以下文章来源于区域经济 ，作者张新悦 研读
基于典型农业小流域土地利用变化的与水相关的生态系统服务权衡分析与优化
引言
生态系统服务是指生态系统为人类生存生活提供的各种自然环境条件与效用，包括人类直接或间接从生态系统中获得的各种产品、服务以及生产环境。生态系统服务种类具有多样性和不均衡性，各种服务之间具有复杂的相对关系，具体表现可以总结权衡关系和协同关系。权衡是指某种类型生态系统服务的增加导致其他服务的减少或某种服务的减少导致其他服务的增加；协同则指两种或多种类型生态系统服务同时增加或减少的情形。土地利用变化作为人类对自然生态系统干扰最直接的响应，被视为生态过程和生态系统服务变化最重要的驱动因素之一。土地利用空间格局的快速转变会导致与水相关的生态系统服务价值及其相互关系的变化。
InVEST模型已被广泛应用于识别土地利用变化对ESs的影响，以往的研究主要集中在识别过去几年ESs的时空分布及其对土地利用变化的响应，没有考虑到对未来政策制定的直接指导意义。情景分析作为最常用的方法，可以弥补以往研究的不足。识别未来或替代土地利用模式下多个ESs的变化和权衡，可以直接为决策者提供最佳ESs保护政策。本研究基于土地利用转换的适宜性和当地存在的生态问题来设定情景，将多因素整合到情景的建立中，提高了评价结果对未来土地利用管理决策的合理性。
1、研究区与数据来源
1.1研究区
本文的研究区为湘江流域，位于中国湖南省。年平均降水量1400mm，年平均气温约17.6 C。研究区地势起伏，一般向北倾斜。盆地的南部、西部和东部以山脉为界;中部和北部相对较低，由盆地和山谷平原组成。研究区土地利用类型主要为农田、林地、草地、建设用地、水域和裸地。由于过去35年土地利用类型的快速转变，生态系统结构和功能受到显著影响，导致WRESs及其之间的关系发生变化。
1.2数据来源
1)30m网格分辨率卫星图像数据来自中国科学(http://www.gscloud.cn);
2)1980年、2000年和2015年30m空间分辨率的土地利用数据分别来源于GlobeLand30 (http://www.globallandcover.com)和中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。根据研究区土地利用实际情况，将土地利用类型划分为农田、林地、草地、建成地、水体和裸地。
3)1980-2015年的气象数据(日降水、气温、太阳辐射等)来自中国气象数据服务中心(http://data.cma.cn)的全国气象站网。利用ArcGIS10.5中的插值方法得到空间气象数据。
4)世界统一土壤数据库，分辨率为1km，由寒冷和干旱地区科学数据中心(http://data.casnw.net)提供。
5)湘江流域农产品数据来源于《湖南统计年鉴》、《江西统计年鉴》、《广西统计年鉴》(http://data.cnki.net)。
2、研究方法
2.1生态系统服务的量化
考虑到人水耦合系统的重要性，本研究选取了与水相关的4种生态系统服务(产水量、粮食生产、水净化、土壤保持)进行研究。使用InVEST3.6.0模型量化了水产量、水净化和土壤保持，并使用产量模型量化了粮食产量。
2.2可供选择的土地用途方案
湘江流域是一个以农业开发为主的盆地，农业发展的适宜性是建立替代情景的基础，应该使用多标准决策(MCDM)方法进行确定。该方法主要包括评价指标的选择和指标权重的确定两个过程。
选择的评价标准包括2个地形因素(坡度、海拔)、2个土壤条件因素(土壤有机质、土壤pH值)、土壤侵蚀强度和到道路的距离。将每个因素重新划分为五个等级，采用层次分析法(AHP)确定标准权重。最后，利用ArcGIS中的加权叠加工具，将评价标准和标准权重进行整合，生成农业发展适宜性。评价结果分为不适宜、一般适宜、中等适宜、极适宜。在此基础上，建立了以下四种可供选择的土地利用情景，以说明不同土地利用管理政策对WRESs的影响以及WRESs之间的权衡，以2015年土地使用情况为基线情景。
1) AD(农业发展):极其适合农业生产的地区被转化为作物用地，但建筑用地和开放水域除外。
