文献分享：生态系统服务权衡、簇和热点识别与农田管理的联系——以中国杭州湾沿岸为例 - 沿海生态系统管理实践

  本文是CAO等人2020年发表于国际期刊Land Use Policy上。

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研究背景

了解多种生态系统服务在农业系统内的共存以及它们如何跨空间关联是相对较新的主题。量化依赖于农田管理的生态系统服务及其相互作用有助于制定更有效和可持续的土地利用管理系统。

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许多研究提供的证据表明，一种生态系统服务可能与其他服务相互作用，这种相互作用通常以协同效应或权衡的形式表现出来。当一对服务同时增加时，就会产生协同效应；权衡则是指一种服务的增强导致另一种服务的减少的情况。ES的供需不匹配以及不同利益相关者之间的冲突也被视为权衡的形式。众所周知，ES的权衡和协同效应在不同地区会有很大差异，并随着时间的推移而发生变化，这些变化是由各种生物物理、非生物、社会经济和制度因素驱动的。例如，一系列ES可能在空间或时间上反复出现，这些ES集被定义为“生态系统服务簇”。此外，不同ES之间的权衡记录大约是协同效应的三倍，并且随着对有限资源的需求继续增加，权衡的加剧将在全球范围内增加。理解多种多样服务的相互作用对于决策者和景观规划者确定生态系统管理的最佳策略至关重要。

农田是农业系统中支持人类生计的关键组成部分，其主要在生产粮食、纤维和牲畜饲料方面发挥作用。除了其主要功能外，农田还具有提供广泛ES的潜力，例如提供栖息地、土壤保持、气体调节和碳固存。由于农业景观本身的复杂性和人为影响土地利用分配的频率，耕地系统内不同ES之间的关系往往与不同利益相关者进行的农业活动高度相关。更准确地说，人类活动不断地塑造生态系统，改变生态系统的供应状况，而生态系统的供应有助于提供对社会有利的服务。此外，农业活动对授粉和土壤肥力的依赖可能导致其他服务减少，甚至导致生态系统损害。人们一致认为，提供多种服务且管理良好的农业系统可以限制ES权衡。因此，将ES协同原则整合到农田管理中，而不是主要关注粮食产量，可以更好地通过改善多种非市场服务的供应来实现可持续农业。

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以前的调查已经证实了农业用地中存在多功能性或权衡;然而，很少有研究将ES权衡和捆绑的视角纳入农田管理的空间策略。同样，有人呼吁对生态系统进行充分的管理，并根据确定优先考虑哪些生态系统服务包以及在哪里划分保护区的分区。特别是在地块水平，对多个生态系统之间的空间显式和异质性相互作用进行整体评价，对于划定农业生态区边界和实施相应措施至关重要。此外，除了明显以生产为导向的耕地管理之外，以“数量、质量和生态”为特征的近期耕地管理范式在中国越来越受到关注。虽然农地占补平衡已成为政府的一项重要议程，但关于农地ES管理的科学理论和实践经验显然不足以支持地方政策的实施。因此，我们选择ES视角下的耕地管理作为研究重点，以中国土地资源压力较大、城市扩张剧烈的代表性地区杭州湾地区为研究对象，进行地块水平的案例研究。采用统计方法和空间聚类分析方法，对粮食供应、固碳、水文调节、土壤肥力和娱乐潜力等5个生态系统进行了评价，并探讨了多个生态系统之间的相互作用。

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材料与方法

研究地点为宁波市慈溪县，位于浙江省东部杭州湾南岸(图1)，耕地面积453.29km²，约占总面积的34%，主要的作物类型是水稻、油菜和棉花。人类活动与土地保护之间的矛盾尖锐，成为影响杭州湾地区耕地生态系统及其生态承载力变化的重要因素。利用土地利用/覆被数据、卫星影像数据、气象数据、土壤数据、统计数据及相关辅助数据等多源数据对耕地生态系统进行空间评价。

图1 研究区域的地理位置

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结果

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生态系统服务评价。一些ES表现出相对相似的空间格局，而另一些ES表现出几乎相反的分布。例如，粮食供应和碳固存的空间表征相似，这些服务的高价值主要位于东部平原，覆盖以主要粮食作物生产为主的地区。水文调节与土壤肥力呈明显的逆分布。土壤肥力最好的农田出现在土壤有机质含量高但入渗速率低的南部地区，从而降低了集约种植土壤的水文调节功能。中北部以沙质土壤为主，排水设施较好，有利于减少径流，水文调节值较高。此外，娱乐潜力分布与其他ES不同，高值区呈现出多景点和1个国家公园的发散和分离格局。总体而言，所选的5个ES在空间上是聚集和关联的，而不是随机分布的。

图2 (A)食物供应、(B)碳固碳、(C)水文调节、(D)土壤肥力和(E)娱乐潜力5个ES的空间分布

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表1 Spearman等级相关系数ES (P < 0.01)

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ES对之间的关系。所选ES间有5对正相关，其余5对负相关(表1)。协同效应主要集中在FS、CS、SF和RP上，而HR与其他ES的关系大多呈负相关。统计结果表明，显著系数较多，但数值普遍在0.5以下。

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食物供应与固碳之间存在较强的协同作用，两者之间存在显著的相关性和明显的相互依赖关系。集中的高粮食供应值表明该区域的作物覆盖率很高；因此，作物生长对生长季节通过与大气交换的固碳量具有强烈的正向影响。因此，食物供应和碳固存呈正相关且相互支持。结果还显示了水文调节与其他ES之间不可调和的权衡。在土壤肥力方面，有机质的增加显著提高了土壤粘粒含量，降低了土壤水分入渗，与径流调节呈负相关，土壤肥力与水文调节之间存在明显的权衡关系。

