GIS和遥感技术在生态安全评价与生物多样性保护中的应用

综合近年来国内外生态安全评价和生物多样性保护领域的研究成果:简要总结了地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术在生态学热点领域的应用研究现状和特点;归纳论述了GIS和RS在生态安全评价和生物多样性保护研究中存在的不足;在此基础上,尝试性地提出了可扩展的集成研究框架——"生产线"框架;最后探讨了GIS和RS技术与生态学集成研究的未来发展趋势。     

生物多样性与生态系统服务评估指标与方法

评估、模拟和预测全球生物多样性和生态系统服务的状态、趋势及其对人类福祉的影响,是当前生物多样性和生态系统服务研究领域的重要任务。指标和数据、模型和情景是推动生物多样性与生态系统服务评估研究理论建设和方法集成的重要工具。但是,目前对生物多样性和生态系统服务评估的指标体系和技术方法的综合对比研究相对缺乏。因而,系统评述了生物多样性和生态系统服务评估的概念框架、评估指标以及各类评估模型和方法的最新进展。生物多样性—生态系统功能—生态系统服务—人类福祉的级联框架是极具逻辑性的生物多样性和生态系统服务评估框架。现有的评估指标体系和模型方法还存在很多的问题和挑战,难以充分揭示生态系统服务的形成和影响机制、服务之间的联系和作用机理,有效地指导生态系统服务管理和决策制定。然而,这些评估指标和方法可为构建生物多样性与生态系统服务综合集成模型研究的框架提供重要的切入点。基于此,提出了生物多样性与生态系统服务综合集成模型研究的核心内容:i)目的:基于自然—社会综合特征的情景分析确定所解决的科学问题,输出生态系统服务管理和决策制定方案;ii)内容:尺度、生态系统服务类型、生物多样性的层次结构、组分间相互关系、驱动要素、多源数据的综合分析;iii)方法:对现有的各类模型和模型组合进行比较和不确定性分析,建立符合区域实际需求的生物多样性与生态系统服务综合制图模型库。在此基础上,建议我国应尽快发展适合中国区域特点的标准化指标体系和综合评估模型系统,定期对生物多样性和生态系统服务进行综合评估,掌握生物多样性和生态系统服务的变化趋势,提升我国在生物多样性和生态系统服务研究领域的国际地位和话语权。     

新疆国家级自然保护区土地利用变化的生态系统服务价值响应

运用GIS和RS技术,基于2000—2010年遥感数据分析了新疆6个国家级自然保护区的土地利用变化状况,并对不同时期的生态系统服务价值进行评估.结果表明:2000—2010年,研究区水域和草地面积有所减少,林地、农田、湿地、未利用地和建设用地面积均有所增加,2000—2005年间土地利用变化速率较快,约为2005—2010年间变化速率的2.4~6.3倍.水域、草地、林地生态系统价值构成了研究区生态系统总价值量的主体,约占93%.研究期间,除草地和水域生态系统服务价值有所降低外,其余地类的生态系统服务价值均有所增长;生态系统服务总价值先升高后降低,整体呈降低趋势,降低率为1.2%.在西部大开发过程中,需要更加重视自然资源的保护和生态系统修复,以实现西部地区资源、环境与社会经济的可持续发展.     

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。     

海洋生态系统服务的研究进展

综合了国际和国内对海洋生态系统服务的研究成果,总结归纳了海洋生态系统服务在基础理论、价值评估和应用研究等3个方面的进展.在众多的定义中,Daily(1997)的定义得到了生态学家们的普遍认可,而MA(2003)的概念更倾向于管理中应用.目前对生态系统服务的分类并不一致,MA的分类体系更为实用和便于评估.对海洋生态系统服务还缺乏系统的基础理论研究和适用的分类体系.在价值评估方面,多位学者对生态系统服务的社会价值与生态价值进行了探讨.尽管有多种技术方法可以了解人们的支付意愿,但对于不具有市场的服务价值的评估方法还有待进一步完善.应用研究主要集中在人类活动与生态系统服务之间的关系,以指导生态系统服务的管理与可持续利用.对如何更好地将生态系统服务的理论应用于实际管理和政策制定作了探讨与展望.     

