空间指标在池塘景观生态系统服务评估中的应用

《One Ecosystem》：Application of spatial indicators to assess ecosystem services in pondscapes

　　

人工水生系统（如养殖池塘景观）提供多种重要的生态系统服务（ES）。然而，评估其生境维持与文化价值具有挑战性，因为这些价值依赖于景观结构、生态过程与人类利用模式之间的多重复杂相互作用。在此背景下，研究人员开发并展示了一种基于空间替代指标的框架，该框架应用基于景观的指标（如分形维数、岸线/边缘密度、连通性等）以及捕捉文化-游憩方面的指标（如土地覆盖多样性、感知自然度、可达性、保护区和旅游景点等）。这些指标在匈牙利25个代表性池塘景观的池塘尺度与景观尺度上进行计算，并经过标准化以实现不同地点之间的比较。该框架的应用揭示了不同区域和池塘类型之间景观格局与生态系统服务的明显差异。位于匈牙利多瑙河外地区（Transdanubian regions）的堰坝池塘景观表现出比匈牙利大平原（Great Plain）主要存在的圆坝池塘更高的结构复杂性和生境维持潜力。研究结果还表明，哪些结构、可达性和美学因素最强烈地影响池塘景观的生态系统服务潜力。这种可扩展且可重复使用的方法可用于其他类似池塘景观的生态系统服务评估，特别是在密集野外调查不可行的情况下。该方法还可进一步支持有关针对性修复、农业环境方案设计和更广泛的池塘景观强化的决策制定。

人工淡水系统作为生态系统服务（ES）的重要供给者正日益受到认可，其中人工水体作为当代水生景观的重要组成部分却研究不足。尽管构建或管理水体主要用于特定目的，但其更广泛的ES贡献常在评估与管理讨论中被低估。养殖鱼塘通常与粮食生产及潜在环境影响相关，包括水质变化、淡水需求增加和土地利用改变等，部分可能构成生态系统负服务。与此同时，研究者越来越关注这些系统如何支持生物多样性维持、调节性ES、文化ES以及生产目标。

在中东欧地区，鱼塘系统（主要用于鱼类生产的池塘网络）已融入景观数百年。鱼塘网络及其周边水陆生境共同构成池塘景观。匈牙利的这些系统发育于特定景观中，受到19世纪大型河流渠化等重大历史土地利用/土地覆盖（LULC）变化的塑造。这些池塘系统代表着历史悠久的家庭式渔业经营，为地方文化遗产、传统土地利用实践的延续和经济维持做出贡献。其管理采用半集约制度，结合放鱼、补充投饵和施肥，而大部分产量依赖池塘自然生产力。除生产目的外，匈牙利相当比例的池塘景观与Natura 2000保护地重叠，凸显其对生物多样性保护的重要性。但近几十年来，这些鱼塘系统面临诸多挑战，包括集约化压力、废弃风险、运营成本上升、劳动力短缺、热应激以及干旱导致的水资源短缺。

根据ES框架，池塘景观贡献于多种调节和维护服务，如营养物截留、碳储存和生物多样性生境供给。然而，在管理鱼塘中，这些服务的供给受池塘管理措施的强烈影响。这些鱼塘系统常嵌入集约管理的农业景观中，成为简化景观中重要的半自然湿地特征。从景观生态学角度看，它们通过集体结构而非单个池塘在区域尺度上贡献于生物多样性维持。关键因素包括水生栖息地的数量与配置，以及滨岸栖息地的范围与复杂性，包括水生大型植物提供的植被庇护所。池塘间岸线复杂性的差异与生境异质性相关，而池塘的间距和配置可影响水生生物种群的运动和维持。管理鱼塘系统虽不及原始湿地，但仍可在迁徙和繁殖期间为水鸟提供踏脚石栖息生境。

通过维持半自然景观要素，池塘景观还支持文化ES，特别是与自然游憩和感知自然度相关的服务。这部分是因为游憩热点与"更高自然环境"相关的景观属性以及游憩设施和基础设施的存在有关。景观美学价值作为文化ES，与景观多样性和半自然特征（如开阔水面和多样植被）的存在密切相关。然而，文化ES尤其难以评估，因为它们植根于人类经验与感知，而非可直接测量或量化的生物物理过程；其量化常需要资源密集的混合方法，使池塘景观相关的文化ES成为系统性研究最少的领域之一。

