南京地區(qū)城市化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力的影響

陸婋泉 劉穎 李波 陳宇沁 蘇慧玲

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，南京 210019

1 引言

最近幾十年，全球多地都經(jīng)歷了快速的城市化和工業(yè)化進(jìn)程，城市擴(kuò)張已成為全球變化重要的組成部分之一（Vitousek et al.,1997;Zhao et al.,2016）。城市化和工業(yè)化伴隨著顯著的土地利用與覆蓋變化，是人類(lèi)對(duì)自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)改變最劇烈的方式之一，其引起的變化會(huì)對(duì)區(qū)域氣候及陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重大影響（Carreiro and Tripler,2005;Tan et al.,2005;Radeloff et al.,2010;Su et al.,2016）。城市區(qū)域也是能量和水資源消耗中心，人類(lèi)生產(chǎn)生活特別是工業(yè)活動(dòng)會(huì)改變區(qū)域水文條件，增加人為熱通量、溫室氣體與氣溶膠的排放（Zhang et al.,2013;Fu et al.,2015;Chen and Chen,2016）。城市地區(qū)原生植被及農(nóng)田被建筑物、道路等不透水面所替代，改變了城市區(qū)域的下墊面生物物理性質(zhì)和熱力學(xué)特征，導(dǎo)致出現(xiàn)氣溫高于周邊的 “城市熱島效應(yīng)”（羅鑫玥和陳明星,2019;Qian et al.,2022）。陸地生態(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)社會(huì)提供了食物、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料和景觀價(jià)值，同時(shí)在區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、碳循環(huán)和水循環(huán)等方面具有重要的作用（Migliavacca et al.,2021;Su et al.,2022）。城市擴(kuò)張使城市區(qū)域的原生植被及農(nóng)田被建筑物、道路等不透水面所替代，會(huì)直接改變區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和固碳能力；而城市化帶來(lái)的區(qū)域氣候的變化也會(huì)對(duì)城市及周邊地區(qū)植被的生長(zhǎng)和碳吸收產(chǎn)生影響。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)可吸收約30%的人為CO2排放（Le Quéré et al.,2018）。在邁向“雙碳”目標(biāo)的背景下，考慮到陸地生態(tài)系統(tǒng)在減緩大氣CO2濃度上升方面所具有的不可忽視的作用，迫切需要提高我們對(duì)城市化如何影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)（Le Quéré et al.,2018;Guan et al.,2019;樸世龍等,2022a,2022b）。

植被總初級(jí)生產(chǎn)力（Gross Primary Productivity,GPP）是指植被通過(guò)光合作用在單位時(shí)間和面積上固定的有機(jī)碳總量（方精云等,2001），表征了植被的固碳能力。GPP 決定了進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的初始物質(zhì)和能量，是生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)。城市及周?chē)貐^(qū)植被GPP 因城市擴(kuò)張而發(fā)生變化，這可能會(huì)影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)安全，并進(jìn)一步影響城市生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的可持續(xù)性（Imhoff et al.,2000;Grimm et al.,2008）。土地覆蓋變化和城市環(huán)境的變化是決定城市化對(duì)植被生長(zhǎng)影響的主要因素。植被轉(zhuǎn)化為不透水面導(dǎo)致植被覆蓋度下降，進(jìn)而導(dǎo)致GPP 降低是城市化的直接影響，其程度隨城市化強(qiáng)度的增加而提高。城市化還會(huì)通過(guò)改變植被生長(zhǎng)環(huán)境而導(dǎo)致植被GPP 變化，這與城市熱島效應(yīng)、CO2施肥效應(yīng)、氮沉降和人為管理有關(guān)。同時(shí)人類(lèi)對(duì)城市地區(qū)綠地的人為綠化、灌溉、施肥等管理措施會(huì)影響到植被GPP，而城市擴(kuò)張后人為綠化種植的樹(shù)木樹(shù)齡提高，也會(huì)帶來(lái)GPP 的提高（Chen et al.,2022）。城市化導(dǎo)致包括區(qū)域溫度和水分條件、空氣質(zhì)量、CO2濃度等環(huán)境因素改變，這些因素之間復(fù)雜的相互作用及人為管理可以對(duì)不同植物物種產(chǎn)生或積極或消極的間接影響（Buyantuyev and Wu,2009;Piana et al.,2019）。為了全面量化城市化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響，Zhao et al.（2016）提出了一個(gè)研究框架，定量地將城市化對(duì)植被的影響分為直接影響和間接影響兩部分。該框架的有效性和合理性在許多研究中得到了進(jìn)一步的證實(shí)（Jia et al.,2018;Zhong et al.,2019;Chen et al.,2022）。然而該框架不能直接應(yīng)用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)比較，因?yàn)樗谔囟ǖ臅r(shí)間點(diǎn)。為了系統(tǒng)地理解城市擴(kuò)張過(guò)程對(duì)植被的動(dòng)態(tài)影響，Guan et al.（2019）進(jìn)一步提出了一個(gè)改進(jìn)的動(dòng)態(tài)框架，以昆明市為例研究了城市化影響的長(zhǎng)時(shí)間序列變化。這些研究的結(jié)果為城市化的直接和間接影響提供了重要的參考價(jià)值。

