基于景观类型评估黄土高原多种生态系统服务之间的空间关联性

《Applied Geography》：Assessing spatial linkage of multiple ecosystem services in the Loess Plateau based on landscape types

黄土高原生态系统服务网络的空间组织与景观重构研究，通过整合2000、2010、2020年地表水径流、粮食供给、碳汇和土壤保持量测算与网络拓扑分析，揭示核心-边缘稳定结构下多功能连接区动态演变规律。研究发现：核心服务（水 yield和碳 sequestration）驱动网络协同，农田主导区（2010年）向自然植被主导区（2020年）转变，景观格局重构显著影响多服务耦合。

　　

韩彬尧|王浩|胡磊|夏永强|王壮壮|罗颖|叶欣

陕西师范大学地理与旅游学院，中国西安，710119

摘要

对多功能景观的可持续管理需要清楚地了解生态系统服务（ESs）在异质景观背景下的空间组织和共同分布情况。然而，在景观尺度上，多种ESs之间的结构组织和共现模式仍然研究不足。为了解决这一差距，本研究通过整合四种关键ESs（水分产出、食物供应、碳封存和土壤保护）的空间模拟与网络拓扑指标，开发了一个基于网络的分析框架，以表征多ESs之间的联系结构。本研究分别对2000年、2010年和2020年的黄土高原进行了ESs联系网络的构建，以识别多功能联系区域并分析其空间组织和景观背景。研究结果表明：（1）ES网络表现出一致的核心-边缘结构，其中水分产出和碳封存始终占据网络的中心位置；（2）多功能联系区域的范围和配置随时间发生了显著变化，在2010年达到最低水平，到2020年有所恢复；从2000年到2020年，这些区域从以耕地为主转变为以自然植被为主，反映了大规模生态修复的影响；（3）尽管联系区域内的耕地比例下降，但耕地仍然是支持ESs之间联系的重要结构矩阵，而森林、灌木和草地越来越多地支撑了多功能协同作用的空间连续性。本研究强调了从结构联系角度揭示ESs相互作用的空间组织以及识别关键多功能景观的价值。研究结果为生态脆弱地区的土地利用优化和生态补偿策略提供了具体的空间证据。

引言

理解多种生态系统服务（ESs）在景观中的相互关系和互动对于维持区域生态功能和人类福祉至关重要（Fu等人，2022年）。传统上，ESs之间的关系是通过权衡、协同作用、捆绑或统计关联来描述的，往往强调服务发生的地点，而不是它们空间关系的组织方式（Assis等人，2023年；Bennett等人，2009年）。大多数现有研究依赖于热点叠加或基于相关性的分析，这些方法总结了成对的关联，但对多种ESs在空间上的共同结构了解有限（Feng等人，2020年；Ma等人，2024a；Ma等人，2024b）。因此，需要一种结构视角来揭示多ESs关系作为一个集成系统的组织方式。这种视角突出了高供应区域在ESs之间的空间排列及其通过景观介导的关联，以及它们所处的景观配置和土地利用背景。此外，当考虑景观背景时，大多数研究主要通过将单个ES层与单一土地利用类别叠加来考察个别土地利用类型对特定ESs的支持作用（Jin等人，2024年；Raudsepp-Hearne等人，2010年），从而忽略了同一土地利用类型通常同时支持多种ESs的事实。为了更好地管理景观介导的服务并协调不同景观类型的比例及其相对ES贡献，有必要从景观结构的角度来考察它们的作用。

ESs关系的空间组织受到景观模式的强烈影响。景观类型和空间配置不仅调节了单个ESs的能力，还决定了多种ESs在空间上的共现和互动方式（Metzger等人，2021年）。自然景观（如森林和草地）通常具有强大的协同作用潜力，包括水分产出、碳封存和土壤保护，而破碎的耕地或裸地可能会削弱这种联系（Tamburini等人，2022年；Zhang等人，2023年）。先前的研究表明，景观组成、空间接近性和基于过程的机制都影响了ESs之间的潜在关系（Metzger等人，2021年；Schirpke等人，2019年）。然而，大多数工作仍然局限于热点映射或统计相关性分析，缺乏关于景观动态如何随时间和空间重新构建多ESs关系的系统证据（Herreros-Cantis & McPhearson，2021年）。尽管一些最近的研究在景观或区域尺度上探索了景观连通性（Field & Parrott，2022年），但这些研究通常局限于特定时间段，或缺乏与土地利用动态的明确联系。这凸显了需要一个更全面的框架，以捕捉时间变化，并将多ESs互动与大规模生态修复下的景观重构明确联系起来。从这个角度来看，基于景观的ES共现和互动模式分析可以加深对ESs之间空间耦合的理解，并加强景观生态学和ES研究的整合（Assis等人，2023年）。

