Assessing water ecosystem services for water resource management

Ecosystem service concepts can offer a valuable approach for linking human and nature, and arguments for the conservation and restoration of natural ecosystems. Despite an increasing interest in the topic, the application of these concepts for water resource management has been hampered by the lack of practical definitions and methodologies. In this study we review and analyse the current literature and propose an approach for assessing and valuing ecosystem services in the context of water management. In particular, to study the link between multiple pressures, ecological status and delivery of ecosystem services in aquatic ecosystems under different scenarios of measures or future changes. This is of interest for the development of River Basin Management Plans under the EU Water Framework Directive. We provide a list of proxies/indicators of natural capacity, actual flow and social benefit for the biophysical assessment of the ecosystem services. We advocate the use of indicators of sustainability, combining information on capacity and flow of services. We also suggest methods for economic valuation of aquatic ecosystem for each service and spatial scale of application. We argue that biophysical assessment and economic valuation should be conducted jointly to account for the different values of ecosystem services (ecologic, social and economic) and to strengthen the recognition of human dependency on nature. The proposed approach can be used for assessing the benefits of conservation and restoration of aquatic ecosystems in the implementation of the EU water policy.     

生态系统服务价值研究进展

生态系统服务价值评价结合了生态学、经济学、社会学、伦理学等学科的相关内容,是当前国际上科学研究的热点和前沿.本文论述了生态系统服务功能的内涵,就国内外生态系统服务价值评价研究的进展情况分别进行了回顾和总结,提出今后应重点关注生态系统服务价值的时空动态模型开发、时空变化驱动力分析、不确定性分析、评价指标体系与评价方法的标准化制定和生态服务付费及其市场化机制等方面的研究.     

InVEST模型对锡林郭勒草原碳储量研究的适用性分析

锡林郭勒草原是我国四大草原之一,也是内蒙古主要的天然草场。近年来,在各种因素影响下,锡林郭勒草原区生态系统发生重大变化,导致草原区碳储量也发生改变。本文尝试应用In VEST模型中的碳储量模块对2013年锡林郭勒草原碳储量进行研究,从而探究In VEST模型在碳储量研究中的适用性。结果表明:(1)锡林郭勒草原各草地类型的地下碳储量明显多于地上碳储量;(2)草甸草原碳储量典型草原碳储量荒漠草原碳储量;(3)应用In VEST模型计算不同草地类型地上和地下碳储量,草甸草原分别为196.7 g?m~(-2)和1385.2 g?m~(~(-2));典型草原的分别为133.4 g?m~(-2)和688.9 g?m~(-2);荒漠草原的分别为56.6 g?m~(-2)和301 g?m~(-2)。应用In VEST模型计算出来的碳储量值与前人采用实地采样得出的结果基本一致,所以In VEST模型对于草原区碳储量的研究具有一定的适用性。     

洞庭湖土地利用和生态服务功能时空变化及其耦合效应分析

生态系统服务价值及空间分布变化与土地利用方式的改变有密切关系,不同生态服务空间上也存在权衡和协同的复杂关系.基于1980年、1990年、2000年和2010年4期土地利用数据,利用InVEST模拟了洞庭湖区域历史5种生态服务功能的变化（碳储量、生境质量、产水量功能、水质净化功能和土壤保持功能）,并采用生态系统服务权衡度模型（ESTD）对生态系统服务权衡关系进行评估.研究结果表明1980—2010年洞庭湖各土地类型相互转换面积比例不大,但转换频繁,5种生态服务功能价值除了产水量下降,均有小幅度上升.通过时空变化关系发现洞庭湖区域生境质量、碳储量和水质净化3种生态服务功能之间存在“协同”关系,且碳储量和生境质量以及水质净化呈显著相关性.但整体上看洞庭湖区域生态服务功能之间以“权衡”关系为主.林地面积的提升可以增加生境质量功能,同时增加洞庭湖区域碳储存量.土壤保持和产水量两种生态服务功能和土地利用类型的占比的相关性不大.农田的面积占比对洞庭湖区域5种生态服务功能的均有不同程度的影响.     

辽河三角洲土地利用变化轨迹、驱动过程及生态系统服务时空演变

辽河三角洲位于“辽宁沿海经济带”,拥有重要的自然保护区和保存完好的大面积芦苇沼泽和以盐地碱蓬为主的潮间带盐沼,栖息着多种濒危物种.1980年以来,农业开发、水产养殖、油气开采活动加剧,使得该区域生态环境发生巨变.本研究分析了1980—2010年,辽河三角洲土地利用时空变化轨迹及驱动过程,并应用 InVEST 模型模拟了碳储存、生境质量、水质净化3种生态系统服务的时空变化,在此基础上进一步分析了土地利用变化与生态系统服务的关系.研究结果表明：辽河三角洲地区土地利用变化以围垦、修复、淤积3种驱动为主,社会经济驱动主导,自然驱动明显.碳储量和生境质量呈下降趋势,而水质净化功能波动变化.土地利用和生态系统服务相关性表明湿地可以提供较高水平的3种生态服务功能,而生态服务功能低的区域则多与建设用地重合.在规划保护区或实施保护性修复措施时,应优先考虑3种生态系统服务的高价值区域,以实现高效、经济的生态环境保护.     

