阿克苏河流域系统协调机制的演变：农业扩张的驱动作用与生态脆弱性的空间响应差异

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Evolution of system coordination mechanism driven by agricultural expansion and spatial response difference of ecological vulnerability in Aksu River basin

本研究以Aksu河流域为对象，采用压力-状态-响应模型和优化自组织特征映射模型，揭示干旱区农业扩张驱动的生态脆弱性空间分异规律及耦合协调机制，发现山地区脆弱性主要源于林地被耕地侵占，绿洲区则由人类活动直接驱动，沙漠区因耕地扩张导致植被退化。气候变暖通过加剧蒸散发和冰川融水对水资源分配的影响，调节农业活动与系统协调的反馈效应。研究提出需通过农业-水资源-植被协同治理实现系统优化，为差异化治理提供科学依据。

　　

赵琦|雷曦|邹家秀|曹晓明|冯一鸣

中国林业科学院生态保护与修复研究所，北京100091

摘要

在干旱地区，农业扩张通常通过复杂的途径引发环境退化。然而，关键的系统机制仍不明确，这阻碍了有针对性的管理。本研究提出假设，即耕地扩张通过破坏系统协调性来驱动生态环境变化，并以阿克苏河流域作为典型区域进行研究。我们采用了压力-状态-响应模型和优化的自组织特征映射模型来揭示生态脆弱性（EV）的空间差异模式，然后使用耦合协调度（CCD）模型分析协调性的演变机制。最后，通过中介效应分析探讨了CCD与EV之间的动态相关路径以及气候的调节作用。结果表明，山区的EV直接受到耕地扩张对森林的影响。然而，绿洲-沙漠过渡带的植被退化主要是由水资源不合理分配造成的，而沙漠带的草地退化主要是由耕地占用引起的，这导致了EV的增加。相比之下，绿洲带的EV主要由人类活动直接驱动，与CCD的相关性较弱。变暖暂时增加了冰川融水，但加剧了蒸散作用，威胁到了可持续的绿洲农业。因此，干旱地区农业管理应转向农业、水资源和植被之间的协调发展，而不仅仅是局限于灌溉水等单一因素的控制。该框架通过识别系统协调性与EV之间的相关机制，为干旱地区农业的差异化治理提供了科学依据。

引言

在全球干旱地区，农业扩张已成为重塑生态系统结构并推动生态过程演变的核心人类活动（Ma等人，2018年；Sargsyan等人，2025年）。为了满足不断增长的粮食需求，日益加强的农业活动深刻改变了这些地区的土地利用模式（Lin等人，2025年；Yang等人，2024年），但同时也面临水资源短缺、土地退化和生物多样性丧失等多重挑战（Elham等人，2025年）。同时，全球变暖加剧了水资源在空间和时间上的分布不平衡（Ghasempour等人，2025年；You等人，2025年），使得农业生产与自然生态系统之间的资源竞争更加激烈。随着灌溉强度的增加和景观破碎化的加剧，农业与环境之间的不平衡不仅导致了生态系统服务的下降，还导致了生态脆弱性（EV）的增加和严重的土地退化，从而限制了农业系统的稳定性和生产力（Qiao等人，2025年；Niu等人，2022年）。因此，对于生态基础薄弱且敏感的干旱地区来说，了解耕地驱动的土地空间格局演变如何影响生态系统的稳定性是一个关键的科学问题。

农业和环境的可持续发展的本质是在适应气候变率、维护生物多样性、确保系统稳定性和考虑经济可行性等多维目标之间寻求动态平衡（Chabert和Sarthou，2020年；Zhao和Ren，2022年）。尽管目前有许多研究探讨了土地利用变化、气候影响或个别生态过程对EV的影响（Montoya等人，2019年；Negash等人，2020年），但仍存在一定的局限性。一方面，这些研究忽视了不同系统元素功能退化导致的系统元素之间相互作用的不平衡，从而导致生态系统受损，并且缺乏对跨系统协调机制的研究（Zhai，2021年），使得耕地驱动的系统协调性如何影响EV尚不清楚，限制了协作管理策略的发展。另一方面，由于地形梯度显著和人类活动差异较大，耕地的分布存在显著的空间和时间差异（Liu等人，2025年）。传统的行政边界或规则网格难以形成具有统一特征的空间评估单元，使得治理策略缺乏针对性和合理性。针对上述问题，中国提出的“山-河-林-田-湖-草-沙”系统性治理概念提供了一个新的理论框架（Jin等人，2024年）。该框架强调将系统视为一个整体，每个元素相互依存，任何一个元素的功能变化都会引发连锁反应，并最终反馈到整个系统（Li等人，2019年）。例如，灌溉改变了土壤水分和植被动态，草地或森林退化削弱了土壤保持能力，这些变化可能通过不同子系统之间的耦合关系影响整体EV。因此，如何根据当地条件量化耕地驱动的系统协调性演变及其对EV的影响是本研究的重点。

