确定在中国各大城市集群中因城市扩张而受到侵占的生态保护优先区域

《Urban Forestry & Urban Greening》：Identifying conservation priority areas encroached on by urban expansion across China’s urban agglomerations

　　王静|刘静|周伟棋|尤山江阿尹努尔|李佳玉|赵文辉
中国科学院生态环境科学研究中心区域与城市生态国家重点实验室，北京100085，中国

摘要
快速的城市化和城市集聚区（UAs）高强度的人类活动改变了生态系统的结构和功能，从而显著影响了区域生态系统服务（ESs）。许多研究对城市化对ESs的影响进行了定量分析，表明城市扩张导致了ESs的退化。然而，城市扩张在多大程度上侵占了城市周边提供多种高水平ESs的生态用地，以及这种变化如何影响ES的供需平衡，目前仍不明确。解决这些问题对于实现ESs的区域供需平衡和城市可持续发展至关重要。本文研究了城市扩张对区域关键ESs的影响，并测试了这些变化对ES供需平衡的影响。我们发现：
1) 在中国的三个UA中，超过30%的区域同时提供了两种或更多类型的ESs；
2) 从2000年到2020年，在这三个UA中，大约10%~20%提供关键ESs的区域降级为非关键水平；
3) 城市扩张导致的生态用地占用使新城区关键ESs大量流失，新城区失去关键ESs的区域占所有三个UA的20%以上；
4) 在所有三个UA中，超过30%的具有“关键ESs供需”特征的优先保护区经历了关键ESs供应的减少，表明ES供需不平衡状况严重恶化。我们的研究结果表明，城市扩张侵占了大量提供关键ESs的关键区域，尤其是那些对维持当地ES供需平衡至关重要的区域。我们的发现通过将ES的多功能性与城市化相关的ES供需关系变化相结合，为确定优先保护区提供了新的见解。

