面向城市可持续性的多情景土地利用模拟与水—碳生态系统服务耦合：基于中国济南的PLUS–InVEST评估

《Sustainability》：Multi-Scenario Land-Use Simulation and Water–Carbon Ecosystem Service Coupling for Urban Sustainability: A PLUS–InVEST Assessment in Jinan, China Han Xu and Zhen-Hao Luo

　　

在快速城市化背景下，生态用地向建设用地的加速转化加剧了城市扩张与生态可持续性之间的冲突，使得对土地利用发展的精确模拟与预测对于可持续空间规划愈发重要。对于生态功能与水资源及景观结构紧密耦合的城市而言，这一挑战尤为迫切。本研究以被称为“千泉之城”的济南为典型案例，将其视为山—泉—城复合生态系统（composite ecosystem）的代表，系统分析不同发展路径如何影响区域水量产出、碳储量及二者之间的相互作用。研究人员采用PLUS模型，在自然发展情景（NDS）、生态泉域保护情景（ESPS）和经济发展情景（UDS）三种情景下模拟2030年土地利用格局；并利用InVEST模型量化2020年及各情景下的水量产出、碳储量以及水—碳耦合协调。结果表明，2000—2020年间，建设用地扩张954.85 km²，而耕地减少632.46 km²。不透水面覆盖上升导致各情景下总水量产出小幅增加（0.65%~1.07%），其中ESPS情景增幅最小；高产水区持续集中于建成区。碳储量下降0.41%~0.75%，其中UDS情景下降最显著，并保持稳定的“南高北低”空间格局。水—碳耦合以初级协调至中度协调为主，而权衡区主要分布于平原区域。研究结果为空间尺度上的可持续土地利用促进、生态系统综合管理以及城市生态安全规划提供了依据，并为快速城市化地区推进可持续导向发展提供了实践启示。

该文发表于《Sustainability》，聚焦快速城市化地区土地利用变化对生态系统服务的影响，尤其关注泉水城市中水量产出与碳储量之间的耦合关系。研究背景在于：随着建设用地持续扩张，耕地、林地、水域等生态空间不断被压缩，城市扩张与生态保护之间的矛盾日益突出。既有研究虽然已对单一生态系统服务或多种服务并行评估开展了较多工作，但对于水量产出与碳储量之间耦合协调关系的系统识别仍显不足；同时，研究尺度多停留在城市或区域层面，对乡镇等精细治理单元的空间异质性关注不够，难以直接服务差异化生态治理。对于济南这样的典型泉域生态城市而言，其生态过程还同时受到山地地形、地下水补给、河湖系统和城市建设活动共同影响，因此有必要构建多情景框架，识别不同发展路径下土地利用演变及其对水—碳生态系统服务关系的影响机制。

围绕上述问题，研究人员以济南市为研究区，构建了面向2030年的多情景土地利用模拟与生态系统服务评估框架，重点回答不同发展情景下土地利用格局如何演变、水量产出与碳储量如何变化，以及水—碳耦合关系在格网和乡镇尺度上是否存在显著分异。研究结论表明，土地利用结构变化是影响单项生态系统服务及其耦合状态的关键因素；生态保护导向的发展模式有助于缓解水—碳冲突、提升系统协调性，而建设扩张主导的发展路径则会加剧二者之间的权衡关系。该研究对于国土空间优化、泉域生态保护与快速城市化地区的可持续发展路径选择具有重要现实意义。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：首先，基于2000、2010和2020年土地利用/覆被变化（LULC）数据，并结合高程、坡度、人口密度、GDP、夜间灯光、距道路、距河流、距泉眼、距历史城区和距已开发土地等驱动因子，利用PLUS模型模拟2030年自然发展情景、生态泉域保护情景和经济发展情景下的土地利用格局；其次，采用InVEST模型中的Water Yield模块和Carbon模块，评估2020年及2030年各情景下的水量产出与碳储量；再次，通过1 km格网归一化与耦合协调度模型识别水—碳生态系统服务的协同与权衡关系，并在乡镇尺度开展分区统计与热点分析。研究区域样本来源为中国山东省济南市全域。

