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。     

干旱内陆河流域生态系统服务空间权衡与协同作用分析

为了测度生态系统服务的空间权衡/协同关系,该文以干旱内陆河流域典型地区嘉峪关-酒泉地区为研究区,对其2000年和2010年食物供给、碳储存、水源涵养和土壤保持4种生态系统服务物质量进行定量测算.利用相关分析法和空间热点制图等方法,分析了生态系统服务时空变化,从县域尺度和区域尺度上分析了生态系统服务之间的权衡协同关系,识别了某种服务的物质量或价值量极高的热点区.结果表明:研究区单位面积食物供给的高值区分布在中东部的肃州区及嘉峪关市,碳储存表现为东部及南部较高的分布格局;土壤保持在2000年和2010年变化不大,呈现出从西到东逐渐增大的分布趋势;单位面积水源涵养值由2000年的0.40mm/(m2·a)提高到2010年的0.99mm/(m2·a).县域尺度上,各种生态系统服务之间大多为协同关系,其中食物-碳和水源-碳之间的协同程度较高;区域尺度上,食物供给和土壤保持、水源涵养和土壤保持生态系统服务间存在此消彼长的权衡关系.4种生态系统服务的值均未超过各自平均值的0类服务区和只有1种生态系统服务的值超过其所对应平均值的1类服务区分别占总面积的58.50%和25.20%.该研究结果可为制定差别化的区域发展与生态保护双赢政策提供科学参考.     

基于生态服务功能提升的高标准农田建设的分区方法

耕地生态服务功能与生产功能同步提升是"新时代"高标准农田建设主要目标,而面向生态服务功能提升的高标准农田分区及调控设计是生态型农田建设有效实施的根本前提。论文以榆中县为例,首先运用生态系统服务功能与权衡交易综合评价模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs,InVEST)对研究区生境质量、土壤保持、碳固持和食物供给四种生态系统服务功能进行评估,分析各类生态系统服务空间分异规律,明确各研究单元低值生态服务类型;其次,对影响区域生态系统服务功能的障碍因素进行识别,将其划分为可调控与不可调控2种类型;第三,通过构建高标准农田建设措施与生态系统服务功能间的关系框架,结合可调控的障碍因素,确定不同区域高标准农田建设主导方向,进而提出生态型高标准农田建设分区方法及调控措施。研究指出,生态型高标准农田建设分区可以有效促进"田、水、路、林"各项工程措施的生态效应发挥,是实现生态服务功能和生产功能同步提升、目标融合的有效模式,可以为生态文明建设的理论思考和实践创新提供重要依据。     

2001—2010年中国农田生态系统NPP的时空演变

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)是地表碳循环的重要组成部分,而农业NPP代表了农田生态系统通过光合作用可固定大气中CO2的能力,决定了农田土壤可获得的有机碳含量.测算中国农田生态系统产生的NPP并分析其时空变异规律,探索其影响因子,对于了解全球碳循环,预测未来生态变化趋势具有重要意义.基于MOD17A3数据集,利用一元线性回归趋势线法和相关系数法定量分析了农田生态系统NPP的时空演变特征和气候因子对农田NPP的影响.结果表明,2001-2010年中国农田NPP平均值变化范围为C 0.21 ～ 17.24 Mg hm-2a-1,平均值为4.12 Mg hm-2 a-1.从时间变化来看,NPP年际变化呈现先增加后下降的趋势.从空间分布来看,表现为南方高,北方低,其中,甘新区、黄土高原区、东北区、内蒙古及长城沿线区和黄淮海区北部NPP值较低,＜3 Mg hm-2 a-1;四川盆地、山东丘陵、长江中下游滨海和沿江平原、云南、贵州、海南等地NPP值较高,＞5 Mghm-2 a-1.从变化趋势来看,黄淮海农业区、黄土高原区、新疆的绿洲农业区和长江中下游农业区南部上升趋势明显,东北农业区、四川盆地和长江中下游农业区下降趋势明显.2001-2010年,中国农田中有22％的像元NPP平均值与降水呈显著相关,7％的像元与气温呈显著相关,反映了农田生态系统受人类活动影响较大.     

