研究，一部分的特别功能景观科学在自然资源管理中的应用

测绘生态系统功能以支持生态系统服务评估的方法

• 摘要
• 简介
• 背景
  • SEQ地区
  • SEQ生态系统服务框架
• 映射方法
  • 生态系统功能的列表和描述
  • 数据集的识别和解释
  • 数据集的标准化
  • 地图生产
  • 同行评审和版本分析
• 结果
  • 单个生态系统功能图
  • 调节
  • 数据集
  • 生态系统总功能图
• 讨论
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

生态系统服务(ES)是人们从生态系统中获得的利益(2005年千年生态系统评估)。Maynard等人(2010:5)认为，生态系统服务的量化和绘图提供了关键信息，可以确定:“(a)提供高水平服务的地区，需要保护或管理以维持服务的提供(b)提供特定生态系统功能或服务的地区，(c)随着时间的推移生态系统服务提供的变化”。

生态系统服务在整个景观中相对提供的空间表示对于将生态系统服务纳入城市和区域综合规划过程至关重要。然而，生态系统服务来源和提供位置的测绘可能受到缺乏从服务角度描述景观的数据的限制。在土地利用规划中通常不考虑生态环境，因为决策者尚未获得相关工具和信息。这包括关于谁是生态系统服务的受益者的信息，以及他们对生态系统服务价值的看法。

生态系统功能地图的制作是为了为SEQ生态系统服务框架(以下简称框架)提供空间支持，该框架是由SEQ利益相关方制定的一个商定框架，专门用于识别、测量和评估生态系统服务，特别是用于土地使用和自然资源管理政策和规划(Maynard等，2010年)。尽管本文提供了框架的简要概述，但本文的重点仅仅是生态系统功能图的生成。

根据该框架，SEQ中显示出大量生态系统功能的区域也具有提供大量生态系统服务的潜力。生态系统功能和服务之间的关键区别在于，功能被认为具有内在的和潜在的以人类为中心的价值，而服务只根据它们对人们的好处来定义。例如，授粉的生态系统功能对于维持生态系统和生物多样性本身很重要，而授粉服务更具体地指对人类使用的粮食或燃料作物的授粉，甚至间接地指维持生态系统和生物多样性以继续提供生态系统服务。采用了绘制生态系统服务基础的生态系统功能的方法，作为最终绘制生态系统服务及其受益者的途径。其他研究人员(Kremen和Ostfield 2005年，Sanchirico和Mumby 2009年)强调了理解物种和特定生态系统之间的功能联系以及物种之间的功能关系对理解生态系统服务的重要性。

以前的生态系统服务制图方法使用土地利用和土地利用区域作为替代(Costanza et al. 1997, Costanza et al. 2006, Liu et al. 2010)。这种方法为生态系统服务映射提供了一条快速路径，但对于详细的规划目的来说，这种方法本身可能并不足够。土地利用描述的是人类认为的土地效用，而土地覆盖描述的是土地表面的实际测量属性(Witte et al. 2006, Carlson和Arthur 2000)。土地利用制图通常是在地籍基础上进行的，可能缺乏土地覆盖的次地籍分辨率。土地利用制图也可能忽略土地利用的地形背景，这可能会影响生态系统功能和服务的提供(Carlson和Arthur 2000)。SEQ生态系统服务框架(Maynard et al. 2010)要求映射与足够具体的信息相关联，以便在战略和个人规划决策中使用。为了尝试只用纯土地利用信息来解决这些问题，生态系统功能的绘制结合了土地覆盖、石刻属性、地形背景，在某些情况下，还有土地利用。这种方法还允许在土地使用之间和内部探索不同层次的功能。

这篇文章报告了19(19)个生态系统功能的识别和绘图，这些功能被认为是澳大利亚东南昆士兰(SEQ)地区生态系统服务提供的基础。它描述了绘制单个功能的方法，以及如何将这些地图叠加生成“总生态系统功能”地图。

附录1提供了框架中包含的生态系统功能的列表和描述。方法部分包含映射过程的描述。附录2提供了开发映射所需的每个数据层和转换的基本原理。结果包括单个功能图和总体生态系统功能图的描述，以及生态系统功能3:干扰调节的示例。讨论部分解释结果并讨论数据限制。结论部分描述了映射产品的应用和所使用方法的意义。

