基于InVEST模型的洞庭湖生态经济区生态系统服务功能研究

[目的]探讨洞庭湖的生态服务功能物质量空间分布情况,提升研究区乃至长江流域生态系统服务功能,为土壤保持、土地利用和生态保护提供参考。[方法]基于InVEST模型,以洞庭湖生态经济区为研究区域,评估2005,2018年水源涵养、土壤保持、碳储存和生境质量4项生态系统服务物质量及4项生态系统服务功能间的权衡关系。[结果](1)土地利用转化以林地和耕地、水域和耕地间相互转化以及林地、耕地转化为建设用地为主。(2)水源涵养和土壤保持功能显著提升,碳储存和生境质量功能略微下降。(3)水源涵养、碳储存、生境质量功能物质量低值区分布在研究区中部湖区附近,而高值区分布在东部地区;土壤保持功能物质量的高值区主要分布在东部、西南部和西北部地区。[结论]受经济发展客观需要和退田还湖、退耕还林等相关生态保护政策影响,研究期内洞庭湖区土地利用情况、生态系统服务功能物质量均发生较大变化,且研究区内水源涵养和生境质量之间为权衡关系,水源涵养和土壤保持之间为兼容关系,其他各项生态系统服务间均为协同关系。InVEST模型对生态系统服务功能的评估更全面。     

农牧交错带禁牧草地生态系统服务空间权衡与协同关系

为明确农牧交错带禁牧草地生态系统主要服务间的相互作用关系,以宁夏盐池县草地为研究对象,借助本地化的InVEST模型,对禁牧以来(2000-2015年)草地碳储存、水源涵养、土壤保持3项关键服务进行精准测度,明确其时空变化特征,以此为基础,通过逐像元相关系数法对3种服务间的权衡作用进行定量可视化表达,分析乡镇尺度各服务间的空间权衡与协同关系。结果表明:1)禁牧以来,草地生态系统碳储存、水源涵养和土壤保持功能显著增加,但增加过程存在一个显著的"N"型波动,碳储存总量及单位面积均值由217.46万t、5.78t/hm~2增加到263.12万t、6.19 t/hm~2;水源涵养总量及单位面积均值由2 884万t、76.69 t/hm~2增加到6 118万t、143.92 t/hm~2;土壤保持总量及单位面积均值由1 383万t、36.78 t/hm~2增加到3 474万t、81.71 t/hm~2。碳储存功能与草地覆被关系密切,年际波动小、增长稳定,水源涵养和土壤保持功能受降水和地形显著影响,年际波动大、空间差异显著。2)草地土壤保持与水源涵养功能呈显著的空间协同关系(面积占86.34%),碳储存与水源涵养功能关系复杂,空间权衡与协同关系不显著(面积分别占47.66%和52.34%),碳储存与土壤保持功能呈空间协同关系(面积占69.55%)。通过定量可视化评估草地生态系统各服务间的空间权衡与协同关系,可为草地生态系统优化提供科学依据,为草地资源管理提供参考。     

陇东黄土高原农田生态系统服务及其权衡协同关系

陇东黄土高原是中国农耕文明发祥地之一,探究其农田生态系统服务及其权衡协同关系对于维持农田生态系统多功能性,促进耕地保护、保障粮食安全具有重要价值。为了厘清其农田生态系统服务之间的权衡协同关系,该研究基于社会经济与资源环境数据,运用降水贮存量法、通用土壤流失方程、InVEST 等6种生态系统服务评估模型,测算2020年农田生态系统供给服务（食物供给）、调节服务（水源涵养、碳固存）、支持服务（土壤保持、生境维持）和文化服务（美学景观）的物理量,并采用皮尔逊相关系数、双变量莫兰指数,分别识别供给服务与其他3类服务之间的权衡协同关系、各项服务之间关系的空间异质性。结果表明：1）研究区农田生态系统食物供给、水源涵养、碳固存、土壤保持服务物质量分别为4.61×10⁶ t、2.45×10⁸ m³、2.94×10⁶ t、6.61×10⁹ t,生境质量服务均值为0.26;供给服务与文化服务均呈“东西高、中北低”的分布格局,调节服务与支持服务则呈“带状”分布格局。2）研究区农田生态系统供给服务与调节、支持、文化服务之间以及食物供给服务与水源涵养、碳固存、土壤保持、生境维持、美学景观服务之间均表现为不同程度的协同关系。3） 研究区农田生态系统4类服务之间、各项子服务之间的权衡协同关系均具有空间自相关性,空间异质性显著。各项服务之间的协同关系“组团”出现在陇东中北部地区,聚集性较明显;各项服务之间的权衡关系则零散分布,聚集性不明显。因此,应全力维持陇东黄土高原农田生态系统多功能性,实施分区管理策略,充分发挥农田生态系统各类服务的协同效应,整体提升农田生态系统服务功能（特别是食物供给服务）,巩固新时代“陇东粮仓”地位。     

