气候和土地利用变化共同驱动青海海南、海北州生态系统服务的时空变化

doi:10.11686/cyxb2021470

摘要/Abstract

摘要：

明确生态系统服务时空变化及驱动因素是认识生态系统服务维持和提升的基础。高寒地区是生态系统服务供给的热点，同时也是气候变化的敏感、脆弱区。土地利用和气候变化在高寒生态系统服务时空变化中的作用尚缺少系统性研究。因此，本研究基于生态系统服务模型和广义线性模型，以青藏高原东北部的海南、海北州为案例，评估了2000-2015年7项生态系统服务及生态系统多服务性的时空变化，并分析各驱动因素的相对重要性及气候与土地利用变化的相互作用。结果表明：从2000到2015年，生态系统服务总体呈南部增加，北部减少的趋势。食物供给受土地利用变化影响最大（相对贡献=34%），净生态系统生产力（NEP）受温度变化的影响最大（相对贡献=77%），水质净化（氮保留、磷保留）、土壤保持、水源供给、水源涵养受降水变化的影响最大（相对贡献分别为63%、48%、74%、86%和75%），生态系统多服务性受降水变化影响最大。本研究中，除土壤保持外，气候（降水、温度）变化对其他生态系统服务及生态系统多服务性的作用随土地利用变化而变化（交互作用，P<0.001）。结果表明，实现生态系统服务可持续发展不仅要关注土地利用变化，同时应关注气候与土地利用变化的相互作用，优化生态系统服务的时空配置，以提升高寒地区生态系统的多服务性。

关键词: 生态系统服务, 生态系统多服务性, 气候变化, 土地利用变化, 人口密度变化

Abstract:

Evaluating the spatial-temporal dynamics and driving factors of ecosystem services is fundamental to the understanding of how to maintain and improve those ecosystem services. Alpine regions are both a hotspot of ecosystem service supply， and sensitive and vulnerable to climate change. However， there are few systematic studies investigating the joint role of land-use change and climate change in shaping the spatial-temporal dynamics of alpine ecosystem services. Here， we first used models of ecosystem services to quantify changes in seven ecosystem services and in ecosystem multiserviceability from 2000 to 2015 in Haibei and Hainan Tibetan Autonomous Prefectures on the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau. Next， we investigated the relative importance of climate change， population density change， land-use change and the interactions between climate change and land-use change effects on ecosystem services using generalized linear models. We found that ecosystem services increased in the south while decreased in the north from 2000 to 2015. Land use change （relative contribution was 34%） was the major factor affecting food supply. Net ecosystem productivity （NEP） was affected by temperature change （relative contribution was 77%）. Water purification （nitrogen and phosphorus retention）， soil retention， water yield and water retention were affected by precipitation change （relative contributions were 63%， 48%， 74%， 86% and 75%， respectively）. Ecosystem multiserviceability was also affected by precipitation. In addition to the service of soil retention， the effects of climate change （i.e. precipitation and temperature） on other ecosystem services and ecosystem multiserviceability varied with land-use change （interaction， P<0.001）. Our study highlights that realizing the sustainable development of ecosystem services needs to pay attention to both land-use change and the interactions between climate change and land-use change and optimizing the spatial-temporal allocation of ecosystem services to improve ecosystem multiserviceability in alpine regions.

Key words: ecosystem services, ecosystem multiserviceability, climate change, land-use change, population density change

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图/表 7

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数据 Data	缩写 Abbreviation	分辨率 Resolution	年份 Year	数据来源 Data source
数字高程模型Digital elevation model	DEM	30 m	-	谷歌地球引擎Google Earth Engine （SRTM V3）
植被归一化指数Normalized difference vegetation index	NDVI	250 m	2000，2015	谷歌地球引擎Google Earth Engine （MOD13Q1.006）
叶面积指数Leaf area index	LAI	500 m	2000，2015	谷歌地球引擎Google Earth Engine （GEE）（MOD15A2H.006）
净初级生产力Net primary production	NPP	500 m	2000，2015	美国国家航空航天局地球观测系统数据与信息中心NASA’s Earth Observing System Data and Information System （https：//doi.org/10.5067/MODIS/MOD17A3HGF.006）
土地利用Land-use	-	1 km	2000，2015	资源环境科学与数据中心Resource and Environment Science and Data Center （https：//www.resdc.cn/Default.aspx）
土壤数据Soil data	-	1 km	-	世界土壤数据库Harmonized World Soil Database （http：//www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/）
行政边界数据Administrative boundaries data	-	-	2017	国家青藏高原科学数据中心National Tibetan Plateau/Third Pole Environment Data Center （http：//data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）
降水Precipitation	Precip	-	2000，2015	中国气象数据网China Meteorological Data Service Center （http：//data.cma.cn）
温度Temperature	Tem	-	2000，2015	中国气象数据网China Meteorological Data Service Center （http：//data.cma.cn）
人口密度Population density	PD	1 km	2000，2015	世界人口数据库World Population Database （https：//www.worldpop.org/project/categories？id=3）
农产品、畜产品Farm and livestock products	-	-	2000，2015	青海统计年鉴Qinghai Statistical Yearbook

