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

1、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)的可持續(xù)供給。人類活動(dòng)通過改變土地覆蓋土地利用類型，建造人工設(shè)施，強(qiáng)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(wù)供給量級(jí)的同時(shí)，也改變著生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)項(xiàng)之間的關(guān)系。生態(tài)服務(wù)項(xiàng)之間的關(guān)系主要體現(xiàn)在服務(wù)項(xiàng)權(quán)衡或協(xié)同的變化。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡是指一項(xiàng)服務(wù)的提高以其他服務(wù)的降低為代價(jià)，例如提高供給服務(wù)如食物和木材通常導(dǎo)致其他調(diào)節(jié)服務(wù)的降低。協(xié)同是指多

2、項(xiàng)服務(wù)供給的同時(shí)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(zhì)。理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)服務(wù)之間關(guān)系，是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)管理從而獲得大量且可持續(xù)的生態(tài)服務(wù)的前提。
　　隨著全球城市化進(jìn)程，人類福祉的提高越來越依賴于由人工設(shè)施所構(gòu)成的人類主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)或人工生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務(wù)。盡管大量用人工設(shè)計(jì)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(wù)項(xiàng)與自然生態(tài)

3、系統(tǒng)有所不同，往往是目的服務(wù)較強(qiáng)，從而強(qiáng)化與其他服務(wù)項(xiàng)的權(quán)衡。例如農(nóng)田的擴(kuò)張，往往導(dǎo)致森林和草地面積的減少，從而降低生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務(wù)。有些學(xué)者把人工生態(tài)系統(tǒng)間接利用自然資本形成的服務(wù)稱為非生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，由于界限并不清楚，大部分學(xué)者沒有明確區(qū)分，本文仍統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。
　　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成與供給可以發(fā)生在多個(gè)的尺度上，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估而言，幾乎不存在某一理想尺度能夠滿足評(píng)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(wù)之間的關(guān)系，對(duì)于闡明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系及其影響因素具有重要的理論和實(shí)踐意義。本文以城市化程度高（建成區(qū)占國(guó)土面積比例）的長(zhǎng)三角地區(qū)和城市化程度低的內(nèi)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(wù)之間的關(guān)系。這兩個(gè)區(qū)域不同的城市化強(qiáng)度為研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然因素對(duì)生態(tài)服務(wù)空間分布的影響提供了良好的研究對(duì)象。
　　本研究依據(jù)兩個(gè)研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)分別選擇了在當(dāng)?shù)剌^為

5、重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)項(xiàng)，涵蓋了供給、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)三類，并在這兩個(gè)研究區(qū)域分別設(shè)置了地級(jí)市（包含全部轄區(qū)）和縣兩個(gè)尺度，同一區(qū)域兩個(gè)尺度上的服務(wù)項(xiàng)相同。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布識(shí)別出了服務(wù)集(bundles)，探索了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布規(guī)律和服務(wù)之間的關(guān)系，分析了城市化程度對(duì)服務(wù)間關(guān)系的影響以及不同空間尺度上生態(tài)服務(wù)關(guān)系的異同，探討了自然條件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系變化的驅(qū)動(dòng)。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)高度城市化的長(zhǎng)

6、三角地區(qū)12項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，在地級(jí)市尺度上有7項(xiàng)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(xiàng)表現(xiàn)為空間隨機(jī)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(wù)）;而在縣級(jí)尺度上只有1項(xiàng)表現(xiàn)為隨機(jī)分布（高等教育服務(wù)），其他服務(wù)項(xiàng)全部為集聚分布。在城市化程度低的內(nèi)蒙古的8項(xiàng)生態(tài)服務(wù)中，在地級(jí)市尺度上有3項(xiàng)生態(tài)服務(wù)為空間集聚分布（羊肉、牧草產(chǎn)量和調(diào)節(jié)服務(wù)），其余5項(xiàng)為隨機(jī)分布（糧食、豬肉、牛肉、淡

