气候变化与市场扰动背景下喀斯特植被恢复模式的能值效率格局对比及基于情景的干扰 - 响应敏感性

《Ecological Engineering》：Pattern-level contrasts in emergy efficiency and scenario-based disturbance-response sensitivity in karst vegetation restoration patterns under climate change and market perturbations

　　

摘要

在气候变化与市场波动的双重压力下，喀斯特植被修复模式在自然资源利用、经济投入与系统产出之间的关系仍缺乏充分理解。本研究基于生态经济（emergy）理论，对中国西南地区某喀斯特区域的四种典型修复模式进行了比较：桂牧1号草单种种植（G）、Zenia insignis（黑三棱或相关属）人工林（F）、林草间作（FG）以及林草牛复合系统（FGC）。我们在基线条件下评估了其生态经济（emergy）绩效，并在气候情景（SSP2–4.5 与 SSP5–8.5）以及理想化的市场波动情景（投入成本与产出收益波动$\pm 10\%$）下，模拟了情景式扰动—响应敏感性。研究观察到不同修复模式在生态经济特征上存在显著差异。FGC 模式的生态经济功率密度最高，但由于其环境负荷比最大，导致生态经济可持续性指数最低。单种种植模式（G 和 F）的生态经济可持续性指数显著高于复合模式。情景模拟进一步表明，单种系统对有利市场情景的响应比复合系统更为积极。以七个指标在所有模拟扰动下绝对回归斜率之和量化的总情景敏感性，在 G、F 与 FG 之间较为接近（2.16–2.26），而 FGC 最低（1.37）。这些结果揭示了不同修复模式在生态经济效率与情景敏感性方面存在截然相反的性能特征：G、F 和 FG 兼具较高的生态经济效率（EBR = 42.00–48.50）与相对较高的模型化敏感性，而 FGC 则表现为低效率与最低的模型化敏感性，后者反映的是其归一化比率指标（ESR 与 ERR）在模拟情景下近乎不变，而非已得到证实的稳健性。尽管 FGC 能够产生较高的生态经济流量，但在此研究站点、所采用的生态经济核算假设以及所模拟的情景空间下，其代价是更高的环境压力与较低的可持续性。我们的研究结果为脆弱喀斯特地区实施适应性、模式针对性的修复管理提供了定量依据。

引言

喀斯特景观约占全球陆地面积的$12\%$，为逾十亿人口的生存与发展提供了基础，其生态系统的健康与稳定性对区域可持续发展至关重要（Bajec and Kranjc, 2023; Zou et al., 2024a）。然而，喀斯特生态系统由于其独特的水文地质结构——浅薄土层、强烈渗漏以及高度的生境异质性——而固有地脆弱，因而对人为干扰和气候变化极为敏感（Lu et al., 2025b, Mahler et al., 2021, Meng et al., 2024a, Meng et al., 2024b）。中国西南，特别是横跨广西、贵州与云南的连片喀斯特地区，是全球最典型的喀斯特景观之一，石漠化问题最为突出（Wu et al., 2022; Yu et al., 2022a）。在过去数十年间，一系列大规模的植被修复与生态工程项目被实施，以遏制严重的水土流失与生态退化，并从早期的单种造林演变为当今多样化的植被修复模式（Du et al., 2019; Tong et al., 2017; Zhang et al., 2025）。这些模式旨在协同实现生态与经济效益（Li et al., 2022; Luo et al., 2024），但它们如何在日益加剧的全球变化和市场不确定性下保持可持续性，目前尚不清楚。

传统的生态恢复评估主要关注单一或静态指标，例如生物量积累、物种多样性恢复或水土保持功能（Lu et al., 2026; Zhang et al., 2020; Zou et al., 2026）。尽管这些研究证实了植被修复的正面生态效应，却往往无法全面量化系统运行过程中自然资源投入、经济投入与产出之间的本质关系与效率差异，更难以预测其模型化响应模拟扰动的能力（Zhou et al., 2021）。基于生态经济理论发展而来的生态经济（emergy）分析，为突破这一瓶颈提供了强有力的工具（Odum, 1988）。该方法将系统内的各类生态经济、物质与货币流量统一折算为共同的太阳生态经济单位，从而能够在生态核算的框架下公平地比较并综合评估来自自然环境与经济投入的贡献（Huang et al., 2025; Odum, 1988; Zou et al., 2020）。基于一系列生态经济指标，如生态经济产出率（EYR）、环境负荷比（ELR）和生态经济可持续性指数（ESI），可以从资源利用效率、环境压力与总体可持续性等多个维度深刻揭示各类生态经济系统之间的运行效率与本质差异（Wang et al., 2025）。

