更绿却未必更均衡：城市绿地中碳固持与氮滞留的跨尺度分异

《Environmental Impact Assessment Review》：Greener but not more balanced: Cross-scale divergence between carbon sequestration and nitrogen retention in urban green spaces

　　

• 城市绿化可能增加CSS，但并未带来相应的NRS增益。
• CSS和NRS在长江三角洲呈现出发散性的空间格局。
• 四个城市在城镇形态、CSS、NRS与CN_gap之间表现出不同的关联。
• NSGA-II优化在同时改善CSS和NRS的情况下，将CN_gap降低了43–77%。

引言

快速城镇化以前所未有的规模重塑了陆地生态系统结构，并扰乱了关键生物地球化学循环（Ilieva和McPhearson，2018；Reba和Seto，2020）。随着自然景观被不透水面取代，城市地区已成为碳排放和反应性氮积累的热点区域，加剧了碳和氮过程的脱钩（Pataki等，2011；Raciti等，2012）。这为城市带来了双重挑战：碳排放增加了气候减缓压力，而过多的反应性氮超出生态系统的保留能力，导致水污染和生态退化（Howard等，2017；Tiedje等，2022）。由于城市土地有限，生态功能必须与开发需求竞争，碳氮失衡不仅是生物地球化学问题，也是城市空间组织问题。

因此，碳封存服务（CSS）和氮滞留服务（NRS）尤其重要，因为它们对应两个关键可持续性议程：气候调节和水质保护（Lu等，2021；Saavedra-Hortua等，2023）。在本研究中，碳氮功能失衡并非指两个指标之间的简单数值差异，也不表示植被或土壤的化学计量C:N比。相反，它描述了城市绿地（UGS）提供的两种调节服务之间的异步变化和空间不匹配：碳固定和储存量高的地方并不一定提供同样高的氮滞留或水质净化服务。尽管碳和氮通过植被和土壤过程在生物地球化学上相互耦合，但它们的服务水平表达在异质性城市景观中可能出现空间脱钩（Pataki等，2011；Raciti等，2012；Saavedra-Hortua等，2023）。这一区分在实践中至关重要，因为以增加的绿地面积或碳吸收作为多重生态效益证据的绿化政策，如果忽视氮拦截、滞留和下游水质保护，可能会高估改善程度。更多的绿地、更高的碳吸收或更广泛的生态修复，在特定的绿色-建成配置下，仍然可能无法增强氮滞留（Saavedra-Hortua等，2023）。因此，依赖单一的绿化或碳导向目标，可能会将生态投资导向改善一种服务而另一种服务受限的配置。研究问题因此针对从单一功能绿化或碳导向绩效评估向城市绿地多功能协同管理的规划转变。

现有城市生态系统服务研究表明，绿色基础设施和基于自然的解决方案可以提供多重协同效益，但也涉及服务、位置和规划目标之间的权衡（Fang等，2023；Liu和Russo，2021；Seddon等，2021）。近期研究进一步表明，生态系统服务多功能性在空间上分布不均，很少仅依赖绿地数量（Kirby等，2024），而是受绿地配置、生态质量、生物多样性和周围建成条件的影响（Hanna等，2024；Herath和Bai，2024；Yang等，2025）。然而，大多数研究仍然通过宽泛的服务组合或普遍性权衡来评估多功能性，对于CSS和NRS在同一城市绿地单元内是否空间对齐提供了有限的见解（Kong等，2025；Yi等，2025）。单独评估两种服务可以描述它们的分布，但并不能直接量化它们的空间不匹配程度。为解决这一方法论差距，引入碳氮功能差距（CN_gap）作为补充的网格尺度响应变量，将CSS-NRS关系转化为服务层面失衡的明确度量（Kirby等，2024；Yao等，2025a，Yao等，2025b）。

城市形态为考察这种失衡提供了关键且具有规划相关性的视角，因为建筑物和绿地的空间排列、密度和物理形态在一定程度上可以通过绿地设计、再开发和开发控制进行干预。城市形态调节城市景观中的能量、水和养分流动（Elmarakby和Elkadi，2024；Zhang等，2022）。以往工作通常依赖二维（2D）指标，如景观百分比和空间凝聚力，来解释生态系统服务变化（Liu和Russo，2021）。然而在垂直扩展的城市中，三维（3D）结构也很重要，因为它改变了空气动力粗糙度、遮荫、径流路径和微气候条件（Liu和Weng，2025；Shen等，2024）。尽管越来越多的证据表明建成强度、植被结构和绿地配置共同影响生态绩效（Hanna等，2024；Liu和Weng，2025），但当前规划实践对哪些形态组合与更高的CSS、更高的NRS和更低的CN_gap相关联提供了有限的证据（Yao等，2025a，Yao等，2025b）。识别这些组合可以支持筛选情境相关的候选形态配置，而不是将增加绿地面积视为充分或普遍可迁移的规划方案。

