农业景观中的土地利用变化导致基于土壤的生态系统服务退化外文翻译资料

本科毕业设计（论文）

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农业景观中的土地利用变化导致基于土壤的生态系统服务退化

Mike Baude ，Burghard C. Meyer , Marcus Schindewolf

德国

Science of the Total Environment

关键词：生态系统服务的长期退化，驱动力分析，地籍图分析，历史土壤的评估，土地利用变化

摘要：

在过去250年里，中欧的景观结构和生态系统服务(ES)供应发生了根本性的变化，并且一些生态服务系统已经不可逆转地退化。莱比锡(德国)附近典型农业景观的土地利用变化分析采用了数字化GIS历史数据、一系列地籍地图和时间序列为1750、1850、1950和2005年的数据。耕地面积由1750年的73.4%增加到2005年的87.2%，草地面积由22.1%下降4.2%。生态服务系统供应变化分析的结果显示，与1990年到1999年相比，2000年到2009年冬小麦产量显著增加。

然而，根据历史土壤评价图(1864年、1937年)显示自然土壤生产能力已经退化，同时实际的土壤侵蚀风险危险度在同一时期大幅增加。1750年至1850年的普鲁士农业革命导致了生物多样性水平的提高，19世纪下半叶工业化进程中生物多样性略有下降。自1960年以来，由于工业化生产和集团化生产，对植被结构的破坏导致生物环境退化和生物多样性的急剧丧失。驱动力分析表明，自1750年以来，土地利用和生态服务系统变化的主要驱动力是社会经济、政治和技术驱动力。根据作物生产力、自然土壤生产能力、侵蚀危害引起的土壤退化和生物多样性等指标，阐明了普鲁士土地改革、工业化、技术和土地管理创新、科尔霍兹制度和共同农业政策对生态系统退化的影响。

1. 简介

景观生态系统服务供给常受土地利用类型、生产体系和土地利用强度的影响。在一千年的生态系统评估中将生态系统服务定义为自然界为满足人类基本需求而提供的商品和服务(MEA, 2005)。生态系统服务的主要类型是提供、调节和文化服务。在本研究中，我们主要分析了作物生产(供应服务)、自然土壤生产能力(供应服务代理)、侵蚀危害(调节服务代理)和生物多样性(文化服务代理)在集约利用的农业景观中的土壤依赖生态系统服务。这项研究的重点是250年以上关于依赖生态系统服务的土壤数据的可用性。近三个世纪以来，土地利用变化通过改变地理因素、景观结构、景观要素及其相互关联的过程，可能对景观提供生态系统服务和景观功能的能力产生积极的、无影响的或消极的影响。

自20世纪60年代以来，由于化学物质和技术的广泛应用，土地利用的变化不断加剧，这在历史上是前所未有的。土地利用的变化导致了景观结构、景观功能以及生态系统服务的数量和质量快速变化((Antrop, 2005; Bastian and Bernhardt, 1993; Dıaacute;z et al., 2015; Foley et al., 2005; MEA, 2005)。土地利用的变化，例如从牧场到耕地，导致了新的景观结构(例如灌木篱墙、小径)产生，以及景观提供生态系统服务的能力发生变化(改变、退化、减少、不变或增加)(Jongman, 2002)。这导致生态服务系统的影响因素和过程发生变化，包括它们之间的相互关系(Verburg et al.， 2013)。中欧农业景观及其系统行为因其(文化)景观结构和景观功能而被广泛研究。然而，关于景观对生态系统服务性能的研究较少(Mucher et al.， 2010)。近250年来，中欧集约农业景观的主要土地利用变化表明，草地、森林和荒地在不断减少，而耕地显著增加((Baude and Meyer, 2012)。作者还详细描述了耕地面积的增加和线性景观元素(如小径和灌木篱墙)长度的减少。

驱动力是包括景观动力学发展在内的景观发展的外部影响因素的总和(Buuml;rgi et al., 2004)。自1800年以来，中欧地区不断变化的主要驱动力是由全球农业活动引起的社会经济、政治和技术变化(Ramankutty et al.， 2008)。社会或技术变革以及重大自然灾害可能是诱发景观发展新进程(加强或减少)的因果驱动力。景观结构的变化可能会改变生态系统服务的功能和性能，换句话说:土地利用的变化可能导致自然利用潜力退化的风险(Haase and Richter, 1980)。

