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自然资源学报 >

2024 , Vol. 39 >Issue 9: 2066 - 2086

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20240904

其他研究论文

干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理——基于土地退化平衡视角

  • 于昊辰 , 1 ,
  • 尹登玉 , 2 ,
  • 宫攀 1 ,
  • 杨永均 3 ,
  • 陈浮 4
展开
  • 1.青岛科技大学经济与管理学院，青岛 266061
  • 2.青岛农业大学人文社会科学学院，青岛 266109
  • 3.中国矿业大学环境与测绘学院，徐州 221116
  • 4.河海大学公共管理学院，南京 211100
尹登玉（1993- ），女，山东利津人，博士，讲师，主要从事区域土地利用与国土空间优化研究。E-mail:

于昊辰（1993- ），男，山东青岛人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事生态保护修复与国土空间治理研究。E-mail:

收稿日期: 2023-11-27

  修回日期: 2024-03-03

  网络出版日期: 2024-09-04

基金资助

国家自然科学基金项目(42301307)

第三次新疆科学考察项目(2022xjkk1005)

教育部人文社会科学项目(23YJCZH285)

山东省自然科学基金项目(ZR2023QD020)

收起

Integrated protection and restoration for full-array ecosystems in dryland: A perspective of land degradation neutrality

  • YU Hao-chen , 1 ,
  • YIN Deng-yu , 2 ,
  • GONG Pan 1 ,
  • YANG Yong-jun 3 ,
  • CHEN Fu 4
Expand
  • 1. College of Economics and Management, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, Shandong, China
  • 2. School of Humanities and Social Sciences, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong, China
  • 3. School of Environment and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China
  • 4. School of Public Administration, Hohai University, Nanjing 211100, China

Received date: 2023-11-27

  Revised date: 2024-03-03

  Online published: 2024-09-04

Fold

摘要

目标明晰、统筹兼顾、干预适度是山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理的客观要求。基于土地退化平衡（LDN）视角，构建涵盖双重对象、双重法则、双重原则、指标体系、价值取向的理论框架，并以天山北坡城市群为例，揭示土地退化与改善的类型及程度，评判LDN实现与否。结论如下：（1）像元尺度改善区面积略多于退化区，并以轻微改善或轻度退化为主；重度退化同未利用地、城镇用地、矿业用地转入及水域、冰川、林地转出密切相关，而耕地、草地发生退化或改善与自身质量变化关系更为紧密。（2）区域尺度由于维持生态系统服务功能的地域空间未达标，整体上未实现LDN；大多数行政单元或格网都遭遇双重对象的同时否定。（3）从规范价值取向、偏向功能主义、促进人地协调视角出发，践行LDN要全局底线性思维和局部适度性治理相协调、要素差别化治理和系统一体化保护相统一，继而协同多元目标以实现人与自然和谐共生。研究可为干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理提供科学依据和决策参考。

关键词： 土地退化平衡; 山水林田湖草沙冰; 生态保护修复; 生态系统服务; 天山北坡

本文引用格式

于昊辰 , 尹登玉 , 宫攀 , 杨永均 , 陈浮 . 干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理——基于土地退化平衡视角[J]. 自然资源学报, 2024 , 39(9) : 2066 -2086 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20240904

Abstract

How to seek solutions with clear objectives, appropriate interventions, and integrated approaches is especially critical to integrated protection and systematic governance (IPSG) of full-array ecosystems (FAE). Thus, the concept of land degradation neutrality (LDN) was introduced into the practice of IPSG in FAE, whereby a theoretical framework encompassing dual objects, dual laws, dual principles, indicator systems, and value orientations was constructed. Then, in the case of urban agglomeration of north slope of the Tianshan Mountains, the type identification and degree measurement of degraded and improved land was completed at the pixel scale, while the gap to LDN was quantified at both administrative units and grid scales. The results showed that: (1) At the pixel scale, the area of improved land was marginally higher than that of degraded land in 2005-2020, which was mainly mildly improved or degraded. Severe degradation was often associated with the transfer-in of unutilized land, urban land, and mining land, along with the transfer-out of water bodies, glaciers, and forests. However, cultivated land and grassland could affect degradation or improvement no matter whether the transfer occurred or not. (2) At the regional scale, the target of LDN was not achieved in the study area, owing to the denial of land resources maintaining ecosystem services and functions. Similarly, the vast majority of administrative units or grids encountered the simultaneous negation of the dual objects, while achieving LDN is only rare. (3) Drawing upon normative value orientations, functionalist tendencies, and human-land coordination, we propose that emphasis should be placed on coordinating the bottom-line thinking with moderate governance, unifying the differential treatment of elements with system-wide integrated protection, and subsequently synergizing multiple objectives to achieve harmonious coexistence between humans and nature. In conclusion, the LDN target encompasses characteristics of openness, inclusivity, and prudence, so this study could provide scientific foundations and decision-making references for the IPSG of FAE in dryland.

Key words： land degradation neutrality; full-array ecosystems; ecological protection and restoration; ecosystem services; north slope of the Tianshan Mountains

