孫澤祥, 劉志鋒, 何春陽, 鄔建國, 4

1 北京師范大學人與環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)性研究中心, 北京　100875 2 北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室, 北京　100875 3 北京師范大學資源學院, 北京　100875 4 美國亞利桑那州立大學生命科學院和全球可持續(xù)性研究所,坦佩 亞利桑那州　85287

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中國快速城市化干燥地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系多尺度分析
——以呼包鄂榆地區(qū)為例

孫澤祥1, 3, 劉志鋒1,2, *, 何春陽1, 2, 鄔建國1, 2, 4

1 北京師范大學人與環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)性研究中心, 北京100875 2 北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室, 北京100875 3 北京師范大學資源學院, 北京100875 4 美國亞利桑那州立大學生命科學院和全球可持續(xù)性研究所,坦佩 亞利桑那州85287

理解生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系對提高干燥地區(qū)人類福祉和實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)性具有重要的意義。但是,目前人們?nèi)匀蝗狈焖俪鞘谢稍锏貐^(qū)中生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系的多尺度理解。以呼包鄂榆地區(qū)這一正在經(jīng)歷快速城市化的干燥地區(qū)為例,在城市群、區(qū)域和城市3個尺度上來探索生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系。對呼包鄂榆地區(qū)2010年的糧食生產(chǎn)、肉類生產(chǎn)、產(chǎn)水量、土壤保持和碳固持5種關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務進行測量。利用相關分析法在3個尺度上對5種服務間的權衡關系進行分析。2010年呼包鄂榆地區(qū)產(chǎn)水量和土壤保持以及產(chǎn)水量和碳固持服務表現(xiàn)出顯著的權衡關系。其中,產(chǎn)水量和碳固持服務在城市群、農(nóng)業(yè)區(qū)和鄂爾多斯市呈現(xiàn)明顯的權衡關系,產(chǎn)水量和土壤保持服務在城市群和農(nóng)業(yè)區(qū)呈現(xiàn)明顯的權衡關系。快速城市化干燥地區(qū)中的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系具有明顯的尺度效應,同一對生態(tài)系統(tǒng)服務在不同尺度上的權衡關系存在較大差異。這種差異主要是由區(qū)域人類活動和自然條件的空間異質(zhì)性所致。研究結(jié)果有助于對呼包鄂榆地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系的認識,為該地區(qū)土地系統(tǒng)設計和可持續(xù)發(fā)展提供了必要的科學依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務權衡；干燥地區(qū)；呼包鄂榆；城市化；多尺度分析

生態(tài)系統(tǒng)服務是人類從生態(tài)系統(tǒng)中所獲得的福利[1],是提高人類福祉和實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)性的基礎[2- 4]。生態(tài)系統(tǒng)服務權衡是指一種生態(tài)系統(tǒng)服務的提高以另一種或多種生態(tài)系統(tǒng)服務的降低為代價的現(xiàn)象[5- 7],是生態(tài)系統(tǒng)服務研究的核心論題之一[8]。近年來,農(nóng)業(yè)開墾、森林砍伐和城市化等人類活動一方面增加了食物供給、木材供給和休憩等服務,另一方面也造成了碳固持、土壤保持和水源涵養(yǎng)等服務的下降,致使生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡關系日益突出[9-10]。因此,理解生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系對提高人類福祉和實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)性具有重要的意義[8]。

目前,已經(jīng)有多位學者分別在全球、大洲、國家、區(qū)域和流域等尺度上對生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系進行了研究[11- 15]。但從某一尺度上獲得的權衡關系往往與另一尺度上得到的權衡關系不一致。比如,Gordon和Enfors[16]在集水區(qū)尺度上的研究表明,糧食生產(chǎn)和土壤保持表現(xiàn)為協(xié)同關系,但Maes等[17]在整個歐洲大陸的研究表明,該對服務呈現(xiàn)權衡關系。究其原因,主要是生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求間的尺度不匹配以及自然條件與生態(tài)過程在不同尺度間的差異造成的[5,18]。這導致對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系的認識存在一定局限性,無法準確引導管理者采取合適的措施來改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務,以提高人類福祉和區(qū)域可持續(xù)性。因此,從多個尺度上定量表達和理解生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡關系是當前生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀/區(qū)域可持續(xù)性研究急需解決的問題[19-20]。