西藏“一江两河”流域生态系统服务变化及权衡与协同关系研究

为使环境资源得到高效配置,明晰生态系统服务间权衡关系是重要前提。以一江两河流域为对象,基于InVEST模型对该区1990—2018年的土壤保持、水源涵养和固碳服务进行动态评估,并采用相关分析法探讨了流域、县域尺度下各服务间的权衡关系。结果表明:(1)1990—2018年,土壤保持量和碳储量呈波动增加趋势,产水量呈减少趋势。单位面积土壤保持量、产水量和碳储量的高值区均分布在流域东部的拉萨河河谷地区。(2)流域尺度下,2010年水源涵养服务与固碳服务间表现出权衡关系,其余年份各服务间均呈现出协同关系; 县域尺度下,各服务间关系也多为协同关系,但具有较强的空间异质性。(3)热点制图显示,1990—2018年1类区占比最大且呈增加趋势,主要地类为低植被覆盖草地; 0类和2类区占比增加,主要地类分别为沙地和高植被覆盖草地; 3类区占比有所减少,主要地类为高植被覆盖草地和灌木林。由此可得,研究区3种生态系统服务具有较强的时空异质性,各服务间以协同关系为主,且随时空变化而发生着强弱变化。     

2000-2015年黄土高原生态系统水源涵养、土壤保持和NPP服务的时空分布与权衡/协同关系

生态系统服务评估决定区域可持续发展,对人类福祉至关重要。以黄土高原为研究区域,基于CASA、InVEST和RUSLE模型,结合土地利用类型、归一化植被指数、气象等数据,分析了2000年、2005年、2010年和2015年的NPP、土壤保持和水源涵养3项关键生态系统服务的时空分布特征,识别了3种生态系统服务的热点区,并基于相关系数法分析了黄土高原地区和不同气候区(干旱气候区、半干旱气候区、高原气候区、半湿润气候区)不同生态系统服务间的权衡/协同关系。结果表明:(1)2000—2015年,黄土高原地区的土地利用类型变化剧烈,其中林地(2.8%)和建设用地(43.1%)显著增加,耕地(-2.7%)明显减少;(2)2000—2015年,净初级生产力(NPP)、产水量和土壤保持均呈现增长趋势,分别增加14.1%,5.3%和101.3%;(3)黄土高原的4类热点区(非热点区、一类热点区、二类热点区、三类热点区)所占面积变化不显著,分布具有明显的地带性,从西北到东南依次为非热点区、一类热点区、二类热点区和三类热点区;(4)在整个黄土高原地区,土壤保持与NPP、水源涵养之间为协同关系,NPP与水源涵养为权衡关系;在4个气候区,NPP与土壤保持之间的权衡/协同关系与黄土高原地区一致,但土壤保持和水源涵养在半干旱气候区和半湿润气候区呈权衡关系,NPP与水源涵养在高原气候区和半湿润气候区为协同关系。为促进区域生态系统可持续管理,应在土地规划过程中考虑生态系统服务之间的相互关系,尽可能减少权衡,增加协同。     

