《Journal of Environmental Management》：Three centuries of human impact: A comprehensive framework for assessing landscape dynamics and environmental consequences in the Great Lake Basin
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洞庭湖流域过去300年人类活动通过多尺度地理加权回归分析显示，景观碎片化（FI）上升55.77%，规则性（RI）和连通性（CI）下降，导致碳储量减少达8.6%。研究构建了景观演变-环境效应框架，证实"退化景观"模式碳损失显著，而"理想景观结构"具有碳汇功能，强调需将可持续景观纳入碳政策。
李忠武|侯应龙|王凌霞|李文清|王辉|冉凤伟|凌新宇|聂晓东
湖南师范大学地理科学学院，以及洞庭湖盆地生态环境变化与碳封存湖南省重点实验室，中国长沙，410081
摘要
人类世标志着一个新时代，在这个时代，人类活动已成为环境变化的主要驱动力，超越了自然过程。理解人类影响的长期动态、景观演变及其环境后果对于应对这些变化至关重要。本研究调查了洞庭湖盆地300年来人类活动的变化及其对景观变化的影响，提供了关于人为环境影响的历史视角。我们采用多尺度地理加权回归方法研究了景观演变的驱动因素，并以碳效应作为其环境影响的案例研究。过去三个世纪里，洞庭湖盆地几乎发生了普遍的景观变化，严重的破碎化、规则化和连通性降低影响了该地区的90%以上。人为因素是景观演变的关键驱动因素，盆地景观格局演变与人类活动强度之间存在显著的相关性：与破碎化指数和规则化指数呈正相关，与连通性指数呈负相关。景观演变的碳效应表明，高破碎化（-0.086）和低连通性（0.605）的景观格局会导致更大的碳损失，其中破碎化和连通性对碳储量的影响更为显著。“退化景观”格局会导致更大的碳损失，而“理想景观结构”则具有相反的效果。我们的研究结果强调了在碳政策中纳入可持续景观的必要性，尤其是在人类活动不断增加的情况下。
引言
自人类文明诞生以来，人们就积极地改造和适应自然环境。由于人口持续增长带来的生存挑战，人们越来越多地开发自然资源，尤其是陆地景观。在过去的一个世纪里，超过77%的地球表面景观直接受到了人类活动的影响。人类活动与景观之间的复杂相互作用进一步改变了全球生物多样性、生态系统功能和气候（Stephens等人，2019；Tong等人，2022；Watson等人，2018）。
随着人类世的出现，人类活动对地球表面景观结构和格局的影响在强度、范围和速度方面都超过了自然因素带来的变化（Xiong等人，2023；X. Zhang等人，2022）。通过耕作、森林砍伐和改造等与土地相关的活动，人类建立了人类活动、景观和生态环境之间的长期互动关系（Faria de Deus, Tenedório, Pumain, Rocha和Pereira，2023；Y. Zhang等人，2016）。景观格局表征了土地利用和土地覆盖变化（LUCC）的分布、形态和相互关系。它们为观察LUCC提供了视角，同时也成为研究人类活动对自然空间影响的媒介（Qu和Long，2018；H. Wang等人，2023）。景观格局的演变通常通过景观格局指数来表示。传统的景观演变评估框架往往关注一种类型的土地利用（如森林和耕地（Li等人，2024b；Ma等人，2023），或者某种景观格局信息（如破碎化和连通性（Z. Chen和Zhang，2024；Zhu等人，2024）），或者特定地区（如热带地区（Ma等人，2023）。主要的评估类型基于景观组成（比例、分布）、景观结构（空间排列、形态特征、空间分布模式）和景观异质性（复杂性和多样性）（Z. Chen和Zhang，2024；H. Wang等人，2023；X. Zhang等人，2022）。此外，缺乏适用于长时间尺度和具有区域普遍性的多维静态和动态景观格局的评估，导致对景观时空演变的理解不足。例如，Ma等人（2023）评估了2000年至2020年全球热带森林破碎化的静态和动态演变及其驱动因素。然而，这些先前的研究未能捕捉到长期的累积生态效应和环境变化的影响。在景观形态和连通性方面也存在遗漏（Ma等人，2023）。通过整合面积、形状和边界因素，景观破碎化、规则性和连通性指数共同提供了比任何单一指数更全面的景观演变测量方法。这些是表征多维景观演变的关键指标（Yinglong Hou等人，2024；Q. Wang等人，2022；Winowiecki等人，2016）。
