迈向黄土高原的韧性导向型生态网络

《Applied Geography》：Toward a resilience-oriented ecological network for the Loess Plateau

黄土高原生态网络韧性评估与关键空间识别研究，构建包含连通性、整合度、稳定性、传递性和多样性的五维度韧性评估框架，发现网络结构韧性较强但功能韧性受限于低传递性和薄弱走廊缓冲，识别出东南甘肃、西南毛乌素沙地及陕西北部等关键生态空间。

　　

王媛|林志辉|党辉|王庄庄|刘先峰

陕西师范大学地理与旅游学院，中国西安，710119

摘要

构建具有韧性的生态网络（ENs）并识别关键的生态空间对可持续发展至关重要。然而，现有关于ENs中节点和走廊鲁棒性的研究往往局限于单一视角，缺乏基于现实情景的多维度分析。这一局限性阻碍了对外部冲击影响整个网络性能的阈值进行准确估计。在本研究中，我们建立了一个全面的EN韧性评估框架，从连通性、整合性、稳定性、传输性和多样性五个维度分析网络韧性，并识别特定生态空间的关键影响。研究发现，该网络表现出较强的结构韧性，体现在高整合性（1.00）、连通性（9.07）和稳定性（0.77）上；然而，其功能韧性受到传输性较弱（0.31）和走廊缓冲区不足的制约。单次和连续组件故障模拟表明，当关键元素受到破坏时，网络韧性会非线性且突然下降。我们进一步确定了前15%的生态源和35%的生态走廊作为主要生态空间，这些空间主要集中在甘肃省东南部、鄂尔多斯省西南部以及陕西省北部生态示范区。破坏这些区域可能引发连锁反应，中断158条生物迁徙路径，导致生态韧性下降超过50%，最终使整体生态韧性降至临界阈值以下，因为它们在维持生态系统的结构和功能完整性方面发挥着关键作用。这些发现阐明了特定生态组成部分对整体网络韧性的影响，为制定有针对性的生态保护和恢复策略提供了宝贵见解。

引言

快速的城市化进程通过人工景观的扩张不断侵占自然生态系统，从而通过栖息地丧失和破碎化加速了区域生态退化（Esbah等人，2009年；Wu等人，2023年）。景观破碎化主要表现为三个方面：核心栖息地面积减少、关键生态走廊的破坏以及景观连通性的减弱（Scolozzi和Geneletti，2012年）。这种结构恶化不仅破坏了基本的生态过程，还削弱了自然系统的调节能力。这些干扰的累积效应威胁到生态系统的完整性（Aguilera等人，2020年），导致生态系统服务提供的不可逆损害。生态网络（EN）韧性是指系统在遭受干扰后能够恢复其结构和功能的同时维持生态过程的能力，对于减轻人为压力对景观的影响至关重要（Peng等人，2018年）。

为应对快速城市化带来的日益增加的人为压力，生态网络（EN）建设在可持续空间规划中占据了重要地位（Shen等人，2022年）。ENs由两个主要组成部分构成：生态源和走廊（Hoctor等人，2000年）。生态源为物种的持续生存提供了重要庇护所，也是种群动态的关键节点（Wang等人，2021b）。生态源的空间分布和质量从根本上限制了破碎化景观中生态流动的效率。生态走廊建立了重要的生物交换途径，促进了能量转换、养分分配和遗传物质的传递（Zhang和Wang，2006年）。

当前的EN研究系统地从生态源识别、栖息地质量评估和走廊划定，通过景观连通性分析，发展到利用空间优先级技术进行网络优化（Peng等人，2018年）。这种方法通常结合形态空间模式分析（MSPA）和最小累积阻力（MCR）建模（Wang和Rong，2023年），并辅以景观指标评估和重力模型（Yang等人，2020年）。MSPA被用来系统地识别景观结构中的核心生态源和关键走廊元素。生态系统服务和权衡的综合评估（InVEST）模型系统地反映了栖息地条件和物种的承载能力，用于栖息地质量评估。景观连通性分析使用连通性指数评估生态斑块之间的相互作用强度。这些方法论的进步显著提高了物种扩散模式的预测能力，并可以与土地利用和土地覆盖预测建模相结合，以评估未来环境情景下的网络韧性，从而提供连通性模式的动态评估（Li等人，2022年；Zhao等人，2019年）。

