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美国未来土地利用变化和潜在的生态系统新颖性

Sebastian Martinuzzi，Gregorio I. Gavier-Pizarro，Ariel E. Lugo，and Volker C.Radeloff

摘要:由于土地利用、气候和外来物种的变化所导致的快速全球变化正在引起环境条件的变化以及新的种群的出现。理解未来人为因素如何影响生态系统新颖性，对于促进人类世界的环境管理和生态调查至关重要。研究的主要目标是理解未来不同的土地利用变化如何影响美国本土的生态系统新颖性。我们用5种不同的未来土地利用变化的显式空间场景，反映不同土地利用政策和农业市场上的变化，来量化和描述生态系统新颖性的潜在驱动力。我们的结果显示未来土地利用变化可能会提升大型区域生态系统的新颖性。促进生态系统新颖性的主要土地利用变化包括土地撂荒和土地利用扩张，这些变化广泛体现在所有的情景中（7300万-9500万公顷），尤其是美国东部和西海岸沿线。我们的情景显示，大尺度下，未来土地利用变化将提升生态系统的新颖性，传统的保护政策对于阻止这一过程可能会有限制性。由于未来的土地利用变化和相关生态因素的变化，在像美国东部这样的地区，保护和维持历史条件以及生物多样性将可能会越来越难。人类世界上成功的生物多样性保护和环境管理要求在高水平的生态系统新颖性的区域开发出相关的新颖性保护方法。

关键词：生态系统新颖性 土地利用变化 全球变化 生物多样性 人类社会 情景

引言：与人类活动相关的土地利用，土地变化和外来物种的分布改变了环境条件和团体结构，提升了生态系统新颖性(Hobbs and others 2006；Williams and Jackson2007；Ellis 2011；Radeloff and others，in press)。高生物新颖性的生态系统为环境管理和调查提出了难题，因为试图向历史基准反馈生物多样性不再有效(Lindenmayer and others 2008；Seastedt and others 2008；Hobbs and others 2009)。期望能在未来全球变化的背景下生态系统的新颖性能够得到提升，潜在地影响世界范围内生物多样性模式和生态系统服务(Lugo2013；Radeloff and others，in press)。然而，我们对未来生态系统新颖性水平的理解受到了限制，预测未来人类社会改变的情景如何影响生态新颖性能够为人类社会的生态研究和环境管理提供重要信息。

生态系统新颖性来源于多种原因(Radeloff and others，in press)，但是本文重点在于土地利用产生的新颖性。高水平生态系统新颖性的物种格局和历史生态系统的格局不同，这是由于外来物种的存在和生物对环境条件的响应，比如栖息地破坏，盐度改变或者气候变化(Hobbs and others 2006)。高度新颖性团体的物种构成包括本地物种和外来物种或者是当地物种在不同相关历史团体丰度下的结合。

常见的高度生态系统新颖性的土地包括那些被人集约利用后废弃的，以及半自然空间嵌入的和人类主导的土地利用边界(Perring and others2013)。例如包括废弃的农田，过去城市和农业景观内部残余的荒地，城市遏制区域或作物田、棕地、运输和传输管道等。这些地方通常有高丰度的外来物种，被简化的原生植被，被改变的野生动物群落(McKinney 2002；Chace and Walsh2006；Duguay and others 2006)。

土地利用变化是全球变化的主要驱动力之一，也是生态系统新颖性产生的原因(Hobbs and others 2006)。由于以前的农田和牧场休耕了很长一段时间，比如自然植被可以自然恢复。然而，过去土地利用实践的土壤条件变化（例如侵蚀和盐渍化），当地物种有限的种源、引进物种和代替的干扰制度可以改变恢复路径和提升新颖性（Hobbs and others 2006；Cramer and others 2008）。在美国，比如，先前是农用地的草地，通常比从没有开垦的草地包含有较低的植物多样性和更多的外来种(Baer and others 2002，2009；Elmoreand others 2007)。在美国东北部，大面积农用地恢复后的森林明显显示出和前殖民地条件显著不同的当地物种的丰度(Thompson and others 2013)。在波多黎各，20世纪40年代的农业撂荒和植被恢复导致了森林中能抵御飓风的外来物种大量存在。未来的农业集约化和快速环境变化预计能导致大量增加的旧领域出现，伴随着长时间趋向于历史植物群落的极少证据(Cramer and others 2008)。

