内蒙古生态系统功能与服务的时空异质性及其解释因素

《Forests》：Spatiotemporal Heterogeneity and Explanatory Factors of Ecosystem Functions and Services in Inner Mongolia

　　

干旱和半干旱生态系统正受到气候变率和人为干预的改造，但单个生态系统指标的增加并不一定转化为生态系统多功能性的协调增益。内蒙古是研究这一问题的代表性区域，因为它跨越了从湿润森林山区到干旱草地、沙漠和高原系统的显著转变，并作为中国北方重要的生态安全屏障。利用多源遥感、气象、生态观测、土地利用和社会经济数据，研究人员评估了2001–2020年间净初级生产力、土壤保持、水源涵养、生境质量以及一个综合生态效益指数的变化。研究人员发现，生态系统服务能力并未遵循统一的恢复轨迹。高值持续集中在东北部森林山区，而西部干旱地区仍然是主要的低值区。时间变化在不同指标间也存在差异：土壤保持增加最为明显，水源涵养在年际间波动剧烈，NPP在不同生态区之间变化不均匀，生境质量在区域尺度上变化很小。综合指数进一步揭示了单一指标无法完全捕捉的对比：黄土高原–黄土丘陵亚区和阴山山脉的综合生态效益增益最强，而大兴安岭尽管基线值最高，却出现了下降。空间解释因子分析表明，植被水分消耗和降水对NPP、水源涵养、生境质量和CEBI表现出较高的条件性空间解释力，而土壤保持与因子间的非线性增强关系更为密切；这些q统计量代表空间关联而非独立因果效应。这些发现支持区域特定的管理策略：维持东北部高价值森林的稳定性，根据西部干旱地区的水资源可利用性匹配恢复密度，并利用多种服务而非仅植被绿度来评估放牧和侵蚀控制措施。

**论文解读：内蒙古生态系统功能与服务的时空异质性及其解释因素**

**研究背景与问题**
生态系统服务是连接生态过程与人类福祉的重要框架，尤其在干旱和半干旱过渡区，生态系统功能与服务对水文气候变率、植被变化和人为干扰极为敏感。然而，现有研究存在几个关键问题：第一，多指标评估虽日益普遍，但指标常被单独报告，难以区分均衡的多功能改善与单一服务主导的增益；综合指数虽能提供一致总结，但并非替代组分指标，且其解释依赖于指标选择、归一化和权重设定。第二，在生态脆弱区，长期生态系统响应难以表征，气候变率、植被恢复和人类活动可能累积并产生空间异质性结果。第三，在水文气候梯度强烈的区域，空间解释力和交互增强可揭示关联，但无法确立因果机制，尤其当解释变量也用于构建响应指标时。内蒙古作为中国北方重要生态安全屏障，具有显著的环境梯度：从大兴安岭湿润半湿润森林山区到西部干旱半干旱草地、沙漠和高原生态系统，年均降水从东北部500mm以上降至西部不足100mm。同时，大规模生态恢复工程（如三北防护林、天然林保护、退耕还林）重塑了区域生态条件。因此，有必要开展长期、多指标、跨区域的综合评估，以揭示生态系统功能与服务的时空异质性及其驱动因素。

**研究内容与结论**
本研究构建了2001–2020年内蒙古的集成评估框架，联合解释了四个长期空间显式指标（净初级生产力NPP、土壤保持、水源涵养、生境质量）在九个生态区中的变化，并构建了综合生态效益指数（CEBI）。主要发现：生态系统服务能力未呈现统一恢复轨迹；高值区集中在东北部森林山区，西部干旱区为低值区；时间变化异步：土壤保持增加最明显，水源涵养年际波动大，NPP在不同生态区变化不均，生境质量变化缓慢。CEBI分离了基线能力与时间变化：大兴安岭均值最高但下降，黄土高原–黄土丘陵亚区和阴山山脉增益最强。空间解释因子分析表明，植被水分消耗和降水对NPP、水源涵养、生境质量和CEBI具有高条件性空间解释力，而土壤保持与因子间非线性增强关系更密切。研究意义在于为区域特异性管理提供依据：维持东北部高价值生态系统稳定性，根据西部水资源匹配植被恢复密度，综合评估多种服务而非仅植被绿度。论文发表在《Forests》期刊。

