广东省生态系统服务时空变化及其权衡与协同特征研究_吴文坤.pdf

，.，.农业与技术 资源环境广东省生态系统服务时空变化及其权衡与协同特征研究吴文坤 曾惠娴 游文川 郭春华 刘小冬（仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州）摘 要：生态系统服务是人类福祉与自然生态系统的关键纽带，是人类为满足自身发展而从自然生态中获得的惠利，着力广东省生态系统服务研究，事关国家生态文明建设的重要措施，关系民生福祉的最大化。本文以广东省作为研究对象，对生态系统服务评估和权衡协同关系展开研究，以期为广东省国土空间修复提供理论依据。主要研究结论：广东省生态系统服务呈下降趋势，除植被净初级生产力外，其它 种服务呈下降趋势；同时，广东生态系统服务存在空间分异性，总体上呈北高南低的趋势；产水服务与其它 种服务呈显著权衡关系，而碳储存和生态供给及生境质量 种服务的两两关系则表现为显著协同关系；广东省生态系统服务关系存在空间分异性，权衡强度上呈现北高南低的趋势。关键词：广东省；生态系统服务；权衡；协同中图分类号：文献标识码：.收稿日期：作者简介：吴文坤（），男，硕士在读。研究方向：生态城市；通讯作者刘小冬（），男，博士在读，副教授。研究方向：风景园林规划与设计。引言自然生态系统是人类社会形成的前提，是构成人类客观世界的自然基础。生态系统服务是人类社会与自然生态系统的关键桥梁，是维系人与自然命运共同体的重要环节。生态系统服务是为人类福祉提供直接或间接的利益供应（如原材料和食品）、支持服务（如气候和空气质量）、调节服务（如控制灾害和疾病）和文化（如户外娱乐、美学景观）服务。在当前经济高速发展的影响下，人类对自然资源的需求日益增加，一种生态系统服务的增加常导致另一种生态系统服务的下降，因而厘清生态系统服务之间的权衡与协同关系对人类可持续发展具有重要意义，对于最大化人类福祉、促进经济与自然和谐发展具有重要作用，。随着城市化进程速度加快，人与自然对于土地的争夺竞争关系愈发紧张，土地的不断转型与重构，景观格局变化明显，对生态系统服务造成重要的影响。人类活动侵占自然生境斑块，导致生态景观破碎化，生物物种多样性降低，生态环境弹性减小，生态质量降低等一系列的生态问题，使得生态系统服务功能减弱。如何有效制定管理生态安全，促进人与自然和谐共生的可持续发展策略成为难题。刘菊等学者利用 模型与影子工程法相结合，评估岷江上游生态系统水源涵养功能与价值量，既能把握生态系统服务时空发展规律，又通过计量学方法掌握其与自然经济要素的作用机制。学者们综合分析了多种生态系统服务，系统性分析生态系统服务间的相关性及空间格局，为生态保护提供了基础分析；准确把握生态系统服务权衡与协同的关系，可为生态安全格局及其规划提供提供重要理论依据，是可持续发展的必然要求，促进人与自然和谐相处。广东省作为前沿地带与对外窗口，是当前世界工业化、城市化与现代化发展种的一大历史奇迹，为我国经济第一大经济大省。但广东省曾一度以经济发展为首要目标，以环境牺牲为代价，导致生态系统破坏、环境污染等一系列问题，亟需得到改善。自 世纪以来，广东省一直致力于生态系统保护与建设，努力建设森林城市，成为城市化与生态权衡发展的典型。因此，掌握广东省生态系统服务及其关系的时空变化规律，有助于对生态系统服务的深入理解，推动广东省国土空间规划，最大化人类福祉。鉴于此，本研究以广东省作为研究对象，基于 模型，对广东省 年的水服务、碳储存、植被净初级生产力、生境质量 项关键生态系统服务进行定量评估，以此开展对广东省生态系统服务时空变化研究，在此基础上，通过对生态系统服务的相关性分析，探索广东省生态系统服务权衡与协 资源环境 农业与技术 ，.，.同。本研究试图对 年广东省生态系统服务及其关系的动态情况进行摸底，找准生态薄弱和亟需保护的重点区域，把握生态系统服务内部错综复杂的关系，提供管理权衡决策，健全生态保护手段，寻找广东省生态安全与社会经济发展的最优解。数据与方法.