基于生态系统服务的生态安全研究进展

生态安全是全球环境变化背景下人类可持续发展面临的重要问题之一。生态系统服务作为自然环境中人类赖以生存的环境条件与效用，成为人们感知和评价生态系统结构或功能变化的重要指标，同时为研究自然生态与社会-经济两大系统之间的交互作用提供了连接路径。目前，国内外对基于生态系统服务的生态安全研究尚处于起步阶段。在大量查阅国内外相关文献的基础上，总结了生态安全的理论内涵及方法体系，并从基于生态系统服务内在关系和基于生态系统服务拓展的生态安全研究，以及将生态系统服务与生态安全结合应用的综合研究等3个方面系统性梳理了目前国内外基于生态系统服务的生态安全研究进展。结果表明，发展初期的生态安全研究主要基于各种生态系统服务之间的供需关系、权衡/协同关系和服务重要性等内在关系，二者的结合效果能通过耦合生态系统服与生态系统状态指标和相关模型得到改善，近年来将生态系统服务与生态安全结合应用的综合研究在区域规划管理等领域已呈现良好的发展趋势。在此基础上，本文指出了目前研究过程中所存在的一些不足与未来发展的方向，为进一步深入开展生态系统服务与生态安全的耦合研究提供理论依据。     

生态系统服务功能的空间尺度特征

生态系统服务功能的形成依赖于一定的空间和时间尺度上的生态系统结构与过程,只有在特定的时空尺度上才能表现其显著的主导作用和效果。不同尺度的生态系统服务功能对不同行政尺度上的利益相关方具有不同的重要性。一般而言,生态系统产品提供功能往往与当地居民的利益更密切;调节功能和支持功能通常与区域、全国,甚至全球尺度的人类利益相关;文化功能则与本地-全球尺度上的利益相关方关系密切。由于不同尺度的生态系统服务功能有时互相冲突,从而可能导致不同的生态系统管理策略。本文探讨了生态系统服务功能在不同空间尺度上的表现特征和生态系统服务功能的空间规律,论述了不同空间尺度上生态系统服务功能与不同行政尺度上利益相关方的关系,以期为生态系统服务功能的评价、生态补偿机制的建立与生态系统管理提供科学依据。     

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。     

生态系统服务权衡与协同研究进展

作为链接人类福祉和生态系统的桥梁,生态系统服务成为地理学、生态学和其他相关学科的重要研究内容。掌握生态系统服务权衡与协同关系,对提升生态系统服务总体效益和人类福祉至关重要,并可辅助自然资源管理和生态规划实践,目前已成为生态系统服务研究的热点。在归纳生态系统服务内涵、分类及价值评估研究进展基础上,从理论基础、类型划分和研究方法等方面系统梳理了生态系统服务权衡与协同研究进展,并从以下4个方面提出未来可能的研究趋势,包括丰富权衡与协同理论基础,建构多学科综合研究体系;完善生态系统服务分类体系,量化权衡与协同非线性特征;刻画生态系统服务空间流动,加强权衡与协同跨时空集成;系统化揭示权衡与协同机理,推动成果在国土领域的应用。     

黄土高原生态系统服务权衡与协同时空变化及影响因素——以延安市为例

明确黄土高原生态系统服务权衡与协同的时空变化特征及影响因素,深刻理解能源开发和经济发展背景下黄土高原多种生态系统服务之间的相关关系,为实现经济与生态保护的协调发展提供理论依据。以黄土高原典型区延安市为例,探讨1993—2013年间生态服务价值(植被净初级生产力、土壤保持、水源涵养和食物供给)之间权衡与协同关系的时空变化特征,以及退耕还林政策和地形坡度对生态系统服务权衡与协同关系动态变化的影响。结果表明:①各类生态系统服务之间呈现不同的相关关系,食物供给与土壤保持、水源涵养以及NPP之间均为权衡关系,NPP与土壤保持、水源涵养之间为协同关系,土壤保持与水源涵养呈现协同关系;②20年来延安市生态系统服务整体表现为权衡加强协同减弱的趋势;③对比退耕还林区与非退耕还林区权衡与协同的动态变化,发现退耕还林区各类生态服务多呈协同关系且不断加强,而在非退耕还林区多表现为权衡关系;④坡度为15°—25°地区生态服务冲突最为显著,大于25°地区生态服务协同作用显著;⑤NPP与水源涵养的协同关系呈现北部高南部低的分布规律,NPP与食物供给权衡程度在延安市北部较强而东部较弱,水源涵养与食物供给的权衡关系在延安市西南部更为突出而北部最弱。     

