多情景模拟下宁夏平原生态系统服务簇识别研究

以下文章来源于生态遥感前沿 ，作者前沿小助手

Part1文章信息

论文题目：多情景模拟下宁夏平原生态系统服务簇识别研究

Part2文章创新点

识别区域生态系统服务簇类型及其演化轨迹可以深入剖析各项ESV间的相互依赖性以及聚合模式，但目前此类研究多为基于历史时期或者单一时间节点上的静态分析。本文从土地利用多情景模拟视角出发，对研究区未来不同发展情景下的ESB类型进行识别，并对各情景时间线内ESB演化轨迹进行剖析。在通过情景分析寻求区域生态功能提升最优解的同时，也丰富了干旱半干旱地区的生态系统服务簇研究。

Part3研究区域

宁夏平原，亦称银川平原，位于宁夏回族自治区中部黄河两岸（105° 05′E~106°56′E、37°46′N~39°23′N），包括银川市6个县市区 （兴庆区、金凤区、西夏区、 永宁县、贺兰县、灵武市）、石嘴山市3个县区（大武口区、惠农区、平罗县）以及吴忠市2个市区 （利通区和青铜峡市） 共11个县市区。地区面积约1.44万km2，占宁 夏回族自治区国土面积的42.6%。宁夏平原作为中国西北地区重要的商品粮基地，素有“塞上江南”之称。黄河由其中部自南向北流经，形成了大面积自流灌溉区。虽然地处温 带干旱区，年降水量仅为262.3~363.2 mm，但黄河年均过境水量达到3000亿m3，再加上年均3000 h左右的日照时数，为发展农林牧渔业提供了极其有利的条件。但随着城市化 水平的提高，自然资源被大量消耗，面临的生态问题也越来越多，例如水土流失、土地 荒漠化、草场退化等，生态保护与社会经济发展矛盾日益突出。

图1 研究区域

Part4数据来源

本文使用的数据包括土地利用数据、气象数据、社会经济数据、地形数据以及其他数据。其中：① 土地利用数据源自中国科学院资源环境科学与数据平台，空间分辨率为30 m；② 气象数据包括研究区内10个站点年降水量、年蒸发量、年均气温数据，源自国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）；③ 社会经济数据包括交通数据以及居民点数据，源自全国地理信息资源目录服务系统 （http://www.webmap.cn/）；④地形数据为DEM数据，源自地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/），空间分辨率为30 m；⑤ 其他数据为统计年鉴数据及研究区自然保护区边界数据，其中统计年鉴数据包括研究区2000—2020年统计年鉴及部分县区统计公报，自然保护区边界数据源自中国科学院资源环境科学与数据中心（http:// www.resdc.cn/）。

Part5研究方法

本文使用CA-Markov模型，针对不同情景，对土地利用转化设置不同限制因子与影响因子，得到2030年三种模拟情景土地利用类型图；然后使用价值当量因子法对历史时期以及2030年三种情景下生态系统服务价值进行评估；最后基于评估结果使用皮尔逊（Pearson） 相关系数法、K-Mean值聚类分析及稳定映射变化轨迹分析等方法对宁夏平原多情景模拟下生态系统服务簇空间格局及其演化特征进行分析。

Part6研究结果

宁夏平原地区草地面积占比最高，为优势地类，其次为耕地与建设用地，林地、湿地、水体、未利用地的面积占比均较小。2000—2020年宁夏平原地区耕地、林地与草地面积占比均呈不断减少的趋势，其中林地与草地面积占比减少的幅度最大，分别为10.79%与8.85%。建设用地面积占比出现大幅度增长，相较于2000年增加了213.79%。在自然发展情景下，草地与水体面积占比相较于2020年将会分别减少3.15%与5.28%。其余地类的面积占比均呈增加趋势，其中建设用地面积占比将会增加52.61%，为增长幅度最大的用地类型。生态保护情景下，草地面积占比相较于2020年将会减少0.72%，其余地类面积占比均呈增加趋势。由于此情景考虑到了生态保护要素，林地与湿地面积占比将会出现大幅度的增加，较2020年分别增加92.25%与121%，建设用地面积占比将增加23.1%。经济优先情景下，草地与水体面积占比将会出现不同程度的减少，其中草地面积占比将会减少12.56%，水体面积占比将会减少11.46%，未利用地面积占比将会减少13.10%。由于此情景下耕地与建设用地的转入概率为最大，耕地与建设用地面积占比将分别增加21.11%与54.80%。