当代生态保护范式已从传统的以物种为中心的方法转变为综合的空间框架。EN理论提倡一种系统方法，包括生物多样性保护、栖息地完整性维护和景观连通性优化（Jongman，1995年）。韧性理论为评估EN的适应能力和抵抗外部干扰的机制提供了独特的视角。在这个框架内（Cumming，2011年），核心栖息地和生态走廊作为网络节点和链接，反映了复杂网络理论的结构原则。新兴的分析框架采用了拓扑方法来研究使用复杂系统理论的网络韧性。这些方法研究了网络结构稳定性、网络配置模式、结构异质性和EN内的交互动态。最近的方法论创新使得能够同时评估网络结构稳定性和功能持续性，代表了可持续景观规划方面的重大理论进展。

尽管取得了近期进展，当前的EN韧性评估在几个关键方面仍存在局限性（Peng等人，2023年；Yuan等人，2022年）。例如，EN中节点和走廊之间的多维度相互作用尚未得到充分考虑，也无法准确估计网络韧性受干扰影响的阈值。尽管如此，识别这些阈值至关重要，因为它为设定管理优先级和在生态系统灾难性崩溃发生前实施预防性干预提供了科学依据。为解决这些局限性，建立一个包含连通性、整合性、稳定性和多样性的多维度评估框架是必要的。这些新维度使我们能够将评估从单一指标扩展到系统整合。该框架必须具备以下能力：量化节点或走廊故障对网络韧性子维度的连锁效应（Dang等人，2023年），确定系统退化过程的关键阈值，以及识别对网络韧性有不成比例影响的关键生态节点。这种综合方法深化了对EN退化机制的理论理解，同时为动态景观中的保护干预提供了决策支持。

黄土高原分布着广泛的耕地、住宅区和建设用地，生态斑块破碎化严重，形成了脆弱的生态环境，并被指定为国家重要的生态恢复区。作为土壤侵蚀严重的典型地区，黄土高原在维持基本生态系统功能方面发挥着关键作用。黄土高原的栖息地质量正在持续下降，这与可持续发展目标（如保护生物多样性和生态系统）相悖。因此，对该地区及具有类似生态问题的地区的EN建设和韧性进行全面分析至关重要。本研究为加强生态和环境保护与管理提供了坚实的科学基础，促进了生物多样性和生态系统的保护，实现了可持续和包容性的环境发展。通过阐明该地区EN的安全状况，我们可以有效推动黄土高原的可持续发展（Di等人，2023年）。以黄土高原为案例研究，本研究旨在解决以下三个问题：1）当前黄土高原的EN韧性如何？2）黄土高原EN中的关键生态空间是什么？3）基于生态空间的划分，如何提高黄土高原的韧性以增强生态系统服务和生物多样性？这些贡献将加深对EN建设、韧性评估和关键生态空间保护的理解，并为平衡生态恢复与可持续土地利用提供可行的解决方案。

研究地点

黄土高原（北纬33°43′–41°16′，东经100°54′–114°33′）是世界上最大的黄土沉积区，面积约为640,000平方公里（图1）。这个过渡性生态区跨越黄河流域上游和中和半湿润至干旱气候带，以严重的土壤侵蚀和生态脆弱性为特征。自1999年实施退耕还林项目以来，植被覆盖显著改善。然而，仍面临持续挑战

黄土高原EN

根据生态源面积识别规则，最终确定了90个对维持ENs和物种栖息地至关重要的生态空间，每个源区域的编号显示在图3a中。这些生态源主要位于研究区域的西部、北部、南部和中部，表明这些地区的景观连通性和生态条件相对较高且有利。

EN韧性评估的优势

早期研究通过进行一维连通性或脆弱性评估来简化这一框架，以评估整个EN中节点的性能（Angeler等人，2016年）。本研究通过采用一系列多维度指标（包括连通性、整合性、复杂性、稳定性和多样性）将评估维度从单一指标扩展到系统整合（Wang等人，2021b）。这些新指标增强了我们的能力

结论

本研究开发了一个多维度韧性评估框架，用于模拟多重干扰情景并分析EN韧性。确定了对整体网络韧性至关重要的关键生态空间。我们发现，黄土高原EN表现出较高的结构韧性，包括完整性（1.00）、连通性（9.07）和稳定性（0.77），但在传输功能方面较弱（0.31），表明冗余度有限且走廊缓冲区不足

CRediT作者贡献声明

王媛：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、正式分析、数据管理。林志辉：正式分析。党辉：验证、正式分析。王庄庄：验证、正式分析。刘先峰：撰写——原始草稿、方法论、概念化。

数据可用性声明

本研究使用的所有数据均来自“数据与方法”部分中描述的已发表资源。

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42371123；42171095）、陕西省重点研发计划（项目编号：2024SFYBXM-532）和中央高校基本科研业务费（编号：GK202502007）的支持。