,r=0.80),而防风固沙和土壤保持服务之间存在极显著的权衡关系(r=-0.22);(4)东北部森林生态平衡区和南部经济-生态协调区的固碳能力显著高于西部防风固沙区和中部粮食生产区,中部粮食生产区的食物供给服务和生物多样性服务则较高。开展基于服务簇的生态系统服务权衡与协同的研究,有助于针对每种生态功能服务簇制定相应的管理方案,促进各个生态功能区经济、社会、资源与生态环境的全面协调...     

南方红壤区生态系统服务权衡与协同关系演变对退耕还林的响应

我国南方红壤区具有丰富的水热资源和优越的社会区位条件,是重要的农业生产基地。由于长期高强度的农业开发,同时山地丘陵的坡度较大,降水集中且强度大,导致该区生态功能退化、环境问题突出,威胁粮食安全和生态安全。以南方红壤区为研究对象,利用估算区域植被净生产力（Carnegie Ames-Stanford Approach,CASA）模型、InVEST模型及修正通用土壤流失方程（RUSLE）定量评估了该区退耕还林前后植被净初级生产力（Net Primary Production,NPP）、农作物生产（Crop Production,CP）、土壤保持（Soil Conservation,SC）和产水（Water Yield,WY）四种生态系统服务;采用偏相关分析和空间自相关分析探讨了各项生态系统服务间权衡与协同关系的时空变化特征和集聚特征,揭示了退耕还林对南方红壤区的多种生态系统服务间相互关系的影响。结果表明：（1）退耕还林后,南方红壤区的NPP、CP、SC和WY总体增强,但部分区域呈现减弱趋势。其中,NPP在南部呈现减弱趋势,SC在东北部减弱,CP与WY均在东南沿海减弱;（2）退耕还林后,NPP与WY间由极显著协同关系（r=0.315,P=0.025）转变为显著权衡关系（r=-0.279,P=0.059）：而SC与WY间由无显著相关转变为极显著权衡关系（r=-0.427,P=0.024）;（3）退耕还林前后,南方红壤区的NPP、CP和SC的空间分布格局均未发生显著变化,而WY的空间分布发生较大变化;（4）四种生态系统服务间的权衡与协同关系空间异质性显著,CP-SC关系的Moran''s I指数最小（0.012）,NPP-SC和NPP-WY关系的Moran''s I指数均大于0.7。研究结果有利于深入理解退耕还林对南方红壤区生态系统服务时空变化的影响,并为确定生态脆弱区的生态农林牧业的发展方向与面向可持续发展目标的生态系统服务优化调控提供科学依据。     

黑河流域生态系统服务价值预测及权衡分析--以张掖市为例

土地利用变化将改变区域生态系统服务的稳定供给能力,进而对区域生态稳定和可持续发展构成威胁。中国西部地区快速城镇化背景下,扩张的经济发展需求对土地利用变化产生了重大影响。以丝绸之路经济带规划的重要节点城市张掖市为例,基于土地利用变化均衡分析(CGELUC)模型及土地利用动态模拟(DLS)模型,模拟了多情景下张掖市2010-2030年的土地利用变化时空分异特征,并通过生态系统服务价值(ESV)估算、空间自相关分析等方法分析并预测了ESV及其时空演变特征,集中分析了多情景下2030年张掖市ESV各项服务间的权衡与协同关系。结果表明:(1)2010-2030年张掖市土地利用格局变化显著,建设开发情景下城镇建设用地扩张最为剧烈,建设用地增长7.41%,耕地面积减少11.05%;生态保护情景下城镇扩张最为和缓,同时未利用地减少明显,面积降低1088km²,主要向林地、草地、水域等生态用地发生转化。(2)2010-2030年张掖市ESV在基准情景和生态保护情景下分别增长6.43、13.16亿元,建设开发情景则整体仅增加1.53亿元。(3)供给、调节、支持与文化4种单项ESV,基准和生态保护情景下均呈现显著上升趋势;建设开发情景下有3项呈现缓慢的增长趋势,且该情景下供给服务则始终呈现下降趋势。(4)各单项生态系统服务协同关系明显,东南-西北轴线南北两侧区域表现为协同关系,仅有少数区域表现为权衡关系,且供给-文化服务的权衡关系较为明显。本研究可为西部城镇化快速发展地区统筹经济发展与生态保护提供科学方案。     

