利用复杂网络分析研究天山北麓产—居—生态用地的时空演变及驱动因素

为何这一脆弱地区至关重要

中国天山北坡将农田、城镇与荒野挤压在一条狭窄的地带。这里为国家提供粮食、棉花和畜牧产品，同时也包含沙漠、草地和由雪水供给的河流，这些要素维系着绿洲的生命力。随着城市和农田扩展，它们与保护土壤、水资源和气候的自然区域发生竞争。本研究提出了一个简单却紧迫的问题：在这里，生产用地、居住用地与自然生态用地之间的平衡如何变化？是什么在推动这些变化？

承受压力的景观

研究者将所有土地按三类日常功能划分：用于生产食物和原料的土地、供人们居住和工作的土地、以及主要支持自然的生态用地。在天山北坡，自然生态用地仍占优势，覆盖面积超过60%。其中大部分为沙漠、裸岩和脆弱的草地，森林、湿地、河流和湖泊分布较为零散。耕地和牧草地集中在更绿的绿洲之中，而城镇、村落和工业用地沿道路与行政中心集聚。这种组合形成了典型的山—绿洲—荒漠带，人类活动完全依赖来自高山的水和土壤。

从草地与沙地到农田与城市

研究团队利用2000年至2023年的卫星土地利用图追踪各类用地的扩张与收缩。二十年间，自然生态用地减少了超过5000平方公里，但仍然覆盖该地区的大部分。相比之下，耕地和牧草地增加了近3700平方公里，城镇与工业用地扩展了1600多平方公里。增长最多的是农业用地，约增加4500平方公里。城镇和工业用地在百分比上增长更快——工业用地增加超过三倍——但其绝对面积仍占总面积的一小部分。这些新开发的大部分取代了草地和其他具有重要生态价值的区域。

把土地看作一个相互连接的网络

作者没有把每一次土地变化视为孤立的置换，而是借用网络科学的工具——与研究社交媒体或电力网络相同的思路。他们将每种用地视为一个“节点”，每一次从一种用地到另一种的转换视为一条“连线”。这使得研究者能够识别哪些用地处于变化的中心、土地从一种用途转向另一种的难易程度，以及整个系统的稳定性。研究表明三类用地成为关键枢纽：以自然保护为主的草地、牧业用地和耕地。草地与牧业用地大量被转为耕地，而耕地与自然用地又促进了城镇和工厂的扩张。平均来看，在这个网络中从一种用地到另一种用地只需稍多于一步，说明系统高度互联——令人担忧的是也很容易被扰动。

驱动这种转变的因素

为揭示推动这些转换的因素，研究在县级尺度整合了气候、地形、人口和经济数据。在这个有灌溉的地区，气温而非降水成为推动耕地扩张的主要自然因素：那些温度适宜作物生长且劳动力充足的地方，生产用地增长最多。人口增长和收入上升强烈推动了城市与工业区的扩张，尤其是在主要道路和行政中心附近。陡峭的坡度与严酷的高山条件在一定程度上形成了屏障，使农田与城镇难以向上攀升，有助于生态用地的保存或恢复。国家“西部大开发”政策和农业补贴进一步鼓励了农业扩张与快速城市化，尽管这些因素没有在模型中被直接量化。

对未来的含义

对非专业读者而言，结论十分清晰：天山北部地区正以一种高风险、低稳定性的方式运行其土地系统。尽管自然用地在统计上仍占主导，但正被农田和扩张的城镇逐步切割，草地与退化的荒漠边缘受到的冲击最大。由于土地利用网络高度紧密，任何局部变化——例如新的灌溉工程或工业园区——都可能迅速波及整个系统。作者认为，应将草地、牧业区和耕地等关键用地作为战略枢纽进行管理，对脆弱生态系统施以更严格保护，并对城市蔓延设定更合理的限制。否则，当前的发展模式将难以为继，并有可能侵蚀维系该绿洲地区的生态基础。

引用: Zhang, Z., Liu, Z., Yin, X. et al. Spatiotemporal evolution and drivers of production-living-ecological land in the northern Tianshan Mountains using complex network analysis. Sci Rep 16, 6283 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35910-x

关键词: 土地利用变化, 天山, 草地转换, 城市扩张, 生态系统稳定性