将数据驱动的方法与地理空间建模相结合，以识别环境热点区域并指导有针对性的恢复工作

《Journal of Environmental Management》：Integrating data driven approaches and geospatial modeling to identify environmental hot spots and guide targeted restoration efforts

本研究基于电路理论与引力模型构建长沙-株洲-湘潭都市区生态空间网络（ESNs），通过网络攻击模拟量化结构韧性与功能韧性，揭示ESNs碎片化及栖息地质量下降趋势，识别出占总面积1.6%的60个退化关键节点作为优先修复区，提出整合韧性阈值的空间治理框架。

　　

邓志伟|邓楚雄|刘耀军|王慧敏|陈卓

湖南师范大学地理科学学院，中国湖南省长沙市410081

摘要

大都市地区的人类活动强度极大改变了生态空间网络（ESNs），削弱了它们的韧性和长期可持续性。因此，确定生态恢复的优先区域对于增强网络韧性和指导空间治理至关重要。然而，现有研究很少将韧性阈值的概念纳入恢复规划中。本研究以长沙-株洲-湘潭大都市区（CZXMA）为例，结合电路理论和重力模型构建ESNs，并利用网络攻击模拟来量化其结构和功能韧性。通过将斑块级别的韧性贡献与人类活动强度联系起来，我们确定了关键的韧性阈值，并划定了生态恢复的优先区域。结果表明，ESNs呈现出碎片化加剧和栖息地质量下降的趋势。ESNs对高中心性节点的丧失非常敏感，仅1%–2%的节点失效就会引发结构崩溃和功能韧性的急剧下降。根据节点的韧性贡献和人类活动强度对斑块节点进行了排名，前22%的节点被确定为关键斑块。在这些关键斑块中，有60个退化的斑块被确定为优先恢复目标，占整个大都市区的1.6%。恢复这些退化的关键斑块将显著提升ESNs的韧性。总体而言，本研究开发了一个新的分析框架，将韧性阈值整合到空间网络分析中，为全球快速城市化地区的生态恢复和可持续土地管理提供了实际指导。

引言

生态空间网络（ESNs）被定义为相互连接的栖息地斑块和走廊系统，对于维持生物多样性和支持生态过程至关重要（Opdam等人，2006；Peng等人，2025）。ESN的有效性取决于对其目标物种或关键过程的明确定义（Beger等人，2022）。为森林栖息物种设计的网络将与为水生连通性或抽象生态系统服务流设计的网络优先考虑不同的景观要素。因此，将广泛的ESN概念转化为可操作的空间计划需要基于具体的生态理由（Brodie等人，2025）。在这方面，森林和水体通常被认为是许多陆地和水生类群的基本结构栖息地组成部分，作为区域生态连通性的主要栖息地斑块（Gonzalez等人，2017；Jiang等人，2024；Li等人，2024a）。然而，快速的城市化和密集的土地资源开发加剧了生态空间的退化和缩减，导致一些关键斑块的丧失，并引发了破坏生态过程的连锁反应（Hong等人，2022）。关键斑块的退化严重损害了ESNs的韧性，增加了生态风险（Montis等人，2019）。因此，加强这种网络韧性已成为提高生态安全的一种策略（Jeynes-Smith等人，2024）。然而，尽管人们对这些网络的保护和恢复越来越关注，但大多数现有研究仍然主要评估ESNs的结构模式而非韧性动态。

韧性作为复杂系统的特征，指的是系统吸收外部环境干扰、维持其基本结构和功能，并可能适应或转变为不同状态的能力（Holling，1973）。随着韧性理论的扩展，它逐渐被应用于复杂网络的跨学科研究，如基础设施网络（Wang等人，2024）、大脑神经网络（Liu等人，2024）、食物网（Calò等人，2025）和供应链（Nibbrig等人，2025）。ESNs也表现出复杂网络的特性，如小世界、无标度拓扑和涌现（Artime等人，2024；Dang等人，2024a；Montis等人，2019）。因此，韧性概念可以应用于ESNs。将景观生态学中的斑块-走廊-矩阵理论应用于ESNs的构建，为更深入理解网络韧性提供了基础（Fu等人，2025）。

以往的研究通常结合形态空间模式分析（MSPA）、最大熵模型、电路理论和土地利用预测来构建ESNs，并通过网络攻击实验评估其稳健性（Lu等人，2022；Men和Pan，2023；Wei等人，2024）。这些研究主要通过使用图论和拓扑指标（如连通性、中心性和多样性）来强调ESNs的结构韧性（Huang等人，2022；Wang等人，2023c；Xu等人，2024；Zhang等人，2025b）。然而，除了结构韧性之外，很少关注ESNs的功能韧性，特别是决定网络状态转变的韧性阈值。ESNs的韧性本质上是非线性的，常常由于关键斑块的退化或走廊中断而引发突然的转变（Artime等人，2024；Dang等人，2024a；Hong等人，2022；Li等人，2024a；Xiang等人，2024）。理解这些阈值对于预测关键转变并在人类和环境压力加剧的情况下保持ESNs的稳定性至关重要。