基于多尺度秦巴山区生态系统服务权衡协同关系的表达

秦巴山区是中国南北过渡带,具有明显的多维地带性结构和复杂的地貌特征,从大、中、小不同的空间尺度上研究生态系统服务权衡协同关系,为区域间的山水林田湖草生态保护提供基础性参考。从全域、综合分区、典型样区、样点间隔4个尺度分析秦巴山区2005—2015年植被净初级生产力(NPP)、粮食生产、土壤保持、生境质量、水资源供给5种生态系统服务之间权衡协同关系。结果表明:①从全域尺度:水资源供给分别与生境质量、土壤保持、NPP、粮食生产呈现协同关系;NPP分别与生境质量、土壤保持同呈现协同关系;生境质量与土壤保持是协同的关系;粮食生产分别与生境质量、土壤保持呈现权衡的关系。②从综合分区尺度:依据地貌和气候类型划分的综合分区,会出现特定的区域内生态系统服务关系的异同,加上影响生态系统服务的机制不同,促使生态系统服务间的关系在综合分区的体现也有所差别。③典型样区尺度:山地的南北坡在气候类型、植被类型、地貌特征等方面存在明显的差异性,随着时间的推移生态系统服务之间会发生相互转变。④样点间隔尺度:成对服务间的权衡/协同关系与样点间隔尺度存在一定的关联性,不同的间隔尺度权衡/协同关系的发展趋势存在差异性。该研究可以协助决策者在适当的空间尺度制定相应生态管理策略,促进生态-经济协同发展。     

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。     

退耕区域生态系统服务作用关系尺度效应及分异机制——以安塞区为例

生态系统服务的形成依赖于一定时空尺度上的生态过程。因此,探究生态系统服务在不同空间尺度的特征、关联和效应对于丰富生态系统服务的可持续管理具有重要的理论价值和实践意义。以典型退耕县域安塞区作为研究对象,基于生态模型定量评估了6项重要的生态系统服务,采用相关系数法、双变量空间自相关以及地理探测器揭示了不同空间尺度上生态系统服务作用关系的尺度效应及分异机制。研究结果显示：(1)退耕区域内,生态系统服务之间以协同关系为主,其中调节服务与支持服务的协同关系最强(|r|≥0.5),而权衡关系发生在文化服务与其他服务之间。从时间序列来看,调节服务与支持服务的作用关系较为稳定,在研究期间保持为协同关系,且协同度在退耕还林后有所提升;(2)生态系统服务作用关系的空间尺度效应主要表现在作用关系的方向变化与空间显著性的差异。在网格尺度中,生态系统服务之间的关系较为稳健,作用方向的变化主要发生在网格尺度与行政单元之间,且随研究尺度的加大,服务之间作用关系的空间显著性降低;(3)生态系统服务的权衡与协同是自然因子和社会因子共同作用的结果。退耕区人类活动干扰较小,自然因子的解释力(q均值0.1507)高于社会因子...     

基于生态系统服务层级关联性的景感营造实现途径

生态系统服务是建设人类与生态系统和谐共处的桥梁,景感营造是维持可持续发展的重要途径。然而两者之间的关系并不清晰,这限制了景感营造的实践和功能发挥。从人类需求的角度论证了生态系统服务的层级关联性,生态系统所提供的支持服务、供给服务、调节服务和文化服务具有依次发展的层级关系并且各服务之间相互协同。生态系统服务为景感营造提供愿景与载体,景感营造保持、改善与增强生态系统服务,景感营造的作用与生态系统服务的效能相辅相成。最后基于生态系统服务的层级关联性与可持续发展的建设路径提出景感营造的实现途径：（1）生态系统服务供给的物质愿景与载体通过农业景观、大地艺术的建造方式体现物质的精神内涵;（2）生态系统服务提供的精神愿景与载体通过建设文化景观、展现生态文化的方式把精神内涵物质化。不同景感营造途径的构建其目的都是通过生态系统各类型服务之间的协同作用来实现景感的整体化表达从而增强可持续发展。本研究分析结果有助于为生态系统服务价值衡量和景感生态规划提供理论基础。     