山东沿海生态系统服务协同与权衡的空间格局及驱动力

提升区域生态保护效能,可为区域生态治理科学决策提供政策依据,以山东省沿海地区为研究区,使用InVEST模型和CASA模型测度产水服务、土壤保持、植被固碳和生物多样性的时空演变,借助差异比较法探究生态系统服务协同权衡的时空分异机制,进一步利用多尺度地理加权回归(MGWR)剖析了自然因素和人类活动因素对协同权衡的影响。结果表明：(1) 2018年研究区产水服务、生物多样性的均值为605.27 mm/a, 0.28,2010—2018年总量递增速率分别为0.21 mm/a, 0.23;土壤保持、植被固碳的均值为0.000 73 t/(hm²·a),537.56 gC/(m²·a),2010—2018年总量递减速率分别为0.62 t/(hm²·a),2.1 gC/(m²·a)。(2) 2010—2018年,生态系统服务的协同权衡具有显著的空间异质性,产水服务分别与土壤保持、生物多样性表现为强权衡弱协同;植被固碳分别与产水服务、土壤保持、生物多样性表现为强协同弱权衡。(3)产水服务、土壤保持、植被固碳三者存在...     

湖南省多尺度生态系统服务供需关系及影响因素

[目的]分析生态系统服务供需分布格局及主要驱动因素,为区域生态保护实践、生态环境改善提供科学参考。[方法]借助InVEST模型、ArcGIS等工具,评估湖南省2000—2020年粮食生产、碳固持、水源涵养、土壤保持以及生境质量共5项生态系统服务供需量,分析其时空演变规律和空间匹配关系,在网格尺度和县域尺度运用最优参数地理探测器模型探究影响生态系统服务供需比的驱动因子。[结果](1)湖南省生态系统服务供给总量均大于需求总量,碳固持服务和生境质量服务供给量以及水源涵养服务需求量下降,其他生态系统服务供需量均上升。(2)湖南省各项生态系统服务供需分布、供需比集聚特征以及供需空间匹配空间异质性明显。(3)两种尺度生态系统服务供需比主导因子有一定差异,社会经济因子在县域尺度上的影响较网格尺度更为显著;土地利用因子与其他因子的交互作用对生态系统服务供需比空间分异解释力较高。[结论]不同尺度生态系统服务供需矛盾突出,未来各级政府应制定更加精确的生态管理措施,并以此为基础促进区域土地合理利用,最终达到区域绿色发展的目标。     

南京都市圈生态系统服务时空变化及权衡协同关系

[目的]全面理解生态系统服务的时空格局特征及其相互关系,可以丰富生态系统服务及可持续发展等相关理论,并对区域生态环境管理政策的制定具有重要指导意义。[方法]以南京都市圈为研究区,在评估2000—2020年的产水、粮食供给、土壤保持和碳固持等4种生态系统服务的基础上,分析各类型生态系统服务能力在地类和区域上的差异;通过识别生态系统服务热点区及其热点服务类型,评估不同区域服务供给能力;进而采用相关系数和差异比较等方法探究南京都市圈生态系统服务静态与动态的权衡/协同关系。[结果]2000年、2010年、2020年,南京都市圈的产水量、粮食产量、土壤保持量及碳固持量的三年平均值分别为522.12 mm, 4.20 t/hm²,42.61 t/hm²,44.57 t/hm²,除碳固持服务逐年下降,其他服务均呈逐年递增趋势。受土地利用类型和区域自然环境的作用,产水、土壤保持和碳固持服务呈南高北低的空间分布,粮食供给服务则呈南低北高的空间格局。由北向南依次形成了以粮食供给服务为主的1重服务热点区、以产水和粮食供给服务为主的2重服务热点...     