人类土地利用扩展到自然界，会导致生境破碎化,隔离了自然种群，改变了土壤条件，改变了生态群落和原生生物(Fahrig 2003)，也就是说为生态系统的新颖性提供了机会(Perring and Ellis 2013)。同时，人类土地利用扩张有利于外来物种扩散到自然区域。生境破碎化的边界创造了外来物种向周边景观的扩散点(Bradley and others 2010；Vila and Ibanez2011)，房屋周围的景观为外来种扩散和干扰环境提供了支持 (Gavier-Pizarro and others 2010b)。事实上，外来物种在特定地区出现频率和土地利用的多样性和强度相关，随着人类的土地用途扩大到自然领域，因为栖息地退化和物种入侵，生态系统中的新颖性很可能会上升。

未来土地利用变化的预测可以帮助量化生态系统新颖性的关键驱动因素，并为人类社会提供新模式的见解。然而在评估未来环境变化的时候，检测多个复杂的场景比单一场景要重要许多，要了解潜在的结果范围和人类的决定会影响它们。就土地变化而言，比如，支付生态系统服务，土地分区规程，农作物商品价格变化是影响土地所有者的土地利用决策的重要因素，因此决定了未来的土地利用模式和生态过程。土地利用数据已被证明是有用的，用于评估当前和过去的新颖性在生态系统中的分布，并在空间上明确的情景分析提供了强大的工具，以评估未来的条件。

本研究的主要目的是了解未来土地利用变化的代替场景如何影响美国本土生态系统的新颖性。我们用反映不同的土地利用政策和农业市场变化的未来土地利用变化的空间明确场景来量化和映射生态系统的新颖性的驱动力。具体而言，我们的目标是（1）量化不同的情况下的驱动力，未来的土地利用变化的生态系统的驱动力的大小，和（2）评估这些驱动程序的地理模式。我们讨论了未来的土地利用，土地利用政策和经济条件变化可能会影响主要生态系统新颖性驱动力，以及讨论了新颖性可能会增加的地区。我们没有描绘出未来生态系统新颖性的等级，因为这样的数据并不存在。相反，我们通过研究它的主要记录驱动力和土地利用变化获得了对于生态系统新颖性的理解。

材料和方法

数据和一般方法

我们的方法包括连接空间显式土地利用变化预测主要解决在生态系统新颖性中土地利用驱动力，尤其是土地撂荒和土地利用扩张。我们利用术语土地撂荒来代表在主动停止或减少土地利用强度后转换为自然植被覆盖区的农作物区和牧草区（森林和天然草原和灌丛）之后；我们用土地利用扩张代表将自然植被区转化成人类用地；这反映了人类土地利用的扩展到自然栖息地与栖息地退化和非本地物种的传播风险息息相关。不符合这些标准的土地转换不是我们定义的一部分。最近Murcia和其他批判生态系统新颖性定义的学者发表文章声称生态系统是不可逆的，不可恢复。我们的定义比Hobbs等人更广泛，它不考虑可逆性,并允许新颖性沿阶梯变化。

根据Lawler和其他人的理论，对美国本土我们过去使用未来土地变化的空间显式场景，这些场景基于估计可能性的经济模型，有5种不同的土地利用类别，包括城市，作物，牧草地，森林和天然牧场（即天然草地和灌木），依赖于被观察土地所有者应对经济条件的决定。该模型是参数化的800000个观测过去的土地利用变化，从20世纪90年代从美国农业部国家资源清查，并根据土壤质量的不同土地用途的经济回馈的信息。对于每一种土地利用类型、土壤特性和县级经济回报的组合，这个模型使用Lubowski等人所用的多项式logit函数量化了在2001和2051间土地利用变化的可能性，该模型预测了在1公顷的空间分辨率下的土地利用变化，且只有私人土地可以改变用途。公共用地，大多数在美国西部地区，假定为和2001年保持一致。Lubowski等的计量模型被证实使用假设检验作为计量经济学的一部分。我们的模型没有考虑气候变化，然而，土地利用模式在我们预测的日子里预计受到了土地利用趋势比如城市化，相关气候变化的影响。

基于计量经济学模型的一个主要好处是，他们能够模拟潜在的未来政策或经济条件的变化的影响，可以修正不同土地用途的经济回馈，也就是土地转换的可能性。我们根据Lawler等人的研究分析了未来土地利用的5种场景，包括和现有场景，三个保护政策方案和一个基于农作物市场条件变化的场景。这些情景被用于预计强相关性的保护政策，也趋向于近期的谷物需求反馈，已经被证明量化未来土地利用对高水平生物多样性地区、淡水保护及保护区影响程度的可用性。

·现有场景反映了最近的土地利用变化趋势（基于上世纪90年代）的延续到2051。

·森林激励场景为鼓励造林和减少砍伐提供了鼓励信息，和碳固存类似。土地所有者如果退耕还林则支付247美元/公顷/年，若砍伐则征税247美元/公顷/年。而247美元/公顷/年的补贴可以转化成50美元/吨的碳价，是一种积极的碳政策（Lubowski等人2006）。