基于生态系统服务功能的城市规划研究

健康的生态系统是城市可持续发展的重要基础,生态系统服务功能及价值评估是评价生态系统的重要指标,森林、草地、湿地等生态系统在调节气候、保持土壤、涵养水源等方面具有重要作用.以宁波市北仑区为例,应用市场价值化方法粗略地分析了该区域的生态系统服务功能现状,结果表明,13年间北仑区的生态服务价值下降11.35%,其中,草地的生态服务价值下降最快,降幅达79.84%.从生态经济学角度阐释森林等生态系统在城市开发建设中的重要性.     

重庆市湿地生态系统服务约束关系

以重庆市湿地资源为研究对象,利用InVEST模型分别计算了2000,2005,2010和2015年的水资源供给服务和水土保持服务,并利用分位数分割法,分别从景观水平和生态区水平这2个研究尺度上研究了水资源供给服务和水土保持服务间的约束关系.结果表明：（1）2000~2015年重庆市湿地的水资源供给服务呈现先下降后上升的趋势,2000年水资源供给为395.41×10⁴mm,2010年下降到238.89×10⁴mm,之后又上升到2015年的286.36×10⁴mm;水土保持服务呈逐年上升的趋势,从2000年的85.74×10⁶t上升到2015年的364.73×10⁶t.（2）2000~2015年期间湖泊湿地和水田湿地的水源供给总量呈先下降后上升的趋势;河流湿地与水库湿地的水源供给量呈先上升后下降再上升的趋势;沼泽湿地的水资源供给一直处于下降趋势.（3）2000~2015年期间湖泊湿地、水库湿地及水田湿地的水土保持服务呈先上升后下降再上升的趋势;河流湿地的水土保持量呈一直上升趋势;沼泽湿地的水土保持服务呈先上升后下降的趋势.（4）在景观水平上,2000~2015年湿地水资源供给服务和水土保持服务间全部呈驼峰型约束关系.生态区水平上,2000~2015年水库湿地的水资源供给服务和水土保持服务间呈双驼峰约束、指数约束和驼峰型约束关系;河流湿地呈双驼峰约束和驼峰约束关系;水田湿地呈驼峰型约束关系.     

Groundwater dependent ecosystems. Part II. Ecosystem services and management in Europe under risk of climate change and land use intensification

Groundwater in sufficient amounts and of suitable quality is essential for potable water supplies, crop irrigation and healthy habitats for plant and animal biocenoses. The groundwater resource is currently under severe pressure from land use and pollution and there is evidence of dramatic changes in aquifer resources in Europe and elsewhere, despite numerous policy measures on sustainable use and protection of groundwater. Little is known about how such changes affect groundwater dependent ecosystems (GDEs), which include various aquatic and terrestrial ecosystems above ground and inside the aquifer. Future management must take this uncertainty into account. This paper focuses on multiple aspects of groundwater science, policy and sustainable management. Examples of current management methods and practices are presented for selected aquifers in Europe and an assessment is made of the effectiveness of existing policies such as the European Water Framework Directive and the Habitat Directive in practice and of how groundwaters and GDEs are managed in various conditions. The paper highlights a number of issues that should be considered in an integrated and holistic approach to future management of groundwater and its dependent ecosystems.     

气候和土地利用/覆被变化对宁波地区生态系统产水服务的影响

提供水资源是重要的生态系统服务功能之一,对区域经济和生态系统的可持续发展具有重要作用.近年来,人类活动对水资源的需求量增加,加之水环境污染和水资源浪费现象严重,造成了部分地区的缺水问题.在此背景下,本文以宁波地区为例,研究气候变化和土地利用/覆被变化对生态系统产水服务的影响.首先,利用InVEST模型中的产水量模块,估算了区域的产水量.然后,利用情景分析的方法设计6种情景,分析了气候变化和土地利用/覆被变化对区域产水量的影响.最后,量化了气候和土地利用/覆被变化这2种因素对生态系统产水服务的贡献程度,并讨论了形成机制.研究表明：①2000-2015年,宁波地区的降水量增加了6.44%,潜在蒸散量减少了8.35%.城镇化导致建设用地面积增加了120%,耕地面积减少了22.37%.在气候变化和土地利用/覆被变化的共同作用下,平均产水量增加了10.91%.②气候变化对生态系统产水服务的影响更为显著,而土地利用/覆被变化的影响较小.其中,2000-2015年气候变化对宁波地区产水量的贡献率高达97.56%,而土地利用/覆被变化的贡献率仅为2.44%.③城镇生态系统的产水量高于其他生态系统类型,农田生态系统的产水量高于森林和草地生态系统.因此,城镇化会增加产水量,退耕还林还草会导致产水量的减少.     

