【文献推荐】黄河流域生态系统服务流与社会生态相互作用的跨尺度耦合

知自然

作者

随着对人类和自然耦合系统（CHANS）中生态系统服务（ES）生成和利用范围的研究不断扩大，许多研究表明，生态系统服务的时空动态受到人类活动的管理和影响。然而，关于空间流动过程中社会和生态因素之间的双向耦合如何影响生态系统服务的研究不足，特别是在跨尺度影响方面。为了填补这一研究空白，Ji Qiulei等人以黄河流域为重点，使用网络模型跟踪2000年至2020年每年的生态系统服务流（ESF）的空间动态以及流域内生态系统与社会经济系统之间的相互作用。相关成果在Journal of Environmental Management发表。

研究意义

研究利用网络模型追踪了2000年至2020年间黄河流域内部子流域间的ES流和生态与社会经济系统间的相互作用，揭示了子流域与更大区域流域间的跨尺度影响和反馈过程。研究发现，随着子流域内淡水、土壤保持和粮食ES的供需比增加，更多的剩余ES在子流域间流动，这不仅缓解了整个流域ES供需的空间错配，还增强了流域ES流网络的连通性。此外，ES的级联转移和积累对当地的社会-生态系统相互作用产生了反馈，子流域的社会经济因素和ES产出能力越来越依赖于外部ES流入。这些发现强调了ES流在黄河流域社会-生态系统中的关键作用，并指出了跨区域合作和跨尺度管理策略在优化ES供需关系中的重要性。研究结果不仅加深了对ES空间流动特征及其社会-生态系统相互作用的理解，而且为大型河流流域甚至更大区域生态系统的研究提供了分析方法。

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研究方法

研究区域（图1）位于黄河流域，是中国第二长河和世界第六长河，总面积约为64×10⁴km²，横跨陕西、山西、内蒙古、河南、青海、宁夏和甘肃七个省份。

图1.黄河流域的位置

2.1.生态系统服务评估

（1）淡水生态系统

利用InVEST模型，基于Budyko曲线和年平均降水量，对1km分辨率的淡水供给栅格数据进行评估。

（2）土壤保持生态系统

土壤保持生态系统是指防止由于生态系统的侵蚀控制能力而导致的土壤流失。使用RUSLE模型来计算土壤侵蚀。公式如下：

(3)粮食生态系统

为了表示粮食生态系统的供求关系，我们对黄河流域中谷物的生产和消费进行了栅格化。

2.2生态系统服务流网络建设

利用网络（图2）来阐明上游和下游子流域之间的复杂联系。

图2.a.基于水文流模型的生态系统服务流评估；b.基于断裂点模型的生态系统服务流评估。在 b 中，一个Ast是从源到目标的辐射面积；Rst是从源到目标的辐射半径；Dst是从源几何质心到目标几何质心的直线距离；ms和mt分别表示源和目标的生态系统服务供应值；Ist是从源到目标的平均辐射强度；Fst是从源到目标的ESF；k是空间传递系数。

2.3社会生态互动网络建设

使用 R 中的“minet”包来构建一个 MIN，其中包含子流域中的本地 ES、子流域中的当地经济、流入子流域的 ES 和子流域的 ES。

2.4网络分析

使用网络的几个统计特性分析了研究中的两种网络（ESFN 和 MIN）

主要结果

3.1. 黄河流域生态系统服务流动态

黄河流域经历了ES容量增强和ESF增强的过程，ES供需的空间差异得到缓解。这些改进不仅归因于本地ES供应的增加，还归因于ES的空间流动。

图3.黄河流域生态系统服务流网络的时间动态.a、b和c分别显示了淡水ES、土壤保持和粮食ES的生态系统服务流网络（ESFN）指标的时间动态；d、f和h分别显示了2000年和2020年淡水ES、土壤保持ES和粮食ES的ESFN，ESFN中的红色节点表示相应子流域中ES的正静态盈余，而黑色节点表示ES的负静态盈余;箭头的方向和颜色表示ESF的方向和流量。

3.2. 子流域尺度上社会经济因素与生态系统服务之间的相互作用

图4表明，子流域的社会经济发展和子流域之间的级联关系更多地依赖于ESF。

图4.黄河流域社会生态互信息网络及其时间动态.a 2000—2020年黄河流域年度社会生态互信息网络；b给定子流域内社会生态相互作用的概念图；c-i每年社会生态互信息网络中不同类型相互作用强度的时间动态;红线和阴影分别表示广义加性模型的拟合区间和95%置信区间。