近20 年平顶山市生态用地及其生态系统服务演变

生态系统服务功能的改变以及生态系统服务价值的核算是区域生态规划、生态资产管理以及生态补偿的重要依据。基于RS、GIS 技术以及生态系统服务单位面积价值当量评估方法, 对平顶山市1995-2015 年间3 个时段遥感影像进行解译及比较分析,研究表明: 研究期内, 平顶山市生态用地发生“林地水域增加, 农田草地减少”的结构变化特点。研究期末平顶山市生态系统服务价值呈增长态势, 20 年间生态系统服务价值一共增加129.05 亿元。就生态系统服务类别而言, 平顶山市调节服务与文化服务分别增长2.53%和0.22%, 支持服务和供给服务分别下降1.35%和1.42%。从生态系统服务功能来看, 平顶山市水文调节功能价值增长最多, 20 年间一共增长70.70 亿元, 而食物生产功能价值下降了10.53 亿元。森林生态系统和水域生态系统覆被增长是平顶山市生态系统服务功能增长的主要因素, 农田生态系统的减少是食物生产、原料供给功能下降的主要原因。研究结果可以为平顶山市生态用地布局以及生态系统服务演变提供数据支撑, 也可为未来平顶山市生态资产管理、生态规划以及生态补偿提供理论依据与技术方法。     

生态系统服务价值评估:研究进展与展望

生态系统服务作为连接生态系统结构、过程与人类福祉之间的桥梁,对其进行价值评估可以为评估生态系统质量变化、制定生态系统服务付费政策提供可靠依据,促进生态系统保护和生态文明建设.本文通过对生态系统服务分类体系的梳理和价值评估案例的归纳,重点对调节服务和文化服务的价值评估方法进行了总结.本研究将生态系统服务价值评估研究历程划...     

生态系统服务与自然资本价值评估

生态系统服务是生态系统提供的商品和服务,是人类生态和发展的物质基础和基本条件,是人类拥有的关键自然资本。概述了生态系统服务的内涵及类型,介绍了当前国内外有关生态系统服务及自然资本的价值理论、价值评估的各种方法及其类型;评述了研究的主要进展,存在的主要问题、难点和研究的主要趋向。认为生态系统服务及自然资本的价值评估研究是建立生态－环境－经济综合核算体系（可持续发展核算体系）的重要内容和关键环节,完善价值评估的理论与经济技术方法是生态系统服务价值评估研究亟待解决的问题。     

河岸植被缓冲带主要生态服务功能研究的现状与展望

河岸植被缓冲带是河流生态系统和陆地生态系统之间的生态交错带,具有独特的生态系统结构和服务功能,也是近年来生态学和环境科学研究的热点之一.本文对河岸带的生态系统结构及其在生物多样性维持、非点源氮素污染防治等主要生态服务功能方面的研究进行了系统总结和分析.由于岸边缓冲带具有结构复杂、系统内外干扰因子多、时空异质性强等特征,要实现对河岸带生态系统的科学有效管理,还需要进行大量的理论和案例研究.从系统生态学和景观生态学的角度,展望了该领域的研究前景:(1)加强人类活动干扰如土地利用的时空变化对河岸区域生物多样性分布特征和生态环境效应的影响研究;(2)加强不同河岸植被缓冲带结构和区域环境特征对非点源氮素污染净化机理和控制过程的研究;(3)在小尺度长期定位观测和机理研究的基础上,综合运用数学方法、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等工具,开发适合我国地域特点和环境特征的生态系统管理模型,定量研究河岸带生态系统结构、过程与功能动态变化及其与人类活动干扰之间的相互关系和影响机制,为区域社会经济的可持续发展提供科学依据和管理对策.     

