《Applied Geography》：Regulating grain production-water purification trade-offs through landscape structure in a large-scale basin: insights from the pattern-process-service framework
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景观组成与配置通过污染物扩散、生态缓冲及距离衰减等过程影响粮食生产与水质净化权衡，提出基于距离衰减阈值的差异化空间配置策略。
李继曼|奚恒辉|丁雪|罗金玲|杜凤仪|黄丛红|陶宇|欧伟新
南京农业大学土地管理学院，南京，210095，中国
摘要
粮食生产（GP）与水净化（WP）之间的权衡是可持续景观管理面临的主要挑战，尤其是在耕地保护政策下。然而，景观格局、生态过程以及GP-WP权衡之间的定量关联仍不甚明确，这限制了基于机制的空间调控措施。以太湖流域为例，本研究在“格局-过程-服务”（Pattern-Process-Service）框架内构建了一个结构方程模型，以识别通过生态过程介导的路径。随后采用了两步反向转化方法，将生态系统服务（ES）的结果与过程阈值联系起来，并将这些阈值转化为适用于空间定向干预的多因素景观配置范围。研究结果表明，景观组成和配置在其中起着不同的作用。随机森林分析显示，景观组成主要解释了GP（71%）和WP（54%）的变化，而景观配置则主导了GP-WP权衡（60%）。从机制上看，组成影响了污染物扩散、生态缓冲作用以及距离衰减过程；而配置则主要通过其对距离衰减过程的影响来调节GP-WP权衡。在耕地保护背景下，“配置-距离衰减-ES”路径的影响最为显著（对WP的影响为0.51，对GP-WP权衡的影响为-0.43）。研究确定了两个距离衰减阈值范围（580-1031米和1931-2433米），在该范围内WP表现出积极响应，而GP-WP权衡则呈现负响应。基于这些阈值，研究人员为不同子流域制定了差异化的配置策略。在森林边缘等景观过渡区，双因素调整最为适用；而在异质性景观中，三因素方案更为有效。本研究为在土地利用限制条件下平衡粮食生产和水质提供了基于机制的“格局-过程-服务”范式的应用。
引言
生态系统服务（ESs）之间的权衡普遍存在，一种服务的改善往往伴随着另一种服务的下降，这对可持续管理构成了重大挑战（Bennett等人，2009年；Gómez-Creutzberg等人，2021年）。景观格局是影响ESs关系的关键因素（Echeverría & Pizarro，2022年；Duarte等人，2018年）。然而，其影响通常是间接的，通过生态过程实现（Fu等人，2013年；Wu，2013年）。“格局-过程-服务”范式为理解这些连锁关系提供了一个概念框架（Fu等人，2011年，2025年），但定量评估仍有限，限制了基于机制的可持续景观管理策略的发展。
在各种ES权衡中，粮食生产（GP）与水净化（WP）之间的关系尤为重要，因为它关联着可持续发展目标2（零饥饿）和目标6（清洁水和卫生设施）（Blaser等人，2018年；Bayer等人，2023年；联合国，2015年）。尽管不断努力提高农业效率（Van Delden等人，2021年），全球粮食生产仍主要依赖于大面积的耕地和高强度的外部投入（Jwaideh & Dalin，2025年）。耕地的集约化施肥和灌溉导致大量氮通过径流和淋溶流失（Liu等人，2019年；Zhao等人，2023年）。城市地区也通过雨水径流、绿地施肥和污水泄漏对氮污染做出了显著贡献（Paul & Meyer，2001年；Zhang等人，2023年）。这些来源景观中的氮被输送到水体中，降低了水质并加剧了GP-WP权衡（图1a）。景观结构控制着物质和能量在景观中的空间运动（Qiu等人，2018年；Mitchell等人，2015年），从而通过改变传输路径影响陆地氮循环。这些过程决定了GP-WP权衡响应的空间异质性（图1a）。就组成而言，耕地和城市地区等来源景观控制着氮的输入，而森林覆盖则通过缓冲作用增强了氮的滞留（Liu等人，2022年；Vought等人，1995年）。就配置而言，土地覆盖类型的空间排列和连通性通过改变流动路径和暴露于缓冲区的程度来影响氮的传输（Casquin等人，2021年；Zheng等人，2025年；Mayor等人，2025年）。尽管已经广泛研究了景观格局与氮循环之间的个别联系，但多种格局-过程路径对GP-WP权衡的综合影响仍不清楚（Bennett等人，2009年；Qiu等人，2018年）。