基于气候带与农业区划的农田生态系统服务权衡及驱动机制

农田生态系统作为重要的陆地生态系统之一，不同气候带与农业区的农田生态系统服务权衡关系与机理尚不明确。该研究定量分析了1990-2019年典型区域淮河流域农田生态系统关键服务食物供给与土壤保持的权衡强度，运用地理探测器方法揭示了不同气候带与农业区划下农田生态系统服务权衡关系的驱动机制，完善与细化了农田生态系统服务权衡机理，为推进淮河流域不同气候区和农业区的粮食安全和生态安全协同和精准施策提供科学依据。结果表明：1）淮河流域食物供给服务总体呈现增长趋势，黄淮海平原食物供给增长幅度显著高于长江中下游。土壤保持服务分区差异较大，在气候带上表现为亚热带增长趋势快于暖温带，在农业区划上表现为长江中下游增长趋势快于黄淮海平原，但黄淮海平原土壤保持平均值高于长江中下游。2）淮河流域农田食物供给与土壤保持两种服务间的权衡关系存在时空分异性，总体呈现加剧态势，权衡强度表现为暖温带长江中下游农业区>亚热带农业区>暖温带黄淮海平原农业区。3）淮河流域农田生态系统食物供给与土壤保持间的权衡关系受自然因素和人为因素共同作用，人为因素尤其是化肥施用量显著增强了食物供给与土壤保持间的权衡；在不同气候带与农业区，气候因素和地形因素对权衡关系的影响差异显著，其中，暖温带黄淮海平原农业区受地形因素和年均温的影响显著，而其他农业区年降水量的作用更明显。4）粮食主产区耕地利用与保护政策制定应充分考虑农田生态系统供给服务（粮食生产）和支持服务（土壤保持）的权衡关系在不同气候带和农业区划作用机制的时空差异性，同时要考虑驱动因素的普遍性与差异性，减少人为因素的普遍影响，并结合不同区域自然因素及与人为因素的交互影响分区施策。     

泾河流域生态系统服务权衡/协同关系的尺度异质性研究

[目的]探究泾河流域生态系统服务权衡/协同关系的尺度异质性,阐明权衡/协同关系在子流域尺度发生变化的主要原因,为黄土高原地区的生态保护和高质量发展提供科学参考。[方法]利用SWAT模型、CASA模型、InVEST模型等量化粮食供给、土壤保持、产水、固碳、生境质量5种生态系统服务,并采用空间相关性统计方法从全流域和子流域两个尺度上进行生态系统服务及两两之间权衡/协同关系的尺度异质性研究。[结果](1)泾河流域粮食供给服务在流域东南部较强;土壤保持服务在流域北部、中部较弱,在西南部、东南部较强;产水服务在流域西部、南部以及东南部较强,在北部、东北部及东部地区较弱;固碳服务流域南部强于北部,东部强于西部;生境质量以中值区和高值区为主,其高值区主要分布在流域东部、东南部及西部,低值区主要分布在建设用地。(2)从全流域尺度来看,粮食产量和土壤保持、产水量、NPP和生境质量以权衡关系为主;土壤保持和产水量、NPP和生境质量以协同关系为主;产水量和NPP是协同关系为主,和生境质量是权衡关系为主;NPP和生境质量是以协同关系为主。(3)泾河流域生态系统服务之间的权衡/协同关系在部分子流域发生改变,土地...     

太湖流域水生态系统服务及其空间差异

以太湖流域土地利用资料、水文水质资料和统计资料为基础,对流域尺度上水生态系统服务功能及其空间差异性进行了评价与分析。结果表明,太湖流域水生态系统的水供给功能为3.70×1010 m3/a,水产品功能为6 681.180t/a,水路旅客周转量为4.604×108人/(km.a),水路货运周转量为2.90×1011t/(km.a),蓄水总量为4.53×109 m3/a,调节水量为7.69×109 m3/a,固碳量为4.28×106 t/a,释放O2量为1.14×107 t/a,净化污水量为6.30×109 t/a,年输沙量为1.22×106 t/a,造陆面积为189.851hm2/a;水生态系统服务功能总价值为9.10×1010元/a,不同服务功能价值量排序为:旅游>航运>调蓄>水质净化>固碳释氧>水供给>水产品>输沙造陆;太湖流域单位面积水生态系统服务功能价值为19.22元/(m2.a),且存在较大空间差异,其顺序为:浦西区>武澄区>浙西区>杭嘉湖区>湖西区>阳澄区>太湖区。     