党的“二十大”要求“坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理”，这既是推进美丽中国建设的客观需要[1]，也是促进人与自然和谐共生的具体实践[2]。2021年7月习近平总书记考察西藏时，立足区域资源特色与生命共同体的开拓性特征，在“山水林田湖草沙”基础上增加了对“冰”的要求[3]。相似地，新疆天山山脉是中国冰川最多的山系，冰川对该区域植被具有重要滋养功能，符合这一论断，因而有必要将冰要素纳入共同体。在自然界中，“山水林田湖草沙冰”等要素并非独立存在，而是与“城村业路矿”等人文要素交织在一起，共同附着于土地空间载体之上。但因攫取过度、保护不足和治理缺位，会引发不同类型和不同程度的土地退化[4]。放眼全球，约25%和36%的土地已严重退化和中轻度退化，并仍以12万km2/年的速度扩张[5]，不仅影响数十亿人口生计，每年更是造成约6.3亿美元的经济损失[6]。而中国近35%的国土饱受侵蚀和荒漠化影响，约90%的天然草原退化，超过10%的耕地被污染[7]，仅过去60多年间冰川退缩更超过18%[8]。上述土地退化问题通常起源于日益激化的人地矛盾[9]，在干旱区尤为严峻[10]。可见，遏制土地退化已成为干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理的首要任务，如何厘清全域全要素国土空间开发、保护与安全的辩证关系，继而重塑人地关系业已成为必须回答的科学问题。
当前，山水林田湖草沙一体化保护与系统治理已成为社会焦点与学界热点。从理论研究看，大量学者围绕内涵辨析[11,12]、耦合框架[13]、生态修复[14⇓-16]、体制机制[17]、量化分析[18]等方面开展了探讨，并取得了系列成果和巨大成就。从实践探索看，自党的“十八大”以来历经了基础探索、快速发展、多元繁荣等不同阶段[3]，生命共同体的要素构成也由最初的“山水林田湖”向“山水林田湖草”“山水林田湖草沙”“山水林田湖草沙冰”等持续拓展。从成效收获看，各地山水工程项目陆续实施验收，“中国山水工程”项目更是入选联合国首批十大“世界生态恢复旗舰项目”[13]。理论和实践均表明，生命共同体的各要素间具有普遍联系和交互影响[16]，不能分割式管理[11]。但现实仍面临两个难点：其一，不同要素的保护和治理方式需遵循共区原则，即各要素所要实现的目标是共同的，但治理路径有所区别，如何统筹好要素与系统的关系亟待解答。其二，无论是保护或治理措施都理应有度，同时也需要底线思维加以约束，但迄今多停留于抽象化、模糊化或艺术化的表述[19]，缺少统一合理的量化目标，致使过度干预或干预不足并存[20]，如何兼顾好底线目标和适度治理至为关键。
土地退化平衡（Land Degradation Neutrality，LDN）作为联合国可持续发展目标之一（SDGs 15.3.1）是全球美好图景[19]，其概念于2015年正式提出，界定为“在特定时空尺度和生态系统内，维持生态系统功能服务和保障食物安全的土地资源在质与量保持稳定或增长的一种状态[21]”。该理念一经提出便引发国际学者热议，国外学者围绕概念界定[22]、科学框架[23]、实施程序[24]、适用性[25]等方面进行探讨，并聚焦全球[26]、国家[27]、流域[28]等不同尺度开展研究。相较之下，国内研究既滞后、也罕见，前期主要聚焦概念引入[29]、实践展望[30]、框架修正[31]等定性理论研究，近年来逐渐出现了定量化的案例实证[32,33]。文献显示，LDN已成为全球可持续土地管理的重要手段[29]，能够将抽象的概念具化、空洞的目标量化、感性的修复理性化[19]，值得推广为干旱区生态保护修复的行动指南[34]。此外，LDN所关注的双重对象（维持生态系统服务功能+保障食物安全）[22]、双重法则（数量+质量）、双重原则（One out-All out+Like for Like）[23]、指标体系以及价值取向（Avoid>Reduce>Reverse）[32]，与山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理的要求高度契合。因此，想要认知干旱区生态保护或修复的需求必要性与目标可行性[35]，并从空间结构、时间过程、整体效应探寻调控机理[36]，LDN或许可为其提供一项科学解决方案[19]。
基于上述背景可知，LDN对山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理具有积极的理论意义和应用价值，但LDN的精髓之处尚未充分把握和吸纳，如何推动二者深度融合理应成为进一步拓展的方向，由此构成了本文的逻辑起点和创新之处。具言之，通过构建涵盖双重对象、双重法则、双重原则、指标体系以及价值取向的LDN整体理论框架，并以修正显性—隐性指标体系为突破口，试图回答状态和趋势的可测度性、数量及质量的可分性、要素与系统的协调性、局部和整体的关联性等科学问题。此外，本文选取中国典型的干旱区城市群——天山北坡城市群开展实证检验，期望对既有LDN理论体系及概念框架做有益补充，并为干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理提供科学依据和新的研究视角。

1 研究方法与数据来源

1.1 理论框架

基于LDN概念内涵的归纳，本文构建了一个新的理论框架（图1）。
图1 LDN的理论框架

注：LULC为土地利用覆被类型（Land Use/Land Cover）；CS为固碳服务（Carbon Sequestration）；SR为土壤保持服务（Soil Retention）；FP为食物生产服务（Food Production）；SOC为土壤有机碳（Soil Organic Carbon）；NPP为净初级生产力（Net Primary Production）。

