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我校在揭示城市生态系统服务与气候韧性的非线性权衡和临界阈值方面取得新进展
时间:2024-02-22

近日,风景园林系城市生态健康诊断与蓝绿空间效能优化创新团队吴雪飞教授课题组,在将生态系统服务与气候韧性的非线性权衡和临界阈值应用于大都市区域气候适应性生态修复计划方面取得新进展,研究成果以“Nonlinear trade-off relationship and critical threshold between ecosystem services and climate resilience for sustainable urban development”为题在环境管理和可持续发展领域国际权威学术期刊Sustainable Cities and Society上发表。

气候变化阻碍了几乎所有可持续发展目标的实现,特别是对于大都市地区,有限的自然资源供应和气候风险的双重压力正在加剧生态系统退化。迫切需要在大城市地区的生态修复决策中综合考虑生态系统服务(ES)和生态系统气候韧性(ECR),以支持多个可持续发展目标的共同实现。ECR指的是生态系统对气候变暖这一常规气候风险的减缓和适应,以及对暴雨、飓风、高温等极端天气事件的吸收、适应和恢复的能力。目前,大都市地区的气候适应性生态修复计划有两种趋势:(1)通过维持和提升ES供应以增强社会-生态系统的气候韧性。例如,通过加强城市绿色基础设施的降温服务,能够提高城市对热浪的抵御能力。(2)通过直接提升ECR以维持ES的持续供应。例如,在沿海城市通过恢复沿海基础物种来增强其对海平面上升的适应能力,可以帮助维持多种ES的可持续供应。在这两大主流修复计划中,决策者默认了生态系统服务供给和气候韧性的线性协同关系。然而,ECR与ES之间可能存在的权衡关系被忽略了。不仅如此,生态系统和气候变量都有时间尺度依赖性,同一个点在不同时间尺度下往往会表现出不同的ECR状态,ECR具有时空异质性。

为了解决以上问题,研究团队提出了一种基于GPP时间序列数据和信息熵理论的多时间尺度ECR批量评估工具。在确定了与不同ES相关性最高的ECR时间尺度后,研究假设ECR至少存在两个关键的阈值,在第一个阈值之前,ECR与ES供应是权衡关系,专注于ES供给提升的生态修复工作可能会导致生态系统的崩溃,从而造成难以逆转的损失。在两个阈值之间,ECR与ES供应是协同关系,ECR的修复可以提升ES的供给。在第二个阈值之后,ECR与ES供应是权衡关系,继续提升ECR则可能反而会降低ES的供给。

研究以中国武汉都市圈为实证研究区域,揭示了不同ES的关键ECR时间尺度,以及ES与ECR之间的非线性权衡关系和阈值效应。通过将这一机制应用于气候适应性生态修复,最终开发了一个框架,将ECR和ES整合到空间识别中。该框架试图回答ECR修复应该在哪里实施,ES应该在哪里进行修复或增强,以及哪些ES应该修复或增强的问题。

图1. 整合ES与ECR的非线性权衡关系和关键阈值的气候适应性生态修复分区框架

研究团队发现协同ECR与ES不能一概而论,对于不同的ES应该关注的ECR时间尺度不同。ES供给能力不仅取决于系统当前状态还受到多个时间尺度上的能量流动和物质循环的影响,这导致了不同类型的生态系统和功能有不同的适应周期。对不同ES/功能区的关键ECR时间尺度的探讨有助于更好地理解和管理生态系统。

此外,ECR与不同ES之间的非线性权衡关系和临界阈值也有差异。对所有的ECR阈值取交集,长期ECR小于0.445和短期ECR介于0.38-0.47是WMA的ECR与多种ES之间协同的阈值,在此阈值范围内ECR与HQ、AP、CS、WP、SR、R、WY七个ES都具有协同关系。而GP与长期ECR之间没有明显的阈值效应,两者是显著的权衡关系。

研究根据2001-2020年WMA的ESB动态演变特征划定了二级主导生态功能分区。在此基础之上,以ECR阈值作为判定规则进行气候适应性生态修复分区。最终,将ECR与ES整合进空间识别,并以城市生态修复区、水资源保护区、农业建设区以及林业建设区四个WMA主要二级分区为例,完成了气候适应性生态修复分区制图。

图2.影响不同ES的关键ECR时间尺度

图3.ECR与不同ES的非线性权衡关系和关键阈值

图4.WMA气候适应性生态修复分区制图

该研究给气候适应性生态修复项目引入了一个新的关键绩效指标——ECR。生态修复项目必须通过风险评估在项目的每个阶段回答“什么可能出问题”,以确保修复的成功。ECR阈值的确定可以将气候风险纳入生态修复计划,可用于气候适应性生态修复的分区、目标确定和事后监测。同时,研究提出的气候适应性生态修复分区框架适用于几乎所有的陆地生态系统。研究成果将有助于进一步完善气候变化背景下城市可持续发展研究、国土空间生态修复研究的理论体系与方法论创新。该研究得到了国家自然科学基金(32371945和31971715)的支持。风景园林系博士研究生洪歌为论文第一作者,吴雪飞教授为通讯作者,刘文平教授和硕士研究生刘思佳为共同作者。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.scs.2024.105253

南湖新闻网链接:https://news.hzau.edu.cn/2024/0226/69049.shtml


作者:洪   歌

审核:吴雪飞