长时间序列生态系统服务权衡与协同驱动因素——以芜湖市生态系统服务功能极重要区为例

人类对生态系统的管理和干预促使生态系统服务权衡向协同转化,有助于生态系统服务综合效益提升。但当前缺乏对长时间序列分析背景下生态系统服务权衡协同驱动因素及其非线性影响的理解与把握。以芜湖市“生态系统服务功能极重要区”为研究案例,考虑生境质量、碳固定和土壤保持三种关键生态系统服务,基于多源数据,运用逐像元趋势叠加分析法评估1990—2020年间研究区生态系统服务变化趋势及其权衡协同空间分布规律,采用随机森林模型探索该区域生态系统服务权衡协同形成的关键驱动因素及其非线性影响效应。研究结果表明：(1)31年间芜湖市域生境质量显著下降区域面积约为提升面积的两倍,存在进一步衰退的风险。同时,城市扩张导致市郊边缘地带碳固定、土壤保持显著下降。(2)研究区生态系统服务供给能力受权衡协同影响显著,受影响区域总面积占比达64.48%。受权衡影响区域与协同影响区域存在显著空间差异。(3)土地利用强度是管理生态系统服务权衡向协同转化的主导因素。土地利用强度对权衡协同的影响表现出非线性特征并且存在影响阈值。当强度等级介于弱与中且偏向弱强度时对不同服务协同增益具有积极作用。     

生态系统服务权衡与协同关系及驱动力——以江苏省太湖流域为例

生态系统服务权衡与协同关系研究是生态系统综合管理的前提。以太湖流域江苏省为例,通过空间显示的生物物理模型计算氮、磷净化、水量供给及土壤保持4种服务指标,借助GIS空间分析表征氮、磷指标与其他指标之间关系,并利用多元Logistic模型定量识别主导驱动力。结果表明:2000到2010年间,各指标的单位面积年均值呈现不同程度的变化,氮输出指标先增加后略下降,磷输出指标逐渐增加,水量供给先下降后上升,土壤保持逐渐下降,并且服务指标的空间格局显著差异。氮、磷净化与水量供给关系在空间上表现为广泛分布的权衡及协同变化区,但与土壤保持的关系不明显,氮、磷之间主要为协同变化关系。氮净化与水量供给的正向主导驱动力为城镇建设用地和农村居民点密度,而植被覆盖度和水网密度具有显著负作用。氮、磷关系的主要影响因素为植被覆盖度,其次是耕地及林地比例,且均起到正向促进作用。主导驱动力识别有助于明确生态系统服务间关系的作用机制,为区域环境管理及生态保护规划提供科学依据。     

丹江口水源区生态系统服务时空变化及权衡协同关系

研究区域多种生态系统服务之间的权衡协同关系特征,对不同生态系统服务、不同区域之间的协调发展,实现利益相关方效益最大化,达到区域发展与生态保护"双赢"具有重要意义。针对目前权衡协同定性分析、长时间动态变化研究不足的现状,以丹江口水源区为例,在采用"当量因子法"求得研究区生态系统服务价值的基础上,使用长时间整体分析占优的相关性分析方法和短时期动态变化分析占优的生态系统服务权衡协同度(ESTD)模型对研究区1990—2015年10种生态系统服务的权衡协同关系展开研究。结果表明:1990—1995年,丹江口水源区生态系统服务价值呈负增长,之后则呈不断上涨的时序变化趋势,增幅最大的生态系统服务为水资源供给。生态服务价值最高的用地类型为林地,其次为草地和水域。空间上,生态系统服务价值呈东南高西北低特征。在丹江口水源区生态系统服务之间相互关系中,协同关系占64%,是丹江口水源区生态系统服务之间的主导关系,权衡关系较少,且大多存在于供给服务与调节服务、文化服务、支持服务之间。丹江口大坝加高后,即2005年之后,水源区内生态系统服务之间的权衡协同方向有所改变,改变明显的生态服务有净化环境、水文调节和水资源供给。这3种生态系统服务与生态系统服务之间的权衡关系增多,除这3种生态系统服务外,其余几种单项生态系统服务与生态系统服务之间的权衡关系减少。     

