基于InVEST模型和PLUS模型的多尺度土地利用与生态系统服务时空分布研究

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生态系统服务是与人类生产力和生命相关的生态系统结构、功能和过程所提供的产品和服务,是人类能够从生态系统中获得直接或间接利益。近50年来,不合理的土地资源配置和土地利用模式导致全球生态系统服务快速退化。太行山是中国东部重要山脉及地理分界线,邯郸市位于太行山南段与华北平原过渡带,河北省青崖寨国家级自然保护区是太行山南段邯郸市辖区内重要的森林生态系统国家级自然保护区,其土地利用/覆被变化及驱动因素、生态系统服务空间格局及权衡/协同时空流动现状亟待明确。文章构建“太行山-邯郸市-青崖寨国家级自然保护区”多尺度研究框架,选取不同分辨率的空间数据,基于PLUS模型分析、预测2000-2050年多尺度多级研究区下土地利用/覆被时空格局,并结合InVEST模型模拟多级研究区生态系统服务,最后基于主成分分析及空间统计分析方法,分析土地利用/覆被变化驱动因素及生态系统服务权衡/协同时空分布。得到结论如下:(1)太行山主要土地利用类型以耕地、林地和草地为主,总体空间格局围绕研究区主要山脉呈环形分布格局,耕地的减少和建设用地的扩张是土地利用格局变化的主要原因,草地在未来具有较高的损失风险。各土地利用类型的扩张受坡度、土壤深度、NDVI等自然驱动因素较多。2000-2050年各生态系统服务空间格局存在明显的空间异质性但未发生明显转移;各生态系统服务具有相似的空间分布,高值区围绕太行山主要山系分布,低值区主要分布在东麓丘陵区及山西盆地区,产水量在北部呈现明显低值聚集。2000-2050年,太行山各生态系统服务物质量均呈现负向变化趋势。2000-2020年碳储量与生境质量的协同关系、碳储量与产水量的权衡关系表现为降低趋势,但在2020年后逐渐回升,生境质量-产水量的权衡关系未发生明显变化。生境质量-碳储量的高-高聚类协同关系、产水量-碳储量的低-高聚类权衡关系在空间上主要围绕太行山主要山脉分布,生境质量-碳储量的低-低聚类协同关系和产水量-碳储量的高-低聚类权衡关系主要分布于太行山东南麓城市群,生境质量-产水量的高-低聚类权衡关系分布主要分布于研究区北部,而低-高聚类权衡关系分布则主要分布于山西盆地及南部山区附近。(2)邯郸土地利用类型的分布呈现“西部林地,东中部耕地”的总体空间分布特征,耕地和人造地表之间的土地利用转移占总土地利用变化的96.58%;邯郸市碳密度空间分布呈现西部高东部低的特点,碳储量总体呈下降趋势,碳损失在2010年突增,耕地的过度侵占是导致邯郸市碳损失的最主要原因;与自然发展情景相比,生态保护情景下土地利用变化趋于克制,虽然生态用地的提升潜力一般,但由于人类活动受到限制,避免了生态资源的消耗;2020-2030年自然发展情景和生态保护情景下邯郸市碳储量变化分别为减少4.23×10~6 t和增加2.16×10~4 t,各区县碳损失风险显著降低,不同区县碳汇潜力差异明显。(3)青崖寨国家级自然保护区2000-2030年保护区土地利用总体格局变化不大,土地利用以有林地、高覆盖度草地和旱地为主,农村建设用地和高覆盖度草地的扩张、有林地和旱地的衰减是2000-2020年土地利用变化趋势。坡向、土层厚度等自然驱动因素对各用地类型的扩张驱动效果明显,人口密度和距农村居民点距离是主要的社会驱动因素。总体生态系统服务分布热点区与林地分布一致。碳密度高值区分布在保护区东部和北部,低值区分布在东南部及西部;生境质量高值区与林地分布一致,低值区与耕地、草地的分布具有一致性;土壤保持服务分布高值区在白王庄和梁沟村。研究可为太行山、邯郸市及青崖寨国家级自然保护区相关政策提供有效指导,是对多尺度不同规模土地利用/覆被及生态系统服务空间格局研究框架的进一步科学探讨。
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