《Land》：Spatiotemporal Patterns and Associations of Ecological Quality and Carbon Storage Across Three Major Agricultural Provinces in Central China
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生态质量、植被生产力和碳储量代表了不同的生态系统属性，并且可能对土地利用变化做出不同响应。本研究评估了湖北、河南和安徽这三个中国中部主要农业省份的时空格局及其空间关系。生态质量采用遥感生态指数（RSEI）进行评估，植被生产力利用Carnegie-Ames-St
生态质量、植被生产力和碳储量代表了不同的生态系统属性，并且可能对土地利用变化做出不同响应。本研究评估了湖北、河南和安徽这三个中国中部主要农业省份的时空格局及其空间关系。生态质量采用遥感生态指数（RSEI）进行评估，植被生产力利用Carnegie-Ames-Stanford Approach（CASA）模型估算为净初级生产力（NPP），碳储量则采用生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）模型进行估算。研究人员采用Spearman相关性、地理探测器（GeoDetector）以及描述性协调指数来比较其空间关系。生态质量从2000年到2010年下降，此后仅出现适度恢复，东部和北部平原的值持续低于西部和南部山区。从1990年到2020年，建设用地扩张了112.03%，而模型估算的碳储量减少了34.59×106 t。RSEI与NPP主要呈正相关，但相关性在不同省份、生态质量等级和土地利用类型之间存在显著差异。在综合因子中，RSEI对碳储量空间变化的解释力最强（q=0.420–0.467），而归一化植被指数（NDVI）是RSEI中最强的组分。GeoDetector识别出双变量增强和非线性增强，表明成对因子比单个因子解释了更多的空间变异。中度协调和初级协调合计占有效像元的99%以上，而严重失调从0.88%下降到0.44%。这些发现表明，三个指标在空间上相关联但不可互换。总体而言，研究结果支持保护森林覆盖的山地、限制平原和城市边缘区的建设用地扩张及耕地流失，并使用多指标识别需要进行局部评估的区域。
1. 研究背景与现存问题
陆地生态系统通过维持生态功能和将碳储存于植被与土壤中，支撑着气候调节、生物多样性和人类福祉。然而，气候变化、土地退化和日益加剧的人类活动正在改变这些功能。生态质量、碳储量、净初级生产力（NPP）和净碳吸收代表着不同的生态系统属性。生态质量描述地表综合状况；碳储量是一个存量；NPP衡量植被生物量生产的速率；净碳吸收则额外依赖于呼吸作用、干扰和核算边界。保护生态完整且富碳的区域可为气候减缓与生物多样性保护提供协同效益，但这种效益的空间对应关系随生态系统类型、尺度、指标选择和干扰强度而变化。因此，区域评估应比较这些维度，而不应将某一指标的改善视为其他指标同等改善的证据。
土地利用/覆盖变化（LUCC）为生态状况与碳相关的生态系统功能提供了直接联系。耕地及其他植被用地向建设用地的转化会改变植被覆盖、土壤性质、地表湿度、温度、景观格局和碳密度赋值，从而可能降低生态质量、NPP和碳储量。生态修复可能改善植被覆盖和碳储量，但土地利用决策也会影响粮食生产、水资源调节和生物多样性，在生态系统服务间产生情境依赖的协同与权衡。这些矛盾在以粮食生产、城市增长和生态保护竞争空间的农业主产区尤为重要。有效的评估不仅需确定各指标的变化位置，还需查明生态质量、植被生产力和碳储量在何处呈现相似或分异的空间格局。
湖北、河南和安徽是中国中部相邻的主要农业省份。它们共同构成了从西部和南部的山地丘陵到东部和北部密集耕作平原的地理梯度，并包含快速扩张的城市群。这种粮食生产、城市发展和生态保护的组合创造了跨省界的共同土地管理问题。现有研究记录了长江中游土地利用碳排放与生态质量的尺度依赖关系、区域内城市群碳储量的时空变化，以及皖江流域RSEI与CASA估算NPP的非同步变化。然而，由于空间范围、研究时段、分辨率和土地分类系统的差异，这些研究难以在三省间进行直接比较。因此，亟需在一个统一的跨省级框架内协调分析生态状况、碳储量和植被生产力，并考察它们之间的关系如何在各省份、生态质量等级和土地利用类型间保持或变化。
2. 研究方法概述
为实现上述目标，研究人员整合了多种空间数据源，包括Landsat遥感影像、MODIS NDVI产品、中国土地覆盖数据集（CLCD）、ASTER GDEM V3数字高程模型、气象数据和经济社会数据。主要关键技术方法如下：首先，构建遥感生态指数（RSEI），该指数通过主成分分析（PCA）整合绿度（NDVI）、湿度（缨帽变换湿度分量WET）、干度（归一化差值建筑与土壤指数NDBSI）和热度（地表温度LST）四个维度，并将第一主成分（PC1）归一化至[0,1]区间。其次，采用生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）模型估算碳储量，该方法依据土地利用类型分配地上生物量、地下生物量、土壤有机质和死亡有机质的碳密度参数（源自全国陆地生态系统碳密度数据），并乘以各类面积求和。第三，运用Carnegie-Ames-Stanford Approach（CASA）模型估算NPP，该模型基于光能利用率框架，以月尺度NDVI和气象数据计算植被吸收的光合有效辐射（APAR）与实际光能利用率的乘积。最后，应用Spearman秩相关分析RSEI与NPP的时序关联性，使用地理探测器（GeoDetector）量化各因子对碳储量空间变异的解释力（q统计量），并通过描述性协调指数评估RSEI与碳储量的相对空间对齐程度。
