森林生态系统服务多功能性:概念、指标和经营模拟模型

森林生态系统同时提供多种功能和服务的能力,被称为森林生态系统多功能性,可分为生态系统功能多功能性和生态系统服务多功能性。近年来,生态学领域对生物多样性与多功能性关系机理、多功能性驱动因子等进行了大量研究,这些研究持续成为热点。然而,这些研究成果在实际应用,尤其是在指导森林经营实践方面,尚显不足。森林经营一直以实现多种功能或服务的最大化为目标,但目前还缺乏与生态学中多功能性理论研究的有机联系,迫切需要将二者结合。本文对国际国内森林生态系统服务多功能性的概念、指标、评价方法、经营模拟和优化模型进行了综述,认为预测森林生态系统服务及多功能性、在森林经营单位层面实现多功能性最大化是将来的研究方向。因此,需要加强森林经营模型模拟研究,寻找减少不同服务间冲突、增加协同(即增加多功能性)的经营策略,回答森林经营和气候变化如何影响生态系统服务间的权衡和协调关系及其时空变化等理论和实际问题。

基于土地利用和地形的生态系统服务空间分布及权衡-协同-独立关系——以安塞区为例

[目的]生态系统退化问题日益突出,开展生态系统服务空间分布及其相关关系研究对区域生态文明建设具有重要意义。[方法]基于InVEST和CASA模型,在10 m空间分辨率下定量评估安塞区2020年土壤保持、固碳释氧、水源涵养和生境质量及其随地形和土地利用变化趋势,分析生态系统服务间权衡—协同—独立关系。[结果](1)林地和草地生态系统服务较强,未利用地和建设用地较弱;耕地、林地和草地生态系统服务间协同作用明显,而未利用地表现为权衡作用,水域表现为独立作用。(2)土壤保持量最高值在中低海拔、急悬坡和半阴坡,固碳释氧量最高值在中低海拔、陡峭坡和阴坡,涵养水源量最高值在低海拔和阳坡,生境质量最高值在高海拔、急悬坡和阳坡。(3)地形和土地利用视角下,生态系统服务整体表现为协同度>独立度>权衡度,协同作用常发生在土壤保持、固碳释氧和水源涵养之间,生境质量与其他生态系统服务权衡作用明显。(4)协同作用随着海拔升高和坡向向阳程度加强而提升,随着坡度增加呈先升高后降低变化趋势,权衡则与之相反。[结论]土地利用和地形对生态系统服务影响较大,应因地制宜开展土地规划和生态管理,基本证明了退耕还林还草生态恢复措施与其地形气候的适应性和决策的正确性。

内蒙古大兴安岭土地利用格局和生态系统服务功能的时空演变特征

[目的]内蒙古大兴安岭作为独特山地生态热点地区,研究其土地流转和强度对生态系统服务功能的响应关系,为推进该地区科学配置土地利用格局、促进生态可持续发展提供理论依据。[方法]基于1990—2022年5期遥感影像,在县域尺度上综合运用InVEST-CASA模型和四象限模型法,评估5种典型的生态服务功能(生境质量、碳储量、水源涵养量、土壤保持量和植被净初级生产力)变化,并研究土地利用强度(LUI)时空演变与生态系统服务功能相关性。[结果](1)1990—2022年,研究区土地利用格局稳定,农田、草地和林地(天然林、人工林)是内蒙古大兴安岭主要组成地类。(2)生态系统服务功能呈北高南低缓慢退化态势,生境质量和土壤保持量逐年下降,产水量和植被净初级生产力波动式衰减,碳储量增速减缓。(3)由于土地利用格局变化和利用强度增加,生态系统服务功能综合值与土地利用强度之间呈现负相关,受其影响较为显著的县域主要分布在该研究区的东南侧。[结论]内蒙古大兴安岭生态系统服务功能存在明显时空异质性特征,合理优化土地利用格局可以有效提升内蒙古大兴安岭地区生态系统服务功能。