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叶面积指数Leaf area index	LAI	500 m	2000，2015	谷歌地球引擎Google Earth Engine （GEE）（MOD15A2H.006）
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降水Precipitation	Precip	-	2000，2015	中国气象数据网China Meteorological Data Service Center （http：//data.cma.cn）
温度Temperature	Tem	-	2000，2015	中国气象数据网China Meteorological Data Service Center （http：//data.cma.cn）
人口密度Population density	PD	1 km	2000，2015	世界人口数据库World Population Database （https：//www.worldpop.org/project/categories？id=3）
农产品、畜产品Farm and livestock products	-	-	2000，2015	青海统计年鉴Qinghai Statistical Yearbook

年份 Year	土地利用方式 Type of land-use	2015								减少 Decrease
		草地Grassland			耕地 Cropland	林地 Woodland	水域 Water	城乡用地 Built-up land	未利用土地 Unused land
		HC	MC	LC	耕地 Cropland	林地 Woodland	水域 Water	城乡用地 Built-up land	未利用土地 Unused land
2000	HC	9268	31	6	56	3	9	3	0	108
	MC	202	21173	35	37	0	14	22	0	310
	LC	14	74	13172	21	0	11	30	7	157
	耕地Cropland	6	2	0	2706	0	4	7	0	19
	林地Woodland	7	0	2	5	8667	19	0	0	33
	水域Water	1	0	0	0	0	5880	1	22	24
	城乡用地Built-up land	0	0	0	0	0	0	137	0	0
	未利用土地Unused land	7	12	27	2	0	67	7	16285	122
增加Increase		237	118	71	121	3	124	70	29
净增加Net increase		129	-192	-86	102	-30	100	70	-93

年份 Year	土地利用方式 Type of land-use	2015								减少 Decrease
		草地Grassland			耕地 Cropland	林地 Woodland	水域 Water	城乡用地 Built-up land	未利用土地 Unused land
		HC	MC	LC	耕地 Cropland	林地 Woodland	水域 Water	城乡用地 Built-up land	未利用土地 Unused land
2000	HC	9268	31	6	56	3	9	3	0	108
	MC	202	21173	35	37	0	14	22	0	310
	LC	14	74	13172	21	0	11	30	7	157
	耕地Cropland	6	2	0	2706	0	4	7	0	19
	林地Woodland	7	0	2	5	8667	19	0	0	33
	水域Water	1	0	0	0	0	5880	1	22	24
	城乡用地Built-up land	0	0	0	0	0	0	137	0	0
	未利用土地Unused land	7	12	27	2	0	67	7	16285	122
增加Increase		237	118	71	121	3	124	70	29
净增加Net increase		129	-192	-86	102	-30	100	70	-93

因素 Factor	食物供给 Food supply	净生态系统生产力NEP	氮保留 N retention	磷保留 P retention	土壤保持 Soil retention	水源供给 Water yield	水源涵养 Water retention	MESLI
降水Precipitation （P）	-0.140***	-0.025***	0.461***	0.300***	0.526***	1.016***	0.535***	0.782***
温度Temperature （T）	0.217***	0.394***	0.098***	0.110***	0.029***	-0.383***	-0.001	0.019***
人口密度Population density	0.009***	-0.013***	-0.009***	-0.008***	0.008***	0.008***	-0.001	-0.003**
土地利用Land-use （L）	0.161***	0.034***	0.157***	0.213***	-0.003	0.040***	0.049***	0.104***
降水×土地利用P×L	-0.207***	0.042***	-0.014***	-0.077***	-0.012***	0.050***	0.052***	0.042***
温度×土地利用T×L	0.145***	-0.024***	-0.035***	0.035***	-0.005	-0.079***	-0.044***	-0.074***