黄土残塬沟壑区不同林龄与坡向人工刺槐林生态系统服务协同关系

[目的] 通过权衡关系的研究探索不同林龄与坡向人工刺槐林多项生态系统服务间的差异及动态变化关系，为黄土残塬沟壑区人工刺槐林的经营管理提供理论依据。[方法] 按照不同林龄阶段和坡向共设置36个样地，对所选林分的涵养水源、土壤碳储量、土壤氮储量、年均生产力、生物多样性5个方面的生态系统服务进行测算，利用均方根偏差（RMSD）对该区人工刺槐林生态系统服务的权衡与协同关系进行研究，对生态系统服务与林分因子进行冗余分析。[结果] ①不同林龄、坡向人工刺槐林的生态系统服务差异显著（p<0.05）；随林龄增加，涵养水源量和年均生产力从幼龄林到中龄林增加达到最大值，随后逐渐减小；而生物多样性则呈先增后减趋势，在成熟林时期最高；土壤碳、氮储量随林龄增加呈逐渐增加趋势；阴坡的各生态系统服务价值均高于阳坡。②林龄是引起生态系统服务权衡关系变化的主导因子（p<0.05），坡向对生态系统服务权衡关系的影响不显著（p > 0.05），土壤碳固存与土壤氮固存呈协同关系，涵养水源与其他生态系统服务的权衡关系相比程度较高。③人工刺槐林5项生态系统服务与盖度、郁闭度、凋落物厚度呈现不同程度的正相关，与坡度呈现不同程度的负相关。[结论] 人工刺槐林生态系统服务在中龄林和过熟林时期权衡度高，不利于整体生态系统服务效益的发挥。应在中龄林时期引入耐旱灌木或乡土草本，在过熟林经营过程中，在满足涵养水源的前提下，合理控制林分密度，促进其他生态系统服务的作用，提高整体效益。     

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...     

长江中游生态系统服务供需平衡与居民福祉耦合的时空特征

生态系统服务供给、需求与居民福祉的相互复杂关系是自然生态系统和社会经济系统研究中重要的交叉科学问题，也是生态系统服务和居民福祉研究的热点难点问题和矛盾多发领域。然而，已有研究更为关注生态系统服务供给对居民福祉的贡献，忽视了生态系统服务需求以及供需平衡对居民福祉的影响。选择长江中游地区作为研究靶区和2000—2018年作为研究时段，建立生态系统服务供需量化矩阵测度生态系统服务供需平衡，采用年度组合赋权法和线性函数加权法评估居民福祉，引入弹性系数模型划分生态系统服务供需平衡与居民福祉耦合关系类型，并进一步研究其时空特征。结果表明：1）生态系统服务供需平衡与居民福祉耦合关系可划分为“供需改善－福祉增加”“供需恶化－福祉增加”“供需改善－福祉减少”以及“供需恶化－福祉减少”4种，分别对应最优、次优、次差以及最差耦合关系类型；2）长江中游地区生态系统服务供需平衡与居民综合福祉耦合关系表现为以权衡关系为主导且逐渐增强，其中“供需恶化－福祉增加”县域单元占比由2000—2010年的81.99%增至2010—2018年的91.57%；3）生态系统服务供需平衡与居民福祉耦合关系会随着福祉类型、服务类型、空间尺度、时间范围、经济社会发展水平等表现出不同形式的反馈。长江中游地区各县域单元和有关部门应当结合地区自然地理条件、经济发展水平等多方面因素，因地制宜、因时制宜地推进生态环境保护与修复工程，尽可能地规避“生态诅咒”或“生态魔咒”效应，充分发挥经济社会发展过程中的“生态祝福”效应。     

长江经济带坡面土壤保持服务功能时空格局及其变化特征

[目的]分析长江经济带2010—2015年坡面土壤保持服务功能的时空格局及其变化特征。[方法]采用修正的通用水土流失方程(RUSLE)分析长江经济带剖面土壤保持服务功能变化。[结果]2010—2015年,长江经济带年均剖面土壤保持量为1.88×1010 t/a,单位面积土壤保持量为91.54t/(hm2·a)。森林、草地、农田生态系统的单位面积坡面土壤保持量依次为129.09,111.47,40.38t/(hm2·a)。5a间,长江经济带坡面土壤保持服务功能总体呈现上升态势。国家级优化开发区、重点开发区、农产品主产区和重点生态功能区的坡面土壤保持服务功能依次增强。[结论]森林、草地、农田生态系统的坡面土壤保持能力依次降低。主体功能区战略的实施对于提升长江经济带生态安全保障能力具有重要意义。     

