喀斯特生态系统服务优化模拟与时空归因

来源：赛杰奥

过去近10 年，中国科学院地理科学与资源研究所高江波副研究员带领研究团队，在贵州喀斯特地区潜心研究，辛勤耕耘。该团队遵循生态系统结构—过程—功能—服务—福祉这一集成研究框架，系统研究了喀斯特地区土壤侵蚀、坡面产流、水源涵养、气候调节、植被固碳等生态系统服务，对多尺度山地水土时空耦合及其效应进行地理时空的定量归因。值得一提的是，该团队以科学哲学思维作为指导，从本体论视角辨识喀斯特生态系统服务研究的核心科学问题，从方法论视角创新和优化了通用模型在该区的应用，建构了刻画自然与人为要素相互作用、人地耦合系统互馈机制的方法和技术体系，提升了对喀斯特生态系统服务形成机理及其与人类福祉关系的认知水平。《喀斯特生态系统服务优化模拟与时空归因》 是该团队前期研究成果的一部分。十年一剑，实为上乘之作。

目前，我国强力推进生态文明建设，坚持“生态优先，绿色发展” 理念。贵州省正在实施“大生态” 战略行动，探索高质量发展新途径。加强脆弱生态系统研究，科学防治岩溶石漠化，是落实习近平总书记“两山” 理论的重大举措，也是西南喀斯特地区有序实施重大生态工程和持续加强生态治理战略的突破口。《喀斯特生态系统服务优化模拟与时空归因》 一书，对于指导该地区生态重建与恢复、实现区域可持续发展具有重要意义，是把论文写在中国大地上的典范之作。

提起喀斯特，或许人们首先想到的是发展落后、经济贫穷、少数民族、山地广布……但事实上，喀斯特地区壮美的自然景观近年来也吸引了大量游客。此外，这些地区不仅旅游业呈井喷式发展，其社会经济各行业在2010 年之后也都呈现快速增长态势，如我国南方喀斯特的核心区贵州2017 年GDP 增长10. 2%，增速连续7 年排全国前三位。而在学术界，生态脆弱(抵御外界扰动的能力)、石漠化(岩石裸露与生产功能衰退问题) 才是喀斯特地区最重要的标签。共抓大保护，不搞大开发，是习近平总书记提出的长江经济带大保护的重要内容。当前，国际上的Future Earth、IPBES 等重大科学研究计划均致力于推动生态系统服务研究，并倡导充分发挥生态系统服务在协调社会与自然系统方面的链接作用，但无论是喀斯特相关研究文献，还是该区生态工程评估报告均反映了基础研究落后于治理实践的现状，也反映了喀斯特地区生态系统服务研究的滞后及其支撑能力的不足。

▲生态完整性、生态系统服务及人类福祉互馈关系概念框架(Burkhard et al. ，2012)

生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用(Daily，1997)，它是通过生态系统的功能直接或间接得到的产品和服务。生态系统服务已成为当前生态学、地理学、经济学等诸多学科的前沿课题和新的增长点(Sutherland et al.，2006)。国内外有关生态系统服务的研究主要包括服务分类、相互作用、影响机制、价值化、人类福祉等内容。其中，服务分类是研究的基础，服务权衡/ 协同机制是研究的核心，耦合与提升人类福祉是研究的目标。由于生态系统复杂性、动态性和自适应性及受到多利益相关方的影响，尤其在异质性景观条件下，生态系统结构、过程、功能、服务间的传递关系尚不十分清楚。

我们认为，与其将生态系统服务理解为生态学问题，不如将其解读为地理学这一古老学科在当今人与环境矛盾突出的时代而衍生出来的新议题和新方向。这种认识来源于地理学思维和理论在生态系统服务研究发展中的指引性及其对该领域相关研究瓶颈的突破意义。这其中，人地关系无疑是生态系统服务的导向，指引了该领域前沿议题——级联效应的深化发展，地表过程与格局的耦合为生态系统服务研究奠定了坚实的理论基础，而空间异质性与多尺度特征更是突破生态系统服务研究障碍的重要思路。

20 世纪末至今，在中国不同类型区域，如生态脆弱区、城市群等，生态系统服务相关研究已经被推崇至极热的程度，最为典型的是，在黄土高原地表过程与服务格局的集成研究已经成为该领域的标杆成果。尽管如此，我国西南喀斯特地区在侧重过程的生态学与以格局研究为优势的地理学之间似乎仍存在鸿沟，二者的融合依然没有引起足够的重视。因此，《喀斯特生态系统服务优化模拟与时空归因》（高江波著. 北京: 科学出版社，2020. 6）一书从地理学综合研究出发，以生态过程为起点，以级联效应为桥梁，以地理时空归因为落脚，以期为推进喀斯特生态系统服务研究做一些贡献。

《喀斯特生态系统服务优化模拟与时空归因》全面介绍了作者课题组在过去近10 年间取得的喀斯特生态系统服务相关研究进展，一项系统性的研究必然由诸多细致工作集成，其中的核心逻辑是实现“小而不散”，这背后的支撑自然离不开科学工作者所需要的基本素养，即哲学思维和理论基础。哲学思维应该是本体论、方法论和认识论的有机组合，本体论即明确研究议题的本质，这是一项工作的出发点，方法论是实现创新的关键，也是达到对某一问题科学认识的必经途径，综合来说，就是要阐明研究什么、怎么研究、得到什么。同时，我们也非常明确地坚持了地理学过程-格局耦合理论，无论在土地利用、植被覆盖，还是生态系统服务及其定量关系等议题的研究中，都是遵循这一理论基础。