以下结合正文结果对研究内容进行解读。

3.1. Land-Use Change Dynamics and Scenario Simulation
研究首先分析了2000—2020年济南土地利用格局的历史演变，并在此基础上模拟2030年不同情景。结果显示，2000—2020年间，耕地始终是面积最大的地类，但总体持续减少，由6334.09 km²降至5701.63 km²，累计减少632.46 km²；建设用地由1180.29 km²增至2135.14 km²，累计增加954.85 km²，是增长最快的土地类型，反映出济南城市化显著加速。与此同时，林地、草地、水域和未利用地均有不同程度萎缩，其中水域20年间减少135.45 km²。通过土地转移分析，研究发现耕地向建设用地转化是最主要变化路径，表明城市扩张持续挤占农业与生态空间。模型精度验证中，研究人员依据2000—2010年数据回推2020年土地利用格局，Kappa系数达到0.897，说明PLUS模型适用于2030年情景模拟。

在2030年情景模拟方面，三种情景下耕地仍是主导地类，其次为建设用地、林地、草地、水域和未利用地。各情景下建设用地均继续增加，但增长程度存在差异：ESPS情景增幅最小，仅增加76.89 km²，说明泉域保护和生态约束有效抑制了建设扩张；UDS情景增幅最大，增加137.89 km²，反映出经济发展导向显著强化了城市建设需求。相应地，UDS情景下耕地减少最多，ESPS情景下耕地损失最少，显示生态保护情景在一定程度上维护了农业与生态空间格局。

3.2. Spatiotemporal Variations in Water Yield
在水量产出方面，研究利用InVEST模型评估了2020年与2030年各情景下的变化。结果表明，济南总水量产出总体呈小幅增长态势。2020年总水量产出为2.872 × 10⁹ m³；2030年在NDS、ESPS和UDS情景下分别达到2.899 × 10⁹ m³、2.890 × 10⁹ m³和2.902 × 10⁹ m³，相较2020年分别增长0.94%、0.65%和1.07%。由此可见，UDS情景下水量产出增加最明显，ESPS情景最弱。研究指出，在保持气候条件不变的前提下，这一变化主要归因于土地利用结构改变，尤其是不透水面增加提升了地表径流生成能力。

从空间格局看，水量产出表现出显著空间异质性，总体延续“中部高、北部低”的分布特征。高值区主要集中于中心城区建成区及部分东南区域，冷点则主要分布于北部平原乡镇。到2030年，不同情景下这一基本格局保持稳定，但热点范围和强度有所差异：NDS情景下高值区在老城区与新区之间扩展；ESPS情景下高值区扩张受到有效抑制；UDS情景下热点扩张最为明显，并在城市边缘形成新的高值集聚区。从不同土地利用类型看，单位面积水量产出深度以建设用地最高，其次为草地、未利用地、林地和耕地，说明高不透水覆盖的建设空间更易形成较高水量产出，而植被覆盖较高区域则因蒸散和下渗作用而降低产水深度。

3.3. Spatiotemporal Variations in Carbon Storage
碳储量评估结果显示，济南碳储量总体持续下降。2020年全市总碳储量为8.693 × 10⁷ t；到2030年，NDS、ESPS和UDS情景下分别降至8.631 × 10⁷ t、8.657 × 10⁷ t和8.620 × 10⁷ t，降幅分别为0.71%、0.41%和0.75%。其中，ESPS情景下降最缓，UDS情景下降最显著，说明生态保护政策对维持区域碳汇功能具有明显正向作用，而建设扩张则会进一步侵蚀高碳储量生态空间。

在空间分布上，碳储量长期保持“南高北低”的稳定格局。高值区主要位于南部山地生态用地集中区域，如若干山地乡镇与街道；低值区则主要分布于中心城区建成区及北部平原。热点分析进一步表明，南部山地林地和草地是核心碳汇承载区，城市建成区则是典型冷点区域。不同情景比较发现，ESPS情景下多数乡镇碳储量空间格局最稳定，表明高碳密度土地得到更有效保护；UDS情景下，部分近郊乡镇碳储量下降明显，反映出建设用地外扩对生态土地的持续侵占。研究还指出，尽管建设用地因面积扩大使其总碳储量数值上升，但区域总体碳汇能力仍因林地、草地等高碳储量地类被压缩而下降，因此维护高质量生态用地是稳定区域碳平衡的关键。

