中国快速城市化干燥地区的生态系统服务权衡关系多尺度分析——以呼包鄂榆地区为例

孙泽祥, 刘志锋, 何春阳, 邬建国, 4

1 北京师范大学人与环境系统可持续性研究中心, 北京　100875 2 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京　100875 3 北京师范大学资源学院, 北京　100875 4 美国亚利桑那州立大学生命科学院和全球可持续性研究所,坦佩 亚利桑那州　85287



中国快速城市化干燥地区的生态系统服务权衡关系多尺度分析
——以呼包鄂榆地区为例

孙泽祥1, 3, 刘志锋1,2, *, 何春阳1, 2, 邬建国1, 2, 4

1 北京师范大学人与环境系统可持续性研究中心, 北京100875 2 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京100875 3 北京师范大学资源学院, 北京100875 4 美国亚利桑那州立大学生命科学院和全球可持续性研究所,坦佩 亚利桑那州85287

理解生态系统服务间的权衡关系对提高干燥地区人类福祉和实现区域可持续性具有重要的意义。但是,目前人们仍然缺乏对快速城市化干燥地区中生态系统服务权衡关系的多尺度理解。以呼包鄂榆地区这一正在经历快速城市化的干燥地区为例,在城市群、区域和城市3个尺度上来探索生态系统服务间的权衡关系。对呼包鄂榆地区2010年的粮食生产、肉类生产、产水量、土壤保持和碳固持5种关键生态系统服务进行测量。利用相关分析法在3个尺度上对5种服务间的权衡关系进行分析。2010年呼包鄂榆地区产水量和土壤保持以及产水量和碳固持服务表现出显著的权衡关系。其中,产水量和碳固持服务在城市群、农业区和鄂尔多斯市呈现明显的权衡关系,产水量和土壤保持服务在城市群和农业区呈现明显的权衡关系。快速城市化干燥地区中的生态系统服务权衡关系具有明显的尺度效应,同一对生态系统服务在不同尺度上的权衡关系存在较大差异。这种差异主要是由区域人类活动和自然条件的空间异质性所致。研究结果有助于对呼包鄂榆地区生态系统服务权衡关系的认识,为该地区土地系统设计和可持续发展提供了必要的科学依据。

生态系统服务权衡；干燥地区；呼包鄂榆；城市化；多尺度分析

生态系统服务是人类从生态系统中所获得的福利[1],是提高人类福祉和实现区域可持续性的基础[2- 4]。生态系统服务权衡是指一种生态系统服务的提高以另一种或多种生态系统服务的降低为代价的现象[5- 7],是生态系统服务研究的核心论题之一[8]。近年来,农业开垦、森林砍伐和城市化等人类活动一方面增加了食物供给、木材供给和休憩等服务,另一方面也造成了碳固持、土壤保持和水源涵养等服务的下降,致使生态系统服务之间的权衡关系日益突出[9-10]。因此,理解生态系统服务间的权衡关系对提高人类福祉和实现区域可持续性具有重要的意义[8]。

目前,已经有多位学者分别在全球、大洲、国家、区域和流域等尺度上对生态系统服务间的权衡关系进行了研究[11- 15]。但从某一尺度上获得的权衡关系往往与另一尺度上得到的权衡关系不一致。比如,Gordon和Enfors[16]在集水区尺度上的研究表明,粮食生产和土壤保持表现为协同关系,但Maes等[17]在整个欧洲大陆的研究表明,该对服务呈现权衡关系。究其原因,主要是生态系统服务供给与需求间的尺度不匹配以及自然条件与生态过程在不同尺度间的差异造成的[5,18]。这导致对生态系统服务权衡关系的认识存在一定局限性,无法准确引导管理者采取合适的措施来改善区域生态系统服务,以提高人类福祉和区域可持续性。因此,从多个尺度上定量表达和理解生态系统服务的权衡关系是当前生态系统服务和景观/区域可持续性研究急需解决的问题[19-20]。

