埃塞俄比亚哈瓦萨周边地区的不同土地转换类型及其对碳储量的影响：一种应用于该地区的多方法诊断框架

《Land Use Policy》：Divergent peri-urban land transitions and their carbon stock implications: A multi-method diagnostic framework applied to Hawassa, Ethiopia

　　

Safisa Abishu Neme|Dejene Tesema Bulti|Gebrechristos Nuriye Dolebo

埃塞俄比亚阿达马科技大学建筑系，阿达马

摘要

撒哈拉以南非洲地区的快速城市化正在改变城郊土地状况，但集约化耕种的农田和自然植被的脆弱性却鲜有研究。本研究构建了一个综合诊断框架，用于分析埃塞俄比亚哈瓦萨（1984–2054年）这一东非大裂谷地区典型次级城市的不同土地转型路径。该框架结合了针对不同类型土地的驱动因素分析、空间异质性映射、景观破碎度指标、强度分析以及碳储量变化模型。四十多年来，城市面积扩大了七倍多，主要挤占了城郊的小农耕地（损失4957公顷，降幅65.7%），而自然植被面积则有所增加（增加3073公顷，增幅37.6%）。农业用地的转换是由经济中心地位和人口压力推动的，而植被变化则受距离相关的调控因素和生物物理因素影响。这些影响在空间上存在差异，比如湖泊周边保护措施可能导致开发活动向周边农田转移。农业用地转换会形成碎片化的景观，而植被变化则表现为更大且连贯的区块。城市扩张通常以农业用地为目标，而避开植被，但一旦农业用地耗尽，植被就会变得脆弱。碳储量模型显示，历史上的植被增长可在一定程度上抵消农业转换带来的碳排放；然而，在现有发展模式下，净排放量将为2100万美元，而生态保护措施可带来1070万美元的碳封存收益，城市发展则会造成1.246亿美元的气候损害。这些研究结果表明，可持续的城郊土地管理需区分具有生产功能的农田与具有保护作用的植被，通过农业分区、生态系统连通走廊以及鼓励密集开发等措施，平衡粮食安全、碳封存和城市发展之间的矛盾。

引言

撒哈拉以南非洲地区的快速城市化正在改变城郊土地状况，但集约化耕种的农田和自然植被的脆弱性仍不明确。越来越多的土地系统科学研究表明，全球南方地区的城市扩张并非简单导致“绿地”线性减少，而是会形成不同的土地转型路径——一些土地资源被转化，而另一些则因不同机制的作用而持续存在或进一步扩展，这些过程会带来不同的社会后果（Meyfroidt等人，2022；Verburg等人，2019）。然而，传统的分析方法往往将所有非城市土地归为同一类别，掩盖了这种重要的差异性。这种归类会导致政策制定上的盲点：如果无法区分被城市扩张占用的农田与因保护措施而得以保留或改善的植被，规划者就无法设计出针对性的干预措施。预计到2050年，城市人口将增加两倍（Cherotich等人，2025；Dekolo等人，2025；Kassay等人，2023；Sumbo等人，2023），城市将进一步向肥沃的农业区扩张，从而加剧粮食生产、生态系统服务与城市发展之间的矛盾（Güneralp等人，2017；Muchelo等人，2024；Seto等人，2012a）。在埃塞俄比亚大裂谷地区，这种情况尤为明显，哈瓦萨等城市正在迅速改变历史上支撑其发展的农业生态界面（Admasu，2015；Girma等人，2024；Molla等人，2024；Tuhar和Ulsido，2023）。这些转变并非仅仅是非建筑用地的量化减少，而是具有不同驱动因素、空间模式和社会影响的独特转型路径（Yasin等人，2025）。

尽管已有大量关于土地利用/土地覆盖的研究，但仍存在一个关键问题：传统方法将非城市土地归为同一类别，忽视了农业用地转换与植被变化之间的本质差异（Abdo和Satyaprakash，2021；Verburg等人，2019）。这会对政策制定产生重要影响。在埃塞俄比亚，一些研究仅报告了农业用地减少或植被增加的情况，却未探讨这些趋势是源于共同作用还是相互竞争的过程（Gashu和Gebre-Egziabher，2018；Tikuye等人，2025）。这种归类方式掩盖了这样一种可能性：城市扩张可能会占用粮食生产用地，同时在保护区让自然和半自然植被得以保留，进而影响粮食安全、气候缓解以及城市规划（Dekolo等人，2025；Sumbo等人，2023）。

近年来，诊断建模技术的进步为解决这一问题提供了新途径。Patch-generating Land Use Simulation（PLUS）框架通过其Land Expansion Analysis Strategy（LEAS）功能，能够针对不同类型的土地分析其转型驱动因素，而非对城市扩张进行统一建模（Liang等人，2021）。这符合人们对于能够捕捉非线性、选择性城市化过程的模型的需求（Verburg等人，2019；Wang等人，2023）。然而，这类方法在非洲的次级城市中仍然较为罕见（Tuhar和Ulsido，2023），因此仍有许多关键问题有待解答：农业用地和植被的转型是否有不同的驱动因素？这些因素在空间上如何分布？它们又会带来怎样的生态、经济和形态学影响？

