土地退化背景下食物-水-能源关联生态系统服务的多尺度驱动机制研究——以京津冀城市群为例

《Land Degradation & Development》：Multi-Scale Drivers of Food-Water-Energy Related Ecosystem Services in the Context of Land Degradation: Insights From the Beijing-Tianjin-Hebei Agglomeration

本文深入探讨了在快速城市化背景下，土地退化过程如何通过多尺度空间格局影响食物-水-能源（FWE）关联生态系统服务（ES）。研究以京津冀城市群为案例，综合运用InVEST模型、多尺度地理加权回归（MGWR）和地理探测器等方法，揭示了2000-2020年间生境质量（HQ）、碳储（CS）、土壤保持（SDR）、产水（WY）和食物生产（FP）等关键ES的时空演变规律及其驱动机制。研究发现，流域尺度主导HQ和SDR的变异，而县级尺度则主要影响FP和CS，凸显了土地退化风险与恢复潜力的尺度依赖性。研究结果为制定针对性的土地退化防治与生态系统恢复策略提供了重要的科学依据。

　　

1 引言

土地退化是全球面临的严峻挑战，特别是在快速城市化区域，对维持食物、水和能源安全构成显著威胁。与食物-水-能源相关的生态系统服务对于区域可持续发展至关重要。本研究将土地退化作为核心分析主线，通过选取一组对退化敏感的生态系统服务指标——生境质量、碳储、土壤保持、食物生产和产水，将这些指标嵌入分析框架，将生态系统服务的变化解读为土地退化、恢复潜力和政策相关触发水平的信号。理解这些变化在不同空间尺度上的驱动机制，对于制定平衡城市增长与土地恢复及环境可持续性的战略至关重要。

2 材料与方法

2.1 研究区

京津冀城市群位于北半球中纬度地带，是中国人口最密集、经济最具活力的城市集群之一。该区域面临着复杂的城乡界面问题，快速的城市扩张驱动了显著的土地利用转型。

2.2 数据资源与处理

研究数据包括地理、气候和驱动因子数据。食物生产数据主要来源于县级和省级统计年鉴。所有输入数据在ArcGIS中重采样至统一的1公里分辨率，以确保空间一致性。

2.3 方法

研究框架包括五个关键生态系统服务的评估、空间尺度的划分、多尺度地理加权回归模型的应用、地理探测器对影响因子的识别，以及斯皮尔曼方法对生态系统服务间权衡与协同关系的评估。

2.3.1 研究框架

选定的五个生态系统服务指标与食物-水-能源纽带直接相关。空间尺度被划分为城市、非城市、县级和流域尺度，并提取各尺度的平均生态系统服务值。

2.3.2 InVEST模型与食物生产

本研究使用InVEST模型量化食物-水-能源相关的生态系统服务。食物生产通过结合县级粮食产量与归一化植被指数进行计算。

2.3.3 多尺度地理加权回归

多尺度地理加权回归扩展了地理加权回归，以处理地理空间数据中的异质性。它允许每个解释变量在其空间尺度上运行，通过分配变量特定的带宽来更有效地捕捉空间异质性。研究选择了18个驱动因子，涵盖了自然、社会经济和可达性维度。

2.3.4 地理探测器

地理探测器是一种空间统计方法，旨在识别特定现象空间分布背后的驱动因子并分析其相互作用。它通过评估空间一致性来评估空间变量之间的关系。

2.3.5 斯皮尔曼方法

斯皮尔曼等级相关系数是一种衡量两个变量之间统计依赖性的非参数方法，用于评估生态系统服务之间的权衡与协同关系。

3 结果

3.1 土地利用变化

两个十年的比较揭示了京津冀地区不同的土地利用变化动态。从2000年到2010年，土地转型以生态恢复努力为特征，城市扩张适度。相比之下，2010-2020年期间城市化加速，耕地和草地面积因大规模转为建设用地而迅速减少。这种转换通常导致土壤封闭、植被丧失和对侵蚀的敏感性增加，加剧了局部退化压力。