随着人类占用越来越多的地球产品和服务，他们也削弱了全球生态系统维持生物多样性、提供生态系统服务（如气候调节）、减少环境污染和保持生态系统健康的能力（Foley等人，2005）。景观演变可以改变栖息地结构和生态过程，导致栖息地异质性和隔离效应，这可能导致生态系统功能的多样化或简化（H. Zhang等人，2024）。在环境污染方面，景观演变促进了新的污染源的形成，影响了污染物的移动、积累和浓度（Zhu等人，2024）。此外，区域生态系统健康受到景观斑块空间格局的影响，这影响了维持生态过程和从外部干扰中恢复的能力（Peng等人，2015）。随着经济全球化的到来，1992年《联合国气候变化框架公约》等国际条约的签署表明，人类行动落后于科学家对气候变化紧迫性的认识。大多数研究表明，由景观演变引起的温室气体排放日益威胁到全球生态系统的碳汇和碳封存潜力，成为对人类的最大威胁之一（S. Fan等人，1998；Zeebe等人，2016）。气候系统中的能量交换、生态系统中的碳和氮循环以及不同景观影响引起的局部气候反馈机制的变化将导致区域气候变化（Yinglong Hou等人，2024；Lambin和Meyfroidt，2011）。因此，探索自人类世以来景观演变与碳效应之间的耦合关系对于维持生态系统服务至关重要（Winowiecki等人，2016）。同时，不应忽视人类活动与景观演变耦合所产生的环境效应。需要建立一个长期、大规模的评估框架，以评估人类活动和多维景观演变，这些评估应基于效应驱动。
作为全球LUCC研究不可或缺的组成部分，评估长期景观演变及其影响对于揭示生态过程的长期模式和理解地球系统的动态平衡和反馈机制至关重要（Long等人，2014）。基于此，我们提出以下科学假设：在过去三个世纪中，人类活动，特别是景观演变，是景观演变和生态退化的主要驱动因素，这些变化显著改变了碳储量和生态系统服务。因此，本研究选择了洞庭湖盆地作为研究案例。该地区包含了近三个世纪的景观演变历史，是人类与自然互动的典型代表。通过重建过去三个世纪人类活动强度和土地利用的变化，本研究提出了一种评估长期景观演变的新范式，并建立了一个创新的评估框架，用于分析自人类世以来的景观演变及其环境影响。主要目标如下：（1）评估过去三百年的静态和动态景观演变；（2）以碳储量为例，探索景观演变的环境影响；（3）构建一个基于多维评估-驱动-效应的框架，用于自人类世以来的景观演变。本研究为研究人类影响下的景观演变及其模式提供了方法论支持，为推进区域景观空间调控和促进可持续发展提供了理论指导。
研究区域
研究区域
洞庭湖盆地（DTLB）位于长江中游以南。作为世界上最大的淡水湖盆地之一，与北美的五大湖盆地和非洲的维多利亚湖盆地相当，DTLB在区域水文和生态学中发挥着重要作用，覆盖了长江流域的14.6%（图S1）（Y. Hou等人，2017；S. Wang等人，2024）。整个盆地主要由洞庭湖平原盆地（DTLP）、湘江盆地（XRB）和资江盆地组成
静态景观破碎化模式
从1661年到2020年，盆地内的FI（破碎化指数）呈现出逐渐扩散和加剧的趋势，平均FI值从0.364上升到0.567，增长了55.77%。盆地的破碎化程度稳步增加（图1）。静态破碎化程度较低的地区主要位于西部的武陵山脉、西南部的雪峰山脉和东南部的南岭山脉附近。静态破碎化程度较高的地区主要集中在
人类活动对景观格局演变的影响
随着人类世的发展，人类活动已成为景观动态的关键指标（Y. Zhang等人，2016）。为了进一步分析人类活动强度对DTLB景观格局演变方向的影响，将HAI（人类活动影响指数）的变化和景观格局指数（FI、RI和CI）的变化进行了叠加。
在ΔHAI和ΔFI组成的四个象限中，HAIUPFIUP是DTLB中的主导模式，其次是HAIUPFIDOWN。
结论
在这项研究中，我们提出了一种评估在人类长期影响下景观格局演变的范式，并构建了一个新的框架，用于评估受人类活动影响的多维景观的静态和动态变化。通过这种方法，我们揭示了人类活动对景观的累积效应，并揭示了过去三个世纪DTLB演变中的显著阶段性变化模式。
作者贡献声明
李忠武：资金获取、概念化。侯应龙：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。王凌霞：可视化、资源、项目管理、方法论、数据管理、概念化。李文清：可视化、数据管理、概念化。王辉：数据管理、概念化。冉凤伟：项目管理，