耦合PLUS-InVEST-Geodector模型的新疆地区碳储量时空变化及驱动机制分析

基于“双碳”战略目标下探明新疆土地利用变化对碳储量的影响及碳储量空间分异驱动因素并预测不同情景下的新疆2035年土地利用类型,分析其对碳储量的影响,对新疆政策制定、 土地利用结构调整和碳中和目标实现具有重要的理论与现实意义. 耦合PLUS-InVEST-Geodector模型,探究新疆2035年快速发展、 自然变化、 耕地保护和生态保护情景下碳储量时空变化规律,并从土地利用变化以及自然-社会经济-可达性组合角度定量揭示影响碳储量变化归因. 结果表明：①1990~2020年新疆耕地和建设用地面积增加,从转移方向上看,主要由未利用地转为草地. ②时间尺度上,新疆碳储量表现为“减少-增加-减少”的波动状态,总体呈增加趋势,未利用地转移至草地是其碳储量增加的主要原因;空间尺度上,北部阿尔泰山、 中部天山和南部昆仑山系碳储量较高,塔里木盆地和准噶尔盆地碳储量较低. ③2035年自然发展和快速发展情景碳储量较2020年减少27.24 Tg和71.17 Tg;生态保护和耕地保护情景增加492.55 Tg和46.67 Tg,生态保护情景较其他情景能显著提升新疆地区碳储量, 4种情景碳储量分布格局与2020年大致相同. ④除地类转化外,土壤侵蚀强度是新疆碳储量空间分异的主要驱动因子（q值为0.350 1）,其次是植被净初级生产力;多因子交互结果显示,新疆碳储量空间分异是多重因素共同作用的结果,所有因子在交互作用下均有协同增强的作用,土壤侵蚀强度和植被净初级生产力交互作用是新疆碳储量空间分异的主要交互驱动因子.     

耦合PLUS-InVEST-GeoDetector模型的安徽省碳储量时空演变及驱动力分析

基于“双碳”战略目标,探究安徽省土地利用变化对碳储量的影响以及碳储量空间分异驱动因素,并预测不同情景下安徽省2035年土地利用格局,对安徽省政策制定、土地资源分配优化以及“双碳”目标的实现具有重要的理论和现实意义. 耦合PLUS-InVEST模型对安徽省2035年自然发展、生态保护、耕地保护和耕地生态双保护情景下土地利用格局以及碳储量时空变化特征,并运用地理探测器对碳储量的空间分异驱动力进行分析. 结果表明：①1990~2020年安徽省土地利用格局呈现为耕地和林地面积持续减少,城镇用地面积大幅扩张的趋势. ②1990~2020年安徽省碳储量减少了1.39×10⁷ t,呈持续减少的趋势,耕地转为城镇用地是碳储量减少的主要原因,占损失碳储量总量的65.96%. ③单因子探测下高程对碳储量空间分异解释力最强（q值为0.185）,自然环境因子对碳储量空间分异的解释力占据主导地位;交互因子探测显示,所有因子在交互作用下均有增强作用,碳储量空间分异是多重因素共同作用的结果. ④2035年不同情景下碳储量均为减少趋势,其中耕地生态双保护情景下抑制碳储量减少最为显著.     