干燥地区是指以水资源短缺为主要特征,生产力和养分循环均受到供水量限制的地区,即年平均降水量与年平均潜在蒸散量之比小于0.65的地区[21]。全球干燥地区主要分布在亚洲中部和西部、欧洲东部、非洲北部、北美洲西部以及大洋洲,总面积6094.77万km2,占全球陆地总面积的41.30%[21]。该地区具有生态环境脆弱、贫困人口集中、城市化迅速以及对气候变化敏感等特点,是全球可持续发展中的关键区域之一[21]。中国干燥地区主要分布在中国西北、华北和东北地区,位于32°52′N—53°19′N,73°29′E—129°25′E之间,面积394.97万km2,占陆地国土总面积的41.14%。中国干旱区一般指年降水量小于200mm,干燥度大于3.5的地区,面积约280万km2,占国土总面积的29.17%[22]。中国干燥地区比中国干旱区的范围更广,是中国当前国土空间开发和生态文明建设的重点关注区域[23- 24]。近年来,随着我国干燥地区城市化进程不断加快,区域生态系统服务需求持续增加[25]。但受到自然条件的限制,干燥地区生态系统服务供给能力严重不足,致使生态系统服务供需矛盾日益突出,造成了人口贫困和环境退化等一系列社会经济问题和生态环境问题,给区域的可持续发展带来了压力[26]。因此,准确掌握快速城市化干燥地区不同尺度上的生态系统服务权衡关系,对该区域的可持续发展具有重要意义[27-28]。

本研究的目的在于揭示快速城市化干燥地区主要生态系统服务的权衡关系及其尺度效应。为此,以正在经历快速城市化的位于中国北方干燥地区的呼包鄂榆地区为例,在计算2010年粮食生产、肉类生产、产水量、土壤保持和碳固持等五项关键生态系统服务的基础上,在城市群、区域和城市3个尺度上量化和比较了生态系统服务之间的权衡关系。

1　研究区和数据

1.1研究区

图1　呼包鄂榆地区自然和社会经济概况Fig.1　The natural and socio-economic characteristics of HBOY

呼包鄂榆地区位于中国北方干燥地区中部,在北纬36°48′50″—42°44′5″、东经106°28′16″—122°18′7″之间,包括呼和浩特、包头、鄂尔多斯和榆林4个城市,总面积17.46万km2(图1)。该地区地势从西北向东南微倾,平均海拔约1300 m,地貌类型主要包括山地、平原、沙漠和丘陵等。呼包鄂榆地区气候类型为温带大陆性季风气候,多年平均气温约为8 ℃,多年平均降水量约为320 mm。近50年的气象观测数据显示,该地区呈现出明显的暖干化趋势,降水量总体呈现下降趋势,温度总体呈上升趋势(图1)。

自20世纪80年代以来,呼包鄂榆地区经历了快速的城市化。1990—2010年,该地区非农业人口从239.87万人增加到了462.13万人,增长了92.66%,非农业人口占总人口的比例从26.79%增加到了43.33%,增加了16.54个百分点(图1)。同时,城市建成区面积从1990年的237 km2增加到了2010年的514 km2,增长了1.17倍[29-30]。区域GDP从1990年的102.06亿元增加到2010年的2156.58亿元(按照1990年不变价格计算),增长了20倍。其中第二产业占GDP的比重从1990年的45.90%增加到了2010年的54.63%,增加了8.73个百分点；第三产业占GDP的比重从1990年的32.86%增加到了2010年的41.69%,增长了8.83个百分点[31-34]。

1.2数据

使用的数据包括呼包鄂榆地区土地利用/覆盖数据、气象站点数据、归一化植被指数(NDVI)数据、土壤属性数据、数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据、统计数据和基础地理信息数据7类。

