生态系统结构与功能对人类活动的阶段性响应:以青藏高原为例

《Journal of Environmental Management》:Stage-wise responses of ecosystem structure and function to human activities: A case study of the Qinghai–Tibet Plateau

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月23日 来源:Journal of Environmental Management 9.2

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   摘要 了解生态系统结构和功能如何响应不断增加的人类干扰对于脆弱地区的生态调节至关重要。然而,现有的研究往往分别考察生态系统的结构风险或功能供应,从而对这两个维度在统一干扰梯度上是否表现出协调或不同的阈值响应了解有限。为了提高这种理解,本研究开发了一个综合的“干扰-结构-功能”

  

摘要

了解生态系统结构和功能如何响应不断增加的人类干扰对于脆弱地区的生态调节至关重要。然而,现有的研究往往分别考察生态系统的结构风险或功能供应,从而对这两个维度在统一干扰梯度上是否表现出协调或不同的阈值响应了解有限。为了提高这种理解,本研究开发了一个综合的“干扰-结构-功能”框架,使用人类活动强度(HAI)作为共同的梯度,分析了2000年至2020年间青藏高原景观生态风险(LER)和总生态系统服务(TES)的并行响应。通过结合非参数检测和参数验证来确定响应阈值,并使用XGBoost–SHAP框架来研究主导驱动因素的阶段特异性变化。结果表明,2000年至2020年间HAI总体增加,LER显示出显著的空间聚集现象,而69.36%的研究区域中TES下降,30.64%的区域有所改善。LER和TES在HAI梯度上均表现出明显的非线性响应,在HAI范围0.15–0.25内存在重叠的过渡区间。在这个阈值范围内,LER下降而TES上升;进一步的HAI强化与风险快速积累和生态系统服务供应下降相关。这些发现表明,生态系统对人类干扰的响应并非简单的线性累积,而是在可识别的干扰阶段发生变化,从而为识别关键干预窗口和支持脆弱地区的阶段特定生态调节提供了定量基础。

