在五大湖流域进行植树造林或土地复垦？一种提升粮食安全与生态安全协同效应的方法

《Environmental Impact Assessment Review》：Afforestation or reclamation in great lake basins? An approach to enhance the synergy between food and ecological security

本研究以洞庭湖流域为对象，构建人口与面积加权指标量化耕地生产、水源涵养和碳汇三大生态系统服务的权衡与协同效应，设计了等面积转换、优先复垦和优先造林三种景观调控策略，结果表明优先造林策略能有效降低权衡强度、提升协同效益，为平衡粮食安全与生态保护提供决策依据。

　　

郑慧宁|彭健|徐子涵|夏佩|陶虎|张汉兵

北京大学城市与环境科学学院，教育部地球表面过程实验室，北京100871，中国

摘要

为了平衡生态保护和农业生产力需求，在洞庭湖流域（DLB）实施了有针对性的干预措施，包括“退耕还林”计划和耕地修复与再利用项目。洞庭湖流域是长江流域重要的生态屏障，也是中国的关键农作物生产基地。本研究通过效益提升和减排标准识别了低质量林地和耕地，模拟了景观调节方案，并评估了农作物生产（CP）、水净化（WP）和碳封存（CS）等生态系统服务（ESs）之间的权衡与协同效应。在方法上，我们创新性地构建了基于人口和面积加权的指数——综合权衡强度（CTI）、综合协同强度（CSI）和协同权衡比率（STR），以解决ES关系评估中的空间异质性偏差，并确定最佳景观调节策略。在实际操作中，为“退耕还林”计划和耕地修复与再利用项目的实施制定了三种景观调节方案：等面积转换、修复优先和造林优先。研究结果表明，2020年洞庭湖流域约有50.70%的区域无法同时实现两种或更多种ES的高水平供应。情景分析显示，在三种景观调节方案下，CP和CS普遍增加，而WP略有下降。特别是造林优先方案在减少CTI（2.65%）和增强CSI（2.66%）方面表现最佳，同时具备优异的STR性能，证实了其在缓解ES权衡的同时增强协同供应能力方面的有效性。通过使用考虑人口/面积不平衡的空间明确指数来改进ES关系评估方法，本研究为大型湖泊流域的可持续景观治理提供了理论基础和决策框架。

引言

水、食物和陆地生态系统是维持生命、促进社会经济发展和适应气候变化的基本需求，对全球可持续发展具有重要意义（Malagó等人，2021；Xu和Peng，2024）。具体而言，包括谷物和经济作物在内的农业生产是人类生计的基础，而清洁水则确保了粮食安全和生态系统完整性（Makwinja等人，2022；Peng等人，2024a）。陆地生态系统碳汇是重要的气候变化缓解机制（Cheng等人，2024；Hu等人，2025；Zheng等人，2023）。许多研究表明，生态系统提供足够的ESs以支持社会经济发展和促进人与自然和谐共存的能力是生态安全的重要标准（Liu等人，2022）。因此，在本研究中，增加农作物生产（CP）被视为促进粮食安全，而增强碳封存（CS）和水净化（WP）则被视为确保生态安全的重要条件。然而，这些关键ESs之间存在复杂的相互作用（Bayer等人，2023；Tamburini等人，2020）。具有生态敏感环境、人口密集以及快速社会经济发展的湖泊流域面临更大的气候-城市化压力，加速了生态系统退化（Jenny等人，2020；Reynaud和Lanzanova，2017），从而加剧了多重社会生态风险和ES权衡（Keeler等人，2012；Xu等人，2024a，Xu等人，2024b；Yu等人，2023a，Yu等人，2023b）。洞庭湖流域位于中国长江经济带内，既是重要的农作物生产基地，也是生态安全缓冲区。然而，它面临着多重可持续性挑战，包括作物产量下降、水污染和生态系统退化（Hou等人，2020；Zheng等人，2022）。随着化肥使用的增加，CP和WP之间的权衡正在加剧（Peng等人，2024a），同时森林土地扩张与耕地保护以保障粮食安全之间的冲突也日益突出（Peng等人，2019；Wang等人，2021）。淡水生态系统的恶化进一步威胁到了多种ES的提供（Makwinja等人，2022；Zorrilla-Miras等人，2014），因此迫切需要开发综合治理框架来协调粮食安全和生态安全目标。