土地利用功能权衡协同关系及其驱动因子研究——以武汉市为例

研究目的:揭示2021年武汉市“农业生产—非农生产—生活—生态”土地利用功能系统间的权衡协同关系,探索不同主体功能情形设定下驱动因子的影响差异性,为促进当地土地资源的优化利用与空间精细化管理提供参考依据。研究方法:地理空间分析法,皮尔逊相关系数法,贝叶斯网络模型。研究结果:(1)武汉市不同土地利用功能空间分异特征明显,农业生产功能的高值与较高值主要集中在武汉市北部与南部地区,非农生产与生活功能基本呈现“中心城区高、远城区低”的特征,生态功能的低值、高值分布特征则与建设用地、林地等土地利用类型高度关联;(2)研究区非农生产与生活功能互为协同关系(r=0.84),农业生产与非农生产功能(r=-0.25)、生活功能(r=-0.25)互为权衡关系,生态功能与非农生产功能(r=-0.36)、生活功能(r=-0.4)互为权衡关系,生态与农业生产功能则无明显相互关系(r=-0.027);(3)人类活动强度、距区中心远近、土地利用强度、地表径流量是影响当地土地利用功能差异化发展的关键驱动因子,且在不同主体功能情形设定下,各因子的状态变化不尽相同。研究结论:武汉市应注重不同区域间的非农生产、生活功能平衡发展,通过建成区的生态宜居建设与城乡均衡发展改善土地利用功能间的权衡关系,并基于不同地区的主体功能制定差异化的管控策略。

基于熵权TOPSIS模型的广西土地利用多功能性评价及障碍因素研究

探究土地利用多功能性的变化情况及障碍影响因素,是优化区域土地合理开发、提高土地利用效率的方式,对实现区域土地的可持续利用具有重要意义。文章以广西作为研究对象,构建经济、社会和生态三维指标体系,结合熵权TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)模型和障碍度模型,综合评价分析广西2010-2021年土地利用多功能性变化状况和障碍影响因素。研究表明:广西土地利用综合功能呈上升趋势,综合功能整体在不断优化。经济功能和社会功能呈现逐年上升的趋势,发展至良好阶段,生态功能在研究期间呈波动下降的趋势。经济功能和社会功能障碍度逐年降低,生态功能障碍度波动上升,从发展阶段特征来看,影响广西土地利用多功能性发挥的因素逐渐由经济社会型向经济生态型转变。

“三生”空间视角下土地利用功能演变与障碍诊断——以新一线城市南京市为例

基于“三生”空间视角构建土地利用多功能评价指标体系,运用改进的熵权TOPSIS法评价新一线城市南京市的土地利用多功能及其时变特征、权衡协同关系与障碍因素等,得到的结果显示:南京市在研究期间内土地利用多功能呈倒U型变化趋势,其中生产功能和生活功能提高,生态功能呈衰退态势;南京市土地生产、生活、生态功能空间存在程度不一的协同权衡关系;土地生产功能与生态功能的障碍度持续增大,其中SO 2年均浓度、森林覆盖率影响较突出,生活功能的障碍度持续减小。因此新一线城市应在权衡土地生活、生产与生态功能协同关系中强化土地生态空间服务功能,减少生活与生产活动带来的生态负效应,引导土地功能向高度协调方向演化。

基于生态位适宜度模型的土地利用功能分区

土地利用功能分区是土地利用总体规划中的重要内容。该研究以生态位理论为基础,从生态角度进行土地利用功能分区定量研究。该研究提出了土地利用生态位的概念,并从土地利用需求生态位和现实生态位的耦合关系,构建土地利用生态位适宜度模型,建立土地利用生态位适宜度评价因子体系,并以土地利用生态位适宜度评价结果为表征量,借助GIS技术对土地利用功能进行分区。通过对山东省济南市的案例研究,运用该技术方法进行的土地利用功能分区,结果更加优化和合理,验证了该模型的实用性。该研究从生态适宜角度为土地利用分区的定量化研究提供了新的技术方法。

东寨港湾区土地利用变化对生态系统服务功能的影响

定量评估土地利用变化对生态系统服务功能的影响是当前研究的热点和难点。构建海南岛东寨港湾区InVEST模型,分析1990—2018年4期湾区土地利用时空变化特征及对生态系统服务功能的影响差异。研究表明:①1990—2018年湾区土地利用发生较大变化,草地、耕地和林地面积分别减少17%、5%和9%;而建设用地和水域面积显著增加了179%和59%。②29年来产水服务功能增强,其中1990年、2000年、2010年、2018年产水总量分别为14.01×10^(8)、22.17×10^(8)、27.01×10^(8)、16.42×10^(8) m^(3),空间呈北部增强,中部偏东地区减弱的格局差异;水质净化功能呈现总氮减弱总磷增强,总氮输出量分别为587.8、589.3、590.2、591.9 t,总磷输出量分别为51.78、51.54、50.32、50.04 t,空间呈北部明显衰减;生境质量功能总体衰减,北部明显衰减,西部及西北部略有衰减趋势。③北部和西部建设用地扩张和林地面积减少会增强产水功能,但削弱了水质净化和生境质量服务功能。应注意优化土地利用格局,控制北部沿海建设用地规模,注重林地保护,维持湾区陆地生态系统服务功能。

