干旱内陆河流流域中的景观破碎化如何影响生态系统服务流？

《Journal of Arid Environments》：How does landscape fragmentation in arid inland river basins affect ecosystem service flow?

　　贾亮|潘静湖|丹门
西北师范大学地理与环境科学学院，兰州，730000，中国

**摘要**
在干旱内陆河流流域，由于人类与环境冲突的加剧，景观破碎化严重损害了生态系统服务（ES）的功能性和稳定性，阻碍了区域可持续发展。传统的静态评估方法可以绘制ES的供需模式，但忽略了决定破碎化景观中实际ES实现的时空生态系统服务流（ESFs）。本研究引入了一个时空ESFs框架来填补这一空白。使用InVEST和Carnegie-Ames-Stanford方法（CASA）模型评估了石羊河流域（SRB）两种ES的供需情况。然后构建网络模型来模拟景观破碎化下的ESFs变化，这些变化是通过景观格局指数和移动窗口分析计算得出的。结果表明，两种服务的高供应区集中在植被丰富的上游地区，而高需求区则主要分布在沙漠和城市区域。碳封存ESF网络基本保持完整，而来自上游的土壤保护ES流未能满足中下游的需求。中等程度的破碎化占研究区域的30%以上，是主导的景观类型。关键的是，景观破碎化对ESF的连通性产生了主要负面影响，尽管这种影响因传输介质而异。水介导的土壤保护流对结构破坏非常敏感，而风介导的碳封存流则表现出更大的韧性。这些发现强调了ESF量化必须考虑服务特定的传输机制，并且水驱动过程和风驱动过程之间的破碎化阈值是不同的。基于网络的方法为决策者提供了空间明确的见解，有助于在脆弱的干旱内陆河流流域进行可持续的景观管理，从而实现有针对性的干预，以恢复生物物理连通性和增强ES供应。

**引言**
全球范围内，人类活动正在破坏生态系统，并迅速改变土地覆盖和土地利用模式（Foley等人，2005年）。景观破碎化通过阻碍资源、生物和能量在生态系统中的流动，威胁到全球生物多样性和自然资本（Hargis等人，1998年；Mondal和Palit，2022年）。理解破碎化景观的后果对于保护生态系统服务（ESs）至关重要，因为破碎化会促进生物多样性的下降并破坏生态系统功能（Biswas等人，2023年）。《生物多样性公约》（CBD）制定了爱知生物多样性目标9和11，旨在到2020年保护生态系统服务并阻止生物多样性的丧失（Lim，2019年）。然而，这些目标尚未实现，景观破碎化使物种灭绝风险增加了20%到50%，威胁到全球生物多样性和ES稳定性（Kleijn等人，2020年）。此外，《联合国防治荒漠化公约》（UNCCD）制定了零土地退化目标（ZGTLD），旨在到2030年实现零净土地退化（Chasek等人，2015年）。流域景观作为与人类-土地互动密切相关的关键生态系统实体（Falkenmark，2003年）。在干旱内陆河流流域，景观破碎化加速了荒漠化进程，给人类可持续性带来了重大的社会、经济和生态挑战（Olagunju，2015年）。因此，分析景观破碎化对干旱内陆河流流域生态的影响至关重要。

**景观破碎化对生态系统服务的影响**
通过改变支持自然资本的生物材料、结构和过程的分布和流动性，景观破碎化影响了ES的可用性（Miklós等人，2020年）。受景观格局影响的物质和生物流动对于ES的提供至关重要（Mitchell等人，2013年）。目前，许多研究使用景观格局指数来研究景观破碎化（Fan和Myint，2014年；Kowe等人，2020年；Zou等人，2022年）。这种方法可以定量和客观地描述区域景观破碎化，但无法精确识别破碎化的空间结构。将移动窗口方法纳入景观破碎化研究可以更深入地探讨景观破碎化影响相关过程的机制（Mendes和Prevedello，2020年；Wang，2024年）。例如，Kowe等人（2020年）结合半变异函数模型（SVM）和移动窗口技术来研究流域景观格局动态。ES被定义为人类从生态系统直接或间接获得的好处（千年生态系统评估，2005年）。许多研究探讨了景观破碎化与ES之间的关系。例如，Metzger等人（2021年）评估了忽视景观影响对ES供应变化的影响，而Xia等人（2021年）研究了景观格局对水相关生态系统的影响。因此，理解决定人类从自然中获得的利益或ES的机制对于创建有韧性、可持续性和适应性的景观至关重要。

**景观连通性的变化**
景观连通性的变化可能对特定的生态系统服务流（ESFs）产生正面或负面影响（Cao等人，2023年）。根据景观结构和生态过程，破碎化可以建立或修改服务之间的权衡和协同作用（负面或正面关系）（Mitchell等人，2015年）。本质上，对于维持ES供应至关重要的生态过程不能被忽视（Alexander等人，2016年）。然而，研究ESFs与景观破碎化之间关系的文献仍然有限。景观破碎化影响栖息地丧失、隔离和景观结构，从而影响土壤、水、能量和生物在地形中的移动（Andrén，1997年；Radi?和Gavrilovic，2021年；Morin等人，2024年）。需要建模方法来描述流域景观中ES的功能连通性，并表示各种ESFs如何响应景观结构变化（Huang等人，2024年）。许多研究使用各种模型研究了ES的传递机制，包括用于模拟防风和固沙服务流的混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型（Xu等人，2018年）、用于淡水服务的八方向流模型（Li等人，2017年）以及用于物种迁移服务的空间补贴模型（Bauer和Hoye，2014年）。虽然这些方法为绘制ESFs提供了机会，但它们存在一些局限性。例如，它们无法提供直观、明确的ES流路径表示。因此，必须通过时空模拟ES流通道和网络来解决关于ES供需流机制、路径和方向性的研究空白，最终在景观尺度上阐明ESF的连通性。