秦岭生态系统服务协同与权衡的时空异质性

秦岭是我国重要的生态功能区,探究秦岭生态系统服务权衡与协同关系对区域的生态保护和高质量发展意义重大。本研究基于遥感、气象、土壤质地等数据,在分析2000、2010和2020年土地利用时空变化的基础上,采用CASA、InVEST和RUSLE模型计算秦岭地区植被固碳量、产水量、生境质量和土壤保持量,并探讨空间异质性特征及生态系统服务关系。结果表明: 2000—2020年,研究区耕地、草地面积持续减少,林地和建设用地面积增长,水域和未利用地变化不明显。研究区固碳量东高西低,呈增长趋势;产水量持续减少,呈现南坡高、北坡低的格局;生境质量稳定增长;土壤保持量先增后减。不同地类的生态系统服务各有差异,同一地类的各个生态系统服务也各不相同。全域尺度下固碳与土壤保持、生境质量与土壤保持、固碳与生境质量皆呈协同关系,固碳与产水、土壤保持与产水、生境质量与产水为权衡关系,但不同条件下服务量间的关系存在明显差异。研究结果有助于降低权衡风险,使总体效益最大化,可为促进生态高质量发展、实现自然资源管理与人类福祉的双赢提供参考依据。     

不同SSP-RCP情景下中国生态系统服务价值评估

定量评估生态系统服务价值是人类合理利用和管理生态系统的重要依据,未来气候情景下土地利用变化模拟及其对生态系统服务价值的影响评估对于区域生态系统服务管理、开展生态功能区划及减缓和适应气候变化等方面具有重要意义。基于最新IPCC共享社会经济路径(SSPs)和典型浓度路径(RCPs)的科学组合情景模拟得到的土地利用情景数据,对2020—2050年我国生态系统服务价值进行估算,并对2050年生态系统服务间的权衡与协同关系进行讨论,主要得到以下结论：生态系统服务价值(ESV)在2020—2050年表现为SSP1-RCP2.6>SSP2-RCP4.5>SSP3-RCP6.0,SSP1-RCP2.6情景下2020年ESV为12.39×10⁴亿元,2050年ESV为12.34×10⁴亿元;SSP2-RCP4.5情景下2020年ESV为12.17×10⁴亿元,2050年ESV为12.11×10⁴亿元;SSP3-RCP6.0情景下2020年ESV为12.02×10⁴亿元,2050年ES...     

子午岭区生态系统服务权衡与协同变化及其影响因素

生态系统服务簇是多种生态系统服务的组合,可指征生态系统服务间权衡或协同关系。辨析服务簇内部的权衡与协同关系,有助于实现基于服务簇的生态分区与管理政策制定。基于InVEST模型,综合运用相关分析、聚类分析、主成分分析和冗余分析等,本研究揭示了子午岭区生态系统服务的空间群聚特征,探究了服务簇内部权衡与协同关系及生态系统服务的影响因素。结果表明: 2000—2017年,子午岭区生态系统服务整体得到改善。除土壤保持高值区在研究区北部较为集中外,其余生态系统服务高值区均在中部和南部较为集中。根据聚类结果将研究区在像元尺度上划分为4个生态系统服务簇,其中,核心保护簇内,产水服务与土壤保持存在较强权衡;粮食生产簇内,生境质量与产水服务、粮食生产存在较强权衡;生态过渡簇和生态脆弱簇内,服务间的协同关系广泛。生态系统服务同时受到自然本底条件和人类活动的影响,植被覆盖、降水和高程对研究区生态系统服务以积极影响为主,而温度、建设用地占比、人口密度等以消极影响为主。     

