生态系统服务级联框架下河岸林的时空演变与生态路径：来自中国额尔齐斯河流域的综合分析

《Frontiers in Plant Science》：Spatiotemporal evolution and ecological pathways of riparian forests within the ecosystem service cascade framework: a comprehensive analysis from the Irtysh River Basin, China

　　

引言：额尔齐斯河流域（IRB）河谷地区的河岸林在调节区域水文和碳过程中发挥着重要作用，同时也是濒危物种的关键跨界栖息地。然而，这些森林日益受到农业耕作和牲畜放牧等人类活动的影响。方法：本研究分析了1990年至2020年期间IRB河谷地区河岸林的土地利用和覆盖变化及植被绿度的空间分布与时间趋势，并使用InVEST模型评估了四种关键生态系统服务（水源涵养（WR）、土壤保持（SC）、栖息地质量（HQ）和碳储存（CS））。此外，量化了土地利用和覆盖模式、植被绿度及其他社会生态因素对综合生态系统服务的影响。结果：结果表明：（1）过去30年间，森林覆盖面积大幅下降。在林地面积最大的额尔齐斯河干流沿岸，林地面积从352.71 km²减少到163.10 km²。林地主要转变为稀疏林地和草地；（2）高植被绿度等级呈现出沿河道两侧延伸的清晰空间格局。多年平均最大归一化植被指数（NDVI_ymax）相对较高，为0.50，且呈增加趋势；（3）除土壤保持外，其他三种生态系统服务表现出强烈的空间异质性。1990年至2020年间，水源涵养和栖息地质量保持相对稳定，而土壤保持和碳储存均有所下降；（4）土地利用强度和植被绿度对综合生态系统服务分别产生显著的负向和正向影响，路径系数分别为?0.38和0.27。讨论：研究结果清晰地揭示了IRB河谷地区河岸林的长期动态和生态功能，从而为其未来的保护和恢复提供了重要见解。

**研究背景与问题**
河岸林是干旱与半干旱地区重要的非地带性植被，尽管仅占据陆地与水生环境的狭窄过渡带，却是全球生物生产力最高的生态系统之一。额尔齐斯河流域（IRB）位于中国西北阿尔泰地区，其河岸林不仅调节区域水文与碳过程，还为濒危物种提供关键跨界栖息地和迁徙廊道，并支撑草料资源、环境教育与生态旅游等多种生态系统服务（ES）。然而，自20世纪50年代以来，以生产要素投入为主的发展模式导致森林老化、过度放牧导致的草地退化以及农业扩张引起的景观破碎化，这些人为压力在干旱区尤为突出。以往研究虽对IRB生态保护有所贡献，但大多描述关联模式而非揭示环境变化影响生态功能的路径，且缺乏将景观转型、植被动态与ES供给纳入统一框架的分析，尤其针对河岸林的专门研究不足。因此，本研究在生态系统服务级联框架下整合景观转型分析、植被功能评估、ES评价与生态路径分析，旨在揭示河岸林历史动态、量化ES空间异质性，并评估土地利用强度和植被绿度对ES提升的驱动作用，为干旱区河岸林可持续管理提供科学依据。论文发表在《Frontiers in Plant Science》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：（1）土地利用转移矩阵，分析1990–2020年土地利用与覆盖（LUCC）变化；（2）一元线性回归，分析植被绿度（NDVI_ymax）的时间趋势；（3）InVEST模型，量化水源涵养、土壤保持、栖息地质量和碳储存四种ES；（4）观测变量路径分析，量化土地利用强度、植被绿度及社会-生态因素（GDP、DEM、降水、潜在蒸散发）对综合ES的直接与间接影响。研究区域为IRB河谷地区的河岸林，样本来源包括公开数据集（如资源环境科学数据平台、国家生态系统科学数据中心等）及阿尔泰地区多年实地调查。

**研究结果**
**3.1 长期土地利用与覆盖格局的时空分异特征**
通过土地利用转移矩阵分析，发现1990–2020年间草地、耕地和林地是主要类型。草地面积从48.30%增至61.90%，耕地从6.56%增至12.74%，而林地、灌木地和未利用地显著减少（林地从13.99%降至6.40%）。林地主要转变为稀疏林地和草地，仅27.76%的林地保持原状。在五大林区中，额尔齐斯河干流林地面积最大（2020年为79.36 km²），但减少也最显著（从352.71 km²降至163.10 km²）。空间上，林地扩张与损失并存，反映流域尺度人类影响的空间不均衡性。

