综述：不断发展的方法以及日益丰富的数据资源，有助于我们更好地理解土地利用变化对生态系统服务的影响

《Science of The Total Environment》：Evolving approaches and data availability for understanding the impact of land-use change on ecosystem services

本文系统综述了2001至2024年间459篇论文，旨在揭示土地变化对生态系统服务的影响，发现23类服务（包括供给、调节和文化类），亚洲研究占比51%，主流方法为生物物理模型和经济评估，新兴数据如机器学习被采用，但仍需加强数据稀缺地区的整合能力，提出混合方法以提升评估的准确性和公平性。

　　

韦斯纳·恩朱梅·埃皮（Wesner Njume Epie）|汉娜·斯图特（Hannah Stouter）|朱莉娅·伦哈特（Julia Lenhardt）|拉库尔·M·阿约姆佩（Lacour M. Ayompe）|埃尔莎·M·奥德韦（Elsa M. Ordway）|伊丽莎白·D·克鲁克（Elizabeth D. Crook）|贝尼斯·N·埃戈（Benis N. Egoh）

美国加利福尼亚州尔湾市加州大学地球系统科学系

摘要

了解土地利用变化如何改变生态系统服务的流动对于可持续性政策和规划至关重要。我们对2001年至2024年3月期间发表的459篇经过同行评审的文章进行了系统回顾，旨在：(a) 编录已研究的生态系统服务及其地理分布；(b) 追踪制图方法上的创新；(c) 评估新兴数据流的整合情况。我们的分析确定了23种生态系统服务，包括供给服务（食物、水、原材料）、调节服务（气候调节、侵蚀控制、防洪）和文化服务（娱乐、美学价值）。供给服务通常被单独绘制，但在类别级别的评估中调节服务占主导地位。从区域来看，亚洲（尤其是中国）贡献了超过一半（51%）的案例研究，而欧洲、非洲和美洲的案例研究也在增加，近30%的研究得益于国际合作。生物物理建模（98%的论文）和经济估值（55%）仍然是基础方法，辅以情景分析（11%）和越来越多的机器学习技术应用（27%）。数据来源已从主要依赖Landsat（90%的研究中使用）和土地覆盖产品（84%）扩展到包括Sentinel卫星、中分辨率成像光谱仪（MODIS）、高程和地形数据、气候网格、土壤湿度以及公民科学平台。尽管取得了进展，但由于尺度不匹配、数据替代指标和模型僵化等问题，仍存在不确定性。我们强调了结合先进分析与地方知识的新兴集成和混合方法，并呼吁在数据匮乏地区加强能力建设。这些方向有望提供更准确、公平和可操作的评估，以指导基于自然的土地利用决策。

引言

从农业扩张和城市扩张到森林砍伐的土地利用变化对全球的关键生态系统服务产生了负面影响（Athukorala等人，2024年；Belay等人，2022年）。通过将森林和湿地替换为农田或城市基础设施，我们削弱了自然调节气候、净化水源、控制土壤侵蚀和提供食物的能力（Ocloo等人，2024年；Sannigrahi等人，2018年）。2022年全球森林砍伐面积增加了4%，导致生物圈中的碳封存减少，加速了大气中二氧化碳的积累，加剧了气候变暖（Japelaghi等人，2022年；Zhang等人，2023年）。例如，在中国的长江三角洲，农田提供的碳和水资源调节服务低于相邻的天然森林（Tao等人，2018年）。在亚马逊和刚果盆地等热带地区，强降雨与土地利用变化相互作用，加剧了土壤侵蚀和养分流失（Lhoest，2020年）。这降低了农业产量，并使水道因化肥径流而富营养化（Machado等人，2019年；Zhou等人，2019年）。这种广泛的生态系统服务下降凸显了全面了解土地利用变化如何影响人类福祉的紧迫性（Peng等人，2020年）。

为了量化这些影响，研究人员开发了一系列方法，包括生物物理建模、基于情景的分析、经济估值和参与式方法（Asante-Yeboah等人，2024年；Thorn等人，2017年）。生物物理模型描述了服务的空间分布和质量，而情景分析探讨了决策和未来土地利用路径可能如何重塑生态系统功能及相关服务（Assennato等人，2022年；Vermaat等人，2020年）。经济估值将服务流转换为货币单位，以便与其他经济活动直接比较，参与式制图则整合了纯统计模型常常忽略的地方观点（Marino等人，2023年；Pullanikkatil等人，2016年）。这些框架通过工具箱得以实现，如综合评估经济服务和权衡（InVEST），它将生物物理建模和情景分析与陆地、淡水、海洋和沿海领域的经济指标相结合（Elliot等人，2020年；Kertész等人，2019年）。专门用于流域尺度水文学的土壤和水资源评估工具（SWAT，Khan等人，2019年；Wang等人，2022年）以及利用人工智能进行综合服务评估的人工智能（ARIES，Martínez-López等人，2019年；Mayer等人，2022年）都被用于环境监测。这些多样化的工具使研究人员能够根据具体研究目标和社会生态背景选择不同的制图方法，为理解土地利用变化如何影响生态系统服务的供给提供了科学上可靠的框架。