对于结构，我们全面分析了不同区域尺度土地利用与植被覆盖的时空异质性及其驱动机制，这项工作特别重视了宏观尺度上气候的控制作用和流域尺度上人类活动的直接影响；对于功能，遴选了喀斯特地区最为关键的三项生态系统服务，包括土壤保持、水源涵养、碳固定，并基于驱动-过程-效应的逻辑链接到结构部分的研究内容，重点在于解析这些服务在空间上的异质性和时间上的变异性，并进一步从区域尺度明确不同服务的主导因子及其演变规律。

▲不同年份喀斯特土壤侵蚀主导因子及其主导因子交互作用q 值

选取典型年份进行喀斯特土壤侵蚀的定量归因，统计因子探测器与交互作用探测器的结果。各影响因子对土壤侵蚀解释力大小排序为土地利用类型>坡度>降水量>海拔>岩性>地貌形态类型，且土地利用类型的q 值呈现上升趋势，坡度、降水量的q 值呈现下降趋势，地貌形态类型和海拔的q 值呈现轻微下降趋势。人类活动因子的q 值增加，自然环境因子的q 值降低，表明人类活动对土壤侵蚀的影响在增大。

2. 对于方法论，重点在于一些通用模型方法在喀斯特这一特殊地质地貌区域的适用性改进。

该区域的地上地下二元水文地质结构、石林出露的阻挡效应、重度石漠化无土可流等重要问题，极大地限制了模型方法在该区的适用性，也导致该区相关研究往往以小尺度观测和监测为主，区域尺度的研究进展缓慢。我们一直贯彻过程-格局耦合理论，通过多样化的途径去提升模拟性能，包括关键过程实验监测、大量文献参阅、数值计算优化等。对于RUSLE 模型，通过参数计算修正和高精度数据应用，重点解决了重度石漠化无土可流和石林出露的阻挡效应的问题；对于CASA 模型，主要是基础数据的精度提升和区域参数的替换；对于SWAT 模型，通过重点参数的敏感性分析和校准与调整，一定程度上解决了地上地下连通的问题，对于陆面模式，我们针对影响土壤水分模拟过程最为重要的导水率和水势进行数值优化，在显著提升精度的同时也提升了其区域应用性；此外，还拓展思维，将当前在生态系统服务权衡研究时所用方法侧重定性、全局的问题，提出基于不同方法优势去耦合参数以反映关系程度的同时考虑空间信息。

▲ 土壤侵蚀与产流量的二阶偏相关系数

3. 对于认识论，在生态系统服务方面，最显著的进展就是多过程、多服务、多维度的集成。

明确了相关研究对象的多尺度框架，发现在大尺度上，温度是喀斯特地区植被覆盖时空变异的控制因素，究其原因，该区降水量比较充足，热量反而因云层遮挡而起到更加重要的作用，但在流域尺度上，人类活动的影响非常显著，尤其在本底更为脆弱的石灰岩地区，生态系统响应土地利用的敏感性显著强于白云岩、碎屑岩及其互层和夹层区域。

▲2015 年三岔河流域主干流植被固碳量NPP 空间分布

在生态系统服务方面，我们发现土地利用是土壤侵蚀的主导因子，而且过去30 多年这种主导作用愈加强烈，也反映了从20 世纪80 年代末的长治工程，到90 年代末的退耕还林、天然林资源保护工程，以及21 世纪以来实施的两次岩溶治理工程所起到的作用；对产流量而言，地形因子是总径流与地下径流的主控因素，但对地表径流而言，上游海拔较高地区，植被覆盖较为重要，下游地区园地的广泛分布对地表产流影响深刻；在更为广义的水源涵养方面，石漠化显著降低了生态系统的功能，这其中最为重要的是，虽然总量增加，但是土壤水分涵养降低，水土流失风险增加；对于植被碳固定服务，植被覆盖度与温度是植被NPP 空间分布的显著控制因子，且因子之间的两两交互作用均能增强对植被NPP 空间分布的解释力，同时，研究发现地貌形态及其内部特征对植被NPP 的空间分布及环境因子对植被NPP 的解释力具有宏观控制作用，各个因子对植被NPP 空间分布的解释力及不同地貌形态类型区内因子的层间差异均随地貌特征的变化而显现出不同程度的差异性；而对不同生态系统服务的空间关系而言，不同环境因子梯度下生态系统服务之间的空间关系表现出明显的空间分异性，同时，地貌特征对生态系统服务之间的空间权衡关系具有宏观控制作用。因此，今后在以生态系统服务协同提升为目标的喀斯特石漠化治理工作中，应强调环境因子作用程度的空间差异及地貌形态特征的宏观控制作用。

将焦点对准人地关系系统，生态系统服务领域中的结构-过程-功能-服务-福祉这一集成研究框架，全面反映了人地关系系统的内涵，我们的工作相对而言更侧重于前端有关结构与功能的融合创新，但真正体现地理学所推崇的服务社会发展、满足国家需求、学以致用的精神，还需要在人地关系系统耦合这一宏伟框架下针对服务供需及其福祉关联等方面做出很多努力。这既包括自然科学里面过程研究的深化，同时也需要在集成模式和不同区域优化方案选择上做出出色的研究成果。而这也应该成为青年地理工作者需要不断思索、终身探索的有价值、有意义的事业。