生态系统健康变化对青藏高原风蚀防治服务的限制效应

《Journal of Environmental Management》：Constraint effects of ecosystem health changes on wind erosion prevention service on the Tibetan Plateau

青藏高原生态系统健康变化对土壤风蚀防治服务的影响机制研究，结合约束线方法和VOR模型分析时空异质性，揭示非线性约束关系及空间分异规律。

　　土壤风蚀是干旱地区面临的重大生态挑战之一，它与生态系统健康的变化密切相关，而生态系统健康对于维持多种生态系统服务至关重要，包括风蚀防治（WEP）。然而，生态系统健康变化对风蚀防治服务的约束效应仍缺乏深入理解。本研究结合了约束线方法与活力-组织-韧性（VOR）方法，分析了青藏高原这一易受风蚀影响的地区在2000年至2020年间生态系统健康变化对风蚀防治服务的时空影响。研究结果表明，61%的高原区域在这一时间段内生态系统健康指数（EHI）呈现上升趋势，而34%的区域则受益于风蚀防治服务的增强。空间分析揭示了高原东南部地区生态系统健康评分较高，而中部地区则表现出较强的风蚀防治能力。

风蚀防治服务的变化与生态系统健康之间存在非线性关系，这种关系在生态系统健康达到某个阈值（0.4）时最为显著。在不同健康指标的梯度下，风蚀防治服务呈现出不同的变化趋势。其中，在活力的约束下，风蚀防治服务表现出单峰变化，而在组织和韧性的约束下，其变化则呈现出双峰和指数增长的趋势。这一发现表明，生态系统健康对风蚀防治服务的影响并非单一或线性，而是具有复杂性和多样性。因此，在制定相关政策以防治风蚀时，应充分考虑生态系统健康变化所带来的非线性效应，并识别限制因素在时间上的约束效率。

风蚀是干旱地区普遍存在的自然现象，它可能导致土壤质量下降和粮食产量减少，进而威胁生态系统功能和人类健康。全球约三分之一的陆地面积受到风蚀的影响，而中国因土壤风蚀导致的土地沙漠化和沙尘暴问题尤为严重，特别是在北方和西部地区。风蚀防治服务是生态系统服务的一种，它通过植被在一定时间内防止土壤流失和保持沙尘稳定，从而提供生态效益。鉴于风蚀过程中沙粒的运动特性，对风蚀防治服务的评估对于决策者制定有效的防治措施至关重要，因为这些措施在改善土壤健康和提升区域内外居民生计方面发挥着关键作用。

风蚀防治服务的变化与气候强迫和人类活动的影响密切相关。例如，气温升高和降水减少会导致土壤更加干燥，从而恶化土壤和植被条件。而人类活动引起的土地利用变化则会导致生态系统面积和质量的下降。此外，风蚀防治服务的提供还受到生态系统健康的影响，生态系统健康是指生态系统在受到干扰时维持其结构和功能的能力。生态系统健康在维持生态系统服务方面发挥着重要作用，它不仅体现了生态系统在活力、组织和韧性方面的状态，而且是可持续生态系统服务提供的重要基础。同时，生态系统服务可以被视为生态系统健康的一种综合响应，其提供的生态效益会随着生态系统健康的变化而波动。

在对风蚀进行评估时，通常采用同位素示踪技术、风洞实验以及多种定量模型，这些模型能够整合侵蚀过程和环境因素在不同尺度上的影响。风蚀模型可以分为经验型和过程型，经验型模型如风蚀方程（WEQ）、修订风蚀方程（RWEQ）、农业政策/环境扩展模型（APEX）等，而过程型模型如风蚀预测系统（WEPS）、德克萨斯侵蚀分析模型（TEAM）等。尽管这些模型在某些方面存在局限性，例如WEQ的应用场景较为严格，APEX对植被的界定过于简化，WEPS对起伏地形的适应性较差，TEAM对土壤可蚀性的调整能力有限，但它们在风蚀评估中仍然具有重要价值。特别是随着人工智能的快速发展，将机器学习或深度学习方法与实地实验数据和模型模拟结果相结合，可以提高模型的准确性。然而，大多数这些方法仍属于“黑箱”模型，缺乏足够的可解释性。

尽管这些模型在模拟土壤悬浮方面存在一定的不足，但其可靠的评估结果和高可访问性输入数据使其成为估算风蚀的最常用模型之一。RWEQ结合了经验型和过程型建模过程，能够模拟单次和短期的风蚀事件。通过结合遥感和地理信息系统技术，将模型从微观地块扩展到大范围区域，RWEQ已被成功应用于世界多个地区，如叙利亚、阿根廷以及中国许多区域。这些应用表明，RWEQ在风蚀评估中具有广泛的适用性和较高的实用性。

