**基于长期土地利用变化的矿产资源型城市生态系统服务与生态安全格局研究——以中国郴州市为例**

《Land》：Land-Use Change, Ecosystem Services, and Ecological Security Pattern in a Mineral Resource-Based City: A Case Study of Chenzhou, China

　　

矿产资源型城市长期面临资源开发、城市扩张与生态保护之间的冲突，因而有必要厘清长期土地利用变化如何影响生态系统服务与生态安全格局。本研究以中国郴州市为案例，分析了1990至2024年的土地利用变化，并运用InVEST模型（生态系统服务与权衡综合评估模型）对水产量（water yield）、碳储量（carbon storage）、生境质量（habitat quality）和土壤保持（soil conservation）四项生态系统服务进行了量化评估。基于综合生态系统服务指数识别生态源地，同时整合生态阻力面、最低成本路径分析和电路理论识别生态廊道、生态夹点和生态障碍点，在此基础上划定生态修复空间格局。结果表明，郴州市土地利用变化主要表现为耕地与林地之间的阶段性转换以及不透水面的持续扩张。综合生态系统服务指数总体呈先下降后逐渐趋于稳定并回升的趋势，高值区集中于郴州东部、南部和西南部的山地森林区域。森林恢复促进了生态系统服务的改善，而生态用地向不透水面的转换则造成了显著的生态功能损失。区域生态网络总体保持相对稳定，而不同等级的生态源地、廊道、夹点和障碍点呈现出明显的空间分异和相对重要性差异。基于这些特征，研究人员构建了由罗霄山脉和南岭山地生态屏障、主要生态廊道、东江湖核心生态源地、三大生态修复分区以及优先生态修复节点组成的生态修复空间格局。结果表明，将长期土地利用变化、生态系统服务与生态网络分析相结合，有助于识别关键生态安全空间和生态修复优先区域，为郴州市差异化生态保护与修复提供空间依据，并为具有相似发展背景的矿产资源型城市提供参考。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

城市化与工业扩张在提升区域发展效率的同时，持续重塑着土地利用格局与景观结构，导致生态系统服务供给能力下降、生态用地破碎化以及生态过程受阻，进而对区域生态安全与可持续发展构成制约。近年来，中国日益重视生态系统多样性、稳定性和可持续性的提升，国家政策明确要求因地制宜、科学合理地构建生态廊道以促进物种迁徙与基因流动，解决景观破碎化、保护地孤岛化和生态连通性下降等突出问题。通过生态廊道连接生态源地和关键生态节点，生态网络能够促进生态流动、维持生物多样性和增强景观连通性，已成为实现生态保护与生态安全目标的重要手段。

当前生态安全格局研究已形成较为系统的方法论框架，主要涉及生态源地识别、生态阻力面构建、生态廊道与关键节点识别以及格局优化等环节。然而，已有研究仍存在若干不足。第一，许多研究仅针对单一年份或有限时间点构建生态安全格局，难以解释长期土地利用转型如何重塑生态系统服务并进而改变生态网络结构。第二，对生态源地、廊道和关键节点内部生态重要性程度的差异区分不足，缺乏分级分类使保护与修复优先序难以支撑空间差异化管理。第三，尽管部分资源型城市已将采矿扰动纳入生态安全评估，但其对生态阻力、景观连通性和修复优先区识别的综合影响仍探讨不足，尤其是地形与资源开发交互作用强烈的山地矿业城市。第四，多数研究仍聚焦于生态网络识别与结构优化，将生态安全格局结果转化为空间明确的修复分区和优先干预区的工作仍然有限。郴州市生态资源本底较好，但长期矿产资源开发和城市建设造成局部生态扰动，生态保护与修复需求迫切。

**二、研究内容与意义**

本研究以郴州市为研究区，利用1990、2000、2010、2020和2024年五期土地利用数据，分析土地利用变化及其对生态系统服务的影响。运用InVEST模型量化水产量、碳储量、生境质量和土壤保持四项服务，构建综合生态系统服务指数（ESI）。在此基础上识别生态源地，并利用概率连接度指数变化量（dPC，衡量某一生态斑块移除后整体景观连接度下降程度的指标）对2024年生态源地进行分级。整合生态本底、地形因素和人为干扰构建综合生态阻力面，运用最低成本路径分析和电路理论识别生态廊道、生态夹点（生态流高电流密度的关键区段）和生态障碍点（阻碍生态流的关键区段），并对2024年关键生态要素进行等级划分。最终构建生态修复空间格局并提出差异化修复策略。该研究有望支撑郴州市生态安全格局优化和差异化生态修复管理，并为矿产资源型城市的生态安全格局识别与修复实践提供参考。

