城市生态系统的服务功能及其控制机制的模型研究- 比较两个干旱区城市生态系统对格局动态和环境变化的响应

城市化是21世纪最重要的土地利用变化之一，城市生态系统的服务功能对人类生活环境和全球碳循环有重要意义。面对人类干扰导致的复杂性，城市学研究亟需对生态功能的控制机制进行量化分析。基于复杂系统等级斑块理论的HPEM模型为综合分析城市生态系统复杂的结构和过程动态提供了有效工具。针对HPEM的两个缺陷- 不能模拟生态系统对土地利用变化的响应以及缺乏预测生态系统服务功能的算法，本研究拟进一步发展"等级斑块动态生态系统服务模型（HPDESM）"。鉴于干旱区城市生态系统的复杂性及其对人类干扰的敏感性，本项目拟以中国新疆乌鲁木齐和美国亚利桑那州Phoenix分别代表干旱区紧密内填型和松散扩张型城市化模式，应用HPDESM模拟其生态系统的服务功能，并通过情景分析和城市间的比较以揭示城市化过程中格局动态、环境变化、管理活动等因素对生态系统功能的控制机制。本研究将推动城市生态学从格局描述向机理分析深入发展。

本研究开发了等级斑块动态生态系统服务模型，分别对中国新疆乌鲁木齐市和美国亚利桑那Phoenix市进行生态系统服务功能的模拟。通过情景分析和城市间的比较揭示了城市化过程中的格局动态、环境变化和管理活动对生态系统功能的控制机制。主要成果：（1）完成并在生态学权威期刊Ecological Modelling（2013年250期81-100页）上发表了HPM-UEM城市生态系统模型。（2）针对美国凤凰城和中国乌鲁木齐两个荒漠绿洲城市，发展了高分辨率（30-500米分辨率）的日尺度的气候数据、大气CO2和氮沉降数据、土地利用和土地覆被数据以及其他空间数据资料（如土壤质地、pH、容重等），为HPM-UEM模拟提供了模型驱动。研究揭示了凤凰城和乌鲁木齐在结构和空间格局上的显著不同。前者为松散型城市，在市中心存在大量绿地，而后者为紧凑型城市，市中心基本为不透水面填满。虽然两个城市都表现出CO2穹顶效应和城市热岛效应，但因景观结构差异乌鲁木齐的环境异质性程度要高于凤凰城。（3）采用数值模拟的方式，评估并比较了两个城市生态系统的服务功能，包括固碳功能、释氧功能、降温功能、清洁空气、滞尘功能。各项统计后发现，凤凰城的总生态系统服务功能由1990年的3162万元增长到2010年的6761万元，增加了114%。主要因为该市的造林绿化工程成功地提升了生态系统服务价值。乌鲁木齐的生态系统服务功能则由1990年的1500万元减少到2010年的1220万，降低了23%。主要因为城市建设用地內填式发展造成的公园绿地减少，损失了生态服务功能。（4）通过数值情景模拟实验发现，人类的管理（浇水、施肥、修剪等）对生态系统碳库的贡献率为46%；而城市环境变化（热岛效应、大气成分变化）的贡献率为26%，其中热岛效应造成碳库损失6.7%，氮沉降和CO2施肥作用分别促进了碳库增加20%和18%。本研究发表相关论文8篇，其中SCI论文7篇，完成了预期研究任务。