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：①2005-2025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。②2005-2015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，局部区域表现为权衡关系。研究结果可为快速城市化区域生态系统功能调控和生态安全格局构建提供一定的思路。     

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。     

闽三角城市群生态系统服务权衡的时空动态与情景模拟

闽三角城市群由厦门、泉州和漳州3个城市组成,是我国沿海开放地区之一。21世纪以来,快速的城镇化过程严重影响了该区域的生态安全以及生态系统服务功能,制约了当地的经济社会可持续发展。因此,研究闽三角城市群的生态系统服务权衡协同关系,对该区域的生态安全协同联动管理以及社会经济可持续发展具有重要意义。估算了闽三角城市群的保水服务、保土服务、NPP和食物供给4种生态系统服务功能,使用空间分析和空间统计等方法分析其时空动态变化和相互之间的权衡协同关系,并在不同情景下模拟了2030年的生态系统服务空间分布和权衡关系。结果表明:2005—2015年来,闽三角城市群的保水服务、保土服务、NPP和食物供给四种生态系统服务功能均呈下降趋势;在2005—2015年间,闽三角城市群的保水、NPP与保土3种服务之间呈现协同关系,食物供给服务与其他三种服务均呈权衡关系,虽四种服务的权衡协同关系未变,但权衡协同程度发生了复杂的变化;在空间分布特征上,晋江流域的生态系统服务权衡协同程度均高于九龙江流域,闽三角3个城市的生态系统服务权衡协同关系统一呈现厦门市泉州市漳州市;在不同情境设置中,自然情景下4种生态系统服务出现大幅降低,协同关系主要呈降低趋势,而权衡关系加剧,与规划情景相比,保护情景下的协同关系更高,权衡关系更低。     

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。     

基于贝叶斯网络的生态系统服务权衡协同关系及其驱动因子分析——以陕北黄土高原为例

了解生态系统服务的权衡协同关系及其驱动因子效应是实现生态系统有效管理和改善人类福祉的基础。以陕北黄土高原为例，定量评估其2018年土壤保持、产水服务、粮食供给和固碳服务，在构建贝叶斯网络生态系统服务模型的基础上，通过节点的重要性分析识别影响生态系统服务的关键节点，利用联合概率分布、概率推理和情景模拟探讨生态系统服务权衡协同关系及其驱动因子效应。结果表明：（1）陕北黄土高原各类生态系统服务空间异质性较强。其中，土壤保持、产水服务和固碳服务的空间分布情况较为一致，高值区集中在东南部，低值区在西北部，呈"南高北低"的分布特征；粮食供给呈"中部高、南北低"的分布特征。（2）土壤保持、产水服务和固碳服务之间互为协同关系，粮食供给分别与土壤保持、产水服务、固碳服务为权衡关系。其中，产水服务与固碳服务的协同关系、产水服务与粮食供给的权衡关系较强。（3）土地利用、降水和NPP （Net primary production）是影响生态系统服务权衡协同关系的主要驱动因子，其中土地利用主要影响生态系统服务的协同关系，而降水和NPP在影响协同关系的同时对权衡关系也有一定的制约作用。研究发现：不同驱动因子在不同状态下产生相同的协同（或权衡）方式，相同驱动因子在不同状态则会造成协同（或权衡）方式的差异。研究对于认识多种生态系统服务间的复杂关系及其驱动因子差异，为后续提出改善生态系统管理和提高人类福祉的对策与措施，具有重要的理论和实践价值。     