生态系统服务与景观格局集成研究综述

生态系统服务是综合科学和政策应用的有效工具,可用于应对人类干扰下的景观和生态系统服务的快速退化等复杂生态环境问题。综述生态系统服务与景观格局集成的学科发展、基础理论和模型开发的进展与存在的问题,建立可用的集成建模框架,并提出知识集成的概念框架:1)在要素层,"政策-决策—景观—生态系统服务—社会经济系统"的跨学科知识反馈环是集成理论基础; 2)在模型层,结构化、多层次的集成模拟模型是核心方法; 3)在数据层,多源数据集成是模拟模型的数据基础。集成生态系统服务与景观格局为区域生态环境治理实践提供了科学参考,能更好地应对生态系统服务科学与应用的挑战。     

基于生态功能评价的湿地景观格局优化及其效应——以江苏盐城海滨湿地为例

景观格局与生态过程是景观生态学研究的重要内容,基于生态功能和过程影响的景观格局优化是提高景观效益和稳定性重要方法之一。选择江苏盐城海滨地区为研究对象,应用遥感和GIS技术,对2007年湿地景观生态系统服务功能进行定量分析,并采用阻力面模型研究景观格局优化途径。结果显示:(1)湿地景观生态功能强度空间差异性显著,影响区域湿地景观生态过程和功能。(2)以累积耗费距离面、生态源地、耗费路径为依据,构建源地、生态廊道和生态节点等景观组分优化景观格局。(3)景观格局优化改善景观连通度和生态流,废黄河口附近和大丰港附近等关键区域对景观连通性和生态流重要值最大,景观连通性受到显著影响,是景观生态节点优化的首要对象。(4)加强保护核心斑块源地、提高景观连通度是实现景观格局优化的关键。该研究结果为区域土地利用和生态环境保护提供科学的依据。     

基于RS与GIS的赣江上游流域生态系统服务价值变化

研究土地利用背景下的生态系统服务价值变化对促进区域生态建设和可持续发展具有重要意义。以赣江上游流域为例,依据1990年、1995年、2000年和2005年4期的遥感数据,利用RS和GIS手段对土地利用数据进行了处理,并分析了土地利用变化引起的生态系统服务价值变化。结果表明,1990-1995年赣江上游流域生态系统服务价值变化不大,1995—2005年生态系统服务价值总量不断增加,且各类生态服务功能价值波动较大;各土地利用类型生态系统服务价值敏感性指数都小于1,表明生态系统服务价值对服务价值指数缺乏弹性。     

黄淮海湿地生态系统服务与生物多样性保护格局的耦合性

研究生物多样性格局与生态系统服务格局之间的空间耦合效应,探讨以生物多样性保育为核心目标的自然保护体系同时能多大程度满足对生态系统服务功能的维护和支撑,已成为自然保护领域新的热点关注问题。目前研究多限于陆域生态系统,其方法难以适用于湿地生态系统。以黄淮海湿地——这一高强度人类活动的区域为研究区,基于湿地生态系统的横向连接度、纵向连接度(2D)以及结合地下水的垂向连接度(3D),对黄淮海地区湿地具有的生态系统服务功能进行了空间评估和分析,识别出具有重要意义的生态系统服务功能区域,结合现有保护区分布情况进行空间分析,评价现有保护区对生态系统服务功能的支持程度,即生物多样性保护与生态系统服务功能重点区域的空间耦合性。研究结果表明:目前湿地保护区并未有效覆盖湿地生态系统关键区域,湿地生态系统服务关键格局也存在大量明显的保护空缺。同时,随着2D到3D延伸,保护区对生态系统服务功能的支持程度也稍有提高,这与系统保护规划中选择不同保护目标后保护规划格局发生变化的情况类似,而生态系统服务功能的"热点地区"(重要区域)与保护生物学中所指的物种保护的热点地区类似,这表明生态系统服务功能的规划和保护也可以借鉴保护生物学中系统保护规划的理论和方法,为后续研究提供参照。     