干燥地區(qū)是指以水資源短缺為主要特征,生產(chǎn)力和養(yǎng)分循環(huán)均受到供水量限制的地區(qū),即年平均降水量與年平均潛在蒸散量之比小于0.65的地區(qū)[21]。全球干燥地區(qū)主要分布在亞洲中部和西部、歐洲東部、非洲北部、北美洲西部以及大洋洲,總面積6094.77萬km2,占全球陸地總面積的41.30%[21]。該地區(qū)具有生態(tài)環(huán)境脆弱、貧困人口集中、城市化迅速以及對氣候變化敏感等特點,是全球可持續(xù)發(fā)展中的關鍵區(qū)域之一[21]。中國干燥地區(qū)主要分布在中國西北、華北和東北地區(qū),位于32°52′N—53°19′N,73°29′E—129°25′E之間,面積394.97萬km2,占陸地國土總面積的41.14%。中國干旱區(qū)一般指年降水量小于200mm,干燥度大于3.5的地區(qū),面積約280萬km2,占國土總面積的29.17%[22]。中國干燥地區(qū)比中國干旱區(qū)的范圍更廣,是中國當前國土空間開發(fā)和生態(tài)文明建設的重點關注區(qū)域[23- 24]。近年來,隨著我國干燥地區(qū)城市化進程不斷加快,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務需求持續(xù)增加[25]。但受到自然條件的限制,干燥地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務供給能力嚴重不足,致使生態(tài)系統(tǒng)服務供需矛盾日益突出,造成了人口貧困和環(huán)境退化等一系列社會經(jīng)濟問題和生態(tài)環(huán)境問題,給區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展帶來了壓力[26]。因此,準確掌握快速城市化干燥地區(qū)不同尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系,對該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[27-28]。

本研究的目的在于揭示快速城市化干燥地區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡關系及其尺度效應。為此,以正在經(jīng)歷快速城市化的位于中國北方干燥地區(qū)的呼包鄂榆地區(qū)為例,在計算2010年糧食生產(chǎn)、肉類生產(chǎn)、產(chǎn)水量、土壤保持和碳固持等五項關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎上,在城市群、區(qū)域和城市3個尺度上量化和比較了生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡關系。

1　研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)

圖1　呼包鄂榆地區(qū)自然和社會經(jīng)濟概況Fig.1　The natural and socio-economic characteristics of HBOY

呼包鄂榆地區(qū)位于中國北方干燥地區(qū)中部,在北緯36°48′50″—42°44′5″、東經(jīng)106°28′16″—122°18′7″之間,包括呼和浩特、包頭、鄂爾多斯和榆林4個城市,總面積17.46萬km2(圖1)。該地區(qū)地勢從西北向東南微傾,平均海拔約1300 m,地貌類型主要包括山地、平原、沙漠和丘陵等。呼包鄂榆地區(qū)氣候類型為溫帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫約為8 ℃,多年平均降水量約為320 mm。近50年的氣象觀測數(shù)據(jù)顯示,該地區(qū)呈現(xiàn)出明顯的暖干化趨勢,降水量總體呈現(xiàn)下降趨勢,溫度總體呈上升趨勢(圖1)。

自20世紀80年代以來,呼包鄂榆地區(qū)經(jīng)歷了快速的城市化。1990—2010年,該地區(qū)非農(nóng)業(yè)人口從239.87萬人增加到了462.13萬人,增長了92.66%,非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋壤龔?6.79%增加到了43.33%,增加了16.54個百分點(圖1)。同時,城市建成區(qū)面積從1990年的237 km2增加到了2010年的514 km2,增長了1.17倍[29-30]。區(qū)域GDP從1990年的102.06億元增加到2010年的2156.58億元(按照1990年不變價格計算),增長了20倍。其中第二產(chǎn)業(yè)占GDP的比重從1990年的45.90%增加到了2010年的54.63%,增加了8.73個百分點；第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重從1990年的32.86%增加到了2010年的41.69%,增長了8.83個百分點[31-34]。

