将生物多样性和关键生态系统服务纳入中国三江源国家公园地区多情景土地利用模拟的优化过程中

《Anthropocene》：Integrating biodiversity and key ecosystem services into the optimization of multi-scenario land use simulation in the Three-River-Source National Park region, China

三江源国家公园基于生态系统服务评估与物种分布建模，识别优先保护区以约束未来土地利用模拟，结果显示保护区约束下土地利用模拟精度提升（Kappa=0.98），草地覆盖面积2000-2005年退化744.52km2，2005-2020年恢复7037.71km2，但存在中低覆盖草地扩张与高覆盖退化并存趋势，构建整合多物种分布概率的物种分布指数为生物多样性量化提供新方法。

　　

包胜旺|杨帆|孔繁珍|林永生|胡英爽

浙江海洋大学经济管理学院，中国舟山316022

摘要

作为中国重要的生态屏障，三江源国家公园（TRSNP）的土地利用退化对区域生态系统健康构成了严重威胁。因此，优化高山生态系统的土地利用对于实现可持续发展至关重要。基于生态系统服务评估和物种分布建模，我们确定了优先保护区域，该区域为未来在不同气候变化情景下的土地利用模拟提供了约束条件。研究结果表明：（1）将优先保护区域作为约束条件可以提高土地利用模拟的准确性，Kappa值为0.98，FoM值为0.78；（2）2000年至2005年间土地利用呈退化趋势（744.52平方公里），但2005年至2020年间有所恢复（7037.71平方公里）；（3）草地覆盖率持续下降，表明退化趋势仍然存在。尽管在SSP-126情景下草地面积有所增加，但其质量却下降（高覆盖率的草地减少了412.19平方公里，中等和低覆盖率的草地分别增加了424.28平方公里和7,537.89平方公里）。此外，我们构建了一个物种分布指数，该指数整合了植物和动物界多个关键物种的联合分布概率，提供了一个基于机制且空间明确的指标来量化生物多样性，并为区域应用提供了可转移的框架。本研究为高山生态系统的发展指明了战略方向，并提出了可行的建议。

引言

土地利用和土地覆盖对人类福祉和生态系统健康至关重要（Yang等人，2023c）。在持续的气候变化和城市化进程中，土地利用和土地覆盖的退化现象日益严重（Schulte等，2023；IPCC，2022）。这些变化影响了陆地碳储存、水文动态和生物多样性分布（Liu等人，2023；Peters等人，2019；Wang等人，2022）。此外，自然生态系统的区域结构和整体功能也受到了影响。过去六十年中，全球近三分之一的土地面积经历了显著变化（Winkler等人，2021）。因此，全球可持续发展努力受到了阻碍。诸如青藏高原（Scurlock和Hall，2002；Yang等人，2023b）和三江源地区（Han等人，2018）等高山生态系统对气候变化极为敏感，土地利用经常发生剧烈变化（Qiu，2008）。先前的研究表明，位于青藏高原中心的三江源地区的草地首先退化，随后开始恢复（Duan等人，2021；Duan等人，2023b；Shao等人，2016a；Xu等人，2017）。这种模式归因于该地区对气候变化（Chang等人，2021；Han等人，2018）和人类活动（Jiang等人，2020；Zhang等人，2016）的综合影响。

全球草地的退化速度正在加快（Gibbs和Salmon，2015；Guo等人，2023），特别是在高山植被区域（Quan等人，2024b），如三江源地区（Elmendorf等人，2012；Vanneste等人，2017）。中国政府已实施了一系列生态恢复和保护措施以应对上述日益严重的生态挑战（Liu等人，2017a）。三江源的“生态保护与建设项目”第一阶段于2005年启动，第二阶段于2013年实施（中国，2005；中国，2013；Shao等人，2016b）。在此基础上，中国政府于2018年发布了《三江源国家公园规划》（Ma等人，2022），并在2023年进行了更新（政府，2023），旨在建立自然保护区以维护区域生态安全和生物多样性（Xue等人，2023）。面对草地退化、生物多样性丧失和食草动物与牲畜失衡等严峻挑战（Cai等人，2022），三江源地区仍然是全球最敏感和脆弱的地区之一（Ji-yua等人，2013；Liu等人，2017a；Liu等人，2008；Zheng等人，2020）。因此，监测土地利用和土地覆盖变化（LUCC）并分析其在不同发展情景下的影响成为区域可持续发展战略研究的关键（Nie等人，2023b；Quan等人，2024a；Wang等人，2023）。

随着多情景LUCC分析的发展，提出了多种管理和保护土地资源的策略。这些策略对于实现可持续发展至关重要（Li等人，2024b；Liu等人，2017b）。借助CA-Markov（Fu等人，2018）、FLUS（Liang等人，2018a）、PLUS（Liang等人，2021）等模型（Gao等人，2021），LUCC模拟研究取得了快速进展。从多情景模拟的角度来看，LUCC模拟的重点逐渐转向解决领土空间约束问题，例如生态红线和永久农田的划定，超越了传统的土地用途类型限制（通常仅适用于水体和建筑用地等区域）。在城市聚集中，利用空间约束（包括生态服务评估，Nie等人，2023b）和永久基本农田的划定（Li等人，2023b）来提供直观的空间模拟，以支持未来的城市发展决策。然而，现有的LUCC模拟研究主要集中在城市边界扩张上，常常忽视了生态功能区（Chen等人，2023；Nie等人，2023b）。当前关于生态安全模式（ESPs）的研究从景观规划的角度支持城市土地利用的优化（Gao等人，2022；Liu等人，2022b；Zhang等人，2020），但往往忽略了高山生态系统（Shi等人，2023a；Yuan等人，2024；Zhao等人，2023）。值得注意的是，ESP研究经常忽略区域生物多样性，从而导致构建过程中的偏差和不足。