斑块和走廊是ESNs的基本要素，而斑块在维持ESNs韧性方面具有结构性主导作用（Wang等人，2025）。斑块作为栖息地来源的独特性使它们成为ESNs韧性的核心载体，替代路径可以抵消走廊中断的影响。然而，走廊支持物种迁移的能力在很大程度上取决于其终端斑块的栖息地质量（Lu等人，2023b）。一旦这些栖息地斑块退化，即使结构完整的走廊也无法维持生态连通性和确保物种的持续存在。因此，关键斑块的丧失往往会触发ESNs的连锁故障，破坏生物物理过程并导致网络系统不稳定（Chen等人，2024；Dang等人，2023；Evans等人，2013）。因此，恢复退化的关键斑块是提高ESNs韧性的实际策略，确定这些优先区域为有针对性的恢复规划提供了科学依据（Cao等人，2025；Hou等人，2023）。传统的优先保护和恢复区域映射方法通常依赖于生态系统功能、脆弱性和敏感性的多标准评估（Duan等人，2024；Hong等人，2024；Zhai等人，2020）。尽管最近的研究通过检测重要的瓶颈和障碍点推进了ESNs的研究，但很少有研究将斑块级别的贡献与韧性阈值结合起来以指导恢复优先级。

全球大都市地区经历着密集的人类活动，快速的城市扩张和基础设施建设侵占了自然景观并使其碎片化（Chang等人，2024；Wang等人，2023a）。作为中国中部城市化最快的地区之一，长沙-株洲-湘潭地区代表了丘陵和平原景观之间的过渡带，这里密集的城市-农村互动和生态异质性使其成为检测韧性阈值的理想案例。其交织的城市集群和碎片化的生态空间的空间配置反映了许多发展中国家大都市在快速工业化过程中面临的挑战。这种与城市化相关的土地转型加剧了栖息地斑块的退化或消失。尽管中国的《2021–2035年国土空间总体规划》对土地利用的比例和空间布局进行了限制，但由于以经济增长为导向的决策，一些斑块仍面临退化风险（Chen等人，2025；Hu等人，2024）。因此，精确识别对ESNs整体韧性至关重要的生态斑块以及在规划期间面临丧失风险的斑块至关重要。对这些斑块进行积极的生态恢复对于提高大都市区的生态安全具有重要意义（Peng等人，2023；Simkin等人，2022）。

2022年，中国政府正式建立了长沙-株洲-湘潭大都市区（CZXMA），将其定位为推动长江经济带高质量发展的国家经济增长引擎（Wu和Wang，2023；Zhang等人，2022）。这一举措加强了三个城市之间的产业协同作用，同时促进了与周边较小城市的区域整合。然而，过去40年来该大都市区的经济繁荣导致了密集的城市扩张，造成了大量自然景观的丧失（Deng和Quan，2023）。此外，高温、强降雨和严重干旱等极端天气事件的频繁发生削弱了生态系统服务的能力，并降低了它们对未来干扰的韧性（Montràs-Janer等人，2024；Suggitt等人，2023）。这些影响是累积和长期的，对区域生物多样性和人类福祉构成了严重威胁。因此，我们选择CZXMA作为一个代表性案例，来验证基于韧性阈值的生态恢复优先级框架的适用性。具体来说，本研究旨在：（1）使用MSPA和电路理论构建ESNs并分析其结构组成部分；（2）模拟动态干扰情景以测量ESNs的结构和功能韧性；（3）根据斑块级别的韧性贡献和未来的生态抵抗变化来检测韧性阈值并确定优先区域。我们的贡献是提出了一个基于ESNs韧性阈值的优先恢复区域识别综合框架。研究结果可以为高度城市化地区的ESNs基于韧性的空间治理提供科学基础。

研究区域

CZXMA作为中国南部的一个多中心大都市区，位于东经111°53′32″–114°15′28″，北纬27°13′31″–28°39′56″之间（图1）。CZXMA是推动长江经济带高质量发展的关键区域之一（Zhang等人，2022）。研究区域面积约为18,900平方公里，包括整个长沙市以及株洲市和湘潭市的部分地区。2023年，该研究区域的GDP达到2.07万亿元，占...

ESNs的演变特征

图5显示，从1980年到2020年，背景区域增加了2.10%，预计在未来15年（2020–2035年）将进一步扩大1.57%，反映了背景区域的持续和加速扩张趋势。与此同时，核心区域正在经历侵蚀和碎片化，逐渐转变为背景区域。因此，核心-背景结构发生了根本性的变化，背景区域成为了主导...

基于网络干扰模拟的ESNs韧性评估

在外部压力下识别ESNs中的关键斑块可以为精确的生态保护工作提供目标（Zhang等人，2024b）。随着网络计算的蓬勃发展，与韧性相关的研究通常涉及设计节点移除序列来评估节点失败率增加对网络连通性的影响（Artime等人，2024）。这种基于网络的视角为探索ESNs的韧性提供了新的见解。

结论

通过结合景观模式分析、电路理论、土地利用预测和网络攻击模拟，本研究开发了一个评估ESNs韧性的综合框架。该框架旨在通过将ESNs的韧性阈值与潜在的斑块退化联系起来，来确定生态恢复的优先区域。结果表明，在日益增加的人为压力下，ESNs经历了渐进的结构破坏和功能稳定性的下降。

CRediT作者贡献声明

邓志伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。邓楚雄：撰写 – 审稿与编辑，方法论，资金获取，概念化。刘耀军：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。王慧敏：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。陈卓：资源，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（42171258；42377336）、湖南土地利用评价与利用重点实验室开放课题（SYS-ZX-202402）以及湖南省自然科学基金联合基金（2024JJ8350）的财政支持。