Fig. 1 Theoretic framework of LDN

（1）双重对象
LDN所面向的对象包括维持生态系统服务（以下简称“对象1”）和支撑食物安全（以下简称“对象2”）两类功能的土地资源[23]。但由于土地资源具有多功能性，一些土地类型往往兼有上述两类功能[37]，需立足实际加以界定。本文研究区为天山北坡城市群，该区草地不仅具有基本的生态系统服务功能，其重要的载畜功能也能发挥食物供给作用，因此草地理应同时纳入对象1和对象2；而耕地虽也具有一定的生态系统服务功能，但需要依赖人工浇灌及耕作，过程中将消耗大量的资源或要素，生态系统服务功能得以弱化，因而只纳入对象2。综上，将双重对象界定为：对象1包括水域、林地、草地、湿地、冰川等；对象2包括耕地、草地、园地等。
（2）双重法则
LDN要求双重对象在数量和质量上均不降低[22]，其中数量降低可诠释为土地形态发生“由有到无”的根本性变化，而质量降低则可表述为“由优变劣”的功能性衰弱[38]。由此联想到，土地利用转型研究领域曾提出可用显性形态与隐性形态隐喻土地利用[39]，并同经济发展衔接后对应显性转型与隐性转型，与退化的质变与量变关系高度契合。参照这一观点，数量与质量法则也可按照土地利用形态变化区分为显性指标和隐性指标，由此成为重构指标体系的学理基础。
（3）双重原则
区别于以往研究，LDN所强调的2项原则需得到格外关注。其一，One out-All out（1OAO）原则，类似于“一票否决”或“木桶理论”，即任意一项关键指标降低都意味着退化的发生[24]。该原则下的评估结果不仅更加审慎和严苛，也能消除和规避指标选取中可能存在的共线性或非独立性的影响[32]。其二，Like for Like（LfL）原则，可解释为同类平衡，即在一定区域范围内双重对象之间的退化或改善不可相互抵消[29]。而山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理也是上述原则的逻辑映射，如生命共同体不能仅关注其中某一项要素，而是要坚持整体观和系统观。可见，在1OAO和LfL原则下将涉及不同尺度的评估和审视，其判定规则也将愈发科学、规范和严格。
（4）指标体系
在对象、法则和原则明确后，还需依赖科学的指标体系加以定量评估，继而判断LDN目标与否。联合国荒漠化公约曾确定了三项评判标准，即土地利用和覆被变化、生产力状况及变化以及地上和地下碳储量变化，《Good Practice Guidance SDG Indicator 15.3.1》报告据此建议了三项关键指标，依次为LULC、NPP、SOC[40]。这也是理论与现实的折中结果，当下仍存在一些争议，如SOC统计口径不一且难实现大规模、动态和精准获取[29]，既有指标很难区分LDN的双重要求[21]等。为此，借助生态系统服务指标来替代LDN部分传统指标的做法逐渐被接受，即使用固碳服务（CS）和土壤保持服务（SR）来替代SOC这一指标[32]。此外，考虑到食物生产水平是保障食物安全的起点，例如一些人类行为（如耕地废弃）可能会减少粮食产量，可被视为“对象2的损失”，因而食物生产（FP）也将作为补充指标纳入LDN指标体系中。
（5）价值取向
LDN需遵循“Avoid>Reduce>Reverse”的价值取向[23]，即避免退化优先于减少退化、减少退化优先于恢复退化，所传达的是事先行动和源头管控为主、末端治理为辅的行动偏向，本质上是一种“适度干预”生态理念[19]。现实中，事后强行将退化土地恢复至原有状态不仅要消耗大量人力财力，而且恢复后的生态系统也未必具有可持续[20]。这与山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理所强调的保护优先、自然恢复为主、生态修复为辅的要求高度契合；同时在双重对象、法则和原则指导下也明确了一种“平衡（Neutrality）”的底线思维。因此，需要以适应性管理方式提升恢复有效性，以更好地实现山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理。

1.2 研究方法

1.2.1 显性—隐性指标的状态量化

（1）土地利用覆被类型（LULC）：任何土地类型都将在不同区域发挥独特的价值和作用，本质上不存在孰优孰劣。若要明确用地类型间相互转化是否可视为退化，则需按生态系统演化过程的优先次序加以界定[38]。考虑到LULC是一种分类而非数字指标，可采用Trending Earth转移矩阵加以判定，按由低到高将建设用地、未利用地、耕地、草地、林地、水域/湿地赋值为1~6。
（2）净初级生产力（NPP）：CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）是一种常见且简便的NPP反演模型，其原理是基于过程的遥感模型，耦合了生态系统生产力、土壤碳和氮通量的多个变量，能够实现大规模长时序的NPP反演。该过程可借助ENVI 5.3软件的CASA模块实现[32]。
（3）固碳服务（CS）：固碳能够有效表征生态系统的碳吸收和储存能力，对减缓全球气候变化至关重要，亦是表征和替代LDN所建议的SOC指标之一，可使用InVEST 3.7.0模型的碳模块进行评估[41]。该模块将CS分为4个基本碳库，并以碳密度的经验值作为参数输入[42]，依次为地上碳密度（C_above）、地下碳密度（C_below）、死亡有机质碳密度（C_dead）和土壤碳密度（C_soil）。
（4）土壤保持服务（SR）：作为生态系统重要支持服务之一，SR能够反映土壤生态功能和水土流失影响，与SOC关联密切，将其视为替代指标之二也具有可行性[32]。InVEST模型中，基于修正通用土壤流失方程的土壤保持（SDR）模块已被证实适用于测算SR，可参照文献[41]实施。
（5）食物生产（FP）：随着大食物观的树立，全方位多途径开发食物资源已成为保障食物安全的起点和重点，仅强调主粮不仅难满足人民日益增长的美好生活需要，还容易忽视其他膳食营养来源[43]。因此，为避免“食物”与“粮食”概念混淆，除基本主粮外，蔬果、油料、肉类、奶类等主要食物也将纳入本文的食物范畴。可依据不同食物间的热量转化进行换算[44]，并根据上述食物主要来源地类（如粮食、油料、蔬菜主要来源于耕地，水果主要来源于园地，肉类、奶类主要来源于草地）进行分类。此外，从统计年鉴获取的食物产量需进一步作栅格化处理，可依据不同地类NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）值将食物产量分配给不同地类的像元[41]，以确定不同像元的食物供给能力。

1.2.2 显性—隐性指标的趋势判定

对显性指标而言，LULC实质上是土地形态发生了根本性变化，可结合赋值情况并采用转移矩阵进行判断；各项隐性指标则是表征质量层面变化。考虑到土地及生态系统自身具有动态性，任意两个时间节点都很难保证系统状态完全一致[38]，需要通过较长时间序列的变化趋势及其显著性水平加以判断。Theil-Sen Median（Sen）斜率估计是一种稳健的非参数统计的趋势计算方法，Mann-Kendall（MK）趋势分析则是一种非参数的时间序列趋势性检验方法[32]，二者不仅具有高效率、低敏感的优势，且结合后十分适用于长时序趋势分析及检验。因此，本文通过Sen+MK方法来探测并检验各项隐性指标的变化趋势。这些步骤可借助MATLAB R2021b软件编程实现①（① 由于篇幅限制，本文未展示具体代码，如有需要，可向作者索取。）。

1.2.3 区域退化或改善类型识别

由于生态系统中不同要素相互关联，显性指标与各项隐性指标可能存在共线性或部分相关性，并不是完全相互独立的关系。但单一退化表征的出现，也可能会引致其他要素或指标退化风险接踵而至[19]，如LULC由林地转为草地往往也会伴随NPP的变化。因此，秉承审慎的1OAO原则，分别依据各项指标的演变特征，凡是任意一项降低都意味着退化的发生，识别的示意见图2。
图2 退化或改善类型识别的示意

