旱地内蒙古隐藏土地系统重组与面向可持续土地管理的对比转型——基于2001—2020年土地覆盖转移矩阵与有向加权网络

《Sustainability》：Hidden Land-System Reorganization and Contrasting Transitions Toward Sustainable Land Management in Dryland Inner Mongolia

　　

旱地土地覆盖变化（land-cover change）由环境与人类过程交互塑造，但仅基于净面积变化（net area change）的评估可能掩盖景观动态底层的内部转换。研究人员利用源自六类主要土地覆盖类别的转移矩阵（transition matrices）和有向加权网络（directed weighted networks），分析了内蒙古2001—2020年的年际土地覆盖转移。该分析识别了主要转换路径，比较了基于规则定义的恢复关联代理转移（restoration-associated proxy transitions）和发展关联代理转移（development-associated proxy transitions），并刻画了土地覆盖类别方向性角色的时间变化。研究期内，裸地与稀疏植被土地（bare and sparsely vegetated land）显著下降，而草地、森林、耕地和建设用地通过多个并行路径发生变化。从裸地与稀疏植被土地向草地和森林的转换构成主要的植被增益路径，被归类为恢复关联代理；而耕地扩张和建设用地增长代表主要的发展关联代理路径。这些转移组的相对重要性随生态区（ecological regions）而异。在基线路径定义下，恢复关联代理转移在九个区域中的六个区域更大，而发展关联代理转移在大兴安岭（Greater Khingan Mountains）、西辽河平原（West Liao River Plain）和黄河河套平原（Yellow River Hetao Plain）区域更大。这些区域差异表明，内蒙古土地覆盖重组并未遵循单一方向轨迹。因此，仅凭净面积统计无法完整描述旱地景观变化，因为其未捕捉土地覆盖类别之间交换的幅度和方向。这些发现为识别生态恢复、土地利用规划和荒漠化控制的优先区域提供了过程导向基础，从而支持在环境与人类压力并发下旱地土地系统的可持续管理。

土地覆盖变化（land-cover change）在旱地常涉及退化、恢复和土地利用转型的并发且有时对比的轨迹。大规模评估多依赖净面积变化（net area change），但净面积仅代表增益与损失的平衡，可能掩盖内部转换过程；某类土地覆盖净变化有限，仍可能发生大量内部周转。转移矩阵（transition matrices）能识别转换来源和目的地，但通常按单个转换对解释，难以说明多个路径如何在土地系统中相互作用。土地覆盖变化本质互联，某类增益对应另一类损失，多个转换路径可同时运行。因此，需要方向性网络描述源—汇交换。内蒙古是中国北方最大旱地之一，生态恢复、农业扩张和城市发展并存，是复杂土地系统动态的典型区域。研究人员重建2001—2020年年度土地覆盖转移路径和网络，考察净面积统计之外的隐藏土地系统重组，并回答主要转换路径、恢复关联与发展关联代理转移的区域差异、土地覆盖类别方向角色随时间变化等问题。该研究有助于以过程导向理解隐藏重组，为生态恢复、土地利用规划、荒漠化控制和旱地可持续管理提供基础。

方法概要：数据来源为C3S/CDS（Copernicus Climate Change Service/Climate Data Store，哥白尼气候变化服务/气候数据商店）“1992年至今基于卫星观测的土地覆盖分类网格图”，空间分辨率300 m，时段2001—2020年，基于LCCS（Land Cover Classification System，土地覆盖分类系统）重分类为六类：耕地、森林、草地、裸地与稀疏植被土地、湿地与水体、建设用地。统一至CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000，2000国家大地坐标系）Albers等面积投影（Albers equal-area projection）和300 m网格。构建19个年际转移矩阵和有向加权网络，计算净面积变化、相对变化率、面积指数、进出强度、类面积归一化转移率、总转移事件面积；定义恢复关联、发展关联、其他/未分类代理组并做敏感性；按九个生态区汇总；进行像素级轨迹和持久性检验。

3.1 土地覆盖组成的长期变化。通过六类面积计算和2001年基线面积指数，草地始终占主导，裸地与稀疏植被土地在2001年为290,403.7 km²，2020年降至275,144.3 km²，净减少15,259.4 km²（?5.25%）；建设用地从959.40增至4,612.1 km²，净增3,652.7 km²（+380.73%），相对扩张最大；耕地、草地和森林分别净增4,120.3、4,117.8和3,380.6 km²；湿地与水体净减12.0 km²（?0.11%）。