研究区域概况广东省地处中国最南端，被誉为“中国南大门”，地理坐标位于，东临福建省，北接江西、湖南两省，西毗广西壮族自治区，南邻南海、珠江口、香港、澳门，与海南省隔海相望。广东省地形丰富，气候条件优渥，生态环境良好，各类自然资源丰富，具备山草林田湖海要素，人与自然关系紧密，是我国生态格局安全的重要组成部分。着力广东省生态系统服务研究是关系国家生态安全和民生福祉的重要战略任务，事关国家生态文明建设的重要措施。.数据来源本研究以广东省为研究范围，选取 年、年、年、年、年 个年度，对生态系统服务和权衡与协同关系进行研究。其中，气象数据包括降水、气温、潜在蒸发量，基于中国气象局气象数据中心的空间站点气象记录，利用澳大利亚国立大学开发的空间插值软件，采用薄盘光滑样条工具进行插值，计算 个年度的年平均值；地形地貌数据包括土壤数据、等；社会经济数据包括人口、夜间灯光等以及土地利用覆盖数据。表 数据分类及来源数据类型数据名称数据来源气象数据降水中国气象局气温中国气象局潜在蒸散发量国家地球系统科学数据中心地形地貌数据 世界土壤数据库土地利用数据土地覆盖中国科学院资源环境中心由于栅格数据存在分辨率不同、坐标不统一或偏移等问题，为准确量化各类生态系统服务探究其权衡与协同，确保研究的科学性与准确性，研究统一为栅格数 据。为 解 决分辨率不同的问题，利用.的重采样工具，将其分辨率统一为；为解决坐标不统一问题与坐标偏移的问题，进行地理校对、投影等工具进行坐标转换，统一坐标。.生态系统服务模型评估方法.碳储存生态系统中碳主要储存于陆地生态系统，如森林、沼泽等陆地生态生态系统中的碳初春远大于大气中的储存量。生态系统碳储量主要由地上生物碳库、地下生物碳库、土壤碳库、死亡有机碳库与第 大碳库组成。第 大生碳库主要为木材砍伐后的各类制品，如家具、建材等，由于难以进行统计，故研究不做考虑。为了有效掌握陆地生态系统中的碳储量，优化土地利用配置方式，高效发挥陆地生态系统的固碳能力，研究采用 模型中的 模块计算碳储量，计算公式：（）式中，为总碳储量；为地上生物碳储量；为地下生物碳储量；为土壤中碳储量；为死亡生物碳储量。.生境质量 模型用于探索在人类活动影响下的生态系统变化，通常采用生产函数的方法来量化和评估生态系统。生境质量模型作为衡量生态环境的重要模型，其根据不同的土地利用 覆盖类型与其生态威胁因子之间的作用机制，量化土地利用 覆盖变化下的生境质量。生境质量模型主要使用土地利用 覆盖的栅格图和生物多样性威胁因素的信息生成生境质量地图。计算公式：（）式中，为土地利用类型中栅格的生境质量；为半饱和参数，通常取 最大值的；为土地利用类型的生境适合性；为归一化常量，通常取.；为土地利用类型 中栅格 所受的胁迫水平。的计算式：（）式中，为胁迫因子；为胁迫因子栅格图层的栅格数量；为胁迫因子所占据的栅格数量；为胁迫因子的权重；为栅格 的胁迫因子值；为栅格 的可达性水平；为生境类型对胁迫因子 的敏感性；为栅格 的胁迫因子值 对生境栅格 的胁迫水平；分为线性与指数型。线性：（）指数型：，.，.农业与技术 资源环境 .（）式中，为栅格单元中 与 的直线距离；为威胁因子 的最大距离。.产水量产水量是生态系统服务中重要的一环，产水量的计算对于广东省内生态环境的保护具有重要的影响。模型基于栅格单元计算产水量与降雨量实际蒸发量之间的插值，计算公式：()()()()（）式中，（）为栅格单元 的实际蒸散量；()是栅格单元的年降水量。对于植被的土地类型，蒸发与降水比例基于 水热耦合平衡假设公式计算：（）（）（）（）（）（）（）式中，（）为栅格单元 的潜在蒸发量；为土壤特征的经验参数，计算公式：（）（）.（）式中，为季节常熟，表征当地降水与水文特征的经验常熟，一般为；（）表示土壤中的植物生长储存与供给的水量之和，与土壤质地和土壤有效深度有关系，计算公式：（）（.，.）（）式中，（.，.）为最大根埋藏深度和最小植被根系深度的乘积；为植物利用水分含量。.植被净初级生产力被净初级生产力是陆地生态系统的重要表征指标之一，直接反映自然环境下的植被生产能力与质量状况。