1.2數(shù)據(jù)

使用的數(shù)據(jù)包括呼包鄂榆地區(qū)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)、氣象站點數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和基礎地理信息數(shù)據(jù)7類。

2010年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來源于GlobeLand30數(shù)據(jù)集(http://www.globallandcover.com/)。該數(shù)據(jù)是以Landsat遙感影像和中國環(huán)境減災衛(wèi)星(HJ- 1)的多光譜影像為主要數(shù)據(jù)源,在參考大量輔助數(shù)據(jù)的基礎上通過遙感分類獲得,空間分辨率為30 m,總體精度為80.33%,Kappa系數(shù)為0.75[35]。數(shù)據(jù)包含耕地、森林、草地、灌叢地、水體、濕地、人造覆蓋和裸地等8種類型。為了便于計算生態(tài)系統(tǒng)服務,參考Liu等[36]的研究,將上述8種土地利用/覆蓋類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類(圖1)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://data.cma.gov.cn/),包括研究區(qū)及其周邊200 km范圍內(nèi)55個氣象站點在2010年的氣溫和降水等信息。參考Hutchinson[37]的研究,對數(shù)據(jù)進行薄板平滑樣條(Thin Plate Spline)插值,以用于獲取區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的空間信息。土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(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/).該數(shù)據(jù)包含土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤有機碳含量和根系深度等資料,比例尺為1∶100萬。NDVI數(shù)據(jù)來源于2010年SPOT-VEGETATION 10d合成產(chǎn)品(http://www.vito-eodata.be/),數(shù)據(jù)分辨率為1 km。參考Holben[38]的研究,逐月對該數(shù)據(jù)進行最大值合成處理以去除云的影響,最終得到每月的NDVI數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來源于美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)發(fā)布的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM數(shù)據(jù)(http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/ inputCoord.asp),空間分辨率為90 m。社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒2011》、《榆林統(tǒng)計年鑒2010》和《中國2010年人口普查分縣資料》,包括研究區(qū)內(nèi)各縣級行政單元在2010年末的糧食產(chǎn)量、牛肉產(chǎn)量、羊肉產(chǎn)量和城鎮(zhèn)人口數(shù)?；A地理信息數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/),包括研究區(qū)的行政邊界、行政中心、道路和河流等。

獲取以上數(shù)據(jù)后,為了便于進行計算和疊加分析,我們通過柵格化和重采樣處理,將所有數(shù)據(jù)的投影統(tǒng)一為Albers投影,空間分辨率統(tǒng)一為90 m。

2　方法

在計算呼包鄂榆地區(qū)2010年關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎上,在城市群、區(qū)域和城市3個尺度上對生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系進行分析(圖2)。

圖2　技術路線Fig.2　Flow chart

2.1計算不同尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務

基于千年生態(tài)系統(tǒng)評估(Millennium Ecosystem Assessment, MA)提出的包括支持、供給、調(diào)節(jié)和文化4類生態(tài)系統(tǒng)服務在內(nèi)的概念框架,參考H?nigová等[39]對草地生態(tài)系統(tǒng)服務的研究,同時結(jié)合呼包鄂榆地區(qū)的自然和社會經(jīng)濟狀況,選擇了與該地區(qū)人類福祉密切相關的5種生態(tài)系統(tǒng)服務進行計算。具體包括糧食生產(chǎn)、肉類生產(chǎn)和產(chǎn)水量3項供給服務以及土壤保持和碳固持2項調(diào)節(jié)服務。

2.1.1糧食生產(chǎn)與肉類生產(chǎn)

參考Yang等[40]的研究,采用各縣地均糧食產(chǎn)量表示糧食生產(chǎn)服務。參考Pan等[41]的研究,采用地均羊肉和牛肉的總產(chǎn)量表示肉類生產(chǎn)服務。具體是將基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得的各縣糧食產(chǎn)量和肉類產(chǎn)量分別除以各縣級行政單元面積得到各縣2010年糧食生產(chǎn)和肉類生產(chǎn)服務(圖3)。兩種服務的單位均為t/km2。