**三、关键技术方法**

本研究主要采用以下关键技术方法：（1）利用增长率、增长速度和动态度指标以及土地利用转移矩阵，分析1990—2024年郴州土地利用结构与转换特征；（2）运用InVEST模型量化水产量、碳储量、生境质量和土壤保持，采用熵权法构建综合生态系统服务指数，通过斯皮尔曼（Spearman）秩相关分析识别生态系统服务间的权衡与协同关系；（3）以综合生态系统服务指数为基础，通过阈值分割和面积约束提取生态源地，利用dPC指数对2024年源地进行分级；（4）从生态本底、地形条件和人为干扰三个维度构建生态阻力评价体系，采用层次分析法（AHP）确定因子权重，加权叠加生成综合生态阻力面；（5）基于电路理论框架，利用Linkage Mapper工具的最低成本路径模型识别生态廊道，采用成本加权距离与最低成本路径长度之比评估廊道质量并分级；（6）利用Pinchpoint Mapper模块识别生态夹点，Barrier Mapper模块识别生态障碍点，均依据自然断点法分为三级。研究使用的数据主要来源于国内外公开数据平台和当地自然资源管理部门，五期土地利用数据来源于一致的数据源以确保时间一致性，所有栅格数据重采样至30 m统一空间分辨率。

**四、研究结果**

**4.1 土地利用变化特征**

1990—2024年，郴州市不同土地利用类型的变化方向和幅度差异显著。耕地面积在1990—2010年间持续增加，2000—2010年增速最高（58.78 km²/a）；2010年后耕地开始减少，2020—2024年减速进一步加快至46.12 km²/a，表明研究后期耕地收缩加剧。林地变化趋势与耕地大致相反，1990—2010年持续减少，2000—2010年减速达68.31 km²/a；2010年后林地面积回升，恢复趋势逐步增强。灌木林和草地总体呈减少趋势，草地在2020—2024年动态度降至?8.56%/a。水体面积呈先增后减态势。不透水面全时段持续扩张，2000—2010年增速最高（43.30%），扩张速度从1990—2000年的4.79 km²/a增至2020—2024年的12.28 km²/a。土地利用转换主要集中在耕地与林地之间的双向转换，1990—2010年以林转耕为主，2010年后耕转林逐步增强；不透水面持续侵占耕地和林地，反映了城市建设对农业和生态空间的挤占。

**4.2 生态系统服务时空变化**

水产量空间格局总体稳定，高值区集中于东部和南部山地，均值从1990年的585.16 mm增至2020年的604.69 mm，2024年略降至604.09 mm，较1990年总体增加3.23%。碳储量呈"山地高、河谷城镇低"的格局，高值区连续分布于东部、南部和西南部山地林区，均值从1990年的15.42 t/ha降至2010年的14.76 t/ha，2024年回升至14.91 t/ha，较1990年总体下降3.29%。生境质量空间分布与碳储量相似，均值从1990年的0.2857降至2024年的0.2669，累计下降6.59%，2020—2024年降速趋缓。土壤保持高值核心区分布于西部、南部和东南部陡坡高植被覆盖山地，均值从1990年的21.31 t/ha升至2010年的26.27 t/ha，2024年为24.37 t/ha，仍较1990年高14.33%。斯皮尔曼相关分析表明，生境质量与碳储量始终呈强协同关系（均值0.949），土壤保持与生境质量（均值?0.800）及碳储量（均值?0.816）呈较稳定的权衡关系，水产量与其他服务相关性总体较弱。综合生态系统服务指数均值从1990年的0.3689降至2020年的0.3590，2024年略回升至0.3600，高值区集中于东部和南部山地林区。土地利用转换对综合生态系统服务指数的影响呈明显方向性差异：向林地转换普遍导致综合生态系统服务指数上升，而生态用地向不透水面转换造成最显著的生态服务损失。

**4.3 生态安全格局构建**

生态源地数量总体稳定，面积呈先增后减趋势，从1990年的4764.93 km²增至2010年的5392.71 km²（最高值），之后降至2024年的4453.76 km²。东部和南部山地始终是维持生态功能的核心区域，其中资兴市、桂东县和汝城县拥有大型连续斑块。2024年生态源地依dPC值分为三级：一级源地4个（面积2899.79 km²，占总源地面积的65.11%），其中5号源地面积最大（1992.40 km²，dPC值81.50），为维持郴州整体生态网络连通性的核心源地；二级源地24个（1422.03 km²，31.93%）；三级源地5个（131.95 km²，2.96%）。

