从结构到机制：基于网络的食品供应服务流程路径分析

《Applied Geography》：From structures to mechanisms: A network-based analysis of food provision service flow paths

本研究系统识别了黄河流域2000-2020年食物供给服务流动的典型空间结构及其形成机制，通过增强的两步漂浮集水区模型和最小成本分配方法模拟路径与强度，结合拓扑学指标和机器学习模型解析，揭示了三种主导结构（近邻导向、多源导向、主导导向）及其驱动要素（人口密度、地形地貌、景观集中度等），为流域食物安全策略提供结构导向分析框架。

　　

崔新月|赖志航|乔兰婷|王琪|刘海蒙|曹倩|孙晓|乔建民

山东师范大学地理与环境学院，济南，250358，中国

摘要

食品供应服务（FPS）流动连接了偏远的供应区和需求区，形成了复杂的空间模式，这些模式对于管理区域食品系统至关重要，但目前对它们的理解还不够充分。本研究系统地识别了2000年至2020年中国黄河流域FPS流动的典型空间结构，并揭示了其形成机制。我们使用改进的两步浮动集水区模型和最小成本分配方法模拟了区域间的流动路径和强度。然后通过拓扑指标分析得到的网络，以分类不同的流动结构，并结合极端梯度提升（eXtreme Gradient Boosting）和沙普利加法解释（Shapley Additive exPlanations）来解释其驱动机制。结果表明，供需比率从1.65显著增加到3.90，2000年后流动强度减弱，但在2020年有所恢复。从空间上看，FPS流动从下游生产区向上游需求中心方向进行。我们识别并描述了三种典型结构：（1）以邻近性为导向的流动，发生在生产能力有限的地区，依赖于附近的过剩区域，促进了短距离转移并增强了当地韧性，主要受人口密度和交通便利性的驱动；（2）多源导向的流动，发展在生态脆弱地区，通过多样化的供应来源维持系统稳定性，反映了地形起伏和气候的约束；（3）以主导性为导向的流动，起源于高产且易于到达的区域，形成了高效但脆弱的集中网络，主要受景观集中度和地形的塑造。这些结构阐明了FPS流动的基本组织原则，所提出的框架为在该流域及更广泛范围内制定有针对性的食品安全策略提供了系统工具。

引言

生态系统服务（ES）通过提供供给、调节、文化和支持性效益来支持人类福祉（千年生态系统评估，2005年）。快速的城市化和人口增长加剧了ES供需之间的空间不匹配。这种不平衡给资源分配和区域可持续性带来了持续的挑战（Dang & Li, 2023; Fang et al., 2024a; Tao et al., 2023）。生态系统服务流动（ESF）描述了从供应区到需求区的效益空间转移，将生态系统与人类受益者联系起来（Li and Wang, 2023; Liu et al., 2016; Peng et al., 2023）。理解这些流动对于揭示生态系统功能在空间上的组织和连接方式至关重要。因此，识别ESF的空间组织和结构模式对于将生态系统功能与人类利益联系起来以及推进生态系统服务的空间管理至关重要。

网络理论为分析ESF的空间组织提供了强大的框架（Dee et al., 2017）。ESF可以被概念化为有向且带权重的网络，其中节点代表服务来源或接收者，边描述流动的规模和方向（Keyes et al., 2021）。在此基础上，复杂网络理论将分析从成对的空间联系扩展到系统层面的组织，强调连接模式如何影响效率、韧性和脆弱性（Landi et al., 2018）。模块性、枢纽主导性和网络效率等指标已被广泛用于评估生态和社会系统的结构特性。将这些指标应用于ESF可以评估流动结构对系统稳健性的贡献，识别潜在的瓶颈，并检查服务传输中的层次组织。在操作层面，已经开发了各种模型来模拟ES的流动过程。基于过程的模型量化了驱动服务移动的生态过程，通常应用于淡水供应和土壤保持等功能（Sun et al., 2023; Villa et al., 2014）。空间互动模型估计了供应和需求之间的潜在交换，反映了距离衰减效应（Guan et al., 2024; Ji et al., 2024; Zhu et al., 2024）。基于可访问性的方法，特别是改进的两步浮动集水区方法（E2SFCA），在统一的空间框架内整合了供应能力、需求强度和运输距离。该模型提供了一种实用且明确的方法来构建FPS流动网络，并量化供应和需求节点之间的互动强度（Richardson and Whittaker, 2010; Syrbe and Walz, 2012）。

