《Journal of Environmental Management》：Nonlinear response of network resilience to land-use intensity for water purification services in a large lake basin
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氮污染治理视域下水净化网络韧性研究：基于洞庭湖流域的时空分析，揭示土地利用强度对网络韧性的非线性响应机制。
徐子涵|范庚杰|李泽军|郑慧宁|陈久章|贾双瑞|张瑞轩
北京林业大学水土保持学院，北京，100083，中国
摘要
随着大型湖泊流域农业用地使用的加剧，水净化网络在减少非点源污染方面的作用变得越来越关键。这些网络的韧性为应对水污染风险提供了一个系统性的框架。然而，水净化网络韧性对土地利用强度的非线性响应仍知之甚少。本研究重点关注洞庭湖（DTL）流域的农业氮（N）施用情况，将水净化亏缺（N暴露）输送路径与人口密度相结合，构建了一个空间明确的水净化网络。从干扰、抵抗和恢复的角度出发，我们识别了水净化网络韧性的空间聚集特征，并揭示了其对土地利用强度的非线性响应。研究结果表明，洞庭湖周边地区和湘江流域下游的水净化网络中氮暴露量（超过60 kg·人/ha2）和氮输送量（超过10 kg/ha）最高。就网络韧性而言，从1990年到2020年，干扰程度较高的子流域（超过0.80）最初聚集在洞庭湖周边地区，随后向外扩散，这表明洞庭湖周边地区的水质退化风险最初增加随后下降。总体而言，随着农业氮施用的增加，网络内的恢复能力和抵抗能力增长速度逐渐减缓，而干扰能力的增长速度则持续加快。子流域内部及其上游子流域的总氮施用量是影响水净化网络韧性的关键因素。本研究基于子流域间的氮输送过程，从网络韧性的角度为大型湖泊流域的水质管理提供了系统的见解。
引言
水净化是一种重要的生态系统调节服务，指的是森林、草原、湿地和河岸带等生态系统拦截、过滤或吸收径流中污染物的过程和能力（邱和特纳，2013年）。自21世纪初以来，全球农业氮肥的施用向水体排放了大量氮污染物（顾等人，2023年），水质恶化已成为全球关注的重大挑战（张等人，2015年）。因此，迫切需要探索有效的方法来可持续地改善水净化服务。
高强度人类活动下的土地利用变化显著影响了生态系统的结构和过程，进而极大地改变了它们的水净化能力（高等人，2017年；徐和彭，2022年）。农业土地利用强度（例如肥料施用）强烈改变了生态系统的物质循环，并增加了水体中的污染物类型和数量（余等人，2019年）。一些研究也开始关注土地利用强度对水净化的影响。例如，比较土地利用强度和气候变化对氮输出影响的研究发现，土地利用强度的影响更为显著（布兰克等人，2017年）。其他研究比较了土地利用类型和强度对水净化的影响，也得出了类似的结果（加利奥等人，2020年；张等人，2022年）。
随着对生态系统服务跨区域流动及其非线性相关性的关注增加，网络分析逐渐应用于生态系统服务科学中。生态系统服务常用于生态网络构建，以指导生态安全模式的发展、绿色基础设施的优化和流域的可持续管理（拉斯韦尔和彼得森，2012年；门和潘，2024年；张等人，2024年）。分析各种网络指标（如密度、连通性、中心性）是一种常见的方法（博丁和陈，2023年），有助于阐明网络形状和结构对生态系统服务的影响（卡基等人，2023年）。生态系统服务网络分析主要关注粮食生产、碳封存、固沙和土壤保护。尽管一些研究尝试量化水净化网络，但它们仅初步分析了网络的结构特征（徐等人，2024年）。尽管生态系统服务网络构建和分析逐渐深入，但水净化跨区域空间关联背后的生态过程仍尚未得到充分探索，水净化网络的定量分析仍有所欠缺。
