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沈阳农业大学发文!中国东北黑土区多尺度景观格局对耕地生态系统服务的阈值效应

  • 2026-10-11 06:47:17
沈阳农业大学发文!中国东北黑土区多尺度景观格局对耕地生态系统服务的阈值效应
            • SCI期刊: Ecological Indicators

            • 英文题目: Threshold effects of multi-scale landscape pattern on cultivated land ecosystem service in the Northeast Black Soil Region of China

            • 中文题目: 中国东北黑土区多尺度景观格局对耕地生态系统服务的阈值效应

            • 发表时间: 2025年10月23日

            • 文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2025.114298

            🌍 研究背景

            耕地系统既是粮食安全的基础,也是生态可持续性的重要支撑。然而,在集约化农业区,耕地生态系统服务(CLESs)之间的权衡与协同机制仍不清晰。中国东北黑土区是世界四大黑土区之一,过去四十年高强度耕作和过量投入导致有机质下降、酸化、侵蚀等严重退化问题。该区域面临“保障粮食高产”与“遏制生态恶化”的双重挑战。耕地系统实际上是由耕地与周边非耕地生境(林地、草地、沟渠等)共同构成的生态经济复合体,景观格局(组成与配置)如何通过阈值效应影响多尺度下的CLESs关系,是目前科学研究的薄弱环节。

            🎯 研究意义

            本研究首次在县域和网格(20 km×20 km)双尺度上,系统量化了黑土区耕地生态系统服务之间的权衡/协同关系,并引入自组织映射(SOM)识别服务束,进一步利用随机森林(RF)和多变量回归树(MRT)揭示了景观格局指标对CLESs的非线性阈值效应。研究发现:服务交互具有显著的尺度依赖性——县域尺度上粮食生产(FP)与生境质量(HQ)、碳固持(CS)呈权衡,但在网格尺度转为协同;景观水平指标(连通性、多样性)主导县域尺度,而斑块水平指标(斑块形状、比例)主导网格尺度。研究还定量给出了关键阈值(如ENN_MN≥0.464、PAFRAC≥0.941、草地比例>18.1%等),为黑土区耕地保护从“数量管控”转向“生态功能协同优化”提供了可操作的空间调控规则,对实现可持续农业和SDGs(2、6、11、15)具有重要指导价值。

            🧠 研究目的

            1. 揭示东北黑土区县域和网格双尺度下耕地生态系统服务(产水量WY、碳固持CS、生境质量HQ、土壤保持SDR、粮食生产FP)的空间分布格局及权衡/协同关系。

            2. 利用自组织映射(SOM)识别不同尺度的生态系统服务束,划分耕地生态-生产功能类型。

            3. 分析景观格局指标(景观水平与斑块水平)对CLESs综合指数的相对重要性及尺度依赖性。

            4. 通过多变量回归树(MRT)识别不同服务束下景观格局指标对CLESs的阈值效应,提出差异化的空间调控策略。

            🗂️ 研究内容

            • CLESs量化:采用InVEST模型计算WY、CS、HQ、SDR;FP通过NDVI与县级粮食产量降尺度到1 km网格。

            • 景观格局计算:在20 km×20 km网格和县域单元上,计算9个景观水平指标(SHDI、CONTAG、ENN_MN、PAFRAC等)和4个斑块水平指标(PLAND、PD、LPI、PARA,分别针对耕地、林地、草地)。

            • 权衡/协同分析:利用地理加权回归(GWR)分别对县域和网格单元计算成对ES的回归系数(正为协同,负为权衡),并绘制空间分布图。

            • 服务束识别:采用SOM神经网络对双尺度的五类ES值进行聚类,识别不同服务组合类型。

            • 重要性排序:以CLES综合指数为因变量,景观指标为自变量,运行随机森林回归,计算%IncMSE排序。

            • 阈值效应检测:以五类ES为响应变量,景观指标为解释变量,构建多变量回归树(MRT),通过十折交叉验证选择最优树大小,提取分裂节点上的景观指标阈值及对应的ES组合特征。

