中国福建省生态系统服务中权衡/协同关系及服务组合的时空演变：一个综合的PLUS-InVEST-SOM框架

《Journal of Cleaner Production》：Spatiotemporal evolution of trade-off/synergy relationships and bundles in ecosystem services in Fujian, China: An integrated PLUS-InVEST-SOM framework

本研究通过PLUS-InVEST-SOM框架模拟福建2030-2060年自然、经济与生态保护情景下的五类生态系统服务（WY、SEC、CS、HQ、PE），发现模型验证精度高（Kappa=0.86），经济情景导致7.5%森林损失，生态保护情景保留99.17%森林；服务间存在7种协同和3种权衡关系，ESB类型受驱动因素动态影响，为生态治理提供科学依据。

　　

林志辉|何竹|叶晨杰|李亚楠|刘浩岚|丁珊珊|乔晓阳|熊佳宇|黄家康|胡希胜|李健

福建农林大学林业学院，福州，350002，中国

摘要

发展中国家的沿海地区在生态系统服务（ESs）提供与城市扩张之间面临着日益加剧的权衡，而基于情景的ESs预测仍然有限。本研究整合了斑块生成土地利用模拟（PLUS）、生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）和机器学习方法，量化了2030-2060年间中国福建省在自然发展（ND）、经济发展（ED）和生态保护（EP）情景下的五种ESs：水资源产出（WY）、土壤保持（SEC）、碳储存（CS）、栖息地质量（HQ）和磷排放（PE）。主要发现如下：（1）模型验证显示了较高的预测准确性（Kappa = 0.86；优值 = 0.40）。ND和ED情景导致大约7.5%的森林损失，而EP情景保留了99.17%的现有森林覆盖面积。（2）时间分析显示ESs动态存在差异：CS和HQ分别减少了2.4%和4.4%，而WY、SEC和PE随着城市扩张而增加。相反，EP情景下WY（0.03%）、SEC（0.01%）和CS（0.71%）略有增加，而PE和HQ保持稳定。空间相关性分析确定了WY、SEC、HQ和CS之间的七种协同关系，以及涉及PE的三种权衡关系。（3）生态系统服务包（ESBs）被分为四种不同的类型。ND和ED情景显著重组了ESBs，而EP情景保持了结构稳定性和高服务多样性。（4）ND和ED情景下的ESBs表现出气候、地形和社会经济驱动因素的交替主导，而EP情景通过地形-气候协同作用促进了ESBs的稳定配置。总体而言，本研究为实现区域生态-经济平衡提供了坚实的科学支持。

引言

生态系统服务（ESs）是指人类从自然生态系统中获得的直接和间接利益，是维持人类福祉和可持续发展的基础（Costanza等人，1997年）。然而，政府间生物多样性和生态系统服务科学政策平台（IPBES）的全球评估表明，人类活动已经严重破坏了大约75%的陆地表面，导致ESs大幅下降（Pascual等人，2022年）。在这种背景下，情景模拟——评估发展政策对ESs影响的关键工具（Rosa等人，2017年）——已成为指导未来生态系统管理的关键方法。现有文献广泛研究了ESs；然而，大多数研究强调孤立维度，如价值评估、时空演变和驱动机制（Han等人，2022年；Xia等人，2023年；Zhou等人，2025年）。尽管如此，ESs之间的复杂权衡和协同作用需要从生态系统服务包（ESBs）层面进行综合分析（Lyu等人，2024年）。值得注意的是，现有研究在全面分析ESBs的时空动态、内部相互作用和驱动因素方面存在不足，特别是在多种情景下对其演变模式的系统描述方面。

土地利用变化是生态系统格局和服务提供的关键驱动因素，其动态过程直接改变生态系统结构和功能（Liu等人，2025年）。因此，量化其影响机制并预测未来趋势对于制定可持续战略至关重要，使土地利用情景模拟成为支持区域生态决策的关键工具（Liu等人，2020年）。广泛采用的模型包括元胞自动机-马尔可夫（CA-Markov）模型（Taloor等人，2024年）、小区域范围的土地利用转换及其影响（CLUE-S）模型（Song等人，2024年）、未来土地利用模拟模型（Zhang等人，2023年）、潜在增长曲线模型（Eva等人，2024年）、斑块生成土地利用模拟（PLUS）（Liang等人，2021年）以及基于一致性挖掘的交互网络发现模型（Liang等人，2025年，Liang等人，2025年）。然而，传统模型（如CA-Markov和CLUE-S）存在明显局限性。例如，CA-Markov依赖于历史数据外推，难以捕捉复杂的非线性土地利用动态，而小尺度区域模型往往过度依赖逻辑回归，对空间驱动因素的整合有限（Hu等人，2013年）。相比之下，PLUS模型通过结合随机森林算法来量化空间驱动因素的决策权重，实现了细尺度的斑块级模拟，并捕捉了非线性土地利用演变（Liang等人，2021年）。虽然PLUS模型在生态系统服务评估中得到广泛应用，但大多数现有研究将其孤立使用，很少与ESBs分析相结合。因此，这些框架未能阐明土地利用变化与ESBs响应之间的反馈机制，从而限制了它们支持领土空间优化和可持续城市规划的能力。

