城市化进程中森林生态系统服务及互作关系时空演化特征的驱动机制

Urban forest is known as an important component of urban ecosystems, and its ecosystem structures and functions have been greatly altering by rapid urban expansion. Spatial-temporal dynamics and their driving mechanism of ES&I (ecosystem services and their interaction) is the basis of ecosystem management, but current research is still unclear, especially the influence mechanism of urban expansion on forest ecosystem services. In future urban development, an urgent issue is to coordinate urban development and ecological protection. In this program, a typical National Historical and Cultural City, Yangzhou City, will be taken as a case study to analyze the relationships between urban expansion and forest ecosystem services. Specifically, using 5 different periods (1990, 1995, 2000, 2005, 2010) Landsat TM/ETM data and other multi-source data (e.g. climatic data, edaphic data, socioeconomic data and literature data), we endeavor to (1) examine spatial-temporal dynamics of ES&I, (2) explore driving mechanism of spatial-temporal dynamics at both landscape and township scales, and (3) identify hotspots and coldspots of ES&I. Several advanced methods will be employed such as pattern comparison, Boolean network model and boosted regression trees. The program will quantitatively evaluate effects of urban expansion on ecosystem services, and also has significances in regulating ecological questions induced by urban expansion.

作为城市生态系统重要组成的城市森林，其生态系统结构与功能在城市扩张中已经受到了严重影响。生态系统服务及互作关系的时空演变特征与驱动机制虽然是开展生态系统管理的理论基础，但目前的研究还有待深入，特别是城市化对森林生态系统服务的影响机制。如何协调城市扩张和生态保护是未来城市发展过程中必须要解决的迫切问题。项目拟以国家历史文化名城的代表性城市——扬州市为例，基于5期扬州市Landsat TM/ETM遥感影像（1990、1995、2000、2005、2010）、气候数据、土壤数据、社会-经济数据、文献数据等资料，利用图形比较法、布尔网络模型、推进回归树等方法，研究城市化进程中森林生态系统服务及互作关系的时空演化特征，从景观和乡镇两个水平探讨自然和人为因素对生态系统服务及互作关系时空变异的影响机制。项目实施不仅定量评估城市扩张对生态系统服务的影响，而且对调控城市扩张造成的生态问题具有重要的科学意义。

项目以国家历史文化名城的代表性城市——扬州市为例，收集整理了长时间序列的Landsat TM/ETM卫星影像、气候数据、土壤数据、社会经济数据等资料，系统研究了城市化进程中扬州城市扩张及景观格局的演变特征，揭示了城市扩张及景观格局演变的关键驱动力，评估了1980-2015年扬州森林的典型生态系统服务（固碳功能、水源涵养、土壤保持、洪水调蓄等）并进行空间制图，明晰了每个时期单项和总体生态系统服务的时空特征，初步探讨了生态系统服务时空变异的驱动机制。研究发现，随着城市化水平的增加，景观破碎化程度先增加后减小，城市化水平35~45%时达到极值。在地理空间、社会和经济因子中，地理空间因子（如海拔、距县市核心区和建成区的距离）对景观格局的影响最大，但其相对影响呈下降的趋势，社会和经济因子的相对影响则逐渐增加。从1980到2015年，森林生态系统的固碳量、水源涵养量、土壤保持量和洪水调蓄量均呈逐年降低趋势，即从1980年的13.54×103 t、17.93亿m3、14.73亿t和7.12亿m3逐渐下降到2015年的12.48×103 t、15.01亿m3、14.56亿t和5.69亿m3。然而，这些服务却呈现不同的空间格局，如固碳量和土壤保持功能总体上呈现西南高东北低、由西南到东北逐渐递减特征；水源涵养和洪水调蓄功能总体上呈现西高东低、由西向东逐渐递减特征。当单位面积GDP低于0.23(约3.7×107元/km2)，显示出其对生态服务存在促进作用，虽然并不显著。然而，当单位面积GDP高于阈值0.23时，其对生态系统的影响则是显著的抑制作用。人口密度与生态服务也存在类似的非线性关系。建成区面积比例对生态服务存在显著的负影响，但没有任何阈值。这些结果表明，GDP和人口对生态服务的影响滞后于城市土地扩张的影响。此外，在本项目的资助下，还开展了城市森林植物多样性调查、林木生物量模型数据库建设等工作。迄今，发表论文3篇（SCI论文1篇），待发表论文3篇（SCI论文1篇），在审论文3篇（SCI论文1篇）；协助培养1名博士研究生（在读），培养3名硕士研究生（已毕业2名）和2名本科毕业生。