社会生态相互作用网络表明，从2000年到2020年，社会经济系统要素与生态系统之间的耦合强度持续增强（图5c和e）。此外，MIN 结构的复杂性增加：密度增加，传递性增加，接近中心性增加，聚类系数增加，平均最短路径减少（图5a、b、d、h和i）。这些发现表明，在子流域尺度上，随着人类社会经济活动与生态系统之间的耦合关系随着时间的推移而加强，相互耦合的路径和模式变得更加广泛和复杂。

图5.年度尺度上社会生态互信息网络指标的时间动态。红线和阴影分别表示广义加性模型的拟合区间和95%置信区间。

3.3. 社会生态相互作用与生态系统服务动态之间的跨尺度影响

从跨尺度影响的角度来看（图6b），随着整个流域ES的静态供需冲突得到缓解，每个子流域的剩余ES流向更广泛的地理区域，提高了ESFN在区域尺度上的连通性。此外，ESFN中ES的级联传输和积累产生了进一步的反馈，影响了ES的空间分布模式，使得下游地区消耗的上游ES比例增加。流域尺度的这种影响和反馈过程也与子流域尺度的社会经济系统相互交互。

图6.社会生态相互作用与生态系统服务动态之间的相互关系。a.生态系统服务（ES）流量动态和社会生态相互作用与ES供需之间的显著相关性（p<0.05）；粉红色箭头表示正相关，蓝色箭头表示负相关。b.社会生态相互作用对es流动的影响以及对 es="">

讨论

4.1. 黄河流域生态系统服务的积极变化

研究揭示了各种ES动态的积极变化，突出了流域规模管理和环境政策对当地生态系统的有益影响。例如，黄土高原中部丘陵地区多种（淡水、土壤保持和粮食）ES盈余的高增长。

4.2. 生态系统服务的跨区域流动及其跨尺度影响

本研究揭示了增强生态系统服务的跨区域流动有助于缓解供需失衡问题，YRB中的淡水、土壤保持和粮食ES表现出独特的动态特征。静态SDR和资源调配（如南水北调工程）对低盈余区域尤为重要，而粮食ESF需适应生产与消费的不匹配，通过网络优化提高动态平衡效率。此外，高流量ESF满足YRB日益增长的社会经济需求，并通过河流连通性与系统分级联动优化生态系统功能，验证了精细尺度下的CHANS动态与ES管理的有效性。

4.3生态系统服务流复杂性带来的机遇和挑战

ESF在YRB中紧密连接人类社会与生态系统，其复杂的时空耦合优化了局部子流域的资源利用与管理，减少了资源浪费并提高利用效率，同时增强了流域系统的韧性。然而，高度耦合性也带来挑战，本地问题如干旱或污染可能通过高流量ESF在更大区域传播，增加生态压力和社会经济冲突，威胁流域的可持续发展。

4.4. 本研究的未来研究重点和局限性

本研究表明ESFN结构变化复杂，现有指标难以全面捕捉其特性。未来研究应聚焦CHANS耦合强度和复杂性对流域生态安全与社会经济稳定的影响，特别是在极端气候事件下高耦合系统的风险传播或韧性表现。此外，还需探讨ESFN复杂性如何影响流域供需格局，以及流域内局部极端变化对整体的影响。研究局限性包括时间跨度有限、空间流动影响因素未完全分析，以及模型假设可能带来的不确定性，但仍为跨尺度耦合与管理改进提供了宝贵方向。

小编思考

该研究以黄河流域为例，揭示了生态系统服务流在不同尺度上的动态变化及其与社会-生态系统相互作用的复杂关系。通过追踪2000至2020年间流域内子流域间的态系统服务流，发现随着子流域内生态系统服务供需比的增加，更多的剩余服务在流域间流动，缓解了供需的空间错配，并增强了网络的连通性。这种跨尺度的耦合关系强调了在制定流域管理策略时，需要考虑到不同区域间的相互依赖性和潜在的连锁反应。此外，研究还指出了高度耦合系统可能带来的风险，提醒我们在追求区域发展的同时，也要警惕可能的生态风险和冲突。

编者声明：本推送内容仅代表编者对于文章的理解，请有兴趣的同学阅读原文，也请各位专家、同学批评指正。

原文出处：

Ji Q ,Feng X ,Sun S , et al.Cross-scale coupling of ecosystem service flows and socio-ecological interactions in the Yellow River Basin.[J].Journal of environmental management,2024,367122071.

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本期编辑：韩彬瑶

责任编辑：臧泽煊

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发布于 2024-11-18 10:29:55

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