人类—自然系统耦合强度调节生态系统服务对土地利用变化的响应

2023-10-05

Hu Baoan，韩海荣

关键词：生态系统服务（Ecosystem services）、土地利用变化强度（Land use change intensity）、网络分析（Network analysis）

本文发表于国际期刊Journal of Environmental Management，2023年第344卷，第一作者为北京林业大学生态与自然保护学院的Hu Baoan，通讯作者为北京林业大学的韩海荣教授。

（图片来自原文）

科学问题：

解决土地利用变化（LC）驱动的人类—自然系统（HNS）动态是生态系统服务（ES）可持续发展的关键挑战，目前大多数文献都集中于研究人类和自然驱动因素对 ES 的影响，对于HNS耦合关系的变化如何影响ES的研究却很少，因此进行该主题的探究对于发展有一定的重要意义。

本研究以黄土高原作为研究区域，基于ES、人文因素、景观格局、植被覆盖、气候变化、地貌特征等HNS主要成分之间的相关性，采用网络分析方法构建了黄土高原HNS相关网络，并对HNS进行定量描述。根据关键网络属性耦合关系，本研究分析了HNS网络属性的变化及其与ES沿LC强度梯度的关系。

研究结果：

1、LC 和 ES 的时空变化

黄土高原地区的建设用地、森林、未利用地和耕地变化幅度最大（图2a）。建设用地和林地分别增加76.03%和4.79%，主要是由于耕地的转用（图2a）。未利用地和耕地分别减少9.18%和5.36%。这部分土地主要转变为草地（图2a）。2000年至2018年，县域尺度LC强度存在明显的空间异质性，高值区域与人口密集的城市区域重叠（图2b）。

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图3显示碳储存（CS）、栖息地质量（HQ）和土壤保持（SC）的空间格局相似。高值区均出现在森林、草地集中的地区，而低值区则与农田和人口密集的城市地区重叠（图3a、b、d、e、g、h）。产水量（WY）呈现由东南向西北逐渐下降的趋势（图3j、k）。在ES动态中，CS、HQ和SC在中部地区增加最多，但在东南部地区减少（图3c，f，i）。WY变化呈现出东南增加、西北减少的空间趋势（图3l）。总体而言，2000年至2018年黄土高原地区CS和SC分别增加了0.56%和0.26%，而HQ和WY分别减少了0.11%和0.18%。

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2、不同LC强度梯度下的ES和HNS网络属性

随着LC强度的增加，CS和HQ的变化幅度减小，而WY的变化幅度增大，SC的变化幅度没有明显的趋势，这表明LC强度可能改变ES之间的相互作用。

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随着LC强度的增加，HNS网络结构变得更加松散，链接数量从高LC强度的134个减少到低LC强度的72个（图5）。这意味着 LC 强度的增加削弱了 HNS 成分之间的联系。

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LC强度对HNS网络属性有深远的影响（图6）。随着 LC 强度的增加，HNS 网络的连通性和密度显著下降。模块化程度明显提高，但脆弱性变化不明显。连通性和密度代表了网络的链路强度和内聚性能，而较高的模块化程度则表明模块更加孤立，网络更加松散。因此，结果表明，LC 强度的增加会降低 HNS 组分之间的耦合强度。

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3、ES和HNS网络属性之间的关系

通过分析ES和HNS网络属性沿LC强度梯度的关系，作者发现网络连通性和密度分别对CS和HQ以及WY有显著的正向和负向影响，而脆弱性和模块化则有一定的负向和正向影响，分别对 CS 和 HQ 以及 WY 产生影响（图 7）。

（图片来自原文）

通过 RDA 分析揭示了 ES 对 HNS 耦合关系的响应。发现HNS网络属性解释了不同LC强度梯度下85%的ES变化（图8），其中网络连接性和密度对ES变化的解释能力最强（图8）。这表明LC强度主要通过改变HNS网络组件之间的耦合关系来影响ES。

（图片来自原文）

推荐人点评：

文章方法有效地克服了单个人类和/或自然驱动因素对 ES 的影响分析的局限性，支持全面了解不断变化的HNS中ES的维持机制。文章的研究将有助于指导从业者在不断变化的 HNS 中建立和维持人类福祉的可持续性。

声明

本推送内容仅代表课题组对文章的理解，不是对原文的翻译，请有兴趣的同学阅读原文。课题组水平有限，难免出现错讹，也请各位专家、同学批评指正。

原文请见：Hu B, Li Z, Wu H, et al. Coupling strength of human-natural systems mediates the response of ecosystem services to land use change. Journal of Environmental Management, 2023, 344: 118521.

来源：土地科学文献传递

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