**网络模型**
在网络模型中，节点代表参与者，边表示节点之间的相互作用（Janssen等人，2006年；Dee等人，2017年；Kluger等人，2020年）。网络理论在ES研究中越来越受到重视。Field和Parrott（2017年）开发了ES网络的概念框架来评估景观连通性和韧性。Zhang等人（2023年）构建了生态供需网络以优化区域生态连通性。值得注意的是，一些研究使用网络来评估ESFs，研究ES供应与受益者之间的关系。例如，Wang等人（2022年）使用网络模型量化了青藏高原上的人为碳汇ESFs。Zhou和Liu（2024年）使用社会生态网络分析评估了食物ES的供需模式。从供需角度构建ES网络可以识别时空波动，有效建立连接服务供应和需求区域的流动尺度，并揭示ESF的传输机制（Guan等人，2024年）。因此，本研究使用ES供应和需求作为节点，它们之间的流动作为边来构建网络，以探索景观破碎化对ESFs的影响，并随后提出可持续的生态规划策略，考虑景观格局结构变化如何支持和影响ES供应（Men和Pan，2024年；Yu等人，2024年）。

**石羊河流域的例子**
以石羊河流域（SRB）为例，它构成了具有独特结构的高度脆弱的社会生态系统。与外流河流不同，SRB是一个内陆终端湖泊流域，水从上游山脉单向流经下游绿洲到达封闭的内陆湖泊（Gu等人，2016年）。这种终端配置使得水介导的ES（如土壤保护）非常敏感。水资源短缺和终端消耗削弱了依赖水文的ES的连通性和完整性，同时经常破坏中下游的水网。SRB位于中国西北部的干旱地区，以广阔的沙漠和戈壁地貌为主，风蚀严重。因此，风驱动的ES，特别是碳封存及相关流，同样至关重要（Pan等人，2020年）。植被破碎化严重削弱了该地区抵抗风蚀和保持土壤及碳的能力。该系统面临着水资源短缺和强烈风蚀的双重压力，需要差异化的系统分析。尽管静态的ES供需评估可以绘制潜在的服务规模，但在干旱内陆河流流域存在固有的局限性（Men和Pan，2025年）。静态测量无法捕捉ESF的方向性和时空演变特征，特别是对于水和风介导的服务。这一局限性掩盖了关键脆弱性，因为ESFs往往在到达高需求区域之前就被破坏了。理解这些时空流动对于揭示破碎化如何转化为生态退化以及在环境压力增加的情况下指导可持续管理至关重要（Li等人，2025年）。本研究考察了两种具有不同传输介质（水和风）的生态系统服务，揭示了景观破碎化如何在不同压力下的内陆终端湖泊环境中调节生态系统服务网络的连通性。

**研究结果的意义**
本研究不仅为SRB的景观规划和生态恢复提供了关键且差异化的策略，还为理解和管理其他面临类似景观破碎化、水资源短缺和服务不连续性挑战的干旱内陆河流流域中的ESFs提供了一个通用框架（Pan等人，2023年；Wang等人，2023年）。通过揭示风和水介导的ESFs对结构破碎化的不同响应，这项研究为在全球脆弱的干旱社会生态系统中实现人与自然的可持续性提供了关键见解（Wang和Pan，2024年）。为了解决关于ESFs的功能连通性与景观破碎化在景观尺度上的相互关系这一研究空白，本研究回顾了相关文献并探讨了两个主要问题：（1）干旱内陆河流流域中ES的空间和时间模式特征与景观破碎化有何关系？（2）ESFs如何受到景观破碎化的影响？具体来说，本研究应用网络模型绘制了SRB的两种ESFs，并探讨了景观破碎化对ESFs的利弊。本研究的目标是：（1）明确评估2000年至2020年间SRB的ES供需模式变化；（2）构建并研究流域内的两个服务流网络；（3）研究景观破碎化对ESFs的影响。这可以使规划者从景观管理的角度出发，进行生态保护和ES供应。

**研究区域**
SRB位于甘肃省河西走廊东部，乌沙岭山脉以西，祁连山脉北坡（37°02′–39°17′ N，100°57′–104°12′ E）（图1）。该流域包括3个城市和7个县（区），总面积约为4.16×10^4平方公里。地形从西南向东北倾斜，南部海拔较高，北部海拔较低。该流域由四个主要地貌单元组成：南部...

**结论**
本研究将时空ESF建模与社会生态网络分析相结合，研究了景观破碎化如何影响SRB（一个典型的干旱终端流域）中ES的传输和空间连续性。结果表明，破碎化不仅减少了ESF的供应量，还削弱了生态源区和汇区之间的连通性。风驱动的碳封存流表现出比水介导的土壤保护更高的网络密度和连续性。

**作者贡献声明**
贾亮：概念化、正式分析、方法论、软件、撰写——原始草稿。
潘静湖：资金获取、项目管理、资源、撰写——审阅与编辑。

**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报告的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42361040）的财政支持。