中國快速城市化干燥地區的生態系統服務權衡關系多尺度分析——以呼包鄂榆地區為例

孫澤祥, 劉志鋒, 何春陽, 鄔建國, 4

1 北京師范大學人與環境系統可持續性研究中心, 北京　100875 2 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京　100875 3 北京師范大學資源學院, 北京　100875 4 美國亞利桑那州立大學生命科學院和全球可持續性研究所,坦佩 亞利桑那州　85287

?

中國快速城市化干燥地區的生態系統服務權衡關系多尺度分析
——以呼包鄂榆地區為例

孫澤祥1, 3, 劉志鋒1,2, *, 何春陽1, 2, 鄔建國1, 2, 4

1 北京師范大學人與環境系統可持續性研究中心, 北京100875 2 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京100875 3 北京師范大學資源學院, 北京100875 4 美國亞利桑那州立大學生命科學院和全球可持續性研究所,坦佩 亞利桑那州85287

理解生態系統服務間的權衡關系對提高干燥地區人類福祉和實現區域可持續性具有重要的意義。但是,目前人們仍然缺乏對快速城市化干燥地區中生態系統服務權衡關系的多尺度理解。以呼包鄂榆地區這一正在經歷快速城市化的干燥地區為例,在城市群、區域和城市3個尺度上來探索生態系統服務間的權衡關系。對呼包鄂榆地區2010年的糧食生產、肉類生產、產水量、土壤保持和碳固持5種關鍵生態系統服務進行測量。利用相關分析法在3個尺度上對5種服務間的權衡關系進行分析。2010年呼包鄂榆地區產水量和土壤保持以及產水量和碳固持服務表現出顯著的權衡關系。其中,產水量和碳固持服務在城市群、農業區和鄂爾多斯市呈現明顯的權衡關系,產水量和土壤保持服務在城市群和農業區呈現明顯的權衡關系。快速城市化干燥地區中的生態系統服務權衡關系具有明顯的尺度效應,同一對生態系統服務在不同尺度上的權衡關系存在較大差異。這種差異主要是由區域人類活動和自然條件的空間異質性所致。研究結果有助于對呼包鄂榆地區生態系統服務權衡關系的認識,為該地區土地系統設計和可持續發展提供了必要的科學依據。

生態系統服務權衡；干燥地區；呼包鄂榆；城市化；多尺度分析

生態系統服務是人類從生態系統中所獲得的福利[1],是提高人類福祉和實現區域可持續性的基礎[2- 4]。生態系統服務權衡是指一種生態系統服務的提高以另一種或多種生態系統服務的降低為代價的現象[5- 7],是生態系統服務研究的核心論題之一[8]。近年來,農業開墾、森林砍伐和城市化等人類活動一方面增加了食物供給、木材供給和休憩等服務,另一方面也造成了碳固持、土壤保持和水源涵養等服務的下降,致使生態系統服務之間的權衡關系日益突出[9-10]。因此,理解生態系統服務間的權衡關系對提高人類福祉和實現區域可持續性具有重要的意義[8]。

目前,已經有多位學者分別在全球、大洲、國家、區域和流域等尺度上對生態系統服務間的權衡關系進行了研究[11- 15]。但從某一尺度上獲得的權衡關系往往與另一尺度上得到的權衡關系不一致。比如,Gordon和Enfors[16]在集水區尺度上的研究表明,糧食生產和土壤保持表現為協同關系,但Maes等[17]在整個歐洲大陸的研究表明,該對服務呈現權衡關系。究其原因,主要是生態系統服務供給與需求間的尺度不匹配以及自然條件與生態過程在不同尺度間的差異造成的[5,18]。這導致對生態系統服務權衡關系的認識存在一定局限性,無法準確引導管理者采取合適的措施來改善區域生態系統服務,以提高人類福祉和區域可持續性。因此,從多個尺度上定量表達和理解生態系統服務的權衡關系是當前生態系統服務和景觀/區域可持續性研究急需解決的問題[19-20]。

