Spatio-temporal evolution of grassland ecosystem service value in Inner Mongolia under multi scenario simulation

doi:10.11686/cyxb2022358

Abstract

Abstract:

This research explored the ecosystem service value spatio-temporal evolution mechanisms caused by grassland use change under multiple scenarios. Such information is important for improving grassland ecosystem service value and maintaining regional ecological security. We first measured and analyzed the changes in different types of grassland use and grassland ecosystem service value in Inner Mongolia from 2010 to 2020 based on the comprehensive sequential classification of grassland （CSCS） and the estimation method of ecosystem service value （ESV）. Next， we used the PLUS model to simulate the utilization of various types of grassland under sustainable development， grassland protection and balanced development scenarios， and estimated the service value of the grassland ecosystems. Last， we compared and analyzed the aggregation of grassland ecosystem service values under the three scenarios based on hot spot analysis and spatial grid tools. We found that： 1） The service value of grassland ecosystems in Inner Mongolia shows an increasing trend， with a total increase of 10.14 billion CNY from 2010 to 2020， with the main contributions being from hilly desert grassland and hilly meadow grassland. 2） As assessed in 2020， the service value of grassland ecosystems under the three simulation scenarios of continuous development， grassland protection and balanced development has increased in varying degrees， among which the ecosystem service value of western grassland under the grassland protection scenario has increased the most. 3） The localities of high and low grassland ecosystem service value under the three simulation scenarios are characterized by wide distribution and aggregation， and the high value localities typically show a decentralized aggregation around small areas. The results provide a scientific basis for planning the restoration of grassland ecosystem balance and ecological security in the study area.

Key words: grassland ecosystem, ecosystem service value, multi scenario simulation, Inner Mongolia

Xue-min LI, Tong-ning LI, Zhi-yu WU, Zhen-guo WU. Spatio-temporal evolution of grassland ecosystem service value in Inner Mongolia under multi scenario simulation[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(8): 14-27.

