阿克苏河流域生态系统服务及其驱动因素之间的权衡与协同效应

《Research in Cold and Arid Regions》：Trade-offs and synergies of ecosystem services and their driving factors in the Aksu River Basin

本研究基于InVEST模型和地理探测器方法，分析2000-2020年Aksu河流域土壤保持、碳储存、栖息地质量及食物生产的时空变化与驱动机制，揭示人地耦合下生态系统服务的权衡与协同规律。

　　在干旱内陆河流域中，生态系统服务（Ecosystem Services, ESs）的变化对于生态安全和可持续发展具有重要意义。以中国新疆的阿克苏河流域（Aksu River Basin, ARB）为例，本研究结合遥感、地理信息系统（GIS）以及InVEST模型，评估了2000年至2020年间四种关键生态系统服务——土壤保持、碳储存、栖息地质量与粮食生产的变化情况。研究结果揭示了该区域土地利用的显著转变，包括耕地和建设用地的增加，以及森林、草地和水域的减少。同时，土壤保持、碳储存和粮食生产在初期有所提升，随后出现下降趋势，而栖息地质量则持续恶化。研究还发现，土壤保持与碳储存之间的协同效应逐渐增强，但栖息地质量与粮食生产之间的权衡关系则变得更加明显。通过地理探测器分析，研究指出归一化植被指数（NDVI）、降水量和温度是影响生态系统服务关系的关键驱动因素，其中NDVI在多个生态系统服务之间促进了协同效应。

### 一、生态系统服务的重要性与研究背景

生态系统服务是人类从自然环境中获得的各种益处，包括供给服务（如粮食生产）、调节服务（如土壤和水体保持）、支持服务（如土壤形成）以及文化服务（如景观价值）。这些服务不仅支持人类福祉，还对区域生态安全至关重要。在干旱地区，由于自然条件的限制，生态系统服务的维持与提升尤为关键。例如，土壤保持和碳储存对于防止水土流失、维持气候调节功能具有重要作用，而栖息地质量则直接关系到生物多样性和生态系统的稳定性。粮食生产则是当地居民生存和经济发展的基础，其变化与土地利用模式密切相关。

近年来，关于生态系统服务之间权衡与协同关系的研究逐渐增多。这些关系的识别对于制定科学的生态管理政策和可持续的土地利用规划具有重要意义。然而，现有研究多集中于单一生态系统服务的变化，缺乏对多种生态系统服务之间相互作用的系统分析，尤其是多重驱动因素对这些关系的综合影响。因此，本研究旨在填补这一空白，通过整合统计分析与空间分析方法，全面评估阿克苏河流域生态系统服务的动态变化及其驱动因素。

### 二、研究方法与数据来源

本研究选取了阿克苏河流域作为研究对象，该流域位于新疆南部，总面积约为50,000平方公里，是塔里木河流域的重要支流，贡献了超过70%的径流量。流域内居住着超过120万人，是绿洲农业和区域生态安全的关键区域，同时也受到“一带一路”倡议的影响。研究采用多种数据来源，包括土地利用/覆盖数据、气象数据（降水量、温度）以及社会经济数据（GDP、人口密度），这些数据通过ArcGIS 10.8进行处理。其中，土地利用/覆盖数据覆盖了2000年至2020年的变化情况，而气象和社会经济数据则提供了不同时间点的背景信息。

此外，研究还引入了地理探测器方法，用于量化八个关键驱动因素（海拔、坡度、NDVI、GDP、人口、温度、降水、土壤类型）对生态系统服务变化的影响。这种方法能够揭示不同因素在空间上的解释力，以及它们之间的交互作用如何影响生态系统服务的动态变化。通过Spearman相关性分析，研究进一步探讨了生态系统服务之间的权衡与协同关系，以评估其在时间维度上的变化趋势。

### 三、土地利用变化与生态系统服务动态

在2000年至2020年间，阿克苏河流域经历了显著的土地利用变化。耕地面积持续增长，从2000年的4,641.86平方公里（占总面积的9.51%）增加到2020年的6,782.43平方公里（占总面积的13.9%），年均增长率为2.31%。同时，建设用地也显著扩大，从2000年的229.16平方公里（占总面积的0.48%）增加到2020年的434.81平方公里（占总面积的0.91%），年均增长率为4.49%。这些变化主要源于农业扩张和城市化进程的加快，导致森林、草地和水域等自然生态系统面积减少。其中，水域面积的减少最为显著，从2000年的2,070.01平方公里（占总面积的2.42%）下降到2020年的1,141.13平方公里（占总面积的2.35%），年均减少率高达2.25%。