            🌏 研究区概况

            中国东北黑土区(38°42′−53°36′N, 115°24′−135°12′E)总面积约108.2万km²,涵盖黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古四省区的246个县级行政单元。包含松嫩平原、三江平原、辽河平原三大连片黑土核心区,以及大兴安岭、小兴安岭、长白山等山地。该区年均降水500−650 mm,主产玉米、水稻、大豆。长期高强度利用导致黑土退化,亟需从“单一数量保护”转向“生态功能协同提升”。

            📊 数据概况

            • 土地利用:30 m分辨率2020年数据,分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类。

            • 气象数据:降水、温度、蒸散发(1 km)。

            • NDVI:用于估算FP空间分布。

            • 土壤数据:HWSD,用于InVEST土壤保持和碳固持参数。

            • 粮食产量:县级统计数据,用于FP降尺度。

            • DEM:30 m。

            • 所有数据统一投影至KGCS Krasovsky 1940坐标系,重采样至1 km。最终分析单元为县域(246个)和20 km×20 km网格(1225个,仅保留耕地占比>20%的单元)。

            ⚙️ 研究方法

            • InVEST模型:产水量(水量平衡)、碳固持(四大碳库)、生境质量(威胁因子法)、土壤保持(RUSLE)。

            • NDVI降尺度:FP = (NDVI_i / NDVI_sum) × C_sum。

            • 地理加权回归(GWR):分析成对ES的空间非平稳性,带宽通过交叉验证优化。

            • 自组织映射(SOM):无监督聚类,迭代1000次,识别服务束。

            • 随机森林(RF):评估景观指标对CLES综合指数的相对重要性,%IncMSE。

            • 多变量回归树(MRT):同时以5个ES为响应变量,景观指标为预测变量,构建分层树状结构,提取阈值及叶节点ES特征。

            📈 研究结果

            1. CLESs空间格局:WY高值区集中在长白山南部;CS、SDR、HQ在松嫩平原分布较散;FP高值区集中在松嫩平原和三江平原黑土区。县域尺度空间异质性更突出,西部干旱区WY和SDR低值明显。

            2. 双尺度权衡/协同:

              • 县域尺度:HQ、WY、CS、SDR之间多为协同;FP与HQ、CS呈权衡,与SDR、WY呈协同。

              • 网格尺度:HQ – WY、CS – WY出现权衡;FP与HQ、CS转为协同。

            3. 服务束类型:

              • 县域:生态-生产协同束(XB1)、粮食生产束(XB2)、关键协同束(XB3)、权衡主导束(XB4)。

              • 网格:粮食生产束(WB1)、综合生态束(WB2)、关键权衡束(WB3)、多生态协同束(WB4)。

            4. 景观指标相对重要性:

              • 县域:景观水平指标(ENN_MN、IJI、DCAD等)主导,解释力最高达58.9%(XB2)。

              • 网格:斑块水平指标(PLAND、PD、SHAPE等)主导,林地、草地斑块的形状和比例影响最大。

            5. MRT阈值效应:

              • XB2(县域粮食生产束):ENN_MN≥0.464时,PAFRAC≥0.941可增强FP与CS、WY的协同;PAFRAC<0.941则权衡加剧。

              • XB4(县域权衡主导束):草地比例(PLAND_GL)<0.154时,DCAD<0.326支撑协同,反之碎片化降低FP但稳定其他服务;PLAND_GL≥0.154后,PD_CUL和CIRCLE_MN成为关键。

              • WB1(网格粮食生产束):NP≤0.547且CONTAG≥0.399时,FP与CS高但WY、SDR低;CONTAG<0.399时,PLAND_CUL≈0.185可缓解权衡。

              • WB3(网格关键权衡束):PLAND_GL<0.439时,FP由PLAND_CUL(≥0.567)和PLAND_WL(≥0.181)交互驱动;高PLAND_WL增强HQ、WY、SDR。

              • WB4(网格多生态协同束):PLAND_GL<0.176时,高PLAND_CUL(≥0.852)导致调节服务弱化;高PAFRAC可提升多服务协同。

            💬 主要讨论

            • 尺度依赖性机制:县域尺度上,景观连通性和多样性(如ENN_MN、SHDI)通过影响物种扩散、物质流动主导宏观生态过程;网格尺度上,斑块形状(PAFRAC、SHAPE)和局部比例(PLAND)通过边缘效应、微生境条件调控服务交互。这解释了为何FP与HQ在县域为权衡(大规模连片耕作牺牲生境),而在网格转为协同(局部非耕地斑块可为授粉者提供栖息地,间接增产)。