鉴于此，有必要超越单一的静态描述，转向一个系统导向的视角，以捕捉多ESs关系的结构组织和时间动态。因此，本研究采用基于网络的框架，将景观概念化为通过共享的环境和土地利用背景共同组织ESs的空间系统，特别关注ESs之间联系的异质性和相对重要性。该框架不是表示物理流动，而是解释景观配置如何塑造多种ESs的共现和共同提供。它能够识别出结构上关键的区域和脆弱的联系，从而为生态修复和土地利用规划提供见解。与简单的热点或相关性分析相比，这种视角更适合评估生态修复下景观重构如何随时间重塑多ESs互动模式（Pashanejad等人，2024年）。此外，时间比较允许评估结构持久性和重构，为制定平衡多种功能的区域治理策略提供科学依据。

中国的黄土高原（LP）是一个典型的生态脆弱区域，也是国家生态修复的重点区域（Naeem等人，2021年）。近几十年来，诸如“ Grain for Green”项目等大规模计划显著改善了植被覆盖和生态条件，从而增强了碳封存、水分产出和土壤保护等ESs，同时减少了食物供应（Han等人，2025年；Liang等人，2019年）。这种ES收益与损失的共存为研究景观模式如何塑造多ESs互动和空间共现结构提供了理想的背景。通过将分析扩展到三个时间段（2000年、2010年和2020年），本研究旨在：（1）识别关键ESs的空间模式和动态变化；（2）从景观介导的角度分析ESs联系网络的结构和时间演变；（3）检测多功能联系区域并探讨其背后的景观决定因素。通过解决这些问题，本研究加深了对多种ESs及其景观背景之间潜在联系的理解，并为LP及其他大规模地区的可持续治理和多功能土地管理提供了科学依据。

研究区域

黄土高原（北纬33°43′–41°16′，东经100°54′–114°33′）位于中国北部，跨越七个省级行政区：山西、陕西、宁夏、甘肃、青海、河南和内蒙古。研究区域的概览如图1所示。该地区的地形复杂且起伏不平，从东南向西北逐步升高。该地区具有温带大陆性季风气候，从东南部的半湿润条件逐渐向西北部过渡。

生态系统服务提供模式的演变

为了揭示该地区ESs的空间异质性和阶段性变化，对2000年、2010年和2020年的四种关键ESs（水分产出、食物供应、碳封存和土壤保护）进行了定量评估（表S2），并分析了它们的空间模式（图3）。

水分产出在东南部表现出持续的高值，在西北部表现出低值。2000年，高值区域主要集中在LP的南部和东南部。

生态系统服务供应和网络结构的变化

从时空和结构的角度来看，我们的结果表明，ES供应的空间分布可以保持相对稳定，而ESs之间联系的底层网络结构则随时间发生了显著重组。以往的研究主要依赖于静态热点映射或基于相关性的方法来描述ESs的互动（Feng等人，2020年；Schr?ter & Remme，2016年）。许多这些研究一致报告了水分产出和

结论

本研究开发了一个基于网络分析的评估框架，用于评估LP上多种ESs的空间联系。研究结果表明，ES网络表现出更稳定的核心-边缘结构，其中水分产出和碳封存始终占据中心位置，并支持ES协同作用。多功能联系区域的空间配置显示出从以耕地为主向以自然植被为主的景观转变，强调了

作者贡献声明

韩彬尧：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、方法论、正式分析、概念化。王浩：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。胡磊：正式分析、数据管理。夏永强：正式分析、数据管理。王壮壮：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。罗颖：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。叶欣：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42371103）的支持。