景观结构(大小、形状、地块和线形基础设施的混合和分布)和景观功能作为景观提供生态系统服务的能力或潜力的表现，在大约7500年的时间里，农业已经发生多次景观结构改变。景观动力学是指由“驱动力”引起的景观结构、功能和生态系统服务的变化。

自1850年以来，栖息地质量的变化一直是生物多样性减少的原因之一(Baessler and Klotz, 2006)。此外，其他生态系统服务和景观功能，如调节功能(地下水形成和侵蚀调节)已经因多原因的景观和气候变化导致退化(Degoacute;rska, 2002; Harvey et al., 2014; Ladaacute;nyi et al., 2015; Lorencovaacute; et al., 2013; Meyer and Rannow, 2013; Mezősi et al., 2016)。

景观退化是景观系统发生的一种不可逆转或非弹性的系统变化，在景观结构、过程、功能(生产性、生态和社会)和生态系统服务的自然和文化能力发生显著负向变化时，对景观系统组件(其它地理因素、土地利用和之间相互联系)产生影响((Mezouml;si et al., 2013; Meyer et al., 2017)。

由于单一的功能生产和自然文化多样性的丧失，景观发生同质化改变(Jongman, 2002)。此外，景观恢复力——景观在外部因素变化或自然灾害之后恢复其结构和功能的能力——被视为科学、政策和规划中实现可持续性的重要目标。由于生态系统服务和景观功能的性能退化以及发展气候变化弹性生产系统的目标，这些能力的下降在不同的研究中得到了深入的讨论(Darradi et al., 2012; Folke, 2006; Heijman et al., 2007; Liu et al., 2007)。

在本研究中，我们分析了莱比锡(德国)北部一个农业景观的长期土地利用变化和景观结构变化动态对作物生产、自然土壤生产能力、侵蚀危害在侵蚀调节和生物多样性方面的影响。此分析是基于过去的250年里,通过使用现代土壤地图,土壤库存,地籍图(显示了地块的边界、所有权、地块的价值以及关于所有权分配水平的生产率细节),历史地图和土地登记、以及通过驱动力分析影响生态系统服务提供的重要趋势。从社会经济、政治、文化等方面探讨了土地利用变化的成因。

本研究的主要挑战之一是生成用于定量模型分析的基于历史地图和文档的数字数据。分析的几个标准/因素在可用性和质量方面存在很大的数据差距。本研究所面临的事实是，必须根据比较研究和文献的结果，以历史的时间步骤来描述一般的发展。记录历史景观结构和生态系统服务能力，并与最近的情况进行比较，对于生成阈值以阐明系统级别的变化非常重要。

1. 材料和方法

通过对1750年、1850年、1950年和2005年四个时间序列的重建，在局部尺度上分析了土地利用的长期变化(表1)。该研究讨论了驱动力对土地利用和生态系统服务变化和退化的影响。生态系统服务和退化分析的重点是作物生产、自然土壤生产能力和生物多样性的变化。生态系统服务的空间显式分析仅适用于自然土壤生产能力和侵蚀危害。如四个时间序列中有一个没有数据，则采用一般变化、比较分析和文献解释数据(表2)。

2.1 研究区域

研究区域(面积2639公顷)位于德国萨克森(Saxony/Germany) 莱比锡城市北部的Jesewitz自治市(N 51.422614/E 12.564669)(图1)，降水为550 - 600mm /a，年平均气温8.5℃ (Mannsfeld and Richter, 1995)。在萨尔冰期形成的区域内，适宜生物质生产的侵蚀性棕色土壤分布不均(Meyer, 1997)。研究区域的选择是基于此分析，作为更大、更详细的调查研究和建模研究区域及其数据可用性(例如:德国土壤调查、航空照片)的一部分。此外，在早期研究的基础上，历史地图和文件(一系列地籍地图和登记册)的可用性得到了成功的证明(Baude, 2006)。研究区是典型的农业集约利用区，是中欧在土地利用上采用俄罗斯式的土地改造方法的典型代表，具有连续250多年的农业用地历史。从19世纪初开始，土地利用发生了重大变化。因此，我们将时间序列1750作为空间分析的起点。

