跨边界：揭示生态系统服务权衡（Ecosystem Service Trade-Offs）差异化演变与分歧驱动因素的新视角

《Land》：Crossing the Boundary: A New Perspective Unmasking the Differential Evolution and Divergent Drivers of Ecosystem Service Trade-Offs

　　

自然保护区（NRs）维持着生物多样性和多种生态系统服务（ESs），然而评估通常止步于行政边界，很少考察服务关系及其相关因素如何随周围景观梯度变化。研究人员评估了中国江西省54个自然保护区（NRs）的碳储存（CS）、生境质量（HQ）、土壤保持（SR）和水源涵养（WY），并嵌套了2000年、2010年和2020年的5公里和10公里周边区域。采用InVEST模型、综合生态系统服务指数（CESI）、相关性分析、均方根误差（RMSE）和地理探测器（GeoDetector）来表征服务动态、权衡/协同关系及空间关联。CS和HQ略有增加，而SR和WY在2010年前上升，随后下降。平均CESI从自然保护区内部（0.53）向5公里区域（0.50）和10公里区域（0.49）递减，尽管2020年自然保护区外部的WY较高。CS–HQ和SR–WY主要表现为协同关系，而HQ–SR表现出最强的权衡关系。主导关联因素及其相互作用在不同服务和空间区域间存在差异。这些发现揭示了生态系统服务模式中依赖背景的跨边界分异，为自然保护区及其周边景观的协调管理以及基于特定服务的保护优先序提供了支持。