2.1.2產(chǎn)水量

參考Tallis等[42]的研究,采用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型中的產(chǎn)水量模塊計算產(chǎn)水量服務。具體公式如下：

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

式中,Y(x)表示像元x中的年均產(chǎn)水量；P(x)為像元x上的年均降水量；AET(x)為像元x上的年實際蒸散量。

2.1.3土壤保持

參考Fu等[43]的研究,利用潛在土壤保持量來表征生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持服務。潛在土壤保持量是指在沒有植被覆蓋和土壤侵蝕控制措施情況下的土壤流失量與當前植被覆蓋和土壤侵蝕控制措施情況下的土壤流失量的差值,它可以用以下公式來表示。

ΔA=A0-Av=R×K×LS×(1-Cv×Pv)

式中,ΔA為潛在土壤保持量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),采用Wischmeier和Smith提出的基于降雨月值數(shù)據(jù)的方法進行計算[44]；K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1),采用侵蝕-生產(chǎn)力模型(Erosion Productivity Impact Calculator, EPIC)中提出的方法進行計算[45-46]。LS為坡長坡度因子,采用McCool等[47-48]提出的算法進行計算[49]。Cv為當前的植被覆蓋因子,采用蔡崇法等[50]提出的算法計算。Pv為當前的土壤保持措施因子,采用基于坡度的Wener方法進行計算[43,51]。

2.1.4碳固持

參考Tallis等[42]的研究,采用碳儲量來表征生態(tài)系統(tǒng)碳固持能力。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要包含地上碳儲量、地下碳儲量、土壤碳儲量以及死亡有機碳4個部分[42]。具體使用InVEST模型中的碳儲量與碳固持模塊來計算呼包鄂榆地區(qū)2010年的碳儲量。模塊中使用的碳密度數(shù)據(jù)來自于黃玫等[52]和方精云等[53-54]的研究成果。

為了統(tǒng)一分析單元,在基于上述方法計算出各像元2010年的產(chǎn)水量、土壤保持量和碳固持量之后,采用分區(qū)統(tǒng)計獲取了各縣級行政單元2010年的地均產(chǎn)水量、地均土壤保持量和地均碳固持量(圖3)。

圖3　2010年呼包鄂榆地區(qū)5種生態(tài)系統(tǒng)服務的空間格局Fig.3　The spatial patterns of five ecosystem services in HBOY in 2010

2.2分析不同尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系

為了全面認識呼包鄂榆地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系,參考Raudsepp-Hearne等[6]和Turner等[13]的研究,采用相關分析法對城市群、區(qū)域和城市三個尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系進行了量化。其中,城市群尺度的分析范圍涵蓋整個呼包鄂榆地區(qū),區(qū)域尺度的分析范圍則分為農(nóng)業(yè)區(qū)(種植業(yè)為主的榆林市)和牧區(qū)(以畜牧業(yè)為主的呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市),城市尺度的分析范圍則包含呼和浩特、包頭和鄂爾多斯3個地級行政區(qū)(圖1)。當某對生態(tài)系統(tǒng)服務間的相關系數(shù)為負值且通過了0.05水平的顯著性檢驗時,則認為該對生態(tài)系統(tǒng)服務間具有顯著的權衡關系[15]。

3　結(jié)果

3.1城市群尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系

在城市群尺度,產(chǎn)水量和碳固持以及產(chǎn)水量和土壤保持呈現(xiàn)顯著的權衡關系(圖4)。相關分析表明,2010年呼包鄂榆地區(qū)產(chǎn)水量和碳固持以及產(chǎn)水量和土壤保持的相關系數(shù)均為-0.50,且通過了0.01水平的顯著性檢驗。

肉類生產(chǎn)和土壤保持等8對服務間未呈現(xiàn)出明顯的權衡關系(圖4)。其中,肉類生產(chǎn)和土壤保持間的相關系數(shù)雖然為負值,但未通過0.05的顯著性檢驗。剩余7對生態(tài)系統(tǒng)服務的相關系數(shù)在0.02—0.85之間,均為正值。

