平陆运河流域生态系统服务在长期趋势之下的短期波动

《Land》：Short-Term Fluctuations of Ecosystem Services Beneath Long-Term Trends in the Pinglu Canal Basin in China

　　

平陆运河是中华人民共和国成立以来第一条通江达海的运河工程，其通过改变土地利用/土地覆盖、景观格局及土壤—水分过程重塑流域尺度生态系统服务。本研究评估2000至2024年平陆运河流域净初级生产力(NPP, net primary production)、土壤保持(soil conservation)、产水(water yield)及氮/磷输出(nitrogen/phosphorus output)的时空变化。研究集成热点分析(hotspot analysis)、年际波动指数(interannual fluctuation index)、随机森林(RF, Random Forest)与夏普利加性解释(SHAP, Shapley additive explanations)、气候—NPP残差分析(climate–NPP residual analysis)及地理探测器(Geodetector)。结果表明：(1)过去25年生态系统服务总体改善，NPP显著上升，氮/磷输出下降；北部丘陵与低山森林形成稳定服务供给区，产水在南部平原与河谷更突出。产水年际波动最强，土壤保持相对稳定。(2)热点稳定性主要由人口密度(population density)、归一化植被指数(NDVI, normalized difference vegetation index)、高程(elevation)和降水(precipitation)调控，存在明显非线性阈值效应；当NDVI约0.63时，NPP与养分截留能力显著增强。(3)施工期负向NPP扰动沿运河扩展；地理探测器显示施工阶段人口密度解释力增强，但降水、NDVI及地形/水热条件仍是生态系统服务空间分异的基础约束，人口—NDVI、人口—降水等交互多为双变量增强。本研究为支撑大型线性基础设施项目的生态监测、风险预警与分区修复提供依据。

研究背景方面，生态系统服务具有空间依赖与动态演化特征，其供给格局持续被气候变化、土地利用转型及人类活动重塑。国际案例表明，水电开发、南水北调等工程会在建设与运行阶段引发差异化生态响应，长期评估还可能出现用水增加、下游水资源下降或服务权衡。已有研究多将服务变化简化为单调线性过程，忽视年际波动、突变与非线性的响应；长期趋势、短期波动与热点稳定性常被孤立讨论，针对重大工程尤其线性基础设施建设期占地、清障、施工道路与排水系统改变所触发的短期服务重组关注不足；归因分析又常基于单期静态快照，难以揭示工程扰动下气候背景与人类活动共同重塑服务时空格局的机制。平陆运河是中国西部陆海新通道的重要组成部分，以航运而非大规模跨流域调水为主，但建设仍会改变局部水文连通、土地利用与人类活动模式，因此需要在2000至2024年框架下识别生态风险并优化流域管理。该项研究成果发表于《Land》。

关键技术方法方面，研究人员以平陆运河流域为对象，数据来自土地利用/土地覆盖、气象、遥感反演、土壤、社会经济统计等多源数据并统一重采样至30米。服务量化采用InVEST模型与GLASS NPP数据集；长期趋势用Theil–Sen中位数斜率与Mann–Kendall检验；短期波动用前30%高值或负指标前30%低值识别热点，并以相邻年热点空间交集计算年际波动指数(IFI, interannual fluctuation index)与平均年际波动指数(AIFI, average interannual fluctuation index)；驱动机制用随机森林(RF)与夏普利加性解释(SHAP)识别主导因子与非线性阈值；空间分异用地理探测器(Geodetector)比较2021与2024年单因子与双因子交互解释力；非气候扰动用2000至2021年气候—NPP关系建立预测NPP_pred，再以2022至2024年气象输入得到残差NPP_Residual=NPP_obs?NPP_pred。

研究结果方面，3.1 长期趋势与短期波动显示，2000至2024年NPP与土壤保持高值位于北部丘陵山地，产水高值位于南部平原与低海拔河谷，氮磷输出高值位于耕地、城镇及裸露扰动区而森林区较低。NPP显著上升，土壤保持无显著总体趋势，产水显著上升且南北分化，氮磷输出显著下降。短期波动上，产水AIFI约16%，NPP约14.5%，土壤保持约3.5%，氮磷输出约6%至6.5%，说明长期改善不等于年际空间供给稳定。

