人類-自然耦合系統(tǒng)中生態(tài)系統(tǒng)服務間關系研究.pdf

1、生態(tài)系統(tǒng)服務是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益。人類福祉的提高依賴于多種生態(tài)系統(tǒng)服務的可持續(xù)供給。人類活動通過改變土地覆蓋土地利用類型，建造人工設施，強化養(yǎng)分輸入，引入或消除物種等手段，在直接改變生態(tài)系統(tǒng)服務供給量級的同時，也改變著生態(tài)系統(tǒng)各服務項之間的關系。生態(tài)服務項之間的關系主要體現(xiàn)在服務項權衡或協(xié)同的變化。生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡是指一項服務的提高以其他服務的降低為代價，例如提高供給服務如食物和木材通常導致其他調節(jié)服務的降低。協(xié)同是指多

2、項服務供給的同時提高，例如生物多樣性的提高也提高了咖啡的產(chǎn)量和品質。理解生態(tài)系統(tǒng)服務服務之間關系，是對生態(tài)系統(tǒng)進行科學管理從而獲得大量且可持續(xù)的生態(tài)服務的前提。
　　隨著全球城市化進程，人類福祉的提高越來越依賴于由人工設施所構成的人類主導的生態(tài)系統(tǒng)或人工生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務。盡管大量用人工設計系統(tǒng)去替代自然生態(tài)系統(tǒng)是不可接受的，但是在日益擁擠和城市化的世界中，人工生態(tài)系統(tǒng)必將成為未來可持續(xù)世界的一部分。人工系統(tǒng)中的服務項與自然生態(tài)

3、系統(tǒng)有所不同，往往是目的服務較強，從而強化與其他服務項的權衡。例如農(nóng)田的擴張，往往導致森林和草地面積的減少，從而降低生態(tài)系統(tǒng)的調節(jié)服務。有些學者把人工生態(tài)系統(tǒng)間接利用自然資本形成的服務稱為非生態(tài)系統(tǒng)服務，由于界限并不清楚，大部分學者沒有明確區(qū)分，本文仍統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務。
　　生態(tài)系統(tǒng)服務的形成與供給可以發(fā)生在多個的尺度上，對于生態(tài)系統(tǒng)服務評估而言，幾乎不存在某一理想尺度能夠滿足評估目的全部要求，并且，尺度間的推移(scaling

4、)往往是非線性的。因此，從多尺度探討生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系，對于闡明生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系及其影響因素具有重要的理論和實踐意義。本文以城市化程度高（建成區(qū)占國土面積比例）的長三角地區(qū)和城市化程度低的內蒙古自治區(qū)為研究案例，研究不同城市化水平和空間尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系。這兩個區(qū)域不同的城市化強度為研究社會經(jīng)濟和自然因素對生態(tài)服務空間分布的影響提供了良好的研究對象。
　　本研究依據(jù)兩個研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的特點分別選擇了在當?shù)剌^為

5、重要的生態(tài)系統(tǒng)服務項，涵蓋了供給、調節(jié)和文化服務三類，并在這兩個研究區(qū)域分別設置了地級市（包含全部轄區(qū)）和縣兩個尺度，同一區(qū)域兩個尺度上的服務項相同。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布識別出了服務集(bundles)，探索了生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布規(guī)律和服務之間的關系，分析了城市化程度對服務間關系的影響以及不同空間尺度上生態(tài)服務關系的異同，探討了自然條件與社會經(jīng)濟因素對生態(tài)系統(tǒng)服務關系變化的驅動。主要研究結果如下:
　　(1)高度城市化的長

6、三角地區(qū)12項生態(tài)系統(tǒng)服務中，在地級市尺度上有7項表現(xiàn)為空間集聚分布（糧食、茶葉、淡水供給、碳固存、土壤保持、涵養(yǎng)水源和森林游憩）、5項表現(xiàn)為空間隨機分布（畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品、旅游人次和高等教育服務）;而在縣級尺度上只有1項表現(xiàn)為隨機分布（高等教育服務），其他服務項全部為集聚分布。在城市化程度低的內蒙古的8項生態(tài)服務中，在地級市尺度上有3項生態(tài)服務為空間集聚分布（羊肉、牧草產(chǎn)量和調節(jié)服務），其余5項為隨機分布（糧食、豬肉、牛肉、淡