中国西南地区不同类型生态系统服务的关系

明晰不同类型生态系统服务之间关系是优化生态保护策略和实现可持续生态管理的基础。在明确中国西南地区各类生态系统服务功能和空间格局的基础上,运用统计分析原理、ArcGIS技术和GeoDa软件分析了水源涵养、土壤保持、固碳、生物多样性保护、水质净化5项调节服务,以及水稻生产、小麦生产、玉米生产、蔬菜生产、水果生产5项供给服务之间的权衡和协同关系,并通过叠置分析识别生态系统服务共赢区域,探讨生态系统类型对共赢格局的影响。结果表明: 西南地区各类调节服务之间、各类供给服务之间主要呈协同关系,而调节服务与供给服务之间既有协同关系也有权衡关系;西南地区生态系统服务总共赢格局的高共赢区域主要分布在邛崃山、哀牢山和大瑶山以及怒江、澜沧江流域等地区;森林和农田面积比例对各类共赢趋势均有显著影响。     

多尺度生态系统服务的权衡关系及其对景观配置的响应——以湖北省为例

多种生态系统服务相互关系及其对景观配置响应的多尺度分析一直是生态系统服务研究的热点问题,对于厘清生态系统服务尺度效应和实现区域分级管理具有重要的意义。以湖北省为研究区域,采用遥感、土地利用类型、水文、气象、土壤等多元数据,从5 km×5 km、10 km×10 km、15 km×15 km、20 km×20 km、25 km×25 km、县域和市域等7个递增尺度分析4种生态系统服务(水源供给、碳固持、粮食生产、水质净化)对景观配置的响应关系。结果表明：(1)4种生态系统服务的空间分布具有较强的异质性,粮食生产服务的高值区与水质净化服务的低值区主要分布于湖北省中部和东部的耕地集中区域,碳固持与水源供给呈现相反的空间特征。(2)生态系统服务权衡关系的作用强度随尺度增加而减弱,而协同关系呈增加趋势;同时服务间相互作用强度的变化大于作用方向的变化。(3)景观配置对生态系统服务的影响程度在县域和市域尺度上大于格网尺度。结果反映了受尺度变化中“削峰填谷”过程的影响,景观配置对生态系统服务影响的大小和正负效应具有尺度差异性。研究结果可为区域生态系统服务分级管理和景观格局调控提供科学参考。     

西藏草地多项供给及调节服务相互作用的时空演变规律

基于统计数据及MODIS产品,计算西藏草地2000与2010年载畜支持服务、肉类供给服务、水源涵养服务和碳吸收服务的功能量。构建Pearson相关系数、总生态系统服务(TES)、供给-调节服务互竞指数(TO),分析了4项生态系统服务相互作用关系随纬度、海拔及时间变化的规律。结果表明:西藏草地两项供给服务和两项调节服务之间分别为相互协同作用,且随时空变化不大。供给服务和调节服务之间的相互作用随海拔和纬度升高时,基本由相互竞争转变为相互协同,在高纬度时则无相互作用。4项服务在低纬度及低海拔呈相互竞争关系时,其生态系统服务总体水平也较低,中纬度及中高海拔呈协同关系时,其总体水平较高。从2000年到2010年,西藏草地4项生态系统服务皆发生较大变化。在变化中,12%的草地供给服务与调节服务发生相互竞争作用,33%的草地则为相互协同关系。发生相互竞争作用的草地主要集中在中低纬度的一江两河地区,而相互协同的区域主要为藏北羌塘高原中南部。     

基于生态系统服务簇的福州市生态系统服务格局

基于InVEST模型、游憩机会谱、因子分析、冷热点分析、SOFM神经网络和地形起伏度等方法,评估福州市6项生态系统服务,分析不同生态系统服务之间的权衡与协同,并阐明区域的主导服务类型和不同地形起伏度下服务簇的空间格局。结果表明: 福州市各项生态系统服务的空间异质性显著,产水、碳固持、生境质量和游憩机会供给总体较高,农产品供给和水土保持相对较弱且高低值差异明显;产水服务与文化服务存在协同关系,调节服务、支持服务与农产品供给服务之间存在权衡关系,权衡与协同高低值呈明显的空间聚集;生态系统服务簇分为郊区游憩簇、水源涵养簇、农产品供给簇、城镇生活簇和森林生态保育簇,不同地形起伏度下的服务簇组成各不相同,具有明显的空间异质性。