Fig. 2 Schematic for identifying degraded or improved area

1.2.4 退化和改善程度测度

1OAO判定原则具有合理性，正如医学诊断中无论哪个器官或组织出现恶化都是一种病态，但不同病症的病情及疗法天差地别，即使相同病症也有轻重之分[38]。例如，“仅SR下降”，相比于同时发生“LULC下降+NPP下降+CS下降+SR下降”，两种情景的退化程度必然不同。这类似于复杂系统多元退化失效问题，不能通过简单的求和、取平均值或加权平均来刻画退化程度。因此，有必要将数学领域的向量概念引入，将对象1和对象2的不同指标进行标准化处理后，依次构成独立且相互垂直的一维线性空间，各向量可进一步构成相互垂直的多维空间。根据三角不等式定理 a → + b → ≤ a → + b →，当且仅当 a →与 b →共线时等号成立，由此既能规避简单加权来判断变化程度的不足，也可以体现不同指标间的累积效应[19]。考虑LDN将各项指标视为同等重要，无需进一步赋权。综上，可在类型识别基础上，基于向量的合力偏度算法来测算退化程度（ L D）和改善程度（ L I）。其中，若 ∃ x ∈ ∆ i 1 ,   ∆ i 2 ,   ⋯ ,   ∆ i n < 0，则按式（1）测算 L D；否则按式（2）测算 L I。
L D = m i n ( ∆ i 1 ,   0 ) 2 + m i n ( ∆ i 2 ,   0 ) 2 + ⋯ + m i n ( ∆ i n ,   0 ) 2
L I = ∆ i 1 2 + ∆ i 2 2 + ⋯ + ∆ i n 2
式中：i表示LDN各项指标值； ∆表示在特定时段内某一指标值的变化，其中对象1的 n = 4，对象2的 n=5。依据 L D和 L I的结果，依据变化的显著性水平P≤0.01、P≤0.05、P≤0.1，依次可对应轻微改善或轻度退化、一般改善或中度退化、大幅改善或重度退化。

1.2.5 区域尺度LDN的差距评判

假设评判标准结果发现改善区面积均高于退化区，那么是否就可以盲目乐观地认为实现了LDN呢?事实上，先前研究已证实了这一认知误区[32]。正如LDN强调在特定区域范围内的整体实现，并非在某一像元的实现。为确保严谨性，在1OAO原则下对整个研究区、行政区和格网尺度加以评判，以便对单一对象在不同尺度下是否契合LDN要求有一个基本判断。对显示指标而言，对象1或对象2的各自面积变化可视为LDN的数量差距；而质量差距可通过累积各像元中对应的隐性指标变化来测度。
∆ X a = A p i x e l × C o u n t X a t n - C o u n t X a t 0
∆ X b = A p i x e l × C o u n t X b t n - C o u n t X b t 0
∆ Y a = m i n ∫ Y 1 a t n - ∫ Y 1 t 0 ,   ∫ Y 2 a t n - ∫ Y 2 t 0 ,   ∫ Y 3 a t n - ∫ Y 3 a t 0
∆ Y b = m i n ∫ Y 1 b t n - ∫ Y 1 b t 0 ,   ∫ Y 2 b t n - ∫ Y 2 b t 0 ,   ∫ Y 3 b t n - ∫ Y 3 b t 0 ,   ∫ Y 4 b t n - ∫ Y 4 b t 0
式中： a和 b分别表示对象1和对象2； C o u n t ( )表示像元数量（个）； A p i x e l表示每个像元面积（hm2）；t0和tn分别为初始和期末时点 ； X为显性指标；Y为隐性指标， Y 1、 Y 2、 Y 3、 Y 4分别表示LDN的4个项目隐性指标； ∫ ( )表示某一时段内所有像元隐性指标的累加值。
当式（3）和式（5）均不小于0时，对象1满足LDN要求；当式（4）和式（6）均不小于0时，对象2满足LDN要求。按照LfL原则将对象1和对象2的结果综合叠加，若 ∀ ∆ X a ,   ∆ Y a ,   ∆ X b ,   ∆ Y b < 0，则表示LDN未实现，否则LDN可判定为实现。

1.3 研究区概况

天山北坡城市群处于准噶尔盆地南部（83.42°N~91.56°N，42.84°E~46.18°E），南至天山山脉，北邻古尔班通古特沙漠，总面积约1.246×105 km2（图3），包括乌鲁木齐、昌吉、米泉、阜康、呼图壁、玛纳斯、石河子、沙湾、乌苏、奎屯、克拉玛依等行政单元。选择该研究区主要基于以下三点考虑：（1）从区域典型性看，该区域属温带大陆性气候，年均气温5.9~9.1 ℃，年均降水约215 mm，且蒸发量极大，长期干旱少雨致使生态环境局极为脆弱。该区自北向南依次为沙漠→荒漠→绿洲→高山→冰川，可为山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理背景下LDN研究提供典型案例。（2）从战略重要性看，按《国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要》《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划》等文件定位，该区是北方防沙带生态保护修复重点难点区、国家重要能源基地、粮食生产功能区和重要农产品生产保护区，同时也是国家9个培育发展城市群之一和国土综合开发19个重点片区之一，战略地位举足轻重。（3）从现实紧迫性看，该区是新疆人口最密集、人类活动最活跃的区域，拥有新疆生产规模最大的煤炭基地（约11290万t/年），并且大量矿山沿着天山形成带状分布格局，这种大规模采矿扰动与农业开发、城市建设交织，并同干旱脆弱生态环境空间耦合所导致的土地退化十分严峻，迫切需要开展相关研究，为遏制土地退化态势、促进干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理提供科学依据。
图3 研究区位置