近年来，生态经济分析被广泛应用于农业、林业及区域生态经济系统的评价（Wang et al., 2023）。在喀斯特生态恢复领域，初步研究揭示了不同土地利用方式之间生态经济结构的异同（Chen et al., 2021）。然而，现有研究多局限于对当前系统状态的静态评估（Sánchez-Pinillos et al., 2024），从而忽略了这些生态植被修复模式在未来风险下将如何响应。尽管真正的生态韧性涵盖持久性、恢复力与适应力，但本研究在操作层面聚焦于"情景式扰动—响应敏感性"，即以模拟扰动下指标变化的幅度加以量化，而非生态意义上完整的韧性概念。在全球变暖的背景下，气温与降水格局的改变将直接影响喀斯特植被的生产力与生态系统过程（Huang et al., 2022b; Wei et al., 2025）。同时，在全球化市场体系中，本地区农产品与生产资料价格的剧烈波动可迅速传导至以生计为导向的修复模式，进而影响其经济可行性与管理实践（Chen et al., 2022; Zhang et al., 2024）。因此，评估不同喀斯特植被修复模式对这两大类扰动的扰动—响应敏感性，对于识别在未来气候与市场不确定性下更为稳健的修复选择具有重要意义。

本研究选取中国西南的典型喀斯特地区——广西环江县作为研究区，旨在通过整合生态经济分析与情景模拟方法，克服静态评估的局限，定量评估并比较四种典型喀斯特植被修复模式的生态经济绩效与情景式扰动—响应敏感性。我们提出如下科学问题：（1）在基线条件下，不同喀斯特植被修复模式的生态经济特征，尤其是其资源利用效率、环境压力与可持续性，是否表现出显著差异？（2）在气候与市场扰动下，不同模式的生态经济指标响应是否不同？（3）哪些模式表现出相对较低的情景式扰动—响应敏感性，这些差异会带来哪些管理启示？

节选片段

研究区

本研究开展于中国西南广西环江毛南族自治县羡面乡古镇村，属受石漠化影响的典型喀斯特区。更广义的研究区域见图 1，而样地的精确坐标与场地特征列于表 S1。该区域属由亚热带向南亚热带过渡的季风气候。年均气温为 20 °C，年降雨量为 1400 mm。该

不同喀斯特植被修复模式的生态经济特征

不同喀斯特植被修复模式之间的生态经济特征存在显著差异（$p<0.05$，图 2）。FGC 模式的生态经济功率密度（EPD）显著高于其他模式（$p<0.05$，图 2A）。不同植被修复模式之间的生态经济自给率（ESR）与生态经济恢复率（ERR）值存在显著差异（$p<0.05$），其大小顺序为 G > F > FG > FGC（图 2B、E）。该

相反的性能特征与选择：喀斯特植被修复模式中生态经济效率与可持续性的悖论

这些关系进一步揭示了不同修复模式之间在生态经济效率与可持续性上的相反特征（图 6）。复合系统（FG 与 FGC）表现出较高的生态经济功率密度（EPD），表明系统流量更大、生产强度更高。然而，这并不必然转化为更高的总体生态经济绩效，如较低的生态经济可持续性指数（ESI）所反映的，且在 FGC 情况下还表现为较低的生态经济效率指标

CRediT 作者贡献声明

Bohan Su：撰写——审校与编辑，方法，形式化分析，数据管理。Gongxiu He：监督指导，概念构思。Wenhui Sun：调查，形式化分析。Lihong Lu：撰写——初稿，软件，调查。Baozhen Li：撰写——审校与编辑。Xunyang He：经费获取。Zhaoxia Zeng：调查，形式化分析。Kelin Wang：验证，监督指导。Fuping Zeng：项目管理，经费获取。Hao Zhang：撰写——审校与编辑，撰写——

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。我们已阅读并理解贵刊的政策，并相信本稿件及本研究不违反其中任何一项。

致谢

本研究受国家重点研发计划（2024YFD2200503）、广西壮族自治区关键研发计划（桂科AB23026129）、广西自然科学基金（2025GXNSFAA069325）、国家自然科学基金（31870712、32071846、42071073）以及中国河池市杰出人才计划资助。

Bohan Su|Gongxiu He|Wenhui Sun|Lihong Lu|Baozhen Li|Xunyang He|Zhaoxia Zeng|Kelin Wang|Fuping Zeng|Hao Zhang