图2. 宁夏平原土地利用变化

生态系统服务价值极高价值区多位于北部贺兰山一带、南部灵武市地区以及中部黄河沿岸建成区内部湿地地区，用地类型以草地、林地、湿地与水体为主。极低价值区则主要位于城市建成区内部，且用地类型以建设用地为主。2000年、2010年、2020年宁夏平原生态系统服务价值分别为123.40亿元、123.33亿元、116.75亿元，总体呈不断减少的趋势。在自然发展情景下，宁夏平原生态系统服务价值将减少为109.96亿元。经济优先情景下，由于耕地与建设用地的大规模扩张，袭夺草地、林地，使得宁夏平原生态系统服务价值将大幅下降为98.28亿元。生态保护情景下，湿地与林地面积增加，生态敏感地区植被得到恢复，生态系统服务价值将增加至135.25亿元。

图3. 宁夏平原生态系统服务价值时空变化

根据土地利用多情景模拟结果，使用价值当量因子法对宁夏平原生态系统服务价值进行核算，2000—2020年生态系统服务价值由123.40亿元减少至116.75亿元。自然发展情景下，宁夏平原生态系统服务价值将减少为109.96亿元，生态保护情景下将增加至135.25亿元，经济优先情景下将大幅下降为98.28亿元。

图4. 生态系统服务价值权衡协同关系

**表示在0.01水平（双侧）上显著相关，*表示在0.05水平（双侧）上显著相关. FP：食物生产 Food production；RP：原材料生产 Raw material production；CR：气候调节 Climate regulation；HA：水文调节 Hydrological adjusting；SC：土壤保持 Soil conservation；BM：生物多样性维持 Biodiversity maintenance；AP：提供美学景观 Aesthetic landscape provisio. 下同，The same below.

2000年权衡关系共有6组，其中5组为FP与其他功能形成。最强权衡关系存在于FP与AP之间（-0.041）。协同关系共有15组，最强协同关系存在于HA与AP之间（0.913）。2010年权衡关系共有5组，其中4组为生物多样性维持与其他功能之间形成，最强权衡关系存在于BM与AP之间（-0.393）。协同关系共有16组，最强协同关系存在于HA与AP之间（0.919）。2020年权衡关系共有3组，其中2组为BM与其他功能之间形成，最强权衡关系存在于BM与AP之间（-0.240）。协同关系共19组，最强协同关系存在于HA与AP之间（0.928）。在自然发展情景下，权衡关系仅存在于BM与AP之间（-0.081），其余各组均为协同关系。其中，HA与AP间仍存在最强协同关系（0.942）。生态保护情景下存在5组权衡关系，其中有4组存在于BM与其他服务之间。其余16组为协同关系，最强协同关系存在于BM与AP之间（0.958）。在经济优先情景下，权衡关系仍然仅存在于BM与AP之间（-0.112），其余各组均为协同关系，最强协同关系存在于HA与AP之间（0.925）。

图5-6. 宁夏平原生态系统服务簇空间分布及功能结构

宁夏平原共聚类产生4种生态系统服务簇，其中，ESB1的生态功能以CR、AP以及HA为主，在空间上多分布于建成区内部湿地以及黄河沿岸地区，用地类型以水体、湿地为主；ESB2的生态功能以BM为主，多位于沿黄建成区内部以及南部灵武县，用地类型以建设用地、未利用地为主。虽然建设用地的生态系统服务价值为0，未利用地各类型服务价值也均较低，但其对维持生物多样性的价值相对较高，因此会聚类形成此类型簇；ESB3的生态功能以RP、SC及CR为主，多位于北部贺兰山地区以及灵武县东部高海拔地区，用地类型多以林地、草地为主；ESB4的生态功能以FP为主，此类型簇空间分布最为广泛，几乎分布于整个研究区，用地类型以耕地和草地为主。

