土地利用格局对生态系统碳汇年际变异的影响——以中国湖北省为例

《Land》：Impacts of Land-Use Patterns on the Interannual Variability of Ecosystem Carbon Sinks: A Case Study of Hubei Province, China

　　

土地利用变化被广泛认为是陆地碳汇的重要驱动因素。然而，土地利用格局的变化如何影响净生态系统生产力（NEP）的年际变异性仍不清楚。本研究利用MODIS NPP数据、中国土地覆盖数据集（CLCD）和气象观测资料，分析了2001至2025年间湖北省土地利用格局对NEP的影响。研究人员采用曼-肯德尔（M-K）趋势检验和集合经验模态分解（EEMD）分别检验了NEP的线性和非线性趋势。计算了蔓延度指数（CONTAG）、最大斑块指数（LPI）、斑块密度（PD）和斑块丰富度（PR）四个景观指标以表征土地利用格局变化，并采用皮尔逊相关分析探究其与NEP的年际关系。结果表明，NEP的线性增加趋势掩盖了普遍存在的非线性转变：虽然M-K趋势检验显示40.6%的区域呈显著增加趋势，但EEMD揭示仅有11.91%的区域呈现真正的单调递增，而44.8%的区域呈现出由增到减的趋势。这些转变主要集中在江汉平原、鄂东北和鄂西北东部，这些地区耕地向不透水面转化相对剧烈，景观指标也表现出相对明显的非线性变化。在这些区域，LPI和CONTAG与NEP呈显著负相关，这与城市扩张导致连续景观破碎化相一致。相比之下，PD则呈现出相反的相关系数方向。它在平原地区与NEP呈正相关，但在山区呈负相关，这表明在不同景观基质下，景观破碎化的关联作用存在差异。PR总体上与NEP的相关性最弱。本研究强调，非线性趋势分析对于准确评估碳汇动态至关重要，并且景观格局对NEP存在空间异质性影响，这为湖北省制定差异化的固碳土地利用管理策略提供了科学依据。

一、研究背景与科学问题

全球气候变化是21世纪人类面临的最严峻挑战之一，大气中二氧化碳等温室气体浓度激增是其主要原因。陆地生态系统作为地球最大的碳汇，每年吸收约2.5 GtC，在减缓全球变暖中发挥着不可替代的作用。净生态系统生产力（NEP）是评估陆地生态系统碳平衡的关键指标，定义为净初级生产力（NPP）与异养呼吸（R_h）之差。精确量化NEP的动态变化是评估区域碳汇潜力和制定减排政策的基础。

以往许多研究表明NEP呈现线性趋势，但实际上它往往表现出高度的时空异质性和非线性波动。传统的线性趋势分析方法，如曼-肯德尔（M-K）检验，可以识别整体增减趋势，但极易掩盖NEP时间序列中的“趋势反转”现象，即从增加到减少或从减少到增加的转变。忽视这种非线性特征可能导致严重低估碳汇下降的风险。近年来，集合经验模态分解（EEMD）因其在分析非线性趋势方面的优势而被广泛应用于揭示陆地生态系统碳汇的变化趋势和转折点。

土地利用和土地覆盖变化（LUCC）是人类活动引起全球碳循环变化的关键驱动力。据估计，1950年至2019年间，LUCC累计向大气排放了约230 ± 70 PgC，约占同期人类活动总碳排放量的25%。LUCC不仅改变土地覆盖类型的面积，更深刻地重塑了土地利用的空间分布格局。例如，建设用地扩张会直接切割现有连片森林或农田，增加景观破碎化，进而影响微气候和物质循环，并与碳汇功能减弱相关联。因此，引入景观格局指数来量化土地利用的空间分布，对于深入理解LUCC如何通过改变生态过程和微气候来影响NEP至关重要。

湖北省地处中国中部、长江中游，是连接东、中、西部的关键枢纽。自2000年以来，湖北省经历了大规模的造林工程和快速城市化，导致其土地利用空间格局发生剧变。在这种空间尺度上的快速城市扩张与生态保护修复并存的背景下，阐明碳汇与土地利用格局之间的关系显得尤为重要。

