评估中国云南省产水量、泥沙保持与碳储量之间的协同效应与权衡

《Journal of Environmental Management》：Assessing synergies and trade-offs among water yield, sediment retention, and carbon storage in Yunnan Province, China

　　摘要- 云南省水资源产出量下降，而碳储量和土壤保持功能有所改善。- 在城镇和农业区域，水资源产出量与土壤保持功能存在冲突。- 森林区域中，碳储量与土壤保持功能表现出强协同效应。- 识别生态功能区，以支持生态系统协同管理。引言生态系统服务（ES）——即人类从自然生态系统中直接或间接获得的多样化利益——已被视为维持地球生命支持系统、保障人类福祉与可持续发展的核心要素。生态系统服务研究经历了理论奠基、定量评估和系统发展等重要阶段。随着欧洲生态系统及生态系统服务调查与评估项目、北美生态系统服务评估体系，以及中国在区域评估和多样化生态系统生态系统服务量化方面的快速进展，人们对生态系统服务的理解不断深入。然而，气候变化和人类活动正在加速生态系统服务退化，威胁生态水文稳定性。最新IPCC评估警告，全球升温1.5°C将导致15%的生态系统服务不可逆转丧失。千年生态系统评估显示，24项关键生态系统服务中有超过三分之二呈下降趋势，直接威胁联合国可持续发展目标（SDGs）的核心目标，包括粮食安全（SDG 2）、清洁水（SDG 6）和气候行动（SDG 13）。在亚洲，约30%农田面积的水土流失速率超过自然恢复能力，而在中国人口密集的都市集聚区，生态系统服务供需之间的尖锐冲突尤为突出。这一危机在生态脆弱地区尤为严重，凸显了深入研究生生态系统服务时空动态及其相互关系的紧迫性。云南省作为中国西南的重要生态屏障，生态重要性、复杂性和脆弱性高度交织，这使其在生态系统服务研究中具有独特的价值和紧迫性。现有研究已评估了局部案例，包括山地区域、典型喀斯特地区以及中心城市集聚区。尽管取得了进展，但与局部研究相比，省级尺度的多服务综合评估仍然稀缺，且缺乏长期动态分析，尤其是对生态系统服务权衡与协同关系的深入研究。同时，生态系统服务之间往往表现出复杂的非线性相互作用，既可能表现为协同效应（即相互增强或减弱），也可能表现为权衡关系（即一项增加而另一项减少）。为了识别这些关系，学者们采用了叠加分析、差异比较和逐像元相关性分析等方法。理解这些非线性相互作用日益成为生态系统服务研究的核心，对于优化流域管理、同时实现多重生态和水文目标至关重要。为克服传统评估方法在捕捉空间响应和服务相互作用方面的局限性，InVEST（生态系统服务与权衡综合评估）模型凭借其模块化设计和空间显式分析能力获得了全球认可。作为生态系统服务评估中最具影响力的工具之一，InVEST已成功应用于全球尺度的多项研究，包括河口三角洲生态系统服务评估、山区生态系统服务评估以及关键生态功能区识别等。与其他复杂的水文或生态过程模型相比，InVEST模型在区域尺度的数据可用性、模型可操作性和多服务综合评估的完整性之间取得了更好的平衡，展现出强大的适用性。因此，本研究构建了整合"格局评估—关系分析—驱动归因—综合分区"的分析框架。以云南省为研究区，核心目标为：(1) 揭示1980至2022年水资源产出量、土壤保持和碳储量的多尺度时空格局，分析大趋势下的流域异质性和不同土地利用类型的贡献；(2) 诊断这三项服务之间协同与权衡的时空动态；(3) 定量分析各影响因素对生态系统服务的相对贡献及交互驱动机制；(4) 开展面向管理的生态系统服务综合功能分区。研究结果将为当地生态保护与可持续发展提供科学参考，并为类似研究提供方法学框架。各章节摘要**研究区**云南省（21°08′N–29°15′N, 97°31′E–106°11′E）位于中国西南部（图1）。作为连接青藏高原、长江中下游地区和印度支那半岛的过渡地带，云南拥有独特的地理环境，孕育了多样化的生态系统。地形以横断山脉为主，海拔从西北向东南阶梯式下降。显著的海拔差异产生了垂直气候分异。**生态系统服务时空格局**生态系统服务时空格局结果已可视化展示（图2）。水资源产出量（WY）、碳储量（CS）和土壤保持（SR）的高值区均集中在西部高山峡谷和南部边缘区域。相比之下，低值区主要分布在中部高原盆地、东部喀斯特高原和东南部边缘区域。从时间趋势来看，碳储量（CS）和土壤保持（SR）呈现相似的波动上升趋势，而水资源产出量（WY）则呈现先升后降的轨迹。分段线性趋势分析显示……**生态系统服务时空动态与相互作用的核心机制**生态系统服务的高值区在云南西部和南部空间上重叠，但其长期趋势各不相同（图2）。森林生态系统以其卓越的调节能力，成为塑造这一空间格局的关键。森林冠层、枯落物和根系能有效拦截降水、促进入渗、稳定土壤并积累生物量，从而协同增强水土保持、碳汇和土壤安全功能。表2中的数据……**结论**(1) 碳储量（CS）和土壤保持（SR）呈现波动上升趋势，而水资源产出量（WY）在1980年代初达到峰值后转变为长期下降趋势。三项服务的高值区显示出显著的空间一致性，集中在西部高山峡谷和南部边境地区。从流域贡献角度看，西南国际河流流域贡献了全省水资源产出量的68%以上和土壤保持量的71%，使其成为……**作者贡献声明**孔韵宁：原稿撰写、数据整理、概念构思、形式分析。缪驰远：审阅与编辑、软件、方法学、经费获取。白晓勇：审阅与编辑、指导。程昕：审阅与编辑、软件、方法学、指导。苏佳佳：审阅与编辑、指导。胡金龙：审阅与编辑、可视化、数据整理。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争财务利益或个人关系。**致谢**本研究得到国家自然科学基金（U24A20572, 42521001）和中央高校基本科研业务费的支持。孔韵宁 | 缪驰远 | 白晓勇 | 程昕 | 苏佳佳 | 胡金龙