【文献分享LSP】| 土地特征与生态系统服务关系的尺度效应——以中国太湖流域为例

发布于 2022-05-18 10:27


简介

《土地特征与生态系统服务关系的尺度效应——以中国太湖流域为例》发表于国际期刊Science of the Total Environment2020年第716卷，通讯作者为长江水资源保护科学研究所江波博士
原文题目：Scale effects on the relationships between land characteristics and ecosystem services- a case study in Taihu Lake Basin, China.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137083

主要内容

研究背景：土地利用/覆被变化对景观异质性有重要影响，但是，由于缺乏关于景观特征(如景观组成、配置和异质性)的边际变化如何影响多个ESs的信息，因此难以有效地将ESs方法整合到景观管理中。生态生产函数(EPFs)可以通过计算景观特征对ESs的边际影响来解决这一局限性，这可以有效地量化不同景观管理策略下ESs之间的生物物理权衡。生态生产函数(EPFs)可以通过计算景观特征对ESs的边际影响来解决这一局限性，这可以有效地量化不同景观管理策略下ESs之间的生物物理权衡。作为回归模型，EPFs同时使用解释变量(如景观特征)和响应变量(如ESs指标)对边际变化进行统计分析，而EPFs预测能力不确定，重要的是提供景观特征指标和ESs指标的稳健测量。ESs研究中的另一个问题是，ESs分布的动态变化及其在不同空间尺度上的相互作用。然而，规模效应对ESs生产的影响仍不清楚，而规模效应对ESs之间相互作用的影响则根本没有得到解决。
主要内容：20世纪80年代中期以来，太湖流域（TLB）经历了显著的经济发展，导致土地利用和土地覆盖格局发生变化和流域ESs降解风险。近几十年来，TLB中的多重供应ESs呈现增加趋势，而主要调节ESs呈现下降趋势，为了促进TLB景观科学管理，迫切需要评估景观特征对ESs的边际影响。本研究的目的是利用EPF方法评价景观特征ESs的效果。由于数据可用性差，本文没有尝试为所有被评估的ESs创建EPFs。相反，本文通过将统计数据和InVEST模型与整个TLB的相关性分析相结合，检验了七种类型的ESs。重点分析了4个方面:(1)2005、2010和2015年TLB景观特征(如景观组成和形态)的时空变化;(2) 2005年、2010年和2015年TLB中7种特殊类型ESs的时空变化;(3) 2005、2010、2015年景观特征与ESs在县、像元尺度上的相关性;(4)维持生态环境系统对景观管理的影响，以促进TLB的可持续发展。

研究方法：
1.生态服务指标
选取原则：（1）选择《千年生态系统评估》和《共同国际生态系统服务分类》的分类框架。（2）选择能够反映利益相关者(如政府、企业和当地居民)的ESs指标。（3）选择与人类福祉有强联系的ESs指标。（4）数据可用性好。根据这些标准，选择了3种ESs类型和7个ESs指标:供应服务(食品生产和水产生产);文化服务(娱乐);以及调节服务(碳储存、水分产出、土壤保持和氮输出) 以2005年、2010年和2015年为时段，在两个空间尺度上进行了生态环境评价:(1)以县域尺度为行政边界;(2)像素尺度

2. 景观特征指标
在本研究中，LULC被划分为8种类型，作为计算景观特征指标的输入。使用3种标准来确定TLB的景观特征指标，并使用Fragstats软件(版本4.2)对2005年、2010年和2015年的生态特征指标进行了评估。
3.相关分析
通过Pearson相关分析，研究了2005、2010和2015年景观特征指标与ESs指标之间的相关性。Pearson相关分析的一个关键步骤是确定变量，对相关系数(r)的显著性和权衡进行统计分析。本研究提取了32个县域行政单位在县域尺度上的食品生产和水产生产的ESs，并将景观特征指标聚合到相应的尺度进行相关性分析。在像素尺度上随机提取2000个点的其他ESs指标和相应的景观特征指标进行相关性分析。

研究结果与讨论

研究结果：
1.生态系统服务。像元规模：利用InVEST模型对像元尺度上的调控服务指标进行了评价，发现在整个研究期间(2005-2015年)，整个TLB的3个指标(产水量、土壤保持力、碳储量)增加，1个指标(氮输出量)减少。2.县域规模在整个研究期间(2005-2015年)，整个TLB的水产生产和娱乐服务都在增加，而食物生产则在减少。在县域尺度上，2005-2010年和2010-2015年两个子时期，大部分行政单位的水产生产呈上升趋势，而大部分行政单位的粮食生产呈下降趋势。在两个分阶段，所有行政单位的康乐服务均呈现相同的增长趋势，而两个供应服务指标则不同。

2.景观构成：耕地、已开发土地、开阔水域和森林是整个研究期间TLB的4种主要土地利用类型。使用Fragstats软件(版本4.2)在像素尺度上评估景观配置，发现在整个研究期间(2005-2015年)，整个TLB的PD值下降了，空间上，AI的高值区主要位于TLB北部和开阔水域，而LSI、PD和SHDI的高值区主要位于南部。

3.景观特征指标与ESs指标的关系。利用Pearson相关分析对景观特征指标与ESs指标之间的关系进行了评价，发现景观配置指标与水分产出服务和氮出口服务之间的相关性随时间(2005、2010和2015年)保持一致。而景观配置指标与碳储存服务和土壤保持服务之间的相关性在像素尺度上随着时间的推移而变化。在像素尺度上，所有景观配置指标与水分产出服务之间的相关性都非常显著。在县域尺度上，景观特征指标与调节ESs指标的相关性发生了变化。县级尺度不同类型ESs指标的相关性随时间变化(2005年、2010年和2015年)。

4. ESs指标之间的权衡。在像素尺度上，ESs指标之间的权衡表明，一个像素内某个ES的增加或减少可能会导致另一个像素内ES的减少或增加。这并不意味着TLB中一个ES的总体增加或减少一定会引起另一个ES的增加，本文的结果表明，从2005年到2015年，三个调节ESs的指标都增加了，一些ESs之间存在显著的负相关。在县域尺度上，2005 - 2015年，土壤碳服务能力、水分服务能力和土壤保持服务能力均有所增加。此外，本文只发现粮食生产供应服务指标与氮素输出和土壤保持调节服务指标之间存在显著相关。粮食生产服务与氮素出口显著正相关，说明粮食产量增加时，氮素出口也会增加。粮食产量与土壤保持呈显著负相关关系，说明粮食产量增加，土壤保持会降低。然而，2005 - 2015年粮食产量增加时，氮素出口减少，土壤保持服务增加，这与本文的研究结果不一致。
局限性及展望：本研究提供了土地特征指标与各类ESs指标相关性的尺度效应证据，也可为国内外类似研究提供系统框架。然而，由于数据可用性较差，本研究在揭示景观特征指标对TLB全范围ESs的影响方面存在一定的局限性。本研究在分析植被特征、土壤质地等因素之间复杂的相互关系及其对ESs的影响方面也存在局限性，尽管人为因素引起的景观特征变化是一个更容易控制和调控的因素。最优土地管理、自然和人为因素对景观特征的影响也是未来研究的重点。本文建议创建关于景观特征指标和最终ESs的综合数据集，以便为土地管理目的创建连接景观特征指标和最终ESs的EPFs。

声明


分享人：苏德胜

排版：赵伟英

审核：曲衍波

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