《Agriculture》：Triple-Coupling Impacts of Land-Use Change on Ecosystem Services in China’s Major Grain-Producing Areas Under SSP-RCP Scenarios
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土地利用变化已成为生态系统服务损失的主要驱动因素，尤其是在支撑国家粮食安全的中国粮食主产区。然而，耕地占补平衡政策重新分配这些生态成本的空间路径仍未得到充分理解。在既有耦合概念的基础上，本研究应用包含内耦合（Intra-coupling）、邻域耦合（Peri-
土地利用变化已成为生态系统服务损失的主要驱动因素，尤其是在支撑国家粮食安全的中国粮食主产区。然而，耕地占补平衡政策重新分配这些生态成本的空间路径仍未得到充分理解。在既有耦合概念的基础上，本研究应用包含内耦合（Intra-coupling）、邻域耦合（Peri-coupling）和远程耦合（Tele-coupling）的分析框架，考察碳储存（carbon storage）、土壤保持（soil retention）、栖息地质量（habitat quality）和产水量（water yield）的变化。历史土地利用数据来源于欧洲空间局气候变化倡议土地覆盖数据集（ESA CCI-LC），未来土地利用数据来源于1 km全球投影数据集；气候、地形、土壤和社会经济数据被整合至统一的100 m网格。研究采用生态系统服务综合评估与权衡模型（InVEST）和多尺度地理加权回归（MGWR）评估生态系统服务变化及其空间驱动因素。在2000—2020年期间，历史数据与模型估算表明，直接内耦合损失主导了估算损失，而间接路径也作出了不可忽视的贡献；远程耦合损失集中于川西、鄂西和湘西地区。在2020—2050年期间，基于共享社会经济路径-典型浓度路径（SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5）的情景预测表明，SSP5-8.5情景下的城市扩张和邻域耦合损失更大。在三种情景下，远程耦合损失均趋近于零，这一结果取决于所采用的情景设置和分配假设。上述研究结果为协调土地利用规划和跨区域生态补偿提供了依据。
论文解读
一、研究背景与问题
全球城市化持续推进，城市增长正在重塑全球土地覆盖格局。城市用地通常向周边耕地、森林和草地扩张，直接改变土地利用结构与景观格局。在中国快速城市化进程中，有限的土地资源需同时支撑城市发展、粮食生产和生态保护，城市增长与耕地保护之间的冲突日益加剧。建设用地占用耕地可能引发农业生产空间调整，替代耕地可能出现在城市增长区之外，使土地利用变化的生态效应超出直接转换地点而向外延伸。
生态系统服务是生态系统直接或间接提供给人类活动的惠益。土地利用变化通过改变植被覆盖、土壤性质、水文条件和栖息地结构，影响碳储存、产水量、土壤保持和栖息地质量。当森林、草地和耕地被转换为城市用地时，地表不透水性和自然植被的丧失改变了碳储存、栖息地适宜性和土壤保持功能。
中国耕地占补平衡政策要求以相应数量和质量的新增耕地补偿被占用的耕地，以维持耕地资源总量平衡。实践中，被城市发展和生态保护占用的耕地往往由质量较低的后备资源替代。补偿性开垦可能将草地、林地等自然土地转换为耕地，而生态退耕则可能使既有耕地转变为林地或草地。这一过程虽然抵消了耕地面积损失，但可能降低被转换土地的生态功能，在补偿区域产生生态系统服务损失。
城市增长对生态系统服务的影响具有明显的空间传递特征。当城市用地直接占用自然土地时，生态系统服务损失首先发生在城市增长区；当自然土地被本地开垦以替代被占耕地时，损失发生在本地补偿区；一旦补偿性开垦跨越行政边界，城市增长、耕地补偿和生态系统服务损失的地点可能分离，生态成本通过耕地补偿过程发生转移。远程耦合框架提出，人地交互可以发生在系统内部、相邻系统之间以及相距较远的系统之间。
现有研究主要关注城市增长直接占用土地造成的生态损失，部分研究纳入了耕地置换并识别了补偿性开垦的间接生态后果，但普遍未区分损失究竟源于直接城市占用、本地耕地补偿还是异地补偿。此外，观测到的耕地变化可能同时反映城市占用、生态退耕、补偿性开垦和其他农业调整，难以将生态系统服务损失归因于三条耦合路径。生态影响通常在城市或行政单元内核算，难以一致地量化本地与跨区域补偿，也难以跨耦合路径比较多种生态系统服务及其驱动因素。因此，中国粮食主产区中内耦合、邻域耦合和远程耦合损失的空间分布、相对贡献和驱动因素仍缺乏充分认识，尤其是在未来土地利用情景下。
二、研究内容与主要结论
为填补上述空白，本研究将既有三重耦合框架应用于中国粮食主产区，并结合具体核算方法区分直接城市占用、本地耕地补偿和异地补偿相关的生态系统服务损失。利用历史土地利用数据和InVEST模型估算，研究量化了2000—2020年三条耦合路径下碳储存、产水量、土壤保持和栖息地质量的变化；随后将相同核算方法应用于SSP-RCP土地利用预测，评估2020—2050年这些损失的潜在变化，并采用MGWR考察其空间变化的影响因素。