这些土地利用变化对生态系统服务产生了深远影响。土壤保持能力在2000年至2010年间有所上升，随后逐渐下降，反映出土地利用模式对生态功能的复杂作用。碳储存能力在2000年至2010年间略有增长，但自2010年后迅速下降，表明生态系统碳汇功能的减弱。栖息地质量则呈现持续下降趋势，反映出自然生态系统的退化。而粮食生产则在2000年至2010年间增长显著，但2010年后因水资源限制而下降，显示出土地利用变化与生态系统服务之间的动态平衡被打破。

### 四、生态系统服务的权衡与协同关系

研究通过Spearman相关性分析揭示了生态系统服务之间的权衡与协同关系。结果显示，在2000年至2020年间，土壤保持与碳储存之间的协同效应持续增强，但土壤保持与粮食生产之间的协同关系在2010年后出现显著减弱。与此同时，栖息地质量与粮食生产之间的权衡关系则持续加深，表明农业扩张对生态环境造成了更大压力。此外，碳储存与栖息地质量之间的协同关系也有所变化，从初期的增强转向后期的减弱。

这些权衡与协同关系在空间上表现出明显的异质性。在流域的北部和中部，由于植被覆盖率较高且土地利用相对稳定，土壤保持与碳储存之间形成了较强的协同效应。而在南部和东南部，由于农业扩张和土地利用变化的加剧，栖息地质量与粮食生产之间的权衡关系更为显著。这种空间异质性表明，生态系统服务之间的关系不仅受到自然因素的影响，还与人类活动的强度和方式密切相关。

### 五、驱动因素对生态系统服务的影响

地理探测器分析进一步揭示了驱动因素对生态系统服务关系的解释能力。NDVI、降水量和温度是影响生态系统服务变化的主要驱动因素，其中NDVI在多个生态系统服务之间的协同关系中发挥了关键作用。NDVI作为植被密度和生产力的指标，能够反映土地利用变化对生态系统功能的影响。例如，在北部和中部区域，较高的NDVI值有助于增强土壤保持和碳储存能力，同时提升粮食生产能力，从而形成较强的协同效应。而在南部和东南部，由于植被覆盖较低，NDVI对生态系统服务的促进作用相对较弱，导致权衡关系更加明显。

此外，温度和降水量对碳储存和粮食生产之间的关系具有重要影响。适度的温度上升和降水增加有助于提高植被生产力和碳吸收能力，从而增强碳储存与粮食生产的协同效应。然而，过高的温度和降水不足可能导致水土资源的过度消耗，进而削弱这些服务之间的关系。因此，气候条件在调节生态系统服务之间权衡与协同关系方面具有重要作用。

### 六、研究意义与政策建议

本研究的结果为干旱内陆河流域的生态保护和可持续土地利用规划提供了科学依据。首先，研究揭示了土地利用变化对生态系统服务的深远影响，表明耕地和建设用地的扩张对自然生态系统的破坏尤为严重。因此，未来应加强土地利用管理，防止过度开发对生态系统的进一步损害。其次，研究指出NDVI是影响生态系统服务关系的关键因素，特别是在土壤保持与粮食生产之间。这意味着通过改善植被覆盖和优化农业管理，可以在一定程度上缓解土地利用变化带来的生态压力。

此外，研究还强调了气候和环境因素在生态系统服务变化中的重要性。降水量和温度的变化不仅影响植被生长，还对土壤保持和碳储存能力产生直接影响。因此，在制定生态政策时，应充分考虑气候变化的影响，并采取相应的适应措施。最后，研究指出了现有模型的局限性，如土壤保持模块对动态植被变化的捕捉不足，以及NDVI分辨率较低对粮食生产评估的干扰。未来研究应引入更高分辨率的数据，结合动态生态过程模型，以提高评估的准确性。

### 七、结论与展望

综上所述，本研究系统分析了阿克苏河流域生态系统服务的时空演变及其驱动因素。研究发现，土地利用变化对生态系统服务产生了复杂的影响，特别是在土壤保持、碳储存和粮食生产方面。同时，栖息地质量的持续下降表明自然生态系统的脆弱性。NDVI作为主要驱动因素，在促进生态系统服务之间的协同效应方面发挥了重要作用，而气候条件和土地利用模式的交互作用则决定了服务之间的权衡关系。

这些结果为干旱内陆河流域的生态保护和可持续发展提供了重要参考。未来研究应在数据精度、模型优化和生态过程机制方面进一步探索，以提高对生态系统服务动态变化的理解。同时，将研究方法应用于其他类似流域，有助于识别不同区域的生态系统服务权衡与协同机制，为全球干旱地区生态管理提供科学支持。