农田生态系统服务及其价值的研究进展

农田生态系统在人类控制下已逐渐演变成了提供农产品的集约化生产系统。尽管与自然生态系统相比, 农田生态系统服务功能有所下降, 但其在提供农产品的同时还在向人类提供大量的生态服务。近年来, 生态系统服务稀缺性变得越来越突出, 农田生态系统的多功能性受到了空前的重视。本文首先明确了农田生物多样性是农田提供多种生态系统服务的基础, 然后回顾了2000年以来国内外农田生态系统服务及其价值化领域取得的主要研究进展, 包括对农田产品供给、碳汇、土壤保持和养分循环、水调节等功能的评价以及对农田生态系统服务及其价值化的综合研究。与此同时, 我们也应该注意到农业生产还对人类社会和自然环境产生了各种消极影响, 认识到权衡农田生态系统在农业生产中的各项利弊的重要性。通过对比不同农业生产模式对农田生态系统服务供给的影响, 提出未来发展多功能农业将是实现农田对人类福祉最大化的重要方向。最后, 文章指出我国发展多功能农业的主要措施是: (1)确保18亿亩耕地在空间上的存在; (2)与森林、草地、湿地、水域等其他自然生态系统在空间上合理配置; (3)在农业区域充分发展以观光休闲功能为主的休闲农业, 实现农田生态系统社会文化价值; (4)逐步实施农业生态补偿。     

生态系统服务综合关系空间分异及驱动因素——以石羊河流域为例

明晰区域多种生态系统服务之间的综合关系特征和驱动机制,是生态系统管理的前提,具有重要意义。利用气象、土地利用、NDVI、土壤等数据,基于InVEST模型、CASA模型和RUSLE模型,借助相关性分析方法对石羊河流域2003—2018年的产水、NPP和土壤保持服务及其权衡与协同关系进行定量计算和分析,提出多种生态系统服务间综合关系的识别方法,对石羊河流域生态系统服务综合关系空间分异特征进行研究,并采用地理探测器法揭示了其驱动机制。结果表明：(1) 2003—2018年,石羊河流域生态系统产水及土壤保持服务呈下降趋势、NPP呈上升趋势,石羊河流域生态系统产水服务和土壤保持服务以协同关系为主,产水服务和NPP,NPP和土壤保持服务以权衡关系为主;(2)石羊河流域生态系统服务综合关系具有明显的空间异质性,综合关系为全协同的区域主要分布在肃南县境内,综合关系为全权衡的区域主要分布在天祝县祁连镇以及民勤县的西渠镇、东湖镇和收成地区,综合关系为权衡主导的区域占石羊河流域面积比最大,为74.44%;(3)海拔高度是决定石羊河流域生态系统服务综合关系空间分异的主导因子,各子流域探测的主导因子存在差异性,...     

基于生态系统服务和PSO-SOFM神经网络的中亚水土热资源匹配分区

水土热资源匹配度分区研究对于区域农业规划具有重要意义。中亚地区长期以来缺乏合理的水土热资源管理,已引发了一系列资源环境问题,严重威胁该地区农业生产。目前的研究也较少关注中亚水土热资源匹配分区模式。本研究利用遥感数据,通过量化4种主要生态系统服务(植被固碳、土壤保持、水源供给与涵养及生物多样性保护)的时空分布特征,结合PSO-SOFM(particleswarm optimization,PSO;self-organizing featuremap,SOFM)神经网络模型实现中亚水土热资源匹配度分区,并利用Spearman秩相关分析探索不同匹配度分区与生态环境因子的关系,应用偏相关分析确定气温和降水量对中亚地区生态系统服务的影响。结果表明,中亚生态系统服务总体呈东南高、西北低的空间格局,沿山地—绿洲—荒漠方向递减。在2000—2015年间,各类生态系统服务均有不同程度变化,其中植被固碳和土壤保持呈显著下降的面积占整个中亚的84.81%和84.82%;水源供给与涵养以及生物多样性保护服务呈显著下降的面积较少,占比分别为69.48%和19.8%,且这两种生态系统服务在个别地区有增加趋势。PSO-SOFM神经网络模型在中亚水土热资源匹配度分区中表现良好,根据生态系统服务值空间模式,中亚水土热资源匹配度可被划为5大类21个子类分区。在空间尺度,各类匹配度分区之间生态系统服务值有显著差异,降水是影响生态系统服务和匹配度高低的重要限制因子,而气温和土壤因素影响较弱;在时间尺度,降水和各生态系统服务值间呈显著正相关关系的范围更广,而气温对生态系统服务值有显著影响的区域主要集中在哈萨克斯坦北部草地—半荒漠生态敏感区、中亚荒漠生态脆弱区、中亚中部半荒漠生态敏感区以及巴特赫兹—卡拉比尔半荒漠生态敏感区等地。而在其他区域,气温和降水量并非决定生态系统服务值高低的主要因素,生态系统服务值的变化可能与土地开发利用模式有关。结合不同匹配度分区的生态地理条件,本研究可为中亚地区水土资源开发利用、农牧业发展以及生态环境保护提供有用信息。     

