【摘 要】
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陆地生态系统为人类生存和发展提供了环境基础,它所提供的供给、调节、支持、文娱等服务是生态环境与社会经济协同发展的重要保障。近年来,气候变化和人类干扰活动导致生态系统服务退化甚至丧失,并直接影响生态系统服务间权衡/协同关系,严重限制区域可持续性发展。生态系统服务及权衡与协同关系受多尺度过程的复杂影响,具有尺度效应、多样性和空间异质性等。目前生态系统服务对全球变化的响应研究多集中于模拟气候变化或土地利
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【基金项目】
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国家重点研发计划重点专项项目:长白山区水资源高效利用及其安全保障技术研发与应用（2019YFC0409102）
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陆地生态系统为人类生存和发展提供了环境基础,它所提供的供给、调节、支持、文娱等服务是生态环境与社会经济协同发展的重要保障。近年来,气候变化和人类干扰活动导致生态系统服务退化甚至丧失,并直接影响生态系统服务间权衡/协同关系,严重限制区域可持续性发展。生态系统服务及权衡与协同关系受多尺度过程的复杂影响,具有尺度效应、多样性和空间异质性等。目前生态系统服务对全球变化的响应研究多集中于模拟气候变化或土地利用/覆盖（LUCC）影响下的生态系统服务物质量变化及权衡/协同关系的转变,而两者的共同作用机制及如何降低逐渐增强的权衡关系的研究较少。因此本研究解决的科学问题是:气候变化和人类干扰对不同尺度的生态系统服务及权衡与协同关系的影响及机制是多少?如何通过景观格局配置实现生态系统服务最优化?本研究基于多源遥感数据和野外调查数据,结合生态系统服务综合评估模型（In VEST模型）、生态系统服务权衡度模型（ESTD）及结构方程模型（SEM）等,评估了近30年（1990s-2020s）及未来30年（2020s-2050s）气候变化和人类干扰下（LUCC）长白山区生态系统服务（水源涵养量、土壤保持量、碳储量和生境质量）及权衡与协同关系,明析其时空变化规律,阐明生态系统服务对气候变化的响应特征,揭示气候变化和人类干扰对生态系统服务变化及权衡/协同关系的影响机制,提出生态系统服务最优化的最佳景观配置,主要结论如下:（1）近30年,长白山区年平均气温上升了0.92℃,年降水量下降了120 mm;长白山区未来30年气候将持续呈现暖干趋势,年平均气温将上升0.65℃,年降水量将下降62 mm。近30年,在土地管理政策的驱动下,长白山区LUCC明显,整体变化达到4.57%,大量草地（-43.08%）转化成耕地（+20.10%）和林地（-0.95%）,湿地恢复和保护政策导致湿地面积大幅度增加（+76.77%）;未来30年,长白山区植被变化将仍然明显,整体变化率达20.10%,林地将减少5.20%,而耕地、草地和湿地将分别增加4.10%,1.86%和0.63%。（2）近30年,长白山区生态系统供给和支持类服务呈现下降趋势（产水量-8.77%,生境质量-20.48%）,而调节类服务呈上升趋势（土壤保持量+29.56%,碳储量+9.90%）。区域尺度上,产水量减少主要是受气候变化的负向影响,生境质量下降主要是受LUCC和交互作用的负向影响,而土壤保持量和碳储量增加主要受LUCC和交互作用的正向影响。总体来说,近30年长白山区生态系统服务的变化主要受LUCC（植被覆盖增加、城市扩张）及其与气候变化（降水减少）的交互作用的影响。（3）近30年,长白山区生态系统服务间呈整体上协同关系,局部权衡关系,其中土壤保持量和碳储量、产水量和生境质量、土壤保持量和生境质量表现出协同关系（0.74,0.61,0.46）,而产水量和土壤保持量、产水量和碳储量、碳储量和生境质量间表现出权衡关系（-0.88,-0.43,-0.32）。权衡或协同关系的产生一方面是由于生态系统服务间存在此消彼长的相互作用（如产水量vs.土壤保持量）,另一方是由于共同驱动因素的作用,例如植被覆盖率上升增加了土壤保持量的同时也增加了碳储量。（4）为探讨长白山区生态系统服务最优化的景观格局配置,提出了影响生态系统服务及权衡与协同关系的景观格局指标体系（景观组成和景观配置）,构建了最佳景观格局配置的混合效应模型,结果分别解释了1990s-2020s生态系统服务相对总量、权衡与协同关系变化的92%、94%、93%,其中阔叶林面积和土地利用景观配置中的斑块面积是最显著的影响因子。为了达到生态系统服务的最优效益,长白山区北部和西部应协调耕地、建筑用地与林地的面积比例,城镇内应增加斑块数量多且形状不规则度高的绿色基础设施（公园、人工湿地）,南部区域需增加阔叶林和针阔混交林的面积,提高景观异质性,以此缓解权衡压力。（5）未来30年,长白山区生态系统服务总体呈上升趋势,其中土壤保持量、碳储量和生境质量将增加5.98%、6.43%和18.23%,而产水量将继续下降2.16%。通过SEM模型分析多影响因子对生态系统服务的驱动路径及贡献,发现植被覆盖率对四种服务都有显著的促进作用,降水对产水量、土壤保持量和碳储量有显著的促进作用,城市扩张则对土壤保持量、碳储量和生境质量有显著的抑制作用,蒸散发和温度只对产水量有显著的抑制作用,地形因素也只对土壤保持量和生境质量有显著的抑制作用。总体来说,未来30年生态系统服务变化主要受植被覆盖和降水的驱动。综上所述,长白山区过去30年生态系统供给和支持服务呈现下降趋势、调节服务呈上升趋势,而未来30年生态系统服务总体呈上升趋势。过去生态系统服务变化主要受LUCC及其与气候变化的交互作用的影响,而未来变化趋势主要受降水和植被覆盖率的影响。长白山区生态系统服务间呈整体上协同关系,局部权衡关系,通过景观格局配置的合理优化可有效减缓这些权衡关系,以实现长白山区生态系统服务达到最佳效益。本研究为长白山区生态系统服务综合效益持续提升及资源合理利用与配置提供科学依据,也为提升东北地区生态安全屏障功能提供理论基础。
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