【文献分享】基于碳流的干旱区城市化进程、生态系统服务与人类福祉关系：以玛纳斯河流域为例

（1）从碳流的角度出发，以碳元素为载体，对玛纳斯河流域（MRB）的城市化、生态系统服务和人类福祉进行定量评估。这种基于元素流的研究视角有助于统一研究维度，避免常规综合指标评价方法中数据标准化时因数据维度不同而产生的误差，为研究城市化、生态系统服务和人类福祉之间复杂的关系提供了新的思路。

1.城市化、生态系统服务和人类福祉的变化

1.1城市化碳排放的时空演变特征

经过15年的经济建设，城市的发展取得了举世瞩目的成就。图3（a，d）。表明所有城镇化水平稳步提升。2015年，经济、土地、人口和社会的城镇化碳排放量分别达到2000年的27.78倍、11.58倍、1.59倍和6.44倍。人口城镇化进程较为平稳，经济城镇化增速显著。全流域城镇化碳排放增长了10.34倍。从空间分布来看（图4），城市化碳排放量呈现出以市县主城区为中心向外减少的分布规律，尤其是石河子市区碳排放量最高，约占全流域的一半，是全流域的政治文化中心。土地作为经济发展的载体，与经济城市化有着密切的关系。两者都是城市化的重要内容和支撑，经济城市化、土地城市化和总量城市化的空间布局具有很强的一致性。人口城市化的空间分布与经济城市化、土地城市化的空间分布不同，说明人口集聚与经济集聚在部分地区并不同步。与2000年相比，2015年各乡镇或圆场均有不同程度的改善，尤其是石河子。

1.2生态系统服务固碳的时空演化特征

自然生态系统的服务水平与气候和人类活动的变化有关，尤其受土地利用变化的影响。图3（b、d）显示，2000年至2015年经济建设和水土开发过程中，生态系统服务也发生了明显变化，供给服务呈现持续改善趋势，固碳量为2000年的3.06倍。文化服务、支持服务、调节服务和总服务呈现波动式下降趋势。与2000年相比，这些服务分别下降了46.97%、21.65%、16.45%和12.31%。2010 年略有回升，原因是在绿洲种植了大量农田防护林，以防止沙尘对环境造成危害。2010年以后的下降是由于生态用水的供给随着生产生活用水的增加而受到挤压，植被大量死亡。从空间分布来看（图4），除供给服务外，生态系统服务的高价值区域与城市化区域大致相反，主要分布在流域上游山区和下游沙漠灌丛区，反映了距离市中心越远，服务水平越高的分布趋势。上游地区依托森林覆盖率高的资源优势，在景观游憩、水土保持、水源涵养、气候调节和生境提供服务方面贡献最大，而下游荒漠灌丛地区在水土保持、水文调节和生境提供服务方面保持较高的服务水平。受城市发展和建设的影响，2015年流域大部分地区生态系统服务下降，尤其是上游和主城区。只有位于沙湾县和新湖农场地区的部分圆田有所增加。

1.3人类福祉的动态特征

在城市社会经济发展的推动下，人类福祉在研究期间显著改善。2015年的总碳储量增长到2000年的1.92倍（图3（d））；其中，2015年，社会福祉中的碳储存是2000年的0.57倍，作为人类福祉改善的主要贡献者的经济福祉是2000年的2.69倍。然而，作为人类福祉的重要组成部分，生态福祉下降了23.24%。从幸福感指标的时间趋势来看（图3（c）），安全福祉（SW）的增长较小，变化相对稳定。健康福祉（HW）增长显著，呈线性增长，总体社会福祉（SociW）稳步改善。从2000年到2005年，物质保障福祉（MSW）和生产与发展福祉（PDW）变化不大。2005-2015年期间，物质保障福祉持续增加，增幅相对明显，而生产发展福祉显著增加，总体经济福祉（EconW）和生产发展福祉呈现相同的变化趋势。高质量环境福祉（HEW）、生态安全福祉（ESW）和整体生态福祉（EcolW）变化趋势相同，呈波动下降趋势，表明城市化进程的干扰威胁着自然生态系统的稳定性。加强流域生态保护，使城市与资源环境协调发展，应引起流域特别是生态脆弱的干旱地区管理者的重视。