构建EV指标以评估干旱地区的生态状况已被广泛应用（Stenfors等人，2023年；Wang等人，2024年），它反映了系统结构和功能在受到人类活动和气候等外部因素干扰时的响应程度和恢复能力（Qiao等人，2008年；Xu等人，2009年），并指示了在人地关系背景下的土地可持续利用水平。为了分析协调机制，本研究选择了耦合协调度（CCD）模型来量化复杂系统中多个元素在土地空间格局演变过程中的协调性（Geng等人，2025年）。基于此，本研究创新性地构建了一个综合框架：“EV的空间特征提取 - 地理空间分区 - 系统协调性演变 - 生态反馈机制分析”，主要回答以下问题：（1）干旱地区复杂生态系统中EV的空间异质性和多时间演变特征是什么？（2）不同地理空间划分中，耕地驱动的不同生态子系统之间的CCD演变模式是什么？（3）不同子系统之间的协调性是通过直接还是间接路径影响EV的？气候因素是否会调节这一作用过程？（4）未来应采取哪些措施来维持农业和环境的协调恢复？

塔里木河流域是中国最大的干旱内陆河流，也是中国的主要粮食生产基地（Hou等人，2025年），而阿克苏河流域是其主要水源，该流域具有典型的“山-绿洲-沙漠”复合生态系统，其生态过程对气候波动极为敏感。区域发展以绿洲农业经济为主，高度依赖人工灌溉（Huang等人，2012年）。在过去30年里，该地区经历了显著的景观格局演变和农业扩张。其地貌梯度、农业压力、生态背景以及气候特征的高异质性使其成为研究干旱农业系统演变的理想实验室（Thevs等人，2015年）。因此，本研究以阿克苏河流域为典型区域，从系统性治理的角度提出了两个假设：首先，农业扩张会通过改变系统内部各元素之间的协调关系来驱动流域内EV的时空演变，且由于不同景观单元的存在，这种驱动路径存在空间差异；其次，气候变化会调节农业活动对系统协调性的影响，并加剧对EV的反馈效应。基于这些假设，进行了以下五个方面的研究：（1）构建了多维的“压力-状态-响应”指标来评估EV。（2）提出了一种改进的多变量变分模型分解-自组织特征映射（MVMD-SOFM）融合模型，将流域划分为具有统一特征的地理空间区域。（3）从每个子系统的角度构建了结合土地利用和土地覆盖的评估系统，以分析跨系统协调性的演变。（4）引入了传递熵（TE）来揭示CCD变化的主要驱动因素。（5）量化了CCD对EV的直接和间接作用路径，并分析了气候的驱动效应。该框架为分析农业景观中的复杂反馈效应提供了科学参考。

研究区域

阿克苏河流域位于中国西北部，北邻天山山脉中部，南接塔里木盆地。其地理位置介于东经76°16′至81°17′，北纬40°11′至41°45′之间，如图1所示。流域整体地形西北高东南低，形成了由山脉、沙漠和绿洲耦合的生态系统。阿克苏河发源于托什肯特河

地理分区与EV分析

MVMD-SOFM模型将阿克苏河流域划分为四个不同的EV区域（图5a）。分区显示了地理特征的明显空间梯度。沿地形梯度，平均海拔从I区的3191.85米逐渐降至IV区的1225.49米。同时，年降水量和年平均温度也从I区到IV区呈现出一致的增长趋势。为了定量评估分区的内部一致性，

基于土地差异化管理的空间单元分区

从管理角度来看，构建具有明确生态背景的空间单元是实现精准生态管理和科学恢复的重要前提（Peng等人，2019年）。MVMD-SOFM模型划分的四个区域对应于流域特有的“山-沙漠-绿洲”景观格局。从山区到绿洲区的海拔逐渐降低，加上水热梯度的增加，验证了

结论

从系统治理的角度出发，我们以阿克苏河流域作为典型的干旱内陆河流域，系统揭示了农业扩张驱动的内部协作机制的空间和时间演变。同时，我们全面考虑了气候变化的调节作用，分析了系统不平衡对EV的空间差异反馈路径。结果表明，在具有核心水资源保护功能的山区

CRediT作者贡献声明

曹晓明：可视化、监督、调查。冯一鸣：写作 – 审稿与编辑、项目管理、调查、概念化。邹家秀：可视化、调查。赵琦：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、数据管理、概念化。雷曦：可视化、调查。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了新疆维吾尔自治区重点研发计划的支持，资助编号为2024B03025。