方法上，这一问题具有挑战性，因为形态-服务关系很少是线性的。城市生态系统响应通常涉及收益递减、非线性响应范围和城市特定的过渡趋势（Dai等，2026；Yang等，2025）。传统参数方法，如普通最小二乘法和地理加权回归，通常假设平滑或单调关系，因此在识别突变的非线性响应方面受到限制（Li，2022）。可解释的机器学习方法，特别是与SHAP结合时，提供了一个有效的框架来识别非线性和异质性的形态-服务关联（Sun等，2026；Wang等，2025）。对于规划应用，NSGA-II等多目标优化方法在将模型关系转化为候选空间干预方案方面也变得越来越重要（Dong等，2025；Liu等，2022）。这种方法论的转变与近期识别生态系统服务动态和相关社会生态结果在城镇化和土地利用强化下呈现非线性响应范围和过渡模式的研究一致（Ding等，2026；Zhu等，2025）。因此，这些方法适用于在城市生态规划中连接评估、解释和候选优化。

即便如此，剩余的差距比生态系统服务研究的一般缺乏更为具体。现有研究通常分为三个分支：要么通过宽泛的服务组合和绿色基础设施效益评估多功能性（Kirby等，2024；Yao等，2025a，Yao等，2025b），要么将城市形态与单一生态结果如热、植被绿化或尺度依赖的城市热岛响应进行比较（Elmarakby和Elkadi，2024；Liu和Weng，2025；Shen等，2024），要么优化选定的生态系统服务目标，而不明确询问关键调节功能之间的内部失衡是否仍然存在（Dong等，2025；Kirby等，2024）。因此，三个相互关联的问题仍未解决。首先，碳封存和氮滞留是否对相同城市形态逻辑做出响应，或者一种功能的改善是否可能仍然使另一种功能受限，尚不清楚。其次，这些关系在多大程度上受非线性和城市特定响应模式支配，仍然了解不足，尽管近期研究已开始识别城市生态系统中非线性权衡和过渡趋势（Hong等，2024）。第三，诊断结果很少被转化为受约束的、具有规划相关性的候选形态配置。因此，是否可行协同改善可以在不同城市环境中迁移仍然不清楚（Dong等，2025；Li，2022）。

在此背景下，本研究考察了长三角（YRD）——一个快速城镇化、地形、开发强度和生态结构对比鲜明的区域——城市绿地系统中的碳氮功能失衡（Yang等，2023；Zhou等，2025）。研究将长期区域评估与城市尺度形态-服务关联分析相结合。这两个尺度是互补的，而非因果顺序：区域分析诊断1990至2020年CSS-NRS轨迹和空间分化，而城市尺度分析考察所选城市案例中当代2D和3D形态指标与CSS、NRS和CN_gap的关联。具体而言，本研究提出以下问题：（1）从1990到2020年，长三角CSS、NRS、C/N比以及CSS-NRS耦合协调度如何演变；（2）当代城市形态指标如何与CSS、NRS和CN_gap在所选城市案例中相关联；（3）在现实形态约束下，什么样的候选形态配置可以在增加CSS和NRS的同时降低CN_gap？通过将CSS-NRS关系重新框架为服务层面的功能失衡，本研究超越了平行服务评估，提供了一个跨尺度的、基于形态的框架，用于识别城市特定路径，迈向更平衡的城市绿地系统。

区域研究区

位于中国东部沿海的长江三角洲城市群被选为区域研究区（图1）。作为中国城镇化水平最高、经济最密集的地区之一，长三角为考察城市绿地生态系统服务改善是否伴随碳和氮相关功能的平衡改善提供了合适的研究背景。该区域包括广阔的冲积平原、密集的河湖水系网络、破碎化的农业-城市

方法

本研究采用嵌套双尺度工作流程来考察CSS-NRS分化及其与城市形态的关联（图3）。区域分析量化了1990至2020年长三角CSS、NRS、C/N比和耦合协调度的长期变化。城市尺度分析随后将当代2D和3D形态指标与四个所选城市案例中的CSS、NRS和CN_gap联系起来。这两个尺度作为互补的分析组成部分使用，而非直接的因果顺序。

区域轨迹与空间格局

在区域尺度上，1990至2020年间长三角CSS和NRS呈现出不同的时间轨迹（图4）。平均CSS从1990年的约700 gC·m?2·yr?1首先下降至1990年代中期的600 gC·m?2·yr?1以下，然后在2000年后稳步上升，2010年后上升势头更强（图4A）。研究期间森林贡献了区域CSS的最大份额，其次是灌木地和耕地，表明2010年后的增长反映了更广泛的上升

协调度改善并不消除碳氮功能失衡

本研究的核心启示之一是，CSS-NRS协调度改善不应被解释为碳和氮相关生态系统功能已经平衡的证据。CCD的增加表明CSS和NRS的综合发展水平和耦合状态随时间改善，但不一定意味着两种服务之间的相对差异消失。这一区分很重要，因为绿色基础设施的多功能性不是一种

结论

本研究考察了长三角城市绿地相关生态系统服务改善是否导致CSS和NRS之间更加平衡的关系。通过整合长期区域生态系统服务评估、城市尺度形态分析、可解释机器学习和NSGA-II优化，我们开发了一个跨尺度诊断框架，用于识别城镇化下的碳氮功能失衡。

可以得出三个主要结论。首先，长三角经历了

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：31400607）和浙江省自然科学基金（编号：LY19C160007）的资助。

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