在这个网络框架中，FPS流动表现出明显的空间异质性，而不是均匀分布。这种异质性不仅体现在流动强度和方向的区域差异上，还体现在系统内网络连通性和结构组织的变异上（Han et al., 2025; Lin et al., 2014; Qu et al., 2024）。以往的研究试图从不同的角度描述这些空间结构。例如，服务路径归因网络（SPAN）框架强调ESF遵循选择性和结构化的路径，而不是扩散性互动（Johnson et al., 2012）。这些路径显示出拓扑规律性和强度梯度，反映了服务传输中的空间依赖性和层次组织。同样，运输地理学也识别了几种典型的区域间流动空间结构——如以邻近性为导向、以中心为导向和以层次为导向的结构——每种结构反映了不同的组织逻辑和空间效率（Li et al., 2021）。这些观点表明，流动结构在系统性能中起着决定性作用，影响资源分配的空间效率、区域间依赖性和脆弱性。将这一视角扩展到食品系统，FPS流动也可以被理解为具有可识别结构形式的复杂空间网络。不同的流动结构对应于不同的系统特性：以邻近性为导向的结构通过较短的供应链和冗余连接增强了当地韧性；以主导性为导向的结构可能提高传输效率，但增加了对中心节点的依赖；多源导向的结构促进了系统内的多样性和平衡。认识到这些结构形式对于理解区域食品安全和设计高效且具有韧性的食品流动系统至关重要。虽然许多研究已经考察了ESF的空间结构，但大多数研究仍然孤立地分析流动规模、方向或网络拓扑（Liu et al., 2022; Qiu et al., 2025; Wu et al., 2023），缺乏将空间路径特征与网络组织结构联系起来的综合视角，以识别代表性的流动结构（Li et al., 2023）。因此，迫切需要一个能够系统地描述流动路径属性、将它们与网络组织联系起来，并稳健地识别不同流动结构及其潜在机制的框架。这种综合视角对于理解FPS流动尤为重要，因为澄清不同流动结构的形成和功能可以提供对区域食品安全、跨区域相互依赖性和食品系统韧性的更深入见解。

本研究调查了黄河流域（YRB）FPS流动的跨区域动态和网络组织，该流域的特点是供需不平衡严重和区域间交换频繁（Ji et al., 2024）。以往的研究表明，FPS流动结构的差异源于自然、社会经济和基础设施因素的联合效应，这些因素的相互作用产生了复杂且空间异质性的组织（Shen et al., 2023; Zheng et al., 2026）。然而，这些相互作用机制通常被孤立地研究或通过汇总指标来考察，难以捕捉它们在系统层面如何表现为不同的流动结构。在这种背景下，本研究以结构识别为核心创新，识别并解释了表征FPS流动系统的典型空间结构及其机制解释。具体来说，本研究解决了三个关键科学问题：（1）如何有效地构建区域食品供需之间的空间联系？（2）哪些典型的空间结构表征了跨区域的FPS流动？（3）哪些因素解释了这些结构的差异和演变？通过整合流动量化、基于网络的结构识别和可解释的机制分析，本研究建立了一个以结构为导向的分析框架，超越了静态的供需评估。该框架加深了对FPS空间组织的理解，并为优化区域食品安全和跨区域可持续性提供了实际见解。

研究区域

黄河流域位于中国北部，面积约为795,000平方公里，跨越多个省份（图1）。作为中国九大主要河流流域之一，它既是重要的生态屏障，也是关键的食品生产区（Chen et al., 2020）。耕地占流域面积的约21.6%，最适宜的食品生产条件集中在中下游地区，特别是华北平原和汾渭平原（Yang et al., 2024）。

食品供需的时空动态

2000年至2020年间，黄河流域的食品供需模式表现出显著的时间和空间变化（图5）。总食品供应量从3887万吨增加到5784万吨，而需求量从2605万吨减少到1992万吨。供需比率（SDR）从1.65上升到3.90，表明食品安全得到了显著改善。从空间上看，主要食品生产区集中在中下游平原，特别是关中平原和华北平原。

基于网络的FPS流动结构识别和空间组织

本研究采用以结构为导向的分析方法，系统地识别和描述了2000年至2020年黄河流域供需之间FPS流动的空间组织。传统的空间叠加方法可以识别潜在的不平衡区域，但不足以解决空间不匹配问题（Lv et al., 2024）。我们不是将流动仅仅视为需要求和或优化的数量，而是将其视为具有可识别特征的复杂空间网络。

结论

本研究构建了区域食品供需之间的空间联系，并识别了黄河流域食品供应服务的典型流动结构。2000年至2020年间，该流域的供需比率显著增加，流动方向从中下游生产区向上游需求中心发生了变化。基于一个结合了入度、主导比率、流入熵和距离的网络拓扑模型，我们……

CRediT作者贡献声明

崔新月：撰写——原始草稿、方法论、数据管理。赖志航：方法论、数据管理。乔兰婷：正式分析。王琪：调查。刘海蒙：项目管理、方法论。曹倩：软件、资源。孙晓：撰写——审稿与编辑。乔建民：撰写——审稿与编辑、方法论。

利益声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，之前未在任何地方发表过，也没有被其他地方考虑发表。所有列出的作者都批准了所附的手稿。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42471325、42101299和42271113）、山东省高等学校“青年创新团队计划（资助编号：2022KJ248）以及山东师范大学教学改革重点项目（资助编号：2024ZJ37）的资助。