            • 阈值调控的实践意义:研究给出的具体阈值(如ENN_MN≥0.464、PAFRAC≥0.941、草地比例>18.1%)可直接用于指导黑土区耕地整治。例如,在粮食生产主导区,应保持斑块间距离≤464 m,并提高农田-林地/草地边界的形状复杂度(PAFRAC≥0.941),以促进天敌昆虫迁移和水分下渗。在权衡区,适当增加草地比例(>15.4%)并控制斑块密度,可实现粮食与生态的双赢。

            • 对黑土保护政策的启示:当前黑土地保护规划强调“数量平衡”和“工程措施”,本研究证明景观配置优化(如建设农田防护林、野生花卉带、湿地缓冲带)可在不减少耕地面积的前提下提升调节服务。建议在国土空间规划中引入“生态-生产协同区”,针对不同服务束类型实施差异化管控。

            • SDGs关联:策略直接支持SDG 2(粮食安全)、SDG 6(水质水量)、SDG 11(社区韧性)、SDG 15(陆地生态),为农业景观可持续发展提供了量化路径。

            ✨ 创新点

            1. 双尺度(县域+网格)系统对比,揭示了CLESs权衡/协同关系的尺度转换规律,并首次在网格尺度发现FP与HQ、CS由县域权衡转为协同。

            2. 将SOM服务束与MRT阈值模型结合,识别了不同服务束下景观格局指标对CLESs的非线性阈值及具体数值(如ENN_MN、PAFRAC、PLAND_GL等),突破了传统线性分析。

            3. 明确了景观水平与斑块水平指标的尺度主导性:县域看连通性和多样性,网格看比例和形状,为“宏观-微观”分级调控提供了科学依据。

            4. 提出了可直接落地空间规划的黑土区调控规则,如高连通性+复杂边界增强协同、草地比例阈值为15.4%–18.1%等。

            5. 集成InVEST、GWR、SOM、RF、MRT多方法链,形成了从服务量化、空间非平稳性、聚类到阈值识别的完整技术体系。

            ⚠️ 不足与展望

            • 时间维度缺失:仅基于2020年静态数据,未考虑黑土区过去几十年景观动态变化及未来情景。未来可结合长时序Landsat和CMIP6情景模拟演化过程。

            • 服务类型有限:未包括授粉、病虫害控制、休闲文化等服务,这些在农业景观中同样重要。未来可扩展服务束类型。

            • 阈值的外推性有待验证:阈值可能随气候、土壤类型、作物结构变化而改变。需在更多典型黑土亚区(如三江平原vs松嫩平原)开展验证。

            • 未纳入社会经济驱动因子:如农业补贴、土地流转、农户决策等,这些因素可能独立影响景观格局。未来可耦合ABM与景观模型。

            • 因果推断不足:MRT和RF揭示的是统计关联而非因果。未来可利用面板数据或准实验设计(如DID)验证关键阈值的因果效应。

            📌 总结

            本研究以东北黑土区为案例,构建了多尺度景观格局对耕地生态系统服务阈值效应的分析框架。主要结论:(1)CLESs的权衡/协同具有强尺度依赖性:县域尺度上粮食生产与生境质量、碳固持呈权衡,而网格尺度转为协同。(2)景观水平指标(连通性、多样性)主导县域尺度,斑块水平指标(比例、形状)主导网格尺度。(3)识别了关键阈值:县域粮食生产束中,高连通性(ENN_MN≥0.464)结合高边界复杂度(PAFRAC≥0.941)可增强FP与CS、WY的协同;权衡束中草地比例<15.4%时需控制景观破碎度(DCAD<0.326),>15.4%后应优化耕地斑块密度与形状。(4)网格尺度上,草地比例<17.6%时高耕地比例(>85.2%)会削弱调节服务,而高复杂度边界(PAFRAC)可提升多服务协同。研究提出了“县域强化连通性、网格优化斑块配置”的分级调控策略,为黑土区从“数量保护”转向“功能协同”提供了直接的科学依据和空间规划指南。

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