注：本图基于自然资源部标准地图服务系统下载的标准地图制作，底图无修改，下同。

Fig. 3 Location of the study area

1.4 数据来源与预处理

LULC、NDVI、温度、降水和数字高程模型（DEM）数据均来自资源与环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/）；潜在蒸散数据来源于国家地球系统科学数据中心（http://www.geodata.cn/）；土壤数据来源于世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database v1.2，https://data.apps.fao.org/catalog/dataset/harmonized-world-soil-database）；不同年份的粮食、蔬菜、油类、水果、肉类、奶类等食物数据以及GDP等社会经济数据来源于滞后一年的《新疆统计年鉴》《新疆调查年鉴》、各地州或各县区的统计年鉴以及国民经济和社会发展统计公报。上述统计数据可参考此前研究[45]，借助DMSP-OLS夜光数据校正实现统计空间化展示。
确定参考基线期是LDN的核心问题[30]，LDN推荐基线为2015年之前的5~10年，因而以2005—2010年的均值为基线理应成为更为审慎的选择。然而，假设LULC在2005—2010年发生变化，那么像元尺度的LULC均值可能呈现非整数的形态，这有悖客观现实；但区域尺度求取的LULC均值是有意义的。考虑LDN要求在特定区域范围内的整体实现，因而区域尺度以2005—2010年均值为基线，以衡量截至2020年不同区域的LDN是否实现；像元尺度则选用2005年为初始期即可，以揭示土地退化与改善的类型及趋势。
综上，研究期界定为2005—2020年，相关数据时段与之保持一致。像元尺度的数据可借助ArcGIS 10.6或ENVI 5.3软件处理，转换为统一的投影坐标系（WGS 1984），并重采样至100 m的空间分辨率。区域尺度包括行政区和格网两个层面：一是基于县级行政单元开展评估，其中乌鲁木齐由于食物数据统计口径源于地市级，且面积与其他县区相差不大，故使用地市级整体评估，最终共计14个行政区；二是使用ArcGIS 10.6创建渔网工具，并根据研究需要划分为5223个5 km×5 km格网。

2 结果分析

2.1 天山北坡城市群LDN指标测度结果

2.1.1 显性指标结果

从显性指标来看，天山北坡城市群LULC大致呈现“五草三荒二分田”的南北分异格局，自南到北依次为冰川、林地、草地、建设用地、耕地、未利用地。其中，未利用地和草地作为主导类型，二者面积之和几乎达到80%。2005—2020年间，LULC发生了明显的变化，降低区多于提升区，显性退化较为严峻。其中，耕地由12.4%增至17%，建设用地从1.3%增至2.4%。值得关注的是，林地、水域和湿地发生了不同幅度的降低，可能将对生态系统产生不同程度的影响（图4）。
图4 LDN显性—隐性指标的状态及变化趋势

注：a1~a4图例中的1~6依次表示建设用地、未利用地、耕地、草地、林地、水域和湿地。e1~e4中，食物A指经来源于耕地的食物的折算，如粮食、蔬菜、油类、水果等；食物B指经来源于草地的食物的折算，如肉类、奶类等。*、**、***分别表示P≤0.1、P≤0.05、P≤0.01。

Fig. 4 Status and trend of both dominate and recessive indicators for LDN

2.1.2 隐性指标结果

四项隐性指标的时空格局差异较大。具体而言：（1）NPP高值区集中于南部，且2005—2020年呈现较为明显的改善。（2）CS高值区集中于中部和西部，降低区面积远高于提升区。（3）SR的除南部较高之外，其他普遍较低；不同的是，2005—2020年降低区高于提升区。（4）对FP而言，2005—2020年提升区面积高于降低区，但草地载畜的FP功能与耕地基本持平，这亦是研究区的特殊性，也佐证了将草地纳入保障LF的重要性。

2.2 像元尺度：天山北坡城市群土地退化及改善的区域识别和程度划分

2.2.1 退化与改善类型识别

天山北坡城市群改善区面积（247.4×104 hm2）略高于退化区（243.0×104 hm2），不同退化类型呈现较为鲜明的空间集聚格局（图5）。就退化类型而言，仅发生显性退化的面积高达143.7×104 hm2，不但在研究区西北部连片集聚，且在整个研究区均有零散分布；兼有显性和隐性退化的面积次之，多集中在高山冰川区以及城市建设区；仅发生隐性退化的数量最少，主要位于研究区中西部的林草交错带。从改善类型看，仅发生隐性改善的面积最大（135.7×104 hm2），沿研究区中部农田分布；仅发生显性改善的次之，主要分布于东部及东北部荒漠边缘；兼有显性和隐性改善的面积虽不算大（48.6×104 hm2），但与发生隐性改善的区域共同构成了连片状改善区。
图5 基于1OAO原则的土地退化及改善区域类型识别

Fig. 5 Type identification of degraded and improved land following the 1OAO principle

2.2.2 退化与改善程度划分

基于向量的合力偏度算法测度研究区土地退化及改善程度，结果见图6。就不同变化程度的面积而言，退化和改善均呈现轻度（轻微）最大、中度（一般）次之、重度（大幅）最小的状态。其中，重度退化主要集聚于乌鲁木齐等城市建设区和西南部高山森林带；中度退化多分布在北部农田—荒漠边缘区和西南部林草交错带。相较之下，大幅改善区主要位于石河子环城建设区、乌鲁木齐西北部边缘以及乌苏农田—草地交错区，并且同一般改善区域交织呼应。值得关注的是，有别于1OAO原则在像元尺度测度结果，该方法下不仅不同程度退化区之和（285.8×104 hm2）要高于改善区（249.6×104 hm2），且整体结果也均略高于1OAO结果。出现这一现象具有合理性，将两个结果叠加发现，差值均落于各项隐性指标变化不显著的区域（P≥0.1）。尽管单一要素这种退化不显著，但不同指标叠加后却构成了轻微改善或轻度退化区（P<0.1）。这一现象的出现既非偶然、也非谬误，而是现实中极有可能出现的一种情景[38]，也能间接佐证该方法具有一定的现实意义。
图6 基于合力偏度算法的土地退化及改善程度

Fig. 6 Degree of degraded and improved land applying mechanical skewness algorithm

