《Global Environmental Change》：Bi-decadal changes in selected ecosystem services and their integrated drivers in East Africa
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本研究基于InVEST模型和随机森林算法，分析了东非五国2000-2020年间碳储存、栖息地质量和水资源产量的时空演变特征。结果表明：碳储存稳定性达91.6%，栖息地质量持续改善，而水资源产量波动显著（52.6%区域下降，89.1%区域上升）。气候变量（降水、温度）、地形坡度及社会经济因素是主要驱动因素，为区域可持续发展政策制定提供科学依据。
作者：Edovia Dufatanye Umwali、Alain Isabwe、Naomie M. Kayitesi、Xi Chen
中国科学院新疆生态与地理研究所沙漠与绿洲生态国家重点实验室，中国新疆乌鲁木齐市北京南路818号，邮编830011
摘要
生态系统服务对于维持生命和生计至关重要，然而它们面临着日益增加的威胁，尤其是在撒哈拉以南非洲地区。本研究调查了过去二十年间五个东非国家关键生态系统服务（碳储存、栖息地质量和水资源产出）的时间动态变化，并探讨了其驱动因素。我们利用综合生态系统服务与权衡评估（InVEST）模型和随机森林模型（70%用于训练，30%用于测试；500棵树）来识别这些服务对各种因素的响应，包括气候、地理位置、土壤、土地利用与土地覆盖变化（LUCC）、社会经济因素和地形因素。研究结果揭示了以下模式：（1）碳储存相对稳定，2000年至2010年间90.9%的面积保持不变，2010年至2020年间略有增加至91.6%；（2）栖息地质量变化较大，但呈上升趋势，2000年至2010年间有所改善，随后十年中有超过95%的面积保持稳定；（3）相比之下，水资源产出波动最为显著，2000年至2010年间52.6%的面积下降，43.7%的面积上升，2010年至2020年间则大幅上升了89.1%；（4）随机森林模型在三个时期（2000年、2010年和2020年）对每种生态系统服务的预测结果都非常可靠（R2 = 0.75–0.96）；（5）气候变量（尤其是降水量和温度）是影响水资源产出的主要因素，而坡度和社会经济因素主要影响碳储存；（6）社会经济因素也对栖息地质量具有显著影响。这些发现为环境管理和政策制定提供了重要见解，有助于该地区实现2030年可持续发展目标。
引言
生态系统服务对地球上所有生命的繁荣至关重要，既支持全球生态系统也支持人类社区。然而，由于环境退化、资源枯竭、城市扩张、人口动态变化、社会不平等以及生态系统破坏，它们支持自然系统和人类系统的能力正受到日益严重的威胁（Chaplin-Kramer等，2019；Ouyang等，2020；Pereira等，2024；Zhou等，2024）。气候变化通过改变温度和降水模式、加剧极端事件以及破坏生态系统功能，进一步加剧了这些压力（Yang等，2024；Runting和Wells，2025）。在生态脆弱性与快速社会经济转型相互交错的地区，这些压力最为严重，因为现有的脆弱性和不平等现象加剧了气候变化的影响并降低了适应能力（IPCC，2022）。
全球范围内，39%至50%的陆地生态系统受到了人为活动的影响，这对自然系统支持生态和社会经济系统的能力产生了重大影响（Guzha等，2018；P?rtner等，2023）。在撒哈拉以南非洲，尤其是东非，这些全球性问题尤为突出（Jahel和Lambin，2024）。该地区经历了最严重的生态系统丧失和环境恶化（Brandt等，2017），表现为广泛的地表水污染（Jones等，2023）、水生生态系统生产力下降（O’reilly等，2003）以及人类对保护区的侵占（Veldhuis等，2019）。这些连锁的环境变化在东非引发了紧迫的可持续性挑战，包括水资源短缺、生物多样性丧失、土地退化和粮食安全问题（Sintayehu，2018）。尽管有证据表明，在可持续发展情景下，自然系统维持生物群落的能力所受的威胁可以减少三到十倍（Chaplin-Kramer等，2019），但最近的趋势表明，从空气质量到水资源可用性，关键生态系统服务仍在持续退化（Qiu等，2021）。为应对这些挑战，东非国家实施了重要的保护和土地管理措施，可能影响了生态系统服务的发展趋势。例如，该地区超过27%的面积处于某种形式的保护之下（Riggio等，2019），开展了基于社区的自然资源管理项目、森林恢复计划和生态系统服务付费机制（Milder等，2010）。卢旺达通过严格的执法和重新造林计划取得了显著的森林保护成果（Niyomugabo等，2025），而肯尼亚和坦桑尼亚则投资于水塔保护（Jacobs等，2018）。环境威胁与保护工作的共存需要通过对生态系统服务趋势的实证评估来评估政策效果。随着2030年可持续发展目标的临近，了解关键生态系统服务如何应对气候变化和人为因素的影响，以及保护干预措施的有效性，对于制定基于证据的政策和资源管理至关重要。
该地区最关键的生态系统服务包括水资源产出、碳储存和栖息地质量。水资源产出影响洪水调节、水质净化和土壤侵蚀（Brauman等，2007；Zhang等，2021），而碳储存调节气候、稳定生态系统并增强生物多样性（Pan等，2011；Buotte等，2020）。栖息地质量支撑多种服务，包括授粉、害虫控制和物种保护（Naidoo等，2008；Egoh等，2009）。这些服务对东非面临的紧迫可持续性挑战尤为重要，它们代表了包括水文调节、气候稳定性和生物多样性保护在内的更广泛的生态系统功能。鉴于其重要性，现有的关键生态系统服务指标虽然未能涵盖所有方面，但在东非背景下提供了生态健康和功能的全面表征，该地区的人为活动、自然过程和气候变化之间的相互作用正在迅速演变（Kayitesi等，2024）。此外，东非地区正经历快速的环境和社会经济转型（Wangai等，2016），生态系统服务在支持生计方面发挥着至关重要的作用。了解这些关键服务对于有效的环境管理和可持续发展至关重要。