针对这些挑战，替代指标可为快速、空间明确的池塘景观ES筛查提供有效途径。替代指标此前已用于估计文化和较抽象的ES，如美学和游憩价值，通过关注影响人类感知的可测量景观特征来实现。替代方法也用于测量生物多样性和生境维持ES，因为在多地点直接测量生境结构、连通性或物种结果在后勤和财务上往往不切实际。景观指标量化空间结构（如斑块组成、配置和异质性），从而提供可重复的指标，可链接到与生境可用性、边缘环境和生物多样性维持相关的连通性过程。类似技术可应用于池塘景观。岸线发育和水体形状复杂度的地理信息系统（GIS）描述符为滨岸生境范围和结构异质性提供了可及性替代指标。额外的生境相关替代指标可从遥感获取；例如，归一化植被指数（NDVI）及相关指数可用于代表河岸植被密度。尽管这些方法已用于湖泊和沿海区域研究，但其在池塘景观中的应用仍有待探索。

文献综述形成两个关键研究空白：第一，人工鱼塘系统在ES评估中代表性不足，尽管有证据表明其具有提供多种ES的潜力；第二，ES的复杂性质以及在多地点直接测量生物多样性生境维持的后勤挑战使这些服务特别难以评估。为填补这些空白，本研究旨在：（i）开发并展示一个替代指标框架，以表征池塘景观提供的生境维持、游憩和美学ES；（ii）将该框架应用于匈牙利池塘景观以量化ES供给；（iii）检验ES供给的地理和类型学变异，并识别驱动这种变异的关键指标（结构、可达性和美学相关）。

研究遵循结构化、多阶段工作流程，结合概念指标框架与空间分析、协调及跨池塘景观的比较评估。研究受共同国际生态系统服务分类（CICES）框架指导，首先识别适用于池塘景观的连贯ES指标集，确保其透明性和可转移性。随后收集每个池塘景观的特定数据以计算不同的池塘和景观尺度ES指标，这些指标随后被协调和标准化以创建可比较的值。

为将方法框架置于真实景观情境中，研究选择了匈牙利四个NUTS-2区域（中多瑙河外CT、南多瑙河外ST、北大平原NGP和南大平原SGP）的25个鱼塘综合体系作为案例研究。这些区域在景观组成、池塘结构、运营和社会经济结构方面差异显著，为测试ES指标框架的可转移性和稳健性提供了合适基础。选择标准确保了池塘景观的组成和配置异质性，包括典型的堰坝（BD）和圆坝（RD）鱼塘系统。

匈牙利池塘景观由两种主要鱼塘类型主导。圆坝池塘（RD）通常位于大平原低洼地区，通过工程化闸门系统和渠化供水网络维持调节水位。堰坝池塘（BD）在多瑙河外丘陵地区更为普遍，主要依赖自然径流和降水，运营着相对简单的水利基础设施。这些对比鲜明的池塘类型反映了区域间海拔和地貌的显著差异。大平原以平坦地形和广阔、空间连续的鱼塘系统为特征，而多瑙河外地区则是嵌入异质性起伏景观中的较小、更分散的池塘。

这些区域的社会经济条件差异显著。北大平原和南大平原是人口稀少的农村地区，而中多瑙河外地区人口密度较高、经济表现更强、更接近城市中心。多瑙河外地区的旅游发展也更为先进，主要得益于其可达性和靠近巴拉顿湖等主要旅游目的地。

为评估池塘景观提供的ES，研究人员首先使用CICES框架对生境维持和文化ES进行分组。通过在鱼塘、天然湿地和浅淡水湖泊文献中广泛检索识别合适的ES指标。虽然鱼塘是管理的，但它们与天然湿地、浅湖和池塘有许多结构相似性（如岸植被）和功能相似性（如缓流水、初级生产力和营养敏感性）。指标选择还以其对鱼塘管理者和地方决策者的易解释性以及其重用和升级潜力为指导。

用于生物多样性生境维持的指标包括：平均斑块分形维数（FD），基于CORINE土地覆盖2018（CLC2018）数据集衍生的每个池塘多边形周长和面积计算，值越接近1表示形状越简单，大于等于2表示更不规则；边缘密度（ED），计算为每个池塘多边形斑块的总边缘长度（米）与总面积（公顷）之比；岸线密度（SD），计算为开阔水面多边形岸线长度（米）与其水面面积（公顷）之比，使用高分辨率池塘边界数据在ArcGIS Pro中勾绘；植被覆盖度（VC），基于香蒲（Typha latifolia）和芦苇（Phragmites australis）覆盖面积，使用基于NDVI光谱指数的工作流程制图；面积加权平均最近邻距离（MNN），量化每个池塘景观内土地覆盖斑块的隔离程度，较低值表示较大斑块更紧密分布（更大空间连通性）；景观形状指数（LSI），描述每个池塘景观内土地覆盖斑块的规则或不规则程度，较高值表示更不规则和碎片化的斑块排列。MNN和LSI的计算使用1.5公里宽缓冲区围绕池塘群提取的土地覆盖数据。