**研究背景与动机**
自然保护区（NRs）是维持生物多样性和生态系统服务（ESs）的关键空间载体，在减缓气候变化、提升生态系统功能方面不可或缺。然而，传统评估通常局限于行政边界，忽略了服务关系及其驱动因素在保护区周边景观梯度上的变化。现有研究虽已开始比较保护区内外部的生态系统服务，但极少将空间梯度、多重服务关系及其背景依赖性纳入统一分析框架。例如，大规模评估常以单一对比区域代表周边景观，难以揭示服务模式随距离变化的规律；而跨边界研究中，对栖息地损失、植被条件等单一要素的关注远多于对多服务关系结构的分析。因此，不仅需要了解服务值是否跨越边界变化，更需探究不同服务间的关系如何在保护区内部与周边景观中展现差异，以及与之相关的环境与人为因素是否因空间背景而异。江西省拥有54个自然保护区，涵盖国家级与省级、森林、野生动物、野生植物及内陆湿地等多种类型，且嵌入显著的气候、地形、生态和人为压力梯度，为开展此类评估提供了理想区域。
**研究内容与结论**
研究人员评估了2000、2010和2020年江西省54个自然保护区及其5公里、10公里周边区域的碳储存（CS）、生境质量（HQ）、土壤保持（SR）和水源涵养（WY）四项关键生态系统服务，并构建了综合生态系统服务指数（CESI）。主要结论包括：CS和HQ在二十年间小幅增加（7.35%和0.91%），而SR和WY在2010年前大幅上升（72.06%和45.92%）后于2020年分别下降15.26%和13.23%；CESI从保护区内部（0.53）向5公里（0.50）和10公里区域（0.49）递减；CS–HQ与SR–WY主要表现为协同关系，而HQ–SR呈现最强的权衡关系；主导关联因素及其交互作用随服务和空间区域变化，且保护区内部与周边区域间的驱动因子解释力并非一致增强。这些发现揭示了跨边界生态系统服务模式的背景依赖性，支持对自然保护区及其周边景观进行协调管理，并制定服务特定的保护优先序。论文发表在《Land》。
**关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：（1）InVEST模型评估四项服务——碳储存、生境质量、土壤保持和水源涵养；（2）构建综合生态系统服务指数（CESI），通过min-max归一化后等权重（0.25）聚合四项服务；（3）皮尔逊相关分析及均方根误差（RMSE）量化服务间的权衡/协同关系及强度；（4）地理探测器（GeoDetector）识别驱动因素的单因子及交互作用解释力（q值）。研究中未涉及试剂、培养或质粒构建；样本数据来源于江西省54个自然保护区（2017年国家目录），包括16个国家级和38个省级保护区，涵盖森林、野生动物、野生植物和内陆湿地四种类型。
**研究结果**
**3.1 自然保护区及周边区域生态系统服务的时空格局**
**3.1.1 单项服务指标**
自2000至2020年，CS总量从9.66亿吨增至10.37亿吨，净增7.35%；HQ均值从0.875升至0.883，净增0.91%；SR从955.18 t/ha增至2010年的1643.46 t/ha（+72.06%），后降至2020年的1392.59 t/ha（-15.26%）；年WY从940.98 mm升至2010年的1373.10 mm（+45.92%），后降至1191.40 mm（-13.23%）。CS、HQ和SR在保护区内部普遍高于周边区域，而2020年WY在周边区域更高。空间上，北部鄱阳湖区域保护区CS、HQ值较低，南部较高。
**3.1.2 综合生态系统服务指数（CESI）评估**
CESI从2000年的0.486升至峰值后略降至2020年的0.545；高效益区（CESI>0.6）占保护区面积45.18%，中效益区（0.45公里区域（0.50）>10公里区域（0.49）的梯度。5个低效益保护区均位于鄱阳湖区域（如鄱阳湖候鸟保护区0.38、南矶湿地0.34等）。
**3.2 生态系统服务时空权衡与协同的动态关系**
**3.2.1 权衡与协同的空间特征**
在鄱阳湖区域，CS–SR、HQ–SR和HQ–WY以权衡为主；在赣南，CS–SR和SR–WY以协同为主。91%的保护区SR–WY表现为协同，61%的HQ–CS为协同，52%的CS–SR为协同。弱协同区在HQ–CS关系中占优（39.61%），弱权衡区在HQ–SR（52.66%）和HQ–WY（50.53%）中占优。
**3.2.2 权衡强度的变化**
CS–HQ（0.30）、CS–WY（0.48）、HQ–WY（0.40）为低权衡，HQ–SR（0.81）、CS–SR（0.53）、SR–WY（0.51）为高权衡。2000–2020年，CS–HQ、CS–WY、HQ–SR、HQ–WY权衡强度上升，CS–SR下降，SR–WY波动。空间上，CS–HQ高强度权衡集中在鄱阳湖区域，CS–SR低强度权衡也在此区域；CS–WY高强度权衡在鄱阳湖和赣南；HQ–SR强度随时间上升，保护区内部高于周边；SR–WY强度波动下降，保护区与周边差异小。
**3.3 多层次潜在驱动因子分析**
通过筛选各服务对应的外部驱动因子（避免与InVEST输入直接重复），使用三年均值作为响应变量、2020年环境变量作为解释背景。CS和HQ主要与地形和人为压力相关，SLOPE与CS（γ=0.433）和HQ（γ=0.366）正相关，POP和HFP负相关；SR关联较弱（最大|γ|=0.265）；WY与POP正相关（γ=0.433）。单因子地理探测器显示，CS中SOIL解释力最高（q=0.539），但从保护区内部向10公里区域下降至0.324；HQ的主导因子从SOIL转为DEM；SR中TMP解释力始终低（q=0.075–0.078）；WY中POP解释力从0.319降至0.205。交互作用分析显示，所有因子对均表现为双因子增强或非线性增强，CS中SLOPE∩SOIL解释力最高（q=0.564），向10公里区域降至0.427；HQ中主导交互从HFP∩SOIL转为HFP∩SLOPE；SR交互始终弱（q≤0.105）；WY主导交互从HFP∩POP转为NTL∩POP，且随距离减弱。
**讨论总结**
研究讨论了跨边界梯度与可比保护区研究的一致性：CESI向外递减的格局与全国匹配证据及全球保护成效研究一致，但因未控制地形、生态系统类型等先存差异，应解读为空间对比而非管理有效性证明。服务轨迹的异质性（CS和HQ小幅增加，SR和WY先升后降）与江西九连山森林保护区及热带国家公园研究结果类似，支持服务特定解释。鄱阳湖五个低CESI保护区的模式与遥感证据中该湖的强季节性水文变异一致，但未证明干旱或河流调控是直接原因。在权衡关系方面，SR–WY正相关可能源于降水、地形和植被覆盖的共同影响，与半干旱流域研究一致；HQ–SR和HQ–WY负相关可能反映森林、湿地、农田等土地覆盖类型的服务图谱差异，而非直接冲突。保护区内部更高的CS、HQ和SR与长期保护预期一致，但需考虑环境条件差异。
**研究结论翻译**
本研究比较了2000、2010和2020年江西省54个自然保护区及其嵌套的5公里和10公里周边区域的四项模拟生态系统服务。碳储存增加了7.35%，生境质量增加了0.91%。土壤保持在2010年前增加了72.06%，随后下降了15.26%，而年水源涵养增加了45.92%后下降了13.23%。综合生态系统服务指数（CESI）呈现规律：自然保护区内部（0.53）>5公里区域（0.50）>10公里区域（0.49）。从2000年至2020年，碳储存和生境质量略有增加，而土壤保持和水源涵养则先增后降。碳储存、生境质量和土壤保持在自然保护区内部普遍较高，且综合生态系统服务指数从保护区内部向周边区域递减。这些模式表明，自然保护区可能有助于维持多种生态系统服务，尽管也应考虑环境条件和土地利用历史的差异。生态系统服务之间的关系在不同空间区域间存在差异。碳储存与生境质量、土壤保持与水源涵养主要表现为协同关系，而生境质量与土壤保持之间的权衡最强。这些服务的关联因素在保护区内部和周边景观之间也存在差异。总体而言，研究结果强调了需要将自然保护区与其周边区域进行协同管理，并在制定保护策略时考虑依赖背景的权衡与协同关系。