2010年土地利用/覆盖数据来源于GlobeLand30数据集(http://www.globallandcover.com/)。该数据是以Landsat遥感影像和中国环境减灾卫星(HJ- 1)的多光谱影像为主要数据源,在参考大量辅助数据的基础上通过遥感分类获得,空间分辨率为30 m,总体精度为80.33%,Kappa系数为0.75[35]。数据包含耕地、森林、草地、灌丛地、水体、湿地、人造覆盖和裸地等8种类型。为了便于计算生态系统服务,参考Liu等[36]的研究,将上述8种土地利用/覆盖类型归并为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类(图1)。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.gov.cn/),包括研究区及其周边200 km范围内55个气象站点在2010年的气温和降水等信息。参考Hutchinson[37]的研究,对数据进行薄板平滑样条(Thin Plate Spline)插值,以用于获取区域生态系统服务的空间信息。土壤数据来源于世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database version 1.2, HWSD)(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/ harmonied-world-soil-datebase-v12/en/).该数据包含土壤类型、土壤质地、土壤有机碳含量和根系深度等资料,比例尺为1∶100万。NDVI数据来源于2010年SPOT-VEGETATION 10d合成产品(http://www.vito-eodata.be/),数据分辨率为1 km。参考Holben[38]的研究,逐月对该数据进行最大值合成处理以去除云的影响,最终得到每月的NDVI数据。DEM数据来源于美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)发布的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM数据(http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/ inputCoord.asp),空间分辨率为90 m。社会经济统计数据来自于《内蒙古统计年鉴2011》、《榆林统计年鉴2010》和《中国2010年人口普查分县资料》,包括研究区内各县级行政单元在2010年末的粮食产量、牛肉产量、羊肉产量和城镇人口数。基础地理信息数据来源于国家基础地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/),包括研究区的行政边界、行政中心、道路和河流等。

获取以上数据后,为了便于进行计算和叠加分析,我们通过栅格化和重采样处理,将所有数据的投影统一为Albers投影,空间分辨率统一为90 m。

2　方法

在计算呼包鄂榆地区2010年关键生态系统服务的基础上,在城市群、区域和城市3个尺度上对生态系统服务间的权衡关系进行分析(图2)。

图2　技术路线Fig.2　Flow chart

2.1计算不同尺度上的生态系统服务

基于千年生态系统评估(Millennium Ecosystem Assessment, MA)提出的包括支持、供给、调节和文化4类生态系统服务在内的概念框架,参考Hönigová等[39]对草地生态系统服务的研究,同时结合呼包鄂榆地区的自然和社会经济状况,选择了与该地区人类福祉密切相关的5种生态系统服务进行计算。具体包括粮食生产、肉类生产和产水量3项供给服务以及土壤保持和碳固持2项调节服务。

2.1.1粮食生产与肉类生产

参考Yang等[40]的研究,采用各县地均粮食产量表示粮食生产服务。参考Pan等[41]的研究,采用地均羊肉和牛肉的总产量表示肉类生产服务。具体是将基于统计数据获得的各县粮食产量和肉类产量分别除以各县级行政单元面积得到各县2010年粮食生产和肉类生产服务(图3)。两种服务的单位均为t/km2。

2.1.2产水量

参考Tallis等[42]的研究,采用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型中的产水量模块计算产水量服务。具体公式如下：

Y(x)=P(x)-AET(x)

式中,Y(x)表示像元x中的年均产水量；P(x)为像元x上的年均降水量；AET(x)为像元x上的年实际蒸散量。

2.1.3土壤保持

参考Fu等[43]的研究,利用潜在土壤保持量来表征生态系统的土壤保持服务。潜在土壤保持量是指在没有植被覆盖和土壤侵蚀控制措施情况下的土壤流失量与当前植被覆盖和土壤侵蚀控制措施情况下的土壤流失量的差值,它可以用以下公式来表示。

ΔA=A0-Av=R×K×LS×(1-Cv×Pv)

