人地系统耦合框架下的生态系统服务

生态系统服务是连接自然环境与人类福祉的桥梁,是人地系统耦合研究的核心内容。本文在构建生态系统服务与人地系统耦合研究框架的基础上,系统梳理了生态系统服务评估、生态系统服务权衡、生态系统服务影响因素、生态系统服务供给流动与需求等研究前沿,提出了未来生态系统服务研究的重点领域。主要研究结论认为：①国际生态系统服务模型发展迅速,SAORES模型是中国生态系统服务模型优化与参数本地化的突出代表;②生态系统服务权衡具有相对复杂的时空尺度,权衡分析的前提是辨析不同尺度生态系统结构—过程—功能—服务的作用机制;③自然因素是生态系统服务时空分布的基础,土地利用能改变生态系统结构、功能与生态系统服务变化,社会经济因素会导致生态系统服务权衡的差异;④为明晰生态系统服务供给与需求耦合关系,需进一步识别生态系统服务流的运移路径;⑤未来生态系统服务研究需加强生态系统服务对全球变化的响应特征和机制分析、面向可持续发展目标的生态系统服务供给流动与需求研究、生态系统服务的动态评价集成与优化、生态系统服务与人地系统耦合、生态系统服务与大数据集成等。     

生态系统服务供给和需求研究进展

生态系统为人类供给产品与服务,人类对其产品与服务形成需求和消费,供需两者共同构成生态系统服务从自然生态系统流向人类社会系统的动态过程。对生态系统服务的供给和需求进行识别、度量、空间化及均衡分析是生态系统服务研究的重要组成部分,有助于生态系统有效管理以及自然资源合理配置,为生态系统服务付费和生态补偿提供理论支撑。本文基于国内外理论和案例研究成果,首先梳理生态系统服务供给和需求的含义,其次总结和对比从供需空间特征角度对生态系统服务的分类,并归纳生态系统供给和需求的空间化方法,最后从实际供给和潜在供给、实现需求和总量需求、供需数量和空间关系3个方面探讨生态系统服务供需均衡分析框架。     

黄土丘陵区生态系统服务供需匹配研究——以兰州市为例

生态系统服务的持续供给是社会和自然可持续发展的基础,人类通过对生态系统服务的消费来满足需求和提高自身福祉。研究生态系统服务的供给和人类对生态系统服务的需求与消费,分析生态系统服务的供需特征与空间权衡关系,对区域生态系统的管理和资源的有效配置具有重要意义。以兰州市为例,利用全市2017年土地覆被、气象观测和统计年鉴等多源数据,应用InVEST模型、ArcGIS和GeoDA等空间分析工具,计算了研究区产水、食物供给、碳固持和土壤保持等4项服务的供给量及需求量,并对区域内生态系统服务的供需匹配状况进行了分析与评价。结果表明：① 兰州市各项生态系统服务的供给与需求空间异质性显著,各项服务总供给量均大于总需求量,且在不同区域与不同生态系统服务之间存在明显差异;② 兰州市综合生态系统服务供需比为0.039,不同生态系统服务供需匹配状况存在差异,产水服务（0.098）>碳固持服务（0.066）>食物供给服务（0.030）>土壤保持服务（0.001）,且城乡供需匹配差异显著;③ 兰州市生态系统服务供需空间匹配有“高高型空间匹配”、“低低型空间匹配”、“高低型空间错位”和“低高型空间错位”4种类型,且各项服务的主导空间匹配类型有所不同;④ 兰州市各项生态系统服务的供需平衡状况存在明显的协同作用,分别是“高高协同”与“低低协同”。     

Spatio-temporal Evolution and Flow of Water Provision Service Balance in Jinghe River Basin