闽三角区域生态系统服务重要性评价及其空间分布

基于GIS及RS技术,选取研究区内最重要的水源涵养服务、水土保持服务、生物多样性保护服务、生态系统综合服务为研究对象,采用NPP定量指标评价方法,对4种生态系统服务的重要性进行评价,试图揭示闽三角区域各类生态系统服务重要性分级情况及其空间分布规律。同时,从土地利用以及主控因子识别两方面对形成闽三角区域生态系统服务各重要性级别区域的深层次原因做出科学分析。以最终闽三角生态系统综合服务为例,研究结果表明:(1)极为重要和高度重要的区域面积共占研究区总面积的30.39%,总体分布在闽三角中部偏西南地区的南靖县、平和县以及长泰县境内,其在海拔300—600 m以及坡度10°—20°的环境中面积占比较高。(2)一般重要和较为重要区域总体分布在闽三角东北部沿海地区的泉州市及厦门市范围内,其在海拔900—1800 m以及坡度40°的环境中面积占比较高。(3)随着重要性级别从一般重要到极为重要的提升,其相应重要性级别区域的地理中心由南安市境内出发,逐渐向西方向移动,后经由华安县境内转向西南方向,最终落在南靖县境内。(4)从一般重要区域到极为重要区域,林地和草地的面积占比显著增加,而城乡、工矿、居民用地、耕地以及水域的面积占比则出现明显降低。(5)一般重要区域划分的主要控制因子依次为多年平均净初级生产力、降水因子、土壤渗流能力因子,极为重要区域划分的主要控制因子依次为多年平均净初级生产力、海拔因子、降水因子。     

都市生态旅游区土地利用碎片化对生态系统服务价值的影响——以武汉东湖生态旅游区为例

都市生态旅游区是都市生态系统重要的组成部分,聚焦其土地利用碎片化对区域生态系统服务价值的影响,有助于促进都市生态旅游区的保护与合理开发,维护都市生态系统服务的稳定。结合RS、GIS技术量化评估2000—2015年武汉东湖生态旅游区土地生态系统服务价值,并通过景观格局指数测定土地利用碎片化程度,进而理清土地利用和生态系统服务价值的时空演化趋势,最后剖析土地利用碎片化对生态系统服务价值的影响。结果表明:(1)2000—2015年,主要地类向建设用地转换量较大;土地景观明显碎片化趋势,斑块密度由1.67升至1.96,景观多样性指数则由1.59增至1.71。(2)15年间,土地生态系统整体及各项服务价值均呈逐年下降趋势,总价值减少6248.81万元,水域占总体服务价值的80%左右。(3)草地和耕地的面积变化与部分调节性和供给性功能的价值变化呈显著正相关,水域的面积变化对部分支持性和文化性功能的价值和总体价值的下降具有显著推动作用;区域景观斑块密度指数、景观多样性指数和林地、水域的破碎度指数变化与部分支持性和文化性功能的价值变化存在显著相关;水域的碎片化成为东湖观光游憩等文化性功能的价值及生态系统服务总价值下降的关键因素。     

Evaluation for regional ecosystem health: methodology and research progress

The evaluation for ecosystem health is one of the hotspots in the fields of macro-ecology and ecosystem management. Conducting analysis at the regional scale is an important direction for evaluating ecosystem health. Changing the spatial scale from the local to the regional level leads to great differences in targets and methodologies for ecosystem health evaluation and creates a new direction for regional ecosystem health research. Compared with the ecosystem health at the local scale, which refers to a single ecosystem type, the regional ecosystem health focuses on the health conditions and spatial patterns of different ecosystem types. However, there has been little attention paid to this very research up to now. Based on the progress on ecosystem health studies at the regional scale, the study reported in this article aims to discuss the implications of the conception of regional ecosystem health and to put forward a methodology for evaluating the regional ecosystem health. The main results include: (1) there is a significant scaling effect on the ecosystem health analysis, and the regional level is the key scale used to focus on the correlation between spatially neighboring ecosystems in terms of ecosystem health; (2) regional ecosystem health can be defined through 4 aspects, i.e., vigor, organization, resilience, and ecosystem service functions; (3) the basic evaluation objects of the regional ecosystem health is spatial entity, which is the matrix of different ecosystem types; (4) indicator system method is the only approach to evaluate regional ecosystem health; (5) the absolute thresholds of the evaluation indicators for the regional ecosystem health do not exist; the aim of the evaluation is to discuss the temporal dynamic changes and spatial differences of health conditions rather than to ascertain whether a region is healthy or not in view of ecological sustainability; and (6) the integration of evaluation results at multispatial scales, the application of this methodology in the landscape ecology, and the utilization of geographic information systems (GIS), remote sensing (RS), and Global Positioning Systems (GPS) technologies are the main directions for further research.     