3. 研究结果
3.1 生态质量的时空变化
从2000年至2020年，研究区生态质量呈现先显著下降后缓慢改善的两阶段轨迹。极差和较差类别的合计面积从2000年的32330.33 km2（占有效面积的6.51%）增至2010年的99842.62 km2（20.13%），随后在2020年降至95557.92 km2（19.30%）。空间上，生态质量呈现西高东低、南高北低的持久格局，优质区集中在秦巴山、鄂西山地和大别山等山区，低值区集中于豫东和皖北平原及大城市建成区周边。各省份变化幅度差异显著，河南省低值区扩张最为剧烈，湖北省降幅较小且恢复较快，安徽省优质类别面积锐减。
3.2 土地利用变化与模型估算碳储量
1990至2020年间，建设用地扩张112.03%（增加23266.49 km2），耕地减少21115.68 km2，林地净增2136.21 km2。耕地与建设用地、耕地与林地之间的双向转换构成主导转化路径。InVEST模型估算显示，研究区碳储量从1990年的4657.36×10? t持续下降至2020年的4622.77×10? t，累计减少34.59×10? t。其中，1990-2000年间的减少占总损失的58.4%。耕地贡献了碳储量减少的76.9%，而林地碳储量净增25.07×10? t，成为唯一净增的主要地类。空间上，碳储量呈现与生态质量一致的高值区（西部和南部山地）和低值区（东部和北部平原及大城市周边）格局，净变化以无变化像元为主，变化集中于次市级尺度的零散斑块。
3.3 RSEI与NPP的探索性关联及其异质性
基于五个匹配年份（2000、2005、2010、2015、2020）的逐像元Spearman相关分析表明，RSEI与NPP在研究区整体以正相关为主导，但在豫西、鄂西北和皖中等区域出现负相关集中分布。正相关比例在不同省份、生态质量等级和土地利用类型间差异显著。安徽省各等级正相关比例为65.12%-98.55%，河南省为62.63%-78.79%，湖北省为44.07%-70.50%。在优良等级中，湖北省是唯一负相关占优的省份-等级组合。土地利用类型上，耕地和建设用地以正相关为主，而草地在中高生态质量等级中以负相关为主。这表明RSEI与NPP的关联强度随区域环境和地类而变化，不具有单调递增规律。
3.4 碳储量空间变异的影响因素与交互作用
GeoDetector因子探测结果显示，RSEI对模型估算碳储量空间变异的解释力最强（q=0.420-0.467），其次为坡度（0.369-0.406）和DEM（0.369-0.400），GDP最弱（0.036-0.041）。在RSEI组分中，NDVI的解释力最高（0.371-0.431），且NDBSI的解释力随时间上升。交互作用探测表明，所有成对因子的联合解释力均高于单一因子，表现为双变量增强或非线性增强。例如，RSEI与DEM的交互q值达0.513（2000年），年均降水与年均气温的交互呈非线性增强（q=0.413-0.425）。这说明生态质量、地形和气候的组合比单一因子更能解释碳储量的空间差异。
3.5 RSEI与碳储量的描述性协调格局
2000、2010和2020年，协调等级组成保持稳定，中度协调和初级协调合计占有效像元的99%以上，高度协调缺失。中度协调主导平原区，初级协调集中于西部和南部山地，严重失调比例从0.88%降至0.44%。空间格局基本稳定，仅存在局部边界位移。需注意，协调指数反映的是两个归一化指标的相对对齐程度，而非生态过程的实际耦合。
4. 讨论与结论总结
讨论部分指出，生态质量在2010年后部分恢复而碳储量持续下降的差异源于指标构建的不同：RSEI响应地表绿度、湿度等变化，而InVEST碳储量取决于土地利用面积和固定碳密度参数。两者在空间上的西高东低格局与森林集中分布区和集约耕作平原区的地类配置一致。RSEI与NPP的正相关主导但异质性显著，这既反映了共享的植被信息，也表明生态质量改善并不必然伴随植被生产力同步提升。GeoDetector结果揭示了生态质量、地形和气候对碳储量的联合空间关联，但需注意q值代表统计分层而非因果效应。协调指数的稳定性应视为描述性框架的属性而非生态耦合证据。
研究结论强调，生态质量、植被生产力和碳储量虽空间相关但不可互换。基于此，研究提出三项区域土地管理优先事项：第一，保护西部和南部山区的林地及生态连通性；第二，约束东部和北部平原及城市边缘区的无序建设用地扩张，同时保护连片耕地；第三，通过重复的多指标监测识别需要详细局部评估的区域。该框架可支持类似区域的筛查，但具体实施需结合当地土壤、作物生产、管理强度和生物多样性等实地证据。
