一区Top(JCP) | 中国农业生态网络韧性的时空特征与分布动态演化

极端天气事件频发与生态环境持续恶化正加剧对中国农业生态网络的冲击，强化农业生态网络韧性因而成为吸收与化解外部扰动的关键杠杆。然而现有文献仍显碎片化：多数研究孤立地考察农业生态韧性或生态网络韧性，严重依赖定性叙事、单一尺度快照或静态指标，鲜有将二者整合至统一分析框架。本研究基于复杂适应系统理论，构建四维指数以量化2000–2023年中国农业生态网络韧性，并将马尔可夫链分析嵌入分布动态框架，追踪其时空特征演化过程。结果表明：（1）农业生态网络呈现显著的时空失衡。（2）农业生态网络韧性在时间序列上呈现W形波动趋势，空间上则表现出区域异质性与省际分层特征，整体分布格局为东中部高、西北低。（3）农业生态网络韧性的局部空间集聚特征表现为高值极化分布与低值连片分布。（4）核密度估计结果表明，农业生态网络韧性具有区域分异与梯度演化特征。（5）马尔可夫链分析结果证明，农业生态网络韧性具备全局稳定与局部转移相平衡的协同演化机制。本研究不仅拓展了农业生态网络韧性评估框架、扩充了评估样本并丰富了研究范式，亦对保障中国农业可持续发展具有重大意义。

本研究旨在系统量化并揭示中国农业生态网络韧性的时空演化规律与分布动态特征。研究流程遵循复杂适应系统理论指导，首先整合2000–2023年多源地理空间数据，通过形态学空间格局分析方法识别农业生态源地，并引入斑块重要性指数筛选核心斑块；继而采用空间主成分分析构建综合生态阻力面，运用电路理论模拟生物流迁移过程以提取农业生态廊道，从而构建完整的农业生态网络；在此基础上，从网络复杂性、中心性、效率性与集聚性四个维度构建农业生态网络韧性评估指标体系，实现韧性水平的定量测度；最后，嵌套探索性空间演化分析、核密度估计与马尔可夫链模型，从全国及不同农业可持续发展规划区双重视角，系统解析韧性的时空分异、动态转移与协同演化机制，为农业生态治理与风险防控提供理论严谨且可操作的分析框架。

研究区域涵盖中国31个省级行政区（含省、自治区与直辖市），覆盖优化发展区、适度发展区与保护发展区三大农业可持续发展规划类型区。研究数据主要包括：土地利用与土地覆被数据（分辨率为30米×30米，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心）、数字高程模型数据（分辨率为30米×30米，来源于地理空间数据云）、归一化植被指数数据（分辨率为30米×30米，来源于国家生态科学数据中心）以及道路交通数据（矢量格式，来源于开放街道地图）。上述数据时间跨度为2000年至2023年，构成构建农业生态网络与评估韧性的基础数据库。研究通过统一坐标系统、重采样与格式转换等多源数据融合处理，确保时空分辨率一致性与跨年度可比性，为长时序、多区域的系统性分析提供坚实的数据支撑。

3.1 农业生态网络构建与分析

本研究遵循农业生态源地识别—阻力面构建—农业生态廊道提取的研究框架，运用地理信息系统软件ArcGIS 10.8在全国尺度构建农业生态网络，结果如图2所示。从农业生态源地视角看，时序上2000至2023年农业生态源地面积呈现明显的阶段性波动与不平衡演化特征，其中2005与2008年间差异显著，而2018年后趋于稳定并呈现积极发展趋势；空间分异上东南呈现高密度低连通特征，西北表现为低密度破碎化，凸显区域协调发展的重要性。综上，农业生态网络呈现显著时空失衡，需通过差异化政策统筹农业源地保护与廊道连通性的系统关系，尤其应加强东南地区网络效率建设与西北地区结构完整性。

3.2 时空演化分析

3.2.1 时间演化特征

为探索农业生态网络韧性的时间演化特征，本研究基于上述计算结果绘制时间演化图，如图3所示。图3显示2000至2023年农业生态网络韧性呈现W形波动特征，具体表现为2000年0.533至2008年0.520至2013年0.530至2018年0.513至2023年0.516，该波动轨迹揭示了系统内在的生态脆弱性，表现为对外部扰动的高度敏感性，亦反映了多重要素扰动的复合叠加效应。总体而言，农业生态网络韧性呈现W形波动趋势，具有显著的区域异质性、分层特征与省际发展状态差异，但中国大部分地区未来强化农业生态网络韧性仍具巨大潜力。