从2000年到2020年，斑块密度值在所有空间尺度上均有所增加，表明景观破碎化加剧，其中建成区的上升最为显著。同时，蔓延度总体下降，尤其是在2000年至2010年间，反映了景观连通性降低和生态完整性减弱。

3.2 食物-水-能源相关生态系统服务的变化

生态系统服务的变化在市级尺度上跨三个空间尺度进行分析。在流域尺度，产水和食物生产显示出显著增长，而生境质量和碳储适度下降，反映了某些子流域新出现的土地退化压力。土壤保持总体增加，但第二个十年的增长势头放缓。

在县级尺度，生境质量和碳储下降更为明显，反映了局部生物多样性丧失和碳储潜力减少。产水和食物生产表现出强劲的上升趋势。土壤保持持续增加，但速度较早期减缓。

在建成区尺度，生境质量和碳储显著下降，特别是在2010年之后，凸显了与城市相关的退化加剧。土壤保持在第一个十年急剧下降，与快速城市扩张期间侵蚀风险升高一致，但之后由于建设用地增长放缓及引入针对性恢复或绿色基础设施项目而部分恢复。产水在整个研究期间稳定增长。食物生产在20年间增长了35.03%，但这主要是由于农业效率提高而非农田扩张。

3.3 食物-水-能源相关生态系统服务的多尺度地理加权回归结果

多尺度地理加权回归结果揭示了生态系统服务在不同尺度上的显著时空变异。

3.3.1 生境质量的多尺度地理加权回归结果

生境质量的多尺度地理加权回归结果显示了从2000年到2020年跨尺度的显著关系。在流域尺度，耕地、草地、水域和未利用地 consistently 产生负面影响。斑块密度、数字高程模型和蔓延度显示出积极影响，但随时间减弱。到2020年，斑块密度和蔓延度仍然显著，但其影响逐渐减弱。蔓延度对生境质量的影响从2000年主要集中在流域南部，到2020年逐渐转向北部地区。

在县级尺度，人类足迹、数字高程模型和温度始终对生境质量产生显著负面影响。斑块密度的积极影响逐渐减弱，而蔓延度的影响从2000年到2010年增加，然后到2020年下降。

在建成区尺度，驱动因子随时间变化。归一化植被指数在2000年为正向因子，坡度和斑块密度在2010年和2020年是关键因子，而建设用地和草地成为主要的负面因子。

3.3.2 产水的多尺度地理加权回归结果

产水表现出显著的空间和时间变异。在流域尺度，2010年和2020年模型整体表现强劲。2010年，数字高程模型、温度、归一化植被指数和水域对产水产生负面影响，而未利用地产生积极影响。到2020年，降水成为主导因子。

在县级尺度，尽管模型整体显著性有限，但降水和斑块密度在所有三年中都显著影响产水。斑块密度的持续作用凸显了破碎化如何影响水文调节。

在建成区尺度，所有三年均显示显著结果。从2000年到2020年，降水对建成区产水的影响稳步增加，到2020年，较高的系数主要集中在中部和东部城市地区。

3.3.3 碳储的多尺度地理加权回归结果

碳储在流域尺度的2010年和2020年，以及在县级和建成区尺度的所有三年均受到显著影响。在流域层面，耕地、草地、水域和建设用地等土地类型 consistently 产生负面影响。2020年，温度成为一个显著的正向因子。斑块密度和蔓延度对碳储产生负面影响。

在县级尺度，2000年，数字高程模型、坡度、降水、斑块密度和蔓延度对碳储产生积极影响。到2010年，这些变量大部分保持其影响，但降水转为负面。2020年，人类足迹和降水显示负面影响，而坡度、温度、斑块密度、蔓延度、归一化植被指数和数字高程模型保持正相关。温度对县级尺度碳储的影响从2000年到2020年增强，高影响区从东南部扩展到更广泛的南中部和东部地区。

在建成区尺度，2000年，归一化植被指数和斑块密度是积极贡献者，而草地产生负面影响。到2020年，耕地扩张对碳储产生显著负面影响。水域和建设用地的扩张进一步减少了碳储。

