西南喀斯特地区生态系统服务功能时空变化及驱动因子分析

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西南喀斯特地区属于典型生态环境脆弱区,该地区既是我国维持粮食安全、阻控土地退化、构建南方生态安全屏障的关键所在,也是国家推进经济发展和维护生态稳定的重要践行区,具有无可替代的生态和经济地位。该地区通过生态系统向人类提供生存和发展不可或缺的物资供给、环境调节等生态系统服务,这些生态系统服务已成为提升人类福祉的重要资源来源和环境基础,也是实现区域社会—经济—生态可持续发展目标的重要基石。现有的生态系统服务研究大多从驱动因子的时空特性出发,分析生态系统服务形成机理和作用机制,忽略了生态系统服务供需及其驱动因子的直接效应和间接效应,限制了生态系统服务研究的完整性和可靠性。目前,从空间溢出视角量化评估生态治理背景下生态系统服务供需平衡空间效应的研究体系较缺乏。此外,目前的生态治理工程大多关注正面收益,很少研究潜在的负面影响。与此同时,生态系统的供需平衡是否会随生态工程的深入开展而发生变化?变化后的生态系统服务供需平衡又将呈现何种空间效应?对此,尚无法给出明确答案。本文以西南喀斯特广泛分布的云南省、贵州省、广西自治区为研究区域,以生态治理工程实施强度较大的时段1980-2015年为研究时段,通过对生态治理背景下土地利用变化过程,评估生态治理工程实施前后的生态系统服务物质量特征、供需动态变化规律和影响因素,探究了生态系统服务演变的驱动机制和空间效应,提出了生态系统优化调控策略。本研究取得的主要研究结果如下:(1)1980-2015年土地利用格局整体保持稳定,生态治理背景下植被覆盖逐步增加。研究区土地利用以林地、草地和耕地为主,其中林地比重最大,占总面积的50%以上。1980-2015年间,耕地面积整体稳定,林地面积波动上升,2000年后有317101.7hm~2土地转化为林地,年均转化速率显著高于2000年前。土地利用类型转变并不剧烈,主要为空间配置的调整,但土地流转频繁,建设用地增幅最大,人类活动对研究区景观影响较大,城镇周边景观逐步趋向破碎。NDVI在1980-2015年间,以2000年为分界,呈现先减少、后上升的变化趋势,且2000年以后NDVI增加速度要高于2000年前减少速度。平均流域土壤侵蚀模数分别为1990年19.58t ha-1、2000年22.57 t ha-1、2015年13.96 t ha-1,变化趋势与NDVI相同。土地的频繁流转,尤其是山区和地质破碎地区的土地流转会造成潜在的水土流失和生态风险,形成新的生态安全威胁。(2)1980-2015年生态系统服务时空格局整体保持稳定,生态治理背景下生态系统服务趋向好转。2000年后,黔中东部、黔东和桂中地区NPP增速最大,年均增幅介于0-0.5g C m-2 yr-1之间,北盘江、沅江、红水河、柳江干流生态系统供给指数均值由49上升至54,滇南、黔西稳定在50以上。在自然环境和社会因素共同影响下,研究区县域尺度上各生态系统服务功能权衡关系在碳储—水源涵养较为突出,权衡冲突主要集中在植被较好地区。在2000和2015两个截面,自然环境和社会经济均是生态系统服务变化的主要驱动因子,驱动因子不仅影响观测区域的各生态系统服务,还影响相邻区域生态系统服务的空间效应;同时,相邻区域的驱动因子也会以相同的方式,反作用于观测区域。当相邻区域生态系统服务及其驱动因子因滞后效应导致为负溢出时,生态系统服务呈现聚集效应,最终形成生态系统服务的影响边界。这种现象在碳储量、土壤保持量和生境质量上最为明显,表现出人口密度每增加1%会使邻域的碳储服务、土壤保持服务和栖息地保护服务分别变化0.805%、-1.205%和0.00003%,土地利用、景观格局和社会经济因子是这三种生态系统服务最主要的影响因素。(3)生态系统服务供需平衡及其影响因子之间表现出显著的空间溢出效应,表明生态系统供需平衡和驱动因子对本地及邻域同时存在正面和负面影响。人口密度、斑块数量、形状指数、连通度、分离度、分散指数每增加1%,分别造成邻域的生态供给平衡下降0.0005%、4.021%、12.030%、2.575%、23.121%、0.044%,表明高度活跃的社会经济活动和土地利用格局变化对供需平衡影响显著;行政和地理边界不足以限制某一区域生态系统服务供需失衡的困境向外扩展。城镇化在提高地区经济效益的同时,也造成了一定范围的生态退化和生态系统供需失衡。土地利用程度高的耕地和建设用地各项生态系统服务均低于土地利用程度低的林地,但这不表示为提升生态效益而需无限制增加林地面积。林地面积增加提升了生态系统服务质量,相邻区域反馈现象与此同时抑制了发展潜力,因此,过度强调生态效益,而忽视粮食安全,易陷入“保护陷阱”,需要统筹相邻区域的资源来整体推动全区域生态系统治理工作。(4)基于生态系统服务空间效应分析结果,使用未来土地利用模拟模型预测研究区不同情景下未来土地利用和生态系统服务价值空间分布,结果表明过往治理措施和发展规划的整体性和系统性不足,不利于生态系统稳定长期发挥服务功能。由于空间效应的存在,现有治理政策难以保持生态系统服务价值始终稳定上升,激进的环保情景促进了生态系统服务价值的提升,但也限制了农林产品增速,导致地区陷入“保护陷阱”。因此,未来提高生态系统服务价值的优化策略应加强生态保护的整体执行,约束建设用地扩张,在治理区划定生态红线,开展分区分步骤治理,在生态治理工程和政策的实施中重视不同分区的整体治理和系统修复。政策制定者和各级执行者需要着眼于协调生态保护和地区经济发展之间的动态平衡,引入生态监测机制,动态调整政策的执行。本研究创新点在于将空间计量经济方法引入生态系统服务研究,从空间溢出视角量化评估生态治理背景下生态系统服务供需平衡空间效应,提升了生态系统服务研究和生态治理效益评价的完整性和可靠性。同时,首次提出并描述了生态治理的负面影响,研究认为空间效应会造成生态系统服务的影响会突破原有行政和流域的治理边界,可能造成过度生态保护,出现供需失衡威胁粮食安全,导致地区陷入“保护陷阱”。本研究对丰富现有生态系统服务理论,实现区域社会—经济—生态的和谐可持续发展目标具有重要意义。
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