背景

SEQ地区

SEQ拥有昆士兰州约70%的人口，是澳大利亚增长最快的大都市地区(Hinchcliffe 2009)。亚热带气候每周平均吸引1057名新居民(澳大利亚统计局2010年)。SEQ地区大约22000公里²包括山脉、丘陵、山谷、河流、湖泊、泛滥平原、海岸海湾和岛屿。SEQ是澳大利亚物种最丰富的地区之一;已有近5000种本地植物和900种本地脊椎动物的记录(昆士兰政府，2003年)。图1显示了SEQ在澳大利亚的位置。

SEQ海岸平原相对宽阔平坦，起伏的丘陵在布里斯班北部(玻璃屋山脉和布莱克奥尔山脉)、南部(麦克弗森山脉)和西部(大分水岭山脉)上升到山脉。11个主要的河流系统和它们的支流穿过沿海平原，形成河口到莫尔顿湾和开阔的海岸。莫顿湾是由300多个岛屿组成的马赛克，包括三个主要的沙岛和沿海沼泽、石南地、红树林和沙丘的重要区域。

SEQ的南部地区主要是火山高地，包括澳大利亚中部和东部世界遗产地区的部分地区。西部地区在山脉之间有肥沃的农业土壤。这些高地地区有多种植物和动物，通常与放牧企业和农村住宅用地共享。西部的集水区为日益增长的城市人口收集水源，这些人口大多定居在沿海地区。

这种多样的景观带来了多种土地利用的压力，这往往与该地区自然资源的可持续管理相矛盾。区域规划的挑战是在空间上描述这些景观，使规划能够保护和增强生态系统功能，以及它们为SEQ和更广泛的社区提供的服务。

SEQ生态系统服务框架

对于框架的开发至关重要的是涉众对支持框架的结构、术语和工具的共识。Maynard等人(2012)将该框架描述为由三个主要元素组成:

1. 评估的四个主要组成部分的列表和描述:生态系统报告类别(生态系统组)、生态系统功能、生态系统服务和人类福祉;


2. 以分数和矩阵的形式对这些关系的半定量描述;而且


3. 一系列在空间上识别SEQ中生态系统服务来源的地图(即生态系统报告类别和生态系统功能地图)。

制定该框架的项目在很大程度上依赖于参与性进程，并得到指导小组、工作组、专家小组和社区讲习班的投入。通过创建谈判和信息共享论坛，该方法还提高了所有权，增强了利益攸关方的权能，并帮助跨部门和学科连接不同规模的信息和知识形式(2005年千年生态系统评估，考林等人2008年，梅纳德等人2010年，梅纳德等人2012年)。

映射方法

所描述的地图是使用ESRI ArcGIS平台制作的。测绘的第一阶段使用对每个生态系统功能的描述，为纳入框架的19个功能各绘制一幅地图。在该框架中，生态系统功能被定义为“在生态系统中发生或发生的生物、地球化学和物理过程和组成部分”(Maynard et al. 2010:6)。

第二阶段的绘图覆盖了19个单独的功能地图，以产生一个“总体生态系统功能”地图。已经制作了两份生态系统总功能图:一份基于存在/缺失，另一份基于四分位数标准化。由于最终产品(19个单个功能和2个总体生态系统功能地图)是数据源和相应地图层的组合，因此需要考虑母比额、创建年份、数据准确性、数据模型和每个输入层的最小映射单元(2005年千年生态系统评估，特洛伊和威尔逊2006年，梅纳德等人2010年)。

测绘工作是在审查框架生态系统功能定义的同时进行的，这需要不断改进适当的数据集和拟议的替代层。临时地图产品由有关学术和技术专家以及政治和社区利益攸关方通过会议和智库进行审查。给出的结果是当前版本(版本4)，随着新的信息和数据集的出现，将不断改进和审查。

