基于"簇"和布尔网络的汾河上游流域生态系统服务权衡与协同研究

Quantification of the tradeoffs and synergies among ecosystem services is key to exploration of generating mechanisms of ecosystem services, and conducive to prudent ecological management policies. The Upper Fenhe watershed is the only water source for Taiyuan City, the capital of Shanxi Province, and provides an important ecological shelterbelt for Jinzhong basin. This study take the Upper Fenhe watershed as a study area, mapping the ecosystem services of water conservation, soil conservation, water yield, water purification, NPP production, and agricultural production for the past 30 years, by application of InVEST model backed up by on-spot investigation, field surveying, and statistical data collecting. By combining the methods of "bundle" and Boolean network, this study plans to quantify the spatial pattern and temporal dynamics of tradeoffs and synergies among ecosystem services. The driving mechanism is also explored by CCA and matrix iteration methods. The study attempts to make breakthroughs in: (1) establishing a framework quantifying tradeoffs and synergies among ecosystem services, and (2)exploring the driving mechanisms underlying these tradeoffs and synergies.

生态系统服务权衡协同研究是深入理解生态系统服务机理，拓展和深化地理学和生态学过程研究的核心议题，也是制定生态管理策略，实现社会经济可持续发展的关键。汾河上游流域是山西省会太原市唯一的水源涵养地和晋中盆地重要的生态屏障；本研究以汾河上游流域为研究区，在ArcGIS软件支持下，通过定点观测、野外调查、统计资料收集，采用InVEST模型模拟，对过去30多年水源涵养、土壤保持、产水量，水质净化、植被净初级生产、农产品生产等生态系统服务进行定量制图；基于"服务簇"和布尔网络对生态系统服务权衡和协同关系的空间格局和时间动态进行定量分析；采用典型相关分析和矩阵迭代方法，对权衡和协同驱动机制进行探讨。试图在两个方面有所突破：(1)构建生态系统服务权衡/协同定量分析框架；(2)生态系统服务权衡/协同驱动机制定量分析方法。

生态系统服务权衡协同关系研究是制定生态系统管理策略、实现经济社会可持续发展的关键。本项目以汾河上游流域为研究区，基于野外调研、遥感影像、社会经济数据收集等，以ArcGis软件为手段，采用InVEST等生态学模型及典型相关、“簇”等方法，对泥沙截持、产水量、净第一生产力(NPP)、固碳释氧、粮食生产等生态系统服务相互关系及驱动进行了定量研究。主要包括：(1)退耕还林期间，汾河上游流域泥沙截持服务和粮食生产减少，产水量、NPP、固碳释氧服务增加；人类活动强度(HAI)由0.19增长到0.21。相关性分析表明：人类活动强度与泥沙截持、产水服务呈现极显著正相关(r=0.637**和r=0.656**)；典型相关分析表明：泥沙截持和产水服务受日照、相对湿度、降雨等自然因子的影响，NPP和固碳释氧受温度和坡向影响。(2)提出基于过程的土壤生态系统服务评估及管理框架：①基于土壤质地的土壤自然资本属性分析；②土壤生态系统服务服务潜在关联及过程分析；③基于野外观测及空间模型的土壤生态系统服务评估；④基于生态系统服务及驱动因子的土壤生态系统管理措施。以汾河上游流域为案例，采用EPIC模型分析土壤抗侵蚀性、采用Saxton模型分析土壤植物可利用水分(PAWC)；基于Budyko方程分析产水服务；整合社会经济因素，对流域进行分区并提出管理策略。(3)结合黄土高原尺度，对服务权衡协同尺度效应进行研究：随着尺度的增加，生态系统服务关系减弱；小尺度下自然因素(降雨、日照时数、温度)驱动作用更强，大尺度下社会经济因素(人口、粮食生产、非农产值)驱动效应显现；(4)运用网格分析和空间自相关等方法，对汾河上游流域生态系统服务时空变化特征及流域景观破碎化空间分异规律进行分析，基于GeoDA软件探讨流域景观破碎化与生态系统服务的相关关系。截止结题，本项目发表学术论文共8篇，SCI6篇，其中SCI1区1篇，SCI2区2篇，SCI3区3篇。培养研究生4名，参加七次学术会议交流(两次国际会议)，预计还有4篇与本项目相关的论文发表，顺利地完成项目预期结果。