2025-06-07
生态廊道有利于促进生物迁移和流动，改善生态系统服务，更好地维持生态平衡和人类福祉。本研究利用多源数据（气象、遥感和社会经济数据），构建了一个涵盖四大关键生态系统服务（ESs）的指标和模型体系，以分析汾河流域的空间格局；通过空间叠加分析生态系统服务之间的权衡/协同关系，并利用随机森林模型估算生态系统服务的驱动因素贡献；在此基础上，通过最小累积阻力（MCR）模型识别了现有的和规划中的生态廊道，并为生态廊道的优化提出建议。结果表明，吕梁山和太行山的森林提供了高质量的调节服务（水源涵养、土壤保持、水质净化、固沙）和支持服务（环境净化、生物多样性），分别比区域平均水平高出70.79%和50.28%。与区域平均水平相比，河谷耕地的供给服务超出62.46%，而某些未利用土地的文化服务增加了1.75倍。四大生态系统服务之间存在强烈的权衡关系，涉及面积占比为37.23%。自然因素在关键生态系统服务中起决定性作用，贡献率超过64%，尤其是地形和植被，贡献率为31.62%–65.38%。社会经济因素的解释力较弱（<27%），但人口和GDP的作用不容忽视。对于生态廊道建设，以汾河干流为主轴，以太行山和吕梁山为生态屏障，需要构建连接流域东西两侧的新廊道体系。本研究结果为中国生态可持续性政策的制定和实施提供了科学指导，并为全球生态敏感地区生物多样性和生态安全的提升提供了参考。
研究背景及意义
生态系统服务（ESs）是指生态系统为人类提供的各种利益，它们不仅满足人类生活的基本需求，还为社会发展提供了必要的支持。由于社会的快速发展以及自然资源的不可持续开发和利用，当前生态系统退化严重，生态系统服务功能减弱，土地退化、水土流失、水污染等相关问题对生态系统服务的稳定性和可持续性造成了不可逆转的损害。根据千年生态系统评估（MEA）的结果，地球上五分之三的生态系统服务目前正处于退化状态。对生态系统服务空间格局的评估有助于了解生态系统的健康状况，这是应对生态挑战的先决条件。明确生态系统服务之间的空间关系（尤其是权衡关系）及其主要驱动因素对于提出针对性的生态恢复措施至关重要。同时，生态系统服务研究可以有效识别生态热点和生态源，从而为在生态源之间开辟生态廊道奠定基础。因此，在了解生态系统服务的空间格局、复杂关系及其影响因素的基础上，识别生态源并开辟生态廊道，不仅可以保障生物的栖息和繁衍，提高生物迁移效率，还能增加基因交流，从而增强生物多样性这一关键生态系统服务功能，以维持生态系统的稳定性。
生态系统是一个复杂的系统，多种生态系统服务常常表现出权衡与协同关系。供给服务和调节服务通常存在内在的权衡。为了满足生存和发展的需求，人类通过毁林和开垦土地来增加产品供给，但调节服务（如土壤保持和水质净化）却因此减少，从而引发了许多生态问题。通过植树造林可以增强碳固存服务，但森林和草地的扩张会增加蒸散发，从而影响水资源的供给。因此，对单一生态系统服务（如土壤保持和碳储存）的评估往往忽视了不同服务之间存在的权衡和协同关系，从而阻碍了人类福祉的提升。
随着生态问题的日益突出，当前的研究集中在各种生态系统服务的动态变化及其相互关系上，研究方法也从简单的相关性分析转变为像素尺度上的空间叠加制图。在中国的黄河流域，杨等通过数值模拟定量评估了包括水资源供给和土壤保持在内的五项关键生态系统服务及其权衡和协同关系。闫等基于双变量局域空间自相关方法，研究了食物供给、栖息地质量、水资源供给、碳储存和固沙服务之间的驱动因素和空间复杂关系。在多种驱动因素的共同作用下，生态系统服务的发展动态呈现出多样性，导致权衡和协同关系在空间上的表现也各不相同。识别主要驱动因素对于理解生态系统服务演变的内在机制至关重要。在早期的研究中，主要采用空间相关性和地理探测器等统计技术。随着机器学习和空间大数据等前沿技术的兴起，随机森林模型因其在揭示影响因素的非线性作用和直观解释方面的固有优势，逐渐被应用于生态系统服务驱动因素的定量分析。基于随机森林模型，王等识别了自然因素和社会因素对珠江三角洲生态系统服务的长期影响程度和贡献率。刘等探讨了芜湖市生态系统服务之间权衡和协同机制的关键驱动因素及其非线性影响效应。识别生态系统服务的复杂空间关系和关键因素，可以有效确定区域生态系统内的关键区域（生态源区域），为合理构建生态廊道奠定基础。
