《Gondwana Research》：Optimal spatial scale selection for maximizing regional ecological management benefits
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多尺度分析框架下黑河流域土地利用功能权衡协同研究，提出基于小波分析、空间自相关和半变异函数的最优管理尺度（7km），揭示自然与社会经济因子对权衡协同的影响机制，建立核心保护区、过渡调控区和协同发展区的分层治理策略。
Jing Shi|Dawei Zhang|Hui Xu|Aokang Xu
中国兰州大学生态学院草地改良与草地农业生态系统国家重点实验室，兰州730000
摘要
景观元素之间的权衡/协同关系表现出显著的空间尺度依赖性，这通过改变生态系统服务之间的相互作用机制，深刻影响了区域生态管理决策的科学合理性和实际效果。尽管现有研究在描述多尺度差异方面取得了进展，但仍然缺乏确定最佳管理尺度以最大化生态效益的研究。因此，本研究通过整合小波分析、空间自相关和半变异函数，构建了一个用于分析尺度效应解析和最佳尺度识别的框架。同时，结合XGBoost-SHAP模型来解释表现出权衡/协同空间异质性的环境因素，我们提出了一种基于综合误差最小化的最佳管理尺度优化策略，并以黑河盆地的生产、生活及生态土地利用功能（LUF）之间的相互作用关系作为实证对象。研究结果表明：1）空间尺度的扩大增强了LUFs之间的整体协同作用（提高了0.07–0.24），但减弱了某些网格单元内的权衡强度；2）通过半变异函数最优拟合确定，研究区域的最优生态管理尺度为7公里，在该距离上所有LUFs之间的权衡/协同拟合度最高（r2达到0.959）；3）自然和社会经济因素都影响土地利用功能之间的权衡/协同关系，权衡区域主要位于人口密集的中央绿洲地区（占流域面积的13.93%）。本研究提出了一个包括核心保护、过渡调节和协同发展的综合空间治理体系。在此基础上，我们认为缓解土地利用功能之间的权衡主要需要差异化的管理策略，包括优化土地利用结构（避免建设用地的过度扩张）、控制人口密度以及防止经济规模的过度集中。本研究为解决多尺度生态管理决策和可持续发展困境提供了方法论支持。
引言
景观元素是指构成景观的基本单元或组成部分，包括自然形成的和人类活动创造的元素。它们的本质在于自然过程和人类行为的空间叠加，通常包括植被、地形、地貌、建筑物和道路等（Xu等人，2021年）。地质过程作为自然景观形成和演变的基本驱动力，不仅通过长期的构造运动、沉积过程和第四纪环境变化建立了区域宏观地形框架（Ma等人，2025年），还通过岩石类型、土壤母质等因素深刻影响了景观元素的空间分布模式和功能潜力（Zhang等人，2024年）。自人类世以来，人类活动对自然景观的影响日益增加，改变了景观模式和元素之间的相互作用（Peng等人，2024年；Yin等人，2025年）。例如，绿洲地区人类社会的过度用水加剧了荒漠化，或者气候变化通过调节区域植被的生长环境影响了景观模式（Zhu等人，2024年）。这些由自然基底和人类活动共同驱动的复杂过程，直接加剧了景观元素之间的权衡/协同关系（Su和Liu，2023年）。在全球可持续发展的背景下，探索景观元素之间的权衡/协同关系尤为重要。具体而言，它不仅有助于揭示元素之间的协同发展模式，还为在减贫、生态保护、经济增长促进和气候变化缓解等多个维度实现全球可持续发展提供了理论基础（Yang等人，2024年；Zhu等人，2024年）。
目前关于景观元素之间权衡/协同的研究已经取得了一些重要发现，但大多数研究尚未系统地纳入空间尺度的调节作用（Gong和Chang，2023年；Qiao等人，2024年；Shao等人，2023年）。实际上，不同尺度上景观元素的配置和特征的变化可能导致不同的功能效益（Yang等人，2023年），不同的地质过程（如地表侵蚀和构造抬升）同样对景观功能产生影响。此外，关于景观元素之间权衡/协同的多尺度研究主要集中在两个方面：尺度效应对不同景观元素之间相互作用机制的影响（Liu等人，2023年）以及尺度转换过程中景观元素之间权衡/协同关系的变化。一些研究表明，随着尺度的增加，景观元素的点源功能逐渐转变为面积源功能，从而引发系统行为的显著波动，并加剧了景观元素之间权衡/协同关系的复杂性（Wang等人，2025年）。例如，大城市的植被物候通常随着空间尺度的扩大而提前（Peng等人，2024年）。此外，随着空间尺度的增加，生态系统服务之间的权衡会加剧：在更细的尺度上，地形和土壤成分等因素对这些权衡有显著影响，而在更大的尺度上，气候成为主要决定因素（Zhang等人，2022年）。因此，尺度成为影响景观元素之间权衡/协同关系的关键因素，如何在不同尺度上进行差异化分析是区域生态管理面临的不可避免的挑战（Lechner等人，2012年；Peng等人，2024年）。换句话说，单一定尺度下揭示的权衡/协同模式并不具有代表性，不能简单外推到相邻尺度，这不仅可能简化或忽视权衡/协同关系的尺度依赖性，还可能掩盖同一景观元素在不同空间尺度上的关键作用（Wang等人，2022年）。因此，未来的研究需要建立一个多尺度分析框架，为生态管理决策提供可靠的基础。