鄱阳湖地区生态系统服务权衡与协同关系的时空格局

鄱阳湖地区是中国最大淡水湖影响的区域,定量分析其生态系统服务权衡与协同关系对实现区域可持续发展具有重要意义.本研究首先基于遥感、土壤、气象、数字高程模型(DEM)等多源数据,定量测算2005—2015年鄱阳湖地区食物供给服务、土壤保持服务和产水服务,分析服务的时空格局及演变特征;然后运用相关分析、冷热点分析、空间制图方法探析1 km×1 km尺度上服务间权衡与协同关系的时空特征,并研究土地利用视角下生态系统服务及其相互关系的差异.结果表明: 研究期间,鄱阳湖地区食物供给服务增加,土壤保持服务减少,产水服务先增后减.空间分布上,食物供给服务在西北-东南方向上呈现“低-高-低-高”的分布格局,土壤保持服务呈现高低值集聚分布的空间格局,产水服务表现为南高北低的空间分布.鄱阳湖地区食物供给与土壤保持、食物供给与产水量是权衡关系,土壤保持与产水量是协同关系.食物供给与土壤保持呈现北部协同、南部权衡的空间格局,食物供给与产水量之间在空间上呈现出明显的权衡关系,土壤保持与产水量之间从北至南呈现协同-权衡-协同的“夹心式”分异规律.不同土地利用类型间,耕地与食物供给、园林地与土壤保持、水域与产水量之间均存在极显著协同关系,建设用地与3种服务皆是权衡关系.食物供给服务与土壤保持服务和产水服务之间在不同土地利用类型中皆以权衡为主,土壤保持与产水服务在耕地、园林地、草地及建设用地中以协同关系为主、在水域和未利用地中则以权衡关系为主.鄱阳湖地区多重生态系统服务热点区主要在东部和南部平原区,呈减少趋势.     

变化环境影响下张承地区水源涵养和土壤保持服务及其权衡与协同关系研究

张家口-承德地区是京津冀环境优化的战略要地,开展水源涵养和土壤保持服务的定量评估对维护生态系统的安全运行意义重大。综合运用InVEST模型、空间偏相关统计制图及情景模拟等手段,分析了张承地区近20年水源涵养和土壤保持服务的时空变化特征及其复杂空间关系,定量评估二者对气候和土地利用变化的响应。结果表明:2000-2019年张承地区水源涵养量、土壤保持强度分别以0.97mm/a的速率增加和-0.50t hm^-2 a^-1的速率减少,空间上二者均呈西低(坝上高原)东高(冀北及燕山山地)的分布格局。冀北及燕山山地落叶阔叶林生态区水源涵养和土壤保持能力强,二者空间关系以协同为主;坝上高原草原与农业生态区则权衡关系更占优势。水源涵养和土壤保持服务关系复杂,空间上与区域土地利用类型、植被覆盖度和坡度关系密切。情景模拟结果表明,降水(r=0.90,P<0.01)对水源涵养服务的影响远大于潜在蒸散(r=-0.37,P>0.1),且降水变幅越大对水源涵养量的作用越强;而降水变化与土壤保持服务呈线性正相关关系,降水每增加(减少)10%引起土壤保持强度增加(减少)74.7t/hm²。预计2030年张承地区水源涵养能力将明显提升,土壤保持能力变化不大,届时人为干扰(如生态保护、规划控制)将对提升水源涵养服务产生重要影响。为改善张承地区水源涵养和土壤保持服务,需同时考虑多种因素的综合影响,以制定更合理的政策措施。建议继续加大国家重点生态工程建设,尽可能限制建设用地扩张,提高植被覆盖度,尤其加强保护关键坡度带是今后生态管理工作应关注的重点。