以下文章来源于区域经济 ，作者张新悦 研读
地理空间视角下生态系统服务变化驱动因素研究:以中国山西省为例
1、引言
ESs的变化是多种因素共同作用的结果，包括自然、人为、气候和社会经济因素。ESs及其变化是由多种因素驱动的复杂过程。土地利用类型之间的频繁转换是导致生物多样性丧失和ESs供应下降的主要因素；而气候变化对59%的ESs产生了显著的负面影响，并且短期内负面影响将逐渐增加；城市化导致的景观多样化和碎片化对ESs也有显著影响；地貌因素也是流域尺度ESs变化的主要驱动因素之一，不同地貌区域ESs变化的主导因素不同。
此外，ESs对不同驱动因素的响应存在地理空间差异。因此，从地理空间角度分析ESs对各种驱动因子的响应，对于制定有针对性的植被恢复方案、优化生态系统管理具有重要意义。本研究的具体目标包括以下三部分：
(一)评估关键ESs及其变化;
(二)ESs变化空间变异的定量归因;
(三)分析ESs对不同驱动因素的综合响应及其空间差异。
2、材料与方法
2.1研究区
中国山西省位于华北平原西部，黄土高原东部。山西省属大陆性季风气候，时空温差大，是中国水土流失最严重的生态地区之一，植被退化和土壤质量退化严重。为了改善生态环境，实施了世界上最大的生态工程:退耕还林计划(GFGP)。在GFGP的推动下，植被覆盖度显著增加，土地利用类型发生了显著变化。加上气候变化，快速的社会经济发展造成了该地区显著的ESs变化。
2.2数据来源
2.3研究方法
2.3.1量化生态系统服务
本研究评估了碳储量(CS)、产水量(WY)、土壤保持(SC)、生境质量(HQ)和粮食产量(GP)以及总生态系统服务功能(TES)等5个关键ESs。并采用极差法将ESs的值标准化在0-1的范围内，所有ESs的标准化值被累积以获得TES。土壤侵蚀是山西省地形破碎化和生态环境退化的主要原因之一。因此，在流域尺度上探究土壤侵蚀生态系统的时空变化及其驱动因素是土壤侵蚀综合治理的关键。因此本研究利用ArcGIS 10.2获取了流域内不同类型的ESs和TES，分析了流域内ESs对驱动因子的综合响应。
2.3.2驱动选择和数据降维
研究选取了与ESs变化相关的4个驱动因子:人为因子、气候因子、植被因子和地貌因子。在spss中测试了所有变量的多重共线性，然后切割VIF大于7的解释变量，消除变量之间可能的多重共线性的影响。
本研究选取的人为因素包括土地综合利用变化动态程度、GDP、人口密度、建设用地占比、农田占比五个变量。气候因子包括年平均温度、实际和潜在蒸散量以及年平均降水量。植被因子包括EVI和植被覆盖度。地貌因素包括三个变量:海拔、坡度和坡向。由于ESs的变化值是根据2000年与2020年ESs的差值计算的，因此除地貌因子外，其他变量均以研究期间的变化值为基础。
本研究使用主成分分析方法计算了每个主成分因子的不同驱动因子，然后使用主成分的方差贡献率作为其权重。选择4个主要因素，计算各主成分的综合得分。
2.3.3地理探测器
地理探测器可用于探测空间变异并揭示潜在的影响因素，这些影响因素反映了同一区域内的变量相似性和不同区域内的变量差异。本文主要研究地理探测器模型中的相互作用和因子探测器。因子检测器用于分析自变量对因变量的解释程度。相互作用检测器是探究两个自变量的联合效应对因变量解释力是否会增加、减少或没有影响。自变量对因变量的解释力是通过比较q值的大小来获得的。
2.3.4多尺度地理加权回归
地理加权回归(GWR)在局部尺度上建立了自变量和因变量之间的回归关系(，有效避免了变量空间差异带来的误差。MGWR是GWR的改进版本，考虑了空间多尺度效应和异质性，并反映了ESs上的这些差异。
3、结果
3.1 ESs时间和空间变化
山西省土地利用类型以农田、森林和草地为主，占总面积的94.06%以上。2000 - 2020年，主要土地利用变化为农田向建设用地、草地和森林的转变。
由于CS主要受植被类型影响，其空间分布与土地利用相似，高值区分布在森林覆盖率较高的山区。在研究期间，CS的平均值增加了1.03%，其中，山西西北部为实施GFGP的重点区域，CS增幅最大。
WY由北向南逐渐增大。山西省东南部降水较多，WY值最高。研究期间，山西省WY值平均值下降1.36%。主要原因是大规模造林增加了蒸散量。
高SC区主要分布在植被覆盖度较高的东部和西部地区。较低的SC见于北部黄土丰富的丘陵沟壑区和南部河谷平原地区。
HQ的空间分布格局与SC相似，植被覆盖度的增加有助于HQ的提高。但研究期间城市化和道路网络的快速扩张对HQ的影响显著，导致HQ平均下降0.64%。
GP受耕地等多种因素的影响。尽管GFGP的实施导致了大面积的低生产力农田转化为森林和草地，农业技术的快速发展使平均GP增加了57.84%。
位于东南部、中部和西部的高植被区TES值较高。区域TES平均增长1.67%，增幅较大的区域主要集中在北部和西南部。总体而言，GFGP的生态效益明显，TES供给得到改善。
3.2 ESs变化分布的定量归属
