基于生态系统服务-气候-人类框架的青藏高原优先恢复-保护区域的空间识别

《Journal of Environmental Management》：Spatial identification of priority restoration-protection regions based on ecosystem services-climate-human framework on the Tibetan Plateau

青藏高原生态系统服务评估显示，东南部水土保持和碳汇功能增强，西北部沙地固沙能力下降，生态服务指数与降水正相关，与气温和人类活动负相关。研究划分五级生态恢复优先区，提出基于服务协同与权衡的管理策略。

　　

袁正荣|赵慧|魏大|王美红|李若明|王晓丹

中国科学院山地灾害与环境研究所，成都，610213，中国

摘要

青藏高原（TP），被誉为亚洲的“水塔”和全球生物多样性热点地区，在维持下游数十亿人的水资源安全以及调节半球尺度的大气环流方面发挥着关键作用。然而，加速的气候变化和日益加剧的人为压力导致了广泛的生态系统退化。结合生态系统服务（ESs）、气候和人类驱动因素以及ESs之间相互关系的空间明确的恢复-保护（Res-Pro）框架仍然不完善。在这项研究中，我们通过协同耦合基于InVEST的ES量化方法、自组织映射（SOM）驱动的景观分区以及使用GeoDa和Spearman等级相关性分析的空间统计诊断方法，开发了一个新的ESs-气候-人类生态框架。研究结果表明，大多数ESs表现出相似的空间分布模式，总体而言从东南向西北逐渐减少。2000年至2020年间，水资源产量（WY）、土壤保持能力（SR）和碳封存（CS）的高价值区域在东南部有所扩大，而栖息地质量（HQ）保持稳定，但由于风蚀易发区域的减少，固沙作用（SF）有所下降。综合生态系统服务指数（CESI）的改善与降水量增加呈正相关，但与温度上升和人类活动加剧呈负相关，这反映了自然因素和人为因素之间的复杂相互作用。基于ESs-气候-人类的动态变化，我们划定了五个Res-Pro优先区域（分别占TP总面积的10.74%、1.85%、4.97%、13.59%和14.62%）。考虑到权衡、协同效应和ES组合，我们提出了有针对性的生态管理策略，以指导政策制定者增强TP的生态屏障功能。

引言

生态系统恢复-保护（Res-Pro）是逆转生态退化、提高生物多样性和增强人类世气候适应能力的关键策略（联合国环境规划署，2021年）。作为地球可持续性的基石，Res-Pro旨在通过多维度干预措施来逆转退化趋势，并平衡供给服务、调节服务和文化服务（Yin等人，2025年）。全球危机的加剧凸显了此类干预的紧迫性：到2050年，气候变化可能导致15-37%的生物多样性丧失（Bellard等人，2012年），农业扩张已经改变了大片自然生态系统（Sannigrahi等人，2021年）。在这种情况下，Res-Pro的空间优先规划成为科学政策之间的重要接口。综合空间规划有助于管理经济、社会和生态目标之间的权衡，从而支持更可持续和高效的景观管理。

生态系统服务（ESs）是人类从自然生态系统中获得的好处，是人类福祉、生计和可持续发展的基础（Costanza等人，1997年）。它们通常分为四类：供给服务、调节服务、支持服务和文化服务（千年生态系统评估，2005年）。随着ES研究的进展，已经开发出了许多量化ESs的模型，包括InVEST（自然资本项目，2025年）、ARIES（Villa等人，2014年）、MIMES（Boumans等人，2015年）、SOLVES（Sherrouse和Semenms，2015年）和ESValue（Bagstad等人，2012年）。这些模型在空间适用性、数据要求和重点方面存在显著差异。例如，ARIES和MIMES侧重于动态ES流动，但仅应用于少数案例研究区域（Boumans等人，2015年；Johnson等人，2010年）；SOLVES严重依赖特定地点的调查数据（van Riper等人，2012年）；其他一些模型则针对特定区域设计，限制了其可转移性（Bagstad等人，2012年）。其中，InVEST是一个开源的、相对成熟且广泛使用的建模套件，它使用易于获取的生物物理和土地利用数据从景观到全球尺度量化多种ESs（Xia等人，2023年；Yuan等人，2024年）。因此，我们在本研究中采用了InVEST作为ES制图和评估的实用工具。在人类活动加剧和气候变化（O'Connor等人，2021年）的背景下，对ESs进行空间明确的量化对于确定生态Res-Pro的优先区域和支持确保自然生态系统和区域社会经济系统长期可持续性的决策至关重要。

研究ESs之间的相互关系为优化生态Res-Pro的分区及其实施提供了科学依据（Ji等人，2024年）。ESs类型的差异、强烈的空间异质性和人类管理使得这些关系非常复杂（Spake等人，2017年；Xu等人，2021年）。这些关系通常表现为权衡、协同效应和不同组合的共存ESs（Xia等人，2023年）。为了描述这些关系，相关性分析（Gou等人，2021年）和地理加权回归（Zuo和Gao，2021年）被广泛用于评估ES权衡和协同效应，而k均值聚类（Gou等人，2021年）和自组织映射（SOM）（Xia等人，2023年）通常用于识别ES组合。例如，Shen等人（2023年）使用Spearman等级相关系数构建了ESs的协同网络，并通过计算节点度和网络密度等网络指标量化了不同供需方向的ES组合内的协同效应。在青藏高原（TP）上，Luo等人（2022年）研究了原材料供给、碳储存、水资源产量和土壤保持能力，发现ES协同效应在三个空间尺度上基本一致，但在流域尺度上最强。然而，大多数关于ES关系的研究仍然集中在相互作用和潜在机制上，很少明确识别考虑ESs、气候和人类活动耦合变化的ES优先区域。理解气候变化、人类活动和自然生态系统之间的复杂相互作用对于推进全球可持续性至关重要（Turner等人，2022年）。平衡人类需求和生态系统完整性是联合国可持续发展目标的核心（Cheng等人，2021年；Liu等人，2018年）。因此，将关键ESs与自然系统对气候变化和人类活动的响应结合起来，对于确定Res-Pro优先区域和制定有效的管理策略至关重要。