作为保护生物多样性的新兴模式，生态廊道是生物迁移的阻力最小路径，对于维持生态平衡、连接生物栖息地和保护区域环境至关重要。当前的生态廊道建设大多基于“源-阻力面-廊道”的研究模型。最初，生态源的识别主要依赖于直接选择自然保护区，这种方法容易忽视空间异质性。随后，结合形态学空间格局分析（MSPA）和栖息地质量、生态系统服务价值、栖息地重要性等维度，可以有效避免上述问题。在阻力面构建方面，可以根据生态敏感性综合评估获得，并由专家分配权重来确定阻力因素。电路理论、最小累积阻力（MCR）模型等方法可以在确定生态源的基础上有效识别生态廊道。MCR模型可以直接反映生态系统的完整性和系统特征，由于其对数据要求简单、实施高效且结果明显，已成为最常用的廊道提取方法。
黄河流域是中国重要的生态屏障带，在经济和社会发展以及生态安全方面发挥着关键作用。近年来，生态系统质量退化和严重的水土流失极大地阻碍了流域的发展。汾河是黄河第二大支流，流经位于黄河流域中部的黄土高原。由于地形破碎、坡度陡峭以及河岸两侧松散的黄土，加上长期土地开发导致地表植被严重破坏，汾河上游面临着严重的水土流失问题，成为中国重要的水源涵养和生态保护区域。中下游地区人口密集，城市化水平高，经济发展迅速。在城市化进程中，过度开发和利用导致植被退化和生物多样性下降，煤炭行业的污染物排放以及化肥和农药的使用导致环境污染和生态系统健康受损，从而使汾河流域成为中国典型的生态脆弱区。
目前，学者们主要关注汾河流域的上游，通常评估一种或几种生态系统服务及其权衡或协同关系，针对单一生态环境问题进行研究。现有研究缺乏一个完整的指标和方法评估体系，无法涵盖汾河流域面临的全部生态问题。此外，生态廊道提取的初步尝试通常基于生态系统和自然保护区的现状。在廊道建设过程中，如果生态源的选择不符合政府的生态规划，就很难探索出可行的优化路径并制定有针对性的建设计划。鉴于汾河流域存在的一系列生态问题，包括水土流失、植被退化、水质恶化、生物多样性下降和生态系统健康受损，迫切需要建立一个涵盖整个流域和各种关键生态系统服务的完整评估指标体系，以开展生态系统服务动态演变、空间复杂关系和主要驱动因素的研究。此外，汾河流域在黄土高原生态廊道中发挥着重要作用。现有的生态廊道不足以维持生态平衡和生物多样性，亟需提出科学合理的生态廊道优化方案，以促进汾河流域生态系统与社会经济的协调发展。
本研究利用多源数据和多种数值模拟方法，在汾河流域构建了一个涵盖九种基本生态系统服务（包括供给服务、调节服务——水源涵养（WC）、土壤保持（SR）、固沙（SF）、水质净化（WP）、支持服务——碳固存（CS）、环境净化（EP）、生物多样性（BD）以及文化服务）的综合指标和模型体系。本研究的目标是：（1）揭示生态系统服务的空间格局及其背后的驱动因素；（2）阐明生态系统服务之间的相互关系；（3）根据生态系统服务热点分析和政府生态保护红线，分别提取现有的和规划中的生态廊道，并提出针对性的廊道优化建议。本研究将为中国生态和环境可持续发展政策的制定和实施提供科学指导，并为全球生态敏感地区维护生物多样性、确保生态安全和提升人类福祉提供参考。
研究结果
1.生态系统服务的空间格局
图3展示了2020年汾河流域供给服务、调节服务、支持服务和文化服务的空间分布格局。高供给服务（图3a）集中在运城盆地、太原盆地和临汾盆地，产品供给的空间平均值为75.04±0.92千克/公顷。下游地区主要提供粮食供给服务，其粮食产量是汾河流域平均水平的1.67±0.03倍。水源涵养（图3b）、土壤保持（图3c）、碳固存（图3f）、环境净化（图3g）、生物多样性（图3h）和娱乐服务（图3i）在太原盆地和临汾盆地较低，而在流域外围的吕梁山和太岳山较高。区域平均值分别为12.85±0.11毫米、1027.28±21.79吨/公顷、174.7±0.69吨/公顷、454.5±2.31克碳/平方米·年、0.58和0.04。高固沙服务（图3d）分布在太原盆地的外围，区域平均固沙量仅为0.54吨/公顷，服务水平在中游地区最佳。水质净化服务通过氮输出量（图3e）进行评估，河谷地区表现良好，而周边山区表现较差，区域平均值为1.05。特别是在森林覆盖率高的山区，氮输出量很低，水质净化服务表现良好。总体而言，上游、中游和下游的主要生态系统服务存在显著差异。供给服务能力下游>中游>上游；调节服务能力中游>下游>上游；支持服务能力上游>中游>下游；文化服务能力上游>中游>下游。
