《Ecological Modelling》：A process-based model for multiple ecosystem services in the Venice lagoon under climate change and demographic forcings
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本研究基于社会生态系统框架，开发了威尼斯潟湖12项生态系统服务非空间过程模型，结合微分方程与Morris敏感性分析，模拟2000-2080年动态变化，揭示栖息地丧失与人类活动导致的服务下降趋势，并提出管理杠杆点。
斯蒂安·兰波尔迪（Stian Rampoldi）| 西尔维娅·罗瓦（Silvia Rova）| 法比奥·普拉诺维（Fabio Pranovi）| 艾丽丝·斯托科（Alice Stocco）| 丹尼尔·布里戈林（Daniele Brigolin）
威尼斯Iuav大学，项目文化系，Dorsoduro 2206，30123威尼斯，意大利
摘要
理解生态系统服务（ESs）的动态和权衡是实现沿海泻湖更可持续管理的关键步骤。然而，在ESs建模方面，基于过程的动态模型发展较为有限。本研究提出了一个非空间化的基于过程的模型，该模型基于社会-生态系统框架，描述了威尼斯泻湖中十二种ESs的动态。ESs源于栖息地、动物群和行为者之间的相互作用，通过常微分方程系统将这些要素表示为状态变量，并受到气候和社会人口趋势的影响。为了参数化模型，考虑了关于栖息地、动物群和ESs的全面数据集，并进行了涵盖2000年至2080年的数值模拟。通过Morris方法探讨了参数的敏感性。模拟结果显示，生命周期维护和渔业活动呈现出长期下降趋势，这主要是由于潮间带栖息地和动物群的负面趋势所致。栖息地的丧失、恢复以及泻湖高潮位的调节影响了生命周期维护相关的ESs，进而影响了动物群的动态；不过，供给服务的下降也与行为者的变化有关，包括传统渔民和休闲渔民。模拟结果和敏感性分析表明，该模型能够反映不同文化ESs、栖息地动态和动物群之间的相互作用，这些因素受到游客和居民数量等外部趋势的影响，为泻湖管理提供了重要启示。
引言
20世纪90年代末，通过定义生态系统服务（ESs）的概念，人们首次提出了估算自然对人类福祉贡献价值的想法（Costanza等人，1997年，2017年；Daily，1997年）。在《千年生态系统评估》（MA，2005年）之后，ESs成为一种公认的管理工具，揭示了我们的社会如何依赖自然环境及其生态系统层面的过程（IPBES，2019年）。这促进了基于不同方法的ESs评估工具的发展，包括相关性和回归分析、贝叶斯网络、系统动态模型（InVEST、EcoServ-GIS、ARIES、SOLVES、ESTIMAMP等）（Ruiz Agudelo等人，2020年）。在用于ESs建模的技术中，基于GIS的空间统计方法家族因其可访问性、用户友好的界面和多功能性而越来越受欢迎。基于过程的动态模型发展较为有限，在现有的模型中，只有少数工具全面考虑了多种ESs之间的权衡（Ruiz Agudelo等人，2020年）。尽管如此，基于过程的模型的预测在管理和政策制定中具有重要的应用价值，因为在不了解不确定性程度的情况下依赖未来预测存在困难，同时需要识别关键点和临界点（Brugnach等人，2007年；Meadows，1999年；Sterman，2011年）。基于过程的动态模型在定量表示反馈网络方面的灵活性，以及进行敏感性和准确性测试的能力，为克服这些限制提供了途径。然而，理解社会-生态系统的动态行为是一个挑战，这需要多学科和综合的方法，以防止对这些系统复杂性的过度简化（Bennett和Reyers，2024年；Gain等人，2020年）。
