基于贝叶斯网络的研究：中国南四湖流域生态系统服务权衡强度机制的演变

《Geocarto International》：A Bayesian network-based study on the evolution of ecosystem service trade-offs intensity mechanisms in the Nansihu Basin, China

本研究基于InVEST模型量化Nansihu流域生态系统服务，利用RMSE评估权衡强度，结合贝叶斯网络分析动态驱动机制，识别Heze和Zaozhuang为优化重点区域，揭示农业扩张与生态保护的冲突及空间分异规律。

　　### 研究背景与意义

在全球人口持续增长和城市化进程加快的背景下，自然资源需求不断上升，导致超过60%的生态系统服务出现退化现象（Bongaarts, 2019）。生态系统服务的退化不仅改变了各服务之间的关系，还加剧了服务间的权衡与协同现象。这种变化使得区域生态系统的稳定性与可持续发展面临严峻挑战。因此，研究生态系统服务之间的权衡与协同关系成为协调区域生态与经济社会发展的关键议题（Howe et al., 2014; Cord et al., 2017）。如何分析生态系统服务之间的相互作用，已成为实现“绿水青山就是金山银山”理念的核心路径。近年来，研究人员通过引入空间分析工具和模型模拟，逐步揭示了生态系统服务在区域尺度上的分布特征和相互作用模式（Nelson et al., 2009; Carre?o et al., 2012; Jia et al., 2014）。例如，Yang等人利用InVEST模型结合城市化区划分析，发现碳汇和栖息地质量在农业扩张过程中表现出一定的协同关系，但协同强度随城市化程度的加深而减弱（Yang et al., 2021）。Chen等人基于热点分析和双变量空间自相关模型，展示了中国2000年至2015年间生态系统服务的协同关系，指出东南沿海地区由于城市化而形成“冷点”，而黄土高原则因生态工程成为协同“热点”（Chen and Chi, 2023）。生态系统服务之间的权衡与协同现象普遍存在，深入分析其背后的驱动机制有助于理解不同服务之间的关系，为制定合理的生态保护与管理策略提供科学依据。然而，生态系统服务驱动机制的复杂性和动态性仍然是该领域的一个核心挑战。

### 研究方法与技术路线

本研究采用一种结合InVEST模型、RMSE（均方根误差）和贝叶斯网络的方法，以系统分析生态系统服务的权衡强度及其驱动因素。研究首先利用InVEST模型对生态系统服务进行量化评估，然后通过RMSE计算服务之间的权衡强度，接着结合贝叶斯网络模型分析驱动因素在多个时间点上的动态变化，最后利用概率模型模拟出更可能具有高权衡强度的区域，作为优化管理的重点区域。该方法不仅能够量化生态系统服务的动态变化，还能通过贝叶斯网络揭示不同驱动因素之间的复杂路径，从而更全面地理解生态系统服务之间的相互作用。

#### 1. 生态系统服务的量化评估

研究区域——南四湖流域，位于中国山东和江苏两省的交界处，总面积约为317,000平方公里，是重要的粮食和棉花生产基地，同时也是能源资源和淡水渔业的重要区域。此外，该流域还是南水北调工程的重要输水通道，对区域经济发展和生态平衡具有战略意义。该流域同时支持多种目标，如粮食安全、煤炭开采、城市化和生态保护，导致不同利益相关者对生态系统服务的偏好和利用模式存在显著差异。这些竞争性需求加剧了生态系统服务之间的权衡，对区域生态安全和可持续发展构成了挑战。

本研究选取了六种关键生态系统服务进行量化评估，包括粮食生产（GP）、水文调节（WC）、水体净化（WP）、土壤保持（SC）、栖息地质量（HQ）和碳储量（CS）。其中，粮食生产与水文调节、栖息地质量和碳储量之间存在显著的权衡关系，而水体净化与碳储量之间的协同关系则逐年增强。此外，土壤保持与水文调节之间的权衡关系在2000年至2010年间显著，但在2020年变得不显著，表明土壤保持措施在一定程度上缓解了水土矛盾。研究发现，南四湖流域的生态系统服务表现出显著的空间和时间差异，其中粮食生产的总量在2000年至2020年间增加了61.49%，而水文调节、栖息地质量和碳储量则呈现出不同程度的下降趋势。

#### 2. 权衡强度的分析与动态演变

为了进一步探讨不同生态系统服务之间的权衡关系，本研究采用了Spearman相关系数和RMSE方法进行分析。Spearman相关系数用于评估不同服务之间的相关性，而RMSE则用于量化服务之间的权衡强度。通过分析发现，粮食生产与水文调节之间的权衡关系在2000年较为显著，但在2010年转变为协同关系，随后在2020年再次出现权衡关系，但强度有所减弱。这一变化趋势可能与农业扩张、土地利用变化以及农业灌溉技术的改进有关。与此同时，粮食生产与土壤保持之间的权衡关系在2000年显著，但在2020年变得更加明显，这可能与农业用地的扩张以及土壤退化有关。此外，水体净化与土壤保持之间的权衡关系在2000年至2010年间显著，但在2020年变得不显著，表明水体净化措施在一定程度上缓解了水土矛盾。