引言
生态系统服务（ESs）是人类通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接获得的好处（Costanza等人，1997年，MEA，2005年）。作为生态系统功能与人类福祉之间的关键纽带，ESs对于理解自然对人类的贡献至关重要（Wu，2013年）。这些服务通常被分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务，在确保生态安全和维持人类生活方面发挥着重要作用（Cochran等人，2020年；Costanza等人，2014年；de Groot等人，2002年）。全球范围内，许多努力致力于将ESs及其价值纳入政策、经济和文化管理（Bratman等人，2019年）。然而，城市化显著改变了生态系统，导致其结构和功能的变化，从而减少了ES的供给（Hasan等人，2020年；Yang等人，2024年；Yang等人，2017年）。同时，城市化使人口集中在城市地区，增加了对ESs的社会需求（Chen等人，2019年；Peng等人，2017年）。因此，了解城市化对区域ESs的影响对于城市和区域的可持续发展至关重要。
大量研究关注了城市发展对ESs供给的影响。许多研究记录了土地利用变化对ESs的负面影响（Hasan等人，2020年；Mitchell和Devisscher，2022年；Song等人，2024年；Yang等人，2024年）。例如，Mitchell和Devisscher（2022年）指出，城市化导致ESs供给减少。Peng等人（2017年）发现土地利用城市化与ESs之间存在负相关关系，表明土地利用城市化对ESs的影响比人口和经济增长城市化更大更直接。虽然这些研究表明城市扩张占用生态用地会导致ESs的直接损失，但很少有研究进一步区分这些土地在ES供给方面的重要性（Yushanjiang等人，2024年）。
鉴于生态系统提供多种类型的ESs，了解多种ESs之间的复杂关系以及土地利用变化对多种ESs的影响对于改善景观管理和提高人类福祉至关重要（Chen和Chi，2022年；Holt等人，2015年；Meng等人，2025年；Qiu等人，2019年；Song等人，2022年）。ESs之间的关系包括三种类型——权衡、协同作用和捆绑效应（Cord等人，2017年）。ES捆绑是指在不同空间和时间尺度上共同出现的ESs集群，体现了生态系统的多功能性（Raudsepp-Hearne等人，2010年）。越来越多的研究致力于量化多种ESs的空间分布模式，并确定用于生态功能分区的ES捆绑（Cao等人，2020年；Huang等人，2023年；Li等人，2024b；Peng等人，2019年；Wang等人，2024b；Yang等人，2019年）。例如，Li等人（2019年）基于三种类型的ESs（即碳封存、土壤保持和水产）量化了ES捆绑，以分类七种景观功能分区。Xiao和Xiao（2018年）应用了四组ESs来识别重庆市的潜在保护区域，以改善生态管理。Yang等人（2019年）使用ES捆绑来识别具有相似主导ESs的县，并在202个京津冀县中检测高价值和低价值的ESs区域，用于土地利用管理。这些研究表明，ES捆绑可以识别每个区域的主要服务功能并分类不同地区的保护级别，这有助于政策制定者实施基于地点的策略，以提高景观管理的效率。鉴于对生态福祉的社会需求不断增加以及城市地区ESs的严重恶化，越来越多的研究进一步确定了基于城市地区ES捆绑演变的生态恢复优先地点（Chen等人，2020年；Li和Li，2025年；Liu等人，2022年；Wang等人，2024a）。例如，Liu等人（2022年）基于ES捆绑和城市化效应，有效识别了深圳快速城市化区域中需要优先恢复的区域。Wang等人（2024年）根据ES捆绑对景观功能区进行了分类，然后分析了不同功能区的社会生态因素对ES权衡/协同作用的影响，以支持城市可持续发展（Wang等人，2024a）。然而，关于快速城市化地区中哪些生态保护优先地点受到威胁的程度知之甚少。例如，“城市扩张是否更频繁地发生在提供多种关键ESs的地点？”或“这些变化在多大程度上影响了ESs的供需平衡？”等问题仍无解答。
中国于2014年启动了“新型城镇化战略”，将城市集聚区（UAs）作为城镇化的主要形式（Lu和Chen，2015年）。目前，中国的UA容纳了72%的城市人口，并在仅占29%的土地面积上贡献了超过80%的GDP（Fang等人，2021年）。与此同时，UA的快速城市化也导致了严重的生态环境退化，引发了多种ESs的下降，威胁了区域生态安全和ESs的供需平衡。虽然之前的研究基于UA中的ES捆绑探讨了ESs对城市化的响应（Li等人，2024年；Song等人，2024年；Wang等人，2024a），但很少有研究进一步确定哪些被侵占的生态用地对维持ES供需平衡最为关键。这一差距限制了对生态-城市化关系的全面理解，阻碍了针对性保护策略的发展。此外，尽管已经广泛研究了城市扩张对ES供需空间不匹配的影响，但将ES供需动态转化为空间明确的保护优先级的研究仍然有限。
为解决这些研究空白，我们进行了一项比较研究，量化了2000年至2020年间城市发展对中国三个UA中多种关键ESs的影响，并测试城市化如何影响多种关键ESs共存的生态保护优先区域。我们选择了两个成熟的UA——京津冀城市集聚区（BTHUA）和粤港澳大湾区（GBA），以及一个正在发展的UA——长株潭城市集聚区（CZTUA）作为研究区域。首先，我们绘制了四种关键生态系统服务（碳封存、食物生产、野生动物潜在栖息地和水分保持）的生物物理供给图；然后确定了每种ES供给的相对重要性，并比较了这三个UA中不同类型关键ES捆绑的分布。我们量化了关键ESs/ES捆绑的动态，并研究了城市扩张导致的多种关键ESs的损失，以测试城市化对多种关键ESs的影响。最后，我们确定了结合关键ESs供需的保护优先区域，并测量了这些区域中关键ESs供给的损失，以测试这些变化如何影响ES供需的平衡。我们的发现通过将ES的多功能性与城市化相关的ES供需关系变化相结合，为确定城市边缘的优先保护区提供了新的见解。本研究的结果可以增强对不同城市化水平下UA中关键ESs对城市发展响应的理解，并对土地利用管理和区域生态保护具有重要的意义。

研究区域
本研究关注中国的三个城市集聚区，包括京津冀城市集聚区（BTHUA）、长株潭城市集聚区（CZTUA）和粤港澳大湾区（GBA）（图1）。我们选择这三个城市集聚区（UAs）基于三个主要标准：
1) 地理代表性，这三个UA分别位于中国北部、中部和南部；
2) 城市化程度。BTHUA和GBA是五个特大城市集聚区中的两个。

三种中国城市超级区域内不同类型关键ESs的分布差异
三个中国城市超级区域内超过60%的区域提供了关键ESs（图2），我们还发现三种关键ES在这三个超级区域之间存在较大差异（图3、图4）。在BTHUA中，分别有超过一半的总面积提供了单一关键ES和两种关键ES（图3a），占比分别为25.8%和25.1%（图3a）。在提供单一关键ES的区域中，提供HQ（最高质量ES）的比例最高（9.25%）。

结论
快速的城市化和城市集聚区（UAs）高强度的人类活动改变了生态系统的结构和功能，从而显著影响了区域生态系统服务（ESs）。许多研究对城市化对ESs的影响进行了定量分析，表明城市扩张导致了ESs的退化。然而，城市扩张在多大程度上侵占了城市周边提供多种高水平ESs的生态用地，以及这种变化如何影响ES的供需平衡，目前仍不明确。

作者贡献声明
赵文辉：验证、监督、资金获取、正式分析；
王静：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、调查、资金获取、正式分析、概念化；
周伟棋：写作——审稿与编辑、监督、调查、资金获取、概念化；
刘静：写作——初稿、资源、方法论、正式分析、数据管理、概念化；
李佳玉：可视化、验证。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的报告。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U21A2010、42471109和42261144742）的资助。