干燥地區是指以水資源短缺為主要特征,生產力和養分循環均受到供水量限制的地區,即年平均降水量與年平均潛在蒸散量之比小于0.65的地區[21]。全球干燥地區主要分布在亞洲中部和西部、歐洲東部、非洲北部、北美洲西部以及大洋洲,總面積6094.77萬km2,占全球陸地總面積的41.30%[21]。該地區具有生態環境脆弱、貧困人口集中、城市化迅速以及對氣候變化敏感等特點,是全球可持續發展中的關鍵區域之一[21]。中國干燥地區主要分布在中國西北、華北和東北地區,位于32°52′N—53°19′N,73°29′E—129°25′E之間,面積394.97萬km2,占陸地國土總面積的41.14%。中國干旱區一般指年降水量小于200mm,干燥度大于3.5的地區,面積約280萬km2,占國土總面積的29.17%[22]。中國干燥地區比中國干旱區的范圍更廣,是中國當前國土空間開發和生態文明建設的重點關注區域[23- 24]。近年來,隨著我國干燥地區城市化進程不斷加快,區域生態系統服務需求持續增加[25]。但受到自然條件的限制,干燥地區生態系統服務供給能力嚴重不足,致使生態系統服務供需矛盾日益突出,造成了人口貧困和環境退化等一系列社會經濟問題和生態環境問題,給區域的可持續發展帶來了壓力[26]。因此,準確掌握快速城市化干燥地區不同尺度上的生態系統服務權衡關系,對該區域的可持續發展具有重要意義[27-28]。

本研究的目的在于揭示快速城市化干燥地區主要生態系統服務的權衡關系及其尺度效應。為此,以正在經歷快速城市化的位于中國北方干燥地區的呼包鄂榆地區為例,在計算2010年糧食生產、肉類生產、產水量、土壤保持和碳固持等五項關鍵生態系統服務的基礎上,在城市群、區域和城市3個尺度上量化和比較了生態系統服務之間的權衡關系。

1　研究區和數據

1.1研究區

圖1　呼包鄂榆地區自然和社會經濟概況Fig.1　The natural and socio-economic characteristics of HBOY

呼包鄂榆地區位于中國北方干燥地區中部,在北緯36°48′50″—42°44′5″、東經106°28′16″—122°18′7″之間,包括呼和浩特、包頭、鄂爾多斯和榆林4個城市,總面積17.46萬km2(圖1)。該地區地勢從西北向東南微傾,平均海拔約1300 m,地貌類型主要包括山地、平原、沙漠和丘陵等。呼包鄂榆地區氣候類型為溫帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫約為8 ℃,多年平均降水量約為320 mm。近50年的氣象觀測數據顯示,該地區呈現出明顯的暖干化趨勢,降水量總體呈現下降趨勢,溫度總體呈上升趨勢(圖1)。

自20世紀80年代以來,呼包鄂榆地區經歷了快速的城市化。1990—2010年,該地區非農業人口從239.87萬人增加到了462.13萬人,增長了92.66%,非農業人口占總人口的比例從26.79%增加到了43.33%,增加了16.54個百分點(圖1)。同時,城市建成區面積從1990年的237 km2增加到了2010年的514 km2,增長了1.17倍[29-30]。區域GDP從1990年的102.06億元增加到2010年的2156.58億元(按照1990年不變價格計算),增長了20倍。其中第二產業占GDP的比重從1990年的45.90%增加到了2010年的54.63%,增加了8.73個百分點；第三產業占GDP的比重從1990年的32.86%增加到了2010年的41.69%,增長了8.83個百分點[31-34]。

1.2數據

使用的數據包括呼包鄂榆地區土地利用/覆蓋數據、氣象站點數據、歸一化植被指數(NDVI)數據、土壤屬性數據、數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數據、統計數據和基礎地理信息數據7類。

2010年土地利用/覆蓋數據來源于GlobeLand30數據集(http://www.globallandcover.com/)。該數據是以Landsat遙感影像和中國環境減災衛星(HJ- 1)的多光譜影像為主要數據源,在參考大量輔助數據的基礎上通過遙感分類獲得,空間分辨率為30 m,總體精度為80.33%,Kappa系數為0.75[35]。數據包含耕地、森林、草地、灌叢地、水體、濕地、人造覆蓋和裸地等8種類型。為了便于計算生態系統服務,參考Liu等[36]的研究,將上述8種土地利用/覆蓋類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類(圖1)。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.gov.cn/),包括研究區及其周邊200 km范圍內55個氣象站點在2010年的氣溫和降水等信息。參考Hutchinson[37]的研究,對數據進行薄板平滑樣條(Thin Plate Spline)插值,以用于獲取區域生態系統服務的空間信息。土壤數據來源于世界土壤數據庫(Harmonized World Soil Database version 1.2, HWSD)(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/ harmonied-world-soil-datebase-v12/en/).該數據包含土壤類型、土壤質地、土壤有機碳含量和根系深度等資料,比例尺為1∶100萬。NDVI數據來源于2010年SPOT-VEGETATION 10d合成產品(http://www.vito-eodata.be/),數據分辨率為1 km。參考Holben[38]的研究,逐月對該數據進行最大值合成處理以去除云的影響,最終得到每月的NDVI數據。DEM數據來源于美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)發布的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM數據(http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/ inputCoord.asp),空間分辨率為90 m。社會經濟統計數據來自于《內蒙古統計年鑒2011》、《榆林統計年鑒2010》和《中國2010年人口普查分縣資料》,包括研究區內各縣級行政單元在2010年末的糧食產量、牛肉產量、羊肉產量和城鎮人口數。基礎地理信息數據來源于國家基礎地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/),包括研究區的行政邊界、行政中心、道路和河流等。