甘南州生态系统服务时空变化及权衡协同关系

甘南藏族自治州是黄河流域上游重要的生态功能区和环境脆弱带,研究生态系统服务变化及其权衡协同对该地区可持续发展具有重要意义.以甘南州为研究对象,基于1990～2020年土地利用类型时空变化,采用InVEST模型评估该地区的土壤保持、产水量、生境质量和碳储量这4种生态系统服务并对其权衡协同关系进行研究.结果表明：（1）1990～2020年甘南州建设用地、低覆盖草地、水域和耕地均表现增加,林地、中覆盖草地、高覆盖草地和未利用地表现减少;各地类在甘南州县区均有转移,主要集中在甘南州北部的夏河、合作和卓尼等,南部的玛曲和舟曲等地区;其中耕地主要转变为高覆盖草地,林地主要转变为高覆盖草地,高覆盖草地主要转变为林地,中覆盖草地主要转移为低覆盖草地.（2）近30 a土壤保持量和产水量变化明显,分别增加2.90×10～8 t和72.17×10～8 m³;生境质量与碳储量基本无明显变化.在空间上,4项生态系统服务高值均集中在林地、草地等植被覆盖地区,以迭部、舟曲、玛曲和卓尼等县为主. 1990～2000年除玛曲县外,其他地区土壤保持量与产水量以减小为主,2000年后,夏河、碌曲、玛曲和临潭等大部分县区以增加为主;碳储量在玛曲、迭部和舟曲等县区基本维持稳定,减小地区主要集中在夏河县与合作市;1990～2020年生境质量大部分地区表现为亏损,以夏河、合作、碌曲和迭部等县区为主,且随时间的变化,减少地区逐渐扩大.（3）1、5和10 km这3种样点尺度下,4项生态系统服务间均为协同关系,土壤保持与碳储量相关系数比较稳定,其值均大于0.55,协同程度强;产水量与碳储量协同程度弱,随着空间尺度的增大,二者相关显著性降低.在空间上,4项生态系统服务间并不完全协同,权衡的空间以玛曲和迭部等地区为主;随尺度的增大,土壤保持与产水量、碳储量,生境质量与碳储量在空间上趋向于协同.研究结果可为甘南州生态可持续发展与土地规划提供科学依据.     

大清河-白洋淀流域生态功能评价及分区初探

基于生态系统服务功能对流域生态环境进行功能分区是流域生态环境保护与修复的重要基础.本研究使用InVEST模型,对大清河-白洋淀流域2010、2015及2018年的生境质量、碳储量及土壤侵蚀等生态系统服务功能进行评价.结果表明：2010—2015年流域生态环境相对稳定;2015—2018年生境质量提升,土壤侵蚀缓解,但碳储量有所下降;流域内72.91%的区域处于中度敏感状态,3.99%的区域处于高度敏感状态,生态功能现状不容乐观.在此基础上叠加分析各子功能评价地图,将研究区划分为3个一级功能区及7个二级功能区,旨在今后对各功能区采取针对性的利用和管理策略,以维持和改善生境质量,为区域可持续发展提供支撑.     

基于PLUS-InVEST模型的江西省生态系统碳储量时空演变与预测

土地利用变化是影响陆地生态系统碳储量变化的重要因素,研究土地利用变化与碳储量之间关系对优化区域土地利用结构,维持区域碳平衡可提供可靠的数据支撑.以江西省为例,分析1990～2020年土地利用变化,基于PLUS模型,结合自然发展情景、生态优先情景和经济发展情景设置,对2030年江西省土地利用格局进行模拟分析,运用In VEST模型测算1990～2020年及未来不同情景下江西省碳储量变化,利用空间自相关分析探索江西省不同情景下陆地生态系统碳储量时空变化特征,并提出相应的政策建议.结果表明：(1)1990～2020年江西省碳储量整体呈下降趋势,共减少4.58×10～7 t.其中,水域和建设用地的面积增加,耕地、林地、草地及未利用地面积减少是导致碳储量减少的主要原因.(2)2030年江西省陆地生态系统碳储量在自然发展情景、生态优先情景和经济发展情景下分别为2.20×10～9、2.24×10～9和2.19×10～9 t.(3)3种情景下的碳储量值在空间分布上具有相似性,碳储量高值区域在江西省北部、西北部及西部区域出现集聚,低值区域则在中部区域聚集.研究结果可为江西省未来国土空间规划,提升陆地生态系统碳储量提供数据支撑.     

Renaturing cities using a regionally-focused biodiversity-led multifunctional benefits approach to urban green infrastructure

If a ‘Renaturing of Cities’ strategy is to maximise the ecosystem service provision of urban green infrastructure (UGI), then detailed consideration of a habitat services, biodiversity-led approach and multifunctionality are necessary rather than relying on the assumed benefits of UGI per se. The paper presents preliminary data from three case studies, two in England and one in Germany, that explore how multifunctionality can be achieved, the stakeholders required, the usefulness of an experimental approach for demonstrating transformation, and how this can be fed back into policy. We argue that incorporating locally contextualised biodiversity-led UGI design into the planning and policy spheres contributes to the functioning and resilience of the city and provides the adaptability to respond to locally contextualised challenges, such as overheating, flooding, air pollution, health and wellbeing as well as biodiversity loss. Framing our research to encompass both the science of biodiversity-led UGI and co-developing methods for incorporating a strategic approach to implementation of biodiversity-led UGI by planners and developers addresses a gap in current knowledge and begins to address barriers to UGI implementation. By combining scientific with policy learning and defined urban environmental targets with community needs, our research to date has begun to demonstrate how nature-based solutions to building resilience and adaptive governance can be strategically incorporated within cities through UGI.