中国陆上边境地区土地利用混合对生态系统健康的非线性阈值效应及分区治理

《Journal of Cleaner Production》：Nonlinear threshold effects of land use mixture on ecosystem health and zoned governance in China's land border regions

　　

• •
  揭示了边境地区土地利用混合对生态系统健康的非线性阈值效应，突破了线性假设的局限。
• •
  整合广义加性模型（GAM）、分段回归和XGBoost-SHAP-PDP，揭示土地利用类型间的相互作用。
• •
  建立了"阈值识别—效应解释—分区治理"框架，为土地利用优化和生态保护提供支持。

引言

在气候变化加速和人为干扰加剧的背景下，评估和维持生态系统健康（EH）已成为生态学、地理学和环境管理的核心议题（Yu等，2025）。土地利用变化是人为干预自然系统最普遍的形式之一，其对生态系统结构、功能和稳定性的影响已有充分记录（Li等，2025a）。在中国，过去二十年的快速城镇化推动了建设用地的持续扩张，其总面积从2.40×10⁴ km²增长到6.24×10⁴ km²。伴随这一扩张，大规模且管理不善的土地利用活动加剧了生态压力，导致土地退化、生物多样性丧失，并对区域EH和可持续发展构成更广泛的威胁（Peng等，2015; Li等，2025b; Wang等，2023）。这些压力在生态脆弱地区尤为突出，环境脆弱性常与社会经济欠发达并存。土地边境地区正是这种重叠的典型代表，然而其生态系统对土地利用变化的响应仍缺乏深入了解（Ma等，2025）。根据《中国国家生态脆弱区保护纲要》，这些地区大多位于生态与植被过渡带，土地利用呈复杂镶嵌格局，包括农牧交错带和林牧交错带，涉及21个省级区域，其中9个为边境省份和自治区（Tang等，2023）。中国土地边境地区同时受到边境开发政策、基础设施扩张、开放举措和资源开发的共同影响，面临极高的生态敏感性、有限的环境承载力和持续的土地利用压力。因此，土地边境地区是研究土地利用格局变化及其生态后果的极具针对性的场域，对跨境保护、联合治理及与邻国协同发展具有重要借鉴意义。

越来越多的研究探讨了土地利用变化如何影响生态系统服务（Song和Deng，2017; Rahman和Szabó，2021）、生态脆弱性（Liao等，2011）、生物多样性（Seto等，2012）和EH（He等，2019; Yuan等，2023），一致表明土地利用过程强烈塑造生态系统结构和功能。在现有方法中，EH评估为综合评估区域生态环境质量提供了有效途径，可采用物种指标或综合指标体系（Ouyang等，2024a; Peng和Unluer，2023）。随着学科的成熟，生态系统服务因其连接生态系统功能与人类福祉的作用，越来越多地被纳入EH评估框架，最终形成了被广泛采用的活力—组织—弹性—服务（VORS）框架（Wang等，2024; Shen等，2023）。该框架已在不同区域和空间尺度上得到应用（Li等，2022; He等，2019），土地利用变化始终被识别为EH动态的主要驱动因素，通过土地利用转换和景观格局变化的视角加以阐释（Li等，2023a）。

尽管取得了上述进展，越来越多的证据表明EH对土地利用影响因素的响应极少呈线性关系。非线性、空间异质性和阈值效应日益被认为是这些关系的基本特征（Shao等，2025; He等，2019）。关键转换理论和替代稳定态概念进一步指出，生态系统在累积干扰超过韧性阈值后可能发生突变（Xu等，2023），使得阈值识别成为生态恢复和调节的关键优先事项（Peng等，2024）。与此认识同步发展的是方法论的进步，分段回归（Zhao等，2024）、约束线分析（Chen等，2024a; An等，2024）和提升回归树模型（Bhattacharya等，2024; Meng等，2025）均对非线性EH响应的检测作出了贡献。然而，仍存在若干重要空白。边境地区得到的系统性关注有限，特别是跨境与内部干扰并存的情形。EH阈值的位置及跨区域变异仍缺乏充分表征，现有方法在解构复杂关联方面的能力往往有限，难以准确识别关键贡献因子，也难以捕捉阈值跨越前后主导因子排名、边际效应和相互作用模式的变化。此外，尚缺乏一个将总体关联格局与区域调节相整合的分析框架。

