研究速递丨探讨不同生境破碎化过程对生态系统服务功能的影响
添加时间:2024-01-24 08:44:28 作者:董子宁 上海师范大学生态学专业 罗全欣 中国地质大学(武汉)土地资源管理专业
来源:复旦城市生态与暴露生态学研究组
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论文信息
标题:Exploring the influences of different processes of habitat fragmentation on ecosystem services.
期刊:Landscape and Urban Planning
时间:2022.8.26
作者:Dehuan Li, Yixuan Yang, Fan Xia, Wei Sun, Xiao Li, Yujing Xie
导读:本文以中国长江三角洲地区作为研究区域,量化了三个基本的生境破碎化过程和四种生态系统服务(ESs)的变化。结果表明生境破碎化对ESs的变化具有线性或非线性影响。并且4个ESs的变化与生境破碎化过程的关系不同。发现生境比例的下降是影响ESs的最重要因素,结合生境破碎化的非线性效应对于ES管理至关重要。
研究摘要:
探索影响生态系统服务 (ESs) 的因素对于保护生态系统服务至关重要。生境破碎化已被证明是对各种生态系统服务具有积极或消极影响的关键因素。然而不同生境破碎化过程的详细影响尚未得到深入探讨。本研究选择了中国长江三角洲地区作为研究区域,对三个基本的生境破碎化过程进行了量化:生境面积的减少、生境隔离度的提高和生境破碎化程度的增加、栖息地隔离的增加以及栖息地边缘的增加。采用广义加法模型和地理检测器来探讨不同破碎化过程对四种 ESs 变化的影响,结果表明不同的栖息地破碎化过程对不同的ES具有线性/非线性/综合影响,栖息地面积的减少是最显著的破碎化过程、碳储存和生境质量受到生境破碎化的显著影响;然而,生境破碎化与气候因素的关系更为密切。这些研究结果表明,在实际的生态系统服务管理和景观规划中整合破碎化的非线性效应可能是至关重要的。
1. 研究背景
生态系统服务(ESs)是连接自然生态系统和人类的关键桥梁。在过去的30年里,各种社会服务主题受到了高度关注和研究,例如社会服务之间的权衡和协同效应、各种ESs的供需关系、以及它们的影响机制。近年来,在快速城市化的背景下,景观变化、人口增长和经济发展等人为因素受到越来越多的关注。景观变化是影响ESs最关键、最直接的因素之一,因为它已被证明会显著影响各种ESs的供应、流动甚至相互作用。
研究表明,栖息地破碎化通过影响生物和物质的移动幅度、物种分布以及小区域的小气候条件直接影响生态环境,而这些都是生态环境提供的关键因素。生境破碎化还可以通过改变生物多样性水平间接影响生态环境,这一点已被全球实验证明。总体而言,栖息地破碎化如何影响不同的ESs仍然是一个复杂而有争议的问题。此外,识别不同生境破碎化过程对生态环境的不同影响对于景观格局管理和生态环境保护至关重要。
2. 研究区域
长三角位于中国东部,东经114°52′-123°25′,北纬27°03′-35°07′,包括上海、浙江省、江苏省和安徽省。面积35.8万平方公里,约占中国国土面积的3.73%。长三角拥有复杂的水网,平原、丘陵和山地。动植物资源丰富,主要植被为常绿落叶阔叶混交林。因此,该地区多样化的自然生态系统提供了多种ES。然而,近几十年来,长三角的景观格局在快速城市化的背景下发生了巨大变化,变得明显碎片化。
图1 研究区域的地理位置及土地覆盖类型
3. 研究方法
3.1. 生境破碎化过程评价
本研究选择了三个最基本的碎片化过程(面积下降,孤立度增加和边缘增加)展示了三种生境破碎化过程的具体例子(图3)。这三种破碎过程的详细说明如图3的右侧所示。这三种生境破碎化过程通过三个指标的变化进行量化:生境的面积比例(AP生境),栖息地中欧几里得最近邻的平均指数(ENN_MN生境)和栖息地的边缘长度(EL生境)。具体计算公式如表1所示:
图3 生境破碎化的三个过程示意图
表1 生境破碎化的三个过程计算
3.2. 生态系统服务评价
根据对景观格局或破碎化对生态环境影响的广泛研究和数据可用性,在我们的研究中选择了四种常见的具有供应、调节和支持ESs的指标(水量、土壤保持、碳储量和栖息地质量)。利用InVEST模型的相应模块,定量计算了流域的水量、碳储量和生境质量。水量的计算依据是Budyko曲线和年平均降水量。碳储量是指通过地上生物量、地下生物量、土壤和死有机质四个碳库测量的累积碳量。生境质量的计算基于特定土地利用类型的生境适宜性和对生物多样性的威胁信息。
3.3. 统计分析
3.3.1 广义相加模型