游憩潜力的评估不仅考虑景观特征，还考虑周边地区的旅游相关特征和可达性因素。研究人员编制了旅游相关要素清单，包括支持旅游活动的公共基础设施、住宿、自然特征和交通设施。对每个池塘景观，围绕池塘边界勾绘5公里宽缓冲区，从协作制图平台OpenStreetMap（OSM）的元数据中提取所有相关兴趣点（POI）。使用SQL查询筛选特定OSM特征代码，通过核密度工具导出每个缓冲区内POI总数。可达性通过道路密度指数（RDI）量化，从匈牙利OSM路网数据中提取5公里缓冲区内道路，计算为缓冲区内所有道路段总长度（公里）除以缓冲总面积（平方公里）。还通过Natura 2000网络和共同指定区域数据库（CDDA）标记保护区（PA），使用1.5公里缓冲区代表合理的步行可达范围。

美学价值的评估使用1.5公里缓冲区内的土地覆盖多样性、结构复杂性和感知自然度（以高级生态位指数表示）指标。土地覆盖多样性通过香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）测量，但因前期 screening 发现两者存在强多重共线性，最终仅保留SHDI。结构多样性使用斑块丰富度密度（PRD）和周长-面积分形维数（PAFRAC）评估。人类影响程度使用高级生态位指数（HI）表示，采用Csorba和Szabó（2009）针对匈牙利土地覆被类型提出的高级生态位评分。

为比较不同池塘景观的ES，研究人员计算了统一的ES指标值。对某些与ES潜力呈反向关系的景观结构指标（MNN、HI、LSI），使用简单变换（1/值）进行反向处理，以确保高指标值代表更高ES强度的一致性解释。由于各ES类别的底层指标测量单位不同，每个指标值使用min-max标准化重新缩放到0-1范围。然后计算每个ES类别的非加权总分，产生0（最低）到1（最高）服务供给的ES特定指数。为生成景观尺度整体ES供给的聚合表示，将类别水平指数求和以产生适用于跨站点比较的复合指标。

使用非参数Kruskal-Wallis检验比较四个研究区域（NGP、SGP、CT、ST）的ES替代指标差异；使用双样本t检验评估两种主要池塘类型（RD和BD）之间的差异。

结果表明，基于ES指标框架，生境维持、游憩潜力和美学价值的空间指标计算结果在25个池塘景观中表现一致。SHDI和SHEI因方差膨胀因子（VIF）揭示的强多重共线性，为避免冗余仅保留SHDI。

池塘类型比较显示，堰坝池塘（BD）在结构复杂性方面优于圆坝池塘（RD）：FD为0.72对0.50；ED为0.64对0.41；SD为0.69对0.34，这些特征确实支持更好的生物多样性生境。另一方面，RD池塘的LSI和MNN值更高，表明这些池塘景观表现出更均匀的形状斑块和更大的同类型土地覆盖斑块间距。文化ES指标如POI在多瑙河外地区的堰坝池塘景观中更为普遍。虽然RD池塘显示略高的SHDI，但也与更高的高级生态位指数（HI）相关，反映更显著的人为影响。道路密度指数（RDI）随HI增加而增加，表明自然度较低的地点在两类池塘中都表现出更密集的道路网络。

区域分析显示，南大平原（SGP）的RDI高于中多瑙河外（CT）和南多瑙河外（ST）。大多数池塘景观处于中高级生态位范围（HI 2.7-3.8），但北大平原和南大平原的几个站点显示较低值（HI 2.0-2.5），表明更高比例的半自然状态（如天然草地和牧场）。

绝对值比较显示，BD池塘的栖息地指标分布更广。BD池塘的SD中位数约为150米/公顷，显著高于RD池塘的95米/公顷，反映其沿自然地形的细长、不规则形状。BD池塘的ED也明显更高（中位数=33米/公顷），而RD池塘为27米/公顷，这源于多瑙河外地区更多样化的镶嵌状景观背景。

讨论部分指出，该研究采用多阶段工作流程，结合概念指标框架与空间分析，绘制池塘景观的生境维持、游憩和文化ES潜力。类似指标框架在评估土地利用和覆被驱动的ES趋势、诊断ES供给需求不匹配以及表征多样化景观ES模式方面已证明有效。该研究证实ES模式的变化与自然度和可达性描述的景观结构属性相关。