山西中部城市群生态系统服务对土地利用格局变化的响应

山西中部城市群是山西省经济发展态势最好的区域,这种经济增长却伴随着生态系统不同程度的破坏。本文基于土地利用格局演变,运用InVEST模型、ArcGIS技术、像元统计分析和四象限模型等方法,评估2000—2020年产水、粮食供给、土壤保持和碳储量服务的时空格局及权衡/协同关系,并深入分析了土地利用格局对生态系统服务的影响。结果表明:(1)山西中部城市群产水量、粮食供给和土壤保持逐年增加,而碳储量则缓慢递减,不同地类和行政区所提供的生态系统服务能力存在显著差异。(2)空间格局上,生态系统服务整体以协同关系为主,粮食供给、产水量和土壤保持三者互为协同关系,而与碳储量均为权衡关系。(3)建设用地扩张对产水服务产生正向影响,林地增加促进土壤保持,而林地和草地减少对碳储量产生负向影响;土地利用强度与产水量、粮食供给、土壤保持之间整体呈正相关关系,但对碳储量的影响却呈现负向趋势。这些结果为山西中部城市群及其他类似地区的生态安全建设和可持续发展提供重要参考。

近十年雄安新区景观格局动态变化及生态系统服务功能评价

为深入了解和解析雄安新区景观格局的时空特征及其生态发展趋势,利用2013-2022年间4期典型的遥感影像数据,结合Google Earth影像,通过支持向量机分类和目视解译法获得雄安新区的土地利用分类图,综合运用GIS技术和InVEST模型分析等方法,对近10年雄安新区景观格局变化特征及其生态质量进行分析评价。结果表明:(1)2013-2022年期间,建设用地、开阔水体、林地持续增长,其中林地在2017年以后呈快速增长趋势,占雄安新区总面积比例由10.75%增长到31.79%,耕地由于转出较多面积缩减迅速,主要转出为林地、开阔水体和建设用地,白洋淀湿地面积增加。(2)开阔水体、水生植被、耕地的景观破碎化程度在逐年增大,林地的空间连通性持续向好。雄安新区景观形状指数增加,其中,2022年景观丰富度最大,景观中优势斑块类型连通性增强,大比例斑块增加。(3)10年间,研究区碳储量增加60.59×10^(6)MgC,优良类生境区域面积和差等生境质量面积呈上升趋势,中等生境质量面积减小33.66%。需重点关注耕地、农村建设用地与城区的交汇处、交通道路与生态源地交汇处等的生态节点的建设及其生态功能的提升。

基于改进的TOPSIS-PSR模型甘肃省城市土地利用系统安全性评价及障碍度分析

为了深入研究甘肃省城市土地利用系统发展状况,推动城市健康发展.采用基于TOPSIS算法的PSR模型,根据系统压力、系统状态、系统响应三个准则层,选取18个指标层构建指标分析体系.采用熵权法和层次分析法组合赋权,确定各指标的权重,并计算各指标贴近度,同时根据生态阻力诊断模型计算出各指标阻力指数.结果表明:(1)2005-2015年,系统压力贴近度,呈先上升再下降的走势;系统状态和系统响应贴近度呈上升发展态势,各子系统贴近度主要位于0.40～0.60之间,处于临界状态.甘肃省城市土地利用系统由不安全状态转变为临界状态,系统安全性越来越好,但是贴近度均未超过0.7,距最优贴近度仍有一定的差距.(2)2005-2012年,障碍度较大的指标主要有城市人均公园绿地面积、城市建成区绿化覆盖率、人均城市道路面积等,障碍因子主要集中状态和系统响应方面;2013-2015年,障碍度较大的指标主要有城市生态用水量所占用水总量比值、城市人均日生活用水量、城市化水平等,障碍因子主要集中于系统压力和系统状态方面.(3)决策部门应从城市人口布局、城市绿化、城市水资源等方面制定更加精确、严谨的政策和措施,缓解城市发展与生态保护的矛盾.