在景观元素权衡/协同的多尺度选择研究中，现有研究主要基于行政或流域层次结构/特征来确定尺度边界（Liu等人，2024年；Moreno-Llorca等人，2020年）。虽然这种方法在一定程度上缓解了单尺度分析的局限性，但这些方法仍存在一些固有的缺陷。首先，景观模式的形成通常受地质基底和长期地貌演变的控制，其自然边界很少与行政单位或流域划分一致，导致景观生态过程的完整性和连续性受到人为分割（Ma等人，2025年）。其次，现有研究大多忽略了尺度对景观元素的影响：过大的尺度会掩盖局部异质性，而过小的尺度则难以捕捉区域级模式，使得难以准确描述景观元素在尺度变化时的结构-功能关系（Wang等人，2022年）。同时，Zhang等人（2022年）发现，不同范围和尺度下的研究结果存在差异，这可能是由于多源异构数据（如遥感影像和地面调查数据）的跨尺度整合效率低下以及一些不可避免的空间误差所致。值得注意的是，根据层次理论，景观系统具有层次结构特征，在特定尺度上，给定生态过程的模式与过程之间的相互作用最为明显。同时，模式-过程关系原则表明，景观模式决定了物种分布和能量流等生态过程，这种关系表现出强烈的尺度依赖性（Du等人，2025年）。这意味着可以根据对某些现象在不同尺度上变化的理解，选择最显著的尺度用于管理目的。因此，在分析权衡/协同之前，有效识别既敏感又信息丰富的特征尺度至关重要，然后选择最佳尺度进行生态管理，从而在最小化相关成本的同时最大化成果（Peng等人，2024年）。
总之，本研究旨在通过以下主要研究目标来最大化区域生态管理效益：（1）识别既敏感又具有信息量的特征尺度，以探索景观元素之间的权衡/协同关系。（2）探索区域生态管理的最适空间尺度，并研究具有空间异质性的环境因素（如地质、社会经济因素）在该尺度上的权衡/协同贡献特征，从而最大化生态管理成果。具体研究步骤包括：首先，本研究以黑河盆地的甘肃段作为研究区域，该区域具有相对复杂的地质背景，我们选择了三种土地利用功能（LUF），包括生产（PF）、生活（LF）和生态（EF）进行实证研究，并对其进行了权衡/协同分析。其次，我们采用了一种结合小波分析、空间自相关和半变异函数的方法，以开发能够识别特征尺度并选择最佳尺度的方法。最后，使用XGBoost-SHAP模型来解释最佳尺度上环境因素对LUF权衡/协同空间异质性的贡献，从而提出了一条最佳路径。总体而言，本研究试图为黑河盆地及其他地质条件不同的生态脆弱地区的生态管理提供有价值的见解。
研究区域
黑河是中国第二大内陆河流域（图1），位于干旱的西北地区的河西走廊中心。其总集水区面积约为14.3 × 104平方公里，海拔范围在2600–4500米之间，构成了典型的山地-沙漠-绿洲复合生态系统。黑河发源于祁连山脉南部，其流域覆盖了三个主要的构造单元，包括祁连山脉褶皱-推覆带
研究方法
研究框架包括三个主要组成部分（图2）。首先，在500 × 500米的空间分辨率下，量化了研究区域内三种土地利用功能（LUF）类型之间的权衡/协同关系。其次，通过小波方差分析确定了研究LUF权衡/协同的特征尺度。随后，利用空间自相关和半方差函数作为补充方法来确定最佳尺度。
LUF的空间和时间变化
盆地的南部和中部包括祁连山脉和绿洲（图3a）。祁连山脉南部位于东亚的夏季雨影区，那里的现代冰川和雪场形成了稳定的固态水资源库。这种由地质环境决定的水文制度为盆地的植被和作物生长提供了有利条件，导致PF和EF值相对较高。嘉峪关市、苏州等中部盆地地区
地质背景和人类活动对LUF权衡/协同的综合影响
自新生代以来，青藏高原的阶段性抬升塑造了其当前的地形，为黑河盆地的LUF平衡协调奠定了自然基础（Xiao等人，2023年）。研究表明，高原抬升形成的地形屏障显著拦截了东亚夏季季风带来的水分，只有少量水分能够渗透到盆地的中部和下游（Xu等人，2024a）。同时，
结论
本研究利用小波方差和半变异函数分析来识别景观元素权衡/协同研究的特征尺度和最佳生态管理尺度。与传统的主观选择得出的尺度相比，特征尺度包含了更丰富的信息，通过最小误差估计选出的尺度可以进一步提高生态管理效率。
本研究考察了黑河盆地三种LUF之间的权衡/协同关系
CRediT作者贡献声明
Jing Shi：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理。Dawei Zhang：撰写——审阅与编辑、项目管理。Hui Xu：撰写——审阅与编辑、项目管理。Aokang Xu：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论。
资助
本工作得到了中国国家自然科学基金[项目编号41971127]和甘肃省科技计划项目[项目编号23ZDNA009]的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