Quantifying the whole process of ecosystem services from generation through transfer to use, and analyzing the balance between the supply and demand of regional ecosystem services are of great significance for formulating regional sustainable development strategies, realizing regional ecosystem management, and effective resource allocation. Based on the SWAT model, InVEST model, ArcGIS, and other software, this study analyzed the supply-demand balance of water provision services in Jinghe River Basin, a typical region located in the Loess Plateau, using multi-source data. This research then analyzed the spatial-temporal distribution pattern and spatial matching characteristics of the supply and demand of water provision services in Jinghe River Basin from 2000 to 2015. On this basis, a spatial flow model of water provision service was constructed, the flow rules (flow paths) of the water provision service were explored at the subwatershed scale, and the spatial scope of the supply area and benefit area were depicted. The results show that: (1) Water resource supply and demand in the Jinghe River basin both showed increasing trends from 2000 to 2015. (2) The supply-demand balance of water resources was generally up to the standard, however, there were significant differences between urban and rural areas. The supply-demand balances of the central urban areas of each county were relatively low, and even exceeded the supply in the lower reaches of the Jingyang River, such as Gaoling County, Qindu District, and Jingyang County. In rural areas, due to the small population and industrial distribution, coupled with a better ecological environmental base, the supply-demand balance was relatively high, such as Pengyang County, Lingtai County, Huachi County, Huanxian County, Ningxian County, and Zhenyuan County. (3) From 2000 to 2015, the spatial matching pattern of supply and demand in the Jinghe River Basin showed a trend of decline with fluctuations. In 2015, the supply-demand ratios of more than 60% of the subwatersheds showed trends of decline, and the proportion of under-supply area increased by 55.7% in 2015 compared with that in 2000. (4) The supply areas of water provision service in Jinghe River Basin are distributed in the upper reaches of the basin, and the benefit areas are Huating County, Chongxin County, Yongshou County, Chunhua County, Ganxian County, Liquan County, Qindu District, and others in the middle and lower reaches.     

洞庭湖生态经济区生态服务供需平衡研究

基于洞庭湖生态经济区土地覆被类型和土地利用现状,测算并研究区域内供给服务、调节服务、支持服务和文化服务及生态服务总量供给的价值当量;根据国家相关建设指标规定和人均资源消耗量,估算各项生态服务需求量价值当量;进而对区域内生态服务的供—需盈亏状态进行分析。结果表明：① 洞庭湖生态经济区各项生态服务及生态服务总量供需状况良好,供需比均大于1.2;② 不同生态服务供需状况存在差异,支持服务（1.46）>调节服务（1.44）>供给服务（1.39）>文化服务（1.28）;③ 供需比在空间上整体呈现“四周高中间低”的分布模式,北侧荆州供需比偏低;④ 城乡供需状况差异显著。本次研究囿于行政边界,基于自然边界的供需状况研究有待深入。     

黄土丘陵沟壑区村域生态系统服务簇的时空分异及其地形梯度分析

探究村域生态系统服务簇对于厘清黄土丘陵沟壑区农业生态系统复杂特征、从多重服务供给角度提高服务的福祉贡献具有重要意义。论文以黄土丘陵沟壑区米脂县为例,基于高斯混合模型识别2009年和2019年村域生态系统服务簇并分析其时空分布,同时,结合地形分布指数探究服务簇在地形梯度上的分布模式。结果如下： ① 各类服务空间分异明显,且服务之间空间分布差异较大;近10 a间各类服务水平均有不同程度提高,其中调节服务有较大改善,而食物供给与文化服务增幅较小;各类服务空间变化格局存在较大差异,这与土地利用的空间演变关系密切。② 利用高斯混合模型识别4类服务簇,包括农业生产簇、农业美学簇、生态保育簇与城镇休闲簇;各类服务簇空间分异明显,且研究期间存在明显数量和空间转移变化;农业美学簇与生态保育簇是当地主导服务簇,且主导性增强,而农业生产簇与城镇休闲簇比重下降。③ 地形起伏度与服务簇的空间关联密切。随起伏度上升,农业生产簇与农业美学簇呈倒U型,生态保育簇优势分布增加,城镇休闲簇优势分布减弱;研究期间农业生产簇与城镇休闲簇向低起伏度的转移趋势明显,而农业美学簇与生态保育簇趋向于向高起伏度转移。     