研究得出以下主要结论：2000—2020年间，内耦合损失占综合生态系统服务损失的87.35%，邻域耦合和远程耦合损失分别占8.38%和4.27%，间接损失合计达12.65%，表明仅以耕地面积平衡作为评估标准可能忽视补偿性开垦相关的碳储存和栖息地质量损失。在2020—2050年SSP-RCP情景预测下，内耦合损失仍占主导地位；SSP5-8.5情景下预测的邻域耦合损失扩展至155个城市，而远程耦合损失在三种情景下均趋近于零。这一情景对比为评估纳入耕地补偿政策的高分辨率预测如何改变本地与异地开垦间生态成本分配提供了参考。
三、主要技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：历史土地利用数据来源于欧洲空间局气候变化倡议土地覆盖数据集（ESA CCI-LC），未来土地利用数据来源于Zhang等人发布的全球1 km土地利用投影数据集；不透水面数据来源于Gong等人发布的全球人工不透水面数据集，未来城市增长预测来源于Chen等人发布的全球1 km城市增长产品。所有栅格数据统一投影至WGS 1984 Albers坐标系并配准至100 m分析网格。生态系统服务评估采用InVEST模型，分别计算碳储存、产水量、土壤保持和栖息地质量四项指标，并以等权重法构建综合生态系统服务指数（CES）。三重耦合损失核算框架基于Kong等人提出的框架，通过耕地净变化、城市净占用耕地面积和新增耕地等变量，区分内耦合、邻域耦合和远程耦合损失。驱动因素分析采用多尺度地理加权回归（MGWR）模型，以185个地级市为分析单元，选取城市增长面积、城市化率、人均GDP、人口密度、产业结构、耕地保有量、平均坡度、年均降水量和年均温度作为解释变量，并采用方差膨胀因子（VIF）评估多重共线性。
四、研究结果
土地利用变化特征。 2000—2020年间，粮食主产区城市用地增加约65,300 km2，增幅259.3%，新增城市用地高度集中于黄淮海平原，山东、江苏、河北、河南和安徽合计占60.5%。耕地提供了新增城市用地的55.8%，自然土地提供了10.9%。未来情景下，可持续发展和中间路径的城市用地增量约为75,500 km2且空间分布高度相似；高排放路径下城市用地增量约154,000 km2，增幅170.6%，且对自然土地的占用比例从约4.9%升至6.7%。
三重耦合生态系统服务损失。 2000—2020年间，内耦合损失占综合损失的87.35%，集中于黄淮海平原和长江中下游平原快速城市化地区。邻域耦合损失主要分布于中部腹地和长江中游丘陵带。远程耦合损失仅出现在39个城市，高值区集中于四川盆地西缘、鄂西和湘西。碳储存是受间接损失影响最强烈的生态系统服务，邻域耦合和远程耦合的碳储存损失分别达31.85 Mt和4.85 Mt，合计占碳储存总损失的18.58%。2020—2050年情景预测显示，SSP5-8.5情景下邻域耦合损失扩展至155个城市，高值区从中部腹地向北延伸至北方平原和东北平原；远程耦合损失在三种情景下均趋近于零。
损失驱动因素。 历史时期内耦合损失与耕地保有量、人口密度和经济发展呈显著正相关，而城市增长本身不显著，表明直接损失的空间格局更多与资源禀赋相关而非城市扩张强度。邻域耦合损失中坡度是最显著的正向变量，人口密度呈显著负向效应。远程耦合损失中城市增长呈显著负相关，耕地保有量和降水呈显著正相关，坡度和温度呈显著负相关。未来情景下，城市增长对内耦合损失呈显著正相关，坡度在三种情景下均与邻域耦合损失显著正相关。
五、讨论与结论
讨论部分指出，三重耦合路径揭示了耕地补偿的隐性生态成本。2000—2020年间间接损失合计占综合损失的12.65%，表明城市增长的生态效应并不止于城市增长边界，而是沿耕地占用—耕地补偿—自然土地开垦的链条继续传播。耕地数量平衡并不等同于生态系统服务平衡。粮食生产功能区面临双重生态约束：一方面，耕地保有量和降水的正向效应表明耕地基础雄厚、农业条件优越的地区更可能被纳入补偿性开垦；另一方面，城市增长的负向效应表明承担生态成本的地区未必是城市增长最剧烈的地区，而可能是为维持其他地区耕地平衡提供土地转换空间的农业腹地，造成城市增长压力来源与生态成本承载地之间的空间错配。资源禀赋和地形约束塑造了差异化的生态成本，三条耦合损失没有共同的空间关联模式，耕地保护政策应避免统一标准，根据各地区在耕地占用、补偿性开垦和生态系统服务供给中的角色实施差异化治理。
研究结论部分指出，将既有三重耦合框架应用于2000—2020年土地利用变化和2020—2050年SSP-RCP预测，本研究分别估算了中国粮食主产区中直接城市占用、本地补偿性开垦和推断的异地补偿造成的生态系统服务损失。2000—2020年间，模型核算将综合损失的87.35%、8.38%和4.27%分别归因于内耦合、邻域耦合和远程耦合路径；合计12.65%的间接份额表明，仅以耕地面积平衡作为评估标准可能忽视补偿性开垦相关的碳储存和栖息地质量损失。在本文采用的SSP-RCP情景和分配假设下，预测的邻域耦合损失扩展至更多城市，而远程耦合损失趋近于零，表明在这些情景中补偿相关的生态成本更多归因于本地开垦。这一情景对比为评估纳入耕地补偿政策的高分辨率预测如何改变本地与异地开垦间生态成本分配提供了参考。