3.3.4 土壤保持的多尺度地理加权回归结果

土壤保持在流域和建成区尺度的所有年份均显示显著关系，而县级尺度的显著性仅出现在2010年和2020年。在流域尺度，2000年，耕地、草地、水域、未利用地和坡度产生积极影响，而建设用地、归一化植被指数、温度、斑块密度和蔓延度产生负面影响。2010年，耕地、未利用地、坡度和降水保持积极影响，而其他因子，包括蔓延度和斑块密度，持续产生负面影响。到2020年，大多数变量，包括耕地、坡度、草地、归一化植被指数、水域和斑块密度，转变为积极贡献者。斑块密度从负面效应转变为正面效应，反映了斑块构型的针对性改善可能增强了土壤稳定性的恢复潜力。在流域尺度，蔓延度对土壤保持的影响从2000年的强负面效应转变为2020年的正面效应。随着时间的推移，较高系数的空间集中度逐渐南移。

在县级尺度，2010年数字高程模型和坡度产生积极影响，而斑块密度产生负面影响。到2020年，坡度和降水成为关键的积极驱动因子。

在建成区尺度，2000年耕地、水域和坡度产生积极影响，斑块密度保持负面。从2010年起，坡度是唯一持续的正向因子。

3.3.5 食物生产的多尺度地理加权回归结果

食物生产的多尺度地理加权回归结果显示出有限的整体显著性——仅在流域尺度的2020年和建成区尺度的2000年显著，在县级尺度无整体显著性。在流域尺度2020年，人类足迹、归一化植被指数、蔓延度、草地、未利用地、数字高程模型和温度对食物生产产生积极影响，而水域和坡度产生负面影响。

在县级尺度，尽管缺乏全局显著性，但坡度显示出减弱的负面效应，而归一化植被指数最初具有强积极效应，但随时间减弱。同时，斑块密度和蔓延度的负面影响在整个时期加剧。从2000年到2020年，归一化植被指数对县级尺度食物生产的影响稳步下降，高值区从西南部的广泛分布收缩到远西南部的一个小集群。

在建成区尺度，模型显著性随时间下降，反映了城市及周边农业的减少以及剩余农业斑块通过土壤封闭和破碎化的退化。

3.4 食物-水-能源相关生态系统服务的地理探测器结果

地理探测器结果显示了跨尺度的生态系统服务驱动因子及其交互作用。

3.4.1 生境质量的地理探测器分析

在流域尺度，人类足迹和数字高程模型从2000年到2020年 consistently 是生境质量的首要驱动因子。在县级尺度，坡度和数字高程模型是所有年份的主要驱动因子。在建成区，生境质量主要由建设用地和人类足迹塑造。

3.4.2 产水的地理探测器分析

在流域尺度，2000年产水的主要影响因子按影响降序排列为归一化植被指数、降水和草地。2010年，降水是唯一显著因子。到2020年，数字高程模型、草地、坡度和人类足迹成为主导影响因子。在县级尺度，人类足迹的影响最大，其次是归一化植被指数、降水、斑块密度等。在建成区尺度，2000年是国内生产总值和归一化植被指数，2010年是降水、建设用地和人类足迹，2020年则是归一化植被指数和人类足迹。

3.4.3 碳储的地理探测器分析

对于碳储，在流域尺度，2000年的关键影响因子是人类足迹、数字高程模型和坡度。2010年人类足迹仍是主导因子。2020年关键因子是人类足迹、数字高程模型和耕地。在县级和建成区尺度，人类足迹、建设用地的相关因子以及斑块密度等 consistently 是主要驱动因子。

3.4.4 土壤保持的地理探测器分析

在流域尺度，2000年数字高程模型是土壤保持的主导因子。2010年，人类足迹和归一化植被指数成为最有影响力的因子。到2020年，数字高程模型、草地、坡度和人类足迹共同发挥关键作用。在县级尺度，坡度和数字高程模型 consistently 排名最高。在建成区，坡度、建设用地和草地是2000年的主要驱动因子，随后是2010年的降水、建设用地和人类足迹。2020年，坡度、数字高程模型、斑块密度、草地、建设用地和人类足迹塑造了土壤保持格局。