**3.2 植被结构动态的时空分异特征**
利用NDVI_ymax数据，研究人员将植被绿度分为五级。多年平均NDVI_ymax为0.50，极高绿度占比45.09%，呈沿河道两侧线性分布。2000–2022年间，所有林区NDVI_ymax均呈显著增加趋势（R2=0.5682，P<0.001），最低值出现在2009年（0.31，别列泽克河），最高值出现在2018年（0.67，哈巴河）。尽管林地面积减少，但植被绿度总体提升，表明植被结构与功能存在脱耦。

**3.3 生态系统服务的时空分异特征**
通过InVEST模型量化四种ES，发现水源涵养、栖息地质量和碳储存空间异质性显著，而土壤保持较弱。高值区集中分布于别列泽克河、哈巴河及克兰河上中游。1990–2020年间，水源涵养和栖息地质量相对稳定（2020年平均单位面积分别为4.56 mm和0.72），土壤保持先增后减（2005年峰值217.24×103 t），碳储存持续下降（从9515.76×10? t降至9143.60×10? t）。结果表明ES对人为干扰具有分期响应与高敏感性。

**3.4 生态系统服务的生态路径及影响因素**
路径分析（图8）显示，土地利用强度（LUCC）对综合ES具有显著负向直接效应（路径系数-0.38），植被绿度（NDVI）具有显著正向直接效应（路径系数0.27）。DEM和降水（PRE）也呈显著正向影响（分别为0.13和0.21）。GDP和潜在蒸散发（PET）无显著直接效应。GDP显著促进LUCC，LUCC正向影响NDVI；DEM与PRE、PET负相关；PRE和PET显著负向影响NDVI。综合ES反映了土地利用转型与植被状况的累积生态后果。

**讨论与结论**
讨论部分总结了四点：（1）干流河岸林对森林面积变化更敏感，扩张与损失并存，受自然过程与人类活动共同驱动；（2）干旱区森林面积减少不必然导致植被绿度下降，NDVI可能因补偿性植被动态而高估恢复；（3）ES受土地利用强度（负向）和植被绿度（正向）联合驱动，支持生态系统服务级联假说；（4）提出分层治理策略，遵循“格局稳定-功能增强-服务协同”路径，强调优先保护核心林地、保障生态洪水、避免多目标冲突。

研究结论：利用土地利用转移矩阵、一元线性回归、InVEST模型和路径分析，本研究阐明了1990–2020年额尔齐斯河流域河谷地区河岸林的水源涵养、土壤保持、栖息地质量和碳储存的时空格局，并理清了综合生态系统服务与土地利用强度、植被绿度及其他驱动因素之间的复杂相互作用。主要结论如下：（1）30年的土地利用转型重塑了河岸林土地利用与覆盖结构，特征为草地扩张、耕地增加和森林减少，但草地仍占主导（61.9%）。2020年林地面积排序为：额尔齐斯河 > 克兰河 > 哈巴河 > 别列泽克河 > 布尔津河。额尔齐斯河干流林地面积最大（79.36 km2），对扩张和损失均最敏感。（2）尽管林地面积减少，植被绿度总体改善，表明植被结构与功能存在脱耦。所有林区长期NDVI_ymax保持较高（0.45–0.58），各林区绿度呈上升趋势，最低值（0.31）出现在2008年别列泽克河。极高和极低植被绿度的空间分布格局保持稳定，其他等级主要在第181团区域变化。（3）多种生态系统服务表现出异质性空间响应。除土壤保持外，其他三种服务空间异质性明显，高值区集中于别列泽克河、哈巴河及克兰河上中游。30年间，水源涵养和栖息地质量相对稳定，而土壤保持和碳储存下降。2020年碳储存（9143.60×10? t）仍处于较高水平。（4）将土地利用与覆盖转型、植被状况和生态系统服务供给纳入统一生态路径框架。生态系统服务受土地利用强度（负向效应）和植被绿度（正向效应）显著影响，路径系数分别为-0.38和0.27。地形和水热条件通过调节植被生长间接影响生态系统服务。通过追溯土地利用与覆盖变化及植被动态的历史轨迹，并量化综合生态系统服务的自然和人为驱动因素，本研究加深了对河岸林生态功能和价值的理解，为制定有效的河岸林保护与恢复策略提供了关键见解。