獲取以上數據后,為了便于進行計算和疊加分析,我們通過柵格化和重采樣處理,將所有數據的投影統一為Albers投影,空間分辨率統一為90 m。

2　方法

在計算呼包鄂榆地區2010年關鍵生態系統服務的基礎上,在城市群、區域和城市3個尺度上對生態系統服務間的權衡關系進行分析(圖2)。

圖2　技術路線Fig.2　Flow chart

2.1計算不同尺度上的生態系統服務

基于千年生態系統評估(Millennium Ecosystem Assessment, MA)提出的包括支持、供給、調節和文化4類生態系統服務在內的概念框架,參考H?nigová等[39]對草地生態系統服務的研究,同時結合呼包鄂榆地區的自然和社會經濟狀況,選擇了與該地區人類福祉密切相關的5種生態系統服務進行計算。具體包括糧食生產、肉類生產和產水量3項供給服務以及土壤保持和碳固持2項調節服務。

2.1.1糧食生產與肉類生產

參考Yang等[40]的研究,采用各縣地均糧食產量表示糧食生產服務。參考Pan等[41]的研究,采用地均羊肉和牛肉的總產量表示肉類生產服務。具體是將基于統計數據獲得的各縣糧食產量和肉類產量分別除以各縣級行政單元面積得到各縣2010年糧食生產和肉類生產服務(圖3)。兩種服務的單位均為t/km2。

2.1.2產水量

參考Tallis等[42]的研究,采用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型中的產水量模塊計算產水量服務。具體公式如下：

Y(x)=P(x)-AET(x)

式中,Y(x)表示像元x中的年均產水量；P(x)為像元x上的年均降水量；AET(x)為像元x上的年實際蒸散量。

2.1.3土壤保持

參考Fu等[43]的研究,利用潛在土壤保持量來表征生態系統的土壤保持服務。潛在土壤保持量是指在沒有植被覆蓋和土壤侵蝕控制措施情況下的土壤流失量與當前植被覆蓋和土壤侵蝕控制措施情況下的土壤流失量的差值,它可以用以下公式來表示。

ΔA=A0-Av=R×K×LS×(1-Cv×Pv)

式中,ΔA為潛在土壤保持量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),采用Wischmeier和Smith提出的基于降雨月值數據的方法進行計算[44]；K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1),采用侵蝕-生產力模型(Erosion Productivity Impact Calculator, EPIC)中提出的方法進行計算[45-46]。LS為坡長坡度因子,采用McCool等[47-48]提出的算法進行計算[49]。Cv為當前的植被覆蓋因子,采用蔡崇法等[50]提出的算法計算。Pv為當前的土壤保持措施因子,采用基于坡度的Wener方法進行計算[43,51]。

2.1.4碳固持

參考Tallis等[42]的研究,采用碳儲量來表征生態系統碳固持能力。陸地生態系統碳儲量主要包含地上碳儲量、地下碳儲量、土壤碳儲量以及死亡有機碳4個部分[42]。具體使用InVEST模型中的碳儲量與碳固持模塊來計算呼包鄂榆地區2010年的碳儲量。模塊中使用的碳密度數據來自于黃玫等[52]和方精云等[53-54]的研究成果。

為了統一分析單元,在基于上述方法計算出各像元2010年的產水量、土壤保持量和碳固持量之后,采用分區統計獲取了各縣級行政單元2010年的地均產水量、地均土壤保持量和地均碳固持量(圖3)。

圖3　2010年呼包鄂榆地區5種生態系統服務的空間格局Fig.3　The spatial patterns of five ecosystem services in HBOY in 2010