总体而言，高山生态系统服务包括调节服务和支持服务（Dong等人，2024）。这些服务对区域、国家和全球生态安全具有重要贡献。许多研究将碳储存、水资源产出、土壤保护、栖息地质量等作为高山生态系统的代表性服务（Xu等人，2024；Yang等人，2023a；Zhao和Dai，2024）。然而，这些生态系统服务评估主要依赖于InVEST模型（Bacani等人，2024；Dong等人，2024），相对静态且高度依赖高分辨率的土地利用数据（Valladares-Castellanos等人，2024）。此外，准确评估这些服务不仅需要高精度、长期的实地调查来收集原始数据（Bhattacharya等人，2024），还经常忽视区域生物多样性的定量评估。多项研究表明，MaxEnt模型能有效预测某些物种或相关物种群的适宜分布（Gontier等人，2010；Lu等人，2024a），例如青藏高原上的羚羊（Zhang等人，2021）和有蹄类动物（Shi等人，2023a）。高山生态系统是全球生态系统的重要组成部分，包含丰富的濒危动植物（Bao和Yang，2024）。因此，将生物多样性纳入生态网络模型可以提升模型的理论价值，并在高山生态系统保护中发挥关键作用。

为解决先前研究中的局限性，本研究旨在为三江源地区开发一个土地利用优化框架。该框架将生物多样性量化与动态情景模拟相结合。目前在这些高山保护区进行土地利用管理的方法存在三个主要知识空白：首先，ESP的构建主要依赖于生态系统服务评估，缺乏量化区域生物多样性的机制方法，特别是关键物种的分布；其次，优先保护区域的确定通常较为静态，无法与能够预测未来发展情景的动态LUCC模拟模型相结合，这阻碍了长期保护规划效果的评估；第三，大多数现有框架强调区域尺度评估，未能为特定管理单位（如国家公园）提供精细的空间治理方案，而这些单位需要在生态保护和可持续发展之间取得平衡。为弥补这些空白，本研究探讨了三个核心科学问题：（1）如何有效量化生物多样性并将其空间整合以增强高山生态系统的ESP？（2）从这种综合模式中划定的优先保护区域能否作为空间约束，提高未来土地利用模拟的生态相关性和准确性？（3）在不同气候变化情景下，不同土地利用类型如何响应驱动因素，这对国家公园内的土地资源管理有何影响，以实现长期生态安全？为回答这些问题，本研究将建立一个新的物种分布指数来量化区域生物多样性，并确定多层次的优先保护区域，将其与生态系统服务和物种栖息地相结合，纳入多情景LUCC模拟模型。因此，这项工作将为三江源地区的适应性土地管理提供科学依据和决策支持。

研究区域

三江源国家公园位于青海省西南部，地理坐标为北纬32°26'4"至36°16'49"，东经89°24'6"至99°6'46"，总面积达190,700平方公里，包括三个国家公园（图1.a和图1.b）。该地区具有青藏高原气候特征，季节分明，冷暖交替明显。三江源地区的高山生态系统典型、独特、脆弱且敏感，覆盖面积广阔，物种组成简单。

方法论

在本研究中，我们根据生态系统服务评估和关键保护物种的适宜栖息地分布建模，确定了三江源国家公园内的优先保护区域。这些区域主要包括生态源和生态走廊，对能量和物质流动的促进至关重要。该方法论遵循中国政府于2024年8月提出的《三江源国家公园规划（2018-2025）》中的生态目标和生物多样性保护要求。

基于MaxEnt模型的物种适宜分布预测

通过优化MaxEnt模型的参数，获得了高精度的物种适宜分布预测结果（图3）。该模型应用于关键保护动物和植物，显示AUC值始终稳定在0.70以上（附录S2），表明其预测能力出色。图3展示了19种关键保护物种的参数优化结果，选择了最大AUC值和最小遗漏率的组合。

基于PLUS模型的LUCC模拟和准确性评估

LUCC数据来自

物种分布指数的构建及其对生物多样性的影响

物种分布指数的计算以及其他生态服务的评估，有效地从空间角度突出了区域生态系统服务的功能。许多研究将生态系统服务评估纳入了未来LUCC动态的空间模式和模拟研究中（Li等人，2020b；Nie等人，2023b）。然而，这些建模框架往往忽略了与生物多样性相关的生态系统服务。

结论

作为中国西北部最重要的生态屏障和全球高山生物多样性的宝库，三江源国家公园面临物种灭绝和草地面积快速减少等严重威胁，这是由于全球变暖和人类活动造成的。为了应对这些严重后果，本研究提出了新的LUCC模拟框架，以展示不同气候变化情景下的未来LUCC情况。

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42001235）、北京师范大学博士生跨学科基金项目（项目编号：BNUZHXKJC-45）以及中国大学生创新创业培训计划（项目编号：202210340065）的支持。

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本研究的工作。

出版同意声明

所描述的工作尚未发表，已获得所有参与者的出版同意。

CRediT作者贡献声明

孔繁珍：可视化、验证、软件、数据管理。杨帆：监督、项目管理、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。胡英爽：验证、监督、软件、资金获取。林永生：监督、软件、资源管理、正式分析、概念构思。包胜旺：撰写初稿、可视化、验证、软件管理、资源管理、资金获取、数据管理、概念构思。