评估陆生脊椎动物作为多功能景观中生态系统服务潜在生物多样性指标

《People and Nature》：Assessing terrestrial vertebrates as potential biodiversity indicators of ecosystem services in multifunctional landscapes

　　

结合生态系统服务与生物多样性保护对于评估自然对社会的益处至关重要。然而，研究空白导致在生态系统服务评估中应选择哪些生物多样性类群存在保护困境。为了对关于生物多样性在支持生态系统服务中作用的持续辩论做出贡献，研究人员评估了陆生脊椎动物作为生态系统服务生物多样性指标的表现，基于它们在不同景观中的空间一致性。以葡萄牙大陆为案例研究，研究人员使用综合估值生态系统服务与权衡（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs, InVEST）工具包及相关的基于土地覆盖的空间模型，模拟了八种生态系统服务的空间供给。通过一个可转移的空间框架，研究人员应用指标价值指数（Indicator Value Index）来绘制生物多样性与生态系统服务目标在多功能景观中共同出现的区域，这些景观中自然和半自然生态系统与长期人类土地利用共存。基于两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物的物种分布数据，研究人员确定爬行动物是与生态系统服务关联最强的脊椎动物类群。结果显示，爬行动物在空间上与所有八种评估的生态系统服务相关，并占总指标价值评分的约40%。相比之下，其他脊椎动物类群各与四种服务相关，而栖息地质量是唯一一个所有类群共有的生态系统服务。这些发现表明，陆生脊椎动物，尤其是爬行动物，可能作为多种生态系统服务供给模式的潜在生物多样性指标。在《2020年后全球生物多样性框架》（Post-2020 Global Biodiversity Framework）下，研究人员的发现引入了一种基于地理信息系统（GIS）的方法，以更好地理解生物多样性与生态系统服务之间的关系，包括它们在欧洲自然2000网络（Natura 2000 network）保护区的代表性。该研究还促进了葡萄牙国内基于景观衍生指标值集绘制多种生态系统服务供给的持续努力。

**论文解读：陆生脊椎动物作为多功能景观中生态系统服务潜在生物多样性指标的空间评估**

**研究背景与问题**

生物多样性在维持生态系统功能中起核心作用，为人类社会提供生态与社会效益。然而，在动态景观中，自然生态系统面临资源枯竭和物种下降的威胁。将生物多样性模式与人类压力整合是缓解这一问题的实践步骤。生物多样性指标被广泛用于推断生态研究中生物多样性目标的状态，但关键问题在于这些指标是否也能帮助识别不仅对生物多样性重要，而且对更广泛社会目标有价值的区域。生态系统服务（ecosystem services, ES）概念从人类中心视角出发，已成为将生物多样性目标纳入政策议程的实用路径。然而，空间生态系统服务评估未必能完全捕捉景观对人类重要性的全部方式。理解生物多样性与生态系统服务在空间上的重叠，有助于识别同时具有生态重要性和人类福祉相关性的景观，尤其是在多功能环境中。

目前，研究存在多个空白：哪些物种、群落或栖息地成分是与生态系统功能和服务相关的最重要生物多样性元素尚不清楚；在土地覆盖镶嵌体中，量化生态系统服务及其与生物多样性类群的空间关系尤其具有挑战性；尽管已有基于GIS的研究探索了生物多样性与生态系统服务属性之间的关系，但系统评估生物多样性指标能否在空间上反映多功能景观中的生态系统服务供给模式仍存在缺口。因此，开展这项研究，旨在以葡萄牙大陆为案例，评估生物多样性指标与生态系统服务供给模式的空间共现性，并为保护策略提供信息。

**研究内容与结论**

研究人员开展了以下研究：首先，利用InVEST工具包和基于土地覆盖的空间模型，模拟了葡萄牙大陆八种生态系统服务（气候调节、水净化、授粉、侵蚀预防、干旱调节、食物供给、栖息地质量和休闲）的空间供给。其次，基于两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物的物种分布数据，通过指标价值指数（Indicator Value Index, IVI）量化了每个脊椎动物类群与每种生态系统服务之间的空间关联。最后，评估了欧洲自然2000网络（Natura 2000 network）保护区对这些高价值区域的代表性。研究得出以下结论：爬行动物是与所有八种生态系统服务空间关联最强的脊椎动物类群，占总IVI评分的40.23%；两栖动物、鸟类和哺乳动物各与四种服务相关，栖息地质量是唯一一个所有类群共有的服务。此外，爬行动物和两栖动物在解释生态系统服务空间变异中具有显著贡献，而鸟类和哺乳动物则不显著。保护区对爬行动物和鸟类的分布以及侵蚀预防、栖息地质量和休闲服务具有显著代表性。该研究提供了一种基于GIS的可转移框架，用以识别生物多样性与生态系统服务协同的区域，支持综合保护策略。论文发表在《People and Nature》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：（1）使用InVEST工具包（Carbon、Nutrient Delivery、Crop Pollination、Sediment Retention、Water Yield、Habitat Quality模型）和基于土地覆盖的空间模型，模拟八种生态系统服务供给，空间分辨率100米，基于CORINE土地覆盖数据（2018年，欧洲环境署）；（2）从全球生物多样性信息机构（GBIF）及欧洲、伊比利亚半岛和葡萄牙的物种分布图集（两栖动物和爬行动物：Sillero et al., 2014; Loureiro et al., 2021；鸟类：Hagemeyer et al., 2016; Godinho & Cardia, 2019；哺乳动物：Bencatel et al., 2017）收集物种出现数据，构建0.1°经纬度网格（1005个网格单元）的物种丰富度矩阵；（3）应用指标价值指数（Dufrêne & Legendre, 1997）和模拟退火算法（Possingham et al., 2000）评估每个脊椎动物类群与生态系统服务供给的空间关联显著性（1000次排列，p<0.05）；（4）运用置换多元方差分析（PERMANOVA，1000次排列）评估生物多样性指标对生态系统服务变异的解释能力；（5）通过零模型（1000次随机化）计算保护区（欧洲自然2000网络，ICNF提供）与生态系统服务及生物多样性指标空间分布的平均百分比重叠，并检验显著性。样本队列来源为葡萄牙大陆的陆生脊椎动物物种分布数据，时间范围为2014–2021年，以与2018年生态系统服务评估匹配。