2.2分析不同尺度上的生態系統服務權衡關系

為了全面認識呼包鄂榆地區生態系統服務間的權衡關系,參考Raudsepp-Hearne等[6]和Turner等[13]的研究,采用相關分析法對城市群、區域和城市三個尺度上生態系統服務間的權衡關系進行了量化。其中,城市群尺度的分析范圍涵蓋整個呼包鄂榆地區,區域尺度的分析范圍則分為農業區(種植業為主的榆林市)和牧區(以畜牧業為主的呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市),城市尺度的分析范圍則包含呼和浩特、包頭和鄂爾多斯3個地級行政區(圖1)。當某對生態系統服務間的相關系數為負值且通過了0.05水平的顯著性檢驗時,則認為該對生態系統服務間具有顯著的權衡關系[15]。

3　結果

3.1城市群尺度的生態系統服務權衡關系

在城市群尺度,產水量和碳固持以及產水量和土壤保持呈現顯著的權衡關系(圖4)。相關分析表明,2010年呼包鄂榆地區產水量和碳固持以及產水量和土壤保持的相關系數均為-0.50,且通過了0.01水平的顯著性檢驗。

肉類生產和土壤保持等8對服務間未呈現出明顯的權衡關系(圖4)。其中,肉類生產和土壤保持間的相關系數雖然為負值,但未通過0.05的顯著性檢驗。剩余7對生態系統服務的相關系數在0.02—0.85之間,均為正值。

圖4　城市群、區域和城市尺度上生態系統服務間的相關系數Fig.4　Pearson′s correlation coefficients between ecosystem services on the urban agglomeration scale, regional scale, and city scale紅色柱子表示生態系統服務間具有顯著的權衡關系,藍色表示不具有顯著的權衡關系； * P<0.05, ** P<0.01, *** P<0.001

3.2區域尺度的生態系統服務權衡關系

在農業區,產水量和碳固持以及產水量和土壤保持呈現明顯的權衡關系(圖4)。2010年,產水量和碳固持以及產水量和土壤保持的相關系數分別為-0.89和-0.65,均通過了0.05水平的顯著性檢驗。肉類生產與土壤保持等8對生態系統服務均未表現出明顯的權衡關系(圖4)。其中,肉類生產與土壤保持、糧食生產與產水量以及肉類生產與碳固持3對服務的相關系數雖然為負值,但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。同時,糧食生產與土壤保持等5對服務間的相關系數在0.19—0.84之間,均為正值。

在牧區,所有10對生態系統服務均未表現出顯著的權衡關系(圖4)。其中,產水量和碳固持等4對服務的相關系數雖然為負值,但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。其余6對服務的相關系數在0.25—0.88之間,均為正值。

3.3城市尺度的生態系統服務權衡關系

在鄂爾多斯市,產水量和碳固持服務具有明顯的權衡關系(圖4)。2010年,該尺度上產水量和碳固持的相關系數為-0.84,并通過了0.01水平的顯著性檢驗。產水量和土壤保持等9對服務未表現出顯著的權衡關系(圖4)。其中,產水量與土壤保持、肉類生產與碳固持以及肉類生產與產水量等4對服務的相關系數雖然為負值,但是均未通過0.05水平的顯著性檢驗。糧食生產與肉類生產等5對服務的相關系數在0—0.86之間,均為非負值。

在呼和浩特市與包頭市,所有10對可能的生態系統服務均未表現出明顯的權衡關系(圖4)。其中,在呼和浩特市,雖然糧食生產與土壤保持、肉類生產與土壤保持以及產水量與碳固持的相關系數為負值,但均未通過0.05水平的顯著性檢驗。糧食生產與肉類生產等7對服務間的相關系數在0—0.72之間,均為非負值。在包頭市,雖然產水量與碳固持的相關系數為負值,但是未通過0.05水平的顯著性檢驗。其余9對生態系統服務的相關系數在0.15—0.95之間,均為正值。

4　討論

4.1呼包鄂榆地區生態系統服務權衡關系

圖5　不同尺度上產水量和碳固持服務間的權衡關系Fig.5　Ecosystem service trade-offs between water yield and carbon sequestration on different scales下標U表示城市群尺度,下標A表示區域尺度中的農業區,下標P表示區域尺度中的牧區,下標H、B和O分別表示城市尺度上的呼和浩特、包頭和鄂爾多斯