3.4.5 食物生产的地理探测器分析

人类足迹是2000年流域尺度食物生产的关键影响因子。2010年主导因子是人类足迹和归一化植被指数。2020年关键影响因子是人类足迹和建设用地。在县级尺度，影响因子的排序随时间变化，但人类足迹、国内生产总值、斑块密度等 consistently 重要。在建成区尺度，2000年是人类足迹、建成区土地和耕地，2010年是人类足迹，2020年是建成区土地。

3.4.6 不同驱动因子之间的交互作用

交互因子在其联合解释力超过单个变量时被选中。对于生境质量，草地、坡度等变量间的显著交互作用在流域尺度凸显。在县级尺度，人类足迹、数字高程模型和坡度表现出最强的正向交互。在建成区，坡度与人类足迹、建设用地的交互作用对生境质量的正向影响最显著。

关于产水，坡度在流域尺度是主导因子，与归一化植被指数、数字高程模型和草地有显著交互。在县级尺度，降水和人类足迹是关键，特别是通过与归一化植被指数和斑块密度的交互。在建成区，降水-归一化植被指数和降水-人类足迹的交互对产水产生积极影响。

对于碳储，人类足迹在流域尺度是主导因子，与耕地和数字高程模型观察到强交互作用。人类足迹和归一化植被指数在县级和建成区尺度是主要驱动因子，与其他变量显示出强交互作用。

在流域尺度，坡度与草地、人类足迹等变量的交互作用最为显著，强调了坡度在土壤保持中的关键作用。在县级尺度，显著交互包括坡度与归一化植被指数和数字高程模型。在建成区，坡度与数字高程模型和人类足迹强烈交互。

在流域尺度，人类足迹对食物生产的影响最强，特别是通过与温度的交互。在县级尺度，重要的交互包括国内生产总值与人类足迹，以及国内生产总值与斑块密度。在建成区，草地-归一化植被指数的交互最显著。

3.5 不同尺度下食物-水-能源相关生态系统服务间的权衡与协同

所有相关性均具有统计学显著性（p < 0.05）。在流域尺度，生境质量和碳储在整个研究期间保持强协同关系。产水与土壤保持的关系从2000年的弱权衡转变为2010年和2020年的弱协同。产水与生境质量之间存在显著权衡。食物生产与生境质量之间的权衡随时间加剧。

在县级尺度，生境质量与碳储之间观察到强协同关系。产水-土壤保持关系表现出递减的协同作用。产水与生境质量之间存在显著权衡，且随时间加剧。食物生产也与其他变量表现出增加的权衡。

在建成区尺度，生境质量与碳储表现出持续强协同关系。然而，在产水与土壤保持之间观察到持续权衡。产水与生境质量之间的权衡随时间加剧。碳储与产水之间的权衡也变得更加明显。食物生产与生境质量和土壤保持之间最初的弱协同关系到2020年转变为权衡。

4 讨论

4.1 尺度效应与食物-水-能源相关生态系统服务

从上述研究结果可以得出结论，在不同尺度上管理生态系统服务既高效又必要。从土地退化的角度来看，尺度敏感的管理对于防止侵蚀、维持植被覆盖和增强恢复潜力至关重要。流域尺度对于维持生境质量和土壤保持尤为重要，因为它捕捉了更广泛的生物物理梯度、地形复杂性和水文连通性。空间异质性分析进一步支持了这一结论，揭示了生境质量和土壤保持在流域尺度表现出最高且最一致的空间异质性；碳存在流域和县级尺度均表现出高异质性，而食物生产在县级尺度表现出最大的异质性。这些生态过程超越了行政边界，在更大的自然空间单元（如流域）中能得到更好的捕捉。