两种池塘类型的比较显示，多瑙河外地区的堰坝池塘表现出更高的生境维持指标值，包括FD、ED、SD和周边VC，反映由自然水道筑坝形成的细长形态。这些不规则周边创造了多样的滨岸栖息地和镶嵌土地覆盖界面，被广泛认为可增强静水系统的生境异质性、生态连通性和生物多样性。相比之下，平坦农业景观中的圆坝池塘显示较低的生境维持指标值，其规则、紧凑的形状简化了水-陆边界，限制了生境异质性。

文化ES方面，游憩ES指标如POI也更频繁出现在多瑙河外地区的堰坝池塘景观中，反映出异质景观通常提供更大游憩和美学价值的发现。通过RDI评估的可达性在大平原的圆坝池塘中明显更高，但道路密度与生境维持指标（LSI、MNN）和美学结构指标（SHDI、PAFRAC）存在明显权衡。这种关系表明道路网络可分割栖息地和改变水文，基础设施扩张通常会简化自然边界，降低分形岸线复杂性和PAFRAC。但需注意，在匈牙利大平原背景下，较高RDI不一定对应较高区域发展水平，而是反映生产性景观特有的细密农村道路网络特征，而非城市基础设施密度。

美学感知的主观性意味着土地覆盖多样性和高级生态位指标作为生物物理替代指标只能近似但无法完全捕捉人类视觉偏好。大多数匈牙利池塘景观处于低-中高级生态位水平，反映相对自然状态。适度人类影响常可改善可达性并支持游憩利用，但过度基础设施和景观改造会退化生态质量、分割栖息地并降低生物多样性。

在匈牙利鱼塘系统的政策讨论中，研究人员的方法可支持管理者平衡高效水位管理、池塘面积扩展和放养密度增加与维持生境复杂性及其他ES需求之间的关系。结合扩展的ES束分析，该方法可帮助识别鱼塘管理行动可能产生协同效益和权衡的区域，为管理者和政策制定者之间的知情讨论提供技术支持，并为激励管理者维持高岸线复杂性和景观多样性的管理实践提供坚实技术基础。

空间ES评估可为国家政策框架和欧盟层面促进生态连通性和多功能景观的现有政策框架提供循证建议。在2030年生物多样性战略下，该方法可帮助识别恢复半自然栖息网络和水体连通性的优先区域。在共同农业政策（CAP）2023-27框架内，ES绘图可支持水体周边缓冲带、树篱和栖息镶嵌的精准布局。水框架指令和自然恢复法规等监管框架也可从此类空间评估中受益。

方法上，该框架的主要限制包括对CLC土地覆盖数据的依赖，存在尺度相关不匹配问题；假设统一 temporal 条件，可能忽视季节性水位波动和管理周期对栖息动态和ES供给的关键影响；高级生态位指数作为美学价值指标需审慎解释，因为它严格作为自然度指标而非视觉美感的直接替代指标；游憩指标假设池塘景观的可达性均等，未完全涵盖潜在用户的社会经济异质性。

结论部分指出，该研究填补了池塘景观ES评估的关键空白：（i）开发并实施了专门针对运营池塘景观的空间替代指标框架，整合景观指标（结构、形状、边缘、连通性）、河岸植被、可达性、感知自然度替代指标和美学指标，评估生境维持、游憩和美学服务；（ii）通过在匈牙利25个池塘景观计算ES指数，证明了框架、选定空间指标和计算方法的可行性，推断ES供给变化主要由岸线、边缘和形状指标驱动，辅以可达性和美学替代指标；（iii）该方法能够检验池塘景观的地理和类型学变异，主要发现突出堰坝池塘（主要位于多瑙河外地区）一致表现出更高结构复杂性和生境维持潜力，而圆坝池塘景观显示更简单几何形状和更强人为影响；大平原地区的游憩相关指标和道路可达性更高，但道路密度需结合情境解释，因其可能反映农业基础设施而非游憩可达性。

该工作流程透明、可重复且数据效率高，可在密集野外调查不可行的情况下进行快速ES评估。提出的ES指标可清楚区分池塘景观类型和区域，沟通权衡关系，使管理者能够优先保护ES丰富的地点并修复ES贫乏的地点。这种基于空间指标的ES评估为农业环境方案设计提供实践洞察，促进可持续池塘景观的自适应规划和政策发展。