（）模型是计算陆地植被被净初级生产力的经典模型，在估计大范围空间尺度和长时间序列上的应用性较强，。该模型通过植被吸收的光合有效辐射（，）和光能利用率（，）个变量来确定。对于第 个月的特定像元 的 通过以下公式计算：，()，()（，）（）式中，（，）是特定像元 在第 个月吸收的光合有效辐射，；（，）是特定像元 在第 个月的实际光能利用率，。.生态系统服务权衡与协同关系分析.相关性 相关分析是一种非参数检验的方法，用于度量 组变量之间的相关性。该统计方法的特点是对原始数据要求较低，只需满足 组变量成对即可，计算公式：()（）式中，为 相关系数；为 个变量之间的秩次差；为样本数量。取值为，当 为 时，表示 组变量之间不存在线性关系，即表示 种生态系系统服务类型不存在权衡或协同关系；当 时，表示 组变量之间存在线性正相关，一组变量随着另外一组变量的增加而增加，即表示 种生态系统服务之间存在协同关系，其中.属于强协同关系，.属于中等强度的协同关系，.属于为弱协同关系；当 时候，表示 组变量之间存在线性负相关，一组变量随着另一组变量的增加而减少，即表示 种生态系统服务之间存在权衡关系，.属于强权衡关系，.属于中等强度的权衡关系，.属于为弱权衡关。.长时间序列逐像元相关分析生态系统服务内部的权衡与协同关系错综复杂且具有空间异质性，生态系统服务之间的关系会随着时空变化而变化。研究通过逐项元相关分析，计算生态系统服务两两之间的相关系数，且进行显著性检验。相关系数的计算过程采用 软件计算，公式：（）（）（）()（）（）)(（）（）()（）（）()（）式中，、分别代表 种生态系统服务；代表 类生态系统服务间的相关系数；、代表栅格中像元的行号和列号。当系数 为 时，表示 种服务之间不存在相关关系；当 时，表示 种服务之间存在协同关系，且当.时，种服务为强协同，当.时，种服务为中协同，当.时候为弱协同；相反，当 时，表示 种服务之间存在权衡关系，且当.时，种服务为强权衡，当.时，种服务为中权衡，当.时候为弱权衡。资源环境 农业与技术 ，.，.均方根误差均方根误差是用于量化不同生态系统服务权衡的一种直接有效的方法。统计学中的均方根误差用于表示观察值与预测值之间的标准差，可用于量化 个或多个生态系统服务权衡关系的指标。可以表征单个生态系统服务与平均生态系统服务之间的差异水平，将生态系统服务关系从以往的权衡与协同关系变成权衡强度，更直观地表达不同生态系统服务之间的权衡。为了消除不同生态系统服务的量纲差异，需要对数据进行归一化处理，公式：()()（）式中，是某种生态系统服务的归一化值；是某种生态系统服务的观测值；为某种生态系统服务的最小值；为某种生态系统服务的最大值。()（）式中，是 个或多个生态系统服务的均方根误差；为生态系统服务的个数；是 类生态系服务的归一化值；是生态系统服务观测值的平均值。结果与分析.年广东省生态系统服务时空变化广东省生态系统服务相对稳定，自 年后，种生态系统服务均趋于稳定，变化幅度显著下降。其中，受降水量影响较大的产水量服务年际变化较大，但单位面积产水量高值区一直集中于珠江三角洲区域，也表明其水源涵养能力最弱。研究期内，碳储量总体减少了，植被净初级生产力总体上升.，生境质量分值总体下降.。广东省生态系统服务存在空间分异性，主要为垂直分异性和纬度分异性。总体上看，北部丘陵、山地地区的生态系统服务能力明显高于南部沿海地区和平原地区，珠三角地区的生态系统服务为广东省生态薄弱点。水源涵养、碳储存、生态供给能力和生境质量均呈现以珠江三角洲平原为核心低值区，并以不规则形状向外围拓展。图 年广东省生态系统服务时空变化图.年广东省生态系统服务权衡与协同关系.时间变化特征广东省生态系统服务关系的年际变化稳定，产水服务与其它 种服务呈显著权衡关系，呈先下降后上升的周期性变化，而碳储存和生态供给及生境质量 种服务的两两关系则表现为显著协同性。各类生态系统服务两两相关性均具备显著性，碳储存与生境质量