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热点识别。5个ES的热点区域也呈现出不同的空间格局(图3)。基于较强的协同作用，粮食供应和固碳热点区域呈现出相似的空间分布，主要集中在东部平原，这主要是由于土壤质地和降水适合耕种。水文调控热点的空间格局与土壤肥力基本没有重叠。

南部地区以水稻土为主，粘质重，入渗率低，是土壤肥力的主要热点，但也是水文调节的主要冷点。低值的集中还归因于水田排水系统相对较差。此外，在土壤肥力方面，由于水稻土和盐渍土的差异，热点和冷点都有明显的聚集性，而水文调节热点则没有空间聚集性。此外，娱乐潜力热点在景观丘陵和森林覆盖率高的东南地区或自然湿地丰富的西北沿海地区高度聚集，相对独立于其他ES。由于游客可达性较低，东部沿海地区存在潜在的娱乐冷点，从而降低了这些地区的吸引力。

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图3 (A)食物供应、(B)碳固存、(C)水文调节、(D)土壤肥力和(E)娱乐潜力的热点和冷点空间格局。

讨论

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对农田保护优先次序的影响。如图4所示，在低优先级保护区或建成区周围或主要道路沿线的一般保护区发生了很大比例的耕地转换。然而，许多农田的多服务热点高度集中，被城市用地和农村居民点占据。这些地区的土地利用变化导致土地破碎化，并可能通过影响农业生态系统的组成和结构而改变其提供生态系统的能力。

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决策者应该意识到，管理政策或行动可以改变ES之间的相互作用，而且有些变化往往是不可逆转的。因此，在慈溪县南部农村地区，需要以限制耕地减少和加强土地集约利用为目标的政策和项目(如搬迁安置计划)来保护多功能耕地。

图5 慈溪县耕地功能区

政策引导下的耕地功能区划。根据类内和类间差异结果，我们将研究区农田划分为4个子类(图5)。值得注意的是，多功能农业区与高优先保护区在空间上是一致的，该子区域的多个ES表现出协同关系。这些耕地比研究区内的其他农田提供更多的ES，与邻近的森林生态系统构成了农田-森林镶嵌景观，通常是鸟类等野生物种的半自然栖息地。农业旅游区娱乐潜力的标准化值远高于其他三个簇，因此将该类划分为旅游区是合理的。受杭州湾国家公园的吸引力和与主要道路的高度接近的影响，农业旅游区的农田具有提供更多文化服务的巨大潜力。

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在慈溪市耕地分区方案中，针对四种不同的分区类型，提出了不同的政策指导方针，主要处理生态系统(图6)。对于多功能农业区(MAZ)，确保生态系统之间在时间和空间上保持一致的积极互动是主要原则。因此，应充分考虑将发展保护性农业与提高生境质量相结合，以支持生态多样性。最后，为了最大限度地发挥南方农田-森林景观的“边缘效应”，应在土地整理潜力区(LCPZ)鼓励采用生态农业整理模式和其他基于自然的解决方案。

图6 各耕地功能区的政策指引

对农田管理和农村发展的见解。通过连接生态系统功能和社会利益，生态系统具有影响自然资源管理的巨大潜力。慈溪案例的实证结果可以提供相关的见解，说明ES方法如何有助于重新思考和指导农田管理，从而更好地为未来的农村发展奠定基础，特别是在土地可用性有限的中国等发展中国家(图7)。

首先，在农田管理中使用生态系统是一个为政策决策提供信息的机会，从而消除不必要的冲突或权衡，并利用协同效应。其次，在政策实施程度存在区域差异的地方，没有“一刀切”的农田管理制度。ES方法可以作为一种有效的耕地管理手段。第三，为了重新调整政策选择，以建立一个更复杂的农田管理系统，同样需要更高分辨率的数据、小尺度的评估等。此外，生态系统簇能为决策提供信息的程度也取决于能否确定社会和制度驱动因素。在进一步的研究中，考虑人类需求和社会偏好的ES捆绑方法将促进将生态系统服务整合到适合当地自然和特定社会需求的政策和管理措施中。

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图7 将生态系统服务与农田管理联系起来的概念图

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编者评

目前基于生态系统服务簇和权衡的学术实践和农田管理实践仍然有限，特别是在发展中国家。与以生产为导向的管理模式相关的农业土地利用集约化极大地破坏了农业生态系统提供有助于环境可持续性和人类福祉的多重生态系统的能力。人们越来越意识到农业系统内ES的权衡和协同作用。本文将生态系统服务功能纳入农田保护和功能区划。选择了具有连续集聚的空间格局和较高的经济和生态价值的慈溪县：(1)量化耕地的多重ES并揭示其空间特征；(2)论证了每对ES之间的相关性；(3)通过了解异质性空间中生态系统之间的相互作用，提供具有政策指导意义的耕地保护优先级和功能分区。研究表明，在耕地系统中，各生态系统服务之间存在不同的相关性，这取决于区域特定条件和农业活动。未来需要更有效的土地利用管理来协调区域发展和耕地保护。

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原文信息：Cao Y, Cao Y, Li G, et al. Linking ecosystem services trade-offs, bundles and hotspot identification with cropland management in the coastal Hangzhou Bay area of China[J]. Land Use Policy, 97.

阅读原文：https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2020.104689.

声明：本推送内容为课题组对论文的理解，因水平有限，难免出现错讹。敬请各位专家、同学批评指正。

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本期编辑：张宇飞 博士   审稿：边振兴   教授

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