7、水供給和旅游服務）;在縣級尺度上也只有1項為隨機分布（旅游服務），其他服務項為集聚分布。通過與他人的研究進行對比分析，本文發(fā)現(xiàn)隨研究尺度的縮小生態(tài)系統(tǒng)服務集聚性增加。所有依賴土地面積的生態(tài)服務（大部分的供給服務和全部的調節(jié)服務）幾乎全部表現(xiàn)出空間集聚的分布模式，而非土地依賴的服務（工業(yè)產(chǎn)品和文化服務等）則傾向于表現(xiàn)隨機分布模式。這表明人工系統(tǒng)對技術進步的依賴，使得供給服務對自然稟賦的依賴逐漸降低，而由于調節(jié)服務主要依賴于自然植被，仍表現(xiàn)

8、出對自然資源的依賴。
　　(2)對研究區(qū)域所選擇的服務項兩兩成對進行相關分析，結果顯示長三角地區(qū)所有66對生態(tài)系統(tǒng)服務在地級市尺度上有31對表現(xiàn)出顯著相關，其中12對為權衡（主要發(fā)生在供給服務與其他服務之間）、19對為協(xié)同（主要發(fā)生在調節(jié)服務之間）;在縣級尺度上有47對表現(xiàn)出顯著相關，其中25對為權衡（主要發(fā)生在調節(jié)服務與糧食、畜產(chǎn)品及工業(yè)產(chǎn)品之間）、22對為協(xié)同（主要發(fā)生在調節(jié)服務與淡水供給之間）。內蒙古地區(qū)所有28對生態(tài)系統(tǒng)服

9、務在地級市尺度上有4對表現(xiàn)出顯著相關，全部為協(xié)同（糧食與豬肉、牛肉;調節(jié)服務與淡水供給、牧草之間）;在縣級尺度上有13對表現(xiàn)出顯著相關，其中4對為權衡（主要發(fā)生在牧草產(chǎn)量與其他供給服務之間）、9對為協(xié)同（主要發(fā)生在供給糧食與畜產(chǎn)品之間）。綜合本文結果與他人的研究，本文發(fā)現(xiàn)隨著研究尺度的增大（從鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣、到城鄉(xiāng)復合系統(tǒng)），生態(tài)服務間權衡變少而協(xié)同變多。這是由于更大單元土地面積有可能夠承載更多種類的生態(tài)服務，而其中對土地依賴較小的服務能夠與

10、其他服務在空間上重疊，從而發(fā)生生態(tài)位互補，即生態(tài)系統(tǒng)中多種服務主體（服務提供者，如農(nóng)田）可以更充分利用資源從而產(chǎn)生比單項服務更高的生產(chǎn)力。
　　(3)同一研究區(qū)域中，兩個尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系可能表現(xiàn)的完全不同。內蒙古縣級尺度上的牧草產(chǎn)量與糧食產(chǎn)量表現(xiàn)出權衡關系，而在地級市尺度上這兩項服務并沒有顯著關系。此外，在縣級尺度上內蒙古的調節(jié)服務與牧草產(chǎn)量沒有顯著關系，而在地級市尺度上這兩項服務表現(xiàn)出顯著的協(xié)同。這種地級市尺度上生態(tài)

11、服務間權衡更少而協(xié)同更多的趨勢印證了在土地釋放(land sparing)的策略比土地共享(land sharing)更適合。盡管從較小尺度上來看，土地釋放會導致生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡，然而通過高強度管理提高單位面積上產(chǎn)品供給能力，以較少量集約化強度高的土地，釋放出一些生產(chǎn)用地用于提供調節(jié)服務和文化服務，從更大的尺度上來看實際上是促進了生態(tài)系統(tǒng)服務間的協(xié)同。在內蒙古發(fā)展集約化養(yǎng)殖業(yè)就是land sparing，在提高單位土地面積上的經(jīng)濟收

12、入同時減輕對天然草場的壓力。相比養(yǎng)豬而言，草食家畜養(yǎng)殖與糧食生產(chǎn)存在互補效應，因為草食家畜可以利用糧食生產(chǎn)過程產(chǎn)生的秸稈等。
　　(4)城市化程度高的地區(qū)中生態(tài)系統(tǒng)服務間關系表現(xiàn)出更多的權衡，而在城市化程度較低的地區(qū)服務之間關系表現(xiàn)出更多的協(xié)同，這是由于經(jīng)濟的發(fā)展導致自然的改造和干擾較為強烈，人工生態(tài)系統(tǒng)服務的提高強化了服務間的權衡。而在城市化強度較低的地區(qū)，對自然的生態(tài)系統(tǒng)的改造所產(chǎn)生的影響還處于較低水平。
　　(5)在不