改革開(kāi)放以來(lái)，伴隨著顯著的工業(yè)化進(jìn)程，中國(guó)城市化率從1979 年的17.92% 增長(zhǎng)到2020 年的63.89%，中國(guó)經(jīng)歷了世界歷史上規(guī)模最大、速度最快的城市化進(jìn)程，成為了全球城市擴(kuò)張的熱點(diǎn)地區(qū)（Wang et al.,2012;Taubenb?ck et al.,2019;Liu et al.,2021）。作為中國(guó)最具經(jīng)濟(jì)活力和對(duì)外開(kāi)放最早的地區(qū)之一，長(zhǎng)三角城市群制造業(yè)發(fā)達(dá)，以新建工業(yè)園區(qū)和建設(shè)配套居住區(qū)驅(qū)動(dòng)的城市擴(kuò)張模式發(fā)展迅速，部分城市建成區(qū)已經(jīng)連成一片（Liu et al.,2021）。這些地區(qū)自古以來(lái)自然環(huán)境良好，植被茂盛，在農(nóng)業(yè)社會(huì)時(shí)被稱(chēng)為“魚(yú)米之鄉(xiāng)”。進(jìn)入工業(yè)社會(huì)后，工業(yè)園區(qū)、道路和居住用地侵占了耕地和自然植被，對(duì)區(qū)域氣候和碳收支產(chǎn)生了巨大影響（Chen et al.,2016;Su et al.,2022）。南京地處長(zhǎng)江三角洲西部，人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是江蘇省省會(huì)、南京都市圈核心城市和華東地區(qū)的特大城市。南京是“十四五”規(guī)劃綱要和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)規(guī)劃培育的大都市圈，擁有江寧經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、南京高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)（浦口）、南京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)（棲霞）和南京化學(xué)工業(yè)園區(qū)等典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)，常住人口從2000 年的545 萬(wàn)增加至2020 年的931 萬(wàn)，城市面積過(guò)去20 年擴(kuò)張顯著。

本文基于具有長(zhǎng)時(shí)間序列的高分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)和降尺度GPP 產(chǎn)品，選取南京作為研究案例，探究了南京市2000～2020 年城市擴(kuò)張趨勢(shì)與GPP的變化情況，評(píng)估和分析了城市擴(kuò)張對(duì)植被GPP直接和間接影響的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，研究結(jié)果可以對(duì)未來(lái)建設(shè)生態(tài)城市和環(huán)境友好型城市提供參考。

2 資料與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)與預(yù)處理

2000～2020 年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)年總初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集來(lái)自國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)（Fan et al.,2023）。該數(shù)據(jù)集基于ChinaFLUX 的長(zhǎng)期聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和其他關(guān)于植被、氣候和土壤等因素的公開(kāi)數(shù)據(jù)集，利用隨機(jī)森林回歸樹(shù)模型生成了2000～2020 年每年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)GPP 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為30 角秒（約1 km），數(shù)據(jù)格式為tiff。

