典型喀斯特小流域土地利用变化下的生态系统服务优化

The aim of ecosystem management is to maximize ecosystem services(ES) by optimization approach. Understanding the impacts of land use change on ES and relationships between ES can therefore help to optimize the ecosystem services. However, there exist great challenges which contain: lack of essential data, inaccuracy of the research results, imperfectness of goal and method about ES optimization. We selected karst watershed as a case study which is considered as the typical fragile ecology region. Firstly, the InVEST and vegetation empirical models were proposed to evaluate the impacts of land use change on ES based on the essential data from field experiments and SPOT remote sensing data. Then, the determination and quantification of relationship between ecosystem services were conducted based on spatial analysis technology of GIS and spatial correlation analysis of SPSS. Finally, the optimization targets, models and methods of ES were improved in our research project .Two optimization goals and corresponding algorithms were set for this project. Multi-objective genetic algorithm (NSGA-II) was used to study the trade-off relationship ES and find Pareto optimal solutions. The scatter search algorithm was used to maximize the sum total of all ES. This research results will helpful for the ecosystem management of Karst areas after optimizing the key ES in our research area.

生态管理的最终目标是对生态系统服务优化使生态系统提供的服务达到最大化。针对特定地区基础数据缺乏，生态系统服务评价结果不够准确，生态系统服务优化目标、方法不够完善等问题。本研究选择典型生态脆弱区喀斯特小流域为研究区，首先结合野外实验和SPOT高分遥感影像获取基础数据，利用InVEST和植被经验模型评价土地利用变化对生态系统服务的影响；其次利用GIS和SPSS的空间分析和数理统计，通过构建合适的指标定性判别和定量评价生态系统服务权衡或协同及其程度；最后完善生态系统服务的优化目标、模型和方法，本研究提出对具有权衡关系的生态系统服务寻求生态系统服务的帕累托最优集合（权衡最优），以及所有生态系统服务整体最大化（总体最优）两个优化目标，权衡最优采用的优化算法是非支配排序遗传算法，总体最优采用的优化算法是分散搜索算法。通过优化喀斯特地区关键生态系统服务，为该区域生态管理提供科学支撑。

在快速的社会经济发展以及政策因素等影响下，土地利用会发生显著的变化，而改变生态结构和过程，最终改变生态系统服务的供给。本项目首先研究了由于政策因素导致的土地利用变化对生态系统服务的影响，通过研究表明，流域的造林政策占用耕地和少量废弃地使得林地面积增加2830公顷，由于耕地的减少和林地的扩张，产水量和粮食生产分别减少6.3%和5%，土壤保持和水质净化由于林地的恢复，服务得到提高。碳储存、生境质量和空气净化服务也得到提高。通过计算造林政策和基础情形的生态系统服务综合指数可得到，造林政策使得流域生态系统服务综合指数提高，从0.59提高到0.61。通过对多个生态系统服务之间的关系进行研究发现，支持服务（生境质量）和调节服务（碳储存、水质净化和空气净化）之间存在协同关系。在坡度较大的山地，恢复林地虽然能提高生境质量、碳储存和水质净化，但是对土壤保持服务改善不明显。为了得到较优的土地利用情形，本研究也提出了多种土地利用情形进行对比。在所有土地情景中，RB-400方案的CES值最高，水质净化(34%)和生境质量(3%)的增幅最大，因此可以认为是最佳方案。同时在喀斯特山地，研究了生态系统服务的时空变化特征，首先通过采样和测定了喀斯特地区不同土地利用类型的土壤碳含量，并把该参数输入到生态系统服务的计算中。其次评估了1992-2015年喀斯特小流域产水量和土壤输出的时空变化。喀斯特小流域产水量从1992到2015年间发生了较大的变化，波动较为明显，在过去的24年间，年平均产水量为13.3万m³。产水量的变化与气候变化有关，特别是与降水的变化相关性最大，由于1997到1998年的厄尔尼诺事件导致降水量增加，因此到1998年产水量也增加。在2001,2006和2011年，青木关小流域遭遇干旱，降水量较少，因此产水量也较少。喀斯特小流域土壤输出受降水变化影响，1998年输出量最大，也受土地利用的影响，最小值发生在1992年。本项目研究结果为土地利用规划和生态保护有重要意义。