黄土高原生态系统服务-2013(1).ppt

1、中国科学院生态环境研究中心,傅 伯 杰,黄土高原生态系统服务研究,概念、问题及发展趋势,1,生态系统过程与服务,2,报告提纲,生态系统服务权衡与区域集成,3,生态系统服务,生态系统服务：指人类从生态系统获得的各种惠益,MA, 2003,千年生态系统评估（2000-2005） 全球生态系统服务有60%的功能项正在退化， 直接威胁着区域和全球的生态安全（MA，2005） 2006年英国生态学会 提出了100个与政策相关的生态学问题， 第1个就是生态系统服务功能研究 美国生态学会21世纪行动计划 将生态系统服务科学作为生态学 首要的研究领域 UNEP2009年启动IPBES计划,国际热点和前沿,供给

2、服务 (P):,0,调节服务 (R):,文化-娱乐服务 (Cr):,文化 信息服务 (Ci):,light,自然系统,轻度利用,粗放利用,集中利用,退化,高生物多样性,低生物多样性,Braat et al. 2009,土地利用与生态系统服务,生态系统服务水平,生态系统服务管理,生态恢复,增加输入,研 究 趋 势,生态系统过程与生态系统服务,生态系统服务之间的相互关系（权衡和协同）,生态系统服务集成和优化,水源涵养与水文调节 水土保持与防风固沙 生物多样性保育 碳固定,生态服务功能,生态系统服务 的形成 与调控机制,研究,重点,目标,结构过程变化对服务的影响机理 支持功能-调节功能之间的关系 过

3、程机理模型,生态系统结构、过程和服务的相互关系,基于生态系统的长期监测和试验,生态系统服务形成机理,Linking Ecosystem Processes and Services Fu et al, COiES, 2013,Linking Ecosystem Processes and Services Fu et al, COiES, 2013,生态系统服务优化,概念、问题及发展趋势,1,生态系统过程与服务,2,报告提纲,生态系统服务权衡与区域集成,3,黄土高原概况,黄土高原60万km2；风成堆积始于250万年前，黄土厚度数十米至200多米，历史气候冷暖干湿交替(安芷生、丁仲礼、刘东生，1

4、989),黄土高原,黄土土质疏松，易于侵蚀，是黄河的主要来水区和绝大部分泥沙的来源区，是世界上水土流失最严重的地区。,黄土高原现有人口1.2亿。降水是唯一水源，水资源紧缺，生态环境脆弱，生存条件恶劣，占全国6.7%的土地支撑了8.5%的人口。,观测方法,观测与调查,小区观测,对比观测,流域采样,样带调查,流域观测,梯度对比,径流和侵蚀监测,土壤水分监测,典型植被类型（刺槐林、绣线菊、铁杆蒿、须芒草和玉米地）,2010年7月中11月初,气象因子观测,不同土地利用结构坡面,坡1：成熟林幼林荒草 坡2：幼林灌丛荒草 坡3：荒草成熟林 坡4：成熟林灌丛荒草 坡5：荒草幼林,坡1,坡4,坡3,坡2,坡5

5、,降雨事件前后取样分析0200cm各土层土壤含水量,土壤水分监测（坡面尺度）,1、土壤水源涵养的时空特征,坝地农田的土壤水分明显高于其他土地利用类型 铁杆蒿和须芒草的土壤水分中等，其中须芒草略高于铁杆蒿，土庄绣线菊和人工刺槐林的土壤水分含量最低 生长季，土壤水分受降雨事件和蒸散影响表现出脉动特征，整体呈增高趋势，温度则呈降低趋势,不同生态系统土壤水源涵养的时间尺度特征（量）,铁杆蒿观测点的水分入渗最快，而坝地农田较慢，观测结果显示，斑块状分布的铁杆蒿群落能够有效拦蓄降水，减少径流，增加土壤水源涵养 五种类型的累积入渗量与降水量之间存在较好的线性或二次函数关系,不同生态系统土壤水源涵养的时间尺度

6、特征（入渗）,Catena（2013，101：122-128）和Hydrology and Earth System Sciences（2012，16：2883-2892）,不同生态系统土壤水源涵养的时间尺度特征（损耗）,天然草地降水后水分损耗较快，主要受初始水分状态的控制，在旱期能有效保持水分 人工乔灌林水分损耗比较持久和稳定，导致其长期水分含量较低 天然草地相比其他类型在降水过程中水分入渗能力强，干旱阶段水份保持能力强，使其具有长期的竞争优势，在本地具有适应性,2、水土保持的时空特征,不同类型的径流、侵蚀效应 同等降雨、坡度条件下，产流、产沙危险性次序：坡耕地牧草地乔木林地 自然草地 灌木

