基于网络视角的干旱区生态系统服务权衡协同关系与空间优化研究——以新疆为例

《Environmental Technology & Innovation》：A network perspective on ecosystem service trade-offs and synergies relationships and their spatial pattern optimization in arid regions

本研究针对干旱区生态系统服务(ESs)权衡协同(TS)关系量化及其驱动机制解析不足的问题，通过构建贝叶斯网络(BBN)-权衡协同指数(TSI)模型，揭示了2000–2020年新疆产水量(WY)、土壤保持(SC)、净初级生产力(NPP)和空气净化(AP)等服务的时空演变规律与交互强度。研究发现ESs空间异质性显著，伊犁河谷与天山山区为高值聚集区；SC_AP权衡区与WY_SC协同区分别占54.94%和46.51%；敏感性分析识别出土壤侵蚀、温度、降水和植被覆盖为关键驱动因子。研究成果为干旱区生态保护红线划定与空间优化提供了理论支撑。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，干旱区生态系统面临着前所未有的压力。作为典型的干旱区，新疆深居内陆，生态环境脆弱，其生态系统服务（Ecosystem Services, ESs）的供给能力与相互关系直接影响区域生态安全与可持续发展。然而，干旱区生态系统服务间的权衡（Trade-offs）与协同（Synergies）关系具有高度非线性特征，传统线性分析方法难以捕捉其复杂作用机制。目前研究多集中于生态条件优越区域，对干旱区多服务间相互作用强度量化及空间优化策略的研究仍显不足。

为解决上述问题，Ning Song、Alimujiang Kasimu等研究人员在《Environmental Technology》上发表论文，以新疆为研究区，系统分析了2000–2020年产水量（Water Yield, WY）、土壤保持（Soil Conservation, SC）、净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）和空气净化（Air Purification, AP）四项关键生态系统服务的时空演变规律。研究引入权衡协同指数（Trade-off and Synergy Index, TSI），并构建贝叶斯网络（Bayesian Belief Network, BBN）模型（BBN-TSI模型），通过敏感性分析识别关键驱动因子，最终划定空间优化区域，为干旱区生态保护与恢复提供科学依据。

本研究综合运用多源遥感数据与地理信息系统分析，通过InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型量化WY、SC、AP服务，利用MOD17A3HGF产品获取NPP数据。采用热点分析揭示ESs空间聚集特征，运用莫兰指数（Moran’s I）检验空间自相关性。通过差异比较法判定TS关系，并基于TSI量化关系强度。研究核心创新在于构建BBN-TSI模型，利用方差缩减（Variance Reduction, VR）进行敏感性分析，识别关键驱动变量及其状态组合，进而通过空间叠置分析划定生态优化优先级区域。

4.1. 生态系统服务时空变化与热点分析

研究表明，新疆ESs空间分布呈“西北高、东南低”格局，伊犁河谷、天山山区等高植被覆盖区为服务高值区。2000–2020年间，NPP持续增长（44.90 gC·m^?2增至52.90 gC·m^?2），而WY、SC、AP均呈现“先升后降”趋势。热点分析显示，四类服务协同区域仅占4.11%，主要分布于伊犁河谷等生态保护区，反映出人类活动对服务协同性的显著影响。

4.2. 基于TS强度的BBN模型构建

通过TSI计算发现，SC_AP权衡区面积占比最高（54.94%），而WY_SC协同区达46.51%。BBN模型验证精度均超过70%，其中WY_SC关系模拟精度达89.25%。敏感性分析表明，土壤可蚀性（K）、温度（TMP）、潜在蒸散（PET）等因子对TS强度影响显著。例如，WY_AP的TS强度在高PET（5639.13–7632.90 mm·a^?1）、中TMP（?2.07–3.23 ℃）和低K（0–0.03 t·hm2·h·[MJ·hm2·mm]^?1）组合下达到最高概率（0.993）。

4.3. 基于TS强度的空间格局优化

研究基于条件概率表提取关键变量状态组合，识别出伊犁河谷、阿尔泰山区及南疆边境部分山区为优化重点区域。例如，当植被覆盖度（FVC）处于高值（0.78–1.00）、降水（PRE）和降雨侵蚀力（R）处于低值时，WY_SC的协同强度概率最大（0.998）。据此将新疆划分为协同优化区与权衡缓解区，提出差异化管控策略。

研究结论强调，干旱区ESs的TS关系受土壤侵蚀、温度、降水和植被覆盖等多因子驱动，其空间优化需结合自然地理特征与人类活动干扰。通过BBN-TSI模型量化服务间非线性关系，能够有效识别生态保护优先级，为区域生态安全格局构建提供新思路。本研究提出的空间优化分区框架，不仅适用于新疆，也可为全球干旱区生态系统管理提供方法论借鉴。未来研究需进一步融合多尺度观测数据，深化人类活动对ESs耦合机制的解析，推动生态智慧管理决策支持系统的发展。