**研究结果**

**3.1 生态系统服务与生物多样性指标的空间模式**

基于CORINE土地覆盖类别的空间建模显示，森林和半自然区域（44.06%）与农业区域（40.88%）是生态系统服务供给的主要贡献者，其次是湿地（28.09%）、水体（27.80%）和人工表面（15.74%）。气候调节、授粉、栖息地质量和休闲服务在全国分布较均匀；水净化和食物供给在南部和中部区域最高；侵蚀预防和干旱调节在内陆和中北部区域最高。鸟类物种丰富度最高（203种），其次为哺乳动物（62种）、爬行动物（28种）和两栖动物（19种）。鸟类平均每网格物种丰富度最高（76.9），两栖动物和爬行动物中等（8.1和8.8），哺乳动物最低（5.6）。两栖动物和哺乳动物分布较均匀，鸟类在内部、中部和南部较丰富，爬行动物在内陆和中北部丰富度最高。

**3.2 生物多样性指标的表现**

指标价值分析显示，所有脊椎动物类群与生态系统服务供给存在显著空间关联（p<0.05）。爬行动物与所有八种服务关联，占总IVI评分的40.23%；两栖动物、鸟类和哺乳动物各与四种服务关联，分别占19.46%、19.50%和20.82%。栖息地质量是唯一一个所有类群均关联的服务。置换多元方差分析表明，爬行动物（F=20.980, p<0.001）和两栖动物（F=18.998, p<0.001）对生态系统服务空间变异有显著解释，而鸟类和哺乳动物不显著。

**3.3 保护区的代表性**

平均百分比重叠估计显示，爬行动物和鸟类在自然2000保护区中显著高于随机期望（p<0.05），两栖动物和哺乳动物不显著。生态系统服务方面，侵蚀预防、栖息地质量和休闲服务在保护区中显著高，气候调节和食物供给显著低，水净化、授粉和干旱调节不显著。

**讨论与结论**

研究人员在讨论部分指出，基于GIS的框架为评估陆生脊椎动物作为生态系统服务生物多样性指标提供了实用工具，突出了生态与社会优先事项可能重合的空间重叠区域。栖息地质量是所有脊椎动物类群共有的服务，表明其广泛的生态相关性。两栖动物和爬行动物与气候调节、水净化和授粉服务的空间关联可能与其变温特性和对水资源的依赖有关，以及它们以昆虫为食，间接关联授粉服务。研究还指出，该框架可转移至其他欧洲国家，支持可持续资源管理。保护区对爬行动物和鸟类以及部分服务的显著代表性，表明自然2000网络在保护生物多样性和生态系统服务方面的有效性。但研究存在局限性，包括InVEST模型对土地覆盖地图的简化、CORINE粗空间分辨率（100米）可能忽略细节，以及单一生物多样性指标类群可能无法捕捉生态系统全貌。未来研究需整合更精细的功能多样性或物种特异性相互作用。

**研究结论部分翻译**

我们的研究强调，在多个尺度上理解生物多样性与生态系统服务之间的关系对于推进可持续发展目标至关重要。研究表明，从个体物种到整个生态系统的不同生物多样性水平，都能以有意义的方式影响生态系统服务供给。然而，需要空间指导来确定哪些土地区域在生物多样性保护与生态系统服务供给之间具有最大的协同潜力，从而支持国际土地利用政策和保护行动。我们的空间评估确定了模型化的生态系统服务供给与陆生生物多样性模式在景观中汇聚的区域，并展示了这些重叠如何支持将脊椎动物类群作为生态系统服务的潜在生物多样性指标。除了案例研究本身，该框架为识别生物多样性保护与生态系统服务管理可联合优先化的区域提供了实用基础，同时也有助于更宏观的生态学理解，即生物多样性与生态系统服务模式在空间上是如何组织的。其主要创新点在于将生物多样性模式、生态系统服务供给和保护区覆盖整合到一个单一的国家尺度空间框架中。