洱海弥苴河流域降雨侵蚀力特征研究

收集了洱海弥苴河流域内5个雨量站1997—2006年共10年的逐日降雨量及洱源县气象站1957—2000年共44年的逐年降雨量资料,对比分析了不同降雨侵蚀力估算方法的适用性,在此基础上对1997—2006年间弥苴河流域降雨侵蚀力的年内和空间分布特征及1957—2000年间降雨侵蚀力的长期年际变化特征进行了较为详细的探讨。研究结果表明:RUSLE模型中采用的降雨侵蚀力估算方法,对采用不同降雨资料所估算的年均降雨侵蚀力结果均具有较高的精度;1997—2006年间弥苴河流域年均降雨侵蚀力R值为1 941.8 M J.mm/(hm2.h.a),并且集中分布于6—10月,其中以7—9月的集中程度最高;1997—2006年10年内流域年均降雨侵蚀力的空间分布呈现北部→西南部→中部→东南部依次降低的特点;1957—2000年间流域年均降雨侵蚀力R值为2 352.1 M J.mm/(hm2.h.a),逐年降雨侵蚀力大致呈现出10年左右的周期性变化。     

普定岩溶区水土流失与土壤漏失模式研究

普定县是贵州省水土流失比较严重的地区之一,水土流失面积占全县总面积的60.8%,土壤年侵蚀模数高达4 422.3 t/(km2·a).通过现场调查,对该地区地形特征、岩性特点和水文条件进行综合分析.结果表明,岩溶裂隙、落水洞及地下暗河发育是造成水土流失的主要因素.对岩溶区水土流失与土壤漏失模式进行了概化,探讨了水土流失过程中雨滴溅蚀、坡面侵蚀、落水洞漏失及地下暗河运移之间的关系,从理论上分析了岩溶区水土流失的作用机理,对该地区水土流失防治具有一定的指导意义.     

基于REOF的淮河流域降雨侵蚀力时空变化

淮河流域作为中国重要的粮食生产基地,研究其降雨侵蚀力的时空变化特征,对流域水土流失防治、土壤资源保护及农业可持续发展具有重要意义。该研究基于淮河流域内的40个气象站点1960-2018年的日降雨数据,采用Xie方法计算各站点降雨侵蚀力及降雨侵蚀力密度;使用旋转经验正交函数（Rotating Empirical Orthogonal Function,REOF）对淮河流域依据降雨侵蚀力的分布特性进行分区,采用线性倾向率、改进的Mann-Kendall检验和R/S分析法来分析流域内降雨侵蚀力的时空变化特征;并为不同分区提供合理的农业水土流失防治措施。结果表明：1）淮河流域多年年均降雨侵蚀力及降雨侵蚀力密度分别为4 264 MJ·mm/(hm2·h)和4.21 MJ/(hm2·h),且降雨侵蚀力未来将呈增长趋势;整体上,流域内年降雨侵蚀力从东南部向西北部递减,年降雨侵蚀力密度从北部向南部递减。2）基于淮河流域40个站点的年降雨侵蚀力序列,使用REOF展开的10个空间特征向量的累计贡献率达74.34%,可着重突出空间分布特征。并依据这10个模态分布将淮河流域的降雨侵蚀力场划分为降雨特征不同的10个地理区。3）降雨侵蚀力较高的分区为第2、3、4、5和6区,主要集中于流域南部和东部;5-9月的降雨侵蚀力约占全年总和的80%～91%,降雨侵蚀力密度较高。3）在降雨侵蚀力较高的5-9月期间,流域内各区域的农业活动过程中需加强水土流失防治措施,尤其是第6区所在的区域。研究结果可为淮河流域内不同区域的耕地水土保持工作提供参考,并进一步保障流域内农业可持续发展。     

陕西省洛川县第3-4层黄土和古土壤水分特征研究

通过对陕西省洛川县第3—4黄土层和第3—4红色古土壤层的原状土进行水分特征曲线、田间持水量等项目的实验测定,分析计算了各层土壤的供水储水性能及有效水分含量。结果表明,洛川第3—4黄土层和第3—4红色古土壤土层的水分特征曲线与Van Genuchten模型非常符合,相关系数R2均达0.99以上,说明采用Van Genuchten模型对这4个土层的水分含量和能量之间的关系进行描述是比较准确的。0～30kPa吸力条件下,第3—4黄土层比第3—4红色古土壤层持水量高,黄土层的供水(释水)性能和储水性能强于古土壤。这4个土层随着吸力的增加,在较低吸力段供水性能和储水性能减弱幅度较大,在较高吸力段减弱幅度较小。黄土层所能容纳的有效水含量、饱和含水量与田间持水量均大于红色古土壤层,黄土层的稳定凋萎湿度一般小于红色古土壤的稳定凋萎湿度。     

