旱区是指以水资源短缺为主要特征、生产力和养分循环均受到水资源限制的区域，即多年平均降水量与多年平均潜在蒸散量之比小于0.65的地区（MEA, 2005）。

城市扩展过程是指由于土地利用方式的改变，导致空间上城市规模的扩大，使得非城市用地转化为城市用地的过程（何春阳和史培军，2009）。

生态系统服务是指生态系统所形成和维持的人类赖以生存和发展的自然环境条件与效用，是人类从生态系统中所获得的利益（Daily, 1997; MEA, 2005）。

如何有效评估旱区城市扩展过程对多种生态系统服务的影响，对于完善城市规划和促进区域可持续发展具有重要意义。目前，已有学者评估了旱区城市扩展过程对多种生态系统服务的影响。但是，当前研究在模拟未来城市扩展过程方面存在不足，导致旱区未来城市扩展过程对多种生态系统服务影响的评估仍然存在较大不确定性。首先，在模拟未来城市扩展过程中传统CA（cellular automation）模型假设城市演化规律不变，采用静态的模型参数。其次，模型模拟过程中，来自数据源的误差（如野外调查误差、数字化误差和数据转换误差）会在CA模型中不断传递且积累，进而增大模型的不确定性。为此，本文以中国北方旱区呼包鄂榆城市群为例，利用基于集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter, EnKF）的数据同化方法改进LUSD-urban（Land Use Scenario Dynamics-urban）模型，并结合生态系统服务测量方法来评估旱区城市扩展过程对多种生态系统服务的影响。首先，利用EnKF方法改进LUSD-urban模型并模拟未来城市扩展过程。然后，利用生态系统服务测量方法量化区域六种关键生态系统服务。最后，结合相关性分析评估城市扩展过程对多种生态系统服务的影响。

该文于2022年9月29日正式刊登在杂志Landscape Ecology（2021年影响因子5.043）。文章第一作者为景观可持续科学与地理设计团队宋世雄博士，通讯作者为何春阳教授。

科学问题

旱区城市扩展过程对多种生态系统服务会造成怎样的影响？

研究步骤

（1）模拟区域2017-2050年城市扩展过程。参考He等（2016）和Zhang等（2015），根据影响因子数据、历史城市扩展数据和LUSD-urban模型构建城市扩展模型，并获取模型初始化的相关参数（图1）。然后，利用LUSD-urban模型模拟城市土地数据。其次，利用EnKF模型和实际的城市土地数据同化LUSD-urban模型的模拟结果和模型参数（影响因子的权重Wi）。最后，修正后的结果和参数再输入到模型中，作为初始值，使模型模拟下一同化时刻，直到所有同化年份都结束。

图1 改进的LUSD-urban模型框架

（2）量化生态系统服务。依据MEA提出的生态系统服务分类，考虑到数据的可获取性，本研究从支持服务、供给服务、调节服务和文化服务四个方面选取了六种区域关键生态系统服务。然后，参考Shape等（2016）、Li 等(2014)、Yang等(2015)、Landuyt等(2016)和Cui等（2019），利用InVEST模型和经验系数分别量化了区域自然生境质量、食物供给、水源涵养、空气质量调节、防风固沙以及景观美学等六种生态系统服务。

（3）评估城市扩展过程对多种生态系统服务的影响。首先，利用生态系统服务空间图量化城市扩展过程中生态系统服务变化的数量和空间格局。其次，参考Xie等（2018），利用相关性分析方法分析城市扩展过程中多种生态系统服务两两之间的相关性。

研究发现

呼包鄂榆城市群仍将经历快速的城市扩展过程。区域1990-2017年城市土地面积从151.29km²增加到了1230.86 km²，增加了7.14倍，年均增长率为19.29%。2017-2050年，呼包鄂榆城市土地面积将达到2498.25km²，将增加102.97%。未来新增城市土地将主要分布于呼和浩特、包头、榆林和鄂尔多斯，分别为370.38km²、320.53 km²、114.38 km²和114.07km²，共占全区新增总面积的72.54%（图2）。

区域1990-2017年城市扩展过程导致六种关键生态系统服务减少。其中，粮食生产服务损失最多，从132.87 t/km²下降到131.77 t/km²，降低了0.83%。景观美学服务损失最小，从3.85下降到3.84，降低了0.26%（图3）。1990-2017年，区域有三对生态系统服务之间存在强正相关关系（R >0.5, P < 0.01），分别是自然生境质量与空气质量调节、粮食生产与水源涵养和水源涵养与景观美学。其中，水源涵养与景观美学之间的相关系数变化最大，从0.57增加到0.62（图4）。

在未来城市扩展背景下，区域六种关键生态系统服务将加剧退化。预计至2050年，粮食生产、水源涵养、自然生境质量、空气质量调节、防风固沙和景观美学服务将分别降低1.34%、0.81%、0.65%、0.60%、0.95%和0.35%（图5），单位面积损失分别为4.09t/km²、2.48 t/ km²、0.0198、1.81kg/ km²、2.88 t/km²和0.0105，高于1990-2017年的3.08t/km²、2.02 t/km²、0.0145、1.61kg/ km²、2.49 t/ km²和 0.0099。2017-2050年，区域有五对生态系统服务之间存在强正相关关系（R >0.5, P < 0.01），分别是自然生境质量与空气质量调节、粮食生产与水源涵养、水源涵养与景观美学、粮食生产与景观美学和水源涵养与空气质量调节。其中水源涵养与空气质量调节之间的相关系数变化最大，将从0.54增加到0.59（图4）。

图2 区域1990-2050年城市扩展过程

图3 区域1990-2017年城市扩展过程对生态系统服务的影响

图4 区域1990-2050年生态系统服务之间的相关系数

图5 区域2017-2050年城市扩展过程对生态系统服务的潜在影响

摘要：Context Effectively estimating the influences of urban expansion on multiple ecosystem services (ESs) is of great importance for improving urban planning in drylands. However, there are some shortcomings in the existing urban expansion models, which lead to great uncertainties in the assessment of the influences of urban expansion on multiple ESs. Objectives This study sought to effectively estimate the influences of urban expansion on multiple ESs in drylands. Methods We combined the land use scenario dynamics-urban model and ES models to estimate the influences of urban expansion on habitat quality, food production, water retention, air quality regulation, sand fixation, and aesthetics. Results The results showed that (1) our method can effectively evaluate the influences of urban expansion on multiple ESs in drylands, and the accuracy increased by more than 20% on average. (2) Under the impacts of future urban expansion, the annual average loss per unit area of habitat quality, food production, water retention, air quality regulation, sand fixation, and aesthetics will increase. (3) Future urban expansion will occupy more cropland and grassland, which will be the main reason for the intensified degradation of multiple ESs. Conclusions We suggest that the local government should focus on protecting key ecosystems, especially grasslands, from urban expansion to mitigate the potential influences on multiple ESs in drylands.

文章引用：

Song, S., He, C., Liu, Z., Qi, T. (2022). Evaluating the influences of urban expansion on multiple ecosystem services in drylands. Landscape Ecology. https://doi.org/10.1007/s10980-022-01500-1

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s10980-022-01500-1#citeas