科學通報 | 國界線上的瞭望: 從土地利用變化到邊境地理研究

世界地緣政治經濟格局動蕩加劇, 邊境地區已成為全球人地關系與土地利用變化研究的前沿陣地與熱點區域. 國界作為國家主權劃分與空間治理的法定界線, 亦是邊境地區人地系統耦合、地緣主體互動與生態要素跨界流動的關鍵界面( 圖1 ). 邊境地區承載世界1/6的人口與1/3的陸地生物多樣性熱點, 引發近1/3的土地利用變化和1/2的武裝沖突, 是落實全球可持續發展目標(SDGs)的關鍵區域 [ 1 , 2 ] . 近期, 研究團隊基于長時序衛星遙感與可解釋機器學習方法, 在 Science Bulletin [3 ] 和 Communications Earth & Environment [4] 連續發表兩項全球尺度研究, 系統揭示邊境地區不透水層擴張與耕地演變的時空規律, 為邊境地理研究與邊境地理學發展由定性描述走向定量建模、從國別研究邁向全球整合提供全新科學證據.

圖 1 邊境地區不同地表要素演變的梯度分異、界面耦合與跨界傳導模式

1 邊境不透水層面積翻倍: 全球格局與集聚模式

1985~2020年, 全球邊境地區(國界線兩側 60?km) 的不透水層面積翻倍, 年均增速2.7%, 且在21世紀擴張速率顯著提升. 空間上, 北美、歐洲與亞洲邊境地區的增長相對突出, 非洲、南美整體較為平緩; 高值集聚于北緯30°以北區域, 南半球邊境不透水層規模則持續上升. 全球313組毗鄰國家邊境中, 44對(14%)貢獻了全球50%的不透水層增量, 其中美國－加拿大、柬埔寨－越南等邊境的擴張最為突出.

基于高斯擬合結果, 將全球邊境不透水層擴張格局劃分為離邊型、抵邊型、U型、∩型、隨機型等5類. 統計發現, 約1/3的邊境呈抵邊發展態勢, 集聚現象在 0~30?km 近邊境區域尤為明顯. 毗鄰國家經濟發展水平梯度差異較大的區域, 不透水層向邊境發展趨勢更為突出, 證實邊境土地利用變化存在顯著的邊界梯度效應與鄰域集聚效應. 進一步驅動機制表明, 人口規模與地形條件(坡度、海拔)起到關鍵調控作用: 離邊型與隨機型擴張主要受社會經濟因素主導, 抵邊型同時受制于地形約束與人口分布, U型格局則以人口增長驅動為主.

2 邊境耕地持續縮減: 全球格局與生態響應

2001~2020年, 全球約17%的耕地分布在邊境地區, 且整體呈加速縮減趨勢. 耕地轉出以草地與林地為主, 其中67%轉為草地、32%轉為林地. 空間上, 超過56%的耕地縮減與53%的耕地擴張集中于 0~30?km 的近邊境區域, 抵邊特征顯著. 依托XGBoost模型和地理交叉收斂映射(GCCM)方法, 揭示氣溫、地形坡度和GDP與耕地動態變化密切相關: 美洲邊境耕地格局更易受區域氣候與自然本底條件制約, 亞非邊境耕地波動則更多受人口等社會要素驅動.

基于結構方程模型(SEM)進一步證實, 植被凈初級生產力(NPP)在耕地變化與生物多樣性之間起中介作用, 即耕地流失與NPP呈顯著負向路徑關聯, NPP提升則與物種豐富度存在正向關聯. 同時, 邊境耕地變化與兩棲類、鳥類、哺乳類及區域平均物種豐富度均呈顯著相關性, 據此刻畫了邊境土地利用變化過程的“自然約束－人類決策－生態反饋”關聯特征及其生態響應. 此外, 全球約70%邊境地區的NPP呈上升態勢, 僅耕地轉為建設用地導致局部NPP回落, 凸顯生態改善與糧食安全保障的權衡關系.

3 從格局到機理: 邊境地理研究的范式升級

本系列研究突破傳統行政區邊境研究局限, 構建全球統一 60?km 緩沖區與 1?km 梯度環分析框架, 整合多源遙感數據與XGBoost-SHAP、GCCM、SEM等可解釋模型, 實現從“空間格局－驅動機制－生態效應”的鏈式解析, 推動邊境地理研究 [5] 范式轉型:

(1) 邊境效應空間顯化: 通過抵邊與離邊等分異模式, 量化邊境政策、地緣政治經濟與治理差異對土地利用格局的重塑作用, 證實邊境線并非單純地理界線, 而是具有梯度效應的復合功能界面.

(2) 人地耦合跨界機制: 厘清人口與地形主導不透水層擴張、氣候與經濟共同驅動耕地演變的規律, 揭示邊境地區自然本底約束與社會經濟動力的非線性跨界耦合機制.

(3) 多重SDGs權衡協同: 闡明不透水層擴張推動社會經濟發展但擠壓生態空間、耕地縮減提升生物多樣性卻承壓糧食安全的權衡關系, 為SDGs跨界協同實現提供量化支撐與理論依據.

4 結語

國界線上的土地演變, 是邊境地區地緣合作、人口流動與生態過程跨界疊加的綜合結果, 更是人類活動與自然環境在主權邊界上的共同書寫. 邊境土地利用格局重塑既孕育跨境協同發展機遇, 也易引發生態破碎化、跨界污染、生物遷徙阻隔與糧食安全風險等 [6] . 以全球視野瞭望邊境、以科學方法解析規律、以協同思維推進治理, 方能推動邊境地區由矛盾交匯帶轉向可持續發展示范區. 未來研究應依托高分辨率數據集開展關鍵節點長時序精準監測, 將地緣(政治經濟)關系量化納入模型, 并構建跨界生態－經濟－安全多維協同治理框架體系, 助力邊境地區從國土發展邊緣邁向可持續前沿, 進而推動邊境地理研究與豐富完善邊境地理學理論體系與研究范式.

參考文獻

[1] Cheng Y, Xu Z, Liu H. Sustainable development in global border regions . Science , 2024 , 384: 1309

[2] Li W, Zhang Q, Wang Z, et al. Three-quarters of species’ ranges have not been covered by protected areas in global borders . Nat Commun , 2025 , 16: 2608

[3] Xiao C, Yue Z, Feng Z, et al. Impervious surface increase over global border areas regulated by population and topography . Sci Bull , 2026 , 71: 1450 -1460

[4] Xiao C, Wang Y, Feng Z, et al. Global cropland loss at borders contributes to increased biodiversity . Commun Earth Environ , 2025 , 6: 957

[5] Taubenb?ck H, Otto C, Gülzau F, et al. Border regions across the globe: analyzing border typologies, economic and political disparities, and development dynamics . Appl Geography , 2023 , 151: 102866

[6] Liu J, Yong D L, Choi C Y, et al. Transboundary frontiers: an emerging priority for biodiversity conservation . Trends Ecol Evol , 2020 , 35: 679 -690

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