13、同城市化強度的地區(qū)，有些生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系表現(xiàn)的完全相反，例如調節(jié)服務與糧食生產(chǎn)之間在長三角地區(qū)檢測出了的權衡關系，而在內蒙古地區(qū)則是協(xié)同關系;有些生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系表現(xiàn)一致，例如，本文在兩個區(qū)域與兩個尺度中均發(fā)現(xiàn)糧食產(chǎn)量與畜產(chǎn)品之間、調節(jié)服務與淡水供給之間存在協(xié)同關系，這些協(xié)同關系在其他地區(qū)的研究也被證實。這表明了服務間關系的復雜性。生態(tài)服務間直接的相互作用、空間不兼容或社會反饋等多種機制都有可能導致服務間的權衡或協(xié)同。只有開

14、展不同景觀和不同尺度下的實證研究并且識別生態(tài)系統(tǒng)服務相互作用的路徑，才有可能在管理上進行可行的干預。
　　(6)為了進一步探討自然條件和管理模式對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，本研究在內蒙古縣級尺度上按照牧區(qū)、半牧區(qū)和非牧區(qū)將所有的旗縣劃分為三個空間子集，分別研究其中的生態(tài)系統(tǒng)服務關系并進行比較。研究發(fā)現(xiàn)這三個分區(qū)中對土地依賴的服務（牧草產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量）之間始終為權衡;從牧區(qū)到半牧區(qū)再到非牧區(qū)，羊肉供給服務與牧草產(chǎn)量之間的關系由協(xié)同轉變?yōu)闄?/p>

15、衡，而羊肉供給與糧食產(chǎn)量的關系則從不相關轉變?yōu)閰f(xié)同;降水的增加會強化農(nóng)田與草地之間的競爭，這由于水是內蒙古地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的限制因子。這些發(fā)現(xiàn)表明，生態(tài)系統(tǒng)服務之間的協(xié)同或權衡關系并不是固定的，在不同的自然條件和管理模式下生態(tài)系統(tǒng)服務之間可能出現(xiàn)截然相反的關系，而理解生態(tài)服務間關系能幫助確定管理生態(tài)系統(tǒng)的杠桿點，從而提高生態(tài)系統(tǒng)管理的指向性。
　　(7)生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系不僅體現(xiàn)在兩兩之間的權衡或協(xié)同，還表現(xiàn)在一組生態(tài)系統(tǒng)服務在空

16、間表現(xiàn)上的一致性。應用生態(tài)系統(tǒng)服務集研究框架，按照生態(tài)系統(tǒng)服務在空間上的分布，本文在長三角地級市尺度上檢測到了4類生態(tài)系統(tǒng)服務集，分別為平原城市集、山地城市集，海島城市集和大型城市集;在縣級尺度上，同樣檢測到了類似的4類生態(tài)系統(tǒng)服務集，分別為山區(qū)服務集、海島服務集、城區(qū)服務集和平原服務集，并且這些服務集與地級市尺度上服務集表現(xiàn)出一致的空間分布趨勢。在地級市尺度上生態(tài)內蒙古自治區(qū)的12個城市通過聚類分析被分為4類生態(tài)系統(tǒng)服務集，分別為草原

17、區(qū)城市集、森林區(qū)城市集、農(nóng)業(yè)區(qū)城市集和荒漠區(qū)城市集;而在縣級尺度上，89個旗縣被分為5類生態(tài)系統(tǒng)服務集（農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖服務集、旅游服務集、集約養(yǎng)殖服務集、森林服務集和草地服務集）。將這兩個區(qū)域在兩個尺度上分別獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務進行疊加分析，兩個尺度上的服務集在空間上存在著明顯的對應關系。本文兩個研究區(qū)域在地級市和縣兩個尺度上形成的生態(tài)系統(tǒng)服務集均表現(xiàn)為空間集聚分布，以往前人的多項研究獲得的服務集在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣以及國家尺度也均為集聚分布，綜合這些工

18、作，我們發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務集的空間集聚性是與尺度無關的(scale-independent)。
　　(8)本文發(fā)現(xiàn)地級市與縣兩個尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務集的相似性，不僅體現(xiàn)在空間分布上的對應，也體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)服務集的驅動機制也相似。聚類和主成分分析表明在城市化程度高的地區(qū)，社會經(jīng)濟因素是生態(tài)系統(tǒng)服務集形成的主要驅動，而在城市化程度低的地區(qū)，自然條件是生態(tài)系統(tǒng)服務集形成的主要驅動。可以推測，隨著中國和全球經(jīng)濟水平的提高，許多地方生態(tài)系統(tǒng)服務