生态系统功能的列表和描述

纳入框架的19个生态系统功能列表改编自de Groot等人(2002年)在专家小组会议期间提出的。生态系统功能的列表可以被认为是生态系统功能的广泛分组。例如，气体调节的功能包括调节许多气体，如碳、氧或氮，而不考虑将这种物质转化为气态的过程的类型。纳入框架的生态系统功能的数量是一个主观和任意的数字，取决于所选择的规模或划分方法。与会者认为，所界定的19项功能是全面的，对生态系统服务的提供是最重要的，在框架内是可管理的。生态系统功能及其描述见附录1表A1.1。

数据集的识别和解释

为了绘制单个生态系统功能，确定、收集和组合了所有可用的地理信息系统(GIS)数据集，以表示专家小组所描述的生态系统中发生的19种不同的生物、地球化学和物理过程和组成部分。向合作伙伴和利益攸关方要求提供SEQ景观的生物物理数据集、不同的生态系统类型和覆盖整个区域的土地使用地图。对这些多个数据集进行分析和混合，以产生在景观中每个特定生态系统功能发生的可能的空间表示。

虽然所使用的大多数数据集已经开发，但一些生态系统功能需要开发新的数据层;这些是由协调组织SEQ Catchments内部开发的)。17(17)个新层由现有的数据集衍生而来。附录2表A2.1列出了用于开发19个生态系统功能图的数据集、数据来源或参考资料、每个数据集的基本原理(就其应用的功能而言)，以及对数据集使用的评论或未来纳入的建议。

数据集的标准化

为了开发单独的功能图，对每个数据集进行了标准化，以产生一种通用货币，以促进GIS环境中的叠加过程。这个标准化过程的目的是将每个数据集简化为“存在”或“不存在”(0或1)，并确保所有数据集具有一致的规模(25米x 25米网格)。采用了两种标准化方法:

• 方法A:对于一些数据集，在元数据和支持文档中提供专家建议。使用这一建议，每个数据集被简化为存在或不存在(0或1)。例如，来自生物多样性规划评估的核心生境数据集提供的数据为低、中、高和非常高，这些数据分别被重新分类为1、2、3和4。这些分数进一步被重新分类为1分和2分的标准化分数为0分(缺失)，3分和4分的标准化分数为1分(存在)(也就是说，只有最高的两个分数被保留)。
• 方法B:当原始数据集没有固有的专家意见时，使用四分位分割来计算数值数据。在按升序排列数据之后，四分位分割将数据分配到4个相等的部分(Serfling 1980)。这将产生从1到4的分数范围。1分和2分被重新归类为缺席，3分和4分被重新归类为存在，与方法A相同。

地图生产

19个生态系统功能图是通过覆盖选定的标准化数据集套件来生成每个生态系统功能的范围图。虽然在单个生态系统功能覆盖过程中没有对每个数据层进行加权，但在标准化过程中进行了优先排序。附录2，表A2.1是最终的主列表，包括每个数据集对生态系统功能组成部分的贡献的描述和相关的参考文献。

虽然专家或资源管理人员可能在个别的生态系统功能图中发现效用，但区域一级的决策者正在寻找一种总结所提供的生态系统功能级别的产品。规划专业人士认为，虽然我们还无法绘制出具体的生态系统服务，但我们可以通过保护提供一系列必要生态系统功能的区域，从规划的意义上保护这些服务。这一观点导致了两种生态系统功能叠加图(总生态系统功能图)的试验。

第一个总体生态系统功能图(标题:存在/缺失)是通过进一步减少每个单独功能图(例如，生态系统功能3:干扰调节)中的信息到存在或缺失，然后将所有19个功能图叠加而成。例如，在扰动调节图中，如果一个细胞被突出显示为执行该功能，它就会出现(值= 1)。如果没有识别出支持该功能在该区域(细胞)执行的数据，它就会消失(0)。然后，各个生态系统功能图被叠加。得到的总生态系统功能图的数据范围为0 - 19。

第二张总生态系统功能图(标题为:四分位数)是根据方法B中总生态系统功能图部分所述的19个独立功能图的四分位数绘制的;保持所有值1 - 4，然后叠加它们。例如，每个功能图的最高得分为4分，当组合(叠加)时，得到的总生态系统功能图中的细胞有0 - 76的潜在数据范围。