式中,ΔA为潜在土壤保持量(t hm-2a-1)；R为降雨侵蚀力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),采用Wischmeier和Smith提出的基于降雨月值数据的方法进行计算[44]；K为土壤可蚀性因子(t h MJ-1mm-1),采用侵蚀-生产力模型(Erosion Productivity Impact Calculator, EPIC)中提出的方法进行计算[45-46]。LS为坡长坡度因子,采用McCool等[47-48]提出的算法进行计算[49]。Cv为当前的植被覆盖因子,采用蔡崇法等[50]提出的算法计算。Pv为当前的土壤保持措施因子,采用基于坡度的Wener方法进行计算[43,51]。

2.1.4碳固持

参考Tallis等[42]的研究,采用碳储量来表征生态系统碳固持能力。陆地生态系统碳储量主要包含地上碳储量、地下碳储量、土壤碳储量以及死亡有机碳4个部分[42]。具体使用InVEST模型中的碳储量与碳固持模块来计算呼包鄂榆地区2010年的碳储量。模块中使用的碳密度数据来自于黄玫等[52]和方精云等[53-54]的研究成果。

为了统一分析单元,在基于上述方法计算出各像元2010年的产水量、土壤保持量和碳固持量之后,采用分区统计获取了各县级行政单元2010年的地均产水量、地均土壤保持量和地均碳固持量(图3)。

图3　2010年呼包鄂榆地区5种生态系统服务的空间格局Fig.3　The spatial patterns of five ecosystem services in HBOY in 2010

2.2分析不同尺度上的生态系统服务权衡关系

为了全面认识呼包鄂榆地区生态系统服务间的权衡关系,参考Raudsepp-Hearne等[6]和Turner等[13]的研究,采用相关分析法对城市群、区域和城市三个尺度上生态系统服务间的权衡关系进行了量化。其中,城市群尺度的分析范围涵盖整个呼包鄂榆地区,区域尺度的分析范围则分为农业区(种植业为主的榆林市)和牧区(以畜牧业为主的呼和浩特市、包头市和鄂尔多斯市),城市尺度的分析范围则包含呼和浩特、包头和鄂尔多斯3个地级行政区(图1)。当某对生态系统服务间的相关系数为负值且通过了0.05水平的显著性检验时,则认为该对生态系统服务间具有显著的权衡关系[15]。

3　结果

3.1城市群尺度的生态系统服务权衡关系

在城市群尺度,产水量和碳固持以及产水量和土壤保持呈现显著的权衡关系(图4)。相关分析表明,2010年呼包鄂榆地区产水量和碳固持以及产水量和土壤保持的相关系数均为-0.50,且通过了0.01水平的显著性检验。

肉类生产和土壤保持等8对服务间未呈现出明显的权衡关系(图4)。其中,肉类生产和土壤保持间的相关系数虽然为负值,但未通过0.05的显著性检验。剩余7对生态系统服务的相关系数在0.02—0.85之间,均为正值。

图4　城市群、区域和城市尺度上生态系统服务间的相关系数Fig.4　Pearson′s correlation coefficients between ecosystem services on the urban agglomeration scale, regional scale, and city scale红色柱子表示生态系统服务间具有显著的权衡关系,蓝色表示不具有显著的权衡关系； * P<0.05, ** P<0.01, *** P<0.001

3.2区域尺度的生态系统服务权衡关系

在农业区,产水量和碳固持以及产水量和土壤保持呈现明显的权衡关系(图4)。2010年,产水量和碳固持以及产水量和土壤保持的相关系数分别为-0.89和-0.65,均通过了0.05水平的显著性检验。肉类生产与土壤保持等8对生态系统服务均未表现出明显的权衡关系(图4)。其中,肉类生产与土壤保持、粮食生产与产水量以及肉类生产与碳固持3对服务的相关系数虽然为负值,但均未通过0.05水平的显著性检验。同时,粮食生产与土壤保持等5对服务间的相关系数在0.19—0.84之间,均为正值。

在牧区,所有10对生态系统服务均未表现出显著的权衡关系(图4)。其中,产水量和碳固持等4对服务的相关系数虽然为负值,但均未通过0.05水平的显著性检验。其余6对服务的相关系数在0.25—0.88之间,均为正值。