2010年,呼包鄂榆地區產水量和碳固持以及產水量和土壤保持服務呈現顯著的權衡關系。這種權衡關系是由生態系統服務間的相互作用以及它們之間的共同驅動力(比如降水或由人類活動引起的土地利用/覆蓋變化等)引起的[9]。以產水量和碳固持為例,植樹造林一方面可以增加植被覆蓋度,進而提高生態系統的碳固持服務,另一方面也會導致地表蒸散作用增強,從而降低產水量。與此相反,建設用地擴張一方面會導致植被覆蓋度下降,從而降低碳固持服務,另一方面也會降低地表的蒸散作用,導致產水量增加。該結果與已有研究基本一致。比如Jia等[12]的研究表明,在陜西省北部實施的退耕還林還草政策明顯提高了該區域碳固持服務和土壤保持服務,但降低了產水量。

4.2生態系統服務權衡關系的尺度效應分析

呼包鄂榆地區生態系統服務權衡關系具有明顯的尺度效應(圖5)。相同生態系統服務在不同尺度上的權衡關系存在明顯差異。比如,在城市群尺度上,產水量和碳固持表現出明顯的權衡關系。但在區域尺度上,該對服務僅在農業區表現出顯著的權衡關系,且其權衡關系的強度明顯高于城市群尺度。在城市尺度上,該對服務僅在鄂爾多斯市呈現顯著的權衡關系,其權衡關系的強度稍低于農業區,但明顯高于城市群尺度。

人類活動和自然條件在空間上的分布差異是導致快速城市化干燥地區生態系統服務權衡關系出現尺度效應的主要原因。在人類活動方面,城市化率對快速城市化地區生態系統服務權衡關系有明顯影響。2010年,呼包鄂榆地區的城市化率具有明顯的空間異質性(圖6)。在城市群尺度上,各縣平均城市化率為49.22%,其標準偏差為18.78%,約為均值的1/3。在區域尺度以及城市尺度上的呼和浩特市和包頭市,各縣平均城市化率的標準偏差也都在均值的1/3以上,僅有鄂爾多斯市平均城市化率的標準偏差約為均值的1/5。在自然條件方面,降水量是影響干燥地區生態系統服務權衡關系的主要因素。2010年,呼包鄂榆地區降水量存在明顯的空間分布差異(圖6)。在城市群尺度上,各縣平均降水量為360.56mm,其標準偏差為53.40mm,是均值的14.81%。在區域和城市尺度,牧區、鄂爾多斯市和包頭市降水量的標準偏差也均超過平均降水量的10%,僅有農業區的降水量標準偏差不及平均降水量的5%,為3.83%。

圖6　2010年各尺度的城市化率和年均降水量Fig.6　The mean urbanization rate and mean annual precipitation on different scales in 2010

5　結論

本研究以呼包鄂榆地區為例,采用相關分析法在城市群、區域和城市3個尺度上對快速城市化干燥地區的生態系統服務權衡關系進行了量化。結果表明,2010年,呼包鄂榆地區產水量和碳固持以及產水量和土壤保持呈現顯著的權衡關系。其中,產水量和碳固持服務在城市群、農業區和鄂爾多斯市表現出明顯的權衡關系,產水量和土壤保持服務在城市群和農業區表現出明顯的權衡關系。同時,快速城市化干燥地區的生態系統服務權衡關系具有明顯的尺度效應。不同尺度上生態系統服務間的權衡關系存在明顯差異。降水等自然條件以及土地利用/覆蓋變化等人類活動因素的空間異質性是導致權衡關系產生尺度效應的主要原因。因此,要全面了解快速城市化干燥地區的生態系統服務權衡關系,應同時在多個尺度上進行研究。這些有關生態系統服務權衡關系及其尺度效應的研究結果為呼包鄂榆地區土地系統設計和可持續發展提供了必要的科學依據。

[1]Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystems and Human Well-being: Synthesis. Washington, DC: Island Press, 2005: 27- 29.

[2]傅伯杰. 生態系統服務與生態安全. 北京: 高等教育出版社, 2013:1-5.

[3]李雙成, 馬程, 王陽, 王玨, 朱文博, 劉金龍, 李曉靜, 李琰, 張津, 高陽. 生態系統服務地理學. 北京: 科學出版社, 2014: 1- 2.

[4]鄔建國, 郭曉川, 楊劼, 錢貴霞, 牛建明, 梁存柱, 張慶, 李昂. 什么是可持續性科學? 應用生態學報, 2014, 25(1): 1- 11.