本研究通过在埃塞俄比亚哈瓦萨应用综合诊断框架，试图填补这些空白。我们在传统土地利用/土地覆盖分析的基础上增加了四个组成部分。首先，我们运用PLUS-LEAS（Liang等人，2021）方法，识别1984–2024年间城市扩张和植被增长的驱动因素层级，包括夜间灯光（反映经济集聚效应）和建筑高度（反映垂直密集化趋势）。其次，我们使用多尺度地理加权回归方法，分析最近十年（2014–2024年）的空间异质性，确定哪些驱动因素对农业用地的脆弱性影响最大（Fotheringham等人，2017；Oshan等人，2019；Xu等人，2025）。第三，我们利用FRAGSTATS工具评估景观的破碎程度，比较不同时期和不同情景下的农业用地与植被变化情况（McGargial等人，2023）。第四，我们通过强度分析，判断城市扩张是选择性地针对农业用地还是植被（Aldwaik和Pontius，2012）。最后，我们运用InVEST碳模型评估生态系统服务的影响，测算历史条件及未来条件下的碳储存、封存量以及相关社会成本（Natural Capital Project，2025；Sharifi等人，2025；Tikuye等人，2025）。关于土地利用/土地覆盖分类的完整流程，包括传感器规格、训练数据规范以及精度指标等内容，详见补充材料。

该框架提出了三个假设：（1）农业用地和植被的转型由不同的机制驱动，分别是经济中心地位与基于距离的调控因素；（2）这些影响在空间上并非恒定不变，经济力量集中在城市核心区域，而保护性因素则分布在湖泊周边；（3）两者在景观形态和碳储量方面的结果存在差异，农业用地转换会导致碎片化、高排放的格局，而植被变化则表现为更连贯的分布，并具有碳封存效益。此外，我们还分析了三种2054年的情景：现状维持、生态保护以及城市发展，以此评估发展、粮食安全与气候缓解之间的权衡关系。

通过将驱动因素层级、空间异质性、景观形态、转型强度以及生态系统服务价值评估整合到一个统一的诊断框架中，本研究为在数据匮乏的环境中诊断城郊土地利用变化提供了一种可推广的方法论体系。虽然这项实证研究以东非大裂谷地区的典型次级城市哈瓦萨为研究对象，但该框架也可用于撒哈拉以南非洲及其他全球南方地区的次级城市，这些地区同样面临快速城市化带来的类似农业生态挑战，且在保留农业用地、保护植被与实现碳封存之间存在着激烈的政策矛盾（Güneralp等人，2020；Verburg等人，2019）。因此，本研究弥补了土地利用政策领域的一个空白，即需要基于机制的综合性诊断方法，超越简单的“绿地丧失”叙事，揭示城郊土地系统变化背后的具体驱动因素、空间模式以及相应的社会代价。

章节节选

研究区域：面临压力的农业生态界面

本研究以埃塞俄比亚的哈瓦萨为研究对象，该地位于北纬6°32′至7°10′、东经38°15′至38°30′之间，是西达马民族区域的首府，也是埃塞俄比亚大裂谷地区发展迅速的次级城市（见图1）。该城市的空间演变反映了城市扩张、城郊小农农业以及湖泊周边自然和半自然植被之间的竞争关系。哈瓦萨坐落于哈瓦萨湖的东岸，地形从平缓的湖岸斜坡开始

历史上的土地转型路径：农业用地与植被用地的不同命运

40年的土地利用/土地覆盖分析显示，城郊小农农业与自然和半自然植被的发展轨迹存在显著差异，这体现了它们在城市化进程中的不同脆弱性（见表4；有关埃塞俄比亚哈瓦萨1984–2024年的十年间土地利用/土地覆盖变化图，请参见补充图表S1）。城市建成区面积呈指数级增长，从1984年的448.4公顷增加到2024年的3772.5公顷，增长了741.0%，同时占用了3324.1公顷的农业用地。这一增长直接

讨论

这项诊断建模研究表明，哈瓦萨的城市扩张通过两条不同的路径展开：一条是以经济为驱动的主导路径，选择性地占用城郊小农农业用地；另一条则是与自然和半自然植被变化相关的、受距离因素影响的次要路径。这种差异打破了“绿地丧失”的单一观念，为有针对性的土地保护措施提供了理论依据，而非采取一刀切的保护策略

结论

本研究表明，要理解非洲快速城市化城市中的土地系统变化，就需要识别不同的转型路径，而非仅关注总体变化或对均匀增长进行建模。通过对埃塞俄比亚哈瓦萨1984–2054年的情况应用综合诊断框架，我们发现了两种并行的发展态势：一种是受经济驱动的、几乎完全的城郊小农农业用地转换（损失4957公顷，降幅65.7%），另一种则是受政策影响的、持续存在甚至扩张的

CRediT作者贡献说明

Safisa Abishu Neme：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据整理，概念构建。Gebrechristos Nuriye Dolebo：撰写——审阅与编辑，监督指导。Dejene Tesema Bulti：撰写——审阅与编辑，验证，监督指导，方法论，研究，正式分析，概念构建。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。