不同气候条件对旱地红壤微生物群落代谢特征的长期影响

利用1988年设置的暖温带和中亚热带两种气候条件下的土壤置换试验,采用BIOLOG方法,研究了气候条件对红壤中微生物群落功能的影响。结果表明,长期处于不同的气候条件改变了红壤的pH和养分状况,从而影响红壤微生物群落的代谢特征。与中亚热带气候条件相比,暖温带气候条件下,红壤的pH和全磷含量显著升高,速效钾含量显著下降;红壤微生物群落活性(以AWCD值表示)也显著降低。主成分分析表明,不同气候条件下红壤微生物群落代谢特征显著不同,与暖温带气候相比,中亚热带气候条件下,红壤微生物群落对氨基酸、胺类和酚类化合物等含氮化合物的利用显著增加。相关分析表明,影响不同气候条件下红壤微生物代谢特征的主要因素有:温度和降雨量气候因子,土壤pH、速效钾和全氮含量等土壤因子。     

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。     

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...     

中国森林生态系统保护土壤的价值评价

 针对我国森林保护土壤的生态价值,用机会成本法、影子价格法和替代工程法,对我国森林生态系统在减少土地废弃、土壤养分流失及泥沙淤积等方面的价值进行了估算。结果表明:我国森林每年减少土地废弃的总经济价值为6亿2414万元;每年减少的土壤N、P、K损失的经济价值为4538亿7240万元;每年减少淤积泥沙的经济价值为13亿7545万元。以森林为主的森林生态系统每年减少土壤侵蚀的总经济价值为4558亿7200万元。我国主要森林生态系统保护土壤服务功能价值大小顺序为:亚热带>热带>温带草原>寒温带>温带>温带荒漠>暖温带>青藏高原。我国亚热带土壤保持量最大,为32亿8704万t/a;温带荒漠最小,为2亿6214万5000t/a。     

不同阈值下土壤盐分的空间变异特征研究

指示克里格法(Indicator Kriging,IK)应用的关键是阈值的合理选择。本文以黄淮海平原盐渍土改良区典型县域禹城市为研究区域,在1.0 g kg-1、2.0 g kg-1、3.0 g kg-1等3个盐分阈值下,对0～20 cm耕地土壤盐分的变异函数、预测概率、预测概率空间分布的变化规律进行了研究。结果表明,(1)不同阈值下土壤盐分含量均具有中等强度的自相关性,随着阈值的减小,土壤盐分的空间结构性增强,变异函数的模型精度增大,因此从指示变异函数模型精度考虑,1.0 g kg-1盐分含量为研究区域盐渍化风险评价的最佳阈值;(2)土壤盐分的预测概率最大值和预测概率均值随盐分阈值的减小而增大,可为不同土壤盐渍化风险评价目标下的阈值选择提供参考;(3)不同阈值下土壤盐分的概率预测分布存在空间上的规律性与相似性,高概率区域主要集中在研究区域的西部,低概率区域主要集中在研究区域的东部。研究区域土壤盐分含量的概率分布与地形地貌特征和河流的分布状况有着密切的关系。     

我国五大粮食主产区农业干旱态势综合研究

受气候变化影响,我国干旱灾害加剧,威胁国家粮食安全。对农业干旱态势进行综合评价分析,有助于清楚地掌握我国农业受旱程度的空间分布及区域差异。为评价我国五大粮食主产区农业干旱综合态势,本文提出了"作物干旱综合指数"概念及其计算方法。根据全国1982—2011年的日值气象数据及主要农作物分布数据,首先计算了不同作物水分敏感期的作物干燥度,进而采用面积加权综合法计算作物干旱综合指数,分别分析了各粮食主产区的作物受旱情况和综合农业干旱态势。结果表明:三江平原和松嫩平原农业干旱综合态势较为严峻,且三江平原的春小麦以及松嫩平原春小麦、玉米、水稻的受旱程度均不容忽视。黄淮海平原农业干旱态势为5区中最严重,特别是冬小麦旱情最重,一季稻及玉米以轻度和中度旱情为主。长江中游及江淮地区农业干旱综合态势以轻度干旱为主,冬小麦、早稻和晚稻种植区均呈现不同程度旱情,以中度及其以下为主,晚稻受旱较为明显。四川盆地农业综合旱情为5区中最轻,各作物中一季稻和玉米旱情较轻,而冬小麦种植区旱情相对比较严重。