尽管取得了这些进展，但仍存在重大挑战。研究主要集中在供给服务和调节服务上，而娱乐和美学价值等文化服务由于其往往无形和主观的性质而研究不足（Xin等人，2023年；Zhang等人，2015年）。评估框架、时间尺度、空间分辨率和估值指标的方法差异阻碍了跨研究的综合（Calzolari等人，2016年；Englund等人，2017年）。当服务缺乏明确的市场替代指标时，货币估值尤其难以进行，导致结果不一致（Cabana等人，2020年），甚至同一服务在不同研究和地点的技术指标也存在很大差异（Miedema Brown和Anand，2022年）。数据限制进一步加剧了不确定性，因为依赖间接替代指标、空间分辨率不均以及缺乏时间序列数据意味着大多数分析只能提供快照而非长期趋势（Almeida等人，2024年；Haas和Ban，2017年）。地理偏见加剧了这些差距，非洲、南美洲和东南亚相对于监测良好的发达地区来说数据更为匮乏。这些问题尤为严重，因为这些地区通常拥有全球最高的生物多样性和关键的生态系统服务，如碳储存，这些服务直接支撑着数百万人的生计（Radeloff等人，2024年）。因此，不同背景下服务之间的权衡和协同作用仍不甚明了（Dade等人，2019年；Petroni等人，2022年）。

新兴的数据来源和计算技术在弥合这些差距方面显示出潜力。高分辨率遥感、开放获取的全球数据集和机器学习算法可以改进生物物理模型，并将服务制图扩展到传统数据匮乏的地区（Arunyawat和Shrestha，2018年；Shoyama和Yamagata，2014年）。虽然InVEST适用于数据丰富的地区（Assennato等人，2022年；Xiao等人，2023年），但人工智能和大数据框架现在可以为数据匮乏和数据丰富的环境提供新的观测方法和减少不确定性（Hoque等人，2020年；Thorn等人，2017年）。集成方法的使用，即利用多个模型的结果来定义可能的结果范围以减少不确定性，提高了生态系统服务评估的预测稳健性（Lu和Li，2024年）。通过整合多样化数据集和算法（如决策树、神经网络和回归模型）的统计技术，集成方法能够产生更准确地捕捉服务供给的空间和时间变异性的综合预测（Chan等人，2011年；Locatelli等人，2011年）。

这种多方面的策略使研究人员能够考虑广泛的生态响应，包括物种相互作用、生态系统健康和社会经济影响，并通过情景分析指导可持续的土地利用实践（Sun等人，2017年）。此外，混合方法通过正式整合定量和定性数据（如地方知识）来扩展集成方法（Sinare等人，2016年）。这创造了一个迭代过程，其中利益相关者的观点直接塑造模型，确保它们反映实际情况。在数据匮乏的地区，这种知识的共同生产有助于构建文化相关且科学严谨的保护策略（Li和Wang，2023年）。通过结合这些视角，混合框架增强了情景预测能力，提高了我们对土地利用选择如何影响生态系统服务的理解（Stürck等人，2018年；Tao等人，2018年）。这些先进的框架可以用来构建复杂的情景预测模型，进一步细化我们对不同土地利用路径如何影响服务动态的理解。

认识到这些进展，我们研究了用于评估土地利用变化对生态系统服务影响的方法和数据集的发展。具体来说，我们的目标是：(a) 识别近年来研究过的生态系统服务，包括不同地理区域是否出现了不同的趋势；(b) 分析用于理解土地利用变化对生态系统服务影响的方法中的新兴趋势；(c) 评估数据类型和来源的最新进展是否有效整合到当前研究中。通过突出进展和持续的盲点，我们希望引导更加公平、全面和基于数据的分析，以了解土地利用决策如何塑造从自然中获得的效益。

方法

为了编目所研究的生态系统服务、追踪方法创新并评估新型数据流的使用，我们采用了多阶段的工作流程。首先，我们在Scopus和Web of Science数据库中进行了系统文献搜索，目标是2001年至2024年间发表的经过同行评审的文章。在去除重复项和筛选相关性后，我们提取并标准化了核心研究集。

结果

基于2001年至2024年间发表的459篇经过同行评审的研究，本节总结了土地利用变化和生态系统服务研究的演变情况。我们首先描述了研究人员绘制的服务类型，以及随着时间推移对供给服务、调节服务和文化服务的关注程度变化，以及这些分析在全球的分布情况（第3.1节）。然后，我们研究了包括生物物理建模、经济估值和情景分析在内的方法工具箱。

讨论

在这项研究中，我们试图了解全球不同研究人员用于理解土地利用变化对生态系统服务影响的方法和数据的演变。此外，我们还评估了这些方法在哪些生态系统服务方面的专长。

结论

通过对2001年至2024年间发表的459篇经过同行评审的文章进行系统回顾，我们绘制了生态系统服务研究对全球土地利用变化的响应。首先，我们的综合研究表明，科学家现在绘制的生态系统服务范围比十年前要广泛得多，包括供给服务（食物、水、原材料）、调节服务（气候调节、侵蚀控制）以及新兴的文化和娱乐效益研究。其次，方法上的创新……

作者贡献声明

韦斯纳·恩朱梅·埃皮（Wesner Njume Epie）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。汉娜·斯图特（Hannah Stouter）：撰写——审稿与编辑。朱莉娅·伦哈特（Julia Lenhardt）：撰写——审稿与编辑。拉库尔·M·阿约姆佩（Lacour M. Ayompe）：撰写——审稿与编辑。埃尔莎·M·奥德韦（Elsa M. Ordway）：撰写——审稿与编辑、资金筹集。伊丽莎白·D·克鲁克（Elizabeth D. Crook）：撰写——审稿与编辑。贝尼斯·N·埃戈（Benis N. Egoh）：撰写——审稿与编辑、验证、监督。

资助

本工作得到了NASA土地覆盖与土地利用变化项目（NASA LCLUC）的资助，项目编号为#80NSSC23K0533。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了美国国家航空航天局（NASA）土地覆盖与土地利用变化（LCLUC）项目的资助，该项目专注于解开中非的土地利用变化，以了解当地和土著社区在森林恢复和保护中的作用。