生态廊道数量总体稳定，总长度呈阶段性波动，从1990年的883.07 km降至2010年的727.85 km，2024年恢复至879.12 km。廊道网络以东部山地生态源地为主导，向中部、北部和南部延伸。2024年依据阻力比将廊道分为三级：一级廊道15条（277.99 km，31.62%），构成连接南北重要源地的骨干；二级廊道32条（507.74 km，57.75%）为主体网络；三级廊道23条（93.40 km，10.62%）为连通性提升优先区。

生态夹点总面积从1990年的1702.57 km²降至2010年的1215.99 km²，2024年回升至1490.29 km²。一级夹点面积和占比均呈收缩趋势（1990年154.04 km²、9.05%，2024年93.96 km²、6.30%）。2024年共识别夹点26个（一级6个、二级10个、三级10个），一级夹点主要位于安仁—永兴、桂阳—苏仙及临武—宜章的关键廊道节点。生态障碍区总面积从1990年的2102.87 km²降至2010年的1515.14 km²，2024年回升至1954.23 km²。2024年共提取障碍点26个（一级5个、二级7个、三级14个），一级障碍点主要分布于安仁南部、北湖—临武交界、苏仙南部和汝城西部的关键廊道节点，对区域生态流阻断作用最强。

**4.4 生态修复空间格局**

基于生态安全格局识别结果，综合考虑自然地理、城镇开发强度、矿业活动和水环境问题，构建了以罗霄山脉和南岭山地生态屏障为基础、以主要生态廊道为连接、以东江湖核心生态源地为支撑、以三大修复分区（山地生态涵养区、城镇生态修复区、城乡生态协调区）为组织框架、以七个优先修复节点为重点的生态修复空间格局。七个优先修复节点（R1—R7）整合了一级生态夹点和障碍点：R1位于安仁县大金山工业园污水处理厂附近，需优先开展工业废水治理和生态缓冲带建设；R2位于北部生态连接与西部城乡生态空间过渡带，应加强植被补植和河岸修复；R3和R4位于中心城区周边廊道，需通过绿地贯通和道路生态化改造降低破碎化；R5位于北湖区鲁塘独立矿区，应以矿山修复和植被重建为重点；R6位于宜章县，受重金属水污染影响，需进行污染源管控和水生态系统恢复；R7位于汝城县延寿河流域，应加强流域污染治理和河岸缓冲带修复。

**五、总结与结论**

讨论部分指出，郴州生态安全格局长期演变与土地利用结构调整及相应生态系统服务变化密切相关：1990—2010年耕地扩张和林地减少伴随碳储量、生境质量和综合生态系统服务指数下降，2010年后耕转林增强、林地恢复、综合生态系统服务指数趋于稳定并略回升，该恢复信号与退耕还林工程及郴州国家可持续发展议程创新示范区建设在时间上大致契合；但不透水面持续扩张表明森林恢复产生的生态效益尚未完全抵消城市发展的累积生态压力，因此五期动态分析比单期识别更能清晰区分生态网络中相对稳定、正在恢复和持续受扰的区域。研究创新体现在三方面：将土地利用变化、生态系统服务演变与生态安全格局动态纳入统一分析框架；将矿点距离和地质灾害扰动纳入综合阻力面以更好刻画采矿影响区生态阻力特征；对不同生态网络要素分别分级并整合为生态修复格局，推动从安全格局识别向修复分区管理的转化。不足在于廊道和节点识别主要依赖理论模型、修复边界与工程措施偏宏观、模型参数缺乏长期实测数据系统校验。

研究结论显示：1990—2024年郴州市土地利用变化主要表现为耕地与林地阶段性转换及不透水面持续扩张；生态系统服务总体呈前期下降、后期逐步稳定和部分恢复的态势，表明土地利用结构调整对区域生态功能演变具有重要塑造作用；郴州生态安全格局总体保持相对稳定，但各级生态源地、廊道、夹点和障碍点呈现明显的空间分异；基于不同生态网络要素的分级识别，构建了由罗霄山脉和南岭山地生态屏障、主要生态廊道、东江湖核心生态源地、生态修复分区和优先修复节点组成的生态修复空间格局，为区域生态保护、连通性提升和修复优先区识别提供了空间基础；将长期土地利用变化、生态系统服务与生态网络分析相结合，有助于从动态视角识别资源型城市的生态安全格局与修复优先序，也可为具有相似矿业开发背景和山地生态特征的地区提供参考。