表4展示了不同土地利用类型提供的生态系统服务。在九种生态系统服务中，不同土地利用类型的服务能力存在差异，其中林地表现最佳，其次是草地、耕地、水域、未利用地和建设用地。林地主要分布在植被覆盖率高的吕梁山、太行山、太岳山、吕梁山等山区，通过植物截留作用在水源涵养、水土保持和氮元素吸收方面发挥作用，使得区域生物多样性较为丰富，栖息地质量优良。整个生态系统的稳定性和健康状况有利于调节服务和支持服务的发展。林地提供了高质量的水源涵养（WC）、土壤保持（SR）、固沙（SF）、水质净化（WP）、环境净化（EP）和生物多样性（BD）服务，其评估指标分别为54.24±0.52%、80.33±2.11%、66.67±2.22%、81.90±4.33%、50.56±0.38%和50%，均超过研究区平均水平。耕地对产品供给的贡献最高，超出研究区平均水平62.46±0.89%，但其水质净化服务表现最差。耕地土壤肥沃，水热条件充足，是粮食和棉花等经济作物的主要产区，主要分布在太原盆地、临汾盆地和运城盆地。同时，农业生产中过量的化肥投入导致氮输出量较高。未利用地的文化服务能力最强，是平均水平的2.75倍，为土地空间开发和规划提供了新的方向。吕梁山和太行山的森林和草地提供了高质量的调节服务（WC、SR、WP、SF）和支持服务（EP、BD），而河谷耕地提供了高产品供给。这些区域具有重要的生态功能，需要优先保护，为识别生态源和生态廊道提供了依据。
2.权衡/协同关系
汾河流域的四种生态系统服务的权衡与协同关系表现出明显的空间异质性，以权衡为主，协同关系较弱，几乎没有高协同区域（见图4和表5）。在流域面积的37.23%中，四种生态系统服务呈现出强烈的权衡关系，主要集中在流域的中部河谷地区，供给服务占主导地位。此外，在上游的吕梁山和云中山地区，支持服务（生物多样性、碳固存和环境净化）更为突出（图4a）。流域面积的35.02%表现出弱权衡关系，吕梁山和太岳山的影响较为明显。在吕梁山，调节服务、支持服务和文化服务较高，而供给服务较弱；在太岳山，支持服务和文化服务较高，而供给服务和调节服务较低（图4b）。高协同关系表明生态系统服务处于理想状态，这种区域非常少（仅占0.82%），且零星分布在流域两侧的山区。几乎没有区域的四种生态系统服务同时达到高水平，表明汾河流域的综合生态效益较低（图4c）。四种生态系统服务在流域面积的26.93%中表现出低协同关系，这些区域主要集中在人类干扰较为强烈的中上游地区（图4d）。
3.生态系统服务影响因素分析
自然因素是影响汾河流域生态系统服务功能的主导因素（见表6）.除水质净化（WP）外，自然因素的贡献率超过72%（在WP中自然因素占64%）。自然环境的健康和稳定是汾河流域生态系统服务发展的基础，反映了生态系统对自然环境的依赖性；而人类活动的干扰是次要的。
地形因素对供给服务的影响最为关键。高海拔山区地形复杂，土壤条件不佳，农业管理不便，农业生产能力有限。相比之下，汾河谷地供给服务能力较高。作物的生长和发育受水分、热量条件和植被指数（NDVI）的影响，这些是供给服务的关键自然因素。人口密度是主要的人类干扰因素，对农业、林业、畜牧业、渔业等产品的需求量大，对供给服务的要求也较高。
对于调节服务，固沙服务受气候因素（特别是风速）的影响最大，而水源涵养（WC）、土壤保持（SR）和水质净化（WP）受地形因素的影响最大。风速对固沙服务的贡献率为26.84%。风速越大，潜在的风蚀越严重，固沙量也越大。地形条件（数字高程模型DEM）通过影响地表水文过程（包括截留、洼地填充和下渗）对水源涵养和水质净化产生影响。土地利用因素（22.70%）对水质净化有显著影响。坡度（20.92%）通过影响地表径流和土壤侵蚀潜力对土壤保持起重要作用。在坡度较缓的地区，人类活动干扰强度大，植被覆盖度低，实际侵蚀量高，导致土壤保持能力降低。
