《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Natural ecosystem loss in an Atlantic Forest agricultural basin: drivers of land-use change and future landscape trajectories
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摘要：大西洋森林（Atlantic Forest）是全球受威胁最严重的生物多样性热点之一，面临着农业扩张和土地治理不力的巨大压力。理解土地利用与土地覆盖（LULC）变化的时空驱动因素和未来轨迹，对于保护残余自然区域所提供的生态系统服务与生物多样性至关重要。本研
摘要：大西洋森林（Atlantic Forest）是全球受威胁最严重的生物多样性热点之一，面临着农业扩张和土地治理不力的巨大压力。理解土地利用与土地覆盖（LULC）变化的时空驱动因素和未来轨迹，对于保护残余自然区域所提供的生态系统服务与生物多样性至关重要。本研究调查了位于巴西南部亚热带大西洋森林农业流域——瓜波雷河流域（Guaporé River Basin, GRB，面积246,300公顷）中，多种生物物理、社会经济和人口驱动因素对自然生态系统丧失的相对重要性。研究人员将市级时间趋势分析与基于证据权重法（Weight of Evidence, WoE）校准的Dinamica EGO元胞自动机模型相结合，用于表征历史LULC动态（1998–2019年），并在2030年和2050年情景下模拟未来景观。研究结果揭示了流域内截然不同的生态动态。北部地区经历了广泛的残余植被丧失（每年1.55%转化为改变后的生态系统），其驱动因素是平坦地形和高农业生产率；而南部地区则表现出部分自然再生（每年1.40%从改变后的生态系统转变为再生植被），这与较陡的坡度和植被提取活动有关。尽管表面上有恢复迹象，但更深入的分析揭示了一个退化的生态简化过程，即残余植被正逐步被再生植被所取代。未来预测表明，若不加强巴西《自然植被保护法》（Natural Vegetation Protection Law）的执行力度，到2050年，北部流域将额外丧失15,903公顷的残余植被。这些发现突显了法律保护框架与实际土地利用压力之间存在关键的空间错配，对大西洋森林生物群落的保护规划、流域管理和生物多样性保护具有直接影响。
研究背景与科学问题
大西洋森林（Atlantic Forest）作为全球受威胁最严重的生物多样性热点之一，历史上沿巴西海岸线覆盖约130万平方公里，但目前已有84%至89%的原生植被丧失，残余植被高度破碎化且主要集中在私有土地上。由于近70%的残余植被位于正式保护区之外的私人地产上，规范私人土地使用的治理机制成为长期保护的核心。巴西通过《自然植被保护法》（Natural Vegetation Protection Law, NVPL）要求土地所有者维持法定保留区（Legal Reserves, LR）和水久性保护区（Areas of Permanent Preservation, APP），但法规执行力度不足，持续的非法砍伐削弱了环境保护框架的有效性。在此背景下，理解土地利用与土地覆盖（Land-Use and Land Cover, LULC）变化的驱动因素和空间格局，对于环境管理、保护规划和可持续土地治理至关重要。现有研究多聚焦于大尺度上的毁林动态，而对高度破碎化的大西洋森林区域在流域和景观尺度上的LULC动态，特别是多驱动因素在子区域间的交互作用及其对长期生态系统持续性的影响，关注不足。因此，本研究旨在调查巴西南部瓜波雷河流域（Guaporé River Basin, GRB）内多个土地利用驱动因素对近期自然生态系统变化的相对重要性，并评估当前趋势对未来景观的影响。
研究方法与技术路线