ESs的定量方法包括生物物理模型、经济评估、社会文化方法和综合框架（Walther等人，2025年）。本研究采用生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）模型来量化五种关键服务：水资源产出（WY）、土壤保护（SEC）、碳储存（CS）、水净化（通过磷排放PE表示）和栖息地质量（HQ）。InVEST模型在评估调节、支持和提供服务方面表现出稳健性，支持多情景模拟，并已被广泛应用（Cui等人，2025年；Peng等人，2024年）。ESs表现出复杂的权衡和协同作用：权衡是指某些服务的减少导致其他服务的增强，而协同作用表示多种服务的同时变化（增加或减少）（Wang等人，2024年）。值得注意的是，由于服务类型的异质性、空间分布的不均匀性和选择性的人类干预，ESs并非相互独立，而是表现出复杂的相互作用，这些相互作用可以分为直接的服务间关系和由驱动因素介导的间接关系（Li等人，2024年）。ESBs代表了权衡和协同作用的重复时空组合，是理解ESs动态的有效管理单元（Zhou等人，2025年）。不同的土地利用转换可以引发生态系统服务之间的复杂权衡。因此，本研究重点关注ESBs，系统地研究了它们在不同土地利用情景下的时空演变和驱动机制，并为区域生态管理决策提供了有针对性的理论支持。

福建省位于中国东南部，是全球人类-环境相互作用和冲突的典型缩影。一方面，其森林覆盖率达到了65.12%，连续45年位居中国首位，提供了坚实的生态基础。另一方面，该省经历了快速的经济增长，自1952年以来年均GDP增长率达到9.4%，2023年GDP总额为5.4万亿元，城市化率为71.04%。这种快速发展和生态保护之间的紧张关系导致了人口分布、经济活动和生态完整性的显著空间差异（Chen等人，2023年，Chen等人，2023年）。值得注意的是，作为中国首个生态文明试验区，福建省在其西北部山区生态屏障和东南部沿海城市群之间表现出明显的空间异质性，使其成为分析保护-发展权衡的理想自然实验室。因此，研究区域生态系统服务动态为推进国家生态文明示范区提供了宝贵的见解。

基于上述研究，本研究整合了PLUS-InVEST-SOM建模框架，选择福建省作为研究区域，并对多种情景下的ESBs进行了全面分析。具体目标包括：（1）模拟多种未来情景下的土地利用类型空间分布；（2）研究ESs的时空演变及其协同和权衡关系；（3）识别和描述不同情景下ESBs的时空配置；（4）阐明不同情景下ESBs形成的驱动机制。这些发现不仅为福建省生态文明试验区建设的相关决策提供了科学依据，也为快速城市化过程中的区域生态管理和领土空间规划提供了可转移的方法论参考。

研究区域

研究区域

福建省（北纬23°33′-28°20′，东经115°50′-120°40′；图1）位于中国东南沿海，面积约为124,000平方公里。该地区具有亚热带季风气候，年平均气温在17至21°C之间，年平均降水量在1400至2000毫米之间。福建省的森林覆盖率为65.12%，在中国居首位（Su等人，2020a）。福建省的经济增长得益于其早期融入全球经济

不同情景下的土地利用变化

使用2020年的土地利用数据进行模型验证，得出的Kappa系数为0.86，优值为0.40，表明空间模拟精度较高。补充的定性分析显示，该模型在识别复杂土地类别（如小型水体、草地和破碎的农田）方面表现稳健，在生态边缘和空间破碎地区分类一致性有所提高（图2）。

多情景土地利用演变分析（图3）显示

不同土地利用情景对生态系统服务的影响

全球快速城市化加速了土地利用转变，大量自然景观被转化为不透水表面，从而削弱了ESs的整体能力（Sun等人，2022年；Wang等人，2019年）。全球范围内，1990年至2020年间森林面积减少了约5%，严重限制了调节和支持服务的提供（Pan等人，2024年）。与这一全球趋势一致，我们的研究发现不透水表面的扩张

结论

本研究通过整合PLUS-InVEST-SOM框架，系统阐明了“土地利用-ESs-ESBs”纽带在多种发展路径下的级联响应机制，并得出以下关键见解：

(1)

PLUS模型表现出较高的预测准确性（Kappa >0.85），有效解决了传统模型中固有的空间适应性约束和政策响应延迟问题。EP情景为平衡发展和保护提供了重要参考

CRediT作者贡献声明

林志辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法论，调查，数据管理，概念化。何竹：撰写 – 原始草稿，调查，概念化。叶晨杰：撰写 – 原始草稿，调查。李亚楠：撰写 – 原始草稿，调查。刘浩岚：撰写 – 原始草稿，调查。丁珊珊：撰写 – 原始草稿，调查。乔晓阳：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（31971639）的支持。我们衷心感谢所有志愿者为这项研究投入的宝贵时间和努力。所有参与者的贡献对于推进我们的研究至关重要。