相比之下，食物生产在县级尺度的主导地位与社会经济治理结构、土地利用决策和政策实施密切相关，这些主要在县级层面进行管理。这些相同的社会经济驱动因子如果管理不善，也会加速土地退化。因此，县级尺度对于管理食物生产至关重要，其中供给与调节服务之间的权衡往往最为尖锐。

此外，流域和县级尺度对于维持碳储都至关重要，因为它们提供了互补的视角：流域层面捕捉生态和生物物理模式，而县级层面反映社会经济干预措施。这种双尺度方法对于管理与退化相关的碳损失特别相关，其中生态恢复和政策驱动的土地管理必须协同工作。

4.2 景观格局变化与食物-水-能源相关生态系统服务

尽管分析中包含了土地利用类别，但它们对景观格局变化的影响在统计上不显著。相比之下，某些景观指标，特别是斑块密度和蔓延度，表现出更强的解释力。因此，随后的讨论集中在景观格局变化的驱动因子上。

2000年至2010年间，斑块密度增加，表明景观破碎化加剧，而蔓延度下降，反映了结构完整性降低、异质性增大以及对退化的更高敏感性。到2020年，部分区域斑块密度下降，表明土地利用整合，斑块减少，而连通性略有恢复，但2000年至2020年间的整体连通性下降。这种趋势凸显了累积的破碎化效应即使伴随着部分连通性恢复，也可能对退化风险产生持久影响。

2000年，斑块密度在流域尺度对生境质量的影响更大，但到2020年，其影响转向县级尺度。斑块数量的增加有助于两个尺度的生境质量改善，但蔓延度对于连接斑块仍然至关重要。然而，仅依赖蔓延度显示出收益递减，增加斑块密度并不 consistently 增强生境质量，特别是在已经受到退化压力影响的景观中。这种递减效应在流域尺度尤为明显，到2020年斑块密度对生境质量的贡献下降了96.15%。在建设用地主导的建成区，提高生境斑块质量和恢复连通性对于减缓城市相关退化影响至关重要。

在流域尺度，斑块密度对碳储显示出递减的边际效应，起初积极贡献但随时间转为负面，表明适度的破碎化可以增强某些调节服务，但过度的破碎化会降低碳储能力。斑块密度在县级和建成区尺度保持对碳储的积极影响，尽管其影响随时间减弱。对于蔓延度，其影响因尺度而异。在流域尺度，蔓延度最初支持碳储，但随时间变为负面，表明连通性本身无法抵消破碎化带来的长期退化效应。在县级尺度，蔓延度通过稳定景观凝聚力持续有益于碳储。在建成区，蔓延度从负面效应转变为正面效应，凸显了恢复绿色斑块连通性以恢复退化城市环境中碳储的重要性。

在县级尺度，斑块密度在2000年、2010年和2020年对产水产生显著负面影响，表明景观破碎化增加降低了水文调节能力，并可能加剧水文退化。类似地，蔓延度在县级尺度所有三年对产水产生负面影响，表明更高的景观连通性降低了该空间层面的产水。

斑块密度在2000年和2010年在流域尺度对土壤保持产生负面影响，因为破碎化阻碍了土壤保护。然而，2020年斑块密度产生积极效应，可能是由于更紧凑的景观斑块增强了土壤保持能力，特别是通过改善的归一化植被指数。蔓延度在流域尺度的影响也从2020年的负面转变为正面，表明针对性的连通性恢复可以支持先前退化集水区的土壤保持。在其他尺度，斑块密度仅在2010年的县级尺度和2000年的建成区尺度对土壤保持显示负面影响，表明斑块密度和蔓延度在流域尺度的影响更为实质。

在县级尺度，斑块密度对食物生产产生显著负面影响，其影响随时间加剧，可能是由于土地破碎化和不利的景观结构变化限制了农业生产力并增加了对土地退化的脆弱性。蔓延度在该尺度也显示出与食物生产的持续负相关，表明连通性增加抑制了生产功能。在流域尺度，蔓延度在2000年和2010年对食物生产无显著影响，但在2020年，其对食物生产的积极影响变得明显。这种转变表明，改善的景观凝聚力有助于抵消在某些条件下与先前退化趋势相关的部分生产力损失。