Figures/Tables 10

References 39

1	Zhao T Q， Ouyang Z Y， Zheng H， et al. Analyses on grassland ecosystem services and its indexes for assessment. Chinese Journal of Ecology， 2004， 23（6）： 150-160.
	赵同谦，欧阳志云，郑华，等. 草地生态系统服务功能分析及其评价指标体系. 生态学杂志， 2004， 23（6）： 150-160.
2	Jiang L P， Qin Z H， Xie W， et al. Estimation of grassland ecosystem services value of China using remote sensing date. Journal of Natural Resources， 2007， 22（2）： 161-170.
	姜立鹏，覃志豪，谢雯，等. 中国草地生态系统服务功能价值遥感估算研究. 自然资源学报， 2007， 22（2）： 161-170.
3	Xie G D， Zhang C X， Zhang C S， et al. The value of ecosystem services in China. Resources Science， 2015， 37（9）： 1740-1746.
	谢高地，张彩霞，张昌顺，等. 中国生态系统服务的价值. 资源科学， 2015， 37（9）： 1740-1746.
4	Liu X Y， Mu Y T. Research progress in the ecosystem services function and value of grasslands. Acta Prataculturae Sinica， 2012， 21（6）： 286-295.
	刘兴元，牟月亭. 草地生态系统服务功能及其价值评估研究进展. 草业学报， 2012， 21（6）： 286-295.
5	Costanza R， d’Arge R， Groot R D， et al. The value of the world’s ecosystem services and natural capital. Nature， 1997， 387（15）： 253-260.
6	Guan Q C， Hao J M， Shi X J， et al. Study on the changes of ecological land and ecosystem service value in China.Journal of Natural Resources， 2018， 33（2）： 195-207.
	管青春，郝晋珉，石雪洁，等. 中国生态用地及生态系统服务价值变化研究. 自然资源学报， 2018， 33（2）： 195-207.
7	Tu X S， Long H L. Spatial patterns and dynamic evolution of ecosystem service values in Poyang Lake region from 2000 to 2010. Resources Science， 2015， 37（12）： 2451-2460.
	涂小松，龙花楼. 2000-2010年鄱阳湖地区生态系统服务价值空间格局及其动态演化. 资源科学， 2015， 37（12）： 2451-2460.
8	Adekola O， Mitchell G， Grainger A. Inequality and ecosystem services： The value and social distribution of Niger Delta wetland services. Ecosystem Services， 2015， 12： 42-54.
9	Luisetti T， Turner R K， Jickells T， et al. Coastal zone ecosystem services： From science to values and decision making； a case study. Science of the Total Environment， 2014， 493（15）： 682-693.
10	Benis N， Egoh， Belinda R， et al. Identifying priority areas for ecosystem service management in South African grasslands. Journal of Environmental Management， 2011， 92（6）： 1642-1650.
11	Kubiszewski I， Costanza R， Anderson S， et al. The future value of ecosystem services： Global scenarios and national implications-science direct. Ecosystem Services， 2017， 26： 289-301.
12	Du Y， Shui W， Sun X R， et al. Scenario simulation of ecosystem service trade-offs in bay cities： A case study in Quanzhou， Fujian Province， China. Chinese Journal of Applied Ecology， 2019， 30（12）： 4293-4302.
	杜勇，税伟，孙晓瑞，等. 海湾型城市生态系统服务权衡的情景模拟——以福建省泉州市为例. 应用生态学报， 2019， 30（12）： 4293-4302.
13	Ouyang X， He Q Y， Zhu X. Simulation of impacts of urban agglomeration land use change on ecosystem services value under multi-scenarios： Case study in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration. Economic Geography， 2020（1）： 93-102.
	欧阳晓，贺清云，朱翔. 多情景下模拟城市群土地利用变化对生态系统服务价值的影响——以长株潭城市群为例. 经济地理， 2020（1）： 93-102.
14	Zhang X F， Niu J M， Zhang Q， et al. Spatial pattern of water conservation function in grassland ecosystem in the Xilin River Basin， Inner Mongolia. Arid Zone Research， 2016， 33（4）： 814-821.
	张雪峰，牛建明，张庆，等. 内蒙古锡林河流域草地生态系统水源涵养功能空间格局. 干旱区研究， 2016， 33（4）： 814-821.
15	Bai Y F， Zhao Y J， Wang Y， et al. Assessment of ecosystem services and ecological regionalization of grasslands support establishment of ecological security barriers in Northern China. Bulletin of Chinese Academy of Sciences， 2020， 35（6）： 675-689.
	白永飞，赵玉金，王扬，等. 中国北方草地生态系统服务评估和功能区划助力生态安全屏障建设. 中国科学院院刊， 2020， 35（6）： 675-689.
16	Liu J Y， Kuang W H， Zhang Z X， et al. Spatiotemporal characteristics， patterns and causes of land use changes in China since the late 1980s. Acta Geographica Sinica， 2014， 24（2）： 195-210.
	刘纪远，匡文慧，张增祥，等. 20世纪80年代以来中国土地利用变化的基本特征与空间格局. 地理学报， 2014， 24（2）： 195-210.
17	Ma X L， Li W J， Chen Q G.Preliminary exploration of native grassland classification of Gansu Province based on GIS and comprehensive and sequential grassland classification method. Pratacultural Science， 2009， 26（5）： 7-13.
	马轩龙，李文娟，陈全功. 基于GIS与草原综合顺序分类法对甘肃省草地类型的划分初探. 草业科学， 2009， 26（5）： 7-13.
18	Lin H L， Fan D， Feng Q S， et al. New focus for the study of the comprehensive sequential classification system for grassland： A review from 2008 to 2020 and prospects for future research. Acta Prataculturae Sinica， 2021， 30（10）： 201-213.
	林慧龙，范迪，冯琦胜，等. 草地综合顺序分类法研究新热点： 2008-2020年回顾与展望. 草业学报， 2021， 30（10）： 201-213.
19	Hu Z Z. Introduction to grassland taxonomy. Beijing： China Agriculture Press， 1997.
	胡自治. 草原分类学概论. 北京：中国农业出版社， 1997.
20	Cheng W M， Zhou C H， Chai H X， et al. Quantitative extraction and analysis of basic morphological types of land geomorphology in China. Journal of Geo-information Science， 2009， 11（6）： 725-736.
	程维明，周成虎，柴慧霞，等. 中国陆地地貌基本形态类型定量提取与分析. 地球信息科学， 2009， 11（6）： 725-736.
21	Zhao B B， Cheng Y F， Ding S J， et al. Statistical unit of relief amplitude in China based on SRTM-DEM. Journal of Hydraulic Engineering， 2015， 46（1）： 284-290.
	赵斌滨，程永锋，丁士君，等. 基于SRTM-DEM的我国地势起伏度统计单元研究. 水利学报， 2015， 46（1）： 284-290.
22	Xie G D， Lu C X， Leng Y F， et al. Ecological assets valuation of the Tibetan Plateau. Journal of Natural Resources， 2003， 18（2）： 186-196.
	谢高地，鲁春霞，冷允法，等. 青藏高原生态资产的价值评估. 自然资源学报， 2003， 18（2）： 186-196.
23	Xie G D， Zhang C X， Zhang L M， et al. Improvement of the evaluation method for ecosystem service value based on per unit area. Journal of Natural Resources， 2015， 30（8）： 1244-1254.
	谢高地，张彩霞，张雷明，等. 基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进. 自然资源学报， 2015， 30（8）： 1244-1254.
24	Song J， Wen L， Wang F G， et al. Spatiotemporal dynamics of ecosystem service value in Ulan Buh desert. Acta Ecologica Sinica， 2021， 41（6）： 2201-2211．
	宋洁，温璐，王凤歌，等. 乌兰布和沙漠生态系统服务价值时空动态. 生态学报， 2021， 41（6）： 2201-2211.
25	Liang X， Guan Q， Clarke K C， et al. Understanding the drivers of sustainable land expansion using a patch-generating land use simulation （PLUS） model： A case study in Wuhan， China. Computers Environment and Urban Systems， 2021， 85： 101569.
26	Gounaridis D， Chorianopoulos I， Symeonakis E. A random forest-cellular automata modelling approach to explore future land use/cover change in Attica （Greece）， under different socio-economic realities and scales. Cell Host & Microbe， 2017， 21（6）： 769-776.
27	Getis A， Ord J K. The analysis of spatial association by use of distance statistics. Geographical Analysis， 1992， 24（3）： 189-206.
28	Anselin L. Local indicators of spatial association-LISA. Geographical Analysis， 1995， 27（2）： 93-115.
29	An H， Xu K. The effect of grazing disturbance on soil properties in desert steppe. Acta Prataculturae Sinica， 2013， 22（4）： 35-42.
	安慧，徐坤. 放牧干扰对荒漠草原土壤性状的影响. 草业学报， 2013， 22（4）： 35-42.
30	Wang M J， Zhao M L， Cui G W， et al. Effect of grazing intensities on vegetation and soil in meadow steppe. Acta Agrestia Sinica， 2010， 18（6）： 758-762.
	王明君，赵萌莉，崔国文，等. 放牧对草甸草原植被和土壤的影响. 草地学报， 2010， 18（6）： 758-762.
31	Zhao C Z， Long R J， Ma Y H， et al. The impact of the institution of grassland property right on overgrazing——A case from Hongshiwo countryside Sunan county Gansu. Acta Prataculturae Sinica， 2005， 14（1）： 1-5.
	赵成章，龙瑞军，马永欢，等. 草地产权制度对过度放牧的影响——以肃南县红石窝乡的调查为例. 草业学报， 2005， 14（1）： 1-5.
32	Gu Y C， Li W J. Research on the “Grazing Ban” policy’s effect to grassland quality： Analysis on the scale of herdsman households. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis， 2013， 49（2）： 288-296.
	谷宇辰，李文军. 禁牧政策对草场质量的影响研究——基于牧户尺度的分析. 北京大学学报（自然科学版）， 2013， 49（2）： 288-296.
33	Zhao X Y， Sun C Q. Restoration ecology and its advance. Advance in Earth Sciences， 1998（5）： 61-67.
	赵晓英，孙成权. 恢复生态学及其发展. 地球科学进展， 1998（5）： 61-67.
34	Wang N， Yang G， Han X Y， et al. Land use change and ecosystem service value in Inner Mongolia from 1990 to 2018. Journal of Soil and Water Conservation， 2020， 34（5）： 244-250.
	王宁，杨光，韩雪莹，等. 内蒙古1990-2018年土地利用变化及生态系统服务价值. 水土保持学报， 2020， 34（5）： 244-250.
35	Yang C， Zhu Z Y， Sun X S， et al. Review on the grassland ecological protection and complement policy. World Agriculture， 2019（11）： 4-11.
	杨春，朱增勇，孙小舒，等. 中国草原生态保护补助奖励政策研究综述. 世界农业， 2019（11）： 4-11.
36	Liu G B， Shangguan Z P， Yao W Y， et al. Ecological effects of soil conservation in Loess Plateau. Bulletin of Chinese Academy of Sciences， 2017， 32（1）： 11-19.
	刘国彬，上官周平，姚文艺，等. 黄土高原生态工程的生态成效. 中国科学院院刊， 2017， 32（1）： 11-19.
37	Piao S L， Yin G D， Tan J G， et al. Detection and attribution of vegetation greening trend in China over the last 30 years. Global Change Biology， 2015， 21（4）： 1601-1609.
38	Xu X Y， Sun S Q， Xue D Y， et al. Ecosystem service value and its spatial response to human interference on the basis of terrain gradient in Gannan region， China. Acta Ecologica Sinica， 2019， 39（1）： 97-107.
	徐煖银，孙思琦，薛达元，等. 基于地形梯度的赣南地区生态系统服务价值对人为干扰的空间响应. 生态学报， 2019， 39（1）： 97-107.
39	Wen L Y， Zhang B B， Kong X B， et al. Construction and calculation of cultivated land protection compensation framework based on regional coordination in China. Journal of China Agricultural University， 2021， 26（7）： 155-171.
	温良友，张蚌蚌，孔祥斌，等. 基于区域协同的我国耕地保护补偿框架构建及其测算. 中国农业大学学报， 2021， 26（7）： 155-171.