通过具有准二项分布的广义加性模型(GAM)检测栖息地破碎化过程与这些网格正方形中ES变化之间的关系。在GAMs中,被解释变量(Y)被假定服从正态分布。解释变量(X1, X2,…,Xn)与被解释变量(Y)之间的关系表示为:
3.3.2 地理探测器
使用地理探测器(Geodetector)分析生境破碎化过程对ES的影响之间的交互作用。评估潜在影响因素和解释变量之间的关系,而不考虑它们的详细形式和共线性,并探索它们之间的交互作用。X和Y的空间分布之间的相似性可以量化为行列式功率因数q,它是X解释Y的程度,范围从0到1。q值越大,关联越大。q的公式如下:
其中h = 1,2,…L表示因子x的地层。Nh和N分别为h层的样本数量和整个研究区的样本总数。SSW和SST分别是h层和整个研究区的方差和全局方差之和。
两个X (X1∩X2)对Y的交互作用可以通过比较q(X1∩X2)和q(X1)这两个因子叠加得到的q(X1∩X2)的值来量化。互动效果可以分为五类:
3.3.3 双变量空间自相关检验
双变量空间自相关检验用于探索三个因素(降水量、海拔高度和坡度的变化)和两个ES(产水量和土壤保持力)之间的空间关系。如果这两个变量之间存在显著关系,则它们在空间上是相关的。(采用莫兰指数):
式中xi:解释变量x所在网格邻接网格的属性值,yi为被解释变量y所在网格邻接网格的属性值,x和y分别为数据样本中所有x和y的属性值均值。wij是空间单元i和j之间的空间连接矩阵,Ixy的取值范围为0 ~ 1。
4. 研究结果
4.1. 2000-2015年长三角地区生境破碎化量化与制图过程
生境破碎化3个过程的分布及3个指标的变化(AP生境、 ENN_MN生境和 EL生境) 显示在地图的结果(图 4)。从2000年到2015年,AP减少的网格平方比例生境或ENN_MN增加生境或 EL生境分别占68.68%、30.80%和65.94%。表明从2000年到2015年, 长三角的许多生境变得更加分散。然而,网格方块中仍有一小部分生境在尺寸上增加,连通性得到改善,AP的增加表明了这一点。
图4 2000 - 2015年长三角3个生境破碎化过程的分布特征
4.2. 2000-2015年长三角生态系统服务功能时空变化
2000-2015年,含水量或土壤保有量增加的网格方块比例分别占73.83%和63.53%,碳储量或生境质量下降的网格方块比例分别占74.61%和65.37%。这些结果与其平均值的变化一致。比较生境破碎化和ES的指数变化, 碳储量或生境质量下降的网格方块主要集中在东部。这两个ES变化的空间分布与网格方块的空间分布相似,其中3个指数的变化表明生境变得支离破碎。这一发现与AP变异的分布特别一致。产水量和土壤保持变化的分布在空间上也是异质的。然而,南北两者均有所减少,中部地区有所增加,这与生境破碎化过程的分布不同。因此可以推断,生境破碎化可能与碳储存量和生境质量的下降密切相关,但与产水量和土壤保持率的变化具有复杂或微弱的关系。
图5 2000-2015年长江三角洲四个ESs的变化分布
4.3. 2000-2015年长江三角洲生境破碎化过程对生态系统服务功能的影响
4.3.1 生境破碎化过程对生态系统服务功能的影响
为了有效地比较不同生境破碎化过程的影响,选取了3种不同生境破碎化过程发生的网格方格。在剔除异常值并对数据进行归一化处理后,利用1059个样本检验了生境破碎化过程对生态环境指数变化的影响。
结果表明,三个生境破碎过程的变化对ES有显著影响,但是ENN_MN与碳储量变化之间的关联不显著。模拟曲线显示了不同栖息地破碎化过程与生态系统服务变化之间的线性/非线性/组合关系。为了直观地观察和解释生境破碎化过程与ES之间的关系,文章给出了生境破碎化三个指数和四种ES的变化散点图。三个生境破碎化过程与产水量和土壤保持呈正相关,与碳储量和生境质量呈负相关。
图 6 不同生境破碎化过程对ESs影响的GAM结果
4.3.2 生境破碎化过程对生态系统服务影响的交互效应
为了分析不同碎片过程对ES变化的潜在交互效应,应用了Geodector。结果示于图7。发现了三种类型的交互效应, 生境破碎化过程对ESs的影响在非线性形式中相互增强.此外,碎片过程的交互效果对于各种ES也不同。对于产水量和土壤保持,ENN_MN变化之间相互作用效应的q值生境和EL生境是最大的,交互效果主要是非线性的。相比之下,对于碳储存和生境质量,AP变化之间交互效应的q值生境和EL生境是最大的,交互效果主要是二元的。值得注意的是,AP的减少生境是影响碳储存和生境质量的最重要生境破碎化过程。然而,对于产水量和土壤保持,3种破碎过程的贡献差异不显著。因此,可以推断,与生境破碎化无关的其他因素可能对它们产生重大影响。
图7 生境破碎化过程对ES的交互效应的地理探测器结果
5. 讨论
5.1. 生境破碎化过程如何影响生态系统服务?