**主要技术方法**
研究采用多源数据（遥感产品、气象观测、土地利用、社会经济数据），基于CASA模型估计NPP（通过CART校正短波辐射），基于RUSLE框架（InVEST模块）评估土壤保持，基于改进InVEST水产量模型评估水源涵养（考虑植被和土壤调节），基于InVEST生境质量模块评估生境质量（考虑威胁源距离衰减）。采用Sen’s斜率与Mann–Kendall检验分析时空趋势，通过因子分析构建CEBI（四指标归一化后线性组合），利用地理探测器（Geographical Detector）量化候选解释变量（植被水分消耗、降水、温度、海拔、人口密度、GDP等）的条件性空间解释力及交互增强效应。

**研究结果**

**3.1 单个生态系统功能与服务的时空格局**
- **NPP**：2001–2020年呈东北–西南梯度，高值区在大兴安岭、燕山和西辽河平原，低值区在西部干旱区。区域均值242.69 g C m^?2 yr^?1，大兴安岭最高（476.36），西部高原最低（43.37）。年际波动大，线性趋势不显著（斜率0.61，p>0.05）。
- **土壤保持**：高值区集中在山区（大兴安岭、燕山、阴山），低值区在平原、沙漠和西部干旱区。区域年均7.65×10⁸ t yr^?1，显著增加趋势（斜率0.15×10⁸ t yr^?1，p<0.05）。
- **水源涵养**：高值区在东北和东南部（大兴安岭、西辽河平原、燕山），低值区在西部（多数像元<20 mm yr^?1）。区域年均442.36×10⁸ m³ yr^?1，年际波动大（2013年峰值），趋势不显著（p>0.05）。
- **生境质量**：强烈东–西对比，区域均值0.6966，高值区（>0.8）在大兴安岭和东部高原，低值区（<0.4–0.6）在西部干旱区和土地利用密集区；随时间稳定增加（斜率0.000192，p<0.001）。

**3.2 综合生态效益指数（CEBI）**
- 空间分布：CEBI均值0.3958，高值集中在东北部（大兴安岭最高0.5354），低值在西部（西部高原最低0.1515）。
- 时间趋势：增加区主要分布在阴山、黄土高原亚区等，减少区在西部和中部过渡带。生态区尺度上，黄土高原亚区相对变化率+8.52%，阴山+6.86%；大兴安岭下降3.53%，黄河上中游沙漠区下降8.38%。CEBI分离了基线能力与时间变化：高基线区未必持续改善。

**3.3 空间解释因子与交互效应**
- 因子探测器：植被水分消耗和降水对NPP、CEBI、水源涵养、生境质量具有高q值（如NPP：植被水分消耗0.6991，降水0.6286；水源涵养：降水0.8180）。社会经济变量（GDP、人口密度）q值很低。土壤保持单因子q值均低（最高0.0493）。
- 交互探测器：所有配对因子均增强解释力（无非线性减弱或独立交互）。NPP、水源涵养、CEBI各有26个双因子增强和10个非线性增强；土壤保持有16个双因子增强和20个非线性增强，表明其空间异质性更依赖因子组合。

**讨论与结论**
**讨论**：空间异质性主要由水热梯度驱动，但土壤保持受地形、降雨侵蚀力等多因子复合影响。CEBI显示高基线区（大兴安岭）下降，而中等基线区（黄土高原、阴山）上升，表明综合效益变化并非由初始水平简单控制。地理探测器q值反映条件性空间关联，而非因果机制；降水与水源涵养的结构性重叠需谨慎解读。管理启示：东北部森林应维持稳定性，减少局部干扰；西部干旱区应匹配水分条件控制恢复密度；评估需结合多种服务，避免单一指标导向。研究局限包括输入数据不确定性、参数选择、CEBI线性补偿结构、未考虑生物多样性、风蚀控制、文化服务等。

**结论**：本研究提供了2001–2020年内蒙古九个生态区四个模拟生态维度及其综合CEBI的对比。变化在空间上不均匀且异步：土壤保持增加最明显，水源涵养波动大，NPP趋势区域间变异，基于土地利用的生境质量变化缓慢。CEBI分离了基线能力与时间变化——大兴安岭均值最高但下降，黄土高原–黄土丘陵亚区和阴山上升最多。地理探测器q值识别了与水文气候和植被变量的条件性空间关联，而非因果效应；与模型输入的结构性重叠进一步限制了归因。管理应保护东北部高价值生态系统稳定性，根据西部干旱区水资源匹配植被恢复和放牧压力，并综合评估侵蚀控制与水文、生境结果。CEBI是研究特异性线性总结，必须结合组分指标、遗漏服务、模型不确定性和离散化敏感性来解释。