2.城市化与生态系统服务的关系

为了探讨 2000-2015 年城市化水平提高后城市发展对生态系统服务的影响，采用约束线方法揭示了两个系统之间的关系。城市化与生态系统服务之间存在三种约束关系：驼峰型、对数型和负线型关系（图5）。结果表明，经济城市化、土地城市化和总量城市化对生态系统服务具有明显的约束作用，约束关系呈对数曲线，表明生态系统服务的潜在最大值随着城市化水平的提高而降低，约束强度随着经济规模和土地开发强度的增加而逐渐增强。社会城市化和人口城市化对支持服务、调节服务、文化服务和生态系统服务总量具有负向线约束，并以更稳定的约束力限制这些服务的改善。社会城市化和人口城市化与服务供给呈现驼峰型约束关系，存在阈值。城市化进程增加了对供给服务的需求，促进了耕地面积的扩大，提高了供给服务的水平。然而，在城市化程度较高的地区，提供的服务受到耕地面积的限制，耕地面积低于城市化程度较低的地区。城市化水平的提高减少了人们对当地生态系统原材料的依赖。总量城市化、经济城市化和土地城市化对生态系统服务总量和各维度的约束相同，表明三者之间的关系更为密切，虽然约束强度不同，但对服务的作用过程相似。无论哪种约束关系，城市化都对生态系统服务产生了负面影响。显然，这不利于流域可持续高质量发展的实现。未来两者的关系能否实现U型转变，生态系统服务能否与城市发展呈现积极的合作关系？要回答这些问题，城市发展战略至关重要。

3.城市化与人类福祉的关系

城市建设的最终目的是改善人类福祉，城市发展的质量关系到人类福祉可持续实现的潜力。基于以碳为媒介的城市化与人类福祉定量结果，本文计算了石河子市、沙湾县、玛纳斯县及全流域城市发展的效益指数，即单位城市化碳排放量对福祉碳储量的贡献。图6显示三个行政区和流域的总体开发效益呈下降趋势，其中玛纳斯县降幅最大，达到69.21%，2000年至2010年大幅下降，2010年至2015年保持稳定。沙湾县2005年降至最低点，随后略有上升并保持稳定，总体下降幅度为49.92%。石河子市呈持续下降趋势，降幅达58.03%。受益于产业结构调整，沙湾县城市发展指数高于石河子市和玛纳斯县。流域整体呈直线下降趋势，下降率为59.16%，表明流域城市化进程仍是以高资源消耗为支撑的粗放型发展过程；此外，资源利用率持续减少，这与发展低碳经济的目标相悖。

4.城市化、生态系统服务与人类福祉的相关性分析

从相关热图中可以看出，一级指标中的社会经济福祉与城市化总体水平（OU）和除人口城市化之外的其他维度呈非常显著的正相关（P<0.01），而与生态系统服务总体水平（OES）和除供给服务之外的其他维度（呈现非常显著的正相关）呈负相关（图7）。特别是与文化服务表现出非常显著的负相关。生态福祉与社会经济福祉相反，生态福祉与城市化呈负相关，尤其与经济城市化和土地城市化。在生态系统服务方面，生态福祉与支持服务、调节服务和总量服务呈非常显著的正相关，而与供给服务和文化服务呈较低的负相关。二级福祉指标与城市化和生态系统服务之间的关系与一级指标的关系基本一致。总体而言，人类福祉与城市化呈非常显著的正相关，而与生态系统服务呈显著的正相关。城市化对人类福祉的影响大于生态系统服务。