7、林地 产流、产沙总量次序为：坡耕地 牧草地 乔木林地 自然草地 灌木林地 因此从类型角度， 灌木林地的水保效益最好， 坡耕地最差,不同土地利用类型的水土保持效应,径流、侵蚀的累积效应,1-3年，地表径流及侵蚀不规则变动阶段 4-8年，水土保持功能稳定发展阶段，年度径流、侵蚀累积曲线相对平缓 9-16年，水保功能显著，且不同类型间发生分化,Huang, Z.L. et al. Land Degradation & Development, 2006, 17: 615-627,减流、减沙效果的时间动态,不同土地利用类型的水土保持效应,牧草地累积减流率逐步下降。灌木林地和自然草地则相反 灌木林地保持

8、在较高的减流率水平，而自然草地的减流率在初始时段与灌木林地相同，后期略微下降 灌木林和乔木林减沙率随时间逐步提高，牧草地减沙率随时间下降,Huang, Z.L. et al. Land Degradation & Development, 2006, 17: 615-627,土地利用类型及环境因子耦合下的水土保持效应,（1）土地利用和降雨格局耦合的水土保持效应,降雨格局II：高雨强、短历时、高频率； 降雨格局III：低雨强、长历时、低频率； 降雨格局I：介于降雨格局II和降雨格局III,径流系数和侵蚀模数的大小依次是农田牧草地松林地荒草地灌丛地,降雨格局的划分 （载荷散点图方法 ）,土地利用类

9、型及环境因子耦合下的水土保持效应,（1）土地利用和降雨格局耦合的水土保持效应,不同年份径流系数的波动性： 降雨格局II 降雨格局降雨格局 农田和牧草地的径流系数随机变化，取决于降 雨的类型和人为的干扰程度； 灌木林、松林和荒草地随着植被生长，对地 表径流的遏制明显加强； 地表产流程度，受降雨类型及其时空分布的影响，还取决于土地利用类型及植被所处的生长期。,Wei, W. et al., 2007. Journal of Hydrology, 335: 247-258,（植被生长与演替的动态角度）,土地利用类型及环境因子耦合下的水土保持效应,（3）土地利用和坡度耦合的水土保持效应,不同土地利用类

10、型的侵蚀模数大小次序在不同坡度下均为： 坡耕地牧草地油松林地荒草地灌木林地； 在坡度和土地利用双重作用下，各土地利用类型的径流侵蚀效应对坡度的反应迥异，使径流和侵蚀的发生和变化过程趋于复杂化。,Wei, W. et al., 2009. Hydrological Processes, 23: 1780-1791,景观尺度不同植被格局的水土保持效应,不同生态系统组合的水土保持功能,植被格局,产流产沙,尺度变异,Liu, Fu. et al., 2012. Geomorphology, doi10.1016,不同生态系统组合的水土保持功能评价,坡面尺度土地利用结构与水土流失137Cs示踪,坡中部位

11、林地和草地结构能够抑制土壤侵蚀，侵蚀量较小； 坡面土壤侵蚀量受土地利用类型分布和坡位共同影响；,Fu, B.J. et al., 2009. Progress in Physical Geography, 33：793-804,流域尺度土地利用与水土流失评价,（1）小流域尺度土地利用变化与水土流失的137Cs示踪,1984年，1996年，2006年流域平均土壤侵蚀强度分别为：6007.8 tkm-2a-1 、5553.7 tkm-2a-1和4370.0 tkm-2a-1 土壤侵蚀强度逐渐减小，由强度侵蚀变为中度侵蚀，土地利用是影响土壤侵蚀的最主要因素。,1984,2006,1996,Wang

12、& Fu et al, Quaternary Research, 2010,0-100cm内分层细根生物量、地上调落物输入量、容重、粒径 土壤水分以及SOC、SIC、TC、TN含量等指标,配对样地(paired sites)：退耕30a刺槐林地和对照耕地,降水580 mm,3、碳固定的时空特征,有 机 碳,细 根,全 氮,C:N,退耕30年后，表层0-10 cm和 下层30-60 cm土壤有机碳储 量显著增加,退耕后，表层有机碳主要来 源于分解程度较低的物质(地 上凋落物)，下层碳增加主要 来源于淋溶和土壤动物扰动。,耕地,林地,在土壤水分和土壤呼 吸共同作用下，表层 无机碳溶解，并随土 壤水

