论文部分内容阅读
生态系统服务面临着气候变化与人类活动等各类复杂因素的多重胁迫，评估生态系统服务的空间动态与权衡关系是支撑生态系统管理及维持人类社会可持续发展的重要前提。气候变化及由人类活动导致的土地利用变化等是影响生态系统服务变化的重要因素，不仅直接影响生态系统服务供给的变化，同时导致了生态系统服务之间复杂的权衡与协同关系。在社会经济快速发展背景下，定量评估生态系统服务的空间动态变化并解析其驱动机制，以及厘清不同生态系统服务之间的权衡与协同关系，是当前生态系统服务研究的热点，对合理规划土地利用及维持生态健康与社会经济可持续发展具有重要意义。 张掖市是位于中国西北内陆黑河流域中上游的典型干旱半干旱区绿洲，承载着黑河流域主要的人口与社会经济的生存发展，生态环境脆弱敏感。伴随着干旱区气候特征，张掖市长久以来的绿洲农业生产等人类活动导致了区域内生态系统服务不同程度的变化，形成了“水-土-气-生-人”之间紧密的相互耦合作用关系。本研究以张掖市为研究区，对其1990-2015年的关键生态系统服务变化的空间动态特征、驱动机制及其权衡关系进行了探讨，为张掖市的生态系统管理提供科学依据。 随着人口增长与经济快速发展，张掖市的土地利用结构与空间格局动态变化显著，不同时间阶段的土地利用的动态特征及土地转移类型存在差异。张掖市的草地与未利用地为其主要土地利用类型，1990-2015年其土地利用变化主要表现为耕地和建设用地面积呈现持续增长的趋势，其中耕地的总体扩张率达20.95％，林地呈现先减少后增加的趋势，草地与未利用地保持持续减少的趋势。1990-2000年，张掖市土地利用转移主要发生在草地、林地、耕地和未利用地之间，表现为耕地侵占草地与林地，及草地和林地退化为未利用地;2000-2010年及2010-2015年，由于张掖市社会经济发展及农业生产活动的加强，土地利用转移主要表现为耕地的持续扩张，其面积的增加主要以未利用地和草地转入为主，但相对于1990-2000年期间的转移变化，耕地侵占草地的趋势明显下降，未利用地转为耕地的趋势上升。张掖市耕地、草地和未利用地三者之间的相互转移反映了人类活动强度的增加及其对生态系统胁迫的加剧。自2000年黑河流域实施干流统一水量调度后，张掖市的水资源利用更为紧缺，而耕地却持续扩张，灌溉用水挤占生态用水，导致生态退化。因此，张掖市需要进一步严格控制耕地的发展，有效调整产业结构，以保障张掖市未来的水资源有效利用及社会化经济与生态的可持续发展。 受土地利用与气候等因素的影响，张掖市1990-2015年各项生态系统服务区域差异性明显，不同生态系统服务对土地利用与气候变化的响应程度与方向不一。本研究定量评估了张掖市1990、2000、2010和2015年四项关键生态系统服务的物理量，包括水资源供给、土壤保持和固碳服务以及植被NPP，并在此基础上对生态系统服务的时空动态特征进行分析。结果表明，1990-2015年，张掖市各项关键生态系统服务的空间分布格局相对稳定而区域差异显著，东南部祁连山区地带的生态系统服务能力相对较强，而西北部的绿洲与荒漠过渡区生态系统服务能力相对较弱，主要受张掖市内的气候差异影响。1990-2015年，张掖市的水资源供给、固碳服务及植被NPP具有不同程度的上升，产水量从29.25×108m3上升至33.80×108m3，固碳总量由5.70×108t上升至5.74×108t，植被NPP上升速率达1.18gC·m-2·a-1;而土壤保持服务总体呈下降趋势，由24.6×108t降至15.55×108t。张掖市生态系统服务与土地利用及气候变化密切相关，在土地利用与气候条件共同影响下，林地和草地的平均水资源供给、土壤保持与固碳服务远大于其他土地利用类型，耕地对于植被NPP积累及固碳服务具有一定的作用;气候不变方案下，林地增长对区域内的产水起抑制作用，草地增长则对产水具有促进作用，而林草地的增长都能促进土壤保持量增加。张掖市各项关键生态系统服务的空间分布及时空变化不仅受到土地利用类型变化的影响，与降雨量、降雨强度、蒸散发等气候因素以及地形条件等自然因素的空间分布与动态变化也具有密切的联系。