土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)采用了Yang and Huang（2021）制作的中國(guó)區(qū)域土地覆蓋數(shù)據(jù)集（China Land Cover Dataset,CLCD），該數(shù)據(jù)集基于Google Earth Engine 上Landsat 影 像，提 供了1985～2021 年中國(guó)區(qū)域逐年土地覆蓋數(shù)據(jù)集。CLCD 數(shù)據(jù)集將土地覆蓋類(lèi)型分為森林、灌叢、草地、農(nóng)田、水體、濕地、雪蓋、裸土和不透水面9種類(lèi)型。CLCD 數(shù)據(jù)集是目前少有的可公開(kāi)獲取的30 m 分辨率長(zhǎng)時(shí)序逐年土地覆被數(shù)據(jù)，其反映了中國(guó)快速的城市化進(jìn)程和一系列生態(tài)工程，揭示了氣候變化條件下人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地覆蓋的影響，在全球變化研究中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

用于定義城市范圍的數(shù)據(jù)集來(lái)自Figshare 數(shù)據(jù)庫(kù)，空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)集基于融合多源夜間燈光遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，提供了1992～2020 年全球范圍內(nèi)每年城市覆蓋范圍，能有效捕捉城市化的歷史軌跡（Zhao et al.,2022）?；谠摂?shù)據(jù)集，定義以新街口（32°02'38＂N，118°46'43＂E）為中心半徑32 km 范圍內(nèi)，2000 年城區(qū)范圍為老城區(qū)，2020 年相比2000 年擴(kuò)大的城區(qū)范圍定義為新城區(qū)，以新街口為中心半徑32 km 范圍內(nèi)在2020 年仍為非城區(qū)的范圍定義為郊區(qū)（圖1）。

本研究以GPP 數(shù)據(jù)經(jīng)緯度網(wǎng)格為基準(zhǔn)，用最鄰近插值法將1 km 城市范圍數(shù)據(jù)與GPP 數(shù)據(jù)相匹配，同時(shí)將30 m 分辨率CLCD 數(shù)據(jù)匯總到與GPP數(shù)據(jù)相同的網(wǎng)格上，計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)內(nèi)不同地表覆蓋類(lèi)型的比例，獲得每個(gè)格點(diǎn)逐年的城市化強(qiáng)度。城市化強(qiáng)度定義為每個(gè)格點(diǎn)內(nèi)不透水面所占的比例。南京地區(qū)周邊非城市地表覆蓋類(lèi)型以農(nóng)田、水體和森林為主，其他類(lèi)型的占比極少，故本研究中僅對(duì)以上4 種覆蓋類(lèi)型作統(tǒng)計(jì)。

2.2 研究方法

城市化對(duì)區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響因素較多，包括植被損失、城市綠化、城市熱島效應(yīng)、城市綠地人工管理等。在這些影響因素中，城市建設(shè)導(dǎo)致的土地覆蓋變化是直接影響，它直接改變了植被覆蓋面積，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳吸收產(chǎn)生重要的負(fù)面影響。氣候變化和人為因素能夠改變植被的生長(zhǎng)狀況，影響到剩余植被的生長(zhǎng)。

本文采用了Guan et al.（2019）改進(jìn)的可以識(shí)別城市化對(duì)植被生產(chǎn)力直接和間接影響的長(zhǎng)時(shí)間變化的分析框架，該方法假設(shè)城市格點(diǎn)的植被生產(chǎn)力由植被覆蓋的比例所決定，以某一時(shí)刻為基準(zhǔn)，城市擴(kuò)張的直接效應(yīng)與城市化強(qiáng)度變化線性相關(guān)，而之后每年的實(shí)際GPP 與城市擴(kuò)張后理論GPP 值的差值定義為包含氣候變化影響和城市化局地間接影響的剩余項(xiàng)，方便起見(jiàn)后續(xù)簡(jiǎn)稱(chēng)間接影響。

城市化的直接效應(yīng)以t0時(shí)刻生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)為基準(zhǔn)，計(jì)算從t0時(shí)刻到t1時(shí)刻理論上由于城市擴(kuò)張所造成的GPP 損失：