自1998年毁灭性洪水灾害以来，中国实施了“退耕还林”计划，逐步停止了易受土壤侵蚀的坡地耕作，并根据当地条件实施了造林和草地恢复措施以实现植被恢复。为了改善土壤和水分保持能力并防止长江流域的洪水灾害，在过去二十年里，洞庭湖流域进行了耕地转为林地和耕地转为湖泊的转换（湖南省人民政府，2019）。尽管耕地转为林地通过增加植被覆盖提高了CS和土壤保护等调节服务（Lu等人，2018；Yuan等人，2023），但也可能导致作物产量下降，从而加剧了ES权衡（Peng等人，2019；Wang等人，2017）。为了确保粮食安全并维持耕地面积的动态平衡，中国实施了耕地征用-补偿平衡制度，禁止耕地的“非农业化”，特别是“非谷物化”（自然资源部、农业农村部、国家林业和草原管理局，2021）。然而，新开垦的耕地可能会占用生态用地，导致ES减少（Kong等人，2025；van Vliet，2019），其负面影响可能超过城市扩张造成的生态用地损失（Ke等人，2018）。因此，迫切需要探索平衡耕地保护和生态用地保护的解决方案（Wang等人，2021）。虽然战略性的景观调节可以改善ES供应并缓解权衡（Geneletti等人，2013；Peng等人，2023；Willemen等人，2010；Yin等人，2025），但耕地管理的影响尚未得到充分量化（Guo等人，2024；Tao等人，2024）。揭示“退耕还林”计划和耕地修复与再利用项目对ES的影响对于制定和优化景观治理政策至关重要（Wei等人，2024）。

自然条件的空间异质性导致ES分布不平衡，而社会、经济和政治因素则导致不同利益相关者对ES的获取能力存在差异（Cord等人，2017；Howe等人，2014；Langemeyer等人，2024）。这些因素本质上引发了ES之间的权衡（Daw等人，2011；Rodríguez等人，2006）。为了缓解权衡并增强多种ES的协同效应，采用了相关性分析（Schirpke等人，2019；Sun等人，2018）、均方根误差（RMSE）（Yu等人，2023a，Yu等人，2023b；Zheng等人，2022）、生产可能性前沿（Lester等人，2013；Jiang等人，2022）和贝叶斯信念网络（Karimi等人，2021，Schwantes等人，2025）等方法来探索ES之间的关系及其影响机制。然而，现有研究通常只考察成对的ES关系，而多种ES之间的综合权衡或协同效应尚未揭示（Bennet等人，2009）。此外，在ES框架内，利益相关者的观点往往被忽视（Díaz等人，2018），对于不同人口密度地区在ES权衡加剧时所遭受的影响差异关注不足，从而进一步加剧了ES的不平等（Daw等人，2011；Langemeyer等人，2024；Peng等人，2023）。重要的是，不同空间范围和人口规模的ES权衡加剧具有不同程度的影响，而在更广泛地区和更大人口范围内实现ES的协调增强可能会产生更大的效益。揭示具有不同面积和人口属性的空间单位对整体ES权衡或协同效应的影响和贡献，将为政策制定提供科学上的坚实基础。Ouyang等人（2016）的先前工作通过根据受影响人数对ES供应进行加权，将ES的物理供应转化为ES的重要性，为研究ES权衡和协同效应对人类的影响提供了思路。

在人类活动和气候变化的共同影响下，洞庭湖流域内CP、WP和CS之间的权衡加剧，限制了粮食安全和生态安全的协调。科学规划和战略性改造低质量林地以及造林低质量耕地可以缓解ES权衡并增强协同供应。因此，本研究旨在：（1）以洞庭湖流域为研究区域，基于NDVI数据和统计年鉴、InVEST模型及NPP数据分别评估2020年的CP、WP和CS供应情况；（2）根据低质量林地和耕地的识别，设计等面积转换、修复优先和造林优先的景观调节方案；（3）通过基于人口和面积加权的指数（即综合权衡强度（CTI）、综合协同强度（CSI）和协同权衡比率（STR）评估不同方案下的多ES权衡和协同效应；（4）确定最佳方案以缓解ES权衡并增强协同效应，指导洞庭湖流域的可持续景观治理。

研究区域和数据来源

洞庭湖流域位于中国中南部地区，涵盖7个省级行政区内的982个流域，包括湖南、江西、湖北、重庆、贵州、广东和广西（图1）。该流域总面积约为26.71×10^6公顷，海拔范围从19米到2523米不等。地形具有明显的梯度特征，东北部海拔较低，西部和南部逐渐升高

生态系统服务的空间分布

2020年，洞庭湖流域的CP、WP和CS的空间分布不均匀（图4）。2020年该流域的总作物产量为6.57×10^7吨，平均作物产量为8.89吨/公顷；稻田的总产量为3.33×10^7吨，平均作物产量为6.67吨/公顷；旱地的总产量为3.24×10^7吨，平均作物产量为13.54吨/公顷。982个流域的CP供应量介于0吨/（公顷·年）到39.58吨/（公顷·年）之间，西部地区的CP供应量较高。

耕地与林地保护之间的冲突

自20世纪70年代以来，中国相继实施了诸如三北防护林工程和“退耕还林”计划等生态工程项目（Peng等人，2024b）。然而，在这些项目的实施过程中，生态用地与耕地之间的权衡逐渐显现（Wang等人，2021）。在实施生态用地和耕地项目时，对需要改造的区域划分仍存在不科学和不合理的情况

结论

通过识别和改造低质量耕地和林地来优化景观格局，是协调洞庭湖流域粮食安全和生态安全的途径。本研究提出了三种景观调节方案，包括低质量耕地与林地之间的等面积转换、修复优先和造林优先，并建立了基于人口和面积加权的CTI、CSI和STR指数，以量化ES权衡和协同效应

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

本研究得到了国家自然科学基金（U20A2084）的财政支持。