干旱河谷城市生态系统服务关系的时空动态与尺度依赖特征：以中国兰州为例

《Ecological Frontiers》：Spatiotemporal dynamics and scale-dependent characteristics of ecosystem service relationships in an arid valley city: A case study of Lanzhou, China

　　

摘要

理解生态系统服务（ESs）在不同时空尺度上的动态相互作用对于干旱和半干旱城市的生态系统管理至关重要。然而，以往的研究主要关注生态系统服务关系的静态空间模式或影响因素分析，对于从协同到权衡的转变、影响因素重要性的尺度依赖差异以及生态系统服务束内生态系统服务关系的变化理解有限，特别是在此类综合评估仍然不足的河谷型干旱城市。以中国西北典型的半干旱河谷城市兰州为案例，本研究量化了 2000 年至 2020 年的五项关键生态系统服务，并分析了生态系统服务关系动态、多尺度影响因素及生态系统服务束特征。结果表明，研究期间所有五项生态系统服务均呈总体增加趋势。斯皮尔曼分析表明，大多数生态系统服务对表现出空间协同，而带符号均方根误差（signedRMSE）进一步揭示了一些供给服务和调节服务之间从协同到权衡的转变，表明静态空间分析可能会低估生态系统服务关系动态变化。影响因素的重要性在不同空间尺度上差异显著，土地利用变化在网格尺度上更为重要，而环境因素在乡镇尺度上更为重要。识别出五种不同的生态系统服务束，代表不同的生态功能组合。关键协同束保持稳定，而农业生产束内农业生产与水资源相关调节生态系统服务之间的权衡变得更加明显。本研究为干旱河谷城市中生态系统服务关系动态和尺度响应提供了新见解，并为生态系统管理和空间优化提供了科学支持。

引言

全球变化和加剧的人类活动正在改变生态系统的结构和功能 [1]，导致生态系统服务（ESs）供给模式的持续变化 [2]。生态系统服务下降威胁人类福祉，并对实现可持续发展目标构成挑战 [3], [4]。由于人类社会通常依赖多种生态系统服务的共同提供，不同生态系统服务之间的相互作用直接影响生态系统管理的有效性 [5]。生态系统服务并非孤立存在，而是通过共享的生物物理过程和共同的影响因素相互关联 [6]，通常表现出非线性的权衡和协同 [7], [8]。这些相互依赖性意味着，聚焦于单一服务的管理策略不太可能最大化整体效益，甚至可能因忽视生态系统服务之间的相互约束而产生新的生态问题 [9]。因此，理解生态系统服务之间的相互作用并确定其权衡和协同特征是可持续生态系统管理的关键。

现有研究已广泛识别生态系统服务之间的权衡和协同，为理解其相互作用提供了重要见解 [8], [10], [11]。以往研究已应用多时相数据以及相关性分析 [12], [13]、生产可能性边界 [14], [15] 和地理加权回归 [16] 等方法来检验生态系统服务关系。然而，大多数研究仍然依赖于不同时间阶段的比较分析。虽然这些研究可以检测生态系统服务关系随时间的变化，但它们很少进一步刻画这些变化的空间模式及其方向性演化过程 [17]。因此，在气候变化和人类活动影响下，生态系统服务关系的动态演化仍理解不足，这可能限制长期生态系统管理策略的有效性。

生态系统服务关系不仅随时间变化，而且表现出明显的尺度依赖性，因为不同的空间尺度对应不同的生态过程和管理需求 [18], [19]。以往研究证实，生态系统服务关系的方向和幅度在不同尺度上可能存在显著差异 [20], [21]。然而，当前文献主要关注描述尺度差异本身，对于与生态系统服务关系相关的解释因素是否也具有尺度依赖性，以及它们的相对重要性是否随尺度变化理解有限 [19], [22]。由于环境因素和人类活动在不同空间尺度上的作用不同，从单一尺度得出的结论可能无法完全捕捉生态系统服务关系的变化模式。不同的解释因素是否对应生态系统服务关系变化在不同空间尺度上的空间异质性，以及这些因素的相对重要性如何转变，目前探索仍不充分。由于决策者通常基于行政或网格级别的信息实施生态系统管理 [23]，明确生态系统服务关系的尺度依赖特征对于制定有效的跨尺度管理策略至关重要 [24]。

除了生态系统服务之间的成对权衡和协同外，多种生态系统服务的空间配置也为理解其相互作用提供了重要视角 [8]。生态系统服务束反映了多种生态系统服务的综合供给模式，已被广泛应用于生态功能分区和区域管理，为差异化国土治理提供了重要依据 [25]。然而，大多数研究集中在识别生态系统服务束类型和描述其空间分布模式，而对于这些束内生态系统服务之间的内部关系如何在环境变化下改变，目前探索仍不充分 [26], [27]。这一差距在资源约束强的干旱地区尤为明显，其中不同的功能区面临不同的生态压力和管理目标。对生态系统服务束内部结构及其对空间治理影响的关注有限，在一定程度上限制了基于束的分析向实际土地管理应用的转化 [12]。