其中，D(x,t1) 表示x格點(diǎn)t1時(shí)刻的城市化對(duì)植被生產(chǎn)力的直接影響，β(x,t0) 和β(x,t1) 分別表示x格點(diǎn)上t0時(shí)刻和t1時(shí)刻的城市化強(qiáng)度，GPP(x,t0)是x格點(diǎn)t0時(shí)刻的總初級(jí)生產(chǎn)力值。理論上，在不考慮氣候背景變化和城市化的間接效應(yīng)時(shí)，t1時(shí)刻的GPP 應(yīng)該是t0時(shí)刻的GPP 加上直接效應(yīng)，GPPh(t1)是t1時(shí)刻僅考慮城市化的直接效應(yīng)時(shí)的GPP 理論值，即

但實(shí)際的GPP 會(huì)與理論值存在差異，根據(jù)Guan et al.（2019）提出的框架，定義這個(gè)差值為包含氣候變化貢獻(xiàn)的間接效應(yīng)

其中，GPP(x,t1) 是城市化后實(shí)際GPP 值。

本研究選取2000 年作為參考標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了2001～2020 年南京城市化對(duì)老城區(qū)、新城區(qū)和郊區(qū)3 個(gè)區(qū)域GPP 的直接和間接影響，并分析了距城市中心不同距離上的直接與間接影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市擴(kuò)張與植被生產(chǎn)力變化趨勢(shì)

圖2 顯示了2000 年和2020 年南京市城區(qū)及周邊土地覆蓋變化與植被GPP 變化趨勢(shì)。南京過(guò)去20 年呈現(xiàn)出以老城區(qū)為中心，多板塊擴(kuò)張的城市發(fā)展模式。2000 年南京市城區(qū)范圍集中在長(zhǎng)江以南，周邊以農(nóng)田為主，長(zhǎng)江以北的老山山脈和城東方向的寧鎮(zhèn)山脈環(huán)繞主城區(qū)，而長(zhǎng)江以北的不透水面成點(diǎn)狀聚集分布（圖2a）。2000～2020 年間南京長(zhǎng)江以南城區(qū)范圍向東北、西南和南部有明顯擴(kuò)張（圖2c），而江北城區(qū)擴(kuò)張受老山和長(zhǎng)江的限制，形成了西南—東北方向的連成一片條帶狀城區(qū)（圖2b）。與此同時(shí)，南京主城區(qū)周邊的中小城市也擴(kuò)張顯著，郊區(qū)不透水面比例也有所增加。在以南京新街口為中心半徑32 km 范圍內(nèi)，不透水面覆蓋面積從2000 年的620.31 km2增長(zhǎng)至2020 年的1245.66 km2，面積擴(kuò)大了約一倍。城市的擴(kuò)張直接改變了原有的自然植被和農(nóng)田，森林和農(nóng)田面積分別下降了102.63 km2和500.52 km2。與城市擴(kuò)張相對(duì)應(yīng)，GPP 變化趨勢(shì)在不同區(qū)域也存在差異。整體而言，南京及周邊植被GPP 呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與全球尺度的植被變綠趨勢(shì)相一致，但是不透水面比例增加顯著的區(qū)域，植被GPP 上升趨勢(shì)不顯著或表現(xiàn)為顯著的下降趨勢(shì)，這表明城市化導(dǎo)致了植被損失，使生態(tài)系統(tǒng)碳吸收功能受到了不利影響（圖2d）。

圖2 南京市（a）2000 年和（b）2020 年30 m 南京市城區(qū)及周邊土地覆蓋變化；2000～2020 年（c）城市化強(qiáng)度變化空間分布、（d）總初級(jí)生產(chǎn)力（Gross Primary Productivity,GPP）變化趨勢(shì)。帶點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)0.01 顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域Fig.2 Land cover distributions with a spatial resolution of 30 m in Nanjing in (a) 2000 and (b) 2020;(c) Spatial distribution of urbanization intensity changes and (d) trend of Gross Primary Productivity (GPP) from 2000 to 2020.The dotted areas pass 0.01 significance test