许多因素影响生态系统服务的规模和时间变化（Zhou等，2024）。在东非，明确主要因素的相对作用有助于制定有效的政策。气候变异性、土地利用与土地覆盖变化（LUCC）、地形特征、人口增长、可达性因素和社会经济动态共同影响生态系统服务，可能危及维持地球生命的系统本身（IPBES，2019）。尽管来自中国、斯洛伐克和美国肯塔基州等不同地区的研究表明，使用先进的分析方法整合多个相互作用的因素对于理解生态系统服务动态非常重要（Peng等，2020），但在东非的相关研究仍然有限且分散。
从传统的逻辑回归和地理加权回归方法到新兴的机器学习技术，各种分析方法已被用于全球范围内评估生态系统服务变化的驱动因素（Willcock等，2018）。一些针对非洲的研究表明，土地利用与土地覆盖变化对生态系统服务有显著影响，城市扩张和耕地扩张导致总体生态系统服务价值下降（Rotich等，2022），而其他研究则指出气候变化是对水资源供应、粮食安全和生物多样性服务的主要威胁（Sintayehu，2018），以及不同生态系统服务之间的权衡，例如农业扩张导致碳储存减少的同时提高了粮食生产力（Rukundo等，2018）。少数研究使用能够捕捉生态系统中非线性复杂关系的方法，全面分析了多种驱动因素的综合影响。先进的机器学习方法，如随机森林模型，在识别和排序关键驱动因素方面具有特别的前景，因为它们能够处理传统统计方法常常无法捕捉的复杂变量相互作用和非线性关系。
鉴于东非迫切需要基于证据的环境管理，以及这些因素之间及其对不同生态系统服务影响的复杂相互作用，采用一种能够排序和识别关键驱动因素的综合方法对于更细致地理解该地区的生态系统服务动态至关重要。先进的机器学习技术特别适合处理复杂的生态数据并捕捉变量之间的非线性关系（Reichstein等，2019）。为此，我们采用了一种基于机器学习的方法，通过随机森林（RF）算法来分析和排序二十年间（2000–2010年和2010–2020年）五个东非国家（肯尼亚、乌干达、坦桑尼亚、卢旺达和布隆迪）三个关键生态系统服务指标（碳储存、栖息地质量和水资源产出）的最重要驱动因素。本研究超越了以往的研究，首次对多个相互作用的因素进行了综合分析，而不仅仅是单独研究气候或土地利用。我们的分析框架整合了多种数据来源，以识别生态系统服务变化的关键驱动因素（图1a）。本研究的具体目标是：（1）量化2000–2010年和2010–2020年间东非碳储存、栖息地质量和水资源产出的十年变化；（2）使用随机森林模型识别并排序影响每种生态系统服务的主要驱动因素；（3）分析这些驱动因素在该地区的空间和时间变化。我们的结果将有助于实现2030年可持续发展目标的努力，并为世界上最脆弱的地区之一提供基于生态系统的适应策略。
研究区域
本研究重点关注五个东非国家：布隆迪、肯尼亚、卢旺达、坦桑尼亚和乌干达（12°S–5°N，28°E–42°E；图1b）——这些国家因其代表性的生态系统多样性、共同的环境挑战以及对该地区生态系统服务提供的重要性而被选中。此外，这些国家构成了东非共同体，这是一个促进协调环境政策和资源管理的区域经济和政治整合体。
东非生态系统服务的十年变化空间模式
在2000–2010年期间，研究区域的90.9%的碳储存保持稳定，其中2.2%有所增加，1.1%有所减少。从空间上看，碳储存的增加主要集中在卢旺达的高地和肯尼亚中部地区，而减少主要发生在坦桑尼亚南部和乌干达东部。在接下来的十年（2010–2020年），碳储存的稳定性提高到91.6%，增加的面积扩大到5.8%。
东非关键生态系统服务的时间动态
对过去二十年东非生态系统服务的分析显示，碳储存、栖息地质量和水资源产出的变化模式各不相同。碳储存表现出显著的稳定性，超过90%的面积在这两个十年间保持不变。这种稳定性表明，尽管面临持续的环境挑战，东非的碳封存能力在很大程度上得到了保持。这种稳定性尤其值得注意，因为
结论
本研究全面分析了过去二十年东非生态系统服务的变化动态，揭示了复杂的模式和变化驱动因素。碳储存的稳定性、栖息地质量的改善以及水资源产出的显著波动，凸显了生态系统服务对该地区环境和社会经济因素的多样化响应。坡度和社会经济因素在驱动碳储存和栖息地质量方面起着主导作用
作者贡献声明
Edovia Dufatanye Umwali：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源获取、方法论、数据整理。Alain Isabwe：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论、正式分析。Naomie M. Kayitesi：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。Xi Chen：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。
资助
本研究得到了中国新疆维吾尔自治区天山人才项目的支持[项目编号2022TSYCLJ0056]。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