因子检测器结果显示，各驱动因子对ESs变化的影响存在显著差异。气候因子在SC、HQ和CS变化的空间异质性中占主导地位，人为因素对WY空间变异的解释力最大(大于53.8%)。植被因子和地貌因子对GP变化影响显著，而TES变化的空间分异特征主要受植被因子和人为因子影响。相互作用检测器结果表明，多驱动因子的ESs影响大于单一因子的影响，且因子间的相互作用存在差异。
3.3 ESs变化驱动因素的空间变异性
驱动因素与ESs的地理空间关系存在异质性。空间自相关分析结果显示，本研究的驱动因素和ESs变化的Moran’s I值均大于0,P值均小于0.001，存在显著的空间正相关。利用MGWR模型识别不同驱动因素对ESs变化影响的空间分布。下表显示了OLS、地理加权回归(GWR)和MGWR模型之间的性能比较。调整后的R2值越高，说明解释能力和模型适合度越高。AICc值越低，说明模型越简洁，回归估计越可靠。与OLS和GWR相比，MGWR能更准确地反映这一现象。
MGWR模型用于分析驱动因素与ESs变化之间的地理空间关系。各驱动因子的相关系数反映了ES变化的空间响应。
局部R2在0 ~ 1之间表示解释力。本研究选取的4个驱动因子分别可以解释CS、WY、SC、HQ、GP和TES变化的61.9%、81.3%、97.1%、56.7%、81.6%和79.2%。
CS的变化主要受人为因素的影响。面积面积与人为因素呈显著正相关，且相关系数在北部地区较高。WY与人为因子呈显著负相关，西南地区相关系数较高;WY与植被因子呈显著正相关，南部地区相关系数较高。气候因子是影响SC变化的主要因素，且SC与气候因子之间存在显著的正相关关系，且研究区中部相关系数较高。气候和人为因素对HQ的负向影响显著，西部和西南地区相关系数较高。GP与植被因子呈正相关，其中东北地区相关系数较高，与其他因子呈负相关。TES的变化主要受人为因素和植被因素的影响。TES与人为因子呈显著负相关，且相关系数在西部较高，而TES与植被因子呈显著正相关，且相关系数较高的地区出现在中东部和南部地区。
4、讨论
4.1 植被恢复背景下ESs的变化
在GFGP的推动下，山西省土地利用类型发生了巨大变化，并对ESs产生了显著影响。
植被覆盖度显著增加，导致CS和SC显著增加。大规模种植非原生植被导致耗水量和蒸散量显著增加，这是WY下降的主要原因。植被恢复有助于提高HQ，但研究期间快速城市化和路网增长对HQ有显著的负面影响。GP受多种因素影响。GFGP的实施导致了低生产力耕地向其他土地类型的转变。迅速的农业技术的发展显著促进了GP 。总的来说，TES在研究期间有所改善。这表明，实施生态工程(如GFGP)对区域ESs供应具有显著的正向影响。
4.2 影响ESs空间分化的因素
植被恢复规划和生态系统管理需要识别导致ESs变化空间异质性的主导因素。研究结果表明，气候、人为、植被和地貌因子的交互作用对ESs变化的空间分异具有显著高于单一因子的解释能力。
人为因素主导区域ESs变化的空间分布。尽管人类通过改变生态环境或干预生态过程来改变ESs，但人类不仅是ESs的受益者。本研究选取的人为因素包括土地综合利用变化动态程度、建设用地占比、耕地占比、GDP、人口密度五个变量。这些变量是ESs供需变化的主要驱动因素。缓解人类活动对生态系统的负面影响是实现区域生态系统协调发展的关键。
4.3 ESs对驱动因素的综合响应
人类活动和气候变化对生态系统结构和过程的不利影响是ESs退化的主要原因。西部地区生态环境相对脆弱，对人类活动和气候变化较为敏感。因此，西部地区TES与人为因素和气候因素的负相关关系相对较强。
植被覆盖是ESs形成的基础，植被恢复有利于改善区域ESs供给。中东部和南部地区降水较大，有利于缓解大规模植被恢复带来的水资源冲突。因此，该地区TES与植被因子之间存在较强的正相关关系。
总体而言，本研究选择的驱动因子解释了大部分ESs的变化，且相关强度和性质在空间变化上存在显著差异。因此，减轻人类活动影响和提高植被覆盖度是提高区域生态系统供给的首要任务。
4.4 局限性和可持续发展管理建议
本研究提供了一种直接而灵活的方式来捕捉影响提供多个ESs的主要因素，但模型评估的不确定性是不可避免的。例如，InVEST模型在评估WY时忽略了地表水和地下水之间的相互作用。研究将土地利用分为七类，并假设每种土地利用类型都是同质的，这可能会忽略一些信息(如森林类型、作物类型等)，从而影响模型的准确性。模型评价的输入参数是基于前人的研究，这也可能给评价结果带来一定的误差。
建议根据不同地区生态系统变化的主要驱动力，制定相应的自然资本保护措施。中东部和南部地区注重提高植被覆盖度，西部地区注重减少人类活动的负面影响，同时优化植被恢复模式，缓解水资源冲突，提高对气候变化的适应性。此外，未来的生态系统管理、规划和决策应注重维持人类活动与植被恢复之间的平衡。这种有针对性的分区管理可促进可持续地供应公共设施。
研读人：河南大学2022级土地资源管理专业硕士研究生 张新悦
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