我們統(tǒng)計(jì)了2000 年和2020 年距城市中心不同距離范圍內(nèi)的城市化強(qiáng)度和平均GPP。如圖3 所示，距城市中心越遠(yuǎn)，城市化強(qiáng)度越低，植被GPP 越高。2000 年，城市建成區(qū)主要集中在距市中心12 km 范圍內(nèi)，市中心4 km 內(nèi)GPP 接近于0。16 km 范圍外，GPP 不再隨距離增加而改變，相對(duì)穩(wěn)定在1100 g(C) m-2a-1上下。2000～2020 年，距市中心8～20 km 范圍的城市化強(qiáng)度顯著增加，區(qū)域平均GPP 相對(duì)保持不變或略有下降。距市中心20 km 范圍外，城市化強(qiáng)度與GPP 均有增加。同時(shí)注意到在2000 年和2020 年，距市中心32 km 之外城市化強(qiáng)度與GPP 不再隨距離增加而明顯變化，因此在定義郊區(qū)范圍時(shí)采用半徑為32 km 范圍作為受城市化影響顯著的區(qū)域。

圖3 2000 年和2020 年南京市平均城市化強(qiáng)度（β）與GPP 隨距城市中心（32°02'38＂N,118°46'43＂E）距離的分布Fig.3 Average urbanization intensity (β) and GPP at different distances from the urban center (32°02'38＂N,118°46'43＂E) in 2000 and 2020

根據(jù)2.1 節(jié)定義的老城區(qū)、新城區(qū)和郊區(qū)范圍，統(tǒng)計(jì)了3 個(gè)區(qū)域2000～2020 年不同地表覆蓋類(lèi)型占比變化和GPP 變化趨勢(shì)（圖4）。老城區(qū)范圍內(nèi)不透水面占絕對(duì)多數(shù)，其占比從2000 年的63.17%逐步增加，在2015 年后相對(duì)穩(wěn)定在80%左右（圖4a）。新城區(qū)不透水面占比從2000 年的19.35%增加到2020 年的54.3%，增長(zhǎng)最為明顯，逐漸接近老城區(qū)2000 年的水平（圖4b）。南京市郊區(qū)在過(guò)去20 年也存在村鎮(zhèn)擴(kuò)張和道路建設(shè)，因此郊區(qū)不透水面占比也有所增加（增加了9.12%，圖4c）。城市擴(kuò)張占用了大量的耕地，2000 年新城區(qū)農(nóng)田在3 種地表覆蓋類(lèi)型中占絕對(duì)多數(shù)（72.24%），而在2014 年新城區(qū)不透水面超過(guò)了耕地面積，到2020 年老城區(qū)和郊區(qū)的耕地占比也分別下降了13.24%和6.41%。

圖4 2000～2020 年南京（a）老城區(qū)、（b）新城區(qū)和（c）郊區(qū)土地覆蓋類(lèi)型變化與（d）植被GPP 變化（s 和p 分別為GPP 年際變化趨勢(shì)及其顯著性水平）Fig.4 Land cover change in (a) old urban area,(b) new urban area,and (c) suburban area and (d) vegetation GPP trend of Nanjing during 2000-2020(s and p represent the interannual trend and significance level of GPP,respectively)

對(duì)比3 個(gè)區(qū)域的植被生產(chǎn)力可以發(fā)現(xiàn)，老城區(qū)由于植被覆蓋最少，平均GPP 最低，始終小于500 g(C) m-2a-1。郊區(qū)以耕地為主，同時(shí)有一定面積的森林，GPP 最高，可達(dá)約1200 g(C) m-2a-1。從變化趨勢(shì)上來(lái)看，由于老城區(qū)和郊區(qū)植被覆蓋損失比例較小，GPP 并未下降，其中郊區(qū)GPP 呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)[增加了6.43 g(C) m-2a-1，p＜0.05]。而與城市劇烈擴(kuò)張相對(duì)應(yīng)，新城區(qū)GPP 呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)[減少了4.64 g(C) m-2a-1，p＜0.05]，表明由于城市化，植被損失導(dǎo)致了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力下降。