同行评审和版本分析

框架开发的每个阶段都是数据收集、分析和审查的迭代过程(Maynard et al. 2010)。第一阶段的同行审查包括地图产品，包括向由州和地方政府、非政府组织和主要学者代表组成的指导小组提交地图和基础数据集。一旦通过任何必要的修改考虑到建议，地图和基础数据集就提交给有关人士和组织的公开论坛(工作组)。论坛上有来自联邦、州和地方政府、农业组织、工商界和非政府组织的代表。

结果

单个生态系统功能图

共制作了19张生态系统功能图和2个版本的总生态系统功能图。19个生态系统功能图均载于附录3，如图A3.1至A3.19所示。现在将简要解释19个单独的生态系统功能图之一，即功能3(干扰调节)。地图本身如附录3中的图A3.3所示。

调节

专家小组对这一功能的描述包括:土壤、风化层和植被通过水和能量的储存能力和表面阻力来缓冲风、水和波浪的影响。土壤剖面储存水分，减少径流。植被加强渗透，提供地表阻力。退化的土壤和景观能力下降。土壤性质(如深度、表面质地)和植被结构很重要。

这些地区的景观最大限度地减少了山洪暴发、风暴潮、山崩、过量径流和其他一系列过程，这些过程调节了澳大利亚高度多变的天气和降雨的波峰和波谷(White and Karssies 1999)。15(15)个数据集或执行这一功能的路径被用于开发这一地图。7个与植被直接相关，例如:斜坡植被、河流植被和有良好地面覆盖的地区。其他层包括在强降雨时蓄水的水体，在风、浪和风暴潮增加时保护海岸免受侵蚀的海岸和沙丘系统。

在干扰调节地图上深蓝色的区域显示了与沿海地区数据重叠最多的区域，包括最突出的岛屿。其他高度重叠的地区还包括南部和北部较高的高架和高降雨地区，这些地区仍然保留了大量的残余植被，还有河岸地区和这些高架地区底部的泛滥平原。数据覆盖量最少的区域包括农业、已建成的基础设施/定居区和西部的一些草原。通过专家小组过程，实现干扰调节功能的区域在提供生态系统服务方面是最重要的:维持水质、耕地面积和范围、缓冲极端事件。

数据集

为了绘制19张生态系统功能图，确定了59个独特的数据集，这些数据集结合在一起或以不同的组合方式提供了景观中单个生态系统功能(对维持生态系统、生物多样性和提供生态系统服务很重要)的位置。一些数据集被用于绘制多个生态系统功能，但每个数据集只在每个功能中应用一次，即使认为该数据集是多个路径的合适替代。所应用的数据集以及所应用的生态系统功能图的数量见表1。

从表1的检验来看，在生态系统功能图的绘制中，Good Grass cover、detected木质植被覆盖和湿地数据集的应用最多，分别应用于11、10和9个生态系统功能。有17个数据集用于5个或更多的生态系统功能。另有26个数据集用于2到4个生态系统功能。有16个数据层仅用于一个生态系统功能。为绘制生态系统功能而专门开发的数据集，即附录2表A2.1所述的23个派生层，应用于多达11个功能，5个派生层应用于7个或更多功能。派生层中的六(6)只用于一个函数。

表2列出了用于开发每个生态系统功能图的数据集的数量，以及任何给定区域发生的数据重叠的最大数量。它还列出了地图上没有数据支持的生态系统功能正在这里执行的区域的百分比。还提供了一个数据集或多个数据集覆盖的面积的百分比。最后一列显示包含一个以上数据层的每个函数的实际数据覆盖率的百分比。

绘制支持性生境(29)所需的数据集数量最多，绘制植被屏障效应(1)所需的数据集数量最少，紧随其后的是荫蔽和遮蔽两个数据集。平均需要10个数据集来映射每个单独的函数，但总的来说，映射每个函数所需的数据集的数量变化很大。对于每个生态系统功能，超过50%的数据集在生成的地图上的某个地方重叠。