基于DPSIR和GM(1,1)模型的土地生态安全评价与预测——以河南省洛阳市为例

为探究洛阳市土地生态安全现状及主要影响因子,基于DPSIR模型,选取24个评价指标,构建评价指标体系。运用熵权法、障碍度模型(ODM)和灰色系统GM(1,1)模型对2010—2020年洛阳市土地生态安全状况进行评价与预测。结果表明,2010—2020年洛阳市土地生态安全呈上升趋势,2010—2017年波动幅度较小,2018年土地生态安全指数大幅增加,从0.4805增加至0.6027;2020年土地生态安全等级从临界安全等级上升至较安全等级,其中人口自然增长率、单位耕地农药消耗、人均公园绿地面积、第三产业产值比重等指标因素是指数上涨的重要动力;权重最大的子系统为响应子系统,权重最大的单一指标为人均公园绿地面积;障碍因素中出现频次最高的指标为生活垃圾无害化处理率;从灰色系统GM(1,1)模型的预测结果来看,洛阳市土地生态安全等级将在2023年达到安全等级。

基于能力成熟度模型的湖泊水生态系统服务功能评价研究

为了评价湖泊水生态系统服务能力,基于它可产品化的特性,通过采用能力成熟度模型(CMM)来研究湖泊水生态系统服务功能的开发利用程度、管理特性以及未来发展趋势。研究结果表明,CMM可有效应用于湖泊水生态系统综合服务功能和单项服务能力的评价,通过模型可诊断出湖泊水生态系统服务功能当前的状态,在评测指标即单项服务功能的各个维度提出改进措施,可执行性强,通过不同能力成熟度条件下服务功能经济价值的比较发现,服务能力成熟度的变化规律符合该水生态系统资源发展趋势。

2011-2022年陕西省土地利用系统健康评价及障碍因子判断

土地利用系统健康评价与提高土地利用可持续发展水平密切相关。采用熵权TOPSIS模型、耦合协调度模型和障碍度模型,从结构、功能、效益3个方面选取19个指标评价了陕西省近12年(2011-2022年)土地利用系统健康动态变化、协调发展水平和障碍因子。结果表明:①2011-2022年陕西省土地利用健康水平逐年提升,从2011年的中等提升至2022年的良好。②结构子系统健康在2011-2022年整体上呈现上升趋势,年均上升1.96%;功能子系统健康在2011-2022年整体上处于上升趋势,年均上升5.69%,且从2011年的较差水平上升至2022年的优秀水平;效益子系统呈现上升趋势,年均上升3.18%,且从2011年的中等水平上升至2022年的良好水平。③2011-2022年陕西省土地利用结构、功能和效益3个子系统健康之间的耦合协调度逐年提高,由2011年的0.58(勉强协调)提高至2022年的0.84(良好协调)。④各子系统对于陕西省土地利用健康的障碍度大小为结构>功能>效益子系统;其中,从指标层看,地均GDP、人口密度、土地利用率、森林覆盖率为影响陕西省土地利用健康的主要障碍因子。研究结果可为陕西省更高质量、更可持续的发展提供科学参考。

洞庭湖区生态系统服务价值与土地利用耦合关系研究

土地利用与生态系统服务的影响研究是生态学和地理学的重要内容,研究其耦合协调关系,可为土地利用与生态系统服务协调互动与高质量发展提供决策参考。本文在分析1990年—2020年期间的土地利用综合程度及生态系统服务价值时空演化的基础上,采用耦合协调度模型探讨了土地利用程度与生态系统服务耦合协调关系。研究发现:(1)洞庭湖区土地利用综合指数在研究期间不断提高,土地开发利用集约程度较好,生态服务价值综合指数呈平稳增长势态;(2)土地综合利用程度与生态系统服务价值耦合度比较稳定,协调度皆处于中度协调阶段,在时间演进特征总体表现出平稳发展态势,所有服务类型的耦合度在研究期间基本呈现上升趋势,但协调度所呈现的规律不明显,较为复杂;(3)各县域耦合特征的空间分布呈现复杂的动态耦合关系,耦合度总体呈上升趋势,但耦合协调度普遍较低。

土地利用变化对生态系统服务功能的影响——以密云水库流域为例

生态系统服务功能与人类福利息息相关,土地利用变化是生态系统服务功能退化的主要驱动力之一,以人地关系紧张,生态系统服务功能变化剧烈的密云水库流域为对象,分析流域1990—2009年土地利用的变化,采用空间显式的生态系统服务功能评估软件InVEST中的"产水量"、"土壤保持"、"水质净化"模型,研究流域土地利用变化对生态系统服务功能的影响。结果表明1990—2009年密云水库流域土地利用变化剧烈,农田、草地和水体的面积分别减少了30%、48%、61%,林地、建筑用地和裸地的面积增加,增幅分别为30%、230%、282%。随着土地利用变化,生态系统服务功能相应产生着显著变化,研究期内,土壤保持功能和固碳服务分别增加46%和19%,但水资源供给服务和水质净化功能分别减少了3%和25%。农田面积的减少和森林的扩张改善了土壤保持服务,森林面积的增加同时也改善了固碳服务,但会削弱水资源供给服务,建筑用地的扩张会大幅度削弱水质净化功能,为维持和改善流域整体的生态系统服务功能,应加强对森林和建筑用地的控制。其研究为密云水库流域土地利用科学管理决策提供参考。