生态系统服务弹性敏感性系数的合理性与决策属性探讨

在经济学弹性基本概念的基础之上,采用数学推导的方式重点探讨3种生态系统服务弹性敏感性评价模型的合理性与决策属性。研究结果表明：① Kreuter敏感性系数大小始终为0~1;在极限形式下,生态系统服务价值变率函数与Kreuter敏感性系数具有相同的数学表达式与值域;所以这两种敏感性评价模型把1作为是否敏感的评价标准并不合适。生态系统服务交叉敏感性系数不符合一般意义上的“交叉敏感性”的概念,并且其计算公式不符合弹性的基本定义。② 弹性敏感性计算方式适用于随机变量间的研究,不适用于具有确定性关系的变量;生态系统服务框架下的3种弹性敏感性系数均建立在具有确定性关系的生态系统服务价值计算公式的基础之上,导致其敏感性计算结果缺乏深层次的决策属性。     

旱区人地耦合系统水-粮食-生态关联研究述评

气候变化和人类活动影响下的旱区水-粮食-生态关联机制,是人地耦合系统研究的前沿科学问题之一,为全面保障以水安全为纽带的旱区生态安全和粮食安全提供科学支撑。本研究通过梳理水-粮食-生态关联研究前沿,凝练得到四方面认识：① 在时空特征判别中,旱区土地利用是普遍涉及的水-粮食-生态关联载体;② 在驱动机制分析中,生态系统服务权衡协同关系得到关注,但研究多止步于统计描述;③ 在模型使用中,社会水文系统模型是重要研发对象,生命周期模型和生态系统服务流模型也得以使用;④ 在决策支持中,基于水-粮食-生态关联视角并适用于本地旱区的国土空间规划、资源用途管制、资源使用增效途径仍处探索阶段。在未来研究中,有必要深化旱区生态水文过程对农业生产的影响与响应、旱区生态系统服务权衡及其对人类福祉的影响、旱区水生态安全格局优化下的国土空间开发与保护等研究议题,从而架构水-粮食-生态关联研究从科学到决策的桥梁。     

生态系统服务权衡与协同视角下的重点生态功能区保护特征

重点生态功能区提供着源源不断的生态系统服务,在保障国家生态安全和社会可持续发展方面,有着不可或缺的基础作用。但是,以生态系统服务权衡与协同关系为视角,进而探讨分析重点生态功能区保护特征的研究案例相对较少。本文以秦巴重点生态功能区为评估分析区域,选择自然地理条件相似度极高的秦巴山区为参照单元,以生态系统供给服务与调节服务为核心内容,在定量分析2000—2019年期间的生态空间变化特征基础上,分析评估生态系统服务权衡与协同关系。结果表明：秦巴山区生态状况逐渐变好,重点生态功能区划定之后,生态系统趋于稳定;重点生态功能区服务能力呈逐渐增强的趋势,平均净初级生产力、土壤保持总量和水源涵养总量比重点生态功能区外分别高出了25.95 gC/m²、5.81亿t和24.95亿m³;土壤保持服务和生态系统供给服务的协同关系与生态状况改善呈正相关;由于受到降水的影响,2010年之后的水源涵养服务与生态系统供给服务的协同关系变差。总体来看,秦巴重点生态功能区的划定带动了区域生态空间“量的增长”和生态系统服务“质的提升”,但生态系统服务之间关系的“协调性”仍然不足,甚至从“协同”转为“权衡”关系,这要求未来国家需要制定更有针对性的生态系统保护管理决策,提高生态系统总体效益,支撑区域生态系统服务的可持续供给。     

中国省域生态系统服务足迹流动及其影响因素

区域间由供给与消费不均衡所引起的生态系统服务流动,逐渐成为新的研究热点。选取具有代表性的食物供给服务、淡水供给服务和固碳服务,运用生态系统服务足迹算法和多区域间投入产出模型,核算中国省区典型生态系统服务足迹和省域间的动态流动以及影响因素。研究表明：中国省域人均食物供给服务足迹为1.16 hm²/人,人均淡水供给服务足迹为0.06 hm²/人,人均固碳服务足迹为2.92 hm²/人,但由于人口数量、地区发展和单位能耗等因素的影响而具有明显的区域差异性,因此供给与需求的不均衡导致了服务足迹在空间上的流动。同时,生态系统服务足迹与各影响因子呈正相关,表明生态环境与经济增长的可持续发展转好的拐点还未出现。     

