中国湖北省土地利用变化多情景模拟及其对生态系统服务的影响

《Land》：Multi-Scenario Simulation of Land-Use Change and Its Impacts on Ecosystem Services in Hubei Province, China

　　

土地利用变化是生态系统服务变化的主要驱动因素，不同的发展情景意味着显著不同的生态响应，并对区域经济发展和生态保护产生影响。然而，现有研究大多集中于历史和现状条件，对未来多种土地利用情景下生态系统服务变化的定量评估仍然有限。在本研究中，研究人员使用斑块生成土地利用模拟（patch-generating land-use simulation，PLUS）模型，模拟了湖北省在一切照常（business-as-usual，BAU）、经济发展（economic development，ED）和生态保护（ecological conservation，EC）情景下2030年和2040年的土地利用格局；随后，基于InVEST的模块在30 m分辨率下评估了2000—2020年及未来情景的5种生态系统服务——生境质量（habitat quality，HQ）、土壤保持（soil conservation，SC）、粮食生产力（grain productivity，GP）、产水量（water yield，WY）和水质净化（water purification，WP，以氮输出量作为代理指标）；采用Spearman相关分析识别各服务之间的权衡与空间关联，并应用地理探测器模型（geographical detector model，GDM）在5 km和10 km网格尺度上量化驱动因子的解释力。结果表明，2000—2020年，湖北省耕地、林地、草地和未利用地分别减少273,146.76 hm²、61,111.08 hm²、8712.99 hm²和5392.26 hm²，而建设用地和水域面积扩大。同期，GP、SC和WY增加，氮输出量增长（表明水质净化能力减弱），HQ从0.545持续下降至0.527；综合生态系统服务指数（comprehensive ecosystem-service index，CESI）呈U型轨迹（2000年为0.268，2010年为0.243，2020年为0.267）。在未来情景下，BAU和ED情景中GP显著增加，而HQ和SC恶化，氮输出量上升；EC情景下HQ和SC显著改善，GP先降后升，WY和氮输出量均下降。在驱动因子中，海拔、坡度和NDVI主导了生态系统服务的空间异质性，且其解释力在5 km和10 km尺度上存在差异。这些发现为湖北省优化土地资源配置以及协调经济发展、粮食安全和生态保护提供了参考。

土地利用变化是生态系统服务（ecosystem services，ES）变化的主要驱动因素，不同发展情景会引发截然不同的生态响应，进而影响区域经济发展与生态保护。然而，现有研究多聚焦于历史和现状条件，对未来多情景下生态系统服务变化的定量评估仍较匮乏。湖北省地处长江经济带，既是国家重要的粮食生产基地，也是生态保护关键区，面临耕地收缩、城市扩张与生态保护之间的突出矛盾。因此，研究人员选择湖北省作为研究区，旨在回答土地利用格局如何演变、生态系统服务如何响应、驱动因素及尺度效应等科学问题。该研究发表于《Land》期刊。

研究人员整合了斑块生成土地利用模拟（patch-generating land-use simulation，PLUS）模型、基于InVEST的模块和地理探测器模型（geographical detector model，GDM），系统分析了湖北省2000—2020年及2030/2040年三种情景（一切照常BAU、经济发展ED、生态保护EC）下的土地利用变化、五项生态系统服务（生境质量HQ、土壤保持SC、粮食生产力GP、产水量WY、水质净化WP）、服务间权衡/协同关系及多尺度驱动因素。结果表明，历史时期建设用地扩张而生态用地减少；未来情景中，BAU和ED将导致生态服务恶化，而EC能改善HQ和SC并减少氮输出。研究为优化土地资源配置、协调经济发展与生态保护提供了科学依据。

该研究采用的主要技术方法如下：利用PLUS模型基于随机森林算法和10个驱动因子模拟未来土地利用情景；采用InVEST的不同模块评估HQ、SC、GP、WY和WP（以氮输出为反向代理）；通过Spearman秩相关分析服务间的空间关联；采用GDM在5 km和10 km网格尺度上量化驱动因子的解释力。数据来源包括中科院资源环境科学数据中心（30 m土地利用及GDP、人口密度等空间化数据）、OpenStreetMap（道路水系）、联合国粮农组织和谐世界土壤数据库（HWSD v1.2）等，所有栅格数据统一为30 m分辨率。