#### 3. 驱动因素的识别与分析

为了深入分析生态系统服务权衡强度的驱动因素，本研究采用贝叶斯网络模型进行动态分析。贝叶斯网络是一种基于概率理论和图的模型，能够揭示变量之间的不确定关系和因果路径。研究选取了10种主要驱动因素，包括数字高程模型（DEM）、坡度、降水量、蒸散发量、温度、植被指数（NDVI）、建设用地比例、耕地比例、国内生产总值（GDP）和人口密度。通过贝叶斯网络分析发现，降水、NDVI、耕地比例和蒸散发量是影响生态系统服务权衡强度的主要驱动因素。降水对水文调节和土壤保持的权衡关系具有显著影响，而NDVI则与粮食生产、水体净化和栖息地质量密切相关。耕地比例作为重要的社会经济因素，直接影响粮食生产与水体净化之间的权衡关系，而蒸散发量则在一定程度上反映了气候条件对植被覆盖的影响，从而间接影响生态系统服务的权衡。

#### 4. 空间优化与优先区域识别

为了识别生态系统服务权衡强度的优化优先区域，本研究采用概率模型进行空间模拟。通过分析不同驱动因素对生态系统服务权衡强度的影响，研究确定了南四湖流域中几个关键区域，如菏泽和枣庄市，作为优先优化区域。这些区域的粮食生产比例较高，同时面临较为严重的生态退化问题，因此需要优先进行生态修复和可持续土地管理。此外，水体净化与栖息地质量之间的权衡关系在南四湖流域尤为突出，且其优化优先区域主要分布在湖泊边缘和湿地生态系统中，因此需要加强湿地保护和水体净化措施。研究还指出，由于南四湖流域农业用地比例较高，可以通过政府资助的生态休耕计划，为受影响的农民提供经济补偿，以减少农业活动对生态系统的负面影响。

### 研究成果与应用价值

本研究通过结合InVEST模型、RMSE和贝叶斯网络，揭示了南四湖流域生态系统服务权衡强度的时空演变规律及其驱动机制。研究发现，粮食生产的增加伴随着水文调节、栖息地质量和碳储量的下降，显示出粮食安全与关键生态功能之间的根本性矛盾。这一“增减”模式在许多面临农业扩张和城市化压力的流域中都较为常见。此外，研究还发现，生态系统服务之间的权衡关系并非静态，而是随着区域发展路径和环境管理措施的变化而动态演变。例如，水体净化与碳储量之间的协同关系逐年增强，而粮食生产与土壤保持之间的权衡关系则在2020年变得更加显著。

贝叶斯网络的动态分析进一步揭示了降水作为影响生态系统服务权衡关系的关键自然驱动因素，而耕地比例则显著影响与粮食生产相关的权衡冲突。这表明在应对气候变化和土地利用变化时，应将水资源波动与土地利用决策相结合，以实现生态系统服务的优化管理。此外，研究还指出，菏泽和枣庄市是生态系统服务权衡强度较高的区域，因此需要优先进行生态修复和可持续土地管理。同时，南四湖流域作为水体净化与栖息地质量之间权衡关系的热点区域，亟需加强水环境保护和湿地生态系统修复。

### 研究意义与未来展望

本研究不仅揭示了南四湖流域生态系统服务之间的权衡关系及其驱动机制，还为区域生态与经济社会的协调发展提供了科学依据。通过构建一个综合框架，结合InVEST模型、RMSE和贝叶斯网络，研究实现了对生态系统服务权衡强度的动态分析，并识别出具有高权衡强度的区域，为优化管理提供了方向。然而，本研究仍存在一定的局限性。首先，研究采用3公里栅格尺度进行分析，忽略了不同尺度下生态系统服务权衡关系的可能变化。其次，在选择驱动因素时，研究主要关注自然因素，对人类活动和政策因素的考虑较少。未来，可以通过多尺度耦合分析、政策情景模拟等方式，进一步完善生态系统服务权衡关系模型，以提供更精确的科学支持。此外，研究还建议在高耕地比例区域推广节水灌溉技术，如滴灌和喷灌，以减少农业活动对水资源的消耗。同时，针对历史煤炭开采活动造成的生态破坏，应通过“谁破坏，谁治理”的原则，由原开采企业或政府设立的土地恢复基金负责修复工作。这些措施将有助于改善南四湖流域的生态系统服务权衡关系，提升区域生态质量。

### 研究结论

本研究通过结合InVEST模型、RMSE和贝叶斯网络，深入分析了南四湖流域生态系统服务的时空演变及其权衡与协同关系，揭示了生态系统服务权衡强度的驱动机制。主要结论如下：

1. 粮食生产的显著增加伴随着水文调节、栖息地质量和碳储量的下降，显示出粮食安全与关键生态功能之间的根本性矛盾。这一“增减”模式在许多面临农业扩张和城市化压力的流域中都较为常见。

2. 生态系统服务权衡关系的研究表明，粮食生产与水文调节、土壤保持之间的权衡关系在不同时期呈现波动，而水体净化与碳储量之间的协同关系则逐年增强。这表明生态系统服务之间的关系并非静态，而是深刻响应于区域发展路径和环境管理措施的变化。

3. 贝叶斯网络的动态分析揭示了降水作为影响生态系统服务权衡关系的关键自然驱动因素，而耕地比例则显著影响与粮食生产相关的权衡冲突。这表明在应对气候变化和土地利用变化时，应将水资源波动与土地利用决策相结合，以实现生态系统服务的优化管理。

4. 模型分析指出，菏泽和枣庄市的某些区域是生态系统服务权衡强度较高的区域，因此需要优先进行生态修复和可持续土地管理。同时，南四湖流域作为水体净化与栖息地质量之间权衡关系的热点区域，亟需加强水环境保护和湿地生态系统修复。

本研究不仅为南四湖流域的生态管理提供了科学支持，也为其他面临类似挑战的流域提供了可借鉴的经验。通过深入分析生态系统服务之间的权衡关系及其驱动因素，研究为实现区域生态与经济社会的协调发展提供了新的思路和方法。