高自然价值(HNV)农业景观中选定生态系统服务的分布及权衡评估

《Journal for Nature Conservation》：Assessing the distribution and trade-offs of selected ecosystem services in high nature value (HNV) agricultural landscapes

　　

# 摘要

农业生态系统提供广泛的基本支撑人类福祉的生态系统服务。农业生态系统中的生态系统服务并非彼此独立，不同生态系统服务之间往往不可避免地存在权衡关系。不同生态系统服务的提供具有空间显性，反映了土地利用覆盖状况及其变化。因此，对生态系统服务进行制图可能为研究区域的生态系统服务分布及权衡关系提供有价值的信息。

本研究在景观尺度上对选定的调节服务（传粉、碳储存和栖息地质量）和供给服务（干草产量潜力）进行建模和制图，旨在评估其在案例研究区域（爱尔兰共和国的博伦地区）的分布及权衡关系。本研究还旨在探索最优可持续土地管理方式，并为生态系统服务建模与制图提供新见解。

研究发现，钙质草地和石灰岩荒原镶嵌组在调节服务方面表现最高，同时仍能提供一定量的供给服务。集约化农业草地通常调节服务价值较低，但由于干草产量较高，其供给服务更高，凸显了调节服务与供给服务之间的权衡关系。因此，适当的管理策略应首先针对这两类生境，以增强生态系统服务的提供并最大限度地减少其权衡。

本研究证明，所采用的生态系统服务建模与制图方法可作为评估景观尺度生态系统服务空间分布及权衡关系的适当工具，为自然资源的优化管理提供有价值的空间显性信息。最终，本研究强调了场地特异性原始数据和高精度空间数据集的重要性，以开发更准确的生态系统服务地图，并在扩展制图方法时不损失精度。

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# 引言

农业是爱尔兰共和国（以下简称爱尔兰）最主要的土地利用方式，占国家土地覆盖的67.6%（CSO，2020年）。农业用地面积约为450万公顷（ha），其中92%以上以草地形式管理，包括牧场、干草、青贮饲料和粗放放牧（EPA，2016年）。农业生态系统提供广泛的基本支撑人类福祉的生态系统服务（以下简称ES），包括供给类ES，如食品、饲料、纤维、生物能源和药品等。农业生态系统不仅提供重要的供给服务，还提供文化服务和调节服务等其他类型的ES。调节服务包括（但不限于）传粉、水质和土壤质量调控、碳储存与气候调节、洪水控制和疾病调节等（MEA，2005；Zhang等，2007；Power，2010）。

特定农业生态系统提供不同ES的能力受多种因素影响，包括周边景观的多样性、组成和功能，以及管理强度（MEA，2005；Zhang等，2007；Power，2010）。研究表明，通过大量使用无机肥料和农药等基于高化学投入的集约化耕作方式，以及牲畜养殖密度增加和重型机械的使用，对重要ES产生了负面影响（Power，2010）。近几十年来，农业集约化还导致景观结构简化——通过农业用地扩张和田块面积增大，牺牲了重要的半自然生境，如树篱、湿地和林分（Robinson和Sutherland，2002；Tscharntke等，2005；Stoate等，2009）。这种简化被发现削弱了众多ES，包括传粉、自然生物防治和径流调节（Tscharntke等，2005；Hatt等，2018；Lindgren等，2018）。

自然限制条件和社会经济条件不利的边际区域的农业弃耕也可能危及ES的提供，包括作物和饲料生产、病虫害控制、传粉和分解过程，此外还增加了生态系统反服务，如景观退化以及侵蚀和火灾风险增加（Power，2010；Lomba等，2020）。根据管理强度和景观复杂性，农业生态系统可能成为生态系统反服务的来源，如栖息地和物种丧失、水质和土壤肥力下降、农药和肥料污染、水道淤积以及温室气体（GHG）和污染物排放（Zhang等，2007）。

农业生态系统中的ES并非彼此独立，不同ES之间可能发生权衡。权衡被定义为一种ES的提供增加以其他ES的减少为代价的情况（Geneletti等，2018；Paudel等，2021）。农业生态系统中典型的权衡发生在供给服务（如食品和饲料生产）与非供给服务（如调节、支持和文化服务）之间（MEA，2005；Power，2010）。与不同ES的提供类似，农业生态系统中的ES权衡也与土地利用集约化管理和景观结构相关（Foley等，2005）。例如，在爱尔兰，农业景观由多种生态系统类型组成，提供不同的ES。从高强度管理的改良农业草地（旨在最大化供给服务供应，牺牲其他非供给服务）到高半自然生境覆盖的农业生态系统（如高自然价值（HNV）农场，一般供给服务数量较低，但能提供远高于前者的非供给服务潜力）（Matin等，2020；Moran等，2020）。

不同ES的提供及其随之产生的权衡反映了土地覆盖和土地利用的物理和生物条件及其时空变化（Burkhard等，2012）。因此，不同ES的供给和需求具有空间显性，可能存在地理差异。由于ES的空间特征和异质性，对其分布及变化进行制图有助于说明和量化其供给与需求（Burkhard等，2012；Crossman等，2013）。因此，ES地图是识别高ES供给区域、评估多种ES之间空间权衡的重要工具（Martinez-Harms和Balvanera，2012；Grêt-Regamey等，2015）。ES制图因此可被决策者和机构用于支持景观管理，以最大限度地减少ES权衡并促进未来发展的可持续性（Burkhard等，2012；Crossman等，2013）。

