预测土地利用变化下的生态安全格局与网络韧性：以中国河西内陆河流域为例

《Land Use Policy》：Predicting ecological security patterns and network resilience under land-use change: Hexi Inland River Basin, China

基于土地模拟构建的Hexi内陆河流域生态安全格局量化分析框架，比较了生态保护（EP）、自然发展（ND）和经济发展（ED）三种模型的预测效果及网络韧性。结果表明，EP模型最优，能最大化生态源并减少生态阻隔；ED模型导致关键生态要素发展受限。建议采用“一屏一横三纵多绿点”治理模式，并完善土地制度保障。

　　

李曼|王轩|刘焕彩|王超

山西师范大学地理科学学院，太原 030031，中国

摘要

气候变化和人类活动导致了严重的土地利用变化，对当地生态系统构成了严重威胁，使得干旱地区的生态安全评估成为全球性的优先事项。我们提出了一种创新的定量研究框架，用于生态安全格局（ESPs）的构建、预测和韧性测量，该框架基于土地利用模拟。以河西内陆河流域（HIRB）为案例研究，我们考察了2030-2050年在该地区实施生态保护（EP）、自然发展（ND）和经济发展（ED）模型下的ESPs演变情况，并提出了针对性的治理策略。研究结果如下：1）2000-2020年间，HIRB的生态资源在南部分布更为广泛，生态走廊的整体质量得到改善，生态瓶颈呈指数级增加，而生态屏障逐年减少。2）2030-2050年，EP模型下的ESPs表现最佳，生态资源最丰富，生态屏障最少；ND模型下的区域ESPs处于中等水平；ED模型下的关键生态要素水平较低，代表了一种低发展模式。3）脆弱性和连通性方面，EP模型优于ED模型和ND模型，表明2050年EP模型在生态网络韧性方面更具有优势。4）该地区应建立“一个屏幕、一个横向、三个纵向和多个绿色点”的区域治理模式，重点关注位于下游沙漠地区的“绿色点”。此外，进一步完善土地所有权制度对于确保这一治理模式的切实实施至关重要。这些发现为地方政府制定生态政策提供了科学依据，并为全球其他干旱和半干旱内陆河流域的ESPs优化提供了基于证据的解决方案。

引言

人类福祉的提高和区域生态安全的保障在很大程度上依赖于生态安全格局（ESPs）的有效构建和维护。中国对ESPs的研究始于20世纪90年代末。进入21世纪后，ESPs的研究范式演变为“源头-走廊-格局”模型（Yu, 1996）。然而，目前ESPs的评估仍处于定性评价阶段。ESPs中的生态源头和走廊构成了区域生态网络，因此生态网络的韧性成为量化评估ESPs整体韧性的关键指标。然而，未来的ESPs充满不确定性和复杂性（Li et al., 2022）。通过评估不同气候情景下ESPs和网络韧性的变化（He et al., 2025），我们可以更动态地理解ESPs，从而增强生态保护政策框架的韧性和实际效果（Su et al., 2025），并为全球气候变化下的ESPs提供基于证据的解决方案（Campos et al., 2019）。

近年来，全球气候变化和人类活动的加剧导致了全球干旱和半干旱地区的严重水资源危机和生态退化（Cristina et al., 2016, Aarón et al., 2016）。例如，Zhai et al.（2023）研究了气候变化对锡尔河盆地降水和径流趋势的影响，发现RCP 4.5和RCP 5.8情景下流域降水量将显著减少。Igboeli et al.（2025）研究了土地覆盖变化和气候变率对两个干旱生态系统（撒哈拉以南非洲的乍得湖盆地和中亚的咸海盆地）净初级生产力的影响，建议优先考虑能够适应降水及温度变化模式的生态管理系统。建立ESPs已成为保障区域生态安全和实现可持续发展的关键技术手段（Nawaz et al., 2025）。Mohammadpour et al.（2024）基于栖息地质量为伊朗南呼罗珊省构建了栖息地服务网络并评估了其连通性。

作为中国典型的生态脆弱地区，河西内陆河流域（HIRB）面临沙漠化和水资源短缺等生态挑战，对气候变化高度敏感（Wang et al., 2022）。同时，该地区也是“一带一路”倡议的重要通道和国家生态安全屏障。其生态安全和可持续发展直接关系到国家战略的成功实施，使其成为中国重要的生态安全区域。目前对该地区ESPs的研究主要集中在子流域尺度（Pan et al., 2023），包括格局构建、预测和优化等方面。例如，Lian et al.（2025）以河西走廊为例，将高质量荒野作为生态源头，分析了当前的ESPs，并设定了两个情景来优化潜在的生态网络，但缺乏对未来ESPs和网络的动态预测和定量分析。Li et al.（2022）基于1980年和2020年河西走廊及祁连山的ESPs构建情况预测了2050年的ESPs，但未全面考虑土地利用情景模拟、未来气候变化的影响以及人类活动对区域土地利用变化的影响。鉴于上述研究的不足，我们提出了一种创新的定量研究框架，涵盖ESPs的“构建、预测和韧性测量”。基于这一框架，对HIRB内的ESPs演变进行了定量评估。

本研究旨在：（a）构建适应气候变化的ESPs（即在设计中考虑气候变化和人类干预）；（b）基于韧性模型评估生态网络的韧性；（c）量化EP、ND和ED模型下ESPs的未来演变特征；（d）提出针对性的治理策略。

研究区域

河西内陆河流域（HIRB）（北纬36°75'–42°79'，东经92°33'–104°20'）（图1）上游包括祁连山和阿尔金山作为流域，中游为河西走廊的绿洲地区，下游为沙漠。该流域分为疏勒河流域（SLRB）、黑河河流域（HHRB）和石羊河流域（SYRB），边界分别为大黄山、匡台山和黑山。该地区属于干旱大陆性气候，具有显著的区域降水量差异和水分及热量分布不均的特点。

方法

传统ESPs的研究范式是“源头-抵抗表面-格局”。近期研究越来越多地转向多情景模拟和生态网络韧性的预测或优化。然而，这两种方法之间的关系仍存在显著的研究空白。为填补这一空白，我们建立了一个将ESPs预测与生态网络韧性评估相结合的研究框架。

生态源头和综合抵抗表面

在HIRB中，生态源头的空间分布具有明显规律，南部比北部更为丰富（图3a）。受生态背景特征影响，生态源头中森林、草地和水的比例高达99%，主要集中在祁连山区，少数分布在阿克赛哈萨克自治县、敦煌和肃北蒙古自治县（马宗山地区）。2000-2020年间，水域面积有所增加。

讨论

构建ESPs对于确保区域生态安全和减轻生态破坏及其他压力因素对人类生产和生计的负面影响至关重要。随着未来气候变化和社会经济发展的不确定性增加，HIRB的生态环境将相应变化，不可避免地影响ESPs的关键组成部分。本研究指出，HIRB独特的“山地-绿洲-沙漠”景观结构

结论

HIRB独特的景观结构——由山地、绿洲和沙漠组成，以及上游、中游和下游部门之间的综合水-生态-经济联系——是全球类似河流系统的缩影，特别是在中亚地区。基于此，我们应用了包括构建、预测和韧性测量在内的定量ESPs研究框架，对该地区的ESPs演变进行了定量评估。

CRediT作者贡献声明

李曼：撰写 – 审稿与编辑，监督。 王轩：撰写 – 原稿撰写，软件使用，资源获取，方法论设计。 刘焕彩：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金筹集。 王超：软件使用，方法论设计。

资助

本研究得到了山西省基础研究项目（202403021221174）和中国博士后科学基金会（2019M663923XB）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。