[5]Rodríguez J P, Beard Jr T D, Bennett E M, Cumming G S, Cork S J, Agard J, Dobson A P, Peterson G D. Trade-offs across space, time, and ecosystem services. Ecology and Society, 2006, 11(1): 28- 28.

[6]Raudsepp-Hearne C, Peterson G D, Bennett E M. Ecosystem service bundles for analyzing tradeoffs in diverse landscapes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(11): 5242- 5247.

[7]Qiu J X, Turner M G. Spatial interactions among ecosystem services in an urbanizing agricultural watershed. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(29): 12149- 12154.

[8]Wu J G. Landscape sustainability science: ecosystem services and human well-being in changing landscapes. Landscape Ecology, 2013, 28(6): 999- 1023.

[9]Bennett E M, Peterson G D, Gordon L J. Understanding relationships among multiple ecosystem services. Ecology Letters, 2009, 12(12): 1394- 1404.

[10]Fu B J, Zhang L W, Xu Z H, Zhao Y, Wei Y P, Skinner D. Ecosystem services in changing land use. Journal of Soils and Sediments, 2015, 15(4): 833- 843.

[11]West P C, Gibbs H K, Monfreda C, Wagner J, Barford C C, Carpenter S R, Foley J A. Trading carbon for food: Global comparison of carbon stocks vs. crop yields on agricultural land. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(46): 19645- 19648.

[12]Jia X Q, Fu B J, Feng X M, Hou G H, Liu Y, Wang X F. The tradeoff and synergy between ecosystem services in the Grain-for-Green areas in Northern Shaanxi, China. Ecological Indicators, 2014, 43: 103- 113.

[13]Turner K G, Odgaard M V, B?cher P K, Dalgaard T, Svenning J C. Bundling ecosystem services in Denmark: Trade-offs and synergies in a cultural landscape. Landscape and Urban Planning, 2014, 125: 89- 104.

[14]Zheng Z M, Fu B J, Hu H T, Sun G. A method to identify the variable ecosystem services relationship across time: a case study on Yanhe Basin, China. Landscape Ecology, 2014, 29(10): 1689- 1696.

[15]Jopke C, Kreyling J, Maes J, Koellner T. Interactions among ecosystem services across Europe: Bagplots and cumulative correlation coefficients reveal synergies, trade-offs, and regional patterns. Ecological Indicators, 2015, 49: 46- 52.

[16]Gordon L J, Enfors E I. Land degradation, ecosystem services and resilience of smallholder farmers in makanya catchment, tanzania // Bossio D, Geheb K, eds. Conserving Land, Protecting Water. Wallingford: CAB International, 2008: 33- 50.

[17]Maes J, Paracchini M L, Zulian G, Dunbar M B, Alkemade R. Synergies and trade-offs between ecosystem service supply, biodiversity, and habitat conservation status in Europe. Biological Conservation, 2012, 155: 1- 12.

[18]Wang S, Fu B J. Trade-offs between forest ecosystem services. Forest Policy and Economics, 2013, 26: 145- 146.

[19]Kareiva P, Watts S, McDonald R, Boucher T. Domesticated nature: Shaping landscapes and ecosystems for human welfare. Science, 2007, 316(5833): 1866- 1869.

[20]Grêt-Regamey A, Celio E, Klein T M, Hayek U W. Understanding ecosystem services trade-offs with interactive procedural modeling for sustainable urban planning. Landscape and Urban Planning, 2013, 109(1): 107- 116.

[21]Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystem and Human Well-being: Desertification Synthesis. Washington, DC: World Resources Institute, 2005: 1- 2.

[22]趙松喬, 楊利普, 楊勤業. 中國的干旱區. 北京: 科學出版社, 1990.

[23]國務院. 全國主體功能區規劃. (2011-06-08) [2015- 10- 24]. http://www.gov.cn/zwgk/2011-06/08/content_1879180.htm.

[24]國家林業局. 推進生態文明建設規劃綱要(2013- 2020年). (2013-09-06) [2015- 10- 24]. http://www.forestry.gov.cn/main/72/content- 629504.html.

[25]楊莉, 甄霖, 潘影, 曹曉昌, 龍鑫. 生態系統服務供給-消費研究：黃河流域案例. 干旱區資源與環境, 2012, 26(3): 131- 138.

[26]方創琳, 徐建華. 西北干旱區生態重建與人地系統優化的宏觀背景及理論基礎. 地理科學進展, 2001, 20(1): 21- 28.