引言

自从人类世开始以来,人类活动的加剧已成为全球陆地生态系统变化的主要驱动因素,逐渐增加了累积的环境压力,并引发了诸如生态空间压缩、土地利用结构失衡和生态系统服务(ES)退化等问题(Huang et al., 2025; Cloern et al., 2016)。人类活动可以通过改变土地利用类型和空间配置来深刻影响生态系统状况,从而重塑其结构稳定性和功能提供(Mumtaz et al., 2025)。例如,城市扩张和基础设施发展通常会加剧景观破碎化和栖息地退化,从而提高生态风险(Shi et al., 2026),而生态恢复和适当的土地管理可以优化空间结构并增强ES的持续提供(Qian et al., 2022)。在这种情况下,人类活动强度(HAI)作为区域生态系统人为干扰的综合指标,为研究人类-生态系统相互作用提供了有用的基础,特别是在生态脆弱地区(Liu et al., 2023)。
景观生态风险(LER)和ES分别从结构安全和功能供应的角度描述了生态系统状况(Cunha et al., 2025; Ma et al., 2019)。LER反映了生态系统空间结构对外部干扰的敏感性及其潜在的不平衡风险(Adili et al., 2024),而ES代表生态系统向人类社会提供商品和服务的能力和稳定性(Xu et al., 2024)。生态系统功能依赖于空间配置,而结构模式在很大程度上限制了功能提供的效率和稳定性,表明结构与功能之间存在紧密耦合和动态相互依赖的关系(Chen et al., 2026; Li et al., 2026)。因此,仅从单一维度评估生态系统变化可能导致理解不完整:仅关注结构风险可能会忽略功能可持续性,而仅关注ES的评估可能会低估潜在的结构不稳定性。综合考虑这些因素,表明需要一个综合的“干扰-结构-功能”框架来共同研究生态系统结构和功能如何响应不断增加的人类干扰。
现有研究表明,生态脆弱地区的人类干扰、生态风险和生态系统服务动态有大量证据(Yang et al., 2026; Jin et al., 2024; Li et al., 2024)。然而,这些维度通常被分开研究,从而对生态系统结构和功能是否在共同的干扰梯度上经历协调或不同的基于阈值的转变了解有限。这一差距尤为重要,因为生态系统对外部干扰的响应往往是非线性的而非累积的,并且在不同的干扰水平上可能表现出明显的阶段性和异质性特征(Ouyang et al., 2024; Qing et al., 2024)。生态阈值理论提供了一个重要的框架,通过检测干扰积累期间的关键状态并揭示生态系统响应模式在不同阶段的转变来识别这种非线性转变(Sasaki et al., 2015)。尽管如此,关于生态系统结构和功能是否在统一的HAI梯度上经历协调或不同的基于阈值的转变,系统的实证证据仍然有限。
在生态脆弱地区,生态系统通常具有有限的调节能力和对外部干扰的高敏感性,使得阶段差异和潜在的响应转折点更加明显(Wei et al., 2024)。因此,确定沿统一干扰梯度的生态系统响应的关键阈值区间可以改善对人类-环境系统非线性调节机制的理解,并为精细化的生态管理提供基础。作为具有代表性的高海拔脆弱地区,青藏高原(QTP)以其复杂的生态系统结构和缓慢的恢复过程为特征(Xia et al., 2021)。在气候变化和人类活动加剧的共同压力下,该地区的生态系统结构安全和服务提供面临巨大压力(Li et al., 2018),使其成为研究生态系统结构和功能对人类活动非线性响应的理想案例。
因此,本研究聚焦于QTP,并应用综合的“干扰-结构-功能”视角来研究生态系统结构风险和功能供应如何沿统一的HAI梯度响应人类活动。具体而言,HAI被视为共同的干扰梯度,而LER和总生态系统服务(TES)分别用于表征生态系统响应的结构风险和功能供应维度。通过在同一分析框架内考虑这两个维度,本研究探讨了它们对不断增加的人类干扰的响应是否是非线性的,是否可以识别出关键过渡区间,以及响应模式在不同干扰阶段如何变化。具体来说,本研究解决了以下问题:(1)2000年至2020年间HAI、LER和TES表现出什么样的时空模式?(2)LER和TES对HAI的响应是否表现出一致的非线性特征?(3)LER和TES的响应模式在不同HAI阶段有何差异?

章节摘录

研究区域

QTP是世界上最高和最大的高原之一,表现出明显的环境异质性(图1)。受高山气候条件和复杂地形的影响,该地区的生态系统对气候变化和外部干扰高度敏感,使其成为全球具有代表性的生态脆弱和气候敏感区域。尽管环境恶劣,但该高原在区域和全球尺度上提供了重要的生态功能。

人类活动强度的时空模式

图3显示了2000年至2020年间QTP上HAI的空间分布和时间变化。总体而言,HAI表现出显著的空间异质性,相对较高的值主要集中在高原的东南部,而相对较低的值主要分布在西北部,表明东南部值较高,西北部值较低。较高的HAI值主要集中在西宁等主要城市中心周围。

框架原理和优势

HAI–LER–TES框架旨在将人类干扰、生态系统结构风险和功能供应整合到一个统一的分析视角中。在这个框架中,HAI提供了一个共同的梯度,用于表征累积的人为干扰,而LER和TES代表生态系统响应的两个互补维度。LER通过捕捉景观空间配置、破碎化和生态脆弱性来反映结构风险维度(Ma et al., 2019)。

结论

本研究旨在阐明QTP上生态系统结构和功能对不断增加的人类活动的非线性和阶段性响应。为此,开发了一个综合的“干扰-结构-功能”框架,其中HAI、LER和TES分别代表人类干扰、生态系统结构风险和功能供应。结果显示,2000年至2020年间HAI总体增加,而LER和TES在HAI梯度上表现出明显的非线性响应。

CRediT作者贡献声明

刘晓阳:概念化、方法论、资源、软件、监督、可视化、写作——原始草稿。黄印舟:概念化、正式分析、资金获取、项目管理、资源、监督、验证、写作——审稿和编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢期刊编辑和匿名审稿人的建设性评论,这些评论极大地提高了本工作的质量。
刘晓阳|黄印舟兰州大学地球与环境科学学院,中国兰州,730000
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