基于三角模型的长沙市土地利用多功能性评价研究

开展土地利用多功能性评价对促进区域土地可持续利用具有重要意义,本研究在可持续发展理论的指导下,以土地利用功能类型划分为基础,构建了'社会—经济—环境'三大维度的土地利用多功能性评价指标体系,选取经济功能性指数(EFI)、非社会功能性指数(NSFI)和非环境功能性指数(NEFI)建立三角模型并对2007—2016年长沙市土地利用多功能状态及趋势进行综合评价研究并运用耦合协调度模型测度了土地利用功能之间的耦合协调性。结果表明:2007—2016年长沙市土地利用多功能由无序向有序转变;土地利用多功能状态由偏弱向很强趋势发展;土地利用功能日趋合理,向多元化发展;土地利用的社会功能、经济功能、环境功能三大子功能之间呈现出高耦合性,耦合协调性程度不断提高,功能之间的协同作用不断加强,土地利用系统朝着健康有序的方向发展。

基于InVEST模型的杨溪河流域土地利用变化对水源涵养功能的影响

水资源短缺问题已经严重制约人类的生产生活,研究不同土地利用条件下的产水量和水源涵养功能,可科学指导区域水资源的利用和管理。利用生态系统服务和权衡的综合评估模型(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs,InVEST)模型分析了杨溪河流域1995年、2005年和2015年不同土地利用情况下的水源涵养量和水源涵养服务价值。结果表明:杨溪河流域在1995年的水源涵养量大于2005年和2015年,2005年和2015年的水源涵养量较为接近;杨溪河流域1995年、2005年和2015年的产水量均显示出上游和下游有较高的产水量;杨溪河流域在1995年、2005年和2015年的水源涵养服务价值分别为23.56亿元/a、21.44亿元/a和21.55亿元/a。人类活动将影响杨溪河流域水源涵养功能,在水资源开发利用方面,要协调好经济、环境和资源等各方的关系,为杨溪河流域等中国南方地区中小流域的开发利用和保护提供参考依据。

基于系统协调度的长株潭城市群城市土地集约利用评价研究

利用1997-2008年长株潭城市群城市土地利用统计资料,从状态、时间两个层面开展了长株潭城市群城市土地集约总体评价,结果表明:近10a来该城市群城市土地集约利用程度稳步上升,其中1997-2003年处于初等集约利用水平,2004-2008年处于中等集约利用水平,2008年接近高等集约利用状态,综合指数和5个子系统都朝有序方向发展。对城市土地集约利用程度影响较大的为土地利用结构集约和土地利用强度集约两个子系统。2002年、2003年长株潭城市群城市土地复合环境系统协调度为负,系统出现无序化发展的征兆;1997-2008年Moran’sI值表明长株潭城市群城市土地利用集约度具有较明显的空间聚集特征,其中2008年的值最高,空间集聚特征最明显,而2002年的值最低。该结果对指导长株潭城市群实现城市土地资源的可持续发展、促进利用方式由低效益、粗放式向高效益、集约化转变具有一定的指导意义。

基于PLUS模型和InVEST模型的南京市生态系统碳储量时空变化与预测

土地利用变化对陆地生态系统碳储量变化有着重要影响,研究土地利用变化与碳储量的空间格局,有利于优化国土空间布局,协调生态保护与土地开发利用之间的关系。以南京市域为研究区,基于2000—2020年土地利用数据,采用InVEST模型对此20年间南京市土地利用变化及碳储量变化进行分析,同时采用PLUS模型预测不同发展情景下2040年南京市碳储量分布,结果表明:(1)土地利用变化直接影响研究区碳储量。2000—2020年,城市建设用地扩张65.62%,耕地、林地和草地随之减少,南京市碳储量减少2.62×10~6 t;(2)根据预测,到2040年,在耕地保护情景下,碳储量下降最少,仅下降2.44×10~5 t;在生态保护情景下,碳储量下降1.56×10~6 t;在城镇发展情景下,碳储量下降最多,下降1.78×10~6 t;在自然发展情景下,碳储量下降1.62×10~6 t。这表明采取耕地保护和生态保护政策,可以有效控制碳储量减少;(3)碳储量空间分布特征与土地利用分布保持一致,对于碳储量较高的区域,其建设用地少、生态用地集聚连片且分布较多。因此,在未来规划中,应保护耕地和生态用地,控制建设用地扩张,以提高区域碳储量水平,实现碳中和目标。