中国黄土高原生态系统服务供需动态对城市扩张模式的响应

《Journal of Environmental Management》：Response of ecosystem service supply–demand dynamics to urban expansion patterns on the loess plateau, China

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  黄土高原以边缘扩展为主导；2010年后飞地扩展比例上升。
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  不同扩张模式表现出明显的生态系统服务供给-需求响应差异。
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  飞地扩展的供需平衡变化比边缘扩展和填充扩展更趋于正值。
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  扩张模式对不同类型生态系统服务和不同生态子区的响应存在差异。
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  应根据生态系统服务状况实施差异化的城市增长管理。

引言

生态系统服务为自然生态系统与人类福祉之间提供了关键纽带，支撑着区域可持续发展与社会经济发展（Mandle等，2021；Peng等，2023；Srivathsa等，2023）。然而，快速城市化已深刻改变了土地利用/土地覆盖格局，重塑了生态过程与人类活动之间的相互作用（Kong等，2025；Tian等，2025）。城市扩张通常涉及耕地、林地及其他生态用地向建成区的转化，可能降低区域生态系统服务供给能力（Li等，2022；Zeng等，2023）。同时，伴随城市增长的人口与经济活动集聚增加了对粮食生产、水源供给和碳固持等生态系统服务的需求，导致生态系统服务供给与需求之间的空间错配（Fusaro等，2023；Paiva等，2020；Song等，2022）。理解城市扩张如何重塑生态系统服务供需关系，对可持续土地利用规划与区域发展具有重要意义（Vargas等，2023）。

在快速城市化背景下，生态系统服务研究已从单纯评估生态系统服务供给逐步扩展到供需关系研究（Li等，2026；Luo等，2023），为理解社会-生态系统耦合动态提供了更为全面的视角。已有研究表明，城市扩张能够重塑生态系统服务盈余与缺口的空间分布，盈余通常集中于受干扰较小的农村或山区，而缺口则频繁出现在人口稠密的城市区域（Liu等，2023；Lyu和Wu，2023；Zhang等，2021）。然而，现有研究主要关注城市扩张或土地利用转化过程的整体影响，往往忽视了城市增长的时空异质性。城市扩张并非通过单一途径发生（Lemoine-Rodríguez等，2020）。因此，不同的空间配置可能与不同的生态系统服务供需响应相关联。不同城市扩张模式如何影响生态系统服务供需动态仍缺乏充分理解。

城市扩张呈现多样化的空间配置，通常被划分为三种模式：填充扩展、边缘扩展和飞地扩展（Liu等，2010）。这些模式代表了不同的城市土地开发路径，可能通过重塑生态用地转化和人类活动分布来影响生态系统服务供需关系（Yi等，2025）。填充扩展通常与紧凑开发和高效土地利用相关，减少了向外扩张占地，但在过度集聚下可能增加内部生态压力（Guo等，2024；Wang等，2025b）。边缘扩展从现有城区向外延伸，可利用既有基础设施网络，但持续扩张可能占用周边农业和生态用地（Gao等，2025；Tian等，2023）。飞地扩展可能增加空间分散化和景观破碎化风险（Liu等，2026b）。近期实证研究报告了不同城市扩张模式下的不同生态系统服务响应。在长三角地区，Yi等（2025）发现边缘扩展导致的三项关键生态系统服务损失大于填充扩展和飞地扩展；而Yang等（2026）报道，邻近型扩展特别是填充扩展和边缘扩展加剧了云南边境县的生态系统服务供需失衡。这些研究表明，扩张模式的生态含义可能因所研究的生态系统服务维度和区域背景而异。然而，来自生态脆弱且地形复杂地区的证据仍然有限。

中国黄土高原为研究城市扩张模式与生态系统服务供需动态之间的关系提供了合适的研究场域。该地区以水资源匮乏、土壤侵蚀严重以及复杂的塬-梁-峁-沟地貌景观为特征（Feng等，2016；Guo等，2023；Zhou等，2016）。尽管长期的生态恢复工程特别是退耕还林工程已显著改善了植被状况和生态系统功能，但人类发展与生态保护之间的矛盾仍然突出（Gou等，2025；Yu等，2020）。已有研究表明，黄土高原的城市扩张形态因本地地貌和河谷环境而异（Chen等，2023）。同时，黄土高原内部的生态系统服务供需关系也存在显著差异（Han等，2025；Li等，2026）。多种扩张模式并存与显著的生态异质性使黄土高原成为研究不同扩张模式和区域背景下生态系统服务供需响应差异的理想区域。

为解决上述问题，本研究整合了2000至2020年的多源空间数据集，定量评估了四项区域相关生态系统服务的供给与需求：粮食生产、水源涵养、碳固持和土壤保持。本研究采用生态系统服务供需比来评估不同城市扩张模式下的生态系统服务供需平衡变化。具体而言，本研究回答两个问题：（1）黄土高原2000至2020年间城市扩张模式如何时空演变？（2）不同扩张模式与黄土高原生态系统服务供需平衡变化有何关联？通过将斑块尺度的扩张模式与生态系统服务供需变化相联系，并考虑子区差异，本研究有助于理解特定模式下的城市扩张与生态系统服务关系，并为生态脆弱区域的可持续土地利用规划提供区域证据。

章节摘要

研究区与数据来源

黄土高原位于中国中北部及黄河中上游（33°43′–41°16′ N，100°54′–114°33′ E），面积约648,700平方公里（图1）。横跨山西、陕西、宁夏、甘肃、内蒙古、青海和河南七个省级行政区。地处半干旱向半湿润气候过渡带，具有典型的温带大陆性季风气候。年均温

黄土高原建设用地扩张的时空动态

2000至2020年间，黄土高原建设用地大幅扩张，2010年后呈明显加速态势。其总面积由2000年的1.26×10?平方公里增至2010年的1.58×10?平方公里，并进一步增至2020年的2.75×10?平方公里，分别占研究区的1.94%、2.44%和4.24%。2010–2020年净增面积为1.17×10?平方公里，是2000–2010年净增面积（0.32×10?平方公里）的3.66倍，表明研究期内建设用地扩张呈明显加速

城市扩张模式的时空分异与地理背景

2000–2020年间，边缘扩展一直是黄土高原主导的城市扩张模式，占扩张总面积的49.10%。该结果与Hu等（2026）的全国尺度研究一致，后者也报告边缘扩展为中国城市的主导扩张类型。两个尺度上边缘扩展的持续主导地位表明，城市增长主要通过既有建设用地周边的向外拓展来实现。然而，其时间演变有所不同，

结论

本研究考察了2000至2020年间黄土高原不同城市扩张模式与生态系统服务供需平衡变化的关联。研究期内建设用地大幅扩张，2010–2020年净增面积为2000–2010年的3.66倍。边缘扩展仍为主导模式，而飞地扩展占比显著上升。2010–2020年间，LPGR、LHGR和PWSR由边缘扩展主导转为飞地扩展主导，而ERMR、RVPR和AIR仍主要由

作者贡献声明

周晓文：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论，概念构思，软件。王婧琪：撰写——初稿，软件，数据管理。吴建设：资源获取，经费筹措，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金资助[项目编号：42130505]。

周晓文|王婧琪|吴建设

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