2.2.3 土地退化改善程度与利用方式的关系

将土地利用转入、转出和维持区，同土地退化和改善程度相匹配可构成弦图（图7）。首先，就转入区而言，不同退化程度均由未利用地转入为主导，并且城镇用地和矿业用地转入对重度和中度退化的作用也不容小觑；大幅改善区多是由于耕地或水域转入所致，一般改善受到耕地、草地和林地转入的积极作用，轻微改善主要由草地转入所致。其次，与土地利用转入相呼应，水域、冰川和林地转出对重度和中度退化影响极为深远；而无论中度或重度退化，冰川转出都是不容忽视的一项关键性因素，这亦是本文的出发点之一；此外，未利用地转出是土地改善的主要贡献，尤其是轻微改善，而城镇用地和矿业用地转出也能在一定程度上促进达成一般和大幅改善；相较之下，草地转出具有两面性，既是造成轻微或中度退化的重要因素，也是导致一般或大幅改善的主要贡献。最后，针对土地利用未发生变化的区域，无论是土地退化抑或是改善，草地和耕地未发生变化的区域均是不可或缺的主要来源，其中可能发生了质量的降低或提高。
图7 土地利用转移与土地退化改善程度的关系弦图

Fig. 7 Chord diagram of the relationship between land use transition and the degree of degraded or improved land

依据像元尺度结果，既不能因为不同程度退化面积之和低于改善的情形，便盲目乐观地认为LDN实现在即；也不能由于出现与之相反的结果，便以悲观情绪看待治理路径何去何从。有必要从区域尺度出发，进一步耦合1OAO和LfL双重原则加以评判，继而更好地把握未来的治理逻辑。

2.3 区域尺度：天山北坡城市群LDN的差距评判

2.3.1 基于1OAO原则的单一对象评判

从数量、质量及二者综合视角，分别评判整个研究区、各行政区以及格网尺度下，对象1和对象2是否契合LDN要求，结果见图8、图9和表1。（1）从数量法则看，整个天山北坡城市群的对象1处于林草双边减少趋势，对象2则表现为耕增草减、总量上涨，由此表明对象1并不符合LDN的数量法则。其中，行政区视角下对象2有约3/4处于平衡或超额实现状态，但对象1却仅有不足1/3地区实现；格网尺度与行政区相似，约40.95%的对象1格网和29.83%的对象2格网不符合LDN要求。（2）就质量法则而言，整个研究区对象1的三项隐性指标总量均在减少，不符合质量法则；而对象2则符合LDN要求。其中，各行政区的对象2达到平衡实现或超额实现的数量较高，但占比也仅为35.71%；格网尺度上，对象2实现率最高，占整个研究区格网数量的44.00%，略高于对象1的36.99%。未实现的部分以q1O和q2O为主，q3O和q4O所占比例较低。
图8 行政区尺度单一对象的LDN评判结果

Fig. 8 LDN judging results for single object at the administrative scale

图9 格网尺度单一对象的LDN评判结果

Fig. 9 LDN judging results for single object at the grid scale

表1 不同尺度下单一对象与LDN数量和质量法则结果的统计

Table 1 Statistics of single objects compliance with LDN's law for amount and quality at different scales

尺度 行政区 格网
对象 数量/质量 q4O q3O q2O q1O qNA qEA 小计 q4O q3O q2O q1O qNA qEA 小计
对象1 a1o — 3 6 0 0 1 10 — 377 955 697 4 106 2139
aNA — 0 0 1 1 0 2 — 139 391 286 143 122 1081
aEA — 0 0 1 0 1 2 — 26 134 286 3 647 1096
小计 0 3 6 2 1 2 14 0 542 1480 1269 150 875 4316
对象2 a1o 0 2 1 0 0 2 5 117 463 534 413 19 12 1558
aNA 0 0 1 0 0 0 1 4 50 226 234 157 75 746
aEA 0 2 3 0 0 3 8 — 32 172 680 76 1034 2304
小计 0 4 5 0 0 5 14 121 545 932 1327 252 1121 4608

注：—表示无此类型；a1O、aNA、aEA、q4O、q3O、q2O、q1O、qNA、qEA的含义与图8、图9相同。

叠置双重法则后发现，天山北坡城市群的对象1不符合LDN要求，而对象2符合，可见研究区对保障食物安全的土地资源开发和保护力度均较大，但生态保护仍有较大压力。在行政区或格网尺度下，无论是对象1还是对象2符合LDN的数量变得更少。就行政区而言，对象1和对象2同时符合数量与质量法则的分别占比为14.29%和21.43%。格网尺度的结果略高于行政区，对象1和对象2的占比依次为17.52%和25.69%。由此可见，研究区未来需要在生态保护、修复和重建方面下更大功夫，尤其是针对林、草、湖、冰等要素。

2.3.2 基于LfL原则的双重对象综合评判

整体来看，由于对象1不符合要求，制约了研究区LDN目标的实现，这也是未来天山北坡推动LDN实现的努力方向。分区域看（表2、图10），行政区和格网尺度绝大多数区域都遭遇了对象1和对象2的双重否定，其中：前者比例高达78.57%；后者接近全部网格的一半，并在研究区南部连片集聚。实现LDN的仅占极少数，行政单元只有克拉玛依与石河子；尽管实现LDN的格网仅占全部格网的11.47%，所幸其中约3/4都属于对象1和对象2的超额实现。综上，天山北坡城市群在推动实现LDN目标进程中面临着严峻的挑战，未来依然需要持续且深入的攻坚。
表2 不同尺度下符合LDN目标的单元统计

Table 2 Statistics on whether LDN goals were achieved or not at different scales

对象1 AO AO AO AO NA NA NA NA EA EA EA EA NU NU NU NU
对象2 AO NA EA NU AO NA EA NU AO NA EA NU AO NA EA NU
行政区 11 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0
格网 2605 53 705 38 33 72 26 12 296 28 445 3 22 4 9 872
是否符合LDN × × × × × √ √ √ × √ √ √ × √ √ ×

注：AO、NA、EA、NU分别表示All-Out（未实现）、Neutral Achieved（平衡实现）、Exceeded Achieved（超额实现）、Null（空值区）。