韧性反映了网络适应冲击的能力，基于系统内元素的复杂关联过程，并有效指示了网络质量（卡明和彼得森，2017年；福尔克等人，2021年）。目前，网络韧性的研究重点在于社会-生态网络分析，它通过资源利用和管理将社会网络与生态网络联系起来，并试图通过提高社会-生态网络的连通性来增强网络韧性（斯特克等人，2017年）。随着生态网络分析在规划实践中的广泛应用，人们逐渐关注生态网络韧性。一些研究从结构、功能和质量的视角探讨了生态网络韧性的空间和时间演变（王等人，2021年）。一些研究基于生态过程探讨了生态网络应对和从外部冲击中恢复的能力，并确定了关键的空间位置（洪等人，2022年）。因此，韧性评估在网络分析中具有很好的适用性，韧性视角已逐渐应用于社会-生态系统网络分析。然而，目前对生态系统服务网络韧性的探索仍然不足，需要明确水净化网络的韧性及其在流域中的驱动机制。
全球淡水湖泊的水质正面临严重威胁。洞庭湖（DTL）是中国第二大淡水湖，是长江流域重要的水源和生态屏障。然而，近年来，由于对粮食生产的需求增加，土地利用强度迅速上升。洞庭湖流域水污染的逐渐加剧和水质持续恶化严重影响了生态系统的健康和可持续发展。因此，可持续改善水净化已成为洞庭湖流域建设生态文明的紧迫目标。为此，本研究以洞庭湖流域为例，结合水净化亏缺和人口密度分析了氮暴露的空间分布模式。水净化网络是基于水净化亏缺（氮输出）输送路径构建的。从干扰-抵抗-恢复的角度出发，使用自组织特征图识别了水净化网络韧性的空间聚集特征，并利用随机森林模型和广义加性模型揭示了网络韧性对土地利用强度的非线性响应。本研究旨在分析水净化网络及其韧性模式，并揭示土地利用强度对网络韧性的非线性影响。
研究区域
洞庭湖流域的经度范围为107°–114°12′E，纬度范围为24°27′–30°36′N（图1），总面积约为237,000平方公里。该流域位于亚热带季风气候区，年平均降水量为1450毫米。地形西南部较高，东北部较低，平均海拔为420米。流域东部主要为海拔低于200米的平原，而中部和西部则广泛分布着
氮暴露的空间和时间变化
在1990年的情景下，氮暴露热点主要集中在东北部，特别是子水河流域的中下游和湘江流域的下游。湘江流域中下游的氮暴露量最高，达到947.46 kg·人/ha2。相比之下，西部的氮暴露量较低，包括湘江和子水河流域的上游
水净化网络结构及其变化
氮输出与水净化供需有关。水净化需求包括氮输入（即来自上游流域的氮输出）和氮施用。上游流域的高氮输出、多个流域的同时输入或大量上游流域的存在都是导致高氮输入的因素（李等人，2018年），这反过来又增强了子流域的氮输出。此外，子流域的水净化供应受其自身土地覆盖类型的影响（王等人，
结论
在本研究中，我们构建了一个以氮暴露为节点、氮输出为路径的水净化网络，从干扰、抵抗和恢复的角度评估了水净化网络的韧性，并明确了网络韧性的空间聚集特征。此外，还探讨了氮施用强度对网络韧性的非线性影响。
从1990年到2020年，洞庭湖流域氮暴露量和氮输出量都较高的子流域表现出强烈的空间
CRediT作者贡献声明
徐子涵：撰写——原始草稿、方法论、资金获取、概念构思。范庚杰：撰写——原始草稿、方法论。李泽军：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论。郑慧宁：撰写——审阅与编辑、方法论。陈久章：撰写——审阅与编辑、方法论。贾双瑞：撰写——审阅与编辑、可视化。张瑞轩：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42401308）的支持，以及湖南省水资源科学技术计划（XSKJ2025056-9）和国家自然科学基金（42430502）的资助。
