《Ecological Engineering》：Linking scale-dependent ecosystem service interactions with driver-based zoning strategies: A case study of the Songnen Plain
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本研究基于松嫩平原生态系统服务（ES）的时空异质性，构建整合Pearson相关系数、跨尺度比较、谱聚类及地理探测器模型的分析框架，确定最优管理尺度（Level 9），划分7类生态区并识别关键驱动因子（景观结构、排水分布及人类活动），提出差异化可持续管理策略，为同类区域提供科学依据。
余思思|黄家成|蔡尚书|鞠洪润|姜爱辉|陈建超|金坤
国家林业和草原管理局森林生态与环境重点实验室，中国林业科学院生态与自然保护研究所，北京100091
摘要
生态系统服务（ESs）及其驱动力在空间尺度上的相互作用对于生态管理至关重要，然而大多数研究强调的是空间模式，而非跨尺度相互作用及其管理意义。以松嫩平原为例，我们开发了一个综合框架，结合了皮尔逊相关性分析、跨尺度比较、谱聚类和地理检测模型，以识别尺度依赖的ES相互作用、最佳管理尺度及其驱动因素。研究结果表明：（1）1990年至2020年间，土壤保持能力增加了11.54%（p < 0.001），而水资源产量、碳封存量和栖息地质量分别略有下降，降幅分别为-3.69%至-7.43%（p < 0.01），这些变化均呈现东南高、西北低的梯度分布；（2）第9级尺度被确定为最佳尺度，该尺度能够捕捉到最显著的协同效应/权衡关系，并且管理复杂度和成本较低；（3）划分出了七个具有不同ES能力和相互作用的生态区；（4）景观结构、排水分布和人类活动是主要驱动因素，其中七个因素对增强ES供应和缓解权衡关系具有关键作用。最后，我们讨论了针对每个生态区的可持续性策略。我们的研究为松嫩平原及其他类似地区的有效生态管理提供了宝贵的见解。
引言
生态系统服务（ESs）作为自然生态系统与人类社会之间的桥梁（Xu等人，2022年），指的是人类直接或间接从生态系统中获得的好处（Costanza等人，2014年）。这些好处包括但不限于食物供应、水分保持、大气调节、能量循环和生物多样性保护，所有这些都对人类福祉至关重要（De Groot等人，2012年），但正受到加速发展的工业活动的日益威胁（Baude等人，2019年；Sutton等人，2016年）。迫切需要有效的管理来确保ESs的可持续性。
各种方法论的出现，如量化（Lavorel等人，2017年）、能量（Jenerette等人，2006年）和价值评估（Costanza等人，2014年）方法，为理解ESs的供应能力提供了前所未有的机会，这是制定有针对性的生态管理策略的前提。通过应用InVEST、CASA、USLE和SWOT等多种模型（Liu等人，2023年），研究范围从单个城市（Hou等人，2023b）扩展到了城市群（Hou等人，2023a）、流域（Jenkins等人，2021年）、国家（Arowolo等人，2018年）甚至全球范围（Wang等人，2024c）。这些研究涵盖了欧洲（Kleemann等人，2020年）、非洲（Shifaw等人，2024年）、亚洲（Xu等人，2022年）以及世界各地的代表性国家（Wang等人，2024c）。这些研究显著增加了我们对ES类型多样性、时空异质性（Liu等人，2023年）、供需平衡（Yin等人，2023年）、相互作用（Zheng等人，2019年）和驱动机制（Zheng等人，2023年）的了解。然而，当前的研究面临三个关键限制。
第一个限制是关于不同地区和时间段ES相互作用的研究结果不一致甚至相互矛盾，这可能使管理决策复杂化。一方面，由于自然禀赋和人类干扰的不同，研究区域通常表现出不一致的ES相互作用（Zhang等人，2022b；Zheng等人，2023年）。例如，中国西南部的横断山区表现出栖息地质量（HQ）与水资源产量（WY）之间的协同关系（Wang和Dai，2020年），而长江三角洲则主要表现出两者之间的权衡关系（Huang和Wu，2023年）。即使在特定研究区域内也存在这种空间异质性，如巴林左旗（Xue等人，2023年）。另一方面，单时间点的研究结论可能无法完全反映某一地区ES相关性的长期模式和状态（Xue等人，2023年）。例如，长江三角洲的两个ES（即食物生产和娱乐）在2005年至2010年间呈现同步增长趋势，但之后趋于相互抑制（Huang和Wu，2023年）。类似现象也在内蒙古观察到（Li等人，2021年）。