图10 兼顾双重对象的LDN评估结果

注：AO、NA、EA、NU含义同表2。

Fig. 10 Results of the LDN assessment with dual objects

上述差距的存在，看似是严格的耕地保护与缺位的生态保护之间的政策错位或措施错配，本质上则是由于生命共同体理念没有得到很好的落实。原因大概可归结为先天论、系统论、市场论三个方面：（1）从先天论看，干旱的气候条件与脆弱的生态环境使得土壤侵蚀、荒漠化、植被退化、生物多样性丧失等问题日益显化，生态保护难度高、任务重[46]。如若缺乏妥当的生态保护措施，即便耕地得到了很好的保护，上述问题仍将会随之加剧和不断扩大，与之伴随的还有各种生态系统服务功能的减弱，并会影响农业可持续发展和整个生态系统稳定性。（2）从系统论看，无论对象1或对象2都是生命共同体的构成要素，对保护生物多样性、维护生态平衡、提升人民福祉和促进高质量发展具有重要现实意义。但不同要素之间缺乏统一综合的协调机制，使得保护与治理过程中没能从整体观和系统观出发，而是重视某一对象却忽视了另一对象，导致治理措施难以充分发挥价值和作用。（3）从市场论看，不同要素的食物供给功能，归根结底是来源于人类开发与自然馈赠的共同结果，属于较为直观的物质受益；相较之下，生态系统所能提供的生态产品属于健康受益或精神受益，但目前干旱区生态产品价值尚未得到良好转化。在此背景下，由于经济发展压力和短期利益诱惑，生态保护往往要在很多方面做出妥协或让步，长此以往必将加剧生态失衡甚至危害人类生存空间。

2.4 面向LDN的山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理策略

基于前文理论框架，从规范价值取向、偏向功能主义和促进人地协调出发，提出面向LDN的干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理策略及路径选择（图11）。其核心思想可概括为：通过竞争、倒逼、差别、协同、分配等机制，统筹全局底线性思维与局部适度性治理、要素差别化治理与系统一体化保护的关系，并通过协调多目标以实现人与自然和谐共生。
图11 面向LDN目标的山水林田湖草沙冰保护与治理策略

Fig. 11 Integrated protection and restoration for full-array ecosystems with LDN-oriented goals

2.4.1 规范价值取向：全局底线性思维和局部适度性治理

LDN所传递的“Neutrality（平衡）”思想至少具有两重含义，既要有底线思维，所采取的治理措施也理应适度，本质上是一种调适理念。其底线思维体现在，并不是一味地要求所有区域都实现LDN，要在全局上满足LDN的要求；而适度治理响应了LDN的价值取向，即源头防范为上策、过程控制为中策、末端治理为下策。这一理念在干旱区尤为适用[34]，既能够实现全局维持生态系统服务功能和保障食物安全的土地资源数量与质量均不降低，也能避免由于强行或过度的末端治理所带来大量自然资源和人力财力的损耗[20]，与自然恢复优先、人工干预为辅的导向高度契合。因此，有必要将这种平衡调适理念融入干旱区山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理的过程中，并通过有效的管制机制和合理的分配机制促进全局实现LDN目标。就管制机制而言，可将图10的行政区尺度和格网尺度相比对，能够知晓哪些地方与LDN不符，并借助图5和图6来判定优先治理区。由于具有明确目标，未来实施恢复措施可事先通过情景模拟来判定能否满足LDN目标。就分配机制而言，未实现LDN区域理应通过一定的财政转移、生态补偿等措施，这也为后续区域间生态补偿提供了基础边界和思路借鉴，促使治理较优的区域得到应有的补偿，以保障不同区域发展的公平性。

2.4.2 偏向功能主义：要素差别化治理和系统一体化保护

就理论而言，任何一个生态系统都是由不同要素组成的复杂网络[13]，有必要将各项要素纳入一个完整框架中开展保护或治理[2]；但实践中，不同要素的内在特性、状态表现、问题表征和治理需求各不相同，并在不同场景下发挥其各自的价值功能。就LDN而言，1OAO看似是对指标细分后的“一票否决”，实际传达的则是整体性、协调性和系统性思维，该原则下能有效防止任何一项关键指标对系统产生的不可逆冲击[38]，可归为一种协同机制。而LfL则是从更高层面强调了双重对象之间不能抵消[19]，属于一种差别化机制。基于差别化机制和协同机制，既能从微观视角理解生态系统中的“要素”问题，也能从宏观视角把握生态系统的“整体”问题，继而在促进资源保护和生态系统健康维持的同时，为未来可持续发展提供更多的可能性。
值得关注的是，冰与水虽是同一物质在不同温度下的形态转化，但二者保护或治理措施截然不同。作为固体水库，冰川融水在干旱区地表径流占比高，且能对河川径流起到“削峰填谷”作用[47]，往往是由气候变暖所致。本文发现冰川融化后所伴随的通常是重度或中度退化，加之全球气候变化的现实挑战，因而“冰”要素确有必要纳入生命共同体之中，这样不仅能提高对气候变暖和冰川融化问题的关注，也有助于提高开展一体化保护与系统治理过程中的基本认识和具体行动。

2.4.3 促进人地协调：协调多目标以实现人与自然和谐共生

如何处理好发展与保护的关系是人类社会发展面临的永恒课题[1]。干旱区山水林田湖草沙冰等各项自然要素与城村业路矿等社会要素，共同构成了人类生产生活的空间载体（图12），其底层逻辑是人地关系的统筹[48]。研究发现，不同土地利用方式对土地退化和改善具有差异鲜明；而推进山水林田湖草沙冰一体化系统保护与修复，其保护与修复源头与空间载体便是土地资源[19]。无论是农业开发、畜牧养殖等直接作用于自然要素的人类行为，还是城镇建设、采矿活动、产业发展等作用于上述自然要素之外的经济活动，本质都是一种土地利用方式，并将通过不同方式和程度影响生命共同体各要素的状态、过程及变化趋势。例如，衍生于采矿活动的煤电、煤化工基地等下游产业，不仅会在生产过程中对周边自然要素产生直接作用或间接影响，还可能由于碳排放增加而加速气候变暖，继而基于远程耦合关系驱动高山之上的冰川变化。由此，既要发挥良好的竞争机制，推动优质资源向高效率的产业或部门集聚，并通过取用有节、行止有度推动绿色低碳转型；也要建立合理的倒逼机制，通过准入门槛设立敦促低效粗放或污染严重的产业实现强制淘汰或替代，从源头避免人类活动过度索取和肆意破坏。特别是在生态本底先天脆弱、但资源禀赋较优的干旱区，有必要通过竞争和倒逼机制促使各项经济活动和人类行为限制在资源环境能够承受的限度之内，并通过“底线思维+适度治理”和“差别化治理+一体化保护”的实践思路推动高质量发展和高水平保护相统一。
图12 干旱区自然要素与社会要素交织的示意