数据类型 Data type	精度/格式 Precision/format	数据来源 Data sources
土地利用数据Land-use and land-cover change	30 m	中国科学院资源与环境科学数据中心Resource and Environment Science and Data Center （http：//www.resdc.cn）
GDP空间分布km网格数据 km grid data of GDP spatial distribution	1 km
人口空间分布km网格数据 km grid data of population spatial distribution	1 km
降水、气温等气象数据 Precipitation and temperature data	文本Textual data	国家气象科学数据中心National Climatic Data Center （http：//data.cma.cn/）
1∶100万行政区划数据 1∶1 million administrative division data	矢量数据Vector data	全国地理信息系统资源目录服务系统National Catalogue Service for Geographic Information （https：//www.webmap.cn/main.do？method=index）
1∶25万全国基础地理数据 1∶250000 national basic geographic data	矢量数据Vector data
DEM数据Digital elevation model	30 m	地理空间数据云Geospatial Data Cloud （http：//www.gscloud.cn）
社会经济等数据Social economic data	文本Textual data	内蒙古自治区统计局Statistics Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region （http：//tj.nmg.gov.cn/）
全国主要粮食品种价格 Prices of major grain varieties in China	文本Textual data	国家粮食和物资储备局National Food and Strategic Reserves Administration （http：//www.lswz.gov.cn/）