本研究通过三个主要贡献填补了上述空白。首先，揭示了边境地区土地利用混合（LUM）与EH之间的非线性阈值效应，突破了传统线性假设的局限。其次，开发了一个整合广义加性模型（GAM）、分段回归和XGBoost–SHAP–PDP的递进式分析框架，将非线性检验、阈值识别、分段建模和可解释性分析相结合，包括利用SHAP交互依赖性图可视化土地利用的交互效应。第三，推进了"阈值识别—关联分析—分区治理"范式，为全球边境地区差异化土地利用优化和生态保护提供了可迁移的、基于证据的指导建议。中国土地边境地区为该框架提供了尤为适宜的场域，因为生物多样性热点、生态脆弱区与欠发达地区在此高度重叠，加剧了发展与保护之间的内在张力（Zou等，2024）。然而，边境地区LUM与EH之间非线性阈值效应的系统性识别与跨区域比较仍 largely缺乏，阈值跨越前后土地利用结构与EH之间关联的阶段特异性变化尚未得到充分理解，针对边境地区独特特征制定的差异化生态调节策略也有待建立。在此背景下，本研究围绕五个研究问题展开分析：（1）2000—2025年间LUM和EH的时空格局如何演变？（2）LUM–EH关系表现出怎样的区域差异和空间关联？（3）LUM与EH之间是否存在显著的非线性关系和区域特异性阈值效应？（4）不同阈值区间下，各类土地利用对EH的预测贡献及其相互作用模式如何变化？（5）所识别的阈值如何为中国土地边境地区的差异化土地利用优化和生态调节提供指导？

章节摘要

理论基础与框架

LUM与EH之间的关系部分反映了土地利用空间结构变化与生态系统响应之间的复杂耦合。边境地区承担多重功能，既是国家安全屏障，又是对外开放的前沿，同时还是生态敏感区。其土地利用格局受自然地理条件约束，同时也受到跨境经济联系、政策规制和基础设施等人类活动的塑造

研究区

中国陆地边界全长约22000 km，东起鸭绿江口，西南至北仑河口，与14个国家接壤：朝鲜、俄罗斯、蒙古、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、阿富汗、巴基斯坦、印度、尼泊尔、不丹、缅甸、老挝和越南（图3）。依据既有的研究框架和广泛采用的边境影响区划定方法（Flesch等，2010; Yue等，2024），本研究将研究区定义为

土地利用动态与转换强度

在研究期间，中国土地边境地区的土地利用/覆盖（LULC）结构以林地和草地为主，二者合计占总面积的65%以上，构成了该地区的生态骨架。2000—2025年间，这一结构发生了显著变化（图5）。耕地和建设用地分别扩张了7384.38 km²和2761.92 km²，对应增长率分别为8.14%和87.17%，而林地、草地、水域和未利用地分别减少了

非线性LUM–EH关系的普遍性与边境特异性

本研究识别的LUM与EH之间的非线性、阈值依赖关系与更广泛的文献结论一致，即土地利用变化通过多种相互作用途径与EH相关联，包括景观连通性、生态过程稳定性和开发干扰，这些因素共同与阈值响应、边际效应递减和强背景依赖性相联系（Ouyang等，2024b; Yang等，2024; Chen等，2024b）。在中低水平

结论

本研究以中国陆地边境60 km内陆缓冲区为研究对象，利用2000—2025年多源数据，通过整合改进的LUM模型、基于VORS的EH评估框架、泰尔指数分解、双变量空间自相关、分段回归以及XGBoost–SHAP–PDP分析，刻画了中国土地边境地区LUM与EH之间的时空动态、空间关联、非线性关系及关联模式。研究揭示了三个方面

作者贡献声明

廖莉莉： 撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、软件、资源、形式化分析。孙怡文： 撰写—审阅与编辑、软件、方法学、形式化分析、概念化。张文竹： 撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。吴斌： 撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的研究工作。

致谢

本研究得到了中央引导地方科技发展基金（项目编号：ZY23055016）和国家自然科学基金（项目编号：42261043和42361047）的资助。

廖莉莉|孙怡文|张文竹|吴斌