圖4　城市群、區(qū)域和城市尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務間的相關系數(shù)Fig.4　Pearson′s correlation coefficients between ecosystem services on the urban agglomeration scale, regional scale, and city scale紅色柱子表示生態(tài)系統(tǒng)服務間具有顯著的權衡關系,藍色表示不具有顯著的權衡關系； * P<0.05, ** P<0.01, *** P<0.001

3.2區(qū)域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系

在農(nóng)業(yè)區(qū),產(chǎn)水量和碳固持以及產(chǎn)水量和土壤保持呈現(xiàn)明顯的權衡關系(圖4)。2010年,產(chǎn)水量和碳固持以及產(chǎn)水量和土壤保持的相關系數(shù)分別為-0.89和-0.65,均通過了0.05水平的顯著性檢驗。肉類生產(chǎn)與土壤保持等8對生態(tài)系統(tǒng)服務均未表現(xiàn)出明顯的權衡關系(圖4)。其中,肉類生產(chǎn)與土壤保持、糧食生產(chǎn)與產(chǎn)水量以及肉類生產(chǎn)與碳固持3對服務的相關系數(shù)雖然為負值,但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。同時,糧食生產(chǎn)與土壤保持等5對服務間的相關系數(shù)在0.19—0.84之間,均為正值。

在牧區(qū),所有10對生態(tài)系統(tǒng)服務均未表現(xiàn)出顯著的權衡關系(圖4)。其中,產(chǎn)水量和碳固持等4對服務的相關系數(shù)雖然為負值,但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。其余6對服務的相關系數(shù)在0.25—0.88之間,均為正值。

3.3城市尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系

在鄂爾多斯市,產(chǎn)水量和碳固持服務具有明顯的權衡關系(圖4)。2010年,該尺度上產(chǎn)水量和碳固持的相關系數(shù)為-0.84,并通過了0.01水平的顯著性檢驗。產(chǎn)水量和土壤保持等9對服務未表現(xiàn)出顯著的權衡關系(圖4)。其中,產(chǎn)水量與土壤保持、肉類生產(chǎn)與碳固持以及肉類生產(chǎn)與產(chǎn)水量等4對服務的相關系數(shù)雖然為負值,但是均未通過0.05水平的顯著性檢驗。糧食生產(chǎn)與肉類生產(chǎn)等5對服務的相關系數(shù)在0—0.86之間,均為非負值。

在呼和浩特市與包頭市,所有10對可能的生態(tài)系統(tǒng)服務均未表現(xiàn)出明顯的權衡關系(圖4)。其中,在呼和浩特市,雖然糧食生產(chǎn)與土壤保持、肉類生產(chǎn)與土壤保持以及產(chǎn)水量與碳固持的相關系數(shù)為負值,但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。糧食生產(chǎn)與肉類生產(chǎn)等7對服務間的相關系數(shù)在0—0.72之間,均為非負值。在包頭市,雖然產(chǎn)水量與碳固持的相關系數(shù)為負值,但是未通過0.05水平的顯著性檢驗。其余9對生態(tài)系統(tǒng)服務的相關系數(shù)在0.15—0.95之間,均為正值。

4　討論

4.1呼包鄂榆地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系

圖5　不同尺度上產(chǎn)水量和碳固持服務間的權衡關系Fig.5　Ecosystem service trade-offs between water yield and carbon sequestration on different scales下標U表示城市群尺度,下標A表示區(qū)域尺度中的農(nóng)業(yè)區(qū),下標P表示區(qū)域尺度中的牧區(qū),下標H、B和O分別表示城市尺度上的呼和浩特、包頭和鄂爾多斯

2010年,呼包鄂榆地區(qū)產(chǎn)水量和碳固持以及產(chǎn)水量和土壤保持服務呈現(xiàn)顯著的權衡關系。這種權衡關系是由生態(tài)系統(tǒng)服務間的相互作用以及它們之間的共同驅(qū)動力(比如降水或由人類活動引起的土地利用/覆蓋變化等)引起的[9]。以產(chǎn)水量和碳固持為例,植樹造林一方面可以增加植被覆蓋度,進而提高生態(tài)系統(tǒng)的碳固持服務,另一方面也會導致地表蒸散作用增強,從而降低產(chǎn)水量。與此相反,建設用地擴張一方面會導致植被覆蓋度下降,從而降低碳固持服務,另一方面也會降低地表的蒸散作用,導致產(chǎn)水量增加。該結(jié)果與已有研究基本一致。比如Jia等[12]的研究表明,在陜西省北部實施的退耕還林還草政策明顯提高了該區(qū)域碳固持服務和土壤保持服務,但降低了產(chǎn)水量。

