山海过渡带土地利用碳排放对生态系统服务价值的胁迫效应及多情景模拟：以中国广西西南喀斯特 - 北部湾为例

《Journal of Cleaner Production》：Coercive effects of land use carbon emissions on ecosystem service values and multi-scenario simulations in the mountain-river-sea transition zone: A case of the Southwest Guangxi Karst-Beibu Gulf, China

　　

摘要：揭示土地利用碳排放（LUCE）对生态系统服务价值（ESV）的胁迫效应，是协调山海过渡带低碳发展与生态安全的关键科学问题。本研究以广西西南喀斯特 - 北部湾区域为案例，通过多情景模拟和空间分析方法，系统调查了 2000 年至 2030 年 LUCE 对 ESV 胁迫效应的时空演变及响应机制。结果表明：第一，2000 年至 2020 年，LUCE 与 ESV 呈现显著负相关，相关系数从 -0.350 增强至 -0.363，表明胁迫关系整体增强。空间上，以高 LUCE-低 ESV 和低 LUCE-高 ESV 为特征的两种典型胁迫模式呈现出显著的反向嵌套分布。具体而言，低 LUCE-高 ESV 模式稳定集中在喀斯特林地与水体的交错区，形成生态缓冲带。相反，高 LUCE-低 ESV 模式沿主要交通轴线从沿海港口和核心城市周边的点状集聚区向内陆河谷扩张，形成胁迫廊道。该区域呈现出明显的梯度分异模式，即沿海胁迫强度高、河谷胁迫强度中等、山区胁迫强度低。多情景模拟进一步表明，在生态保护和低碳发展的引导下，高 LUCE-低 ESV 区的扩张速度放缓，局部河谷的胁迫得到缓解。然而，在经济发展和高碳扩张的影响下，胁迫廊道进一步融合并向内陆丘陵和喀斯特边缘区扩张，加剧了空间极化。本研究为山海过渡带的差异化国土空间调控和协同低碳优化提供了科学依据。

引言：在全球气候变化和碳中和目标的双重约束下，协调人类发展与自然生态系统之间的关系已成为区域可持续发展的核心挑战（Abbasi 等，2025；Cooper 等，2023；Kateb 等，2025）。作为人地相互作用最直接的表现，土地利用变化在驱动社会经济发展的同时，深刻影响着陆地碳循环和生态系统服务（Hou 等，2025；Regolin 等，2025；Hussain 等，2024）。研究表明，快速城市化期间建设用地的无序扩张使土地利用成为继化石燃料消耗之后的第二大碳排放源（Hong 等，2021）。土地利用碳排放（LUCE）的激增本质上是对地表结构的严重干扰，直接导致生物固碳能力减弱和生态调节功能下降（Pfenning-Butterworth 等，2024；Ganzenmüller 等，2025）。这种生态功能的巨大损害通过价值评估核算货币化后，最终被量化为生态系统服务价值（ESV）的显著减少（Costanza 等，1997, 1998）。生态系统价值的下降反映了自然资本的耗竭，进而制约高碳土地利用模式（Li 等，2025；Zhang 等，2024）。因此，准确识别和量化 LUCE 对 ESV 的胁迫效应，是理解人地系统耦合机制并实现国土空间低碳优化的科学前提。

对于山海过渡带而言，这种胁迫效应尤为显著和典型。广西西南喀斯特 - 北部湾（SGK-BG）区域作为一个典型的山海过渡带，由三个主要地理单元有机组成（Zhang 等，2023, 2025b）。“山”指喀斯特山区，是区域生态背景的核心载体。“河”指左江、右江等内陆水系，负责水文连通、水土输送和廊道传输，是生态与经济要素之间的关键纽带（Zhang 等，2022）。“海”指北部湾沿海地区，是海陆协调发展和人类活动高度集中的区域（Zhang 等，2021）。这些不同的功能单元在生态功能、开发强度和承载力方面表现出梯度差异，形成了从生态空间向发展空间渐进过渡的空间格局（Pan 等，2024）。与单一地形区域相比，山海过渡带表现出山地供给、河流传输、海洋响应的链式特征，生态过程和人类活动沿流域垂直传输，并在海陆间水平重叠，导致更大的空间异质性和系统复杂性（Gao 等，2024）。深入探索该地区 LUCE 对 ESV 胁迫效应的演变模式，将有助于揭示复杂地理单元中人地冲突的机制。