中国乡村旅游公共服务水平时空格局与形成机理

基于中国30个省（市、自治区）乡村旅游公共服务水平测度,建立贝叶斯时空模型对2006—2017年中国乡村旅游公共服务发展水平、演化速度和加速度的时空分异趋势、影响因素及作用机制进行研究。结果表明：① 全国整体乡村旅游公共服务水平呈现阶段波动上升态势,东中西地区间差异显著,呈现由东至西阶梯递减格局;② 局部趋势上,乡村旅游公共服务发展水平与其发展速度具有正向关联特征,同时加速度增长趋势与其发展速度则呈反向变动特征;③ 乡村旅游公共服务水平时空格局是供给和需求因素共同作用的结果,其中,资源丰度供给是内部驱动力,产业发展供给是向导力量,经济基础供给是核心驱动力,政策制度供给是外部驱动力,客源市场需求是潜在推力,城乡融合需求是双重驱动力,社会需求是非敏感因子。     

生态系统服务供给安全阈值视域下喀斯特地区生态安全演变

以贵州省为研究对象,基于生态系统服务价值构建供给安全阈值与生态安全评价模型,研究生态脆弱区生态安全时空演变。结果表明,2005—2018年：① 贵州省生态系统服务总价值从7875.38亿元增加到18 072.89亿元,年均增长6.60%,集聚高值区主要分布在黔东南州、黔南州和黔西南州等。② 贵阳市生态系统服务供给价值低于供给安全阈值,生态系统提供服务无法满足人们最低生存保障需求;其余地区生态系统服务价值仅比供给安全阈值略高,且呈减少变化。③ 贵阳市生态安全指数小于1,生态系统处于不安全状态;其余地市生态安全指数与生态安全度均呈降低变化。④ 各地市人类活动强度指数与生态安全指数、人均生态系统服务价值呈显著负相关。     

生态保护红线区生态系统服务多维驱动力的定量分离

生态系统服务的时空变化受环境因子和服务间权衡/协同两个维度的驱动。在保障区域与国家生态安全、经济与社会可持续发展的生态保护红线区,厘清生态系统服务的驱动机制对该区生态系统的管理优化尤为重要。本文以北京生态保护红线区为例,考虑土壤保持、产水量和植被固碳3项生态系统服务,运用地理探测器判断并识别生态系统服务间关系的影响变量,进而基于偏相关方法定量分离并比较服务间净关系与环境变量两个维度对生态系统服务的影响。结果表明：对任一生态系统服务而言,环境变量和服务间关系对其空间异质性有不同程度的影响,且两种变量之间的交互作用均会增强单一变量对该生态系统服务空间分异的决定力。各服务形成过程的差异性使得影响服务间关系的重要环境因子存在区别,但土地利用强度均是3对服务空间关系的极重要因子,表明北京生态保护红线区土地利用的合理规划对该区生态系统服务的协同优化至关重要。剔除极重要因子后比较服务间净关系与环境变量对生态系统服务的影响,结果发现：环境变量（坡度和降水）对土壤保持时空变化的驱动力更强;降水和植被固碳服务两个维度对产水量的影响相近;植被固碳的时空变化与其他两项服务密切相关,环境变量的影响相对较小。     