生态系统的景观机会调节、气候调节、气体调节、营养调节、废物处理、支持性生境和干扰调节功能覆盖范围广，占SEQ地区的60%。面积最窄的生态系统功能为药理学资源、植被屏障效应、生物防治、授粉、遮荫和遮蔽、原料和土壤形成，覆盖率均小于40%。如果11个生态系统功能中没有数据/功能的区域被排除在外，其地图面积的50%以上是由一个或多个层组成的。对于两种生态系统功能“荫蔽”和“植被的屏障效应”，这个数字不到10%。其余三种生态系统功能均在40%以上。在有数据的地方，数据重叠的重合性很强，揭示了这些景观提供生态系统服务的许多途径。

生态系统总功能图

这两张生态系统总功能图分别见附录4和附录5的图A4.1和图A5.1，现在将对其进行更详细的描述。

总体生态系统功能图:存在/缺失

生态系统总体功能图综合了该区域内所有19个功能层及其相互作用。地图上以深蓝色表示的功能重叠高的区域主要包括自然区域、源区生态健康度高的溪流、高架景观、淡水湿地和沿海湿地以及海草草甸和浅滩等海洋生态系统。有人指出，高生态系统功能分散在景观中，甚至在城市和建筑环境中。部分种植区、城乡居民区和海洋环境出现了生态系统功能较低的区域。在一些情况下，如海洋环境，数据差距是低分的原因。

表3显示，该区域生态系统功能重叠的峰值出现在2、4、7、14和18个重叠功能处，其中7个重叠功能处的峰值最高。只有一个映射功能的区域占17.32%，没有映射功能的区域占0.42%。只有2.92%的区域具有最高可能的功能重叠(即19个功能)。这种绘制地图的方法弥补了缺乏数据的地区的不足。

总体生态系统功能图:四分位数

四分位法将每个生态系统功能的数据重叠加权为1到4分，其中4分的重叠度最高。综合19个四分位生态系统功能层，可达到的最高总数为76，观察到的68。地图上深蓝色表示高功能重叠，包括岛屿、高架地区和上游集水区、健康溪流和大部分自然地区。高和低功能重叠的区域类似于存在/缺席方法，但是，由于数据范围更大，定义更明确。例如，与存在/缺席法中摩尔顿岛的整体高度不同，东部前沙丘和西部生态系统提供了更多的功能，以及主要支持湿地群落的南端。

一些数据层用于大量的生态系统功能图，因此对总体生态系统功能图的贡献大于其他数据层。如结果所示，木本植被、残余植被、良好的草地覆盖、湿地和更深的土壤出现在许多层。

从表4可以看出，该总生态系统功能图中出现的最大数据重叠数为68个，在11-20个数据集重叠时达到峰值。

讨论

应用的方法表明，可以在空间上定位生态系统功能的来源，并通过数据重叠的方式显示相对显著性的粗略度量。通过查阅文献和解释现有数据集，可以在空间上识别整个SEQ地区提供生态系统功能的生态系统过程和组成部分，因此有可能提供大量特定或多种生态系统服务。

对现有数据的审查表明，虽然所需资料有很大的差距，但已有足够的数据集供绘制地图之用。在需要和可能的情况下，开发新的数据集来填补这些空白。由于大多数新派生的数据集构成了四个或更多的函数映射，显然，这些新数据集在弥合这些差距方面发挥了重要作用，为呈现单个函数做出了强大贡献。虽然没有足够的数据表明这些功能的大小，但在文献中有足够的研究或一般原则来确定为每个功能使用特定数据集的理由。

15个生态系统功能层中有超过40%的地图区域(SEQ区域)被两个或两个以上的数据集覆盖。没有一个生态系统功能地图的数据重叠区域覆盖面积超过70%。这些结果表明了单个数据层的重要性，以及需要使用多个代理来获得最全面的区域覆盖，并表示可以执行同一生态系统功能的所有不同路径。除了少数例外，各个函数图中数据重叠最多的区域都只占总面积的一小部分。

关于更高的数据重叠是否等同于更高的实际生态系统功能的量级的研究最近已经进行(S. Maynard R. Runting, M. Petter, S. Mooney和a . Davidson，《综合专家知识和GIS数据集以支持生态系统服务评估框架》，未出版的手稿)．结果表明，大量的数据重叠和函数的大小之间有很强的关系，然而，毫无疑问，在使用该方法时，缺乏数据将导致较少的数据重叠发生。这可以从沿海和海洋地区的结果中看出。沿海和海洋生态系统功能的热点已被确定，但由于数据空白，这些地区的生态系统功能总重叠比陆地地区少。因此，这些地图除了提供了生态系统功能的一些表征外，还代表了我们在这些领域的知识状况，可以指导进一步数据采集的优先次序。