“格局-过程-服务”范式为分析景观结构、生态过程与ES关系之间的机制联系提供了分析框架（Fu等人，2011年，2025年）。然而，将这些概念联系转化为区域尺度的空间明确分析仍然具有挑战性。一个关键限制在于难以定量分离景观格局影响ES关系的多种相互作用生态过程（Turner等人，2001年）。大多数现有研究侧重于描述与景观格局相关的ES权衡现象，而对潜在驱动机制的洞察有限（Chaplin-Kramer等人，2016年；Mitchell等人，2015年；Qiu等人，2018年）。因此，景观组成和配置如何通过不同的过程介导路径发挥作用尚未得到充分解答。“格局-过程-服务”范式中强调的连锁效应尚未充分用于解释GP-WP权衡。这一限制限制了该范式在基于机制的景观调控中的应用。在这种情况下，如何描述关键生态过程并将其与景观格局联系起来以解释GP-WP关系仍然是一个关键问题。
为了解决这一挑战，我们应用了基于“格局-过程-服务”范式的框架，并在太湖流域进行了实践。太湖流域是中国高度城市化和农业化的地区，那里广阔的建筑区和集约化的施肥导致了高氮输出（Tao等人，2023年）。此外，密集的河流网络和强水文连通性加剧了氮从陆地来源向水体的传输，进一步恶化了水质（Chen等人，2024年）。这些特征在粮食生产和环境保护之间产生了矛盾。调节土地利用模式为缓解这一矛盾提供了实际途径。GP依赖于耕地的面积，因此调整土地利用组成是一种常见的调控手段。然而，当前的“红线”政策通过固定耕地面积限制了这种调整（Liang等人，2022年）。在高度城市化的太湖流域，这种限制尤为明显，因为剩余的耕地很少，进一步调整的空间余地有限（Cheng等人，2017年）。在这种情况下，管理可能需要通过其他途径进行。相比之下，作为动态调节服务的WP对景观空间配置更为敏感，为缓解GP-WP权衡提供了潜在的切入点。因此，本研究旨在解决三个核心问题：（1）如何在区域尺度上描述关键生态过程；（2）景观格局如何调节这些过程从而影响GP-WP权衡；（3）如何在耕地保护限制下设计基于配置的调控策略以平衡粮食生产和水质。
部分摘要
框架概述
本研究采用的分析框架基于“格局-过程-服务”范式，该范式将ESs视为景观格局通过生态过程产生的连锁效应的结果。在此框架下，假设景观组成和配置主要通过调节关键生态过程（包括污染物扩散、生态缓冲和距离衰减效应）来调节GP-WP权衡（图1a）。
景观组成和配置对ES供应及GP-WP权衡的相对影响
不同子流域内的GP、氮输出和GP-WP权衡的空间分布存在显著差异（图3）。2020年，太湖流域的总体作物产量为6.77 × 106吨。GP的范围从0到7.44吨/公顷不等，高值集中在耕地分布广泛的西北部和东南部平原地区，而低值（<3.14吨/公顷）出现在以林地为主的南部山区。氮输出量也在不同区域有所差异。
景观组成和配置通过不同的生态过程路径影响ES供应和权衡
结果表明，景观组成和配置通过不同的路径调节ES供应和GP-WP权衡。景观组成主要解释了ES供应的变化，其中耕地比例是GP和WP的关键决定因素（图4）。广阔的耕地覆盖提高了作物产量，但同时也增加了对相邻水体的氮负荷（Liu等人，2019年；Zhao等人，2023年；Zhu等人，2024年）。建筑用地进一步
结论
以太湖流域为例，本研究分析了将景观结构与ES相互作用联系起来的过程中介导路径。景观组成和配置在调节ES关系中发挥着不同的作用。组成主要决定了ES供应，其效果通过污染物扩散、生态缓冲和距离衰减过程实现。相比之下，景观配置主要调节GP-WP权衡。“配置-距离衰减-ES”路径是
作者贡献声明
李继曼：撰写——原始草稿、可视化、验证、调查、正式分析。奚恒辉：撰写——审稿与编辑、监督。丁雪：数据管理。罗金玲：方法论。杜凤仪：数据管理。黄丛红：撰写——审稿与编辑。陶宇：撰写——审稿与编辑、资金获取。欧伟新：监督、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：42271106、42271304、41971230）的支持。