关中平原典型村落农业转型对生态系统服务的影响研究

全球化和城市化驱动农产品市场需求的日益增长正在推动农村和农业的转变与重构，深刻影响着农村经济、社会和生态发展之间的关系。以关中平原典型村落—余家营和马家村为例，研究城市化影响下农业转型对农业生态系统服务产生了何种影响，对探索城乡互动机制、乡村特色农业发展以及生态景观建设等具有重要意义。通过问卷调查，半结构式访谈、野外填图等对余家营村和马家村的土地利用变化及农业生态系统服务进行测评，分析了关中平原农业转型变化及其对农业生态系统服务的影响与机制。结果表明：(1) “粮—粮”和“粮—果”转型使农业景观、种植结构、农户行为等都发生较大变化，在由传统粮食生产向水果、蔬菜、苗木花卉等现代型农业转变过程中，作物品种由低产量、低品质转为高产量、高品质，并更趋多样化；出现少许耕地转变为草地和林地的现象；农户积极性提高，科技水平有所提升。(2) “粮—粮”和“粮—果”转型的生态系统服务均以正服务为主，其中“粮—果”经济生产功能增长较大，增长了523.9%，但“粮—果”转型造成的负向生态系统服务也较高，因此在农业转型中生产经济价值增长越大对生态系统服务的负向影响就越大。（3） 农业转型主要受到城市化、国家政策的驱动，并通过影响农田的农业景观、农业结构、农户行为进而影响农业生态系统服务功能，反之，农业生态系统服务变化也会影响到国家政策以及农户行为。     

基于生态系统服务视角的“土地分离与共享框架”解析

“土地分离和共享框架”是协调物质生产和生态保护、促进土地可持续利用的重要理论。本文梳理了“土地分离与共享框架”和生态系统服务间关联,剖析生态系统服务应用于该框架的理论基础,结合美国典型土地共享案例,分析了土地利用策略选择对粮食生产、生物多样性、直接和间接生态系统服务的影响,并探讨了该框架对中国生态系统工程的启示。结果表明：随着人类对土地功能认知的不断深入,“土地分离与共享框架”的拓展表现为从单一的粮食供给服务需求演进到粮食供给服务和其他生态系统服务的综合需求。当粮食供给服务与其他服务处于权衡状态时,在生态脆弱、恢复力差的地区,不同生态系统服务间多处于凸权衡关系,一般适宜采用分离策略;在生态系统稳定、恢复力强的地区,不同生态系统服务多处于凹权衡关系,一般适宜采用共享策略。结合美国典型土地共享案例发现,其土地利用实践中选择土地功能共享策略是比较适宜的;生态系统服务作为政策评估工具,可在策略选择和评估实施效果中发挥一定作用。研究结果可为可持续土地利用提供理论与方法支撑,并为中国制定土地利用策略提供参考。     

黄土高原生态系统服务供需关系的时空变化

明晰生态系统服务供需匹配关系,对实现区域生态安全与社会经济可持续发展具有重要推动作用。本文以黄土高原为案例区,应用InVEST模型、ArcGIS、GeoDA等分析工具,分析黄土高原粮食供应、水源涵养、碳固存、土壤保持等服务的供需量及其匹配关系的时空变化,旨在为黄土高原国土空间格局优化提供决策依据。结果表明：1990—2018年,① 黄土高原除水源涵养服务供给量外,其他生态系统服务供需量均呈上升趋势,且各生态系统服务供给量及土壤保持服务需求量均呈“东南高、西北低”的分布特征,而粮食供应、水源涵养、碳固存服务需求量呈“四周高、中间低”的分布特征;② 各类生态系统服务供需比均呈下降趋势。空间分布上,粮食供应、碳固存服务在黄土高原四周人口密集区供不应求,而其他区域供大于求;水源涵养服务在该区西北部供不应求,但东南部供大于求;土壤保持服务供不应求区集中于鄂尔多斯高原及海北州北部;③ 各类生态系统服务供需均以低低空间匹配为主;④ 粮食供应、水源涵养、碳固存服务供需比的空间分布均以高高集聚为主,而土壤保持服务以低低集聚和高高集聚为主。除土壤保持服务供需比的空间集聚性有所增强外,其他生态系统服务均呈减弱趋势。     

太原市城市复合生态系统调节服务时空格局演化及驱动机制研究

以太原市主城区为例,根据生态系统服务理论对太原不同土地利用类型所提供的正负生态系统调节服务价值分别进行测度计算,并综合分析城市复合生态系统调节服务的时空演化特征,最后,从直接原因（土地利用变化）和根本原因（空间城镇化、人口城镇化、产业空间组织与空间规划、政府相关政策与规划）2个方面,对太原市生态系统调节服务能力变化进行机理解释。结果表明：①从时序发展来看,2004—2016年太原市复合生态系统呈现生态调节服务价值的倒型环境库兹涅茨曲线,城市生态整体向好发展,环境生态调节服务能力逐渐增强;从空间发展来看,2004—2016年生态调节服务价值呈现斑块状、棋盘状格局,整体上,地区复合生态系统调节服务价值从太原市中心城区向周边过渡逐步升高。②太原市复合生态系统调节能力变化的主要驱动机制：土地利用属性的变化是生态系统调节服务变化的直接原因;空间城镇化、人口城镇化、产业空间组织与空间规划、政府相关政策为其根本原因。     