此外，缺乏数据重叠并不总是表明重要性较低。生态系统的特定组成部分或达到特定功能的路径(由单个数据集表示)可能是在现实世界过程中维持该功能的最重要的生态学意义。这突出了需要在预定的特定用途背景下对个别数据层和/或生态系统功能进行加权(例如，在适用于气候变化缓解和适应战略时，对气体调节功能进行更高的加权)。beplay竞技

一些数据集用于更多的生态系统功能图(即植被数据集，如良好的草地覆盖、检测到的木本植被和湿地)，因此对总生态系统功能图贡献更大。

在回顾两张生态系统总功能图时，B方法(四分位数)保留了生态系统功能的高度重叠，但丢失了数据可用性较低的区域。方法A(存在/缺席)对数据空白不太敏感，但未能保存单个生态系统功能中高度重叠区域的信息。与决策者和社区的协商将方法A列为比较平衡和可理解的方法。理想情况下，需要一种结合两种方法长处的重叠方法。

认识到GIS制图的局限性是很重要的。这些限制包括数据的地理和时间覆盖范围以及收集的数据类型存在偏差(2005年千年生态系统评估，Troy和Wilson 2006年，Maynard等人2010年)。SEQ中某些分区域的数据可用性比其他分区域(例如海洋区域)要大，而各种类型资源(例如生物多样性)的数据可用性之间也有差异。已经确定了一些步骤，正在采取其他步骤来缩小这些差异。例如，为了克服海洋数据缺乏的问题，一个临时步骤是将所有海域至少分为三个独立的层:底栖、远洋和海面，以认识到它们的不同作用和海洋的基本三维性质。

结论

千年生态系统评估(MA)将专家判断应用于科学家、从业者和社区拥有的现有知识，以解决全球和次全球范围内的政策相关问题(2005年千年生态系统评估)。SEQ项目专注于地方和区域规模，并面临着在更广泛的MA中确定的许多相同的挑战，例如数据可用性;连接利益攸关方的规模和知识系统;并确保生成的产品充分基于地点和可信度，以满足决策者的需求。

应用的数据集和生成的地图已由指导小组通过相关人士和组织的公开论坛、主要是SEQ利益攸关方(工作组)以及国家和国际会议进行了同行审查(Maynard等，2010年)。总的来说，这种方法产生的地图在审查时被认为是可信和有用的。测绘工作有助于加强政府在生态系统服务方面的政策。

生态系统服务和SEQ生态系统服务框架已被纳入该地区的法定规划文件:《2009 - 2031 SEQ区域规划》。政策4.3(第71页)讨论了需要“保护、维持和提高本区域生态系统提供生态系统服务的能力”。生态系统功能图是识别和测量生态系统服务的必要组成部分，以支持这一政策。

框架和绘图产品的其他应用是作为指导原则支持SEQ 2009 - 2031年自然资源管理计划(环境与资源管理部2009年);地方政府规划方案、社区规划、生物多样性和自然保护计划，以及水资源策略。描述的绘制生态系统功能的方法被用于为SEQ区域状态报告生成两个数据集，一个是1991年的生态系统功能地图，另一个是1991年到现在的生态系统功能变化地图(昆士兰政府，2008年)。其他潜在的应用包括气候变化减缓和适应战略以及指导区域抵消方案的制定。beplay竞技

该项目的财政资源有限，但幸运的是，有一些可靠的数据集和以前的文献，以及专家和当地知识。人们认识到SEQ区域的数据相对丰富，但已经确定了将这种方法应用到州一级或全国其他区域所需的关键成分。

该框架仍然是非规定性的，因此利益相关者能够在自己的能力范围内将信息应用到他们的管理实践中。SEQ Catchments未来的工作将使用这些生态系统功能层作为生产生态系统服务地图的原料。

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