3.2 生态系统服务热点稳定性的主导因子与阈值效应显示，耕地NPP热点频率受人口密度影响最强且随密度上升而下降；森林NPP与养分调节以NDVI为主导，NDVI约0.63时SHAP值由负转正，0.68以上趋稳。土壤保持热点在耕地与森林均受高程控制，约100米以下弱促进，超过100米后SHAP快速上升。产水热点以年均降水为主导，耕地阈值约1400至1450毫米，森林约1500毫米。氮磷输出在耕地分别受NDVI与降水趋势影响，在森林以NDVI为主，约0.62至0.70区间响应增强后稳定。

3.3 建设前后生态系统服务空间异质性驱动机制变化显示，自然因子始终是基础约束，施工期人类活动相关因子解释力增强。NPP上人口密度q由0.40升至0.433，产水上降水仍最高且人口密度q由0.26升至0.29，土壤保持上温度解释力由0.31升至0.33，氮磷输出上NDVI仍主因但人口密度解释力上升。交互探测显示人口—NDVI、人口—降水等多为双变量增强。

3.4 平陆运河施工期NPP扰动与空间分异显示，气候对NPP影响具有空间异质性，降水与潜在蒸散量总体偏负，温度与太阳辐照总体偏正。残差分析表明非气候负扰动沿运河廊道、城镇与农区扩展，流域平均残差由2022年272.87降至2024年?39.55，强负扰动面积比例由0.79%升至39.46%，0至1千米运河影响带扰动最集中，最大下降达?834克碳/平方米/年。

讨论部分总结方面，研究人员指出长期改善下仍可能存在短期不稳定，IFI与AIFI可补充传统趋势分析；北部森林应作为稳定多功能服务优先区，南部产水热点需动态监测。NDVI约0.63是植被调控功能发挥的重要阈值，100米高程与1400至1500毫米降水是土壤保持与产水风险分区参考。施工期人口因子解释力上升但不替代气候、植被与地形约束，线性工程通过占地、道路、边坡开挖与排水改造重组地表覆盖和径流路径。残差分析可定位需优先核查与修复区，0至1千米带应优先开展裸地管控、表土恢复与岸坡植被连通修复。研究局限在于30米尺度难以刻画便道、弃渣场等微尺度扰动，NPP_pred残差受基线期与模型设定影响，后续需无人机、高分辨率遥感与2026年后运行期观测延伸。

结论部分翻译方面，本研究集成多源数据与多种分析方法，考察2000至2024年平陆运河流域生态系统服务的长期趋势、短期波动、热点稳定性、驱动机制及施工期扰动。主要结论如下：(1)过去25年生态系统服务总体改善，NPP显著上升，氮磷输出下降；NPP、土壤保持与养分调节稳定热点集中于北部丘陵低山森林，产水高值位于南部平原与河谷；产水年际波动最强，AIFI约16%，NPP次之，土壤保持较稳定。(2)热点稳定性对环境与人为因子呈清晰非线性响应；森林中NDVI为NPP与养分调节热点主导因子，关键响应阈值约0.63至0.67；土壤保持热点在约100米高程以上明显增强，产水热点临界降水约1400至1500毫米；耕地NPP热点稳定性与人口密度负相关。(3)施工期负向NPP扰动明显扩展，强负扰动区由0.79%增至39.46%，集中于0至1千米运河影响带与中游关键段；虽人口密度解释力上升，但降水、NDVI及地形水热条件仍是服务空间分异根本控制因子，人口、植被与气候因子交互多呈双变量增强。上述发现强调在长期趋势、短期稳定性、非线性阈值与工程扰动一体化评估中的价值，为大型线性基础设施生态监测、风险预警与空间靶向修复提供依据，框架可迁移至运河、道路、水坝等受重大线性基础设施影响的国际流域。