7、水供給和旅游服務(wù)）;在縣級(jí)尺度上也只有1項(xiàng)為隨機(jī)分布（旅游服務(wù)），其他服務(wù)項(xiàng)為集聚分布。通過與他人的研究進(jìn)行對(duì)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(wù)集聚性增加。所有依賴土地面積的生態(tài)服務(wù)（大部分的供給服務(wù)和全部的調(diào)節(jié)服務(wù)）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(wù)（工業(yè)產(chǎn)品和文化服務(wù)等）則傾向于表現(xiàn)隨機(jī)分布模式。這表明人工系統(tǒng)對(duì)技術(shù)進(jìn)步的依賴，使得供給服務(wù)對(duì)自然稟賦的依賴逐漸降低，而由于調(diào)節(jié)服務(wù)主要依賴于自然植被，仍表現(xiàn)

8、出對(duì)自然資源的依賴。
　　(2)對(duì)研究區(qū)域所選擇的服務(wù)項(xiàng)兩兩成對(duì)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示長(zhǎng)三角地區(qū)所有66對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在地級(jí)市尺度上有31對(duì)表現(xiàn)出顯著相關(guān)，其中12對(duì)為權(quán)衡（主要發(fā)生在供給服務(wù)與其他服務(wù)之間）、19對(duì)為協(xié)同（主要發(fā)生在調(diào)節(jié)服務(wù)之間）;在縣級(jí)尺度上有47對(duì)表現(xiàn)出顯著相關(guān)，其中25對(duì)為權(quán)衡（主要發(fā)生在調(diào)節(jié)服務(wù)與糧食、畜產(chǎn)品及工業(yè)產(chǎn)品之間）、22對(duì)為協(xié)同（主要發(fā)生在調(diào)節(jié)服務(wù)與淡水供給之間）。內(nèi)蒙古地區(qū)所有28對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服

9、務(wù)在地級(jí)市尺度上有4對(duì)表現(xiàn)出顯著相關(guān)，全部為協(xié)同（糧食與豬肉、牛肉;調(diào)節(jié)服務(wù)與淡水供給、牧草之間）;在縣級(jí)尺度上有13對(duì)表現(xiàn)出顯著相關(guān)，其中4對(duì)為權(quán)衡（主要發(fā)生在牧草產(chǎn)量與其他供給服務(wù)之間）、9對(duì)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(jié)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(fù)合系統(tǒng)），生態(tài)服務(wù)間權(quán)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(wù)，而其中對(duì)土地依賴較小的服務(wù)能夠與

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

11、服務(wù)間權(quán)衡更少而協(xié)同更多的趨勢(shì)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(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡，然而通過高強(qiáng)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(qiáng)度高的土地，釋放出一些生產(chǎn)用地用于提供調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)，從更大的尺度上來看實(shí)際上是促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的協(xié)同。在內(nèi)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(jì)收

12、入同時(shí)減輕對(duì)天然草場(chǎng)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(bǔ)效應(yīng)，因?yàn)椴菔臣倚罂梢岳眉Z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(wù)間關(guān)系表現(xiàn)出更多的權(quán)衡，而在城市化程度較低的地區(qū)服務(wù)之間關(guān)系表現(xiàn)出更多的協(xié)同，這是由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致自然的改造和干擾較為強(qiáng)烈，人工生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提高強(qiáng)化了服務(wù)間的權(quán)衡。而在城市化強(qiáng)度較低的地區(qū)，對(duì)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(qiáng)度的地區(qū)，有些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系表現(xiàn)的完全相反，例如調(diào)節(jié)服務(wù)與糧食生產(chǎn)之間在長(zhǎng)三角地區(qū)檢測(cè)出了的權(quán)衡關(guān)系，而在內(nèi)蒙古地區(qū)則是協(xié)同關(guān)系;有些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系表現(xiàn)一致，例如，本文在兩個(gè)區(qū)域與兩個(gè)尺度中均發(fā)現(xiàn)糧食產(chǎn)量與畜產(chǎn)品之間、調(diào)節(jié)服務(wù)與淡水供給之間存在協(xié)同關(guān)系，這些協(xié)同關(guān)系在其他地區(qū)的研究也被證實(shí)。這表明了服務(wù)間關(guān)系的復(fù)雜性。生態(tài)服務(wù)間直接的相互作用、空間不兼容或社會(huì)反饋等多種機(jī)制都有可能導(dǎo)致服務(wù)間的權(quán)衡或協(xié)同。只有開