图7 不同情景下各类型生态系统服务簇演化轨迹面积占比统计

三种情景模拟下，宁夏平原地区生态系统服务簇演化轨迹类型面积占比变动较小。生态系统服务簇演化类型以稳定型为主，在三种情景下面积占比分别占比73.25%、74.79%、69.59%，且广泛分布于整个研究区。此类区域用地类型长期以耕地与草地为主，且生态系统服务簇常年以ESB4为主。其次是亚稳定型，各情景下面积占比分别为11.64%、9.90%、15.11%，主要分布于建成区外围地区。用地类型以草地为主，具体生态系统服务簇演化类型以ESB4演化为ESB1为主。再次是渐变型，各情景下面积占比分别为11.29%、9.45%、10.39%，其分布范围及用地类型与亚稳定型基本一致，具体生态系统服务簇演化类型以ESB4演化为ESB2为主。其余三种类型演化轨迹面积占比均较小，在此不做赘述。

图8. 宁夏平原生态分区及各分区不同类型生态系统服务簇面积占比统计

由于研究区内景观类型存在差异，针对不同区域存在的生态问题与生态优势给予对应的管理措施。参照祁元等人在景观区划分时综合考虑气候、地貌及社会等诸多因素，依据300mm年降水线及年干燥度为3的等值线，同时考虑黄土丘陵北缘，将宁夏平原地区划分为三种景观类型：贺兰山森林灌丛草原景观区、宁夏平原灌溉农田景观区以及盐同香山荒漠草原景观区。针对不同分区采取差异化优化措施有利于统筹社会经济发展及生态可持续目标实现。

Part7主要结论与不足

从多情景模拟角度出发，对宁夏平原未来多种发展情景下土地利用进行模拟预测。在各情景之下，宁夏平原地区土地利用面积变化及空间置换转移均主要聚集在林地、湿地与建设用地中。根据土地利用多情景模拟结果，使用价值当量因子法对宁夏平原生态系统服务价值进行核算，2000—2020年生态系统服务价值由123.40亿元减少至116.75亿元。自然发展情景下，宁夏平原生态系统服务价值将减少为109.96亿元，生态保护情景下将增加至135.25亿元，经济优先情景下将大幅下降为98.28亿元。采取Pearson相关系数法、K-Mean值聚类算法及稳定映射变化轨迹法探究各类型生态系统服务间权衡协同关系及所形成的生态系统服务簇类型与演化轨迹。宁夏平原7项生态系统服务间多为协同关系，权衡关系多出现于生物多样性维持、食物生产与其他类型服务之间。聚类分析共得到4种服务簇，研究区优势簇以食物生产为主导功能，且常年以此类型服务簇为主。由于宁夏平原内部景观特征存在明显异质性，依据不同区域不同生态问题以及生态优势，利用各类型生态系统服务间协同关系以提升区域生态系统总体效益。

本研究在生态系统服务量化处理时使用了价值当量因子法，由于本文是从土地利用多情景模拟角度出发，价值当量因子法在量化生态系统服务时仅需土地利用数据即可，避免了对其他数据（气象、土壤、植被数据等）在情景分析时的误差累计效应。但此方法在生态系统服务量化精度上较In VEST模型、CASA模型等还存在一定的误差，而这也是后续研究的一个重要突破口。此外，从各类型ESB演化轨迹在不同情景下的面积占比中不难发现稳定型演化区域面积占比在三种情景下面积占比分别为：EPS（69.59%）（73.25%）（74.79%），而亚稳定型演化区域面积占比分别为：EPS（15.11%）>NDS（11.64%）>ECS（9.90%）。同样的，渐变型演化轨迹区域面积占比也存在相同的排序。因此可得到如下推论：随着人类活动强度的增强，ESB在空间上的演化轨迹会受到干扰，并逐渐趋于复杂化。生态系统服务簇在空间上的演化轨迹与区域社会—生态两大系统的相互作用密切相关，势必涉及到许多自然、社会、人类活动因素，譬如气候、人口密度、经济发展状况等。但受限于文章篇幅，本研究仅探讨了ESB的演化过程。未来应进一步探究区域ESB的形成与演化背后的驱动机制，以期为区域制定生态管理措施提供更加科学有效的理论参考。

转自：“测绘学术资讯”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！