13、分淋溶到下层土 壤中沉积下来。,100cm深度内农田和林地SOC,SIC和TC比较,460 mm,580 mm,650 mm,2.5 g/kg,6.5 g/kg,8.0 g/kg,研究区位置,在每个研究区内，选择若干5-30年的刺槐林地以及对照 耕地。在每个林地和耕地内测定表层0-20 cm土壤有机 碳和全氮储量，探讨二者的退耕还林过程中的变化动态,0-20 cm土壤有机碳和全氮储量与林龄关系,土壤有机碳储量随林龄呈线性增加关系，且增加速率没有明显区域差异(方程系数差异不大)。,有 机 碳,南部,中部,北部,在三个研究区内，表层10 cm土壤有机碳储量均随林龄增加呈增加趋势，没有明显的区域差异

14、。,下层10-20 cm在北部与林龄呈线性增加关系，在中部和南部区域呈初期下降, 之后增加的趋势。,概念、问题及发展趋势,1,生态系统过程与服务,2,报告提纲,生态系统服务权衡与区域集成,3,生态系统服务的精确定量基于生态系统结构、过程和时空变异性。 综合集成：单项服务评估基于过程机理方法的发展，综合集成是重点探索不同生态系统服务之间的相互作用和关联关系。 解决的关键科学问题是：生态系统服务之间相互作用和的时空耦合。,生态系统服务区域集成,Yapp et al. 2010.Ecological Complexity 定性或半定量的方式直观表达不同管理条件下的生态系统服务此消彼长关系,新近研究案

15、例：权衡,多以现状数据做静态空间分布式表达 能够体现生态系统服务的空间异质性，没有时间动态信息,新近研究案例：空间制图,Willemen et al. 2010. Ecological Indicators,供给与需求的识别,生态系统服务产品P与受益者B的相互关系,传粉服务,调节服务,保持水质,海岸带防风,制图过程中： 如何精确确定ES提供与需求的空间位置？ 如何考虑ES提供与需求的空间流动问题？ 既然产品和服务在只有能被人使用时才是ES，如何精确在图上界定？,OFarrell et al. 2010. Landscape Ecology 多种服务的空间叠置 供需平衡 成本-收益,新近研究案例

16、：重点区域识别,Biodiversity “Priority areas”,重点区域识别,(OFarrell et al., 2010),二者重叠的范围只有区域面积的20%。,vs. Ecosystem Service “Hotspot”,按照一定的等级组织和模块化的方式将多种模型进行综合集成是综合模型的重要发展方向 典型案例-美国Patuxent 流域景观综合模型 格局-过程模型,综合格局-过程模型,生态系统服务综合集成方法,模型法 生态系统管理情景构建 生态系统服务的相互关系定量分析和辨识 基于生态系统服务的管理优化,模型架构,Fu et al ,2013,黄土高原生态系统服务的区域综合评

17、估,耕地大幅度减少、草灌覆盖显著增加、林地和聚落有一定增加，荒漠化土地有少许扩展。,L et al., 2012, PLoS ONE, 7: e31827,水文调节,超过50%地区产水量减少 平均减少约10mm,产水量（水量平衡+蒸散发模型）,Feng, Sun, Fu et al, HESS. (2012),土地利用变化与土壤保持,土壤保持（USLE+GIS）,80-150、150-250和250-350三个坡度带占黄土高原总面积的45.6%，侵蚀量和保持土壤总量却超过黄土高原总量的80%。,Fu et. al, Eco. Com., 2011,土壤保持,2000-2008年，区域生态系统土

18、壤保持量平均为1.53亿吨/年 保持率逐渐提高，平均保持率为63.3%。,Fu et. al, Eco. Com., 2011,碳固定,（整合分析：等深度法、多元回归、GLM模型）,供给服务,粮食产量： 播种面积减少 单位面积产量提高 总产量初期减少，然后增长,人工刺槐林与土壤水分,黄土高原生态系统固碳和水文调节服务的权衡,退耕发生的地区单位固碳需要消耗的水资源量（ET/NPP）呈现持续下降的趋势，北部退耕发生的地区生态系统产水与降雨量的比值增加，南部地区产水比值下降。,黄土高原1999-2007年生态系统固碳量(用NPP来表征)：CASA模型 生态系统产水量（Water Yield）：水量平衡方法和蒸发散（ET）模型,生态建设效率,生态效率：R=E