针对张掖市生态系统服务的空间分布与动态变化特征，本研究建议未来生态系统管理中需要加强对上游地区的生态保护，同时控制中游地区的农业生产活动。 张掖市生态系统服务动态的驱动机制解析有必要基于多层次模型分析，本研究采用多层次模型定量分析了张掖市县域层次人文驱动因子及集水区层次自然驱动因子对各项生态系统服务的综合驱动机制，结果表明各项各层次因子对生态系统服务变化共同驱动，且其作用程度与方向存在差异。其中，县域层次驱动因子对水资源供给、土壤保持、固碳服务及植被NPP的总体方差变异的解释程度分别达47.99％，59.96％,51.3％，及23.37％，表明有必要对县域层次的人文驱动因子及集水区层次的自然驱动因子进行分层次驱动机制解析。从自然驱动因子看，降雨量的增加能够显著提升产水量，而蒸散量的增加能够显著导致产水量的下降;降雨侵蚀力是显著影响土壤保持服务的因子，降雨侵蚀力越大的地区，其土壤保持服务越强;固碳服务主要受土地利用因子的影响，林草地及耕地的面积比例越大，固碳量越多;日照时数与土壤有机质含量对植被NPP有显著的正向作用。从人文驱动因子看，粮食生产与牧业生产以及农业生产技术的提升对产水量起负作用，但对土壤保持服务起正向作用;地均GDP、第三产业占比、农民人均纯收入对固碳服务有显著正向作用，牧业生产对固碳服务具有显著负向作用;人口密度、地均GDP及第三产业产值占比对植被NPP也具有显著正向驱动作用。气候条件等自然驱动因子及区域内农业生产等人文驱动因子共同作用于生态系统服务变化，能够导致生态系统服务不同程度及方向的变化并引起生态系统服务之间的权衡。从生态水文过程对土地利用变化响应的角度考察土地利用变化对生态系统服务变化的影响机制，结果表明林草地的共同增长对区域的产水与产流具有一定的抑制作用。张掖市的水土资源具有复杂的相互作用关系，在水土资源配置过程中，考虑水资源约束土地利用的同时，需要考虑生态水文过程对预期的土地利用变化的响应，由此指导地区的合理的水土资源规划以维持社会经济与生态的可持续发展。 张掖市的生态系统服务及其动态变化存在复杂的权衡或协同关系。基于玫瑰图分析可知，受自然条件及人为因素的驱动作用，林地、草地和耕地生态系统中的水资源供给服务与植被NPP表现为同增同减的协同关系，而水资源供给服务及植被NPP与土壤保持服务表现为此消彼长的权衡关系。张掖市生态系统服务静态相关性分析结果表明，张掖市水资源供给、土壤保持、固碳及植被NPP保持着静态的空间协同关系，其中水资源供给与土壤保持(0.78)、固碳(0.72)及植被NPP(0.58)之间的静态协同关系都较为显著;粮食生产与水资源供给(-0.22)、土壤保持(-0.33)及固碳服务(-0.045)之间也具有不同程度的空间静态权衡关系，而与植被NPP具有较强的空间协同关系(0.52)。张掖市生态系统服务动态相关性分析结果表明，植被NPP与水资源供给服务为空间动态权衡关系(-0.24)，与固碳服务为空间动态协同关系(0.28);粮食生产与水资源供给服务为空间动态权衡关系(-0.18)，而与土壤保持服务(0.24)、固碳服务(0.41)及植被NPP(0.61)均为空间动态协同关系。然而，在气候不变方案下，粮食生产、水资源供给及土壤保持三者之间的空间动态权衡/协同关系正好相反。基于方向性产出距离函数测算的结果表明，张掖市多项生态系统服务与粮食产量联合生产的效率值在0.27-0.99，呈现由东南向西北下降的趋势;粮食生产与各项关键生态系统服务之间的产出替代弹性的空间分布特征说明他们之间的权衡或协同关系具有空间差异性，其中粮食生产与水资源供给服务在张掖市的中上游地区表现为显著的权衡关系，而在西北部地区表现为一定的协同关系;粮食生产与土壤保持服务之间主要表现为微弱的此消彼长的权衡关系;粮食生产与固碳服务及植被NPP之间的权衡/协同关系较弱。生态系统服务相互权衡/协同关系的定量化及空间化的特征分析有助于更好地指导区域生态保护政策的实施与生态系统服务管理。