3.2 年际土地覆盖转移路径。通过19个连续年份转移矩阵，2001—2020年总转移事件面积57,179.4 km²，前十路径占94.52%。最大路径为裸地与稀疏植被土地→草地（12,493.4 km²），其后为草地→耕地（8,010.3）、草地→森林（7,560.6）、耕地→草地（5,626.4）、森林→草地（5,479.0）、裸地与稀疏植被土地→森林（4,796.7）、森林→耕地（4,526.8）等。草地总增益和总损失均最大；裸地损失主要来自向草地和森林转换；建设用地增加主要来自草地和耕地。像素轨迹显示，56,056.3 km²至少发生一次年际转移，占分析面积4.90%，其中98.01%仅一次；A→B→A即时逆转仅2.7 km²；端点变化面积55,556.5 km²，占4.86%。

3.3 对比转移组的时间与空间格局。通过规则代理分类，基线定义下恢复关联代理转移24,556.3 km²（42.95%），发展关联代理转移16,514.7 km²（28.88%），其他/未分类16,108.4 km²（28.17%）。恢复关联在19个年际区间中的14个大于发展关联；发展关联在5个区间超过恢复关联。九个生态区中，基线定义下六个生态区恢复关联更大，大兴安岭、西辽河平原和黄河河套平原发展关联更大。敏感性分析改变组比例，但三种定义均显示多个转移组有可观贡献；持久性过滤使总转移事件面积仅减少0.09%。

3.4 年际转移中土地覆盖类别的方向性角色。通过有向加权网络的进出强度和类面积归一化率，裸地平均出向率最高（0.33%），草地0.25%，耕地0.24%，森林0.23%；建设用地平均入向率7.83%，2018—2019达16.63%。总转移事件面积从2014—2015年123.9 km²到2018—2019年7,444.6 km²。草地总出向和总入向最大；裸地出向强于入向；建设用地无出向记录、入向3,652.7 km²，该模式需结合产品非减建设用地约束解释。

讨论部分总结：4.1 隐藏重组表明，净面积掩盖内部交换，裸地→草地/森林是植被增益路径，但不能作为具体恢复活动的直接证据。4.2 恢复关联与发展关联路径共存且空间分异显著，恢复关联份额较大，但发展关联仍重要，代理定义改变会影响组比例。4.3 转移网络由转移矩阵导出，不是独立信息，其价值在于按源—汇组织转换流，使方向性交换可比。4.4 方向性指标描述交换方向和幅度，不表示生态稳定性或恢复成功，绝对强度与归一化率互补。4.5 管理启示与局限：植被增益不必然意味着持续恢复；代理组可用于筛选需验证区域；未来轨迹应视为条件性延伸；局限包括分类不确定性、2015—2016产品版本边界、非减建设用地约束、静态水体层、累计转移事件面积不等于唯一空间足迹、六类聚合、代理非因果归因及区域特定性。

结论翻译：内蒙古2001—2020年土地覆盖变化揭示了仅靠净面积轨迹不明显的显著内部土地系统重组。裸地与稀疏植被土地下降以及草地、森林、耕地和建设用地变化，源自区域内同时发生的多个对比转移路径。恢复关联代理转移和发展关联代理转移在研究期多数时间共存，其相对幅度在生态区间差异显著。在基线路径定义下，恢复关联代理转移在九个生态区中的六个更大，而发展关联代理转移在大兴安岭、西辽河平原和黄河河套平原区域更大。主要单个转移路径也随生态区而异，表明全区总量结合了不同区域转移路径，而非空间均匀轨迹。因此，相对温和的净土地覆盖变化可能掩盖土地覆盖类别间显著且空间分化的交换。转移网络表示进一步通过区分不同土地覆盖类别的源和目的地模式，刻画了土地覆盖交换的方向结构。入向与出向转移强度揭示了土地覆盖增益、损失和双向交换的对比模式，而类面积归一化使不同空间范围类别间的转移活动可比较。区域土地覆盖变化以并发的源—汇交换为特征，其幅度和相对重要性在土地覆盖类别和生态区间不同。通过整合基于路径的转移分析和方向性转移指标，该研究刻画了净土地覆盖变化底层的内部交换，并提供了比净面积统计更明确的土地系统重组表示。然而，恢复关联和发展关联转移组是基于观测土地覆盖方向的分析代理，而非对具体生态恢复、发展活动或底层驱动因子的直接证据或因果归因。鉴于内蒙古内部显著的气候和生态异质性，此处识别的特定转移模式不应被假定能代表更广泛旱地区域。