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内蒙古农业大学生态水文与遥感大数据团队研究生在《Earth's Future》以第一作者发文

  • 2026-10-26 06:53:13
内蒙古农业大学生态水文与遥感大数据团队研究生在《Earth's Future》以第一作者发文

期刊:Earth's Future

期刊分区:中科院一区top

影响因子:8.2

第一作者:杨林

通讯作者:张圣微教授

发表时间:2026年2月

原文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025EF006636

文献介绍

研究背景

  在全球气候变化加剧与人类活动强度不断提升的背景下,流域生态系统正面临结构变化与功能下降的双重影响。作为黄河上游重要的粮食生产基地和生态安全屏障,河套灌区高度依赖灌溉农业,其生态系统服务供给与社会发展需求之间的矛盾日益凸显。在水资源持续约束、种植结构加快调整以及区域经济快速增长的背景下,如何系统刻画生态要素、社会要素与生态系统服务之间的动态耦合关系,已成为流域可持续发展的关键挑战。

研究方法

  生态要素主要影响生态服务供给,社会要素主要影响人类需求。供求关系描述了社会系统和生态系统之间的相互作用。基于此生态理论,研究构建了以生态系统为路径的要素-结构-生态系统网络框架,如下图所示。

图1 要素-结构-生态系统网络框架图。网络链路使用路径系数进行分级显示,供需关系通过供需比表达

  社会-生态网络的构建包括三个步骤:(a)根据研究背景与目的,选择合适的生态服务功能、社会要素和生态要素作为网络节点。(b)对2000-2020年,计算了生态要素对生态供给以及社会要素对生态需求的路径系数。路径系数可以有效表明多要素对生态服务的共同影响结果。(c)对节点和链接进行了网络组合,以创建网络的可视化。

研究结果

河套流域社会—生态网络在2000—2020年间呈现出明显的结构“解耦”趋势,主要指标动态变化如图2所示。网络密度由22下降至15,连通性由31下降至14,表明生态系统服务供需关系从多要素共同驱动逐渐转向单一主导因素控制。这种结构简化并不意味着系统更加稳定,反而表明社会发展与生态系统之间的反馈链路在弱化,关键要素对生态功能的影响趋于集中,其流域治理需从“多点分散管理”转向“关键节点精准调控”。
图2  2000-2020年网络主要指标动态变化。(a)为网络密度,(b)为网络连通性。
  种植结构是影响多重生态系统服务供需匹配的关键调控变量。研究结果显示,NDVI与种植结构在碳汇和粮食供需匹配中具有显著驱动作用,而水资源供需影响因素则由植被协同效应逐步转向降雨主导,反映出生态系统内部调节机制的变化。种植结构不仅直接影响粮食产出,还通过改变水资源消耗、碳储能力与生境条件,对多个生态功能产生联动效应。因此,结构优化比单一功能提升更具发展意义。通过科学调整种植结构,可在提升生态服务供给能力的同时,增强系统连通性与稳定性,实现社会发展与生态环境的协同演进。

图3  2000-2020年网络动态,网络链路通过路径系数表达,其中实线代表正向关系,虚线为负向关系。

  多源数据的集成与处理。研究选取了2000、2005、2010、2015、2020五个时间点。生态要素包括降水、气温、NDVI、NPP;社会要素包括人口密度、GDP、土地利用强度和种植结构。其中,种植结构数据是本研究的特色,研究团队利用Landsat影像,结合深度学习算法(多层感知机模型)和年际迁移技术,提取了30米分辨率的作物类型图,分类精度达89%

图4  2000年至2020年的网络动态,网络链接用路径系数表示,其中实线表示正关系,虚线表示负关系,线的粗细是路径系数的大小。(a)为2000年,(b)为 2005年,(c)为 2010年,(d)为2015年,(e)为2020年

生态系统服务(ES)的定量评价。研究利用InVEST模型计算了产水量(WY)、生境质量(HQ)和碳储量(CS)。食物生产(FP)则通过作物种植结构数据与作物NDVI值的空间化处理获得。为分析供需关系,引入了供需比指标(MD-SD)和供需协调指数(CD-SD)。MD-SD大于0表示盈余,小于0表示短缺;CD-SD趋近1表示供需高度协调。

图5 要素-结构-生态系统网络框架图。网络链接使用路径系数分层显示,供需关系用供需比表示

  构建要素-结构-生态网络框架。这是文章的核心方法论。研究采用结构方程模型(SEM)作为底层工具,使用R语言中的lavaan包进行运算。在模型中,社会和生态因子被设定为外生变量(Exogenous variables),而生态系统服务被设定为内生变量(Endogenous variables)。通过对数据进行标准化处理,利用最大似然估计法计算路径系数。这些路径系数不仅代表了影响方向,还直观地反映了影响程度,从而将复杂的社会-生态交互作用转化为可视化的网络连接。

  网络参数的动态演变分析。作者重点提取了网络密度和网络连通性两个指标。分析显示,水资源保育服务在早期受NDVI和降水共同调节,而后期降水成为主导因子。社会经济指标(人口、GDP)对需水量的影响逐渐减弱,网络密度从2000年的5下降到2020年的1,这证明了农业灌溉需水量与宏观社会经济增长的脱钩,即农业结构本身而非人口规模才是决定性因素。

  空间格局分析与政策启示。通过空间叠加分析,作者绘制了2020年各项ES的空间格局图。结果发现高值区多集中在东部和中部。通过路径系数排名,发现NDVI和种植结构对网络稳定性的贡献最大。这提示决策者,优化作物种植配比(如调控耗水作物面积)是实现流域可持续管理的最直接手段

图62020年河套地区生态系统服务及关键要素空间分布。(a)节水供给空间格局(WY);(b)是栖息地质量的空间格局;(c)显示碳汇供给模式(CS);(d)是食物供应的空间格局(FP);(e)为生态要素归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index)的空间格局;(f)为社会要素种植结构的空间格局

研究结论

  以河套所在流域尺度为研究区域,构建了以生态服务功能为桥梁的要素-结构-生态系统网络,探讨了2000 - 2020年河套区域生态及社会要素对生态服务的动态变化,并融入种植结构数据分析生态系统服务供需关系。研究表明,降雨等气象要素对生态供给关系的影响正迅速减弱。在此驱动模式下,社会生态网络表现出显著的解耦趋势。此外,在2000-2010年,以人口和国内生产总值为需求的社会要素发挥着重要作用,2010-2020年人口等社会要素对需求影响较小。在生态服务供需关系中,均表现出盈余,且碳源盈余量较大。种植结构以及土地利用强度表明,生态系统在2010-2020年逐年趋于稳定,但生境质量仍有0.32的退化程度。基于社会-结构-生态系统网络框架,将生态系统服务作为桥梁,为分析社会发展与生态环境协同发展提供了一个新的视角。研究为促进可持续发展提供了有效的参考和政策启示。

作者简介:杨林,硕士毕业于内蒙古农业大学,主要研究黄河流域河套灌区的种植结构与生态评估方法,已在《Earth’s Future》、《Journal of Cleaner Production》等期刊上发表3篇学术论文。现就读于武汉大学攻读博士学位。

END

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