14、展不同景觀和不同尺度下的實(shí)證研究并且識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用的路徑，才有可能在管理上進(jìn)行可行的干預(yù)。
　　(6)為了進(jìn)一步探討自然條件和管理模式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，本研究在內(nèi)蒙古縣級(jí)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(gè)空間子集，分別研究其中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系并進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)這三個(gè)分區(qū)中對(duì)土地依賴的服務(wù)（牧草產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量）之間始終為權(quán)衡;從牧區(qū)到半牧區(qū)再到非牧區(qū)，羊肉供給服務(wù)與牧草產(chǎn)量之間的關(guān)系由協(xié)同轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)

15、衡，而羊肉供給與糧食產(chǎn)量的關(guān)系則從不相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同;降水的增加會(huì)強(qiáng)化農(nóng)田與草地之間的競(jìng)爭(zhēng)，這由于水是內(nèi)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(wù)之間的協(xié)同或權(quán)衡關(guān)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(wù)之間可能出現(xiàn)截然相反的關(guān)系，而理解生態(tài)服務(wù)間關(guān)系能幫助確定管理生態(tài)系統(tǒng)的杠桿點(diǎn)，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(wù)之間的關(guān)系不僅體現(xiàn)在兩兩之間的權(quán)衡或協(xié)同，還表現(xiàn)在一組生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空

16、間表現(xiàn)上的一致性。應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集研究框架，按照生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上的分布，本文在長(zhǎng)三角地級(jí)市尺度上檢測(cè)到了4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jí)尺度上，同樣檢測(cè)到了類似的4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集，分別為山區(qū)服務(wù)集、海島服務(wù)集、城區(qū)服務(wù)集和平原服務(wù)集，并且這些服務(wù)集與地級(jí)市尺度上服務(wù)集表現(xiàn)出一致的空間分布趨勢(shì)。在地級(jí)市尺度上生態(tài)內(nèi)蒙古自治區(qū)的12個(gè)城市通過聚類分析被分為4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jí)尺度上，89個(gè)旗縣被分為5類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集（農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖服務(wù)集、旅游服務(wù)集、集約養(yǎng)殖服務(wù)集、森林服務(wù)集和草地服務(wù)集）。將這兩個(gè)區(qū)域在兩個(gè)尺度上分別獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行疊加分析，兩個(gè)尺度上的服務(wù)集在空間上存在著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文兩個(gè)研究區(qū)域在地級(jí)市和縣兩個(gè)尺度上形成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集均表現(xiàn)為空間集聚分布，以往前人的多項(xiàng)研究獲得的服務(wù)集在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣以及國(guó)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(wù)集的空間集聚性是與尺度無關(guān)的(scale-independent)。
　　(8)本文發(fā)現(xiàn)地級(jí)市與縣兩個(gè)尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集的相似性，不僅體現(xiàn)在空間分布上的對(duì)應(yīng)，也體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集的驅(qū)動(dòng)機(jī)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(huì)經(jīng)濟(jì)因素是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集形成的主要驅(qū)動(dòng)，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(wù)集形成的主要驅(qū)動(dòng)。可以推測(cè)，隨著中國(guó)和全球經(jīng)濟(jì)水平的提高，許多地方生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)