兰州市位于中国西北半干旱地区，是黄河上游典型的河谷城市，由于资源约束强，其生态系统对气候变化和人类活动高度敏感 [28]。与多种因素相关，包括生态恢复项目、快速城市化和资源环境约束 [29], [30], [31]，区域生态系统服务及其相互作用表现出显著的空间异质性 [32]。现有对兰州及类似干旱城市生态系统服务关系的研究主要关注分析生态系统服务的空间模式及其影响因素 [33], [34], [35]。一些研究进一步调查了生态系统服务之间的权衡和协同及其相关解释因素 [24], [36]。然而，这些努力仍然主要依赖于静态或分时段分析，强烈侧重于空间模式，对时间动态刻画不足 [37]。同时，关于生态系统服务关系及其影响因素重要性如何在不同空间尺度上变化的比较仍然稀缺，生态系统服务束的内部结构及其变化的权衡和协同关系理解仍不充分。

基于上述研究空白，本研究旨在系统揭示生态系统服务关系的时空演化模式及其多尺度解释因素。以中国西北半干旱地区典型河谷城市兰州市为案例，我们整合相关性分析、带符号均方根误差（signedRMSE，一种用于生态系统服务相互作用的具有方向敏感性的均方根误差）、地理探测器模型和自组织映射（SOM）聚类，从时空动态、尺度依赖性、影响因素和生态系统服务束结构的角度检验生态系统服务相互作用。具体来说，目标如下：(1) 识别 2000 年至 2020 年生态系统服务之间权衡与协同的时空演化特征，(2) 探索不同空间尺度上关系变化的影响因素及其尺度依赖差异，(3) 分类生态系统服务束类型并提出差异化空间管理策略。通过关注动态变化和多空间尺度，本研究寻求深化对干旱河谷城市中生态系统服务相互作用的理解，并为协调生态保护和城市发展提供理论基础。

章节摘要

研究区域

兰州以温带大陆性气候为特征，年平均气温为 10.3 °C，多年平均降水量较低，为 327 mm，其中约 75% 发生在汛期。2020 年，总用水量达到 9.95 × 10⁸ m³，农业、生活、工业和生态用水分别占 49.1%、20.0%、15.4% 和 15.5%。农田灌溉用水量为 3.046 × 10⁸ m³，占农业用水量的 62.3%。在这些

生态系统服务的时空异质性

2000 年至 2020 年间，兰州的五项生态系统服务（AP、SC、CS、WY 和 WC）呈现出总体增长趋势（图 2）。在这些生态系统服务中，WY 增幅最大，2020 年总量达到 3.47 × 10⁸ m³，比 2000 年高出 80.92%，其次是 WC，增幅为 72.40%。AP 从 2000 年的 1.53 × 10⁶ t 增加到 2020 年的 2.56 × 10⁶ t。SC 增加约 25%，而 CS 增幅相对较小，为 1.67%。

空间上，不同的生态系统服务表现出

生态系统服务相互作用的时空动态与尺度依赖转变

生态系统服务的权衡与协同反映了人类社会与自然环境之间的复杂相互作用，并共同受到时间变化和空间尺度的影响 [46]。明确不同尺度上生态系统服务权衡与协同的空间差异，可以提高对生态系统服务关系变化关键因素的识别，为生态管理优先级提供信息，并通过减少权衡支持多种生态系统服务的增强 [11], [47]。

[11]

结论

本研究证实，干旱地区河谷城市的生态系统服务关系表现出时空动态性。总体而言，生态系统服务仍以协同关系为主，但某些服务对显示出从协同到权衡的转变，表明仅基于长期空间模式的分析可能会低估这些相互作用的时空调整。结果进一步揭示了生态系统服务相互作用中强烈的空间尺度依赖性。在网格尺度上，它们的

CRediT 作者贡献声明

Yuxin Wei：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。 Xiaohua Gou：监督，项目管理，资金获取。 Haijiang Yang：写作 – 审阅与编辑，可视化，方法论，概念化。 Wenwei Shi：软件，调查。 Xinyun Wang：数据整理。 Yibo Niu：资源。 Tek Maraseni：写作 – 审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究由甘肃省科技厅（25ZYJA019）、中国教育部基础学科与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM910）、青海省自然科学基金（2026-ZJ-920T）和111 计划（B26053）支持。

Yuxin Wei|Xiaohua Gou|Haijiang Yang|Wenwei Shi|Xinyun Wang|Yibo Niu|Tek Maraseni