·本地栖息地场景提供自然栖息地保护激励，包括森林和草地。土地所有者被征税247美元/公顷/年在那些转化自然用地到更广泛使用的土地上（城市，作物和牧场）。

·城市围堵情景反映了“小型增长”区域法规对降低城市蔓延的贯彻，即禁止小型城市土地转化为大都市。（人口普查定义）

·大量农作物需求场景假定农产品需求大量增长，伴随着扩大农业土地的压力。农产品价格被假定在2051年上升了160%，就像近期的一段农作物价格偏高时期（2007-2012）。

我们的研究是推算，而不是预测。我们的现有场景反映了从90年代到2051年土地利用模式的样式，一直坚持到模型参数化。这只是一个假设，并不是说这些条件可能会持续下去。我们的推算不是为了预测事件如20世纪后期房地产泡沫和经济衰退，也不是正确的未来，或确切的实际情况。现有场景是一种构建对未来看法的方法，我们可以评估经济和政策变化的影响，以及了解未来土地利用变化在生态系统新颖性的背景下的重要性。

土地利用规模扩张和土地撂荒

我们总结了三方面生态系统新颖性基于土地利用驱动力的程度。首先，我们计算了土地利用扩张加上每个场景土地撂荒的总面积（ha），这提供了引起生态系统新颖性的重要指标。然后，我们比较了土地扩张和土地撂荒的每一个场景，提供了生态系统新颖性两种驱动力的重要指标。第三，我们总结了引起土地利用扩张和土地撂荒土地利用变化的不同类型所有区域土地（ha）来了解哪种类型的内部变化最终驱动生态系统新颖性。在这种意义上，我们报告的总面积土地利用扩张到自然栖息地将预期为城市扩张，作物扩张，牧场扩张的结果。对于土地撂荒，我们报道的作物撂荒，和农场撂荒的区域，意味着转换为自然植被覆盖。

土地利用扩张和土地撂荒的空间分布

为了评价空间分布，我们在美国本土使用10公里网格总结了土地利用变化，这是可视化的土地利用模式。为此，我们在每个10公里像素的1公顷土地上增加了土地利用值。我们确定了类似的度量作为上面提到的总结，而且也分析了它们的空间。首先，我们描绘了每个像素的土地利用扩张以及土地撂荒（也就是说，每10公里的像素覆盖率）来描述土地利用变化在生态系统新颖性上的空间分布。其次，我们描绘了土地利用扩张覆盖率和土地撂荒每像素的覆盖率，描述了生态系统新颖性的两种驱动力的相关重要性。第三，我们评估了生态系统新颖性驱动力最重要的空间分局，计算了在每个像素的土地利用变化主导（最广泛的）类型（比如土地利用扩张引起的城市扩张，农作物废弃等）。

结果

土地利用扩张和土地撂荒规模加大

图表1土地利用扩展和土地被遗弃在不同情况下的土地使用面积（公顷）变化（A），包括土地使用扩展（B）和土地的不同土地利用变化的程度放弃（C）。

我们的两种生态系统新颖性驱动力，即土地利用扩张和土地撂荒，预计到2051年覆盖大量的土地，这就是所有情景的真相。在现有情景下，土地利用扩张加上土地撂荒的总面积覆盖了8100万公顷（占整个美国国土面积的11%，大于德克萨斯，图1A）。其他情景和现有情景相比表现出更小的差异。森林激励情景，比如，在所有情景中最大的总体土地利用扩张外加土地撂荒区域等于9500万公顷（比现有情景多18%），而其他情景介于7300万公顷和8300万公顷之间（即包括10%的现有场景，图1A）。

即使土地利用扩张外加土地撂荒的总面积在不同的场景下没有很大的丰富度，而那些新颖性驱动力的相对重要性区别很大。在现有情景下，土地利用和土地撂荒将覆盖大量的相似土地，而土地利用扩张比土地撂荒更为常见（多9%地区，图1A）。相较，在高谷物需求的情况下，土地利用扩张的地区预期是土地撂荒面积的两倍（多余80%，图1A）。

不同土地利用程序的相关重要性与土地利用扩张和土地撂荒相关，在不同的情况下影响生态系统新颖性的最大驱动力。在现有情景，森林的激励措施和自然栖息地场景下，城市扩张是未来土地利用扩张的主要驱动力，其次是作物扩张，然后是牧场扩张。在高产量需求和城市遏制方案的情境下，从另一方面来说，作物扩张是土地利用扩张的首要驱动力，其次依场景决定是城市或者牧场扩张（图1B）。对于土地撂荒，从另一方面讲，几乎所有的场景中主要驱动力是牧场撂荒，其次是作物撂荒

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