基于空间与区域视角的生态系统服务地理学框架

生态系统服务研究现已成为国内外的研究热点。回顾生态系统服务研究的历程可以发现,研究范式正在从自然科学研究范式向自然科学与社会科学综合研究范式转向。生态系统服务研究更加重视时空异质性、更加关注流动性与区域效应,更加强调生态系统服务对人类福祉的作用。在生态系统结构、过程与功能─服务─人类收益与福祉级联框架中,地理学的主要分支都可以找到自身的研究议题。在此过程中,逐渐建构起来的生态系统服务地理学,不仅可以为生态系统服务研究提供学科支撑,同时可以丰富和拓展地理学的研究内容。本文在评述生态系统服务研究历程和发展趋势的基础上,分析了地理学参与生态系统服务研究的逻辑必然性以及面临的机遇与挑战。为了推进生态系统服务研究的“地理化”转向,我们提议发展生态系统服务地理学,并初步描绘了生态系统服务地理学的学科框架,包括定义、研究范畴、研究内容及主要研究议题等。     

Spatio-temporal dynamics of regulating ecosystem services in Europe – The role of past and future land use change

Land use is a main driver for changes in supply and demand of regulating ecosystem services (ES). Most current ES inventories are static and do not address dynamics of ES supply resulting from historic and future land use change. This paper analyzes the role of land use change for the supply of two regulating services, flood regulation and climate regulation, in the European Union (EU) for the period between 1900 and 2000 as well as for four plausible scenarios of future land use change up to 2040. We show that spatio-temporal dynamics of climate regulation are high during this time period, and that future levels of climate regulation are higher than 100 years ago. For flood regulation, we show that increases in the demand over the past century, which are continued in the future scenarios, are the main contributor for spatial mismatches of supply and demand. Our results indicate that, in spite of land use change, the overall supply of the two regulating services is expected to be moderately stable, or to even increase in the coming decades. At the same time, demands for these services are rapidly increasing, and it is unlikely that projected supply is sufficient to meet these demands. The results also indicate that land use allocation that favors the supply of regulating services can be seen as a nature-based solution in which potentials for synergies between multiple ES can be operationalized.     

Spatial and Temporal Patterns of Supply and Demand Balance of Water Supply Services in the Dongjiang Lake Basin and Its Beneficiary Areas

Water-related ecosystem services is a hot topic in ecological research. Water supply services are crucial to regional water cycles and water quantity balance. The Dongjiang Lake basin is a national priority river basin in China where ecological compensation pilot programs concerning water resources and water supply services are top priorities for ecosystem service protection. We analyzed spatial and temporal patterns associated with generation and use of water supply services in the Dongjiang Lake basin using the InVEST model, socio-economic data and water resource data. We found that between 1995 and 2010, water yield in the Dongjiang Lake basin and its beneficiary areas increased before declining, varying 9350-12 400 m³ ha^-1 y^-1; average water yield peaked in 2000. The spatial distribution patterns of water yield during these years are similar, progressively decreasing from upstream to downstream with a remarkable reduction in surrounding areas of city clusters. Average water consumption of the basin and its beneficiary areas ranged from 2900-4450 m³ ha^-1 y^-1 between 1995 and 2010; the spatial distribution patterns of water consumption during these years are similar, dropping gradually from urban construction land to its surroundings with a stronger gradient between urban and rural areas. More water was consumed on both banks and surroundings of the lake. From 1995 to 2010, water supply fell short of demand for urban construction land and its proximity as well as areas along the lake. Water supply services were able to satisfy needs in other regions. The Changsha-Zhuzhou-Xiangtan city cluster suffers from the most strained water supply.