第二个限制在于生态分区工作很大程度上忽略了ES相互作用和人类可调节的驱动因素。一方面，大多数现有研究通过整合ES能力来划分生态区（Yin等人，2023年），而没有考虑ES之间的相互作用。因此，尚不清楚基于这种分区的管理措施是否能够增强一个或多个ES，同时确保它们的整体协同效应。另一方面，关于ES驱动因素的研究主要集中在自然因素上，而对人类干扰因素的关注有限，揭示了地形、气候和其他环境条件的重要作用（Yang等人，2024年）。然而，在人类世背景下，自然因素会逐渐演变，其调节效应存在显著的滞后。相比之下，应在可行的情况下将短期可调节的人为影响纳入影响分析中，尤其是在不同的生态区内。这使得能够制定特定区域的管理策略。
第三个限制是缺乏系统的多尺度评估，因此尚未确定整合ES的最佳管理尺度。以往的研究大多关注单个微尺度（Li等人，2024年）或宏观尺度，如大城市（Hou等人，2023a）和流域（Jenkins等人，2021年）。在尺度效应分析方面，大多数研究主要关注在两个特定尺度上比较ES之间的相互作用，例如像素与选定的子流域尺度（Xia等人，2023年）或像素与县级尺度（Chang等人，2024年；Hu等人，2023年）。然而，考虑更广泛尺度范围的全面跨尺度评估开展得很少（Yin等人，2023年）。因此，由于样本不足和空间单元有限，ES之间的相互作用可能被掩盖。在这方面，能够准确表示ES之间相互作用的最佳尺度仍未确定。
鉴于上述研究空白，本研究提出了一种新的方法，在最佳尺度上整合ES及其相互作用，以进行生态管理。以松嫩平原和四种关键ES为重点，我们进行了跨尺度评估（涵盖县、市和六个子流域级别），并对15个与管理相关的因素进行了地理检测。具体来说，我们解决了三个关键问题：（1）哪种尺度最适合生态管理？（2）哪种分区方案最合理？（3）增强ES供应和减少ES权衡的关键因素是什么？本研究有两个关键贡献。首先，它是少数几个在八个空间尺度上对ES相互作用进行跨尺度定量评估的研究之一，确定了松嫩平原的最佳管理尺度——这是一个尚未充分探索但生态上至关重要的地区。其次，通过将ES供应及其相互关系整合到空间聚类和驱动因素检测中，本研究从传统的基于供应的分区方法转向了以相互作用为导向的生态管理，为区域可持续性规划提供了更具操作性的框架。
研究区域、材料和方法
图1展示了我们的研究框架。首先，我们对所使用的数据集进行了预处理。其次，我们量化了四种ES的供应量。第三，我们进行了跨尺度评估，以确定生态管理的最佳尺度。第四，我们整合了生态区，考虑了它们的ES供应量和在最佳尺度上的相互作用。最后，我们分析了各种驱动因素对ES供应及其相互作用的影响。
四种ES供应的时空变化
在空间上，松嫩平原四种ES的分布差异很大（图3）。具体来说，水资源产量（WY）的分布呈现出明显的梯度模式，从南到北、从东到西逐渐减少。最高和最低WY供应量之间的差异超过了4500立方米/公顷。尽管东部有一些高值，但土壤保持能力（SR）的供应量一直较低，平均不到1吨/公顷。碳储存（CS）和栖息地质量（HQ）的分布模式相似，北部供应量较高。
松嫩平原生态管理的最佳尺度、整合方法和关键因素
在这项研究中，我们描述了松嫩平原WY、SR、CS和HQ的稳定空间供应（图3和图4）。具体而言，WY供应量从南到北、从东到西逐渐减少，这可能是由于降水和蒸散量的区域梯度造成的。SR供应量较低，主要是因为集约化的农业活动降低了土壤保持能力。CS和HQ在西南部城市地区相对较低。
结论
本研究通过应用InVEST模型评估了四种关键ES的供应量，通过计算皮尔逊系数分析了它们在多个尺度上的协同效应和权衡关系，基于SC K-means方法整合了ES供应量和相关性，并通过地理检测确定了主要驱动因素。主要结论如下：（1）1990年至2020年间，除了SR供应量增加了11.54%外，松嫩平原其他三种ES的供应量
作者贡献声明
余思思：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。黄家成：验证、调查、正式分析。蔡尚书：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。鞠洪润：验证、调查。姜爱辉：验证、调查。陈建超：验证、调查。金坤：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了CAF基础研究基金（编号：CAFYBB2024QD001-04）、CAF支持局中央工作计划项目（编号：CAFYBB2023ZA004）以及安徽古代建筑智能与多维建模国际联合研究中心（编号：GJZZX2024KF05）的支持。