Indicators and trade-offs of ecosystem services in agricultural soils along a landscape heterogeneity gradient

Soil functions can be classified as supporting (nutrient cycling) and provisioning (crop production) ecosystem services (ES). These services consist of multiple and dynamic functions and are typically assessed using indicators, e.g. microbial biomass as an indicator of supporting services. Agricultural intensification negatively affects indicators of soil functions and is therefore considered to deplete soil ES. It has been suggested that incorporating leys into crop rotations can enhance soil ES. We examined this by comparing indicators of supporting soil services – organic carbon, nitrogen, water holding capacity and available phosphorous (carbon storage and nutrient retention); net nitrogen mineralisation rate and microbial biomass (nutrient cycling and retention) – in barley fields, leys and permanent pastures along a landscape heterogeneity gradient (100, 500 and 1000 m radii). In addition, barley yields (provisioning service) were analysed against these indicators to identify trade-offs among soil services. Levels of most indicators did not differ between barley and ley fields and were consistently lower than in permanent pastures. Leys supported greater microbial biomass than barley fields. Landscape heterogeneity had no effect on the indicators or microbial community composition. However, landscape heterogeneity correlated negatively with yield and soil pH, suggesting that soils in heterogeneous landscapes are less fertile and therefore have lower yields. No trade-offs were found between increasing barley yield and the soil indicators. The results suggest that soil ES are determined at the field level, with little influence from the surrounding landscape, and that greater crop yields do not necessarily come at the expense of supporting soil services.     

UV-B增强下施钾对大麦抽穗期生理特性日变化的影响

通过大田试验,研究在UV-B增强条件下,不同施钾量对大麦抽穗期叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度和水分利用率等生理指标日变化的影响。UV-B辐射设2水平,即对照(CK,自然光,辐射强度1.5 KJ/(m2·h))和增强120%(1.8 KJ/(m2·h));施钾量设2水平,即低钾(K1,K2O 73 kg/hm2)和高钾(K2,K2O 150 kg/hm2)。结果表明,UV-B增强降低大麦的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用率。增施钾肥可提高叶片中叶绿素的含量、净光合速率、气孔导度和蒸腾效率,但对大麦胞间CO2浓度和水分利用效率的影响不明显。增施钾肥可减缓UV-B增强对大麦净光合速率的抑制作用,但不能减缓UV-B增强对大麦气孔导度和蒸腾速率的抑制作用。     

南汀河流域土壤侵蚀的时空分异

[目的]分析南汀河流域坡面土壤侵蚀的时空分异特征,为流域水土保持和边疆生态环境建设提供科学参考。[方法]基于通用土壤流失方程(USLE),运用RS和GIS技术计算南汀河流域1990,2000及2010年3个时段的土壤侵蚀模数。[结果]3个时段内研究区侵蚀模数呈现先升后降的趋势,年均侵蚀模数从24.75t/(hm2·a)升到30.05t/(hm2·a),然后降为25.87t/(hm2·a)。3个时段内,流域内强烈侵蚀及其以上的侵蚀面积仅占总侵蚀面积的19.94%,但对流域总侵蚀量的贡献高达73.56%。1990—2000年,强烈及强烈以下侵蚀面积减少了1 059.85km2,强烈侵蚀以上的侵蚀面积则增加了112.29km2;2000—2010年,微度侵蚀面积有小幅增加,其余侵蚀等级的侵蚀面积都有所下降。当坡度小于20°时,侵蚀模数随着坡度的增加而增加,坡度超过20°后,侵蚀模数有降低的趋势;从海拔上看,高侵蚀模数区域主要位于海拔500~2 000m范围。[结论]流域内的土壤侵蚀治理已初见成效,但在局部地区,土壤侵蚀仍有加剧现象。