3.2.2 空间分异特征

为更直观观察农业生态网络韧性的空间分异特征，本研究采用自然断点法将韧性水平划分为五类，并绘制2000年、2013年与2023年三个时间点的空间分异图，如图5所示。农业生态网络韧性呈现显著的区域差异特征，整体呈东中部高、西北低的分布格局。具体而言，高韧性区主要集中于华南沿海及部分华东地区，低韧性区主要分布在东北平原与西北地区。

3.2.3 空间集聚特征

本研究采用反距离空间权重矩阵对2000至2023年农业生态网络韧性进行空间自相关分析。全局莫兰指数检验结果显示，除2010、2013、2015与2020年外，其余年份莫兰指数均在10%显著性水平下显著，表明研究期内农业生态网络韧性存在显著的空间依赖性。值得注意的是，莫兰指数不显著仅说明在全国尺度不存在空间自相关，但不能排除局部区域存在空间相关的可能性。为深入揭示空间异质性特征，本研究进一步计算局部莫兰指数并通过局部空间自相关指标聚类分析检验局部区域的空间自相关性，如图6所示。

3.3 分布动态演化分析

3.3.1 不同农业可持续发展规划区下的时间动态演化特征

核密度估计常用于在总体分布形式不确定条件下估计随机变量以分析动态演化特征。因此，本研究采用核密度估计分析全国及三大可持续发展规划区农业生态网络韧性的分布动态演化，如图7所示。从分布位置看，全国、优化发展区与保护发展区的核密度曲线均呈现左移趋势，表明整体韧性水平下降，其中保护发展区左移幅度较大，说明其韧性强化过程相对滞后；适度发展区呈现独特的右移特征，反映该区域韧性建设成效显著。从分布形态看，全国、优化发展区与保护发展区呈现峰谷交替波动模式，曲线高度下降而宽度增加，表明区域间绝对差异扩大而相对差异缩小；适度发展区曲线斜率趋于平缓且宽度扩展，表明区域内部均衡发展趋势。

3.3.2 传统马尔可夫状态转移的时间特征

为进一步探索农业生态网络韧性的内部流向与结构演化特征，本研究采用四分位数将31个省级行政区韧性水平划分为低水平、较低水平、较高水平与高水平四类，时间跨度设为1年与2年，获得农业生态网络韧性的传统马尔可夫转移概率结果如表3所示。表3显示，在传统马尔可夫转移概率矩阵中，主对角线转移概率普遍显著高于非对角线，且主对角线剩余概率值未超过50%，表明在不考虑空间因素影响下韧性水平具有稳定性。随着时间跨度增加，高韧性区的维持概率呈上升趋势，而其余主对角线概率值呈下降趋势，表明流动性逐渐增强。综上，农业生态网络韧性呈现整体稳定性、局部流动性与缓慢演化三大动态特征。

3.3.3 空间马尔可夫转移的动态演化特征

基于邻接空间权重矩阵构建，本研究采用空间马尔可夫链分析方法进一步探索农业生态网络韧性的空间依赖效应及其动态演化特征。首先，不同时空跨度下四类空间滞后类型的转移概率矩阵存在显著差异，表明邻省韧性水平的异质性显著影响本省韧性状态转移的概率分布，尤其在二类滞后条件下主对角线概率并非总是大于非对角线，有效突破了区域发展的俱乐部收敛锁定效应。其次，邻省农业生态网络韧性对周边省份向上与向下转移的概率具有不对称性，表明空间溢出效应呈现明显不对称特征。第三，不同滞后类型对同一水平的影响不同，高水平滞后类型下低水平向低水平转移的概率显著大于低水平滞后类型。最后，同一滞后类型对不同水平的影响亦存在差异，以1年时间跨度为例，在较高水平滞后条件下，低水平、较低水平与较高水平实现向上转移一级的概率分别为35%、21.7%与39.1%，表明转移概率不仅受滞后类型影响，亦需考虑农业生态网络韧性初始等级的作用。

本研究量化揭示2000–2023年中国农业生态网络韧性呈W形波动与东中部高、西北低分异格局，发现高值极化与低值连片集聚特征，证实全局稳定与局部转移协同演化机制。研究创新性地构建结构—功能双重视角下四维韧性评估体系，拓展了省域尺度长时序研究范式，为农业生态网络治理提供理论支撑。然而，研究在数据精度、三维景观过程量化及生态效应评估方面尚存局限。未来需融合高分辨率遥感与实地监测提升数据精度，引入三维地形与植被结构参数增强模拟真实性，并定量评估韧性变化对碳汇、水源涵养等生态服务功能的影响，以支撑“双碳”目标下农业生态系统可持续管理决策。