2) ADWB(带林地缓冲带的农业发展):相关研究表明，河岸缓冲带在改善水净化服务方面发挥着重要作用。基于AD场景，以林地代替耕地，在河流和水库周围设置100米宽的植被缓冲带。
3) GFG (Grain for Green退耕还林还草):土壤侵蚀在坡度较大的地区更容易发生，尤其是耕地。坡度大于250的耕地被恢复为林地，同时，坡度在60和250之间的不适宜的耕地被改造成草原。
4) ADWB_GFG (ADWB和GFG联合情景):基于AD情景，坡度大于250的耕地被恢复为林地;坡度在60和250的耕地被改造为草原。此外，还设置了100米的植物缓冲带。
2.3 WRESs之间的权衡分析
使用RMSE(均方根误差)来量化流域尺度下WRESs之间的权衡。为了消除WRESs之间的单位差异，在计算RMSE之前对每个WRESs的值进行标准化。
3、结论与讨论
3.1 结论
3.1.1 1980 - 2015年湘江流域土地利用变化
过去35年，湘江流域土地利用类型主要为农田和林地，占总面积的85%以上。其他土地利用类型(草地、水体、建成地和裸地)在湘江流域所占比例较小。总体上，湘江流域经历了林地向耕地和建设用地、耕地向建设用地、草地向林地的转变。
3.1.2基于过去土地利用转变的WRESs变化及其关系
1）1980 -- 2015年WRESs变化
总的来说，在过去的35年里，除水净化外，WRESs都有不同程度的增强。
2）主要土地利用转变对WRESs的影响
分析了三种主要土地利用类型(农田、林地和草地)的变化及其对WRESs的影响。如图显示了这三种土地利用类型转换导致的WRESs变化方向。
3）2015年各对WRESs之间的关系
由于WRESs的分布不符合正态分布，因此在网格水平上采用Spearman相关系数来描述WRESs对之间的关系。结果显示，2015年各WRESs之间存在显著相关(p < 0.05)。其中，土壤保持与水分产量和粮食产量之间存在协同关系。此外，水分产量与粮食产量呈现协同关系。水净化与粮食生产之间存在明显的权衡关系。水净化与产量和土壤保持存在权衡关系。
3.1.3 基于可供选择的土地使用情景的WRESs和权衡的比较
1）WRESs的变化
为研究不同土地利用开发模式对西江流域WRESs的影响，评估了不同土地利用情景下各WRESs总量的变化(相对于2015年)，并绘制了WRESs的空间变化图，分析了WRESs变化的空间差异。
总体而言，在AD和GFG场景下，发放服务和监管服务之间存在明显的权衡。在ADWB情景下，土壤保持下降，但其他三项服务功能增加。ADWB_GFG情景下的水净化效果最好。此外，在粮食生产损失相对较小的情况下，提高了产量和水土保持。
2）权衡的变化
通过相关分析，水质净化与其他WRESs之间主要存在取舍关系。为了进一步分析不同土地利用情景下的权衡变化，通过计算水净化(WP)与其他3种WRESs(产水量(WY)、粮食生产(FP)和土壤保持(SC)之间的RMSE，量化子流域尺度上的权衡。
与2015年相比，各情景下WY与WP之间的RMSE值均有不同程度的下降;在ADWB_GFG情景下减少最多。FP与WP之间的RMSE值大于其他两种服务与WP之间的RMSE值。除GFG情形外，FP与WP之间的RMSE值均呈下降趋势。不同的是，在AD场景下SC和WP之间的RMSE值下降最多，其次是ADWB和ADWB_GFG场景。综上所述，与2015年相比，子流域尺度下不同情景下RMSE的变化相对较小。在ADWB_GFG情景下，WY与WP、FP与WP之间的权衡相对减少，而在AD情景下，SC与WP之间的权衡相对减少。
3.2 讨论
1）WRESs的量化和权衡
本研究定量研究了湘江流域长期土地利用变化对WRESs的影响，本研究还考虑了除产水量、水净化、土壤保持三种生态系统服务之外的粮食生产。本研究土壤保持的改善，揭示了中国退耕还林计划在改善调控服务和当地生态质量方面的巨大作用。虽然从1980年到2000年，耕地面积减少了，但粮食产量却呈上升趋势，因为农业生产的创新弥补了耕地损失的影响。