青藏高原（TP）常被称为“地球的第三极”，体现了全球环境变化带来的生态挑战。它为大约19亿人提供淡水，并支持多种生态系统服务（Liu等人，2021年；Zhu等人，2023年）。由于其独特的地理和气候条件，TP的生态系统异常脆弱，对环境干扰极为敏感（Zhu等人，2023年）。TP的变暖速度大约是全球平均水平的两倍（Jia等人，2025年），加速了永久冻土的融化和草地退化，威胁了特有的生物多样性（Wu等人，2021年）。同时，人口增长、不透水表面的扩展和过度放牧等日益加剧的人为压力进一步增加了该地区的生态压力（Zhu等人，2023年）。因此，制定有效的Res-Pro策略对于逆转退化和保护生态完整性至关重要。

近年来，为应对气候变化和日益加剧的人类活动，实施了一系列措施，包括通过围栏禁止放牧、植树造林以及“以粮换绿”计划（Wang等人，2022年）。一些研究评估了这些干预措施的有效性，并考察了它们的环境驱动因素和影响（Chen等人，2017年；Li等人，2019年；Liu等人，2024年；Qi等人，2024年）。然而，现有研究很少在气候变化和人类活动加剧的条件下确定TP的生态Res-Pro区域优先区域。此外，关于TP这些优先区域的进一步规划策略的研究仍然有限。为了填补这些空白，我们汇编了TP上的人类活动和气候变化数据，并将五种关键ESs（水资源产量（WY）、土壤保持能力（SR）、固沙作用（SF）、碳封存（CS）和栖息地质量（HQ）整合成一个综合生态系统服务指数（CESI）。然后，我们量化了这些ESs之间的权衡和协同效应，并确定了它们的空间共现模式。此外，我们研究了CESI与气候变化和人类活动强度变化的空间关联，以确定TP上的Res-Pro优先区域并指导Res-Pro策略。本研究解决了以下研究问题：（1）关键ESs之间的关系是什么，这些关系在空间上如何变化？（2）气候变化、人类活动和CESI的变化如何塑造Res-Pro优先区域的空间模式？（3）不同级别的Res-Pro优先区域适用哪些有针对性的管理策略？确定的Res-Pro优先区域为划定TP上的关键生态保护区提供了空间基础。通过将区域社会生态背景与ES权衡和协同效应结合起来，我们提出了优化策略，以加强TP上的生态保护网络，并为未来的Res-Pro规划提供了科学依据。

研究区域

青藏高原（26°00′12″–39°46′50″N，73°18′52″–104°46′59″E）覆盖面积约为2.50 × 10⁶平方公里，跨越中国的六个省和自治区。TP占中国陆地面积的26.8%，平均海拔超过4000米，是地球上最高且最广阔的高原（图1）。TP气候寒冷，太阳辐射强，年日照充足，年平均气温为1.6°C，年降水量为413.6毫米（Wang等人，2022年）。

ESs的特征

TP上的大多数ESs表现出相似的空间分布模式，总体而言从东南向西北逐渐减少（图3a）。TP东南部的地形复杂，气候湿润，降水量丰富，土壤湿度高，风速相对较弱（Xie等人，2025年）。因此，该地区大部分地区几乎没有风沙现象。2000年至2020年间，水资源产量（WY）、土壤保持能力（SR）和碳封存（CS）的高价值区域在TP东南部有所扩大。同时，栖息地质量（HQ）保持稳定

结论

在气候变化加速的背景下，TP上人类活动的迅速扩张加剧了现有的生态挑战，使其变得越来越复杂和难以管理。因此，确定Res-Pro的优先区域对于指导有效策略和促进区域可持续性至关重要。本研究使用GeoDa模型研究了气候变化、人类活动和CESI变化之间的空间关系。

作者贡献声明

袁正荣：写作——审稿与编辑，撰写初稿，软件使用，方法论，数据分析，概念化。赵慧：写作——审稿与编辑，可视化，监督，方法论，调查，概念化。魏大：写作——审稿与编辑。王美红：写作——审稿与编辑，数据管理。李若明：写作——审稿与编辑，调查。王晓丹：写作——审稿与编辑，监督，资金筹集，概念化。

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所述的工作。

致谢

本工作得到了第二次青藏高原科学考察与研究计划（2019QZKK0404）、中国西藏自治区的关键研究与开发计划（XZ202401ZY0095）的支持，部分得到了西藏科学技术部门的重大专项项目（XZ202201ZD0005G02）和中国科学院山地灾害与环境研究所的科学技术研究计划（IMHE-ZDRW-04）的支持。