3.1 湖北省土地利用变化
3.1.1 2000—2020年土地利用变化
基于30 m土地利用数据分析，2000—2020年湖北省耕地、林地、草地和未利用地分别减少273,146.76 hm²、61,111.08 hm²、8712.99 hm²和5392.26 hm²，建设用地和水域分别增加259,239.24 hm²和87,330.96 hm²。转移特征表明，建设用地扩张主要占用耕地，而生态保护政策促进了林地和水域增加。

3.1.2 不同情景下的未来土地利用格局
基于PLUS模型模拟，BAU和ED情景下耕地和建设用地增加，林地和水域减少，其中ED情景扩张最快；EC情景下林地、草地和水域扩大，耕地、建设用地和未利用地减少。

3.2 生态系统服务的时空变化
3.2.1 2000—2020年生态系统服务变化
基于InVEST模块计算，GP、SC和WY增加，氮输出量增加（表明WP减弱），HQ持续下降（由0.545降至0.527），综合生态系统服务指数（CESI）呈U型轨迹（0.268→0.243→0.267）。

3.2.2 不同情景下生态系统服务变化
BAU和ED情景下GP显著增加，HQ和SC下降，氮输出上升；EC情景下HQ和SC显著改善，GP先降后升，WY和氮输出下降。

3.3 生态系统服务的权衡与协同
基于Spearman相关分析，在2000—2040年各年份中，SC–HQ、WP–GP、WY–GP、WY–WP呈正相关，GP–HQ、WP–HQ、WY–HQ、SC–GP、SC–WP、SC–WY呈负相关，表明存在稳定的空间关联和权衡关系，且这些关系不随情景和时间显著改变。

3.4 生态系统服务变化的驱动因素分析
基于地理探测器模型，海拔、坡度和NDVI是主导生态系统服务空间异质性的因子，且其解释力在5 km和10 km尺度上存在差异。交互检测表明，多数驱动因子间呈双线性增强或非线性增强作用，10 km尺度的交互解释力普遍高于5 km。

讨论部分指出，2000—2020年生态系统服务呈现差异化趋势，与已有研究一致。生态保护情景能延续生态效益，但需警惕未来森林减少和退耕还林政策收窄带来的生态服务价值下降风险。研究还强调水域侵占是生态服务价值下降的重要原因，建议严格保护湖泊资源。不同区域适宜不同发展情景，可采取差异化策略平衡生态保护、粮食安全与经济发展。局限性包括情景数量有限、未纳入碳固存等服务、参数不确定性、相关性不代表因果等。

研究结论翻译如下：本研究结合PLUS模型、基于InVEST的模块和地理探测器模型，评估了2000—2020年湖北省土地利用变化对生态系统服务的影响，并预测了2030年和2040年在BAU、ED和EC情景下的变化。主要结论如下：（1）土地利用：2000—2020年，建设用地和水域扩大，而耕地、林地、草地和未利用地减少；模拟中，BAU和ED情景均显示耕地和建设用地增加、林地和水域减少，其中ED情景扩张最快，而EC情景增加林地、草地和水域面积。（2）历史生态系统服务（2000—2020年）：GP、SC和WY增加，水质净化减弱（氮输出增加），HQ持续下降，CESI呈U型轨迹（0.268→0.243→0.267）。（3）模拟的未来生态系统服务（2030/2040年）：BAU和ED情景下GP显著增加，但HQ和SC恶化，氮输出上升；EC情景下HQ和SC显著改善，氮输出下降，GP先降后升，WY适度下降。（4）空间格局：GP、WY和氮输出在中部较高，周围较低，而HQ和SC呈相反格局。（5）关联关系：SC–HQ、WP–GP、WY–GP和WY–WP呈正相关，GP–HQ、WP–HQ、WY–HQ、SC–GP、SC–WP和SC–WY呈负相关，且这些相关性在各情景下稳定；这些相关性反映服务间的空间关联而非因果相互作用。（6）驱动因素：海拔、坡度和NDVI是解释生态系统服务空间异质性的主要因子，其解释力在5 km和10 km尺度上存在差异，表明选择生态系统管理策略时需考虑分析尺度。在情景模拟和统计关联的已知不确定性范围内，这些发现为制定协调湖北省及长江经济带类似区域高质量发展、粮食安全和生态保护的政策提供了科学依据。