3.3城市尺度的生态系统服务权衡关系

在鄂尔多斯市,产水量和碳固持服务具有明显的权衡关系(图4)。2010年,该尺度上产水量和碳固持的相关系数为-0.84,并通过了0.01水平的显著性检验。产水量和土壤保持等9对服务未表现出显著的权衡关系(图4)。其中,产水量与土壤保持、肉类生产与碳固持以及肉类生产与产水量等4对服务的相关系数虽然为负值,但是均未通过0.05水平的显著性检验。粮食生产与肉类生产等5对服务的相关系数在0—0.86之间,均为非负值。

在呼和浩特市与包头市,所有10对可能的生态系统服务均未表现出明显的权衡关系(图4)。其中,在呼和浩特市,虽然粮食生产与土壤保持、肉类生产与土壤保持以及产水量与碳固持的相关系数为负值,但均未通过0.05水平的显著性检验。粮食生产与肉类生产等7对服务间的相关系数在0—0.72之间,均为非负值。在包头市,虽然产水量与碳固持的相关系数为负值,但是未通过0.05水平的显著性检验。其余9对生态系统服务的相关系数在0.15—0.95之间,均为正值。

4　讨论

4.1呼包鄂榆地区生态系统服务权衡关系

图5　不同尺度上产水量和碳固持服务间的权衡关系Fig.5　Ecosystem service trade-offs between water yield and carbon sequestration on different scales下标U表示城市群尺度,下标A表示区域尺度中的农业区,下标P表示区域尺度中的牧区,下标H、B和O分别表示城市尺度上的呼和浩特、包头和鄂尔多斯

2010年,呼包鄂榆地区产水量和碳固持以及产水量和土壤保持服务呈现显著的权衡关系。这种权衡关系是由生态系统服务间的相互作用以及它们之间的共同驱动力(比如降水或由人类活动引起的土地利用/覆盖变化等)引起的[9]。以产水量和碳固持为例,植树造林一方面可以增加植被覆盖度,进而提高生态系统的碳固持服务,另一方面也会导致地表蒸散作用增强,从而降低产水量。与此相反,建设用地扩张一方面会导致植被覆盖度下降,从而降低碳固持服务,另一方面也会降低地表的蒸散作用,导致产水量增加。该结果与已有研究基本一致。比如Jia等[12]的研究表明,在陕西省北部实施的退耕还林还草政策明显提高了该区域碳固持服务和土壤保持服务,但降低了产水量。

4.2生态系统服务权衡关系的尺度效应分析

呼包鄂榆地区生态系统服务权衡关系具有明显的尺度效应(图5)。相同生态系统服务在不同尺度上的权衡关系存在明显差异。比如,在城市群尺度上,产水量和碳固持表现出明显的权衡关系。但在区域尺度上,该对服务仅在农业区表现出显著的权衡关系,且其权衡关系的强度明显高于城市群尺度。在城市尺度上,该对服务仅在鄂尔多斯市呈现显著的权衡关系,其权衡关系的强度稍低于农业区,但明显高于城市群尺度。

人类活动和自然条件在空间上的分布差异是导致快速城市化干燥地区生态系统服务权衡关系出现尺度效应的主要原因。在人类活动方面,城市化率对快速城市化地区生态系统服务权衡关系有明显影响。2010年,呼包鄂榆地区的城市化率具有明显的空间异质性(图6)。在城市群尺度上,各县平均城市化率为49.22%,其标准偏差为18.78%,约为均值的1/3。在区域尺度以及城市尺度上的呼和浩特市和包头市,各县平均城市化率的标准偏差也都在均值的1/3以上,仅有鄂尔多斯市平均城市化率的标准偏差约为均值的1/5。在自然条件方面,降水量是影响干燥地区生态系统服务权衡关系的主要因素。2010年,呼包鄂榆地区降水量存在明显的空间分布差异(图6)。在城市群尺度上,各县平均降水量为360.56mm,其标准偏差为53.40mm,是均值的14.81%。在区域和城市尺度,牧区、鄂尔多斯市和包头市降水量的标准偏差也均超过平均降水量的10%,仅有农业区的降水量标准偏差不及平均降水量的5%,为3.83%。