4.2生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系的尺度效應分析

呼包鄂榆地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系具有明顯的尺度效應(圖5)。相同生態(tài)系統(tǒng)服務在不同尺度上的權衡關系存在明顯差異。比如,在城市群尺度上,產(chǎn)水量和碳固持表現(xiàn)出明顯的權衡關系。但在區(qū)域尺度上,該對服務僅在農(nóng)業(yè)區(qū)表現(xiàn)出顯著的權衡關系,且其權衡關系的強度明顯高于城市群尺度。在城市尺度上,該對服務僅在鄂爾多斯市呈現(xiàn)顯著的權衡關系,其權衡關系的強度稍低于農(nóng)業(yè)區(qū),但明顯高于城市群尺度。

人類活動和自然條件在空間上的分布差異是導致快速城市化干燥地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系出現(xiàn)尺度效應的主要原因。在人類活動方面,城市化率對快速城市化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系有明顯影響。2010年,呼包鄂榆地區(qū)的城市化率具有明顯的空間異質(zhì)性(圖6)。在城市群尺度上,各縣平均城市化率為49.22%,其標準偏差為18.78%,約為均值的1/3。在區(qū)域尺度以及城市尺度上的呼和浩特市和包頭市,各縣平均城市化率的標準偏差也都在均值的1/3以上,僅有鄂爾多斯市平均城市化率的標準偏差約為均值的1/5。在自然條件方面,降水量是影響干燥地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系的主要因素。2010年,呼包鄂榆地區(qū)降水量存在明顯的空間分布差異(圖6)。在城市群尺度上,各縣平均降水量為360.56mm,其標準偏差為53.40mm,是均值的14.81%。在區(qū)域和城市尺度,牧區(qū)、鄂爾多斯市和包頭市降水量的標準偏差也均超過平均降水量的10%,僅有農(nóng)業(yè)區(qū)的降水量標準偏差不及平均降水量的5%,為3.83%。

圖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　結(jié)論

本研究以呼包鄂榆地區(qū)為例,采用相關分析法在城市群、區(qū)域和城市3個尺度上對快速城市化干燥地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系進行了量化。結(jié)果表明,2010年,呼包鄂榆地區(qū)產(chǎn)水量和碳固持以及產(chǎn)水量和土壤保持呈現(xiàn)顯著的權衡關系。其中,產(chǎn)水量和碳固持服務在城市群、農(nóng)業(yè)區(qū)和鄂爾多斯市表現(xiàn)出明顯的權衡關系,產(chǎn)水量和土壤保持服務在城市群和農(nóng)業(yè)區(qū)表現(xiàn)出明顯的權衡關系。同時,快速城市化干燥地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系具有明顯的尺度效應。不同尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系存在明顯差異。降水等自然條件以及土地利用/覆蓋變化等人類活動因素的空間異質(zhì)性是導致權衡關系產(chǎn)生尺度效應的主要原因。因此,要全面了解快速城市化干燥地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系,應同時在多個尺度上進行研究。這些有關生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系及其尺度效應的研究結(jié)果為呼包鄂榆地區(qū)土地系統(tǒng)設計和可持續(xù)發(fā)展提供了必要的科學依據(jù)。

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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

國家重大科學研究計劃項目(2014CB954302, 2014CB954303)；國家自然科學基金委青年科學基金項目(41501195)

2015- 07- 05; 網(wǎng)絡出版日期:2016- 03- 21

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

10.5846/stxb201507051423

孫澤祥, 劉志鋒, 何春陽,鄔建國.中國快速城市化干燥地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系多尺度分析——以呼包鄂榆地區(qū)為例.生態(tài)學報,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.