在支持服务中，植被是影响碳固存和环境净化的最重要因素，其次是地形。植被指数（NDVI）可以在一定程度上反映植物生物量，植物通过光合作用将碳固定在有机物中。生物多样性主要受地形控制，由于人类干扰较少，吕梁山和太行山的生物多样性较好文化服务在汾河流域的空间分布主要受植被（40.04%）的影响，人口和GDP也对其产生显著影响。植被覆盖丰富的地区主要是森林或湿地保护区，能够提供高质量的休闲和审美体验。在经济发达、人口密集的地区，有大量的古建筑和“复合文化”，能够满足多样化的精神性和文化需求，提供无形的福祉。
4.生态“源-阻力面-廊道”的构建与识别
图5a展示了汾河流域生态系统服务热点和冷点的空间分布。冷点区域主要分布在太原盆地、临汾盆地、运城盆地和北部山区，占流域总面积的55.93%。这些区域工业和农业发达，城市中心众多，人类活动干预显著，生态系统服务相对较低，生态扩张阻力较大（见图5b）。热点区域仅占12.39%，主要集中在吕梁山、太行山和太岳山的广阔林地和草地，这些区域生态阻力值较低（见图5b），被识别为关键的生态源区域。汾河流域共识别出16个生态源，总面积为1755平方千米（占流域总面积的4.4%）。生态源主要集中在中游地区，其次是下游地区，最后是上游地区。汾河流域包含15条不同的生态廊道，总长度为1094千米，形成了连接流域南北地区的“蜂窝状网络”结构（见图5c）。目前，生态廊道数量有限且分布稀疏。上游地区（吕梁山、关帝山）地形陡峭，导致生态源斑块破碎化，给相互连接的生态廊道带来了挑战。中游吕梁山地区的短距离生态廊道相对密集，但与东部山区的连通性较差，不利于生物的迁移和流动。
研究展望
为解决汾河流域面临的诸多生态问题，构建了一个涵盖九种关键生态系统服务的评估体系。利用多源数据和数值模拟技术，分析了流域内关键生态系统服务的空间格局、相互关系及驱动因素。在此基础上，根据山西省“十四五”规划，提出了生态廊道的优化方案。九种生态系统服务表现出明显空间异质性。高质量的支持服务和调节服务分布在森林茂密、水资源丰富的吕梁山和太行山，而产品供给则集中在汾河谷地。生态系统服务之间以强权衡为主，涉及面积占37.23%，整体生态系统服务水平较低。驱动因素分析表明，人口密度（PS）、水源涵养（WC）、水质净化（WP）和生物多样性（BD）服务主要受地形（DEM）控制，其解释力均超过32%。植被指数（NDVI）是影响碳固存（CS）、环境净化（EP）和文化服务（EC）的主导因素，其解释力分别为41.10%、46.67%和40.04%。固沙（SF）服务主要受风速影响（解释力为26.84%），而土壤保持（SR）服务则受坡度的强烈影响（解释力为20.92%）。
未来的生态廊道需要通过分区优化。在上游地区，应建造人工栈桥连接静乐-汾河川等湿地。在中游地区，韩信岭自然保护区是向外辐射的生态源核心，应发展带状植被绿化。在下游地区，生态源核心位于中吕梁山，具有高水土保持服务能力，应修建廊道连接东部的太行山和南部的运城湿地。规划的生态廊道将提升生态系统服务水平，促进生态源的连通性，进而保护生物多样性并维护生态安全。
参考文献：Sheng Wang, Rui Zhang, Jinfeng Wang, Qing Li, Rende Wang, Yangrong Li, Lixing Zhang,Identification and optimization of ecological corridors in the middle reaches of the Yellow River Basin,Journal of Cleaner Production,Volume 512,2025,145676,ISSN 0959-6526.
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