沿海泻湖是最具生产力的水生生态系统之一，是生物多样性和野生动物繁殖的重要场所，同时在支持人类居住和活动方面也发挥着关键作用（Newton等人，2018年）。因此，泻湖受到高度城市化的影响（Bonaglia等人，2025年），它们所提供的ESs也常常被过度开发（D’alpaos和D’alpaos，2021年；Newton等人，2018年）。泻湖和湿地被视为重要的生物多样性热点，在欧盟，它们在保护和恢复计划中享有优先权（环境总司和Sundseth，2015年）。气候变化对泻湖生态系统及其居民构成了额外的压力，尤其是对海平面上升和水温升高的敏感性（Fagherazzi等人，2005年；Newton等人，2018年；Pranovi等人，2013年；Zanchettin，2022年）。在这个背景下，拥有数百年人类互动历史的威尼斯泻湖是一个非常有代表性的案例研究，可以用来理解人类行为和自然环境如何相互影响（Pranovi等人，2006年；Sarretta等人，2010年；Solidoro等人，2010年）。威尼斯泻湖面临的新挑战包括大规模旅游业、海平面上升以及保护历史悠久的城市及其文化遗产的必要性（Bertocchi等人，2020年；Giupponi等人，2024年；Trancoso González，2018年；Umgiesser，2020年）。为应对这一挑战，开发了“Modulo Sperimentale Elettromeccanico”（简称MOSE）系统，该系统通过可移动闸门在高潮期间阻断亚得里亚海的水进入泻湖（Consorzio Venezia Nuova，2025年）。这些挑战加剧了该生态系统的复杂性，其生态状况仍未达到理想状态（ARPAV，2024年）。
考虑到所有这些因素，威尼斯泻湖似乎能够体现沿海泻湖所面临的复杂挑战，对该社会-生态系统中的ESs进行建模有助于我们更好地理解数学模型在支持规划和管理工作中的作用，这些工作切实考虑了生态系统方法的理念（Newton等人，2018年；Rova和Pranovi，2017年；Rova等人，2019a、2019b、2022年、2023年）。在此框架下，本研究旨在为人为改变的沿海湿地地区的生态系统服务开发一个非空间化的定量动态模型，以威尼斯泻湖作为代表性案例。为此，该模型采用了奥斯特罗姆（Ostrom，2009年）提出的社会-生态系统框架（SESF），并将其转化为常微分方程系统。具体目标如下：
a)利用关于所研究社会-生态系统的大量可用数据，确定描述ESs的数学模型，这些因素包括栖息地、动物群、治理结构和社会行为者；
b)从2000年运行到2080年的数值模拟，并使用Morris方法进行模型状态变量对其参数的敏感性测试。
模型概述
模型结构
该模型动态地描述了威尼斯泻湖复杂社会-生态系统中的十二种ESs。采用系统方法，通过增益和损失微分方程来描述变量动态。ESs的识别基于该研究区域的先前评估结果（Pranovi等人，2020年、2021年、2022年；Rova等人，2019a、2019b、2022年、2023年）。这些ESs包括：
?四种调节性ESs，包括生命周期维护
模型数据比较与长期行为
图5显示了模型状态变量（实线）的时间演变，其中垂直线标记了2020年，即有实验测量数据（黑点）的最后一年。栖息地显示出明显不同的趋势（图5g–i,k），这与近期历史数据一致，模型模拟也正确再现了这一趋势：盐沼面积减少了4.3%，而海草面积增加了。讨论
本研究考虑了十二种ESs，包括在地方和全球层面都有影响的服务（如渔业活动或营养物调节与碳储存和封存），同时没有忽视文化服务在反馈网络中的作用。事实上，多种生态系统服务的定量和动态表示是基于马拉维原则（UNEP/CBD，1998年）的规划和政策制定工作需要考虑的重要特征。尽管如此
结论
基于社会-生态系统框架，本研究提出了一个非空间化的模型，描述了威尼斯泻湖中十二种ESs的动态，并进行了2000年至2080年的数值模拟。在同一时期，进行了敏感性分析，从而确定了影响系统动态的关键参数。该模型与关于状态变量和模拟服务的全面实地数据进行了比较。
CRediT作者贡献声明
斯蒂安·兰波尔迪（Stian Rampoldi）：撰写——原始草案、软件开发、方法论、数据分析。西尔维娅·罗瓦（Silvia Rova）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论研究、概念化。法比奥·普拉诺维（Fabio Pranovi）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论研究、资金筹集。艾丽丝·斯托科（Alice Stocco）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论研究、数据管理。丹尼尔·布里戈林（Daniele Brigolin）：撰写——原始草案、验证、监督、方法论研究、