Fig. 12 Schematic of the intertwining of natural and social elements in dryland

3 结论与讨论

3.1 结论

实现LDN目标同山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理具有高度一致性和协同性，将二者深度融合是本文的主要边际贡献。籍此，既能明确全局底线思维和局部适度治理的辩证关系，也可促使要素差别化保护与系统一体化治理的深度耦合，与之相关的策略选择和治理机制便具备了目标明晰、干预适度、统筹兼顾等特征，呼应了开篇提出的科学问题。主要结论包括：
（1）基于1OAO原则的退化与改善区域识别更为审慎，借助合力偏度的变化程度测度具有合理性。天山北坡城市群改善区面积略高于退化区，类型上以隐性改善与显性退化为主，程度上以轻微改善与轻度退化为主。重度退化与未利用地、城镇用地、矿业用地转入以及水域、冰川和林地转出关系密切，上述反向转移也恰恰是大幅改善的主要来源；而草地和耕地发生退化或改善同自身质量变化更为紧密，在“保量”基础上“提质”理应成为后续关注重点。
（2）通过联结1OAO和LfL双重原则、兼顾LDN的双重对象、执行数量和质量双重法则，能够为整个生命共同体保护与治理提供更为清晰的底线目标和治理边界。研究区与LDN的差距关键在于维持生态系统服务功能的空间资源不足，未来生态保护仍有较大压力。分区域看，实现LDN区域凤毛麟角，78.57%的行政单元遭遇了对象1和对象2的双重否定，格网尺度该比例仍接近一半。
（3）提出了面向LDN的山水林田湖草沙冰一体化保护和系统治理策略。其一，从规范价值取向出发，以公平合理的分配机制确保全局底线性思维和局部适度性治理，避免过度干预或干预不足；其二，从偏向功能主义出发，以差别机制和协同机制推动要素差别化治理和系统一体化保护，防止捉襟见肘和顾此失彼；其三，从促进人地协调出发，以竞争机制和倒逼机制统筹“山水林田湖草沙冰”等自然要素和“城村业路矿”等社会要素，推动实现人与自然和谐共生。

3.2 讨论

基于上述主要结论，重点围绕方法可用性、框架拓展性以及不足和展望讨论如下：
（1）指标选取对系统结果具有先导性作用，规避指标共线性或部分相关性至关重要[32]。区别于传统思维，本文借鉴了LDN的1OAO原则，即任何一项关键指标降低都意味着退化的发生[49]，传递了更为审慎的理念。与同区域研究相比，本文所识别的退化区高于以往研究结果[50]，亦符合理论预期[19]。此外，国外学者长期困扰于如何将双重法则、双重对象和双重原则统筹为一个可量化的整体[23,40]，故而多数仅停留于概念内涵和理论框架的讨论。本文给出的解决方案既紧扣LDN关键点，也有探索性创新，即以构建显性—隐性指标体系为突破口，且结果与以往全球尺度研究成果[26]基本一致，印证了该方案的可行性。其中，像元尺度上显性和隐性指标不作区分，重点在于探测土地退化类型及程度；而区域尺度上将显性—隐性指标嵌套，前者可指示不同用地的数量变化，而后者则表征质量变化，继而在不同尺度评判是否符合LDN。二者结合后能够弥补以往实践过程中的盲目性或抽象性，使得底线思维逐渐明确、评判标准更为审慎、目标导向愈发清晰，大大增加了其可用性。
（2）针对山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理，本文构建了一个具有开拓性的LDN理论框架，其既可以立足实际拓展一些差别化指标，也能够延展或缩小至不同尺度。就指标拓展而言，后续相关或类似的研究既可以将其所关注的重点指标纳入或替代，也可以尝试剔除不同的指标，继而在资源环境承载力评价、生态脆弱性评估等方面发挥更大的价值和作用[51]。就尺度拓展而言，大量学者长期围绕究竟是基于自然边界还是行政边界治理更为妥当[37]，但在LDN框架下该难题迎刃而解，即采取何种尺度研究并不冲突，该框架能够满足不同边界类型在不同尺度的评估需求。基于上述逻辑分析，本文构建的理论框架适用范围将不再局限于LDN，而是具有更广泛的可拓展性。
（3）尽管建构了一套基本可自圆其说的整体架构，但部分问题仍需进一步反思和解答。其一，LDN重点是对关键自然资源或生态资产的管控，但“沙”要素所处地位较为尴尬，很难在此框架下体现其应有价值作用。其二，大食物观背景下保障食物安全的土地资源范畴得到进一步拓展，食物多元供给源于不同地类，河湖也应纳入其中[43]。但囿于数据限制，加之干旱区水产品量并不高，因而在测算食物安全过程中未纳入测算范围，所得出的食物供给结果也将低于实际结果。其三，LDN究竟要在何种尺度实现?放眼全球需要不同国家共同努力，若聚焦某一国家则要求不同区域协同推进；但由于区域差异的客观存在，尺度划分、指标体系及数据选择的适用性也理应成为未来进一步的努力方向。由此可见，后续仍需在推动山水林田湖草沙冰一体化保护与系统治理的具体实践中向中国式理论持续发力，继而为全球可持续发展目标实现贡献中国方案和中国智慧。

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