二、研究内容与主要结论

本研究基于2001至2025年的年度NEP数据和连续的中国土地覆盖数据集（CLCD），利用EEMD方法分析了湖北省NEP的非线性趋势。同时，通过景观格局分析考察了该区域CLCD的空间分布。随后，采用皮尔逊相关分析量化了土地利用变化模式对NEP的潜在影响。主要目标包括：（1）分析湖北省NEP年际变异的非线性趋势；（2）揭示湖北省的土地利用变化；（3）探究土地利用格局与NEP之间的年际相关性。

研究的主要结论如下：

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  NEP的时空分布与趋势：湖北省NEP呈现明显西高东低、山区高于平原的空间梯度。M-K线性趋势分析显示40.6%的区域呈显著增加趋势，但EEMD非线性趋势分析揭示了被线性分析掩盖的模式：由增到减的趋势占主导地位（44.8%），主要分布在江汉平原、鄂东北和鄂西北东部。真正单调递增的面积仅为11.91%，远小于M-K检验显示的显著增加比例。
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  土地利用变化与景观格局趋势：不透水面是湖北省净面积增加最多的地类，其占比从2001年的1.83%增至2025年的3.79%，扩张高度集中于江汉平原腹地和鄂东北南部，耕地是其扩张的主要来源。景观指标的非线性趋势同样显著：CONTAG和LPI以由增到减趋势为主，PD以减少到增加趋势为主，PR则以非显著变化为主导。景观格局重组最剧烈的区域在江汉平原和鄂东北。
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  NEP与景观格局的年际关系：CONTAG和LPI与NEP的关系以显著负相关为主，集中在江汉平原、鄂东北和鄂东南，这与建设用地扩张导致的连续景观破碎化和碳汇功能减弱相一致。PD与NEP的关系呈现对比模式：在平原地区呈显著正相关，而在西北和西南山区呈负相关，表明同一景观指标在不同景观基质和干扰类型下具有不同的生态含义。PR与NEP的相关性最弱。

三、主要关键技术方法

1. 1.
   NEP估算：基于MODIS MOD17A3HGF v061年际NPP产品，结合来自中国1公里月气候数据集的月均温和降水数据，采用Pei等人（2009）的经验模型估算土壤异养呼吸（R_h），最终计算NEP = NPP - R_h。
2. 2.
   趋势分析方法：使用Theil-Sen斜率估计和M-K趋势检验分析NEP的线性趋势；使用EEMD方法提取非线性长期趋势，并通过蒙特卡洛方法进行显著性检验，将趋势分为单调递增、单调递减、由增到减、由减到增和非显著变化五类。
3. 3.
   土地利用格局分析：基于30米分辨率的中国土地覆盖数据集（CLCD），使用FRAGSTATS软件通过5公里移动窗口计算四个景观指标：斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、蔓延度指数（CONTAG）和斑块丰富度（PR）。
4. 4.
   相关性分析：采用皮尔逊相关分析量化NEP与四个景观指标之间的年际关系。在进行相关分析前，使用EEMD方法对NEP和景观指标的时间序列进行去趋势处理，以隔离年际变异信号。

四、研究结果详解

3.1 湖北省近25年NEP的时空分布与趋势

通过分析平均NEP空间分布发现，湖北省NEP呈现西高东低、山区高于平原的空间梯度。高值区集中在鄂西南和鄂西北西部山区，低值区遍布江汉平原、鄂东北和鄂东南的大部分低海拔地区。M-K线性趋势分析表明，大部分区域NEP无显著变化（51.6%），显著增加区域占40.6%，显著减少区域仅占7.8%。然而，EEMD非线性趋势分析揭示了截然不同的图景：由增到减的趋势成为主导类型（44.8%），形成从鄂西北经江汉平原到鄂东北南部的连续分布。通过对比两种方法的转换关系发现，在M-K检验识别的显著增加区域中，有21.26%实际上表现为EEMD的由增到减趋势。