近几十年来，关于ES制图的研究报告、综述、期刊专刊和书籍数量呈指数级增长（Crossman等，2013；Grêt-Regamey等，2015；Schipper，2025）。这些方法在制图规模和目的方面差异较大。一些研究在不同空间尺度上（包括全球、区域和地方级别）对多种ES的供给和需求进行了制图（Chan等，2006；Naidoo等，2008；Nelson等，2008）。不同研究中ES制图的目的也各异，包括对选定ES进行制图并比较ES供给与需求（Burkhard等，2012；Schulp等，2012），识别ES热点区并评估ES的权衡与协同效应（Egoh等，2008；Raudsepp-Hearne等，2010），展示ES提供的变化和未来趋势（Li和Ren，2008；Nelson等，2008），确定ES管理和保护规划的优先区域（Chan等，2006；Egoh等，2011），评估不同ES与生物多样性的空间一致性（Egoh等，2009），以及估算选定ES的经济和社会价值（Li和Ren，2008；Nelson等，2009）。

此外，还开发并使用了多种评估和ES制图方法与工具。Martínez-Harms和Balvanera（2012）将评估和ES制图的方法划分为五类。第一类方法为每种土地利用类型建立恒定的ES值，数值来自不同地点和空间尺度的已有研究。第二类方法依赖专家知识法，由专家根据其对某一环境变量类别有效提供ES能力的了解进行排名。第三种方法基于文献信息。第四类方法依赖野外调查中收集的原始数据，为特定环境类别分配ES供给值。最后一类方法涵盖定量回归模型。

除上述方法外，还开发了多种用于ES建模与制图的软件工具，如InVEST。InVEST是一款开源软件，包含一套针对陆地、淡水、海洋和沿海生态系统的专用ES模型，利用土地利用/土地覆盖（LULC）格局评估和制图各类ES（Natural Capital Project，2023）。InVEST模型运行在GIS平台上，以空间显性地图作为信息源并输出地图结果。这些模型的结果可以以生物物理术语（如碳封存吨数）或经济术语（如封存碳的净现值）报告。因此，这些输出地图可提供有价值的空间显性信息，包括地理区域内ES排名，以及针对不同土地利用替代方案的ES升级和退化趋势情景分析。这些空间显性信息可为管理者与决策者提供特定地理区域内在环境、人类福祉和经济方面的最优资源管理策略参考（Natural Capital Project，2023）。

本研究旨在在景观尺度上对选定ES进行建模和制图，评估其在爱尔兰博伦研究区域的空间分布并评估其权衡关系。调节服务（如传粉、碳储存和栖息地质量）和供给服务（如干草产量潜力）的选取基于建模与制图工具需求及数据可获得性。优先选择场地特异性原始数据对选定ES进行建模和制图，因其提供最准确的信息（Grêt-Regamey等，2015；Martinez-Harms和Balvanera，2012）。在原始数据不可用时，使用专家知识法和文献数据对ES进行建模。传粉和碳储存使用InVEST模型进行制图。

除提供关于选定ES分布和权衡关系的新空间信息外，本研究还旨在提出适当的措施以增强ES提供，并为农业景观中的ES建模与制图提供新见解。因此，本研究的具体目标为：1）开发适当的方法在景观尺度上对选定ES进行建模和制图并评估其权衡关系；2）提供有价值的空间显性信息以指导最优土地利用选择，最大限度地减少ES权衡并促进研究区域农业资源的可持续管理；3）识别ES建模与制图中可能的知识空白及未来研究需求。

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## 研究区域

本研究在爱尔兰中西部的博伦地区开展，该地区为农业景观，面积约为750平方公里。研究区域属于欧洲大西洋生物地理区，年均气温9.7°C，年均降雨量1,662.5毫米（Met éireann，2022年）。农业是该地区的主要土地利用方式，以牲畜放牧为主，其中母牛养殖（用于生产牛肉）为最主要的农业系统（Dunford，2002年）。

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## 传粉

传粉地图（图3）展示了研究区域的野生蜜蜂丰度指数，范围从最小值0.00499到最大值0.243252。研究区域东部低地和非石灰岩西南地区传粉值较低，而中西部高地传粉值较高。

图4展示了各生境类别在生境地图中的传粉指数。半自然草地，包括GS1组……

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## 讨论

本研究开发的方

钙质草地与石南灌丛镶嵌体组合，主要分布在冬季牧场区域。结论：本研究表明，在布伦研究区域对选定生态系统服务（ES）进行建模和制图所采用的方法，可能是一种有用的工具，可用于评估农业景观中生态系统服务的空间分布及权衡关系。基于该方法，实证结果表明，从区域覆盖度来看，对选定生态系统服务供给影响最大的主要栖息地类别为：钙质草地与石灰岩石南灌丛镶嵌体组合，以及改良农业草地。钙质草地与石南灌丛镶嵌体组合CRediT作者贡献声明Alessio Volpato：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念构思。Cathal Buckley：写作——审阅与编辑、指导、资源、资金获取、概念构思。James Moran：写作——审阅与编辑、指导、资源、方法论、资金获取、概念构思。伦理声明作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。未引用参考文献Burkhard 和 Maes, 2017；De Groot 等, 2010；Eggleston 等, 2006；Else 和 Edwards, 2018；EPA（环境保护局）, 2016；Halada 等, 2011；Hendrickx 等, 2007；Maes 等, 2012；McNamara 和 Hennessy, 2009；MEA（千年生态系统评估）, 2005；Moran, 2020。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争财务利益或个人关系。致谢作者感谢布伦项目团队和布伦农民的贡献与合作。本研究由 Teagasc Walsh 奖学金资助。Alessio Volpato | Cathal Buckley | James Moran大西洋理工大学 自然资源与环境系，爱尔兰戈尔韦