数据类型 Data type	精度/格式 Precision/format	数据来源 Data sources
土地利用数据Land-use and land-cover change	30 m	中国科学院资源与环境科学数据中心Resource and Environment Science and Data Center （http：//www.resdc.cn）
GDP空间分布km网格数据 km grid data of GDP spatial distribution	1 km
人口空间分布km网格数据 km grid data of population spatial distribution	1 km
降水、气温等气象数据 Precipitation and temperature data	文本Textual data	国家气象科学数据中心National Climatic Data Center （http：//data.cma.cn/）
1∶100万行政区划数据 1∶1 million administrative division data	矢量数据Vector data	全国地理信息系统资源目录服务系统National Catalogue Service for Geographic Information （https：//www.webmap.cn/main.do？method=index）
1∶25万全国基础地理数据 1∶250000 national basic geographic data	矢量数据Vector data
DEM数据Digital elevation model	30 m	地理空间数据云Geospatial Data Cloud （http：//www.gscloud.cn）
社会经济等数据Social economic data	文本Textual data	内蒙古自治区统计局Statistics Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region （http：//tj.nmg.gov.cn/）
全国主要粮食品种价格 Prices of major grain varieties in China	文本Textual data	国家粮食和物资储备局National Food and Strategic Reserves Administration （http：//www.lswz.gov.cn/）