国内外学者从不同角度对土地利用变化、碳排放和生态系统服务之间的关系进行了广泛研究（Du 等，2025；Huang 等，2024；Li 等，2025；Yang 等，2025）。一方面，相关研究强调了土地利用结构变化和碳排放的时空模式及驱动机制（Guo 等，2025；Morales-Ruiz 等，2025；Sasmito 等，2025；Wang 等，2025a）。人们普遍认为，建设用地的扩张和城市化过程是驱动区域碳排放增长的主导因素（Ge 等，2025），而林地和草地等生态用地在碳汇调节中起着关键作用（Huang 等，2023；Yang 等，2025；Zhu 等，2025）。另一方面，ESV 评估被广泛用于表征土地利用变化的生态效应，揭示不同土地利用类型转换对生态系统供给、调节和支持功能的影响（Bai 等，2019；Ma 等，2024）。同时，面向未来的土地利用多情景优化模拟已成为该领域的重要研究方向，通常耦合 PLUS、CLUE-S 和 FLUS 等模型与多目标规划、系统动力学等方法，从生态保护、经济发展和低碳调节等多个方向设定情景，模拟土地利用格局演变及其对碳排放和生态系统服务的潜在影响（Han 等，2022；Liu 等，2017；Verburg 等，2002）。

近年来，一些研究进一步引入了互动胁迫或协同与权衡的视角，探索城市化与生态系统服务之间的动态关系，揭示了快速城市扩张对生态系统服务的阶段性挤压效应（Fang 和 Wang，2013；Xiao 等，2020；Yang 等，2023）。然而，现有研究仍存在显著差距。首先，大多数关于胁迫效应的研究集中在城市化 - 生态环境或土地利用 - 生态系统服务关系上；直接以 LUCE 为压力源系统表征其对 ESV 胁迫效应的研究相对较少。其次，研究区域主要集中在城市群、流域或单一生态区（Niu 等，2024；Sakala 和 Santos，2025；Zhao 等，2025），对具有多种地貌和叠加过程的山海过渡带关注不足，难以揭示复杂地理梯度下胁迫关系的空间异质性。第三，虽然相关研究侧重于相关性分析或静态比较，并在一定程度上表征了胁迫效应的时空演变，但缺乏结合多情景模拟的动态分析。值得注意的是，在情景设定方面，现有研究大多基于生态保护或经济增长等单一目标，或基于双向权衡，很少将生态、经济和碳排放约束的多目标权衡纳入统一框架进行多维协同优化模拟。这限制了研究成果在区域调控和规划决策中的应用价值。

综上所述，本研究以 SGK-BG 区域为典型山海过渡带。首先，量化了 2000 年至 2020 年网格尺度上 LUCE 和 ESV 的时空格局及变化趋势。其次，采用相关性分析和双变量空间自相关方法表征 LUCE 对 ESV 胁迫效应的空间分异特征和演变过程，识别高胁迫区和其他集聚类型。第三，在此基础上，引入多情景模拟方法，模拟 2030 年不同发展方向下土地利用变化对 LUCE 和 ESV 的潜在影响，揭示未来情景下胁迫效应的响应差异和演变趋势。最后，提出差异化分区优化策略，为区域低碳空间治理提供科学依据，并为全球类似地理单元的可持续发展提供可迁移的治理洞察。

章节片段

研究区

广西西南喀斯特 - 北部湾区域（SGK-BG）（104°28′–110°18′E, 20°26′–25°07′N）位于广西西南部，陆地总面积约 108,400 平方公里，涵盖 7 个地级市和 50 个县/区（图 1）。该区域是山海过渡带的典型代表。基于对区域地貌、石漠化分布、河流连通性和沿海位置的综合考虑，“山”单元覆盖百色市和

2000 年至 2030 年土地利用时空演变分析

从 2000 年至 2030 年，研究区的整体土地利用格局以林地（FR）为主，其次是耕地（FL），建设用地（CL）呈局部集中分布（图 3a）。空间上，SGK 山区的土地利用变化相对温和，以林地（FR）为主，局部出现耕地（FL）撂荒和草地（GL）退化。相比之下，建设用地（CL）在 BG 沿海地带快速扩张，不断占用耕地（FL）并侵蚀林地（FR）边缘，逐渐形成镶嵌状

LUCE 对 ESV 胁迫模式的形成机制

本研究揭示，SGK-BG 区域呈现出高 LUCE-低 ESV 和低 LUCE-高 ESV 反向嵌套的显著胁迫模式。这种模式并非归因于单一驱动因素，而是自然背景空间分异、土地利用变化路径依赖和生态系统服务功能结构抑制等多种机制协同作用的系统性结果。首先，自然背景的

结论：以 SGK-BG 典型山海过渡带为研究对象，本研究综合使用 MOP-NSGA-II 模型、PLUS 模型和双变量空间自相关模型，系统揭示了 2000 年至 2030 年 LUCE、ESV 及 LUCE 对 ESV 胁迫效应的时空演变模式及其在多种情景下的响应特征。主要结论如下：（1）LUCE 和 ESV 呈现显著的系统性梯度

作者贡献声明

Lili Zhang：概念化，数据整理，方法论，软件，监督，验证，可视化，写作 – 初稿，写作 – 审查与编辑。Weiyan Hu：概念化，数据整理，形式分析，资金支持获取，项目管理，资源，监督，写作 – 审查与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金项目（71673105）；教育部人文社会科学研究基金项目（22YJA630029）；以及华中农业大学科技创新自主基金（X2662024GGPY001）的支持。

张莉莉 | 胡伟言