[27]甄霖, 劉雪林, 李芬, 魏云潔, Koenig H. 脆弱生態區生態系統服務消費與生態補償研究: 進展與挑戰. 資源科學, 2010, 32(5): 797- 803.

[28]Yahdjian L, Sala O E, Havstad K M. Rangeland ecosystem services: shifting focus from supply to reconciling supply and demand. Frontiers in Ecology and the Environment, 2015, 13(1): 44- 51.

[29]國家統計局城市社會經濟調查總隊. 中國城市統計年鑒1991. 北京: 中國統計出版社, 1991: 65- 74.

[30]國家統計局城市社會經濟調查司. 中國城市統計年鑒2011. 北京: 中國統計出版社, 2011: 103- 109.

[31]內蒙古自治區統計局. 內蒙古統計年鑒1991. 北京: 中國統計出版社, 1991: 411- 411.

[32]陜西省統計局. 陜西統計年鑒1991. 北京: 中國統計出版社, 1991: 118- 123.

[33]內蒙古自治區統計局. 內蒙古統計年鑒2011. 內蒙古: 中國統計出版社, 2011: 504- 504.

[34]陜西省統計局, 國家統計局陜西調查總隊. 陜西統計年鑒2011. 北京: 中國統計出版社, 2011: 79- 81.

[35]Chen J, Chen J, Liao A P, Cao X, Chen L J, Chen X H, He C Y, Han G, Peng S, Lu M, Zhang W W, Tong X H, Mills J. Global land cover mapping at 30 m resolution: A POK-based operational approach. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2015, 103: 7- 27.

[36]Liu J Y, Kuang W H, Zhang Z X, Xu X L, Qin Y W, Ning J, Zhou W C, Zhang S W, Li R D, Yan C Z, Wu S X, Shi X Z, Jiang N, Yu D S, Pan X Z, Chi W F. Spatiotemporal characteristics, patterns, and causes of land-use changes in China since the late 1980s. Journal of Geographical Sciences, 2014, 24(2): 195- 210.

[37]Hutchinson M F. Interpolating mean rainfall using thin plate smoothing splines. International Journal of Geographical Information Systems, 1995, 9(4): 385- 403.

[38]Holben B N. Characteristics of maximum-value composite images from temporal AVHRR data. International Journal of Remote Sensing, 1986, 7(11): 1417- 1434.

[40]Yang G F, Ge Y, Xue H, Yang W, Shi Y, Peng C H, Du Y Y, Fan X, Ren Y, Chang J. Using ecosystem service bundles to detect trade-offs and synergies across urban-rural complexes. Landscape and Urban Planning, 2015, 136: 110- 121.

[41]Pan Y, Wu J X, Xu Z R. Analysis of the tradeoffs between provisioning and regulating services from the perspective of varied share of net primary production in an alpine grassland ecosystem. Ecological Complexity, 2014, 17: 79- 86.

[42]Tallis H T, Ricketts T, Guerry A D, Wood S A, Sharp R, Nelson E, Ennaanay D, Wolny S, Olwero N, Vigerstol K, Pennington D, Mendoza G, Aukema J, Foster J, Forrest J, Cameron D, Arkema K, Lonsdorf E, Kennedy C, Verutes G, Kim C K, Guannel G, Papenfus M, Toft J, Marsik M, Bernhardt J, Griffin R, Glowinski K, Chaumont N, Perelman A, Lacayo M, Mandle L, Griffin R, Hamel P, Chaplin-Kramer R. InVEST 2.6.0 User′s Guide. Stanford: The Natural Capital Project, 2013: 24- 49, 233- 250.

[43]Fu B J, Liu Y, Lu Y H, He C S, Zeng Y, Wu B F. Assessing the soil erosion control service of ecosystems change in the Loess Plateau of China. Ecological Complexity, 2011, 8(4): 284- 293.

[44]Wischmeier W H, Smith D D. Predicting Rainfall Erosion Losses-A Guide to Conservation Planning. Agriculture Handbook No. 537, U.S. Department of Agriculture, 1978: 5- 8.

[45]Sharpley A N, Williams J R. EPIC-Erosion/Productivity impact calculator: 1. Model Documentation. United States Department of Agriculture Technical Bulletin No. 1768, 1990: 3- 92.

[46]Williams J R. The erosion-productivity impact calculator (EPIC) model: a case history. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 1990, 329(1255): 421- 428.