生态系统健康的评估对于可持续发展具有重要意义，因此近年来对其研究不断增加。目前，生态系统健康评估主要采用物种法和指标法。物种法强调指示物种在维持生态系统健康中的作用，并将指示物种的数量、多样性等属性作为健康状态的指标，尤其是在森林和水生生态系统中。指标法则通过经验模型，如VOR、压力-状态-响应（PSR）和层次分析法（AHP）进行评估。虽然AHP提供了一种有效的多目标决策方法，但忽略了人类社会的需求。PSR则基于专家经验，描述了生态系统过程与人类活动之间的关系，忽略了生态系统的自然状态。相比之下，VOR模型整合了定性和定量分析，用于评估生态系统健康，并已被广泛应用于海洋、森林、湿地和城市生态系统。

阐明生态系统健康与生态系统服务之间的因果关系有助于我们更深入地理解生态系统服务变化的内在机制。随着全球人口的快速增长，人类对生态系统服务的需求不断增加，这引发了对如何维持生态系统健康状态以及如何通过提升生态系统健康来增强生态系统服务的迫切关注。目前，已有大量证据表明自然和社会经济因素对生态系统健康具有显著影响，如地形、景观连通性和城市化等。以往的研究通过关注生态系统健康和风蚀防治服务各自的驱动机制，揭示了它们的变化模式。一些研究考虑了生态系统服务在量化生态系统健康中的指示作用，但对生态系统健康对风蚀防治服务的约束效应仍缺乏系统认识。

为弥补这一知识空白，本研究以青藏高原为案例，评估了风蚀防治服务如何响应生态系统健康的变化。青藏高原被称为地球的第三极，是东亚生态安全屏障的重要组成部分。高原上的土壤条件在大部分区域较为贫瘠，超过一半的区域属于干旱和半干旱地带，风力强劲，导致土壤风蚀成为常见现象。在过去几十年中，青藏高原经历了快速的升温，气温上升速度是全球平均水平的两倍，使得土壤更容易受到风蚀的影响。因此，青藏高原面临着日益严重的土壤风蚀风险。本研究的主要目标是：1）明确2000年至2020年间青藏高原生态系统健康和风蚀防治服务的时空变化；2）揭示生态系统健康对风蚀防治服务的约束效应。研究结果将有助于我们更深入地理解风蚀防治服务变化的驱动机制，并通过可持续的生态系统管理促进生态系统服务的提升。

青藏高原的面积约为中国陆地面积的四分之一，平均海拔超过4000米。作为多条著名河流的源头，如长江、黄河、湄公河、怒江、恒河、印度河等，青藏高原每年为下游超过15亿人口提供约5689亿立方米的淡水。该地区覆盖了6种生态气候带，年平均气温低于0摄氏度，年平均降水量较低。由于其特殊的地理位置和环境条件，青藏高原的生态系统面临着多重挑战，包括气候变化和人类活动的影响。在过去的二十年中，生态系统健康的主要提升因素是活力的增强，同时生态系统组织和韧性的状态相对稳定。自20世纪末以来，一系列生态恢复项目已启动，带来了广泛的生态效益，如减轻土壤退化和增加生物多样性。这些项目的实施表明，生态系统健康在维持生态系统服务方面发挥着重要作用，同时也在应对环境变化和促进可持续发展方面具有积极影响。

本研究通过结合植被特征和景观格局，量化了生态系统健康，并展示了生态系统健康如何以非线性方式影响风蚀防治服务。在2000年至2020年间，生态系统健康指数略有上升，增长幅度为2.4%。这种变化呈现出一定的空间异质性，较高评分主要集中在高原的东南部地区。风蚀防治服务的变化在生态系统健康约束下呈现出单峰趋势，其最低值出现在某个特定阈值（0.4）时。这一发现表明，生态系统健康对风蚀防治服务的影响具有复杂性，需要在政策干预中充分考虑其非线性变化特征。通过识别限制因素在时间上的约束效率，可以更有效地制定防治措施，从而提升风蚀防治服务的提供能力。

研究还揭示了不同健康指标梯度下风蚀防治服务的变化趋势。在活力的约束下，风蚀防治服务呈现出单峰变化，而在组织和韧性的约束下，其变化则呈现出双峰和指数增长的趋势。这种差异表明，生态系统健康的不同维度对风蚀防治服务的影响机制存在显著区别，需要在生态管理和政策制定中加以区分和应对。此外，研究结果强调了生态系统健康与风蚀防治服务之间的相互作用，以及这种相互作用在不同环境条件下可能表现出的多样性。

本研究的意义在于，它不仅揭示了生态系统健康对风蚀防治服务的非线性约束效应，还为制定有效的生态管理政策提供了科学依据。通过识别生态系统健康变化的关键阈值和限制因素，可以更精准地评估风蚀防治服务的提供潜力，并制定相应的干预措施。这将有助于在应对风蚀问题的同时，实现生态系统健康和生态服务的双重提升。研究结果还可以为其他干旱地区提供参考，帮助他们更好地理解和应对风蚀防治服务的变化，从而推动全球范围内的可持续发展。