探索生境破碎化对生态环境的复杂影响机制,识别关键破碎化过程是相关科学研究和城市规划的关键问题。研究了2000-2015年长三角地区4个生态环境指数与3个生态环境指数的变化关系,利用GAMs分析了生境破碎化过程对生态多样性变化的非线性影响。根据我们的研究结果(图7),生境破碎化三个过程的影响曲线以及这些影响的交互效应都是非线性或部分非线性的。这些结果定量地描述了生境破碎化不同过程对生态环境的复杂影响及其相互作用,揭示了进一步研究生境破碎化的非线性效应对生态环境管理和景观规划的重要性。
了解生境破碎化的详细影响机制对生态环境的评估和管理至关重要。在我们的研究中,碳储量和生境质量的变化与生境破碎化过程高度相关,与AP生境的减少密切相关是最重要的过程。本研究结果表明,碳储量与AP生境和EL生境变异的协同效应密切相关。
表2 生境破碎化过程对间交互效应的q值
5.2. 为什么一些生态系统服务不受生境破碎化过程的显著影响?
生境破碎化对产水量和土壤保持变化的贡献微弱可能有两个原因。原因之一是生境破碎化的生态功能不同。另一个原因是不同生境破碎化过程的影响不同。由于生境破碎化是这些复杂过程的综合,不同过程的不同影响可能导致产水量和土壤保持对生境破碎化的复杂响应。由于这两个ESs的大部分变化不是由栖息地破碎化造成的,因此根据以往的研究,我们选择了其他影响因素,如气候(即降水变化)、地形(即海拔和坡度)和土壤性质(即土壤中粘土、沙子和粉砂的百分比)。采用双变量空间自相关检验检验这些选择因子与产水量和土壤保持变化之间的空间关系,并对比检验生境破碎化过程与产水量和土壤保持变化之间的空间关系(图8)。综上所述,生境破碎化可能对与土地利用密切相关的生态系统有显著影响,但对与气候密切相关的生态系统贡献较小。
图8 产水量/土壤保持变化与气候/地形因子之间的双变量空间自相关结果
5.3. 局限性及未来研究方向
● 研究区域的规模和所选择的网格正方形的大小一直是研究生态过程的关键问题,因为在不同尺度或不同大小的网格正方形研究中可能会获得不同的结果。
● ES的选择和计算细节值得讨论。在本研究中,选择了四个典型的ES。然而,还有许多其他ES,如授粉,害虫调节等,已被证明与栖息地破碎化有关。此外,我们研究了广泛使用的ES评估方法,其大部分参数是从参考文献中获得的,使用实地研究的参数可以提高ES评估的准确性。
●应改进探索生境破碎化影响的研究方法。在我们的研究中,将4种土地利用类型视为一种生境类型,以探索ES生境破碎化的整体规律。然而,将所有类型的栖息地组合成一种类型时,无法确定不同类型生境破碎化的影响。此外,应仔细控制可能对结果造成干扰的许多其他因素,包括气候,地形和植被类型。未来的研究应该考虑生境破碎化减少或没有变化的区域的影响作为比较。最后,我们研究中的GAM方法无法将解释变量的响应曲线的某些公式直接给出解释变量。可以进行更详细的测试,以检测生境破碎化影响的确切公式或控制点。
6. 结论 ● 由于生境破碎化与ESs之间的关系复杂,则有必要系统地探讨不同生境破碎化过程对ESs的影响。在本研究中,对四种生态多样性(ES)的变化规律和生境破碎化的三个基本过程进行了评价。研究发现,不同的生境破碎化过程对ES的影响既有线性的,也有非线性的,其效应在非线性的方式相互增强。对于碳储量和生境质量的ESs,生境破碎化过程对其变化有重要影响,其中AP生境的减少对这两种ES的变化贡献最大。相比之下,由于生境破碎化的影响,产量和土壤保留量的变化较小,但与降水密切相关。由此可以推断,生境破碎化过程对土地利用高度敏感的生态环境具有显著的复杂影响,而对气候因子相关的生态环境影响较小。 ● 总而言之,本研究为沿海地区的类似案例研究提供了科学参考,并提供了适用于其他典型地区研究的见解以及ES管理的进一步应用。在进一步的研究中,应尝试使用比本研究更详细的生境分类和局部参数来计算生态环境,以提高结果的准确性。还可以对其他典型地区或不同规模的勘探进行,以便为了解城市化不可逆转的发展下生境破碎化过程对生态系统的影响提供更多信息。
原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169204622001931 Li D, Yang Y, Xia F. et.al. Exploring the influences of different processes of fragmentation on ecosystem services. Landscape and Urban Planning 227, 104544(2023). https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2022.104544