图6　2010年各尺度的城市化率和年均降水量Fig.6　The mean urbanization rate and mean annual precipitation on different scales in 2010

5　结论

本研究以呼包鄂榆地区为例,采用相关分析法在城市群、区域和城市3个尺度上对快速城市化干燥地区的生态系统服务权衡关系进行了量化。结果表明,2010年,呼包鄂榆地区产水量和碳固持以及产水量和土壤保持呈现显著的权衡关系。其中,产水量和碳固持服务在城市群、农业区和鄂尔多斯市表现出明显的权衡关系,产水量和土壤保持服务在城市群和农业区表现出明显的权衡关系。同时,快速城市化干燥地区的生态系统服务权衡关系具有明显的尺度效应。不同尺度上生态系统服务间的权衡关系存在明显差异。降水等自然条件以及土地利用/覆盖变化等人类活动因素的空间异质性是导致权衡关系产生尺度效应的主要原因。因此,要全面了解快速城市化干燥地区的生态系统服务权衡关系,应同时在多个尺度上进行研究。这些有关生态系统服务权衡关系及其尺度效应的研究结果为呼包鄂榆地区土地系统设计和可持续发展提供了必要的科学依据。

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Multi-scale analysis of ecosystem service trade-offs in urbanizing drylands of China: A case study in the Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin region

SUN Zexiang1,3, LIU Zhifeng1,2,*, HE Chunyang1,2, Wu Jianguo1,2,4

1CenterforHuman-EnvironmentSystemSustainability(CHESS),BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology(ESPRE),BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3CollegeofResourcesScience&Technology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China4SchoolofLifeSciencesandGlobalInstituteofSustainability,ArizonaStateUniversity,Tempe,AZ85287,USA

Understanding the trade-offs among ecosystem services (ESs) is important for improving human well-being and sustainability in dryland regions. However, a multi-scale understanding of ES trade-offs that link local ecosystem properties with regional patterns in urbanizing drylands is lacking. We investigated the ES trade-offs in the Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin (HBOY) region—a rapidly urbanizing dryland region in China—on three spatial scales: the city, region, and urban agglomeration. We first mapped five key ESs in HBOY in 2010, including crop production, meat production, water yield, soil retention, and carbon sequestration. Next, we analyzed their trade-offs on the three scales by using correlation analysis. We found that trade-offs between water yield and carbon sequestration, as well as water yield and soil retention, were significant in HBOY in 2010. Water yield and carbon sequestration showed significant trade-offs on the urban agglomeration scale and in agricultural region and Ordos. Water yield and soil retention showed significant trade-offs on the urban agglomeration scale and in agricultural region. In addition, the ES trade-offs were scale-dependent in rapidly urbanizing drylands. The trade-offs between pairs of ecosystem services were inconsistent on different scales, this was caused by the spatial heterogeneity of natural conditions and human activities. Our findings might help better understand the ES trade-offs in HBOY and provide a scientific basis for land system architecture and sustainable development in HBOY.

ecosystem service trade-offs; dryland; Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin (HBOY); urbanization; multi-scale analysis

国家重大科学研究计划项目(2014CB954302, 2014CB954303)；国家自然科学基金委青年科学基金项目(41501195)

2015- 07- 05; 网络出版日期:2016- 03- 21

Corresponding author.E-mail: Zhifeng.Liu@bnu.edu.cn

10.5846/stxb201507051423

孙泽祥, 刘志锋, 何春阳,邬建国.中国快速城市化干燥地区的生态系统服务权衡关系多尺度分析——以呼包鄂榆地区为例.生态学报,2016,36(15):4881- 4891.

Sun Z X, Liu Z F, He C Y, Wu J G.Multi-scale analysis of ecosystem service trade-offs in urbanizing drylands of China: A case study in the Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin region.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4881- 4891.