3.2 城市化的直接和間接影響

為了研究南京城市化對(duì)植被生產(chǎn)力的影響，我們計(jì)算了2000～2020 年南京市老城區(qū)、新城區(qū)和郊區(qū)的城市化直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。2000～2020年由于城市不透水面擴(kuò)張，老城區(qū)、新城區(qū)和郊區(qū)城市化降低植被GPP 的直接效應(yīng)均隨時(shí)間增大（圖5），其中新城區(qū)不透水面擴(kuò)張占用的耕地和森林面積最大，因此新城區(qū)的城市化直接效應(yīng)導(dǎo)致的植被GPP 降低也最大，2016～2020 年平均達(dá)-366.19 g(C) m-2a-1，幅度遠(yuǎn)大于老城區(qū)和郊區(qū)的-191.06 g(C) m-2a-1和-101.59 g(C) m-2a-1（表1）。在3 個(gè)區(qū)域城市化的包含區(qū)域氣候變化影響的間接效應(yīng)對(duì)植被碳吸收均為促進(jìn)作用，提高了GPP，在一定程度上緩解了城市擴(kuò)張的負(fù)面影響。新城區(qū)間接效應(yīng)對(duì)GPP 的促進(jìn)作用的增長(zhǎng)趨勢(shì)最強(qiáng)[ 增加了16.61 g(C) m-2a-1]，老城區(qū)最弱[增加了11.74 g(C) m-2a-1]。

表1 2000～2020 年南京市城市化對(duì)GPP 直接和間接影響的變化趨勢(shì)Table 1 Variation trends of direct and indirect impacts of urbanization on GPP in Nanjing during 2000-2020

圖5 南京市（a）老城區(qū)、（b）新城區(qū)和（c）郊區(qū)2000～2020 年城市化的直接與間接效應(yīng)的時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 Time trends of direct and indirect effects of urbanization in the (a) old city,(b) new city,and (c) suburbs of Nanjing from 2000 to 2020

我們統(tǒng)計(jì)了距南京市中心不同距離上2016～2020 年平均的直接與間接效應(yīng)。如圖6 所示，由于城市中心4 km 范圍內(nèi)植被覆蓋極少，城市化對(duì)植被生產(chǎn)力的影響也幾乎為0。直接影響的幅度隨距市中心距離的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在8～12 km，這與圖3 中8～12 km 上城市化強(qiáng)度增加幅度最大相匹配。間接影響的絕對(duì)值隨距離增加先增加，超過(guò)16 km 后略有下降，而后穩(wěn)定在約300 g(C) m-2a-1左右?？紤]到不同距離上城市化強(qiáng)度和植被GPP 存在差異，我們計(jì)算了不同距離上直接效應(yīng)與間接效應(yīng)相對(duì)于2000 年GPP 的比例。如圖6 所示，直接效應(yīng)與間接效應(yīng)對(duì)GPP的影響隨距離也呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在4～12 km 范圍內(nèi)，直接效應(yīng)與間接效應(yīng)相對(duì)2000 年GPP 的比例均接近50%。結(jié)合表1 可知，城市化對(duì)剩余植被GPP 促進(jìn)作用在城區(qū)范圍內(nèi)強(qiáng)于郊區(qū)。間接效應(yīng)對(duì)GPP 的促進(jìn)作用能夠抵消相當(dāng)比例的直接效應(yīng)，僅在擴(kuò)張最顯著的8～12 km范圍內(nèi)直接效應(yīng)超過(guò)間接效應(yīng)，造成了GPP 下降（圖6）。超過(guò)24 km 后，間接效應(yīng)的占比穩(wěn)定在約25%，不再隨距離增加而明顯變化?？紤]到距城市中心超過(guò)24 km 已經(jīng)是遠(yuǎn)郊區(qū)，其植被受城市化導(dǎo)致的城市熱島效應(yīng)、CO2施肥效應(yīng)等影響較小，故此時(shí)“間接效應(yīng)”更多是由區(qū)域氣候背景變化所貢獻(xiàn)的。

整體而言，城市化的直接效應(yīng)導(dǎo)致植被生產(chǎn)力損失，而氣候變化和間接效應(yīng)對(duì)城市及周邊區(qū)域植被GPP 都是促進(jìn)作用，表明區(qū)域氣候背景的改變與城市化導(dǎo)致的局地植被生長(zhǎng)條件的改變共同作用有利于剩余植被生長(zhǎng)，一定程度上緩解了城市化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的負(fù)面影響，在之前的一些研究中也有類(lèi)似的結(jié)論（Zhao et al.,2016;Guan et al.,2019;Zhong et al.,2021）。