项目 Item	2010		2015		2020
项目 Item	面积Area （km²）	占比Proportion （%）	面积Area （km²）	占比Proportion （%）	面积Area （km²）	占比Proportion （%）
平原荒漠草地Plain desert grassland	8736.45	1.85	8631.44	1.84	18344.72	3.49
丘陵荒漠草地Hilly desert grassland	2782.25	0.59	2801.57	0.60	4233.94	0.80
山地荒漠草地Mountain desert grassland	17.78	0.00	17.23	0.00	12.99	0.00
平原荒漠草原草地Plain desert steppe type rangeland	124566.62	26.45	124478.13	26.50	125372.44	23.83
丘陵荒漠草原草地Hilly desert steppe type rangeland	115170.74	24.45	115268.46	24.54	115604.15	21.98
山地荒漠草原草地Mountain desert steppe type rangeland	2846.12	0.60	2928.80	0.62	3348.51	0.64
平原典型草原草地Plain typical steppe grassland	65499.92	13.91	64917.12	13.82	69366.88	13.19
丘陵典型草原草地Hilly typical steppe grassland	91458.81	19.42	91263.12	19.43	96634.11	18.37
山地典型草原草地Mountain typical steppe grassland	6759.95	1.44	6757.02	1.44	10453.77	1.99
平原草甸草地Plain meadow steppe grassland	6998.23	1.49	6921.81	1.47	10663.73	2.03
丘陵草甸草地Hilly meadow steppe grassland	40928.04	8.69	40551.82	8.63	63400.72	12.05
山地草甸草地Mountain meadow steppe grassland	5263.02	1.12	5204.42	1.11	8632.32	1.64
总计Total	471027.93	-	469740.94	-	526068.28	-

项目 Item	2010		2015		2020
项目 Item	面积Area （km²）	占比Proportion （%）	面积Area （km²）	占比Proportion （%）	面积Area （km²）	占比Proportion （%）
平原荒漠草地Plain desert grassland	8736.45	1.85	8631.44	1.84	18344.72	3.49
丘陵荒漠草地Hilly desert grassland	2782.25	0.59	2801.57	0.60	4233.94	0.80
山地荒漠草地Mountain desert grassland	17.78	0.00	17.23	0.00	12.99	0.00
平原荒漠草原草地Plain desert steppe type rangeland	124566.62	26.45	124478.13	26.50	125372.44	23.83
丘陵荒漠草原草地Hilly desert steppe type rangeland	115170.74	24.45	115268.46	24.54	115604.15	21.98
山地荒漠草原草地Mountain desert steppe type rangeland	2846.12	0.60	2928.80	0.62	3348.51	0.64
平原典型草原草地Plain typical steppe grassland	65499.92	13.91	64917.12	13.82	69366.88	13.19
丘陵典型草原草地Hilly typical steppe grassland	91458.81	19.42	91263.12	19.43	96634.11	18.37
山地典型草原草地Mountain typical steppe grassland	6759.95	1.44	6757.02	1.44	10453.77	1.99
平原草甸草地Plain meadow steppe grassland	6998.23	1.49	6921.81	1.47	10663.73	2.03
丘陵草甸草地Hilly meadow steppe grassland	40928.04	8.69	40551.82	8.63	63400.72	12.05
山地草甸草地Mountain meadow steppe grassland	5263.02	1.12	5204.42	1.11	8632.32	1.64
总计Total	471027.93	-	469740.94	-	526068.28	-

草地类型 Grassland type	2010-2015		2015-2020
草地类型 Grassland type	ESV （×10⁸CNY）	变化Change （%）	ESV （×10⁸ CNY）	变化Change （%）
平原荒漠草地Plain desert grassland	-0.193	-1.20	17.888	112.53
丘陵荒漠草地Hilly desert grassland	0.036	0.69	2.638	51.13
山地荒漠草地Mountain desert grassland	-0.001	-3.09	-0.008	-24.61
平原荒漠草原草地Plain desert steppe type rangeland	-0.163	-0.07	1.647	0.72
丘陵荒漠草原草地Hilly desert steppe type rangeland	0.180	0.08	0.618	0.29
山地荒漠草原草地Mountain desert steppe type rangeland	0.152	2.91	0.773	14.33
平原典型草原草地Plain typical steppe grassland	-1.073	-0.89	8.195	6.85
丘陵典型草原草地Hilly typical steppe grassland	-0.360	-0.21	9.891	5.89
山地典型草原草地Mountain typical steppe grassland	-0.005	-0.04	6.808	54.71
平原草甸草地Plain meadow steppe grassland	-0.141	-1.09	6.891	54.06
丘陵草甸草地Hilly meadow steppe grassland	-0.693	-0.92	42.079	56.34
山地草甸草地Mountain meadow steppe grassland	-0.108	-1.11	6.313	65.87
总计Total	-2.370	-0.27	103.733	11.99