[47]McCool D K, Brown L C, Foster G R, Mutchler C K, Meyer L D. Revised slope steepness factor for the Universal Soil Loss Equation. Transactions of the ASAE, 1987, 30(5): 1387- 1396.

[48]McCool D K, Foster G R, Mutchler C K, Meyer L D. Revised slope length factor for the Universal Soil Loss Equation. Transactions of the ASAE, 1989, 32(5): 1571- 1576.

[49]Van Remortel R D, Hamilton M E, Hickey R J. Estimating the LS factor for RUSLE through iterative slope length processing of digital elevation data within Arclnfo grid. Cartography, 2001, 30(1): 27- 35.

[50]蔡崇法, 丁樹文, 史志華, 黃麗, 張光遠. 應用USLE模型與地理信息系統IDRISI預測小流域土壤侵蝕量的研究. 水土保持學報, 2000, 14(2): 19- 24.

[51]Lufafa A, Tenywa M M, Isabirye M, Majaliwa M J G, Woomer P L. Prediction of soil erosion in a Lake Victoria basin catchment using a GIS-based Universal Soil Loss model. Agricultural Systems, 2003, 76(3): 883- 894.

[52]黃玫, 季勁鈞, 曹明奎, 李克讓. 中國區域植被地上與地下生物量模擬. 生態學報, 2006, 26(12): 4156- 4163.

[53]方精云, 郭兆迪, 樸世龍, 陳安平. 1981—2000年中國陸地植被碳匯的估算. 中國科學 D輯: 地球科學, 2007, 37(6): 804- 812.

[54]方精云, 楊元合, 馬文紅, 安尼瓦爾·買買提, 沈海花. 中國草地生態系統碳庫及其變化. 中國科學: 生命科學, 2010, 40(7): 566- 576.

Multi-scale analysis of ecosystem service trade-offs in urbanizing drylands of China: A case study in the Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin region

SUN Zexiang1,3, LIU Zhifeng1,2,*, HE Chunyang1,2, Wu Jianguo1,2,4

1CenterforHuman-EnvironmentSystemSustainability(CHESS),BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology(ESPRE),BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3CollegeofResourcesScience&Technology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China4SchoolofLifeSciencesandGlobalInstituteofSustainability,ArizonaStateUniversity,Tempe,AZ85287,USA

Understanding the trade-offs among ecosystem services (ESs) is important for improving human well-being and sustainability in dryland regions. However, a multi-scale understanding of ES trade-offs that link local ecosystem properties with regional patterns in urbanizing drylands is lacking. We investigated the ES trade-offs in the Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin (HBOY) region—a rapidly urbanizing dryland region in China—on three spatial scales: the city, region, and urban agglomeration. We first mapped five key ESs in HBOY in 2010, including crop production, meat production, water yield, soil retention, and carbon sequestration. Next, we analyzed their trade-offs on the three scales by using correlation analysis. We found that trade-offs between water yield and carbon sequestration, as well as water yield and soil retention, were significant in HBOY in 2010. Water yield and carbon sequestration showed significant trade-offs on the urban agglomeration scale and in agricultural region and Ordos. Water yield and soil retention showed significant trade-offs on the urban agglomeration scale and in agricultural region. In addition, the ES trade-offs were scale-dependent in rapidly urbanizing drylands. The trade-offs between pairs of ecosystem services were inconsistent on different scales, this was caused by the spatial heterogeneity of natural conditions and human activities. Our findings might help better understand the ES trade-offs in HBOY and provide a scientific basis for land system architecture and sustainable development in HBOY.

ecosystem service trade-offs; dryland; Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin (HBOY); urbanization; multi-scale analysis

國家重大科學研究計劃項目(2014CB954302, 2014CB954303)；國家自然科學基金委青年科學基金項目(41501195)

2015- 07- 05; 網絡出版日期:2016- 03- 21

Corresponding author.E-mail: Zhifeng.Liu@bnu.edu.cn

10.5846/stxb201507051423

孫澤祥, 劉志鋒, 何春陽,鄔建國.中國快速城市化干燥地區的生態系統服務權衡關系多尺度分析——以呼包鄂榆地區為例.生態學報,2016,36(15):4881- 4891.

Sun Z X, Liu Z F, He C Y, Wu J G.Multi-scale analysis of ecosystem service trade-offs in urbanizing drylands of China: A case study in the Hohhot-Baotou-Ordos-Yulin region.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4881- 4891.