2.2 数据

2.2.1 土地使用

对土地利用变化的分析使用了多幅历史地图、历史文献、土地登记册以及自19世纪初以来绘制的一系列地籍图的数据(表1)。时间序列1750的重建是基于1761年的Petri地形图和1:12 000比例尺的萨克森英里图。土地利用类型资料取自《萨克森州奥古斯都地图集》和《申克夏地图集》。研究区首先以1:2500至1:3000的比例尺，利用1822年至1840年绘制的“分隔图”，绘制了一系列地籍图。相关的土地登记簿包含有关所有权、生产能力、土地使用类型和土地面积的信息。1850年时间序列的基础是地籍图(1864年的“Urkataster”)，其中还包括关于景观元素的信息。

时间序列1950也是基于地籍图。此外，对1959年的航拍照片进行了分析，并由当地的一名利益相关者负责采访重建1950年以来的景观结构和土地利用变化的细节。时间序列2005使用新的数码地籍地图，以及自动数码业权地图(ALK-data)和实地核实工作所包括的土地登记册。2015年笔者进行了实地核查研究，未见明显变化。

关于它们的有效性，历史地图和文献必须严格检查。特别是历史时期景观结构变化的空间显式映射，伴随着信息规模和内容的不确定性。

2.2.2 作物生产

自19世纪以来，景观分析提供的主要生态服务是农作物生产。自1990年以来，冬小麦产量在dt/ha中一直被用来显示作物产量的变化以及最近几十年的变化(Dietrich, 2016, farm data)。空间显式数字数据自1990年以来一直可用。Bork(1998)、Finck von Finckenstein(1960)和Korschens等人(1994)的研究已经被用来解释18世纪和19世纪作物生产系统的一般变化。

2.2.3 天然土壤生产能力

自然土壤生产能力的变化潜力是基于对土壤数据的分析，这些数据参考了普鲁士税收(1864年)和德国土壤库存(1937年)绘制的自然土壤生产能力地图。普鲁士的税收规定了每一块土地的土壤分类关税以及水、温度和植被期的生态特征。该分类提供了8类耕地(第1类是最高的自然土壤生产能力)来评估自然土壤生产能力。德国土壤库存数据也对自然土壤生产能力进行了评估。这是通过包括土壤颗粒计量学的土壤参数信息、地质基础材料和土壤发育状况以及用于比较两种土壤评价的土壤质量评价数字来实现的。利用Dotterweich(2013)关于土壤侵蚀历史的分析结果来解释近期的变化。

2.2.4水土流失危害引起的土壤退化

侵蚀风险解释利用Bork (1998)、Meyer(1997)和Dotterweich(2013)等人的研究成果，对中世纪以来的侵蚀作用和景观动态进行了总体概述。利用1864年和1937年的土壤库存量资料对景观侵蚀风险进行了分析，解释了1850年和1950年的侵蚀风险。采用侵蚀三维模型计算了2005年的土壤损失率和累积率。

2.2.5 生物多样性

我们利用Baessler和Klotz(2006)的研究结果解释了1950年和2005年生物多样性变化的时间序列。在1957年、1979年和2000年进行了三次调查，获得了土地利用和景观结构变化对可耕地杂草种类(物种丰富度和多样性)植物区系目录的影响数据。在更早的时候，一般的科学文献的发现已经被使用(Bignal and McCracken, 2000; Butchart et al., 2010; Knapp et al., 2016)。

3.方法分析

农业景观中土地利用和土壤变化对生态系统服务的影响是通过土地利用、驱动力和生态系统服务的变化或退化，并基于景观结构、土地利用类型、土壤税收和侵蚀风险方面的数据来分析的。其目的是指示生态系统服务的性能的变化。因此，我们的研究重点是作物生产、自然土壤生产能力、土壤侵蚀危害引起的退化和生物多样性指标。土地利用变化分析和生态系统服务分析都是基于GIS数据。

3.1 土地利用变化分析

利用GIS技术，分四个时序列对耕地、草地、森林、水体、聚落、线状基础设施等土地利用类型的景观结构和分布进行重建。对1850年的历史地籍图进行了扫描、地理参照和数字化处理。土地登记册的资料被纳入属性表，以产生有关土地所有权分配的空间显式数据集。将Petri maps、Saxonian mile maps、“Atlas Augusteus Saxonicus”和“Atlas Saxonicu

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