3.4. Trade-Offs and Synergies Between Water Yield and Carbon Storage
在水—碳关系方面，研究人员对水量产出与碳储量进行归一化处理，并采用耦合协调度模型识别二者的协同和权衡。结果表明，济南水—碳生态系统服务耦合协调总体以初级协调和中度协调为主。2020年，在格网尺度上，初级协同、中度协同和良好协同合计占研究区总面积的77.63%，权衡区占16.02%，优质协同区占6.35%。这说明区域整体上已形成一定程度的水—碳协同，但仍存在较明显的功能冲突空间。

从空间上看，权衡区主要分布于北部平原、黄河沿线及部分建成区，这些区域常表现为水量产出较高但碳储量较低，或相反特征不匹配，从而形成服务间的此消彼长关系。与之相对，南部山地区及生态用地比例较高区域，由于植被覆盖度高、生态结构完整，更易实现水文调节与碳固存的协同供给，因此成为区域水—碳协同的核心承载空间。乡镇尺度分析显示，协调水平较高的乡镇多位于城市边缘和生态用地占比较高区域，而中心城区及北部平原乡镇多表现为权衡或初级协调，整体格局呈现“南高北低、东高西低”。

不同情景对水—碳协调关系的影响具有显著差异。与NDS情景相比，ESPS情景使中度及以上协同区域增加18.072 km²，且空间连续性明显增强，表明加强森林、草地和泉域敏感区保护，能够缓解水量产出与碳储量之间的冲突，提升生态系统服务整体协同性。相反，UDS情景下权衡区增加6.659 km²，初级、中度和良好协同区总面积减少7.744 km²，提示建设扩张主导的发展路径将削弱区域水—碳系统协调能力，并加剧新城区和建设强度快速增长地区的生态风险。

讨论部分进一步总结了土地利用变化影响水—碳生态系统服务综合机制的内在逻辑。研究认为，济南“南山—中城—北田”的地形格局是塑造水量产出与碳储量基础空间格局的重要背景。南部山地生态用地比例高，碳储量强，但高植被蒸散和土壤下渗使单位面积产水较低；北部平原与城市建成区不透水面比例高，产水服务较强，但碳储量明显不足。这一格局反映了地形条件、土地利用结构与人类活动强度的叠加效应。文章同时指出，与一般快速城市化地区相比，济南作为典型泉水城市，其水—碳关系还受到地下水补给约束、泉域保护需求和山泉河湖复合生态要素共同作用，因此相关规律不能简单套用于其他地区，必须结合春泉城市特殊生态环境解释。

在治理启示方面，研究强调乡镇尺度比格网尺度更贴近实际行政边界，能够更直接支撑差异化政策制定。对于南部山地和东部丘陵等高协调区域，应优先保障关键生态用地规模和连通性，强化生态红线管控与修复；对于中心城区和北部平原等权衡较强区域，则应通过紧凑开发、提升绿色基础设施覆盖和优化雨洪管理系统，降低水—碳冲突。研究还指出，新城区和建设强度快速上升区域是水—碳权衡高风险区，应结合自然本底和空间功能实施精细化治理。

研究结论部分可概括翻译如下：本研究在多情景框架下系统考察了济南市土地利用动态及其对水量产出、碳储量和水—碳关系的影响，并整合PLUS模型与InVEST模型得到以下认识。第一，2000—2020年济南土地利用结构显著变化，耕地减少632.46 km²，建设用地增加954.85 km²，耕地向建设用地转化成为主导趋势；2030年ESPS情景下建设用地扩张最小，而UDS情景扩张最强。第二，2020—2030年水量产出总体小幅增长，三种情景增幅为0.65%~1.07%，其中UDS最高，空间上持续表现为“中部高、北部低”，高值区集中于建成区。第三，碳储量持续下降，2030年各情景降幅为0.41%~0.75%，其中UDS最大、ESPS最小，空间上呈“南高北低”，南部山地林草地是核心碳储区。第四，水—碳耦合协调以初级至中度协同为主，权衡区主要分布于北部农业平原与建成区；ESPS情景增加协同区域并改善空间连续性，UDS情景则扩大权衡区并削弱整体协调。总体而言，土地利用是影响单项生态系统服务及其耦合状态的关键因子，生态导向的发展模式有助于缓解水—碳冲突并提升系统协调性，而无序建设扩张则会放大生态风险。该研究为快速城市化地区优化土地利用、实施多功能生态系统管理以及协调城市发展与生态保护关系提供了定量依据。