4.3 不同尺度未来发展建议

2020年，西南部流域表现出生境质量、碳储和土壤保持之间的强协同作用。这些模式表明当前土地退化风险低，恢复潜力高。因此，这些区域应优先进行重新造林、源头区域保护、边坡稳定和生态廊道建设，以促进“山-水-林-田-草”一体化恢复。这些流域可纳入生态保护红线和重点生态功能区，同时受益于横向流域补偿机制。

在太行山东麓的县级区域表现出跨生境质量、碳储和土壤保持的高协同性。这表明生态结构保存完好，土壤侵蚀强度低，使其成为退化预防的战略区域。这些多功能生态区应侧重于土地整理、廊道连通和边坡重新造林。它们可纳入重点生态功能区和生态保护红线，得到退耕还林等国家计划和国家级生态安全格局规划的支持。

在石家庄、保定等城市的中东部建成区，强烈的食物生产-碳储和碳储-土壤保持协同信号表明有机会回收未充分利用或退化的城市土地用于多功能用途，如都市农业、绿色基础设施和土地再利用。这些区域应优先纳入国家城市更新计划和低碳城市试点，实施屋顶绿化、垂直农业、生态廊道和慢行系统。相比之下，邯郸、衡水等城市的西南部建成区表现出较弱的服务相互作用，反映了由于土壤封闭、植被丧失和水文调节能力降低导致的更高局部退化风险。在此，努力应侧重于恢复退化土地，实施边坡绿化、雨水收集和透水铺装系统。此类干预措施可以直接减缓城市相关的退化过程。这些区域被推荐作为海绵城市试点区和碳中和社区示范区。

4.4 研究局限与展望

本研究揭示了景观格局与食物-水-能源相关生态系统服务之间的尺度依赖关系，但仍存在一些局限。首先，由于可用数据集仅限于三个时间点，未能完全捕捉土地退化和生态系统服务的时空动态。未来研究应利用更高频率的卫星数据并采用时间序列分析方法。其次，社会经济驱动因子未明确纳入，因为缺乏覆盖范围和分辨率足够的空间显性数据集。未来工作可结合空间计量经济学方法和基于主体的模型来更好地捕捉人类-环境反馈。第三，所应用的模型对空间尺度和分区方案天生敏感。未来研究可采用多尺度或嵌套框架来减少偏差并更好地捕捉跨尺度相互作用。

通过阐明这些局限主要是由于数据可用性和方法学约束，我们提供了透明度，同时为未来研究指出了具体的方法学和数据驱动的解决方案。这些改进将允许对退化敏感的食物-水-能源相关生态系统服务动态进行更稳健的诊断，并为土地退化减缓与生态系统恢复产生更强有力的证据。

5 结论

本研究考察了2000年至2020年间京津冀城市群食物-水-能源相关生态系统服务的时空变化。产水和食物生产增加，但此类收益伴随着可能加剧未来土地退化风险的土地利用集约化。土壤保持在建成区显著下降，表明城市洪水、土壤侵蚀和局部退化热点风险升高。碳储和生境质量在所有空间尺度下降，反映了加速的生物多样性丧失、碳储耗尽和整体生态衰退。

尽管土壤保持在流域和县级层面有所改善——表明一定的恢复潜力——但其在建成区的下降信号表明退化压力在城市景观中持续存在。生境质量和碳储保持协同，但产水与碳储显示出权衡，凸显了在退化或脆弱区域平衡水供给与碳保护的挑战。流域尺度主导生境质量和土壤保持，而县级社会经济因子主要塑造食物生产。这些发现凸显了土地利用与生态系统服务变化之间的相互作用从根本上受土地退化过程介导。

研究结果揭示了京津冀城市群生态可持续性与发展之间日益紧张的张力，这部分是由土地退化过程驱动的。这强调了对特定尺度土地利用战略的需求，这些战略明确旨在减缓退化、恢复生态系统功能并在空间尺度上维持食物-水-能源相关生态系统服务的供给。