3.2 湖北省近25年土地利用变化与景观格局趋势

土地利用转移分析显示，不透水面是净增加最多的地类，其占比翻倍，扩张主要来源于耕地转化，并在2011-2016年间达到峰值（985 km²）。耕地持续净流出，除了转为不透水面外，还大量转为林地。林地总面积保持相对稳定，主要来自耕地的转入。景观指标的非线性趋势分析显示：CONTAG以由增到减趋势为主（26.8%），形成从鄂西北南部和鄂西南北部到江汉平原北部的连续带；LPI的由增到减趋势占比最高（31.6%），在江汉平原和鄂东北形成高度集中的连片区；PD以由减到增趋势为主（27.8%），在鄂西北和鄂西南山区最为集中；PR则以非显著变化为主导（51.2%）。

3.3 NEP与景观指标的年际关系

CONTAG和LPI与NEP的关系以显著负相关为主，分别占全省面积的19.8%和19.5%，广泛分布于鄂东北、鄂东南和江汉平原。PD与NEP在东南部和江汉平原呈显著正相关（16.5%），但在鄂西北和鄂西南则呈负相关主导，显示出不同地形区的对比模式。PR与NEP的相关性最弱，显著正负相关合计仅占15.3%。NEP与景观指标显著相关的区域高度集中在江汉平原、鄂东北、鄂东南以及鄂西北东部。

3.4 NEP和R_h估算的验证

在神农架站点，模拟NEP与CFCCD NEP（2008-2015）呈显著正相关（R² = 0.687, p = 0.011）。在全省尺度，模拟NEP与FLUXCOM-X-BASE NEP（2001-2021）也显著相关（R² = 0.599, p < 0.001）。模拟的R_h在神农架的平均值为19.22 gC m^-2 month^-1，落在野外实测范围内（15.55-20.84 gC m^-2 month^-1）。全省尺度的模拟R_h与全球土壤异养呼吸数据集显著相关（R² = 0.610, p < 0.001）。

五、讨论与结论总结

讨论部分：研究讨论了NEP演化趋势，指出M-K线性趋势掩盖了广泛的非线性转变。早期碳汇增强得益于国家生态工程（如退耕还林、天然林保护）的实施，但随着区域城镇化加速，生态建设的碳汇增强效应逐渐被城市扩张及其相关碳排放所抵消。这种生态建设碳汇增强与城市扩张碳汇消耗之间的动态拉锯，与NEP由增到减的转折点密切相关。在土地利用格局变化方面，不透水面的快速扩张与国家和省级城市化发展战略紧密耦合，而生态政策驱动的林地增量则主要集中在丘陵山区。景观指标的非线性趋势进一步揭示了土地利用空间格局的重组过程。关于NEP与景观格局的年际关系，研究发现两者关系存在显著空间异质性，景观配置对碳汇功能的生态效应高度依赖于景观基质和干扰背景。在平原地区，CONTAG和LPI的显著负相关与不透水面扩张导致的连续景观破碎化和碳汇功能减弱一致；PD的正相关则可能与异质性小斑块的嵌入有关。在山区，PD的负相关则反映了人为干扰对完整森林景观的直接破坏。研究也指出了不确定性，包括NPP数据、R_h模型系数、NEP估算、景观指标配准、验证数据以及EEMD趋势分类和相关性分析等方面的局限性。

结论部分翻译：利用2001至2025年的数据，研究人员调查了土地利用变化和景观格局演变对湖北省NEP的影响。研究结果揭示，NEP的线性增加趋势掩盖了普遍的以由增到减为特征的非线性趋势转变。这些转变主要集中在江汉平原、鄂东北和鄂西北东部，这与早期生态工程的碳汇增强效应后期被建设用地扩张驱动的碳源效应逐步抵消相吻合。同样，景观格局的演变也以非线性转变为特征。江汉平原和鄂东北的蔓延度指数和最大斑块指数的由增到减趋势，以及山区的斑块密度的由减到增趋势之间的空间分异，分别对应了不同区域建设用地扩张和生态建设的主导作用。景观格局与NEP的关系表现出显著的基质依赖性。在平原地区，最大斑块指数和蔓延度指数的负相关与建设用地扩张驱动的连续景观破碎化和碳汇减弱一致，而斑块密度的正相关则暗示了异质性小斑块嵌入的促进作用。在山区，斑块密度的负相关可能指示了山地生态系统对景观破碎化的敏感性。这些发现为制定针对湖北省的差异化碳汇管理策略提供了科学依据，建议优先保护平原地区的连续景观和维护山区的森林连通性，并将碳汇目标纳入国土空间规划。