人类活动改变了地球表面近75%，对景观产生了前所未有的影响。因此，将人类活动、景观格局和生态系统服务联系起来会更好地理解人类活动和生态系统服务之间的关系，以实现生态系统服务功能最大化。人们通常认为，只有消除所有人类活动，生态系统服务才能最大限度地发挥作用。然而，至少在旱地生态系统中，情况并非如此。在这里，人类活动强度的强弱被用来研究中国西北部干旱的桑干河流域在1990-2020年的30年土地利用变化中生态系统服务价值的变化。通过空间分析，以确定旱地生态系统服务的价值如何随着人类活动强度的变化而变化。逐步回归和线性规划模型也被用来研究如何优化生态系统服务的价值(即，调节服务，供给服务，支持服务和文化服务)。研究发现，桑干河流域的景观变得越来越支离破碎，人类活动逐渐加剧，但生态系统服务价值在过去30年中呈波动而不是线性下降。具体而言，人类活动与生态系统服务之间存在单峰关系。在中等人类活动强度下，生态系统服务价值的峰值为5799美元/年(即人类足迹指数在0.2 ~ 0.4之间，以1为尺度)。人均国内生产总值(GDP)、人口和用水量是人类活动和生态系统服务的三个最重要的驱动因素。研究结果表明，在流域尺度的长期土地利用变化中，中等的人类活动可能会使旱地生态系统服务最大化，并强调了调节经济发展、人口和水消耗对旱地生态系统服务管理的重要性。
研究区：
桑干河流域是中国西北新疆维吾尔自治区著名的内陆河流域（87◦47′E 88◦17′E，44◦09′N - 44◦29′N）。流域由三条河流组成，即桑宫河、西宫河和水磨河，它们都发源于天山，以水库为终点。该地区属于大陆性干旱温带气候，年降水量不足200毫米，其中25%为降雪。气温范围从冬季的41.5◦C到夏季的最高42.3◦C。年平均温度为6.6◦C。
数据来源：
本文使用了土地利用图、年平均净初级生产、主要道路、夜间照明和社会经济数据。
研究方法：
1、景观格局：本文选择了四个常见的景观指标(平均斑块大小，斑块数量，传染指数和香农多样性指数) ，以评估1990-2020年整个流域的总景观格局。
2、生态系统服务价值的评估：本文采用了包含三个步骤的等价因子法，即将生态系统服务的价值转换为美元。
3、人类活动强度：本文计算了人类足迹指数，利用土地利用强度、可达性、人口密度和基础设施这四种压力对人类足迹指数进行了评估。
4、统计分析：包括空间统计、逐步回归建模、线性规划建模和皮尔逊相关性。
研究结果：
1、1990-2020年土地利用、土地覆盖和景观格局变化
在过去的30年里，土地从草原转化为农田是土地利用变化的最明显的特征。由于农业的快速发展，大面积的草地被开垦，转化为农田；城市化导致了建筑用地的大量向外扩张；水库的建设和使用使水体面积扩大了三倍。
土地利用和土地覆盖变化增加了景观破碎化，景观连通性下降，景观破碎度上升。
2、1990-2020年人类活动强度和生态系统服务价值的变化情况
从1990年到2020年，人类活动强度增加。在流域中部，随着耕地面积的扩大，中等人类活动强度区逐渐扩大。北方远离城市，荒凉、人口稀少，人类活动强度低。相反，由于建筑用地的扩大和南方城市夜间照明的增强，高度和中度人类活动强度区的比例分别从0% 增加到10% 和1% 增加到14% 。
桑干河流域生态系统服务价30年平均值为4630美元。在空间分布上，生态系统服务中低值区的比例从29% 上升到45% ；相反，生态系统服务中高值区的比例从51% 下降到29% ，生态系统服务价值极低的区域逐渐向外扩张，其他区域的比例变化不大。就价值变化而言，1990-2020年期间，生态系统服务价值在3.97亿美元至4.03亿美元之间波动。2000年的评价最高，2015年最低(表 S4)。在过去的30年里，生态系统服务价值增长了100万美元，主要因素是草地向建设用地的转化(表 S5)。
3、不同人类活动强度下生态系统服务价值的变化
根据研究发现，生态系统服务的价值达到峰值对应人类活动强度处于中等水平(0.2 < 人类足迹指数 < 0.4)(图3)。在不同人类活动强度下，调节服务、供给服务、支持服务和生态系统服务价值的变化趋势呈倒 U 型曲线，它们的数值随着人类活动强度的增加先增加后减少。而文化服务的价值趋势呈“ U”型曲线。有趣的是，文化服务价值的 q 值也不同于其他价值。调节服务、供给服务、支持服务和生态系统服务价值的 q 值均大于0.9，表明人类活动是这些生态系统服务的主要驱动力，而非文化服务的主要驱动力(q < 0.6)。
4、对人类活动驱动因素的认识和优化
逐步回归模型的结果显示，人均GDP、人口和耗水量是主要的驱动因素，占人类足迹指数变化的98.62%（F = 352，P < 0.05）（表1）。这些驱动因素对人类活动强度有明显的积极影响。通过调整人类活动的驱动因素（即人均GDP、人口和用水量），我们可以使桑干河流域的生态系统服务价值最大化。图S2显示了生态系统服务最高价值时驱动因素的价值范围，由此可知，2020年的人均GDP为18,900美元，人口为36,800人，该流域的耗水量不应超过0.29×108立方米。
讨论：
人类活动通常会影响具有隐形效益的调节性或支持性服务，会增加一些供给性服务。然而，生态系统服务总价值的增加或减少取决于许多不同生态系统服务的叠加结果。
生态系统服务的最高值发生在中等人类活动强度期间。因此，保持人类活动的适度影响（如通过种植和灌溉等人工手段增加草原和森林面积）可以促进生态系统服务，而禁止所有人类活动或施加巨大的人类干扰（如城市化和过度开垦）则会抑制生态系统服务。
本文使用等价因子法，该方法忽视了同一土地利用类型的差异，使生态系统服务的单位价值只是一个近似值，具有不确定性。因此，在今后的工作中，可以进一步细分土地利用类型，并赋予不同的等值因子，以减少粗略分类带来的不确定性，实现对生态系统服务价值更准确的评估。
人类足迹指数是人类活动强度的良好指标，本文根据Theobald（2013）的模型计算人类足迹指数，并将其与夜间光照数据相结合，这种方法改进了以前的研究，但这种方法中的评分系统在一定程度上是主观的，这导致了不确定性。目前对这类问题还没有有效的解决办法，因此，如何更客观地评估人类足迹指数是一个需要解决的重要问题。
END
原文请见：Chen B, Jing X, Liu S, et al. Intermediate human activities maximize dryland ecosystem services in the long-term land-use change: Evidence from the Sangong River watershed, northwest China. Journal of Environmental Management, 2022, 319: 115708.
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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