这篇文章《中国农业生态网络韧性的时空特征与分布动态演化》由Jing Jiang、Lingyan Xu等人撰写，发表于《Journal of Cleaner Production》2025年第535卷，系统揭示了2000–2023年中国农业生态网络韧性的多维度演化机理与分布动态规律。以下是对文章的点评与总结：

研究创新性

结构—功能双重视角耦合：作者首次将网络复杂性、中心性、效率性与集聚性四维指标纳入农业生态网络韧性评估，突破传统单一维度局限，构建“结构—功能”二元量化框架，将韧性研究从定性叙事提升至系统测度新高度。

省域尺度系统性分析：通过31个省级行政区样本拓展，打破既有研究聚焦城市群或流域的局限，建立“国家—区域—省域”三级分析范式，为宏观农业生态安全格局研判提供可复制的尺度扩展模板。

长时序—多方法嵌套：融合2000–2023年长时序数据，将探索性空间演化分析、核密度估计与马尔可夫链模型耦合，构建“格局—过程—机制”一体化分析框架，实现韧性演化动态追踪与转移概率精确测度。

方法论贡献

形态学空间格局分析与斑块重要性指数协同：以形态学空间格局分析方法提取初始源地，并引入斑块重要性指数客观筛选核心斑块，解决了源地识别中阈值主观设定的难题，提升了源地提取的科学性与准确性。

空间主成分分析赋权：采用空间主成分分析对土地利用、坡度、归一化植被指数、数字高程模型及道路距离等多阻力因子进行降维与权重计算，有效克服信息冗余，增强阻力面构建的客观性。

电路理论模拟廊道：运用电路理论模拟生物流在异质景观中的迁移路径，通过联动制图工具提取农业生态廊道，较传统最小成本路径方法更能反映物种随机扩散与多路径选择特征。

空间马尔可夫链拓展：在传统马尔可夫链基础上引入空间权重矩阵，构建空间马尔可夫转移概率矩阵，量化邻域状态对本地韧性转移的影响，揭示空间溢出效应与区域协同演化机制。

实际应用价值

农业生态安全屏障诊断工具：研究识别出湖南、湖北等低韧性高风险区及京津冀等高值集聚区，为精准定位农业生态网络脆弱节点、优化“山水林田湖草沙”一体化保护修复工程布局提供空间显式决策支持。

差异化区域调控策略依据：揭示优化发展区、适度发展区与保护发展区韧性演化分异规律，证实适度发展区建设成效显著而保护发展区相对滞后，为分类施策、分区管控的农业生态政策设计提供科学依据。

韧性提升路径参考：通过马尔可夫转移概率分析指出高韧性区维持概率随时间跨度增加而上升，为制定长期韧性提升规划与短期应急响应策略提供量化参考。

研究局限性与未来方向

数据分辨率与精度约束：30米分辨率土地利用数据在捕捉细碎田埂、小型水体等微观景观要素方面存在局限，可能低估网络连接度。未来需融合10米级哨兵二号卫星影像与无人机航拍数据，提升源地与廊道识别精度。

三维景观过程缺失：当前阻力面构建仅考虑二维地形与地表覆被因子，未纳入建筑高度、植被垂直结构、风廊道等三维参数，限制了生物流在立体空间扩散模拟的真实性。下一步应引入三维景观生态学参数，增强模型物理机制。

生态服务功能反馈未量化：文章聚焦空间格局与韧性状态转移，尚未定量评估韧性变化对碳固存、水源涵养、生物多样性维持等关键生态服务功能的直接与间接影响。未来需结合涡度相关通量观测与生态系统服务模型，量化韧性—服务耦合反馈机制，为“双碳”目标下农业生态系统管理提供直接参数。

驱动力动态解析不足：虽识别出韧性时空分异格局，但对气候变化、政策干预、市场波动等驱动因子的动态贡献率与交互效应缺乏深入解析。建议采用时空地理加权回归或最优参数地理探测器，揭示驱动力时空异质性及其非线性转换阈值。

总体而言，该研究以“结构—功能—过程—机制”为主线，为理解并提升农业生态网络韧性提供了跨学科方法体系与决策支持平台，其创新性与可操作性对全球气候变化背景下集约农区的生态安全格局构建与可持续管理具有重要借鉴意义。

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.147071