The use of geographic information systems to map and assess ecosystem services

In recent years, geographic information systems (GIS) have become a powerful tool for mapping and assessing the provision of ecosystem services within a landscape. GIS can help land managers and conservationists visualize spatial and temporal patterns and changes in ecosystem services and estimate the potential impact from projected changes in land use or management or climatic conditions on the provision of these services. The end-goal of ecosystem service assessment is usually to estimate marginal values of ecosystem services to inform decisions where trade-offs in ecosystem service provision will affect human well-being. Because our ability to estimate the provision of ecosystem services underlies our ability to estimate their societal values, the theoretical bases of GIS approaches and models for assessing ecosystem services need to be well understood before they are employed for decision-making purposes. This paper reviews GIS approaches and software developed for the assessment of ecosystem services and highlights their strengths and weaknesses in the context of different end uses.     

区域生态系统健康评价——研究方法与进展

生态系统健康评价是当前宏观生态学与生态系统管理研究的热点问题之一,区域尺度的生态系统健康评价则是生态系统健康评价研究的一个重要发展方向。在探讨生态系统健康时空尺度特征的基础上,明确界定了区域生态系统健康及其评价等相关概念,结合目前区域尺度生态系统健康评价的相关研究进展,从评价的区域类型、目标单元、模型方法、指标选取及其阈值、权重设定等方面探讨了区域生态系统健康评价的基本原理与方法,并展望了进一步研究的重点方向,即评价结果的多尺度综合与尺度转换、景观生态学理论与方法的应用、3S技术的综合应用等理论与技术问题。     

An empirical evaluation of spatial value transfer methods for identifying cultural ecosystem services

A significant barrier to the assessment of ecosystem services is a lack of primary data, especially for cultural ecosystem services. Spatial value transfer, also known as benefits transfer, is a method to identify the probable locations of ecosystem services based on empirical spatial associations found in other geographic locations. To date, there has been no systematic evaluation of spatial value transfer methods for cultural ecosystem services identified through participatory mapping methods. This research paper addresses this knowledge gap by examining key variables that influence value transfer for cultural ecosystem services: (1) the geographic setting, (2) the type of ecosystem services, and (3) the land cover data selected for value-transfer. Spatial data from public participation GIS (PPGIS) processes in two regions in Norway were used to evaluate spatial value transfer where the actual mapped distribution of cultural ecosystem values were compared to maps generated using value transfer coefficients. Six cultural ecosystem values were evaluated using two different land cover classification systems GlobCover (300 m resolution) and CORINE (100 m resolution). Value transfer maps based on the distribution of mapped ecosystem values produced strongly correlated results to primary data in both regions. Value transfer for cultural ecosystems appear valid under conditions where the primary data and value transfer regions have similar physical landscapes, the social and cultural values of the human populations are similar, and the primary data sample sizes are large and unbiased. We suggest the use of non-economic value transfer coefficients derived from participatory mapping as the current best approach for estimating the importance and spatial distribution of cultural ecosystem services.     

基于GIS的关键性生态空间辨识——以鄱阳湖生态经济区为例

生态空间承担着维持区域生态平衡的使命,并为社会提供持续不断的生态空间服务,是区域土地生态能持续地提供自然空间服务的基本保障。以自然生态环境脆弱的鄱阳湖生态经济区为研究区,结合国内外学者的相关实践经验和研究成果,基于RS和GIS等相关空间信息技术,通过生态系统服务功能重要性评价和生态系统敏感性评价方法,因地制宜地选取了相应评价指标,以栅格为单元辨识了鄱阳湖生态经济区关键性生态空间。研究结果表明:鄱阳湖生态经济区关键性生态空间面积为27751.25 km~2,占研究区总面积的52.55%,其中底线型生态空间面积为17125.31 km~2,占研究区总面积三分之一,危机型生态空间面积为4431.19 km~2,占研究区总面积的8.39%,缓冲型生态空间面积为6194.75 km~2,占研究区总面积的11.73%。在现状土地利用生态安全冲突分析中,有14.29%的耕地、9.31%的建设用地处于关键性生态区内。