研究人员采用了一套综合性的空间显式建模框架。首先，利用MapBiomas数据库获取1998年和2019年30米分辨率的LULC地图，并将原始分类简化为改变后的生态系统（Altered Ecosystems）、残余植被（Remnant Vegetation）和再生植被（Regenerating Vegetation）三类。其次，基于文献综述选取了生物物理（如地形、坡度、土壤）、社会经济（如农业生产、植被提取、保护实践）和人口（如人口密度）三大类共15个驱动变量，数据来源于巴西地理与统计研究所（IBGE）、国家殖民与土地改革研究所（INCRA）和农村环境登记系统（SICAR）等官方数据库。核心建模工具是Dinamica EGO平台（版本5.2.1），这是一个基于元胞自动机（Cellular Automata, CA）的环境建模平台。研究人员首先计算1998至2019年的转移矩阵，然后应用证据权重法（Weight of Evidence, WoE）估算每个像素发生特定LULC转换的概率，并通过Cramér系数（V）和联合信息不确定性（Joint Information Uncertainty, JIU）检验变量的空间独立性。模型使用Expander和Patcher算法分别控制现有斑块的扩张和新斑块的生成，并通过Kfuzzy和模糊最小相似性指数（Fuzzy Minimum Similarity Index）进行验证。在模型通过验证后，研究人员在一切照旧（business-as-usual）假设下，将历史过渡率和驱动关系外推至2030年和2050年。此外，还采用修正的曼-肯德尔（Mann-Kendall）非参数趋势检验在市级水平上分析了1998至2019年自然生态系统比例的时间趋势。
研究结果
3.1 Dinamica EGO性能与LULC建模轨迹：模型验证结果显示，在3×3像素窗口（0.81公顷）下，北部和南部区域的相似度值均超过50%（北部0.56–0.63，南部0.51–0.53），达到可接受水平。WoE分析揭示了两区域不同的主导驱动因素：北部地区，靠近先前改变后的生态系统、海拔高于400米、低河流密度、缓坡（0%–8%）和朝北坡向的区域显示出更高的向改变后生态系统转化的概率；南部地区，从事原生资源提取（如木材、乳胶、种子等）的土地则不太可能经历毁林。在北部，位于APP和LR缓冲区内的区域与残余和再生植被的毁林呈负相关。
3.2 1998年至2019年LULC空间格局变化：2019年，GRB内自然生态系统（包括残余和再生植被）覆盖约106,000公顷，占流域总面积的近30%，其中约70,000公顷（66%）位于私有财产上的替代土地利用区内。尽管有法律保护，1998年至2019年间仍有约15,000公顷的自然生态系统转化为改变后的生态系统，大部分受干扰区域距离小溪流的APP缓冲区不到10米。北部区域残余和再生植被向改变后生态系统的年转化率分别为1.55%和2.78%；南部区域则呈现同时发生的模式：改变后生态系统以1.40%的年率向再生植被转化，表明存在活跃的植被再生过程。曼-肯德尔趋势检验进一步确认了这一空间分异，北部多数市镇表现为显著的自然生态系统丧失（热点），南部则表现为显著增加（冷点）。
3.3 2030年和2050年LULC空间格局预测：未来模拟显示，改变后的生态系统将在整个流域持续扩张。模型预测，到2050年，北部流域将损失约15,903公顷的残余植被，主要由平坦地形和高产土壤驱动的农业扩张所致；南部区域则预计经历残余植被向再生植被的渐进转变，陡峭地形限制了农业适宜性，而植被提取活动则促进了自然植被覆盖的持续扩展。总体而言，残余植被的比例将从1998年的32.0%下降到2050年的20.1%，而再生植被从4.9%上升到12.8%，改变后的生态系统从62.4%上升到66.4%。
讨论与结论
讨论部分指出，GRB中大量剩余自然生态系统位于私有农场上，虽然NVPL提供了法律保护，但土地所有者的违规行为普遍存在，尤其是在APP区域内，这反映了执法薄弱的问题。人类土地利用，特别是农业，已被广泛认为是水质恶化和生物多样性丧失的主要驱动因素。在驱动因素方面，生物物理特征（如地形、海拔、坡向）在流域尺度上决定了土地转化的物理适宜性，而社会经济因素（如保护实践的采用、植被提取活动、主要经济作物类型）则在地方尺度上主导了土地利用决策。北部地区大豆种植的扩张与较高的保护实践采用率相关，而南部地区依赖烟草生产的经济活动往往与环境不可持续的做法相关联。研究强调了生态简化过程的严重性：即使总植被覆盖看似稳定，残余植被被再生植被取代的过程可能意味着结构复杂性、生物多样性和生态系统功能的丧失。研究的局限性包括MapBiomas分类误差、简化分类方案导致的生态异质性降低、模型假设的时间平稳性（未考虑气候变化、市场波动或政策改革），以及社会经济变量在市级聚合后可能平滑了重要的内部变异。研究结论强调，GRB内的土地利用动态不仅导致自然植被的净损失，还驱动着以残余植被被再生植被逐步取代为特征的生态转型。北部流域到2050年可能额外丧失15,903公顷的残余植被，凸显了加强环境治理和针对性空间规划策略的紧迫性。私有土地是长期保护的关键领域，但当前的立法和执行机制仍不足以有效阻止持续的毁林和生态系统退化。