4 總結(jié)與討論

本文選取南京市作為案例，以GPP 作為反映植被響應(yīng)的指標(biāo)，分析了南京市過(guò)去20 年城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)及其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響。研究發(fā)現(xiàn)南京市在2000～2020 年城區(qū)范圍出現(xiàn)明顯擴(kuò)張，不透水面面積增加了一倍以上，城市擴(kuò)張區(qū)域主要出現(xiàn)在江北地區(qū)及江寧區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)和棲霞區(qū)等新型產(chǎn)業(yè)園區(qū)附近。南京市區(qū)域植被GPP 整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但在城市化強(qiáng)度顯著增加的區(qū)域，植被GPP 表現(xiàn)為下降或微弱上升。以往關(guān)于城市化對(duì)植被影響的研究大多只集中在總體影響上，沒(méi)有明確直接和間接的影響。本研究區(qū)分了城市化的直接效應(yīng)與間接效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)張過(guò)程中植被轉(zhuǎn)化為不透水面導(dǎo)致植被覆蓋降低的直接效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域GPP 下降，尤其是城市化強(qiáng)度增加幅度最大的新城區(qū)范圍。但是區(qū)域氣候變化與城市化的間接作用會(huì)影響剩余植被的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)植被生長(zhǎng)使GPP 增加，這在一定程度上緩解了城市化的不利影響。一方面城區(qū)氣溫升高會(huì)使得植被物候期開(kāi)始提前，物候期延長(zhǎng)（Gu et al.,2011;Wang et al.,2019），另一方面城市地區(qū)更高的CO2濃度（Wang et al.,2019,2020）和含氮?dú)馊苣z沉降（Gregg et al.,2003;Bytnerowicz et al.,2007）以及人為管理（Chen et al.,2022）等因素也會(huì)促進(jìn)植被生長(zhǎng)。城區(qū)間接效應(yīng)的貢獻(xiàn)強(qiáng)于郊區(qū)，這與之前國(guó)內(nèi)外許多關(guān)于其他城市的研究結(jié)論相似（Zhao et al.,2016;Guan et al.,2019;Zhong et al.,2021）。

本研究也存在一定的不確定性。研究使用到的土地覆蓋數(shù)據(jù)分辨率為30 m，在城市內(nèi)一些次網(wǎng)格的行道樹(shù)和小型綠地可能被識(shí)別為不透水面，這會(huì)造成部分植被并未考慮在內(nèi)，從而對(duì)直接效應(yīng)和間接效應(yīng)造成高估。另一方面由于全球變暖和CO2濃度升高，即使不發(fā)生城市擴(kuò)張，植被GPP也會(huì)隨時(shí)間改變，如圖5 和圖6 中遠(yuǎn)郊區(qū)GPP 即表現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)。我們的分析中以2000 年為基準(zhǔn)，若考慮氣候變化的影響，實(shí)際的直接效應(yīng)可能會(huì)更大，而剝離氣候變化影響的間接效應(yīng)會(huì)更小，由城市化產(chǎn)生的間接效應(yīng)并不能完全抵消土地利用改變?cè)斐傻闹苯有?yīng)。

據(jù)預(yù)測(cè)，到2050 年全球城市人口的比例將達(dá)到68%（Zhong et al.,2023），發(fā)展中國(guó)家和人口大國(guó)的城市化將繼續(xù)高速發(fā)展，這種趨勢(shì)將對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)和碳循環(huán)產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。城市擴(kuò)張對(duì)植被的影響與城市發(fā)展階段、擴(kuò)張模式、氣候背景等多種因素有關(guān)，以往城市化受限于高分辨率植被數(shù)據(jù)的缺乏，有關(guān)城市化對(duì)植被生長(zhǎng)與碳循環(huán)的直接和間接影響的分析相對(duì)較少。隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多高時(shí)空分辨率和高精度的遙感數(shù)據(jù)將有助于在更細(xì)的尺度上深入探究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，如分析不同城市功能區(qū)（如工業(yè)園區(qū)、居住用地、城市綠地等）生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的變化和影響機(jī)制?？紤]到在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，中國(guó)和全球其他地區(qū)主要城市繼續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)不會(huì)改變，表征和理解城市擴(kuò)張對(duì)植被生產(chǎn)力的影響有助于我們更好地應(yīng)對(duì)全球變化、優(yōu)化城市發(fā)展方式、推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)和構(gòu)建環(huán)境友好型社會(huì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。