此外，本研究发现，不同土地利用类型的转换会导致WRESs之间的权衡，在区域土地利用管理中应仔细考虑这一点。研究还基于相关分析分析了各种WRESs之间的关系，发现不同区域的生态系统服务之间的关系并不完全相同，在未来的土地利用管理中应考虑这一差异。而政策制定者最关心的应该是如何减少湘江流域的水净化和其他服务之间的权衡。
2）土地使用情景对管理实践的影响
近35年来，在土地利用变化的影响下，湘江流域大部分水生态系统呈现良性发展趋势，但由于农业和城市化的快速发展，水质恶化加剧。在未来经济发展的背景下，地方决策者在水资源保护管理方面将面临巨大挑战。盲目开垦耕地以增加农业生产，无法维持其他生态系统服务的提供。本研究的农业发展适宜性评价综合考虑了当地地理因素的特点，设置了四种可供选择的未来土地利用情景，以分析不同区域发展政策对WRESs的影响，并探索一种可能导致更平衡的WRESs的最优情景。从我们的场景分析中，展示了湘江流域中各种策略的实现将导致不同的结果。
在ADWD_GFG情景下，在农业发展的情况下实施生态项目，不仅可以产生显著的生态效益，还可以缓解粮食产量下降的负面影响。从权衡的定量分析来看，ADWD_GFG情景在水净化与其他WRESs之间的权衡虽然程度较小，但呈现递减趋势。因此，可以选择ADWD_GFG情景作为最优情景，因为该情景下的土地利用发展模式可以帮助决策者实现WRESs的相对平衡，实现区域发展与生态保护的双赢。
3）局限性及未来研究方向
首先，研究只分析了土地利用变化对WRESs的影响。气候变化作为影响WRESs提供和WRESs之间权衡的另一个重要因素，在本研究中未得到反映。未来，有必要确定哪个因素对WRESs之间的权衡影响更大。综合考虑气候和土地利用变化，将建立更加完整的水资源保护管理WRESs评价体系。
其次，湘江流域是一个复杂的人水系统，土地利用转化受到土地转化成本、当地生态网络和不同利益群体需求等多种人为因素的影响。未来的研究应将现代投资组合理论等优化算法纳入土地利用场景的建立，这将大大提高场景设置的合理性。
另外，InVEST模型的局限性可能会影响量化结果的准确性。例如，产水量模型可能没有充分考虑可能导致复杂水平衡的复杂土地利用模式；水净化模型假设营养物质一旦到达河流就会影响流域出口处的水质，忽略了河流营养物质的生化过程，进一步的研究需要整合多个模型，如SWAT模型，以获得更准确的结果。
最后，由于缺乏可用数据和模型的局限性，洪水缓解不包括在内。湘江流域作为洪水易发地区，自1860年以来经历了多次大规模洪水。水利枢纽防洪减灾服务对湘江流域的生态安全、社会经济安全具有重要意义。因此，尽管对评估方法的深入研究面临巨大挑战，但有必要对洪水缓解进行量化，并探索洪水缓解与其他WRESs之间的权衡。
4、总结
本研究基于湘江流域过去的土地利用变化(1980 - 2015)，分析了四个主要WRESs的变化以及WRESs之间的权衡。在过去35年间，土地使用的巨大变化导致了除净水外的产水量、粮食生产和土壤保持的全面上升趋势。水质恶化是农业快速扩张和城市化的结果。
相关性分析表明，不仅调节(水净化)和供应服务(水产量和粮食生产)之间存在权衡，而且调节服务(水净化和土壤保持)之间也存在权衡。运用情景分析法探讨未来发展的不确定性。结果表明，单纯追求农业生产或单纯追求生态都会导致WRESs的不平衡。在四个备选方案中，由于ADWB_GFG方案能提高产水量、净化水质、保持土壤，对粮食生产的负面影响较小，因此本研究选择ADWB_GFG方案作为最优方案。同时，在ADWB_GFG情景下，水净化与其他服务之间的权衡下降幅度最大。
尽管研究存在局限性，但研究为政策制定者提供了一个综合的WRESs权衡评估框架，以明确WRESs如何受到土地利用变化的影响，以及基于不同替代方案对WRESs的影响的最优WRESs管理。地方政府将更好地应对未来发展的不确定性。该评价框架可为其他农业流域提供有价值的参考信息，通过合理的土地利用管理，减轻经济发展的负面影响，促进未来可持续发展目标的实现。
转自：“经管学术联盟”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
